ZF Friedrichshafen AG Akte 211256 Friedrichshafen 2022-06-08 Antriebsstrang für ein Elektrofahrzeug und Elektrofahrzeug Die Erfindung betrifft einen Antriebsstrang für ein Elektrofahrzeug mit einer Antriebs- einheit, einem Differentialgetriebe, einer Übersetzungsstufe, zwei mit dem Differenti- algetriebe über jeweils eine Welle verbundenen Antriebsrädern, mindestens einem ersten Bremssystem an einer der Wellen, bestehend aus einer nasslaufenden Be- triebsbremse, einer Feststellbremse und einem Aktuator zur steuerbaren Betätigung sowohl der nasslaufenden Betriebsbremse als auch der Feststellbremse. Im Fahrbetrieb wird eine Verzögerung von Elektrofahrzeugen vielfach mittels Rekupe- ration erzielt. Zusätzlich werden als Betriebsbremsen vor allem Trommelbremsen und Scheibenbremsen eingesetzt, die regelmäßig an jedem Antriebsrad des Fahrzeugs individuell angebracht werden. Beide Varianten nutzen Bremsklötze, welche bei Akti- vierung auf eine Fläche gepresst werden, die fest mit einem der Antriebsräder verbun- den ist und sich mit diesem zusammen bewegt. Durch Reibung wird ein Gegenmoment zu einer Bewegung des Antriebsrads erzeugt und auf diese Weise das Elektrofahrzeug abgebremst. Eine Sonderform der Scheibenbremse stellt die Ölbadbremse, die auch als nasslau- fende Betriebsbremse oder Nassbremse bezeichnet wird, dar, bei der eine oder meh- rere Bremsscheiben in einem Ölbad rotieren. Die Bremsscheiben werden bei der Ak- tivierung der Bremse mittels Druckplatten an zwischen den Bremsscheiben befindliche Zwischenscheiben gepresst, so dass die Reibung zwischen den Bremsscheiben, Zwi- schenscheiben und Druckplatten ein Bremsmoment erzeugt. Die Druckplatten werden dabei in der geläufigsten Ausführung von außen durch einen Aktuator zueinander ver- dreht, wobei zwischen den Druckplatten in länglichen, flacher werdenden Vertiefungen Kugeln gelagert sind, welche die Druckplatten voneinander weg- oder aufeinander zu- bewegen können. Da die gesamte Fläche der Bremsscheiben zum Erzeugen des Bremsmoments beiträgt, nennt man diesen Bremsentyp Vollscheiben- oder auch La- mellenbremse. Der Vorteil dieser Bremsen ist die integrierte Kühlung und ihre War- tungsfreiheit, da durch die geschlossene Bauweise ein Verschmutzen verhindert sowie ZF Friedrichshafen AG Akte 211256 Friedrichshafen 2022-06-08 durch das Ölbad der Abrieb an den Bremsscheiben reduziert und ein Abtransport von Wärme ermöglicht wird. Zusätzlich zu der Betriebsbremse weisen Elektrofahrzeuge eine Park- oder Feststell- bremse auf, mit denen sich die Räder blockieren lassen. Diese wird über Seilzüge oder elektrisch aktiviert und arbeitet unabhängig von der Betriebsbremse. Ein Bremssystem mit einer Lamellenbremse als Betriebsbremse und Parkbremse ist aus der DE 102006012065 A1 bekannt. Hier ist ein modular aufgebautes Bremsmo- dul für eine Antriebsachse offenbart, welches in einem Bremsgehäuse zwischen einer Achsbrücke und einem Achsmittelteil der Antriebsachse angeordnet ist. Die Lamellen- bremse wird sowohl als Betriebsbremse als auch als Parkbremse hydraulisch, aber mit separaten Hydraulikkreisläufen betätigt. Zum Auslösen der Betriebsbremse wird ein Kolben direkt auf die Lamellenbremse gepresst, wobei das Lösen der Betriebs- bremse zum Beispiel durch Federkraft erfolgt. Die Parkbremse ist als Negativbremse aufgebaut, sodass sie sich bei einer Reduktion des