EP4555233A1 - Sperrvorrichtung, elektromotor-antriebseinheit und fahrzeug - Google Patents

Sperrvorrichtung, elektromotor-antriebseinheit und fahrzeug

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Publication number
EP4555233A1
EP4555233A1 EP23738693.3A EP23738693A EP4555233A1 EP 4555233 A1 EP4555233 A1 EP 4555233A1 EP 23738693 A EP23738693 A EP 23738693A EP 4555233 A1 EP4555233 A1 EP 4555233A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
shaft
electric motor
locking
locking device
drive unit
Prior art date
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Pending
Application number
EP23738693.3A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Jens HENRICH
Karl Martin Fritsch
Christof Heeger
Philip KIEPER
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Schaeffler Technologies AG and Co KG
Original Assignee
Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Schaeffler Technologies AG and Co KG filed Critical Schaeffler Technologies AG and Co KG
Publication of EP4555233A1 publication Critical patent/EP4555233A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • F16H63/02—Final output mechanisms therefor; Actuating means for the final output mechanisms
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    • F16H63/3416—Parking lock mechanisms or brakes in the transmission
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
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    • F16H63/3466—Parking lock mechanisms or brakes in the transmission with electric actuating means, e.g. shift by wire using electric motors

Definitions

  • the invention relates to a locking device, an electric motor drive unit with such a locking device and a vehicle with such an electric motor drive unit.
  • the locking device proposed in the context of this disclosure represents a further development of the locking devices described in the German patent applications with the file numbers 10 2021 213 737.7 and 10 2021 213 739.3.
  • One object underlying the invention is to provide an improved locking device, in particular for a vehicle.
  • a locking device for an electric motor drive unit has a locking mechanism for locking a lockable shaft of the electric motor drive unit and an electric drive for actuating the locking mechanism, which is accommodated in addition to the locking mechanism by a housing of the locking device.
  • the locking mechanism comprises a form-fitting element that can be actuated in an axial lifting movement and along the shaft, which can be positively joined at least in sections with a shaft-side complement within a form-fitting region in order to lock the shaft.
  • This actuable form-fitting element is in a state, resting on the end face of the shaft-side complement, can be pre-tensioned or braced along the shaft in a defined manner against the shaft-side complement by means of at least one elastic force transmission means.
  • the actuable positive locking element in a locked state of the shaft, in which the actuable positive locking element and the shaft-side complement engage with one another in the positive locking region of the locking mechanism, the actuable positive locking element is supported against a housing section of an electric motor drive unit to which the locking actuator is attached.
  • the locking mechanism has a movement play between the actuable positive locking element and the shaft-side complement in the positive locking area and in the circumferential direction of the shaft, which, in conjunction with the said or previously mentioned preload/tension of the actuable positive locking element against the shaft-side complement, causes the actuable positive locking element to snap into place shaft-side complement or an assembly of the actuable positive-locking element with the shaft-side complement.
  • a shaft-side complement is to be understood as meaning a shaft-side counterpart to the actuable positive-locking element, which is designed or shaped in the positive-locking area in a correspondingly complementary manner to the actuable positive-locking element.
  • This can be a correspondingly shaped section of the shaft itself or a separate and correspondingly shaped element joined to the shaft, which interacts in a form-fitting manner with the actuable positive-locking element.
  • An elastic force transmission means is to be understood as meaning a mechanical energy storage device for elastic pretensioning/tensioning of the actuable positive-locking element against the shaft-side complement, for example in the form of at least one separate spring or a separate spring element and/or in the form of at least one spring element section integrated into the actuable positive-locking element.
  • This energy storage biases the actuable form-fitting element against the shaft-side complement until the shaft is relative to the actuable form-fitting element. Final element assumes or experiences a suitable orientation for a positive connection. As soon as such an alignment is present, this energy storage presses the actuable positive-locking element into the shaft-side complement so that it locks into place, so that the shaft is locked or blocked.
  • the locking mechanism can be actuated in an energy-saving manner, because neither the said actuation nor the said preload requires high actuating forces to be applied.
