WO2023099440A1 - Antriebssystem für eine antriebsachse und fahrzeug mit dem antriebssystem - Google Patents

Antriebssystem für eine antriebsachse und fahrzeug mit dem antriebssystem Download PDF

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WO2023099440A1
WO2023099440A1 PCT/EP2022/083592 EP2022083592W WO2023099440A1 WO 2023099440 A1 WO2023099440 A1 WO 2023099440A1 EP 2022083592 W EP2022083592 W EP 2022083592W WO 2023099440 A1 WO2023099440 A1 WO 2023099440A1
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planetary gear
gear set
drive
transmission
drive unit
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Matthias MÜLLER-LINKOWITSCH
Daniel Martin
Wolfgang Barth
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Zf Friedrichshafen Ag
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Definitions

  • the invention relates to a drive system for an electrically driven vehicle such as a passenger car, the drive system having a drive unit, a transmission which acts both as a transmission and as a differential, and an independently controllable braking device for each wheel.
  • the drag losses which describe the delay in action from the open to the closed brake pad or disk state, are due to primary influencing variables such as the medium in the air gap (air clearance), lining width, number and diameter of the friction surfaces, and secondary influences such as the lining surface and friction lining usage.
  • the clearance distance between the brake pad and the brake disc in disc brake systems
  • brake response time time to overcome the clearance
  • electric vehicles are to be increased in terms of performance in particular by better linking synergy effects between the service brake system and drive system using energy recovery (recuperation braking) in order to recharge the energy storage device (battery) or to convert excess thermal energy from the drive and brake system or to use it for heating purposes .
  • a service brake in a vehicle no longer uses a mechanical connection, mainly because of the additional functions such as ESP (electronic stability program), ASR (traction control), ABS (anti-lock braking system) etc., but electronically controlled ones Pumping is controlled by the brake pedal, the service braking system is still strictly separated from the electric drive system, even for pure electric vehicles, and is connected to the peripheral braking devices (air-cooled disc brakes) on the vehicle wheels via hydraulic brake circuits.
  • ESP electronic stability program
  • ASR traction control
  • ABS anti-lock braking system
  • DE 10 2019 205 750 A1 also discloses a transmission which comprises an input shaft, a first output shaft, a second output shaft, a first planetary gear set and a second planetary gear set connected to the first planetary gear set.
  • the planetary gear sets each have several elements.
  • the input shaft is non-rotatably connected to a first element of the first planetary gear set and the first output shaft is connected to a second element of the first planetary gear set.
  • the second output shaft is non-rotatably connected to a third member of the second planetary gear set, with a third member of the first planetary gear set being non-rotatably connected to a first member of the second planetary gear set via a shaft.
  • a second member of the second planetary gear set is fixed to a non-rotatable component.
  • This provides a transmission gear which, in addition to a translating function, also has a differential function.
  • the brakes described above are also used for such a vehicle.
  • the object of the invention is to find a new way of improving the sustainability and environmental compatibility of the service brake system in electric vehicles with a transmission made up of two coupled planetary gear sets and to increase the reliability and service life with maximum compactness.
  • a drive system for a drive axle of an electrically driven vehicle having an electric drive unit, two braking devices and a transmission.
  • the transmission includes an input shaft, a first output shaft, a second output shaft, a first planetary gear set, and a second planetary gear set connected to the first planetary gear set.
  • the planetary gear sets each comprise three elements, the input shaft being non-rotatably connected to a first element of the first planetary gear set, the first output shaft being non-rotatably connected to a second element of the first planetary gear set, the second output shaft being non-rotatably connected to a third element of the second planetary gear set, a third element of the first planetary gear set is non-rotatably connected to a first element of the second planetary gear set via a shaft and a second element of the second planetary gear set is fixed to a non-rotatable component.
  • the braking devices are each arranged on the first and the second output shaft and are each designed as a fluid-cooled wet brake, which is located in a common housing with the drive unit.
  • the wet brake is coupled to a heat balance of the drive unit and the transmission. This makes it easier to regulate the heat balance of the entire axle.
  • the drive system has a common heat sink for the braking devices, the Transmission and the drive unit, wherein at least one heat exchanger is present, which is connected to the heat sink. This makes it even easier to regulate the heat balance of the entire axle, since the heat balances of both drive trains are combined at the heat sink.
  • central control unit which is connected to the at least one heat exchanger.
  • the central control unit is provided for intelligent thermal management of the drive unit, the braking devices and the at least one heat exchanger. This makes it possible to control all components of the drive train in the best possible way and to enable further functions in the vehicle, for example the further use of the energy absorbed by the at least one heat exchanger.
  • the task is also solved by an electrically powered vehicle with a drive system just described. It is advantageous if there is a central control unit that is connected to the at least one heat exchanger, the central control unit being responsible for intelligent thermal management of the drive unit, the braking devices and the at least one heat exchanger, as well as controlling the heat balance of all heating systems in the Vehicle is provided. In this way, the further use of the energy absorbed by the at least one heat exchanger is made possible.
  • the central control unit can be provided for the coordination and effectiveness of braking processes of the drive unit and the braking devices for the purpose of optimizing the energy management of the vehicle.
