DE102022111286B3

DE102022111286B3 - Wälzlageranordnung, elektrische Maschine und Getriebeanordnung

Info

Publication number: DE102022111286B3
Application number: DE102022111286.1A
Authority: DE
Inventors: Norbert Metten; Stefan Singer; Lukas Kuhn
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2022-05-06
Filing date: 2022-05-06
Publication date: 2023-06-01
Anticipated expiration: 2042-05-07

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Wälzlageranordnung (1), insbesondere für eine elektrische Maschine (20) und/oder eine Getriebeanordnung (30) innerhalb eines Antriebsstrangs (40) eines Kraftfahrzeugs (50), umfassend ein zwischen einer Anbindungsstruktur (2) und einer Welle (3) angeordnetes Wälzlager (4) zur drehbaren Lagerung der Welle (3) gegenüber der Anbindungsstruktur (2), wobei das Wälzlager (4) einen Innenring (5) und einen Außenring (6) sowie zwischen dem Innenring (5) und dem Außenring (6) wälzend angeordnete Wälzkörper (7) aufweist, wobei das Wälzlager (4) eine in radialer Richtung durch ein Federelement (15) federkraftbeaufschlagte sowie stromisolierende Radialspielausgleichsvorrichtung (8) aufweist, mittels derer das Wälzlager (4) in radialer Richtung spielfrei zwischen der Anbindungsstruktur (2) und der Welle (3) fixiert ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Wälzlageranordnung, insbesondere für eine elektrische Maschine und/oder eine Getriebeanordnung innerhalb eines Antriebsstrangs eines Kraftfahrzeugs, umfassend ein zwischen einer Anbindungsstruktur und einer Welle angeordnetes Wälzlager zur drehbaren Lagerung der Welle gegenüber der Anbindungsstruktur, wobei das Wälzlager einen Innenring und einen Außenring sowie zwischen dem Innenring und dem Außenring wälzend angeordnete Wälzkörper aufweist. Die Erfindung betrifft ferner eine elektrische Maschine sowie eine Getriebeanordnung.
Bei Kraftfahrzeugen werden für den Antrieb verstärkt Elektromotoren eingesetzt, um Alternativen zu Verbrennungsmotoren zu schaffen, die fossile Brennstoffe benötigen. Um die Alltagstauglichkeit der Elektroantriebe zu verbessern und zudem den Benutzern den gewohnten Fahrkomfort bieten zu können, sind bereits erhebliche Anstrengungen unternommen worden.
Beim Einsatz von Wälzlagern z.B. in bzw. an elektrischen Maschinen innerhalb eines vollelektrischen Antriebsstrangs oder innerhalb eines hybridisierten Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs, kann es zu einem Stromdurchgang kommen. Die Schaltimpulse von Umrichtern führen beispielsweise zum Aufbau einer Spannung zwischen den Lagerringen von Wälzlagern. Diese Spannung wird durch Durchschläge immer wieder abgebaut. Unter ungünstigen Bedingungen kommt es infolgedessen zu Stromdurchgangsschäden an Laufbahnen und Wälzkörpern. Somit besteht die Gefahr eines vorzeitigen und unerwarteten Ausfalls des Lagers und damit der gesamten elektrischen Maschine. Neben dem erhöhten Wartungsaufwand entstehen durch den Stillstand der Maschine zusätzliche Kosten.
Aus dem Stand der Technik sind stromisolierte Wälzlager bekannt, die schädliche Lagerströme unterbinden sollen. So werden beispielsweise Wälzlager mit einer Keramikisolierung am Außen- oder Innenring eingesetzt. Strom isolierte Wälzlager sind jedoch vergleichsweise teuer und werden daher nicht allzu häufig eingesetzt.
Insbesondere bei hybriden oder vollelektrischen Antriebskonzepten spielen ferner auch die Geräuschentwicklung durch den Antrieb eine zunehmend wichtigere Rolle. Systembedingt kann es im Betrieb einer derartigen elektrischen Maschine für einen hybriden oder vollelektrischen Antriebsstrang beispielsweise zu einer hohen elektromagnetischen Anregung kommen, welche auch zu akustischen Schwingungen in den Strukturbauteilen der elektrischen Maschine oder des Antriebsstrangs führen können. Dies kann dann auch im Fahrzeuginnenraum akustisch wahrnehmbar sein, was regelmäßig als störend empfunden wird. Dies ist umso bedeutender, da im elektrischen Betrieb eines entsprechenden Fahrzeugs, derartige Störgeräusche besonders auffallen und das ansonsten akustisch besonders ruhige Fahrerlebnis nachteilig beeinflussen.
Um auch die Wälzlagerungen innerhalb eines derartigen Antriebsstrangs möglichst geräuscharm auszuführen, ist es beispielsweise bekannt, Loslager auf der Rotorwelle aufzupressen, so dass diese einen Festsitz am Innenring des Wälzlagers aufweist. Der Lageraußenring ist hierbei in der Regel zum Ausgleich von wärmeinduzierten Längenausdehnungen der Rotorwelle im Betrieb verschiebbar ausgeführt. Zur Herstellung vorteilhafter Laufverhältnisse zwischen Kugelsatz und Lagerlaufbahnen des Loslagers sowie zur akustischen Verbesserung, wird der Lageraußenring regelmäßig mit einer Wellfeder vorgespannt. Durch das vorgespannte Lager können ungewollte akustische Auffälligkeiten des entsprechenden Wälzlagers durch Ausbildung einer Spielfreiheit der sich gegeneinander bewegenden Lagerkomponenten vermieden werden.
Neben einem axialen Spielausgleich bzw. einer axialen Spielfreiheit, können sich auch radiale Passungen beim Betrieb von Elektromotoren verändern, beispielsweise durch die vergleichsweise großen Temperaturunterschiede im Bereich der Rotorwellenlagerung. Dies kann im Extremfall zu einem radialen Spiel führen, was zum einem zu einer deutlichen Geräuschentwicklung und zum anderen zu einem Taumeln des Rotors gegenüber dem Stator führen kann, was regelmäßig unerwünscht ist.
