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Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Antriebsanordnung für ein Fahrzeug mit zumindest einer elektrischen Maschine mit einer Rotorwelle als Antriebswelle gemäß der im Oberbegriff des Patentanspruches 1 näher definierten Art. Ferner betrifft die Erfindung ein Fahrzeug mit einer elektrischen Antriebsanordnung.
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Elektrische Antriebsanordnungen für Fahrzeuge mit zwei Gangstufen sind aus der Fahrzeugtechnik bekannt. Derartige Antriebsanordnungen können zum Beispiel stufenlos verstellbare Getriebe und auch feste Übersetzungsstufen umfassen, die mit einem Abtriebsdifferential über ein Schaltelement zum Realisieren mehrerer Gangstufen verbunden sind.
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Beispielsweise aus der Druckschrift
US 2010/0240492A1 ist eine elektrische Antriebsanordnung für ein Fahrzeug bekannt. Die Antriebsanordnung umfasst eine elektrische Maschine, die mit einem stufenlos verstellbaren Getriebe verbunden ist, wobei dem stufenlos verstellbaren Getriebe eine konstante Übersetzungsstufe nachgeschaltet ist.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine elektrische Antriebsanordnung sowie ein Fahrzeug mit der Antriebsanordnung besonders kostengünstig und mit optimierter Betriebsweise vorzuschlagen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruches 1 beziehungsweise 12 gelöst, wobei sich vorteilhafte und beanspruchte Weiterbildungen aus den Unteransprüchen und der Beschreibung sowie den Zeichnungen ergeben.
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Somit wird eine elektrische Antriebsanordnung für ein Fahrzeug mit zumindest einer elektrischen Maschine mit einer Rotorwelle als Antriebswelle vorgeschlagen, die über zumindest ein stufenlos verstellbares Getriebe und über zumindest einen Direkttrieb sowie über zumindest ein Kupplungselement zum Realisieren von zumindest zwei Fahrbereichen mit einem Abtriebsdifferential zum Antreiben von Abtriebswellen gekoppelt ist. Um eine kostengünstige und eine verlustoptimierte Antriebsanordnung zu schaffen, ist vorgesehen, dass ein erster Antriebspfad für einen ersten Fahrbereich beziehungsweise für eine erste Übersetzungsstufe über das stufenlos verstellbare Getriebe vorgesehen ist und dass ein unabhängig bzw. parallel vom ersten Antriebspfad zweiter Antriebspfad für einen zweiten Fahrbereich beziehungsweise für eine zweite Übersetzungsstufe über den Direkttrieb vorgesehen ist.
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Demzufolge wird eine elektrische Antriebsanordnung mit einem der elektrischen Maschine nachgeschalteten stufenlos verstellbaren Getriebe sowie einem parallel dazu vorgesehenen Direkttrieb zum Beispiel über eine Welle mit einem Stirnrad oder dergleichen realisiert.
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Um zwischen den beiden Fahrbereichen beziehungsweise zwischen den beiden Übersetzungsstufen umschalten zu können, ist zumindest eine der Antriebswelle und dem Abtrieb des stufenlos verstellbaren Getriebes sowie der Welle des Direkttriebes zugeordnete Kupplungseinrichtung oder dergleichen vorgesehen.
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Durch die Verwendung des Direkttriebes bzw. des Direktganges, bei der bzw. bei dem eine 1:1 Übersetzung vorgesehen ist, welches bedeutet, dass Antriebswelle und Welle des Direkttriebes gleiche Drehzahlen aufweisen, wird der Wirkungsgrad beim Betrieb der erfindungsgemäßen elektrischen Antriebsanordnung optimiert. Beispielsweise kann der Direkttrieb durch eine Welle mit einem Zahnradpaar beziehungsweise Stirnradpaar gebildet werden, welches die Verbindung zum Abtriebsdifferential realisiert.
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Im Rahmen einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung ist vorgesehen, dass zum Schalten des Antriebspfades für den ersten Fahrbereich die Antriebswelle der elektrischen Maschine mit einem Antrieb des stufenlos verstellbaren Getriebes verbunden ist und ein Abtrieb des stufenlos verstellbaren Getriebes über ein erstes Kupplungselement mit dem Abtriebsdifferential verbunden ist.
