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Die Erfindung betrifft eine Antriebsvorrichtung mit einer elektrischen Antriebsmaschine für ein Fahrzeug, umfassend eine Vorrichtung zum Kühlen und Schmieren von Komponenten des Fahrzeugs. Die kühl- und schmierbedürftigen Komponenten des Fahrzeugs sind in einem Gehäuse angeordnet.
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Damit eine elektrische Maschine zum Antrieb eines Fahrzeugs mit hohen Leistungen betrieben werden kann, ist eine effektive Kühlung der elektrischen Maschine notwendig. Die bei hohen Leistungen entstehende Abwärme der elektrischen Maschine kann für bestimmte Anwendungen, z.B. elektrisch angetriebene Achsen, leistungsbegrenzend sein. Sobald die elektrische Maschine eine Grenztemperatur überschreitet, senkt typischerweise eine Steuerung der elektrischen Maschine die Leistung.
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Beispielsweise offenbart die
DE 10 2017 203 527 A1 eine Vorrichtung zur Kühlung und Schmierung eines Getriebes für ein Fahrzeug mit einem Getriebegehäuse und zumindest einem in dem Getriebegehäuse um eine erste Drehachse drehbaren Antriebszahnrad und einen um eine zweite Drehachse, die parallel zu der ersten Drehachse angeordnet ist, drehbaren Abtriebszahnrad und einem Sammelelement. Das Sammelelement ist an dem Getriebegehäuse im Bereich eines Öffnungsbereiches, der sich am Getriebegehäuse befindet, angebracht, wobei das Abtriebszahnrad mit einem Fluid zur Kühlung und Schmierung in Kontakt gebracht wird. Das Sammelelement umfasst ein Vorsprungelement, wobei das Vorsprungelement zu einem Außenumfang des Abtriebszahnrads gerichtet ist. Bei einem Drehen des Abtriebszahnrads wird das abströmende Fluid mittels des Vorsprungelements in das Sammelelement geleitet.
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Ferner offenbaren auch
JP 2007 - 247 706 A ,
WO 2020 / 213508 A1 ,
JP 2007 - 321 927 A ,
US 2019 / 0 229 582 A1 ,
EP 3 708 796 A1 ,
US 2019 / 0 291 570 A1 und
US 2019 / 0 186 622 A1 Vorrichtungen zum Kühlen und Schmieren von Komponenten eines Fahrzeugs.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Antriebsvorrichtung für ein Fahrzeug mit verbesserter Kühlung zu schaffen. Insbesondere soll die Antriebsvorrichtung eine Vorrichtung zum Kühlen und Schmieren von Komponenten eines Fahrzeugs aufweisen, die montagefreundlich ausgebildet ist. Die Aufgabe wird gelöst durch den Gegenstand von Patentanspruch 1. Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Eine erfindungsgemäße Antriebsvorrichtung für ein Fahrzeug umfasst eine Vorrichtung zum Kühlen und Schmieren von Komponenten des Fahrzeugs, eine elektrische Maschine mit einem Stator und einem Rotor sowie ein Getriebe. Die Vorrichtung zum Kühlen und Schmieren von Komponenten des Fahrzeugs umfasst zumindest ein Gehäuse, einen Kühlmittelsumpf, eine Kühlmittelpumpe, die dazu eingerichtet ist, Kühlmittel aus dem Kühlmittelsumpf zu fördern, einen Wärmetauscher, der dazu eingerichtet ist, das von der Kühlmittelpumpe geförderte Kühlmittel abzukühlen, sowie ein Kühlmittelleitungssystem mit einem Kühlmittelspeicher, wobei das Kühlmittelleitungssystem die Kühlmittelpumpe zumindest mit dem Wärmetauscher und den Wärmetauscher zumindest mit dem Kühlmittelspeicher fluidtechnisch verbindet, und wobei der Kühlmittelspeicher einen einzigen Kühlmitteleingang zum Einspritzen von Kühlmittel aus dem Wärmetauscher sowie mehrere Kühlmittelausgänge zum Ausspritzen von Kühlmittel aus dem Kühlmittelspeicher auf kühl- und schmierbedürftige Komponenten im Gehäuse aufweist. Eine Rotorwelle der elektrischen Maschine ist über mindestens eine Übersetzungsstufe, umfassend ein erstes und zweites Zahnrad, mit dem Getriebe antriebswirksam verbunden, wobei das Getriebe als Differentialgetriebe ausgebildet ist und eine erste Abtriebswelle sowie eine zweite Abtriebswelle aufweist, wobei die beiden Abtriebswellen achsparallel zu der Rotorwelle angeordnet sind, wobei die Rotorwelle über ein erstes Lagerelement, ein zweites Lagerelement und ein drittes Lagerelement drehbar im Gehäuse gelagert ist, wobei die erste Abtriebswelle über ein viertes Lagerelement drehbar im Gehäuse gelagert ist, wobei die zweite Abtriebswelle über ein fünftes Lagerelement und ein sechstes Lagerelement drehbar im Gehäuse gelagert ist, wobei das erste Lagerelement und das vierte Lagerelement zusammen mit dem Getriebe und der ersten Kühlmittelpumpe in dem ersten Gehäuseabschnitt angeordnet sind, wobei das Gehäuse einen zweiten Gehäuseabschnitt aufweist, wobei das zweite Lagerelement und das fünfte Lagerelement zusammen mit der elektrischen Maschine in dem zweiten Gehäuseabschnitt angeordnet sind.