  • the actuable positive-locking element is joined to the shaft-side complement, only the actuable positive-locking element and not the element of a drive train to be locked is moved.
  • the locking mechanism has a first form-fitting element with internal teeth and a second, shaft-side form-fitting element with external teeth, against which the first form-fitting element can be actuated in a form-fitting manner in an axial lifting movement and along the shaft.
  • a centering-acting tapering section is formed on the shaft-side form-fitting element on the front side and facing the first form-fitting element, against which the internal toothing can be stopped in order to align the two form-fitting elements with one another.
  • the housing of the locking device also accommodates a multifunctional shaft adapter for connection to the lockable shaft, which is essentially made of a plastic and in which contacting means for external excitation of a rotor of a synchronous machine of the electric motor drive unit connected to the shaft are embedded, wherein the plastic of the shaft adapter is materially connected to the shaft-side positive locking element.
  • contacting means include at least two slip rings for contacting an associated grinding brush and at least one conductor track assigned to the respective slip ring, which extends from the assigned slip ring through the plastic of the shaft adapter.
  • the housing of the locking device also accommodates a separate arrangement of at least two grinding brushes for said external excitation.
  • the electric drive is arranged transversely to the shaft.
  • Such a transverse arrangement advantageously creates installation space for receiving said contacting means through the housing of the locking device.
  • Transverse means either an orthogonal arrangement of the electric drive to the shaft or an arrangement in which a longitudinal axis of the electric drive forms an acute or obtuse angle with a longitudinal axis of the lockable shaft.
  • the grinding brushes are arranged radially to the shaft. Such a radial arrangement also promotes a compact design of the locking device.
  • An electric motor drive unit in particular for driving a vehicle, with a locking device of the type described above is also proposed, which is attached to a housing of the electric motor of the electric motor drive unit (claim 4).
  • a vehicle is understood to mean any type of vehicle or motor vehicle that is operated by an electric motor, but in particular passenger cars and/or commercial vehicles. These are preferably semi-autonomous and in particular fully autonomous vehicles.
  • FIG. 1 shows a perspective view of an electric motor drive unit with a proposed locking device (left) and, in addition, a separate, perspective and enlarged view of a part of the locking device (right);
  • Fig. 2 shows the locking device shown in Fig. 1 in a plan sectional view
  • FIG. 3 shows a locking mechanism of the locking device together with an arrangement of contacting means
  • FIG. 4 shows the arrangement of the locking mechanism and the contacting means shown in FIG. 3 in a perspective view
  • Fig. 6 shows a positive locking area between a lockable shaft and the
  • Fig. 7 is a perspective and enlarged view of that shown in Fig. 6
  • Fig. 8 is a perspective sectional view of the locking device.
  • the proposed locking device SV is attached to an electric motor drive unit EM-AE, in particular for driving a vehicle.
  • the electric motor drive unit EM-AE includes an electric motor EM in the form of a separately excited synchronous machine and a reduction gear RG connected to it.
  • the locking device SV is arranged on a housing EM-G of the synchronous machine.
  • the locking device SV has a locking mechanism and an electric drive EA for actuating the locking mechanism, which is accommodated in addition to the drive EA by a housing SV-G of the locking device. 2, for example, illustrates very nicely that a housing section EM-G of the synchronous machine also forms the housing SV-G of the locking device.
  • the drive EA is arranged transversely - and orthogonally - to the shaft W or shaft axis X - X.
  • the drive EA can also be arranged relative to the shaft in such a way that a longitudinal axis of the drive EA forms an acute or obtuse angle with the longitudinal axis X - X of the shaft W.
  • the drive EA drives a screw gear shaft 8, which in turn interacts with a gear segment 10 of a spindle nut SM with an internal thread.
  • This spindle nut SM is longitudinally movably joined to a spindle S with a corresponding external thread, which together with the spindle nut SM forms a so-called screw drive or a so-called screw gear, which converts a rotational movement of the spindle nut SM (left or right-handed) into a translational movement the spindle nut SM along the spindle S and in the longitudinal direction X - X or along the shaft W.
