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TECHNISCHES GEBIET
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Die vorliegende Offenbarung betrifft ein Fahrzeugantriebssystem.
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EINLEITUNG
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Diese Einleitung stellt im Allgemeinen den Kontext der Offenbarung dar. Die Arbeit der gegenwärtig genannten Erfinder in dem in diesem Hintergrundabschnitt beschriebenen Umfang sowie Aspekte der Beschreibung, die zum Zeitpunkt der Anmeldung ansonsten nicht als Stand der Technik gelten, werden gegenüber der vorliegenden Offenbarung ausdrücklich noch implizit als Stand der Technik zugelassen.
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Automobilhersteller stehen unter ständigem und wachsendem Druck, die Effizienz, Leistung und den Kraftstoffverbrauch ihrer Fahrzeugantriebssysteme zu verbessern. Dies hat zur Entwicklung von Fahrzeugantriebssystemen mit Alternativen zum Verbrennungsmotor geführt, die als Antriebsmaschine in diesen Systemen eingesetzt werden, wie zum Beispiel Elektromotoren, Brennstoffzellen und dergleichen. Elektromotoren in diesen Fahrzeugantriebssystemen laufen typischerweise bei hohen Drehzahlen mit relativ hohem Drehmoment. Dazu ist ein Getriebe erforderlich, das die Drehzahl der Rotorhohlwelle vom Elektromotor auf eine Drehzahl reduziert, die für einen Fahrzeug-Achsantrieb besser geeignet ist. Darüber hinaus reduziert und/oder eliminiert der im Vergleich zu einem Verbrennungsmotor erhöhte effiziente Betriebsdrehzahlbereich eines Elektromotors die Notwendigkeit, ein Getriebe vorzusehen, das in der Lage ist, die Übersetzungsverhältnisse zu ändern. Durch diese reduzierten Anforderungen konnten die Automobilhersteller ihre Antriebssysteme vereinfachen und Antriebsmaschine, Getriebe, Achsantrieb und Achse kompakter positionieren und/oder zu einer Einheit, wie beispielsweise einem Transaxle, kombinieren.
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Ein exemplarisches Fahrzeugantriebssystem 100 mit einer Transaxle-Konfiguration ist in 1 veranschaulicht. Das Antriebssystem 100 beinhaltet einen Elektromotor 102 mit einer Rotorhohlwelle 104. Die Rotorhohlwelle 104 stellt ein Antriebsmoment für einen ersten Zahnradsatz 106 in einer Transaxle 108 bereit. Der erste Zahnradsatz 106 beinhaltet ein erstes Antriebszahnrad 110, das an der Rotorhohlwelle 104 über Kerbverzahnungen oder dergleichen befestigt ist. Das erste Antriebszahnrad 110 weist Zähne auf, die mit den entsprechenden Zähnen auf einem ersten angetriebenen Zahnrad 112 ineinandergreifen. Das erste angetriebene Zahnrad 112 ist über Kerbverzahnungen oder dergleichen auf einer Übertragungswelle 114 befestigt. Die Übertragungswelle 114 beinhaltet in dieser exemplarischen Ausführungsform integral ein zweites Antriebszahnrad 116 mit Zähnen, die mit entsprechenden Zähnen an einem zweiten Antriebszahnrad 118 kämmend ineinandergreifen. Das zweite angetriebene Zahnrad 118 ist mit einem Gehäuse 120 eines Differentials 122 verbunden. Das Differential 122 beinhaltet einen Stift 124, der in einen Satz von Antriebszahnrädern 126 eingreift, sodass das Drehmoment vom Gehäuse 120 über den Stift 124 und die Kettenräder 126 auf einen Satz von Achsen 128 und 130 übertragen wird, welche die Räder (nicht dargestellt) des Fahrzeugs antreiben.
