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Die Erfindung betrifft ein nur elektrisch betriebenes Elektrofahrzeug mit einer elektrischen Antriebseinrichtung, die mindestens eine dem Fahrzeugantrieb dienende elektrische Maschine und ein mit der elektrischen Maschine zusammenwirkendes Getriebe aufweist.
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Stand der Technik
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Elektrofahrzeuge sind prinzipiell bekannt. Nur elektrisch betriebene Elektrofahrzeuge sind als Sonderfahrzeuge wie beispielsweise Gabelstapler oder auch als Fortbewegungsmittel für Menschen, meist in Leichtbauweise und mit geringem Aktionsradius, bekannt. Prinzipiell ist aufgrund der Charakteristik des Elektroantriebs, insbesondere seines Momentverlaufs, ein Wechselgetriebe bei rein elektrisch betriebenen Elektrofahrzeugen nicht erforderlich. Aufgrund der Charakteristik von elektrischen Antrieben wird typischerweise kein Anfahrelement benötigt, insbesondere keine Kupplung, wie sie beispielsweise als Anfahr- und Trennkupplung bei Kraftfahrzeugen mit Brennkraftmaschine zum Einsatz kommt. Getriebe werden aber beispielsweise als einstufige Getriebe auch bei elektrischen Antrieben für Kraftfahrzeuge, insbesondere auch für nur elektrisch betriebene Elektrofahrzeuge, verwendet, um ein bestimmtes Drehzahlverhältnis zwischen elektrischem Antrieb und Antriebsrädern zu ermöglichen. Solche Ausführungsformen sind beispielsweise von den bereits erwähnten Gabelstaplern bekannt. Aus der
DE 102 03 514 A1 ist ein gattungsfremdes Fahrzeug bekannt, das zwar einen elektrischen Antrieb mit einer Elektromaschine aufweist, aber auch und hauptsächlich über eine Brennkraftmaschine betrieben wird. Zu einem solchem Betrieb ist ein Vorgelege-Wechselgetriebe mit einer Last-Vorgelegewelle und einer
Hilfs-Vorgelegewelle offenbart, wobei eine Reibkupplung den Triebstrang zwischen elektrischer Maschine und Abtriebsstrang öffnet. Die elektrische Maschine dient in dieser offenbarten Ausführungsform der Einleitung eines zusätzlichen Moments, insbesondere zur Anfahrunterstützung.
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In der
DE 23 50 950 A wird ein elektrischer Propellerantrieb mit einem Elektromotor beschrieben. Ein Getriebe ist über eine Kupplung mit einem Propeller verbunden.
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In der
DE 25 54 548 A1 wird ein Antriebsaggregat für Elektrofahrzeuge beschrieben, welches ein Wechselgetriebe umfassen kann. Ein automatisches Getriebe und ein zusätzliches dauernd mitlaufendes Getriebe werden genannt, wobei hydraulische Stellglieder genutzt werden können.
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In der Druckschrift Naunheimer, Bretsche, Lechner, Fahrzeugantriebe, 2. Aufl., Berlin Springer, 2007, S. 304 - 305 werden unterschiedliche Schaltelemente in allgemeiner Weise genannt.
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In der
DE 25 55 668 A wird ein Antrieb mit einem Elektromotor für gleislose Fahrzeuge, insbesondere Straßenfahrzeuge beschrieben.
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In der
DE 29 27 793 A wir ein Antriebssystem für Elektrofahrzeuge mit einem Schaltgetriebe und einer zwischen Motor und Antrieb angeordneten Fliehkraftkupplung beschrieben.
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Offenbarung der Erfindung
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Den hohen Konstruktionsaufwand und die Erforderlichkeit einer Reibkupplung vermeidet das vorgeschlagene, nur elektrisch betriebene Elektrofahrzeug das eine elektrische Antriebseinrichtung aufweist, die mindestens eine dem Fahrzeugantrieb dienende elektrische Maschine und ein mit der elektrischen Maschine zusammenwirkendes Getriebe aufweist, wobei vorgesehen ist, dass das Getriebe ein Wechselgetriebe ist, das eine Vorgelegewelle aufweist, mit der die elektrische Maschine stets direkt verbunden ist. Das Getriebe ist als Wechselgetriebe ausgebildet, weist also mindestens zwei (schaltbare) Gangstufen auf. Das Getriebe weist weiter eine Vorgelegewelle auf, wobei die elektrische Maschine stets direkt mit derVorgelegewelle verbunden ist.
