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Die Erfindung betrifft einen Radnabenantrieb für ein zumindest teilweise elektrisch angetriebenes Fahrzeug. Ferner betrifft die Erfindung ein zumindest teilweise elektrisch angetriebenes Fahrzeug mit wenigstens einem solchen Radnabenantrieb.
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Aus dem Stand der Technik sind elektrische Achsantrieben bekannt, die ein- oder mehrstufige Getriebe aufweisen, wobei eine Antriebsleistung über das Getriebe und ein Differential auf zwei Abtriebswellen aufgeteilt werden. Solche Getriebe weisen oft eine vergleichsweise geringe Übersetzung bei einem gleichzeitig hohen Gewicht auf.
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Die
DE 10 2010 001 750 A1 offenbart eine Anordnung zum Antrieb eines Fahrzeugrades mit zumindest einem in eine Antriebsachse eines Fahrzeuges integrierten Antriebsmotor. Der Antriebsmotor ist mit einer Antriebsstufe verbunden, die mit einer Abtriebsstufe als radnabenseitiger Abtrieb gekoppelt ist. Als Antriebsstufe ist ein Stirnradgetriebe und als Abtriebsstufe ist ein Planetentrieb vorgesehen.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen bauraumsparenden Radnabenantrieb bereitzustellen, der gleichzeitig eine hohe Übersetzung realisiert. Diese Aufgabe wird mit einem Radnabenantrieb mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie einem zumindest teilweise elektrisch angetriebenen Fahrzeug mit den Merkmalen des Patentanspruchs 6 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den davon abhängigen Unteransprüchen.
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Gemäß einem ersten Erfindungsaspekt umfasst ein erfindungsgemäßer Radantrieb für ein zumindest teilweise elektrisch angetriebenes Fahrzeug eine Antriebseinheit und eine Wolfromgetriebestufe, wobei die Wolfromgetriebestufe ein Sonnenrad, ein drehfest angeordnetes erstes Hohlrad und ein axial benachbart dazu und drehbar angeordnetes zweites Hohlrad aufweist, wobei räumlich zwischen dem Sonnenrad und den Hohlrädern mehrere Planetenräder an einem Planetenträger drehbar gelagert sind, wobei die Planetenräder mit einem ersten axialen Abschnitt mit dem ersten Hohlrad und mit einem zweiten axialen Abschnitt mit dem zweiten Hohlrad kämmen, wobei einer der axialen Abschnitte zusätzlich mit dem Sonnenrad kämmt, wobei die beiden Hohlräder eine unterschiedliche Zähnezahl aufweisen, wobei das Sonnenrad mit der Antriebseinheit antriebswirksam verbunden ist und das zweite Hohlrad zumindest mittelbar drehfest mit dem Rad des Fahrzeugs verbunden ist. Die Wolfromgetriebestufe ist mit der Antriebseinheit, die vorzugsweise als elektrische Maschine ausgebildet, wirkverbunden. Eine von der Antriebseinheit erzeugte Antriebsleistung wird über die Wolfromgetriebestufe auf das Rad des Fahrzeugs übertragen.
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Das Sonnenrad dient als Eingangselement der Wolfromgetriebestufe oder ist mit dem Eingangselement, beispielsweise in Form einer Eingangswelle, drehfest verbunden. Das Eingangselement ist insbesondere zur zumindest mittelbaren Anbindung einer Rotorwelle einer elektrischen Maschine ausgebildet. Demnach ist das zweite Hohlrad als Ausgangselement der Wolfromgetriebestufe zu verstehen. Durch die Wahl der Zähnezahlen und der Durchmesser der verschiedenen Räder, also der Hohlräder, der Planetenräder und des Sonnenrades, sind verschiedene Übersetzungszahlen einstellbar. Jedenfalls ist die Zähnezahl des ersten Hohlrades im Vergleich zur Zähnezahl des zweiten Hohlrades geringfügig verschieden, sodass durch Antrieb des Sonnenrades ein Abtrieb mittels des zweiten Hohlrades erfolgen kann. Mit einem derartigen Getriebe lässt sich aufgrund der vergleichsweise kompakten Bauweise der Wolfromgetriebestufe der erforderliche Bauraum des Radnabenantriebes reduzieren. Dementsprechend wird das Gesamtgewicht des Getriebes reduziert. Gleichzeitig lassen sich größere Übersetzungen realisieren. Mithin können elektrische Maschinen mit höheren Drehzahlen zum Antrieb des Fahrzeug genutzt werden. Insbesondere ist am Abtrieb ein höheres Moment realisierbar.
