DE102015212811A1

DE102015212811A1 - Achsträger für ein Fahrzeug

Info

Publication number: DE102015212811A1
Application number: DE102015212811.3A
Authority: DE
Inventors: Matthias Stangl
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2015-07-08
Filing date: 2015-07-08
Publication date: 2017-01-12

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Achsträger für ein Fahrzeug umfassend einen linken Längsträger zur Befestigung einer linken Radaufhängung, einen rechten Längsträger zur Befestigung einer rechten Radaufhängung, eine tragende Querstruktur zur Verbindung der beiden Längsträger und zur Übertragung von Fahrwerkslasten zwischen den beiden Längsträgern, einen elektrischen Antrieb des Fahrzeuges, und ein Antriebsgehäuse zur Aufnahme des elektrischen Antriebs, wobei das Antriebsgehäuse in der Querstruktur zur Aufnahme und Übertragung der Fahrwerkslasten angeordnet ist.

Description

Vorliegende Erfindung betrifft einen Achsträger für ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug.
Der Stand der Technik kennt unterschiedliche elektrisch angetriebene Fahrzeuge, beispielsweise Hybrid-Fahrzeuge oder Fahrzeuge mit ausschließlich elektrischem Antrieb. Die elektrische Maschine wird dabei entweder in der Karosserie oder im Achsträger über entsprechende Gummilager elastisch befestigt. Diese Lagerung mit Entkopplungselementen führt dazu, dass der Bauraumbedarf von elektrischen Antrieben durch die Notwendigkeit zur Freihaltung des Bewegungsraums entsprechend hoch ist.
Es ist Aufgabe vorliegender Erfindung, einen Achsträger für ein Fahrzeug anzugeben, der bei kostengünstiger Herstellung und Montage und bei steifer Konstruktion einen elektrischen Antrieb platzsparend aufnimmt.
Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1. Die Unteransprüche haben vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung zum Gegenstand.
Somit wird die Erfindung gelöst durch einen Achsträger für ein Fahrzeug. Der Achsträger umfasst einen linken und rechten Längsträger, jeweils zur Befestigung einer Radaufhängung. Die beiden Längsträger sind über eine tragende Querstruktur miteinander verbunden. Die quertragende Struktur dient zur Übertragung von Fahrwerkslasten zwischen den beiden Längsträgern. Des Weiteren ist ein elektrischer Antrieb des Fahrzeugs im Achsträger vorgesehen. Der elektrische Antrieb dient zum alleinigen oder zum unterstützenden Antrieb des Fahrzeugs. So kann es sich beispielsweise um ein Hybrid-Fahrzeug oder ein Elektrofahrzeug handeln.
Der Achsträger umfasst ferner ein Antriebsgehäuse. In diesem Antriebsgehäuse ist der elektrische Antrieb aufgenommen. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das Antriebsgehäuse in der Querstruktur des Achsträgers zur Aufnahme und Übertragung von Fahrwerkslasten angeordnet ist. So wird erfindungsgemäß das Antriebsgehäuse als zumindest teilweise tragende Struktur im Achsträger verwendet. Vorzugsweise wird das Antriebsgehäuse an einer Stelle im Achsträger positioniert, an der überschaubare fahrdynamische Lasten auftreten. Insbesondere wird durch diese Positionierung und Ausbildung des Antriebsgehäuses zumindest ein Querträger zwischen den beiden Längsträgern ersetzt, so dass der elektrische Antrieb äußerst platzsparend angeordnet ist und gleichzeitig sich ein Gewichtsvorteil des erfindungsgemäßen Achsträgers gegenüber herkömmlichen Achsträgern ergibt.
Vorteilhafterweise ist vorgesehen, dass das Antriebsgehäuse steif, insbesondere ohne elastische Lagerung, in die Querstruktur integriert ist.
Besonders bevorzugt sind an den beiden Längsträgern jeweils Lagerungsbereiche ausgebildet. Das Antriebsgehäuse ist zwischen diesen beiden Lagerungsbereichen positioniert und mit den Lagerungsbereichen steif verbunden. Diese steife Verbindung erfolgt insbesondere über Verschrauben und/oder Verschweißen und/oder Verkleben.
Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass das Antriebsgehäuse beidseitig ringförmige Flansche aufweist. Diese Flansche sind mit dem jeweiligen Lagerungsbereich verschraubt. Durch die Flansche und die Verschraubung ergibt sich eine sehr steife, und trotzdem einfach zu montierende und demontierende Konstruktion.
