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Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Erdung einer aus einem Gehäuse hervorragenden Welle. Die Erfindung betrifft ferner ein Getriebe für ein Kraftfahrzeug mit einer solchen Anordnung, sowie eine elektrische Achsantriebs-Einheit für ein Kraftfahrzeug mit einer solchen Anordnung, sowie eine elektrische Maschine mit einer solchen Anordnung.
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Im Stand der Technik ist es bekannt, Wellen gegenüber einem Gehäuse elektrisch zu erden, um Schäden an den Lagern zu vermeiden. So beschreibt beispielsweise die
EP 1 755 207 A2 einen Bürstenring zur Erdung einer aus einem Gehäuseschild hervorstehenden Welle. Um den elektrischen Kontakt zwischen Bürste und Welle vor Verunreinigungen zu schützen ist eine Wand vorgesehen, welche einen vor der Bürste angeordneten Hohlraum begrenzt. Der Hohlraum weist eine Drainageöffnung auf, um in den Hohlraum eindringende Flüssigkeit abzuführen.
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In der
DE 10 2016 207 672 A1 wird ein Dichtungssystem für eine Welle mit einem Wellenerdungsring beschrieben. Dabei ist eine Wellendichtung axial unmittelbar neben dem Wellenerdungsring in einem gemeinsamen Gehäuse integriert. Das Ziel des Dichtungssystems ist der Schutz von umgebenden Bauteilen vor Fasern, welche sich vom Wellenerdungsring lösen.
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In der noch unveröffentlichten
DE 10 2019 217 072.2 ist eine Dichtungsanordnung beschrieben. Dabei ist ein Kontaktelement zur elektrisch leitfähigen Kontaktierung zwischen zwei Bauteilen angeordnet. Das Kontaktelement ist axial zwischen zwei Dichtringen angeordnet, um den elektrisch leitfähigen Kontakt zu schützen.
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Es ist nun Aufgabe der Erfindung, eine Anordnung zur Erdung einer aus einem Gehäuse hervorragenden Welle, welche einen zuverlässigen Schutz des Erdungskontakts vor Umwelteinflüssen bietet, und dabei eine hohe Varianz aufweist.
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Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale des Patentanspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen, der Beschreibung, sowie aus den Figuren.
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Zur Lösung der Aufgabe wird eine Anordnung zur Erdung einer aus einem Gehäuse hervorragenden Welle vorgeschlagen. Dazu ist eine Wellenerdungseinrichtung vorgesehen, mittels der eine elektrisch leitfähige Verbindung zwischen dem Gehäuse und der Welle oder einer auf die Welle aufgebrachten Hülse hergestellt werden kann. Die Wellenerdungseinrichtung weist dazu zumindest ein Halteelement und zumindest ein Kontaktelement auf. Das zumindest eine Kontaktelement bildet einen ersten Schleifkontakt zur Welle oder zur darauf aufgebrachten Hülse. Durch den ersten Schleifkontakt wird der elektrische Kontakt zwischen der Wellenerdungseinrichtung und der Welle, bzw. zur Hülse hergestellt. Das zumindest eine Kontaktelement kann beispielsweise durch Bürsten oder durch ein elektrisch leitfähiges Elastomer oder ein elektrisch leitfähiges Vlies gebildet sein. Das zumindest eine Halteelement ist dazu eingerichtet das zumindest eine Kontaktelement gegenüber dem Gehäuse in Position zu halten. In anderen Worten ist das zumindest eine Kontaktelement mittels des zumindest einen Halteelements am Gehäuse abgestützt.
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Zum Schutz des ersten Schleifkontakts gegenüber der Umgebung ist ein Dichtring vorgesehen. Der Dichtring bildet einen zweiten Schleifkontakt zur Welle oder zur auf die Welle aufgebrachten Hülse. Der Dichtring ist dabei an einem Außendurchmesser des Halteelements an der Wellenerdungseinrichtung befestigt.