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Mit anderen Worten dient die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Kühlen und Schmieren der im Gehäuse angeordneten Komponenten des Fahrzeugs. Insbesondere ist der Kühlmittelkreislauf geschlossen innerhalb des Gehäuses ausgebildet, sodass kein Kühlmittel nach außen dringt. Das Kühlmittel ist insbesondere als Kühlflüssigkeit, beispielsweise auf Ölbasis oder Wasserbasis ausgebildet. Beispielsweise ist das Kühlmittel als Getriebeöl, Motoröl oder ähnliches Öl für Fahrzeugkomponenten ausgebildet. Das Kühlmittel ist dazu vorgesehen, zum einen Wärme aufzunehmen und abzuführen sowie zum anderen Bauteile bzw. Komponenten zu schmieren, sodass diese verschleißarm zusammenwirken können.
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Das Kühlmittel wird mittels der Kühlmittelpumpe aus dem Kühlmittelsumpf über das Kühlmittelleitungssystem und den Wärmetauscher zum Kühlmittelspeicher gefördert. Der Kühlmittelspeicher dient zum Verteilen des Kühlmittels auf mehrere, insbesondere auf alle kühl- und schmierbedürftigen Komponenten des Fahrzeugs, die innerhalb des Gehäuses der Vorrichtung angeordnet sind. Von den mittels Kühlmittel gekühlten und geschmierten Komponenten strömt das Kühlmittel in den Kühlmittelsumpf im Gehäuse. Der Kühlmittelsumpf ist als Sammelstelle des Kühlmittels im Gehäuse zu verstehen. Beispielsweise ist ein Kühlmittelbehälter im Gehäuse angeordnet und zur Aufnahme des Kühlmittelsumpfs bzw. als Sammelstelle des Kühlmittels im Gehäuse eingerichtet. Die die Kühlmittelpumpe fördert das Kühlmittel zumindest mittelbar über weitere Bauteile, Leitungen oder Öffnungen aus dem Kühlmittelsumpf bzw. den Kühlmittelbehälter durch den Kühlmittelkreislauf. Beispielsweise ist das Gehäuse der Vorrichtung einteilig oder mehrteilig ausgebildet.
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Insbesondere ist ein einziger Kühlmittelspeicher im Gehäuse der Vorrichtung vorgesehen. Der Kühlmittelspeicher ist vorzugsweise monolithisch ausgebildet und weist den einzigen Kühlmitteleingang und die Vielzahl Kühlmittelausgänge auf. Beispielsweise ist der Kühlmittelspeicher als eine Art „common rail“, auch als Speichereinspritzung bei Brennkraftmaschinen, insbesondere Dieselmotoren bekannt, ausgebildet. Beispielsweise ist die Kühlmittelpumpe als Hochdruckpumpe ausgebildet, welche das Kühlmittel druckbeaufschlagt in den Kühlmittelspeicher fördert. Vorzugsweise ist das Druckniveau im Kühlmittelspeicher variabel einstellbar. Beispielsweise ist der Kühlmitteleingang axial zentral im Kühlmittelspeicher ausgebildet. Alternativ kann der Kühlmitteleingang einseitig an einem der beiden Endabschnitte des Kühlmittelspeichers ausgebildet sein. Durch das Vorsehen des Kühlmittelspeichers mit einem einzigen Kühlmitteleingang zum Einspritzen von Kühlmittel sowie mehreren Kühlmittelausgängen zum Ausspritzen von Kühlmittel auf mehrere, insbesondere auf allen kühl- und schmierbedürftigen Komponenten im Gehäuse der Vorrichtung, wird nicht nur eine verbesserte Kühlung geschaffen, sondern auch die Montagefreundlichkeit der Vorrichtung erhöht.
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Sofern nicht Näheres angegeben ist, wird eine fluidtechnische Verbindung durch fluidführende Mittel, insbesondere Kanäle, Leitungen, Rohre und/oder Schläuche realisiert, die dazu eingerichtet sind, das Kühlmittel zu führen.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind zumindest das Kühlmittelleitungssystem und der Kühlmittelspeicher im Gehäuse integriert. Unter einer Integration des Kühlmittelleitungssystems und des Kühlmittelspeichers im Gehäuse der Vorrichtung ist zu verstehen, dass das Kühlmittelleitungssystem und der Kühlmittelspeicher mittelbar oder unmittelbar im oder am Gehäuse angeordnet sind. Beispielsweise können das Kühlmittelleitungssystem und der Kühlmittelspeicher als Vertiefungen in Wandungen des Gehäuses angeordnet sein, um die Anzahl der Bauteile und den Montageaufwand der Vorrichtung zu senken. Beispielsweise können das Kühlmittelleitungssystem und der Kühlmittelspeicher als Kanäle, Verrohrungen, Leitungen und/oder Schläuche in oder an Wandungen des Gehäuses angeordnet sein. Vorzugsweise ist auch der Wärmetauscher und/oder die Kühlmittelpumpe im Gehäuse der Vorrichtung integriert. Die Integration von zumindest Kühlmittelleitungssystem und Kühlmittelspeicher im Gehäuse erhöht die Montagefreundlichkeit der Vorrichtung.