  • the spindle S is arranged in a stationary manner relative to the housing SV-G and is supported relative to the housing SV-G (Fig. 2).
  • the spindle nut SM is elastic via a ring element RE, which is held with low friction by the spindle nut SM itself via a roller bearing, and individual springs, for example in the form of coil springs 18, against a positive locking element 4 which can be actuated in the longitudinal direction X - X or along the shaft W prestressed (Fig. 3, Fig. 4).
  • This form-fitting element 4 is thus elastically connected to a movement mechanism of the locking device SV, which causes the axial lifting movement of the form-fitting element 4, via these coil springs 18 - approximately three distributed over the circumference of the ring element RE.
  • This form-fitting element 4 is metallic and high-strength and is designed in the form of a closed, circumferential, annular element with internal teeth IV and external teeth 5. While the internal toothing IV can be moved in a form-fitting manner into an external toothing AV of a shaft-side and high-strength metallic complement 6 to lock the shaft W, the external toothing 5 always interacts in a form-fitting manner with a complementary section of the electric motor housing EM-G. The latter form-fitting ensures guidance and support of the form-fitting element 4 relative to the electric motor housing EM-G.
  • FIG. 7 illustrates the section on the electric motor housing EM-G that is shaped to complement the external toothing 5 with its internal toothing.
  • the form-fitting element 4 is not shown or is hidden or omitted.
  • both static and dynamic torque loads of the drive train are introduced into the electric motor housing EM-G via this external toothing 5.
  • an external profiling of the positive locking element 4 can also be provided in the form of individual, radial, claw-like projections.
  • the locking device SV also has a multifunctional shaft adapter 12, which extends through the spindle S and into an area of the hollow shaft W.
  • This shaft adapter 12 is essentially made of a plastic, in which two metallic slip rings 14a, 14b and a metallic conductor or contact track 16 assigned to the respective slip ring 14a, 14b are embedded.
  • the conductor track 16 extends from the associated slip ring 14a, 14b in the direction of the hollow shaft W through the plastic of the shaft adapter 12.
  • the plastic of the shaft adapter 12 is sprayed or bonded to the shaft-side complement 6, which is designed in the form of a metallic adapter ring.
  • 6 illustrates, by way of example, an annular projection of the adapter ring or positive locking element 6, which is formed on the end face of the adapter ring 6 and the positive locking element 4 in the form of a dovetail shape and is enclosed by a plastic flange of the shaft adapter 12.
  • This adapter ring 6 has an external toothing AV that is complementary to the internal toothing IV and also an internal profiling or internal toothing, via which the adapter ring 6 and thus the shaft adapter 12 is pressed onto a correspondingly complementary external profiling or external toothing of the hollow shaft W.
  • the proposed locking device SV can be advantageously adapted to different shaft diameters via the adapter ring 6.
  • two grinding brushes 2a, 2b, 3a, 3b are assigned to the two slip rings 14a, 14b and through the housing SV-G added.
  • the grinding brushes 2a, 2b, 3a, 3b are spring-loaded against the associated slip rings 14a, 14b or are contacted.
  • the grinding brushes 2a, 2b, 3a, 3b assigned to a slip ring 14a, 14b and forming a pair are arranged relative to one another in such a way that they form an angle at the same height (Fig. 3, Fig. 4).
  • a centering tapering section 7 is formed on the face of the form-fitting element 6 and facing the form-fitting element 4 (Fig. 6, Fig. 7).
  • the internal toothing IV can abut against this tapering section or centering section 7 in the course of a longitudinal displacement of the positive locking element 4 in the direction X - the hollow shaft W to be aligned.
  • the form-fitting element 6 also has a centering function, which ensures a coaxial alignment of the two form-fitting elements 4, 6 to one another. This ensures an even distribution of force over the circumference of the two form-fitting elements 4, 6 in the joined state.
  • the locking device SV further comprises, for example, an inductively acting position sensor arrangement for detecting a position of the rotor of the synchronous machine connected to the shaft W in order to enable efficient electronic commutation of the synchronous machine.