  • Fig. 2 is a circuit diagram of the transmission
  • FIG. 3 shows a circuit diagram of the drive train.
  • the drive axle 1 shows a schematic structure of an electrically driven vehicle F with a drive axle 1 .
  • the drive axle 1 has an electric drive unit 51 which includes an electric machine which drives a first and a second output shaft 11 , 12 via a transmission 53 , on each of which a wheel 3 is located.
  • a braking device 52 is provided on each output shaft 11 , 12 and is controlled via a braking system 7 .
  • a power train constructed in such a manner can be formed on the front axle or rear axle of the vehicle F, or on both the front axle and the rear axle.
  • the drive unit 51, the braking device 52 and the transmission 53 are connected to a common heat sink 2, for which a heat exchanger 4 is present.
  • the braking devices 52 are designed as fluid-cooled wet brakes, preferably designed as wet multi-disk brakes, in order to participate in the cooling management of the drive unit 51 and to form a common heat balance on the drive axle 1 .
  • the combination of the brake units 52 with the drive unit 51 and the transmission 53 offers the possibility, in an integrated system of drive unit and wet brake, of avoiding the current high level of fine dust pollution of the commercially established dry disc brakes due to brake wear and also the heat generation of the brake devices 52 via thermal management of the drive train and the heat exchanger 4 in the vehicle architecture (e.g. for interior heating).
  • a wet brake as braking device 52 also offers better options for scaling the brakes and the use of a modular system depending on the vehicle weight and drive unit etc. by designing with a variable circular friction lining, which can be scaled separately in number and diameter. Furthermore, in the embodiment as a wet brake, it is particularly advantageous that the dissipation of frictional heat takes place through a volume flow of a cooling liquid. The heat can thus also be transported particularly favorably via the heat exchanger 4 to more distant positions in the vehicle F, where it can be used, for example, to heat the interior or released into the environment.
  • multi-disc wet brakes are used as the brake device design, which are characterized by the fact that they are full disc brakes, in which the entire surface of the brake disc is used as a friction surface for deceleration and the brake disc(s) are completely immersed in an oil bath, an oil mist or under targeted oiling run.
  • oil an example, but other media can also be used for lubrication in the drive system according to the invention, as are commonly used in the art.
  • a wet brake could also be used as the braking device 52, which has a less complex structure.
  • a braking device with a lining disk which in various designs can also only be provided with a lining in partial segments, could be integrated.
  • the lining disk is pressed against a housing contact surface (not shown) of the housing 8 in order to generate the necessary braking friction. This is advantageous for simple, light or low-performance applications.
  • Other versions of the wet brake are also conceivable.
  • a central control unit 6 connected to the heat exchanger 4 for the drive axle 1 implements an intelligent thermal management in the interaction of the drive unit 51 and braking devices 52 with the heat exchanger 4, with factors such as the battery state of charge, Temperature of the battery and drive unit 51, overall situation of the braking system 7 and the brake discs of the respective braking devices 52 (determined via sensors and/or calculation models), vehicle speed, previous driver behavior and, if applicable, route information are also included.
  • the central control unit 6 can set an optimal distribution between friction braking of the braking devices 52 and engine braking by the drive unit 51 depending on the situation.
  • the central control unit 6 has access to all heating systems of the vehicle F, the entire heat balance of the vehicle F can be controlled. This is particularly advantageous when there are several drive axles 1 on the vehicle F, since this enables optimal, centralized control.
  • the control and regulation of the braking devices 52 and the drive unit 51 can be taken over by the central control unit 6 perfectly across the system or can also be integrated into existing control units of the drive unit 51 (increased system synergy). This results in better controllability by the brake system 7 not only due to the wet brake, but above all also shorter control paths and therefore less susceptibility to faults) as well as joint control through a combination with a recuperation torque or negative torque of the drive unit 51 by means of the central control unit 6.
  • the strict separation of the braking devices 52 from the electrical system of the drive axle 1 is eliminated, which, in addition to the conversion to a fine-dust-free wet brake, primarily allows multiple use of the heat exchanger used for cooling and better heat management as well as a link to the braking options of the electric drive unit 51 is made possible.
  • the planetary gear sets P1, P2 are each designed here as a negative planetary gear set.
  • the planetary gear sets P1, P2 each comprise a plurality of elements E11, E21, E31, E12, E22, E32, with the first element E11 being a sun gear SO1, the second element E21 being a planet carrier PT1 and the third element E31 being the first planetary gear set P1 is a ring gear HO1.
  • Planetary gear set P2 the first element E12 is a sun gear SO2, the second element E22 is a planetary gear carrier PT2 and the third element E32 is a ring gear HO2.
  • the planetary gear carriers PT1, PT2 each support a plurality of planetary gears, which are shown but not designated.
  • the planet gears mesh on the one hand with the respective, radially inner sun gear SO1, SO2 and with the respective, surrounding ring gear HO1, HO2.
  • the input shaft 10 is rotationally connected to the first element E11.
  • the first output shaft 11 is rotationally connected to the second element E21 of the first planetary gear set P1.
  • the second output shaft 12 is rotationally connected to the third element E32 of the second planetary gear set P2.