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Durch den Dichtring kann der erste, elektrisch leitfähige Schleifkontakt vor Umgebungseinflüssen geschützt werden. Die Befestigung des Dichtrings am Außendurchmesser des Halteelements ermöglicht eine einfache Varianz der Wellenerdungseinrichtung, wenn diese je nach Umgebungsbedingungen einmal mit, und einmal ohne den Dichtring verwendet werden soll. Soll eine Anwendung mit Dichtring erfolgen, so kann der Dichtring auf den Außendurchmesser des Halteelements befestigt werden, beispielsweise durch Aufpressen, ohne eine sonstige Veränderung der Wellenerdungseinrichtung.
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Vorzugsweise weist der Dichtring keine Feder zur Vorspannung des zweiten Schleifkontakts auf, wie sie beispielsweise bei Radialwellendichtringen verwendet wird. Dadurch wird ein durch den Dichtring hervorgerufenes Widerstandsmoment verringert.
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Vorzugsweise weist der Dichtring eine erste und eine zweite Lippe auf, welche beispielsweise als Staublippen ausgebildet sind. Ein Bereich zwischen der ersten und zweiten Lippe kann mit Fett befüllt sein, um die Dichtwirkung zu verbessern. Um das durch den Dichtring hervorgerufene Widerstandsmoment möglichst gering zu halten hat nur eine der beiden Lippen einen Schleifkontakt zur Welle oder zur daran aufgebrachten Hülse. Zwischen der anderen Lippe und der Welle, bzw. der Hülse besteht also ein Spalt. Vorzugsweise weist jene Lippe den Spalt zur Welle, bzw. zur Hülse auf, welche den kleineren axialen Abstand zum ersten Schleifkontakt aufweist.
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Vorzugsweise erfolgt der erste Schleifkontakt und der zweite Schleifkontakt am gleichen Durchmesser der Welle, bzw. der Hülse. Dadurch ist eine besonders einfache Montage der Wellenerdungseinrichtung mitsamt des Dichtrings möglich.
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Alternativ dazu kann der zweite Schleifkontakt an einem größeren oder kleineren Durchmesser erfolgen als der erste Schleifkontakt. Eine solche Lösung ist beispielsweise dann sinnvoll, wenn der erste Schleifkontakt auf einer auf die Welle aufgebrachten Hülse erfolgt. Erfolgt der zweite Schleifkontakt nicht auf der Hülse, so kann der Dichtring das Risiko einer korrosiven Unterwanderung der Hülse verringern.
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Die vorgeschlagene Anordnung zur Erdung kann Bestandteil eines Getriebes für ein Kraftfahrzeug sein, beispielsweise ein Automatikgetriebe oder ein automatisiertes Getriebe. Die entsprechend geerdete Welle des Getriebes ist in einem Gehäuse des Getriebes drehbar gelagert, wobei ein Abschnitt der Welle aus dem Gehäuse hervorsteht. Der aus dem Gehäuse hervorstehende Wellenabschnitt kann Umwelteinflüssen wie Sand und Feuchtigkeit ausgesetzt sein. Die Welle kann beispielsweise eine Abtriebswelle des Getriebes sein. Das Getriebe kann eine elektrische Maschine aufweisen, welche zum Antrieb der Welle eingerichtet ist.
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Die vorgeschlagene Anordnung zur Erdung kann Bestandteil einer elektrischen Achsantriebs-Einheit für ein Kraftahrzeug sein. Die entsprechend geerdete Welle der elektrischen Achsantriebs-Einheit ist in einem Gehäuse der elektrischen Achsantriebs-Einheit drehbar gelagert, wobei ein Abschnitt der Welle aus dem Gehäuse hervorsteht. Der aus dem Gehäuse hervorstehende Wellenabschnitt kann Umwelteinflüssen wie Sand und Feuchtigkeit ausgesetzt sein.
