DE102009054743A1 - Antriebsstrang eines Elektrofahrzeugs - Google Patents
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Abstract
Elektromotoren liefern im Gegensatz zu Verbrennungsmotoren schon das volle Drehmoment bei geringen Drehzahlen. Konstante Leistung liefern sie über einen wesentlich breiteren Drehzahlbereich als Verbrennungsmotoren. Es sind mit Elektromotoren angetriebene Fahrzeuge bekannt, bei denen mit einer Getriebeübersetzung der gesamte Geschwindigkeitsbereich abgedeckt wird. Weil die benötigte Antriebleistung mit Erhöhung der Fahrzeuggeschwindigkeit steigt, ist die Getriebeübersetzung so ausgelegt, dass der Elektromotor bei Höchstgeschwindigkeit des Fahrzeugs gerade noch die dafür benötigte Leistung erbringt. Tendenziell ist dafür eine kleine Getriebeübersetzung erforderlich. Weil aber beim Getriebe das Verhältnis der Drehzahlen umgekehrt proportional zum Verhältnis der Momente von An- und Abtrieb ist, und für eine starke Beschleunigung eines Fahrzeugs aus dem Stand heraus ein großes Drehmoment am Abtrieb notwendig ist, wird dafür eher eine große Getriebeübersetzung benötigt. Dieser Widerspruch wird technisch gelöst, indem mit dem Getriebe die Drehzahl an den Geschwindigkeitsbereich angepasst wird und Elektromotoren mit ausreichend hohem Drehmoment eingesetzt werden. Je größer das Drehmoment eines Elektromotors ist, desto größer ist deren Durchmesser. Dadurch ist ein großer Bauraum für den Elektromotor erforderlich. Bei dem erfindungsgemäßen Antriebsstrang wird über eine zweistufige Getriebeeinrichtung der gesamte Geschwindigkeitsbereich des Eelektrofahrzeugs abgedeckt. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Eingangswelle (5) zwei Antriebsräder (9, 10) zugeordnet und an der Getriebewelle (6) zwei mit den Antriebsrädern (9, 10) kämmende Abtriebsräder (11, 12) vorgesehen sind und eine Reibkupplung (13) die Eingangswelle (5) jeweils mit einem der Antriebsräder (9, 10) verbindet.
Description
- Stand der Technik
- Die Erfindung geht aus von einem Antriebsstrang eines Elektrofahrzeugs nach der Gattung des Hauptanspruchs.
- Elektromotoren liefern im Gegensatz zu Verbrennungsmotoren schon das volle Drehmoment bei geringen Drehzahlen. Konstante Leistung liefern sie über einen wesentlich breiteren Drehzahlbereich als Verbrennungsmotoren. Es sind mit Elektromotoren angetriebene Fahrzeuge bekannt, bei denen mit einer Getriebeübersetzung der gesamte Geschwindigkeitsbereich abgedeckt wird. Weil die benötigte Antriebleistung mit Erhöhung der Fahrzeuggeschwindigkeit steigt, ist die Getriebeübersetzung so ausgelegt, dass der Elektromotor bei Höchstgeschwindigkeit des Fahrzeugs gerade noch die dafür benötigte Leistung erbringt. Tendenziell ist dafür eine kleine Getriebeübersetzung erforderlich. Weil aber beim Getriebe das Verhältnis der Drehzahlen umgekehrt proportional zum Verhältnis der Momente von An- und Abtrieb ist, und für eine starke Beschleunigung eines Fahrzeugs aus dem Stand heraus ein großes Drehmoment am Abtrieb notwendig ist, wird dafür eher eine große Getriebeübersetzung benötigt. Dieser Widerspruch wird technisch gelöst, indem mit dem Getriebe die Drehzahl an den Geschwindigkeitsbereich angepasst wird und Elektromotoren mit ausreichend hohem Drehmoment eingesetzt werden. Je größer das Drehmoment eines Elektromotors ist, desto größer ist deren Durchmesser. Dadurch ist ein großer Bauraum für den Elektromotor erforderlich.
- Vorteile der Erfindung
- Der erfindungsgemäße Antriebsstrang hat demgegenüber den Vorteil, dass eine zweistufige Getriebeeinrichtung vorgesehen ist, über die die elektrische Maschine den gesamten Geschwindigkeitsbereich des Fahrzeugs abdecken kann. Dies wird erfindungsgemäß erreicht, indem an der Getriebeeinrichtung zwei Antriebsräder und an der Getriebewelle zwei mit den Antriebsrädern kämmende Abtriebsräder vorgesehen sind und eine Reibkupplung die Eingangswelle jeweils mit einem der Antriebsräder verbindet.
