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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft eine elektromechanische Antriebsvorrichtung, die wenigstens eine elektrischen Maschine, wenigstens eine Vorrichtung zur Übertragung von Drehmomenten und mindestens Stromdurchgangsvorrichtung aufweist, wobei die elektrische Maschine (30) mit einer als Rotorwelle ausgeführten ersten Welle versehen ist, die Antriebsvorrichtung mit einer zweiten Welle versehen ist, die erste Welle mit wenigstens einem Wälzlager (29) um eine axial ausgerichtete Rotationsachse rotierbar in einem Gehäuse gelagert ist, die Vorrichtung ein Insertelement aufweist, über welches eine mechanische federelastische Verbindung zur Übertragung von Drehmomenten zwischen der ersten Welle und der zweiten Welle um die Rotationsachse ausgebildet ist,
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Hintergrund der Erfindung
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Eine derartige Vorrichtung ist in der
DD 1 57386 A1 offenbart und als ein gegen Überlast gesichertes elektrisches Antriebssystem für elektrische Maschinen beschrieben. Die Vorrichtung weist ein Lüfterrad aus Kunststoff auf, welches mit einer Ritzelwelle aus Metall vergossen ist. Die Ritzelwelle ist axial verschiebbar und mit einem Kugellager in einem Gehäuse gelagert. Die Überlastsicherung ist durch eine Rutschkupplung gewährleistet, welche zwei Kupplungsscheiben, zwei Druckfedern und einen Druckstab aufweist. Eine der Kupplungsscheiben ist rotationsfest mit dem Lüfterrad verbunden und die andere Kupplungsscheibe sitzt rotationsfest auf der Hohlwelle. Im Betrieb der Vorrichtung, d.h. wenn der Lüfter angetrieben wird, werden die beiden Kupplungsscheiben axial mithilfe der Druckfedern gegeneinander vorgespannt und stehen miteinander im Reibschluss. Die eine der Druckfedern ist gegen das Gehäuse bzw. das Kugellager abgestützt und die andere gegen den Druckstab. Der Druckstab in die eine Richtung axial über eine Kugel in einer Stellschraube an dem Gehäuse abgestützt und in die andere Richtung an einer der Druckfedern. Durch Verdrehen der Stellschraube und axiales Verschieben des Druckstabes kann die Vorspannung, unter der die Kupplungsscheiben gegeneinander vorgespannt sind, eingestellt werden. Bei Überlastung des Systems wird die Vorspannung, mit der die Kupplungsscheiben gegeneinander vorgespannt sind, aufgehoben und die Kupplung rutscht.
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Die Rotorwellen von elektrischen Maschinen sind in der Regel mit Wälzlagern, vorzugsweise mit Kugellagern, in dem Gehäuse der elektrischen Maschine gelagert. Die elektrischen Maschinen werden im Betrieb durch induzierte Wellenspannungen elektrisch aufgeladen. Außerdem können in ihnen zirkulierende Hochfrequenzströme entstehen. Ohne Wellenerdung dienen die Wälzlager oft ungewollt als Kurzschlussleiter für derartige unerwünschte Potenziale und Nebenströme. Die Ströme fließen über eine Laufbahn über die Kugeln auf die andere Laufbahn. Dabei können die Laufbahnen der Wälzlager im Kontakt mit den Kugeln bei plötzlichen Entladungen durch Mikrobrandstellen beschädigt werden. Die Druckschrift
JP5288214 A2 offenbart eine Stromdurchgangsvorrichtung in einem Spindelmotor. Die Stromdurchgangsvorrichtung weist zwei Kontaktelemente auf, die an einer Schnittstelle miteinander elektrisch leitend in Kontakt stehen. Das eine Kontaktelement ist eine Kugel und das andere eine leitfähige in einen Deckel des Gehäuses integrierte Kontaktplatte. Die Kugel ist in einem Sackloch an der Stirnseite der Rotorwelle axial beweglich geführt und ist mit einer Druckfeder gegen die Kontaktplatte vorgespannt. Die Druckfeder ist axial in dem Sackloch aufgenommen und an der Rotorwelle abgestützt.
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Eine Antriebsvorrichtung mit einem Elektromotor und einem direkt mit dem Elektromotor gekoppelten Getriebe ist in
JP2016171642 A2 offenbart. Eine Stromdurchgangsvorrichtung der Gattung ist rückseitig an der von dem Getriebe abgewandten Seite des Elektromotors installiert.
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In elektromotorischen Antriebsvorrichtungen werden in der Regel keine Anfahrkupplungen eingesetzt. Die getrieblichen Komponenten sind in der Regel bis hin zu den Rädern mit dem Elektromotor direkt mechanisch verbunden. Bei schlagartigen Drehmomentspitzen können in derartigen Vorrichtungen die Komponenten der Antriebsvorrichtungen beschädigt werden. Derartige Schläge entstehen zum Beispiel beim Einrasten einer Parksperrenklinke in ein Parksperrenrad.
