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Die Erfindung betrifft eine Baueinheit für einen Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie ein Verfahren zur Montage der Baueinheit und eine elektrische Maschine, die für eine derartige Baueinheit geeignet ist.
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Die
DE 44 04 791 C1 zeigt eine Baueinheit aus einem Verbrennungsmotor und einem elektrischen Generator dabei ist ein Gehäuse des elektrischen Generators an einem Zwischenflansch befestigt, der wiederum an einem Gehäuse des Verbrennungsmotors fest angeordnet ist. Bei einer Montage der Baueinheit wird zunächst der Zwischenflansch an dem Verbrennungsmotor und anschließend das Gehäuse der elektrischen Maschine an diesem Zwischenflansch befestigt. Hierdurch weist jeder Befestigungsschritt eine Toleranz, insbesondere in Form von radialen Versätzen, auf, die sich zu einer Gesamttoleranz summieren und einen radialen Versatz zwischen einer Rotornabe bzw. einer Welle der elektrischen Maschine und einer Kurbelwelle des Verbrennungsmotors bewirken. Der Versatz führt zu einer erhöhten Belastung der Baueinheit führt zudem zu einem vorzeitigen Verschleiß der Lagerung der rotierenden Bauteile.
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Um einem derartigen Verschleiß entgegenzuwirken ist in der
DE 10 2013 219 247 A1 eine elektrische Maschine offenbart, die eine Achsversatzvorrichtung aufweist. Hierdurch können u.a. ein radialer Versatz sowie auch ein Winkel zwischen der Rotornabe und der entsprechenden Welle eines weiteren Antriebsstrangelements ausgeglichen werden. Derartige Achsversatzvorrichtungen unterliegen bereits aufgrund derer Verwendung dem Verschleiß sowie einem möglichen Defekt, sind zudem aufwendig herzustellen und bedingen ein erhöhtes Gewicht. Eine weitere Achsversatzvorrichtung ist u.a. in der
DE 10 2006 053 660 A1 gezeigt.
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Es ist daher Aufgabe eine Baueinheit mit einer elektrischen Maschine und einer Antriebsstrangeinheit kostengünstig bereitzustellen, die eine einfache, gewichtssparende, belastungsreduzierende und Verschleißfreie Verbindung einer Rotornabe der elektrischen Maschine mit einer Welle der Antriebsstrangeinheit ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Baueinheit gemäß dem Patentanspruch 1. Die abhängigen Ansprüche beschreiben hierbei vorteilhafte Ausführungen der Baueinheit.
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Die Baueinheit ist hierbei für einen Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs, insbesondere eines PKWs geeignet. Dabei umfasst die Baueinheit eine elektrische Maschine sowie eine Antriebsstrangeinheit. Die elektrische Maschine kann hier beispielsweise für ein Hybridfahrzeug ausgebildet sein oder gegebenenfalls als eigenständige und unabhängige Antriebseinheit des Kraftfahrzeugs wirken. Die Antriebsstrangeinheit kann beispielsweise durch ein Getriebe, insbesondere ein Kraftfahrzeuggetriebe oder ein Schaltgetriebe, ausgebildet sein. Die elektrische Maschine weist hierbei einen Stator und einen Rotor auf, wobei der Stator im Wesentlichen fest bzw. unbeweglich gegenüber der Baueinheit und der Rotor frei drehbar gegenüber dem Stator ausgebildet ist. An dem Rotor ist hierbei insbesondere eine Rotornabe, auch Rotorwelle genannt, ausgebildet. Die Antriebsstrangeinheit weist ebenso eine Welle auf, bei einem Getriebe insbesondere eine Eingangswelle. Dabei sind die Rotornabe der elektrischen Maschine sowie die Welle der Antriebsstrangeinheit drehfest miteinander verbunden. Diese drehfeste Verbindung kann beispielsweise über eine Verzahnung, insbesondere eine Steckverzahnung, bereitgestellt sein.