  • 8 illustrates an example of a position sensor arrangement in the area of the outer end of the shaft adapter 12 or the end of the shaft adapter 12, which faces away from the shaft end.
  • a signal transmitter with a coil arrangement that is stationary to the housing SV-G and integrated into a circuit board 20 is provided, which interacts with a sensor component in the form of a metallic, disk-like element 18 that is stationary to the hollow shaft.
  • This element 18, which is arranged opposite the circuit board, is received by the plastic of the shaft adapter 12 and stationary to the shaft adapter 12.
  • This element 18 has individual radial, claw-like projections on the circumference, which as such cause a detuning of a magnetic field acting on them. At least these radial, claw-like projections can be designed to be magnetic, for example ferromagnetic.
  • this disk-like element 18 is made entirely of a non-magnetic metal, such as aluminum.
  • such a position sensor arrangement can also be provided in the area of said positive locking elements 4, 6 or on the shaft side.
  • sensor electronics for the position sensor arrangement and motor electronics for controlling the electric drive EA are also integrated into the circuit board 20.
  • the proposed locking device represents a compact, space-saving and cost-effective solution within a drive train, in particular a vehicle in the sense of a parking lock or a locking actuator, according to which the locking mechanism is integrated into the electric motor EM and the locking device into the electric motor housing EM-G.
  • the positive locking element 4 can be in a state in which it rests on the front side of the shaft-side complement or positive locking element 6 or on the external toothing AV , via the said screw drive - formed by the spindle S and the spindle nut SM - and the said coil springs 18 are biased or tensioned along the shaft W and with a definable force against the shaft W for latching. If the shaft W is then twisted or rotated just a little further, the form-fitting element 4 locks into place with the form-fitting element. Final element 6 and thus with the shaft 6 as soon as a corresponding alignment of the shaft W is achieved, which enables the locking. Such further (twisting) rotation of the shaft W in the parking situation can be initiated by the vehicle system.
  • the said movement play between the two form-fitting elements 4, 6 and in the circumferential direction of the shaft W also enables the following emergency scenario in the event of a fault in the vehicle, in which the electric motor EM of the electric motor drive unit EM-AE fails.
  • the proposed locking device SV enables the vehicle, which then rolls from a standstill, to be blocked or blocked, up to a maximum rotational speed of the shaft W or maximum speed of the vehicle, which depends on the movement play.
  • the form-fitting element 4 is engaged with the form-fitting element 6 and thus with the shaft W using the movement play and up to the maximum rotational speed of the shaft W or maximum speed of the vehicle, which is dependent on the movement play, and thus the vehicle is brought to a standstill.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Sperrvorrichtung (SV) für eine Elektromotor-Antriebseinheit (EM-AE), wobei die Sperrvorrichtung (SV) einen Sperrmechanismus zur Sperrung einer sperrbaren Welle (W) der Elektromotor-Antriebseinheit (EM-AE) aufweist sowie einen elektrischen Antrieb (EA) zur Aktuierung des Sperrmechanismus, welcher neben dem Sperrmechanismus durch ein Gehäuse (SV-G) der Sperrvorrichtung (SV) aufgenommen ist. Der Sperrmechanismus weist dabei ein erstes Formschlusselement (4) mit einer Innenverzahnung (IV) sowie ein zweites, wellenseitiges Formschlusselement (6) mit einer Außenverzahnung (AV) auf, gegen welches das erste Formschlusselement (4) in einer Axial-Hubbewegung (X - X) und längs zur Welle (W) formschlüssig aktuierbar ist. Am wellenseitigen Formschlusselement (6) ist dabei stirnseitig und dem ersten Formschlusselement (4) zugewandt ein zentrierend wirkender Verjüngungsabschnitt (7) angeformt, gegen welchen die Innenverzahnung (IV) anschlagbar ist, um die beiden Formschlusselemente (4, 6) zueinander auszurichten. Die Erfindung betrifft zudem eine Elektromotor-Antriebseinheit (EM-AE), insbesondere zum Antrieb eines Fahrzeugs mit einer solchen Sperrvorrichtung (SV) sowie ein Fahrzeug mit einer solchen Elektromotor-Antriebseinheit (EM-AE).