  • the third element E31 of the first planetary gear set P1 is rotationally connected to the first element E12 of the second planetary gear set P2, while the second element E22 of the second planetary gear set P2 is fixed to a non-rotatable component 8.
  • the non-rotatable component 8 is a gear housing of the gear 53.
  • the third element E31 ie the ring gear HO1 of the first planetary gear set P1 and the first element E12, ie the sun gear SO2 of the second planetary gear set P2 form a common component which is present as a shaft.
  • the input shaft 10, the first output shaft 11 and the second output shaft 12 are arranged coaxially to one another.
  • the two planetary gear sets P1, P2 are arranged coaxially with one another.
  • the two planetary gear sets P1, P2 are arranged at an axial distance from one another.
  • other arrangements such as radially nested planetary gear sets P1, P2, can also be implemented without any problems.
  • the input shaft 10 can be connected to the drive unit 51 and thus introduce an input torque into the transmission 53 . That is, input shaft 10 and output shafts 11, 12 rotate in the same direction.
  • the gear 53 not only assumes the function of a step-up gear, but also of a differential gear. This means that the torque introduced is not only translated, but also divided between the various output shafts 11 , 12 .
  • Fig. 3 shows the basic structure of the drive system according to the invention of a drive axle 1 also in the form of a circuit diagram.
  • the drive unit 51 transmits torque via the input shaft 10 to the first and second planetary gear sets P1, P2, as has already been explained above. Torque is transmitted to the first and second output shafts 11, 12 as described above. A joint 15 is present on each of the two output shafts 11, 12 in front of the wheels 3 in order to enable wheel movements such as steering movement and/or deflection.
  • the stator of the drive unit 51, the outer disks of the braking devices 52 and the transmission 53 comprising the two planetary gear sets P1, P2 are here jointly connected to the housing 8 in order to enable optimal combination of the heat balances.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Antriebssystem für eine Antriebsachse (1) eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs F, das eine elektrische Antriebseinheit (51), zwei Bremseinrichtungen (52) und ein Getriebe (53) aufweist, wobei das Getriebe (53) einen ersten Planetenradsatz sowie einen mit dem ersten Planetenradsatz verbundenen zweiten Planetenradsatz aufweist, welche miteinander gekoppelt sind. Die Bremseinrichtungen (52) sind jeweils an der ersten und der zweiten Ausgangswelle (11), (12) angeordnet und jeweils als eine fluidgekühlte Nassbremse ausgebildet sind. Sie sind ferner an einen Wärmehaushalt der Antriebseinheit (51) und des Getriebes (53) gekoppelt. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Fahrzeug F mit einem solchen Antriebssystem. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Antriebssystems umfassen eine gemeinsame Wärmesenke (2) und einen mit mindestens einem Wärmetauscher (4) in Verbindung stehende zentrale Steuereinrichtung.

Description

ANTRIEBSSYSTEM FÜR EINE ANTRIEBSACHSE UND FAHRZEUG MIT DEM ANTRIEBSSYSTEM
Die Erfindung betrifft ein Antriebssystem für ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug wie einen Personenkraftwagen, wobei das Antriebssystem eine Antriebseinheit, ein Getriebe, welches sowohl als Übersetzung als auch als Differenzial wirkt, und je Rad eine unabhängig steuerbare Bremseinrichtung aufweist.
Aktuell ist der Stand der Technik des Betriebsbremssystems bei Fahrzeugen unabhängig vom Antriebskonzept (Elektro-, Hybrid- oder Verbrennungsantrieb) eine radnahe, luftgekühlte Scheibenbremse für jedes Rad. Dies ist auch für Elektrofahrzeuge die immer noch vorherrschende Art der Betriebsbremse, welche autark vom Antriebskonzept funktioniert. Nachteile dieses Betriebsbremssystems sind Luftkühlung, Feinstaubbelastung, Wartungsaufwand, Einfluss auf Fahrzeuggeometrie, Schleppverluste etc.
Für Elektro- oder Hybridfahrzeuge ist die Luftkühlung der Scheibenbremse mit den dadurch begünstigten Nebeneffekten von reibungsbedingtem Verschleiß nebst Feinstaubemission, reibungs- und witterungsbedingt hohem Wartungsbedarf sowie Beschränkungen des Fahrzeugdesigns aufgrund von notwendigen Lüftungskanälen ein sehr vorrangiges Problem für die beabsichtigte Umweltfreundlichkeit des Fahrzeugs.
Bei einer Scheibenbremse sind die Schleppverluste, die den Wirkungsverzug vom geöffneten bis zum geschlossenen Bremsklotz- oder Lamellenzustand beschreiben, wegen primärer Einflussgrößen, wie Medium im Lüftspalt (Lüftspiel), Belagbreite, Anzahl und Durchmesser der Reibflächen, und sekundärer Einflüsse, wie Belagoberfläche und Reibbelagnutzung, dringend verbesserungsbedürftig. Dem Lüftspiel (Abstand zwischen Bremsklotz und Bremsscheibe bei Scheibenbremsanlagen) kommt allein deshalb besondere Bedeutung zu, weil ein Abstand zwischen Bremsbelag und Bremsscheibe für den (ungebremsten) Umlauf der Bremsscheibe unverzichtbar ist, das Lüftspiel aber andererseits beim Betätigen der Bremsen zu einer Bremswegverlängerung führt, die bei einer hydraulischen Bremsanlage als Bremsansprechzeit (Zeit zur Überwindung des Lüftspiels) ca. 0,1 bis 0,2 Sekunden betragen kann.