DE 11 2013 002 081 T 5 offenbart eine Antriebsvorrichtung mit einem Dämpfungsmechanismus, der relativ aufwendig aufgebaut ist.
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Beschreibung der Erfindung
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Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine vielseitig einsetzbare und möglichst einfach funktionierende Vorrichtung zu schaffen.
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Die Erfindung ist nach dem Gegenstand des Anspruchs 1 gelöst.
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Der Vorteil der nachfolgend beschriebenen Erfindung besteht zum einen darin, dass in sehr kompakter Bauweise eine Antriebsvorrichtung geschaffen worden ist, welche zugleich eine Überlastsicherung gegen Überlastung bei Drehmomentspitzen und eine Vorrichtung zur Erdung von schädlichen Potenzialen (Stromdurchgangsvorrichtung) aufweist. Sie beansprucht wenig Bauraum und ist relativ kostengünstig herzustellen. Zum anderen sind in diese Vorrichtung mehrere verschiedene Funktionen integriert , d. h., dass die Vorrichtung multifunktional ausgebildet ist. So bilden zum Beispiel die Welle eines Getriebes und zugleich das die Welle mit einer Rotorwelle verbindende Dämpfungselement (Torsionsstab) sowie eine an das Dämpfungselement montierte Stromdurchgangsvorrichtung gemeinsam die erfindungsgemäße Antriebsvorrichtung. Das Dämpfungselement ist ein Insertelement, das zumindest teilweise in die Hohlwelle integriert, sodass es keinen zusätzlichen Bauraum beansprucht. Die Vorrichtung kann, wahlweise inklusive Wälzlagern, als Vormontageeinheit bereitgestellt werden, sodass dem Hersteller der Antriebsvorrichtung Einsparungen an Lagerplätzen, geringere Transportkapazitäten und die Verkürzung von Montagezeiten geboten werden können.
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Die Antriebsvorrichtung ist also zumindest mit einem Gehäuse, mit einer ersten und einer zweiten Welle, mit der Überlastvorrichtung und mit wenigstens einer Stromdurchgangsvorrichtung versehen. Die erste Welle ist eine als Hohlwelle ausgebildete Rotorwelle und ist mit wenigstens einem Lager, vorzugsweise jedoch mit zwei Lagern um ihre Rotationsachse rotierbar in einem Gehäuse gelagert. Ein Gehäuse und die erste Welle sind mittels der Stromdurchgangsvorrichtung für elektrische Ströme über das Insertelement stromleitfähig miteinander gekoppelt. Ein sich durch die Hohlwelle erstreckende des Insertelement und die Hohlwelle sind in Umfangsrichtung um die Rotationsachse an wenigstens einer Stelle rotationsfest und Drehmomente übertragend miteinander verbunden. Das Insertelement und ein die zweite Welle sind an einer weiteren Stelle rotationsfest miteinander gekoppelt. Das Insertelement und ein Gehäuse der Vorrichtung sind außerdem mittels der Stromdurchgangsvorrichtung für elektrische Ströme stromleitfähig miteinander verbunden.
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Das Gehäuse kann auch ein Abschnitt eines Gehäuses oder als eine Gehäusehälfte ausgebildet sein. So ist das Gehäuse beispielsweise das Gehäuse oder ein Gehäuseabschnitt eines Getriebes, das aus Stahl oder einer Aluminiumlegierung hergestellt ist.
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Die Lager sind Gleit- oder Wälzlager, vorzugsweise Kugellager.
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Strom leitfähig miteinander gekoppelt heißt auch, dass die Übergänge von form- und/oder kraft- und/oder stoffschlüssigen Verbindungen leitfähig sind und zum Beispiel durch direkten metallischen Kontakt miteinander leitfähig im Kontakt stehen.
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Die Verbindung zwischen der ersten und der zweiten Welle ist eine Vorrichtung zur Übertragung von Drehmomenten in dem Sinne, dass auf die Welle bzw. Hohlwelle aufgebrachte um die Rotationsachse wirkende Drehmomente zum Beispiel durch ein Zahnrad auf die Welle aufgebracht und von der Welle an eine weitere Welle, alternativ oder zugleich an ein weiteres Zahnrad und/oder eine Kupplung und/oder ein weiteres antreibendes oder angetriebenes Element/System übertragen werden können. Ebenso können die auf die Welle bzw. Hohlwelle aufgebrachten Drehmomente alternativ zum Beispiel durch eine andere Welle, und/oder eine Kupplung und/oder ein weiteres antreiben des oder angetriebenes Element/System aufgebracht werden.
