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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Dichtungsanordnung für eine Welle, insbesondere für eine Antriebswelle eines Elektroantriebs. Bevorzugt wird die Dichtungsanordnung in einer Antriebsanordnung für ein Kraftfahrzeug eingesetzt, wobei die Antriebsanordnung zumindest einen Elektroantrieb mit einem Gehäuse umfasst, wobei in einem ersten Volumen (bzw. ersten inneren Bereich) des Gehäuses ein Stator und ein Rotor angeordnet sind. Über den Rotor wird die Antriebswelle angetrieben, die sich über die Dichtungsanordnung in ein zweites Volumen (bzw. zweiten inneren Bereich) des Gehäuses erstreckt, in dem ein Getriebe angeordnet ist. Insbesondere wird über den Elektroantrieb zumindest ein Rad eines Kraftfahrzeuges angetrieben, bevorzugt zwei Räder an einer gemeinsamen Achse. Insbesondere ist der Elektroantrieb die alleinige Antriebseinheit des Rades bzw. der Achse.
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Der Einsatz von Elektroantrieben (Umwandlung elektrischer Energie in mechanische Energie) in Kraftfahrzeugen ist seit langem bekannt. Dabei werden Elektroantriebe in unterschiedlichster Anordnung zu den angetriebenen Rad-Achsen des Kraftfahrzeuges verbaut.
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Ein solcher Elektroantrieb ist insbesondere zur Erzeugung einer elektrischen Leistung von mindestens 10 kW [Kilowatt] geeignet, wobei die Leistung auf höchstens 500 kW begrenzt sein kann. Bevorzugt liegt die Leistung in einem Bereich von 20 kW bis 200 kW. Der Elektroantrieb insbesondere erreicht maximale Drehzahlen von 12.000 bis 20.000 Umdrehungen pro Minute, insbesondere von 15.000 bis 18.000 Umdrehungen pro Minute.
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Bei der Anordnung eines Elektroantriebs in einem Kraftfahrzeug ist aufgrund begrenzten Bauraums eine kompakte Bauform erforderlich. Daher werden Elektroantrieb und Getriebe möglichst in einem gemeinsamen (einteiligen oder mehrteiligen) Gehäuse angeordnet. Bei einer derartigen Anordnung kommt der Dichtung zwischen dem Elektroantrieb und dem mit der Antriebswelle des Elektroantriebs verbundenen Getriebe eine besondere Bedeutung zu. Hier muss ein Übertreten von Fluid (insbesondere einem Hydrauliköl, bevorzugt einem Getriebeöl) aus dem Getriebe hin zu dem Elektroantrieb entlang der Antriebswelle sicher verhindert werden. Dabei kann die Montage und Wartung dieser Dichtung, insbesondere aufgrund der kompakten Bauform und/oder der problematischen Zugänglichkeit, aufwändig und schwierig sein. Eine fehlerhafte Anordnung der Dichtung kann zu einer Leckage des Fluids aus einem zweiten Volumen des Gehäuses, in dem das Getriebe angeordnet ist, hin in das erste Volumen, in dem der Elektroantrieb angeordnet ist, führen. Diese Leckage kann eine Beschädigung zunächst des Elektroantriebs und bei stärkerer Leckage auch eine Beschädigung des Getriebes zur Folge haben. Eine derartige Leckage ist auch bei einem Verschleiß der Dichtung zu befürchten.
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Hiervon ausgehend ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die mit Bezug auf den Stand der Technik geschilderten Probleme zumindest zu lindern oder gar zu lösen. Insbesondere wird eine Dichtungsanordnung für eine Welle, bevorzugt für eine Antriebswelle eines Elektroantriebs, vorgeschlagen, bei der die Beanspruchung der Dichtung verringert ist, so dass auch der Verschleiß der Dichtung reduziert und die Einsatzzeit bzw. Lebensdauer der Dichtung verlängert werden kann.
