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Die
Erfindung betrifft eine Getriebeeinheit mit Antriebswelle und Abtriebswelle,
insbesondere zum Antrieb eines Fahrzeugrades, wobei Antriebswelle und
Abtriebswelle translatorisch gegeneinander bewegbar sind, gemäß dem
Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Getriebeeinheiten
zur Übertragung von Antriebsdrehmomenten, bei denen die
Antriebswelle relativ zur Abtriebswelle translatorisch beweglich
ist, sprich, bei denen Antriebs- und Abtriebswelle bei gleichzeitiger
Drehmomentübertragung gegeneinander im Wesentlichen parallel
verschoben werden können, sind bekannt. Beispiele für
derartige, gattungsbildende Getriebeeinheiten sind Seitenwellen an
Radaufhängungen bzw. Kardanwellen, oder auch spezielle
Antriebsstränge mit Ketten oder Riemen.
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Derartige
bekannte Getriebeeinheiten mit translatorischem Bewegungsfreiheitsgrad
sind jedoch einerseits aufwändig, und benötigen
andererseits einen erheblichen Bauraumumfang zur Verwirklichung
der translatorischen Beweglichkeit der beiden Wellen gegeneinander.
Je nach Ausführung sind diese bekannten Getriebeeinheiten
zudem auf eine bestimmte Kinematik der Bewegung der beiden Wellen
beschränkt, falls keine Maßnahmen zum Längenausgleich
der Kraftübertragungselemente (Riemen, Kette, Kardangelenke)
getroffen werden, welche wiederum zusätzlichen konstruktiven
Aufwand bedeuten.
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Im
Beispielfall des Einsatzes derartiger Getriebeeinheiten zum Antrieb
der Räder eines Kraftfahrzeugs ist zunächst das
Gesamtsystem aus Antriebsstrang und Radaufhängung/Radführung
zu betrachten, wobei die Radaufhängung üblicherweise eine
Anzahl von Lenkern umfasst, beispielsweise Längslenker,
Schräglenker, Querlenker oder Verbundlenker.
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Der
zugehörige Antriebsstrang umfasst am Kraftfahrzeug üblicherweise
einen Verbrennungsmotor mit angeflanschtem Schaltgetriebe oder Getriebeautomaten,
eine oder zwei Antriebswellen und eines oder mehrere Differentiale
mit den zugehörigen, zu den Rädern führenden
Seitenwellen. Diese Baugruppen, insbesondere soweit sie die Radführungslenker
sowie die Seitenwellen umfassen und somit den Radaufhängungen
zuzuordnen sind, nehmen einen ganz erheblichen Bauraum im Bereich
der Räder des Kraftfahrzeugs ein, welcher für
andere Zwecke nicht mehr zur Verfügung steht und damit
den für Fahrgäste, Gepäck oder auch technische
Baugruppen zur Verfügung stehenden Platz reduziert.
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Dabei
können die in einem konventionellen Antriebsstrang enthaltenen
Baugruppen, insbesondere die Radführungslenker und die
Antriebswellen, nicht beliebig verkleinert bzw. verkürzt
werden, da sich hierdurch ungünstige kinematische Verhältnisse bei
der Einfederungsbewegung des Rades ergeben würden.
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Die
Entwicklung bei den Antriebssträngen bzw. Kraftfahrzeugantrieben
geht jedoch zunehmend in Richtung der Hybridkonzepte. Hierunter
fallen insbesondere auch die seriellen Hybride, bei denen keine
mechanische Verbindung mehr zwischen dem Verbrennungsmotor und den
Antriebsrädern mehr besteht. Stattdessen kann bei einem
seriellen Hybrid der Verbrennungsmotor beispielsweise einen Generator
antreiben, welcher wiederum mit den Antriebsrädern verbundene
Elektromotoren speist. Eine ähnliche Konfiguration kann
auch bei einem reinen Elektrofahrzeug vorliegen, wobei die Energie
hier nicht vom Verbrennungsmotor, sondern von einem elektrischen
Energiespeicher geliefert wird; ebenso wie diverse Mischvarianten
zwischen dem seriellen Hybrid und dem Elektrofahrzeug angedacht
sind und bereits existieren.
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Um
die Anzahl der für die Getriebeeinheit benötigten
Komponenten sowie deren Bauraumbedarf und Masse möglichst
gering zu halten, wird bei solchen Fahrzeugkonzepten teilweise versucht,
die elektrischen Fahrmotoren direkt den Rädern zuzuordnen
und möglichst nahe an den Rädern, bzw. als Radnabenmotoren
in den Rädern selbst unterzubringen. Auf diese Weise können
große Teile des konventionellen Antriebsstrangs entfallen,
bzw. durch leicht und flexibel zu verlegende elektrische Leitungen
zwischen dem Energieerzeuger und den Radnabenmotoren des Kraftfahrzeugs
ersetzt werden.
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Zusätzlich
werden bereits Anstrengungen unternommen, auch die Radaufhängung
selbst mit den zugeordneten Feder/Dämpfereinheiten im Innenraum
der Radfelgen bzw. in unmittelbarer Nachbarschaft der Räder
unterzubringen, um auf diese Weise noch mehr Bauraum zu gewinnen,
der ansonsten bei konventionellen Radaufhängungen für die
bekannten Lenkerkonstruktionen erforderlich ist.
