DE102009006424A1

DE102009006424A1 - Antriebsachse

Info

Publication number: DE102009006424A1
Application number: DE102009006424A
Authority: DE
Inventors: Martin FÜCHTNER; Joachim Grünberger
Original assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Current assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Priority date: 2009-01-21
Filing date: 2009-01-21
Publication date: 2010-07-22
Also published as: JP2010168035A

Abstract

Eine Antriebsachse (1), mit zwei an einem jeweiligen Achsende angeordneten Antriebswellen (51', 51'') welche auf einer gemeinsamen Rotationsachse (R) liegen, umfassend einen Antriebsmotor (2) und ein nachgeschaltetes Differentialgetriebe (4) an dessen beiden Ausgängen zwei Antriebswellen (5', 5'') vorgesehen sind, zum Antreiben einer jeweiligen Antriebswelle über ein jeweiliges Untersetzungsgetriebe, ist dadurch gekennzeichnet, dass die Untersetzungsgetriebe (7, 7'') als Stirnradgetriebe ausgeführt und derart konfiguriert sind, dass der Antriebsmotor und die Ausgänge des Differentialgetriebes eine Rotationsachse (R) aufweisen welche nicht-koaxial zur gemeinsamen Rotationsachse der Antriebswellen angeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Antriebsachse nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Eine gattungsgemäße Antriebsachse ist aus der DE 43 00 445 C2 bekannt. Hierbei sind ein Antriebsmotor und ein Differentialgetriebe vorgesehen von dessen beiden Ausgängen jeweils eine Abtriebswelle zu einem jeweiligen Achsende der Antriebsachse führt, wobei an jedem Achsende jeweils ein Untersetzungsgetriebe vorgesehen ist. Diese Untersetzungsgetriebe sind hierbei als ein- oder mehrstufige Planetengetriebe eines Radnabenantriebs mit integrierter Radlagerung ausgebildet. Durch die im Kraftfluss der Antriebsachse jeweils weit hinten liegenden Untersetzungsgetriebe ergibt sich eine späte Momentenverstärkung und damit eine relativ leichte Auslegung der Elemente im Kraftfluss davor. Indem die Untersetzungsgetriebe als Planetengetriebe ausgebildet sind, ergibt sich eine im Wesentlichen koaxiale Anordnung, und damit eine gemeinschaftliche Rotationsachse, der beiden Radnaben der Antriebsachse sowie von Antriebsmotor und Differentialgetriebe.
Die DE 102 19 921 A1 schlägt eine Antriebsachse mit einer Stirnradstufe zwischen dem Antriebsmotor und dem Differentialgetriebe vor. Durch die Untersetzung dieser Stirnradstufe ergibt sich im Kraftfluss dahinter ein erhöhtes Moment, wodurch entsprechend schwerere Komponenten zur nachfolgenden Kraftübertragung bei der Antriebsachse erforderlich sind.
Die DE 102 11 193 A1 offenbart eine Antriebsachse mit einem Umgehungsgetriebe für ein Abschnitt zwischen Differentialgetriebe und einem Achsende. Damit wird in diesem Achsabschnitt ein Kraftfluss auf einem zur Rotationsachse parallelen Pfad bewirkt. Diese aufwendige Konstruktion ermöglicht die Anordnung von Bauteilen im Bereich des Umgehungsgetriebes auf oder direkt neben der Rotationsachse.
Die EP 0 867 324 B1 zeigt eine Antriebsachse mit zwei an den Achsenden angebundenen Rädern ohne ein Differential. Dabei ist der Rotor des als Elektromotor ausgeführten Antriebsmotors an das eine Rad und deren Stator an das andere Rad angebunden sowie zusätzlich ein schaltbares Getriebe, für eine Drehrichtungsumkehr eines der Räder, vorgesehen.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, die gattungsgemäße Antriebsachse weiterzubilden und insbesondere flexibler einsetzbar zu gestalten.
Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1. Die Unteransprüche betreffen vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen der Erfindung.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Untersetzungsgetriebe der Antriebsachse als Stirnradgetriebe ausgeführt und derart konfiguriert sind, dass der Antriebsmotor und die Ausgänge des Differentialgetriebes eine Rotationsachse aufweisen welche nicht-koaxial zur gemeinsamen Rotationsachse der Antriebswellen der Antriebsachse angeordnet ist. Anders ausgedrückt schlägt die Erfindung eine Antriebsachse vor, bei der wesentliche Komponenten der Antriebsachse zwar parallel, aber nicht axial zur gemeinsamen Rotationsachse der beiden Antriebswellen vorgesehen sind. Mit Antriebsmotor und Differentialgetriebe liegen dabei voluminöse bzw. achsbildende Komponenten zumindest teilweise neben bzw. außerhalb der gemeinsamen Rotationsachse. Damit ergibt sich ein besonders einfacher Einsatz dieser Antriebsachse, indem – abhängig von der konkreten Ausführungsform der beiden Stirnradgetriebe – eine flexible räumliche Anordnung wesentlicher Komponenten der Antriebsachse im Bezug auf deren Antriebswellen ermöglicht wird. So kann den häufig beengten Bauraumanforderungen im Bereich einer solchen Antriebsachse unkompliziert Rechnung getragen werden. Zudem ergibt sich eine relativ einfache Konstruktion dieser Antriebsachse, indem die beiden Achsenden, d. h. insbesondere die beiden Stirnradgetriebe, im Wesentlichen identisch aufgebaut sind.
Die erfindungsgemäße Antriebsachse kann als einziger Antrieb für ein Fahrzeug vorgesehen sein. Hierzu ist der Antriebsmotor beispielsweise als Elektromotor realisiert, zur Darstellung eines Elektrofahrzeuges mit Vorder- oder Hinterradantrieb entsprechend der Verwendung der Antriebsachse als Vorder- bzw. Hinterachse. Alternativ kann die erfindungsgemäße Antriebsachse zum zusätzlichen Antrieb eines Fahrzeuges vorgesehen sein. Beispielsweise kann bei einem Kraftfahrzeug mit einer verbrennungsmotorisch angetriebenen Hinterachse die erfindungsgemäße Antriebsachse als z. B. elektrische Vorderachse vorgesehen sein. Es ergibt sich damit ein sog. Vorderachshybrid, bei welchem die Hinterachse verbrennungsmotorisch und die Vorderachse elektrisch antreibbar vorgesehen ist. Natürlich ist auch eine Verwendung der Antriebsachse als Hinterachse bzw. eine Verwendung mehrerer solcher Antriebsachsen möglich.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist die Rotationsachse von Antriebsmotor und Differentialgetriebe räumlich unterhalb der gemeinsamen Rotationsachse der Antriebswellen vorgesehen. Eine derartige „inverse Portalachse” ermöglicht es in vorteilhafter Weise, Fahrzeugbauteile wie beispielsweise einen Kraftstofftank oberhalb der Antriebsachse und damit in einem crashgeschützten Bereich anzuordnen. Als weiterer Vorteil ergibt sich ein niedriger Schwerpunkt eines mit einer derartigen Antriebsachse ausgerüsteten Fahrzeuges.