Außerdem sollen Elektrofahrzeuge vor allem in der Leistungsfähigkeit gesteigert werden, indem Synergieeffekte zwischen Betriebsbremssystem und Antriebssystem unter Ausnutzung der Energierückgewinnung (Rekuperationsbremsung) besser verknüpft werden, um den Energiespeicher (Akku) nachzuladen oder aber überschüssige Wärmeenergie aus Antriebs- und Bremssystem umzuwandeln oder für Heizzwecke zu nutzen.
Obwohl es heutzutage Stand der Technik ist, dass eine Betriebsbremse im Fahrzeug vor allem wegen der Zusatzfunktionalitäten, wie ESP (elektronisches Stabilitäts- Programm), ASR (Antischlupfregelung), ABS (Antiblockiersystem) etc., nicht mehr mittels mechanischer Verbindung, sondern mittels elektronisch gesteuerter Pumpen vom Bremspedal gesteuert wird, ist das Betriebsbremssystem auch für reine Elektrofahrzeuge immer noch strikt getrennt vom elektrischen Antriebssystem und mit den peripheren Bremseinrichtungen (luftgekühlte Scheibenbremsen) an den Rädern des Fahrzeugs über hydraulische Bremskreise verbunden.
Aus der DE 10 2019 205 750 A1 ist ferner ein Getriebe bekannt, welches eine Eingangswelle, eine erste Ausgangswelle, eine zweite Ausgangswelle, einen ersten Planetenradsatz sowie einen mit dem ersten Planetenradsatz verbundenen zweiten Planetenradsatz umfasst. Die Planetenradsätze weisen jeweils mehrere Elemente auf. Die Eingangswelle ist dabei mit einem ersten Element des ersten Planetenradsatzes drehfest verbunden und die erste Ausgangswelle mit einem zweiten Element des ersten Planetenradsatzes. Die zweite Ausgangswelle ist mit einem dritten Element des zweiten Planetenradsatzes drehfest verbunden, wobei ein drittes Element des ersten Planetenradsatzes mit einem ersten Element des zweiten Planetenradsatzes über eine Welle drehfest verbunden ist. Ein zweites Element des zweiten Planetenradsatzes ist an einem drehfesten Bauelement festgesetzt. Dadurch wird ein Übersetzungsgetriebe bereitgestellt, welches neben einer übersetzenden auch eine Differentialfunktion hat. Auch für ein solches werden die oben beschriebenen Bremsen eingesetzt. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine neue Möglichkeit zur Verbesserung der Nachhaltigkeit bzw. Umweltverträglichkeit des Betriebsbremssystems in Elektrofahrzeugen mit einem Getriebe aus zwei gekoppelten Planetenradsätzen zu finden sowie die Zuverlässigkeit und Lebensdauer bei maximaler Kompaktheit zu steigern.
Diese Aufgabe wird durch ein Antriebssystem für eine Antriebsachse eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs gelöst, wobei das Antriebssystem eine elektrische Antriebseinheit, zwei Bremseinrichtungen und ein Getriebe aufweist. Das Getriebe umfasst eine Eingangswelle, eine erste Ausgangswelle, eine zweite Ausgangswelle, einen ersten Planetenradsatz sowie einen mit dem ersten Planetenradsatz verbundenen zweiten Planetenradsatz. Die Planetenradsätze umfassen jeweils drei Elemente, wobei die Eingangswelle mit einem ersten Element des ersten Planetenradsatzes drehfest verbunden ist, die erste Ausgangswelle mit einem zweiten Element des ersten Planetenradsatzes drehfest verbunden ist, die zweite Ausgangswelle mit einem dritten Element des zweiten Planetenradsatzes drehfest verbunden ist, ein drittes Element des ersten Planetenradsatzes mit einem ersten Element des zweiten Planetenradsatzes über eine Welle drehfest verbunden ist und ein zweites Element des zweiten Planetenradsatzes an einem drehfesten Bauelement festgesetzt ist. Die Bremseinrichtungen sind jeweils an der ersten und der zweiten Ausgangswelle angeordnet und jeweils als eine fluidgekühlte Nassbremse ausgebildet, die sich mit der Antriebseinheit in einem gemeinsamen Gehäuse befindet.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Nassbremse mit einem Wärmehaushalt der Antriebseinheit und des Getriebes gekoppelt. Dadurch wird es erleichtert, den Wärmehaushalt der gesamten Achse zu regulieren.
Während mehrere Wärmesenken im erfindungsgemäßen Antriebssystem prinzipiell eingesetzt werden können, weist das Antriebssystem in einer besonders vorteilhaften Ausführung eine gemeinsame Wärmesenke für die Bremseinrichtungen, das Getriebe und die Antriebseinheit auf, wobei mindestens ein Wärmetauscher vorhanden ist, der mit der Wärmesenke verbunden ist. Dadurch wird es weiter erleichtert, den Wärmehaushalt der gesamten Achse zu regulieren, da die Wärmehaushalte beider Antriebsstränge an der Wärmesenke zusammengeführt werden.