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Aus
der
DE 698 06 444
T2 ist eine in die Felge eines Rades integrierbare Radaufhängung
bekannt, bei welcher zusätzlich auch beispielsweise elektrische
Antriebsmotoren zumindest teilweise im Innenraum der Radfelge untergebracht
werden können. Bei dieser bekannten Radaufhängung
ist jedoch der elektrische Antriebsmotor jeweils fest am Radträger
angeflanscht, weshalb die Masse des Antriebsmotors den ungefederten
Massen der Radaufhängung zugeschlagen werden muss. Da die
für einen Radnabenantrieb eines Kraftfahrzeugs einsetzbaren Elektromotoren
aufgrund der erforderlichen Leistungsfähigkeit eine erhebliche
Masse aufweisen, werden hierdurch die ungefederten Massen der Radaufhängung
ganz erheblich vergrößert, wodurch der Fahrkomfort
in beträchtlichem Maße beeinträchtigt werden
kann.
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Mit
diesem Hintergrund ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine
Getriebeeinheit insbesondere, jedoch keineswegs ausschließlich,
für ein Fahrzeugrad zu schaffen, welche die genannten Nachteile
des Standes der Technik überwindet. Insbesondere soll die
Getriebeeinheit eine translatorische Entkopplung zwischen einer
Antriebswelle und einer Abtriebswelle ermöglichen, dabei
jedoch gleichzeitig einen möglichst geringen Bauraum einnehmen.
Auf diese Weise soll es insbesondere möglich werden, Radnabenmotoren
bezüglich der Einfederungsbewegungen eines Rades von der
Radaufhängung zu entkoppeln, und auf diese Weise die ungefederten
Massen der Radaufhängung massiv zu reduzieren.
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Diese
Aufgabe wird durch eine Getriebeeinheit mit den Merkmalen des Patentanspruchs
1 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand
der Unteransprüche.
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In
für sich genommen zunächst bekannter Weise umfasst
die Getriebeeinheit gemäß der vorliegenden Erfindung – die
sich insbesondere, jedoch keineswegs ausschließlich zum
Antrieb der Räder eines Kraftfahrzeugs eignet – eine
Antriebswelle und eine zur Antriebswelle in paralleler Richtung
angeordnete Abtriebswelle. Dabei ist auf der Antriebswelle ein Antriebsritzel
und auf der Abtriebswelle ein Abtriebszahnrad angeordnet. In an
sich ebenfalls bekannter Weise sind Antriebswelle und Abtriebswelle parallel
zueinander – bzw. in senkrechter Richtung zu ihren jeweiligen
Rotationsachsen – translatorisch gegeneinander bewegbar,
um auf diese Weise translatorische Verschiebungen bzw. Abstandsänderungen zwischen
Antriebswelle und Abtriebswelle bei gleichzeitiger Drehmomentübertragung
ausgleichen zu können.
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Erfindungsgemäß jedoch
zeichnet sich die Getriebeeinheit durch ein Planetenzahnrad aus,
welches sowohl mit dem Antriebsritzel als auch mit dem Abtriebszahnrad
in Eingriff steht. Das Planetenzahnrad ist hierzu auf einer Planetenträgerachse
gelagert, wobei die Planetenträgerachse einem ersten Planetenträger
sowie einem zweiten Planetenträger gemeinsam ist. Dabei
ist der erste Planetenträger koaxial zur Antriebswelle
und der zweite Planetenträger koaxial zur Abtriebswelle
gelagert.
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Dies
bedeutet mit anderen Worten, dass das Planetenzahnrad durch die
beiden Planetenträger, die mittels ihrer gemeinsamen Planetenträgerachse miteinander
gekoppelt sind, stets so geführt wird, dass das Planetenzahnrad
sowohl mit dem Antriebsritzel als auch mit dem Abtriebszahnrad in
permanentem Eingriff steht. Dabei sorgt der erste Planetenträger,
der koaxial zur Antriebswelle gelagert ist, dafür, dass
das Planetenzahnrad mit dem Antriebsritzel in Eingriff bleibt, wobei
der zweite Planetenträger, der koaxial zur Abtriebswelle
gelagert ist, dafür sorgt, dass das Planetenzahnrad mit
dem Abtriebszahnrad in Eingriff bleibt.
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Im
Unterschied beispielsweise zu einem konventionellen Planetengetriebe
findet bei der erfindungsgemäßen Getriebeeinheit
also keine umlaufende Rotation der Planetenträger um ihre
zentrale Aufhängung an einem Sonnenrad statt. Vielmehr
dienen die Planetenträger der erfindungsgemäßen
Getriebeeinheit dazu, eine koordinierte Schwenkbewegung des Planetenzahnrads
sowohl und gleichzeitig um die Drehachse der Antriebswelle als auch
um die Drehachse der Abtriebswelle bei gleichzeitigem permanentem
Eingriff des Planetenzahnrads sowohl mit dem Antriebsritzel als
auch mit dem Abtriebszahnrad zu gewährleisten.
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Auf
diese Weise ergibt sich der erfindungsgemäße Vorteil,
dass Antriebswelle und Abtriebswelle mit Antriebsritzel und Abtriebszahnrad
translatorisch gegeneinander parallelverschoben werden können,
wobei gleichzeitig die Drehmomentverbindung zwischen Antriebsritzel
und Abtriebszahnrad mittels des Planetenzahnrads erhalten bleibt
und permanent gewährleistet ist.