- Durch die erfindungsgemäße Ausführung steht auch schon bei niedrigen Drehzahlen ein größtmögliches Drehmoment zur Verfügung. Es lassen sich hohe Drehzahlen an der Eingangswelle der Getriebeeinrichtung und gleichzeitig große Drehmomente an der Getriebewelle der Getriebeeinrichtung erreichen. Durch die Zweistufigkeit lässt sich die elektrische Maschine in einem kleinen Drehzahlbereich und dadurch effizienter nahe am größten Wirkungsgrad betreiben. Dabei wird der Betriebspunkt der elektrischen Maschine mit Hilfe einer der beiden Übersetzungen bei konstanter Leistung zu einem besseren Betriebspunkt im Wirkungsgradkennfeld verschoben. Alternativ kann die elektrische Maschine mit einem kleineren Drehmoment und damit geringerem Außendurchmesser eingesetzt werden. Dadurch reduzieren sich der benötigte Bauraum und das Eigengewicht des Antriebs. Mithilfe der zweiten Übersetzungsstufe wird bei Bedarf an der Getriebewelle der Getriebeeinrichtung ein größeres Drehmoment eingestellt. Aufgrund der Reibkupplung kann auf eine Synchronisation der elektrischen Maschine mit der Getriebeeinrichtung beim Schalten verzichtet werden. Gerade bei Doppel- oder Mehrmotorkonzepten ist eine Synchronisation, z. B. in Kurvenfahrten, aufwendig. Aufgrund der Reibkupplung in Verbindung mit einer Momentenregelung stellt sich die benötigte Drehzahl unabhängig von der Fahrsituation ein.
- Ein Vorteil der Reibkupplung ist, dass einerseits sehr schnell – auch unter Last – ohne Reduzierung des Antriebmoments der elektrischen Maschine geschalten werden kann und somit nur eine minimale Zugkraftunterbrechung entsteht. Alternativ kann durch langsames Bewegen der Schiebehülse der Momentensprung gemindert und ein sanfter Übergang zwischen den zwei Momenten erreicht werden. Der Übergang kann durch die Geschwindigkeit und Anpresskraft der Stellers moduliert werden.
- Wird die Reibkupplung in eine Leerlaufposition geschaltet, wird der Kraftfluss von der elektrischen Maschine zum Rad unterbrochen. Damit können bei einem Fahrzeug, das vier als Radnabenmotor ausgeführte elektrische Maschinen an den Rädern aufweist, bei niedriger Momentenanforderung einzelne elektrische Maschinen ausgekoppelt werden, so dass sich das aufzubringende Moment der restlichen elektrischen Maschinen entsprechend erhöht. Dadurch lassen sich Betriebspunkte mit besserem Wirkungsgrad einstellen. Zudem erhöht diese Auskopplung der elektrischen Maschinen die Verfügbarkeit und Sicherheit des Gesamtsystems. Fällt bei einem Mehrmotorkonzept ein Antrieb aus, kann dieser Kraftfluss einzeln unterbrochen werden. Im Fehlerfall, beispielsweise einem Blockieren eines Rades oder einer Achse, kann daher immer ein Freilauf eingestellt werden. Die Reibkupplung ist so ausgeführt, dass nur eines der Antriebsräder der Getriebeeinrichtung in Kopplung mit der Eingangswelle stehen kann. Damit ist baulich sichergestellt, dass jeweils nur ein einzelner Gang eingelegt ist.
- Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Hauptanspruch angegebenen Getriebeeinrichtung möglich.
- Besonders vorteilhaft ist, wenn die Reibkupplung eine Schiebehülse ist, die auf der Eingangswelle axial verschiebbar angeordnet ist und zwei mit den Antriebsrädern wirkverbindbare Konusabschnitte aufweist, da auf diese Weise eine sehr kompakte und bauraumsparende Anordnung erzielt wird.
- Weiterhin vorteilhaft ist, wenn die Konusabschnitte der Schiebehülse nutenförmige, in axialer Richtung verlaufende Vertiefungen aufweisen, da das Schmiermittel der Getriebeeinrichtung auf diese Weise schnell verdrängt und schnell eine flächige Anpresskraft zwischen Antriebsrad und Schiebehülse erreicht wird.