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Die Wolfromgetriebestufe ist ein Planetengetriebe mit zwei axial benachbarten Hohlrädern, die beide mit den an einem gemeinsamen Planetenträger gelagerten Planetenrädern in Zahneingriff stehen, wobei das Sonnenrad der Wolfromgetriebestufe in Zahneingriff mit einem der axialen Abschnitte der Planetenräder in Zahneingriff steht. Der erste axiale Abschnitt ist als erster Verzahnungsabschnitt des jeweiligen Planetenrades mit einer ersten Zähnezahl zu verstehen, wobei der zweite axiale Abschnitt als zweiter Verzahnungsabschnitt mit einer zweiten Zähnezahl zu verstehen ist. Die axialen Abschnitte sind drehfest, insbesondere einteilig miteinander verbunden. Mithin bilden die beiden axialen Abschnitte mit den Verzahnungsabschnitten bevorzugt ein Bauteil. Die Verzahnungsabschnitte können identisch ausgebildet sein, beispielsweise mit fluchtenden Zähnen. Mithin kann die Verzahnung durchgängig über die gesamte axiale Länge des jeweiligen Planetenrades ausgebildet sein. Die Verzahnungsabschnitte können aber auch unterschiedlich ausgebildet sein, wobei der eine Verzahnungsabschnitt im Vergleich zum jeweils anderen Verzahnungsabschnitt desselben Planetenrades beispielsweise halb so viele oder doppelt so viele Zähne hat.
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Die Planetenräder sind bevorzugt als Stufenplanetenräder ausgebildet, wobei der erste axiale Abschnitt des jeweiligen Planetenrades eine erste Zähnezahl und der zweite axiale Abschnitt des jeweiligen Planetenrades eine von der ersten Zähnezahl unterschiedliche zweite Zähnezahl aufweist. Mithin weisen die Verzahnungsabschnitte unterschiedliche Durchmesser auf. Entsprechend sind auch die damit kämmenden Räder ausgebildet.
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Mit „axial“ ist im Sinne der Erfindung eine Orientierung in Richtung einer Längsmittelachse gemeint, entlang welcher die Planetenradsätze koaxial zueinander liegend angeordnet sind. Unter „radial“ ist dann eine Orientierung in Durchmesserrichtung einer Welle zu verstehen, die auf dieser Längsmittelachse liegt.
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Denkbar ist, dass zwischen der Antriebseinheit und der Wolfromgetriebestufe eine weitere Getriebestufe angeordnet ist, mittels der ein Übersetzungsverhältnis eingestellt wird und/oder ein Antrieb mit mehreren Gangstufen realisierbar ist.