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Besonders
vorteilhaft ist es dabei, dass die erfindungsgemäße
Getriebeeinheit äußerst kompakt ausgebildet werden
kann, da sie prinzipiell ebenso wenig Raum beansprucht wie beispielsweise
ein konventionelles Planetengetriebe. Im Vergleich zu den aus dem
Stand der Technik bekannten Antriebssträngen mit translatorischem
Freiheitsgrad – wie beispielsweise Seiten- bzw. Kardanwellen – ergibt sich
mit der Erfindung somit ein massiv reduzierter Bauraumbedarf, der
lediglich einem Bruchteil des Bauraumbedarfs der bekannten Lösungen
entspricht.
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Die
Erfindung lässt sich dabei zunächst einmal unabhängig
davon verwirklichen, wie Antriebsritzel und Abtriebszahnrad konkret
ausgebildet sind, solange der gemeinsame Eingriff von Antriebsritzel und
Abtriebszahnrad in das Planetenzahnrad gewährleistet ist.
Beispielsweise kann es sich bei dem Abtriebszahnrad ebenfalls um
ein Ritzel handeln, das im Wesentlichen parallel zum Antriebsritzel
angeordnet ist und ebenso wie das Antriebsritzel im Eingriff mit
dem Planetenzahnrad steht, wobei der Eingriff sowohl von Antriebsritzel
als auch von Abtriebsritzel mittels der beiden gekoppelten Planetenträger
zwischen Antriebsritzel und Planetenzahnrad einerseits sowie Abtriebsritzel
und Planetenzahnrad andererseits gewährleistet ist.
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Gemäß einer
besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist
das Abtriebsritzel jedoch als Hohlrad ausgebildet. Insbesondere
diese Ausführungsform der Erfindung kommt auf den ersten
Blick somit einem Planetengetriebe nahe, wobei das Antriebsritzel
dem Sonnenrad, das Planetenzahnrad einem Planetenrad des Planetengetriebes und
das Abtriebszahnrad dem Hohlrad des Planetengetriebes entspricht.
Im Unterschied zu einem Planetengetriebe wird das Planetenzahnrad
bei der erfindungsgemäßen Getriebeeinheit jedoch
nicht durch einen, sondern durch zwei (ggf. rudimentäre)
Planetenträger geführt, wobei der erste Planetenträger
koaxial zur Antriebswelle (vorzugsweise unmittelbar auf der Antriebswelle)
und der zweite Planetenträger koaxial zur Abtriebswelle
(vorzugsweise unmittelbar auf der Abtriebswelle) gelagert ist, und
wobei die beiden Planetenträger eine gemeinsame Planetenträgerachse
aufweisen, die mit der Achse des Planetenzahnrads zusammenfällt.
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Die
Ausführungsform der Erfindung mit einem Hohlrad als Abtriebszahnrad
ist besonders vorteilhaft insofern, als die Getriebeeinheit auf
diese Weise noch kompakter dargestellt werden kann, als dies erfindungsgemäß ohnehin
schon der Fall ist. Gleichzeitig ergibt sich durch die freie translatorische Beweglichkeit
des Antriebsritzels innerhalb des im Hohlrad zur Verfügung
stehenden Bewegungsraums eine Maximierung der möglichen
translatorischen Relativbewegung von Antriebswelle und Abtriebswelle.
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Prinzipiell
lässt sich die Erfindung weitgehend unabhängig
von Größen und Zähnezahlverhältnissen
zwischen Antriebsritzel, Planetenzahnrad und Abtriebszahnrad verwirklichen,
solange der Zahnradeingriff gewährleistet ist. Gemäß einer
besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung jedoch weisen
der erste Planetenträger und der zweite Planetenträger
denselben Wirkradius auf. Dies bedeutet mit anderen Worten, dass
der Abstand zwischen der Antriebswelle und der Achse des Planetenzahnrads mit
dem Abstand zwischen der Abtriebswelle und der Achse des Planetenzahnrads übereinstimmt,
die Achse des Planetenzahnrads also von der Antriebswelle denselben
Abstand wie von der Abtriebswelle aufweist.
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Diese
Ausführungsform ist vorteilhaft insofern, als auf diese
Weise der maximale Achsversatz bzw. die maximale translatorische
Bewegungsfreiheit zwischen Antriebswelle und Abtriebswelle erreicht wird. Überdies
ergibt sich dabei der weitere entscheidende Vorteil in der Form,
dass durch beliebige translatorische Bewegungen zwischen Antriebswelle
und Abtriebswelle im Rahmen der Bewegungsfreiheit der erfindungsgemäßen
Getriebeeinheit aus geometrischen Gründen keinerlei Drehzahlfehler
zwischen Antriebswelle und Abtriebswelle induziert werden. Dies
hängt damit zusammen, dass die in diesem Fall den gleichen
Wirkradius aufweisenden Planetenträger der Getriebeeinheit
bei der Translationsbewegung grundsätzlich um dasselbe
Winkelmaß verschwenkt werden, wodurch induzierte Drehwinkel bzw.