DE 10 2012 209 459 A1 offenbart ein Lager mit einem Lageraußenring und einer radial außerhalb des Lageraußenringes zur akustischen Entkopplung angeordneten, den Lageraußenring zumindest abschnittsweise umgreifenden Schale, die mit sich im Wesentlichen radial erstreckenden Seitenwangen an zwei sich zu- oder abgewandten Axialflächen des Lageraußenrings in Anlage befindlich ist, wobei zumindest eine der Seitenwangen formschlüssig am Lageraußenring festgelegt ist.
DE 10 2015 222 644 A1 offenbart ein Wälzlager mit einem Lagerinnenring, mit einem, diesen umgebenden, radial außerhalb des Lagerinnenrings angeordneten Lageraußenring, mit mehreren zwischen dem Lagerinnenring und dem Lageraußenring angeordneten Wälzkörpern und zumindest einer im Lageraußenring angebrachten Nut, enthaltend eine Nutwand und einen an dessen radial innerem Ende befindlichen Nutgrund, wobei ein zum Schall- und Schwingungsdämpfen vorgesehenes Isolationselement auf dem Lageraußenring vorhanden ist, wobei das Isolationselement einen Hülsenbereich sowie zumindest einen sich von diesem Hülsenbereich aus radial nach innen erstreckenden Abstützschenkel aufweist, wobei der Abstützschenkel in die Nut eingreift.
DE 10 2007 001 918 A1 offenbart eine Wälzlagereinrichtung, umfassend ein unter radialer Vorspannung betriebenes Wälzlager mit einem Außenring, wobei eine Einrichtung zum Ausgleich thermisch bedingter Änderungen der radialen Vorspannung, umfassend einen auf dem Außenring des Wälzlagers axial verschiebbaren, über ein Spannelement axial vorgespannten, aufweitbaren Keilring, der mit seiner Keilfläche auf einer weiteren ringförmigen Keilfläche läuft, vorgesehen ist.
US 5 826 987 A offenbart ein Schrägkugellager ist in einem Gehäuse montiert und eine Welle ist in dem Lager so positioniert, dass ein ringförmiger Raum zwischen dem Lager und der Welle vorhanden ist. Ein Montagering aus elastomerem Polymer ist über der Welle und gegen den Innenring des Lagers positioniert, so dass ein Teil des Montagerings zwischen dem Innenring des Lagers und der Welle liegt, wodurch die Welle im Lager zentriert und das radiale Spiel verringert wird. Der Montagering wird axial gegen das Lager gedrückt, so dass sich der Montagering verformt und elastisch radial nach außen spreizt und eine Vorspannung auf die Lagerkugeln ausübt.
JP 2013 - 174 303 A ist auf die Erzielung einer Struktur, gerichtet bei der ein Außenring mit Isolierschichten auf der äußeren Umfangsfläche und auf beiden Endflächen in axialer Richtung von beiden Seiten in axialer Richtung geklemmt wird, und die eine ausreichend große Kriechverhinderungswirkung selbst in dem Fall erzielen kann, dass die Größe einer Anzugskraft begrenzt ist. Hierzu werden einem Teil der Isolierschichten, die auf beiden Endflächen in axialer Richtung eines Außenrings vorhanden sind, vertiefte Nuten, gebildet, die sich in Umfangsrichtung erstrecken. Indem der Bereich, in dem die beiden Endflächen mit einer abgestuften Fläche und einer Druckfläche in Kontakt kommen, die den Außenring von beiden Seiten in axialer Richtung einklemmt, um einen Betrag reduziert wird, der den Öffnungsbereichen der beiden vertieften Nuten, entspricht, wird der Flächendruck an dem Kontaktbereich erhöht. Dadurch wird, ohne dass die Anziehungskraft besonders erhöht werden muss, der Kontaktbereich zwischen den Oberflächen in einen mechanisch ineinander greifenden Zustand versetzt, in dem sich winzige vorstehende Teile in die andere Oberfläche verbeißen, wodurch ein kriechverhindernder Effekt verstärkt wird.
DE 29 26 541 A1 offenbart eine Vorrichtung zur Kompensation des radialen Spiels eines Wälzlagers in einer Lagerbohrung mit Hilfe einer dem Wälzlager stirnseitig vorgelagerten Scheibe mit an ihrem Umfang axial angeformtem, in den radialen Spielraum ragenden und diesen im Sinne eines bestimmten radialen Druckes angepaßten Vorsprung, d a durch gekennzeichnet, daß bei einem axial vorgespannten Wälzlager eine Scheibe mit einem axial angeformten Rand in Form eines zur äußeren Umfangsfläche des Wälzlagers gerichteten Keils vorgesehen und der Keil durch die axiale Vorspannkraft in den Spielraum zwischen Wälzlager und Lagerbohrung im Sinne eines Ausgleichs des jeweiligen radialen Spiels gedrückt ist.
DE 10 2014 224 153 A1 betrifft ein Wälzlager umfassend einen radial innen liegenden Lagerinnenring und einen radial außen liegenden Lageraußenring, wobei zwischen den Lagerringen, Wälzkörper angeordnet sind, wobei der Lagerinnenring und/oder der Lageraußenring mit einer elektrischen Isolation versehen ist. Um eine kostengünstige und effiziente elektrische Isolation bei kleineren Lagergrößen zu ermöglichen, sieht die Erfindung vor, dass die elektrische Isolation durch eine Umhüllung aus einem Kunststoffmaterial gebildet wird, die den Lagerring, an seiner radialen Oberfläche sowie zumindest teilweise an seinen beiden Stirnseiten, umgibt.
US 2012 / 0 237 152 A1 offenbart eine Lagerbaugruppe für ein rotierendes Element hat einen Laufring, der relativ zum Boden fixiert werden kann und selektiv frei für eine bogenförmige Bewegung relativ zum Boden ist. Für den relativ festen/beweglichen Laufring kann eine selektive Sperrvorrichtung vorgesehen werden.
