DE102016220233A1 - Umlaufgetriebe mit integrierter Rutschkupplung für eine elektrische Maschine - Google Patents

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Stephan Kaske
Bernhard Bauer
Sarah Palauro
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Javier Bores
Stefan Tumback
Michael Froehlich-Schlapp
Bernhard Doentgen
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Umlaufgetriebe (20) für eine elektrische Maschine, insbesondere für einen Starter für eine Brennkraftmaschine, zum Übertragen eines Drehmoments von einer ersten Welle auf eine zweite Welle, aufweisend ein Hohlrad (44) mit einem Umfang, wobei um den Umfang des Hohlrads (44) wenigstens ein Rutschband (51) gespannt ist, welches drehfest mit einem das Hohlrad (44) umgebenden Abstützbauteil (50) verbunden ist.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Umlaufgetriebe für eine elektrische Maschine sowie eine elektrische Maschine mit einem derartigen Umlaufgetriebe.
  • Stand der Technik
  • Zum Starten von Brennkraftmaschinen können elektrische Maschinen in Form von Startern vorgesehen sein. Von dem Starter wird elektrische Energie in mechanische Energie umgewandelt, wodurch eine Antriebswelle des Starters in Drehbewegung versetzt werden kann. Die Antriebswelle kann über Ritzel oder Riemen mit einer Kurbelwelle der Brennkraftmaschine in Eingriff stehen, um Drehmoment auf die Kurbelwelle zu übertragen und die Brennkraftmaschine starten zu können. Ein derartiger Starter ist beispielsweise in der DE 10 2009 001 835 A1 beschrieben. Bei sehr hohen Drehzahlen und bei Lastspitzen in der Momentübertragung kann es zu Beschädigungen der elektrischen Maschine kommen.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Erfindungsgemäß werden ein Umlaufgetriebe für eine elektrische Maschine sowie eine elektrische Maschine mit einem derartigen Umlaufgetriebe mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
  • Die Erfindung schlägt vor, eine Rutschkupplungsfunktion in ein Umlaufgetriebe zu integrieren, zwischen einem Hohlrad und einem mit diesem im Normalbetrieb des Getriebes in drehfester Verbindung stehenden Abstützbauteil, beispielsweise einem Getriebegehäuse oder einer Welle.
  • Das Umlaufgetriebe ist zum Übertragen eines Drehmoments von einer ersten Welle auf eine zweite Welle ausgestaltet und weist das Hohlrad mit einem Umfang auf. Um den Umfang des Hohlrads ist wenigstens ein Rutschband gespannt, welches drehfest mit einem das Hohlrad umgebenden Abstützbauteil verbunden ist. Insbesondere stellt das Rutschband ein begrenztes Abstützmoment zwischen Hohlrad und Abstützbauteil bereit.
  • Durch das Rutschband kann die Rutschkupplungsfunktion in das Umlaufgetriebe integriert und das von der ersten auf die zweite Welle übertragene Drehmoment zweckmäßigerweise begrenzt werden. Insbesondere kann dadurch verhindert werden, dass es zu Drehmomentspitzen kommt, durch welche es zu Beschädigungen des Umlaufgetriebes oder weitere Komponenten kommen kann, z.B. von Lagern, Freiläufen usw. Durch das Rutschband, insbesondere in Abhängigkeit von der mechanischen Spannkraft, mit welcher das Rutschband um das Hohlrad gespannt ist, kann zweckmäßigerweise ein Drehmomentschwellwert eingestellt werden. Überschreitet das Drehmoment das maximal mögliche Abstützmoment, dreht das Hohlrad unter dem Rutschband durch und in der Folge wird kein Drehmoment mehr zwischen den beiden Wellen übertragen.
  • Das Rutschband ist somit nicht drehfest mit dem Hohlrad verbunden, aber an wenigstens einem Punkt an dem das Hohlrad umgebenden Abstützbauteil statisch fixiert. Bei Übertragung von Drehmomenten unterhalb des entsprechenden Drehmomentschwellwerts ist das Hohlrad durch das Rutschband drehfest mit dem Abstützbauteil verbunden. Bei Überschreiten des Drehmomentschwellwerts wird durch das Rutschband eine relative Rotation zwischen Hohlrad und Abstützbauteil ermöglicht.