Drehzahlfehler nur innerhalb der Getriebeeinheit auftreten, sich
nach außen jedoch vollständig ausgleichen.
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Gemäß einer
weiteren, besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung
sind die Planetenträger als jeweils zwei Lagerstellen umfassende Schwenkhebel
ausgebildet. Auch diese Ausführungsform steht im Dienst
einer besonders kompakten Ausführung der erfindungsgemäßen
Getriebeeinheit. Bei dieser Ausführungsform sind die Planetenträger
somit funktionsgemäß auf ihre Aufgabe reduziert,
das Planetenzahnrad der Getriebeeinheit mit der Antriebswelle sowie
mit der Abtriebswelle zu verbinden, bzw. relativ zur Antriebswelle
und zur Abtriebswelle schwenkbar zu lagern und gleichzeitig den
korrekten Abstand zwischen Planetenzahnrad und Antriebsritzel sowie
zwischen Planetenzahnrad und Abtriebszahnrad und damit den Zahneingriff
zu gewährleisten.
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Die
Verwirklichung der Erfindung ist zunächst einmal unabhängig
von der konstruktiven Realisierung der translatorischen Relativbeweglichkeit zwischen
Antriebswelle und Abtriebswelle. Die translatorische Relativbeweglichkeit
der Getriebeeinheit kann im Beispielfall der Anwendung bei einer
Radaufhängung beispielsweise mittels einer für
sich genommen bekannten Lenkeranordnung realisiert werden.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der Erfindung zeichnet sich
die Getriebeeinheit jedoch durch eine zusätzlich vorhandene
Linearführung aus. Mittels der Linearführung wird
eine lineare translatorische Relativbewegung zwischen Antriebswelle
und Abtriebswelle gewährleistet, und der Bewegungsfreiheitsgrad
zwischen Antriebswelle und Abtriebswelle ist entsprechend auf die
gewünschte translatorische Bewegung eingeschränkt.
Eine derartige Linearführung ist besonders vorteilhaft
insofern, als sie lediglich einem Minimum an Bauraum beansprucht,
insbesondere im Vergleich zu Lenkeranordnungen bei Radaufhängungen.
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Insbesondere
mit diesem Hintergrund ist es gemäß einer weiteren
bevorzugten Ausführungsform vorgesehen, dass die Getriebeeinheit
als Radantrieb ausgebildet und in eine Radfelge integriert ist,
wobei das Abtriebszahnrad gleichzeitig unmittelbar mit der Radnabe
verbunden ist. Vorzugsweise ist die Getriebeeinheit dabei als Radnabenantrieb
ausgebildet und unmittelbar mit einem Antriebsmotor verbunden.
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Auf
diese Weise lässt sich ein äußerst kompakter
Radnabenantrieb darstellen, der zunächst einmal den entscheidenden
Vorteil aufweist, vertikale Einfederungsbewegungen eines angetriebenen
Rades vollkommen unbeeinträchtigt zuzulassen, ohne dass
hierzu übliche Antriebsglieder wie Seitenwellen oder Kettentriebe
notwendig wären. Vielmehr ermöglicht die erfindungsgemäße
Getriebeeinheit in dieser Ausführungsform eine freie – insbesondere
vertikale – Einfederungsbewegung des angetriebenen Rades, wobei
gleichzeitig die in der Radnabe entspringende Antriebswelle des
Rades der vertikalen Bewegung des Rades nicht folgt, sondern in
vertikaler Richtung festgelegt sein kann, und somit beispielsweise
direkt am Fahrzeugchassis gelagert bzw. direkt mit einem Achs- oder
Radantrieb verbunden werden kann.
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Im
Fall der Ausführung der erfindungsgemäßen
Getriebeeinheit als Radnabenantrieb mit unmittelbar angeschlossenem
Antriebsmotor ergibt sich zudem der entscheidende Vorteil, dass
der Antriebsmotor – obwohl zum Beispiel unmittelbar an
der Radnabe angeordnet – nicht fest mit der Radnabe bzw. mit
dem Radträger verbunden sein muss, sondern bezüglich
der Einfederungsbewegung des Rades von diesem vollständig
entkoppelt angeordnet werden kann. Dies bedeutet mit anderen Worten,
dass der Antriebsmotor eines die erfindungsgemäße
Getriebeeinheit umfassenden Radnabenantriebs insbesondere karosserie-
bzw. chassisfest angeordnet werden kann, während das angetriebene
Rad vom Antrieb unbeeinflusst seine Einfederungsbewegungen ausführen
kann. Auf diese Weise wird der Nachteil der aus dem Stand der Technik
bekannten Radnabenantriebe, bei denen der Antriebsmotor stets den
ungefederten Massen der Radaufhängungen zugeschlagen ist,
beseitigt. Hierdurch wird es dank der Erfindung möglich,
einen Radnabenantrieb darzustellen, der einen mit einer üblichen
Radaufhängung vergleichbaren Federungskomfort bietet.
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Als
Antriebsmotoren des Radnabenantriebs können im Prinzip
beliebige Motoren herangezogen werden. Zu denken ist hierbei beispielsweise
auch an Hydraulikmotoren. Insbesondere mit dem Hintergrund des Einsatzes
der erfindungsgemäßen Getriebeeinheit im Bereich
der Personenkraftwagen mit Elektro- bzw. Hybridantrieb ist gemäß einer
besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung vorgesehen,
dass es sich bei dem Antriebsmotor des Radnabenantriebs um einen
Elektromotor handelt.