Weiterhin erweist sich als besonders vorteilhaft, wenn eine zentrale Steuereinheit vorhanden ist, die mit dem mindestens einen Wärmetauscher in Verbindung steht. Dabei ist es insbesondere von Vorteil, die zentrale Steuereinheit für ein intelligentes Thermomanagement von der Antriebseinheit, den Bremseinrichtungen und dem mindestens einen Wärmetauscher vorgesehen ist. So wird es ermöglicht, alle Komponenten der Antriebsstränge bestmöglich anzusteuern und weitergehende Funktionen im Fahrzeug, zum Beispiel die weitergehende Nutzung der an dem mindestens einen Wärmetauscher aufgenommenen Energie zu ermöglichen.
Die Aufgabe wird ebenfalls durch ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug mit einem eben beschriebenen Antriebssystem gelöst. Dabei ist es von Vorteil, wenn eine zentrale Steuereinheit vorhanden ist, die mit dem mindestens einen Wärmetauscher in Verbindung steht, wobei die zentrale Steuereinheit für ein intelligentes Thermomanagement von der Antriebseinheit, den Bremseinrichtungen und dem mindestens einen Wärmetauscher sowie die Steuerung des Wärmehaushalts aller Heizsysteme des Fahrzeugs vorgesehen ist. Auf diese Weise wird die weitergehende Nutzung der an dem mindestens einen Wärmetauscher aufgenommenen Energie ermöglicht. Besonders vorteilhaft kann die zentrale Steuereinheit zur Koordination und Effektivierung von Bremsprozessen der Antriebseinheit und der Bremseinrichtungen zwecks Optimierung des Energiemanagements des Fahrzeugs vorgesehen sein.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in den angegebenen Kombinationen, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung einsetzbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen. Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen, die ebenfalls erfindungswesentliche Merkmale offenbaren, noch näher erläutert. Diese Ausführungsbeispiele dienen lediglich der Veranschaulichung und sind nicht als einschränkend auszulegen. Beispielsweise ist eine Beschreibung eines Ausführungsbeispiels mit einer Vielzahl von Elementen oder Komponenten nicht dahingehend auszulegen, dass alle diese Elemente oder Komponenten zur Implementierung notwendig sind. Vielmehr können andere Ausführungsbeispiele auch alternative Elemente und Komponenten, weniger Elemente oder Komponenten oder zusätzliche Elemente oder Komponenten enthalten. Elemente oder Komponenten verschiedener Ausführungsbespiele können miteinander kombiniert werden, sofern nichts anderes angegeben ist. Modifikationen und Abwandlungen, welche für eines der Ausführungsbeispiele beschrieben werden, können auch auf andere Ausführungsbeispiele anwendbar sein. Zur Vermeidung von Wiederholungen werden gleiche oder einander entsprechende Elemente in verschiedenen Figuren mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet und nicht mehrmals erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 ein Fahrzeug mit dem erfindungsgemäßen Antriebssystem,
Fig. 2 ein Schaltbild des Getriebes und
Fig. 3 ein Schaltbild des Antriebsstrangs.
Fig. 1 zeigt einen schematischen Aufbau eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs F mit einer Antriebsachse 1 . Die Antriebsachse 1 weist eine elektrische Antriebseinheit 51 auf, die einen Elektromaschine umfasst, der über ein Getriebe 53 eine erste und eine zweite Ausgangswelle 11 , 12 antreibt, an denen sich jeweils ein Rad 3 befindet. Ferner ist an jeder Ausgangswelle 11 , 12 eine Bremseinrichtung 52 vorgesehen, die über ein Bremssystem 7 angesteuert wird. Ein auf solche Weise aufgebauter Antriebsstrang kann an der Vorderachse oder Hinterachse des Fahrzeugs F, oder sowohl an der Vorderachse als auch an der Hinterachse ausgebildet sein.
Die Antriebseinheit 51 , die Bremseinrichtung 52 und das Getriebe 53 sind an eine gemeinsame Wärmesenke 2 angebunden, für die ein Wärmetauscher 4 vorhanden ist. Die Bremseinrichtungen 52 sind dazu als fluidkreisgekühlte Nassbremsen, vorzugsweise als nasse Lamellenbremsen, ausgebildet, um am Kühlmanagement der Antriebseinheit 51 zu partizipieren und an der Antriebsachse 1 einen gemeinsamen Wärmehaushalt zu bilden.
Die Kombination der Bremseinheiten 52 mit der Antriebseinheit 51 du dem Getriebe 53 bietet in einem integrierten System aus Antriebsaggregat und nasser Bremse die Möglichkeit, die derzeit durch Bremsabrieb hohe Feinstaubbelastung der kommerziell etablierten Trockenscheibenbremsen zu vermeiden und zudem die Wärmeentwicklung der Bremseinrichtungen 52 über ein Thermomanagement des Antriebsstrangs und des Wärmetauschers 4 in der Fahrzeugarchitektur (z.B. für Innenraumheizung) zu nutzen. Dadurch ergeben sich Vorteile für die Radgeometrie und Aerodynamik (Strömungsoptimierung bspw. von Felge und Karosserie) durch Wegfall der Luftkühlung der Trockenscheibenbremsen und somit der peripheren Positionierung der Einzelradbremsen.
