Achsschenkelintegriertes Kraftmodul

Die Erfindung betrifft ein besonders kompaktes und hochintegriertes, kombiniertes Kraftmodul, welches sowohl zur Erzeugung von Antriebskräften als auch Bremskräften in einem Fahrzeug, insbesondere einem Personenkraftwagen (im Folgenden kurz PKW) vorgesehen ist.

Traditionell werden bei PKWs Antriebskräfte in einer oder mehreren zentralen Antriebsmaschinen erzeugt und über Antriebswellen an einzelne Räder übertragen, wogegen Bremskräfte mittels Scheiben- oder Trommelbremsen erzeugt werden, welche einzelnen Rädern zugeordnet und mit jeweiligen Radnaben verbunden sind.

Solche traditionellen Anordnungen weisen konstruktionsbedingt viel Nachteile auf. Hierzu zählen beispielsweise ein hohes Gesamtgewicht, großer Raumbedarf, eine Vielzahl von verschleißanfälligen Antriebsgelenken, Antriebsverluste und Trägheit aufgrund eines langen Antriebsstranges, korrosive Folgen der Umwelteinflüsse auf Bremsen, Kontamination der Umwelt durch Bremsstaub usw.

Insbesondere Elektrofahrzeuge und hier ganz besonders autonom fahrende Fahrzeuge beispielsweise tendieren aufgrund des hohen Anteils rekuperativer Bremsungen zum Festrosten der Bremsen.

Um die Bremse kompakter zu gestalten ist es bekannt die erforderliche Reibfläche auf mehrere koaxiale axial alternierende Reibpaarungen mit einem reduzierten Außendurchmesser zu verteilen - sogenannten Multilamellenbremsen (im Folgenden kurz MLB). Zum relevanten Stand der Technik wird beispielhaft auf DE 102019208226 B3 verwiesen. Derartige MLB sind seit vielen Jahren vor allem bei Landmaschinen, Flurförderfahrzeugen und anderen Fahrzeugen mit reduzierten Anforderungen an Komfort und Fahrdynamik im Einsatz.

Ebenso ist es bekannt, Bremseinrichtungen in zentrale Antriebskomponenten wie Differentialgetriebe zu integrieren, wie in DE 102016214968 A1 offenbart. Aus EP 2093450 A1 ist eine MLB bekannt, die innerhalb eines separaten Bremsgehäuses geschützt angeordnet ist, welcher mit einem Achsschenkel verschraubt wird. Eine solche Anordnung erfordert jedoch zusätzliche mechanische Verbindungs- sowie Dichtstelle.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Lösung für eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserte Implementierung von Antriebs- und Bremskomponenten vorzuschlagen. Die Problemlösung ergibt sich anhand der Merkmalskombination des Patentanspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen. Zudem wird erstmals ein besonders effizient darstellbares Montageverfahren vorgeschlagen.

Die Erfindung sieht in Ausgestaltung unter anderem vor, dass eine gekapselte Vollscheibenbremse vorzugsweise eine Multilamellenbremse (nass laufend oder trocken) mit einem Radnabenmotor kombiniert sein kann, und wobei ein Bremsengehäuse einer Multilamellenbremse (MLB) unmittelbar in den Achsschenkel integriert sein darf. Die Erfindung erlaubt an Stelle von einer aufgelösten Einzelteilmontage welche an einem Ort stattfindet erstmals eine zusammengesetzte Modulbauweise mit Integration aller Module am oder im Achsschenkel und wobei die besagten Module bei verbesserter industrieller Großserienlogistik besonders rationell arbeitsteilig bei bestimmten Zulieferspezialisten vorgefertigt werden können, um ein Kraftmodul gewissermaßen nachgelagert aus vorgefertigten Modulen zusammenzusetzen. Dadurch wird es einerseits ermöglicht, eine Fertigungstiefe bei einem - für den Gesamtzusammenbau systemverantwortlich gebundenen - sog. First Tier-Zulieferunternehmen zu reduzieren, und andererseits wird es auch ermöglicht eine Auslieferungsqualität von beteiligten Komponentenherstellern durch eine selbständige Funktionsprüfung der beigelieferten Moduln zu erhöhen.