  • Beispielswiese kann das Umlaufgetriebe derart ausgestaltet sein, dass das Hohlrad gestellfest sein soll, sich also während der normalen Drehmomentübertragung nicht dreht. Durch das Rutschband kann Beschädigungen durch Überlast vorgebeugt werden. Durch die Spannung bzw. die axiale Kraft, welche das Rutschband auf das Hohlrad ausübt, kann das Hohlrad bei regulärer Drehmomentübertragung unterhalb des Schwellwerts von dem Abstützbauteil fixiert werden. Kommt es jedoch zu einer Drehmomentspitze und überschreitet das zu übertragende Drehmoment somit den Schwellwert, kann sich das Hohlrad relativ zu dem Rutschband bzw. relativ zu dem Abstützbauteil drehen.
  • Alternativ kann das Umlaufgetriebe auch derart ausgestaltet sein, dass das Abstützbauteil mit einer der Wellen verbunden ist und sich bei regulärer Drehmomentübertragung mit dieser Welle dreht. Diese Welle kann zweckmäßigerweise als Hohlwelle ausgebildet sein. Das Abstützbauteil kann insbesondere Teil dieser Hohlwelle sein. Durch das Rutschband wird bei regulärer Drehmomentübertragung gewährleistet, dass das Hohlrad drehfest mit dem Abstützbauteil verbunden ist und sich synchron zu der Hohlwelle dreht. Bei Überschreiten des Drehmomentschwellwerts wird eine relative Rotation des Hohlrads zu dem Rutschband bzw. dem Abstützbauteil ermöglicht.
  • Das Umlaufgetriebe ist vorteilhafterweise als ein Planetengetriebe ausgebildet. Das Hohlrad ist dabei zweckmäßigerweise innenverzahnt und steht mit einem oder mehreren Planetenrädern in Eingriff, welche wiederum mit einem Sonnenrad in Eingriff stehen. Die Planetenräder können zweckmäßigerweise mit der ersten oder zweiten Welle drehfest verbunden sein. Das Sonnenrad ist insbesondere mit der anderen der beiden Wellen drehfest verbunden. Alternativ kann auch das Hohlrad mit einer der Wellen verbunden sein und sich bei regulärer Drehmomentübertragung drehen. In diesem Fall können ein Planetenradträger oder das Sonnenrad gestellfest sein und sich nicht drehen.
  • Das Umlaufgetriebe ist vorzugsweise für eine elektrische Maschine vorgesehen, von welcher elektrische Energie in mechanische Energie gewandelt wird, wodurch, ohne Beschränkung der Allgemeinheit, insbesondere die erste Welle in Drehbewegung versetzt wird. Die erste Welle ist zweckmäßigerweise als Ankerwelle der elektrischen Maschine ausgebildet. Die zweite Welle ist insbesondere als Antriebswelle ausgebildet. Das Drehmoment der Antriebswelle kann wiederum auf eine weitere Welle übertragen werden, um diese in Drehbewegung zu versetzen. Es versteht sich, dass auch die zweite Welle als Ankerwelle und die erste Welle als Antriebswelle ausgebildet sein kann. Ebenso vorteilhaft ist das Umlaufgetriebe für eine elektrische Maschine vorgesehen, von welcher mechanische Energie in elektrische Energie gewandelt wird.
  • Insbesondere kann weiterhin ein Freilauf vorgesehen sein, um eine Drehmomentübertragung zwischen der Antriebswelle und der weiteren Welle in nur einer Drehrichtung zu erlauben. Durch einen derartigen Freilauf wird die elektrische Maschine vor Beschädigungen durch zu hohe Drehzahlen und Momentspitzen in dieser entgegengesetzten Drehrichtung geschützt. Der Freilauf kann in das Umlaufgetriebe integriert sein oder auch als separates Bauteil realisiert sein.
  • Vorzugsweise ist die elektrische Maschine als Starter für eine Brennkraftmaschine ausgebildet, welcher Drehmoment der Antriebswelle erzeugt, welches auf eine Welle der Brennkraftmaschine, z.B. die Kurbelwelle, übertragen wird, um diese zu starten. Die Antriebswelle kann beispielsweise über Ritzel und/oder über einen Riementrieb mit der Welle der Brennkraftmaschine verbunden sein. Durch die Erfindung kann der Starter somit vor Beschädigungen durch Drehmomentspitzen geschützt werden.