Der Einsatz einer Nassbremse als Bremseinrichtungen 52 bietet des Weiteren bessere Möglichkeiten bei der Skalierung der Bremsen und die Anwendung eines Baukastensystems je nach Fahrzeuggewicht und Antriebsaggregat etc. durch Auslegung mit variablem kreisrundem Reibbelag, welcher separat in Anzahl und Durchmesser skaliert werden kann. Des Weiteren ist bei der Ausführung als Nassbremse besonders vorteilhaft, dass die Abführung von Reibungswärme durch einen Volumenstrom einer Kühlflüssigkeit erfolgt. Die Wärme kann somit auch besonders günstig über den Wärmetauscher 4 zu weiter entfernten Positionen im Fahrzeug F transportiert werden, wo sie beispielsweise zum Heizen des Innenraums genutzt oder an die Umgebung abgegeben werden kann.
Beim Abführen der in Wärme umgewandelten Bremsenergie kann es vorteilhaft sein, dasselbe Kühlmedium zu nutzen, wie es für die Antriebseinheit 51 verwendet wird. Dafür sind als Ausführung der Bremseinrichtungen 52 Lamellennassbremsen eingesetzt, die sich dadurch auszeichnen, dass es sich um Vollscheibenbremsen handelt, bei denen die gesamte Fläche der Bremsscheibe als Reibfläche zum Verzögern benutzt wird und die Bremsscheibe(n) komplett in einem Ölbad, einem Ölnebel oder unter gezielter Beölung laufen. Dabei werden mehrere Innen- und Außenlamellen axial gegeneinandergepresst, wodurch die erforderliche Bremsreibung entsteht. Bisher wurde sich beispielhaft auf Öl bezogen, es können aber auch andere Medien im erfindungsgemäßen Antriebssystem zur Schmierung eingesetzt werden, wie sie fachüblich Anwendung finden.
Als Alternative zu den Lamellenbremsen, welche aus einer oder mehreren Stahllamellen und zwischen den Stahllamellen liegenden Belaglamellen besteht, könnte auch eine Nassbremse als Bremseinrichtung 52 eingesetzt werden, welche weniger komplex aufgebaut ist. So ließe sich eine Bremseinrichtung mit einer Belagscheibe, welche in verschiedenen Ausführungen auch nur in Teilsegmenten mit Belag versehen sein kann, integrieren. Die Belagscheibe wird gegen eine nicht dargestellte Gehäuseanlagefläche des Gehäuses 8 pressen, um die erforderliche Bremsreibung zu erzeugen. Dies ist vorteilhaft für einfache, leichte oder wenig performante Anwendungen. Auch weitere Ausführungen der Nassbremse sind denkbar.
Eine optimale Voraussetzung für die Koordination der Bremskühlung bietet dadurch an, dass eine mit dem Wärmetauscher 4 in Verbindung stehende zentrale Steuereinheit 6 für die Antriebsachse 1 ein intelligentes Thermomanagement im Zusammenspiel von Antriebseinheit 51 und Bremseinrichtungen 52 mit dem Wärmetauscher 4 realisiert, wobei Faktoren wie Batterieladezustand, Temperatur von Batterie und Antriebseinheit 51 , Gesamtsituation des Bremssystems 7 und der Bremsscheiben der jeweiligen Bremseinrichtungen 52 (ermittelt über Sensoren und/oder Rechenmodelle), Fahrzeuggeschwindigkeit, bisheriges Fahrerverhalten sowie ggf. Streckeninformationen zusätzlich einbezogen werden. Ergänzend kann die zentrale Steuereinheit 6 situationsabhängig eine optimale Aufteilung zwischen Reibbremsung der Bremseinrichtungen 52 und Motorbremsung durch die Antriebseinheit 51 einstellen. Hat die zentrale Steuereinheit 6 Zugriff auf alle Heizsysteme des Fahrzeugs F, wird eine Steuerung des gesamten Wärmehaushalts des Fahrzeugs F ermöglicht. Dies ist besonders dann von Vorteil, wenn mehrere Antriebsachsen 1 am Fahrzeug F vorhanden sind, da so eine optimale, zentrale Steuerung ermöglicht wird. Die Steuerung und Regelung der Bremseinrichtungen 52 und der Antriebseinheit 51 kann durch die zentrale Steuereinheit 6 perfekt system übergreifend übernommen werden oder auch in bestehende Steuergeräte der Antriebseinheit 51 integriert werden (erhöhte Systemsynergie). Damit ergibt sich eine bessere Regelfähigkeit durch das Bremssystems 7 nicht nur durch die nasse Bremse, sondern vor allem auch kürzere Regelstrecken und mithin geringere Störanfälligkeit) sowie die gemeinsame Steuerung durch Kombination mit einem Rekuperationsmoment oder negativen Drehmoment der Antriebseinheit 51 mittels der zentralen Steuereinheit 6.