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Zwischen elektrischer Maschine und Vorgelegewelle ist demzufolge kein Kupplungselement vorgesehen, insbesondere keine Reibkupplung. Die Vorgelegewelle wird im Betrieb der elektrischen Maschine stets gedreht.
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Des Weiteren sind auf der Vorgelegewelle Vorgelegezahnräder angeordnet, die - in Abhängigkeit von einem gewählten Gang des Getriebes - mit Abtriebszahnrädern einer Abtriebswelle des Wechselgetriebes zusammenwirken können. Der Vorgelegewelle und den dieser zugeordneten Vorgelegezahnrädern entsprechen demzufolge die Abtriebswelle mit den den Vorgelegezahnrädern jeweils korrespondierenden Abtriebszahnrädern, wobei das Zusammenwirken von Vorgelegezahnrad und Abtriebszahnrad in Abhängigkeit der gewählten Gangstufe (dem gewählten Gang) des Getriebes erfolgt.
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In einer weiteren Ausführungsform weist das Elektrofahrzeug eine Handschalteinrichtung und/oder einen maschinell wirkenden Aktor zur Durchführung eines Gangwechsels des Wechselgetriebes auf. Der Gangwechsel kann demzufolge durch die Handschalteinrichtung durch einen Fahrer des Elektrofahrzeugs bewirkt werden, wobei die Handschalteinrichtung entweder mechanisch direkt auf das Wechselgetriebe wirkt, oder aber über den maschinell wirkenden Aktor, oder aber es findet eine (beispielsweise automatisch erfolgende) Schaltung des Gangwechsels durch den maschinell wirkenden Aktor, beispielsweise in Verbindung mit einer entsprechenden Steuer- und/oder Regeleinrichtung, statt.
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In einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Vorgelegezahnräder unverschieblich auf der Vorgelegewelle und dass die Abtriebszahnräder unverschieblich auf der Abtriebswelle angeordnet sind. Dies bedeutet, dass die Vorgelegezahnräder und die Abtriebszahnräder stets im Eingriff sind, demzufolge stets kämmen. Die Zuordnung der Vorgelegezahnräder zu den Abtriebszahnrädern in Axialerstreckung von Vorgelegewelle und Abtriebswelle ist demzufolge im Betrieb des Getriebes unveränderlich. Die kraftschlüssige Verbindung zur Momentübertragung wird durch entsprechende Elemente vorgenommen oder gelöst.
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Bevorzugt ist vorgesehen, dass die Vorgelegezahnräder verdrehbar auf der Vorgelegewelle gelagert sind. Die Vorgelegezahnräder lagern demzufolge in einer solchen Weise auf der Vorgelegewelle, dass mangels kraftschlüssiger Verbindung eine Momentübertragung von dem verdrehbaren kraftschlüssiger
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Verbindung eine Momentübertragung von dem verdrehbaren Vorgelegezahnrad auf die Vorgelegewelle nicht stattfindet, sofern das entsprechende Zahnradpaar nicht als Gangstufe gewählt ist. Zur Herstellung einer kraftschlüssigen Verbindung und zur Momentübertragung zwischen Vorgelegezahnrad und der Vorgelegewelle wird das bereits vorstehend erwähnte Element verwendet.
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Des Weiteren sind die Vorgelegezahnräder - in Abhängigkeit des gewählten Ganges - mittels mindestens einer Formschlussverbindung mit der Vorgelegewelle verbindbar. Die Formschlussverbindung ist hierbei das Element, das die formschlüssige Verbindung zwischen dem Vorgelegezahnrad und der Vorgelegewelle zur Momentübertragung herstellt. Durch die Formschlussverbindung wird eine sichere und wirksame Momentübertragung auch bei hohen, zu übertragenden Momenten sichergestellt. Die Formschlussverbindung wird nur aktiviert, wenn das entsprechende Vorgelegezahnrad mit dem zugeordneten Abtriebszahnrad als Gangstufe wirksam sein soll.
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Die Formschlussverbindung ist als Klauenschaltung ausgebildet. Die Klauenschaltung, beispielsweise in einer von Klauenkupplungen bekannten Ausführung, bietet aufgrund der als Klauen ausgebildeten Mitnahme-/ Drehmomentübertragungselemente eine sehr sichere, wirksame und dabei gleichwohl kostengünstige Formschlussverbindung aus. Auch die Übertragung sehr hoher Drehmomente, wie sie bei Elektromotoren schon bei geringsten Drehzahlen zur Verfügung stehen, sind hierbei möglich, so dass insbesondere ein Anfahrbetrieb, bei dem das stehende Elektrofahrzeug in seiner gesamten Masse beschleunigt werden muss und insofern ein hohes Drehmoment erforderlich ist, ohne unerwünschte Beeinträchtigung der Klauenschaltung/Formschlussverbindung erfolgen kann.