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Das Insertelement und die Hohlwelle auf der einen Seite und das Insertelement und die zweite Welle sind so verbunden, dass über ihre Verbindung nahezu oder vollständig verlustlos Drehmomente bzw. Leistungen übertragen werden können. Verbindungen sind form-, kraft- oder stoffschlüssig. Die Verbindung ist beispielsweise eine Steckverbindung über Kerbverzahnungen oder eine stoffschlüssige, z.B. durch Schweißen erzeugte, Verbindung. Denkbar sind auch Pressverbindungen und Kombinationen verschiedener Verbindungsarten.
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Unter rotationsfest miteinander gekoppelt ist eine dauerhafte oder trennbare form-, reib- oder stoffschlüssige Verbindung zu verstehen. Über die Verbindung können Drehmomente, Stützmomente und vorzugsweise Torsionsmomente zwischen dem Insertelement und dem zur der zweiten Welle abgestützt oder übertragen werden. Eine derartige Verbindung ist beispielsweise eine Steckverbindung über Kerbverzahnungen und/oder eine stoffschlüssige Verbindung durch Schweißen.
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Mit der Erfindung ist vorgesehen, dass das Insertelement einen federelastisch ausgebildeten Abschnitt aufweist. Mit anderen Worten: Das Insertelement ist ein Dämpfungsglied/Element wie ein Torsionsstab mit einem federelastischen Abschnitt, welche zwischen der Hohlwelle und einem der zweiten Welle dämpfend angeordnet ist und durch welches Überlastungen wie mechanische Schläge um die Rotationsachse kompensiert bzw. gedämpft werden können. Derartige Überlastungen können bei Drehmomentspitzen oder plötzlichem Schaltwechsel entstehen. Mechanische Schläge können entstehen, wenn die Parksperren bei noch leicht rollendem Fahrzeug eingelegt werden. So können zum Beispiel Rotations- Schläge von einem auf der zweiten Welle oder auf einer getrieblich mit der zweiten Welle verbundenen weiteren Welle sitzenden Klinkenrad einer Parksperre ausgehen. Die Klinke der Parksperre rastet dabei schlagartig in eine der Zahnlücken des Parksperren-Klinkenrades ein. Durch das abrupte Stoppen des Fahrzeugs entstehen kurzzeitig nicht unerheblich hohe und rückwirkende Drehmomentspitzen, welche die Bauteile der Antriebsvorrichtung belasten. Über das Dämpfungselement können vorteilhaft derartige Schläge abgefangen und deren Energie elastisch aufgenommen und somit weiteren Bauteile der Vorrichtung gegen Beschädigungen (Überlastsicherung) geschützt werden. Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht in diesem Zusammenhang vor, dass das Insertelement wenigstens einen elastisch-reversibel verformbaren Torsionsstab aufweist. Ein Torsionsstab wird auch als Drehstabfeder oder einfach als Drehstab bezeichnet und ist eine stabförmige Feder, die gewöhnlich im Querschnitt rund ist. Alternativ sind auch beliebige andere Querschnittsformen der Stabfeder kommt immer aus möglich. Verdreht man beide Enden des Torsionsstabs gegeneinander, so ergibt sich ein Torsionsmoment MT, welches sich proportional zum Verdrehwinkel verhält. Beim Verdrehen des Torsionsstabes um seine Längsachse entstehen in dessen Querschnitten Torsionspannungen, die auch als Scherspannungen bezeichnet werden und die mit dem von außen auf den Stab aufgebrachten Torsionsmoment im Gleichgewicht stehen, d.h., es werden bei zulässigen Belastungen der Stabfeder die zulässigen Elastizitätsgrenzen des Werkstoffs der Stabfeder nicht überschritten (elastisches Verhalten), so dass sich der Torsionsstab nach dem Wegfall des Torsionsmomentes wieder in einen spannungslosen Ausgangszustand (reversibel) zurückbegibt. Formal lässt sich dieser Zusammenhang mit nachfolgender Gleichung berechnen:
MT ((G d4) : 32 I)
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Der Schub-Modul G beträgt für Stahl ca. 80.000 N/mm2. Der Verdrehwinkel wird im Bogenmaß angegeben. I steht für die Länge der Stabfeder. Der Vorteil der Verwendung eines Torsionsstabes an dieser Stelle liegt darin, dass dieser aufgrund seiner stabförmigen Gestalt wenig radialen Bauraum beansprucht und in eine als Hohlwelle ausgebildete Getriebewelle integriert werden kann. Dadurch beansprucht das Dämpfungselement an sich keinen zusätzlichen Bauraum für sich. Darüber hinaus ist ein Torsionsstab gegenüber den bisher hinlänglich bekannten Dämpfungseinrichtungen einfach gestaltet und ist deswegen kostengünstig herzustellen.
