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Technisches Gebiet
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Die Erfindung bezieht sich auf einen Fahrzeugantrieb, insbesondere einen Einzelradantrieb eines Fahrzeugs, wobei der Einzelradantrieb eine elektrische Maschine, eine Getriebeeinheit sowie eine Bremseinrichtung umfasst und der Fahrzeugantrieb innerhalb eines Bauraums eines Fahrzeugrads, insbesondere einer Felge, aufgenommen ist. Darüber hinaus bezieht sich die Erfindung auf die Verwendung des Fahrzeugantriebs in einem Personenfahrzeug, einem Lieferwagen, einem Schienenfahrzeug oder dergleichen.
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Stand der Technik
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DE 10 257 617 A1 betrifft eine Wirbelstrombremsvorrichtung mit einem Stator mit einer Vielzahl von Polen. Der Stator kann an einem Fahrzeugrahmen befestigt werden. Eine Wicklung aus einem Draht, der um jeden der mehreren Pole gewickelt ist, wobei benachbarte Wicklungen elektrisch miteinander verbunden sind, bildet einen Elektromagneten. Eine Trommel zur Aufnahme einer Rad-Felgen-Einheit ist drehbar auf einer Fahrzeugachse angeordnet. Zwischen der Trommel und dem Stator entsteht aufgrund der Relativbewegung der Trommel gegenüber dem Stator ein Wirbelstrom, der die Drehung der Rad-Felgen-Einheit verzögert.
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CH 504320 A D2 betrifft eine Wirbelstrombremse mit einem Stator, der eine Spule trägt und mehrere Polschuhe wechselnder Polung aufweist, die die Spule auf ihrem Umfang abwechselnd von beiden Seiten übergreifen, und mit einem Rotor, der die Form einer einseitig offenen Trommel mit an ihrer Stirnseite und an ihrem Umfang verlaufenden Rippen hat und der den Stator unter Freilassung eines Luftspaltes umgibt, so dass die von der der Stirnseite der Trommel abgewandten Seite der Spule über deren Umfang greifenden Polschuhe unter Bildung eines Winkels parallel zur Stirnseite der Trommel verlängert sind und der Querschnitt der Stirnwand der Trommel an den verlängerten Polschuhen annähernd dem Querschnitt des Ringteils der Trommel entspricht.
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DE 10 2013 221 561 A1 betrifft eine Anordnung zur Kühlung einer rotierenden Wirbelstrombremse eines Schienenfahrzeugs, wobei die rotierende Wirbelstrombremse wenigstens einen Rotor aufweist, der drehfest mit einer Achse eines Drehgestells des Schienenfahrzeugs verbunden ist, und wenigstens einen Stator, der ortsfest an dem Drehgestell angeordnet ist, wenigstens ein Gehäuse, das an dem Drehgestell anordenbar ist und die rotierende Wirbelstrombremse umgibt. An dem Gehäuse sind zumindest eine Lufteintrittsöffnung, über die Luft in das Gehäuse eintreten kann, und zumindest eine Luftaustrittsöffnung, über die Luft aus dem Gehäuse austreten kann, angeordnet.
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DE 10 2023 211 893 A1 betrifft einen Fahrzeugantrieb für ein Fahrzeug, mit einem Rad, einem Getriebe, einer Eingangswelle und einer Ausgangswelle. Die Ausgangswelle ist mit dem Rad gekoppelt, um das Rad mit einer Ausgangsdrehzahl N2 anzutreiben. Es sind ferner eine Bremseinrichtung und ein Elektromotor vorgesehen, wobei die Bremseinrichtung und der Elektromotor mit der Eingangswelle gekoppelt oder auf der Eingangswelle angeordnet sind und der Elektromotor dazu ausgebildet ist, die Eingangswelle mit einer Eingangsdrehzahl N1 anzutreiben, wobei die Bremseinrichtung eingerichtet ist, die Eingangswelle zu bremsen, um derart die Eingangsdrehzahl N1 zu verringern, wobei das Getriebe dazu eingerichtet ist, die Eingangsdrehzahl N1 in die Ausgangsdrehzahl N2 zu übersetzen.