Drucks in ihrem respektiven Hyd- raulikkreislauf z.B. durch Federkraft in Richtung Kolben der Betriebsbremse bewegt, welche dann über die Kolben die Lamellenbremse feststellt. Im Stand der Technik werden Übersetzungsstufen in Form von Übersetzungsgetrieben bei der Nutzung von Nassbremsen in der Regel zwischen der Lamellenbremse und einem der Lamellenbremse zugeordneten Antriebsrad angeordnet. Gerade bei Elekt- rofahrzeugen ist eine solche Übersetzungsstufe zwingend notwendig. Ist sie aber zwi- schen Bremssystem und dem zugehörigen Antriebsrad angeordnet, werden auf das jeweilige Antriebsrad wirkende Kräfte übersetzt an das Bremssystem übertragen. Fer- ner wird das von der nasslaufenden Bremse induzierte Bremsmoment ebenfalls über- setzt, bevor es an dem Antriebsrad wirkt. Das kann sich negativ auf das Fahr- und Bremsverhalten des Fahrzeugs auswirken. Zudem sind bei einer solchen Anordnung ein konstruktiv bedingtes Drehspiel zwischen dem Differentialgetriebe und der Über- setzungsstufe sowie im Antriebsstrang vorhandene Elastizitäten problematisch für die Bremse. Es wäre daher wünschenswert, diese Einflüsse zu minimieren oder gar voll- ständig zu beseitigen. ZF Friedrichshafen AG Akte 211256 Friedrichshafen 2022-06-08 Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Antriebsstrang zur Verfügung zu stellen, der nach- teilige Einflüsse einer Übersetzungsstufe und eines Differentialgetriebes auf das Bremssystem und damit auf das Brems- und das Fahrverhalten eines Fahrzeugs mi- nimiert. Die Aufgabe wird für den eingangs beschriebenen Antriebsstrang dadurch gelöst, dass die Übersetzungsstufe zwischen der Antriebseinheit und dem Differentialgetriebe an- geordnet ist und die Antriebsräder direkt mit dem Differentialgetriebe in Wirkverbin- dung stehen. Indem die Übersetzungsstufe nicht mehr zwischen Antriebsrad und Bremssystem angeordnet wird und sich auch nicht mehr an den Wellen befindet, hat die Übersetzungsstufe keinen direkten Einfluss mehr auf das Bremssystem oder die Antriebsräder. Übersetzungseinflüsse und Verdrehspiel treten somit nicht mehr an den Wellen und den Bremssystemen auf. Auf diese Weise werden das Fahr- und das Bremsverhalten des Fahrzeugs verbessert. In einer vorteilhaften Ausgestaltung kann das Bremssystem dahingehend angepasst werden, dass der Aktuator motorisch oder hydraulisch zwischen einem Betriebsbrems- bereich, innerhalb dem er mit der Betriebsbremse in Verbindung steht, einem Fest- stellbereich, in dem er mit der Feststellbremse in Verbindung steht, und einem Neut- ralbereich, in dem der Aktuator weder mit der Betriebsbremse noch mit der Feststell- bremse in Verbindung steht, verstellbar ist. Durch das Anbringen einer zusätzlichen Feststellbremse wird das Problem gelöst, dass nasslaufende Bremsen einen Mik- roschlupf aufweisen, so dass ein langfristiges Feststellen des Fahrzeugs an einer Stei- gung nicht möglich ist. Das Einbringen des Feststellbremsbereichs und des Betriebs- bremsbereichs ermöglicht ein separates Ansteuern der Betriebsbremse und der Fest- stellbremse. Es ist dabei besonders vorteilhaft, wenn der Neutralbereich, zwischen dem Betriebs- bremsbereich und dem Feststellbereich angeordnet ist, damit ein gleichzeitiges Aus- lösen der nasslaufenden Bremse und der Feststellbremse verhindert wird. In einer alternativen vorteilhaften Ausgestaltung umfasst der Antriebsstrang