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DE102009006196A1 - Angetriebene Fahrzeugachse - Google Patents

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DE102009006196A1
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Markus Dr. Klöpzig
Heinz-Werner Dr. Neumüller
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Siemens Corp
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Siemens AG
Siemens Corp
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Abstract

Angetriebene Fahrzeugachse, die mit einem Verbrennungsmotor und/oder wenigstens einer wahlweise motorisch oder generatorisch betreibbaren elektrischen Maschine gekoppelt oder koppelbar ist und eine Bremseinrichtung aufweist, die eine Wirbelstrombremse (10) aufweist.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine angetriebene Fahrzeugachse, die mit einem Verbrennungsmotor und/oder wenigstens einer wahlweise motorisch oder generatorisch betreibbaren elektrischen Maschine gekoppelt oder koppelbar ist und eine Bremseinrichtung aufweist.
  • Derartige angetriebene Fahrzeugachsen werden bei Fahrzeugen mit Hybridantrieb oder bei reinen Elektrofahrzeugen verwendet. Als Hybridfahrzeuge werden Kraftfahrzeuge bezeichnet, die von wenigstens einem Elektromotor und wenigstens einem weiteren anderen Motor angetrieben werden. Derzeit weisen Hybridfahrzeuge überwiegend einen Verbrennungsmotor und eine elektrische Maschine auf.
  • Hybridelektrokraftfahrzeuge, die auch als Hybridfahrzeuge bezeichnet werden, können unterschiedlich konfiguriert sein. Generell unterscheidet man Hybridfahrzeuge mit seriellem Hybridantrieb, parallelem Hybridantrieb und Fahrzeuge mit Leistungsverzweigung. Bei seriellen Hybridantrieben treibt der Verbrennungsmotor einen elektrischen Generator an, um Strom zu erzeugen, mit dem ein elektrischer Energiespeicher geladen wird oder um direkt einen Elektromotor anzutreiben. Bei einem parallelen Hybridantrieb erfolgt der Antrieb des Hybridfahrzeugs sowohl durch einen Verbrennungsmotor als auch durch einen Elektromotor, dadurch können Verbrennungsmotor und Elektromotor kleiner ausgeführt werden. Hybridantriebe mit Leistungsverzweigung kombinieren die Eigenschaften eines seriellen Hybridantriebs und eines parallelen Hybridantriebs. Während der Fahrt können in Abhängigkeit vom Fahrzustand entweder der Verbrennungsmotor und der Generator lediglich den elektrischen Energiespeicher laden und den Elektromotor antreiben oder alternativ eine Fahrzeugachse antreiben. Über eine Kupplung kann zwischen den verschiedenen Betriebszuständen umgeschaltet werden.
  • Bei herkömmlichen Kraftfahrzeugen mit Hybridantrieb werden konventionelle Bremseinrichtungen verwendet, typischerweise hydraulische Bremsanlagen, die vergleichsweise aufwändig sind und einen hohen Bauraumbedarf besitzen und eine regelmäßige Wartung erfordern. Die elektrische Maschine kann zwar im generatorischen Betrieb auch eine gewisse Bremswirkung erzeugen, diese Bremswirkung reicht jedoch bei höheren Geschwindigkeiten nicht aus, sodass zusätzlich eine konventionelle Bremseinrichtung vorgesehen werden muss, die beispielsweise als hydraulische Scheibenbremse realisiert sein kann.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine angetriebene Fahrzeugachse anzugeben, deren Bremseinrichtung einfacher und damit kostengünstiger aufgebaut ist.
  • Zur Lösung dieser Aufgabe ist bei einer angetriebenen Fahrzeugachse der eingangs genannten Art erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Bremseinrichtung eine Wirbelstrombremse aufweist.
  • Bei einer Wirbelstrombremse werden Wirbelstromverluste eines im Magnetfeld rotierenden Bauteils zum Abbremsen benutzt. Somit kann die erfindungsgemäß angetriebene Fahrzeugachse mittels der Wirbelstrombremse abgebremst werden, wodurch die Bewegungsenergie in Wärme umgesetzt wird. Auf diese Weise kann die angetriebene Fahrzeugachse einerseits durch die Bremswirkung der elektrischen Maschine im Generatorbetrieb und zusätzlich durch die Wirbelstrombremse auch bei höheren Geschwindigkeiten abgebremst werden, ohne dass eine zusätzliche separate Bremseinrichtung, beispielsweise eine hydraulische Scheibenbremse, erforderlich ist. Eine derartige Wirbelstrombremse ist kostengünstiger als eine hydraulische Bremseinrichtung und benötigt lediglich einen geringen Einbauraum.