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Die vorgeschlagene Anordnung zur Erdung kann Bestandteil einer elektrischen Maschine mit einem drehfesten Stator und einem drehbar gelagerten Rotor sein. Der Rotor ist mit einer Rotorwelle gekoppelt. Die Rotorwelle ist durch die vorgeschlagene Anordnung gegenüber einem Gehäuse der elektrischen Maschine geerdet. Ein Abschnitt der Rotorwelle steht aus dem Gehäuse hervor.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind anhand der Figuren detailliert beschrieben. Es zeigen:
- 1 und 2 je einen Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs;
- 3 eine elektrische Maschine;
- 4 und 5 je eine Ansicht einer aus einem Gehäuse hervorragenden Welle; sowie
- 7 eine isometrische Ansicht eines Getriebes für ein Kraftfahrzeug.
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1 zeigt schematisch einen Antriebsstrang für ein Kraftfahrzeug. Der Antriebsstrang weist einen Verbrennungsmotor VM auf, dessen Ausgang mit einer Eingangswelle GW1 eines Getriebes G verbunden ist. Eine Abtriebswelle GW2 des Getriebes G ist mit einem Differentialgetriebe AG verbunden. Das Differentialgetriebe AG ist dazu eingerichtet, die an der Abtriebswelle GW2 anliegende Leistung auf Antriebsräder DW des Kraftfahrzeugs zu verteilen. Das Getriebe G weist einen Radsatz RS auf, welcher zusammen mit in 1 nicht dargestellten Schaltelementen dazu eingerichtet ist verschiedene Übersetzungsverhältnisse zwischen der Eingangswelle GW1 und der Abtriebswelle GW2 bereitzustellen. Der Radsatz RS ist von einem Gehäuse GG umschlossen, welches auch eine mit der Eingangswelle GW1 verbundene elektrische Maschine EM beherbergt. Die elektrische Maschine EM ist dazu eingerichtet die Eingangswelle GW1 anzutreiben. Am Gehäuse GG ist ein Umrichter INV befestigt.
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Der Umrichter INV ist einerseits mit der elektrischen Maschine EM und andererseits mit einer Batterie BAT verbunden. Der Umrichter INV dient zur Wandlung des Gleichstroms der Batterie BAT in einen zum Betrieb der elektrischen Maschine EM geeigneten Wechselstrom, und weist dazu mehrere Leistungshalbleiter auf. Die Wandlung zwischen Gleichstrom und Wechselstrom erfolgt durch einen gesteuerten pulsartigen Betrieb der Leistungshalbleiter.
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2 zeigt schematisch einen Antriebsstrang für ein Kraftfahrzeug, welcher im Gegensatz zur in 1 dargestellten Ausführung ein rein elektrischer Antriebsstrang ist. Der Antriebsstrang weist eine elektrische Achsantriebs-Einheit EX auf. Die elektrische Achsantriebs-Einheit EX umfasst eine elektrische Maschine EM, deren Leistung über einen Reduktionsradsatz RS2 und ein Differentialgetriebe AG auf Antriebsräder DW eines Kraftfahrzeugs übertragen werden. Ausgangswellen DS1, DS2 des Differentialgetriebes AG sind mit den Antriebsrädern DW verbunden. Die elektrische Maschine EM, der Reduktionsradsatz RS2 und das Differentialgetriebe AG sind von einem Gehäuse GA umschlossen. Am Gehäuse GA ist ein Umrichter INV befestigt. Der Umrichter INV ist einerseits mit der elektrischen Maschine EM und andererseits mit einer Batterie BAT verbunden. Der Umrichter INV dient zur Wandlung des Gleichstroms der Batterie BAT in einen zum Betrieb der elektrischen Maschine EM geeigneten Wechselstrom, und weist dazu mehrere Leistungshalbleiter auf. Die Wandlung zwischen Gleichstrom und Wechselstrom erfolgt durch einen gesteuerten pulsartigen Betrieb der Leistungshalbleiter.
