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Die Erfindung betrifft eine elektrische Achsantriebseinheit (auch als elektrische Achse / E-Achse bezeichnet) für ein Elektrofahrzeug / elektrisch angetriebenes Kraftfahrzeug, wie ein Pkw, Lkw, Bus oder sonstiges Nutzfahrzeug.
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Bei allgemein bekannten E-Achsen rein elektrisch angetriebener Fahrzeuge wird die Energie des Bremsvorgangs im Normalfall rekuperiert. Wenn der Akku jedoch voll ist bzw. bei einem Notbremsvorgang, kurz bei Verzögerung größer ca. 0,5 G, bei dem auch der Einsatz des ABS üblicherweise notwendig ist, wird prinzipiell eine zusätzliche Bremse benötigt. In Fahrzeugen mit elektrischen Antrieben, die gegenwärtig auf dem Markt sind, wird daher eine zusätzliche konventionelle mechanische Bremsanlage eingebaut, die separat zu der elektrischen Antriebseinheit ausgebildet ist. Dadurch wird häufig relativ viel Bauraum in Anspruch genommen.
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Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine elektrische Achsantriebseinheit zur Verfügung zu stellen, die eine kompaktere Bauweise ermöglicht.
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Dies wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des Anspruchs 1 gelöst. Demnach ist eine elektrische Achsantriebseinheit für ein Elektrofahrzeug umgesetzt, welche Achsantriebseinheit einen Elektromotor, wobei ein Stator des Elektromotors in einem Gehäuse fest aufgenommen ist und ein relativ zu dem Stator verdrehbar gelagerter Rotor des Elektromotors mit einer Radnabe drehgekoppelt ist, sowie eine in dem Gehäuse integrierte, zumindest teilweise konzentrisch zu der Radnabe angeordnete und mit der Radnabe in Wirkzusammenhang stehende Bremseinrichtung aufweist, wobei eine Betätigungseinheit der Bremseinrichtung an dem Gehäuse angebracht ist.
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Durch eine derartige erfindungsgemäße Achsantriebseinheit ist die Bremseinrichtung, die für das jeweilige Rad in bestimmten Betriebszuständen zusätzlich notwendig ist, in besonders kompakter Weise in die Achsantriebseinheit integriert. Auch werden die ungefederten Massen an dem jeweiligen Rad des Fahrzeuges deutlich reduziert.
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Weitere vorteilhafte Ausführungen sind mit den Unteransprüchen beansprucht und nachfolgend näher erläutert.
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Ist die Betätigungseinheit zumindest teilweise radial außerhalb einer mit der Radnabe verbundenen Achswelle angeordnet, ist sie besonders kompakt in bestehendem Bauraum integrierbar.
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Auch hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn die Betätigungseinheit einen konzentrischen Bremszylinder aufweist. Dadurch wird die Kompaktheit weiter verbessert. In diesem Zusammenhang ist es insbesondere vorteilhaft, wenn der konzentrische Bremszylinder konzentrisch zu der Radnabe / der Achswelle angeordnet ist.
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Es ist auch vorteilhaft, alternativ hierzu eine mechanische Betätigungseinheit vorzusehen. Dadurch werden insbesondere die Herstellungskosten der Betätigungseinheit gering gehalten.
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Ist ein zumindest eine Bremsscheibe aufweisender erster Bremsbestandteil der Bremseinrichtung über einen Formschluss drehfest mit der Radnabe verbunden, ist ebenfalls eine besonders kompakte Anbindung eines ersten Bremsbestandteils der Bremseinrichtung umgesetzt.
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In diesem Zusammenhang ist es besonders zweckmäßig, wenn die zumindest eine Bremsscheibe über eine Verzahnung (Steckverzahnung) unmittelbar mit der Radnabe oder einem mit der Radnabe oder der Achswelle verbundenen Nabenelement drehverbunden ist.
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Die Bremseinrichtung ist des Weiteren besonders geschickt aufgebaut, wenn ein mit dem ersten Bremsbestandteil zusammenwirkender zweiter Bremsbestandteil der Bremseinrichtung gehäusefest weiter verbunden / aufgenommen ist.