  • Bei der erfindungsgemäßen angetriebenen Fahrzeugachse kann es vorgesehen sein, dass sie zwei elektrische Maschinen und zwei Wirbelstrombremsen aufweist, wobei jeweils eine elektrische Maschine und eine Wirbelstrombremse zum Antrieb eines Rads vorgesehen ist. Bei dieser Ausgestaltung kann auf ein Differenzial verzichtet werden.
  • Alternativ ist es bei der erfindungsgemäßen Fahrzeugachse jedoch auch denkbar, dass sie zum Antreiben von zwei Rädern vorgesehen ist und ein Differenzialgetriebe aufweist.
  • Gemäß einer Weiterbildung der erfindungsgemäßen Fahrzeugachse kann es vorgesehen sein, dass zwischen der oder jeder elektrischen Maschine und einem von der Fahrzeugachse angetriebenen Rad ein Getriebe angeordnet ist. Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass die Drehzahl der elektrischen Maschine erhöht und das Drehmoment verringert wird, wodurch die Baugröße der elektrischen Maschine verringert werden kann. Das Getriebe kann so ausgelegt werden, dass die elektrische Maschine in einem optimalen Betriebsbereich betrieben werden kann.
  • Es ist auch möglich, dass bei der erfindungsgemäßen Fahrzeugachse zwischen der elektrischen Maschine und der Wirbelstrombremse ein Getriebe angeordnet ist. Durch dieses Getriebe kann die Bremswirkung der Wirbelstrombremse optimiert und vergrößert werden, da die Bremswirkung von der Frequenz des magnetischen Feldes abhängt und durch die Drehzahl und die Anzahl der Polpaare bestimmt wird.
  • Vorzugsweise kann bei der erfindungsgemäßen angetriebenen Fahrzeugachse die wenigstens eine Wirbelstrombremse mittels einer Kupplung ein- oder ausschaltbar sein. Mittels der Kupplung kann zwischen verschiedenen Betriebszuständen eines Hybridelektrokraftfahrzeugs gewechselt werden, was insbesondere bei Hybridfahrzeugen mit Leistungsverzweigung wichtig ist.
  • Eine noch bessere Bremswirkung ergibt sich bei der erfindungsgemäßen angetriebenen Fahrzeugachse, sofern die Bremswirkung der Wirbelstrombremse mittels einer Steuerungseinrichtung regelbar ist. Auf diese Weise kann die Wirbelstrombremse so angesteuert werden, dass über einen bestimmten Drehzahlbereich eines Rades eine nahezu konstante Verzögerung erzielt werden kann, die von den Insassen des Fahrzeugs als angenehm empfunden wird. Die Bremswirkung wird so geregelt, dass die Haftreibung der Räder, die die maximale Bremswirkung begrenzt, nicht überschritten wird.
  • Zur Regelung der Wirbelstrombremse kann es bei der erfindungsgemäßen Fahrzeugachse vorgesehen sein, dass die Wirbelstrombremse einen feststehenden Abschnitt und einen demgegenüber beweglichen Abschnitt aufweist, wobei die Bremswirkung durch eine Verschiebung des beweglichen Abschnitts einstellbar ist. Somit kann die Bremswirkung der Wirbelstrombremse in Abhängigkeit des Betriebszustands stufenlos geregelt werden.
  • In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann die Bremseinrichtung der erfindungsgemäßen Fahrzeugachse eine Feststellbremse aufweisen. Eine Feststellbremse ist erforderlich, da die Wirbelstrombremse bei stehendem Fahrzeug keine Wirkung hat.
  • Daneben betrifft die Erfindung ein Hybrid- oder Elektrofahrzeug. Das erfindungsgemäße Hybrid- oder Elektrofahrzeug weist wenigstens eine Fahrzeugachse der beschriebenen Art auf.