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Bei elektrisch angetriebenen Fahrzeugen können Radnabenantriebe zum Einsatz kommen. Deren Aufbau umfasst eine innerhalb eines Rads angeordnete elektrische Maschine, eine Bremse und ein gemeinsam genutztes Getriebe. Die Bremse kann als Wirbelstrombremse ausgebildet sein, die kleiner ist als zum Beispiel eine klassische Scheibenbremse an Rädern von Fahrzeugen und die verschleiß- und wartungsfrei ausgeführt werden kann. Die kinetische Energie, die bei einem Bremsvorgang freigesetzt wird, wird in einem elektrisch angetriebenen Fahrzeug entweder über die elektrische Maschine rekuperiert oder in Wärme an einer Bremsanlage umgewandelt. Diese Wärme kann durch Reibung oder wie im Fall von Wirbelstrombremsen durch Wirbelströme in der rotierenden Bremsscheibe (Rotor) freigesetzt werden. Die Wärmeenergie wird in der Regel an die Umgebung abgegeben, um umliegende Bauteile nicht zu beschädigen und bei nachfolgenden Bremsvorgängen erzeugte Bremsenergie aufnehmen und umwandeln zu können.
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Offenbarung der Erfindung
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Der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung folgend wird ein Fahrzeugantrieb vorgeschlagen, insbesondere ein Einzelradantrieb eines Fahrzeugs, wobei der Einzelradantrieb eine elektrische Maschine, eine Getriebeeinheit sowie eine Bremseinrichtung umfasst und der Fahrzeugantrieb innerhalb eines Bauraums eines Fahrzeugrads, insbesondere innerhalb einer Felge aufgenommen ist. Die Bremseinrichtung ist als Wirbelstrombremse ausgebildet, deren Rotor als Lüfterrad ausgeführt ist.
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Durch eine derartige Ausgestaltung des Rotors lässt sich eine effiziente Entwärmung der Bremsvorrichtung der in den Komponenten der Wirbelstrombremse erzeugten Wärme erreichen und damit eine unzulässige Temperaturerhöhung vermeiden.
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In vorteilhafter Ausgestaltung des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Fahrzeugantriebs weist der als Lüfterrad ausgeführte Rotor Strömungskanäle auf, die im Rotor mit einer vergrößerten Oberfläche ausgeführt sind. Wird der Rotor in vorteilhafter Weise aus metallischem Material gefertigt, so kann durch die vergrößerte Oberfläche eine optimale Abfuhr der Abwärme erreicht werden. In vorteilhafter Ausgestaltung des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Fahrzeugantriebs weist ein Spulenhalter einen Außenring auf, in welchem sich in Umfangsrichtung verlaufende, schlitzförmige Öffnungen befinden, die einen Lufteintritt in die Strömungskanäle darstellen.
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In vorteilhafter Weiterbildung des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Fahrzeugantriebs umfasst der Rotor Rotorblätter, die die Strömungskanäle am Luftaustritt begrenzen. Die Rotorblätter an der Luftaustrittsseite des Rotors können beispielsweise in Form einer Verrippung ausgebildet sein.
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In vorteilhafter Weiterbildung des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Fahrzeugantriebs ist die Bremseinrichtung, insbesondere die Wirbelstrombremse, auf einer einem möglicherweise geschlossen ausgebildeten Felgendeckel abgewandten Seite, insbesondere einer Radinnenseite eines luftdurchströmten Radkastens des Fahrzeugs angeordnet. Dadurch ist eine zuverlässige Zirkulation von Umgebungsluft gewährleistet, an welcher die Abwärme dissipiert werden kann.
