AT522613A1 - Elektrische achse - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine elektrische Achse (1), zwei Ausgangswellen (W1, W2) und zwei Elektromotoren (EM1, EM2) aufweisend, wobei die Elektromotoren (EM1, EM2) mit den Ausgangswellen (W1, W2) jeweils antriebsverbunden oder antriebsverbindbar sind. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es eine elektrische Achse bereitzustellen, das für schwere Nutzfahrzeuge besser geeignet ist. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die benötigte Leistung über zwei Elektromotoren (EM1, EM2) bereitgestellt wird, die über zumindest eine gemeinsame Welle (W) miteinander verbunden oder verbindbar sind, und dass die Elektromotoren (EM1, EM2) voneinander entfernt, auf entgegengesetzten Seiten der Ausgangswelle (W1, W2) angeordnet sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische Achse, zwei Ausgangswellen und zumindest zwei Elektromotoren aufweisend, wobei die Elektromotoren mit der Ausgangswelle

jeweils antriebsverbunden oder antriebsverbindbar sind.

Als elektrische Achsen werden Achsen für Fahrzeuge wie PKW oder Nutzfahrzeuge bezeichnet, die elektrisch betreibbar sind. Dazu weisen elektrische Achsen einen

Elektromotor auf, der von einer Batterie mit Energie versorgt wird.

Der Umweltschutz spielt in der heutigen Gesellschaft eine immer größer werdende Rolle, und es ist allgemeines Ziel in Europa und anderen Teilen der Welt die Schadstoffemissionen im Straßenverkehr drastisch zu reduzieren. So muss der CO2Ausstoß von LKWs und Bussen gemessen an 2019 bis ins Jahr 2025 um 15 % und bis 2030 um 30% innerhalb der Europäischen Union reduziert werden. Diese

Grenzwerte gelten dabei jeweils für die gesamte Flotte eines Fahrzeugherstellers.

Aufgrund dieser und anderen Forderungen die CO2 Emissionswerte immer weiter zu senken, liegt der Fokus im Nutzfahrzeugbereich mittlerweile über alle Gewichtsklassen hinweg immer stärker auf der Verwendung elektrischer Antriebe.

Elektrische Achsen kommen im Light-Duty (LD) Bereich - das heißt bei leichten Nutzfahrzeugen - und im Medium-Duty (MD) Bereich - das heißt bei mittelschweren Fahrzeugen - vorwiegend mit einem Elektromotor und einem eingängigen Getriebe aus. In Stadtbussen kommen auch radselektive Antriebe zum Einsatz, dabei ist ein Elektromotor und ein eingängiges Getriebe pro Radnabe vorgesehen. Die benötigte Energie wird meist rein batterieelektrisch bereitgestellt, was für Fahrzeuge dieser Gewichtsklassen, zumindest im innerstädtischen Bereich, aufgrund geringerer Reichweitenanforderung akzeptiert wird. Für Überlandfahrten sind jedoch deutlich höhere Anforderungen bezüglich der Reichweite notwendig.

Im Heavy-Duty (HD) Bereich, das heißt für schwere Nutzfahrzeuge, besonders solche im Langstreckeneinsatz, besteht folgendes Problem: Aufgrund der geringeren volumetrischen Energiedichte im Vergleich zu Diesel wären große Energiespeicher notwendig, um akzeptable Reichweiten zu ermöglichen. Dafür

nötige große und vor allem schwere Batterien limitieren wiederum das nutzbare

Ladevolumen und die Nutzlast. Daher waren LKW für den Langstreckeneinsatz

bislang nicht im Fokus der Elektrifizierung.

In Langstreckenfahrzeugen bestehen herausfordernde Rahmenbedingungen. Zum einen erfordert das höhere Fahrzeuggewicht im HD-Bereich einen höheren Leistungsbedarf, was sich in besonders großen Bauelementen bei elektrischen Achsen wiederspiegelt. Darüber hinaus bedingt das hohe Fahrzeuggewicht ein entsprechendes Feder-Dämpferkonzept, was zusätzlich dazu den vorhandenen

Bauraum limitiert.

Die Leistungsabgabe zweier oder mehrerer Elektromotoren muss - mit Ausnahme von radselektiven Antrieben - auf irgendeine Art und Weise summiert oder gekoppelt werden. Eine derartige Summierung ist über Stirnradstufen bekannt. Die Summierung über eine Stirnradstufe bringt jedoch Nachteile hinsichtlich Geräuschentwicklung aufgrund schwingungsangeregter Getriebebauteile mit sich. Gerade bei Elektrofahrzeugen wird dies als besonders unangenehm und störend wahrgenommen, da das im konventionellen Fahrzeug dominante Geräusch des

Verbrennungsmotors fehlt.