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Erfindungsgemäß weist das Gehäuse zumindest einen ersten Gehäuseabschnitt zur Aufnahme des Getriebes und den zweiten Gehäuseabschnitt zur Aufnahme der elektrischen Maschine mit dem Stator und dem Rotor auf. Somit ist das Getriebe in dem ersten Gehäuseabschnitt angeordnet, wobei die elektrische Maschine mit dem Stator und dem Rotor in dem zweiten Gehäuseabschnitt angeordnet ist. Unter einem Gehäuseabschnitt ist ein im Wesentlichen geschlossener Raum innerhalb des Gehäuses zu verstehen, wobei die Gehäuseabschnitte durch Gehäusewandungen voneinander getrennt sind. Beispielsweise können Öffnungen oder ähnliche Durchlässe für Kühlmittel in den Wandungen angeordnet sein, um ein Strömen von Kühlmittel zwischen den im Wesentlichen geschlossenen Gehäuseabschnitten zu realisieren. Die räumliche Trennung zwischen Getriebe und elektrischer Maschine ermöglicht eine verbesserte sowie bedarfsgerechtere Einstellung der Kühlmittelversorgung und Atmosphäre im jeweiligen Gehäuseabschnitt.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist das Gehäuse einen dritten Gehäuseabschnitt auf, wobei Kühlmittel aus dem ersten Gehäuseabschnitt und aus dem zweiten Gehäuseabschnitt über dafür vorgesehene Öffnungen in den dritten Gehäuseabschnitt strömt, um dort den Kühlmittelsumpf zu bilden. Mit anderen Worten dienen die Öffnungen in den jeweiligen Gehäusewandungen zur Durchführung von Kühlmittel aus dem ersten bzw. zweiten Gehäuseabschnitt in den dritten Gehäuseabschnitt, wo der Kühlmittelsumpf angeordnet ist. Die Anordnung des Kühlmittelsumpfs in einem anderen Gehäuseabschnitt separiert von Getriebe und elektrischer Maschine ermöglicht einen beruhigten Kühlmittelsumpf, insbesondere mit geringerem Luft- bzw. Schaumanteil im Kühlmittel.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist mindestens ein Kühlmittelfilter in dem dritten Gehäuseabschnitt angeordnet, wobei der mindestens eine Kühlmittelfilter fluidtechnisch mit der Kühlmittelpumpe verbunden ist. Der Kühlmittelfilter ist insbesondere dazu eingerichtet, Schmutzpartikel, Fremdkörper und/oder Fremdfluide aus dem Kühlmittel herauszufiltern, um so lange wie möglich eine hohe Qualität des Kühlmittels zu erhalten und Wartungsintervalle der Vorrichtung zu verlängern.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist eine Wandung des Gehäuses zwischen dem ersten Gehäuseabschnitt und dem zweiten Gehäuseabschnitt zur Aufnahme mindestens eines Lagerelements ausgebildet, wobei das mindestens eine Lagerelement zur Durchführung von Kühlmittel zwischen dem ersten Gehäuseabschnitt und dem zweiten Gehäuseabschnitt eingerichtet ist. Mit anderen Worten wird über das mindestens eine Lagerelement in der Wandung des Gehäuses zwischen dem ersten Gehäuseabschnitt und dem zweiten Gehäuseabschnitt ein Kühlmittelfluss realisiert. Beispielsweise fördert das mindestens eine Lagerelement bei einem Fahrbetrieb des Fahrzeugs durch Rotation Kühlmittel aus dem ersten Gehäuseabschnitt in den zweiten Gehäuseabschnitt oder umgekehrt. Dies trägt vorteilhaft zur Kühlmittelverteilung sowie zur Kühlmitteldurchmischung im Gehäuse bei.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist das Gehäuse einen vierten Gehäuseabschnitt zur Aufnahme zumindest des Kühlmittelleitungssystems und des Kühlmittelspeichers auf, wobei sich der vierte Gehäuseabschnitt zumindest teilweise entlang des ersten, zweiten und dritten Gehäuseabschnitts erstreckt. Mithin sind zumindest das Kühlmittelleitungssystem und der Kühlmittelspeicher im vierten Gehäuseabschnitt angeordnet, sodass diese vom Getriebe und von der elektrischen Maschine räumlich separiert sind. Dadurch wird eine Montagefreundlichkeit der Vorrichtung verbessert. Insbesondere sind die Kühlmittelpumpe und der Wärmetauscher auch im vierten Gehäuseabschnitt angeordnet. Die Integration von Kühlmittelpumpe, Wärmetauscher, Kühlmittelleitungssystem und Kühlmittelspeicher im vierten Gehäuseabschnitt erhöht weiter die Montagefreundlichkeit der Vorrichtung. Insbesondere fördert diese Integration einen modularen Aufbau des Gehäuses. Beispielsweise grenzt der vierte Gehäuseabschnitt mit mindestens einer Wandung an den ersten Gehäuseabschnitt an. Beispielsweise grenzt der vierte Gehäuseabschnitt mit mindestens einer Wandung, vorzugsweise mit zwei Wandungen, an den zweiten Gehäuseabschnitt an. Beispielsweise grenzt der vierte Gehäuseabschnitt mit mindestens einer Wandung an den dritten Gehäuseabschnitt an.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist mindestens ein erster Kühlmittelausgang zum Ausspritzen von Kühlmittel auf Statorwicklungen des Stators eingerichtet, wobei der mindestens eine erste Kühlmittelausgang mit mehreren ersten Spritzdüsen, die dazu eingerichtet sind, zumindest teilweise umlaufend um die Statorwicklungen herum angeordnet zu sein, fluidtechnisch verbunden ist. Unter einer Spritzdüse ist eine Öffnung zu verstehen, durch die Kühlmittel gezielt und somit kontrolliert auf kühl- und schmierbedürftige Komponenten im Gehäuse gespritzt wird. Vorliegend spritzen die ersten Spritzdüsen das Kühlmittel gezielt und somit kontrolliert auf die Statorwicklungen bzw. Wickelköpfe des Stators. Durch die direkte Benetzung der Oberflächen der Statorwicklungen erhöht sich das Kühlpotenzial für die elektrische Maschine erheblich, denn es erfolgt eine direkte und unmittelbare Kühlung am Ort der Wärmeentwicklung, nämlich an den Statorwicklungen. Beispielsweise sind zumindest drei erste Spritzdüsen in radialer oder tangentialer Richtung umlaufend um jede der beiden Statorwicklungen herum angeordnet. Insbesondere sind so viele erste Spritzdüsen in radialer oder tangentialer Richtung umlaufend um jede der beiden Statorwicklungen herum angeordnet, dass eine vollständige Benetzung der beiden Statorwicklungen mit Kühlmittel erzielt wird. Ferner ist auch eine teilweise Benetzung einer oberen Hälfte der Statorwicklungen denkbar, wobei durch abtropfendes Kühlmittel auch der Rest der Statorwicklungen gekühlt wird.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist mindestens ein zweiter Kühlmittelausgang zum Ausspritzen von Kühlmittel auf eine Außenumfangsfläche des Stators eingerichtet, wobei der mindestens eine zweite Kühlmittelausgang mit mehreren zweiten Spritzdüsen, die dazu eingerichtet sind, in Längsrichtung des Stators angeordnet zu sein, fluidtechnisch verbunden ist. Mithin strömt Kühlmittel über den mindestens einen zweiten Kühlmittelausgang und die zweiten Spritzdüsen gezielt und somit kontrolliert auf die Außenumfangsfläche, also die Mantelfläche des Stators, insbesondere auf die Blechpakete des Stators. Durch die direkte Benetzung der Außenumfangsfläche des Stators erhöht sich das Kühlpotenzial für die elektrische Maschine erheblich, denn es erfolgt eine direkte und unmittelbare Wärmeabfuhr über das Kühlmittel an der Außenumfangsfläche des Stators. Beispielsweise sind zumindest drei zweite Spritzdüsen in axialer Richtung, also entlang einer Längsachse des Stators angeordnet. Beispielsweise sind mehrere Reihen von Spritzdüsen in Umfangsrichtung herum um den Stator angeordnet. Insbesondere sind so viele zweite Spritzdüsen in tangentialer Richtung umlaufend um die Statorwicklungen herum angeordnet, dass eine vollständige Benetzung der Außenumfangsfläche des Stators mit Kühlmittel erzielt wird.