  • Es kann eine zweckmäßige Anzahl von Rutschbändern für das Hohlrad vorgesehen sein. Eine mindestens zweiteilige Ausführung, also eine Verwendung von wenigstens zwei Rutschbändern, ist besonders vorteilhaft. Zwischen einzelnen der Rutschbänder kann jeweils ein Mittelbund des Hohlrads angeordnet sein. Die einzelnen Rutschbänder können jeweils beispielsweise aus einem Metall gefertigt sein, z.B. aus Aluminium und/oder Stahl oder einer Legierung davon, oder beispielsweise auch aus einem Kunststoff.
  • Bevorzugt ist das das Hohlrad umgebende Abstützbauteil als ein Gehäuse bzw. Gestell des Umlaufgetriebes ausgebildet.
  • Die Rutschbänder sind zweckmäßigerweise nicht starr an dem Abstützbauteil befestigt, sondern insbesondere mit einem gewissen Spiel bzw. Toleranzbereich fixiert. Beispielsweise kann sich ein Fixierelement des jeweiligen Rutschbands an einem speziell dafür vorgesehenen Punkt des Abstützbauteils abstützen bzw. mit diesem Punkt in Eingriff stehen. Beispielsweise kann ein elastischer Puffer (siehe unten) an diesem Punkt vorgesehen sein, um das geforderte Spiel bereitzustellen.
  • Als ein derartiger Punkt kann vorzugsweise eine Nut in dem Abstützbauteilvorgesehen sein. Bevorzugt ist das wenigstens eine Rutschband in wenigstens einer Nut in dem Abstützbauteil fixiert. Als entsprechendes Fixierelement kann das entsprechende Rutschband beispielsweise eine Verformung bzw. einen radialen Vorsprung aufweisen, welche in einer derartigen Nut in dem Abstützbauteil angeordnet ist.
  • Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ist an dem wenigstens einen Rutschband wenigstens ein Klemmelement angeordnet, um das wenigstens eine Rutschband um den Umfang des Hohlrads zu spannen. Insbesondere kann durch dieses wenigstens eine Klemmelement ein mechanische Kraft eingestellt werden, mit welcher das jeweilige Rutschband gegen das Hohlrad drückt. Zweckmäßigerweise kann durch das wenigstens eine Klemmelement somit ebenfalls der Drehmomentschwellwert eingestellt werden. Für jedes Rutschband kann eine zweckmäßige Anzahl von Klemmelementen vorgesehen sein, um die vorgegebenen Kraft bzw. die gewünschte mechanische Spannung des Rutschbands erzeugen zu können. Insbesondere sind zwischen drei und 25 Klemmelemente vorgesehen.
  • Bevorzugt dient das wenigstens eine Klemmelement gleichzeitig als Fixierelement. Vorteilhafterweise ist das wenigstens eine Klemmelement in der wenigstens einen Nut in dem Abstützbauteil angeordnet.
  • Vorzugsweise ist wenigstens ein elastischer Puffer zwischen dem wenigstens einen Klemmelement und dem Abstützbauteil vorgesehen. Diese elastischen Puffer können beispielsweise als Quader oder im Wesentlichen quaderförmig ausgebildet und z.B. aus Gummi gefertigt sein.
  • Vorteilhafterweise ist der wenigstens eine elastische Puffer in der wenigstens einen Nut in dem Abstützbauteil angeordnet. Insbesondere sind pro Nut zwei elastische Puffer vorgesehen, welche an den beiden Wänden der jeweiligen Nut angeordnet sind. Zwischen diesen beiden elastischen Puffern der Nut ist zweckmäßigerweise das jeweilige Klemmelement angeordnet.
  • Bevorzugt ist eine Innenfläche des wenigstens einen Rutschbands und/oder der Umfang des Hohlrads reiboptimiert ausgebildet. Zu diesem Zweck können die entsprechenden Flächen eine reiboptimierte Oberflächenbeschichtung oder einen Gleitaufsatz aufweisen, z.B. aus Polyoxymethylen (POM) oder Polyamid (PA).
  • Die Erfindung betrifft weiterhin eine elektrische Maschine mit einer bevorzugten Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Umlaufgetriebes. Vorzugsweise ist die elektrische Maschine als ein Starter für eine Brennkraftmaschine ausgebildet. Vorteile und bevorzugte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine ergeben sich aus obiger Beschreibung des erfindungsgemäßen Umlaufgetriebes in analoger Art und Weise.
  • Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
  • Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
    • 1 zeigt schematisch eine elektrische Maschine in Form eines Starters für eine Brennkraftmaschine mit einer bevorzugten Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Umlaufgetriebes.