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Die in 1 und 2 dargestellten Antriebsstränge sind nur beispielhaft anzusehen.
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Durch den pulsartigen Betrieb der Leistungshalbleiter können elektromagnetische Störsignale entstehen, die beispielsweise im Antriebsstrang gemäß 1 in die Abtriebswelle GW2 oder im Antriebsstrang gemäß 2 in die Ausgangswellen DS1, DS2 eingekoppelt werden. Durch die in 1 und 2 nicht dargestellte Lagerung der Abtriebswelle GW2, bzw. der Ausgangswellen DS1, DS2 sind diese jedoch gegenüber dem Gehäuse GG, bzw. dem Gehäuse GA elektrisch isoliert, da das Schmieröl im Inneren der Gehäuse GG, GA elektrisch isolierende Eigenschaften aufweist. Somit können in die Abtriebswelle GW2, bzw. in die Ausgangswellen DS1, DS2 eingekoppelte Störsignale nicht auf kurzem Weg in das Gehäuse GG, bzw. Gehäuse GA fließen, welches mit einer elektrischen Masse des Kraftfahrzeugs verbunden ist. Stattdessen gelangen die Störsignale durch elektromagnetische Abstrahlung zurück zur elektrischen Masse, wodurch andere elektronische Komponenten des Kraftfahrzeugs gestört werden können. Die aus dem Gehäuse GG, bzw. Gehäuse GA hervortretende Abtriebswelle GW2, bzw. Ausgangswellen DS1, DS2 können dabei eine Antenne bilden, welche die elektromagnetische Abstrahlung der Störsignale begünstigt.
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3 zeigt eine schematische Ansicht einer elektrischen Maschine EM2. Die elektrische Maschine EM2 weist ein Gehäuse GE auf, welches einen Stator S und einen Rotor R aufnimmt. Der Stator S ist drehfest im Gehäuse GE fixiert. Der Rotor R ist mit einer Rotorwelle RW gekoppelt, wobei die Rotorwelle RW über zwei am Gehäuse GE abgestützte Wälzlager WL1, WL2 drehbar gelagert ist. Ein Ende der Rotorwelle RW ragt aus dem Gehäuse GE hervor. An einem freiliegenden Abschnitt der Rotorwelle RW ist eine Wellenerdungseinrichtung E vorgesehen. Zwischen dem Wälzlager WL2 und der Wellenerdungseinrichtung ist ein Dichtring DR2 vorgesehen. Die Wellenerdungseinrichtung E stellt einen elektrisch leitfähigen Kontakt zwischen dem Gehäuse GE und der Rotorwelle RW her. Die Wellenerdungseinrichtung E weist dazu Bürsten oder andere elektrisch leitfähige Kontaktelemente auf, welche auf einer Oberfläche der Rotorwelle RW schleifen. Über die Wellenerdungseinrichtung E kann ein Potentialunterschied zwischen dem Gehäuse GE und der Rotorwelle E abgebaut werden. Die Wälzlager WL1, WL2 werden dadurch vor einem unkontrollierten Potentialausgleich über die Wälzkörper der Wälzlager WL1, WL2 geschützt.