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KURZDARSTELLUNG
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In einem exemplarischen Aspekt beinhaltet ein Fahrzeugantriebssystem einen Elektromotor mit einer Rotorhohlwelle, ein mit der Rotorhohlwelle verbundenes Antriebskettenrad, eine erste Kette, die auf dem Antriebskettenrad montiert ist, ein auf einer Antriebswelle montiertes Kettenrad, wobei die erste Kette ebenfalls auf dem Antriebskettenrad montiert ist, ein auf der Übertragungswelle montiertes Transferantriebskettenrad, eine auf dem Transferantriebskettenrad montierte zweite Kette, ein mit einem Differential verbundenes Achsantriebskettenrad, wobei die zweite Kette ebenfalls auf dem mit dem Achsantrieb verbundenen Kettenrad montiert ist, eine erste Achse, die mit einem Ausgang des Differentials verbunden ist, und eine zweite Achse, die mit einem anderen Ausgang des Differentials verbunden ist
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Auf diese Weise können Effizienz, Kraftstoffverbrauch, Emissionen, Größe, Einfachheit, Geräusch, Vibration und Masse eines Fahrzeugantriebssystems verbessert werden.
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In einem weiteren exemplarischen Aspekt ist ein Verhältnis zwischen dem Antriebskettenrad und dem Transferantriebskettenrad größer als zwei zu eins.
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In einem weiteren exemplarischen Aspekt ist das Verhältnis zwischen dem Transferantriebskettenrad und dem Achsantriebskettenrad größer als zwei zu eins.
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In einem weiteren exemplarischen Aspekt beinhaltet das System zusätzlich ein Transaxl e-Gehäuse.
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In einem weiteren exemplarischen Aspekt beinhaltet das System weiterhin ein Lager, das am Transaxle-Gehäuse montiert ist und das Transferantriebskettenrad drehbar trägt.
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In einem weiteren exemplarischen Aspekt ist das Lager koplanar mit dem Transferantriebskettenrad.
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In einem weiteren exemplarischen Aspekt ist das Lager ein Rollenlager.
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In einem weiteren exemplarischen Aspekt beinhaltet das System weiterhin ein Lager, das am Transaxle-Gehäuse montiert ist und das Achsantriebskettenrad drehbar trägt.
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In einem weiteren exemplarischen Aspekt ist das Lager koplanar mit dem Achsantriebskettenrad.
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In einem weiteren exemplarischen Aspekt ist das Differential ein Kegelraddifferential.
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In einem weiteren exemplarischen Aspekt ist das Differential ein Planeten-Stirnrad-Differential.
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In einem weiteren exemplarischen Aspekt ist die Breite der zweiten Kette größer als eine Breite der ersten Kette.
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Weitere Anwendungsbereiche der vorliegenden Offenbarung ergeben sich aus der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung. Es ist zu beachten, dass die ausführliche Beschreibung und die spezifischen Beispiele nur dem Zweck der Veranschaulichung dienen und nicht dazu beabsichtigt sind, den Umfang der Offenbarung zu begrenzen.
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Die oben genannten Merkmale und Vorteile sowie weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung sind aus der folgenden ausführlichen Beschreibung einschließlich der Ansprüche und der Ausführungsformen leicht ersichtlich, wenn sie zusammen mit den beigefügten Zeichnungen genommen werden.
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Figurenliste
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Die vorliegende Offenbarung wird verständlicher unter Zuhilfenahme der ausführlichen Beschreibung und der zugehörigen Zeichnungen, wobei gilt:
- 1 eine Schnittdarstellung eines Fahrzeugantriebssystems;
- 2 ist eine Schnittdarstellung eines Fahrzeugantriebssystems gemäß der vorliegenden Offenbarung; und
- 3 ist eine Schnittdarstellung eines weiteren Fahrzeugantriebssystems gemäß der vorliegenden Offenbarung.
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In den Zeichnungen werden dieselben Bezugszeichen für ähnliche und/oder identische Elemente verwendet.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
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Unter Bezugnahme auf 1 haben die Erfinder der vorliegenden Offenbarung erkannt, dass die Zahnradsätze im Transaxle des Fahrzeugantriebssystems 100 mit einer Reihe von Problemen behaftet sind. Durch das Ineinandergreifen der Verzahnung entsteht eine unerwünschte Menge an Geräuschen und Vibrationen. Diese Geräusche und Vibrationen können überdeckt werden, wenn sie mit einem Fahrzeugantriebssystem verwendet werden, das ein Verbrennungssystem beinhaltet. Allerdings können sich die Geräusche und Vibrationen im Antriebssystem bemerkbar machen, das zum Erzeugen der Antriebsenergie auf einen wesentlich leiseren Elektromotor angewiesen ist.
