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Die Erfindung betrifft eine Antriebseinheit mit einer Elektromaschine und einem Getriebe, wobei eine Rotorwelle der Elektromaschine und eine Eingangswelle des Getriebes über eine elektrisch isolierende, drehmomentübertragende Einrichtung verbunden sind.
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Ein elektrischer Antrieb stellt besondere Anforderungen an die Verbindung von Elektromaschine und Getriebe. So ist eine elektrische Isolation der Elektromaschine gegenüber den anderen Komponenten des Antriebsstrangs zu gewährleisten. Hierzu gehört auch, dass die Rotorwelle der Elektromaschine und eine Eingangswelle des Getriebes elektrisch isolierend verbunden sind.
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Aus der
EP 1 635 440 A2 ist eine Antriebseinheit der eingangs genannten Art bekannt. Bei dieser ist die elektrisch isolierende, drehmomentübertragende Einrichtung als Hülse aus elektrisch isolierendem Material ausgebildet, wobei diese Hülse zwischen der Rotorwelle der Elektromaschine und der Eingangswelle des Getriebes angeordnet ist. Die Eingangswelle des Getriebes weist einen quadratischen Querschnitt mit abgerundeten Ecken auf und es weist die isolierende Hülse einen an den Querschnitt der Eingangswelle angepassten Querschnitt auf, bei relativ dünnwandiger Ausbildung der Hülse. Diese Hülse mit außen quadratischer Kontur, bei abgerundeten Ecken, greift in eine angepasste quadratische, längliche Ausnehmung der Rotorwelle ein. Durch diesen aufgrund der quadratischen Querschnittsform sich ergebenden Formschluss ist eine drehmomentübertragende Verbindung zwischen Rotorwelle der Elektromaschine und Eingangswelle des Getriebes geschaffen, bei zwischen der Rotorwelle und der Eingangswelle angeordneter Einrichtung bzw. Hülse. In einem Motorbetrieb der Elektromaschine dreht die Rotorwelle und damit die Eingangswelle des Getriebes entsprechend. Das Getriebe wirkt mit einer Gasturbine zusammen und dient deren Starten. Im Betrieb der Gasturbine treibt diese, abgesehen von deren Funktion als Gasturbine bei einem Flugzeug, über die Eingangswelle des Getriebes auch die Rotorwelle der Elektromaschine an, die damit im Generatorbetrieb arbeitet. Hierdurch können elektrische Verbraucher im Flugzeug betrieben werden.
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Wegen der Ausbildung der Einrichtung als Hülse ist diese im Betriebe auf Scherung beansprucht, da das Drehmoment, unabhängig davon, ob die Elektromaschine im Motorbetrieb oder im Generatorbetrieb betrieben wird, über die Einrichtung übertragen wird. Die Rotorwelle überträgt somit das Drehmoment auf die Einrichtung bzw. Hülse und diese auf die Eingangswelle des Getriebes oder aber die Eingangswelle des Getriebes überträgt das Drehmoment auf die Einrichtung/Hülse, und diese das Drehmoment auf die Rotorwelle. Da die Einrichtung diesen drehmomentübertragenden Scherkräften unterworfen ist, ist sie einer hohen Belastung ausgesetzt, sodass deren Haltbarkeit reduziert ist. Dies gilt insbesondere bei Lastwechseln vom Motorbetrieb in den Generatorbetrieb und umgekehrt. Bei dem Material der elektrisch isolierenden Einrichtung handelt es sich insbesondere um Kunststoff, konkret einen Polymer.
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Aus der
US 2016/0006303 A1 ist eine Antriebseinheit mit einem Elektromotor bekannt. Ein Rotor des Elektromotors weist als Polsegmente ausgebildete Rotorkörper und eine Rotorwelle auf. Die Rotorkörper sind über elektrisch isolierende Elemente mit der Rotorwelle verbunden. Verwendet wird diese Antriebseinheit insbesondere bei einer Heizung, einem Ventilator oder einer Pumpe.
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In der
DE 14 88 502 A1 ist eine Anordnung zweier Bauteile beschrieben. Die beiden Bauteile sind koaxial zueinander angeordnet und durch einen eingespritzten Thermoplast miteinander verbunden.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Antriebseinheit der eingangs genannten Art so weiterzubilden, dass mit dieser relativ hohe Drehmomente mittels der elektrisch isolierenden Einrichtung übertragen werden können, bei hoher Haltbarkeit dieser Einrichtung.
