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Zum Antrieb eines Kraftfahrzeugs werden Elektromotoren eingesetzt, um Alternativen zu Verbrennungsmotoren zu schaffen, die fossile Brennstoffe benötigen.
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Eine anschauliche Darstellung eines solchen Elektroantriebs stellt der Artikel der Zeitschrift ATZ 113. Jahrgang, 05/2011, Seiten 360-365 von Erik Schneider, Frank Fickl, Bernd Cebulski und Jens Liebold mit dem Titel: „Hochintegrativ und Flexibel Elektrische Antriebseinheit für E-Fahrzeuge“ vor. In diesem Artikel wird eine Antriebseinheit für eine Achse eines Fahrzeugs beschrieben (elektromechanischer Achsantriebsstrang), welche einen E-Motor umfasst, der konzentrisch und koaxial zu einem Kegelraddifferential angeordnet ist, wobei in dem Leistungspfad zwischen Elektromotor und Kegelraddifferential ein schaltbarer 2-Gang-Planetenradsatz angeordnet ist, der ebenfalls koaxial zu dem E-Motor bzw. dem Kegelraddifferential positioniert ist. Die Antriebseinheit ist sehr kompakt aufgebaut und erlaubt aufgrund des schaltbaren 2-Gang-Planetenradsatzes einen guten Kompromiss zwischen Steigfähigkeit, Beschleunigung und Energieverbrauch.
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Eine Alternative zum Kegelraddifferential stellt das Stirnraddifferential dar.
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Alternativ zur koaxialen und konzentrischen Anordnung des E-Motors zum Differential kommt die achsparallele Anordnung in Betracht, bei der die Motorwelle des E-Motors achsparallel und beabstandet zu den Ausgangswellen des Differentials angeordnet ist. Im oben genannten Beispiel der koaxialen und konzentrischen Anordnung ist die E-Motorwelle fluchtend zu den Ausgangswellen des Differentials angeordnet, wobei eine Ausgangswelle durch die E-Motorwelle hindurch geführt ist.
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Der elektromechanische Achsantriebsstrang kann im Beispiel des oben genannten Artikels mit einem schaltbaren Planetengetriebe zweigängig ausgeführt sein oder in einfacherer Weise lediglich einen Gang aufweisen (Eingängigkeit). Ein dem Elektromotor (E-Motor) im Leistungspfad nachgelagertes Getriebe (Untersetzungsgetriebe / Reduziergetriebe) reduziert die übliche hohe Ausgangsdrehzahl des Elektromotors und erhöht das in das Differential eingeleitete Drehmoment.
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In den üblicherweise eingesetzten Getrieben von elektrisch angetriebenen Fahrzeugen, etwa in E-Achsen, werden die Schmierstellen mittels Ölnebel oder einer Verteilung des Öls im Getriebe durch die Verzahnung versorgt. Es kann auch ein im oberen Bereich des Getriebegehäuses angeordnetes Reservoir vorgesehen sein, aus dem dann das Kühl- und/oder Schmieröl auf die Schmierstellen tropft. Das Kühl- und/oder Schmieröl wird dabei mithilfe der Verzahnungen und eventuellen Leitblechen in das genannte Reservoir gefördert. Dies hat den Nachteil, dass durch das ständige Eintauchen eines oder mehrerer Zahnräder einer Übersetzungsstufe oder eines Differentialgetriebes in das Getriebeöl Planschverluste entstehen, welche den Wirkungsgrad reduzieren. Aufgrund des Planschens kann es auch zu einer Verschäumung des Öls kommen, so dass zur sicheren Versorgung mit Öl eine höhere Ölmenge vorgehalten werden muss, um sicher Öl fördern zu können
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Ein Getriebe mit einer Tauchschmierung ist aus der deutschen Offenlegungsschrift
DE 37 19 096 A1 bekannt. Bei diesem Getriebe befindet sich ein unteres Zahnrad in einer Tauschschmierung, wodurch auch ein mit diesem in Eingriff stehendes Zwischenrad mit Öl versorgt wird.
