WO2023151750A1 - Elektrischer achsantriebsstrang - Google Patents

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WO2023151750A1
WO2023151750A1 PCT/DE2023/100075 DE2023100075W WO2023151750A1 WO 2023151750 A1 WO2023151750 A1 WO 2023151750A1 DE 2023100075 W DE2023100075 W DE 2023100075W WO 2023151750 A1 WO2023151750 A1 WO 2023151750A1
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WO
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bearing
drive train
rotor shaft
axle drive
rotor
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PCT/DE2023/100075
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English (en)
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Inventor
Bernhard Walter
Original Assignee
Schaeffler Technologies AG & Co. KG
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K7/00—Arrangements for handling mechanical energy structurally associated with dynamo-electric machines, e.g. structural association with mechanical driving motors or auxiliary dynamo-electric machines
    • H02K7/08—Structural association with bearings
    • H02K7/083—Structural association with bearings radially supporting the rotary shaft at both ends of the rotor
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K21/00—Synchronous motors having permanent magnets; Synchronous generators having permanent magnets
    • H02K21/12—Synchronous motors having permanent magnets; Synchronous generators having permanent magnets with stationary armatures and rotating magnets
    • H02K21/24—Synchronous motors having permanent magnets; Synchronous generators having permanent magnets with stationary armatures and rotating magnets with magnets axially facing the armatures, e.g. hub-type cycle dynamos
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K7/00—Arrangements for handling mechanical energy structurally associated with dynamo-electric machines, e.g. structural association with mechanical driving motors or auxiliary dynamo-electric machines
    • H02K7/10—Structural association with clutches, brakes, gears, pulleys or mechanical starters
    • H02K7/116—Structural association with clutches, brakes, gears, pulleys or mechanical starters with gears
    • H—ELECTRICITY
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    • H02K16/00—Machines with more than one rotor or stator
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    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K16/00—Machines with more than one rotor or stator
    • H02K16/04—Machines with one rotor and two stators

Definitions

  • the present invention relates to an electric axle drive train for a motor vehicle that can be operated electrically or hybrid, comprising an electric machine and a transmission arrangement operatively connected to the electric machine, the electric machine having a stator and a rotor which can rotate relative to the stator and which is rotatably mounted via a roller bearing arrangement , The electrical machine is rotatably connected axially through the rotor shaft.
  • Electric motors are increasingly being used to drive motor vehicles in order to create alternatives to internal combustion engines that require fossil fuels.
  • Significant efforts have already been made to improve the suitability for everyday use of electric drives and also to be able to offer users the driving comfort they are accustomed to.
  • axial flow machines are also increasingly being used as drive units.
  • An axial flux machine is a dynamo-electric machine in which the magnetic flux between the rotor and stator runs parallel to the axis of rotation of the rotor. Often, both the stator and the rotor are largely disc-shaped. Axial flow machines are particularly advantageous when the space available axially is limited in a given application. This is often the case, for example, with the electric drive systems for electric or hybrid vehicles described at the outset.
  • an axial flux machine includes at least one stator that has windings for generating the axially aligned magnetic field. At least one rotor is equipped with permanent magnets, for example, whose magnetic field generates a drive torque via an air gap in interaction with the magnetic field of the stator windings.
  • the noise generated by the drive is playing an increasingly important role, particularly in the case of hybrid or fully electric drive concepts.
  • high electromagnetic excitation can occur during operation of such an electric machine for a hybrid or all-electric drive train, for example, which can also lead to acoustic vibrations in the structural components of the electric machine or the drive train.
  • This can then also be acoustically perceptible in the vehicle interior, which is regularly perceived as annoying. This is all the more important since such interference noises are particularly noticeable during electrical operation of a corresponding vehicle and adversely affect the otherwise acoustically particularly quiet driving experience.
  • roller bearing arrangements When mounting the rotors in such electrical machines, roller bearing arrangements are usually used.
  • floating bearings for example, are usually pressed onto the rotor shaft so that they have a tight fit on the inner ring of the roller bearing.
  • the bearing outer ring is generally designed to be displaceable during operation to compensate for heat-induced linear expansion of the rotor shaft.
  • the bearing outer ring is regularly preloaded to create favorable running conditions between the ball set and the bearing raceways of the floating bearing and to improve the acoustics. Due to the prestressed bearing, unwanted acoustic abnormalities of the corresponding roller bearing can be avoided by forming a freedom from play in the bearing components moving against one another.
  • an electric axle drive train for an electric or hybrid motor vehicle comprising an electric machine and a transmission arrangement operatively connected to the electric machine, the electric machine having a stator and a rotor which can rotate relative to the stator and which can be rotated with a roller bearing arrangement bearings, the rotor shaft that passes axially through the electrical machine is connected in a torque-proof manner, with the one-piece rotor shaft extending axially into the transmission arrangement and the rotor shaft being connected to at least one torque-transmitting transmission element, with the roller bearing arrangement comprising a fixed bearing and a floating bearing, with the fixed bearing axially between the torque-transmitting gear element and the rotor is positioned, while the floating bearing is arranged on the gear element remote from the distal end of the rotor shaft.
  • the roller bearing arrangement comprises at least two roller bearings spaced apart axially.
  • Rolling bearings can be used in particular to enable rotary movements with the lowest possible friction losses.
  • Rolling bearings can be used in particular to fix and/or mount axles and shafts, depending on the design, absorbing radial and/or axial forces and at the same time enabling the rotation of the shaft or the components mounted on an axle in this way.
  • rolling elements are arranged between an inner ring and an outer ring of the roller bearing. Between these three main components, inner ring, outer ring and the rolling elements, it is usually mainly rolling friction that occurs within the rolling bearing. Since the rolling elements in the inner and outer ring can preferably roll on hardened steel surfaces with optimized lubrication, the rolling friction of such bearings is relatively low.
  • the inner ring can in particular connect the shaft accommodating the roller bearing to the roller bearing or the roller bodies.
  • the shaft can be connected to the side of the lateral surface of the inner ring that faces the shaft, with the rolling elements of the roller bearing rolling on the inner ring raceway that is opposite this lateral surface.
  • the inner ring can be made of a metallic and/or ceramic material. In principle, it is conceivable to design the inner ring in one piece or in multiple pieces, in particular in two pieces.
  • the inner ring can have an inner ring groove.
  • a cover disk, sealing disk and/or seal can be arranged in an inner ring groove, in particular in a non-positive and/or positive manner.
  • the inner ring recess is preferably designed as a circumferential groove in the inner ring.
  • the outer ring can, in particular, connect the bearing arrangement accommodating the roller bearing to the roller bearing or the roller bodies.
  • the bearing can be connected to the side of the lateral surface of the outer ring facing the bearing, the rolling elements of the roller bearing rolling on the outer ring raceway opposite this lateral surface.
  • the outer ring can be made of a metallic and/or ceramic material. In principle, it is conceivable to design the outer ring in one piece or in multiple pieces, in particular in two pieces.
  • the outer ring can have an outer ring groove.
  • a cover disk, sealing disk and/or seal can be arranged in an outer ring groove, in particular in a non-positive and/or positive manner.
  • the recess in the outer ring is preferably designed as a circumferential groove in the outer ring.
  • the rolling elements have the shape of a ball or a roller. They roll on the raceways of the roller bearing and have the task of transferring the force acting on a radial roller bearing from the outer ring to the inner ring and vice versa. In an axial roller bearing, the rolling elements transmit the forces acting on the axial roller bearing between the running disks. Roller-shaped rolling elements are also referred to as roller rolling elements and spherical rolling elements as bearing balls.
  • Roller-shaped rolling bodies can be selected, for example, from the group of symmetrical spherical rollers, asymmetrical spherical rollers, cylindrical rollers, needle rollers and/or tapered rollers.
  • the rolling bodies can roll within the rolling bearing, in particular on the inner ring raceway of the inner ring.
  • the surface of the inner ring raceway can advantageously be designed to be correspondingly abrasion-resistant, for example also by means of a corresponding surface treatment process and/or by applying a corresponding additional layer of material.
  • the inner ring raceway can be flat or profiled.
  • a profiled design of the inner ring raceway can be used, for example, to guide the rolling elements on the inner ring raceway.
  • a planar formation of the inner ring raceway can, for example, allow a certain axial displaceability of the rolling elements on the inner ring raceway.
  • the rolling bodies can roll within the rolling bearing, in particular on the outer ring raceway of the outer ring.
  • the surface of the outer ring raceway can advantageously be designed to be abrasion-resistant, for example by means of a corresponding surface treatment process and/or by applying a corresponding additional layer of material.
  • the outer ring raceway can be flat or profiled.
  • a profiled design of the outer ring raceway can be used, for example, to guide the rolling elements on the outer ring raceway.
  • a flat shape of the outer ring raceway can, for example, allow a certain axial displaceability of the rolling elements on the outer ring raceway.
  • Rolling elements can be guided and spaced apart in a cage or by rolling element spacers. In principle, it is also conceivable to design a roller bearing without a cage, which is also referred to as a full complement roller bearing. In full complement rolling bearings, adjacent rolling elements can contact each other.