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Zum Schalten des zweiten Antriebspfades ist die Antriebswelle der elektrischen Maschine über das erste Kupplungselement mit einer Welle des mit dem Abtriebsdifferential verbundenen Stirnrades als Direkttrieb gekoppelt. Somit wird bei dem zweiten Antriebspfad parallel zum ersten Antriebspfad der Direkttrieb ohne das stufenlos verstellbare Getriebe realisiert, indem vorzugsweise der Antrieb und der Abtrieb des stufenlosen Getriebes abgekoppelt sind. Über das erste Kupplungselement ergibt sich eine komfortable Umschaltung zwischen den beiden Fahrbereichen.
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Bei der vorgeschlagenen elektrischen Antriebsanordnung wird bevorzugt der erste Fahrbereich zum Anfahren vorgesehen, während der zweite Fahrbereich zum verlustoptimierten Dauerfahrbereich verwendet wird. Demzufolge kann beim ersten Fahrbereich über das stufenlos verstellbare Getriebe eine größere Anfahrübersetzung bereitgestellt werden, sodass in vorteilhafterweise eine kleinere kostengünstigere elektrische Maschine mit gleicher Leistung eingesetzt werden kann. Demzufolge wird die Übersetzung des Gesamtantriebs so gewählt, dass im Anfahrvorgang, also im ersten Fahrbereich, wenn das stufenlos verstellbare Getriebe beziehungsweise CVT-Getriebe mit dem Abtriebsdifferential gekoppelt ist, eine Übersetzung ins Langsame, das heißt eine momenterhöhende Übersetzung, wirkt. Parallel zum stufenlos verstellbaren Getriebe wird der Direkttrieb als zweiter Fahrbereich quasi als verlustoptimierter Dauerfahrbereich verwendet. Da beim Direkttrieb eine 1:1 Übersetzung realisiert wird, ergeben sich in diesem zweiten Fahrbereich besonders geringe Verluste.
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Dadurch, dass ein stufenlos verstellbares Getriebe bei der vorgeschlagenen elektrischen Antriebsanordnung vorgesehen ist, ergibt sich der Vorteil, dass zum Umschalten zwischen dem ersten Fahrbereich und dem zweiten Fahrbereich die Übersetzung des stufenlos verstellbaren Getriebes derart verstellbar ist, dass die Drehzahl der Antriebswelle mit der Drehzahl des Abtriebes des stufenlos verstellbaren Getriebes sowie mit der Drehzahl des Direkttriebes identisch sind. Demzufolge werden die Drehzahlen synchronisiert, sodass die Umschaltung zwischen den Fahrbereichen zugkraftunterbrechungsfrei durchgeführt werden kann, ohne dass aufwändige und kostenintensive reibschlüssige Kupplungselemente eingesetzt werden. Demzufolge werden vorzugsweise kostengünstige und schleppverlustarme formschlüssige Schaltklauenkupplungen bei der erfindungsgemäßen Antriebsanordnung verwendet, sodass nicht nur die Kosten, sondern auch die Betriebsweise weiter optimiert werden können, indem unnötige Schleppverluste reduziert beziehungsweise vermieden werden.
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Um die Betriebsweise bei der vorgeschlagenen elektrischen Antriebsanordnung weiter zu verbessern, kann im Rahmen einer weiteren Ausführungsvariante der Erfindung vorgesehen sein, dass die Antriebswelle der elektrischen Maschine über ein zweites Kupplungselement mit dem Antrieb des stufenlos verstellbaren Getriebes koppelbar oder von dem Antrieb des stufenlos verstellbaren Getriebes entkoppelbar ist. Aufgrund dieser lösbaren Verbindung zwischen der Antriebswelle und dem Antrieb des stufenlosen Getriebes kann bei einem Betrieb im zweiten Fahrbereich der Antrieb und der Abtrieb des stufenlos verstellbaren Getriebes von der Antriebswelle der elektrischen Maschine entkoppelt werden und somit Verluste weiter reduziert werden.
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Eine weitere besonders optimierte Betriebsweise kann bei der elektrischen Antriebsanordnung der Erfindung dadurch realisiert werden, dass die Antriebswelle der elektrischen Maschine im geöffneten Zustand des ersten Kupplungselements von dem Abtriebsdifferential entkoppelt ist. Damit besteht die Möglichkeit, den Antrieb vom Abtrieb zu trennen und somit die Verluste bei einer Segelfunktion, das heißt Fahren ohne Antriebsleistung, deutlich zu verringern.