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Auf
diese Weise wird ein höchst kompakter elektrischer Radnabenantrieb
erhalten, der beispielsweise durch den von einer Batterie bzw. von
einem Verbrennungsmotor mit Generator erzeugten Strom gespeist werden
kann. Dabei kann der Radnabenantrieb zudem die beschriebene Linearführung
umfassen, mit der sich die vertikalen Einfederungsbewegungen des
Rades handhaben lassen. Insgesamt lässt sich auf diese
Weise der Bauraumbedarf für ein angetriebenes Rad eines
Kraftfahrzeugs einschließlich dessen Antrieb und Aufhängung
entscheidend – auf einen Bruchteil des bei konventionellen
Antriebssträngen und Radaufhängungen benötigten
Bauraums – verringern.
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Dabei
bildet vorzugsweise die Motorwelle des Antriebsmotors unmittelbar
die Antriebswelle, und das Antriebsritzel der Getriebeeinheit ist
direkt auf der Motorwelle angeordnet. Auf diese Weise lässt sich
der Antriebsmotor unmittelbar am angetriebenen Rad, bzw. je nach
Form und Größe des Antriebsmotors und der Felge
sogar innerhalb der Radfelge anordnen.
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Gemäß einer
weiteren, besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung
ist die Getriebeeinheit in einem Radträger angeordnet,
der zugleich als Getriebegehäuse ausgebildet ist. Hierdurch
wird eine besonders kompakte und robuste Ausführung der
als Radnabenantrieb ausgebildeten Getriebeeinheit erreicht, indem
die Zahnräder der Getriebeeinheit im Innenraum des als
Getriebegehäuse ausgebildeten Radträgers angeordnet
werden.
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Dabei
können die Lagergehäuse für die Lagerbuchsen
der Linearführung beispielsweise einstückig mit
dem Radträger ausgebildet oder unmittelbar mit dem Radträger
verbunden sein. Auf diese Weise übernimmt der Radträger
nicht nur die Aufgaben der Führung und Lagerung des Rades
und der Kapselung der erfindungsgemäßen Getriebeeinheit,
sondern bildet zudem auch den beweglichen Teil der Radaufhängung.
Mit anderen Worten bedeutet dies, dass die Lagergehäuse
der Linearführung, in denen beispielsweise die Gleitflächen
oder Lagerbuchsen der Linearführung angeordnet sind, in
einem Stück mit dem Radträger ausgebildet oder
unmittelbar mit dem Radträger verbunden werden können,
was eine verwindungssteife und leichte Konstruktion der Radaufhängung
ermöglicht.
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Insbesondere
mit dem Hintergrund eines unmittelbar an eine erfindungsgemäße
Getriebeeinheit angeflanschten Antriebsmotors ist vorzugsweise ein elastischer
Faltenbalg zwischen der Wellenseite des Antriebsmotors und der Getriebeeinheit
vorgesehen. Auf diese Weise können die beim Einfedern des
Rades entstehenden Relativbewegungen zwischen Rad und Getriebeeinheit
einerseits und dem am Fahrzeugchassis angeordneten Antriebsmotor
ausgeglichen werden, wobei die Antriebswelle des Motors und die
Getriebeeinheit gleichzeitig vor Umgebungseinflüssen geschützt
sind.
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Für
den Fachmann wird nach dem Gesagten erkennbar, dass das kinematische
Prinzip der Erfindung nicht auf Zahnradgetriebe beschränkt
ist. Mit diesem Hintergrund ist es gemäß einer
alternativen Ausführungsform der Erfindung vorgesehen,
dass die Getriebeeinheit anstelle der Zahnräder Reibräder aufweist,
deren Durchmesserverhältnisse insbesondere proportional
zu den Zähnezahlverhältnissen der Zahnräder
der Getriebeeinheit gewählt werden können.
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Im
Folgenden wird die Erfindung anhand lediglich Ausführungsbeispiele
darstellender Zeichnungen näher erläutert. Dabei
zeigt:
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1 in
isometrischer Darstellung eine Ausführungsform einer in
einen Radnabenantrieb integrierten Getriebeeinheit gemäß der
vorliegenden Erfindung;
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2 den
Radnabenantrieb mit Getriebeeinheit gemäß 1 bei
demontiertem Antriebsmotor;
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3 in
einer 1 und 2 entsprechenden Darstellung
die Getriebeeinheit des Radnabenantriebs gemäß 1 und 2 in
einer Ausschnittsvergrößerung;
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4 den
Radnabenantrieb mit Getriebeeinheit gemäß 1 bis 3 in
einer schematischen Schnittdarstellung;
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5 den
Radnabenantrieb mit Getriebeeinheit gemäß 1 bis 4 in
schematischer Seitenansicht, Rad in vollständig ausgefedertem
Zustand;
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6 den
Radnabenantrieb mit Getriebeeinheit gemäß 1 bis 5 in
einer 5 entsprechenden Ansicht, Rad im neutralen Federungszustand;
und
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7 den
Radnabenantrieb mit Getriebeeinheit gemäß 1 bis 6 in
einer 5 und 6 entsprechenden Ansicht, Rad
in teilweise eingefedertem Zustand;
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1 zeigt
in isometrischer Darstellung eine Ausführungsform einer
Getriebeeinheit gemäß der vorliegenden Erfindung,
die als Radnabenantrieb ausgebildet bzw. in einen Radnabenantrieb
integriert ist.