Mit den vorstehend beschriebenen Ausführungsvarianten der Erfindung wird die strikte Trennung der Bremseinrichtungen 52 vom elektrischen System der Antriebsachse 1 aufgehoben, wodurch neben der Umstellung auf eine feinstaubfreie Nassbremse vor allem eine Mehrfachnutzung des zur Kühlung verwendeten Wärmetauschers und ein besseres Wärmemanagement sowie eine Verknüpfung mit den Bremsmöglichkeiten der elektrischen Antriebseinheit 51 ermöglicht wird.
Fig. 2 zeigt ein Schaltbild des Getriebes 53, welches eine Eingangswelle 10, eine erste Ausgangswelle 11 , eine zweite Ausgangswelle 12, einen ersten Planetenradsatz P1 sowie einen mit dem ersten Planetenradsatz P1 verbundenen zweiten Planetenradsatz P2. Die Planetenradsätze P1 , P2 sind hier jeweils als ein Minus-Planetenradsatz ausgebildet. Die Planetenradsätze P1 , P2 umfassen jeweils mehrere Elemente E11 , E21 , E31 , E12, E22, E32, wobei es sich bei dem ersten Element E11 um ein Sonnenrad SO1 , bei dem zweiten Element E21 um einen Planetenradträger PT1 und bei dem dritten Element E31 des ersten Planetenradsatzes P1 um ein Hohlrad HO1 handelt. Bei dem zweiten
Planetenradsatz P2 handelt es sich bei dem ersten Element E12 um ein Sonnenrad SO2, bei dem zweiten Element E22 um einen Planetenradträger PT2 sowie bei dem dritten Element E32 um ein Hohlrad HO2. Die Planetenradträger PT1 , PT2 lagern jeweils mehrere Planetenräder, die dargestellt, aber nicht bezeichnet sind. Die Planetenräder kämmen einerseits mit dem jeweiligen, radial innen liegenden Sonnenrad SO1 , SO2 als auch mit dem jeweiligen, umliegenden Hohlrad HO1 , HO2. Die Eingangswelle 10 ist vorliegend mit dem ersten Element E11 drehtest verbunden. Die erste Ausgangswelle 11 ist drehtest mit dem zweiten Element E21 des ersten Planetenradsatzes P1 drehtest verbunden. Die zweite Ausgangswelle 12 ist drehtest mit dem dritten Element E32 des zweiten Planetenradsatzes P2 drehtest verbunden. Das dritte Element E31 des ersten Planetenradsatzes P1 ist drehtest mit dem ersten Element E12 des zweiten Planetenradsatzes P2 verbunden, während das zweite Element E22 des zweiten Planetenradsatzes P2 an einem drehfesten Bauelement 8 festgesetzt ist. Bei dem drehfesten Bauelement 8 handelt es sich um ein Getriebegehäuse des Getriebes 53.
Das dritte Element E31 , also das Hohlrad HO1 des ersten Planetenradsatzes P1 und das erste Element E12, also das Sonnenrad SO2 des zweiten Planetenradsatzes P2 bilden ein gemeinsames Bauteil, das als eine Welle vorliegt.
Wie in Fig. 2 zu erkennen ist, sind die Eingangswelle 10, die erste Ausgangswelle 11 sowie die zweite Ausgangswelle 12 koaxial zueinander angeordnet. Ebenso sind die zwei Planetenradsätze P1 , P2 koaxial zueinander angeordnet. Die zwei Planetenradsätze P1 , P2 sind gemäß dieser Ausführungsform axial beabstandet zueinander angeordnet. Es sind aber auch andere Anordnungen, wie radial verschachtelte Planetenradsätze P1 , P2, problemlos umsetzbar. Es wird dahingehend auf den Stand der Technik, insbesondere die DE 102019 205 750 A1 verwiesen.
Die Eingangswelle 10 kann mit der Antriebseinheit 51 verbunden sein und so ein Eingangsdrehmoment in das Getriebe 53 einleiten. Das heißt, Eingangswelle 10 und Ausgangswellen 11 , 12 drehen in die gleiche Richtung. Durch die Verbindung der zwei Planetenradsätze P1 , P2 miteinander sowie der Abstützung des zweiten Elements E22 am Gehäuse 8 kann das eingeleitete Eingangsdrehmoment auf die zwei Ausgangswellen 11 , 12 aufgeteilt werden. Hierbei übernimmt das Getriebe 53 nicht nur die Funktion eines Übersetzungsgetriebes, sondern zusätzlich auch eines Differentialgetriebes. Das heißt, das eingeleitete Drehmoment wird nicht nur übersetzt, sondern auch auf die verschiedenen Ausgangswellen 11 , 12 aufgeteilt. Fig. 3 zeigt den prinzipiellen Aufbau des erfindungsgemäßen Antriebssystems einer Antriebsachse 1 ebenfalls in Form eines Schaltbilds. Die Antriebseinheit 51 überträgt ein Drehmoment über die Eingangswelle 10 auf den ersten und den zweiten Planetenradsatz P1 , P2, wie bereits oben erläutert worden ist. Das Drehmoment wird so wie oben beschrieben auf die erste und die zweite Ausgangswelle 11 , 12 übertragen. Vor den Rädern 3 ist an den beiden Ausgangswellen 11 , 12 jeweils ein Gelenk 15 vorhanden, um Radbewegungen wie Lenkbewegung und/oder Einfederung zu ermöglichen. Der Stator der Antriebseinheit 51 , die Außenlamellen der Bremseinrichtungen 52 und das die beiden Planetenradsätzen P1 , P2 umfassende Getriebe 53 sind hier gemeinsam mit dem Gehäuse 8 verbunden, um eine optimale Zusammenführung der Wärmehaushalte zu ermöglichen.