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Gelöst wird die Aufgabe durch eine Antriebseinheit, die gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 ausgebildet ist.
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Bei der Antriebseinheit ist vorgesehen, dass die Rotorwelle eine Verzahnung und die Eingangswelle eine zur Verzahnung der Rotorwelle korrespondierende Verzahnung aufweist. Die Einrichtung weist Übertragungselemente auf. Das jeweilige Übertragungselement ist zwischen einem jeweils benachbarten Zahnpaar von Rotorwelle und Eingangswelle angeordnet. Das jeweilige Übertragungselement wird bei Übertragung eines Drehmoments zwischen Rotorwelle und Eingangswelle ausschließlich auf Druck beansprucht.
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Die Einrichtung gewährleistet somit die elektrische Isolierung zwischen Rotorwelle und Eingangswelle. Da die Einrichtung bei Übertragung des Drehmoments zwischen Rotorwelle und Eingangswelle, somit sowohl im Motorbetrieb als auch im Generatorbetrieb der Elektromaschine, ausschließlich auf Druck beansprucht wird, demnach keinen Scherkräften ausgesetzt wird, ergibt sich eine hohe Haltbarkeit der Einrichtung, bei gleichzeitiger Gewährleistung relativ hohe Drehmomente zu übertragen, von der Rotorwelle über die Einrichtung in die Eingangswelle bzw. von der Eingangswelle über die Einrichtung in die Rotorwelle.
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Die Einrichtung kann ein- oder mehrteilig ausgebildet sein, um den erfindungsgemäßen Zweck zu erfüllen.
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Die Einrichtung besteht vorzugsweise aus Kunststoff oder Keramik. Beide Materialien sind hervorragend geeignet, elektrisch zu isolieren und weisen gleichzeitig eine für eine hohe Haltbarkeit große Festigkeit auf sowie gestatten aufgrund deren Festigkeit eine Übertragung der relativ hohen Drehmomente unter Druckbeanspruchung.
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Die Einrichtung kann eine oder mehrere Montagebauteile der Antriebseinheit bilden. Hierunter wird verstanden, dass die Einrichtung im Montageprozess der Antriebseinheit positioniert bzw. angeordnet wird, als Bauteil, das vorhanden ist oder als mehrere vorhandene Bauteile. Im Unterschied hierzu kann aber vorgesehen sein, dass die Einrichtung durch Einformen, insbesondere durch Einspritzen gebildet wird. In diesem Fall stellt die Einrichtung kein Montagebauteil dar, sondern es wird die Einrichtung zwischen die Montagebauteile - Rotorwelle und Eingangswelle - eingeformt. Vorzugsweise erfolgt dieses Einformen durch Einspritzen von Kunststoff- oder Keramikmasse zwischen jeweils benachbarte Zahnpaare von Rotorwelle und Eingangswelle.
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Gemäß einer bevorzugten Gestaltung ist das jeweilige Übertragungselement als Zylinder ausgebildet, wobei eine Längsmittelachse des Zylinders parallel zu einer Rotationsachse der Rotorwelle angeordnet ist. Gemäß einer weiteren bevorzugten Gestaltung ist das jeweilige Übertragungselement als Kugel ausgebildet. Bei Verwendung von Zylindern erfolgt die Kontaktierung zum zugeordneten Zahn von Rotorwelle oder Eingangswelle über eine Linie, während die Kontaktierung bei einer Kugel eine Punktkontaktierung ist. Über diesen Linienkontakt bzw. Punktkontakt erfolgt die Übertragung der Druckkraft bei Einleitung eines Drehmoments in die Rotorwelle oder die Eingangswelle.
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Insbesondere bei Ausbildung des jeweiligen Übertragungselements als Zylinder, wobei der jeweilige Zylinder über seine Länge einen konstanten Durchmesser aufweist und die Zylinder einen identischen Durchmesser aufweisen, wird es als besonders vorteilhaft angesehen, wenn die Zylinder die Einrichtung bilden. Alternativ kann vorgesehen sein, dass die Zylinder zusammen mit einem Trägerteil für diese die Einrichtung bilden. Im erstgenannten Fall sind somit unabhängig voneinander zu positionierende Zylinder als Einrichtung vorgesehen, während im zweitgenannten Fall die Zylinder vom Trägerteil aufgenommen werden. Gemäß einer spezifischen Weiterbildung ist vorgesehen, dass das Trägerteil und die Übertragungselemente, konkret die Zylinder, ein Teil sind. Das Trägerteil ist insbesondere als Ring ausgebildet.