  • a roller bearing can have a cage, with the cage guiding the rolling bodies.
  • the cage is designed in such a way that the rolling element balls and/or the rolling element rollers are spaced apart from one another so that, for example, the friction and heat development of the rolling elements is kept as low as possible. Furthermore, the cage keeps the rolling element balls and/or rolling element rollers at a fixed distance from one another during rolling, as a result of which an even load distribution can be achieved.
  • the cage can be made in one piece or in several pieces.
  • a roller bearing may have a seal to prevent lubricant from escaping from the roller bearing or dirt or moisture from entering the roller bearing.
  • the seals used can be provided with one or more sealing lips, which can rest against a component of the roller bearing. These are designed in such a way that on the one hand they seal the bearing for as long as possible over the entire service life, and on the other hand the friction caused by the adjacent seal is not too high.
  • An electrically operable final drive train includes an electric machine and a transmission assembly coupled to the electric machine.
  • the gear arrangement and the electric machine form a structural unit.
  • This can be formed, for example, by means of a drive train housing, in which the transmission arrangement and the electric machine are accommodated together.
  • the electrical machine preferably has a motor housing and/or the transmission arrangement has a transmission housing, in which case the structural unit can then be effected by fixing the transmission arrangement in relation to the electrical machine.
  • the gearbox housing is a housing for accommodating a gearbox. It has the task of guiding existing shafts via the bearings and giving the wheels (possibly cam disks) the degrees of freedom they require under all loads without impeding their rotational and possible path movement, as well as absorbing bearing forces and supporting torques.
  • a transmission housing can be single-shell or multi-shell, that is, undivided or divided. In particular, the transmission housing should also dampen both noise and vibrations and also be able to safely accommodate hydraulic fluid.
  • the transmission housing is preferably formed from a metallic material, particularly preferably from aluminum, gray cast iron or cast steel, in particular by means of a primary shaping process such as casting or die-casting.
  • the motor housing encloses the electric machine.
  • a motor housing can also accommodate the control and power electronics.
  • the motor housing can also be part of a cooling system for the electric machine and can be designed in such a way that hydraulic fluid can be supplied to the electric machine via the motor housing and/or the heat can be dissipated to the outside via the housing surfaces.
  • the motor housing protects the electrical machine and any electronics that may be present from external influences.
  • a motor housing can be formed in particular from a metallic material.
  • the motor housing can be formed from a metallic cast material, such as die-cast aluminum, die-cast magnesium, cast iron or cast steel.
  • the motor housing can preferably be made in several parts.
  • the electrical machine is used to convert electrical energy into mechanical energy and/or vice versa, and it generally comprises a stationary part, referred to as a stator, stand or armature, and a stationary part, referred to as a rotor or runner, that is arranged such that it can move, in particular rotate, relative to the stationary part Part.
  • a rotatably mounted shaft of an electrical machine is referred to as a rotor shaft, with which the rotor or rotor body is coupled in a torque-proof manner.
  • the electric machine of the axle drive train according to the invention is preferably designed as an axial flow machine.
  • the magnetic flux in an electric axial flux machine (AFM) is directed in the air gap between the stator and rotor axially to a direction of rotation of the rotor of the axial flux machine.
  • a known type is a so-called I-arrangement, in which the rotor is arranged axially next to a stator or between two stators.
  • Another known type is a so-called Fl arrangement, in which two rotors are arranged on opposite axial sides of a stator.
  • the electric axial flux machine is preferably configured as an I type.
  • a plurality of rotor-stator configurations can be arranged axially next to one another as an I-type and/or H-type. It would also be possible in this connection to arrange both one or more I-type rotor-stator configurations and one or more H-type rotor-stator configurations next to one another in the axial direction.
  • the rotor-stator configuration of the H-type and/or the I-type are each configured essentially identically, so that they can be assembled in a modular manner to form an overall configuration.
  • Such rotor-stator configurations can in particular be arranged coaxially to one another and can be connected to a common rotor shaft or to a plurality of rotor shafts.
  • the electric machine is dimensioned in such a way that vehicle speeds of more than 50 km/h, preferably more than 80 km/h and in particular more than 100 km/h can be achieved.
  • the electric motor particularly preferably has an output of more than 30 kW, preferably more than 50 kW and in particular more than 70 kW.
  • the electrical machine provides speeds greater than 5,000 rpm, particularly preferably greater than 10,000 rpm, very particularly preferably greater than 12,500 rpm.
  • motor vehicles are land vehicles that are moved by machine power without being tied to railroad tracks.
  • a Motor vehicle can for example be selected from the group of
  • the transmission arrangement can be coupled to the electric machine, which is designed to generate a drive torque for the motor vehicle.
  • the drive torque is particularly preferably a main drive torque, so that the motor vehicle is driven exclusively by the drive torque.
  • the gear arrangement is preferably designed as a planetary gear.
  • the electrical machine can also have a control device.
  • a control device as can be used in the present invention, is used in particular for the electronic control and/or regulation of one or more technical systems of the electrical machine.
  • a control device has, in particular, a wired or wireless signal input for receiving electrical signals, in particular, such as sensor signals. Furthermore, a control device likewise preferably has a wired or wireless signal output for the transmission of, in particular, electrical signals.
  • Control operations and/or regulation operations can be carried out within the control device. It is very particularly preferred that the control device includes hardware that is designed to run software.
  • the control device preferably comprises at least one electronic processor for executing program sequences defined in software.
  • the control device can also have one or more electronic memories in which the data contained in the signals transmitted to the control device can be stored and read out again. Furthermore, the control device can have one or more electronic memories in which data can be stored in a changeable and/or unchangeable manner.
  • a control device can include a plurality of control devices, which are arranged in particular spatially separated from one another in the motor vehicle. Control units are also referred to as electronic control units (ECU) or electronic control modules (ECM) and preferably have electronic microcontrollers for carrying out computing operations for processing data, particularly preferably using software.
  • the control devices can preferably be networked with one another, so that a wired and/or wireless data exchange between control devices is made possible. In particular, it is also possible to network the control units with one another via bus systems present in the motor vehicle, such as a CAN bus or LIN bus.
  • the control device very particularly preferably has at least one processor and at least one memory, which in particular contains a computer program code, the memory and the computer program code being configured with the processor to cause the control device to execute the computer program code.
  • the control unit can particularly preferably include power electronics for energizing the stator or rotor.
  • Power electronics is preferably a combination of different components that control or regulate a current to the electrical machine, preferably including peripheral components required for this purpose, such as cooling elements or power supply units.
  • the power electronics contain one or more power electronics components that are set up to control or regulate a current. This is particularly preferably one or more circuit breakers, e.g.
  • the power electronics particularly preferably have more than two, particularly preferably three, phases or current paths which are separate from one another and each have at least one separate power electronics component.
  • the power electronics are preferably designed to control or regulate a power per phase with a peak power, preferably continuous power, of at least 10 W, preferably at least 100 W, particularly preferably at least 1000 W.
  • the electrical machine is configured as an axial flow machine, as a result of which an axle drive train that is particularly compact in axial terms can be implemented.
  • the stator of the electrical axial flow machine preferably has a stator body with a plurality of stator windings arranged in the circumferential direction. Viewed in the circumferential direction, the stator body can be designed in one piece or in segments.
  • the stator body can be formed from a laminated stator core with a plurality of laminated electrical laminations. Alternatively, the stator body can also be formed from a pressed soft magnetic material, such as the so-called SMC material (Soft Magnetic Compound).
  • the rotor of an electrical axial flow machine can be designed at least in part as a laminated rotor.
  • a laminated rotor is formed in layers in the axial direction.
  • the rotor of an axial flow machine can also have a rotor carrier, which is designed to be fitted with magnetic sheets and/or SMC material and with magnetic elements designed as permanent magnets.
  • the electric machine is configured as an axial flux machine in an I arrangement, with a first annular disk-shaped stator body facing the transmission element and a second annular disk-shaped stator body, which is spaced apart axially and faces away from the transmission element, between them the disk-shaped stator is arranged.
  • the fixed bearing is arranged radially inside the first annular disk-shaped stator body, which also contributes to an axially particularly compact structure.
  • the invention can also be further developed in such a way that the floating bearing is designed as a single-row ball bearing.
  • the loose bearing is designed as a single-row four-point ball bearing.
  • the advantage of this configuration is that the single-row four-point ball bearing has space and efficiency advantages over other types of roller bearings for the given applications.
  • a radial play that is preferably present can ensure a certain self-centering of the rotor shaft.
  • the fixed bearing is axially fixed on the one hand on a shaft shoulder of the rotor shaft and on the other hand by means of a screw nut that can be displaced axially relative to the rotor shaft and is subjected to a bearing preload.
  • the fixed bearing can be acted upon without play and preferably also with a bearing preload, the bearing preload being easily adjustable by means of the screw nut.
  • the rotor shaft has a corresponding toothing or a corresponding thread in the area of the screw nut.
  • the fixed bearing is secured on its axial side facing the transmission element by a ring element on one side axially opposite the first stator body, with the ring element carrying a shaft sealing ring which contacts the rotor shaft so that the electric machine is sealed against the transmission arrangement, in particular in a liquid-tight manner, which also contributes to an axially particularly compact configuration of the final drive train.