Die steife Integration des Antriebsgehäuses in die Querstruktur definiert einen Lastpfad zwischen den beiden Längsträgern. Gemäß einer ersten Alternative wird in diesem Lastpfad ausschließlich steifes Material verbaut, wobei das steife Material definiert ist durch einen Elastizitätsmodul von zumindest 1000 MPa bzw. einer Shore-A-Härte von zumindest 70.
Gemäß einer zweiten Alternative wird in dem Lastpfad ausschließlich steifes Material mit Ausnahme von Dichtungen verbaut. Das steife Material ist wieder definiert durch einen Elastizitätsmodul von zumindest 1000 MPa bzw. einer Shore-A-Härte von zumindest 70. Die Dichtungen befinden sich an den jeweiligen Lagerungsbereichen, also zwischen dem Antriebsgehäuse und den Längsträgern. Es ist darauf zu achten, dass die Dichtungen möglichst dünn ausgeführt werden, um eine Übertragung von Lasten über das Antriebsgehäuse zu ermöglichen. Deshalb weisen die Dichtungen eine maximale Dicke von 10 mm, vorzugsweise eine maximale Dicke von 5 mm, auf.
Die Dichtungen dienen zum einen einer Abdichtung des Antriebsgehäuses gegenüber Umwelteinflüssen und zum anderen einer akustischen Entkopplung der elektrischen Maschine von den beiden Längsträgern. Um eine ausreichend steife Einbindung des Antriebsgehäuses in die Querstruktur des Achsträgers zu gewährleisten, werden die Dichtungen möglichst dünn und möglichst hart ausgeführt. Vorteilhafterweise liegt die Shore-A-Härte der Dichtungen bei zumindest 70, vorzugsweise zumindest 80.
Für die oben genannten beiden Alternativen beträgt der Elastizitätsmodul für das steife Material im Lastpfad zumindest 1000 MPa, vorzugsweise zumindest 10000 MPa, besonders vorzugsweise zumindest 50000 MPa. Die entsprechende Shore-A-Härte beträgt zumindest 70, vorzugsweise zumindest 80, vorzugweise 100.
Des Weiteren ist bevorzugt vorgesehen, dass in dem Antriebsgehäuse eine elektrische Maschine und ein Getriebe angeordnet sind. Das Antriebsgehäuse kann hierzu zweiteilig aufgebaut sein, wobei ein Teil des Antriebsgehäuses die elektrische Maschine und der andere Teil das Getriebe aufnimmt. Selbstverständlich sind die zwei Teile untereinander steif miteinander verbunden.
In dem Antriebsgehäuse können bevorzugt auch mehrere elektrische Maschinen und/oder mehrere Getriebe zusammengefasst werden. Dementsprechend kann das Antriebsgehäuse auch aus mehr als zwei Teilen bestehen. Letztendlich entscheidend ist, dass das Antriebsgehäuse einen steifen Bestandteil der Querstruktur des Achsträgers bildet.
Vorteilhafterweise ist der elektrische Antrieb im Achsträger derart angeordnet, dass eine Ankerwelle der elektrischen Maschine und eine mit den Radaufhängungen fluchtende Antriebswelle parallel zueinander angeordnet sind. Ankerwelle und Antriebswelle erstrecken sich somit in Fahrzeugquerrichtung. Das im Antriebsgehäuse integrierte Getriebe verbindet die Ankerwelle mit der Antriebswelle.
Insbesondere ist vorgesehen, dass das Antriebsgehäuse auf der Seite mit der elektrischen Maschine einen ringförmigen Flansch aufweist und über diesen runden Flansch mit dem Lagerungsbereich eines Längsträgers verschraubt ist. An der gegenüberliegenden Seite ist das Getriebe vorgesehen. Hier weist das Antriebsgehäuse vorteilhafterweise einen weiteren ringförmigen Flansch auf, der mit dem Lagerungsbereich des gegenüberliegenden Längsträgers verschraubt ist. Durch diesen weiteren Flansch an der Getriebeseite erstreckt sich die Antriebswelle. Die ringförmigen Flansche können rund, oval oder vieleckig sein.
Vorteilhafterweise umfasst die Querstruktur des Achsträgers zusätzlich zu dem steif eingebundenen Antriebsgehäuse zumindest einen Querträger zum Verbinden der beiden Längsträger.