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In vorteilhafter Weiterbildung des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Fahrzeugantriebs ist die mit dem Fahrzeugrad gekoppelte Getriebeeinheit ein Übersetzungsgetriebe mit einem Übersetzungsverhältnis i > 1. Dadurch ergibt sich eine höhere Drehzahl der Komponenten des Fahrzeugantriebs, verglichen mit der Drehzahl des abzubremsenden Rads.
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In vorteilhafter Weiterbildung des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Fahrzeugantriebs verläuft die Durchströmung des als Lüfterrad gestalteten Rotors, ausgehend von den in einem Spulenhalter angeordneten schlitzförmigen Öffnungen in die Strömungskanäle des als Lüfterrad ausgeführten Rotors.
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In vorteilhafter Weiterbildung des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Fahrzeugantriebs ist die Bremseinrichtung, insbesondere die Wirbelstrombremse in Radialbauweise gestaltet, derart, dass im Spulenhalter angeordnete Erregerspulen einen Radialluftspalt zu einem insbesondere durchgängig verlaufenden Außenring bilden. Alternativ besteht die Möglichkeit, einen Axialluftspalt mit Spulen und einen durchgehenden Ring am Rotor in axialer Richtung vorzusehen.
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In vorteilhafter Weiterbildung des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Fahrzeugantriebs ist der Fahrzeugantrieb als Einzelradantrieb, insbesondere als Radnabenantrieb ausgeführt. Eine derartige Ausgestaltung ermöglicht eine kompakte und gewichtssparende Bauweise, insbesondere eine bauraumsparende Unterbringung des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Fahrzeugantriebs.
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In vorteilhafter Weiterbildung des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Fahrzeugantriebs wird ein Luftstrom abhängig von der Drehrichtung des Fahrzeugrads entweder durch die schlitzförmigen Öffnungen im Spulenhalter angesaugt und auf der Radinnenseite aus dem Rotor ausgestoßen oder umgekehrt.
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Darüber hinaus bezieht sich die Erfindung auf die Verwendung des Fahrzeugantriebs in einem Personenfahrzeug, in einem Lieferwagen, einem Transportfahrzeug, einem Omnibus, einem Kleinbus, einem Zweiradfahrzeug, einem Dreiradfahrzeug, einem Mehrradfahrzeug, einer LKW-Zugmaschine, einem Militärfahrzeug oder in einem Schienenfahrzeug.
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Vorteile der Erfindung
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Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung kann die Temperatur im Einzelradantrieb durch gezielte Luftführung und höhere Drehzahlen schneller gesenkt werden, verglichen mit konventionellen Scheiben- oder Trommelbremsen, die auf Raddrehzahlniveau drehen. Die Erhöhung der Drehzahl erfolgt mit Hilfe einer zur Wirbelstrombremse in Reihe geschalteten Getriebeeinheit, insbesondere eines Planetengetriebes, und der gezielten Luftführung durch den als Lüfterrad der Wirbelstrombremse ausgebildeten Rotor. Da zukünftig zu erwarten ist, dass an Fahrzeugrädern möglicherweise Felgensterne geschlossen ausgebildet werden, d. h. mit einem Felgendeckel oder dergleichen verschlossen werden, um den Verbrauch eines Fahrzeugs aufgrund des verringerten Luftwiderstands abzusenken, kann durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung eine wirksame Alternative zur Entwärmung des als Einzelradantrieb ausgebildeten Fahrzeugantriebs bereitgestellt werden. Eine gezielte Luftführung des Luftstroms und ein höheres Drehzahlniveau sowie der Verbau der Wirbelstrombremse auf der luftdurchströmten Radkastenseite am Fahrzeug leisten hierzu einen nicht unerheblichen Beitrag.