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Zur Lösung dieser Aufgaben trägt eine Dichtungsanordnung gemäß den Merkmalen des unabhängigen Schutzanspruchs bei. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. Die in den Ansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale sind in technologisch sinnvoller Weise miteinander kombinierbar und können durch erläuternde Sachverhalte aus der Beschreibung und Details aus den Figuren ergänzt werden, wobei weitere Ausführungsvarianten der Erfindung aufgezeigt werden.
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Es wird eine Dichtungsanordnung vorgeschlagen, zumindest umfassend eine Welle mit einer Drehachse, ein Gehäuse mit einem ersten Volumen und einem zweiten Volumen sowie eine Dichtung; wobei sich die Welle ausgehend von einem, in dem ersten Volumen angeordneten ersten Ende durch eine in dem Gehäuse vorgesehene Gehäusebohrung hin zu einem, in dem zweiten Volumen angeordneten zweiten Ende erstreckt; wobei in der Gehäusebohrung eine die Welle umgebende Dichtung mit einer Dichtlippe angeordnet ist, zur Abdichtung des ersten Volumens gegenüber dem zweiten Volumen; wobei die Dichtung auf der Welle und die Dichtlippe in einer radialen Richtung außerhalb einer mit dem Gehäuse verbundenen und mit der Dichtlippe zur Ausbildung einer Dichtfläche zusammenwirkenden Auflagefläche angeordnet ist.
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Die Welle ist insbesondere eine Antriebswelle eines Elektroantriebs. Bevorzugt wird die Dichtungsanordnung in einer Antriebsanordnung für ein Kraftfahrzeug eingesetzt, wobei die Antriebsanordnung zumindest einen Elektroantrieb mit einem Gehäuse umfasst, wobei in einem ersten Volumen des Gehäuses ein Stator und ein Rotor angeordnet sind. Über den Rotor wird die Antriebswelle angetrieben, die sich über bzw. durch die Dichtung in ein zweites Volumen des Gehäuses hinein erstreckt, in dem ein Getriebe angeordnet ist. Das erste Volumen und das zweite Volumen sind, insbesondere ausschließlich, über einen Durchlass miteinander verbunden, der durch die Dichtung abgedichtet wird.
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Die Welle ist insbesondere über ein Wälzlager drehbar gegenüber dem Gehäuse gelagert. Die Dichtung erstreckt sich in der Umfangsrichtung umlaufend um die Welle.
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Durch die Dichtung kann verhindert werden, dass ein Fluid aus dem zweiten Volumen entlang der Welle in das erste Volumen gelangen kann. Dabei ist die Dichtung auf der Welle angeordnet und rotiert mit der Welle. Damit ist eine statische Dichtfläche mit der Welle gebildet. Die dynamische Dichtfläche wird mit der (rotierenden) Dichtlippe und der (stehenden) Auflagefläche gebildet.
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Insbesondere ist ein Fluid in dem zweiten Volumen vorgesehen und durch die Dichtung wird ein Übertritt des Fluids in das erste Volumen verhindert; wobei die Dichtung einen Grundkörper aufweist, der sich ausgehend von der Welle in der radialen Richtung nach außen erstreckt, wobei sich die Dichtlippe ausgehend von dem Grundkörper und ausgehend von dem zweiten Volumen ausschließlich oder zumindest in einer axialen Richtung und hin zu dem ersten Volumen erstreckt.
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Bevorzugt weist die Dichtung eine Außenumfangsfläche auf, die sich ausgehend von einem, hin zu dem ersten Volumen weisenden Dichtlippenende in der axialen Richtung hin zu dem zweiten Volumen und in der radialen Richtung nach außen zu einem Dichtungsende erstreckt. Die Außenumfangsfläche bildet also insbesondere eine gegenüber der Drehachse geneigte Oberfläche, entlang der das Fluid bei Drehung der Welle infolge der Fliehkraft in der radialen Richtung nach außen gefördert wird.