Da zwei oder mehrere Elektromotoren nie exakt gleich geregelt und angesteuert werden können, ergibt sich ein gewisser Unterschied zwischen den verschiedenen Elektromotoren. Dieser Unterschied kann beispielsweise bei der Drehzahl oder beim

übertragenen Drehmoment bestehen.

Bei dieser Art der Summierung kommt es in den Zahneingriffen zum Summenzahnrad aufgrund des Zahnspiels und der Regelungenauigkeit der Elektromotoren zueinander zu undefinierten Bewegungs- und Belastungszuständen. Diese wirken sich durch eine Bauteilanregung in Form von mehr oder weniger ausgeprägten Rasselgeräuschen negativ auf das NVH-Verhalten (Noise Vibration Harshness) der elektrischen Achse aus, was als unangenehm empfunden wird. NVH beschreibt die Schwingungen im Fahrzeug, die fühlbar und hörbar sind. Diese Schwingungen sollten möglichst reduziert werden. Diese wechselnden Belastungen auf das gemeinsame Zahnrad können neben Geräuschen auch Abnutzungen sowie

Schädigungen verursachen.

Wird die Summierung der Elektromotoren über eine Stirnradstufe realisiert, treibt jeder Elektromotor ein Ritzel an. Diese Ritzel greifen in ein gemeinsames dadurch

getriebenes Zahnrad ein. Es kommt aufgrund der Verzahnungsspiele und den nicht genau aufeinander abstimmbaren Elektromotoren zu einem undefinierten ständig wechselnden Belastungszustand des gemeinsamen Summenzahnrads. Es werden sich nie gleichzeitig alle Zahnräder im idealen Eingriff befinden. Welcher Eingriff belastet ist und welcher nicht, hängt zu jedem Zeitpunkt vom jeweils dominierenden Elektromotor ab und kann jederzeit wechseln. Dieser Effekt kann zu einer kompletten Entlastung der Zugflanke oder sogar zu einem ungewollten Kontakt auf der gegenüberliegenden Zahnflanke führen. Unerwünschte Geräuschentwicklung und Schädigungen am Zahnrad sind die Folge. Dieses Verhalten kann in der Realität leider nicht durch die Elektromotorregelung

unterbunden werden.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es eine elektrische Achse bereitzustellen,

die für schwere Nutzfahrzeuge besser geeignet ist.

Diese Aufgabe wird durch die oben angegebene elektrische Achse erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Elektromotoren über zumindest eine gemeinsame Welle miteinander antriebsverbunden oder antriebsverbindbar sind, und dass die Elektromotoren voneinander entfernt, auf entgegengesetzten Seiten der Ausgangswelle angeordnet sind.

Antriebsverbunden im Sinne der Erfindung bedeutet, dass ein Leistungsaustausch

zwischen einem Elektromotor und einer Welle besteht.

Antriebsverbindbar im Sinne der Erfindung bedeutet, dass der Leistungsaustauch mit einem Trennelement unterbrochen und hergestellt werden kann. Dies kann

beispielsweise durch eine Kupplung oder eine Bremse erfolgen.

Es werden dabei zwei Elektromotoren gleicher oder unterschiedlicher Leistung über eine gemeinsame Welle, mit der beide fest verbunden oder verbindbar sind, summiert. Das heißt ihre Antriebsleistungen werden über die gemeinsame Welle

zusammengefasst zu einem gemeinsamen Antrieb.

Erster Elektromotor und zweiter Elektromotor sind dabei an entgegengesetzten Seiten der gemeinsamen Welle fest angeordnet. Beide Elektromotoren sind drehfest und direkt (ohne Stirnradstufe) mit dieser Welle verbunden oder verbindbar.

Dadurch entsteht eine fixe und drehfeste Verbindung der beiden Elektromotoren

(ohne Freilauf). Diese Welle verhindert Drehzahldifferenzen zwischen den beiden

Elektromotoren.

Dadurch entsteht bei der Summierung auch bei auftretenden Regelungenauigkeiten der beiden Elektromotoren, keine geräuschintensive Schwingungsanregung der an der Summierung beteiligten Bauteile. Die Drehzahlungleichförmigkeiten nach der Summierung am Eingang eines nachgeschalteten Reduziergetriebes sind somit nicht größer als es bei Antrieben mit nur einem Elektromotor der Fall wäre.

Darüber hinaus entsteht durch diese Lösung ein sehr einfacher Aufbau mit weniger Getriebeelementen im Vergleich zu Lösungen, bei denen die Summierung über eine

oder mehrere Stirnradstufen realisiert wird.