  • this can also result in a hydraulic separation, for example between a wet-running transmission arrangement and the electric machine.
  • the roller bearing arrangement has a third roller bearing that is arranged radially inside the second annular disk-shaped stator body and rotatably supports the rotor shaft relative to the second stator body.
  • the invention can also be advantageously implemented in such a way that the electric axle drive train comprises two essentially identical electric machines designed as axial flow machines, the rotor shafts of which are arranged coaxially to one another and whose rear walls which abut one another and extend in the radial direction are connected to one another, with each each of the two axial flow machines includes a roller bearing arrangement which has exactly one fixed bearing and one floating bearing.
  • the advantage that results from this is, in particular, that the third roller bearing for the axial support of the second stator body can be dispensed with, since the axial support of the second stator body is provided by the rear walls that are firmly connected to one another.
  • the floating bearing can preferably be arranged radially within a hydraulic release device.
  • the hydraulic release device can be used in particular to actuate a clutch, in particular a separating clutch, a brake and/or a release bearing within the final drive train.
  • the hydraulic arrangement can also be used within a multi-speed and shiftable transmission arrangement, such as that found as shiftable planetary gears in axle drive trains, with the actuation of such a multi-speed and shiftable transmission arrangement being effected by a hydraulic release device.
  • the release device is preferably configured as a central release device in which a central release piston can be displaced axially hydraulically.
  • the central slave includes a central slave housing.
  • the central release housing has the function of accommodating components of the central release, in particular the moving central release piston, and protecting them from external mechanical or chemical influences. Furthermore, the central release housing has the function of allowing simple assembly and fixing of the central release within the drive train.
  • the central slave cylinder housing can preferably be formed from a plastic, a metallic material and/or a ceramic material.
  • the central slave housing can be made in one piece or in several pieces.
  • the central slave cylinder housing can preferably be formed from a plastic, a metallic material and/or a ceramic material. In a particularly preferred embodiment, the central slave cylinder housing is made of die-cast aluminum.
  • the ring-shaped central release piston chamber formed in the central release housing serves to accommodate and guide the ring-shaped central release piston that is linearly movably mounted in the central release housing.
  • the function of the central slave cylinder is to convert hydraulic pressurization into a linear displacement of the central slave cylinder.
  • the central slave cylinder can have a ring-shaped central slave cylinder or multiple central slave cylinders (multi-piston slave cylinder).
  • the central slave cylinder piston is made of aluminum.
  • the central slave can also include a central slave piston seal.
  • the central release piston seal seals the linearly moveable central release piston from the central release housing that accommodates the central release piston.
  • the central release piston seal can in particular be designed as a seal.
  • the central release piston seal can in particular be positively connected to the central release piston.
  • a form-fitting connection between the central release piston and the is particularly preferred CSC piston seal designed as a snap connection.
  • the central release piston seal is formed from an elastic, particularly preferably rubber-elastic material.
  • the elastic material can preferably consist entirely or partially of an elastomer, the elastomers in turn preferably being selected from the group of vulcanizates of natural rubber and silicone rubber.
  • FIG. 1 shows a first embodiment of an electric axle drive train with an electric machine in an axial sectional view
  • FIG. 2 shows a second embodiment of an electric axle drive train with two electric machines in an axial sectional view
  • FIG. 3 shows a motor vehicle with an electric axle drive train in a schematic block diagram.
  • the figure shows an electric axle drive train 1 for an electrically operated motor vehicle 2, as is also sketched in FIG. 3 as an example.
  • the final drive train 1 comprises an electric machine 3 designed as an axial flux machine in an I-configuration and a transmission arrangement 4 which is operatively connected to the electric machine 3 via the rotor shaft 8.
  • the electric machine 3 has a stator 5 and a rotor 6 which can be rotated relative to the stator 5 and which has rotatably connected to a rotor shaft 8 which is rotatably mounted via a roller bearing arrangement 7 and which penetrates the electrical machine 3 axially.
  • the integrally formed rotor shaft 8 extends axially into the
  • Gear assembly 4 inside.
  • the roller bearing arrangement 7 comprises a fixed bearing 10 and a floating bearing 11, with the fixed bearing 10 being positioned axially between the torque-transmitting gear element 9 and the rotor 6, while the floating bearing 11 is arranged on the distal end 12 of the rotor shaft 8 facing away from the gear element 9.
  • the electric machine 3 is configured as an axial flux machine in an I-arrangement, with a first annular disk-shaped stator body 13 facing the transmission element 9 and a second annular disk-shaped stator body 14 spaced axially therefrom and facing away from the transmission element 9, between which the disk-shaped Stator 5 is arranged.
  • the fixed bearing 10 is arranged radially inside the first annular disk-shaped stator body 13 and is designed as a double-row angular contact ball bearing.
  • the floating bearing 11, on the other hand, is designed as a single-row ball bearing.
  • the fixed bearing 10 is axially fixed at its inner rings on the one hand to a shaft shoulder 16 of the rotor shaft 8 and on the other hand by means of a nut 20 that can be displaced axially with respect to the rotor shaft 8 and subjected to a bearing preload.
  • the fixed bearing 10 On its outer ring facing the transmission element 9 , the fixed bearing 10 is secured on one side axially relative to the first stator body 13 by a ring element 17 on its axial side facing the transmission element 9 .
  • the ring element 17 carries a shaft sealing ring 18, which contacts the rotor shaft 8 circumferentially, so that the electric machine 1 is sealed with respect to the transmission arrangement 4, in particular in a liquid-tight manner.
  • the roller bearing arrangement 7 has a third roller bearing 15 which is arranged radially inside the second annular disk-shaped stator body 14 and supports the rotor shaft 8 so that it can rotate relative to the second stator body 14 .
  • the rotor shaft 8 is of stepped design. Here are the fixed bearing 10 and the third roller bearing 15 on approximately the same diameter of the rotor shaft 8, while the floating bearing 11 is arranged on a smaller diameter of the rotor shaft 8.
  • the floating bearing 11 is arranged radially inside a hydraulic release device 21 .
  • the release device 21 is configured as a central releaser in which a central release piston 22 can be displaced axially hydraulically.
  • the central release piston is guided in the central release housing 23 and acts, for example, on the transmission arrangement 4, for example in order to actuate a shifting process in a multi-speed transmission.
  • the outer ring of the floating bearing 11 bears against a cylindrical, axially extending lateral surface of the central release housing 23 , while the inner ring of the floating bearing 11 is supported on the rotor shaft 8 .
  • the axle drive train 1 known from FIG. 1 is shown in FIG. 1a of FIG.
  • FIG. 2 shows a second embodiment of an axle drive train 1, which comprises two electrical machines 3 configured as axial flow machines that are essentially identical in construction, as are known from FIG. This is also shown in FIG. 1b of FIG.
  • Such an axle drive train is sometimes also referred to as a twin drive.
  • the rotor shafts 8 of the electrical machines 3 are arranged coaxially to one another and their rear walls 19, which extend in the radial direction and abut one another, are connected to one another, with each of the two axial flow machines comprising a rolling bearing arrangement 7, which has exactly one fixed bearing 10 and one floating bearing 11.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen elektrischen Achsantriebsstrang (1) für ein elektrisch oder hybrid betreibbares Kraftfahrzeug (2) umfassend eine elektrische Maschine (3) und eine mit der elektrischen Maschine (3) Wirkverbundenen Getriebeanordnung (4), wobei die elektrische Maschine (3) einen Stator (5) und einen relativ zum Stator (5) drehbaren Rotor (6) aufweist, welcher mit einer über eine Wälzlageranordnung (7) drehbar gelagerten, die elektrische Maschine (1) axial durchgreifende Rotorwelle (8) drehfest verbunden ist, wobei sich die einstückig ausgebildete Rotorwelle (8) axial in die Getriebeanordnung (4) hineinerstreckt und die Rotorwelle (8) mit wenigstens einem drehmomentübertragenden Getriebeelement (9) verbunden ist, wobei die Wälzlageranordnung (7) ein Festlager (10) und ein Loslager (11) umfasst, wobei das Festlager (10) axial zwischen dem drehmomentübertragenden Getriebeelement (9) und dem Rotor (6) positioniert ist, während das Loslager (11) an dem dem Getriebeelement (9) abgewandten distalen Ende (12) der Rotorwelle (8) angeordnet ist.

Description

Elektrischer Achsantriebsstranq
Die vorliegende Erfindung betrifft einen elektrischen Achsantriebsstrang für ein elektrisch oder hybrid betreibbares Kraftfahrzeug umfassend eine elektrische Maschine und eine mit der elektrischen Maschine wirkverbundenen Getriebeanordnung, wobei die elektrische Maschine einen Stator und einen relativ zum Stator drehbaren Rotor aufweist, welcher mit einer über eine Wälzlageranordnung drehbar gelagerten, die elektrische Maschine axial durchgreifende Rotorwelle drehfest verbunden ist.