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Wir bereits erwähnt, ist die Antriebseinheit bevorzugt eine elektrische Maschine, aufweisend eine Rotorwelle, die mit einer Eingangswelle der Wolfromgetriebestufe drehfest verbunden ist. Die Eingangswelle ist drehfest mit dem Sonnenrad verbunden oder ist einteilig damit ausgebildet. Demnach ist das Sonnenrad drehfest mit der Rotorwelle der elektrischen Maschine verbunden. Die elektrische Maschine umfasst einen ortsfesten Stator und einen drehbar dazu angeordneten Rotor. Der Rotor, der einteilig oder drehfest mit der Rotor- und/oder Eingangswelle verbunden ist, dient in einem Rotor- bzw. Zugbetrieb als Ausgangswelle der elektrischen Maschine. Die Rotorwelle ist zumindest mittelbar drehfest mit der Eingangswelle der Wolfromgetriebestufe verbunden. Im Zugbetrieb der elektrischen Maschine wird beispielsweise von einem Energiespeicher, insbesondere einer Batterie, elektrische Energie in die elektrische Maschine gespeist, die in Folge der Bestromung eine Rotation des Rotors bzw. der Rotorwelle bewirkt, wobei die Antriebsleistung zum Drehantrieb des Sonnenrades vorgesehen ist.
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In einem Generatorbetrieb der elektrischen Maschine bzw. im Schubbetrieb fungiert der Ausgang der Wolfromgetriebestufe als Eingangswelle des Radnabenantriebes, wohingegen die Eingangswelle der Wolfromgetriebestufe dementsprechend als Ausgangswelle betrieben wird. Die Rotorwelle dient im Schubbetrieb als Eingangswelle der elektrischen Maschine. Eine Antriebsleistung des Fahrzeugs wird über das Getriebe in die elektrische Maschine geleitet, sodass mit der elektrischen Maschine elektrische Energie erzeugt und in eine Batterie zur Speicherung eingespeist werden kann. Im Generatorbetrieb wird die Antriebsleistung aus dem jeweiligen Rad des Fahrzeugs über die Wolfromgetriebestufe in die elektrische Maschine eingeleitet.
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Die Antriebseinheit ist vorzugsweise koaxial zur Wolfromgetriebestufe angeordnet. Mit anderen Worten ist der Radantrieb in koaxialer Bauweise ausgebildet, wobei die Antriebseinheit und die Wolfromgetriebestufe entsprechend koaxial zum damit antriebswirksam verbundenen Rad des Fahrzeugs angeordnet sind.
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Bevorzugt ist die Wolfromgetriebestufe wenigstens teilweise räumlich innerhalb des damit antriebswirksam verbundenen Rades angeordnet. Dadurch kann der Radantrieb kompakter gestaltet werden, wobei der Radantrieb in diesem Fall als Radnabenantrieb zu verstehen ist. Insbesondere ist die Wolfromgetriebestufe räumlich innerhalb einer Radfelge des Rades angeordnet, wobei die Wolfromgetriebestufe abtriebsseitig zumindest mittelbar drehfest mit der Radfelge verbunden ist. Dadurch wird der erforderliche Bauraum im Fahrzeug verkleinert.
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Unter einer koaxialen Anordnung ist zu verstehen, dass Wellen und Räder des Radantriebs auf einer gemeinsamen Achse, also einer Längsachse des Radantriebs liegen. Auch eine geringfügige Abweichung einer exakt koaxialen Anordnung der Bauteile des Radnabenantriebes bzw. der Achsen der Wellen zueinander ist noch als koaxiale Anordnung zu verstehen und fällt somit unter den Schutzbereich der Erfindung. Mit anderen Worten können beispielsweise die Rotorwelle der Antriebseinheit und die Ausgangswelle der Wolfromgetriebestufe auch geringfügig geneigt zueinander angeordnet sein.
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Unter dem Begriff „zumindest mittelbar“ ist zu verstehen, dass zwei Bauteile über mindestens ein weiteres Bauteil, das zwischen den beiden Bauteilen angeordnet ist, miteinander verbunden sind oder direkt und somit unmittelbar miteinander verbunden sind. Mithin können zwischen Wellen oder Zahnrädern noch weitere Bauteile angeordnet sein, die mit der Welle bzw. dem Zahnrad wirkverbunden sind.