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In einer Ausführungsform ist die Klauenschaltung mittels der Handschalteinrichtung und/oder mittels des Aktors betätigbar. Die Handschalteinrichtung und/oder der Aktor wirken demzufolge auf die Klauenschaltung, nämlich dergestalt, dass mittels der Klauenschaltung nach Betätigung die Formschlussverbindung zwischen dem gewählten Vorgelegezahnrad drehfest mit der Vorgelegewelle verbunden ist. Die Momentübertragung findet demzufolge nach Betätigung der Klauenschaltung zwischen der von der elektrischen Maschine angetriebenen Vorgelegewelle, dem mit dieser nun formschlüssig verbundenen
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Vorgelegezahnrad und dem mit diesem Vorgelegezahnrad ständig im Eingriff stehenden Abtriebszahnrad über die Abtriebswelle statt. Wird das mindestens eine andere Vorgelegezahnrad (nämlich als mindestens eine andere Gangstufe) gewählt, ist die Formschlussverbindung dieses ersten Vorgelegezahnrades, nämlich die Klauenschaltung, geöffnet, wohingegen die Klauenschaltung des mindestens einen anderen Vorgelegezahnrades im Eingriff steht, so dass dieses mit dem ihm zugeordneten Abtriebszahnrad die Momentübertragung bewirkt.
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Die Klauenschaltung weist mindestens ein Klauenelement auf, das axial verschieblich und drehfest auf der Vorgelegewelle lagert und - in Abhängigkeit des gewählten Ganges - mit den Vorgelegezahnrädern zugeordneten Klauen zusammenwirkt. Die Klauenschaltung ist demzufolge so ausgebildet, dass mindestens ein Klauenelement drehfest auf der Vorgelegewelle lagert. Dieses Klauenelement ist axial verschieblich, nämlich so, dass es mit Klauen, die den Vorgelegezahnrädern zugeordnet sind, zusammenwirken kann. Bei Auswahl eines bestimmten Ganges des Wechselgetriebes wird das Klauenelement so auf der Vorgelegewelle verschoben, dass es mit den Klauen des dieser Gangstufe zugeordneten Vorgelegezahnrades zusammenwirkt, nicht aber mit den Klauen des mindestens einen anderen Vorgelegezahnrades. Bei Auswahl eines anderen Ganges wird das soeben erwähnte Zusammenwirken aufgehoben, das Klauenelement axial hin zu dem mindestens einen anderen Vorgelegezahnrad verschoben, bis die diesem zugeordneten Klauen in Eingriff mit dem Klauenelement kommen und eine Momentübertragung mit diesem Vorgelegezahnrad stattfindet.
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Weiter wird ein Verfahren zum Betreiben eines nur elektrisch betriebenen Elektrofahrzeugs vorgeschlagen, insbesondere nach einer oder mehrerer der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen, wobei das Elektrofahrzeug eine elektrische Antriebseinrichtung aufweist, die mindestens eine dem Fahrzeugantrieb dienende elektrische Maschine und ein mit der elektrischen Maschine zusammenwirkendes Getriebe aufweist. Dabei ist vorgesehen, dass als Getriebe ein Wechselgetriebe verwendet wird, das eine Vorgelegewelle aufweist, die stets direkt von der elektrischen Maschine angetrieben wird.
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Vor Schließen der Formschlussverbindung, insbesondere bei Ausbildung als Klauenschaltung mit Klauen und Klauenelement, wird über die elektrische 5
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Maschine die Drehzahl der Vorgelegewelle und damit des Klauenelements in einer solchen Weisen angepasst, dass die Klauen ohne unerwünschte Friktionen ineinander greifen können. Danach wird die gewünschte Drehzahl eingestellt und die Momentbeaufschlagung vorgenommen.
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Weitere vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen und aus Kombinationen derselben.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert, ohne aber hierauf beschränkt zu sein.
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Es zeigen
- 1 eine schematische Darstellung einer elektrischen Antriebseinrichtung mit Wechselgetriebe;
- 2 einen Drehzahlverlauf vor, während und nach dem Schaltvorgang und
- 3 einen Momentenverlauf vor, während und nach dem Schaltvorgang.