Dies alles wirkt sich positiv auf das NVH-Verhalten der elektrischen Achse aus.

Durch die direkte Kopplung ohne Freilauf der Elektromotoren sind weiters im verbundenen Zustand beide Elektromotoren im Antriebsstrang wirksam, sowohl als Antriebselement als auch zur Energierückgewinnung oder beim Betrieb in einer gegensätzlichen Drehrichtung (Rückwärtsfahrt). Dadurch kann jeder Elektromotor ideal ausgenutzt werden und auch die Energie wieder durch Rekuperation für die

Einspeisung in die Batterie zurückgewonnen werden.

Durch die Anordnung der Elektromotoren auf entgegengesetzten Seiten kann der zur Verfügung stehende Bauraum vor und hinter den Ausgangswellen optimal ausgenutzt werden. Die elektrische Achse ist durch diese besondere Aufteilung ein kompaktes Modul, das wenig Höhe und Breite benötigt.

Vorteilhaft ist diese Anordnung eines Elektromotors vor der Achse und eines Elektromotors hinter der Achse auch, um einen Ausgleich des Schwerpunktes der gesamten E-Achse in Richtung Achsmitte zu erreichen. Dies ist auch hinsichtlich der Achsaufhängung und des Feder-Dämpfer-Konzepts von Vorteil.

Weiters wird diese Aufgabe durch ein Fahrzeug gelöst, das eine derartige elektrische Achse aufweist.

Zur Trennung der beiden Elektromotoren ist in einer besonderen Ausführung

vorgesehen, dass entlang der Welle zwischen den beiden Elektromotoren zumindest

ein Trennelement, insbesondere eine Kupplung, angeordnet ist, durch die die Elektromotoren drehfest miteinander verbindbar sind. Dadurch kann durch Öffnen des Trennelements bei geringem Leistungsbedarf ein einzelner Elektromotor die benötigte Antriebsleistung bereitstellen. Auch ist es variabel möglich eine bessere Betriebssituation hinsichtlich des Wirkungsgrades, durch die Trennung und

Verbindung der beiden Elektromotoren zu verwirklichen.

Im Vergleich zu Lösungen mit Freilauf besteht vorteilhafterweise bei geschlossenem Trennelement auch die Möglichkeit der Rekuperation über beide Elektromotoren. Zudem ist auch der Betrieb in entgegengesetzter Drehrichtung (Rückwärtsfahrt)

über beide Elektromotoren möglich.

Es ist in einer besonderen Ausführung vorgesehen, dass die Elektromotoren hinsichtlich ihrer Drehachse normal zu der Drehachse der Ausgangswelle angeordnet sind. Durch diese Anordnung entsteht der Vorteil, dass die Elektromotoren besonders einfach und platzsparend anordenbar sind. Dadurch können komplizierte Verbindungselemente reduziert werden und der

Konstruktionsaufwand verringert sich.

In einer günstigen Ausführungsvariante sind die Elektromotoren über die Welle mit einem Zwei- oder Mehrganggetriebe mit einer beliebigen Anzahl an Übersetzungsstufen verbunden, das wiederum die Welle mit dem Differential

verbindet.

Es ist günstig, wenn das zweigängige Getriebe zwei Stirnradstufen aus jeweils einem Losrad und einem Festrad aufweist und/oder wenn die gemeinsame Welle der beiden Elektromotoren eine Eingangswelle des zweigängigen Getriebes bildet oder mit der Eingangswelle des zweigängigen Getriebes antriebsverbunden oder antriebsverbindbar ist. Dadurch ist eine besonders einfache und kostengünstige

Konstruktion erreichbar.

Um Austauschbarkeit zu erleichtern und Kosten zu optimieren, ist in einer

besonderen Ausführung vorgesehen, dass die Elektromotoren baugleich sind.

Hinsichtlich der Aufteilung der Antriebe, ist es günstig, wenn die elektrische Achse als Hinterachse ausgebildet ist.

Die Vorteile der Erfindung der elektrischen Achse lassen sich gut ausnutzen, wenn das Fahrzeug ein Nutzfahrzeug ist und optimal ausnutzen, wenn das Fahrzeug ein

schweres Nutzfahrzeug ist.

In der Folge wird die Erfindung anhand einer Ausführung, in den nicht einschränkenden Figuren näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine erfindungsgemäße elektrische Achse in einer ersten Ausführung im Schema; und

Fig. 2 eine erfindungsgemäße elektrische Achse in einer zweiten Ausführung im Schema.