    • 2 zeigt eine bevorzugte Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Umlaufgetriebes in einer Explosionsansicht.
    • 3 zeigt eine bevorzugte Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Umlaufgetriebes in einer Frontansicht.
  • Ausführungsform(en) der Erfindung
  • In 1 ist eine elektrische Maschine in Form eines Starters für eine Brennkraftmaschine schematisch dargestellt und mit 10 bezeichnet.
  • Der Starter 10 umfasst einen Polschuh 22, dem eine Erregerwicklung 24 zugeordnet ist. Die Polschuhe 22 umschließen einen Anker 26 mit Ankerwelle 11. An dem Umfang eines Kommutators 28 sind mehrere Kohlebürsten angeordnet.
  • Eine bevorzugte Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Umlaufgetriebes 20 ist vorgesehen, um Drehmoment der Ankerwelle 11 auf eine Antriebswelle 13 zu übertragen. Das Umlaufgetriebe 20 ist als ein Planetengetriebe ausgebildet und umfasst ein Hohlrad 44. Ein Sonnenrad 46 ist mit der Ankerwelle 11 drehfest verbunden. Mindestens zwei Planetenräder 48 stehen sowohl mit dem Sonnenrad 46 als auch mit einer Innenverzahnung des Hohlrades 44 in Eingriff. Die Planetenräder 48 sind an einem Planetenradträger angeordnet, welcher mit der Antriebswelle 13 drehfest verbunden ist.
  • Das Drehmoment der Antriebswelle 13 wird wiederum auf eine Kurbelwelle der Brennkraftmaschine übertragen, um diese zu starten. Zu diesem Zweck ist an der Antriebswelle 13 ein Ritzel 12 angeordnet, welches sich mit einem Zahnkranz 14 der Brennkraftmaschine in Eingriff bringen lässt. Dieses Einspuren des Ritzels 12 in den Zahnkranz 14 erfolgt beispielsweise mittels eines Einrückhebels 18, der durch ein Einrückrelais 30 des Starters 10 betätigt wird. Das Einrückrelais 30 wird mittels eines Startschalters 32 betätigt, durch welchen eine elektrische Verbindung zu einer Batterie 34 geschlossen oder geöffnet wird.
  • Zwischen den über das Einrückrelais 30 betätigbaren Einrückhebel 18 und dem Ritzel 12 befindet sich ein Freilauf 16, welcher eine Drehmomentübertragung zwischen der Antriebswelle 13 und der Kurbelwelle in nur eine Drehrichtung erlaubt. Durch den Freilauf 16 wird der Starter 10 vor Beschädigungen durch zu hohe Drehzahlen und Momentspitzen nach dem Anlassen geschützt.
  • Um den Starter 10 auch vor Momentspitzen in der drehmomentübertragenden Drehrichtung zu schützen, ist die bevorzugte Ausgestaltung des Umlaufgetriebes 20 vorgesehen, wie nachfolgend in Bezug auf die 2 und 3 erläutert wird.
  • In 2 ist das Umlaufgetriebe 20 schematisch in einer Explosionsansicht dargestellt, in 3 in einer Frontansicht. Identische Bezugszeichen in den Figuren bezeichnen gleiche oder baugleiche Elemente.
  • Das Hohlrad 44 ist von einem als Getriebegehäuse bzw. Gestell 50 ausgebildeten Abstützbauteil umgeben. Um den Umfang des Hohlrads 44 sind zwei Rutschbänder 51 gespannt. Durch diese Rutschbänder 51 wird eine Kraft radial auf den Umfang des Hohlrads 44 ausgeübt, welche zusammen mit einer Haftreibung ein maximales Abstützmoment zwischen Hohlrad 44 und Getriebegehäuse 51 definiert.
  • Durch Klemmelemente 52 wird eine mechanische Spannung des jeweiligen Rutschbands 51 erzeugt. Durch diese Vorspannung üben die Bremsbänder 51 die vorgegebene Kraft auf den Umfang des Hohlrads 44 aus. Weiterhin können die im Betrieb des Umlaufgetriebes 20 auftretenden Tangentialkräfte durch die Klemmelemente 52 übertragen werden.