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Die deutsche Offenlegungsschrift
DE 10 2021 103 667 A1 betrifft ein Getriebe eines elektrisch betreibbaren Antriebsstrangs eines Kraftfahrzeugs, wobei das Getriebe einen ersten Getriebeabschnitt aufweist, der in einem ersten Getrieberaum angeordnet ist, wobei der erste Getriebeabschnitt ein erstes drehbar gelagertes Zahnrad und ein mit diesem in Eingriff stehendes zweites drehbar gelagertes Zahnrad aufweist und wobei der Getrieberaum einen mit Hydraulikfluid befüllten Ölsumpf umfasst. Das erste Zahnrad greift in den Ölsumpf ein, so dass es im Betrieb des elektrisch betreibbaren Antriebsstrangs durch Rotation Hydraulikfluid aus dem Ölsumpf transportiert und in dem Getrieberaum verteilt, wobei das erste Zahnrad von einem ersten in den Getrieberaum einsetzbaren separaten Fluidleitelement abschnittsweise umfänglich wie beidseits radial umfasst wird, so dass das erste Zahnrad abschnittsweise in einem so ausgebildeten kanalartigen Abschnitt des ersten Fluidleitelements rotiert. Das zweite Zahnrad wird von einem zweiten in den Getrieberaum einsetzbaren separaten Fluidleitelement abschnittsweise umfänglich umfasst.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, die genannten Nachteile zu vermeiden und eine verbesserte Versorgung der zu kühlenden und/oder schmierenden Stellen in Getrieben eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs bereitzustellen.
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Die Aufgabe wird mit einem Getriebe eines Elektrofahrzeugs mit einer mechanisch mittels einer Getriebewelle angetriebenen Ölpumpe mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie einem elektrischen Fahrzeugantrieb mit den Merkmalen des Patentanspruchs 8 gelöst.
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Das Getriebe eines Elektrofahrzeugs mit einer Ölwanne, mit einem in der Ölwanne vorgesehenen Ölvorrat, wobei Zahnräder des Getriebes oberhalb eines Spiegels des Ölvorrats angeordnet sind, mit einer mechanisch mittels einer Getriebewelle angetriebenen Ölpumpe, zeichnet sich dadurch aus, dass die Ölpumpe einen in einem Pumpengehäuse geführten Pumpenkolben, einen von der Getriebewelle angetriebenen Exzenter zur Erzeugung einer Auf- und Abbewegung zwischen Pumpengehäuse und Pumpenkolben sowie ein Rückschlagventil aufweist, und wobei ein Saugende der Pumpe gelenkig in der Ölwanne gelagert ist. Dabei ist das Saugende der Pumpe von dem Rückschlagventil gebildet. Damit kann auf einfache Art und Weise eine gelenkige, aber axial feste Verbindung zur Ölwanne geschaffen werden, indem das Rückschlagventil an seinem zur Ölwanne gerichteten Ende eine Kontur aufweist, welche in eine an der Ölwanne angebrachten Gegenkontur schwenkbar gelenkig aber in Richtung der Längsachse des Pumpenkolbens festgelegt eingreift. Der Pumpenkolben kann zum Beispiel in die Gegenkontur der Ölwanne eingeschoben werden und wird dann axial durch den Pumpenkolben in Position gehalten. Alternativ kann eine solche Verbindung auch mithilfe einer Schnappverbindung geschaffen werden. Das Getriebe wird also „trocken“ gelegt, indem es mit einer Ölwanne oder einem Ölvorratsraum im Getriebegehäuse versehen ist. Kein Zahnrad eines Differentials oder einer Zahnradstufe läuft somit im Ölvorrat. Auf diese Weise sind Planschverluste ausgeschlossen. Um die Schmierstellen zu versorgen, ist eine einfache mechanische Ölpumpe vorgesehen, welche kostengünstig ist und die Schmier- und/oder Kühlstellen gezielt mit Öl versorgt. Mit Pumpenkolben wird hier ein rohrförmiges Bauteil bezeichnet, das in einen rohrförmigen Abschnitt des Pumpengehäuses eintaucht (oder umgekehrt) und so ein gemeinsames Innenvolumen bildet, der Pumpenkolben weist also eine axiale Durchgangsbohrung auf. Aufgrund der exzentrischen Anbindung des Pumpengehäuses an der Antriebswelle und der axial festen, aber gelenkigen Anbindung des Saugendes an der Ölwanne ändert sich das Innenvolumen während des Betriebs, also beim Antrieb der Pumpe. Die daraus folgende Auf- und Abbewegung des Pumpengehäuses führt zu der Volumenänderung und im Zusammenspiel mit dem Rückschlagventil zu einem Ansaugen von Öl aus der Ölwanne und Fördern durch den Ölkanal nach außerhalb der Pumpe. Eine solche Pumpe ist nicht nur sehr kostengünstig, sie baut auch sehr schmal, nimmt also wenig Bauraum ein, und kann so einfach und ohne größere Anpassungen in verschiedenen Typen von Getrieben eingesetzt werden. Der Wirkungsgrad des Getriebes kann signifikant gesteigert werden, indem Planschverluste unterbleiben. Auch werden alle Schmier- und/oder Kühlstellen zuverlässig mit Öl versorgt, da das Öl nicht verschäumt.
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Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen beansprucht und werden nachfolgend näher erläutert.