Bei Kraftfahrzeugen werden für den Antrieb verstärkt Elektromotoren eingesetzt, um Alternativen zu Verbrennungsmotoren zu schaffen, die fossile Brennstoffe benötigen. Um die Alltagstauglichkeit der Elektroantriebe zu verbessern und zudem den Benutzern den gewohnten Fahrkomfort bieten zu können, sind bereits erhebliche Anstrengungen unternommen worden. Zunehmend werden in derartigen automobilen Anwendungen auch Axialflussmaschinen als Antriebsaggregate eingesetzt.
Eine Axialflussmaschine bezeichnet eine dynamoelektrische Maschine, bei der der magnetische Fluss zwischen Rotor und Stator parallel zur Drehachse des Rotors verläuft. Häufig sind sowohl Stator als auch Rotor weitgehend scheibenförmig ausgebildet. Axialflussmaschinen sind insbesondere dann vorteilhaft, wenn der axial zur Verfügung stehende Bauraum in einem gegebenen Anwendungsfall begrenzt ist. Dies ist beispielsweise vielfach beiden eingangs beschriebenen elektrischen Antriebsystemen für Elektro- oder Hybridfahrzeuge der Fall.
Neben der verkürzten axialen Baulänge liegt ein weiterer Vorteil der Axialflussmaschine in ihrer vergleichsweise hohen Drehmomentdichte. Ursächlich hierfür ist die im Vergleich zu Radialflussmaschinen größere Luftspaltfläche, die bei einem gegebenen Bauraum zur Verfügung steht. Ferner ist auch ein geringeres Eisenvolumen im Vergleich zu konventionellen Maschinen notwendig, was sich positiv auf den Wirkungsgrad der Maschine auswirkt.
In der Regel umfasst eine Axialflussmaschine mindestens einen Stator, der Wicklungen zur Erzeugung des axial ausgerichteten magnetischen Feldes aufweist. Mindestens ein Rotor ist beispielsweise mit Permanentmagneten bestückt, deren magnetisches Feld in Wechselwirkung mit dem magnetischen Feld der Statorwicklungen über einen Luftspalt ein Antriebsmoment erzeugt.
Insbesondere bei hybriden oder vollelektrischen Antriebskonzepten spielen die Geräuschentwicklung durch den Antrieb eine zunehmend wichtigere Rolle. Systembedingt kann es im Betrieb einer derartigen elektrischen Maschine für einen hybriden oder vollelektrischen Antriebsstrang beispielsweise zu einer hohen elektromagnetischen Anregung kommen, welche auch zu akustischen Schwingungen in den Strukturbauteilen der elektrischen Maschine oder des Antriebsstrangs führen können. Dies kann dann auch im Fahrzeuginnenraum akustisch wahrnehmbar sein, was regelmäßig als störend empfunden wird. Dies ist umso bedeutender, da im elektrischen Betrieb eines entsprechenden Fahrzeugs, derartige Störgeräusche besonders auffallen und das ansonsten akustisch besonders ruhige Fahrerlebnis nachteilig beeinflussen.
Bei der Lagerung der Rotoren in derartigen elektrischen Maschinen kommen üblicherweise Wälzlageranordnungen zum Einsatz. Dabei werden beispielsweise Loslager üblicherweise auf der Rotorwelle aufgepresst, so dass diese einen Festsitz am Innenring des Wälzlagers aufweisen. Der Lageraußenring ist hierbei in der Regel zum Ausgleich von wärmeinduzierten Längenausdehnungen der Rotorwelle im Betrieb verschiebbar ausgeführt. Zur Herstellung vorteilhafter Laufverhältnisse zwischen Kugelsatz und Lagerlaufbahnen des Loslagers sowie zur akustischen Verbesserung, wird der Lageraußenring regelmäßig vorgespannt. Durch das vorgespannte Lager können ungewollte akustische Auffälligkeiten des entsprechenden Wälzlagers durch Ausbildung einer Spielfreiheit der sich gegeneinander bewegenden Lagerkomponenten vermieden werden.
Es ist daher die Aufgabe der Erfindung die aus dem Stand der Technik bekannten Probleme zu vermeiden oder zumindest abzuschwächen und einen elektrischen Achsantriebsstrang für ein elektrisch oder hybrid betreibbares Kraftfahrzeug bereitzustellen, welcher eine einen besonders kompakten Aufbau sowie eine hohe Laufruhe aufweist sowie kostengünstig in der Fertigung ist. Diese Aufgabe wird gelöst durch einen elektrischen Achsantriebsstrang für ein elektrisch oder hybrid betreibbares Kraftfahrzeug umfassend eine elektrische Maschine und eine mit der elektrischen Maschine wirkverbundenen Getriebeanordnung, wobei die elektrische Maschine einen Stator und einen relativ zum Stator drehbaren Rotor aufweist, welcher mit einer über eine Wälzlageranordnung drehbar gelagerten, die elektrische Maschine axial durchgreifende Rotorwelle drehfest verbunden ist, wobei sich die einstückig ausgebildete Rotorwelle axial in die Getriebeanordnung hineinerstreckt und die Rotorwelle mit wenigstens einem drehmomentübertragenden Getriebeelement verbunden ist, wobei die Wälzlageranordnung ein Festlager und ein Loslager umfasst, wobei das Festlager axial zwischen dem drehmomentübertragenden Getriebeelement und dem Rotor positioniert ist, während das Loslager an dem dem Getriebeelement abgewandten distalen Ende der Rotorwelle angeordnet ist.
Hierdurch wird der Vorteil eines besonders kompakten axialen Aufbaus und einer reduzierten Bauteilmenge durch die einteilige Ausbildung der Rotorwelle erzielt, was auch zu geringeren Herstellkosten führt. Ferner kann hierdurch die Wälzlageranordnung zur Lagerung der elektrischen Maschine und auch der Getriebeanordnung deutlich vereinfacht werden, was ebenfalls zu geringeren Herstellkosten beiträgt.
Zunächst werden die einzelnen Elemente des beanspruchten Erfindungsgegenstandes in der Reihenfolge ihrer Nennung im Anspruchssatz erläutert und nachfolgend besonders bevorzugte Ausgestaltungen des Erfindungsgegenstandes beschrieben.
Die Wälzlageranordnung umfasst wenigstens zwei axial voneinander beabstandete Wälzlager. Wälzlager können insbesondere dazu verwendet werden, Drehbewegungen mit möglichst geringen Reibungsverlusten zu ermöglichen. Wälzlager können insbesondere zur Fixierung und/oder Lagerung von Achsen und Wellen eingesetzt werden, wobei sie, je nach Bauform, radiale und/oder axiale Kräfte aufnehmen und gleichzeitig die Rotation der Welle oder der so auf einer Achse gelagerten Bauteile ermöglichen. Hierzu sind zwischen einem Innenring und einem Außenring des Wälzlagers abrollende Wälzkörper angeordnet. Zwischen diesen drei Hauptkomponenten Innenring, Außenring und den Wälzkörpern tritt innerhalb des Wälzlagers in der Regel hauptsächlich Rollreibung auf. Da die Wälzkörper im Innen- und Außenring bevorzugt auf gehärteten Stahlflächen mit optimierter Schmierung abrollen können, ist die Rollreibung derartiger Lager relativ gering.
Der Innenring kann insbesondere die Wälzlager aufnehmende Welle mit dem Wälzlager bzw. den Wälzkörpern verbinden. Dabei kann insbesondere die Welle mit der der Welle zugewandten Seite der Mantelfläche des Innenrings verbunden sein, wobei auf der dieser Mantelfläche gegenüberliegenden Innenringlaufbahn die Wälzkörper des Wälzlagers wälzen. Der Innenring kann aus einem metallischen und/oder keramischen Werkstoff gebildet sein. Es ist grundsätzlich denkbar, den Innenring einteilig oder mehrteilig, insbesondere zweiteilig auszubilden.
Der Innenring kann einen Innenringeinstich aufweisen. In einem Innenringeinstich kann insbesondere eine Abdeckscheibe, Dichtscheibe und/oder Dichtung insbesondere kraft- und/oder formschlüssig angeordnet sein. Bevorzugt ist der Innenringeinstich als eine umlaufende Nut in dem Innenring ausgebildet.
Der Außenring kann insbesondere die Wälzlager aufnehmende Lagerung mit dem Wälzlager bzw. den Wälzkörpern verbinden. Dabei kann insbesondere die Lagerung mit der der Lagerung zugewandten Seite der Mantelfläche des Außenrings verbunden sein, wobei der dieser Mantelfläche gegenüberliegenden Außenringlaufbahn die Wälzkörper des Wälzlagers wälzen. Der Außenring kann aus einem metallischen und/oder keramischen Werkstoff gebildet sein. Es ist grundsätzlich denkbar, den Außenring einteilig oder mehrteilig, insbesondere zweiteilig auszubilden.
