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Die Erfindung betrifft eine Wellenerdungseinrichtung zur Herstellung einer elektrisch leitfähigen Verbindung zwischen einer drehbaren Welle und einem Gehäuse. Die Erfindung betrifft ferner ein Getriebe für ein Kraftfahrzeug mit einer solchen Wellenerdungseinrichtung, sowie eine elektrische Achsantriebs-Einheit für ein Kraftfahrzeug mit einer solchen Wellenerdungseinrichtung, sowie eine elektrische Maschine mit einer solchen Wellenerdungseinrichtung.
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Die
DE 10 2016 010 926 A1 beschreibt einen Wellenerdungsring zur Ableitung induzierter Spannungen von einer Welle in ein Maschinenelement. Der Wellenerdungsring weist ein Gehäuse und mehrere am Gehäuse angeordnete Ableitelemente auf. Ein elastisch gebogener Randbereich jedes der Ableitelemente liegt an der Welle an, sodass ein elektrisch leitfähiger Schleifkontakt zur Welle gebildet wird.
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Die
DE 10 2017 009 360 A1 beschreibt einen Wellenerdungsring, bei dem Ableitelemente mit zwei unterschiedlichen Längen verwendet werden. Dies führt zur Aufteilung des Schleifkontakts auf zwei Laufspuren, welche mit unterschiedlich hoher Anpresskraft auf der Welle aufliegen.
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Während des Betriebs des Wellenerdungsrings kommt es zu einem Verschleiß der Kontaktelemente, sodass die Kontaktelemente mit fortschreitender Betriebsdauer kürzer werden. Dadurch sinkt die Vorspannung des Schleifkontakts. Um über die Lebensdauer einen zuverlässigen elektrischen Kontakt zu gewährleisten, muss die initiale Vorspannung der Kontaktelemente entsprechend hoch gewählt werden.
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Werden die Kontaktelemente nun mit erhöhter Biegesteifigkeit ausgeführt, so verkleinert sich die Kontaktfläche im Neuzustand der Wellenerdungseinrichtung. Denn je steifer die Kontaktelemente sind, desto schlechter können sich die Kontaktelemente an die Welle anschmiegen. In der ersten Betriebsphase des Wellenerdungsrings tritt nun ein erhöhter Verschleiß auf, da die hohe Vorspannung auf eine relativ kleine Kontaktfläche wirkt. Dies ist unerwünscht, da der hohe Initialverschleiß die Lebensdauer der Kontaktelemente reduziert. Zudem nimmt die Vorspannung der Kontaktelemente in der ersten Betriebsphase stark ab. Die dadurch hervorgerufene Nicht-Linearität der Kontaktelement-Vorspannung kann die dauerhafte Zuverlässigkeit der elektrischen Kontaktierung beeinträchtigen.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Wellenerdungseinrichtung zur Herstellung einer elektrisch leitfähigen Verbindung zwischen einer drehbaren Welle und einem Gehäuse anzugeben. Die Wellenerdungseinrichtung soll ein über die Lebensdauer gleichmäßiges Verschleißbild bei zuverlässiger Gewährleistung der elektrischen Leitfähigkeit aufweisen.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale des Patentanspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Vorteile gehen aus den Unteransprüchen hervor.
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Demnach wird eine Wellenerdungseinrichtung zur Herstellung einer elektrisch leitfähigen Verbindung zwischen einer drehbaren Welle und einem Gehäuse vorgeschlagen, welche zur mechanisch und elektrisch leitfähigen Verbindung mit dem Gehäuse ausgestaltet ist und mehrere biegeelastische und elektrisch leitfähige Kontaktelemente aufweist, um einen elektrisch leitenden Schleifkontakt zu einer Umfangsfläche der Welle oder zu einer auf die Welle aufgebrachten Hülse zu bilden, wobei die Kontaktelemente derart angeordnet und ausgestaltet sind, dass sie aufgrund ihrer eigenen Biege-Elastizität eine Vorspannung des Schleifkontakts bewirken und wobei jedes der Kontaktelemente einen Gelenkabschnitt und einen Schleifkontaktabschnitt mit einem Verschleißbereich aufweist.