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1 zeigt eine elektrische Antriebseinrichtung 1 für ein lediglich schematisch dargestelltes Elektrofahrzeug 2. Die elektrische Antriebseinrichtung 1 weist eine elektrische Maschine 3, nämlich einen Elektromotor 4 auf, der dem elektrischen Antrieb des Elektrofahrzeugs 2 dient und hierzu mit einem Getriebe 5 über dessen Vorgelegewelle 6 drehfest direkt verbunden ist. Das Getriebe 5 ist als Wechselgetriebe 7 ausgebildet, so dass verschiedene Gangstufen zum Antrieb des Elektrofahrzeugs 2 mit entsprechender Untersetzung/Übersetzung auf einem Abtriebsstrang 8 und den diesem nachgeordneten Triebstrang 9 gewählt werden können. Das Getriebe 5 weist hierzu auf der Vorgelegewelle 6 zwei Vorgelegezahnräder 10 auf, nämlich ein erstes Vorgelegezahnrad 10.1 und ein zweites Vorgelegezahnrad 10.2. Die Vorgelegezahnräder 10 sind verdrehbar, aber nicht axial verschieblich auf der Vorgelegewelle 6 gelagert. Jedes der Vorgelegezahnräder 10 korrespondiert mit einem Abtriebszahnrad 11, wobei die Vorgelegezahnräder 10 mit den Abtriebszahnrädern 11 stets im Eingriff stehen. Es kämmt demzufolge das erste Vorgelegezahnrad 10.1 mit einem ersten Abtriebszahnrad 11.1 und das zweite Vorgelegezahnrad 10.2 mit dem zweiten Abtriebszahnrad 11.2. Die Abtriebszahnräder sind hierbei drehfest auf einer dem Abtriebsstrang 8 zugehörigen Abtriebswelle 12 angeordnet. Die Abtriebswelle 12 ist hierbei mit dem restlichen Triebstrang 9 fest verbunden. Den Vorgelegezahnrädern 10 zugeordnet ist eine Klauenschaltung 13, die axial verschieblich und drehfest auf der Vorgelegewelle 6 lagert. Die Klauenschaltung 13 kann über eine (hier nicht dargestellte) Handschalteinrichtung von einem Fahrer des Elektrofahrzeugs 2 oder aber von einem maschinell wirkenden Aktor 14 betätigt werden. Die Klauenschaltung 13 weist hierbei Klauenelemente 15 auf, die mit den Vorgelegezahnrädern 10 zugeordneten Klauen 16 zur jeweiligen Herstellung einer Formschlussverbindung 17 in Wechselwirkung treten können. Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind zwei Gänge 18 wählbar, nämlich ein erster Gang 18.1 und ein zweiter Gang 18.2, wobei der erste Gang 18.1 durch die Kombination des ersten Vorgelegezahnrades 10.1 mit dem ersten Abtriebszahnrad 11.1 und der zweite Gang 18.2 durch ein Zusammenwirken des zweiten Vorgelegezahnrades 10.2 mit dem zweiten Abtriebszahnrad 11.2 verwirklicht wird. Die Nummerierung als erster Gang 18.1 beziehungsweise zweiter Gang 18.2 dient hierbei lediglich der Differenzierung, ohne durch die Nummerierung als erster oder zweiter Gang 18.1, 18.2 eine Aussage über Untersetzungs- oder Drehzahlverhältnisse zu treffen. Zur Auswahl eines Ganges 18 wird das axial verschiebliche Klauenelement 15 in Richtung auf das dem jeweiligen Gang 18 zugeordnete Vorgelegezahnrad 10 hin bewegt, bis sich die Klauenelemente 15 formschlüssig mit den Klauen 16 des jeweils gewählten Vorgelegezahnrades 10 verbinden. Eine Momentübertragung von der Vorgelegewelle 6 auf das jeweilige Vorgelegezahnrad 10 findet nur dann statt, wenn das Klauenelement 15 der Klauenschaltung 13 das, wie vorstehend beschrieben, auf der Vorgelegewelle 6 frei drehbar gelagerte Vorgelegezahnrad 10 durch die Formschlussverbindung 17 formschlüssig mit der Vorgelegewelle 6 verbindet. Die Klauenschaltung 13 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel so ausgelegt, dass entweder der erste Gang 18.1 oder aber der zweite Gang 18.2 mit nur einem einzigen Klauenelement 15 wählbar ist; das Klauenelement 15 rückt demzufolge entweder in Klauen 16 des ersten Vorgelegezahnrades 10.1 oder, unter Freigabe der Klauen des ersten Vorgelegezahnrades 10.1, in Klauen 16 des zweiten Vorgelegezahnrades 10.2 ein, wobei das jeweils in dieser Art drehfest mit der Vorgelegewelle 6 über die Klauenschaltung 13 verbundene Vorgelegezahnrad 10 der Momentübertragung dient. Über die elektrische Maschine 3 wird während der Axialverschiebung des Klauenelements 15 ein Drehzahlangleich vorgenommen, so dass das Klauenelement 15 in die Klauen 16 des jeweils gewählten Vorgelegezahnrades 10 eingreifen kann, ohne dass es zu unerwünschten Friktionen zwischen Klauenelement 15 und Klauen 16 aufgrund von Drehzahlverschiedenheit kommt.