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Im Rahmen einer nächsten Weiterbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass als stufenlos verstellbares Getriebe ein verstellbares Reibkörpergetriebe mit gleicher Drehrichtung am Antrieb und Abtrieb vorgesehen ist. Durch die Drehrichtungsidentität von Antrieb und Abtrieb ergibt sich der Vorteil, dass keine zusätzliche Drehrichtungsumkehr durch zusätzliche Bauelemente, wie zum Beispiel Zwischenwellen oder dergleichen, erforderlich ist, welches beispielsweise bei der Verwendung eines Umschlingungsgetriebes als stufenlos verstellbares Getriebe notwendig wäre. Hierbei hat es sich als besonders vorteilhaft herausgestellt, wenn als Reibkörper Kugelkörper bei dem Reibkörpergetriebe verwendet werden, deren Rotationsachse zum Einstellen der Übersetzung verstellbar sind. Vorzugweise ist die Verwendung eines Planeten-Kugelgetriebes von Escher-Wyss.
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Eine besonders bauraumsparende Anordnung wird bei der vorgeschlagenen elektrischen Antriebsanordnung dadurch realisiert, dass das stufenlos verstellbare Getriebe koaxial zur Antriebswelle der elektrischen Maschine angeordnet ist. Demzufolge wird radialer Bauraum bei dieser Art der Anordnung eingespart. Es ist denkbar, dass je nach Anwendungsfall auch eine andere, zum Beispiel achsparallele Anordnung, vorgesehen wird.
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Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung schlägt ein Fahrzeug mit der vorbeschriebenen elektrischen Antriebsanordnung vor, wobei sich die bereits beschriebenen und weitere Vorteile ergeben. Besonders bevorzugt ist die Ausführung des elektrischen Antriebes als Achsantrieb bei dem Fahrzeug.
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Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung anhand der Zeichnungen weiter erläutert.
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Es zeigen:
- 1 eine Prinzipdarstellung einer ersten Ausführungsvariante einer elektrischen Antriebsanordnung in einem ersten Fahrbereich über einen ersten Antriebspfad;
- 2 eine Prinzipdarstellung der ersten Ausführungsvariante der elektrischen Antriebsanordnung in einem zweiten Fahrbereich über einen zweiten Antriebspfad;
- 3 eine Prinzipdarstellung der ersten Ausführungsvariante der elektrischen Antriebsanordnung beim Umschalten zwischen den beiden Fahrbereichen in einer Zwischenstellung eines ersten Kupplungselementes;
- 4 eine Prinzipdarstellung der ersten Ausführungsvariante der elektrischen Antriebsanordnung mit vom Abtriebsdifferential entkoppelter Antriebswelle einer elektrischen Maschine;
- 5 eine Prinzipdarstellung einer bevorzugten Ausführung eines stufenlos verstellbaren Getriebes als Reibkörpergetriebe mit Kugelkörpern;
- 6 eine Prinzipdarstellung einer zweiten Ausführungsvariante der elektrischen Antriebsanordnung mit einem zweiten Kupplungselement zum Entkoppeln eines Antriebes des stufenlos verstellbaren Getriebes von der Abtriebswelle in dem ersten Fahrbereich über den ersten Antriebspfad; und
- 7 eine Prinzipdarstellung der zweiten Ausführungsvariante der elektrischen Antriebsanordnung in dem zweiten Fahrbereich über den zweiten Antriebspfad.
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In den 1 bis 7 ist eine erfindungsgemäße elektrische Antriebsanordnung für ein Fahrzeug als Elektroantrieb mit zwei Fahrbereichen anhand von verschiedenen Ansichten und exemplarisch anhand einer ersten und zweiten Ausführungsvariante beispielhaft dargestellt.
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Unabhängig von den beiden Ausführungsvarianten umfasst die Antriebsanordnung für ein Fahrzeug zumindest eine elektrische Maschine EM, die vorzugsweise sowohl als Motor als auch als Generator betreibbar ist. Die Rotorwelle der elektrischen Maschine EM bildet eine Antriebswelle 1, die über ein stufenlos verstellbares Getriebe 2 und über zumindest einen Direkttrieb 3 sowie über zumindest ein erstes Kupplungselement 4 zum Realisieren von zumindest zwei Fahrbereichen mit einem Abtriebsdifferential 5 zum Antreiben von Abtriebswellen 6, 7 gekoppelt ist.