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Weist die Betätigungseinheit eine Aufnahmehülse auf, wobei die Aufnahmehülse derart angeordnet und weiterverbunden ist, dass ein geschlossener Kraftfluss bei Aufbringen einer Bremskraft durch die Betätigungseinheit erzeugt ist, ergibt sich eine besonders geschickte interne Umleitung des Kraftflusses. Die entstehenden Bremskräfte / Betätigungskräfte sind dadurch robust abgestützt.
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Als besonders geschickt hat es sich herausgestellt, wenn der zweite Bremsbestandteil unmittelbar auf diese Aufnahmehülse angebracht / auf dieser Aufnahmehülse aufgenommen ist.
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Zudem ist es für die kompakte Aufnahme der Bremseinrichtung / Betätigungseinheit von Vorteil, wenn die Betätigungseinheit ein Aktorgehäuse, das zu einer ersten axialen Seite an der Aufnahmehülse fest abgestützt ist, sowie ein in oder an dem Aktorgehäuse relativverschieblich aufgenommenes Stellglied aufweist, welches Stellglied zu einer der ersten axialen Seite abgewandten zweiten axialen Seite auf die zumindest eine, axial zwischen dem Stellglied und einem Gegenhaltebereich der Aufnahmehülse angeordnete Bremsscheibe einwirkt.
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Für einen weiter vereinfachten Aufbau ist es zudem zweckmäßig, wenn die Betätigungseinheit mit ihrem Aktorgehäuse direkt oder indirekt an dem Gehäuse aufgenommen ist und mit ihrem Stellglied auf die zumindest eine, axial zwischen dem Stellglied und dem Gehäuse angeordnete Bremsscheibe einwirkt.
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Ist die Betätigungseinheit in einem Nassraum angeordnet, wird die Kompaktheit weiter erhöht.
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In diesem Zusammenhang ist es alternativ auch zweckmäßig, wenn die Betätigungseinheit außerhalb des Nassraums angeordnet ist.
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In anderen Worten ausgedrückt, ist somit erfindungsgemäß ein integriertes Bremssystem (Bremseinrichtung) in einer E-Achse (Achsantriebseinheit) umgesetzt. Insbesondere schlägt die Erfindung die Integration eines konzentrischen Bremszylinders in die E-Achse vor. Die Bremsscheibe / Lamellen können über Verzahnungen (innen / außen) mit der Radnabe oder mit der Achse (Achswelle) verbunden sein. Die Verbindung mit der Achse kann über eine eigenständige Nabe (Nabenelement) erfolgen. Für den geschlossenen Kraftfluss innerhalb des E-Achsengehäuses (Gehäuse) ist eine entsprechende Hülse (Aufnahmehülse) weiter bevorzugt vorgesehen.
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Die Erfindung wird nun nachfolgend anhand von Figuren näher erläutert, in welchem Zusammenhang auch verschiedene Ausführungsbeispiele dargestellt sind.
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Es zeigen:
- 1 eine Längsschnittdarstellung einer erfindungsgemäßen elektrischen Achsantriebseinheit nach einem ersten Ausführungsbeispiel, wobei eine Bremseinrichtung auf eine Radnabe einwirkt,
- 2 eine Detailansicht der Achsantriebseinheit nach 1 im Bereich der Bremseinrichtung,
- 3 eine perspektivische Ansicht des in 2 dargestellten detaillierten Längsschnittbereichs der Achsantriebseinheit,
- 4 eine Längsschnittdarstellung einer erfindungsgemäßen elektrischen Achsantriebseinheit nach einem zweiten Ausführungsbeispiel, wobei die Bremseinrichtung nun innerhalb eines Nassraumes angeordnet ist,
- 5 eine perspektivische Darstellung der in 4 eingesetzten Bremseinrichtung,
- 6 eine Längsschnittdarstellung einer erfindungsgemäßen elektrischen Achsantriebseinheit nach einem dritten Ausführungsbeispiel, wobei ein mit einer Radnabe drehgekoppelter Bremsbestandteil nun ein zusätzliches Nabenelement aufweist,
- 7 eine perspektivische Detailansicht der Betätigungseinheit in dem Längsschnittbereich nach 6, sowie
- 8 eine schematische Längsschnittdarstellung einer erfindungsgemäßen elektrischen Achsantriebseinheit nach einem vierten Ausführungsbeispiel, wobei ein entsprechend geschlossener Kraftfluss der Betätigungseinheit über ein Gehäuse der Achsantriebseinheit geleitet ist.