- Sehr vorteilhaft ist es, wenn sich die Konusabschnitte der Schiebehülse zu den einander abgewandten Enden hin verjüngen, da auf diese Weise eine große Flächenpressung mit einem kurzen Stellhub erzielt wird.
- Vorteilhaft ist, wenn die Antriebsräder auf der Schiebehülse freilaufend gelagert sind, da auf diese Weise eine kraftschlüssige Verbindung zwischen Achse und Antriebsrad erst beim Anpressen des jeweiligen Konusabschnitts entsteht und die Anpresskraft der Schiebehülse seitlich aufgenommen werden kann.
- Auch vorteilhaft ist, wenn ein hydraulischer oder elektrischer Steller zur Verstellung der Reibkupplung vorgesehen ist, da die Getriebeeinrichtung auf diese Weise besonders einfach und schnell verstellbar ist.
- Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung ist vorgesehen, die Antriebs- und Abtriebsräder der Getriebeeinrichtung jeweils als Stirnzahnräder auszubilden.
- Desweiteren vorteilhaft ist, wenn die Reibkupplung, die Antriebs- und Abtriebsräder ein Wechselgetriebe bilden, das zwei Getriebeübersetzungen aufweist, zwischen denen durch Verstellung gewechselt werden kann.
- Darüber hinaus vorteilhaft ist, wenn die Getriebeeinrichtung ein Planetengetriebe mit einem Sonnenrad umfasst, wobei das Sonnenrad mit der Getriebewelle gekoppelt ist, da auf diese Weise die hohe Drehzahl der elektrischen Maschine in eine niedrige Drehzahl am Abtrieb untersetzt wird. Ein Planetengetriebe ermöglicht große Übersetzungen für Drehzahl und Moment bei sehr kompakter Baugröße.
- Zeichnung
- Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung vereinfacht dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
- Beschreibung des Ausführungsbeispiels
- Die Zeichnung zeigt im Schnitt einen Antriebsstrang mit einer erfindungsgemäßen Getriebeeinrichtung.
- Der Antriebsstrang eines Elektrofahrzeugs weist eine elektrische Maschine
1 , eine Getriebeeinrichtung2 und eine zumindest ein Rad3 des Elektrofahrzeugs antreibende Antriebswelle4 auf. Die Getriebeeinrichtung2 hat eine mit der elektrischen Maschine1 gekoppelte Eingangswelle5 und eine Getriebewelle6 . - Erfindungsgemäß sind der Eingangswelle
5 zwei Antriebsräder9 ,10 zugeordnet und an der Getriebewelle6 sind zwei mit den Antriebsrädern9 ,10 kämmende Abtriebsräder11 ,12 vorgesehen. Das Abtriebsrad11 ist beispielsweise stirnseitig am Abtriebsrad12 befestigt. Das Abtriebsrad12 ist beispielsweise einstückig an der Getriebewelle6 ausgeführt. Die Antriebs- und Abtriebsräder9 ,10 ,11 ,12 der Getriebeeinrichtung2 sind beispielsweise als Stirnzahnräder ausgeführt, um eine kompakte Bauweise zu erreichen. Selbstverständlich können auch andere Zahnräder verwendet werden. - Desweiteren ist erfindungsgemäß eine Reibkupplung
13 vorgesehen, die die Eingangswelle5 jeweils mit einem der Antriebsräder9 ,10 verbindet. Die Reibkupplung13 ist als eine Schiebehülse16 ausgeführt, die auf der Eingangswelle5 axial verschiebbar angeordnet ist und zwei mit den Antriebsrädern5 ,6 wirkverbindbare Konusabschnitte17 ,18 aufweist. Die Konusabschnitte17 ,18 grenzen aneinander an und haben in axialer Richtung verlaufende nutenförmige oder rillenförmige Vertiefungen19 . Diese dienen dazu, das Getriebeöl der Getriebeeinrichtung abzuführen. Die Konusabschnitte17 ,18 der Schiebehülse16 verjüngen sich zu den einander abgewandten Enden hin. - Die Antriebsräder
9 ,10 der Getriebeeinrichtung2 sind auf der Schiebehülse16 gelagert. - Für eine Änderung der Getriebeübersetzung wird die Schiebehülse