Description

Beschreibung
Sperrvorrichtung, Elektromotor-Antriebseinheit und Fahrzeug
Die Erfindung betrifft eine Sperrvorrichtung, eine Elektromotor-Antriebseinheit mit einer solchen Sperrvorrichtung sowie ein Fahrzeug mit einer solchen Elektromotor-Antriebseinheit.
Die im Rahmen dieser Offenbarung vorgeschlagene Sperrvorrichtung stellt eine Weiterentwicklung der in den deutschen Patentanmeldungen mit den Aktenzeichen 10 2021 213 737.7 und 10 2021 213 739.3 beschriebenen Sperrvorrichtungen dar.
Eine der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe ist es, eine verbesserte Sperrvorrichtung, insbesondere für ein Fahrzeug, bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird durch eine gemäß Anspruch 1 vorgeschlagene und unter Schutz gestellte Sperrvorrichtung gelöst.
Es wird eine Sperrvorrichtung für eine Elektromotor-Antriebseinheit vorgeschlagen. Die Sperrvorrichtung weist dabei einen Sperrmechanismus zur Sperrung einer sperrbaren Welle der Elektromotor-Antriebseinheit auf sowie einen elektrischen Antrieb zur Aktuierung des Sperrmechanismus, welcher neben dem Sperrmechanismus durch ein Gehäuse der Sperrvorrichtung aufgenommen ist.
Der Sperrmechanismus umfasst dabei ein in einer Axial-Hubbewegung und längs zur Welle aktuierbares Formschlusselement, welches mit einem wellenseitigen Komplement innerhalb eines Formschlussbereichs zumindest abschnittsweise formschlüssig fügbar ist, um die Welle zu sperren.
Dieses aktuierbare Formschlusselement ist dabei in einem Zustand, stirnseitig am wellenseitigen Komplement anliegend, längs zur Welle mittels zumindest eines elastischen Kraftübertragungsmittels definiert gegen das wellenseitige Komplement einrastbar vorspannbar bzw. verspannbar. Dabei stützt sich das aktuierbare Formschlusselement in einem Sperrzustand der Welle, in welchem das aktuierbare Formschlusselement und das wellenseitige Komplement im Formschlussbereich des Sperrmechanismus ineinandergreifen, gegen einen Gehäuseabschnitt einer Elektromotor-Antriebseinheit ab, an welchem der Sperraktuator angebracht ist.
Der Sperrmechanismus weist dabei im Formschlussbereich und in Umfangsrichtung der Welle ein Bewegungsspiel zwischen dem aktuierbaren Formschlusselement und dem wellenseitigen Komplement auf, welches in Verbindung mit der besagten bzw. zuvor genannten Vorspannung / Verspannung des aktuierbaren Formschlusselements gegen das wellenseitige Komplement eine Einrastung des aktuierbaren Formschlusselements in das wellenseitige Komplement bzw. eine Fügung des aktuierbaren Formschlusselements mit dem wellenseitigen Komplement ermöglicht.
Unter einem wellenseitigen Komplement ist dabei ein wellenseitiges Gegenstück zum aktuierbaren Formschlusselement zu verstehen, welches im Formschlussbereich entsprechend komplementär zum aktuierbaren Formschlusselement ausgebildet bzw. ausgeformt ist. Dabei kann es sich um einen entsprechend ausgeformten Abschnitt der Welle selbst oder eines mit der Welle gefügten, separaten und entsprechend ausgeformten Elements handeln, welcher / welches mit dem aktuierbaren Formschlusselement formschlüssig zusammenwirkt.
Unter einem elastischen Kraftübertragungsmittel ist dabei ein mechanischer Energiespeicher zur elastischen Vorspannung / Verspannung des aktuierbaren Formschlusselements gegen das wellenseitige Komplement zu verstehen, etwa in Gestalt zumindest einer separaten Feder bzw. eines separaten Federelements und/oder in Gestalt zumindest eines in das aktuierbare Formschlusselement integrierten Federelementabschnitts.