Der Außenring kann einen Außenringeinstich aufweisen. In einem Außenringeinstich kann insbesondere eine Abdeckscheibe, Dichtscheibe und/oder Dichtung insbesondere kraft- und/oder formschlüssig angeordnet sein. Bevorzugt ist der Außenringeinstich als eine umlaufende Nut in dem Außenring ausgebildet. Die Wälzkörper haben abhängig von der Wälzlagerbauart die Form einer Kugel oder einer Rolle. Sie wälzen sich auf den Laufbahnen des Wälzlagers ab und haben die Aufgabe, die auf ein Radialwälzlager wirkende Kraft vom Außenring auf den Innenring und umgekehrt zu übertragen. Bei einem Axialwälzlager übertragen die Wälzkörper die auf das Axialwälzlager wirkenden Kräfte zwischen den Laufscheiben. Rollenförmige Wälzkörper werden auch als Rollenwälzkörper und kugelförmige Wälzkörper als Lagerkugel bezeichnet.
Rollenförmige Wälzkörper können beispielsweise ausgewählt sein aus der Gruppe der symmetrischen Pendelrollen, der asymmetrischen Pendelrollen, der Zylinderrollen, der Nadelrollen und/oder der Kegelrollen.
Die Wälzkörper können innerhalb des Wälzlagers insbesondere auf der Innenringlaufbahn des Innenrings abwälzen. Hierzu kann vorteilhafter Weise die Oberfläche der Innenringlaufbahn entsprechend abriebfest ausgebildet sein, beispielsweise auch durch ein entsprechendes Oberflächenbehandlungsverfahren und/oder durch Aufbringen einer entsprechenden zusätzlichen Materialschicht. Die Innenringlaufbahn kann eben oder profiliert ausgebildet sein. Eine profilierte Ausgestaltung der Innenringlaufbahn kann beispielsweise zur Führung der Wälzkörper auf der Innenringlaufbahn dienen. Eine ebene Ausformung der Innenringlaufbahn kann hingegen beispielsweise eine gewisse axiale Verschiebbarkeit der Wälzkörper auf der Innenringlaufbahn erlauben.
Die Wälzkörper können innerhalb des Wälzlagers insbesondere auf der Außenringlaufbahn des Außenrings abwälzen. Hierzu kann vorteilhafter Weise die Oberfläche der Außenringlaufbahn entsprechend abriebfest ausgebildet sein, beispielsweise auch durch ein entsprechendes Oberflächenbehandlungsverfahren und/oder durch Aufbringen einer entsprechenden zusätzlichen Materialschicht.
Die Außenringlaufbahn kann eben oder profiliert ausgebildet sein. Eine profilierte Ausgestaltung der Außenringlaufbahn kann beispielsweise zur Führung der Wälzkörper auf der Außenringlaufbahn dienen. Eine ebene Ausformung der Außenringlaufbahn kann hingegen beispielsweise eine gewisse axiale Verschiebbarkeit der Wälzkörper auf der Außenringlaufbahn erlauben. Wälzkörper können in einem Käfig oder durch Wälzkörperdistanzstücke geführt und voneinander beabstandet sein. Es ist grundsätzlich auch denkbar, ein käfigloses Wälzlager auszubilden, welches auch als vollrolliges Wälzlager bezeichnet wird. Bei vollrolligen Wälzlagern können sich benachbarte Wälzkörper kontaktieren.
Ein Wälzlager kann einen Käfig aufweisen, wobei der Käfig die Wälzkörper führt. Der Käfig so ausgebildet, dass die Wälzkörperkugeln und/oder die Wälzkörperrollen voneinander beabstandet werden, damit beispielsweise die Reibung und Wärmeentwicklung der Wälzkörper möglichst geringgehalten wird. Ferner hält der Käfig die Wälzkörperkugeln und/oder Wälzkörperrollen in einem festen Abstand beim Abwälzen zueinander, wodurch eine gleichmäßige Lastverteilung erzielt werden kann. Der Käfig kann einstückig oder mehrstückig ausgeführt sein.
Ein Wälzlager kann eine Dichtung aufweisen, um ein Austreten von Schmiermittel aus dem Wälzlager oder ein Eintreten von Schmutz oder Feuchtigkeit in das Wälzlager zu verhindern. Hierzu können die eingesetzten Dichtungen mit einer oder mehreren Dichtlippen versehen sein, die an einem Bauteil des Wälzlagers anliegen können. Diese sind derart ausgelegt, dass sie zum einen möglichst über die gesamte Lebensdauer das Lager abdichten, andererseits die Reibung durch die anliegende Dichtung nicht zu hoch ist.
Ein elektrisch betreibbarer Achsantriebsstrang umfasst eine elektrische Maschine und eine mit der elektrischen Maschine gekoppelte Getriebeanordnung. Die Getriebeanordnung und die elektrische Maschine bilden eine bauliche Einheit.
Diese kann beispielsweise mittels eines Antriebsstranggehäuses gebildet sein, in welchem die Getriebeanordnung und die elektrische Maschine gemeinsam aufgenommen sind.
Die elektrische Maschine besitzt bevorzugt ein Motorgehäuse und/oder die Getriebeanordnung ein Getriebegehäuse, wobei die bauliche Einheit dann über eine Fixierung der Getriebeanordnung gegenüber der elektrischen Maschine bewirkbar ist. Das Getriebegehäuse ist ein Gehäuse zur Aufnahme eines Getriebes. Es hat die Aufgabe, vorhandene Wellen jeweils über die Lager zu führen und den Rädern (eventuell Kurvenscheiben) bei allen Belastungen diejenigen Freiheitsgrade zu gewähren, derer sie bedürfen, ohne sie in der Dreh- und eventuell Bahnbewegung zu behindern, sowie Lagerkräfte und Abstützmomente aufzunehmen. Ein Getriebegehäuse kann ein- oder mehrschalig, das heißt, ungeteilt oder geteilt ausgebildet sein. Das Getriebegehäuse sollte insbesondere auch sowohl Geräusche und Vibrationen dämpfen als auch Hydraulikfluid sicher aufnehmen können. Das Getriebegehäuse ist bevorzugt aus einem metallischen Material, insbesondere bevorzugt aus Aluminium, Grauguss oder Stahlguss, insbesondere mittels einem Urformverfahren wie Gießen oder Druckguss geformt.
Das Motorgehäuse umhaust die elektrische Maschine. Ein Motorgehäuse kann darüber hinaus auch die Steuer- und Leistungselektronik aufnehmen. Das Motorgehäuse kann darüber hinaus auch Bestandteil eines Kühlsystems für die elektrische Maschine und derart ausgebildet sein, dass Hydraulikfluid über das Motorgehäuse der elektrischen Maschine zugeführt werden und/oder die Wärme über die Gehäuseflächen nach außen abgeführt werden kann. Darüber hinaus schützt das Motorgehäuse die elektrische Maschine sowie die ggf. vorhandene Elektronik vor äußeren Einflüssen. Ein Motorgehäuse kann insbesondere aus einem metallischen Material gebildet sein. Vorteilhafter Weise kann das Motorgehäuse aus einem metallischen Gussmaterial, wie zum Beispiel Aluminiumdruckguss, Magnesiumdruckguss, Grauguss oder Stahlguss geformt sein. Das Motorgehäuse kann bevorzugt mehrteilig ausgebildet sein.
Die elektrische Maschine dient zur Umwandlung elektrischer Energie in mechanische Energie und/oder umgekehrt, und sie umfasst in der Regel einen als Stator, Ständer oder Anker bezeichneten ortsfesten Teil sowie einen als Rotor oder Läufer bezeichneten und gegenüber dem ortsfesten Teil beweglich, insbesondere drehbar, angeordneten Teil.
Als Rotorwelle wird eine drehbar gelagerte Welle einer elektrischen Maschine bezeichnet, mit der der Rotor bzw. Rotorkörper drehfest gekoppelt ist. Die elektrische Maschine des erfindungsgemäßen Achsantriebsstrangs ist bevorzugt als Axialflussmaschine ausgebildet. Der magnetische Fluss in einer elektrischen Axialflussmaschine (AFM) ist im Luftspalt zwischen Stator und Rotor axial zu einer Rotationsrichtung des Rotors der Axialflussmaschine gerichtet. Es gibt unterschiedliche Typen von Axialflussmaschinen. Ein bekannter Typ ist eine sogenannte I-Anordnung, bei der der Rotor axial neben einem Stator oder zwischen zwei Statoren angeordnet ist. Ein anderer bekannter Typ ist eine sogenannte Fl- Anordnung, bei der zwei Rotoren auf gegenüberliegenden axialen Seiten eines Stators angeordnet sind. Die elektrische Axialflussmaschine ist bevorzugt als I-Typ konfiguriert.
Grundsätzlich ist es auch möglich, dass eine Mehrzahl von Rotor-Stator- Konfigurationen als I-Typ und/oder H-Typ axial nebeneinander angeordnet sind. Auch wäre es in diesem Zusammenhang möglich, sowohl eine oder mehrere Rotor- Stator-Konfigurationen des I-Typs sowie eine oder mehrere Rotor-Stator- Konfigurationen des H-Typs in axialer Richtung nebeneinander anzuordnen. Insbesondere ist es auch zu bevorzugen, dass die Rotor-Stator-Konfiguration des H-Typs und/oder des I-Typs jeweils im Wesentlichen identisch ausgebildet sind, so dass diese modulartig zu einer Gesamtkonfiguration zusammengefügt werden können. Derartige Rotor-Stator-Konfigurationen können insbesondere koaxial zueinander angeordnet sein sowie mit einer gemeinsamen Rotorwelle oder mit mehrere Rotorwellen verbunden sein.
