DE102020200821A1

DE102020200821A1 - Wellenerdungsvorrichtung und elektrische Antriebseinheit mit einer solchen Vorrichtung

Info

Publication number: DE102020200821A1
Application number: DE102020200821.3A
Authority: DE
Inventors: Michael Griesbach
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2020-01-23
Filing date: 2020-01-23
Publication date: 2021-07-29
Also published as: CN114982108A; US20230078270A1; WO2021148579A1

Abstract

Wellenerdungsvorrichtung (X) zur elektrischen Erdung einer Welle (1) gegenüber einem Gehäuse (2), wobei zur Herstellung eines elektrischen Kontakts zur Welle (1) ein elektrisch leitfähiger Rechteckring (4) vorgesehen ist, welcher in einer in der Welle (1) ausgebildeten Rechtecknut (3) angeordnet ist, wobei der Rechteckring (4) über eine metallische Hülse (5) mit dem Gehäuse (2) in elektrisch leitfähigem Kontakt steht, wobei die Wellenerdungsvorrichtung (X) eine Vorspannvorrichtung aufweist, welche den Rechteckring (4) axial gegen die Rechteckringnut (3) und radial nach außen gegen die Hülse (5) drückt, sowie elektrische Antriebseinheit (G1, G2) für ein Kraftfahrzeug mit einer solchen Wellenerdungsvorrichtung (X).