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Darüber hinaus erkennen die Erfinder, dass der Einsatz von Zahnrädern in diesen Zahnradsätzen zu Schubbelastungen führt, die in axialer Richtung wirken. Daher erfordert die Verwendung von Zahnrädern Lagersätze, die nicht nur radial, sondern auch axial gestützt werden. Diese Axiallasten durch die Zahnradsätze werden als Schubkräfte bezeichnet. Diese Schubkräfte erhöhen die Anforderungen an die Lagersysteme, um nicht nur die Radiallasten, sondern auch die Schubkräfte aufzunehmen, was den Gesamtwirkungsgrad des Systems reduziert. Unter Bezugnahme auf das System 100 in 1 ergibt sich beispielsweise durch das Ineinandergreifen des zweiten Antriebszahnrads 116 und des zweiten Antriebszahnrads 118 eine Kraft mit einer Radialkomponente Fr und einer Axialkomponente Fa. Um die Axialkomponente mit der Kraft Fa aufzunehmen, ist eine Mittelstütze 132 (mit einer Vielzahl von Schrauben und Dübeln, nicht dargestellt) erforderlich. Die Erfinder der vorliegenden Offenbarung konnten diese Probleme lösen und gleichzeitig zusätzliche Vorteile im Vergleich zu herkömmlichen Ausführungen ermöglichen.
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2 veranschaulicht ein exemplarisches Fahrzeugantriebssystem 200 mit einer Transaxle-Konfiguration gemäß der vorliegenden Offenbarung. Das System 200 beinhaltet einen Elektromotor 202 mit einer Rotorhohlwelle 204 zum Bereitstellen eines Antriebsdrehmoments für eine Transaxle 206. Das System 200 beinhaltet ein Eingangsantriebskettenrad 208, das über eine Kerbverzahnung oder dergleichen auf der Rotorhohlwelle 204 montiert ist. Eine erste Kette 210 ist am Eingangsantriebskettenrad 208 und auch auf einem Transferantriebskettenrad 212 montiert. Das Transferantriebskettenrad 212 ist so auf einer Übertragungswelle 214 montiert, dass sich die Übertragungswelle 214 mit dem Transferantriebskettenrad 212 dreht. Ein Transferantriebskettenrad 216 ist ebenfalls so auf der Übertragungswelle 214 montiert, dass es sich mit der Übertragungswelle 214 über eine Kerbverzahnung oder dergleichen dreht. Eine zweite Kette 218 ist auf dem Transferantriebskettenrad 216 und auch auf einem Achsantriebskettenrad 220 befestigt. Das Transferantriebskettenrad 220 ist in ein Gehäuse 222 eines Kegelraddifferentials 224 integriert. Das Differential 224 verteilt das vom Transferantriebskettenrad 220 empfangene Drehmoment auf einen Satz von Achsen 226 und 228, welche die Räder (nicht dargestellt) des Fahrzeugs, welches das Fahrzeugantriebssystem 200 beinhaltet, antreiben.
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Die erfindungsgemäße exemplarische Ausführungsform des Fahrzeugantriebssystems 200 von 2 bietet im Vergleich zum Fahrzeugantriebssystem 100 von 1 eine Reihe von Vorteilen. Zum einen arbeiten die Kettenantriebssysteme in den erfindungsgemäßen Ausführungsformen mit deutlich weniger Geräuschen und Vibrationen. Wie vorstehend erläutert, ist dies besonders vorteilhaft, wenn das Fahrzeugantriebssystem auf einen Elektromotor zum Erzeugen des Motordrehmoments angewiesen ist, und nicht auf einen Verbrennungsmotor, der ausreichend Geräusche und Vibrationen erzeugen würde, die die von Zahnradsätzen erzeugten Geräusche und Vibrationen überdecken würden. In Abwesenheit der maskierenden Geräusche und Vibrationen wird der Vorteil eines viel leiseren Ketten-/Kettenradantriebs viel wichtiger.
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Ferner führt das Vertrauen in ein Ketten-/Kettenradantriebssystem anstelle eines Zahnradsatzes zu einer Effizienzsteigerung, die bei der Verbesserung des Kraftstoffverbrauchs, der Reduzierung von Emissionen und dergleichen immer wichtiger wird.