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Dabei sind ein Statorträger der elektrischen Maschine und ein Gehäuse der Antriebsstrangeinheit unmittelbar, also ohne weitere zwischengeschaltete Bauteile, miteinander verbunden. Der Statorträger liegt somit in direktem Anlagekontakt mit dem Gehäuse. Dadurch ist eine mögliche Toleranzkette bei der Montage sehr kurz. Das Gehäuse der Baueinheit kann die elektrische Maschine gegebenenfalls außen umgreifen und somit das gleichzeitig das Gehäuse für die Antriebsstrangeinheit und die elektrische Maschine bereitstellen. Im Wesentlichen wird das Gehäuse an einer Antriebseinheit, insbesondere einem Verbrennungsmotor, befestigt, um den Antriebsstrang nach außen hin vor Verschmutzung zu schützen.
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Zudem sind die Rotornabe und die Welle zentriert oder auch in radialer Richtung unverspannt aneinander angeordnet. Dabei wird die Rotornabe an der Welle angeordnet, um eine zentrierte Anordnung bereitzustellen und der Statorträger anschließend an dem Gehäuse fixiert. Hierdurch kann insbesondere eine Achsversatzausgleichseinrichtung eingespart werden. Dies ist einerseits kostengünstig und andererseits material- und gewichtseinsparend.
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Die unmittelbare Anordnung des Statorträgers an dem Gehäuse ist hierbei über eine kraftschlüssige feste Verbindung, die in axialer Richtung wirkt fixiert, ausgeführt. Die Verbindung ist dabei insbesondere durch eine Verbindungsandordnung wie beispielsweise eine Verschraubung ausgebildet. Dadurch wird bei der Montage ein Einbringen einer radial wirkenden Kraft verhindert und somit eine Dezentrierung von Rotornabe und Welle verhindert.
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Günstigerweise ist zudem die Welle unmittelbar gegenüber dem Gehäuse und / oder die Rotornabe unmittelbar gegenüber dem Statorträger gelagert, sodass eine möglichst kurze Toleranzkette bereitgestellt wird. Gegebenenfalls ist es von Vorteil, wenn zwischen der Lagerung von der Welle an dem Gehäuse und / oder der Rotornabe gegenüber dem Statorträger ein oder zwei Element zwischengeschaltet sind. Hierdurch kann beispielsweise eine axiale Ausrichtung der Lagerung der Rotornabe bestimmt und eine komplizierte Geometrie und Fertigung des Statorträgers vermieden werden. Dabei sind das zwischengeschaltete Element und der Statorträger aneinander fixiert, beispielsweise über eine Presspassung.
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Dabei wird vorgeschlagen, dass bei der Montage der Baueinheit die in axialer Richtung wirkende kraftschlüssige Verbindungsanordnung bis zur Fixierung von Statorträger und Gehäuse einen radialen Freiheitsgrad aufweist.
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Durch diesen radialen Freiheitsgrad kann die Rotornabe und die Welle aneinander zentriert werden, wobei die Verbindungsmittel über den radialen Freiheitsgrad problemlos verwendbar sind. Insbesondere kann der Statorträger beispielsweise Öffnungen aufweisen, durch die eine Schraubverbindung hindurchgreift, wobei in dem Gehäuse entsprechende Gewinde eingebracht sind, um die Schrauben zu befestigen. Die Öffnungen sind dabei derart in deren Größe ausgebildet, dass diese zumindest über den maximal möglichen radialen Versatz zwischen der Rotornabe und dem Statorträger im Verhältnis zu den Gewinden ausgleichbar ist.
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In einer weiteren Ausführungsvariante ist die in axialer Richtung wirkende kraftschlüssige Verbindungsanordnung durch eine axiale Schraubverbindung ausgebildet.
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Die ausschließliche Kraftwirkung der Verbindungsanordnung in axialer Richtung ist hierbei von Vorteil, da beispielsweise eine radiale Verschraubung oder eine Schrägverschraubung eine in radialer Richtung wirkende Kraft aufbringen und somit zu einer Dezentrierung von Rotornabe und Welle führen. Dabei sind an dem Statorträger und dem Gehäuse günstigerweise jeweils korrespondierende Flächen ausgebildet, die in radialer Richtung weisen bzw. deren Flächennormale entlang der Mittelachse der Welle oder der Rotornabe ausgebildet sind.