ein zwei- tes Bremssystem, wobei das erste und das zweite Bremssystem jeweils an einer der ZF Friedrichshafen AG Akte 211256 Friedrichshafen 2022-06-08 Wellen angeordnet sind und mit der jeweiligen Welle in Wirkverbindung stehen. Dies verbessert das Bremsverhalten und die Bremswirkung. Weiter werden dadurch Zu- satzfunktionen wie ein radselektiver Bremseingriff für eine Fahrdynamikregelung (ESC/Electronic Stability Control) oder für eine Traktionskontrolle (ASR, Antriebs- schlupfregelung) ermöglicht. Ferner können die einzelnen Bremssysteme auf diese Weise kompakter gestaltet werden. Grundsätzlich ist es möglich, das erste Bremssys- tem und das zweite Bremssystem unterschiedlich auszuführen. Es ist aber besonders von Vorteil, wenn das zweite Bremssystem dem ersten Bremssystem entspricht, da so die Gewichtsverteilung, sowie Steifigkeiten und Reibwerte des Fahrzeugs und das Bremsverhalten verbessert werden. Durch die Verwendung von Gleichteilen können zudem Kosten eingespart werden. In einer weiteren günstigen Ausgestaltung ist die Übersetzungsstufe als eine Stirnrad- stufe oder als ein Radsatz ausgebildet. Derartige Übersetzungsgetriebeformen sind für den Einsatz zwischen Antriebseinheit und Differentialgetriebe besonders gut ge- eignet. Die Aufgabe wird ferner durch ein Fahrzeug mit einem gerade beschriebenen Antriebs- strang gelöst. Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläu- ternden Merkmale nicht nur in den angegebenen Kombinationen, sondern auch in an- deren Kombinationen oder in Alleinstellung einsetzbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen. Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezug- nahme auf die beigefügten Zeichnungen, die ebenfalls erfindungswesentliche Merk- male offenbaren, noch näher erläutert. Diese Ausführungsbeispiele dienen lediglich der Veranschaulichung und sind nicht als einschränkend auszulegen. Beispielsweise ist eine Beschreibung eines Ausführungsbeispiels mit einer Vielzahl von Elementen oder Komponenten nicht dahingehend auszulegen, dass alle diese Elemente oder Komponenten zur Implementierung notwendig sind. Vielmehr können andere Ausfüh- rungsbeispiele auch alternative Elemente und Komponenten, weniger Elemente oder ZF Friedrichshafen AG Akte 211256 Friedrichshafen 2022-06-08 Komponenten oder zusätzliche Elemente oder Komponenten enthalten. Elemente oder Komponenten verschiedener Ausführungsbespiele können miteinander kombi- niert werden, sofern nichts anderes angegeben ist. Modifikationen und Abwandlungen, welche für eines der Ausführungsbeispiele beschrieben werden, können auch auf an- dere Ausführungsbeispiele anwendbar sein. Zur Vermeidung von Wiederholungen werden gleiche oder einander entsprechende Elemente in verschiedenen Figuren mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet und nicht mehrmals erläutert. Es zeigen: Fig.1 einen Antriebsstrang mit einem ersten und einem zweiten Bremssystem und Fig.2 eine alternative Ausführung des Antriebsstrangs. Fig.1 zeigt einen schematischen Aufbau des Antriebsstrangs 1 eines Elektrofahrzeugs (BEV, HEV oder PHEV), der eine Antriebseinheit 2 (nachfolgend auch E-Maschine 2) umfasst, die ein Drehmoment erzeugt, welches über eine Übersetzungsstufe 4 und anschließend über ein Differentialgetriebe 3 auf zwei Wellen mit jeweils einem An- triebsrad 5 übertragen wird. Das