Zusammenfassend wird eine besonders großseriengerechte sowie rationalisiert dargestellte Wertschöpfungskette bei sinnhaft arbeitsteilig konfigurierter Komponentenfertigung dargestellt. Vorteilhafterweise kann hierbei die MLB in die Radlagereinheit integriert werden. Dieser integrative Aufbau führt neben Bauteil- und Masse-Reduzierung insbesondere zu einer besonders kompakten Bauweise, die es ermöglicht auch die Leistungselektronik besonders einfach in das Gesamtmodul zu integrieren. Aufgrund der hohen Leistungsdichte der MLB (sehr hohe Bremsmomente auf kompakten Bauraum, aufgrund der Vielzahl an Reibflächen), eignet sich das Corner-Modul trotz der Kompaktheit, bzw. trotz des für die Leistungselektronik benötigten Bauraums auch für schwere Fahrzeuge (hohe Bremsmomente). Um die thermische Performance weiter zu verbessern, kann das in der Regel ohnehin vorhandene Kühlsystem des Brems-Stators und/oder der Leistungselektronik mit der MLB kombiniert werden. Das Kühlsystem kann entweder zur Kühlung des Bremsengehäuse (Fig.4) oder eines Durchlaufkühlers, durch den das Öl gepumpt wird, genutzt werden (Fig.6). Diese Möglichkeit der Kühlung der Bremse ist bei bekannten Scheiben oder Trommelbremsen so nicht möglich und erweitert das Anwendungsgebiet des Moduls (z.B. reine Notbremsfunktion für People-Mover bis High-Performance-Bremse bei Luxus-Fahrzeugen). Ein weiterer essenzieller Vorteil dieses Moduls ist, dass im Vergleich zum Stand der Technik keinerlei Emission durch Bremsabrieb entsteht. Dies ist insbesondere für zukünftige Fahrzeuge zunehmend wichtig (gesetzliche Randbedingungen). Darüber hinaus wird durch die gekapselte Bauweise der MLB auch die für Verschmutzung sensitive Elektronik des Radnabenmotors nicht beeinträchtigt.

Des Weiteren wird durch die Erfindung die thermische Leistung der Bremse erhöht, da in vorliegender Ausführung nun nicht mehr etwa nur ein Gehäuse der MLB, sondern große Teile des Achsschenkels als thermische Masse zur Verfügung stehen. Der gezielte Einsatz von Kühlelementen passiv (z.B. Kühlrippen) oder aktiv (z. B. Wasserkühlung) bieten hier zusätzliche Verbesserungsmöglichkeiten.

Durch die Integration der MLB in den Achsschenkel kann eine aufwendige Verbindungsstelle eingespart werden. Neben reduzierten Gesamtkosten kann hierdurch insbesondere auch die Fahrzeugmasse eingespart werden. Die reduzierte Teileanzahl führt zu einem robusteren Aufbau und die Montage des Systems vereinfacht sich. Darüber hinaus kann die MLB innerhalb des Moduls als Lebensdauerbremse ausgelegt werden, was vor allem für das Flotten-Management bei beispielsweise People-Movern sehr vorteilhaft ist (hohe Einsatz-Zeit, geringer Werkstattaufenthalt).

Weitere Details der Erfindung werden anhand von mehreren, teilweise stark vereinfacht dargestellten Ausführungsbeispielen erläutert.

Achstopologien nach dem aktuellen Stand der Technik und aktueller Verbreitung am Markt bestehen in den meisten Fällen aus einem Achsschenkel (1 ) und einem Radlager (2) (Fig.1 ). Die Bremsenkomponenten (z.B. Scheiben o. Trommelbremse) werden hier Kraft bzw. Formschlüssig verbunden.

Die Multilammellenbremse (i.F. MLB) kann diese Schnittstelle nicht (oder nur mit hohem Aufwand nutzen) da sie systembedingt über eine eigene Lagerung und ein umschließendes Gehäuse verfügt.

Die vorliegenden Ausführung (Fig.2, Schnitt 3 + 4) kombiniert (integriert) das Gehäuse der MLB, hier gusstechnisch umgesetzt, mit dem Achsschenkel (3) und bietet somit alle, für den Betrieb der Bremse entscheidenden Schnittstellen. Die MLB selbst kann auf die unterschiedlichsten Weisen ausgeführt sein: hydraulisch (hier dargestellt (4)) oder z.B. vollelektrisch. Die Aufgabe der Radlagerung wird durch die in der Bremse ohnehin erforderlichen Wälzlager übernommen (5), wodurch der klassische Radlagersatz (vgl. 1 ) entfällt. Die das Bremsmoment übertragende Welle (6) ist flüssigkeitsdicht (7) durch einen Gehäusedeckel (8) nach außen geführt, wo ein Anschluss an die weiterführende Radtopologie (z.B. die Felge) mittels Flanschplatte besteht (9). Dies kann wie hier dargestellt beispielsweise formschlüssig durch eine Welle-Nabe Verbindung umgesetzt sein. Eine Achsschraube (10) ermöglicht die axiale Montage der Flanschplatte an der Welle.