Bei der DE 29 39 560 A1 ist ein Kugellaufring mit festem Käfig ein Presssitz auf der Motorwelle angeordnet und befindet sich in einem Lagergehäuse in der Maschinenendplatte. Der Lagerdeckel zur Aufnahme des Kugellaufrings hat eine axiale Verlängerung mit einem keilförmigen Querschnitt. Zwischen dem Flansch des Lagerdeckels und der axialen Verlängerung, typischerweise ein Faltenbalgabschnitt, besteht eine gewisse Flexibilität, um axialen Druck auf den Außenring auszuüben, wenn der Deckel mit der Endplatte verschraubt wird. Die abgewinkelte Fläche des Verlängerungsstücks ist radial nach innen gerichtet und liegt an der Außenfläche an, um das Lager gegen den Boden des Lagergehäuses zu drücken und auch einen eventuellen Spalt (b) zwischen dem Außenring und der Bohrung des Lagergehäuses auszugleichen. Durch die Klemmung der Lager entfällt die Notwendigkeit einer engen Maßtoleranz der feststehenden Teile. Insbesondere der Lagerdeckel kann so als Kunststoffformteil hergestellt werden.
Es ist im Lichte des vorbekannten Standes der Technik somit die Aufgabe der Erfindung, eine Wälzlageranordnung bereitzustellen, die die aus dem Stand der Technik bekannten Probleme reduziert oder vollständig löst. Es ist ferner die Aufgabe der Erfindung eine verbesserte elektrische Maschine sowie eine verbesserte Getriebeanordnung zu realisieren.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Wälzlageranordnung, insbesondere für eine elektrische Maschine und/oder eine Getriebeanordnung innerhalb eines Antriebsstrangs eines Kraftfahrzeugs, umfassend ein zwischen einer Anbindungsstruktur und einer Welle angeordnetes Wälzlager zur drehbaren Lagerung der Welle gegenüber der Anbindungsstruktur, wobei das Wälzlager einen Innenring und einen Außenring sowie zwischen dem Innenring und dem Außenring wälzend angeordnete Wälzkörper aufweist, wobei das Wälzlager eine in radialer Richtung durch ein Federelement federkraftbeaufschlagte sowie stromisolierende Radialspielausgleichsvorrichtung aufweist, mittels derer das Wälzlager in radialer Richtung spielfrei zwischen der Anbindungsstruktur und der Welle fixiert ist.
Hierdurch wird der Vorteil erzielt, aufgrund der unterschiedlich hohen Temperaturen und Materialausdehnungskoeffizienten von Wälzlager und Anbindungsstruktur bzw. Welle entstehende Radialspiel vollständig ausgeglichen werden kann. Dadurch wird u.a. ein versatzfreier Lauf der Welle sichergestellt, sowie auch ein geräuscharmer wie verschleißarmer Betrieb des Wälzlagers.
Stromisolierend bedeutet im Sinne der Erfindung, dass der Stromfluss zwischen der Anbindungsstruktur und/oder Welle zum Wälzlager hin zumindest reduziert wird, bevorzugt im Wesentlichen vollständig unterbunden ist.
Ein wesentlicher Aspekt der erfindungsgemäßen Wälzlageranordnung ist es, dass wenigstens ein Federelement in Wirkverbindung mit einer Radialspielausgleichsvorrichtung das Radialspiel der Wälzlageranordnung ausgleichen und gleichzeitig die stromisolierende Wirkung des Wälzlagers sicherstellen.
Zunächst werden die einzelnen Elemente des beanspruchten Erfindungsgegenstandes in der Reihenfolge ihrer Nennung im Anspruchssatz erläutert und nachfolgend besonders bevorzugte Ausgestaltungen des Erfindungsgegenstandes beschrieben.
Wälzlager können insbesondere dazu verwendet werden, Drehbewegungen mit möglichst geringen Reibungsverlusten zu ermöglichen. Wälzlager können insbesondere zur Fixierung und/oder Lagerung von Achsen und Wellen eingesetzt werden, wobei sie, je nach Bauform, radiale und/oder axiale Kräfte aufnehmen und gleichzeitig die Rotation der Welle oder der so auf einer Achse gelagerten Bauteile ermöglichen.
Hierzu sind zwischen einem Innenring und einem Außenring des Wälzlagers abrollende Wälzkörper angeordnet. Zwischen diesen drei Hauptkomponenten Innenring, Außenring und den Wälzkörpern tritt innerhalb des Wälzlagers in der Regel hauptsächlich Rollreibung auf. Da die Wälzkörper im Innen- und Außenring bevorzugt auf gehärteten Stahlflächen mit optimierter Schmierung abrollen können, ist die Rollreibung derartiger Lager relativ gering.
Der Innenring kann insbesondere die Wälzlager aufnehmende Welle mit dem Wälzlager bzw. den Wälzkörpern verbinden. Dabei kann insbesondere die Welle mit der der Welle zugewandten Seite der Mantelfläche des Innenrings verbunden sein, wobei auf der dieser Mantelfläche gegenüberliegenden Innenringlaufbahn die Wälzkörper des Wälzlagers wälzen. Der Innenring kann aus einem metallischen und/oder keramischen Werkstoff gebildet sein. Es ist grundsätzlich denkbar, den Innenring einteilig oder mehrteilig, insbesondere zweiteilig auszubilden.
Der Innenring kann einen Innenringeinstich aufweisen. In einem Innenringeinstich kann insbesondere eine Abdeckscheibe, Dichtscheibe und/oder Dichtung insbesondere kraft- und/oder formschlüssig angeordnet sein. Bevorzugt ist der Innenringeinstich als eine umlaufende Nut in dem Innenring ausgebildet. Der Außenring kann insbesondere die Wälzlager aufnehmende Lagerung mit dem Wälzlager bzw. den Wälzkörpern verbinden. Dabei kann insbesondere die Lagerung mit der der Lagerung zugewandten Seite der Mantelfläche des Außenrings verbunden sein, wobei der dieser Mantelfläche gegenüberliegenden Außenringlaufbahn die Wälzkörper des Wälzlagers wälzen. Der Außenring kann aus einem metallischen und/oder keramischen Werkstoff gebildet sein. Es ist grundsätzlich denkbar, den Außenring einteilig oder mehrteilig, insbesondere zweiteilig auszubilden.