Dieser Energiespeicher spannt das aktuierbare Formschlusselement gegen das wellenseitige Komplement vor, bis die Welle relativ zum aktuierbaren Form- Schlusselement eine geeignete Ausrichtung für einen Formschluss einnimmt bzw. erfährt. Sobald eine solche Ausrichtung vorliegt, drückt dieser Energiespeicher das aktuierbare Formschlusselement zur Einrastung in das wellenseitige Komplement, so dass die Welle gesperrt bzw. blockiert wird.
Zudem ist der Sperrmechanismus energiesparend aktuierbar, denn es bedarf weder zur besagten Aktuierung noch zur besagten Vorspannung aufzubringender hohen Stellkräfte. Bei der Fügung des aktuierbaren Formschlusselements mit dem wellenseitigen Komplement wird nämlich nur das aktuierbare Formschlusselement und nicht auch noch das zu sperrende Element eines Antriebsstrangs bewegt.
Dabei weist der Sperrmechanismus ein erstes Formschlusselement mit einer Innenverzahnung sowie ein zweites, wellenseitiges Formschlusselement mit einer Außenverzahnung auf, gegen welches das erste Formschlusselement in einer Axial-Hubbewegung und längs zur Welle formschlüssig aktuierbar ist.
Am wellenseitigen Formschlusselement ist dabei stirnseitig und dem ersten Formschlusselement zugewandt ein zentrierend wirkender Verjüngungsabschnitt angeformt, gegen welchen die Innenverzahnung anschlagbar ist, um die beiden Formschlusselemente zueinander auszurichten.
Dadurch wird eine gleichmäßige Kraftverteilung über den Umfang der beiden Formschlusselemente im gefügten Zustand sichergestellt.
In einer Ausführung ist durch das Gehäuse der Sperrvorrichtung zudem ein multifunktionaler Wellenadapter zur Verbindung mit der sperrbaren Welle aufgenommen, welcher im Wesentlichen aus einem Kunststoff hergestellt ist und in welchen Kontaktierungsmittel zur Fremderregung eines mit der Welle verbundenen Rotors einer Synchronmaschine der Elektromotor-Antriebseinheit eingebettet sind, wobei der Kunststoff des Wellenadapters mit dem wellenseitigen Formschlusselement stoffschlüssig verbunden ist. Diese Kontaktierungsmittel umfassen dabei zumindest zwei Schleifringe zur Kontaktierung mit einer zugeordneten Schleifbürste sowie zumindest eine dem jeweiligen Schleifring zugeordnete Leiterbahn, welche sich vom zugeordneten Schleifring durch den Kunststoff des Wellenadapters erstreckt.
Durch das Gehäuse der Sperrvorrichtung ist dabei zudem eine separate Anordnung von zumindest zwei Schleifbürsten zur besagten Fremderregung aufgenommen.
Durch diese vorgeschlagene Funktionsintegration werden vorteilhafterweise Bauteile und somit Bauraum einspart. Damit einhergehend lässt sich auch ein Montageaufwand vorteilhafterweise vereinfachen.
In einer Ausführung ist der elektrische Antrieb quer zur Welle angeordnet. Solch eine Queranordnung schafft vorteilhafterweise Bauraum zur Aufnahme der besagten Kontaktierungsmittel durch das Gehäuse der Sperrvorrichtung.
Unter quer ist dabei entweder eine orthogonale Anordnung des elektrischen Antriebs zur Welle zu verstehen oder aber eine Anordnung, bei welcher eine Längsasche des elektrischen Antriebs einen spitzen oder stumpfen Winkel mit einer Längsachse der sperrbaren Welle bildet.
In einer weiteren Ausführung sind die Schleifbürsten radial zur Welle angeordnet. Auch solch eine Radialanordnung begünstig eine kompakt bauende Ausführung der Sperrvorrichtung.