In einer weiteren, vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist die Rotationsachse von Antriebsmotor und Differentialgetriebe räumlich vor bzw. hinter der gemeinsamen Rotationsachse der Antriebswellen angeordnet. Dies ermöglicht eine individuelle Platzierung von beispielsweise radbezogenen Fahrzeugbauteilen, wie Komponenten von Lenkung bzw. Bremse, in einem gewünschten Bereich nahe den Rädern. Natürlich ist auch eine entsprechende Kombination möglich, beispielsweise eine Anordnung räumlich etwas vor und etwas unterhalb der gemeinsamen Rotationsachse der Antriebswellen der Antriebsachse.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Antriebsmotor als Elektromaschine vorgesehen. Damit ergibt sich eine besonders kompakt aufgebaute Antriebsachse. Eine derartige Elektromaschine hat bevorzugt einen (Gehäuse-)Durchmesser von kleiner 150 mm und/oder eine (Gehäuse-)Länge von kleiner 200 mm. Es ergibt sich entsprechend eine „lange, dünne” Elektromaschine hoher Leistungsdichte. Das relativ geringe Moment einer solchen Elektromaschine wird dann durch die entsprechend gewählte Untersetzung der beiden Stirnradgetriebe kompensiert. Mit einer derartigen Elektromaschine ist beispielsweise beim rekuperativen Betrieb einer solchen Antriebsachse, d. h. beim Betrieb des Antriebsmotors als Generator, eine Rekuperation auch bei hoher Geschwindigkeit des Fahrzeuges möglich. Natürlich sind auch andere Antriebsmotoren, beispielsweise hydraulische, möglich.
Um die Flexibilität einer derartigen mit einer Elektromaschine ausgerüsteten Antriebsachse weiter zu verbessern, kann ein Mittel zum kurzzeitigen Überlastbetrieb der Elektromaschine vorgesehen sein. Das Mittel kann beispielsweise als elektronische Zeitbegrenzungsschaltung, zur Begrenzung des Überlastbetriebs auf wenige Sekunden, ausgeführt sein. Durch eine solche Zeitsteuerung kann eine Beschädigung der Elektromaschine ausgeschlossen werden, jedoch die Menge an rekuperierter Energie bzw. die Antriebsleistung kurzzeitig drastisch erhöht werden. Alternativ oder zusätzlich ist auch eine Temperaturüberwachung möglich.
Alternativ oder zusätzlich ist für eine erhöhte Flexibilität der mit einer Elektromaschine ausgerüsteten Antriebsachse ein Getriebe, zur Änderung des Übersetzungsverhältnisses zwischen Elektromaschine und den beiden Antriebswellen, vorgesehen. Ein derartiges, z. B. gestuft schaltbares Getriebe ermöglicht in vorteilhafter Weise eine Anpassung der Drehzahl der Elektromaschine der Antriebsachse an den aktuellen Fahrzustand des Fahrzeuges. Besonders bevorzugt ist ein derartiges Änderungsgetriebe als schaltbares Planetengetriebe zwischen Elektromaschine und Differentialgetriebe vorgesehen.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist den beiden Antriebswellen eine jeweilige Gelenkwelle nachgeschaltet, zum Antrieb eines linken bzw. eines rechten Rades eines Fahrzeuges. Hierzu weisen die Antriebswellen an ihren jeweils von der Antriebsachse abgewandten Enden eine entsprechend gestaltete Aufnahme auf. Damit ergeben sich relativ kurze Gelenkwellen und ein guter Beugewinkel beim Anbinden der Räder über die Gelenkwellen an die Antriebswellen der Antriebsachse. Alternativ kann eine Antriebswelle auch direkt an ein jeweiliges Rad bzw. eine jeweilige Felge des Fahrzeuges angebunden sein.
Die Erfindung wird nun anhand einer Zeichnung näher dargestellt. Dabei zeigt die einzige Fig. eine besonders bevorzugte Ausführungsform der Erfindung.
Dargestellt ist eine Antriebsachse 1 mit einem Antriebsmotor 2 und einem Differentialgetriebe 4. Der Antriebsmotor 2 ist in dieser Ausführungsform als Elektromaschine mit einem Rotor 2a ausgebildet. Der Rotor 2a ist drehfest mit einer Hohlwelle 3 verbunden. Die Lager der Hohlwelle 3 sowie die Elektromaschine 2 stützen sich dabei an einem – strichliert schematisch dargestellten – Gehäuse der Antriebsachse ab. Das Differentialgetriebe 4 ist beispielsweise als Planeten- oder Kegeldifferential ausgeführt und weist zwei Ausgänge mit jeweiligen Abtriebswellen 5', 5'' auf. Die Abtriebswelle 5' führt durch die Hohlwelle 3, welche sich durch die Elektromaschine 2 hindurch erstreckt, zu einem Stirnradgetriebe 7'. Die Abtriebswelle 5'' führt zu einem Stirnradgetriebe 7''.