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Günstiger Weise ist an der Baueinheit eine Rotationsfestlegungseinrichtung ausgebildet, die eine eindeutige rotatorische Ausrichtung zwischen dem Gehäuse und dem Statorträger bestimmt.
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Eine derartige rotatorische Ausrichtung ist insbesondere dann von Vorteil, wenn an dem Gehäuse sowie der elektrischen Maschine entsprechend weitere Verbindungsmittel vorgesehen sind. Hierdurch kann beispielsweise eine entsprechende Verkabelung der elektrischen Maschine oder auch ein korrekter Sitz einer Verbindung für eine Wasserzufuhr zur elektrischen Maschine ermöglicht werden. Dabei ist günstigerweise ein Mittel zur Rotationsfestlegung an dem Gehäuse und ein weiteres Mittel an dem Statorträger ausgebildet.
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Mit besonderem Vorteil sind ein Passstift und eine Nut oder ein Langloch als komplementäre Teilelemente der Rotationsfestlegungseinrichtung gegenseitig an dem Gehäuse und dem Statorträger ausgebildet.
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Die komplementären Teilelemente, insbesondere der Passstift und die Nut oder das Langloch, sind derart ausgebildet, dass ein radialer Freiheitsgrad möglich ist, jedoch eine Ausrichtung von Gehäuse zu Statorträger in Umfangsrichtung festgelegt ist. Die Nut oder das Langloch weisen beispielsweise eine Breite auf, die dem Durchmesser des Passstiftes entspricht, wobei sich der Passstift entlang der Nut bewegen kann. Die Nut oder das Langloch ist dabei günstigerweise in radialer Richtung ausgebildet.
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Der Passstift kann hierbei entweder gehäuseseitig oder statorträgerseitig ausgebildet sein. Selbiges gilt für die Nut oder das Langloch. Dabei sind an der Rotationsfestlegungseinrichtung jeweils eines der komplementären Teilelemente an dem Gehäuse und das entsprechend zugehörige komplementäre Teilelement an dem Statorträger ausgebildet.
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Die Aufgabe wird zudem durch ein Verfahren zur Montage einer Baueinheit, die nach zumindest einer der vorherigen Ausführungen oder einem der Patentansprüche 1–5 ausgebildet ist, gelöst. Die abhängigen Ansprüche führen auch hier bevorzugte Ausführungsbeispiele aus.
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Dabei wird zunächst die Rotornabe der elektrischen Maschine zur Zentrierung an der Welle der Antriebsstrangeinheit angeordnet. Dies geschieht insbesondere durch ein axiales Zusammenbringen der elektrischen Maschine und der Antriebsstrangeinheit, wobei die Rotornabe und die Welle, beispielsweise durch eine korrespondierende Innen- und Außenverzahnung bzw. Steckverzahnung von Rotornabe und Welle. Die Rotornabe und die Welle sind somit spannungsfrei aneinander angeordnet und der Statorträger sowie das Gehäuse sind für eine spannungsfreie und zentrierte Montage bzw. Befestigung ausgerichtet. Die Zentrierung von Rotornabe und Welle kann dabei aufgrund der Toleranzkette innerhalb des Gehäuses und der elektrischen Maschine einen radialen Versatz von Gehäuse und elektrischer Maschine bewirken. Dabei ist, wie bereits erwähnt, die Verbindungsanordnung derart ausgebildet, sodass aufgrund eines radialen Freiheitsgrads stets eine axial feste Verbindung zwischen dem Gehäuse und dem Statorträger herstellbar ist. Anschließend wird der Statorträger bei zentrierter Rotornabe über eine in axialer Richtung wirkende kraftschlüssige Verbindung an dem Gehäuse fixiert.
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Es wird zudem vorgeschlagen, dass bei der Anordnung der elektrischen Maschine an dem Gehäuse durch das Zusammenbringen von dem Statorträger und dem Gehäuse die komplementären Teilelemente der Rotationsfestlegungseinrichtung in Eingriff zusammenwirken und eine rotatorische Ausrichtung zwischen dem Statorträger und dem Gehäuse festgelegt wird.