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Die Figuren sind lediglich schematischer Natur und dienen ausschließlich dem Verständnis der Erfindung. Die gleichen Elemente sind mit denselben Bezugszeichen versehen. Des Weiteren sind die verschiedenen Merkmale der unterschiedlichen Ausführungsbeispiele frei miteinander kombinierbar.
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In 1 ist zunächst ein Aufbau einer erfindungsgemäßen elektrischen Achsantriebseinheit 1 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel zu erkennen. Soweit nachfolgend nicht anders beschrieben, entsprechen die weiteren zweiten bis vierten Ausführungsbeispiele der 4 bis 8 in Funktion und Aufbau diesem ersten Ausführungsbeispiel. Der Kürze wegen sind somit lediglich die Unterschiede zwischen den einzelnen Ausführungsbeispielen beschrieben.
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Die elektrische Achsantriebseinheit 1 ist auch als so genannte E-Achse bezeichnet. Die Achsantriebseinheit 1 weist einen integrierten Elektromotor 2 auf. Der Elektromotor 2 ist im Betrieb zum Antrieb einer Radnabe 6 bzw. einer mit der Radnabe 6 drehverbundenen Achswelle 9 eingesetzt. Die Radnabe 6 ist auf typische Weise weiter mit einer Felge eines Antriebsrades des Fahrzeuges weiter verbunden. Der Elektromotor 2 ist mit seinem Stator 3 und seinem relativ zu dem Stator 3 drehbar gelagerten Rotor 5 konzentrisch zu einer zentralen Drehachse 21 der Radnabe 6 / der Achswelle 9 angeordnet. Die Achswelle 9 durchdringt den Elektromotor 2 folglich radial innerhalb dessen Rotors 5. Der Elektromotor 2 ist mit seinem Stator 3 wiederum fest in einem zentralen Gehäuse 4 (auch als Antriebsgehäuse bezeichnet) der Achsantriebseinheit 1 aufgenommen. Die Achswelle 9 und die Radnabe 6 sind auf typische Weise relativ zu diesem Gehäuse 4 relativverdrehbar gelagert.
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Die nachfolgenden Richtungsbezeichnungen axial, radial sowie Umfangsrichtung beziehen sich auf die zentrale Drehachse 21. Unter axialer Richtung ist folglich eine Richtung entlang der Drehachse 21, unter radialer Richtung eine Richtung senkrecht zu der Drehachse 21 und in Umfangsrichtung eine Richtung entlang einer konzentrisch um die Drehachse 21 herum verlaufenden Kreislinie zu verstehen.
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Erfindungsgemäß ist in der Achsantriebseinheit 1, d. h. in dem Gehäuse 4, eine mit der Radnabe 6 bzw. mit der mit der Radnabe 6 verbundenen Achswelle 9 zusammenwirkende Bremseinrichtung 7 integriert. Die Bremseinrichtung 7 ist an dem Gehäuse 4 aufgenommen. Gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel ist die weitere Ausbildung sowie die Aufnahme der Bremseinrichtung 7 besonders gut in 2 zu erkennen. Hierbei wird deutlich, dass ein erster Bremsbestandteil 12 der Bremseinrichtung 7 unmittelbar drehfest an der Radnabe 6 aufgenommen ist. Dieser erste Bremsbestandteil 12 weist eine (erste) Bremsscheibe 11 auf. Die als Lamelle ausgebildete erste Bremsscheibe 11 ist, wie dann in 3 näher zu erkennen, formschlüssig an der Radnabe 6 aufgenommen. Die Radnabe 6 bildet hierzu einen axial vorspringenden ringförmigen Zapfenbereich 22 aus, zu dessen radialer Innenseite eine Aufnahmeverzahnung 23 ausgebildet ist. Diese Aufnahmeverzahnung 23 nimmt eine entsprechende Verzahnung 13 (Außenverzahnung) an einer radialen Außenseite der ersten Bremsscheibe 11, unter Ausbildung einer so genannten Steckverzahnung, auf. Dadurch ist die erste Bremsscheibe 11 im Wesentlichen in axialer Richtung relativverschieblich zu der Radnabe 6 angeordnet, jedoch drehfest mit der Radnabe 6 über den Formschluss verbunden.