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Die zweite Welle ist beispielsweise eine weitere Getriebewelle. Auf diese Weise können in einer Anordnung einer elektromotorischen Antriebsvorrichtung alle Bauteile inklusive des Elektromotors bzw. dessen Lagerungen vor Beschädigungen durch plötzlich auftretende Schläge verhindert werden.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung besteht das Insertelement aus einem Torsionsstab und einer axialen Verlängerung. Der Torsionsstab weist einen ersten Verbindungsabschnitt, einen Führungsschaft, eine Stabfeder und einen zweiten Verbindungsabschnitt auf. Der Verbindungsabschnitt ist form- und/oder kraft- und/oder stoffschlüssig mit der zweiten Welle verbunden, sodass über die Verbindung zwischen dem Torsionsstab und der zweiten Welle Drehmomente um die Rotationsachse übertragen werden können. Eine bevorzugte Drehmomente übertragende Verbindung sieht ineinandergreifende Keil- bzw. Kerbverzahnungen vor.
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Der Führungsschaft ist axial mit dem ersten Verbindungsabschnitt verbunden und dient als radiale Stütze für den Torsionsstab in der Hohlwelle. Der Außendurchmesser des Führungsschaftes entspricht im Wesentlichen so dem Innendurchmesser der Hohlwelle, dass das Insertelement gegenüber der Hohlwelle um die Rotationsachse verdrehbar aber radial gut gestützt in der Hohlwelle gelagert ist. Alternativ ist zwischen dem Führungsschaft und der Hohlwelle ein zwischen dem Führungsschaft und der Hohlwelle angeordnetes Gleit- und/oder ein Wälzlager vorgesehen. Unter verdrehbar ist dabei die Relativbewegung der Stabfeder und des Führungsschaftes gegenüber der Hohlwelle zu verstehen, die entsteht, wenn sich die Stabfeder bei Torsion um die neutralen Linie zusammen mit dem Führungsschaft um die neutrale Linie elastisch verwindet.
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Dem Führungsschaft schließt sich axial der die Stabfeder an. Die Stabfeder ist, wie oben schon beschrieben, eine Feder, deren reversibel-elastische Eigenschaften sich bei Torsion, also beim Verdrillen des Torsionsstabes um seine neutrale Linie, wirksam sind. Die neutrale Linie entspricht bei idealer Lage und Ausrichtung des Insertelement der Rotationsachse der Hohlwelle.
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Der Torsionsstab ist vorzugsweise einteilig-einmaterialig mit dem Führungsschaft und dem Verbindungsabschnitt ausgebildet und verläuft axial zwischen diesen. Alternativ ist es auch denkbar, dass das Insertelement aus einzelnen Abschnitten zusammengesetzt ist, welche form- und/oder kraft- und/oder stoffschlüssig miteinander verbunden sind.
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Der zweite Verbindungsabschnitt schließt sich axial an die Stabfeder an und ist drehmomentenfest mit der Hohlwelle verbunden. Dazu ist der zweite Verbindungsabschnitt form- und/oder kraft- und/oder stoffschlüssig mit der Hohlwelle verbunden. Im Interesse einer einfachen Montage des Insertelements in die Hohlwelle ist die drehmomentenfeste Verbindung vorzugsweise über eine axiale Steckverbindung formschlüssig, beispielsweise mittels Keil- bzw. Kerbverzahnung, verwirklicht.
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Über ein Zahnrad, Kettenrad, Riemenrad oder eine Kupplung auf die zweite Welle aufgebrachte Drehmomente um die Rotationsachse werden über die Verbindung zwischen der zweiten Welle und dem ersten Verbindungsabschnitt auf die Stabfeder übertragen und von dort auf den zweiten Verbindungsabschnitt und dann weiter über die Verbindung des zweiten Verbindungsabschnitts mit der Rotorwelle und schließlich auf die Rotorwelle. Die Federrate der Stabfeder ist dabei so ausgelegt, dass diese unter normalen Betriebsbedingungen und den dabei wirkenden Drehmomenten drehsteif bleibt, sich also nicht verwindet. Alternativ kann die Federrate der Stabfeder aber auch so ausgelegt sein, dass über diese trotz gleichzeitiger Übertragung von Drehmomenten außerdem noch im Betrieb wirkende stetige, regelmäßige oder unregelmäßige Schwingungen durch leichtes Verwinden um die neutrale Achse im Sinne eines Drehschwingungsdämpfers gedämpft werden. Die Federrate ist aber auf jeden Fall so ausgelegt, dass sich die Stabfeder bei Überlast, d.h. bei harten Schlägen oder kurzzeitig hohen Drehmomente verwindet und die dabei wirkende Energie abfängt und das folgende mechanische System von Überlastungen oder Zerstörungen schützt. Die Federrate gibt das Verhältnis der auf die Stabfeder wirkenden Drehmomente zur dadurch bewirkten Torsion der Stabfeder an. Schläge können auf die Hohlwelle wirken, wenn, wie oben schon erwähnt, beispielsweise eine Klinke einer Parksperre in das Klinkenrad bei rollendem Fahrzeug einrastet.