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In einer Weiterbildung der Erfindung weisen der Exzenter einen Ölkanal und die Welle eine Ölbohrung zum Abführen des geförderten Öls aus der Pumpe auf. Eine solche Ölbohrung kann in einer Austrittsöffnung münden, aus der das aus der Ölwanne geförderte Öl austritt.
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Vorteilhaft ist es, wenn die Schmierung und/oder Kühlung des Getriebes direkt mittels aus einer Austrittsöffnung der Ölbohrung austretendem Öl erfolgt. Auf diese Weise ist eine besonders einfache und kostengünstige Möglichkeit geschaffen, Schmierstellen wie in Eingriff befindliche Zahnräder direkt mit von oben tropfendem oder fließendem Öl zu schmieren oder kühlen.
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In einer Weiterbildung der Erfindung ist es aber auch möglich, zur Schmierung und/oder Kühlung des Getriebes Öl mithilfe einer an einer Austrittsöffnung der Ölbohrung angebrachten Ölleitung zu einer Kühl- oder Schmierstelle zu leiten. Damit ist ein zielgenaueres Zuführen zu den Kühl-/Schmierstellen möglich, die dann auch nicht in unmittelbarer Nähe der Ölpumpe oder auf einem höheren Niveau als die Austrittsöffnung der Pumpe liegen. Es kann also eine Art Druckumlaufschmierung dargestellt werden.
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Bevorzugt ist zwischen dem Exzenter und Pumpengehäuse eine Steuernut zum Verschießen eines Ölkanals während eines Ansaugvorgangs vorgesehen. Damit ist sichergestellt, dass bei einem Ansaugvorgang der Unterdruck am Saugende der Pumpe in der Ölwanne anliegt und nicht aus dem Getrieberaum bzw. von der Druckseite angesaugt wird.
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Es ist auch möglich, mehrere Ölpumpen vorzusehen. Diese können von der gleichen oder von verschiedenen Getriebewellen angetrieben sein. Somit kann das förderbare Ölvolumen vervielfacht werden. Um Druckpulsationen auszugleichen, können die Exzenter der einzelnen Ölpumpen verdreht gegeneinander angeordnet sein, so dass pro Umdrehung einer Antriebswelle mehrere Arbeitshübe ausgeführt werden.
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Die Erfindung wird nachfolgend mit Hilfe von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
- 1 eine Seitenansicht eines Getriebes eines Elektrofahrzeugs mit einer mechanisch mittels einer Getriebewelle angetriebenen Ölpumpe,
- 2 eine um 90° gedrehte Ansicht des Getriebes aus 1
- 3a bis 3c eine schematische Schnittansicht der Ölpumpe in mehreren Arbeitsphasen.
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Die Figuren sind lediglich schematischer Natur und dienen nur dem Verständnis der Erfindung. Sie sind eine Verdeutlichung des Prinzips und nicht als Konstruktionszeichnungen geeignet. Gleiche Elemente sind mit denselben Bezugszeichen versehen.
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In 1 ist ein Teil eines Getriebes 1 schematisch dargestellt, wobei ein Getriebegehäuse nicht gezeigt ist. Es sind vier Zahnräder 2, 3, 4, 5 dermaßen angeordnet, dass die Zahnräder 2 und 3 sowie die Zahnräder 4 und 5 jeweils eine Getriebestufe bilden. Die Zahnräder 3 und 4 sind auf einer gemeinsamen Zwischenwelle 6 befestigt. Das Zahnrad 5 treibt ein Differential 20 an, welches dann wiederum zwei nicht dargestellte Antriebsräder antreibt. Unterhalb der Zahnräder 2, 3, 4, 5 ist eine Ölwanne 8 vorgesehen, welche so angeordnet und mit nicht dargestelltem Öl befüllt ist, dass das Zahnrad 5 nicht in einen Ölsumpf eintaucht. Zur Förderung eines Ölvolumens für Schmier- und/oder Kühlzwecke ist eine mechanisch angetriebene Ölpumpe 9 vorgesehen, welche mittels der Zwischenwelle 6 angetrieben wird. Es ist klar ersichtlich, dass die Ölpumpe 9 sehr schmal baut und auch ohne größere Schwierigkeiten in andere Getriebe einsetzbar ist.
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2 zeigt eine um 90° gegen den Uhrzeigersinn gedrehte Ansicht des Getriebes aus 1, also eine Ansicht, bei der die Ölpumpe 9 vor den Zahnrädern sichtbar ist. Der Antrieb des Ölpumpe 9 erfolgt wie bereits erwähnt mittels der Zwischenwelle 6, wobei ein Exzenter 7 zwischengeschaltet ist, um eine Auf- und Abbewegung zwischen einem Pumpengehäuse 10 und einem Pumpenkolben 11 zu erzeugen. Das in die Ölwanne 8 eintauchende Ende der Ölpumpe 9, also das Saugende, wird von einem Rückschlagventil 13 gebildet, welches gelenkig aber axial fest in der Ölwanne 8 gelagert ist.