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4 zeigt eine Detail-Schnittansicht einer aus einem Gehäuse GH hervorragenden Welle W gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel. Die in 4 dargestellte Welle W könnte beispielsweise die Abtriebswelle GW2 gemäß 1, oder eine der Ausgangswellen DS1, DS2 gemäß 2, oder die Rotorwelle RW gemäß 3 sein. Das Gehäuse GH könnte beispielsweise das Gehäuse GG gemäß 1, das Gehäuse GA gemäß 2 oder das Gehäuse GE gemäß 3 sein. Die Welle W ist mehrteilig aufgebaut, und ist über ein Kugellager WL am Gehäuse GH gelagert. Das Kugellager WL befindet sich in einem Ölraum NR. Zur Abdichtung des Ölraums NR gegenüber einer Umgebung U ist ein Radialwellendichtring DR vorgesehen. An der Umgebungsseite des Radialwellendichtrings DR ist eine Wellenerdungseinrichtung E vorgesehen. Die Wellenerdungseinrichtung E ist mit dem Gehäuse GH mechanisch und elektrisch leitfähig verbunden. Dazu ist ein Halteelement EH vorgesehen, über welches die Wellenerdungseinrichtung E mechanisch und elektrisch mit dem Gehäuse GH verbunden ist. Das Halteelement EH ist in 4 nur abschnittsweise dargestellt. Kontaktelemente EK der Wellenerdungseinrichtung E bilden einen elektrisch leitfähigen Schleifkontakt K1 zur Welle W. Das Halteelement EH hält die Kontaktelemente EK in Position. Die Kontaktelemente EK können beispielsweise Bürsten oder PTFE-Elemente mit elektrisch leifähigen Füllstoffen oder ein elektrisch leitfähiges Vlies sein.
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Um den elektrisch leitfähigen Schleifkontakt K1 gegenüber der Umgebung U zu schützen ist ein Dichtring DX vorgesehen. Der Dichtring DX weist eine metallisches Strukturelement DX1 auf, welches von einem Elastomer DX2 umgeben ist. Der Dichtring DX ist auf einen Außendurchmesser des Halteelements EH aufgepresst. Der Dichtring DX bildet einen zweiten Schleifkontakt K2 zur Welle W. Im Gegensatz zum Radialwellendichtring DR weist der Dichtring DX keine Feder zur Vorspannung des Schleifkontakts K2 in Richtung der Welle W auf. Der Dichtring DX weist eine Lippe L1 und eine Lippe L2 auf. Der Schleifkontakt K2 des Dichtrings DX an der Welle W erfolgt nur über die Lippe L2, sodass zwischen der Welle W und der Lippe L1 ein Spalt besteht.
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Ein zusätzlicher Schutz des Schleifkontakts K1 erfolgt über die Dichtung DA, welche zwischen dem Gehäuse GH und dem Halteelement EH wirkt. Zur Aufnahme der Dichtung DA ist im Gehäuse GH eine entsprechende Nut vorgesehen.
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5 zeigt eine Detail-Schnittansicht einer aus einem Gehäuse GH hervorragenden Welle W gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel, welches im Wesentlichen dem in 4 dargestellten ersten Ausführungsbeispiel entspricht. Die in 5 dargestellte Welle W könnte beispielsweise die Abtriebswelle GW2 gemäß 1, oder eine der Ausgangswellen DS1, DS2 gemäß 2, oder die Rotorwelle RW gemäß 3 sein. Das Gehäuse GH könnte beispielsweise das Gehäuse GG gemäß 1, das Gehäuse GA gemäß 2 oder das Gehäuse GE gemäß 3 sein.
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Im Ausführungsbeispiel gemäß 5 ist auf der Welle Weine Hülse H angeordnet. Die Hülse H besteht beispielsweise aus Edelstahl, und bietet eine mechanisch und korrosiv widerstandsfähige Lauffläche für den Radialwellendichtring DR und die Kontaktelemente EK der Wellenerdungseinrichtung E. Der Schleifkontakt K2 des Dichtrings DX besteht weiterhin direkt zur Welle W, und nicht zur Hülse H. Der Schleifkontakt K2 erfolgt somit an einem kleineren Durchmesser als der Schleifkontakt K1. Bei einer derartigen Ausführung dient der Dichtring DX nicht zur zum Schutz des Schleifkontakts K1 vor Umwelteinflüssen, sondern auch zum Schutz vor einer korrosiven Unterwandung der Hülse H. Zwischen den Lippen L1 und L2 ist eine Fettfüllung F vorgesehen.