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Um eine besonders kostengünstige und optimierte Betriebsweise aufweisende Antriebsanordnung zu realisieren, ist ein erster Antriebspfad für einen ersten Fahrbereich über das stufenlos verstellbare Getriebe 2 vorgesehen und ein unabhängig vom ersten Antriebspfad ausgeführter zweiter Antriebspfad für einen zweiten Fahrbereich über den Direkttrieb 3 vorgesehen.
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Auf diese Weise wird eine elektrische Antriebsanordnung mit einer elektrischen Maschine EM mit nachgeschaltetem stufenlos verstellbaren Getriebe 2 und parallel dazu angeordneten Direkttrieb 3 über eine Welle 13 und ein Stirnrad 14 realisiert.
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Zum Schalten der beiden Fahrbereiche ist ein erstes Kupplungselement 4 vorgesehen, welches als formschlüssige Kupplungsklaue in Schiebemuffenausfertigung vorgesehen ist. Somit wird eine elektrische Antriebsanordnung in zwei Fahrbereichsausführungen realisiert, wobei der Umschaltvorgang zwischen den Fahrbereichen synchron bei Drehzahlgleichheit von Antriebswelle 1 und Abtrieb 9 sowie Welle 13 des Direkttriebes 3 erfolgt und somit formschlüssige Schaltelemente beziehungsweise Kupplungselemente 4, 11 eingesetzt werden können.
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Das stufenlos verstellbare Getriebe 2 ist koaxial zur Antriebswelle 1 der elektrischen Maschine EM angeordnet. Beispielhaft ist als stufenlos verstellbares Getriebe 2 ein Reibkörpergetriebe mit Kugelkörpern vorgesehen, welches im Detail in 5 gezeigt ist. In vorteilhafterweise weisen bei einem derartigen stufenlos verstellbaren Getriebe 2 der Antrieb 8 und der Abtrieb 9 die gleiche Drehrichtung auf, sodass eine Drehrichtungsumkehr nicht erforderlich ist. Das stufenlos verstellbare Getriebe 2 umfasst eine Spreizung, welche sich durch die Anfahrübersetzung geteilt durch die Direktübersetzung von >1,7 ergibt, während die Spreizung des stufenlos verstellbaren Getriebes 2 < als 4 ist.
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In den 1 bis 5 ist beispielhaft eine erste Ausführungsvariante der elektrischen Antriebsanordnung dargestellt, bei der lediglich ein erstes Kupplungselement 4 vorgesehen ist.
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1 zeigt die Antriebsanordnung bei geschaltetem ersten Antriebspfad für den ersten Fahrbereich, bei dem die Antriebswelle 1 der elektrischen Maschine EM mit dem Antrieb 8 des stufenlos verstellbaren Getriebes 2 verbunden ist und der Abtrieb 9 des stufenlos verstellbaren Getriebes 2 ist über ein verschiebbares Mitnahmeprofil beziehungsweise mit einer verschiebbaren Mitnahmeverzahnung 10 des ersten Kupplungselementes 4 mit der Welle 13 des mit dem Abtriebsdifferential 5 verbundenen Stirnrades 14 gekoppelt.
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In 2 ist der geschaltete zweite Antriebspfad für den zweiten Fahrbereich dargestellt. Hierbei ist vorgesehen, dass die Antriebswelle 1 der elektrischen Maschine EM über das verschiebbare Mitnahmeprofil 10 des ersten Kupplungselementes 4 mit der Welle 13 des mit dem Abtriebsdifferential 5 verbundenen Stirnrades 14 als Direkttrieb 3 gekoppelt ist.
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Der erste Fahrbereich ist zum Anfahren vorgesehen, während der zweite Fahrbereich als verlustoptimierter Dauerfahrbereich vorgesehen ist.