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Insbesondere können durch den Einsatz kleinerer und leichter ausgelegter Bauteile Kosten- und Verbrauchsvorteile entstehen. Durch die Konfiguration des als Lüfterrad ausgebildeten Rotors der Wirbelstrombremse kann die Fläche, die zur Entwärmung genutzt werden kann, sowie deren Durchströmung und damit die Kühlwirkung erheblich verbessert werden. Bei der Rotation der Antriebswelle kann die Umgebungsluft, je nach Drehrichtung und Orientierung der Rotorblätter des Lüfterrads, entweder von innen nach außen oder von außen nach innen geführt werden. Demzufolge strömt der Luftstrom durch den Spulenhalter und den als Lüfterrad ausgebildeten Rotor. Ein durchgehend ausgebildeter Außenring wird in Wechselwirkung mit den radial zu diesen angeordneten Erregerspulen im Bremsfall abgebremst und erhitzt den gesamten aus metallischem Material als Lüfterrad ausgebildeten Rotor, der durch die gezielte Luftführung, wie oben beschrieben, sehr wirkungsvoll entwärmt werden kann.
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Der erfindungsgemäß vorgeschlagene Fahrzeugantrieb ist selbstverständlich nicht nur in radialer Anordnung seiner Komponenten ausbildbar, sondern kann beispielsweise einen axial orientierten, durchgehenden Ring am Rotor und in axialer Richtung orientierte Erregerspulen beziehungsweise Permanentmagnete umfassen. Beide Ausführungsvarianten sind möglich.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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Es zeigen:
- 1 eine perspektivische Ansicht des erfindungsgemäß vorgeschlagenen, insbesondere als Einzelrad ausgebildeten Fahrzeugantriebs und
- 2 einen Schnitt durch das in 1 perspektivisch dargestellte Fahrzeugrad und den in diesem aufgenommenen Fahrzeugantrieb.
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Ausführungsformen der Erfindung
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In der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsformen der Erfindung werden gleiche oder ähnliche Elemente mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente in Einzelfällen verzichtet wird. Die Figuren stellen den Gegenstand der Erfindung nur schematisch dar.
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1 zeigt einen Fahrzeugantrieb 10, der vorliegend beispielsweise als Einzelradantrieb 12 ausgebildet ist. Dieser umfasst ein Fahrzeugrad 14, dessen Felge 16 einen Reifen 18 aufnimmt, an dem eine Lauffläche 20 ausgebildet ist. Innerhalb der Felge 16 ist eine elektrische Maschine 22 angeordnet, die ein Gehäuse 24 umfasst. Die elektrische Maschine 22 umfasst eine Antriebswelle 26, die mit einer Getriebeeinheit 40 (vgl. Schnittdarstellung gemäß 2) gekoppelt ist.
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Der Einzelradantrieb 12 umfasst darüber hinaus eine Bremseinrichtung 29, die vorliegend als Wirbelstrombremse 30 ausgebildet ist. Deren Rotor 28 ist, wie in der perspektivischen Darstellung gemäß 1 zu erkennen, in der Bauweise eines Lüfterrads 48, in Umfangsrichtung 56 verteilt angeordnete Rotorblätter 52 aufweisend, ausgeführt. Der Rotor 28 der Bremseinrichtung 29 ist von einem sich in Umfangsrichtung erstreckenden Spulenhalter 32 umschlossen, in dem eine Anzahl von Erregerspulen angeordnet ist, die in 1 jedoch durch den sich in Umfangsrichtung 56 erstreckenden Spulenhalter 32 abgedeckt sind. Zwischen dem Spulenhalter 32 und einem sich durchgängig erstreckenden Außenring 50 sind gemäß der perspektivischen Ansicht des Fahrzeugantriebs 10 gemäß 1 eine Anzahl von in Umfangsrichtung 56 nebeneinanderliegend