Insbesondere ist die elektrische Maschine so dimensioniert, dass Fahrzeuggeschwindigkeiten größer als 50 km/h, vorzugsweise größer als 80 km/h und insbesondere größer als 100 km/h erreicht werden können. Besonders bevorzugt weist der Elektromotor eine Leistung größer als 30 kW, vorzugsweise größer als 50 kW und insbesondere größer als 70 kW auf. Es ist des Weiteren bevorzugt, dass die elektrische Maschine Drehzahlen größer als 5.000 U/min, besonders bevorzugt größer als 10.000 U/min, ganz besonders bevorzugt größer als 12.500 U/min bereitstellt.
Als Kraftfahrzeuge im Sinne dieser Anmeldung gelten Landfahrzeuge, die durch Maschinenkraft bewegt werden, ohne an Bahngleise gebunden zu sein. Ein Kraftfahrzeug kann beispielsweise ausgewählt sein aus der Gruppe der
Personenkraftwagen (PKW), Lastkraftwagen (LKW), Kleinkrafträder, Leichtkraftfahrzeuge, Krafträder, Kraftomnibusse (KOM) oder Zugmaschinen.
Die Getriebeanordnung ist insbesondere mit der elektrischen Maschine koppelbar, welche zur Erzeugung eines Antriebsdrehmoments für das Kraftfahrzeug ausgebildet ist. Bei dem Antriebsdrehmoment handelt es sich besonders bevorzugt um ein Hauptantriebsdrehmoment, sodass das Kraftfahrzeug ausschließlich durch das Antriebsdrehmoment angetrieben wird. Bevorzugt ist die Getriebeanordnung als ein Planetengetriebe ausgebildet.
Die elektrische Maschine kann ferner eine Steuereinrichtung aufweisen. Eine Steuereinrichtung, wie sie in der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann, dient insbesondere der elektronischen Steuerung und/oder Reglung eines oder mehrerer technischer Systeme der elektrischen Maschine.
Eine Steuereinrichtung weist insbesondere einen kabelgebundenen oder kabellosen Signaleingang zum Empfang von insbesondere elektrischen Signalen, wie beispielsweise Sensorsignalen, auf. Ferner besitzt eine Steuereinrichtung ebenfalls bevorzugt einen kabelgebundenen oder kabellosen Signalausgang zur Übermittlung von insbesondere elektrischen Signalen.
Innerhalb der Steuereinrichtung können Steuerungsoperationen und/oder Reglungsoperationen durchgeführt werden. Ganz besonders bevorzugt ist es, dass die Steuereinrichtung eine Hardware umfasst, die ausgebildet ist, eine Software auszuführen. Bevorzugt umfasst die Steuereinrichtung wenigstens einen elektronischen Prozessor zur Ausführung von in einer Software definierten Programmabläufen.
Die Steuereinrichtung kann ferner einen oder mehrere elektronische Speicher aufweisen, in denen die in den an die Steuereinrichtung übermittelten Signalen enthaltenen Daten gespeichert und wieder ausgelesen werden können. Ferner kann die Steuereinrichtung einen oder mehrere elektronische Speicher aufweisen, in denen Daten veränderbar und/oder unveränderbar gespeichert werden können. Eine Steuereinrichtung kann eine Mehrzahl von Steuergeräten umfassen, welche insbesondere räumlich getrennt voneinander im Kraftfahrzeug angeordnet sind. Steuergeräte werden auch als Electronic Control Unit (ECU) oder Electronic Control Module (ECM) bezeichnet und besitzen bevorzugt elektronische Mikrocontroller zur Durchführung von Rechenoperationen zur Verarbeitung von Daten, besonders bevorzugt mittels einer Software. Die Steuergeräte können bevorzugt miteinander vernetzt sein, so dass ein kabelgebundener und/oder kabelloser Datenaustausch zwischen Steuergeräten ermöglicht ist. Insbesondere ist es auch möglich, die Steuergeräte über im Kraftfahrzeug vorhandene Bus-Systeme, wie beispielsweise CAN-Bus oder LIN-Bus, miteinander zu vernetzen.
Ganz besonders bevorzugt besitzt die Steuereinrichtung wenigstens einen Prozessor und wenigstens einen Speicher, der insbesondere einen Computerprogrammcode enthält, wobei der Speicher und der Computerprogrammcode konfiguriert sind, mit dem Prozessor, die Steuereinrichtung zur Ausführung des Computerprogrammcodes zu veranlassen.
Die Steuereinheit kann besonders bevorzugt eine Leistungselektronik zur Bestromung des Stators oder Rotors umfassen. Eine Leistungselektronik ist bevorzugt ein Verbund verschiedener Komponenten, welche einen Strom an die elektrische Maschine steuern oder regeln, bevorzugt inklusive hierzu benötigter peripherer Bauteile wie Kühlelemente oder Netzteile. Insbesondere enthält die Leistungselektronik bzw. ein oder mehrere Leistungselektronikbauteile, welche zur Steuerung oder Regelung eines Stroms eingerichtet sind. Dabei handelt es sich besonders bevorzugt um einen oder mehrere Leistungsschalter, z.B.
Leistungstransistoren. Besonders bevorzugt weist die Leistungselektronik mehr als zwei, besonders bevorzugt drei voneinander getrennte Phasen bzw. Strompfade mit mindestens je einem eigenen Leistungselektronikbauteil auf. Die Leistungselektronik ist bevorzugt ausgelegt, pro Phase eine Leistung mit einer Spitzenleistung, bevorzugt Dauerleistung, von mindestens 10 W, bevorzugt mindestens 100 W besonders bevorzugt mindestens 1000 W zu steuern oder regeln. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängig formulierten Ansprüchen angegeben. Die in den abhängig formulierten Ansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale sind in technologisch sinnvoller Weise miteinander kombinierbar und können weitere Ausgestaltungen der Erfindung definieren. Darüber hinaus werden die in den Ansprüchen angegebenen Merkmale in der Beschreibung näher präzisiert und erläutert, wobei weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung dargestellt werden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die elektrische Maschine als eine Axialflussmaschine konfiguriert ist, wodurch sich ein axial besonders kompakt bauender Achsantriebsstrang realisieren lässt.
Der Stator der elektrischen Axialflussmaschine weist bevorzugt einen Statorkörper mit mehreren in Umfangsrichtung angeordneten Statorwicklungen auf. Der Statorkörper kann in Umfangsrichtung gesehen einteilig oder segmentiert ausgebildet sein. Der Statorkörper kann aus einem Statorblechpaket mit mehreren laminierten Elektroblechen gebildet sein. Alternativ kann der Statorkörper auch aus einem verpressten weichmagnetischen Material, wie dem sogenannten SMC- Material (Soft Magnetic Compound) gebildet sein.
Der Rotor einer elektrischen Axialflussmaschine kann zumindest in Teilen als geblechter Rotor ausgebildet sein. Ein geblechter Rotor ist in axialer Richtung geschichtet ausgebildet. Der Rotor einer Axialflussmaschine kann alternativ auch einen Rotorträger aufweisen, der entsprechend mit Magnetblechen und/oder SMC- Material und mit als Permanentmagneten ausgebildeten Magnetelementen bestückt ausgebildet ist.
Es kann gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterentwicklung der Erfindung auch vorgesehen sein, dass die elektrische Maschine als eine Axialflussmaschine in I- Anordnung konfiguriert ist, mit einem, dem Getriebeelement zugewandten ersten ringscheibenförmigen Statorkörper und einem axial dazu beabstandeten, dem Getriebeelement abgewandten zweiten ringscheibenförmigen Statorkörper zwischen denen der scheibenförmige Stator angeordnet ist. Des Weiteren kann es gemäß einer ebenfalls vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen sein, dass das Festlager radial innerhalb des ersten ringscheibenförmigen Statorkörpers angeordnet ist, was ebenfalls zu einem axial besonders kompakten Aufbau beiträgt.
Des Weiteren kann die Erfindung auch dahingehend weiterentwickelt sein, dass das Loslager als ein einreihiges Kugellager ausgeführt ist. Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass das Loslager als ein einreihiges Vierpunkt-Kugellager ausgebildet ist. Der Vorteil dieser Ausgestaltung liegt darin, dass das einreihige Vierpunkt-Kugellager für die gegebenen Anwendungsfälle Bauraum- wie auch Effizienzvorteile gegenüber anderen Wälzlagertypen aufweist. Ferner kann ein bevorzugt vorhandenes radiales Spiel für eine gewisse Selbstzentrierung der Rotorwelle sorgen .