Der Außenring kann einen Außenringeinstich aufweisen. In einem Außenringeinstich kann insbesondere eine Abdeckscheibe, Dichtscheibe und/oder Dichtung insbesondere kraft- und/oder formschlüssig angeordnet sein. Bevorzugt ist der Außenringeinstich als eine umlaufende Nut in dem Außenring ausgebildet.
Die Wälzkörper haben abhängig von der Wälzlagerbauart die Form einer Kugel oder einer Rolle. Sie wälzen sich auf den Laufbahnen des Wälzlagers ab und haben die Aufgabe, die auf ein Radialwälzlager wirkende Kraft vom Außenring auf den Innenring und umgekehrt zu übertragen. Bei einem Axialwälzlager übertragen die Wälzkörper die auf das Axialwälzlager wirkenden Kräfte zwischen den Laufscheiben. Rollenförmige Wälzkörper werden auch als Rollenwälzkörper und kugelförmige Wälzkörper als Lagerkugel bezeichnet.
Rollenförmige Wälzkörper können beispielsweise ausgewählt sein aus der Gruppe der symmetrischen Pendelrollen, der asymmetrischen Pendelrollen, der Zylinderrollen, der Nadelrollen und/oder der Kegelrollen.
Wälzkörper können in einem Käfig oder durch Wälzkörperdistanzstücke geführt und voneinander beabstandet sein. Es ist grundsätzlich auch denkbar, ein käfigloses Wälzlager auszubilden, welches auch als vollrolliges Wälzlager bezeichnet wird. Bei vollrolligen Wälzlagern können sich benachbarte Wälzkörper kontaktieren.
Die Wälzkörper können innerhalb des Wälzlagers insbesondere auf der Innenringlaufbahn des Innenrings abwälzen. Hierzu kann vorteilhafter Weise die Oberfläche der Innenringlaufbahn entsprechend abriebfest ausgebildet sein, beispielsweise auch durch ein entsprechendes Oberflächenbehandlungsverfahren und/oder durch Aufbringen einer entsprechenden zusätzlichen Materialschicht. Die Innenringlaufbahn kann eben oder profiliert ausgebildet sein. Eine profilierte Ausgestaltung der Innenringlaufbahn kann beispielsweise zur Führung der Wälzkörper auf der Innenringlaufbahn dienen. Eine ebene Ausformung der Innenringlaufbahn kann hingegen beispielsweise eine gewisse axiale Verschiebbarkeit der Wälzkörper auf der Innenringlaufbahn erlauben.
Die Wälzkörper können innerhalb des Wälzlagers insbesondere auf der Außenringlaufbahn des Außenrings abwälzen. Hierzu kann vorteilhafter Weise die Oberfläche der Außenringlaufbahn entsprechend abriebfest ausgebildet sein, beispielsweise auch durch ein entsprechendes Oberflächenbehandlungsverfahren und/oder durch Aufbringen einer entsprechenden zusätzlichen Materialschicht.
Die Außenringlaufbahn kann eben oder profiliert ausgebildet sein. Eine profilierte Ausgestaltung der Außenringlaufbahn kann beispielsweise zur Führung der Wälzkörper auf der Außenringlaufbahn dienen. Eine ebene Ausformung der Außenringlaufbahn kann hingegen beispielsweise eine gewisse axiale Verschiebbarkeit der Wälzkörper auf der Außenringlaufbahn erlauben.
Ein Wälzlager kann einen Käfig aufweisen, wobei der Käfig die Wälzkörper führt. Der Käfig so ausgebildet, dass die Wälzkörperkugeln und/oder die Wälzkörperrollen voneinander beabstandet werden, damit beispielsweise die Reibung und Wärmeentwicklung der Wälzkörper möglichst geringgehalten wird. Ferner hält der Käfig die Wälzkörperkugeln und/oder Wälzkörperrollen in einem festen Abstand beim Abwälzen zueinander, wodurch eine gleichmäßige Lastverteilung erzielt werden kann. Der Käfig kann einstückig oder mehrstückig ausgeführt sein.
Ein Wälzlager kann eine Dichtung aufweisen, um ein Austreten von Schmiermittel aus dem Wälzlager oder ein Eintreten von Schmutz oder Feuchtigkeit in das Wälzlager zu verhindern. Hierzu können die eingesetzten Dichtungen mit einer oder mehreren Dichtlippen versehen sein, die an einem Bauteil des Wälzlagers anliegen können. Diese sind derart ausgelegt, dass sie zum einen möglichst über die gesamte Lebensdauer das Lager abdichten, andererseits die Reibung durch die anliegende Dichtung nicht zu hoch ist.
Die erfindungsgemäße Wälzlageranordnung ist insbesondere zur Verwendung innerhalb eines Antriebsstranges eines elektrischen oder hybriden Kraftfahrzeugs geeignet und vorgesehen. Die erfindungsgemäße Wälzlageranordnung kann höchst bevorzugt zur Lagerung einer Rotorwelle einer elektrischen Maschine und/oder zur Lagerung einer Getriebewelle einer Getriebeanordnung verwendet werden, wobei jeweils eine Verwendung innerhalb eines Kraftfahrzeugs besonders vorteilhaft ist.
Als Kraftfahrzeuge im Sinne dieser Anmeldung gelten Landfahrzeuge, die durch Maschinenkraft bewegt werden, ohne an Bahngleise gebunden zu sein. Ein Kraftfahrzeug kann beispielsweise ausgewählt sein aus der Gruppe der Personenkraftwagen (PKW), Lastkraftwagen (LKW), Kleinkrafträder, Leichtkraftfahrzeuge, Krafträder, Kraftomnibusse (KOM) oder Zugmaschinen. Ein Hybridelektrokraftfahrzeug, auch als Hybrid Electric Vehicle (HEV) bezeichnet, ist ein Elektrofahrzeug, das von mindestens einem Elektromotor sowie einem weiteren Energiewandler angetrieben wird und Energie sowohl aus seinem elektrischen Speicher (Akku) als auch einem zusätzlich mitgeführten Kraftstoff bezieht.