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Insbesondere wirkt die Dichtlippe zusammen mit der, sich ausschließlich oder zumindest in der axialen Richtung erstreckenden Auflagefläche zur Ausbildung der Dichtfläche zusammen; wobei die Dichtlippe zumindest teilweise infolge einer Fliehkraft elastisch verformbar angeordnet ist.
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Insbesondere bildet die Dichtlippe bis zu einer Grenzdrehzahl der Welle mit der Auflagefläche eine Dichtfläche zum Zurückhalten des Fluids, wobei die Dichtlippe derart elastisch verformbar ist, dass sich die Dichtlippe oberhalb der Grenzdrehzahl von der Auflagefläche löst.
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Die Grenzdrehzahl beträgt mindestens 1.000 Umdrehungen pro Minute, insbesondere mindestens 3.000 Umdrehungen pro Minute, bevorzugt 5.000 Umdrehungen pro Minute.
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Bei hohen Drehzahlen löst sich also die Dichtlippe von der Auflagefläche, so dass der Kontakt zwischen Dichtlippe bzw. der Dichtung und der Auflagefläche zumindest verringert oder sogar vollständig aufgehoben wird. Dabei wird die Fliehkraft genutzt, die das Fluid in einer radialen Richtung nach außen fördert, so dass ein Durchtritt des Fluids über die Dichtfläche in das erste Volumen verhindert wird. Durch den verringerten oder aufgehobenen Kontakt zwischen Dichtung bzw. Dichtlippe und Auflagefläche wird einerseits der Verschleiß der Dichtlippe und ggf. auch der Auflagefläche reduziert, so dass die Lebensdauer der Dichtung und der Dichtungsanordnung verlängert wird. Gleichzeitig wird durch die Verringerung der Reibungsverluste auch die Verlustleitung eines Elektroantriebs reduziert.
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Insbesondere ist auf der dem zweiten Volumen zugewandten Seite der Dichtung ein Abweiselement an der Welle angeordnet, das sich ausgehend von der Welle entlang der Dichtung in der radialen Richtung nach außen erstreckt.
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Bevorzugt erstreckt sich das Abweiselement in der radialen Richtung über die Dichtung hinaus.
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Insbesondere erstreckt sich das Abweiselement ausgehend von der Welle in der radialen Richtung nach außen und dabei in der axialen Richtung hin zu dem zweiten Volumen.
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Insbesondere ist das Abweiselement mit der Dichtung verbunden oder separat und ggf. räumlich getrennt, also beabstandet, von der Dichtung auf der Welle angeordnet.
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Insbesondere ist zwischen der Dichtung und dem zweiten Volumen ein Reservoir für das Fluid angeordnet; wobei bei horizontaler Anordnung der Welle das von der Dichtung zurückgehaltene Fluid infolge der Schwerkraft in das Reservoir förderbar ist.
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Bevorzugt ist das Abweiselement zumindest teilweise (ggf. ausschließlich) metallisch und insbesondere aus einem Blechmaterial hergestellt.
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Insbesondere ist zwischen dem zweiten Volumen und der Dichtung ein Fluidleitelement angeordnet, das sich ausgehend von dem Gehäuse in der radialen Richtung hin zu der Welle erstreckt, wobei das Fluidleitelement für die Welle eine Öffnung bildet, die einen Öffnungsdurchmesser aufweist, der um höchstens 10 %, insbesondere höchstens 5 % größer ist als der Wellendurchmesser der Welle im Bereich der Öffnung.
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Insbesondere besteht der Grundkörper zumindest teilweise und die Dichtlippe bevorzugt vollständig aus einem Kunststoff.
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Insbesondere ist in dem ersten Volumen ein Elektroantrieb und in dem zweiten Volumen ein Getriebe angeordnet.
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Insbesondere ist die Welle mit einem Rotor des Elektroantriebs verbunden und überträgt ein Drehmoment von dem Elektroantrieb auf das Getriebe.