Dabei wird vorgeschlagen, die Schleifbürsten federvorgespannt gegen einen zugeordneten Schleifring der Kontaktierungsmittel anzulegen bzw. zu kontaktieren. Dadurch ist eine Nachführung von sich über die Zeit abnutzenden Schleifbürsten gegen die zugeordneten Schleifringe sichergestellt.
Es wird ferner eine Elektromotor-Antriebseinheit, insbesondere zum Antrieb eines Fahrzeugs mit einer Sperrvorrichtung der zuvor beschriebenen Art vorgeschlagen, welche an einem Gehäuse des Elektromotors der Elektromotor-Antriebseinheit angebracht ist (Anspruch 4).
Zudem wird ein Fahrzeug mit einer Elektromotor-Antriebseinheit der zuvor beschriebenen Art vorgeschlagen (Anspruch 5).
Unter einem Fahrzeug ist dabei jede Art von Fahrzeug bzw. Kraftfahrzeug zu verstehen, welches elektromotorisch betrieben wird, insbesondere aber Personenkraftwagen und/oder Nutzfahrzeuge. Dabei handelt es sich vorzugsweise um teilautonom und insbesondere um vollautonom betriebene Fahrzeuge.
Im Weiteren wird die Erfindung unter Bezugnahme auf Figurendarstellungen im Einzelnen erläutert. Aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungen ergeben sich weitere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung. Hierzu zeigen:
Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer Elektromotor-Antriebseinheit mit einer vorgeschlagenen Sperrvorrichtung (links) sowie zusätzlich dazu eine separate, perspektivische und vergrößerte Ansicht eines Teils der Sperrvorrichtung (rechts);
Fig. 2 die in Fig. 1 gezeigte Sperrvorrichtung in einer ebenen Schnittansicht;
Fig. 3 einen Sperrmechanismus der Sperrvorrichtung nebst einer Anordnung von Kontaktierungsmitteln;
Fig. 4 die in Fig. 3 gezeigte Anordnung des Sperrmechanismus und der Kontaktierungsmittel in einer perspektivischen Ansicht;
Fig. 5 einen multifunktionalen Wellenadapter der Sperrvorrichtung;
Fig. 6 einen Formschlussbereich zwischen einer sperrbaren Welle und der
Sperrvorrichtung in einer Schnittansicht; Fig. 7 eine perspektivische und vergrößerte Ansicht des in Fig. 6 gezeigten
Formschlussbereichs sowie
Fig. 8 eine perspektivische Schnittansicht der Sperrvorrichtung.
Die vorgeschlagene Sperrvorrichtung SV ist an einer Elektromotor-Antriebseinheit EM-AE, insbesondere zum Antrieb eines Fahrzeugs angebracht. Die Elektromotor-Antriebseinheit EM-AE umfasst dabei einen Elektromotor EM in Gestalt einer fremderregten Synchronmaschine sowie ein daran angeschlossenes Reduktionsgetriebe RG. Die Sperrvorrichtung SV ist dabei an einem Gehäuse EM-G der Synchronmaschine angeordnet.
Die Sperrvorrichtung SV weist einen Sperrmechanismus sowie einen elektrischen Antrieb EA zur Aktuierung des Sperrmechanismus auf, welcher neben dem Antrieb EA durch ein Gehäuse SV-G der Sperrvorrichtung aufgenommen ist. Die Fig. 2 z.B. veranschaulicht dabei sehr schön, dass ein Gehäuseabschnitt EM-G der Synchronmaschine das Gehäuse SV-G der Sperrvorrichtung mit ausbildet.
Der Antrieb EA ist dabei quer - und orthogonal - zur Welle W bzw. Wellenachse X - X angeordnet. In einer hier nicht dargestellten Ausführungsform kann der Antrieb EA zur Welle auch derart angeordnet sein, dass eine Längsasche des Antriebs EA einen spitzen oder stumpfen Winkel mit der Längsachse X - X der Welle W bildet.