Differentialgetriebe 3, die Wellen und die Antriebsrä- der 5 werden nachfolgend auch als Achse zusammengefasst. Zwischen dem Differen- tialgetriebe 3 und den Antriebsrädern 5 ist insbesondere kein Übersetzungsgetriebe vorhanden, sodass diese direkt verbunden sind. Die Antriebseinheit 2 kann einen oder mehrere Elektromotoren enthalten, die entweder den alleinigen Antrieb darstellen oder als Teil eines Hybridantriebs arbeiten können. Die Antriebseinheit 2 umfasst sämtliche notwendigen Elektronik für deren Ansteuerung und Betrieb sowie notwendige oder op- tionale Sensorik. Das Elektrofahrzeug kann auch mehrere elektrisch angetriebene Achsen mit jeweiligen Antriebseinheiten 2 umfassen. Der Antriebsstrang 1 weist ein Bremssystem auf jeder Seite des Differentialgetriebes 3 auf, die unterschiedlich gestaltet mit der jeweiligen Welle, an der sie sich befinden, in Wirkverbindung stehen. Je nach Typ des Elektrofahrzeugs kann es hinreichend sein, auf einer Seite des Antriebsstrangs 1 ein Bremsgehäuse mit einem ersten Brems- system 11 aus nasslaufender Betriebsbremse 8, Aktuator 10 und Feststellbremse 9 ZF Friedrichshafen AG Akte 211256 Friedrichshafen 2022-06-08 vorzusehen. Die Feststellbremse 9 ist hierbei und in den weiteren Ausführungsbeispie- len vorzugsweise als formschlüssige Bremse ausgebildet. An der dem ersten Brems- system 11 gegenüberliegenden Seite befindet sich ein zweites Bremssystem 12, wel- ches eine weitere Betriebsbremse 8a umfasst. Das zweite Bremssystem 12 unter- scheidet sich von dem ersten Bremssystem 11 also durch das Fehlen der Feststell- bremse 9 und dem zugeordneten Aktuator 10. Es ist allgemein in diesem Ausführungs- beispiel unerheblich, auf welcher Seite des Antriebsstranges 1 das erste und das zweite Bremssystem 11, 12 angeordnet sind. So könnte das erste Bremssystem 11 auch auf der rechten Seite der Fig.1 angeordnet sein, während das zweite Bremssys- tem 12 sich auf der linken befindet. Das erste Bremssystem 11 weist einen Betriebsbremsbereich auf, innerhalb dem der Aktuator 10 mit der Betriebsbremse 8 in Verbindung steht. In diesem Bereich bewirkt eine Änderung der Position des Aktuators 10 eine Variation der Bremswirkung, wobei diese bis hin zu einem Maximum zunimmt, umso weiter sich der Aktuator 10 in seiner Position von einem angrenzenden Neutralbereich entfernt. In dem Neutralbereich steht der Aktuator 10 nicht mehr mit der Betriebsbremse 8 in Verbindung, sodass diese kei- nerlei Bremswirkung erzeugt. Entfernt sich der Aktuator 10 in seiner Position weiter von dem Betriebsbremsbereich, erreicht er einen Feststellbereich, in dem er mit der Feststellbremse 9 in Verbindung steht. Die Bremswirkung beschreibt hier eine Stufe, da es durch den Formschluss zu einem Blockieren bzw. Festsetzen der Welle kommt, an der sich das erste Bremssystem 11 befindet. Die zwischen der Antriebseinheit 2 und dem Differentialgetriebe 3 angeordnete Über- setzungsstufe 4 ist als eine Stirnradstufe oder ein Radsatz ausgebildet. Das von der Antriebseinheit 2 erzeugte Drehmoment wird hier direkt übersetzt und an das Differen- tialgetriebe 3 weitergegeben. Durch die Anordnung der Übersetzungsstufe 4 zwischen Antriebseinheit 2 und Differentialgetriebe 3 wird der Einfluss der Getriebe auf die Bremssysteme 11, 12 reduziert. Wird nämlich durch die nasslaufenden Betriebsbrem- sen 8, 8a ein Verzögerungsmoment auf die