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Vorzugsweise weist die jeweilige Spritzdüse eine Blende auf. Unter einer Blende ist ein Element zu verstehen, das die jeweilige Spritzdüse bzw. Öffnung zumindest teilweise verschließt bzw. ihren Querschnitt derart verändert, dass der Volumenstrom und insbesondere auch eine Spritzrichtung und eine Form des Spritzstrahls eingestellt werden. Neben dem Volumenstrom stellt die Blende auch einen Druck des Kühlmittels in dem Kühlmittelspeicher ein. Ferner kann über Blenden an den Spritzdüsen eine Sogwirkung für das Kühlmittel derart eingestellt werden, dass unabhängig von der Anzahl der Spritzdüsen, die mit dem jeweiligen Kühlmittelausgang des Kühlmittelspeichers verbunden sind, ein konstanter Strömungswiderstand eingestellt wird. Vorzugsweise werden alle Spritzdüsen mit einem identischen Druckniveau versorgt.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist mindestens ein dritter Kühlmittelausgang zum Ausspritzen von Kühlmittel auf mindestens einen Zahneingriffsbereich von Zahnrädern eingerichtet. Dadurch lässt sich der Zahneingriffsbereich von Zahnrädern unmittelbar und vorteilhaft schmieren. Insbesondere sind die Zahnräder in dem ersten Gehäuseabschnitt angeordnet und Teil des Getriebes. Beispielsweise ist ein erstes Zahnrad drehfest mit der Rotorwelle der elektrischen Maschine verbunden, wobei ein zweites Zahnrad drehfest mit einem Bauteil eines Differentialgetriebes, insbesondere einem Differentialkorb oder Planetenträger, verbunden ist. Im Zahneingriffsbereich kämmen zwei Zahnräder miteinander, um eine Drehzahl und ein Drehmoment von dem einen Zahnrad auf das andere Zahnrad zu übertragen.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist mindestens ein vierter Kühlmittelausgang zum Ausspritzen von Kühlmittel auf mindestens ein Lagerelement eingerichtet. Dadurch lässt sich das mindestens eine Lagerelement unmittelbar und vorteilhaft schmieren. Beispielsweise ist das mindestens eine Lagerelement zur drehbaren Lagerung der Rotorwelle eingerichtet. Vorzugsweise ist das mindestens eine Lagerelement als Zylinderrollenlager oder Kugellager ausgebildet.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist mindestens ein fünfter Kühlmittelausgang zum Ausspritzen von Kühlmittel in mindestens eine erste Wanne eingerichtet. Unter einer Wanne ist ein Auffangbecken für Kühlmittel zu verstehen, sodass sich das Kühlmittel in der Wanne ansammeln kann. Beispielsweise kann die mindestens eine erste Wanne eine Öffnung aufweisen, um Kühlmittel zu einem weiteren Lager oder anderen kühl- und schmierbedürftigen Komponenten im Gehäuse durchzulassen. Insbesondere ist die mindestens eine erste Wanne dazu eingerichtet, Kühlmittel für ein Lagerelement bereitzustellen, sodass sich das Lagerelement je nach Belastung, insbesondere drehzahlabhängig, Kühlmittel aus der mindestens einen ersten Wanne herauszieht und somit selbst versorgt. Beispielsweise kann das Kühlmittel aus der mindestens einen ersten Wanne über das Lagerelement zwischen zwei Gehäuseabschnitten geführt werden.
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Die erfindungsgemäße Antriebsvorrichtung ist im Gehäuse der Vorrichtung zum Kühlen und Schmieren der Komponenten des Fahrzeugs, insbesondere zum Kühlen und Schmieren des Getriebes und der elektrischen Maschine, die als Antriebsmaschine für das Fahrzeug vorgesehen ist, angeordnet. Die elektrische Maschine kann entweder allein oder in Kombination mit einer weiteren elektrischen Maschine oder einer Brennkraftmaschine zum Antrieb des Fahrzeugs verwendet werden. Beispielsweise ist die elektrische Maschine zum Antrieb einer Achse des Fahrzeugs eingerichtet. Beispielsweise ist das Fahrzeug als Kraftfahrzeug ausgebildet. Die beiden Abtriebswellen des Differentialgetriebes sind jeweils zumindest mittelbar mit wenigstens einem Rad des Fahrzeugs verbunden. Die Abtriebswellen sind koaxial zu einer Abtriebsachse angeordnet.