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Ein zweiter Bremsbestandteil 15 der Bremseinrichtung 7 ist gehäusefest, d. h. fest an dem Gehäuse 4, angebracht. Der zweite Bremsbestandteil 15 ist in Abhängigkeit eines Steuerungszustandes einer Betätigungseinheit 8 der Bremseinrichtung 7 mit dem ersten Bremsbestandteil 12, d. h. der ersten Bremsscheibe 11 reibkraftschlüssig verbindbar. Die Betätigungseinheit 8 weist zu diesem Zwecke einen konzentrisch ausgebildeten Bremszylinder 10 auf. Der konzentrische Bremszylinder 10 ist gesamtheitlich ringförmig realisiert und konzentrisch zu der Drehachse 21 angeordnet. Der Bremszylinder 10 weist ein ringförmiges Gehäuse, nachfolgend als Aktorgehäuse 17 bezeichnet, auf. Das Aktorgehäuse 17 ist unmittelbar (mittels Gewindehülse 30 und Blattfeder 31) an dem Gehäuse 4 / an einer Wand 24 des Gehäuses 4 angebracht. In diesem Zusammenhang ist auch zu erkennen, dass die Betätigungseinheit 8 samt des Bremszylinders 10 in axialer Richtung außerhalb eines durch die Wand 24 begrenzten Nassraums 20 der Achsantriebseinheit 1 angeordnet ist. Der Nassraum 20 dient auf typische Weise zum Aufnehmen eines Kühlmediums für den Elektromotor 2. Die (einen durch Deckel gebildete) Wand 24 ist zu ihrer radialen Innenseite hin über eine Dichtung 25 zu einer radialen Außenseite der Radnabe 6 abgedichtet.
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In axialer Richtung relativ zu dem Aktorgehäuse 17 verschieblich ist in dem Aktorgehäuse 17 ein Stellglied 18, hier in Form eines hydraulischen Druckkolbens realisiert, aufgenommen. Das Stellglied 18 wirkt mit einem Druckstück 26 zusammen, welches Druckstück 26 wiederum zum Kraftbeaufschlagen der ersten Bremsscheibe 11 dient. Das Druckstück 26 wirkt des Weiteren mit einem ebenfalls gehäusefest abgestützten Gegenhaltebereich 19 zusammen, der in radialer Richtung überlappend zu der ersten Bremsscheibe 11 angeordnet ist. Der Gegenhaltebereich 19 bildet somit eine Art (zweite) Bremsscheibe 27 aus. Bei Betätigung der Bremseinrichtung 7 wird folglich die erste Bremsscheibe 11 in axialer Richtung zwischen dem Druckstück 26 und dem Gegenhaltebereich 19 durch Druckbeaufschlagung des Stellglieds 18 eingespannt und somit reibkraftschlüssig verbunden. Dadurch kommt es zu einem entsprechenden Abbremsen der Radnabe 6 relativ zu dem Gehäuse 4.
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In diesem Zusammenhang sei auch darauf hingewiesen, dass der Gegenhaltebereich 19 unmittelbar Teil einer Aufnahmehülse 16 ist, welche Aufnahmehülse 16 wiederum zu ihrer radialen Außenseite das Aktorgehäuse 17 aufnimmt. Das Aktorgehäuse 17 ist dann weiter mit der Wand 24 und somit mit dem Gehäuse 4 verschraubt. Das Aktorgehäuse 17 ist über einen Sicherungsring 28 in axialer Richtung lagegesichert. Das Aktorgehäuse 17 ist folglich zu zwei einander abgewandten ersten und zweiten axialen Seiten hin auf der Aufnahmehülse 16 fixiert.