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Als „Wirkverbindung“ oder „antriebswirksame Verbindung“ wird eine Verbindung zwischen zwei Drehmoment führenden Teilen verstanden, die es erlaubt, zwischen diesen Teilen ein Drehmoment bzw. eine Leistung zu übertragen. Insbesondere sind beide Teile entsprechend drehbar gelagert. Als antriebswirksame Verbindungen sind sowohl solche zu verstehen, die keine Übersetzung oder Zwischenbauteile aufweisen, als auch solche, die eine Übersetzung oder Zwischenbauteile aufweisen. Beispielsweise können zwischen zwei Wellen oder zwei Zahnrädern weitere Wellen und/oder Zahnräder antriebswirksam angeordnet sein. Eine Wirkverbindung kann auch eine drehfeste Verbindung sein.
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Dass zwei Bauelemente des Getriebes drehfest „verbunden“ bzw. „gekoppelt“ sind bzw. „miteinander in Verbindung stehen“, meint im Sinne der Erfindung eine permanente Koppelung dieser Bauelemente, sodass diese nicht unabhängig voneinander rotieren können. Darunter ist also eine dauerhafte Drehverbindung zu verstehen. Insbesondere ist zwischen diesen Bauelementen, bei welchen es sich um Elemente des Differentials und/oder auch Wellen und/oder ein drehfestes Bauelement des Getriebes handeln kann, kein Schaltelement vorgesehen, sondern die entsprechenden Bauelemente sind fest miteinander gekoppelt. Auch eine drehelastische Verbindung zwischen zwei Bauteilen wird als fest oder drehfest verstanden. Insbesondere kann eine drehfeste Verbindung auch Gelenke beinhalten.
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Unter einer Verbindung ist zu verstehen, dass die zwei miteinander zu verbindenden Elemente dauerhaft drehfest miteinander verbunden sind. Sie können alternativ, aber bedarfsweise, drehfest miteinander verbunden sein. Unter einer drehfesten Verbindung wird vorliegend verstanden, dass die so verbundenen Elemente mit einer zueinander proportionalen Drehzahl drehen. Eine drehfeste Verbindung im Sinne dieser Erfindung ist nicht schaltbar.
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Unter einer Welle, sei es eine Rotorwelle, eine Ausgangswelle, eine Eingangswelle, eine Zwischenwelle oder dergleichen, ist im Sinne der Erfindung ein rotierbares Bauteil des Radnabenantriebes zum Übertragen von Drehmomenten zu verstehen, über welches je zugehörige Komponenten des Radnabenantriebes drehfest miteinander verbunden sind. Die Wellen sind über entsprechende Fest- und/oder Loslager an einem Gehäuse gelagert.
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Der erfindungsgemäße Radnabenantrieb ist gemäß einem zweiten Erfindungsaspekt in rein elektrisch angetriebenen Fahrzeugen sowie gleichermaßen in wenigstens teilweise mit einem Verbrennungsmotor angetriebenen Fahrzeugen einsetzbar. Vorzugsweise ist der Radnabenantrieb quer zur Fahrzeuglängsachse angeordnet, sodass die Rotorwelle sowie die Eingangswelle und Ausgangswelle der Wolfromgetriebestufe quer zur Fahrzeuglängsachse bzw. parallel zur Fahrzeugquerachse angeordnet sind. Das Fahrzeug kann je nach Ausbildung und Anzahl der angetriebenen Achsen auch zwei oder mehrere derartige Radantriebe umfassen, wobei die Räder einer Achse, mehrerer Achsen oder aller Achsen des Fahrzeugs mit je einem erfindungsgemäßen Radnabenantrieb ausgestattet sein können. Bei dem Fahrzeug handelt es sich vorzugsweise um ein Kraftfahrzeug, insbesondere ein Automobil (z.B. ein Personenkraftfahrwagen mit einem Gewicht von weniger als 3,5 t), Bus oder Lastkraftwagen (Bus und Lastkraftwagen z. B. mit einem Gewicht von über 3,5 t). In diesem Sinn umfasst ein erfindungsgemäßes zumindest teilweise elektrisch angetriebenes Fahrzeug wenigstens zwei Achsen, wobei an wenigstens einer der Achsen mindestens ein Radantrieb gemäß dem ersten Erfindungsaspekt angeordnet ist.