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Die Sauce stürmisch und freundlich ein Jahr ein auf Erfindung sieht vor, dass die Hohlwelle und das Insertelement für elektrische Ströme stromleitfähig miteinander verbunden sind. Die Hohlwelle und das Insertelement sind vorzugsweise aus Stahl gestaltet, sodass eine stromleitfähige Verbindung über den direkten metallischen Kontakt der Hohlwelle und dem Insertelement hergestellt ist. Alternativ können Hohlwelle bzw. Insertelement auch aus anderen für Strom nichtleitenden Materialien hergestellt sein. In diesem Fall muss mindestens eine elektrisch leitende Überbrückung zwischen den beiden Elementen vorgesehen werden, wie dies zum Beispiel durch den Kontakt leitender Schichten und Beschichtungen oder Leiterbahnen möglich ist. Der Vorteil der Erfindung liegt darin, dass ohne zusätzlichen Aufwand über die bereits vorhandene mechanische und metallische Verbindung der Bauteile eine stromleitfähige Verbindung zwischen den Bauteilen hergestellt ist.
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Der Vorteil der Erfindung liegt darin, dass mittels einer derartigen Anordnung ein stromleitfähiger Bypass um das Wälzlager (vorzugsweise um die Lagerung der Rotorwelle) herum zwischen der Welle und einem Erdungselement wie einem Gehäuse geschaffen worden ist, sodass das Wälzlager vor ungewollten Entladungen oder anderem Stromdurchgang geschützt ist.
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Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung ist auf den Aufbau und die Funktion der Stromdurchgangsvorrichtung gerichtet. Es ist vorgesehen, dass die Stromdurchgangsvorrichtung mit wenigstens einem ersten Kontaktelement und zumindest einem zweiten Kontaktelement versehen ist. Das erste Kontaktelement ist stromleitfähig mit einem Gehäuse und das zweite Kontaktelement stromleitfähig mit dem Insertelement verbunden. Das erste Kontaktelement und das zweite Kontaktelement stehen an wenigstens einer Schnittstelle relativ zueinander und gegeneinander beweglich aber elektrisch leitend miteinander in Kontakt. Das erste Kontaktelement ist beispielsweise eine Platte oder eine Kalotte oder ein anderes napfförmiges Element, eine Vertiefung oder eine beliebige andere Führung für das zweite Kontaktelement bzw. die Spitze des zweiten Kontaktelements. Das zweite Kontaktelement ist beispielsweise ein Stift oder eine Kugel. Der Stift oder die Kugel sind mit einer oder mehr Federn axial an der Schnittstelle gegen das erste Kontaktelement vorgespannt und rotieren dabei aber mit der Welle bzw. dem Insertelement um die Rotationsachse.
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Unter der Schnittstelle ist demnach die Stelle zu verstehen, an der ein oder zwei bewegte Bauteile im direkten mechanischen Kontakt aufeinandertreffen. So ist es beispielsweise denkbar, dass das erste Kontaktelement an einer Umhausung fest ist. Die Umhausung selbst ist beispielsweise relativ zu einem Getriebegehäuse oder einen Abschnitt eines Getriebegehäuses unbeweglich fest installiert. Demnach ist in diesem Fall das zweite Kontaktelement relativ zu dem unbeweglichen ersten Kontaktelement an der Schnittstelle beweglich. In anderen Fällen können sich beide, also das erste Kontaktelement und das zweite Kontaktelement relativ zu einer Umgebungskonstruktion beispielsweise aneinander aber in entgegengesetzte Rotationsrichtungen bewegen.
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Eine derartige Anordnung lässt sich vorteilhaft einfach und kostengünstig ohne zusätzlichen Aufwand vorwiegend durch Standardbearbeitungsprozeduren und aus Standardbauteilen herstellen.