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Sind die Übertragungselemente hingegen als Kugeln, insbesondere als identische Kugeln ausgebildet, wird es als besonders vorteilhaft angesehen, wenn die Kugeln die Einrichtung bilden. Die Einrichtung stellt sich somit als separate Bauteile bildende Kugeln dar, wobei die jeweilige Kugel zwischen dem jeweiligen Zahnpaar von Rotorwelle und Eingangswelle angeordnet ist. Aus Montagegründen wird es als vorteilhaft angesehen, wenn die Kugeln in einem gemeinsamen Käfig gehalten sind. Insbesondere ist vorgesehen, dass der Käfig aus elektrisch isolierendem Material besteht.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn das jeweilige Übertragungselement, das zwischen dem jeweiligen benachbarten Zahnpaar angeordnet ist, im Wesentlichen spielfrei, insbesondere spielfrei bezüglich der beiden Zähne dieses Zahnpaares positioniert ist. Unter im Wesentlichen spielfrei wird nahezu spielfrei verstanden. Besonders vorteilhaft ist es, wenn zwischen der Anordnung von Rotorwelle, Eingangswelle und der elektrisch isolierenden Einrichtung, insbesondere den Zylindern oder Kugeln minimalstes Spiel vorhanden ist, da dies insbesondere bei Lastwechseln, somit Wechsel der Belastungsrichtung von Vorteil ist.
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Insbesondere ist jedem Zahn von Rotorwelle und Eingangswelle diesem Zahn vorlaufend und nachlaufend jeweils ein Übertragungselement zugeordnet. Somit kontaktieren diesen Zahn zwei Übertragungselemente.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Verzahnung der Rotorwelle als Innenverzahnung und die Verzahnung der Eingangswelle als Außenverzahnung ausgebildet ist. Grundsätzlich wäre es möglich, die Verzahnung der Rotorwelle als Außenverzahnung und die Verzahnung der Eingangswelle als Innenverzahnung auszubilden. Es könnte ferner vorgesehen sein, die Verzahnung der Rotorwelle stirnseitig der Rotorwelle anzuordnen und auch die Verzahnung der Eingangswelle stirnseitig der Eingangswelle anzuordnen, sodass diese stirnseitigen Verzahnungen von Rotorwelle und Eingangswelle zusammenwirken.
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Der vorstehend verwendete Begriff der Eingangswelle des Getriebes ist dahingehend zu verstehen, dass es sich um eine Welle handelt, über die von der Rotorwelle ein Drehmoment in das Getriebe einleitbar ist bzw. entgegengesetzt einleitbar ist. Bei dieser Eingangswelle kann es sich durchaus auch um eine Zwischenwelle handeln, die die Verbindung zum Getriebe herstellt und demzufolge eine Eingangswelle ist.
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Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der beigefügten Zeichnung und der Beschreibung des in der Zeichnung wiedergegebenen Ausführungsbeispiels, ohne hierauf beschränkt zu sein.
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Es zeigt:
- 1 für eine Antriebseinheit eine Anordnung einer Rotorwelle einer Elektromaschine und einer Eingangswelle eines Getriebes, gezeigt in einem Mittellängsschnitt der Rotorwelle,
- 2 einen Schnitt durch die Elektromaschine im Bereich für die Erfindung relevanter Bauteile gemäß der Linie II-II in 1,
- 3 in einer räumlichen Darstellung für die Antriebseinheit den Eingriffsbereich von Rotorwelle und Eingangswelle sowie eine diese elektrisch isolierende, drehmomentübertragende Einrichtung.
