DE102006027065A1 - Antriebseinheit für ein Kraftfahrzeug - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Antriebseinheit für ein Kraftfahrzeug, bestehend aus einer Brennkraftmaschine und aus einer Elektromaschine, wobei der Rotor der Elektromaschine und die Kurbelwelle der Brennkraftmaschine miteinander in Wirkverbindung stehen, indem auf der Kurbelwelle konzentrisch zu deren Rotationsachse eine Baugruppe abgestützt ist, auf welcher der Rotor gelagert ist. Es wird die Aufgabe gelöst, eine Baugruppe zur biegesteifen Abstützung des Rotors zu schaffen, durch deren Anwendung radiale Bewegungen des Rotors beim Betrieb des Antriebsstranges vermindert werden. Dies wird erreicht, indem die Trägerbaugruppe für den Rotor (1) einen hohlzylindrischen Grundkörpger (2) aufweist.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Antriebseinheit für ein Kraftfahrzeug, bestehend aus einer Brennkraftmaschine und aus einer Elektromaschine, wobei der Rotor der Elektromaschine und die Kurbelwelle der Brennkraftmaschine miteinander in Wirkverbindung stehen, indem auf der Kurbelwelle konzentrisch zu deren Rotationsachse eine Baugruppe abgestützt ist, auf welcher der Rotor gelagert ist.
  • Drehstromgeneratoren für Kraftfahrzeuge werden überwiegend an einer Stirnseite der Brennkraftmaschine angeordnet und über einen Keilriemen von der Kurbelwelle angetrieben. Alternativ zu dieser Variante ist ein Direktantrieb ohne Zwischenschaltung eines Keilriemens möglich, indem der Generator unmittelbar mit der Kurbelwelle verbunden wird. Eine solche direkte Anbindung einer Elektromaschine an die Kurbelwelle ist auch für Kraftfahrzeuge mit einem Hybridantrieb geeignet, der als kombinierte Antriebseinheit mit Brennkraftmaschine und Elektromotor ausgestaltet ist.
  • DE 30 13 424 A1 beschreibt einen Generator für ein Batterieladesystem eines Kraftfahrzeugs, der baulich in das Schwungrad einer Brennkraftmaschine integriert ist. Hierbei ist der Rotor des Generators auf der Umfangskontur vom Schwungrad angeordnet, das mit Schrauben stirnseitig an einem Flansch der Kurbelwelle gelagert ist.
  • Aus DE 100 07 262 B4 ist eine Einrichtung für ein Fahrzeug mit Hybridantrieb bekannt, wobei der Rotor der Elektromaschine von einer Nabe aufgenommen wird, die mittels Bolzen oder Schrauben an der Stirnseite der Kurbelwelle abgestützt ist.
  • Gegenstand von WO 03/023 222 A1 ist eine weitere technische Lösung, bei der ein Rotor einer Elektromaschine auf einer Nabe abgestützt ist, die mit Schrauben an der Stirnseite eines Kurbelwellenflansches gelagert ist.
  • In DE 44 04 791 C1 wird eine Baueinheit für Hybridantriebe beschrieben, die eine elastisch verformbare Drehmomentübertragungsscheibe aufweist, welche als zusätzliche Baugruppe zwischen der Kurbelwelle einer Brennkraftmaschine und der Nabe zur Aufnahme des Rotors einer Elektromaschine angeordnet ist.
  • Die oben benannten Konstruktionen ermöglichen eine direkte Wirkverbindung zwischen dem auf einem Schwungrad oder einer Nabe angeordneten Rotor einer Elektromaschine und der Kurbelwelle. Die hierbei realisierte axiale Verschraubung am Flansch der Kurbelwelle ist jedoch problematisch, weil im Betrieb der Brennkraftmaschine kleine radiale Verbiegungen der Kurbelwelle auftreten, die eine – aufgrund der Hebelwirkung wesentlich größere – Schwenkbewegung am Rotor bewirken. Deshalb sind zwischen Rotor und Stator relativ große Zwischenräume notwendig, um eine Berührung derselben und letztlich Beschädigungen der gesamten Elektromaschine zu vermeiden.
  • Schwenkbewegungen des Rotors um die geometrisch ideale Drehachse in Richtung der Kurbelwellenachse können grundsätzlich vermindert werden, indem der Rotor bzw. eine als Rotorhalter ausgestaltete Baugruppe mehrfach gelagert oder auf einer größeren Fläche an der Kurbelwelle abgestützt wird. So ist aus US 4 862 009 eine Konstruktion bekannt, bei welcher der mit der Kurbelwelle einer Brennkraftmaschine verbundene Rotor einer Elektromaschine zweifach gelagert ist.