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So sieht eine Ausgestaltung der Erfindung vor, dass das zweite Kontaktelement axial, d. h. gleichgerichtet mit der Rotationsachse, in eine axiale Richtung federelastisch unter Zuhilfenahme wenigstens einer Druckfeder gegen ein Gehäuse abgestützt und dabei axial in eine entgegengesetzte axiale Richtung gegen das Insertelement abgestützt ist. Eine Druckfeder ist oder mehrere Druckfedern sind vorzugsweise zwischen dem Insertelement und dem zweiten Kontaktelement eingespannt. Das Gehäuse oder eine in dem Gehäuse sitzende Umhausung der Stromdurchgangsvorrichtung ist in diesem Fall das erste Kontaktelement. Der Vorteil der Erfindung liegt darin, dass aufgrund der federbelasteten Vorspannung ein dauerhafter stromleitender Kontakt zwischen dem zweiten Kontaktelement und dem stromleitfähigen Gehäuse gebildet ist.
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Der Vorteil einer derartigen Ausgestaltung der Erfindung liegt darin, dass die Elemente der Stromdurchgangsvorrichtung sehr einfach und insbesondere in der Massenproduktion kostengünstig herstellbar sind. Der Aufbau der Stromdurchgangsvorrichtung ist dementsprechend auch sehr einfach und deren Funktion dauerhaft zuverlässig.
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Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass das erste Kontaktelement und das zweite Kontaktelement in einer zu dem Gehäuse der Vorrichtung separat ausgebildeten Umhausung angeordnet sind. Eine Umhausung bietet vorteilhaft Schutz gegen Umwelteinflüsse. So kann beispielsweise die trocken funktionierende Stromdurchgangsvorrichtung mittels der Umhausung gegen Schmutz oder alternativ gegen Öl einer nasslaufenden zweiten Welle geschützt werden. Alternativ kann die Umhausung auch mit einer Flüssigkeit gefüllt sein, wodurch sich eine nasslaufende Stromdurchgangsvorrichtung ergibt. Die Umhausung ist beispielsweise ein napfförmiges Gebilde aus Blech oder Kunststoff. Deren Inneres ist zu beweglichen Bauteilen wie zu der Hohlwelle oder zu dem Insertelement hin gegenüber der Umgebung mit einer oder mehreren Dichtungen abgedichtet.
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Mit einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Umhausung in einem Gehäuse sitzt. Dabei ragen das Insertelement und/oder die Hohlwelle axial zumindest teilweise in die Umhausung hinein. Durch eine derartige Anordnung ist vollständiger Schutz der an der Hohlwelle oder vorzugsweise an dem Insertelement sitzenden Bauteile der Stromdurchgangsvorrichtung gewährleistet.
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Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass zwischen der Umhausung und dem Insertelement und/oder der Hohlwelle mindestens ein Dichtring oder eine Dichtung angeordnet ist, wobei ein von der Umhausung umhauster Innenraum mittels der Dichtung abgedichtet ist und wobei zumindest das erste Kontaktelement und das zweite Kontaktelement wenigstens teilweise in dem Innenraum angeordnet sind.
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Generell gilt, dass axial gleichgerichtet mit der Rotationsachse der Welle ist. Radial sind dementsprechend die Richtungen quer-senkrecht zur Rotationsachse.
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Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Schnittstelle zwischen dem ersten Kontaktelement und der Umhausung ausgebildet ist, wobei das erste Kontaktelement gegenüber der fest in einem Gehäuse sitzenden Umhausung relativ beweglich, dabei aber im Kontakt mit der Umhausung stehend, stromleitfähig verbunden ist. Die Umhausung ist entweder aus einem stromleitfähigen Material gebildet oder ist mit einer stromleitfähigen Einlage oder einen aufgesetzten stromleitfähigen Bauteil und gegebenenfalls einer leitfähigen Beschichtung oder elektrisch leitenden Leiterbahnen versehen. Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung ist darauf gerichtet, dass die zweite Welle (Getriebewelle, Getriebeeingangswelle einer elektromotorischen Antriebsvorrichtung) und wenigstens ein Zahnrad miteinander um die Rotationsachse rotationsfest verbunden sind. Es ist eine erste zumindest rotationsfeste Formschlussverbindung zwischen dem Insertelement und der Hohlwelle (Rotorwelle) und wenigstens eine zweite rotationsfeste Formschlussverbindung zwischen dem Insertelement und der zweiten Welle ausgebildet. Das Zahnrad des beispielsweise das Klinkenrad einer Parksperre oder ein anderes Zahnrad, welches zum Beispiel im Zahneingriff mit einem weiteren Zahnrad eines Getriebes der Vorrichtung steht.
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Figurenliste
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.
- Die 1 zeigt eine elektromechanische Antriebsvorrichtung 12, die wenigstens eine elektrischen Maschine 30, wenigstens eine Vorrichtung 1 zur Übertragung von Drehmomenten und mindestens Stromdurchgangsvorrichtung 5 aufweist, in einem Längsschnitt entlang der Rotationsachse 2 einer als Hohlwelle 3 ausgebildeten Rotorwelle, wobei ein Teil der der Antriebsvorrichtung 12 in einem Gehäuse 4, 10, 11 abgestützt ist.