Die Rotationsbewegung des Elektromotors 2 wird bei dieser Ausführungsform über eine Planetenstufe 9 an das Differentialgetriebe 4 übertragen. Die Planetenstufe 9 dient als schaltbares Getriebe, wobei diese Ausführungsform eine Achsübersetzung von ca. 2,5 vorsieht. Die Stirnradgetriebe 7', 7'' bestehen bei dieser Ausführungsform jeweils aus einem ersten Zahnrad 71', 71'' auf einer jeweiligen Abtriebswelle 5', 5''. Dieses erste Zahnrad 71', 71'' kämmt mit einem zweiten Zahnrad 72', 72'' welches jeweils drehfest mit einer jeweiligen Antriebswelle 51', 51'' der Antriebsachse verbunden ist.
Die Antriebswellen 51', 51'' weisen dabei eine gemeinsame Rotationsachse auf, nämlich R₁. Diese gemeinsame Rotationsachse R₁ ist dabei keine real vorhandene, durchgehende Achse sondern eine gedachte Verbindung der Rotationsachsen der beiden Antriebswellen 51', 51''. Die Elektromaschine 2 rotiert, genauso wie die beiden Ausgänge des Differentialgetriebes 4, um eine Rotationsachse R₂. Diese Rotationsachse R₂ stellt zugleich näherungsweise die Symmetrieachse von Elektromaschine 2 und Differentialgetriebe 4 dar. Wichtig ist nun, dass die Rotationsachsen R₁ und R₂ zwar parallel, aber nicht koaxial verlaufen. Stattdessen liegt bei dieser Ausführungsform, siehe Fig., die Rotationsachse R₂ unterhalb der Rotationsachse R₁. Somit werden die Antriebswellen 51', 51'' der Antriebsachse 1 räumlich von voluminösen bzw. achsbildenden Komponenten der Antriebsachse 1, nämlich insbesondere der Elektromaschine 2 und dem Differentialgetriebe 4, getrennt. Je nach gewünschter Bauraumanforderung ist damit eine räumliche Entzerrung von Komponenten der Antriebsachse 1 und deren Antriebswellen 51', 51'' möglich.
Die Antriebswellen 51', 51'' der Antriebsachse 1 sind jeweils über (nicht dargestellte) Gelenkwellen an ein jeweils linkes bzw. rechtes Rad eines Fahrzeuges anbindbar. Dazu sind die Antriebswellen 51', 51'' an ihrer jeweiligem jeweiligen achsäußeren Ende zum Anschluss einer jeweiligen Gelenkwelle konfiguriert, wie in der Fig. schematisch durch eine jeweilige Aufweitung visualisiert. Damit ist die Antriebsachse 1 zum Antrieb von linken und rechten Rädern eines Fahrzeuges einsetzbar. Möglich ist dabei eine individuelle Gestaltung der Antriebsachse 1, zugeschnitten auf die Bauraumgeometrie eines gewünschten Fahrzeuges. Insbesondere kann hiermit eine existierende Fahrzeugachse des Fahrzeuges relativ einfach durch die Antriebsachse 1 ersetzt und durch geeignet angepasste Gelenkwellen an ein jeweils linkes bzw. rechtes Rad des Fahrzeuges angebunden werden. Die vorhandene Achse wird damit quasi ausgetauscht.