  • Bei der Antriebseinheit gemäß DE 101 21 917 A1 ist der Stator einer Elektromaschine starr mit dem Kurbelwellengehäuse verbunden. Innerhalb des Stators ist auf einem Rotorhalter der Rotor angeordnet, wobei der Rotorhalter am endseitigen Abschnitt der Kurbelwelle durch ein Wälzlager auf einem Flansch am Kurbelwellengehäuse radial umlaufend abgestützt ist.
  • Schließlich beschreibt DE 199 39 813 A1 eine Lagerung für den Rotor einer mit einer Brennkraftmaschine kombinierten Elektromaschine, die alternativ als Generator oder Fahrantrieb nutzbar ist. Hierbei ist eine Nabe mit zugeordnetem Rotor konzentrisch zur Rotationsachse auf einem mit der Kurbelwelle drehfest verbundenen Zapfen über ein Wälzlager drehbar gelagert. Dieser Kurbelwellenzapfen ist mittels einer Axial-Schraube an der Kurbelwelle befestigt.
  • Unabhängig von der konkreten Ausgestaltung weisen auch diese technischen Lösungen eine nicht akzeptable Weichheit der Lagerung für den Elektromaschinenrotor auf, verbunden mit einem zwangsläufig zu großen Spiel. Folglich können taumelförmige Bewegungen des Rotors auftreten, die entweder durch eine weiterhin auftretende radiale Verbiegung der Kurbelwelle oder durch eine zu geringe Abstützfläche der den Rotor tragenden Baugruppe bedingt sind. Somit besteht die Gefahr einer Berührung von Rotor und Stator verbunden mit einer Beschädigung der Elektromaschine im Motorbetrieb.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, eine Baugruppe zur biegesteifen Abstützung eines Rotors einer Elektromaschine auf der Kurbelwelle einer Brennkraftmaschine zu schaffen, durch deren Anwendung radiale Bewegungen des Rotors beim Betrieb des Antriebsstranges vermindert werden.
  • Diese Aufgabe wird gelöst, indem die Trägerbaugruppe für den Rotor einen hohlzylindrischen Grundkörper aufweist. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche, deren technische Merkmale im Ausführungsbeispiel näher beschrieben werden.
  • Mit der erfindungsgemäßen Konstruktion wird die Steifigkeit der Lagerung eines auf der Kurbelwelle einer Brennkraftmaschine abgestützten Rotors einer Elektromaschine vorteilhaft erhöht. Demzufolge werden radiale Bewegungen des Rotors beim Betrieb des Antriebsstranges vermindert. Dies wird sowohl durch eine Erhöhung des Abstands zwischen den beiden stützenden Lagern als auch durch die zusätzliche und abgestufte Lagerung im Kurbelwellenflansch erreicht. Somit werden Fluchtungsfehler bei der axialen Ausrichtung des Rotors bezüglich der Drehachse der Kurbelwelle vermieden und die Rotationsachse des Rotors liegt in jedem Betriebspunkt weitgehend in der geometrisch idealen Drehachse.
  • Der Keilpresssitz ermöglicht eine gute Einstellbarkeit bezüglich der Spannkraft und ist sehr gut geeignet für eine einfache und kostengünstige Montage bzw. Demontage. Ein weiterer Vorteil ist, dass durch die hierbei realisierte Keilklemmung für die Baugruppe zur Aufnahme der Lager keine Modifikationen des Kurbelwellenflansches notwendig sind, so dass diese Konstruktion mit geringem Aufwand an bereits verfügbare Kurbelwellen angepasst werden kann. Die Erhöhung der Stützbreite erfordert also kaum Änderungen der umgebenden Baugruppen wie Rotor, Antriebsnabe, Kurbelwelle und dergleichen.
  • Die erfindungsgemäße technische Lösung ist für unterschiedliche Anwendungen geeignet, bei denen eine biegesteife Lagerung einer Baugruppe an einem flanschartig ausgestalteten Abschnitt einer anderen Baugruppe realisiert werden soll. Eine bevorzugte Anwendung ist beispielsweise die Kombination einer Brennkraftmaschine mit einer Elektromaschine. Hierbei kann als Elektromaschine sowohl ein Generator zur Bordstromversorgung als auch ein Elektromotor für Hybridantriebe eingesetzt werden.
  • Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend beschrieben. Es zeigen:
  • 1 den grundsätzlichen Aufbau einer erfindungsgemäßen Trägerbaugruppe in Schnittdarstellung in Seitenansicht
  • 2 die Darstellung gemäß 1 mit zugeordneter Abtriebsnabe für den Rotor
  • 3 den Aufbau des hohlzylindrischen Grundkörpers der Trägerbaugruppe in sog. Drahtansicht
  • 4 den Aufbau einer erfindungsgemäßen Trägerbaugruppe in Explosivdarstellung
  • In der Zeichnung ist ein Ausschnitt einer Antriebseinheit für ein Kraftfahrzeug dargestellt, die aus einer Brennkraftmaschine und aus einer Elektromaschine besteht. Hierbei stehen der Rotor der Elektromaschine und die Kurbelwelle der Brennkraftmaschine miteinander in Wirkverbindung, indem auf der Kurbelwelle konzentrisch zu deren Rotationsachse eine Baugruppe abgestützt ist, auf welcher der Rotor gelagert ist. Ein derartiger Aufbau ist grundsätzlich bekannt, so dass an dieser Stelle auf weitere diesbezügliche Darlegungen verzichtet werden kann. Wesentlich im vorliegenden Sachverhalt ist jedoch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Trägerbaugruppe für den Rotor.
  • Diese Trägerbaugruppe für den Rotor 1 besteht aus einem hohlzylindrischen Grundkörper 2, der mehrere Abschnitte mit jeweils unterschiedlichen Konturen aufweist. Die in 1 und 2 linke Stirnseite des Grundkörpers 2 ist einem Flansch 3 der Kurbelwelle zugeordnet. Ausgehend von dem Kurbelwellenflansch 3 weist der Grundkörper 2 einen ersten Abschnitt 21 mit einer schräg ansteigenden Außenkontur auf. Der erste Abschnitt 21 geht über einen stufenförmigen Absatz in einen zweiten Abschnitt 22 mit einer parallel zur Längsachse des Grundkörpers 2 verlaufenden Außenkontur über. Dem zweiten Abschnitt 22 schließt sich ein dritter Abschnitt 23 mit einer schräg abfallenden Außenkontur an. Der dritte Abschnitt 23 geht in einen vierten Abschnitt 24 über, dessen Außenkontur parallel zur Längsachse des Grundkörpers 2 verläuft. Dem vierten Abschnitt 24 schließt sich ein fünfter Abschnitt 25 an, der eine schräg abfallende Außenkontur aufweist. Der fünfte Abschnitt 25 geht schließlich in einen sechsten Abschnitt 26 über, dessen Außenkontur parallel zur Längsachse des Grundkörpers 2 verläuft. Die Konturverläufe der Abschnitte 21 bis 26 am hohlzylindrischen Grundkörper 2 sind aus 1 und 2 in einer Seitenansicht sowie aus 3 in einer perspektivischen Drahtansicht ersichtlich.
  • Im Innenraum des hohlzylindrischen Grundkörpers 2 ist eine Schraube 4 geführt, mit welcher der Grundkörper 2 im Flansch 3 der Kurbelwelle verspannt wird. Die Schraube 4 weist eine Länge auf, die größer ist als die Summe der axialen Ausdehnung vom hohlzylindrischen Grundkörper 2 und von einem Klemmstück 5, das im montierten Zustand bezogen auf den Kurbelwellenflansch 3 vor dem Grundkörper 2 auf der Schraube 4 lagerbar ist.
  • Dem ersten Abschnitt 21 des hohlzylindrischen Grundkörpers 2 mit der schräg ansteigenden Außenkontur ist mindestens ein konusförmiges Segment 6 zugeordnet. Hierbei weisen die miteinander in Wirkverbindung stehenden Flächen von Grundkörper 2 und konusförmigem Segment 6 vorzugsweise zueinander kongruente Konturen auf. In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist vorgesehen, dass dieses konusförmige Segment 6 als ein rohrförmiges Bauteil ausgestaltet ist.
  • Weiterhin ist auf dem vierten Abschnitt 24 und auf dem sechsten Abschnitt 26 des hohlzylindrischen Grundkörpers 2, die jeweils parallel zur Längsachse desselben verlaufende Außenkonturen aufweisen, jeweils ein Lager 7 bzw. 8 zur Abstützung des Rotors angeordnet. Der Lagermittenabstand zwischen diesen beiden Lagern 7 und 8 ist in 1 mit dem Bezugszeichen "L" gekennzeichnet. Gemäß 2 wird den beiden Lagern 7 und 8 eine abgekröpft ausgestaltete Abtriebsnabe 9 zur Abstützung des Rotors 1 zugeordnet.
  • Der Kurbelwellenflansch 3 weist eine abgestufte Aussparung auf. Hierbei entspricht der Innendurchmesser der inneren Abstufung 31 (in 1 und 2 links) dem Außendurchmesser des auf der Schraube 4 lagerbaren Klemmstücks 5. Der Innendurchmesser der äußeren Abstufung 32 (in 1 und 2 rechts) entspricht dem Außendurchmesser des zweiten Abschnitts 22 am hohlzylindrischen Grundkörper 2.