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Figurenbeschreibung
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1 zeigt betreffend eine Antriebseinheit 1 einen Teilbereich einer Elektromaschine 2 und einen Teilbereich eines Getriebes 3. Hierbei sind eine Rotorwelle 4 der Elektromaschine 2 und eine Eingangswelle 5 des Getriebes 3 über eine elektrisch isolierende, drehmomentübertragende Einrichtung 6 miteinander verbunden. Bei der Eingangswelle 5 handelt es sich um eine Zwischenwelle. Das der Einrichtung 6 abgewandte Ende der Eingangswelle 5 ist mit einer Keilverzahnung 7 versehen und drehfest mit einem eine Schrägverzahnung versehenen Stirnrad 8 des Getriebes 3 verbunden. Im Bereich eines Endes ist die Rotorwelle 4 über ein Lager 9 mit Keramikkugeln in einem Gehäuse 10 der Elektromaschine 2 gelagert. Auf der anderen Seite, zwischen der Einrichtung 3 und der Keilverzahnung 7, ist die Rotorwelle 4 in einem weiteren Lager 11 mit Keramikkugeln drehbar gelagert. Aufgrund der elektrisch isolierenden Einrichtung 6 und der elektrisch isolierenden Lager 9 und 11 ist somit die Rotorwelle 4 bezüglich des Gehäuses 10 und bezüglich der Eingangswelle 5 elektrisch isoliert.
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Die Rotorwelle 4 ist als Hohlwelle ausgebildet und drehfest mit einem Rotorkörper 12 der Elektromaschine 2 verbunden.
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Die Drehachse der Rotorwelle 4 und der Eingangswelle 5 ist mit der Bezugsziffer 13 bezeichnet.
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Wie insbesondere der Darstellung der 2 zu entnehmen ist, weist die Rotorwelle 4 eine Verzahnung 14, die als Innenverzahnung ausgebildet ist, und die Eingangswelle 5 eine Verzahnung 15, die als Außenverzahnung ausgebildet ist, auf. Konkret ist die Verzahnung 14 durch sechs Zähne 16 und die Verzahnung 15 durch sechs Zähne 17 gebildet. Die Verzahnung 14 stellt eine zur Verzahnung 15 korrespondierende Verzahnung dar. Es ist somit ein Zahn 16 zwischen zwei Zähnen 17 bzw. ein Zahn 17 zwischen zwei Zähnen 16 angeordnet.
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Die Einrichtung 6 weist zwölf Übertragungselemente 18 auf. Das jeweilige Übertragungselement 18 ist zwischen einem jeweils benachbarten Zahnpaar, gebildet durch einen Zahn 16 und einen diesem benachbarten Zahn 17, angeordnet. Jedem Zahn 17 bzw. 18 ist somit vorlaufend und nachlaufend ein Übertragungselement 18 zugordnet. Hierbei wird das jeweilige Übertragungselement 18 bei Übertragung eines Drehmoments zwischen Rotorwelle 4 und Eingangswelle 5 ausschließlich auf Druck beansprucht.
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Bei dem veranschaulichten Ausführungsbeispiel ist das jeweilige Übertragungselement 17 als Zylinder ausgebildet, wobei eine Längsmittelachse des Zylinders parallel zur Drehachse 14 angeordnet ist. Die identisch ausgebildeten Zylinder bilden die Übertragungselemente 18 der Einrichtung. Die Zylinder bestehen aus Kunststoff oder Keramik, somit aus einem elektrisch isolierenden Material. Der jeweilige Zylinder ist spielfrei zwischen dem jeweiligen benachbarten Zahnpaar, somit spielfrei zwischen zwei benachbarten Zähnen 16, 17 angeordnet. Beim Übertragen eines Drehmoments von der Rotorwelle 4 in die Eingangswelle 5 wird von dem in Rotationsrichtung nachlaufenden Zahn 16 der Rotorwelle 4 eine Druckkraft auf den unmittelbar vorlaufenden Zylinder 18 ausgeübt und von diesem eine Druckkraft auf den unmittelbar vorlaufenden Zahn 17 der Eingangswelle 5. Bei Einleitung eines Drehmoments von der Eingangswelle 5 auf die Rotorwelle 4 wird die Druckkraft stattdessen vom Zahn 17 über den Zylinder 18 auf den Zahn 16 übertragen. Es werden somit keine Scherkräfte in den Zylinder bzw. das Übertragungselement 18 eingeleitet.