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Dieses Zusammenbringen der komplementären Teilelemente der Rotationsfestlegungseinrichtung kann beispielsweise während dem Zusammenfügen von Rotornabe und Welle geschehen. Dabei greifen die komplementären Teilelemente ineinander ein und legen bei einem verbleibenden radialen Freiheitsgrad die rotatorische Ausrichtung zwischen Statorträger und Gehäuse fest.
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Günstiger Weise wird die kraftschlüssige Verbindung durch eine axiale Verschraubung ausgeführt.
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Siehe hierzu die vorhergehenden sowie die weiteren Ausführungen. Ebenso wird die Aufgabe durch eine elektrische Maschine, die für eine Baueinheit sowie ein Verfahren nach einem der Patentansprüche 1–8 oder zumindest einer der vorherigen Ausführungen ausgebildet ist.
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Die Baueinheit, das Verfahren zur Montage der Baueinheit und die elektrische Maschine sollen im Weiteren anhand mehrerer Figuren ausführlicher und beispielhaft erläutert werden. Es zeigen:
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1 eine Baueinheit mit einer elektrischen Maschine und einer Antriebsstrangeinheit;
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2 die Befestigung der elektrischen Maschine an der Antriebsstrangeinheit;
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3 einen Statorträger der elektrischen Maschine;
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4 eine vergrößerte Darstellung der 3, die ein Teilelement einer Rotationsfestlegungseinrichtung zeigt;
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5 die Baueinheit aus 1 in einer Frontansicht;
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6 eine vergrößerte Darstellung der Baueinheit aus 5.
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In der 1 ist eine Baueinheit 10 mit einer elektrischen Maschine 12 und einer Antriebsstrangeinheit 14 dargestellt. Die Antriebsstrangeinheit 14 ist hierbei insbesondere durch ein Getriebe 14 für ein Kraftfahrzeug ausgebildet. Die Antriebsstrangeinheit 14 weist hierbei ein Gehäuse 16 und eine Welle 18, insbesondere eine Eingangswelle 18 des Getriebes 14, auf. Die elektrische Maschine 12 ist hierbei an der Baueinheit 10 innerhalb des Gehäuses 16 ausgebildet, bzw. von dem Gehäuse 16 der Antriebstrangeinheit 14 radial außen in axialer Richtung umgriffen. Das Gehäuse 16 ist dabei vorzugsweise ein an eine Antriebseinheit, insbesondere ein Verbrennungsmotor, der hier nicht dargestellt ist, angeflanscht. Die elektrische Maschine 12 weist dabei einen Stator 20 und einen Rotor 22 auf. Der Stator 20 steht hierbei still gegenüber dem Gehäuse 16, wobei der Rotor 22 mit der Welle 18 zur Ausführung einer Drehbewegung verbunden ist.
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Der Stator 20 weist hierbei insbesondere einen Statorträger 24 auf, demgegenüber der Rotor 22 über eine Lagervorrichtung 26 gelagert ist. Die Lagervorrichtung 26 ist hierbei insbesondere an einem zwischengeschalteten Element 27 angeordnet, welches wiederum an dem Statorträger 24 angeordnet ist. Dabei ist das zwischengeschaltete Element 27 vorzugsweise in den Statorträger 24 eingepresst, um eine gegenüber der elektrischen Maschine 12 axial mittige Lagerung der Rotornabe 26 zu ermöglichen. Die Lagervorrichtung 26 kann beispielsweise auch direkt an dem Statorträger 24 ausgebildet sein, um die Toleranzkette weiter zu verkürzen. Dabei sind an dem Stator 20 u.a. Spulen 25 zum Betrieb der elektrischen Maschine 12 ausgebildet. Der gegenüber dem Statorträger 24 drehbar gelagerte Rotor 22 weist insbesondere eine Rotornabe 28 bzw. eine Rotorwelle 28 auf. An der Rotornabe 28 sind Permanentmagnete 30 ausgebildet, die in Außenläuferbauweise um den Stator 20 umlaufen. Die Rotornabe 28 ist dabei über eine Innenverzahnung 32 mit einer Außenverzahnung 34 der Welle in Form drehfest verbunden, bzw. drehfest an dieser angeordnet. Die Innenverzahnung 32 und die Außenverzahnung bilden hierbei im Wesentlichen eine einer Steckverzahnung. Dabei ist die Rotornabe 28 im Wesentlichen auf die Eingangswelle 18 aufgesteckt, wobei die elektrische Maschine 12 über den Statorträger 24 mit der Antriebsstrangeinheit 14 fest verbunden ist. Die Rotornabe 28 und die Welle 18 führen hierbei eine gemeinsame Drehbewegung aus.