  • In 1 und 2 sind die benannten Bauteile im montierten Zustand dargestellt. Die Befestigung und Lagerung des Rotors 1 erfolgt über den hohlzylindrischen Grundkörper 2, die konusförmigen Segmente 6 und das Klemmstück 5 im Kurbelwellenflansch 3. Mit der zentral angeordneten Schraube 4 wird das Klemmstück 5 gegen die konusförmigen Segmente 6 gespannt, die am Abschnitt 21 des Grundkörpers 2 abgestützt werden. Durch den von den konusförmigen Segmenten 6 und dem Grundkörper 2 eingeschlossenen Keil ergibt sich u.a. eine umfangsverteilte Radialkraft, die größer ist als die Schraubenkraft zwischen den Segmenten 6 und dem Kurbelwellenflansch 3. Die ausrückerindizierte Axialkraft wird somit über den Grundkörper 2 in die Schraube 4 und damit auf das Klemmstück 5 geleitet. Dieses Klemmstück 5 greift an den Segmenten 6 ein, welche durch die hohe Pressung im Kurbelwellenflansch 3 an einer Bewegung gehindert werden. Folglich wird die Steifigkeit der Lagerung des Rotors 1 erhöht, so dass letztlich radiale Bewegungen des Rotors 1 beim Betrieb des Antriebsstranges weitgehend vermindert werden.

Claims (9)

  1. Antriebseinheit für ein Kraftfahrzeug, bestehend aus einer Brennkraftmaschine und aus einer Elektromaschine, wobei der Rotor der Elektromaschine und die Kurbelwelle der Brennkraftmaschine miteinander in Wirkverbindung stehen, indem auf der Kurbelwelle konzentrisch zu deren Rotationsachse eine Baugruppe abgestützt ist, auf welcher der Rotor gelagert ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerbaugruppe für den Rotor (1) einen hohlzylindrischen Grundkörper (2) aufweist.
  2. Antriebseinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der hohlzylindrische Grundkörper (2) ausgehend von seiner, einem Flansch (3) der Kurbelwelle zugeordneten Stirnseite einen ersten Abschnitt (21) mit einer schräg ansteigenden Außenkontur aufweist, der über einen stufenförmigen Absatz in einen zweiten Abschnitt (22) mit einer parallel zur Längsachse des Grundkörpers (2) verlaufenden Außenkontur übergeht, dem sich ein dritter Abschnitt (23) mit einer schräg abfallenden Außenkontur anschließt, die in einen vierten Abschnitt (24) mit einer wiederum parallel zur Längsachse des Grundkörpers (2) verlaufenden Außenkontur übergeht, dem sich ein fünfter Abschnitt (25) mit einer erneut schräg abfallenden Außenkontur sowie schließlich ein sechster Abschnitt (26) mit einer wiederum parallel zur Längsachse des Grundkörpers (2) verlaufenden Außenkontur anschließen.
  3. Antriebseinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dem Innenraum des hohlzylindrischen Grundkörpers (2) eine Schraube (4) zugeordnet ist, die mit einem Klemmstück (5) in Wirkverbindung steht.
  4. Antriebseinheit nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Schraube (4) eine Länge aufweist, die größer ist als die Summe der axialen Ausdehnung vom hohlzylindrischen Grundkörper (2) und vom Klemmstück (5), das im montierten Zustand bezogen auf den Kurbelwellenflansch (3) vor dem Grundkörper (2) auf der Schraube (4) lagerbar ist.
  5. Antriebseinheit nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass dem ersten Abschnitt (21) des hohlzylindrischen Grundkörpers (2) mit der schräg ansteigenden Außenkontur mindestens ein konusförmiges Segment (6) zugeordnet ist, wobei die miteinander in Wirkverbindung stehenden Flächen von Grundkörper (2) und Segment (6) zueinander kongruente Konturen aufweisen.
  6. Antriebseinheit nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das konusförmige Segment (6) als ein rohrförmiges Bauteil ausgestaltet ist.
  7. Antriebseinheit nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem vierten Abschnitt (24) und auf dem sechsten Abschnitt (26) des hohlzylindrischen Grundkörpers (2) mit den jeweils parallel zur Längsachse des Grundkörpers (2) verlaufenden Außenkonturen jeweils ein Lager (7; 8) zur Abstützung des Rotors (1) angeordnet ist.
  8. Antriebseinheit nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass auf den beiden Lagern (7; 8) eine abgekröpft ausgestaltete Abtriebsnabe (9) zur Abstützung des Rotors (1) angeordnet ist.
  9. Antriebseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerbaugruppe einem Kurbelwellenflansch (3) zugeordnet wird, der eine abgestufte Aussparung aufweist, wobei der Innendurchmesser der inneren Abstufung (31) dem Außendurchmesser des auf der Schraube (4) lagerbaren Klemmstücks (5) und wobei der Innendurchmesser der äußeren Abstufung (32) dem Außendurchmesser des zweiten Abschnitts (22) am hohlzylindrischen Grundkörper (2) entspricht.
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