In einer ebenfalls bevorzugten Ausgestaltungsvariante der Erfindung kann auch vorgesehen sein, dass das Festlager einerseits axial an einer Wellenschulter der Rotorwelle und anderseits mittels einer axial gegenüber der Rotorwelle versetzbaren Schraubenmutter axial festgelegt und mit einer Lagervorspannung beaufschlagt ist. Hierdurch kann erreicht werden, dass das Festlager spielfrei und bevorzugt auch mit einer Lagervorspannung beaufschlagbar ist, wobei mittels der Schraubenmutter die Lagervorspannung gut einstellbar ist. Es versteht sich, dass hierbei die Rotorwelle im Bereich der Schraubenmutter eine korrespondierende Verzahung bzw ein korrespondierendes Gewinde aufweist.
Auch kann es vorteilhaft sein, die Erfindung dahingehend weiterzuentwickeln, dass das Festlager an seiner dem Getriebeelement zugwandten axialen Seite durch ein Ringelement einseitig axial gegenüber dem ersten Statorkörper gesichert ist, wobei das Ringelement einen Wellendichtring trägt, welcher die Rotorwelle kontaktiert, so dass die elektrische Maschine gegenüber der Getriebeanordnung insbesondere flüssigkeitsdicht abgedichtet ist, was ebenfalls zu einer axial besonders kompakten Ausgestaltung des Achsantriebsstrangs beiträgt. Ferner kann hierdurch auch eine hydraulische Trennung beispielsweise zwischen einer naßlaufenden Getriebeanordnung und der elektrischen Maschine bewirkt werden. Gemäß einer weiteren zu bevorzugenden Ausgestaltung des Erfindungsgegenstandes kann vorgesehen sein, dass die Wälzlageranordnung ein drittes Wälzlager aufweist, dass radial innerhalb des zweiten ringscheibenförmigen Statorkörpers angeordnet ist und die Rotorwelle gegenüber dem zweiten Statorkörper drehbar lagert. Hierdurch kann eine zusätzliche axiale Abstützung des zweiten Statorkörpers gegenüber der Rotorwelle bereitgestellt werden.
Schließlich kann die Erfindung auch in vorteilhafter Weise dahingehend ausgeführt sein, dass der elektrische Achsantriebsstrang zwei im Wesentlichen baugleiche als Axialflussmaschinen ausgebildete elektrische Maschinen umfasst, deren Rotorwellen koaxial zueinander angeordnet sind und deren sich in radialer Richtung erstreckenden, aneinander anliegenden Rückwände miteinander verbunden sind, wobei jede der beiden Axialflussmaschinen jeweils eine Wälzlageranordnung umfasst, welche genau ein Festlager und ein Loslager aufweist. Der Vorteil, der sich hierdurch ergibt, ist insbesondere, dass auf das dritte Wälzlager zur axialen Abstützung des zweiten Statorkörpers verzichtet werden kann, da die axiale Abstützung der zweiten Statorkörper durch die miteinander fest verbundenen Rückwände bereitgestellt wird.
Um die System integration und die axiale Kompaktheit weiter zu verbessern, kann das Loslager bevorzugt radial innerhalb einer hydraulischen Ausrückvorrichtung angeordnet sein.
Die hydraulische Ausrückvorrichtung kann insbesondere zur Aktuierung einer Kupplung, insbesondere einer Trennkupplung, einer Bremse und/oder eines Ausrücklagers innerhalb des Achsantriebsstrangs verwendet werden. Besonders bevorzugt kann die Hydraulikanordnung auch innerhalb einer mehrgängig und schaltbar ausgeführten Getriebeanordnung, wie sie beispielsweise als schaltbare Planetengetriebe in Achsantriebssträngen vorkommen, verwendet werden, wobei die Aktuierung einer derartigen mehrgängig und schaltbar ausgeführten Getriebeanordnung von einer hydraulischen Ausrückvorrichtung bewirkt ist. Die Ausrückvorrichtung ist hierbei bevorzugt als ein Zentralausrücker konfiguriert, bei dem sich ein Zentralausrückerkolben axial hydraulisch versetzen lässt.
Der Zentralausrücker umfasst ein Zentralausrückergehäuse. Das Zentralausrückergehäuse hat die Funktion Bauteile des Zentralausrückers wie insbesondere die beweglichen Zentralausrückerkolben aufzunehmen und vor äußeren mechanischen oder chemischen Einflüssen zu schützen. Ferner besitzt das Zentralausrückergehäuse die Funktion, eine einfache Montage und Fixierung des Zentralausrückers innerhalb des Antriebsstrangs zu erlauben. Bevorzugt kann das Zentralausrückergehäuse aus einem Kunststoff, einem metallischen Werkstoff und/oder keramischen Werkstoff gebildet sein. Das Zentralausrückergehäuse kann einstückig oder mehrstückig ausgebildet sein. Bevorzugt kann das Zentralausrückergehäuse aus einem Kunststoff, einem metallischen Werkstoff und/oder keramischen Werkstoff gebildet sein. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform besteht das Zentralausrückergehäuse aus Alu-Druckguss.
Der in dem Zentralausrückergehäuse ausgeformte ringförmige Zentralausrückerkolbenraum dient der Aufnahme sowie der Führung des linearbeweglich in dem Zentralausrückergehäuse gelagerten ringförmigen Zentralausrückerkolben. Der Zentralausrückerkolben hat die Funktion eine hydraulische Druckbeaufschlagung in eine lineare Verschiebung des Zentralausrückerkolbens umzuwandeln. Der Zentralausrücker kann über einen ringförmigen Zentralausrückerkolben oder mehrere Zentralausrückerkolben (Mehrkolbenausrücker) verfügen. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform besteht der Zentralausrückerkolben aus Aluminium.
Der Zentralausrücker kann ferner eine Zentralausrückerkolbendichtung umfassen. Die Zentralausrückerkolbendichtung dichtet den linearbeweglich geführten Zentralausrückerkolben gegenüber dem den Zentralausrückerkolben aufnehmenden Zentralausrückergehäuse ab. Die Zentralausrückkolbendichtung kann insbesondere als Dichtung ausgebildet sein. Die Zentrauausrückerkolbendichtung kann insbesondere formschlüssig mit dem Zentralausrückerkolben verbunden sein. Besonders bevorzugt ist eine formschlüssige Verbindung zwischen dem Zentralausrückekolben und der Zentralausrückerkolbendichtung als Schnappverbindung ausgestaltet. Besonders bevorzugt ist es, dass die Zentralausrückerkolbendichtung aus einem elastischen, insbesondere bevorzugt gummielastischen Material geformt ist. Das elastische Material kann bevorzugt ganz oder teilweise aus einem Elastomer bestehen, wobei wiederum bevorzugt die Elastomere ausgewählt sind aus der Gruppe der Vulkanisate von Naturkautschuk und Silikonkautschuk.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Figuren ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens näher erläutert werden.
Es zeigt:
Figur 1 eine erste Ausführungsform eines elektrischen Achsantriebsstrangs mit einer elektrischen Maschine in einer Axialschnittansicht,
Figur 2 eine zweite Ausführungsform eines elektrischen Achsantriebsstrangs mit zwei elektrischen Maschinen in einer Axialschnittansicht,
Figur 3 ein Kraftfahrzeug mit einem elektrischen Achsantriebsstrang in einer schematischen Blockschaltdarstellung.
Die Figur zeigt einen elektrischen Achsantriebsstrang 1 für ein elektrisch betreibbares Kraftfahrzeug 2, wie es auch exemplarisch in der Figur 3 skizziert ist.
Der Achsantriebsstrang 1 umfassend eine als Axialflussmaschine in I-Konfiguration ausgebildete elektrische Maschine 3 und eine mit der elektrischen Maschine 3 über die Rotorwelle 8 wirkverbundenen Getriebeanordnung 4. Die elektrische Maschine 3 besitzt einen Stator 5 und einen relativ zum Stator 5 drehbaren Rotor 6, welcher mit einer über eine Wälzlageranordnung 7 drehbar gelagerten, die elektrische Maschine 3 axial durchgreifende Rotorwelle 8 drehfest verbunden ist.
Die einstückig ausgebildete Rotorwelle 8 erstreckt sich axial in die
Getriebeanordnung 4 hinein. Dort ist die Rotorwelle 8 mit wenigstens einem drehmomentübertragenden Getriebeelement 9 verbunden. Die Wälzlageranordnung 7 umfasst ein Festlager 10 und ein Loslager 11 , wobei das Festlager 10 axial zwischen dem drehmomentübertragenden Getriebeelement 9 und dem Rotor 6 positioniert ist, während das Loslager 11 an dem dem Getriebeelement 9 abgewandten distalen Ende 12 der Rotorwelle 8 angeordnet ist.
Aus der Figur 1 ist ersichtlich, dass die elektrische Maschine 3 eine Axialflussmaschine in I-Anordnung konfiguriert ist, mit einem, dem Getriebeelement 9 zugewandten ersten ringscheibenförmigen Statorkörper 13 und einem axial dazu beabstandeten, dem Getriebeelement 9 abgewandten zweiten ringscheibenförmigen Statorkörper 14 zwischen denen der scheibenförmige Stator 5 angeordnet ist.
Das Festlager 10 ist dabei radial innerhalb des ersten ringscheibenförmigen Statorkörpers 13 angeordnet und als zweireihiges Schrägkugellager ausgeführt. Das Loslager 11 ist hingegen als ein einreihiges Kugellager ausgeführt.