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Dabei sind die Rotornabe 28 und die Welle 18, wie bereits in der Beschreibung mehrfach erläutert, spannungsfrei und zentriert aneinander angeordnet und drehfest miteinander verbunden, wobei der Statorträger 24 unmittelbar an dem Gehäuse 16 angeordnet und fest mit diesem verbunden ist. Die in axialer Richtung kraftschlüssig wirkende feste Verbindunganordnung 36 ist hierbei durch eine Verschraubung 36 ausgebildet. Dabei sind in Umfangsrichtung verteilt an dem Statorträger 24 mehrere Öffnungen 38 sowie an dem Gehäuse 14 mehrere Gewindebohrungen 40 ausgebildet. Dabei korrespondieren die Öffnungen 38 und die Gewindebohrungen 40, sodass ein Verbindungsmittel 42, hierbei eine Schraube 42 die Öffnung 38 in axialer Richtung durchgreift und über die Gewindebohrung 40 befestigt oder fixiert ist. Durch die unmittelbare Befestigung des Statorträgers 24 an dem Gehäuse 16 wird insbesondere eine lange Toleranzkette, die beispielsweise durch die axiale Aneinanderreihung mehrerer Verschraubungen entstehen kann. Dabei ist die Rotornabe 28 über die Lagervorrichtung 26 innerhalb der elektrischen Maschine 18 an dem Statorträger 24 festgelegt. Ebenso ist die Welle 18 günstigerweise über mehrere Langervorrichtungen 54 innerhalb der Antriebsstrangeinheit gegenüber dem Gehäuse festgelegt. Dabei ist die Welle 18 günstigerweise über zumindest eine oder alle Lagervorrichtung 54 direkt gegenüber dem Gehäuse 16 gelagert sein. Durch Anordnung von Rotornabe 28 und Welle 18 aneinander, sowie anschließende Fixierung des Statorträgers 24 an dem Gehäuse 16 wird eine spannungsfreie, insbesondere radial spannungsfreie Verbindung von Rotornabe 28 und Welle 18 ermöglicht.
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Zudem verbleibt die zentrierte Ausrichtung zwischen der Rotornabe 28 und der Welle 18 aufgrund der fehlenden radialen Kraftkomponente der Verbindungsanordnung 36 auch nach der Befestigung.
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Die Verschraubung 36 ist zudem nochmals in vergrößerter Darstellung in 2 gezeigt. Man erkennt, dass der Durchmesser der Schraube 42 geringer ist als der Durchmesser der Öffnung 38, sodass bei über die Verzahnung von Rotornabe 28 und Welle 18 zentrierter elektrischer Maschine 12 ein möglicher maximaler radialer Versatz zwischen dem Statorträger 24 und dem Gehäuse 16 ausgeglichen werden kann. Dieser Freiraum 44 wird auch als Toleranzausgleich bezeichnet.