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Die elektromechanische Antriebsvorrichtung 12 weist die als Hohlwelle 3 ausgebildete erste Welle 31, eine als Getriebewelle ausgebildete zweite Welle 19 und eine Stromdurchgangsvorrichtung 5 auf. Die zweite Welle 19 ist einteilig mit einem Zahnrad 6 ausgebildet. Ein Klinkenrad 7 einer nicht weiter dargestellten Parksperre sitzt neben dem Zahnrad 6 auf der zweiten Welle 19. Außerdem sind zwei als Kugellager ausgebildete Lager 8 und 9 auf die zweite Welle 32 montiert.
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Die erste Welle 31 ist die Rotorwelle der elektrischen Maschine 30 und ist mit zwei als Kugellager ausgebildeten Wälzlagern 29 in einem Gehäuse 4 gelagert.
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Die zweite Welle 19 ist an einer ersten Lagerstelle mittels des Lagers 8 in einem zeichnerisch nur angedeuteten Gehäuse 10 sowie an einer zweiten Lagerstelle mittels des zweiten Lagers 9 in einem Gehäuse 11 um die Rotationsachse 2 rotierbar gelagert. Die Rotationsachse 2 ist axial ausgerichtet und Rotationsachse 2 sowohl für die Hohlwelle 3 (erste Welle 31) als auch für die zweite Welle 19. Die Stromdurchgangsvorrichtung 5 sitzt fest in dem Gehäuse 4. Die Gehäuse 4, 10 und 11 sind entweder zueinander separate Gehäuse oder Gehäuseabschnitte eines gemeinsamen nicht dargestellten Gehäuses der Antriebsvorrichtung 12.
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In der Hohlwelle 3 steckt ein Insertelement 13, welches mit einem ersten Verbindungsabschnitt 15 an der der zweiten Welle 19 zugewandte Seite der elektrischen Maschine 30 über die Hohlwelle 3 axial hinaussteht. Der Verbindungsabschnitt 15 ist außen mit einer Keil- bzw. Kerbverzahnung versehen.
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Das Insertelement 13 besteht aus einen Torsionsstab 14 und einer axialen Verlängerung 18. Der Torsionsstab 14 weist den ersten Verbindungsabschnitt 15, einen Führungsschaft 16, eine Stabfeder 20 und einen zweiten Verbindungsabschnitt 17 auf.
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Der erste Verbindungsabschnitt 15 ist formschlüssig mit der zweiten Welle 19 verbunden, sodass über die Verbindung zwischen dem Torsionsstab 14 und der zweiten Welle 19 Drehmomente um die Rotationsachse 2 übertragen werden können. Wie sich aus der vorhergehenden Beschreibung erahnen lässt, ist die bevorzugte Drehmomente übertragende formschlüssige Verbindung in diesem Fall durch ineinandergreifende Keil- bzw. Kerbverzahnungen des Verbindungsabschnitts 15 und einer korrespondierenden Innenverzahnung in einem Sackloch der zweiten Welle 19 gewährleistet.
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Der Führungsschaft 16 ist axial mit dem ersten Verbindungsabschnitt 15 verbunden und dient als radiale Stütze für den Torsionsstab 14 in der Hohlwelle 3. Das Insertelement 13 ist gegenüber der Hohlwelle 3 um die Rotationsachse 2 verdrehbar aber radial (d. h. quer zur axialen Ausrichtung der Rotationsachse) gut gestützt in der Hohlwelle 3 gelagert. Unter verdrehbar ist dabei die Relativbewegung der Stabfeder 20 und des Führungsschaftes 16 gegenüber der Hohlwelle 3 zu verstehen, die entsteht, wenn sich die Stabfeder 20 bei Torsion zusammen mit dem Führungsschaft 16 um die neutrale Linie des Torsionsstabs elastisch verwindet und dann nach Wegfall dieser Torsionsmomente wieder in den spannungsfreien Zustand zurückbewegt (elastisch-reversibles Verhalten). Die neutrale Linie verläuft in dem dargestellten Fall koaxial mit der Rotationsachse 2.
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Dem Führungsschaft 16 schließt sich axial der die Stabfeder 20, also der federelastische Abschnitt des Torsionsstabs 14 an. Die Stabfeder 20 ist längs der Rotationsachse 2 ausgerichtet und ist eine Feder, deren reversibel-elastische Eigenschaften sich bei Torsion, also beim Verdrillen/Verwinden des Torsionsstabes 14 um seine neutrale Linie, wirksam sind. Die neutrale Linie entspricht bei idealer Lage und Ausrichtung des Insertelement 13 der Rotationsachse 2. Der zweite Verbindungsabschnitt 17 schließt sich axial an die Stabfeder 20 an und ist drehmomentenfest mit der Hohlwelle 3 verbunden. Dazu ist der zweite Verbindungsabschnitt 17 formschlüssig mit der Hohlwelle 3 verbunden. Im Interesse einer einfachen Montage des Insertelements 13 in die Hohlwelle 3 ist die drehmomentenfeste vorzugsweise über eine axiale Steckverbindung formschlüssig mittels einer nicht im Detail dargestellten Keil- bzw. Kerbverzahnung verwirklicht.