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Des Weiteren sei darauf hingewiesen, dass es gemäß weiteren Ausführungen prinzipiell auch möglich ist, mehr als eine erste Bremsscheibe 11 oder mehr als eine zweite Bremsscheibe 27 vorzusehen und somit bspw. ein Bremslamellenpaket zu realisieren. Auch ist es prinzipiell möglich eine andere Art einer Betätigungseinheit 8 einzusetzen, so bspw. auch eine mechanische Betätigungseinheit statt der hier gezeigten hydraulischen Bremseinrichtung mittels des hydraulischen Bremszylinders 10. Auch ist es möglich mehrere Bremszylinder 10 einzusetzen.
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In Verbindung mit den 4 und 5 ist dann ein zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Achsantriebseinheit 1 veranschaulicht. Gegenüber dem ersten Ausführungsbeispiel ist die Betätigungseinheit 8 nun innerhalb des Nassraums 20 integriert. Zudem ist der erste Bremsbestandteil 12 nicht mehr unmittelbar an der Radnabe 6 befestigt, sondern an der Achswelle 9. Somit ist die erste Bremsscheibe 11 unmittelbar über ein Nabenelement 14 an der Achswelle 9 angebracht. Wie in 5 zu erkennen, ist die Verzahnung 13 der ersten Bremsscheibe 11 auch nicht mehr als Außenverzahnung, wie in 3 realisiert, sondern als Innenverzahnung. Die entsprechende Aufnahmeverzahnung 23 an dem Nabenelement 14 ist folglich als Außenverzahnung realisiert. Es ergibt sich jedoch wiederum eine drehfeste Verbindung der ersten Bremsscheibe 11 mit dem Nabenelement 14 / der Achswelle 9 über einen Formschluss. Zudem ist das Aktorgehäuse 17 im Wesentlichen radial innerhalb der Aufnahmehülse 16, wie in 5 dargestellt, aufgenommen. Dadurch ergibt sich eine besonders kompakte radiale Schachtelung der Betätigungseinheit 8.
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In Verbindung mit den 6 und 7 ist ein drittes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Achsantriebseinheit 1 realisiert. Im Vergleich zu dem ersten Ausführungsbeispiel ist die Bremseinrichtung 7 samt der Betätigungseinheit 8 in diesem dritten Ausführungsbeispiel, wie bereits in dem zweiten Ausführungsbeispiel, innerhalb des Nassraums 20 eingesetzt. Das Nabenelement 14 ist im Vergleich zu dem zweiten Ausführungsbeispiel jedoch derart ausgebildet, dass die erste Bremsscheibe 11 mit ihrer als Außenverzahnung ausgebildeten Verzahnung 13 formschlüssig in die als Innenverzahnung ausgebildete Aufnahmeverzahnung 23 an dem Nabenelement 14 eingreift. Das Nabenelement 14 ist wiederum drehfest mit der Achswelle 9 direkt verbunden.
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In Verbindung mit 8 ist ein viertes Ausführungsbeispiel prinzipiell veranschaulicht, woraus hervorgeht, dass die Betätigungseinheit 8 prinzipiell auch derart angeordnet sein kann und ausschließlich an dem Gehäuse 4 zu einer ersten axialen Seite hin abgestützt sein kann, dass ein entsprechender bei Betätigung der Betätigungseinheit 8 / der Bremseinrichtung 7 wirkender Kraftfluss über ein weiteres Lager 29 umgeleitet werden kann. Somit kann auch unmittelbar das Gehäuse 4 zum Abstützen der Betätigungskräfte bzw. Gegenkräfte eingesetzt sein.