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In 3 ist eine Zwischenschaltstellung des ersten Kupplungselements 4 zum Umschalten zwischen dem ersten Fahrbereich und dem zweiten Fahrbereich dargestellt, bei dem die Übersetzung des stufenlos verstellbaren Getriebes 2 derart verstellt wird, dass die Drehzahl der Antriebswelle 1 der elektrischen Maschine EM mit der Drehzahl des Direkttriebes 3 und der Drehzahl des Abtriebes 9 des stufenlos verstellbaren Getriebes 2 identisch ist. Hierzu ist das verschiebbare Mitnahmeprofil 10 des ersten Kupplungselementes 4 einerseits sowohl mit dem Abtrieb 9 des stufenlos verstellbaren Getriebes 2 als auch mit der Antriebswelle 1 der elektrischen Maschine EM und andererseits mit der Welle 13 des Direkttriebes 3 verbunden.
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4 zeigt die erste Ausführungsvariante der elektrischen Antriebsanordnung in einem vom Abtriebsdifferential 5 entkoppelten Zustand. Dies wird dadurch erreicht, dass das erste Kupplungselement 4 mit dem verschiebbaren Mitnahmeprofil 10 weder mit dem Abtrieb 9 des stufenlos verstellbaren Getriebes 2 und mit der Antriebswelle 1 der elektrischen Maschine EM noch mit der Welle 13 des Direkttriebes 3 in Eingriff steht. Dieser entkoppelte Zustand zwischen elektrischer Maschine EM und Abtriebsdifferential 5 dient beispielsweise zur Ausführung einer Segelfunktion.
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5 zeigt eine Prinzipdarstellung eines als Reibkörpergetriebe dargestellten stufenlos verstellbaren Getriebes 2 im Detail. Hieraus ist ersichtlich, dass Kugelkörper als Reibkörper vorgesehen sind, deren Rotationsachse 15 durch Strichlinien in 5 angedeutet ist, wobei durch eine Verstellung der Rotationsachse 15 die Übersetzung des stufenlos verstellbaren Getriebes 2 verstellt wird.
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In 6 und 7 ist die zweite Ausführungsvariante der elektrischen Antriebsanordnung beispielhaft gezeigt. Im Unterschied zur ersten Ausführungsvariante ist bei der zweiten Ausführungsvariante ein zweites Kupplungselement 11 vorgesehen, mit dem auch der Antrieb 8 des stufenlos verstellbaren Getriebes 2 von der Antriebswelle 1 der elektrischen Maschine EM entkoppelt werden kann, um die Verluste im zweiten Fahrbereich, wenn ausschließlich der Direkttrieb 3 wirkt, zu minimieren.
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6 zeigt die zweite Ausführungsvariante im ersten Fahrbereich, bei der ein verschiebbares Mitnahmeprofil 12 beziehungsweise eine verschiebbare Mitnahmeverzahnung 12 des zweiten Kupplungselements 11 mit der Antriebswelle 1 verbunden ist, während das Mitnahmeprofil 10 des ersten Kupplungselements 4 den Abtrieb 9 des stufenlos verstellbaren Getriebes 2 mit dem Direkttrieb 3 verbindet.
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In 7 ist der zweite Fahrbereich dargestellt, bei dem der Direkttrieb 3 über das Mitnahmeprofil 10 des ersten Kupplungselements 4 mit der Antriebswelle 1 der elektrischen Maschine EM 3 verbunden ist. Zur Verlustreduzierung ist das stufenlos verstellbare Getriebe 2 nicht mit der Antriebswelle 1 der elektrischen Maschine EM verbunden. Demzufolge ist das Mitnahmeprofil 12 des zweiten Kupplungselements 11 auch nicht mit der Antriebswelle 1 der elektrischen Maschine EM verbunden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Antriebswelle
- 2
- stufenlos verstellbares Getriebe
- 3
- Direkttrieb
- 4
- erstes Kupplungselement
- 5
- Abtriebsdifferential
- 6,7
- Abtriebswellen
- 8
- Antrieb des stufenlos verstellbaren Getriebes
- 9
- Abtrieb des stufenlos verstellbaren Getriebes
- 10
- verschiebbares Mitnahmeprofil des ersten Kupplungselements
- 11
- zweites Kupplungselement
- 12
- verschiebbares Mitnahmeprofil des zweiten Kupplungselements
- 13
- Welle
- 14
- Stirnrad
- 15
- Rotationsachse
- EM
- elektrische Maschine
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2010/0240492 A1 [0003]