16 der Reibkupplung13 von der einen axialen Endlage in die andere axiale Endlage verstellt, beispielsweise mittels eines hydraulisch betätigten Stellers20 . Dazu ist eine Druckkammer23 ausgebildet, in der ein Kolben24 angeordnet ist, der die Schiebehülse16 axial verschiebt. Die Druckkammer23 wird über einen Druckanschluss25 mit Hydrauliköl beaufschlagt. Alternativ kann der Steller20 selbstverständlich auch elektrisch oder mechanisch betrieben sein. - Die Reibkupplung
13 , die Antriebs- und Abtriebsräder9 ,10 ,11 ,12 bilden ein sogenanntes Wechselgetriebe, das zwei Getriebeübersetzungen aufweist, zwischen denen gewechselt werden kann. Die Getriebeeinrichtung2 kann auch ein Planetengetriebe26 mit einem Sonnenrad27 , mehreren Planetenräder28 und einem Hohlrad29 umfassen, wobei das Sonnenrad27 mit der Getriebewelle6 gekoppelt ist. Das Sonnenrad27 ist gemäß dem Ausführungsbeispiel einstückig an der Getriebewelle6 ausgebildet. Beide Abtriebsräder11 ,12 sind kraftschlüssig auf der Achse6 des Sonnenrads27 angeordnet. Das Hohlrad29 ist über die Antriebswelle4 mit dem Rad3 verbunden. - Das Wechselgetriebe und das Planetengetriebe
26 sind beispielsweise in einem gemeinsamen Gehäuse30 angeordnet, so dass eine kompakte und bauraumsparende Anordnung erreicht wird. - Bei einem Fahrzeug, das vier als Radnabenmotor ausgeführte elektrische Maschinen an den Rädern aufweist, kann die erfindungsgemäße Getriebeeinrichtung jeweils zwischen der elektrischen Maschine und dem Rad Verwendung finden. Selbstverständlich sind auch andere Anwendungen möglich.
Claims (10)
- Antriebsstrang eines Elektrofahrzeugs mit einer Getriebeeinrichtung (
2 ), die eine Eingangswelle (5 ) und eine Getriebewelle (6 ) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Eingangswelle (5 ) zwei Antriebsräder (9 ,10 ) zugeordnet und an der Getriebewelle (6 ) zwei mit den Antriebsrädern (9 ,10 ) kämmende Abtriebsräder (11 ,12 ) vorgesehen sind und eine Reibkupplung (13 ) die Eingangswelle (5 ) jeweils mit einem der Antriebsräder (9 ,10 ) verbindet. - Antriebsstrang nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Reibkupplung (
13 ) eine Schiebehülse (16 ) ist, die auf der Eingangswelle (5 ) axial verschiebbar angeordnet ist und zwei mit den Antriebsrädern (9 ,10 ) wirkverbindbare Konusabschnitte (17 ,18 ) aufweist. - Antriebsstrang nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Konusabschnitte (
17 ,18 ) der Schiebehülse (16 ) nutenförmige, in axialer Richtung verlaufende Vertiefungen aufweisen. - Antriebsstrang nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Konusabschnitte (
17 ,18 ) der Schiebehülse (16 ) zu den einander abgewandten Enden hin verjüngen. - Antriebsstrang nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebsräder (
9 ,10 ) der Getriebeeinrichtung (2 ) auf der Schiebehülse (16 ) gelagert sind. - Antriebsstrang nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein hydraulischer oder elektrischer Steller (
20 ) zur Verstellung der Reibkupplung (13 ) vorgesehen ist. - Antriebsstrang nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebs- und Abtriebsräder (
9 ,10 ,11 ,12 ) der Getriebeeinrichtung (2 ) als Stirnzahnräder ausgebildet sind. - Antriebsstrang nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Reibkupplung (
13 ), die Antriebs- und Abtriebsräder (9 ,10 ,11 ,12 ) ein zwei Getriebeübersetzungen aufweisendes Wechselgetriebe bilden. - Antriebsstrang nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Getriebeeinrichtung (
2 ) ein Planetengetriebe (26 ) mit einem Sonnenrad (27 ) umfasst, wobei das Sonnenrad (27 ) mit der Getriebewelle (6 ) gekoppelt ist. - Antriebsstrang nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Eingangswelle (
5 ) der Getriebeeinrichtung (2 ) mit einer elektrischen Maschine (1 ) verbunden ist.
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