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Man
erkennt zunächst einmal ein Fahrzeugrad 1 mit
einem Reifen 2 und einer Felge 3, sowie ferner
einen Radnabenantrieb 4 mit einer Getriebeeinheit 5 und
einem Antriebsmotor 6. Der dargestellte Radnabenantrieb 4 ist
zudem mit einer hier lediglich schematisch ausgebildeten Linearführung
als Radaufhängung ausgestattet, die in der dargestellten Ausführungsform
zwei Führungsstangen 7 sowie zwei Lagergehäuse 8 aufweist.
Die Lagergehäuse 8 dienen als bzw. enthalten Führungsbuchsen
und können somit auf den Führungsstangen 7 in
vertikaler Richtung auf und ab gleiten. Ebenfalls zur Radaufhängung
gehörige Feder/Dämpfereinheiten sind der besseren Übersichtlichkeit
halber in den Figuren nicht dargestellt.
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Da
der Antriebsmotor 6 fest mit dem (nicht dargestellten)
Fahrzeugchassis verbunden ist, während das Rad 1 mit
der erfindungsgemäßen Getriebeeinheit 5 vertikale
Einfederungsbewegungen 9 ausführen kann, ist zwischen
dem Antriebsmotor 6 und der Getriebeeinheit 5 ein
elastischer Faltenbalg 10 angeordnet, der die Antriebswelle 11 bzw.
die Getriebeeinheit 5 bei den Relativbewegungen zwischen Rad 1 und
Antriebsmotor 6 elastisch schützt.
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2 zeigt
den Radnabenantrieb gemäß 1 zur besseren
Erkennbarkeit der Getriebeeinheit 5 bei demontiertem Antriebsmotor 6.
Zusätzlich zu den schon in 1 dargestellten
Elementen wird in 2 insbesondere die Antriebswelle 11 der
Getriebeeinheit 5 erkennbar. Anhand des schlitzförmigen
Langlochs 12 im Gehäuse der Getriebeeinheit 5 wird
in 2 bereits die translatorische Beweglichkeit 9 der
Antriebswelle 11 relativ zum Gehäuse der Getriebeeinheit 5 bzw.
relativ zu dem angetriebenen Rad 1 verdeutlicht, siehe
Doppelpfeil 9 in 2.
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Dies
bedeutet, dass die Antriebswelle 11 (sowie der Antriebsmotor 6,
dessen Welle mit der Antriebswelle 11 identisch ist) ebenso
wie die Führungsstangen 7 der Linearführung 7, 8 chassisfest
positioniert sind, während die sonstigen Bestandteile der Getriebeeinheit 5,
das Gehäuse der Getriebeeinheit sowie das angetriebene
Rad 1 vertikale Einfederungsbewegungen 9 ausführen
können.
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3 zeigt
die Getriebeeinheit 5 des Radnabenantriebs gemäß 1 und 2 ohne
Gehäuseabdeckung in einer Ausschnittsvergrößerung.
Deutlich erkennbar werden die wesentlichen Bestandteile der Getriebeeinheit 5,
nämlich ein Antriebsritzel 13, ein Planetenzahnrad 14 und
ein hier als Hohlrad 15 ausgebildetes Abtriebszahnrad.
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Das
Antriebsritzel 13 ist unmittelbar auf der Antriebswelle 11 des
(hier nicht dargestellten) Antriebsmotors 6 befestigt,
während das Abtriebszahnrad 15 direkt mit der
Radachse 16 bzw. Radnabe 17 verbunden ist. Letzteres
geht insbesondere auch aus der Schnittdarstellung von 4 hervor.
Umschlossen wird das Abtriebszahnrad 15 von dem als Getriebegehäuse
ausgebildeten Radträger 18, der gleichzeitig die
Lagerbuchsen bzw. Lagergehäuse 8 der Linearführung
bildet bzw. umfasst.
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Außer
Antriebsritzel 13, Planetenzahnrad 14 und Hohlrad 15 erkennt
man in 3 und 4 auch die beiden Planetenträger 19, 20.
Die Planetenträger 19, 20 sind bei der
dargestellten Ausführungsform als Schwenkhebel mit jeweils
zwei Lagerstellen ausgebildet. Der erste Planetenträger 19 ist
auf der Antriebswelle 11 des Motors gelagert, während
der zweite Planetenträger 20 auf der Radachse 16 gelagert
ist, die gleichzeitig die Welle des Abtriebszahnrads 15 bildet.
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Die
Achse 21 des Planetenzahnrads 14 bildet gleichzeitig
die beiden Planetenträgern 19, 20 gemeinsame
Planetenträgerachse 21. Dabei sorgt der erste
Planetenträger 19 für einen konstanten
Abstand und Zahneingriff zwischen Antriebsritzel 13 und
Planetenzahnrad 14, während der zweite Planetenträger 20 für
einen konstanten Abstand und Zahneingriff ebenso zwischen Planetenzahnrad 14 und Hohlrad 15 sorgt.