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Vorzugsweise ist das Differentialgetriebe als Kegelraddifferential ausgebildet. Ferner sind auch andere alternative Ausbildungsformen des Differentials denkbar, beispielsweise als Stirnraddifferential bzw. Planetenraddifferential. Die über die Übersetzungsstufe aus der elektrischen Maschine kommende Antriebsleistung wird über das Differentialgetriebe auf die beiden Abtriebswellen übertragen, wobei das Differentialgetriebe die Antriebsleistung, das heißt eine Drehzahl und ein Drehmoment, auf die beiden Abtriebswellen verteilt. Damit die Abtriebswellen koaxial auf der Abtriebsachse liegen, ist auch das Differential auf der Abtriebsachse angeordnet.
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Ein als Kegelraddifferential ausgebildetes Differentialgetriebe weist zwei radseitige Abtriebselemente auf, insbesondere ein erstes Abtriebsrad und ein zweites Abtriebsrad. Die beiden Abtriebsräder kämmen jeweils mit einem Ausgleichselement. Die Ausgleichselemente sind in einem Differentialkorb um ihre eigene Achse drehbar gelagert. Das jeweilige Abtriebsrad ist mit der jeweiligen Abtriebswelle drehfest verbunden. Der Antrieb des Differentials erfolgt über den Differentialkorb. Insbesondere ist ein großes Zahnrad, drehfest mit dem Differentialkorb verbunden und kämmt mit einem dazu vergleichsweise kleinen Zahnrad, das drehfest mit der Rotorwelle verbunden ist. Das große Zahnrad und das kleine Zahnrad bilden die Übersetzungsstufe, wobei zumindest in Abhängigkeit der Zähnezahlen der beiden Zahnräder eine Übersetzung eingestellt wird.
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Die elektrische Maschine umfasst den drehbeweglichen Rotor und den gehäusefesten Stator und kann als Motor oder als Generator betrieben werden. Wenn die elektrische Maschine als Motor betrieben wird, kann eine insbesondere zeitvariable Spannung an den Stator und an die darin befindlichen Wicklungen angelegt werden, um ein zeitvariables Magnetfeld zu erzeugen, das im Rotor wirkt, um ein Drehmoment zu induzieren und damit eine Drehbewegung zu erzeugen. Wenn die elektrische Maschine als Generator betrieben wird, kann beispielsweise elektrische Energie durch Induktion eines variierenden Magnetfeldes, beispielsweise durch Rotation des Rotors, in einem geschleiften oder gewickelten Leiter des Stators erzeugt werden, um einen Strom in dem Leiter zu induzieren. Die im Generatorbetrieb erzeugte elektrische Energie kann in einer Batterie gespeichert werden. Im Motorbetrieb wird die elektrische Energie der elektrischen Maschine aus der Batterie zugeführt, um das Fahrzeug anzutreiben.
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Erfindungsgemäß ist die Rotorwelle über ein erstes Lagerelement, ein zweites Lagerelement und ein drittes Lagerelement drehbar im Gehäuse gelagert, wobei das erste Lagerelement zusammen mit dem Getriebe in einem ersten Gehäuseabschnitt angeordnet ist, wobei das zweite Lagerelement zusammen mit der elektrischen Maschine in einem zweiten Gehäuseabschnitt angeordnet ist. Bevorzugt ist das dritte Lagerelement in einer Wandung des Gehäuses zwischen dem ersten Gehäuseabschnitt und dem zweiten Gehäuseabschnitt angeordnet. Insbesondere dient das dritte Lagerelement dazu das Kühlmittel zwischen dem ersten Gehäuseabschnitt und dem zweiten Gehäuseabschnitt durchzuführen. Beispielsweise ist das erste Lagerelement als Zylinderrollenlager ausgebildet. Beispielsweise sind das zweite und dritte Lagerelement als Kugellager ausgebildet. Die räumliche Trennung zwischen Getriebe und elektrischer Maschine ermöglicht eine verbesserte sowie bedarfsgerechtere Einstellung der Kühlmittelversorgung und Atmosphäre im jeweiligen Gehäuseabschnitt.
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Erfindungsgemäß ist die erste Abtriebswelle über ein viertes Lagerelement drehbar im Gehäuse gelagert, wobei die zweite Abtriebswelle über ein fünftes Lagerelement und ein sechstes Lagerelement drehbar im Gehäuse gelagert ist, wobei das vierte Lagerelement zusammen mit dem Getriebe im ersten Gehäuseabschnitt angeordnet ist, wobei das fünfte Lagerelement zusammen mit der elektrischen Maschine im zweiten Gehäuseabschnitt angeordnet ist. Bevorzugt ist das sechste Lagerelement in der Wandung des Gehäuses zwischen dem ersten Gehäuseabschnitt und dem zweiten Gehäuseabschnitt angeordnet. Insbesondere dient das sechste Lagerelement dazu das Kühlmittel zwischen dem ersten Gehäuseabschnitt und dem zweiten Gehäuseabschnitt durchzuführen. Beispielsweise ist das zweite Lagerelement als Kugellager ausgebildet. Beispielsweise sind das erste und dritte Lagerelement als Kegelrollenlager ausgebildet. Die räumliche Trennung zwischen Getriebe und elektrischer Maschine ermöglicht eine verbesserte sowie bedarfsgerechtere Einstellung der Kühlmittelversorgung und Atmosphäre im jeweiligen Gehäuseabschnitt.
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Im Folgenden wird eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert, wobei gleiche Elemente mit dem gleichen Bezugszeichen versehen sind. Hierbei zeigt
- 1 eine stark vereinfachte schematische Schnittdarstellung einer erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung mit einer Vorrichtung zum Kühlen und Schmieren von Komponenten in einem Gehäuse,
- 2 eine stark vereinfachte schematische Querschnittdarstellung eines Ausschnitts des Gehäuses gemäß 1,
- 3 eine stark vereinfachte schematische Längsschnittdarstellung eines Ausschnitts des Gehäuses gemäß 1, und
- 4 ein Fahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung nach 1.