Das Festlager 10 ist an seinen Innenringen einerseits axial an einer Wellenschulter 16 der Rotorwelle 8 und anderseits mittels einer axial gegenüber der Rotorwelle 8 versetzbaren Schraubenmutter 20 axial festgelegt und mit einer Lagervorspannung beaufschlagt.
An seinem dem Getriebeelement 9 zugewandten Außenring ist das Festlager 10 an seiner dem Getriebeelement 9 zugwandten axialen Seite durch ein Ringelement 17 einseitig axial gegenüber dem ersten Statorkörper 13 gesichert ist. Das Ringelement 17 trägt einen Wellendichtring 18, welcher die Rotorwelle 8 umfänglich kontaktiert, so dass die elektrische Maschine 1 gegenüber der Getriebeanordnung 4 insbesondere flüssigkeitsdicht abgedichtet ist.
Ersichtlich ist aus der Figur 1 ferner, dass die Wälzlageranordnung 7 ein drittes Wälzlager 15 aufweist, dass radial innerhalb des zweiten ringscheibenförmigen Statorkörpers 14 angeordnet ist und die Rotorwelle 8 gegenüber dem zweiten Statorkörper 14 drehbar lagert. Wie man anhand der Figur 1 weiter erkennt, ist die Rotorwelle 8 gestuft ausgebildet. Dabei liegen das Festlager 10 und das dritte Wälzlager 15 auf etwa dem gleichen Durchmesser der Rotorwelle 8, während das Loslager 11 auf einem kleineren Durchmesser der Rotorwelle 8 angeordnet ist.
In dem gezeigten Ausführungsbeispiel der Figur 1 ist das Loslager 11 radial innerhalb einer hydraulischen Ausrückvorrichtung 21 angeordnet. Die Ausrückvorrichtung 21 ist als ein Zentralausrücker konfiguriert, bei dem sich ein Zentralausrückerkolben 22 axial hydraulisch versetzen lässt. Der Zentralausrückerkolben ist in dem Zentralausrückergehäuse 23 geführt und wirkt beispielsweise auf die Getriebeanordnung 4 ein, beispielsweise um einen Schaltvorgang bei einem mehrgängig ausgeführten Getriebe zu aktuieren. Der Außenring des Loslagers 11 liegt dabei an einer zylindrisch axial verlaufenden Mantelfläche des Zentralausrückergehäuses 23 an, während sich der Innenring des Loslagers 11 auf der Rotorwelle 8 abstützt.
Der aus der Figur 1 bekannte Achsantriebsstrang 1 ist in der Abbildung 1a der Figur 1 dargestellt.
Die Figur 2 zeigt eine zweite Ausführungsform eines Achsantriebsstrangs 1 , der zwei im Wesentlichen baugleiche als Axialflussmaschinen konfigurierte elektrische Maschinen 3, wie sie aus der Figur 1 bekannt sind, umfasst. Dies ist auch in der Abbildung 1 b der Figur 3 wiedergegeben. Ein derartiger Achsantriebsstrang wird gelegentlich auch als Twin-Drive bezeichnet. Die Rotorwellen 8 der elektrischen Maschinen 3 sind koaxial zueinander angeordnet und deren sich in radialer Richtung erstreckende, aneinander anliegenden Rückwände 19 sind miteinander verbunden, wobei jede der beiden Axialflussmaschinen jeweils eine Wälzlageranordnung 7 umfasst, welche genau ein Festlager 10 und ein Loslager 11 aufweist.
Die in dieser Anmeldung benutzten Begriffe radial , axial , tangential und Umfangsrichtung beziehen sich immer auf die Rotationsachse der elektrischen Maschine 3. Die Begriffe links , rechts , oben , unten , oberhalb und unterhalb dienen hier nur dazu, um zu verdeutlichen, welche Bereiche der Abbildungen gerade im Text beschrieben werden. Die spätere Ausführung der Erfindung kann auch anders angeordnet werden. Die Erfindung ist ferner nicht auf die in den Figuren dargestellten Ausführungsformen beschränkt. Die vorstehende Beschreibung ist daher nicht als beschränkend, sondern als erläuternd anzusehen. Die nachfolgenden Patentansprüche sind so zu verstehen, dass ein genanntes Merkmal in zumindest einer Ausführungsform der Erfindung vorhanden ist. Dies schließt die Anwesenheit weiterer Merkmale nicht aus. Sofern die Patentansprüche und die vorstehende Beschreibung 'erste' und 'zweite' Merkmal definieren, so dient diese Bezeichnung der Unterscheidung zweier gleichartiger Merkmale, ohne eine Rangfolge festzulegen.
Bezuqszeichenliste
1 Achsantriebsstrang
2 Kraftfahrzeug
3 elektrische Maschine
4 Getriebeanordnung
5 Stator
6 Rotor
7 Wälzlageranordnung
8 Rotorwelle
9 Getriebeelement
10 Festlager
11 Loslager
12 Ende
13 Statorkörper
14 Statorkörper
15 Wälzlager
16 Wellenschulter
17 Ringelement
18 Wellendichtring
19 Rückwände
20 Schraubenmutter
21 Ausrückvorrichtung
22 Zentralausrückerkolben
23 Zentralausrückergehäuse

Claims

Ansprüche Elektrischer Achsantriebsstrang (1 ) für ein elektrisch oder hybrid betreibbares Kraftfahrzeug
(2) umfassend eine elektrische Maschine (3) und eine mit der elektrischen Maschine
(3) wirkverbundenen Getriebeanordnung
(4), wobei die elektrische Maschine (3) einen Stator (5) und einen relativ zum Stator
(5) drehbaren Rotor
(6) aufweist, welcher mit einer über eine Wälzlageranordnung
(7) drehbar gelagerten, die elektrische Maschine (3) axial durchgreifende Rotorwelle (8) drehfest verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass sich die einstückig ausgebildete Rotorwelle (8) axial in die Getriebeanordnung (4) hineinerstreckt und die Rotorwelle
(8) mit wenigstens einem drehmomentübertragenden Getriebeelement
(9) verbunden ist, wobei die Wälzlageranordnung (7) ein Festlager (10) und ein Loslager (11 ) umfasst, wobei das Festlager
(10) axial zwischen dem drehmomentübertragenden Getriebeelement (9) und dem Rotor (6) positioniert ist, während das Loslager
(11 ) an dem dem Getriebeelement (9) abgewandten distalen Ende (12) der Rotorwelle (8) angeordnet ist. Achsantriebsstrang (1 ) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Maschine (3) als eine Axialflussmaschine konfiguriert ist. Achsantriebsstrang (1 ) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Maschine (3) als eine Axialflussmaschine in I-Anordnung konfiguriert ist, mit einem, dem Getriebeelement (9) zugewandten ersten ringscheibenförmigen Statorkörper (13) und einem axial dazu beabstandeten, dem Getriebeelement (9) abgewandten zweiten ringscheibenförmigen Statorkörper (14) zwischen denen der scheibenförmige Stator (5) angeordnet ist. Achsantriebsstrang (1 ) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Festlager (10) radial innerhalb des ersten ringscheibenförmigen Statorkörpers (13) angeordnet ist. Achsantriebsstrang (1 ) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Festlager (10) als zweireihiges Schrägkugellager ausgeführt ist. Achsantriebsstrang (1 ) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Loslager (11 ) als ein einreihiges Kugellager ausgeführt ist. Achsantriebsstrang (1 ) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Festlager (10) einerseits axial an einer Wellenschulter (16) der Rotorwelle (8) und anderseits mittels einer axial gegenüber der Rotorwelle (8) versetzbaren Schraubenmutter (20) axial festgelegt und mit einer Lagervorspannung beaufschlagt ist. Achsantriebsstrang (1 ) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Festlager (10) an seiner dem Getriebeelement (9) zugwandten axialen Seite durch ein Ringelement (17) einseitig axial gegenüber dem ersten Statorkörper (13) gesichert ist, wobei das Ringelement (17) einen Wellendichtring (18) trägt, welcher die Rotorwelle (8) kontaktiert, so dass die elektrische Maschine (1 ) gegenüber der Getriebeanordnung (4) insbesondere flüssigkeitsdicht abgedichtet ist. Achsantriebsstrang (1 ) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wälzlageranordnung (7) ein drittes Wälzlager (15) aufweist, dass radial innerhalb des zweiten ringscheibenförmigen Statorkörpers (14) angeordnet ist und die Rotorwelle (8) gegenüber dem zweiten Statorkörper (14) drehbar lagert. Achsantriebsstrang (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Achsantriebsstrang (1 ) zwei im Wesentlichen baugleiche als Axialflussmaschinen ausgebildete elektrische Maschinen (3) umfasst, deren Rotorwellen (8) koaxial zueinander angeordnet sind und deren sich in radialer Richtung erstreckenden, aneinander anliegenden Rückwände (19) miteinander verbunden sind, wobei jede der beiden Axialflussmaschinen jeweils eine Wälzlageranordnung (7) umfasst, welche genau ein Festlager (10) und ein Loslager (11 ) aufweist.
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