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Weiter wird ein Kraftfahrzeug vorgeschlagen, das zumindest eine vorstehend angegebene Antriebsanordnung mit einem Elektroantrieb sowie mehrere Räder aufweist, wobei der Elektroantrieb zum Antrieb mindestens eines Rades und insbesondere zweier Räder einer gemeinsamen Achse vorgesehen ist.
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Die Erfindung, sowie das technische Umfeld werden nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Es ist darauf hinzuweisen, dass die Erfindung durch die gezeigten Ausführungsbeispiele nicht beschränkt werden soll. Insbesondere ist, soweit nicht explizit anders dargestellt, auch möglich, Teilaspekte der in den Figuren erläuterten Sachverhalte zu extrahieren und mit anderen Bestandteilen und Erkenntnissen aus der vorliegenden Beschreibung und/oder Figuren zu kombinieren. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen gleiche Gegenstände, so dass ggf. Erläuterungen aus anderen Figuren ergänzend herangezogen werden können. Es zeigen schematisch:
- 1: eine bekannte Dichtungsanordnung in einer Seitenansicht im Schnitt;
- 2: eine Dichtungsanordnung in einem ersten Zustand in einer Seitenansicht im Schnitt;
- 3: eine Dichtungsanordnung in einem zweiten Zustand in einer Seitenansicht im Schnitt; und
- 4: ein Detail der Dichtungsanordnung nach 3 in einer Seitenansicht im Schnitt.
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1 zeigt eine bekannte Dichtungsanordnung 1 in einer Seitenansicht im Schnitt. Die Dichtungsanordnung 1 umfasst eine Welle 2 mit einer Drehachse 3, ein Gehäuse 4 mit einem ersten Volumen 5 und einem zweiten Volumen 6 sowie eine Dichtung 7. Die Welle 2 erstreckt sich ausgehend von einem, in dem ersten Volumen 5 angeordneten ersten Ende 8 durch eine in dem Gehäuse 4 vorgesehene Gehäusebohrung 9 hin zu einem, in dem zweiten Volumen 6 angeordneten zweiten Ende 10. In der Gehäusebohrung 9 ist eine die Welle 2 umgebende Dichtung 7 mit einer Dichtlippe 11 angeordnet, zur Abdichtung des ersten Volumens 5 gegenüber dem zweiten Volumen 6; wobei die Dichtung 7 in der Gehäusebohrung 9 und die (stehende) Dichtlippe 11 mit der (rotierenden) Welle 2 die Dichtfläche 13 bildet.
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Durch die Dichtung 7 kann verhindert werden, dass ein Fluid 15 aus dem zweiten Volumen 6 entlang der Welle 2 in das erste Volumen 5 gelangen kann. Dabei ist die Dichtung 7 in der Gehäusebohrung 9 angeordnet. Damit ist eine statische Dichtfläche mit der Gehäusebohrung 9 und eine dynamische Dichtfläche 13 mit der Welle 2 gebildet.
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2 zeigt eine Dichtungsanordnung 1 in einem ersten Zustand in einer Seitenansicht im Schnitt. Der erste Zustand bezieht sich auf den Zustand der Dichtungsanordnung 1 bei einer Rotation der Welle 2 mit einer Drehzahl, die kleiner oder gleich einer Grenzdrehzahl ist. Die Dichtungsanordnung 1 umfasst eine Welle 2 mit einer Drehachse 3, ein Gehäuse 4 mit einem ersten Volumen 5 und einem zweiten Volumen 6 sowie eine Dichtung 7; wobei sich die Welle 2 ausgehend von einem, in dem ersten Volumen 5 angeordneten ersten Ende 8 durch eine in dem Gehäuse 4 vorgesehene Gehäusebohrung 9 hin zu einem, in dem zweiten Volumen 6 angeordneten zweiten Ende 10 erstreckt; wobei in der Gehäusebohrung 9 eine die Welle 2 umgebende Dichtung 7 mit einer Dichtlippe 11 angeordnet ist, zur Abdichtung des ersten Volumens 5 gegenüber dem zweiten Volumen 6; wobei die Dichtung 7 auf der Welle 2 und die Dichtlippe 11 in einer radialen Richtung 12 außerhalb einer mit dem Gehäuse 4 verbundenen und mit der Dichtlippe 11 zur Ausbildung einer Dichtfläche 13 zusammenwirkenden Auflagefläche 14 angeordnet ist.