Bezuqszeichen
1 Antriebsachse
2 Wärmesenke
3 Rad
4 Wärmetauscher
8 drehfestes Bauelement, Gehäuse
10 Eingangswelle
11 erste Ausgangswelle
12 zweite Ausgangswelle
15 Gelenk
51 Antriebseinheit
52 Bremseinrichtung
53 Getriebe
E11 erstes Element erster Planetenradsatz
E21 zweites Element erster Planetenradsatz
E31 drittes Element erster Planetenradsatz
E12 erstes Element zweiter Planetenradsatz
E22 zweites Element zweiter Planetenradsatz
E32 drittes Element zweiter Planetenradsatz
P1 erster Planetenradsatz
P2 zweiter Planetenradsatz
SO Sonnenrad
PT Planetenradträger
HO Hohlrad
F Fahrzeug

Claims

Patentansprüche
1 . Antriebssystem für eine Antriebsachse (1 ) eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs (F), das eine elektrische Antriebseinheit (51 ), zwei Bremseinrichtungen (52) und ein Getriebe (53) aufweist, wobei das Getriebe (53) eine Eingangswelle (10), eine erste Ausgangswelle (11 ), eine zweite Ausgangswelle (12), einen ersten Planetenradsatz (P1 ) sowie einen mit dem ersten Planetenradsatz verbundenen zweiten Planetenradsatz (P2), wobei die Planetenradsätze (P1 , P2) jeweils drei Elemente (E11 , E21 , E31 , E12, E22, E32) umfassen, wobei die Eingangswelle (10) mit einem ersten Element (E11 ) des ersten Planetenradsatzes (P2) drehfest verbunden ist, die erste Ausgangswelle (11 ) mit einem zweiten Element (E21 ) des ersten Planetenradsatzes (P1 ) drehfest verbunden ist, die zweite Ausgangswelle (12) mit einem dritten Element (E32) des zweiten Planetenradsatzes (P2) drehfest verbunden ist, ein drittes Element (E31 ) des ersten Planetenradsatzes (P1 ) mit einem ersten Element (E12) des zweiten Planetenradsatzes über eine Welle (3) drehfest verbunden ist und ein zweites Element (E22) des zweiten
Planetenradsatzes (P2) an einem drehfesten Bauelement (8) festgesetzt ist, und die Bremseinrichtungen (52) jeweils an der ersten und der zweiten Ausgangswelle (11 , 12) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Bremseinrichtungen (52) jeweils als eine fluidgekühlte Nassbremse ausgebildet sind, die sich mit der Antriebseinheit (51 ) in einem gemeinsamen Gehäuse (8) befindet.
2. Antriebssystem nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Bremseinrichtungen (52) mit einem Wärmehaushalt der Antriebseinheit (51 ) und des Getriebes (53) gekoppelt sind.
3. Antriebssystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Bremseinrichtungen (52), das Getriebe (53) und die Antriebseinheit (51 ) eine gemeinsame Wärmesenke (2) aufweisen und mindestens ein Wärmetauscher (4) vorhanden ist, der mit der Wärmesenke (2) verbunden ist.
4. Antriebssystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine zentrale Steuereinheit (6) vorhanden ist, die mit dem mindestens einen Wärmetauscher (4) in Verbindung steht.
5. Antriebssystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die zentrale Steuereinheit (6) für ein intelligentes Thermomanagement von der Antriebseinheit (51 ), den Bremseinrichtungen (52), dem Getriebe (53) und dem mindestens einen Wärmetauscher (4) vorgesehen ist.
6. Elektrisch angetriebenes Fahrzeug mit einem Antriebssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
7. Elektrisch angetriebenes Fahrzeug nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine zentrale Steuereinheit (6) vorhanden ist, die mit dem mindestens einen Wärmetauscher (4) in Verbindung steht, wobei die zentrale Steuereinheit (6) für ein intelligentes Thermomanagement von der Antriebseinheit (51 ), den Bremseinrichtungen (52), dem Getriebe (53) und dem mindestens einen Wärmetauscher (4) sowie die Steuerung des Wärmehaushalts aller Heizsysteme des Fahrzeugs (F) vorgesehen ist.
8. Elektrisch angetriebenes Fahrzeug nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die zentrale Steuereinheit (6) zur Koordination und Effektivierung von Bremsprozessen der Antriebseinheit (51 ) und der Bremseinrichtungen (52) zwecks Optimierung des Energiemanagements des Fahrzeugs (F) vorgesehen ist.
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