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Im Gegensatz zu den Zahnradsätzen des Systems 100 erzeugen die Ketten-/Kettenradsätze des Systems 200 keine Axialschubkräfte. Daher müssen die Lagersätze des Systems 200 keine Axialschubkräfte bewältigen. Infolge dieser reduzierten Anforderung kann das System 200 anstelle von Kugellagern auch Wälzlager beinhalten. Die Möglichkeit, Wälzlager zu integrieren, ermöglicht eine kompaktere Bauweise und Verpackung. Im Allgemeinen sind Wälzlager kleiner als ein vergleichbares Kugellager. Ferner können die Lager gemäß der vorliegenden Offenbarung zur Verwendung von Wälzlagern und der beseitigten Anforderung, Axiallasten zu bewältigen, so positioniert werden, dass sie koplanar zu den Ketten-/Kettenradsätzen sind. Auf diese Weise kann die gesamte Transaxle-Größe viel kompakter sein als bei herkömmlichen Transaxle-Konstruktionen.
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Darüber hinaus kann durch das wesentliche Reduzieren und/oder Eliminieren von Schubkräften der Ketten-/ Kettenradsätze im Vergleich zu Zahnradsätzen die Größe derjenigen Lager, die weiterhin zum Handhaben von Axiallasten erforderlich sein können, wie beispielsweise eine Positionierlast, auch reduziert werden, da die Positionierlasten im Allgemeinen viel geringer sind als die Schubkräfte aus einem Zahnradsatz.
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Darüber hinaus reduziert und/oder eliminiert die Möglichkeit, die Lager koplanar mit den Ketten-/Kettenradsätzen zu positionieren, die Anforderung, die Last von der Welle zu tragen und/oder von jedem Ketten-/Kettenradsatz auf ein Lager zu übertragen. Auf diese Weise wird die Lastanforderung an die Welle reduziert, was eine weitere Reduzierung der Masse der Welle ermöglichen kann. Unter Bezugnahme auf 1 ist beispielsweise zu beachten, dass das erste angetriebene Zahnrad 112 nicht koplanar mit dem nächstgelegenen angrenzenden Lager 134 ist. Daher wird die Radialkraft, die das erste angetriebene Zahnrad 112 auf die Übertragungswelle 114 ausübt, vom Lager 134 freitragend aufgenommen. Somit muss die Übertragungswelle 114 für diese freitragende Last ausgelegt sein. Ferner ergibt sich durch das Ineinandergreifen des zweiten Antriebszahnrads 116 und des zweiten angetriebenen Zahnrads 118 eine Kraft mit einer Radialkomponente Fr und einer Axialkomponente Fa. Um die Axialkomponente mit der Kraft Fa aufzunehmen, ist eine Mittelstütze 132 (mit einer Vielzahl von Schrauben und Dübeln, nicht dargestellt) erforderlich. Im starken Gegensatz dazu ist unter Bezugnahme auf 2 das erste angetriebene Kettenrad 212 koplanar zum Lager 230. Daher ist es nicht erforderlich, dass die Übertragungswelle 214 zur Aufnahme freitragender Kräfte ausgelegt ist. Ferner kann durch die Möglichkeit, die Lager koplanar mit der Kette/dem Kettenrad zu positionieren, auch die Gesamtstruktur vereinfacht werden, da beispielsweise keine Mittelstütze erforderlich ist.
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In der exemplarischen Ausführungsform von 2 sind die Übersetzungsverhältnisse der Kettenräder relativ groß, um die erforderliche Drehzahlreduzierung und Drehmomenterhöhung durch die Transaxle zu gewährleisten. So können beispielsweise die Kettenradübersetzungen bei der vorliegenden Offenbarung ein Verhältnis von zwei zu eins überschreiten, was auch für die vorliegende Offenbarung von einzigartigem Vorteil ist. In starkem Gegensatz dazu waren die bisherigen Anwendungen von Ketten-/Kettenradsätzen auf nicht viel mehr als ein Verhältnis von eins zu eins beschränkt. Diese Anwendungen wurden in erster Linie nur für die Kraftübertragung zwischen zwei verschiedenen Achsen entwickelt. Im Gegensatz dazu ermöglicht die vorliegende Offenbarung aufgrund der höheren Übersetzungen auch eine deutliche Reduzierung der Drehzahl und Erhöhung des Drehmoments. Die Drehmomenterhöhung durch die Transaxle kann durch Bereitstellen einer zweiten Kette 218 des Systems 200 in 2 aufgenommen werden, die größer ist als die erste Kette 210, da das von der zweiten Kette 218 getragene Drehmoment größer ist als das von der ersten Kette 210 als Folge der Erhöhung des Übersetzungsverhältnisses gegenüber früheren Ketten-/Kettenradanwendungen.