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Wellenerdungsvorrichtung zur elektrischen Erdung einer Welle gegenüber einem Gehäuse. Die Erfindung betrifft ferner ein Getriebe für ein Kraftfahrzeug mit einer solchen Wellenerdungsvorrichtung.
Wellenerdungsvorrichtungen werden in der Regel in elektrifizierten Antriebssträngen von Kraftfahrzeugen wie z.B. in Hybridantrieben oder in elektrisch angetriebenen Achsen eingesetzt und dienen der Ableitung von elektrischen Wechselströmen von elektrisch leitfähigen Bauteilen wie Antriebswellen bzw. Abtriebswellen von Getrieben und Rotoren, um auf diese Weise Beschädigungen aufgrund des Stromdurchflusses an Bauteilen wie beispielsweise Lagern zu vermeiden und/oder um die Bildung elektromagnetischer Abstrahlung der Wellen zu reduzieren. Hierbei ist es erforderlich, den elektrischen Widerstand, auch Impedanz genannt, zwischen dem drehenden Bauteil Welle und dem stehenden Gehäuse, in dem eine Welle angeordnet ist, möglichst gering zu halten.
Aus dem Stand der Technik ist bekannt, zur Realisierung der zwischen einer stehenden Wellenerdungsvorrichtung und einer drehenden Welle erforderlichen Kontaktierung Schleifmittel in Form von Kohlebürsten, beschichteten elektrisch leitfähigen Kunststoffen oder Vliesen zu verwenden. Um hierbei den Übergangswiderstand so klein wie möglich zu halten, wird eine größere Auflage der Kontaktierung auf der Welle benötigt.
Aus der US 6608410 B2 ist bekannt, bei einer in einem Gehäuse angeordneten Rotorwelle, zur Realisierung einer Erdungsfunktion Ströme über ein elektrisch leitend ausgeführtes Dichtungselement der Welle und dem Gehäuse abzuleiten.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine alternative Wellenerdungsvorrichtung anzugeben.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Weitere erfindungsgemäße Ausgestaltungen und Vorteile gehen aus den Unteransprüchen, der Beschreibung sowie aus den Figuren hervor.
Zur Lösung der Aufgabe wird eine Wellenerdungsvorrichtung zur elektrischen Erdung einer Welle gegenüber einem Gehäuse vorgeschlagen, wobei zur Herstellung eines elektrischen Kontakts zur Welle ein elektrisch leitfähiger Rechteckring vorgesehen ist, welcher in einer in der Welle ausgebildeten Rechtecknut angeordnet ist. Der Rechteckring steht über eine metallische Hülse mit dem Gehäuse in elektrisch leitfähigem Kontakt steht.
Der Erfindung liegt der Gedanke zu Grunde, das zur Wellendichtung bekannte Prinzip eines Rechteckrings zur Wellenerdung zu nutzen. Durch die zusätzliche Vorspanneinrichtung wird der elektrisch leitfähige Kontakt zwischen Welle und Rechteckring sichergestellt.
Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Vorspannvorrichtung einen keilförmig ausgeführten Kolben und ein Federelement, insbesondere eine radial vorgespannte Zugrundfeder, die in der Rechteckringnut angeordnet sind, wobei die Zugrundfeder den Kolben gegen den Rechteckring drückt, welcher wiederum den Rechteckring im Stillstand axial gegen die Rechteckringnut und bedingt durch die Keilform radial nach außen gegen die Dichthülse bzw. das Lager drückt.
Um die erforderlichen Bauteile Kolben und Zugrundfeder zu integrieren, ist eine Vergrößerung vorhandener Rechteckringnuten erforderlich.
Durch die erfindungsgemäße Konzeption wird der Vorteil erzielt, dass der Rechteckring immer eine Vorspannung zur Welle, insbesondere zur Wellenschulter, und zur Hülse hat, was in Verbindung mit der elektrisch leitenden Ausführung des Rechteckrings Voraussetzung für die Ableitung von Strömen zwischen der Welle über den Rechteckring, über die Hülse und dem Gehäuse ist.
Da die Hülse in der Regel im Gehäuse eingepresst ist, kann der Strom sehr gut an das Gehäuse zur Masse abfließen. Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass lediglich zwei zusätzliche Bauteile im Vergleich zum Stand der Technik benötigt werden, nämlich die Zugrundfeder und der Kolben, was in geringen Herstellungs- und Montagekosten resultiert. Ferner ist der für den Einbau der Zugrundfeder und des Kolbens erforderliche Bauraum sehr gering.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Rechteckring silberbeschichtet ausgeführt ist, um den Übergangswiderstand so gering wie möglich zu halten, wobei die Kosten hierfür in vorteilhafter Weise gering sind, da die Silberbeschichtung auf ein relativ kleines Bauteil begrenzt ist.
Vorzugsweise wirkt der Rechteckring neben seiner Funktion in der Wellenerdungsvorrichtung zusätzlich als ÖI-Dichtring. Durch eine solche Konstruktion kann eine sonst zusätzlich erforderliche Dichtung entfallen.
Ferner wird eine elektrische Antriebseinheit für ein Kraftfahrzeug vorgeschlagen, wobei die elektrische Antriebseinheit ein Gehäuse und eine im Gehäuse gelagerte Welle aufweist. Die elektrische Antriebseinheit kann eine Wellenerdungsvorrichtung nach einem der voran genannten Ausgestaltungen aufweisen, um einen elektrisch leitfähigen Kontakt zwischen dem Gehäuse und der Welle bereitzustellen.
Die elektrische Antriebseinheit kann beispielsweise ein elektrischer Achsantrieb für ein Kraftfahrzeug sein. Alternativ dazu kann die elektrische Antriebseinheit durch ein Getriebe gebildet sein, welche eine elektrische Maschine zum Fahrzeugantrieb aufweist, beispielsweise ein Automatikgetriebe oder ein Doppelkupplungsgetriebe.
Gemäß einer möglichen Ausgestaltung ist die Wellenerdungsvorrichtung in einem Ölraum der elektrischen Antriebseinheit angeordnet. Ein Ölraum ist ein Raum der elektrischen Antriebseinheit, in welchem sich Öl befindet, beispielsweise zur Schmierung und/oder zur Kühlung von Komponenten der elektrischen Antriebseinheit. Bei einer solchen Ausgestaltung kann der Rechteckring der Wellenerdungsvorrichtung als Dichtring zur Abdichtung des Ölraums wirken.
Weist die Wellenerdungsvorrichtung der elektrischen Antriebseinheit den vorgenannten keilförmigen Kolben auf, so ist der Kolben vorzugsweise derart ausgerichtet, dass ein im Ölraum wirkender Druck zur Verstärkung der Dichtwirkung des Rechteckrings auf den Kolben wirkt.
Alternativ dazu kann die Wellenerdungsvorrichtung in einem Trockenraum der elektrischen Antriebseinheit angeordnet sein.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der beigefügten Figuren beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:

1 und 2: je eine Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs;
3: eine schematische Schnittansicht einer Wellenerdungsvorrichtung im montierten Zustand; und
4: eine perspektivische Ansicht eines Kolbens der Wellenerdungsvorrichtung.