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Gemäß der Erfindung ist zumindest ein Kontaktelement derart ausgeführt, dass die Kontaktfläche zur Welle oder zur Hülse mit zunehmendem Verschleiß kleiner wird. Dadurch wirkt die mit zunehmendem Verschleiß kleiner werdende Vorspannkraft auf eine kleiner werdende Kontaktfläche, sodass der Effekt der kleiner werdenden Vorspannkraft auf die Flächenpressung des Schleifkontakts zumindest teilweise kompensiert wird.
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Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, dass der Schleifkontaktabschnitt des zumindest einen Kontaktelementes zumindest eine Durchgangsöffnung aufweist, welche zumindest teilweise im Verschleißbereich angeordnet und derart ausgeführt ist, dass mit zunehmendem Verschleiß die Kontaktfläche zur Welle oder zur Hülse kleiner wird. Über den Verschleiß wird die entstehende Freifläche freigelegt und die Flächenpressung zur Welle bei sinkender Radialkraft gleichmäßig belassen.
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Gemäß der Erfindung kann beispielsweise die zumindest eine Durchgangsöffnung entlang einer auf der Oberfläche des Schleifkontaktabschnittes verlaufenden Geraden, deren Projektion im montierten Zustand auf die Welle parallel zur Längsachse der Welle verläuft, in Richtung auf den Gelenkabschnitt betrachtet für eine vorgegebene Länge, vorzugsweise für die verbleibende Länge des Verschleißbereiches konvex ausgeführt sein bzw. eine steigende Breite aufweisen.
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Die zumindest eine Durchgangsöffnung kann beispielweise kreisförmig, ellipsenförmig, dreieckförmig oder rautenförmig ausgeführt sein, wobei das der Kontaktfläche zugewandte Ende der Durchgangsöffnung im unverschlissenen Zustand unmittelbar an der Kontaktfläche angrenzen kann oder um ein vorgegebenes Maß von der Kontaktfläche beabstandet ist.
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Durch die erfindungsgemäße Konzeption wirkt sich eine verschleißbedingte Reduktion der Kontaktelement-Vorspannung nicht mehr linear auf die Flächenpressung des Kontaktelements auf. Die mit dem Verschleiß variierende Flächenpressung kann bedarfsabhängig angepasst werden, und zwar durch eine einfache Bearbeitung der Kontaktelemente, vorzugsweise durch Stanzen.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung kann optional zumindest eines der erfindungsgemäß ausgeführten Kontaktelemente derart ausgeführt sein, dass der Verschleißbereich zumindest einen Bereich nicht-konstanter Breite aufweist, wobei die Kontaktfläche in diesem Bereich mit zunehmendem Verschleiß kleiner wird. Der Bereich nicht konstanter Breite kann im unverschlissenen Zustand unmittelbar an der Kontaktfläche angrenzen oder in einem vorgegeben Abstand von der Kontaktfläche beginnen.
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Durch diese Konzeption wird die wirksame Breite des Kontaktelementes mit zunehmendem Verschleiß kleiner, sodass die durch den Verschleiß bedingte verringerte Vorspannkraft auf eine kleinere Fläche wirkt, wodurch der Effekt der kleiner werdenden Vorspannkraft auf die Flächenpressung des Schleifkontakts zumindest weiter kompensiert wird. Im Rahmen einer Weiterbildung kann vorgesehen sein, dass in Richtung auf den Gelenkabschnitt betrachtet sich dem Bereich nicht konstanter Breite, die mit zunehmendem Verschleiß kleiner wird, ein Bereich nicht konstanter Breite, welche mit zunehmendem Verschleiß größer wird, anschließt.