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6 zeigt eine Detail-Schnittansicht einer aus einem Gehäuse GH hervorragenden Welle W gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel, welches im Wesentlichen dem in 5 dargestellten zweiten Ausführungsbeispiel entspricht. Die in 6 dargestellte Welle W könnte beispielsweise die Abtriebswelle GW2 gemäß 1, oder eine der Ausgangswellen DS1, DS2 gemäß 2, oder die Rotorwelle RW gemäß 3 sein. Das Gehäuse GH könnte beispielsweise das Gehäuse GG gemäß 1, das Gehäuse GA gemäß 2 oder das Gehäuse GE gemäß 3 sein.
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Im Ausführungsbeispiel gemäß 6 wirkt der Dichtring DX auf einen größeren Durchmesser der Welle W, sodass der Schleifkontakt K2 an einem größeren Durchmesser erfolgt als der Schleifkontakt K1. Die Hülse H kann derart entsprechend verlängert werden. Zur Vereinfachung der Montage der Hülse H auf der Welle W ist an der Hülse ein radial nach außen gerichteter Montageabschnitt HX vorgesehen.
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Die in 5 und 6 dargestellten Anordnungen sind nur beispielhaft anzusehen. Die Hülse H könnte auch als Lauffläche für den Schleifkontakt K1 und für den Schleifkontakt K2 dienen. Eine korrosive Unterwandung der Hülse H könnte bei einer solchen Ausführung beispielsweise durch eine Klebeverbindung zwischen Hülse H und Welle W vermieden werden. Es ist auch eine Ausführung mit Hülse H denkbar, bei der der Radialwellendichtring DR direkt auf die Welle W anstatt auf die Hülse H wirkt. Die in 6 dargestellte Ausführung des Dichtrings DX könnte auch bei einer Ausgestaltung ohne Hülse H zum Einsatz kommen.
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7 zeigt eine isometrische Ansicht einer Abtriebsseite eines Getriebes G für ein Kraftfahrzeug. Darin ist gut erkennbar, dass die Welle W aus dem Gehäuse GG hervorragt. Die Wellenerdungseinrichtung E ist mechanisch und elektrisch über das Halteelement EH am Gehäuse GG des Getriebes G befestigt, und zwar über mehrere Befestigungslaschen EB des Halteelements EH. Der Dichtring DX umschließt einen Teil der Wellenerdungseinrichtung E, um den in 7 nicht sichtbaren Schleifkontakt K1 vor Umwelteinflüssen zu schützen.
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Bezugszeichenliste
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- VM
- Verbrennungsmotor
- EX
- Elektrische Achsantriebs-Einheit
- G
- Getriebe
- GW1
- Eingangswelle
- GW2
- Abtriebswelle
- RS
- Radsatz
- RS2
- Reduktionsradsatz
- EM
- Elektrische Maschine
- INV
- Umrichter
- BAT
- Batterie
- AG
- Differentialgetriebe
- DS1
- Ausgangswelle
- DS2
- Ausgangswelle
- DW
- Antriebsrad
- GA
- Gehäuse
- EM2
- Elektrische Maschine
- S
- Stator
- R
- Rotor
- RW
- Rotorwelle
- WL1
- Lager
- WL2
- Lager
- DR2
- Dichtring
- GE
- Gehäuse
- W
- Welle
- H
- Hülse
- HX
- Montageabschnitt
- GH
- Gehäuse
- WL
- Lager
- DR
- Radialwellendichtring
- NR
- Ölraum
- E
- Wellenerdungseinrichtung
- EK
- Kontaktelement
- K1
- Erster Schleifkontakt
- EH
- Halteelement
- EB
- Befestigungslasche
- DA
- Dichtung
- U
- Umgebung
- DX
- Dichtring
- K2
- Zweiter Schleifkontakt
- DX1
- Strukturelement
- DX2
- Elastomer
- L1, L2
- Lippe
- F
- Fettfüllung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 1755207 A2 [0002]
- DE 102016207672 A1 [0003]
- DE 102019217072 [0004]