  • Gemäß einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Hybrid- oder Elektrofahrzeugs kann es vorgesehen sein, dass es eine Heizeinrichtung aufweist, die zum Aufnehmen der von der wenigstens einen elektrischen Maschine und/oder der wenigstens einen Wirbelstrombremse abgegebenen Wärme ausgebildet ist. Die beim Bremsvorgang entstehende Reibungswärme kann zur Klimatisierung des Innenraums des Hybrid- oder Elektrofahrzeugs verwendet werden, sodass auf die Erzeugung von Wärme durch elektrischen Strom zur Klimatisierung verzichtet werden kann.
  • In diesem Zusammenhang wird es besonders bevorzugt, dass die Heizeinrichtung des erfindungsgemäßen Hybrid- oder Elektrofahrzeugs einen Wärmespeicher aufweist. In diesem Wärmespeicher kann die bei Bremsvorgängen entstehende Wärme aufgenom men und gesammelt werden, um sie bei Bedarf zur Klimatisierung des Innenraums wieder abzugeben.
  • Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Figur erläutert. Die Figur ist eine schematische Darstellung und zeigt die wesentlichen Komponenten einer erfindungsgemäßen Fahrzeugachse, die in einem Hybridfahrzeug eingesetzt werden kann.
  • Die Fahrzeugachse 1 ist symmetrisch aufgebaut und weist an ihren Enden jeweils ein Fahrzeugrad 2 auf, das mittels einer elektrischen Maschine 3 angetrieben werden kann. Zum Ansteuern und zur Regelung der elektrischen Maschine 3 ist eine Steuerungseinrichtung (Controller) 4 vorgesehen, die einerseits mit der elektrischen Maschine 3 und andererseits mit einem elektrischen Anschluss 5 verbunden ist. Die elektrische Maschine 3 weist Kühlungsanschlüsse 6 auf, die über einen Wärmetauscher mit einem schematisch dargestellten Wärmespeicher 7 verbunden sind, sodass die elektrische Maschine 3 gekühlt und der Wärmespeicher 7 erwärmt werden kann. Der Wärmespeicher 7 kann zur Klimatisierung des Innenraums des Hybridfahrzeugs verwendet werden.
  • Zwischen dem Fahrzeugrad 2 und der elektrischen Maschine 3 ist ein Getriebe 8 angeordnet, durch das die Drehzahl der elektrischen Maschine 3 erhöht und das Drehmoment reduziert wird. Das Getriebe 8 ist so ausgelegt, dass die elektrische Maschine 3 in einem optimalen Drehzahlbereich betrieben wird.
  • An der gegenüberliegenden Seite der elektrischen Maschine 3 ist ein Getriebe 9 angeordnet, das die elektrische Maschine 3 mit einer Wirbelstrombremse 10 verbindet. Die Wirbelstrombremse 10 umfasst einen drehbaren, beweglichen Abschnitt 11 und einen stationären Abschnitt 12, der durch einen Aktor 13 bewegt werden kann. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Aktor 13 als elektrischer Getriebemotor ausgebildet, der eine lineare Verschiebung des stationären Abschnitts 12 bewirkt. Der stationäre Abschnitt 12 kann in dem dargestellten Ausführungsbeispiel axial zur Achse 1 bewegt werden. Es sind jedoch auch andere Ausgestaltungen möglich, bei denen der Aktor 13 den stationären Abschnitt 12 radial verschieben kann, um die Bremswirkung der Wirbelstrombremse 10 zu regeln. Es können auch mehrere stationäre Abschnitte 12 vorgesehen sein, deren Verschiebung mechanisch gekoppelt ist oder die jeweils mittels eines separaten Aktors bewegbar sind. Über einen elektrischen Anschluss 14 ist der Aktor 13 mit einer in der Figur nicht dargestellten Steuerungseinrichtung verbunden.
  • Wie in der Figur gezeigt ist, ist das gegenüberliegende Fahrzeugrad ebenfalls mit einer elektrischen Maschine und einer Wirbelstrombremse gekoppelt, die Fahrzeugachse ist symmetrisch aufgebaut.