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Der Statorträger 24 ist in der 3 und 4 als Einzelteil dargestellt. Dabei ist an dem Statorträger 24 optional ein komplementäres Teilelement 56a einer Rotationsfestlegungseinrichtung 46 der Baueinheit 10 ausgebildet. In das komplementäre Teilelement 56a ist hierbei durch eine Nut 48 oder alternativ als Langloch 48 eingebracht. Das komplementäre Teilelement 56a ist dabei radial außen an dem Statorträger ausgebildet und benachbart zu einer Öffnung 38 angeordnet. Die Rotationsfestlegungseinrichtung 46 ist dabei nochmals genauer in der 5 und der 6 in seiner Gesamtheit dargestellt. Dabei greift ein komplementäres Teilelement 56b des Gehäuses, welches als Passstift 50, insbesondere in Form eines Dorns, ausgebildet ist, in das Langloch 48 ein. Man erkennt, dass eine Ausrichtung des Statorträgers 24 bzw. der elektrischen Maschine 12 gegenüber dem Gehäuse 16 in Umfangsrichtung festgelegt ist, wobei in radialer Richtung ein Freiheitsgrad aufgrund eines Freiraums 52 in radialer Richtung gegeben ist. Der Statorträger 24 kann daher bei der Montage lediglich in einer bestimmten Umfangsrichtung bei einem Freiheitsgrad in radialer Richtung an dem Gehäuse 16 befestigt werden. Der durch den Freiraum 52 bereitgestellte radiale Freiheitsgrad ermöglicht es dennoch die Rotornabe 28 gegenüber der Welle 18 zentriert anzuordnen. Insbesondere sind die Rotationsachsen A der Welle 18 und der Rotornabe 28 identisch. Die Rotationsfestlegungseinrichtung ist hierbei optional und ist insbesondere bei einer Montage mit standardisierter Ausrichtung von weiteren Anschlüssen, wie für Kühlmittelkreislauf oder Stromverbindung, von Vorteil.
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Bei der Montage der Baueinheit 10 wird zunächst die elektrische Maschine 12 an dem Gehäuse 16 angeordnet, indem die Rotornabe 28 und die Welle 18 ineinandergreifen bzw. übereinander geschoben werden. Dadurch ist über die Rotornabe 28 und die Lagerung 26 die zentrierte Ausrichtung der elektrischen Maschine 12 gegenüber der Antriebsstrangeinheit 14 gegeben. Gegebenenfalls, wird bei dem Aufschieben der Rotornabe 28 auf die Welle 18 zudem der Passstift 50 der Rotationsfestlegungseinrichtung in das Langloch 48 eingeführt, sodass die umfangsseitige Ausrichtung des Statorträgers 24 gegenüber dem Gehäuse 16 korrekt festgelegt ist. Der Freiraum 52 ermöglicht dennoch die zentrierte Anordnung der elektrischen Maschine gegenüber dem Gehäuse 16. Die zentrierte elektrische Maschine 12 bzw. der Statorträger 24 wird nun über Schrauben 42 axial an dem Gehäuse 16 befestigt. Hierdurch sind, wie bereits mehrfach erläutert, die Rotornabe 28 und die Welle 18 spielfrei, spannungsfrei sowie um dieselbe Rotationsachse A herum ausgerichtet.
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An dem Statorträger 24 und an dem Gehäuse 16 ist jeweils eines der komplementären Teilelemente der Rotationsfestlegungseinrichtung 46 ausgebildet, die bei der Montage ineinander eingebracht werden und zur umfangsmäßigen Ausrichtung ineinander eingreifen.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Baueinheit
- 12
- elektrische Maschine
- 14
- Antriebsstrangeinheit / Getriebe
- 16
- Gehäuse
- 18
- Welle / Eingangswelle
- 20
- Stator
- 22
- Rotor
- 24
- Statorträger
- 25
- Spule
- 26
- Lagervorrichtung
- 27
- zwischengeschaltetes Element
- 28
- Rotornabe / Rotorwelle
- 30
- Permanentmagnet
- 32
- Innenverzahnung
- 34
- Außenverzahnung
- 36
- Verschraubung / Verbindungsanordnung
- 38
- Öffnung
- 40
- Gewindebohrung
- 42
- Verbindungsmittel / Schraube
- 44
- Freitraum / Toleranzausgleich
- 46
- Rotationsfestlegungseinrichtung
- 48
- Nut / Langloch
- 50
- Passstift
- 52
- Freiraum
- 54
- Lagervorrichtung
- 56a, b
- komplementäres Teilelement
- A
- Rotationsachse
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 4404791 C1 [0002]
- DE 102013219247 A1 [0003]
- DE 102006053660 A1 [0003]