Im Sinne dieser Anmeldung werden unter dem Antriebsstrang eines Kraftfahrzeuges alle Komponenten verstanden, die im Kraftfahrzeug die Leistung für den Antrieb des Kraftfahrzeugs generieren und über die Fahrzeugräder bis auf die Straße übertragen.
Eine elektrische Maschine dient zur Umwandlung elektrischer Energie in mechanische Energie und/oder umgekehrt. Im Zusammenhang mit der Erfindung kann die elektrische Maschine eines Achsantriebsstrangs als Radial- oder Axialflussmaschine ausgebildet sein. Um einen axial besonders kompakt bauende Achsantriebsstrang auszubilden, sind Axialflussmaschinen zu bevorzugen. Eine elektrische Maschine umfasst in der Regel einen als Stator, Ständer oder Anker bezeichneten ortsfesten Teil sowie einen als Rotor oder Läufer bezeichneten und gegenüber dem ortsfesten Teil beweglich angeordneten Teil. Eine elektrische Maschine kann trocken- oder nasslaufend ausgeführt sein. Die elektrische Maschine ist insbesondere für die Verwendung innerhalb eines elektrisch betreibbaren Antriebsstrangs eines Kraftfahrzeugs vorgesehen. Insbesondere ist die elektrische Maschine so dimensioniert, dass Fahrzeuggeschwindigkeiten größer als 50 km/h, vorzugsweise größer als 80 km/h und insbesondere größer als 100 km/h erreicht werden können. Besonders bevorzugt weist der Elektromotor eine Leistung größer als 30 kW, vorzugsweise größer als 50 kW und insbesondere größer als 70 kW auf. Es ist des Weiteren bevorzugt, dass die elektrische Maschine Drehzahlen größer als 5.000 U/min, besonders bevorzugt größer als 10.000 U/min, ganz besonders bevorzugt größer als 12.500 U/min bereitstellt.
Die erfindungsgemäße Wälzlageranordnung kann in ebenfalls höchst bevorzugter Weise zur Lagerung einer Rotorwelle einer elektrischen Maschine und/oder zur Lagerung einer Getriebewelle einer Getriebeanordnung innerhalb eines elektrischen Achsantriebsstrangs verwendet werden. Ein elektrischer Achsantriebsstrang eines Kraftfahrzeugs umfasst eine elektrische Maschine und eine Getriebeanordnung, wobei die elektrische Maschine und die Getriebeanordnung eine bauliche Einheit bilden. Diese bauliche Einheit wird gelegentlich auch als E-Achse bezeichnet.
Die Getriebeanordnung des elektrischen Achsantriebsstrangs ist insbesondere mit der elektrischen Maschine koppelbar, welche zur Erzeugung eines Antriebsdrehmoments für das Kraftfahrzeug ausgebildet ist. Bei dem Antriebsdrehmoment handelt es sich besonders bevorzugt um ein Hauptantriebsdrehmoment, sodass das Kraftfahrzeug ausschließlich durch das Antriebsdrehmoment angetrieben wird. Die Getriebeanordnung kann des Weiteren bevorzugt als ein Planetengetriebe konfiguriert sein oder ein Planetengetriebe umfassen. Das Planetengetriebe kann bevorzugt ein Sonnenrad und mehrere mit dem Sonnenrad in Eingriff stehende und in einem Planetenradträger drehbar gelagerte Planetenräder aufweisen, die sich rotatorisch um das Sonnenrad bewegen, sowie ein koaxial zum Sonnenrad angeordnetes Hohlrad, in welchem die Planetenräder wälzen.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Radialspielausgleichsvorrichtung eine Abstützanordnung aufweist, welche in radialer Richtung zumindest abschnittsweise zwischen dem Wälzlager und der Anbindungsstruktur und/oder der Welle angeordnet ist und an der sich zumindest einseitig axial ein radial versetzbares durch das Federelement federkraftbeaufschlagtes Ausgleichselement abstützt. Der Vorteil dieser Ausgestaltung liegt darin, dass hierbei keine konstruktiven Änderungen in der Anbindungsstruktur und/oder dem Wälzlager durchgeführt werden müssen, was den Einsatz der erfindungsgemäßen Wälzlageranordnung deutlich vereinfachen kann.
Weiterhin ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Abstützanordnung einen axial ortsfesten ersten Stützring und einen axial zu diesem versetzten axial ortsfesten zweiten Stützring besitzt, wobei sich das radial versetzbare durch das Federelement federkraftbeaufschlagte Ausgleichselement axial zwischen dem ersten Stützring und dem zweiten Stützring positioniert ist und sich an diesen axial abstützt. Es kann hierdurch erreicht werden, dass eine besonders kostengünstige wie auch effektive Abstützanordnung bereitgestellt werden kann.
Erfindungsgemäß ist zudem vorgesehen, dass der erste Stützring und der zweite Stützring an ihren gegenüberliegenden Stirnseiten jeweils eine radial nach außen ansteigende Rampe aufweisen, an denen jeweils eine korrespondierend radial nach innen ansteigende Rampe des Ausgleichselements anliegt, so dass jeweils eine in axialer Richtung auf die Rampe eines der Stützringe, wirkende Federkraft des Federelements einen nach außen gerichteten radialen Versatz des Ausgleichselements gegenüber den Stützringen, bewirkt, was sich als besonders effektiv und betriebssicher herausgestellt hat.
Des Weiteren kann die Erfindung auch dahingehend weiterentwickelt sein, dass das Ausgleichselement stromisolierend ausgebildet ist. Der Vorteil dieser Ausgestaltung ist, dass hierdurch die stromisolierende Wirkung weiter verbessert werden kann.