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2 erläutert in einem Diagramm 19 den Schaltvorgang 20 in Darstellung der Drehzahl n über der Zeit t, untergliedert in Phasen 21, wohingegen 3 in einem Diagramm 19 den Schaltvorgang 20 in einer Darstellung des Moments M über der Zeit t für dieselben Phasen 21 des Schaltvorgangs 20 erläutert. Zu einem Zeitpunkt t1 wird, wie aus 3 ersichtlich ist, die in 1 dargestellte elektrische Antriebseinrichtung 1 momentfrei gemacht, das Moment M sinkt demzufolge auf Null, wohingegen die Drehzahl n, wie aus 2 ersichtlich, im Wesentlichen noch unverändert ist. Das abgegebene Moment M des Elektromotors beziehungsweise das übertragene Moment M des jeweiligen Zahnradpaares wird hierzu auf Null geregelt. Zwischen dem Zeitpunkt t1 und einem nachfolgenden Zeitpunkt t2 wird vom Aktor 14, wie in 1 dargestellt, der aktuell gewählte Gang 18 herausgenommen, also die Formschlussverbindung 17 zwischen der Vorgelegewelle 6 und dem jeweils zugeordneten Vorgelegezahnrad 10 gelöst. Die Vorgelegewelle 6 mit dem drehfest verbundenen Klauenelement 15 wird, wie aus 2 ersichtlich ist, zwischen dem Zeitpunkt t2 und einem nachfolgenden Zeitpunkt t3 auf die durch den anderen Gang 18 vorgegebene, neue Drehzahl n geregelt, also über die elektrische Maschine 3 aktiv synchronisiert; diese Drehzahl n wird beibehalten beziehungsweise zur Positionierung der Klauen 16 in formentsprechender Gegenüberlage des Klauenelements 15 eine minimale Drehzahldifferenz realisiert, abhängig von der Ausführung der Klauen 16 und den Positionierungsmöglichkeiten des Klauenelements 15 der Klauenschaltung 13. Zum Zeitpunkt t3 wird die Formschlussverbindung 17 mit dem Vorgelegezahnrad 10 des zu wählenden Ganges 18 hergestellt, demzufolge der gewählte Gang 18 eingelegt. Die Drehzahl n wird hierbei beibehalten, wie aus 2 ersichtlich, es findet bis zur vollständigen Herstellung der Formschlussverbindung 17 eine geringe Momentbeaufschlagung statt. Mit Herstellung der vollständigen, formschlüssigen Formschlussverbindung 17 des Klauenelements 15 in den Klauen 16 des Vorgelegezahnrades 10 des gewählten Ganges 18 findet zum Zeitpunkt t4 die Beaufschlagung der elektrischen Antriebseinrichtung 1 (des Triebstranges) mit dem zum Fahrbetrieb geforderten Moment statt.
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Durch die aktive Synchronisierung der Vorgelegewelle 6 und dem mit dieser drehfest verbundenen, axial verschieblichen Klauenelement 15 zur Realisierung der Klauenschaltung 13 kann die aus dem Stand der Technik bekannte, übliche Synchronvorrichtung, wie sie ansonsten für die Klauenschaltung 13 erforderlich wäre, vollständig entfallen. Auf diese Weise ist es möglich, in kostengünstiger Art und Weise mehrstufige Getriebe 5 (Wechselgetriebe 7) für Elektrofahrzeuge 2 auszubilden, wodurch den elektrischen Maschinen 3 ein weiterer, breitbandiger Drehzahl- und Momentenbereich zur Verfügung gestellt wird, so dass solcher Art ausgestattete Elektrofahrzeuge 2 universeller und in einem wesentlich weiteren Einsatzbereich und Einsatzradius bewegt werden können, da Drehzahl n und Moment M den jeweils tatsächlich erforderlichen Bedürfnissen besser angepasst werden und insbesondere die elektrische Maschine 3 in geeigneten Fällen auch mit geringerer Leistung ausgeführt werden kann, ohne dass Einbußen im Fahrbetrieb zu erwarten sind.