Dies bedeutet, dass Antriebswelle 11 und Abtriebswelle
bzw. Radachse 16 eine translatorische Bewegung 9 in
der zeichnungsbezogen vertikalen Richtung gegeneinander ausführen
können (vgl. Doppelpfeile 9 in 3),
wobei gleichzeitig der Zahneingriff aller drei Zahnräder 13, 14, 15 und
damit die Drehmomentübertragung zwischen Antriebswelle 11 und
Abtriebswelle 16 stets erhalten bleibt. Das Rad 1 mit
dem Radträger bzw. Getriebegehäuse 18 kann
somit vertikale Einfederungsbewegungen 9 ausführen,
während die Antriebswelle 11 und der Antriebsmotor 6 starr
mit dem Fahrzeugchassis verbunden sind und damit zu den gefederten
Massen des Kraftfahrzeugs zählen.
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Im
Fall der dargestellten Relativposition der drei Zahnräder 13, 14, 15 – wenn
also beispielsweise im Verlauf einer Einfederungsbewegung Antriebswelle 11 und
Abtriebswelle 16 genau koaxial zueinander positioniert
sind – kann es unter Umständen zu einer kinematischen
Unterbestimmung bezüglich der Position des Planetenzahnrads 14 kommen.
In diesem Fall könnte das Planetenzahnrad 14 sowie
die beiden dann parallel positionierten Planetenträger 19 und 20 – ähnlich
wie ein Planetenrad in einem Planetengetriebe – um die
dann koaxiale Achse von Antriebswelle und Abtriebswelle rotieren,
was vorliegend unerwünscht ist, da die Drehmomentübertragung
in diesem Fall unterbrochen wäre und das Getriebe so in einen
nichtdefinierten Zustand geraten könnte.
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Um
diese kinematische Unterbestimmung der Position des Planetenzahnrads 14 zu
beheben, ist bei der dargestellten Ausführungsform ein
Verriegelungszapfen 22 am ersten Planetenträger 19 angeordnet.
Der Verriegelungszapfen 22 greift im unmittelbaren Umgebungsbereich
der dargestellten Einfederungs-Mittelposition der Antriebswelle 11 in eine
geeignet ausgeformte Verriegelungskulisse ein (der Übersichtlichkeit
halber nicht dargestellt). Durch den Eingriff des Verriegelungszapfens 22 in
die beispielsweise im Gehäusedeckel des Getriebegehäuses 18 anzuordnende
Verriegelungskulisse lässt sich sodann sicherstellen, dass
der erste Planetenträger 19 im Bereich der dargestellten
Mittelposition der Antriebswelle 11 seine Schwenkbewegung
nur – wie vorgesehen – um die Planetenträgerachse 21 als
Momentanachse, nicht jedoch um die Antriebswelle 11 ausführen
kann. Dank des Verriegelungszapfens 22 und dessen Eingriff
in die entsprechende Verriegelungskulisse lässt sich somit
die kinematische Unterbestimmung der Position des Planetenzahnrads 14 in
der dargestellten koaxialen Stellung von Antriebswelle 11 und
Abtriebswelle 16 beheben.
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4 zeigt
den Radnabenantrieb mit der Getriebeeinheit gemäß 1 bis 3 im
Längsschnitt entlang der Radachse 16. Die Radachse 16 bildet
dabei gleichzeitig die Abtriebswelle 16 der Getriebeeinheit 5,
und ist bei der Getriebestellung gemäß 3 und 4 in
koaxialer Stellung mit der Antriebswelle 11 der Getriebeeinheit,
die gleichzeitig die Motorwelle 11 des Antriebsmotors 6 darstellt.
In 4 ferner gut erkennbar ist das Gehäuse 18 der Getriebeeinheit,
welches gleichzeitig den Radträger darstellt und außerdem
die Lagergehäuse bzw. Lagerbuchsen 8 der Linearführung 7, 8 bildet
bzw. umfasst.
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Unmittelbar
innerhalb der Gehäusewandung 18 der Getriebeeinheit 5 wird
das Hohlrad 15 erkennbar, das drehfest mit der Radnabe 17 bzw.
mit der Radachse 16 des angetriebenen Rades 1 verbunden ist.
Innerhalb des Hohlrades 15 wird das geschnitten dargestellte
Planetenzahnrad 14 erkennbar, welches mittels des ersten
Planetenträgers 19 im Zahneingriff mit dem Antriebsritzel 13,
und gleichzeitig mittels des zweiten Planetenträgers 20 auf
seiner schwenkbaren Planetenposition (vgl. Winkelsegment 26 in 5 bis 7)
sowie im Zahneingriff mit dem Hohlrad 15 gehalten wird.
Ferner erkennbar wird in 4 noch eine Scheibenbremse,
deren Bremsscheibe 23 in der konventionellen Weise mit
der Radnabe sowie mit der Felge verbunden ist, während
die Bremszange 24 hier unmittelbar am Getriebegehäuse
bzw. Radträger 18 angeflanscht ist.
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In
den 5 bis 7 ist der Verlauf einer Einfederungsbewegung
des angetriebenen Rades 1 zwischen vollständiger
Ausfederung (5), Neutralstellung (6)
und teilweiser Einfederung (7) dargestellt.