1 zeigt einen Antriebstrang eines Kraftfahrzeug mit einer elektrischen Antriebseinheit G1. Die elektrische Antriebseinheit G1 weist eine elektrische Maschine mit einem drehfesten Stator ST und einem drehbaren Rotor RO auf. Der Stator ST ist an einem Gehäuse 2 befestigt. Der Rotor RO ist an einer Welle 1 befestigt, welche im Gehäuse 2 gelagert ist. Über ein in 1 nicht dargestelltes Getriebe wird die am Rotor RO anliegende Leistung auf ein Differentialgetriebe AG übertragen, welches die Leistung auf Antriebsräder DW des Kraftfahrzeugs aufteilt.
Beim Betrieb der elektrischen Maschine können Ströme in den Rotor RO eingekoppelt werden, welche durch die Lagerung der Welle 1 vom Gehäuse 2 elektrisch isoliert sind. Um einen Rückleitpfad dieser Ströme zu gewährleisten weist die elektrische Antriebseinheit G1 eine Wellenerdungsvorrichtung X auf. Durch die Wellenerdungsvorrichtung X wird ein elektrisch leitfähiger Kontakt zwischen Welle 1 und Gehäuse 2 hergestellt. Die Wellenerdungsvorrichtung X ist beispielhaft in einem Trockenraum GT der elektrischen Antriebseinheit G1 angeordnet.
2 zeigt einen Antriebstrang eines Kraftfahrzeug mit einer elektrischen Antriebseinheit G2. Der Antriebsstrang ist nun als Hybrid-Antriebsstrang ausgebildet. Die elektrische Antriebseinheit G2 wird durch ein Getriebe gebildet, welche eingangsseitig mit einem Verbrennungsmotor VM verbunden ist. Das Getriebe weist einen in 2 nicht dargestellten Radsatz auf, um verschiedene Übersetzungsverhältnisse zwischen einer Eingangswelle GW2 und einer Welle 2 bereitzustellen. Das Getriebe weist eine elektrische Maschine mit einem Rotor RO und einem Stator ST auf, wobei der Stator ST mit einem Gehäuse 2 der elektrischen Antriebseinheit G2 und der Rotor RO mit der Eingangswelle GW1 verbunden ist. Abtriebsseitig ist das Getriebe über eine Welle 1 mit einem Differentialgetriebe AG verbunden. Das Differentialgetriebe AG ist dazu eingerichtet die an der Welle 1 anliegende Leistung auf Antriebsräder DW des Kraftfahrzeugs aufzuteilen.
Beim Betrieb der elektrischen Maschine können Ströme in den Rotor RO eingekoppelt werden, welche durch die Lagerung der Wellen GW1, 2 vom Gehäuse 1 elektrisch isoliert sind. Um einen Rückleitpfad dieser Ströme zu gewährleisten weist die elektrische Antriebseinheit G2 eine Wellenerdungsvorrichtung X auf. Durch die Wellenerdungsvorrichtung X wird ein elektrisch leitfähiger Kontakt zwischen Welle 1 und Gehäuse 2 hergestellt. Die Wellenerdungsvorrichtung X ist beispielhaft in einem Ölraum GR der elektrischen Antriebseinheit G2 angeordnet.
Die in 1 und 2 gezeigten Antriebsstränge und elektrische Antriebseinheiten G1, G2 sind nur beispielhaft anzusehen.
3 zeigt eine schematische Schnittansicht einer Wellenerdungsvorrichtung X für die elektrische Antriebseinheit G2. Der Ölraum GR ist gegenüber dem Gehäuse 2 und der Welle 1 über einen in einer in der Welle 1 ausgebildeten Rechteckringnut 3 angeordneten elektrisch leitend ausgeführten Rechteckring 4 abgedichtet, wobei der Rechteckring 4 zur Erzielung einer Dichtwirkung axial an die Rechteckringnut 3, insbesondere eine Wellenschulter, und radial nach außen gegen eine Hülse 5 aus Metall durch den Öldruck drückbar ist.
Gemäß der Erfindung weist die Wellenerdungsvorrichtung X eine Vorspannvorrichtung auf, die den Rechteckring 4 auch im Stillstand der Welle 1 axial gegen die Rechteckringnut 3 und radial nach außen gegen die Hülse 5 drückt, wobei bei dem in 3 gezeigten Beispiel die Vorspannvorrichtung einen keilförmig ausgeführten Kolben 6 und eine radial vorgespannte Zugrundfeder 7 aufweist, welche in der Rechteckringnut 3 angeordnet sind. Der Rechteckring 4 kann silberbeschichtet ausgeführt ist, um den Übergangswiderstand so gering wie möglich zu halten.
Der Kolben 6 wird durch die Kraft der Zugrundfeder 7 gegen den Rechteckring 4 gedrückt, wobei dadurch der Rechteckring 4 im Stillstand der Welle 1 axial gegen die Rechteckringnut 3 und bedingt durch die Keilform des Kolbens 6 radial nach außen gegen die Hülse 5 gedrückt wird, so dass die zur Stromableitung erforderliche Vorspannung des Rechteckrings 4 zur Welle 1 und zur Hülse 5 gewährleistet ist.
Gegenstand der 4 ist ein Kolben 6 der Vorspannvorrichtung der Wellenerdungsvorrichtung X. Wie aus 4 ersichtlich, weist der Kolben 6 an der dem Rechteckring 4 im montierten Zustand abgewandten Seite über den Umfang verteilte Nuten 8 auf, welche im Betrieb das Eindringen von Öl in die Rechteckringnut 3 ermöglichen, wodurch der Rechteckring 4 zur Erzielung der Dichtwirkung axial an die Rechteckringnut 3 und radial nach außen gegen die Hülse 5 gedrückt wird.
Ferner weist der Kolben 6 bei den gezeigten Beispiel eine Öffnung 9 zur Ermöglichung bzw. Vereinfachung der Montage auf; gemäß weiterer Ausgestaltungen kann der Kolben aus zwei Teilen zusammengesetzt sein.
Die Wellenerdungsvorrichtung X gemäß 3 und 4 kann auch in der elektrischen Antriebseinheit G1 verwendet werden, sodass die Wellenerdungsvorrichtung X im Trockenraum GT der elektrischen Antriebseinheit G1 angeordnet ist. Eine hydraulische Vorspannung des Rechteckrings 4 entfällt dabei entsprechend.
Bezugszeichenliste