Der Querträger ist vorteilhafterweise so angeordnet, dass er bezüglich der Fahrzeughochrichtung weiter unten angeordnet ist, als die Ankerwelle des elektrischen Antriebs. Des Weiteren ist bevorzugt vorgesehen, dass der Querträger geradlinig in Fahrzeugquerrichtung verläuft. Da es sich hier vorteilhafterweise um ein reines Elektrofahrzeug handelt, muss, bei Verwendung des Achsträgers an der Hinterachse, im Querträger kein Freiraum für die Abgasanlage ausgespart sein. Deshalb kann der Querträger geradlinig und relativ weit unten verlaufen. Aufgrund des geradlinigen Verlaufs des Querträgers ergibt sich eine hohe Biegesteifigkeit und es können entsprechend hohe Lasten übertragen werden.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und den Figuren. Es zeigen:
1 eine erste Ansicht eines erfindungsgemäßen Achsträgers gemäß einem Ausführungsbeispiel,
2 eine zweite Ansicht des erfindungsgemäßen Achsträgers gemäß dem Ausführungsbeispiel, und
3–7 unterschiedliche Varianten zur Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Achsträgers gemäß dem Ausführungsbeispiel.
1 zeigt den Achsträger 1 in perspektivischer Ansicht von oben. 2 zeigt den Achsträger 1 in perspektivischer Ansicht von unten.
Der Achsträger 1 umfasst zwei gegenüberliegende Längsträger 2, 3, jeweils zur Anbindung einer Radaufhängung 4. An den Längsträgern 2, 3 sind mehrere Lenkeranbindungspunkte 9 ausgebildet. In diesen Lenkeranbindungspunkten 9 sind Lenker befestigt, die wiederum den Radträger anbinden.
Des Weiteren weisen die beiden Längsträger 2, 3 Karosserieanbindungspunkte 8 auf. Über diese Karosserieanbindungspunkte 8 wird der Achsträger 1 an der Karosserie des Fahrzeugs befestigt.
Die beiden Längsträger 2, 3 sind über eine tragende Querstruktur 5 miteinander verbunden. Die tragende Querstruktur 5 ist gebildet durch ein Antriebsgehäuse 6 und einen Querträger 7 (s. 2).
Im Antriebsgehäuse 6 sind eine elektrische Maschine und ein Getriebe angeordnet. In der Darstellung nach 1 befindet sich im linken Teil die elektrische Maschine und im rechten Teil das Getriebe. Rein schematisch zeigt die 1 einen Verlauf 14 einer Ankerwelle der elektrischen Maschine. Ferner ist ein Verlauf 13 einer Antriebswelle gezeigt. Die Antriebswelle fluchtet mit den beiden gegenüberliegenden Radaufhängungen 4. Anhand der Verläufe 13, 14 ist zu sehen, dass die Ankerwelle und die Antriebswelle parallel zueinander und in Fahrzeugquerrichtung angeordnet sind. Das im Antriebsgehäuse 6 angeordnete Getriebe verbindet die Antriebswelle und die Ankerwelle miteinander.
Wie die Figuren zeigen, weisen die beiden Längsträger 2, 3 Lagerungsbereiche 10 auf. Diesen Lagerungsbereichen 10 liegen jeweils Flansche 11 des Antriebsgehäuses 6 gegenüber. Die Flansche 11 sind mit den Lagerungsbereichen 10 verschraubt.
Zwischen den Lagerungsbereichen 10 und den Flanschen 11 können sich Dichtungen befinden. Diese Dichtungen dichten das Antriebsgehäuse 6 ab und dienen zur akustischen Entkopplung des elektrischen Antriebs.
Wie bereits beschrieben, bildet das Antriebsgehäuse 6 eine tragende Struktur des Achsträgers 1. Dementsprechend wird hier im Ausführungsbeispiel auf den üblicherweise zweiten Querträger verzichtet.
Wie 2 zeigt, ist der verbleibende Querträger 7 relativ weit unten im Fahrzeug angeordnet und verbindet geradlinig zwei der Lenkeranbindungspunkte 9. An diesen beiden Lenkeranbindungspunkten 9 entstehen wesentliche Querkräfte des Fahrwerks. Diese Kräfte können über den geradlinig verlaufenden Querträger 7 übertragen werden. Dadurch befindet sich das Antriebsgehäuse 6 in einem Bereich mit moderaten fahrdynamischen Lasten.
Das Antriebsgehäuse 6 ist vorteilhafterweise aus Metall, hartem Kunststoff oder faserverstärktem Kunststoff gebildet.
Des Weiteren zeigt 1 ein Gehäuse 12 einer Leistungselektronik. Die Leistungselektronik dient zum Ansteuern der elektrischen Maschine im Antriebsgehäuse 6.
Aufgrund der steifen Anbindung des Antriebsgehäuses 6 in dem Achsträger 1 kann für die Antriebswelle (s. Verlauf 13) auf eine Gelenkwelle verzichtet werden.
Die 1 und 2 zeigen eine konstruktive Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Achsträgers 1. Im Folgenden werden anhand der 3 bis 7 unterschiedliche Varianten in schematisch vereinfachter Darstellung vorgestellt. In all diesen Varianten sind die beiden Längsträger des Achsträgers 1 über das Antriebsgehäuse 6 miteinander verbunden. In dem Antriebsgehäuse 6 befinden sich eine oder mehrere elektrische Maschinen (EM) und ein oder mehrere Getriebe (TM).