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Die erfindungsgemäße Wellenerdungseinrichtung kann mehrere Kontaktelemente mit konstanter Breite des Verschleißbereichs als auch mehrere Kontaktelemente umfassend zumindest eine Durchgangsöffnung aufweisen, wobei sämtliche, einige oder keine der Kontaktelemente umfassend zumindest eine Durchgangsöffnung im Verschleißbereich zumindest einen Bereich nicht-konstanter Breite aufweisen, wobei die Kontaktfläche in diesem Bereich mit zunehmendem Verschleiß kleiner wird.
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Vorzugsweise ist die Anzahl der Kontaktelemente mit konstanter Breite des Verschleißbereichs und die Anzahl der Kontaktelemente umfassend zumindest eine Durchgangsöffnung im Verschleißbereich entweder gleich oder sie unterscheidet sich höchstens um den Betrag fünf. Dadurch wird ein besonders gleichmäßiges Verschleißbild erreicht.
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Hierbei sind die Kontaktelemente mit konstanter Breite des Verschleißbereichs und die Kontaktelemente umfassend zumindest eine Durchgangsöffnung im Verschleißbereich vorzugsweise gleichmäßig entlang dem Umfang des Schleifkontakts verteilt, was ebenfalls zu einem besonders gleichmäßigen Verschleißbild führt.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung sind sämtliche Kontaktelemente derart ausgeführt, dass sie zumindest eine Durchgangsöffnung aufweisen.
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Die vorgeschlagene Wellenerdungseinrichtung kann beispielsweise Bestandteil eines Getriebes für ein Kraftfahrzeug sein, beispielsweise eines Automatgetriebes oder eines automatisierten Getriebes, zur Erdung einer Welle des Getriebes gegenüber einem Gehäuse des Getriebes, beispielsweise zur Erdung einer Getriebeabtriebswelle. Ferner kann die erfindungsgemäße Anordnung zur Erdung einer Welle einer elektrischen Achsantriebs-Einheit für ein Kraftahrzeug oder einer Rotorwelle einer elektrischen Maschine, beispielsweise einer elektrischen Maschine eines Antriebsstrangs eines Kraftahrzeugs verwendet werden.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand der beigefügten Figuren beispielhaft näher erläutert, wobei lediglich die Merkmale detailliert beschrieben werden, die für die vorliegende Erfindung von Bedeutung sind und für gleiche Bauteile dieselben Bezugszeichen verwendet werden. Es zeigen:
- 1 und 2 2 je einen Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs;
- 3 eine elektrische Maschine;
- 4: Eine Detailansicht einer Ausgestaltung eines nach dem Stand der Technik ausgeführten Kontaktelementes einer Wellenerdungseinrichtung, dessen Verschleißbereich eine konstante Breite aufweist;
- 5: Eine Detailansicht einer ersten erfindungsgemäßen Ausgestaltung eines Kontaktelementes einer Wellenerdungseinrichtung;
- 6: Eine Detailansicht einer zweiten erfindungsgemäßen Ausgestaltung eines Kontaktelementes einer Wellenerdungseinrichtung; und
- 7: Eine Detailansicht einer dritten erfindungsgemäßen Ausgestaltung eines Kontaktelementes einer Wellenerdungseinrichtung.
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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. 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. 1 und 2 zeigen ebenfalls eine beispielhafte Anordnung einer derartigen Wellenerdungseinrichtung E.
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In 4 ist ein nach dem Stand der Technik ausgeführtes biegeelastisches und elektrisch leitfähiges Kontaktelement 1 einer Wellenerdungseinrichtung umfassend mehrere Kontaktelemente dargestellt. Es ist derart angeordnet, dass aufgrund der eigenen Biegeelastizität eine Vorspannung des Schleifkontakts bewirkt wird und weist einen Gelenkabschnitt 2 und einen Schleifkontaktabschnitt 3 mit einem Verschleißbereich 4 auf.