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In dem ersten Volumen 5 ist ein Elektroantrieb 29, mit einem Rotor 31 und einem Stator 32, und in dem zweiten Volumen 6 ein Getriebe 30 angeordnet. Die Welle 2 ist mit einem Rotor 31 des Elektroantriebs 29 verbunden und überträgt ein Drehmoment von dem Elektroantrieb 29 auf das Getriebe 30. Das erste Volumen 5 und das zweite Volumen 6 sind ausschließlich über die Gehäusebohrung 9 (Durchlass) miteinander verbunden, die durch die Dichtung 7 abgedichtet wird.
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Durch die Dichtung 7 kann verhindert werden, dass ein Fluid 15 aus dem zweiten Volumen 6 entlang der Welle 2 in das erste Volumen 5 gelangen kann. Dabei ist die Dichtung 7 auf der Welle 2 angeordnet und rotiert mit der Welle 2. Damit ist eine statische Dichtfläche mit der Welle 2 gebildet. Die dynamische Dichtfläche 13 wird mit der (rotierenden) Dichtlippe 11 und der (stehenden) Auflagefläche 14 gebildet.
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Ein Fluid 15 ist in dem zweiten Volumen 6 vorgesehen und durch die Dichtung 7 wird ein Übertritt des Fluids 15 in das erste Volumen 5 verhindert; wobei die Dichtung 7 einen Grundkörper 16 aufweist, der sich ausgehend von der Welle 2 in der radialen Richtung 12 nach außen erstreckt, wobei sich die Dichtlippe 7 ausgehend von dem Grundkörper 16 und ausgehend von dem zweiten Volumen 6 ausschließlich in einer axialen Richtung 17 und hin zu dem ersten Volumen 5 erstreckt.
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Die Dichtung 7 weist eine Außenumfangsfläche 18 auf, die sich ausgehend von einem, hin zu dem ersten Volumen 5 weisenden Dichtlippenende 19 in der axialen Richtung 17 hin zu dem zweiten Volumen 6 und in der radialen Richtung 12 nach außen zu einem Dichtungsende 20 erstreckt. Die Außenumfangsfläche 18 bildet also eine gegenüber der Drehachse 3 geneigte Oberfläche, entlang der das Fluid 15 bei Drehung der Welle 2 infolge der Fliehkraft in der radialen Richtung 12 nach außen gefördert wird.
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Die Dichtlippe 11 wirkt mit der sich ausschließlich in der axialen Richtung 17 erstreckenden Auflagefläche 14 zur Ausbildung der in Umfangsrichtung 33 umlaufenden Dichtfläche 13 zusammen.
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Hier bildet die Dichtlippe 11 (bis zu einer Grenzdrehzahl der Welle 2) mit der Auflagefläche 14 eine Dichtfläche 13 zum Zurückhalten des Fluids 15, wobei die Dichtlippe 11 derart elastisch verformbar ist, dass sich die Dichtlippe 11 oberhalb der Grenzdrehzahl von der Auflagefläche 14 löst (siehe 3 und 4).
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Auf der dem zweiten Volumen 6 zugewandten Seite 21 der Dichtung 7 ist ein Abweiselement 22 an der Welle 2 angeordnet, das sich ausgehend von der Welle 2 entlang der Dichtung 7 in der radialen Richtung 12 nach außen erstreckt. Das Abweiselement 22 erstreckt sich in der radialen Richtung 12 über die Dichtung 7 hinaus. Das Abweiselement 22 erstreckt sich ausgehend von der Welle 2 in der radialen Richtung 12 nach außen und dabei in der axialen Richtung 17 hin zu dem zweiten Volumen 6. Das Abweiselement 22 ist mit der Dichtung 7 ausgeführt.