Wie die 3 bis 7 zeigen, können zusätzlich zum Antriebsgehäuse 6 ein oder mehrere Querträger 7 verwendet werden.
Die 3, 4 und 5 zeigen eine Ausgestaltung des Achsträgers 1, wobei die Antriebswelle 13 parallel und versetzt zur Ankerwelle 14 angeordnet ist. 3 zeigt hierbei ein Beispiel gemäß den 1 und 2.
In 4 werden zwei elektrische Maschinen und zwei Getriebe verwendet. Die beiden Getriebe liegen dabei außerhalb der beiden elektrischen Maschinen. Die beiden elektrischen Maschinen und die beiden Getriebe sind in einem Antriebsgehäuse 6 zusammengefasst.
In der Variante nach 5 wird ein zentrales Getriebe verwendet. Beidseitig des Getriebes befindet sich eine elektrische Maschine. Auch hier sind die beiden elektrischen Maschinen und das Getriebe in einem Antriebsgehäuse 6 zusammengefasst.
Die Varianten der 3, 4 und 5 sind relativ großbauend, da hier die Antriebswelle 13 und die Ankerwelle 14 versetzt zueinander sind. Im Regelfall verbleibt hier lediglich Bauraum für einen Querträger 7.
In den Beispielen nach 6 und 7 verlaufen die Antriebswelle 13 und die Ankerwelle 14 koaxial zueinander. In diesen Ausführungen können auch zwei Querträger 7 verwendet werden.
Gemäß 6 wird eine elektrische Maschine und ein Getriebe im Antriebsgehäuse 6 verwendet.
In der Variante nach 7 kommen zwei mittige elektrische Maschinen und zwei außenliegende Getriebe zum Einsatz. Auch hier sind die beiden elektrischen Maschinen und die beiden Getriebe in dem Antriebsgehäuse 6 zusammengefasst.
Der erfindungsgemäße Achsträger, insbesondere gemäß den hier vorgestellten Varianten, ermöglicht eine sehr steife Struktur in Querrichtung des Fahrzeuges. Die Querrichtung des Fahrzeuges verläuft dabei parallel zur Antriebswelle 13 bzw. Ankerwelle 14. Die steife Struktur wird im Wesentlichen dadurch erreicht, dass das Antriebsgehäuse 6 mit den beiden Längsträgern 2, 3 steif verbunden wird.
In Anordnungen nach dem Stand der Technik wird der elektrische Antrieb über Gummilager mit dem Achsträger verbunden. Bei Verwendung dieser Gummilager erreicht man für die Quersteifigkeit (in Fahrzeugquerrichtung) über die elektrische Maschine eine Summensteifigkeit der Gummilager von üblicherweise bis zu 7500 N/mm.
Bei vorliegender Erfindung ist bevorzugt vorgesehen, dass die Quersteifigkeit des Achsträgers 1 am Antriebsgehäuse 6 bei zumindest 100.000 N/mm, vorzugsweise zumindest 300.000 N/mm, besonders vorzugsweise zumindest 700.000 N/mm, liegt. Aufgrund der erfindungsgemäßen steifen Einbindung des Antriebsgehäuses 6 kann im Vergleich zu einem herkömmlichen Achsträger ein Querträger entfallen. Dieser Querträger würde üblicherweise eine Quersteifigkeit in der Größenordnung von 300.000 N/mm aufweisen. Das Antriebsgehäuse 6 gemäß der Erfindung kann hier als sehr viel steiferes Bauteil verwendet werden. Des Weiteren ist dabei auch zu beachten, dass die Rotorwelle der elektrischen Maschine zur Biegesteifigkeit der Querstruktur beiträgt.
Wie beschrieben, kann zusätzlich zu dem Antriebsgehäuse 6 ein Querträger 7 in der tragenden Querstruktur 5 verwendet werden. Dabei ist bevorzugt vorgesehen, dass der Anteil der resultierenden Lasten aus Betriebslasten auf das Antriebsgehäuse 6 in Querrichtung zu den resultierenden Lasten auf den zusätzlichen Querträger 7 im Verhältnis von zumindest 0,4 steht.
Des Weiteren ist bevorzugt vorgesehen, dass die erste Torsionseigenfrequenz des Achsträgers 1 höher liegt als 200 Hz.
In dem Antriebsgehäuse 6 befindet sich eine elektrische Maschine. Die elektrische Maschine wiederum weist einen Rotor und einen Stator auf. Zwischen Rotor und Stator ist ein Spalt vorgesehen. Dieser Spalt schwankt bei Belastung des Achsträgers 1. Bevorzugt ist vorgesehen, dass die Schwankung des Spaltes unter Betriebslasten kleiner als 0,3 mm, vorzugsweise kleiner als 0,2 mm, ist.
Bezugszeichenliste