angeordneten, schlitzförmigen Öffnungen 58 angeordnet. Diese stellen entweder, je nach Durchströmungsrichtung eines Luftstroms 64 (vgl. Darstellung gemäß 2), einen Lufteintritt 36 beziehungsweise einen Luftaustritt 38 dar. In Form einer Verrippung 54 ausgebildete Rotorblätter 52 erstrecken sich über den Außenring 50 hinaus, was bedeutet, dass sich der durchgehend ausgeführte Außenring 50 nicht über die gesamte axiale Länge der Rotorblätter 52 erstreckt. Aus der Darstellung gemäß 1 geht hervor, dass der Fahrzeugantrieb 10 neben der elektrischen Maschine 22 und dem als Planetengetriebe ausgebildeten Übersetzungsgetriebe besagte Getriebeeinheit 40 enthält sowie die in 1 durch den Spulenhalter 32 verdeckten Erregerspulen. Die als Wirbelstrombremse 30 ausgebildete Bremseinrichtung 29 umfasst besagten Rotor 28, den Spulenhalter 32 sowie in diesem angeordnete Erregerspulen. Die Bremswirkung der hier als Erregerspulen ausgebildeten Elektromagnete kann auch durch Permanentmagnete realisiert werden. Die Raddrehzahl des Fahrzeugrads 14 gemäß der Darstellung in 1 wird über die Getriebeeinheit 40 und die Antriebswelle 26 an die elektrische Maschine 22 und die als Wirbelstrombremse 30 ausgebildete Bremseinrichtung 29 geleitet. Hierdurch ergeben sich höhere Drehzahlen an diesen Komponenten, verglichen mit der Drehzahl des Fahrzeugsrads 14, sowie geringere Momente, die auf den Antrieb und die Bremsen wirken, bei einer Getriebeübersetzung i > 1. Dadurch lässt sich die als Wirbelstrombremse 30 ausgebildete Bremseinrichtung 29 kleiner dimensionieren.
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Der erfindungsgemäß vorgeschlagene Fahrzeugantrieb 10, insbesondere gestaltet als Einzelradantrieb 12, zeichnet sich dadurch aus, dass der Rotor 28 der als Bremseinrichtung 29 ausgebildeten Wirbelstrombremse 30 ein innendurchströmter Rotor 28 ist, welcher so ausgeformt ist, dass dieser im Bereich der Erregerspulen 34 Wirbelströme zum Bremsen ausbildet und am restlichen Körper als Lüfterrad 48 mit möglichst großer Oberfläche fungiert. Dabei wird Umgebungsluft entweder durch die schlitzförmigen Öffnungen 58 zwischen Spulenhalter 32 und durchgehendem Außenring 50 angesaugt und auf einer Radinnenseite (vgl. Position 46 in 2) aus dem Rotor 28 ausgestoßen oder umgekehrt, je nach Drehrichtung des Fahrzeugrads 14.
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Der Schnittdarstellung gemäß 2 ist zu entnehmen, dass das dort im Schnitt dargestellte Fahrzeugrad 14 an seiner Radaußenseite 44 mittels eines Felgendeckels 42 verschlossen ist. Durch das Anbringen des Felgendeckels 42 auf der Radaußenseite 44 des Fahrzeugrads 14, nämlich an der Felge 16, wird eine durchgängige Oberfläche geschaffen, welche Verwirbelungen vermeidet und den Luftwiderstand, insbesondere den Luftwiderstandsbeiwert (CW-Wert) des Fahrzeugrads 14 verbessert. 2 zeigt des Weiteren, dass beispielsweise ein Luftstrom 64 über die zwischen dem durchgehenden Außenring 50 einerseits und dem Spulenhalter 32 andererseits angeordneten schlitzförmigen Öffnungen 58, die als Lufteintritt 36 fungieren, in Strömungskanäle 60 des als Lüfterrad 48 ausgebildeten Rotors 28 eintreten. Zur Verbesserung der Entwärmung eines erhitzten, als Lüfterrad 48 ausgebildeten Rotors 28 der als Wirbelstrombremse 30 ausgebildeten Bremseinrichtung 29 kann eine effiziente Entwärmung, d. h. Temperaturabsenkung aufgrund der Durchströmung der Strömungskanäle 60 durch den Luftstrom 64 erreicht werden. Dieser wird derart umgelenkt, dass der Luftstrom 64 nach Passage der Umlenkung 66 auf einer Radinnenseite 46 eines Radkastens 68 eines Fahrzeugs 70 austritt.