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Entlang der axialen Richtung 17 ist zwischen der Dichtung 7 und dem zweiten Volumen 6 ein Reservoir 23 für das Fluid 15 angeordnet; wobei bei der horizontalen Anordnung der Welle 2 das von der Dichtung 7 zurückgehaltene Fluid 15 infolge der Schwerkraft 24 in das Reservoir 23 förderbar ist.
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Entlang der axialen Richtung 17 ist zwischen dem zweiten Volumen 6 und der Dichtung 7 ein Fluidleitelement 25 angeordnet, das sich ausgehend von dem Gehäuse 4 in der radialen Richtung 12 hin zu der Welle 2 erstreckt, wobei das Fluidleitelement 25 für die Welle 2 eine Öffnung 26 bildet, die einen Öffnungsdurchmesser 27 aufweist, der größer ist als der Wellendurchmesser 28 der Welle 2 im Bereich der Öffnung 26.
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3 zeigt eine Dichtungsanordnung 1 in einem zweiten Zustand in einer Seitenansicht im Schnitt. 4 zeigt ein Detail der Dichtungsanordnung 1 nach 3 in einer Seitenansicht im Schnitt. Die 3 und 4 werden im Folgenden zusammen beschrieben. Auf die Ausführungen zu 2 wird verwiesen. Der zweite Zustand bezieht sich auf den Zustand der Dichtungsanordnung 1 bei einer Rotation der Welle 2 mit einer Drehzahl, die größer als eine Grenzdrehzahl ist.
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Bei derart hohen Drehzahlen verformt sich die Dichtlippe 11 infolge der Fliehkraft elastisch und löst sich von der Auflagefläche 14, so dass der Kontakt zwischen Dichtlippe 11 und der Auflagefläche 14 zumindest verringert oder sogar vollständig aufgehoben wird. Dabei wird die Fliehkraft genutzt, die das Fluid 15 in einer radialen Richtung 12 nach außen fördert, so dass ein Durchtritt des Fluids 15 über die (nun nicht mehr dichtende) Dichtfläche 13 in das erste Volumen 5 verhindert wird. Durch den verringerten oder aufgehobenen Kontakt zwischen Dichtlippe 11 und Auflagefläche 14 wird einerseits der Verschleiß der Dichtlippe 11 und ggf. auch der Auflagefläche 14 reduziert, so dass die Lebensdauer der Dichtung 7 und der Dichtungsanordnung 1 verlängert wird. Gleichzeitig wird durch die Verringerung der Reibungsverluste auch die Verlustleitung eines Elektroantriebs 29 reduziert.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Dichtungsanordnung
- 2
- Welle
- 3
- Drehachse
- 4
- Gehäuse
- 5
- erstes Volumen
- 6
- zweites Volumen
- 7
- Dichtung
- 8
- erstes Ende
- 9
- Gehäusebohrung
- 10
- zweites Ende
- 11
- Dichtlippe
- 12
- radiale Richtung
- 13
- Dichtfläche
- 14
- Auflagefläche
- 15
- Fluid
- 16
- Grundkörper
- 17
- axiale Richtung
- 18
- Außenumfangsfläche
- 19
- Dichtlippenende
- 20
- Dichtungsende
- 21
- Seite
- 22
- Abweiselement
- 23
- Reservoir
- 24
- Schwerkraft
- 25
- Fluidleitelement
- 26
- Öffnung
- 27
- Öffnungsdurchmesser
- 28
- Wellendurchmesser
- 29
- Elektroantrieb
- 30
- Getriebe
- 31
- Rotor
- 32
- Stator
- 33
- Umfangsrichtung