Wellen übertragen, wird dieses bei einer Anordnung, wo zwischen dem entsprechenden Antriebsrad 5 und dem Bremssystem 11, 12 ein Übersetzungsgetriebe angeordnet ist, übersetzt an das jeweilige Antriebs- rad 5 weitergegeben. Dies wirkt sich nachteilig auf das Brems- und somit auch das ZF Friedrichshafen AG Akte 211256 Friedrichshafen 2022-06-08 Fahrverhalten des Elektrofahrzeugs aus. Ferner treten der Bremsung hohe Kräfte auf, die das Übersetzungsgetriebe stark belasten. Zusätzlich zu diesen ungewollten Über- setzungseinflüssen kommt es, wenn eine oder beide Wellen neben dem Differential- getriebe 3 zusätzlich ein zwischen dem jeweiligen Antriebsrad 5 und zum Beispiel dem jeweiligen Bremssystem 11, 12 angeordnetes Übersetzungsgetriebe aufweisen, zu ei- nem Verdrehspiel an den Wellen zwischen dem Differentialgetriebe 3 und dem jewei- ligen Übersetzungsgetriebe. Auch dieses kann durch eine Anordnung der Überset- zungsstufe 4 zwischen Antriebseinheit 2 und Differentialgetriebe 3 vermieden werden. Je nach Fahrzeug kann es sinnvoll sein, beidseitig ein zweites Bremssystem 12 an dem Antriebsstrang 1 vorzusehen, welches dem ersten Bremssystem 11 entspricht, also neben der weiteren nasslaufenden Betriebsbremse 8a ebenfalls eine weitere Feststellbremse 9a und einen diesen zugeordneten weiteren Aktuator 10a umfasst. Dies ist in der Fig. 2 dargestellt. Eine solche Anordnung hat den Vorteil, dass beide Wellen festgesetzt werden können, was die Sicherheit beim Abstellen des Elektrofahr- zeugs erhöht. Außerdem sorgt der identische Aufbau der Bremssysteme 11, 12 zu- sätzlich für eine gleichmäßigere Gewichtsverteilung. Bei beiden Ausführungen können zusätzliche Funktionen integriert werden, die zum Beispiel ein unerwünschtes Anrollen des Fahrzeugs verhindern können. Dies wird fol- gend beispielhaft im Folgenden zunächst am Beispiel des ersten Bremssystems 11 dargelegt. Um mit dem Elektrofahrzeug anfahren zu können, wird zunächst, während sich der Aktuator 10 noch im Feststellbereich befindet, die Verbindung des Aktuators 10 mit der Feststellbremse 9 aufgelöst, indem der Aktuator 10 von dem Feststellbereich in den Neutralbereich bewegt wird, sodass die Achse freigegeben wird und kein Brems- moment mehr auf diese wirkt. Nun kann das Elektrofahrzeug beschleunigt werden, indem es an einer Steigung anrollt oder die E-Maschine 2 ein Drehmoment erzeugt. Wird anschließend gebremst, zum Beispiel beim Anhalten des Elektrofahrzeugs, wird der Aktuator 10 von dem Neutralbereich in den Betriebsbremsbereich bewegt, so dass ZF Friedrichshafen AG Akte 211256 Friedrichshafen 2022-06-08 er in Verbindung mit der Betriebsbremse 8 tritt und die Betriebsbremse 8 ein Brems- moment an der Achse erzeugt. Soll das Elektrofahrzeug nach dem Gebrauch abge- stellt werden, wird das nun stehende Elektrofahrzeug festgesetzt, indem der Aktuator 10 von dem Betriebsbremsbereich über den Neutralbereich hin zu dem Feststellbe- reich bewegt wird, so dass der Aktuator 10 mit der Feststellbremse 9 in Verbindung tritt und die Achse mittels Formschluss der Feststellbremse 9 festgesetzt wird. Beim Durchschreiten des Neutralbereichs durch den Aktuator 10 ist die Achse kurz- zeitig ungebremst, sodass es zu einem unerwünschten Anrollen des Elektrofahrzeugs kommen kann. Dies kann in vorteilhafter Weise mittels der weiteren Betriebsbremse 8a des zweiten Bremssystems 12 