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Gemäß 1 umfasst eine erfindungsgemäße Antriebsvorrichtung 100 für ein Fahrzeug 2, das in 4 dargestellt ist, eine Vorrichtung 1 zum Kühlen und Schmieren von Komponenten des Fahrzeugs 2, die in einem Gehäuse 3 der Vorrichtung 1 angeordnet sind. Vorliegend sind eine elektrische Maschine 13 mit einem Stator 13.1 und einem Rotor 13.2 sowie ein Getriebe 12 im Gehäuse 3 angeordnet, wobei eine Rotorwelle 13.6 der elektrischen Maschine 13 über eine Übersetzungsstufe 22 mit dem Getriebe 12 antriebswirksam verbunden ist. Der Rotor 13.2 ist drehfest mit der Rotorwelle 13.6 verbunden. Das Getriebe 12 ist als Differentialgetriebe ausgebildet und weist eine erste Abtriebswelle 23.1 sowie eine zweite Abtriebswelle 23.2 auf. Die beiden Abtriebswellen 23.1, 23.2 sind achsparallel zu der Rotorwelle 13.6 angeordnet.
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Die Rotorwelle 13.6 ist über ein erstes Lagerelement 17.1, das als Zylinderrollenlager ausgebildet ist, ein zweites Lagerelement 17.2, das als Kugellager ausgebildet ist, und ein drittes Lagerelement 17.3, das als Kugellager ausgebildet ist, drehbar im Gehäuse 3 gelagert. Das erste Lagerelement 17.1 ist zusammen mit dem Getriebe 12 in einem ersten Gehäuseabschnitt A angeordnet. Das zweite Lagerelement 17.2 ist zusammen mit der elektrischen Maschine 13 in einem zweiten Gehäuseabschnitt B angeordnet. Das dritte Lagerelement 17.3 ist in einer Wandung 16.1 des Gehäuses 3 zwischen dem ersten Gehäuseabschnitt A und dem zweiten Gehäuseabschnitt B angeordnet. Das dritte Lagerelement 17.3 ist zur Durchführung von Kühlmittel 6 zwischen dem ersten Gehäuseabschnitt A und dem zweiten Gehäuseabschnitt B eingerichtet.
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Die erste Abtriebswelle 23.1 ist über ein viertes Lagerelement 17.4, das als Kegelrollenlager ausgebildet ist, drehbar im Gehäuse 3 gelagert. Die zweite Abtriebswelle 23.2 ist über ein fünftes Lagerelement 17.5, das als Kugellager ausgebildet ist, und ein sechstes Lagerelement 17.6, das als Kegelrollenlager ausgebildet ist, drehbar im Gehäuse 3 gelagert. Das vierte Lagerelement 17.4 ist zusammen mit dem Getriebe 12 im ersten Gehäuseabschnitt A angeordnet. Das fünfte Lagerelement 17.5 ist zusammen mit der elektrischen Maschine 13 im zweiten Gehäuseabschnitt B angeordnet. Das sechste Lagerelement 17.6 ist in der Wandung 16.1 des Gehäuses 3 zwischen dem ersten Gehäuseabschnitt A und dem zweiten Gehäuseabschnitt B angeordnet und zur Durchführung von Kühlmittel 6 aus dem zweiten Gehäuseabschnitt B in den ersten Gehäuseabschnitt A eingerichtet. Insbesondere erfolgt die Durchführung von Kühlmittel 6 durch Fliehkräfte über das sechste Lagerelement 17.6 aus dem zweiten Gehäuseabschnitt B in den ersten Gehäuseabschnitt A.
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Ferner sind in dem Gehäuse 3 ein Kühlmittelsumpf 4, ein Kühlmittelfilter 15, eine Kühlmittelpumpe 5, ein Wärmetauscher 7 sowie ein Kühlmittelleitungssystem 8 mit einem Kühlmittelspeicher 9 angeordnet. Das Kühlmittelleitungssystem 8 verbindet die Kühlmittelpumpe 5 mit dem Wärmetauscher 7 und den Wärmetauscher 7 mit dem Kühlmittelspeicher 9 fluidtechnisch. Über die Kühlmittelpumpe 5 wird Kühlmittel 6 aus dem Kühlmittelsumpf 4 durch den Kühlmittelfilter 15 in das Kühlmittelleitungssystem 8 gefördert. Der zwischen der Kühlmittelpumpe 5 und dem Kühlmittelspeicher 9 angeordnete Wärmetauscher 7 kühlt das von der Kühlmittelpumpe 5 geförderte Kühlmittel 6 ab. Über das Kühlmittelleitungssystem 8 wird das vom Wärmetauscher 7 abgekühlte Kühlmittel 6 in den Kühlmittelspeicher 9 gefördert. Das Kühlmittelleitungssystem 8 und der Kühlmittelspeicher 9 sind im Gehäuse 3 integriert, vorliegend als Vertiefungen in einem vierten Gehäuseabschnitt D ausgebildet. Der Kühlmittelspeicher 9 weist einen einzigen Kühlmitteleingang 10 auf, der über das Kühlmittelleitungssystem 8 zum Einspritzen von Kühlmittel 6 aus dem Wärmetauscher 7 eingerichtet ist. Ferner weist der Kühlmittelspeicher 9 mehrere Kühlmittelausgänge 11.1, 11.2, 11.3, 11.4, 11.5 auf, die jeweils zum Ausspritzen von Kühlmittel 6 aus dem Kühlmittelspeicher 9 auf kühl- und schmierbedürftige Komponenten im Gehäuse 3 eingerichtet sind.