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Die obigen Definitionen sowie Ausführungen zu technischen Effekten, Vorteilen und vorteilhaften Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Radantriebes gelten sinngemäß ebenfalls für das erfindungsgemäße Fahrzeug, und umgekehrt. Es versteht sich, dass Merkmale der vorstehend bzw. in den Ansprüchen und/oder Figuren beschriebenen Lösungen ggf. auch kombiniert werden können, um die vorliegend erzielbaren Vorteile und Effekte kumuliert umsetzen zu können.
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Im Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der schematischen Zeichnungen näher erläutert, wobei gleiche oder ähnliche Elemente mit dem gleichen Bezugszeichen versehen sind. Hierbei zeigt
- 1 eine schematische Draufsicht eines erfindungsgemäßen Fahrzeugs mit zwei erfindungsgemäßen Radnabenantrieben, und
- 2 eine stark schematische Längsschnittdarstellung des erfindungsgemäßen Radnabenantriebes nach 1 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform.
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1 zeigt ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug 1 mit zwei Achsen A1, A2, wobei an den Enden jeder Achse A1, A2 je ein Rad 11 angeordnet ist. An der den Rädern 11 der ersten Achse A1 des Fahrzeugs 1 ist ein jeweiliger erfindungsgemäßer Radnabenantrieb 2 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform antriebswirksam angeordnet. Dadurch wird eine elektrische Antriebsachse des Fahrzeugs 1 gebildet. 2 zeigt einen der Radnabenantriebe 2 stark schematisch. Der jeweils andere Radnabenantrieb 2 ist identisch ausgebildet und spiegelverkehrt am Fahrzeug 1 angeordnet.
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Der Radnabenantrieb 2 nach 2 umfasst eine als elektrische Maschine ausgebildete Antriebseinheit 3, die in einem Rotor- bzw. Zugbetrieb eine Antriebsleistung erzeugt und über ein Wolfromgetriebe 4 auf das Rad 11 überträgt. Die elektrische Maschine ist mit einer - hier nicht gezeigten - Leistungselektronik elektrisch und steuerungstechnisch verbunden, wobei die Leistungselektronik sowie die elektrische Maschine mit einem - hier ebenfalls nicht gezeigten - Energiespeicher verbunden sind. In einem umgekehrten Leistungsfluss bzw. in einem Generatorbetrieb bzw. einem Schubbetrieb kann der Energiespeicher mit elektrischer Energie gespeist werden. Der Energiespeicher kann beispielsweise eine Batterie oder dergleichen sein. Mittels der elektrischen Maschine kann im Generatorbetrieb elektrische Energie erzeugt, gespeichert und zur erneuten Speisung der elektrischen Maschine vorgehalten werden.
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Die Antriebseinheit 3 weist einen - hier nicht gezeigten - Stator mit einem radial innerhalb des Stators angeordneten und drehantreibbaren Rotor auf, der hier ebenfalls nicht gezeigt ist. Der Rotor ist mit einer Rotorwelle 12 drehfest verbunden, die einteilig mit einer Eingangswelle 9 der Wolfromgetriebestufe 4 verbunden ist. Die Wolfromgetriebestufe 4 und die elektrische Maschine sind koaxial zueinander und zu einer Radnabe 13 angeordnet. Mithin liegen vorliegend die Wolfromgetriebestufe 4, die Antriebseinheit 3 und die Radnabe 13 koaxial auf einer An- und Abtriebsachse 17 des Radnabenantriebs 2. Die Radnabe 13 ist erfindungsgemäß drehfest mit einer Ausgangswelle 10 der Wolfromgetriebestufe 4 verbunden. Zwischen der Ausgangswelle 10 und der Radnabe 13 können auch weitere Zwischenwellen und/oder Gelenke und/oder Übersetzungsstufen angeordnet sein.