1: Achsträger
2: linker Längsträger
3: rechter Längsträger
4: Radaufhängung
5: tragende Querstruktur
6: Antriebsgehäuse
7: Querträger
8: Karosserieanbindungspunkt
9: Lenkeranbindungspunkt
10: Lagerungsbereiche
11: Flansche
12: Leistungselektronikgehäuse
13: Verlauf einer Antriebswelle
14: Verlauf einer Ankerwelle

Claims

Achsträger (1) für ein Fahrzeug umfassend • einen linken Längsträger (2) zur Befestigung einer linken Radaufhängung (4), • einen rechten Längsträger (3) zur Befestigung einer rechten Radaufhängung (4), • eine tragende Querstruktur (5) zur Verbindung der beiden Längsträger (2, 3) und zur Übertragung von Fahrwerkslasten zwischen den beiden Längsträgern (2, 3), • einen elektrischen Antrieb des Fahrzeuges, und • ein Antriebsgehäuse (6) zur Aufnahme des elektrischen Antriebs, • wobei das Antriebsgehäuse (6) in der Querstruktur (5) zur Aufnahme und Übertragung von Fahrwerkslasten angeordnet ist.
Achsträger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Antriebsgehäuse (6) steif, insbesondere ohne elastischer Lagerung, in die Querstruktur (5) integriert ist.
Achsträger nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass am linken und rechten Längsträger (2, 3) jeweils ein Lagerungsbereich (10) ausgebildet ist, das Antriebsgehäuse (6) zwischen den beiden Lagerungsbereichen (10) angeordnet ist und mit den Lagerungsbereichen (10) steif verbunden ist.
Achsträger nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass am Antriebsgehäuse (6) beidseitig ringförmige Flansche (11) ausgebildet sind, wobei die Flansche (11) mit dem jeweiligen Lagerungsbereich (10) verschraubt sind.
Achsträger nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Lastpfad zwischen den beiden Längsträgern (2, 3), welcher über das Antriebsgehäuse (6) läuft, ausschließlich steifes Material verbaut ist, wobei das steife Material einen Elastizitätsmodul von zumindest 1000 MPa bzw. eine Shore-A-Härte von zumindest 70 aufweist.
Achsträger nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Lastpfad zwischen den beiden Längsträgern (2, 3), welcher über das Antriebsgehäuse (6) läuft, mit Ausnahme von Dichtungen ausschließlich steifes Material verbaut ist, wobei das steife Material einen Elastizitätsmodul von zumindest 1000 MPa bzw. eine Shore-A-Härte von zumindest 70 aufweist, und wobei die Dichtungen zwischen dem Antriebsgehäuse (6) und dem jeweiligen Längsträger (2, 3) angeordnet sind, und wobei die einzelne Dichtung eine maximale Dicke von 10 mm, vorzugsweise 5 mm, aufweist.
Achsträger nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Antriebsgehäuse (6) eine elektrische Maschine und ein Getriebe angeordnet sind.
Achsträger nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Ankerwelle der elektrischen Maschine und eine mit den Radaufhängungen (4) fluchtende Antriebswelle parallel zueinander angeordnet sind, wobei das im Antriebsgehäuse (6) integrierte Getriebe die Ankerwelle und die Antriebswelle miteinander verbindet.
Achsträger nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Querstruktur (5) zumindest einen Querträger (7) umfasst, der zusätzlich zum Antriebsgehäuse (6) die beiden Längsträger (2, 3) verbindet.
Achsträger nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Querträger (7) unterhalb der Ankerwelle des elektrischen Antriebs verläuft.