unterbunden werden, welche beim Anhalten des Elektrofahrzeugs mitwirkt, indem die weitere Betriebsbremse 8a auslöst, so dass eine Bremswirkung an der Achse durch die weitere Betriebsbremse 8a erzeugt wird. Die Bremswirkung wird aufrechterhalten, während der Aktuator 10 des ersten Bremssys- tems 11 beim Festsetzen des Elektrofahrzeugs von dem Betriebsbremsbereich über den Neutralbereich hin zu dem Feststellbereich bewegt wird, und die Achse erst frei- gegeben, nachdem der Aktuator 10 mit der Feststellbremse 9 in Verbindung getreten ist, so dass die Achse mittels der Feststellbremse 9 festgesetzt ist. Umfasst das zweite Bremssystem 12 auch die weitere Feststellbremse 9a und den weiteren Aktuator 10a, wird die weitere nasslaufende Betriebsbremse 8a vorzugs- weise durch den weiteren Aktuator 10a ausgelöst, der sich dann in einem weiteren Betriebsbremsbereich befindet und nach dem Freigeben der Achse die weitere Fest- stellbremse 9a auslöst, indem er zu einem weiteren Feststellbereich bewegt wird und mit der weiteren Feststellbremse 9a in Verbindung tritt. Dies erfolgt, nachdem die Achse durch das erste Bremssystem 11 mittels der Feststellbremse 9 bereits festge- setzt ist und dient der zusätzlichen Sicherung der Achse. Die Aktuatoren 10, 10a bei- der Bremssysteme 11, 12 werden also nicht gleichzeitig bewegt, sondern nacheinan- der in ihren jeweiligen Feststellbereich, so dass das Elektrofahrzeug zu keinem Zeit- punkt ungebremst ist. ZF Friedrichshafen AG Akte 211256 Friedrichshafen 2022-06-08 Genau das gleiche Verfahren kann invers eingesetzt werden, um das Elektrofahrzeug nach dem vollständigen Festsetzen durch beide Bremssysteme 11, 12 wieder freizu- geben, ohne die Achse selbst kurzzeitig freigeben zu müssen. Vor dem Auflösen der Verbindung des Aktuators 10 mit der Feststellbremse 9 wird dabei der weitere Aktuator 10a in den weiteren Betriebsbremsbereich bewegt und tritt in Verbindung mit der wei- teren Betriebsbremse 8a, so dass diese eine Bremswirkung an der Achse erzeugt und diese sichert. Im Anschluss wird an dem ersten Bremssystem 11 die Verbindung des Aktuators 10 mit der Feststellbremse 9 gelöst und der Aktuator 10 wird vom Feststell- bereich in den Neutralbereich bewegt. Ist dies abgeschlossen, wird die Verbindung des weiteren Aktuator 10a mit der weiteren Betriebsbremse 8a gelöst, indem er von dem weiteren Betriebsbremsbereich in den weiteren Neutralbereich bewegt wird, so dass die Achse freigegeben wird und ein Beschleunigen des Elektrofahrzeugs ermög- licht. Somit ist das Elektrofahrzeug auch hier zu keinem Zeitpunkt ungebremst und ein unerwünschtes Anrollen wird verhindert. Durch das Vorsehen von zwei Bremssystemen ist eine Redundanz vorhanden, um die Betriebssicherheit das Fahrzeug auch bei Ausfall eines der Bremssysteme beizube- halten. Optional kann beim Durchlaufen der Neutralstellung eines Aktuators auch ein Haltemoment durch die Antriebseinheit bzw. die E-Maschine 2 bereitgestellt werden, um dadurch ein unerwünschtes Anrollen des Fahrzeugs zu verhindern.

ZF Friedrichshafen AG Akte 211256 Friedrichshafen 2022-06-08 Bezugszeichen 1 Antriebsstrang 2 Antriebseinheit 3 Differentialgetriebe 4 Übersetzungsstufe 5 Antriebsrad 8 Betriebsbremse 9 Feststellbremse 10 Aktuator 8a weitere Betriebsbremse 9a weitere Feststellbremse 10a weiterer Aktuator 11 erstes Bremssystem 12 zweites Bremssystem