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Die Eingangswelle 9 ist drehfest mit einem Sonnenrad 5 der Wolfromgetriebestufe 4 verbunden. Demnach ist das Sonnenrad 5 drehfest mit der Rotorwelle 12 verbunden. Die Wolfromgetriebestufe 4 weist ferner ein gehäusefestes erstes Hohlrad 6 und ein axial benachbart und drehbar dazu angeordnetes zweites Hohlrad 7 auf. Räumlich zwischen dem Sonnenrad 5 und den Hohlrädern 6, 7 sind mehrere Planetenräder 8 an einem Planetenträger 14 drehbar gelagert, wobei das Sonnenrad 5 mit der Eingangswelle 9 über Lagerelemente 15 relativ zu einem Gehäuse 18 bzw. einem Gehäuseabschnitt drehbar gelagert ist. Die Lagerung ist je nach Einsatz und Leistung der Wolfromgetriebestufe 4 anpassbar. Der Planetenträger 14 ist nicht gelagert. Die Planetenräder 8 weisen zwei axiale Abschnitte 8a, 8b auf, wobei der erste axiale Abschnitt 8a mit dem ersten Hohlrad 6 kämmt und wobei der zweite axiale Abschnitt 8b mit dem zweiten Hohlrad 7 und dem Sonnenrad 5 kämmt. Die beiden Hohlräder 6, 7 weisen eine geringfügig unterschiedliche Zähnezahl auf, wobei die axialen Abschnitte 8a, 8b des jeweiligen Planetenrades 8 identisch ausgebildet sind. Geringfügig bedeutet, dass eines der Hohlräder 6, 7 einen oder mehr Zähne weniger aufweist als das jeweils andere Hohlrad 7, 6. Denkbar ist ferner, die Planetenräder 8 als Stufenplanetenräder auszubilden, wobei der erste axiale Abschnitt 8a des jeweiligen Planetenrades 8 eine erste Zähnezahl und der zweite axiale Abschnitt 8b des jeweiligen Planetenrades 8 eine von der ersten Zähnezahl unterschiedliche zweite Zähnezahl aufweisen kann. Der Abtrieb der Wolfromgetriebestufe 4 erfolgt über das zweite Hohlrad 7, das erfindungsgemäß über eine Verbindungswelle 16 drehfest mit der Ausgangswelle 14 verbunden ist. Die Anbindung der Wolfromgetriebestufe 4 an den An- bzw. Abtrieb kann an die Übersetzungserfordernisse angepasst werden.
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Die Erfindung ist nicht auf die hier gezeigte Ausführungsform beschränkt. Andere Ausführungsformen oder Variationen ergeben sich für den Fachmann bei der Verwendung der vorliegenden Erfindung sowie bei einer genauen Analyse der Zeichnungen, der Beschreibung und der Patentansprüche.
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Bezugszeichen
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- 1
- Fahrzeug
- 2
- Radantrieb
- 3
- Antriebseinheit
- 4
- Wolfromgetriebestufe
- 5
- Sonnenrad
- 6
- Erstes Hohlrad
- 7
- Zweites Hohlrad
- 8
- Planetenrad
- 8a
- Erster axialer Abschnitt des Planetenrades
- 8b
- Zweiter axialer Abschnitt des Planetenrades
- 9
- Eingangswelle der Wolfromgetriebestufe
- 10
- Ausgangswelle der Wolfromgetriebestufe
- 11
- Rad
- 12
- Rotorwelle
- 13
- Radnabe
- 14
- Planetenträger
- 15
- Lagerelement
- 16
- Verbindungswelle
- 17
- An- und Abtriebsachse
- 18
- Gehäuse
- A1
- Erste Achse
- A2
- Zweite Achse