Dabei sind die Führungsstangen 7 jeweils chassisfest,
wobei das Fahrzeugchassis in den 5 bis 7 schematisch
angedeutet ist durch den schraffierten Block 25. Man erkennt
zunächst, wie die mit dem Radträger 18 verbundenen Lagergehäuse
bzw. Lagerbuchsen 8 auf den Führungsstangen 7,
der Einfederungsbewegung 9 des Rades 1 folgend,
auf und ab gleiten können.
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Ferner
gut erkennbar in den 5 bis 7 ist die
prinzipielle Wirkungsweise der erfindungsgemäßen
Getriebeeinheit 5 aus Antriebsritzel 13, Planetenzahnrad 14 und
Abtriebszahnrad 15. Dabei ist das auch hier wieder als
Hohlrad 15 ausgebildete Abtriebszahnrad wieder fest mit
der Radachse 16 verbunden, während das Antriebsritzel 13 unmittelbar auf
der Antriebswelle 11 des (hier nicht dargestellten) Antriebsmotors 6 sitzt
(vgl. 3 und 4). Insbesondere anhand der
strichlierten Hilfslinien H wird dabei deutlich erkennbar, dass
das Antriebsritzel 13 unabhängig von den Einfederungsbewegungen 9 des Rades 1 stets
seine fixe Relativposition zum Fahrzeugchassis (strichlierter Block 25)
behält, während Drehmomentübertragung
und Zahneingriff zwischen Antriebsritzel 13 und Hohlrad 15 mittels
des eine Schwenkbewegung um die Radachse 16 ausführenden
Planetenzahnrads 14 erfolgt. Der Bereich der Schwenkbewegung
des Planetenzahnrads 14 ist in den 5 bis 7 durch
das punktierte Winkelsegment 26 angedeutet.
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Anhand
der Kinematik wird in den 5 bis 7 auch
erkennbar, dass das Abtriebszahnrad 15 nicht – wie
im dargestellten Ausführungsbeispiel – nur als
Hohlrad ausgebildet sein kann, sondern dass statt des Hohlrads 15 auch
ein Abtriebsritzel unmittelbar auf der Radachse 16 angeordnet
sein kann. Das Planetenzahnrad 14 steht in einem solchen
Fall – mittels der beiden ansonsten unveränderten
Planetenträger 19, 20 – in permanentem
Eingriff sowohl mit dem Antriebsritzel 13 als auch mit
dem zentralen Abtriebsritzel bei 16, vgl. auch 3,
wo anstelle des Hohlrads 15 auf einer Verlängerung
der Radachse 16 auch ein mit dem Planetenzahnrad 14 in
Eingriff stehendes Abtriebsritzel (nicht dargestellt) angeordnet werden
könnte. Die translatorische Beweglichkeit 9 zwischen
dem Abtriebsritzel und dem Antriebsritzel 13 ist dabei
unverändert gewährleistet, indem das Planetenzahnrad 14 (wie
dargestellt) in seinem Breitenmaß der Summe der Breite
von Antriebsritzel 13 und Abtriebsritzel (nicht dargestellt)
entspricht, so dass Antriebsritzel 13 und Abtriebsritzel
bei Einfederungsbewegungen 9 stirnseitig aneinander vorbei passieren
können.
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Im
Ergebnis wird damit deutlich, dass mit der Erfindung eine Getriebeeinheit
geschaffen wird, die bei minimalem Bauraumbedarf eine komplette
translatorische Entkopplung zwischen einem Antrieb und einem Abtrieb
gewährleisten kann. Dank der Erfindung wird es insbesondere
möglich, Radnabenmotoren bezüglich der Einfederungsbewegungen
eines angetriebenen Rades von der Radaufhängung vollständig
zu entkoppeln, wodurch die ungefederten Massen der Radaufhängung
entscheidend reduziert werden können. Zudem lassen sich
dank der Erfindung äußerst bauraumsparende Radnabenantriebe bzw.
Radaufhängungen verwirklichen.
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Die
Erfindung leistet damit einen wegweisenden Beitrag insbesondere
zur Kosten- und Bauraumreduzierung von Kraftfahrzeugantrieben, zur
Erweiterung der Einsatzmöglichkeiten und zur Verbesserung des
Fahrkomforts von Radnabenantrieben, beispielsweise bei Anwendungen
im Bereich der Hybridantriebe.
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- 1
- Fahrzeugrad
- 2
- Reifen
- 3
- Felge
- 4
- Radnabenantrieb
- 5
- Getriebeeinheit
- 6
- Antriebsmotor
- 7
- Führungsstange
- 8
- Führungsbuchse
- 9
- Einfederungsbewegung
- 10
- Elastomerbalg
- 11
- Antriebswelle,
Motorwelle
- 12
- Langloch
- 13
- Antriebsritzel
- 14
- Planetenzahnrad
- 15
- Abtriebszahnrad,
Hohlrad
- 16
- Radachse,
Abtriebswelle
- 17
- Radnabe
- 18
- Getriebegehäuse,
Radträger
- 19
- erster
Planetenträger
- 20
- zweiter
Planetenträger
- 21
- Planetenträgerachse
- 22
- Verriegelungszapfen
- 23
- Bremsscheibe
- 24
- Bremszange
- 25
- Fahrzeugchassis
- 26
- Winkelsegment
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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