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Es sei ferner darauf hingewiesen, dass die höhere Drehmomentkapazität der exemplarischen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung durch die Kombination des Ketten-/Kettenradsatzes und die Verwendung eines kompakten Wälzlagers, die koplanar zueinander angeordnet sind, weiter ermöglicht wird. Ferner können die Wälzlager der exemplarischen Ausführungsformen direkt von einem Gehäuse der Transaxle und nicht wie bisher von einer Welle getragen werden, wie dies bei herkömmlichen Zahnradsatz-Transaxle-Konstruktionen der Fall war. Die Wellen dieser herkömmlichen Zahnradsatzkonstruktionen mussten verstärkt werden, um die Kräfte aufzunehmen und auf das Gehäuse zu übertragen, was eine Erhöhung der Masse und Größe dieser Stützwellen erfordert. Im Gegensatz dazu ermöglichen die koplanaren Lager dem Gehäuse, die Radiallast direkt zu tragen.
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Unter Bezugnahme auf 3 ist eine weitere exemplarische Ausführungsform eines Fahrzeugantriebssystems 300 gemäß der vorliegenden Offenbarung veranschaulicht. Ein Unterschied zwischen dem System 200 von 2 und dem System 300 von 3 besteht darin, dass anstelle eines Kegelraddifferentials 224 ein Planeten-Stirnrad-Differential 302 verwendet wird. Die erfindungsgemäße Verwendung von Ketten-/Kettenradsätzen und die damit verbundene Möglichkeit, koplanare Lager zum Tragen dieser Ketten-/Kettenradsätze zu verwenden, ermöglicht die Verwendung eines wesentlich kompakteren Planeten-Stirnrad-Differentials 302 im Vergleich zu einem Kegelraddifferential 224 anderer Transaxle-Konstruktionen. Andere Transaxle-Systeme, die sich auf Zahnradsätze gestützt haben, die ein Differential mit der Fähigkeit, die von den Zahnradsätzen erzeugten Schubkräfte zu bewältigen, erfordern. So erzeugt beispielsweise das zweite angetriebene Zahnrad 118 unter erneuter Bezugnahme auf 1 eine Schubkraft (d. h. eine Kraft Fa), die auf das Differentialgehäuse 120 übertragen wird und von diesem getragen werden muss. Daher ist das Differential 122 Voraussetzung dafür, die Fähigkeit zum Bewältigen dieser Schubkräfte aufzuweisen. In starkem Gegensatz dazu muss das Differential aufgrund der erfindungsgemäßen Verwendung von Ketten/Kettenradsätzen exemplarischer Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung keine Schubkräfte bewältigen. Dies ermöglicht die Verwendung eines Planeten-Stirnrad-Differentials, wie bei 302 in 3 veranschaulicht, das wiederum eine reduzierte axiale Ausdehnung aufweist und zudem eine kompaktere Gesamtkonstruktion des Transaxle-Systems 300 ermöglicht.
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Diese Beschreibung ist rein illustrativ und soll die vorliegende Offenbarung sowie ihre Ausführungen oder Verwendungen keineswegs einschränken. Die umfassenden Lehren der Offenbarung können in zahlreichen Formen umgesetzt werden. Obwohl die vorliegende Offenbarung also bestimmte Beispiele beinhaltet, ist der eigentliche Umfang der Offenbarung hierdurch in keiner Weise eingeschränkt, und weitere Modifikationen gehen aus dem Studium der Zeichnungen, der Beschreibung und den folgenden Ansprüchen hervor.