G1, G2: Elektrische Antriebseinheit
ST: Stator
RO: Rotor
AG: Differentialgetriebe
DW: Antriebsrad
VM: Verbrennungsmotor
GW1: Eingangswelle
GR: Ölraum
GT: Trockenraum
X: Wellenerdungsvorrichtung
1: Welle
2: Gehäuse
3: Rechteckringnut
4: Rechteckring
5: Dichthülse
6: Kolben
7: Zugrundfeder
8: Nut
9: Öffnung

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

US 6608410 B2 [0004]

Claims

Wellenerdungsvorrichtung (X) zur elektrischen Erdung einer Welle (1) gegenüber einem Gehäuse (2), wobei zur Herstellung eines elektrischen Kontakts zur Welle (1) ein elektrisch leitfähiger Rechteckring (4) vorgesehen ist, welcher in einer in der Welle (1) ausgebildeten Rechtecknut (3) angeordnet ist, wobei der Rechteckring (4) über eine metallische Hülse (5) mit dem Gehäuse (2) in elektrisch leitfähigem Kontakt steht, wobei die Wellenerdungsvorrichtung (X) eine Vorspannvorrichtung aufweist, welche den Rechteckring (4) axial gegen die Rechteckringnut (3) und radial nach außen gegen die Hülse (5) drückt.
Wellenerdungsvorrichtung (X) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Rechteckring (4) silberbeschichtet ausgeführt ist.
Wellenerdungsvorrichtung (X) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorspannvorrichtung einen keilförmig ausgeführten Kolben (6) und eine radial vorgespannte Zugrundfeder (7) aufweist, welche in der Rechteckringnut (3) angeordnet sind, sodass die Zugrundfeder (7) den Kolben (6) gegen den Rechteckring (4) drückt, sodass der Rechteckring (4) axial gegen die Rechteckringnut (3) und bedingt durch die Keilform des Kolbens (6) radial nach außen gegen die Hülse (5) gedrückt wird.
Wellenerdungsvorrichtung (X) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (6) eine Öffnung (9) zur Ermöglichung bzw. Vereinfachung der Montage aufweist.
Wellenerdungsvorrichtung (X) nach Anspruch 3 oder Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (6) einstückig ausgeführt oder aus zwei Teilen zusammengesetzt ist.
Wellenerdungsvorrichtung (X) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rechteckring (4) zusätzlich als ÖI-Dichtring wirkt.
Wellenerdungsvorrichtung (X) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (6) an der dem Rechteckring (4) im montierten Zustand abgewandten Seite über den Umfang verteilte Nuten (8) aufweist, die im Betrieb das Eindringen von Öl in die Rechteckringnut (3) ermöglichen, wodurch der Rechteckring (4) zur Erzielung einer Dichtwirkung axial an die Rechteckringnut (3) und radial nach außen gegen die Hülse (5) gedrückt wird.
Elektrische Antriebseinheit (G1, G2) für ein Kraftfahrzeug, wobei die elektrische Antriebseinheit (G1, G2) ein Gehäuse (2) und eine im Gehäuse (2) gelagerte Welle (1) aufweist, gekennzeichnet durch eine Wellenerdungsvorrichtung (X) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei durch die Wellenerdungsvorrichtung (X) ein elektrisch leitfähiger Kontakt zwischen dem Gehäuse (2) und der Welle (1) hergestellt ist.
Elektrische Antriebseinheit (G2) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Wellenerdungsvorrichtung (X) in einem Ölraum (GR) der elektrischen Antriebseinheit (G) angeordnet ist.
Elektrische Antriebseinheit (G2) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Rechteckring (4) der Wellenerdungsvorrichtung (X) als Dichtring zur Abdichtung des Ölraums (GR) wirkt.
Elektrische Antriebseinheit (G2) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Wellenerdungsvorrichtung (X) gemäß Anspruch 3 ausgebildet ist, wobei ein im Ölraum (GR) herrschender Druck derart auf den Kolben (6) wirkt, dass die Dichtwirkung des Rechteckrings (4) verstärkt wird.
Elektrische Antriebseinheit (G1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Wellenerdungsvorrichtung (X) in einem Trockenraum (GT) der elektrischen Antriebseinheit (G1) angeordnet ist.