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Mit den 3a, 3b und 3c wird die mechanische Ölpumpe 9 sowie ihre Funktionsweise näher erläutert. Die 3a, 3b und 3c zeigen die gleiche Ölpumpe 9 in verschiedenen Arbeits- bzw. Funktionsstellungen, der Antrieb der Ölpumpe erfolgt im Uhrzeigersinn.
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Zunächst soll anhand der Darstellung der 3a die Ölpumpe 9 näher erläutert werden. Wie bereits erwähnt, besteht die Ölpumpe 9 aus einem angetriebenen Pumpengehäuse 10, welches aus einem zylinderförmigen Oberteil und einem daran angebundenen Rohrteil besteht. Ein Hohlraum des Oberteils ist mit einem Hohlraum des Rohrteils dermaßen verbunden, dass das geförderte Öl hindurchtreten kann. Beim Antrieb mittels des von der Zwischenwelle angetriebenen Exzenters 7 erfolgt eine Auf- und Abbewegung des Pumpengehäuses, in dem der Pumpenkolben 11 axial beweglich und zur Umgebung dicht gelagert ist. Der Pumpenkolben 11 ist an seinem der ÖIwanne 8 zugewandten Ende mit einem Rückschlagventil 13 verbunden, welches seinerseits mit seinem Ventilgehäuse 14 in der Ölwanne 8 gelenkig, aber axial fest verbunden ist. Somit erzeugt die Auf- und Abbewegung des Pumpengehäuses 10 eine Vergrößerung und Verkleinerung eines Innenraums, der vom rohrförmigenTeil des Pumpengehäuses und einer Bohrung 12 des Pumpenkolbens 11 gebildet ist. Bei der Vergrößerung des Innenraums entsteht somit ein Unterdruck, der größer ist als eine Federkraft einer Feder 16, welche eine Ventilkugel 15 dichtend gegen das Ventilgehäuse 14 drückt. Somit öffnet das Rückschlagventil 13 und Öl kann aus der Ölwanne 8 angesaugt und bis in das Pumpengehäuse 10 gefördert werden. Wenn der maximale Hub des Exzenters 7 erreicht ist, endet die Saugphase und die Druckphase beginnt mit einer absteigenden Bewegung, bei der der Innenraum verkleinert wird. Dabei schließt wegen des ansteigenden Drucks und der Federkraft der Feder 16 das Rückschlagventil 13 und das Öl fließt über einen Ölkanal 18 und eine Ölbohrung 17 der Zwischenwelle 6 zu den zu schmierenden oder kühlenden Stellen im Getriebe 1. Weiterhin ist eine Steuernut 19 dermaßen in dem Pumpengehäuse 10 angeordnet, dass eine Verbindung zwischen dem Innenraum des Pumpengehäuses 10 und dem Ölkanal 18 in der Ansaugphase verschlossen und in der Druckphase freigegeben wird.
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In 3b ist das Ende der Saugphase und der Beginn der Druckphase dargestellt, der Exzenter hat also seine höchste Position erreicht und der gemeinsame Innenraum von Pumpengehäuse 10 und Pumpenkolben 11 hat sein Maximum erreicht. Beim Weiterdrehen des Exzenters 7 verkleinert sich der Innenraum, das Rückschlagventil 13 schließt und die Verbindung zwischen dem Ölkanal 18 zur Ölbohrung 17 wird mittels der Steuernut 19 freigegeben, das Öl kann also durch die Ölbohrung 17 austreten.
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Beim Weiterdrehen des Exzenters 7 hält die Druckphase mit Ausstoßen des Öls an, bis die in 3c dargestellte tiefste Position erreicht ist. Die Verbindung zwischen der Steuernut 19 und dem Ölkanal 18 wird wieder verschlossen und eine neue Saugphase wie in 3a gezeigt beginnt mit dem Weiterdrehen des Exzenters 7 im Uhrzeigersinn.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Getriebe
- 2
- Zahnrad
- 3
- Zahnrad
- 4
- Zahnrad
- 5
- Zahnrad
- 6
- Zwischenwelle
- 7
- Exzenter
- 8
- Ölwanne
- 9
- Ölpumpe
- 10
- Pumpengehäuse
- 11
- Pumpenkolben
- 12
- Bohrung
- 13
- Rückschlagventil
- 14
- Ventilgehäuse
- 15
- Ventilkugel
- 16
- Ventilfeder
- 17
- Ölbohrung
- 18
- Ölkanal
- 19
- Steuernut
- 20
- Differential