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Vorliegend weist das Gehäuse 3 den ersten Gehäuseabschnitt A zur Aufnahme des Getriebes 12 auf. Ferner weist das Gehäuse 3 den zweiten Gehäuseabschnitt B zur Aufnahme der elektrischen Maschine 13 mit dem Stator 13.1 und dem Rotor 13.2 auf. Darüber hinaus weist das Gehäuse 3 den dritten Gehäuseabschnitt C zur Aufnahme des Kühlmittelsumpfs 4 und des Kühlmittelfilters 15 auf. Beispielsweise kann der Kühlmittelsumpf 4 als Kühlmittelvolumen eines im Gehäuseabschnitt C angeordneten Kühlmittelbehälters verstanden werden. Das Kühlmittel 6 strömt durch eine dafür vorgesehene erste Öffnung 14.1 in einer Wandung 16.2 zwischen dem ersten und dem dritten Gehäuseabschnitt A, C aus dem ersten Gehäuseabschnitt A in den dritten Gehäuseabschnitt C, um dort den Kühlmittelsumpf 4 zu bilden. Ferner strömt Kühlmittel 6 durch eine dafür vorgesehene zweite Öffnung 14.2 in einer Wandung 16.3 zwischen dem zweiten und dritten Gehäuseabschnitt B, C aus dem zweiten Gehäuseabschnitt B in den dritten Gehäuseabschnitt C, um dort den Kühlmittelsumpf 4 zu bilden. Der erste, zweite und dritte Gehäuseabschnitt A, B, C sind als im Wesentlichen geschlossene Gehäuseräume ausgebildet und von den Gehäusewandungen umgeben. Das Gehäuse 3 weist auch den vierten Gehäuseabschnitt D zur Aufnahme des Kühlmittelleitungssystems 8, des Kühlmittelspeichers 9, der Kühlmittelpumpe 5 und des Wärmetauschers 7 auf. Der vierte Gehäuseabschnitt D erstreckt sich entlang des ersten, zweiten und dritten Gehäuseabschnitts A, B, C, und zwar derart, dass das Kühlmittelleitungssystem 8 und der Kühlmittelspeicher 9 außerhalb des ersten, zweiten und dritten Gehäuseabschnitts A, B, C angeordnet sind. Insbesondere ist das Gehäuse 3 mehrteilig ausgebildet sowie modular aufgebaut.
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Zwei erste Kühlmittelausgänge 11.1 sind zum Ausspritzen von Kühlmittel 6 auf erste und zweite Statorwicklungen 13.3, 13.4 des Stators 13.1 eingerichtet, wobei der jeweilige erste Kühlmittelausgang 11.1 mit jeweiligen ersten Spritzdüsen 18.1 fluidtechnisch verbunden ist. Die Statorwicklungen 13.3, 13.4 sind an den endseitigen Stirnflächen des Stators 13.1 angeordnet und erstrecken sich dort in Umfangsrichtung verteilt. Vorliegend ist in 1 zur Vereinfachung nur jeweils eine erste Spritzdüse 18.1 für die ersten und zweiten Statorwicklungen 13.3, 13.4 dargestellt. Wie aus 2 jedoch hervorgeht, sind die ersten Spritzdüsen 18.1 umlaufend um die Statorwicklungen 13.3 herum angeordnet. Dadurch lassen sich die Statorwicklungen 13.3, 13.4 gezielt kühlen.
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Gemäß 2 wird das Kühlmittel 6 über drei erste Spritzdüsen 18.1 in den zweiten Gehäuseabschnitt B auf die Statorwicklungen 13.3 des Stators 13.1 gespritzt.
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Vorliegend sind aufgrund der Querschnittdarstellung nur die ersten Statorwicklungen 13.3 stark vereinfacht dargestellt.
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Der zweite Kühlmittelausgang 11.2 ist zum Ausspritzen von Kühlmittel 6 auf eine Außenumfangsfläche 13.5 des Stators 13.1 eingerichtet, wobei der zweite Kühlmittelausgang 11.2 mit mehreren zweiten Spritzdüsen 18.2 fluidtechnisch verbunden ist. Vorliegend ist zur Vereinfachung nur eine einzige zweite Spritzdüse 18.2 dargestellt. Wie aus 3 jedoch hervorgeht, sind die zweiten Spritzdüsen 18.2 in Längsrichtung des Stators 13.1 angeordnet. Dadurch lässt sich die Außenumfangsfläche 13.5 des Stators 13.1 gezielt kühlen.
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Gemäß 3 wird das Kühlmittel 6 über drei zweite Spritzdüsen 18.2 in den zweiten Gehäuseabschnitt B auf die Außenumfangsfläche des Stators 13.1 gespritzt. Die Außenumfangsfläche des Stators 13.1 erstreckt sich in axialer Richtung von den ersten Statorwicklungen 13.3 bis zu den zweiten Statorwicklungen 13.4.
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Der dritte Kühlmittelausgang 11.3 ist zum Ausspritzen von Kühlmittel 6 auf einen Zahneingriffsbereich 19 von zwei Zahnrädern 20.1, 20.2 der Übersetzungsstufe 22 eingerichtet, wobei der dritte Kühlmittelausgang 11.3 mit mehreren dritten Spritzdüsen 18.3 fluidtechnisch verbunden ist. Vorliegend ist zur Vereinfachung nur eine einzige dritte Spritzdüse 18.3 dargestellt. Das erste Zahnrad 20.1 ist drehfest mit der Rotorwelle 13.6 verbunden, wobei das zweite Zahnrad 20.2 einen deutlich größeren Durchmesser als das erste Zahnrad 20.1 aufweist und mit einem Differentialkorb 24 drehfest verbunden ist. Über den Differentialkorb 24 wird die übersetzte Antriebsleistung in das Differentialgetriebe eingeleitet und auf die beiden Abtriebswellen 23.1, 23.2 des Differentialgetriebes verteilt.