Die Konstruktion bietet insbesondere dann großes Potential, wenn der Felgenbauraum sehr beengt ist und / oder einen hohen Integrationsgrad der Komponenten gefordert ist. Dies ist der Fall im Systemverbund mit radindividuellen Antrieben (z.B. „Radnabenmotoren“, Corner-Modulen). Schnitt 3 zeigt exemplarisch die vorliegende Konstruktion mit Felgenkontur (11 ) und dem möglichen Stator (12) eines Radnabenmotors. Eine klassische Bremsentopologie ist hier nur schwer zu integrieren, die vorliegende Konstruktion hingegen fügt sich in den Bauraum ein.

Ein Bremsaktuator 4.1 zur Betätigung der MLB innerhalb des Moduls kann beispielsweise als ein hydraulischer Ringkolben oder eine elektromechanische Kugelrampenspreizeinheit ausgebildet sein.

Fig.5 zeigt eine im Vergleich zu Fig.4 alternative Anordnung zwischen Stator und Leistungselektronik.

Bei einem aktiver Ölkreislauf (Fig.6) kann das Öl zur Reduzierung der Restmomente aus dem Bremsgehäuse gepumpt werden und erst bei Bedarf (z.B. von oben) in das Gehäuse gepumpt werden. Mit diesem Aufbau kann das Öl auch durch einen Durchlaufkühler gepumpt werden. Zur Kühlung kann das Kühlsystem des Stators und/oder der Leistungselektronik des Radnabenmotor genutzt werden (Synergie-Effekt). Hierdurch kann die thermische Leistungsfähigkeit der Bremse trotz kompaktem Bauraum deutlich gesteigert werden.

Bei Varianten ohne integrierte Leistungselektronik (Fig.7, Elektronik ist extern, d.h. im Fahrzeug angeordnet), kann der zusätzliche Bauraum für eine größere, leistungsstärkere Bremse genutzt werden.

Eine Vorteilhafte Montage-Reihenfolge (Fig.8) besteht z.B. darin, dass erst die Bremsen-Baugruppe in den Achsschenkel vormontiert wird (4) und anschließend die Elektronik- und sonstigen Teile montiert werden.

Weitere, hier nicht explizit dargestellte Ausführungsformen sind innerhalb der Erfindung ebenso vorstellbar. Beispielsweise kann eine beidseitige Gehäusedurchführung mit Abdichtung (2x (Element 7)) der Welle in der Achsschenkelgeometrie und dem verschließenden Deckel (8) realisiert werden, beispielsweise um die Verbindung mit einer externen Antriebswelle zu ermöglichen.

Des Weiteren kann bei Vorhandensein eines Radnabenmotors mit einem aktivem Kühlsystem dieses gleichzeitig zur Kühlung der MLB verwendet werden. Bezugszeichen

1 Achsschenkel

2 Radlager

3 Gehäuse der Multi Lamellen Bremse (MLB), achsschenkelintegriert

4 Multi Lamellen Bremse / Bremsenbaugruppe

4.1 Bremsaktuator

4.2 Bremslamellen

5 Wälzlager

6 Welle

7 Abdichtung

8 Gehäusedeckel

9 Flanschplatte

10 Achsschraube

11 Felge / Felgenkontur

12 Stator

13 Stator-Halter

14 Abdeckblech

15 Gemeinsamer Kühlkreislauf von Stator und/oder Leistungselektronik und Bremsengehäuse

16 Rotor

17 Leistungselektronik

18 Rotationsachse

19 Verschraubung

20 Gemeinsamer Kühlkreislauf zwischen Stator und/oder Leistungselektronik und Durchlaufkühler

21 Durchlaufkühler / Ölkühler

22 Pumpe

23 Ölkreislauf

24 Gemeinsamer Kühlkreislauf von Stator und Bremsengehäuse