  • Über die Klemmelemente 52 sind die Rutschbänder 51 an dem Gehäuse 50 fixiert. Zu diesem Zweck sind Nuten 53 in dem Gehäuse vorgesehen, in welchen die Klemmelemente 52 angeordnet sind. Die Klemmelemente 52 sind somit als Fixierelemente vorgesehen, um die Rutschbänder 51 drehfest mit dem Getriebegehäuse 50 zu verbinden. Die Klemmelemente 52 stützen sich zu diesem Zweck an speziellen Punkten in dem Getriebegehäuse 50 ab, nämlich an den Wänden der Nuten 53.
  • In den Nuten 53 sind weiterhin jeweils zwei elastische Puffer 54, beispielsweise aus Gummi, vorgesehen, welche an den beiden Wänden der jeweiligen Nut 53 angeordnet sind. Zwischen den beiden elastischen Puffern 54 jeder Nut 53 ist das jeweilige Klemmelement 52 angeordnet.
  • Durch die von den Rutschbändern 51 auf das Hohlrad 44 ausgeübte Kraft wird das Hohlrad 44 im Betrieb des Umlaufgetriebes 20 bei regulärer Drehmomentübertragung drehfest mit dem Gehäuse 50 verbunden, so dass sich das Hohlrad 44 nicht dreht und Drehmoment von der Ankerwelle 11 auf die Antriebswelle 13 übertragen werden kann. Überschreitet das zu übertragende Drehmoment jedoch das maximale Abstützmoment als Drehmomentschwellwert, dreht sich das Hohlrad 44 relativ zu den Rutschbändern 51 und somit relativ zu dem Gehäuse 50. Somit wird der Starter 10 vor Momentspitzen in drehmomentübertragender Drehrichtung geschützt.
  • Insbesondere sind die Innenflächen der Bremsbänder 51 sowie der Umfang des Hohlrads 44 reiboptimiert ausgebildet, also jeweils mit einer reiboptimierten Oberflächenbeschichtung beschichtet, um die Reibung und damit den Drehmomentschwellwert möglichst genau vorgeben zu können.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102009001835 A1 [0002]

Claims (10)

  1. Umlaufgetriebe (20) für eine elektrische Maschine (10), insbesondere für einen Starter für eine Brennkraftmaschine, zum Übertragen eines Drehmoments von einer ersten Welle (11) auf eine zweite Welle (13), aufweisend ein Hohlrad (44) mit einem Umfang, dadurch gekennzeichnet, dass um den Umfang des Hohlrads (44) wenigstens ein Rutschband (51) gespannt ist, welches drehfest mit einem das Hohlrad (44) umgebenden Abstützbauteil (50) verbunden ist.
  2. Umlaufgetriebe (20) nach Anspruch 1, wobei das das Hohlrad (44) umgebende Abstützbauteil (50) als ein Gehäuse (50) des Umlaufgetriebes ausgebildet ist.
  3. Umlaufgetriebe (20) nach Anspruch 1 oder 2, wobei das wenigstens eine Rutschband (51) in wenigstens einer Nut (53) in dem das Hohlrad (44) umgebende Abstützbauteil (50) fixiert ist.
  4. Umlaufgetriebe (20) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei an dem wenigstens einen Rutschband (51) wenigstens ein Klemmelement (52) angeordnet ist, um das wenigstens eine Rutschband (51) um den Umfang des Hohlrads (44) zu spannen.
  5. Umlaufgetriebe (20) nach Anspruch 3 und 4, wobei das wenigstens eine Klemmelement (52) in der wenigstens einen Nut (53) in dem das Hohlrad (44) umgebende Abstützbauteil (50) angeordnet ist.
  6. Umlaufgetriebe (20) nach Anspruch 4 oder 5 mit wenigstens einem elastischen Puffer (54) zwischen dem wenigstens einen Klemmelement (52) und dem Abstützbauteil (50).
  7. Umlaufgetriebe (20) nach Anspruch 5 und 6, wobei der wenigstens eine elastische Puffer (54) in der wenigstens einen Nut (53) in dem das Hohlrad (44) umgebenden Abstützbauteil (50) angeordnet ist.
  8. Umlaufgetriebe (20) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei eine Innenfläche des wenigstens einen Rutschbands (51) und/oder der Umfang des Hohlrads (44) reiboptimiert ausgebildet ist.
  9. Umlaufgetriebe (20) nach einem der vorstehenden Ansprüche, welches als Planetengetriebe ausgebildet ist.
  10. Elektrische Maschine (10), insbesondere Starter für eine Brennkraftmaschine, mit einem Umlaufgetriebe (20) nach einem der vorstehenden Ansprüche.
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