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Wie insbesondere der Darstellung der 1 und 3 zu entnehmen ist, sind die Übertragungselemente 18, somit die Zylinder, in einem gemeinsamen Käfig 19 gehalten. Der Käfig 19 besteht vorzugsweise aus elektrisch isolierendem Material, beispielsweise aus Kunststoff. Der Käfig 19 positioniert die Übertragungselemente 18 vor deren Montage zwischen Rotorwelle 4 und Eingangswelle 5. Der Käfig 19 erstreckt sich beidseits der Verzahnung 14 der Rotorwelle 4 und ist bezüglich der Eingangswelle 5 in geeigneter Art und Weise axial festgelegt.
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Bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel ist somit die Einrichtung 6 mehrteilig ausgebildet, besteht somit aus den zwölf als Zylinder ausgebildeten Übertragungselementen 18. Der Käfig 19 dient hierbei nur der Aufnahme und Positionierung dieser Übertragungselemente 18. Die Einrichtung 6 bzw. die Übertragungselemente 18 bilden Montagebauteile der Antriebseinheit 1. Die Übertragungselemente 18 bzw. die Einrichtung 6 bzw. die Anordnung von Käfig 19 und Übertragungselementen 18 wird als Bauteilkomponente bei der Montage der Antriebseinheit montiert, wobei die Übertragungselemente 18 als solche somit vorhanden sind.
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Eine bevorzugte Abwandlung dieses Ausführungsbeispiels ergibt sich auf einfache Art und Weise dadurch, dass der Käfig und die als Zylinder ausgebildeten Übertragungselemente 18 einteilig ausgebildet sind, somit die einteilige Einrichtung 6 aus elektrisch isolierendem Material, insbesondere aus Kunststoff oder Keramik besteht. Somit ist bei der Montage der Antriebseinheit die Einrichtung 6 als solche zu montieren, die einteilig ist und den Käfig 19 sowie die zwölf als Zylinder ausgebildeten Übertragungselemente 18 aufweist.
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Eine weitere Abwandlung des Ausführungsbeispiels ergibt sich, wenn statt der zwölf als Zylinder ausgebildeten Übertragungselemente 18 zwölf als Kugeln ausgebildete Übertragungselemente vorgesehen sind. Es würde sich in diesem Fall dieselbe Ansicht wie zur 2 dargestellt, ergeben. Die Kugeln können wiederum in einem Käfig 19 gehalten sein, wobei vorteilhaft dieser Käfig 19 nicht Bestandteil der Einrichtung 6 bildet, sondern nur dem Halten der Kugeln dient.
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Gemäß einer grundsätzlich abgewandelten Gestaltung des Ausführungsbeispiels kann es vorgesehen sein, dass die Einrichtung 6 nicht ein oder mehrere Montagebauteile der Antriebseinheit bildet, sondern die Einrichtung 6, insbesondere die als Zylinder ausgebildeten zwölf Übertragungselemente 18, durch Einformen, insbesondere durch Einspritzen gebildet wird. In diesem Fall wird die Einrichtung 6 bzw. werden die Übertragungselemente 18 nicht montiert, sondern es wird die Einrichtung 6 nach dem Positionieren der Verzahnungen 14 und 15 von Rotorwelle 4 und Eingangswelle 5 zueinander der Zwischenraum zwischen dem jeweiligen Zahnpaar, gebildet durch benachbarte Zähne 16 und 17 überbrückt, durch Einformen von elektrisch isolierendem Material, beispielsweise Kunststoff oder Keramik und zur Bildung der Einrichtung 6, insbesondere zur Bildung der Zylinder. Hierbei kann die Einrichtung 6 einteilig ausgebildet sein, somit im Fall der Zylinder diese und ein Trägerteil für die Zylinder aufweisen.
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Mit der erfindungsgemäßen Antriebseinheit lassen sich die unterschiedlichen Betriebszustände bei einem Fahren mit einem Kraftfahrzeug beherrschen, unter Zug- und Schubbetrieb, beim Fahren vorwärts oder rückwärts, sei es bei einer Steigung oder einem Gefälle. Es lassen sich somit für Motorbetrieb und Rekuperation die Fahrzustände in vier Quadranten bewerkstelligen, bei Gewährleistung der zur Erfindung beschriebenen Vorteile.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 1635440 A2 [0003]
- US 2016/0006303 A1 [0005]
- DE 1488502 A1 [0006]