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Das Kontaktelement ist bei dem gezeigten Beispiel zwischen einem Halteelement 5 und einem Klemmelement 6 befestigt. Beim Aufschieben der Wellenerdungseinrichtung auf die Welle werden die Kontaktelemente 1 der Wellenerdungseinrichtung gebogen, sodass die Enden der Kontaktelemente 1 aufgrund ihrer Biegeelastizität zur Umfangsfläche der Welle oder einer auf die Welle aufgebrachten Hülse hin vorgespannt werden. Die Kontaktelemente 1 können beispielsweise durch Bürsten oder durch PTFE-Elemente mit elektrisch leifähigen Füllstoffen oder durch ein elektrisch leitfähiges Vlies gebildet sein. Wie aus 4 ersichtlich, weist der Verschleißbereich 4 des Kontaktelementes 1 eine konstante Breite auf.
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Gemäß der Erfindung und bezugnehmend auf 5 und 6 ist zumindest ein Kontaktelement 7 der Wellenerdungseinrichtung E derart ausgeführt, dass die Kontaktfläche zur Welle oder zur Hülse mit zunehmendem Verschleiß kleiner wird. Dadurch wirkt die mit zunehmendem Verschleiß kleiner werdende Vorspannkraft auf eine kleiner werdende Kontaktfläche, sodass der Effekt der kleiner werdenden Vorspannkraft auf die Flächenpressung des Schleifkontakts zumindest teilweise kompensiert wird.
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Erfindungsgemäß wird die Kontaktfläche zur Welle oder zur Hülse mit zunehmendem Verschleiß dadurch kleiner, dass der Schleifkontaktabschnitt 3 des zumindest einen Kontaktelementes 7 zumindest eine Durchgangsöffnung 8 aufweist, welche zumindest teilweise im Verschleißbereich 4 angeordnet und derart ausgeführt ist, dass mit zunehmendem Verschleiß die Kontaktfläche zur Welle oder zur Hülse kleiner wird.
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Über den Verschleiß wird die entstehende Freifläche freigelegt und die Flächenpressung bei sinkender Radialkraft gleichmäßig belassen.
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Bei dem Ausführungsbeispiel nach 5 ist die zumindest eine Durchgangsöffnung 8 kreisförmig ausgebildet, wohingegen bei dem Ausführungsbeispiel nach 6 die Durchgangsöffnung 8 rautenförmig ausgeführt ist. Gemäß weiterer Ausgestaltungen kann die zumindest eine Durchgangsöffnung 8 beispielsweise ellipsenförmig oder dreieckförmig ausgeführt sein oder rautenförmig ausgeführt sein, wobei das der Kontaktfläche zugewandte Ende der zumindest einen Durchgangsöffnung 8 im unverschlissenen Zustand unmittelbar an der Kontaktfläche angrenzen kann oder um ein vorgegebenes Maß von der Kontaktfläche beabstandet ist, wie dies bei den gezeigten Ausgestaltungen der Fall ist.
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Gegenstand der 7 ist ein Kontaktelement 9 umfassend eine Durchgangsöffnung gemäß 6, dessen Verschleißbereich 4 zumindest einen Bereich 10 nicht-konstanter Breite aufweist, wobei die Kontaktfläche in diesem Bereich mit zunehmendem Verschleiß kleiner wird. Der Bereich 10 nicht konstanter Breite kann im unverschlissenen Zustand unmittelbar an der Kontaktfläche angrenzen oder in einem vorgegeben Abstand von der Kontaktfläche beginnen, wie anhand 7 veranschaulicht.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Kontaktelement
- 2
- Gelenkabschnitt
- 3
- Schleifkontaktabschnitt
- 4
- Verschleißbereich
- 5
- Halteelement
- 6
- Klemmelement
- 7
- Kontaktelement
- 8
- Durchgangsöffnung
- 9
- Kontaktelement
- 10
- Bereich nicht-konstanter Breite
- 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
- E
- Wellenerdungseinrichtung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102016010926 A1 [0002]
- DE 102017009360 A1 [0003]