In einer ebenfalls bevorzugten Ausgestaltungsvariante der Erfindung kann auch vorgesehen sein, dass das Ausgleichselement und das Federelement einteilig, insbesondere als Bogenfeder, ausgebildet sind. Hierdurch kann eine besonders preisgünstige und integrierte Radialspielausgleichsvorrichtung bereitgestellt werden.
Auch kann es vorteilhaft sein, die Erfindung dahingehend weiterzuentwickeln, dass der Innenring und/oder der Außenring jeweils an seiner äußeren Mantelfläche zumindest abschnittsweise, bevorzugt vollständig, einen elektrischen Isolator aufweisen/aufweist, was ebenfalls dazu beiträgt die elektrische Isolationswirkung zu verbessern.
Die Aufgabe der Erfindung kann ferner gelöst sein durch eine elektrische Maschine, insbesondere für einen Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs, umfassend eine Wälzlageranordnung nach einem der vorherigen Ansprüche 1-4 Schließlich kann die Aufgabe der Erfindung auch gelöst sein durch eine Getriebeanordnung, insbesondere für einen Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs, umfassend eine Wälzlageranordnung nach einem der vorherigen Ansprüche 1-4.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Figuren ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens näher erläutert werden.
Es zeigt:

1 die Wälzlageranordnung in einer schematischen Axialschnittdarstellung,
2 eine nicht erfindungsgemäße Ausführungsform einer Wälzlageranordnung in einer schematischen Axialschnittdarstellung,
3 eine weitere nicht erfindungsgemäße Ausführungsform einer Wälzlageranordnung in einer schematischen Axialschnittdarstellung,
4 eine dritte nicht erfindungsgemäße Ausführungsform einer Wälzlageranordnung in einer schematischen Axialschnittdarstellung,
5 eine vierte nicht erfindungsgemäße Ausführungsform einer Wälzlageranordnung in einer schematischen Axialschnittdarstellung,
6 eine fünfte nicht erfindungsgemäße Ausführungsform einer Wälzlageranordnung in einer schematischen Axialschnittdarstellung,
7 eine sechste nicht erfindungsgemäße Ausführungsform einer Wälzlageranordnung in einer schematischen Axialschnittdarstellung,
8 ein Kraftfahrzeug mit einem elektrischen Antriebsstrang in einer schematischen Blockschaltdarstellung.

Die 1 zeigt eine Wälzlageranordnung 1, insbesondere für eine elektrische Maschine 20 und/oder eine Getriebeanordnung 30 innerhalb eines Antriebsstrangs 40 eines Kraftfahrzeugs 50, wie es auch exemplarisch in der 8 skizziert ist.
Die Wälzlageranordnung 1 umfasst ein zwischen einer Anbindungsstruktur 2 und einer Welle 3 angeordnetes Wälzlager 4 zur drehbaren Lagerung der Welle 3 gegenüber der Anbindungsstruktur 2, wobei das Wälzlager 4 einen Innenring 5 und einen Außenring 6 sowie zwischen dem Innenring 5 und dem Außenring 6 wälzend angeordnete Wälzkörper 7 aufweist. Die Welle 3 ist insbesondere eine Rotorwelle einer elektrischen Maschine 20. Bei der Anbindungsstruktur 2 kann es sich insbesondere um einen Rotorträger einer elektrischen Maschine 20, ein Lagerschild einer elektrischen Maschine 20 oder ein anderes Motorgehäusebauteil einer elektrischen Maschine 20 handeln.
Den Ausführungen der 1-7 ist im Grundsatz gemein, dass das Wälzlager 4 eine in radialer Richtung durch ein Federelement 15 federkraftbeaufschlagte sowie stromisolierende Radialspielausgleichsvorrichtung 8 aufweist, mittels derer das Wälzlager 4 in radialer Richtung spielfrei zwischen der Anbindungsstruktur 2 und der Welle 3 fixiert ist, wobei davon lediglich 1 eine erfindungsgemäße Ausführung darstellt Die Federkraft ist durch die gepunkteten Pfeile angedeutet.
In der 1 ist eine Ausführungsform gezeigt, bei der die Radialspielausgleichsvorrichtung 8 eine Abstützanordnung 9 aufweist, welche in radialer Richtung zumindest abschnittsweise zwischen dem Wälzlager 4 und der Anbindungsstruktur 2 angeordnet ist und an der sich beidseitig axial ein radial versetzbares durch das Federelement 15 federkraftbeaufschlagtes Ausgleichselement 10 abstützt. Die Abstützanordnung 9 besitzt in den Ausführungsbeispielen der 1-3 einen axial ortsfesten ersten Stützring 11 und einen axial zu diesem versetzten axial ortsfesten zweiten Stützring 12, wobei das radial versetzbare durch das Federelement 15 federkraftbeaufschlagte Ausgleichselement 10 axial zwischen dem ersten Stützring 11 und dem zweiten Stützring 12 positioniert ist und sich an diesen axial abstützt.
Wie in der 1 dargestellt, weist der erste Stützring 11 und der zweite Stützring 12 an ihren gegenüberliegenden Stirnseiten jeweils eine radial nach außen ansteigende Rampe 13 auf, an denen jeweils eine korrespondierend radial nach innen ansteigende Rampe 14 eines der beiden Ausgleichselemente 10 anliegt, so dass jeweils eine in axialer Richtung auf die Rampe 13 eines der Stützringe 11,12 wirkende Federkraft des Federelements 15 einen nach außen gerichteten radialen Versatz des Ausgleichselements 10 gegenüber den Stützringen 11,12 bewirkt, wodurch ein Radialspielausgleich zwischen dem Außenring 6 des Wälzlagers 4 und der Anbindungsstruktur 2 bewirkt ist. Das Federelement 15 ist in der gezeigten Ausführungsform der 1 axial zwischen den beiden Ausgleichselementen 10 angeordnet und stützt sich unter einer axialen Vorspannung an diesen ab. Das Federelement 15 kann hierbei beispielsweise als Tellerfeder oder Wellfeder ausgeführt sein.