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Der vierte Kühlmittelausgang 11.4 ist zum Ausspritzen von Kühlmittel 6 auf das dritte Lagerelement 17.3 eingerichtet, wobei der vierte Kühlmittelausgang 11.4 mit mehreren vierten Spritzdüsen 18.4 fluidtechnisch verbunden ist. Vorliegend ist zur Vereinfachung nur eine einzige vierte Spritzdüse 18.4 dargestellt.
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Der fünfte Kühlmittelausgang 11.5 ist zum Ausspritzen von Kühlmittel 6 in eine erste Wanne 21.1, die neben dem ersten Lagerelement 17.1 angeordnet ist, eingerichtet, wobei der fünfte Kühlmittelausgang 11.5 mit mehreren fünften Spritzdüsen 18.5 fluidtechnisch verbunden ist. Vorliegend ist zur Vereinfachung nur eine einzige fünfte Spritzdüse 18.5 dargestellt. Die erste Wanne 21.1 weist eine Durchlässigkeit für Kühlmittel 6 auf, sodass das Kühlmittel 6 aus der ersten Wanne 21.1 zum einen zu dem vierten Lagerelement 17.4 und zum anderen zum ersten Lagerelement 17.1 strömen kann. An dem dritten Lagerelement 17.3 ist eine zweite Wanne 21.2 angeordnet, wobei das Kühlmittel 6 entweder direkt aus den vierten Spritzdüsen 18.4 in das dritte Lagerelement 17.3 oder über die zweite Wanne 21.2 in das dritte Lagerelement 17.3 strömen kann. Durch das dritte Lagerelement 17.3 strömt das Kühlmittel 6 aus dem ersten Gehäuseabschnitt A in den zweiten Gehäuseabschnitt B.
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4 zeigt ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug 2 mit der erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung 100 gemäß 1. Die Antriebsvorrichtung 100 umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 zum Kühlen und Schmieren von Komponenten des Fahrzeugs 2, wobei die schmier- und kühlbedürftigen Komponenten des Fahrzeugs 2 innerhalb des Gehäuses 3 der Vorrichtung 1 angeordnet sind. Als Komponenten des Fahrzeugs 2 sind zumindest die elektrische Maschine 13, die eine Antriebsleistung erzeugt und in das Getriebe 12 einleitet, ebenso wie das Getriebe 12, das als Differentialgetriebe ausgebildet ist, zu verstehen. Das als Differentialgetriebe ausgebildete Getriebe 12 teilt die Antriebsleistung auf die erste Abtriebswelle 23.1 und die zweite Abtriebswelle 23.2 auf. Jede Abtriebswelle 23.1, 23.2 ist zum Antrieb mit einem jeweiligen Rad 25.1, 25.2 des Fahrzeugs 2 verbunden. Das Fahrzeug 2 umfasst ferner einen - hier nicht dargestellten - Energiespeicher, der von der elektrischen Maschine 13 bei umgekehrtem Leistungsfluss, im Generatorbetrieb, mit elektrischer Energie gespeist wird. Der Energiespeicher kann beispielsweise eine Batterie oder dergleichen sein. Mithin wird mittels der elektrischen Maschine 13 im Generatorbetrieb elektrische Energie erzeugt, gespeichert und zur erneuten Speisung der elektrischen Maschine 13 in einem Motorbetrieb vorgehalten.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Vorrichtung
- 2
- Fahrzeug
- 3
- Gehäuse
- 4
- Kühlmittelsumpf
- 5
- Kühlmittelpumpe
- 6
- Kühlmittel
- 7
- Wärmetauscher
- 8
- Kühlmittelleitungssystem
- 9
- Kühlmittelspeicher
- 10
- Kühlmitteleingang
- 11.1
- erster Kühlmittelausgang
- 11.2
- zweiter Kühlmittelausgang
- 11.3
- dritter Kühlmittelausgang
- 11.4
- vierter Kühlmittelausgang
- 11.5
- fünfter Kühlmittelausgang
- 12
- Getriebe
- 13
- elektrische Maschine
- 13.1
- Stator
- 13.2
- Rotor
- 13.3
- erste Statorwicklungen
- 13.4
- zweite Statorwicklungen
- 13.5
- Außenumfangsfläche des Stators
- 13.6
- Rotorwelle
- 14.1
- erste Öffnung
- 14.2
- zweite Öffnung
- 15
- Kühlmittelfilter
- 16.1
- Wandung zwischen dem ersten und zweiten Gehäuseabschnitt
- 16.2
- Wandung zwischen dem ersten und dritten Gehäuseabschnitt
- 16.3
- Wandung zwischen dem zweiten und dritten Gehäuseabschnitt
- 17.1
- erster Lagerelement
- 17.2
- zweites Lagerelement
- 17.3
- drittes Lagerelement
- 17.4
- viertes Lagerelement
- 17.5
- fünftes Lagerelement
- 17.6
- sechstes Lagerelement
- 18.1
- erste Spritzdüse
- 18.2
- zweite Spritzdüse
- 18.3
- dritte Spritzdüse
- 18.4
- vierte Spritzdüse
- 18.5
- fünfte Spritzdüse
- 19
- Zahneingriffsbereich
- 20.1
- erstes Zahnrad
- 20.2
- zweites Zahnrad
- 21.1
- erste Wanne
- 21.2
- zweite Wanne
- 21.3
- dritte Wanne
- 22
- Übersetzungsstufe
- 23.1
- erste Abtriebswelle
- 23.2
- zweite Abtriebswelle
- 24
- Differentialkorb
- 25.1
- Rad
- 25.2
- Rad
- 100
- Antriebsvorrichtung
- A
- erster Gehäuseabschnitt
- B
- zweiter Gehäuseabschnitt
- C
- dritter Gehäuseabschnitt
- D
- vierter Gehäuseabschnitt