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Der Darstellung gemäß 2 lässt sich des Weiteren entnehmen, dass im Inneren des Spulenhalters 32, hier einander gegenüberliegend, eine Anzahl von Erregerspulen 34 angeordnet ist. Anstelle von Erregerspulen 34 können entlang des Umfangs des Spulenhalters 32 in Umfangsrichtung 56 nebeneinanderliegend auch Permanentmagnete angeordnet werden, die dem Außenumfang des als Lüfterrad 48 ausgebildeten Rotors 28 der als Wirbelstrombremse 30 ausgebildeten Bremseinrichtung 29 unter Ausbildung eines Luftspalts gegenüberliegen.
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Zwischen den Erregerspulen 34 und dem durchgehenden Außenring 50 erstreckt sich ein Radialluftspalt. Dieser ist möglichst zu minimieren, jedoch aufgrund von Geschwindigkeitsunterschieden zwischen dem sich drehenden Rotor 28 einerseits und den feststehenden Erregerspulen 34 andererseits maximal klein dimensionierbar. Neben der Radialanordnung, wie sie in 2 dargestellt ist, ist grundsätzlich auch eine axiale Anordnung möglich, d. h. eine axiale Ausrichtung sowohl des durchgehenden Außenrings 50 als auch der Erregerspulen 34 stellen eine praktikable Ausführungsvariante dar.
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Eine vergrößerte Oberfläche der Strömungskanäle 60 des als Lüfterrad 48 ausgebildeten Rotors 28 ist durch Bezugszeichen 62 angedeutet. Je größer die vergrößerte Oberfläche 62 des als Lüfterrad 48 beschaffenen Rotors 28 ausgelegt werden kann, eine desto effektivere Entwärmung lässt sich bei Durchströmung des Rotors 28 durch besagten Luftstrom 64 erreichen.
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Wie oben bereits dargelegt, kann durch die Ausbildung der Getriebeeinheit 40 als Planetengetriebe, insbesondere als Übersetzungsgetriebe erreicht werden, dass die Drehzahl des Rotors 28 der elektrischen Maschine 22 entsprechend der Getriebeübersetzung (i > 1) der als Planetengetriebe ausgebildeten Getriebeeinheit 40 erhöht wird. Dadurch ergeben sich höhere Drehzahlen, verglichen mit der Drehzahl, die am Fahrzeugrad 14 herrscht, sowie geringere Momente, die durch die als Wirbelstrombremse 30 ausgebildete Bremseinrichtung 29 abzubremsen sind. Aufgrund dessen kann die als Wirbelstrombremse 30 ausgelegte Bremseinrichtung 29 deutlich kleiner gestaltet werden.
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Eine wie in den 1 und 2 gestaltete Wirbelstrombremse 30 kann auch in einem Zentralantrieb oder in einer radnahen Antriebs- und Bremseinheit integriert werden. Es ist auf eine ausreichende Luftversorgung der als Wirbelstrombremse 30 ausgebildeten Bremseinrichtung 29 zu deren Entwärmung zu achten.
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Darüber hinaus bezieht sich die Erfindung auf die Verwendung des insbesondere als Einzelradantrieb 12 ausgebildeten Fahrzeugantriebs 10, wie vorstehend anhand der 1 und 2 beschrieben, in einem Personenfahrzeug, einem Lieferwagen, einem Transportfahrzeug, einem Omnibus, einem Kleinbus, einem Zweiradfahrzeug, einem Dreiradfahrzeug, einem Mehrradfahrzeug, einer LKW-Zugmaschine, einem Militärfahrzeug oder in einem Schienenfahrzeug.
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Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr ist innerhalb des durch die Ansprüche angegebenen Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachmännischen Handelns liegen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10 257 617 A1 [0002]
- CH 504320 A [0003]
- DE 10 2013 221 561 A1 [0004]
- DE 10 2023 211 893 A1 [0005]