Wie aus den 1-3 ebenfalls gut zu erkennen ist, liegen die im Querschnitt L-förmigen Stützringe 11,12 dabei nicht an der Anbindungsstruktur 2 an, sondern nur das bzw. die Ausgleichselemente 10. Die Stützringe 11,12 können form- und/oder kraft- und/oder stoffschlüssig an dem Außenring 6 fixiert sein. Der Kraftfluss von der Anbindungsstruktur hin zum Außenring 6 des Wälzlagers 4 ist in den 1-7 durch die gestrichelten Pfeile angedeutet. Man erkennt gut, dass entlang des jeweiligen Kraftflusses immer ein stromisolierendes Bauteil angeordnet ist, so dass neben dem Radialspielausgleich auch eine elektrische Isolierung des Wälzlagers 4 gegenüber der Anbindungsstruktur 2 erfolgt.
In der Ausführungsform der 1 sind die Ausgleichselemente 10 strom isolierend ausgeführt, beispielsweise durch Verwendung eines stromisolierenden Materials und/oder einer stromisolierenden Beschichtung.
2 und 3 zeigen jeweils eine nicht erfindungsgemäße Ausführungsform der Wälzlageranordnung 1, bei der das Ausgleichselement 10 und das Federelement 15 einteilig als Bogenfeder ausgebildet sind. Mit anderen Worten ausgedrückt, übernimmt die Bogenfeder in einem Bauteil die Funktion des Ausgleichselements 10 sowie des Federelements 15. Die Bogenfeder liegt dabei einerseits an der Anbindungsstruktur 2 an und stützt sich axial an den beiden Stützringen 11,12 sowie in radialer Richtung an dem Außenring 6 ab. Hierdurch ist es notwendig, dass die Bogenfeder stromisolierend ausgeführt ist. Anders als in dem Ausführungsbeispiel der 1 erzeugt das Federelement 15 als Bogenfeder keine axial gerichtete Federkraft, sondern direkt eine radial nach außen wirkende Federkraft, was durch den entsprechenden gepunkteten Pfeil in der 2 angedeutet ist.
Im Unterschied zu der 2, stützt sich die Bogenfeder in der 3 radial nicht direkt an dem Außenring 6 ab, sondern beidseits an den Stützringen 11,12. In dieser Ausführung ist es somit möglich, die Bogenfader aus einem elektrisch leitenden Material auszuformen, da die elektrische Isolierung zwischen der Anbindungsstruktur 2 und dem Wälzlager 4 durch die Stützringe 11,12 bereitgestellt wird, welche dann entsprechend stromisolierend ausgeführt sind.
Die 4-7 zeigen weitere nicht erfindungsgemäße Ausführungsformen, bei denen die Abstützanordnung 9 der Radialspielausgleichsvorrichtung 8 in bzw. an der Anbindungsstruktur 2 ausgebildet ist. In den 4,5,7 ist die Abstützanordnung 9 als eine in axialer Richtung offene, ringförmig umlaufende Nut 16 ausgeführt, in der das Federelement 15 angeordnet ist, welches sich axial einerseits in der Nut 16 und anderseits an dem axial in der Nut 16 verschiebbar geführtem ringartigen Ausgleichselement 10 abstützt, welches an seiner der Nut 16 axial abgewandten Stirnseite eine radial nach außen hin ansteigende Rampe 17 aufweist, an welcher der Außenring 6 des Wälzlagers 4 anliegt. Das Ausgleichselement 10 wirkt dabei wie ein federkraftaktuierter in der Nut 16 geführter und axial versetzbarer Kolben. Das Federelement 15 kann hierbei beispielsweise als Tellerfeder ausgeführt sein.
In den 4-7 ist ferner gezeigt, dass der Außenring 6 jeweils an seiner äußeren Mantelfläche 18 zumindest abschnittsweise, bevorzugt vollständig, einen elektrischen Isolator 19 aufweist, der in dem Kraftpfad zwischen der Anbindungsstruktur 2 und dem Außenring 6 angeordnet ist. Der elektrische Isolator 19 ist in den 4-7 durch seine Kreuzschraffur zu erkennen. Wie in den 4-7 skizziert, kann der Isolator 19 auch an seiner mit dem Ausgleichselement 10 in Kontakt stehenden äußeren Mantelfläche eine Anlagefläche bereitstellen, die verschleißfest, aber nicht zwingend elektrisch isolierend ausgeführt ist. Folglich ist es in den Ausführungsformen der 4-7 nicht zwingend erforderlich, dass das Federelement 15 und/oder das Ausgleichselement 10 elektrisch isolierend ausgeführt werden müssen.
Um die radiale Spielverstellung bereitzustellen, weist auch der Außenring 6, der Isolator 19 sowie die Anlagefläche einen stirnseitigen Rampenabschnitt auf, an dem die Rampe 17 des Ausgleichselements 10 anliegt, was sich gut anhand der 4-7 nachvollziehen lässt.
In der Ausführungsform der 4 ist lediglich ein Ausgleichselement 10 vorhanden, welches in einer Nut 16 axial durch das Federelement 15 versetzbar geführt ist. Der Außenring 6 ist einseitig axial an einer nutseitigen Stirnfläche der Anbindungsstruktur 2 axial durch einen entsprechenden Anschlag festgelegt. Auf der der Nut 16 abgewandten Seite des Außenrings 6 ist dieser durch die Abstützanordnung 9 in Form eines Sicherungsrings ebenfalls axial festgelegt und gesichert.
5 zeigt eine nicht erfindungsgemäße Ausführungsform, bei der axial beidseits Ausgleichselement 10 mit dem Außenring 6 des Wälzlagers 4 wirkverbunden sind. Dabei ist das rechte Ausgleichselement 10 in einer durch eine L-förmige Abstützanordnung 9 und der Anbindungsstruktur 2 ausgebildeten Nut in axialer Richtung versetzbar geführt. Dabei ist die Abstützanordnung 9 axial gegenüber der Anbindungsstruktur 2 über eine Nut gesichert und festgelegt.