  • Wenn der Fahrer des Hybridfahrzeugs einen Bremsvorgang auslöst, wirkt einerseits die elektrische Maschine 3 bremsend, gleichzeitig kann durch den Aktor 13 der Abstand zwischen dem drehbaren Abschnitt 11 und dem stationären Abschnitt 12 der Wirbelstrombremse 10 verringert werden, sodass die Wirbelstrombremse 10 als zusätzliche Bremse wirkt. Somit liegt eine integrierte elektromagnetische Bremseinrichtung vor, durch die eine konventionelle hydraulische Scheibenbremse ersetzt werden kann. Durch die Auslegung der Getriebe 8, 9 können die Baugrößen der elektrischen Maschine 3 und der Wirbelstrombremse 10 optimiert werden. Während des Fahrbetriebs kann durch die Regelung der Wirbelstrombremse 10 deren Bremswirkung genau auf den jeweiligen Betriebszustand abgestimmt werden. Beim regenerativen (rekuperativen) Bremsen kann die Wirbelstrombremse 10 deaktiviert werden, sodass die elektrische Maschine 3 als Generator betrieben wird und die kinetische Energie in elektrische Energie umgewandelt wird, die in einer Batterie gespeichert werden kann. Wenn allerdings eine stärkere Bremswirkung erforderlich ist, beispielsweise bei einer durch den Fahrer ausgelösten Notbremsung, wird zusätzlich die Wirbelstrombremse 10 durch einen Stellvorgang des Aktors 13 aktiviert, sodass die Wirbelstrombremse 10 zusätzlich wirkt und für eine maximale Bremswirkung sorgt.
  • Die bei dem Bremsvorgang der Wirbelstrombremse 10 aber auch von der elektrischen Maschine 3 erzeugte Abwärme kann in dem Wärmespeicher 7 gesammelt und zur Klimatisierung des Hybridfahrzeugs verwendet werden, sodass dazu keine elektrische Energie eingesetzt werden muss.

Claims (12)

  1. Angetriebene Fahrzeugachse, die mit einem Verbrennungsmotor und/oder wenigstens einer wahlweise motorisch oder generatorisch betreibbaren elektrischen Maschine gekoppelt oder koppelbar ist und eine Bremseinrichtung aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Bremseinrichtung eine Wirbelstrombremse (10) aufweist.
  2. Fahrzeugachse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie zwei elektrische Maschinen (3) und zwei Wirbelstrombremsen (10) aufweist, wobei jeweils eine elektrische Maschine (3) und eine Wirbelstrombremse (10) für den Antrieb eines Rads (2) vorgesehen ist.
  3. Fahrzeugachse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie zum Antreiben von zwei Rädern (2) vorgesehen ist und ein Differenzialgetriebe aufweist.
  4. Fahrzeugachse nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der oder jeder elektrischen Maschine (3) und einem von der Fahrzeugachse (1) angetriebenen Rad (2) ein Getriebe (8) angeordnet ist
  5. Fahrzeugachse nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der elektrischen Maschine (3) und der Wirbelstrombremse (10) ein Getriebe (9) angeordnet ist.
  6. Fahrzeugachse nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Wirbelstrombremse mittels einer Kupplung ein- oder ausschaltbar ist.
  7. Fahrzeugachse nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bremswirkung der Wirbelstrombremse (10) mittels einer Steuerungseinrichtung (4) regelbar ist.
  8. Fahrzeugachse nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wirbelstrombremse (10) einen stationären Abschnitt (12) und einen demgegenüber beweglichen Abschnitt (11) aufweist, wobei die Bremswirkung durch eine Verschiebung des beweglichen Abschnitts (11) einstellbar ist.
  9. Fahrzeugachse nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bremseinrichtung eine Feststellbremse umfasst.
  10. Hybrid- oder Elektrofahrzeug, umfassend wenigstens eine Fahrzeugachse nach einem der Ansprüche 1 bis 9.
  11. Hybrid- oder Elektrofahrzeug nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass es eine Heizeinrichtung aufweist, die zum Aufnehmen der von der wenigstens einen elektrischen Maschine und/oder der wenigstens einen Wirbelstrombremse abgegebene Wärme ausgebildet ist.
  12. Hybrid- oder Elektrofahrzeug nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizeinrichtung einen Wärmespeicher aufweist.
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