Die Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemäße elektrische Achse 1 mit zwei Elektromotoren EM1 und EM2. Zwischen den Elektromotoren EM1 und EM2 ist eine gemeinsame Welle W und ein zweigängiges Getriebe G angeordnet. Der erste Elektromotor EM1 und der zweite Elektromotor EM2 sind über diese Welle W drehfest miteinander verbunden. In der ersten Ausführung sind diese beiden Elektromotoren EM1 und EM2 untrennbar miteinander verknüpft. Die Welle W ist gleichzeitig die Eingangswelle des zweigängigen Getriebes G.

Das Getriebe G weist in der dargestellten Ausführung ein Schaltelement S auf, das die gewünschte Zahnradpaarung in den Eingriff und somit in Kraftfluss bringt.

In der Fig. 1 ist das zweigängige Getriebe G schematisch gezeigt. Es weist neben der Eingangswelle, der Welle W eine Ausgangswelle AW auf, die mit einem Differential D in Wirkverbindung steht. Das Differential D überträgt in bewährter Weise die Drehbewegung von der Welle AW auf eine erste Ausgangswelle W1 und eine zweite Ausgangswelle W2 an denen die Räder des nicht näher dargestellten

Fahrzeugs angeordnet sind.

In einer alternativen nicht gezeigten Ausführung ist statt einem zweigängigen

Getriebe ein mehrgängiges Getriebe vorgesehen.

Der erste Elektromotor EM1 ist in der gezeigten ersten Ausführung in Richtung

einer Fahrbewegung des Fahrzeugs vor und der zweite Elektromotor EM2 hinter

einer Drehachse A der elektrischen Achse 1, beziehungsweise der Ausgangswellen W1, W2 angeordnet.

Die beiden Elektromotoren EM1 und EM2 sind hier baugleich ausgeführt. Es ist

außerdem möglich, zwei unterschiedliche Elektromotoren EM1 und EM2 vorzusehen.

In der ersten und in einer zweiten Ausführung, gemäß Fig. 1 und 2 ist eine Drehachse D1 des ersten Elektromotors EM1 und eine zweite Drehachse D2 des zweitens Elektromotors EM2 normal auf die Drehachse A der Ausgangswellen W1

und W2 angeordnet.

Die zweite Ausführung gemäß Fig. 2 unterscheidet sich von der ersten Ausführung in Fig. 1 durch eine Kupplung K, die entlang der Welle angeordnet ist und durch

welche die beiden Elektromotoren EM1 und EM2 miteinander verbindbar sind.

Claims (1)

1. PATENTANSPRÜCHE

   Elektrische Achse (1), zwei Ausgangswellen (W1, W2) und zwei Elektromotoren (EM1, EM2) aufweisend, wobei die Elektromotoren (EM1, EM2) mit den Ausgangswellen (W1, W2) antriebsverbunden oder antriebsverbindbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektromotoren (EM1, EM2) über zumindest eine gemeinsame Welle (W) miteinander verbunden oder verbindbar sind, und dass die Elektromotoren (EM1, EM2) voneinander entfernt, auf entgegengesetzten Seiten der Ausgangswellen (W1, W2) angeordnet sind.

   Elektrische Achse (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass entlang der Welle (W) zwischen den beiden Elektromotoren (EM1, EM2) zumindest ein Trennelement, insbesondere eine Kupplung (K), angeordnet ist, durch die die Elektromotoren (EM1, EM2) drehfest miteinander verbindbar sind.

   Elektrische Achse (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektromotoren (EM1, EM2) hinsichtlich ihrer Drehachse (D1, D2)

   normal zu der Drehachse (A) der Ausgangswellen (W1, W2) angeordnet sind.

   Elektrische Achse (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektromotoren (EM1, EM2) über ein zumindest

   zweigängiges Getriebe (G) mit den Ausgangswellen (W1, W2) verbindbar sind.

   Elektrische Achse (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das zweigängige Getriebe (G) zwei Stirnradstufen aus jeweils einem Losrad und

   einem Festrad aufweist.

   Elektrische Achse (1) nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die gemeinsame Welle (W) der beiden Elektromotoren (EM1, EM2) eine Eingangswelle des zweigängigen Getriebes (G) bildet oder mit der Eingangswelle des zweigängigen Getriebes (G) antriebsverbunden oder

   antriebsverbindbar ist.

   Elektrische Achse (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektromotoren (EM1, EM2) baugleich sind.

   8. Fahrzeug mit zumindest einer elektrischen Achse (1) nach einem der

   Ansprüche 1 bis 7.

   11.09.2019 WR