Die 6 zeigt eine weitere nicht erfindungsgemäße Ausgestaltung der Wälzlageranordnung 1, bei der auf das linke Ausgleichselement 10 der 5 verzichtet wurde, so dass keine Nut 16 in der Anbindungsstruktur 2 ausgebildet werden muss.
In der 7 ist eine weitere nicht erfindungsgemäße Ausführungsform einer Wälzlageranordnung 1 gezeigt, bei der ebenfalls das Federelement 15 und das Ausgleichselement 10 einstückig ausgebildet wurden. In der Nut 16 wurde dabei ein kanalartiges, aus einem Federblech geformtes erstes Element mit einem federnden rampenförmigen freien Ende, dass mit dem Außenring 6 des Wälzlagers 4 in Wirkverbindung steht. Durch die Wahl des Rampenwinkels des ersten Elements kann die Vorspannkraft des Federelements 15 und damit zu übertragende Radialkraft eingestellt werden.
Auf der der Nut 16 gegenüberliegenden Seite ist ein zweites aus einem Federblech geformtes Element angeordnet, dass ebenfalls an seinem freien Ende einen federnden rampenförmigen Abschnitt aufweist, der mit dem Außenring 6 des Wälzlagers gekoppelt ist. Das zweite Element kann in dieser Ausführungsform mit der Anbindungsstruktur 2 verschreibt sein.
Die Erfindung ist nicht auf die in 1 und 8 dargestellte Ausführungsform beschränkt. Die vorstehende Beschreibung ist daher nicht als beschränkend, sondern als erläuternd anzusehen. Die nachfolgenden Patentansprüche sind so zu verstehen, dass ein genanntes Merkmal in zumindest einer Ausführungsform der Erfindung vorhanden ist. Dies schließt die Anwesenheit weiterer Merkmale nicht aus. Sofern die Patentansprüche und die vorstehende Beschreibung ‚erste‘ und ‚zweite‘ Merkmal definieren, so dient diese Bezeichnung der Unterscheidung zweier gleichartiger Merkmale, ohne eine Rangfolge festzulegen.
Bezugszeichenliste

1: Wälzlageranordnung
2: Anbindungsstruktur
3: Welle
4: Wälzlager
5: Innenring
6: Außenring
7: Wälzkörper
8: Radialspielausgleichsvorrichtung
9: Abstützanordnung
10: Ausgleichselement
11: Stützring
12: Stützring
13: Rampe
14: Rampe
15: Federelement
16: Nut
17: Rampe
18: Mantelfläche
19: Isolator
20: elektrische Maschine
30: Getriebeanordnung
40: Antriebsstrang
50: Kraftfahrzeug

Claims

Wälzlageranordnung (1), insbesondere für eine elektrische Maschine (20) und/oder eine Getriebeanordnung (30) innerhalb eines Antriebsstrangs (40) eines Kraftfahrzeugs (50), umfassend ein zwischen einer Anbindungsstruktur (2) und einer Welle (3) angeordnetes Wälzlager (4) zur drehbaren Lagerung der Welle (3) gegenüber der Anbindungsstruktur (2), wobei das Wälzlager (4) einen Innenring (5) und einen Außenring (6) sowie zwischen dem Innenring (5) und dem Außenring (6) wälzend angeordnete Wälzkörper (7) aufweist, wobei das Wälzlager (4) eine in radialer Richtung durch ein Federelement (15) federkraftbeaufschlagte sowie stromisolierende Radialspielausgleichsvorrichtung (8) aufweist, mittels derer das Wälzlager (4) in radialer Richtung spielfrei zwischen der Anbindungsstruktur (2) und der Welle (3) fixiert ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Radialspielausgleichsvorrichtung (8) eine Abstützanordnung (9) aufweist, welche in radialer Richtung zumindest abschnittsweise zwischen dem Wälzlager (4) und der Anbindungsstruktur (2) und/oder der Welle (3) angeordnet ist und an der sich zumindest einseitig axial ein radial versetzbares durch das Federelement (15) federkraftbeaufschlagtes Ausgleichselement (10) abstützt und dass die Abstützanordnung (9) einen axial ortsfesten ersten Stützring (11) und einen axial zu diesem versetzten axial ortsfesten zweiten Stützring (12) besitzt, wobei sich das radial versetzbare durch das Federelement (15) federkraftbeaufschlagte Ausgleichselement (10) axial zwischen dem ersten Stützring (11) und dem zweiten Stützring (12) positioniert ist und sich an diesen axial abstützt und dass der erste Stützring (11) und der zweite Stützring (12) an ihren gegenüberliegenden Stirnseiten jeweils eine radial nach außen ansteigende Rampe (13) aufweisen, an denen jeweils eine korrespondierend radial nach innen ansteigende Rampe (14) des Ausgleichselements (10) anliegt, so dass jeweils eine in axialer Richtung auf die Rampe (13) eines der Stützringe (11,12) wirkende Federkraft des Federelements (15) einen nach außen gerichteten radialen Versatz des Ausgleichselements (10) gegenüber den Stützringen (11,12) bewirkt.
Wälzlageranordnung (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausgleichselement (10) stromisolierend ausgebildet ist.
Wälzlageranordnung (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausgleichselement (10) und das Federelement (15) einteilig, insbesondere als Bogenfeder, ausgebildet sind.
Wälzlageranordnung (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenring (5) und/oder der Außenring (6) jeweils an seiner äußeren Mantelfläche (18) zumindest abschnittsweise, bevorzugt vollständig, einen elektrischen Isolator (19) aufweisen/aufweist.
Elektrische Maschine (20), insbesondere für einen Antriebsstrang (40) eines Kraftfahrzeugs (50), umfassend eine Wälzlageranordnung (1) nach einem der vorherigen Ansprüche 1 bis 4.
Getriebeanordnung (30), insbesondere für einen Antriebsstrang (40) eines Kraftfahrzeugs (50), umfassend eine Wälzlageranordnung (1) nach einem der vorherigen Ansprüche 1 bis 4.