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Über die Verzahnung des Zahnrades 6 auf die zweite Welle 19 aufgebrachte Drehmomente um die Rotationsachse 2 werden über die Verbindung zwischen der zweiten Welle 19 und dem ersten Verbindungsabschnitt auf die Stabfeder 20 übertragen und von dort auf den zweiten Verbindungsabschnitt 17 und dann weiter über die Verbindung des zweiten Verbindungsabschnitts 17 mit der Rotorwelle. Beim Antrieb der zweiten Welle 19 über die elektrischen Maschine fließt Leistung in umgekehrter Richtung, d. h., von der Rotorwelle über den Verbindungabschnitt 17 zum Verbindungabschnitt 15 und von da auf die zweite Getriebewelle 19.
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Der Torsionsstab 14 ist in dem dargestellten Fall einteilig-einmaterialig mit dem Führungsschaft 16 und dem Verbindungsabschnitt 17 ausgebildet und verläuft axial zwischen diesen. Die Verlängerung 18 des Insertelements 13 folgt axial auf den zweiten Verbindungsabschnitt 17 und erstreckt sich axial in eine Umhausung 22. Die Umhausung 22 ist Bestandteil der Stromdurchgangsvorrichtung 5. Die Stromdurchgangsvorrichtung 5 besteht weiterhin aus einem ersten Kontaktelement 21 und einem zweiten Kontaktelement 23, einem Stößel 24 sowie einer Druckfeder 25 einer Hülse 26 und einem Sitz 27. Das erste Kontaktelement 21 ist entweder direkt die Umhausung 22 oder eine in die Umhausung eingesetztes Einlage und über die Umhausung 22 oder alternativ über mindestens einen in der Umhausung 22 verlegten oder aufgebrachten Leiter stromleitfähig mit dem Gehäuse 12 verbunden. Das zweite Kontaktelement 23 ist in diesem Fall eine Kugel kann alternativ aber auch ein Stift, oder nur der Stößel 24 oder ein anderes geeignetes Bauelement sein. Die Kugel ist über die Druckfeder 25 und den Stößel 24 axial gegen das erste Kontaktelement 21 vorgespannt. Zwischen dem ersten Kontaktelement 21 und dem zweiten Kontaktelement 23 ist eine Schnittstelle gebildet, die stromleitfähig ist und an der das zweite Kontaktelement zusammen mit dem Insertelement 13 und der Hohlwelle 3 sich relativ gegenüber der Umhausung 22 um die Rotationsachse 2 rotierend bewegt. Die Druckfeder 25 ist dabei rückseitig am Boden der Hülse 26 abgestützt. Die Hülse 26 ist in einem Langloch aufgenommen, welches stirnseitig in das Insertelement 13 eingebracht ist und den Sitz 27 für die Hülse 26 bildet. An der Öffnung der Umhausung 22 ist ein Ringspalt zwischen der Umhausung 22 und der Verlängerung 18 ausgebildet. In diesem sitzt ein Radialwellendichtring 28, durch welchen die Öffnung der Umhausung 22 abgedichtet ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Vorrichtung
- 2
- Rotationsachse
- 3
- Hohlwelle
- 4
- Gehäuse
- 5
- Stromdurchgangsvorrichtung
- 6
- Zahnrad
- 7
- Klinkenrad
- 8
- erstes Lager
- 9
- zweites Lager
- 10
- Gehäuse
- 11
- Gehäuse
- 12
- Elektromechanische Antriebsvorrichtung
- 13
- Insertelement
- 14
- Torsionsstab
- 15
- erster Verbindungsabschnitt
- 16
- Führungsabschnitt
- 17
- zweiter Verbindungsabschnitt
- 18
- axiale Verlängerung
- 19
- zweite Welle
- 20
- Stabfeder
- 21
- erstes Kontaktelement
- 22
- Umhausung
- 23
- zweites Kontaktelement
- 24
- Stößel
- 25
- Druckfeder
- 26
- Hülse
- 27
- Sitz
- 28
- Dichtung
- 29
- Wälzlager
- 30
- elektrische Maschine
- 31
- erste Welle
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DD 157386 A1 [0002]
- JP 5288214 A2 [0003]
- JP 2016171642 A2 [0004]
- DE 112013002081 T [0005]