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In anderen Worten ausgedrückt, wird erfindungsgemäß eine Bremsanlage (Bremseinrichtung 7) in das E-Achsen-Modul (Gehäuse 4) integriert. Die Bremsanlage 7 wird mit einem (bzw. mehreren) konzentrischen Bremszylinder(n) 10 betätigt. Idealerweise wird pro Abtriebsseite eine Bremse 7, respektive ein CBC 10 vorgesehen. So verändert sich auch für eine heutige ESP- / ABS-Steuerung nichts, und das System könnte in eine übliche Steuerung integriert werden. Ein weiterer Vorteil ist, dass die ungefederten Massen am Rad reduziert werden.
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1 zeigt eine Integration direkt an der Radnabe 6 der E-Achse 1, außerhalb des Nassraums 20. Hier ist eine Innenverzahnung 23 an der Radnabe 6 vorgesehen ( 3) und das CBC 10 wird an einem Element (z.B. dem Gehäusedeckel 24) an der E-Achse 1 befestigt. Die Hülse 16 wird so angeordnet, dass ein interner Kraftfluss gewährleistet wird. In 2 lassen sich die einzelnen Bauteile erkennen.
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4 stellt eine „nasses“ Konzept dar: Hier befindet sich das CBC 10 im Nassraum 20. Vorteil ist, dass die Lamellen 11, 27 gekühlt werden und kein Schmutz von außen eindringt. In diesem Konzept wird an der Achse 9 eine Nabe 14 befestigt (z.B. mit einer Verzahnung). An dieser Nabe 14 befindet sich eine Außenverzahnung 23 als Schnittstelle für die Reiblamellen 11 des CBCs 10. Die Hülse 16 in 5 ist nun außen am CBC 10 angeordnet. Dazu sind Aussparungen für die Blattfedern 31 notwendig und zur Befestigung der Hülse 16 werden nun zwei Sicherungsringe 28 benötigt: einen am Gehäuse 4 und einen an der Stahlscheibe zur Reiblamelle.
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6 ist auch ein nasses Konzept, bei dem die Nabe 14 allerdings eine Innenverzahnung 23 (7) als Schnittstelle zum CBC 10 bereitstellt. Diese Anordnung hat den Vorteil, dass die Hülse 16 für den inneren Kraftfluss einfacher und platzsparender angebracht werden kann und keine Aussparungen für andere Bauteile angebracht werden müssen. Zudem benötigt diese Anordnung nur einen Sicherungsring 28.
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Generell ist bei allen Konzepten eine variable Anzahl der Lamellenpakete möglich, also eine oder mehrere Lamellen 11, 27. Ebenfalls sind in den Figuren immer nur reine Stahllamellen gezeigt, jedoch ist hier durchaus möglich, diese Lamellen 11, 27 über irgendwie geartete Beläge (zum Bsp. Reibbeläge bei der trockenen Anordnung oder von Papierbelägen bei der nassen Variante) zu ergänzen. Ebenso wäre auch eine Betätigung auf mechanische Weise möglich. Des Weiteren kann in einer weiteren Variante die Bremskraft über ein Lager 29 direkt am Gehäuse 4 der E-Achse 1 abgestützt werden. Hierfür ist ein Prinzipbild in 8 dargestellt. Diese Variante ist natürlich auch sowohl mechanisch als auch hydraulisch denkbar.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Achsantriebseinheit
- 2
- Elektromotor
- 3
- Stator
- 4
- Gehäuse
- 5
- Rotor
- 6
- Radnabe
- 7
- Bremseinrichtung
- 8
- Betätigungseinheit
- 9
- Achswelle
- 10
- Bremszylinder
- 11
- erste Bremsscheibe
- 12
- erster Bremsbestandteil
- 13
- Verzahnung
- 14
- Nabenelement
- 15
- zweiter Bremsbestandteil
- 16
- Aufnahmehülse
- 17
- Aktorgehäuse
- 18
- Stellglied
- 19
- Gegenhaltebereich
- 20
- Nassraum
- 21
- Drehachse
- 22
- Zapfenbereich
- 23
- Aufnahmeverzahnung
- 24
- Wand
- 25
- Dichtung
- 26
- Druckstück
- 27
- zweite Bremsscheibe
- 28
- Sicherungsring
- 29
- Lager
- 30
- Gewindehülse
- 31
- Blattfeder