Mit der Antriebsachse 1 ergeben sich, neben Bauraumvorteilen zum Antrieb eines Fahrzeuges, verbesserte Beugewinkel bei der Anbindung der Antriebswellen 51', 51'' über Gelenkwellen an die Räder des Fahrzeuges. Weiterhin wird ein besserer, weil tieferer, Schwerpunkt des Fahrzeuges erzielt. Indem die Stirnradgetriebe 7', 7'' als Übersetzungsstufe im Kraftfluss der Antriebsachse unmittelbar vor den Gelenkwellen bzw. den Rädern vorgesehen sind, ergibt sich eine späte Drehmomenterhöhung und somit die Möglichkeit die Komponenten im Kraftfluss der Antriebsachse auf relativ geringe Momente hin auszulegen.
In der hier, rein beispielhaft, dargestellten Ausführungsform beträgt der Gehäusedurchmesser der Elektromaschine ca. 130 mm, bei einer Gehäuselänge von ca. 200 mm. Mit einer derartigen Elektromaschine ist eine Maximaldrehzahl von ca. 18.000 U/min realisierbar, bei einer maximalen mechanischen Leistung von ca. 60 kW/h. In dieser Konfiguration ist dabei dauerhaft ein maximales Drehmoment von ca. 100 Nm realisierbar. Zudem kann, im kurzzeitigen Überlastbetrieb, ein kurzfristiges Drehmoment für wenige Sekunden von größer 150 Nm realisiert werden. Die Antriebsachse ermöglicht durch die Verwendung von Elektromaschinen relativ großer Länge, bezüglich deren Durchmesser, die Nutzung hoher Leistungsdichten und geringe Verluste durch die Schwächung des Magnetfeldes im Randbereich.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 4300445 C2 [0002]
- DE 10219921 A1 [0003]
- DE 10211193 A1 [0004]
- EP 0867324 B1 [0005]

Claims

Antriebsachse (1), mit zwei an einem jeweiligen Achsende angeordneten Antriebswellen (51', 51'') welche auf einer gemeinsamen Rotationsachse (R₁) liegen, umfassend einen Antriebsmotor (2) und ein nachgeschaltetes Differentialgetriebe (4) an dessen beiden Ausgängen zwei Abtriebswellen (5', 5'') vorgesehen sind, zum Antreiben einer jeweiligen Antriebswelle über ein jeweiliges Untersetzungsgetriebe, dadurch gekennzeichnet, dass die Untersetzungsgetriebe (7', 7'') als Stirnradgetriebe ausgeführt und derart konfiguriert sind, dass der Antriebsmotor und die Ausgänge des Differentialgetriebes eine Rotationsachse (R₂) aufweisen welche nicht-koaxial zur gemeinsamen Rotationsachse der Antriebswellen angeordnet ist.
Antriebsachse nach Anspruch 1, wobei die Rotationsachse von Antriebsmotor und Differentialgetriebe unterhalb der gemeinsamen Rotationsachse der Antriebswellen angeordnet ist.
Antriebsachse nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Rotationsachse von Antriebsmotor und Differentialgetriebe vor bzw. hinter der gemeinsamen Rotationsachse der Antriebswellen angeordnet ist.
Antriebsachse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Antriebsmotor als Elektromaschine ausgeführt ist.
Antriebsachse nach Anspruch 4, wobei die Elektromaschine einen Durchmesser von kleiner 150 mm und eine Länge von kleiner 200 mm aufweist.
Antriebsachse nach Anspruch 4 oder 5, wobei Mittel zum kurzzeitigen Überlastbetrieb der Elektromaschine vorgesehen sind.
Antriebsachse nach einem der Ansprüche 4, 5 oder 6, wobei ein Änderungsgetriebe, zur Änderung des Übersetzungsverhältnisses zwischen der Elektromaschine und den beiden Antriebswellen, vorgesehen ist.
Antriebsachse nach Anspruch 7, wobei das Änderungsgetriebe als schaltbares Planetengetriebe zwischen Elektromaschine und Differentialgetriebe vorgesehen ist.
Antriebsachse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Antriebswellen zum Anschluss einer jeweiligen Gelenkwelle konfiguriert sind, zum Antrieb eines linken bzw. eines rechten Rades eines Kraftfahrzeuges.