Der Antrieb EA treibt dabei eine Schraubradwelle 8 an, welche wiederum mit einem Zahnradsegment 10 einer Spindelmutter SM mit einem Innengewinde zusammenwirkt. Diese Spindelmutter SM ist dabei längs verschieblich mit einer Spindel S mit einem korrespondierenden Außengewinde gefügt, welche zusammen mit der Spindelmutter SM einen sog. Schraubentrieb bzw. ein sog. Schraubradgetriebe bildet, welcher eine Rotationsbewegung der Spindelmutter SM (links- oder rechtsdrehend) in eine Translationsbewegung der Spindelmutter SM entlang der Spindel S und in Längsrichtung X - X bzw. längs der Welle W wandelt. Die Spindel S ist dabei ortsfest zum Gehäuse SV-G angeordnet und stützt sich gegenüber dem Gehäuse SV-G ab (Fig. 2).
Wellenseitig ist die Spindelmutter SM über ein Ringelement RE, welches über ein Wälzlager durch die Spindelmutter SM selbst reibungsarm aufgenommen ist, und einzelne Federn, etwa in Gestalt von Schraubenfedern 18 gegen ein in Längsrichtung X - X bzw. längs der Welle W aktuierbares Formschlusselement 4 elastisch vorgespannt (Fig. 3, Fig. 4).
Dieses Formschlusselement 4 ist somit über diese - etwa drei über den Umfang des Ringelements RE verteilt angeordnete - Schraubenfedern 18 an einen die Axial-Hubbewegung des Formschlusselements 4 bewirkenden Bewegungsmechanismus der Sperrvorrichtung SV elastisch angebunden.
Dieses Formschlusselement 4 ist dabei metallisch sowie hochfest und in Gestalt eines geschlossenen umlaufenden, ringförmigen Elements mit einer Innenverzahnung IV und einer Außenverzahnung 5 ausgeführt. Während die Innenverzahnung IV in eine Außenverzahnung AV eines wellenseitigen und metallisch hochfesten Komplements 6 zur Sperrung der Welle W formschlüssig verfahrbar ist, wirkt die Außenverzahnung 5 stets mit einem komplementär ausgebildeten Abschnitt des Elektromotorgehäuses EM-G formschlüssig zusammen. Letzterer Formschluss gewährleistet eine Führung und Abstützung des Formschlusselements 4 gegenüber dem Elektromotorgehäuse EM-G. Diese Außenverzahnung 5 ermöglicht dabei eine günstige bzw. gleichmäßige Kraftverteilung über den Umfang des Formschlusselements 4 und zugleich eine günstige bzw. gleichmäßige Krafteinleitung in das Elektromotorgehäuse EM-G. Fig. 7 veranschaulicht dabei den am Elektromotorgehäuse EM-G zur Außenverzahnung 5 komplementär ausgeformten Abschnitt mit seiner Innenverzahnung. Dabei ist das Formschlusselement 4 der Einfachheit halber nicht dargestellt bzw. ausgeblendet bzw. weggelassen.
Im Sperrzustand der Welle W werden somit sowohl statische als auch dynamische Drehmomentlasten des Antriebsstrangs über diese Außenverzahnung 5 in das Elektromotorgehäuse EM-G eingeleitet. Alternativ zur Außenverzahnung 5 kann auch eine Außenprofilierung des Formschlusselements 4 in Gestalt einzelner, radialer, klauenartiger Vorsprünge vorgesehen sein. Diesbezüglich wird auf die bereits eingangs erwähnten deutschen Patentanmeldungen mit den Aktenzeichen 10 2021 213 737.7 und 10 2021 213 739.3 verwiesen, welche dies beschreiben und veranschaulichen.
Die Sperrvorrichtung SV weist ferner einen multifunktionalen Wellenadapter 12 auf, welcher sich durch die Spindel S hindurch und bis in einen Bereich der Hohlwelle W hinein erstreckt. Dieser Wellenadapter 12 ist dabei im Wesentlichen aus einem Kunststoff hergestellt, in welchen zwei metallische Schleifringe 14a, 14b sowie eine dem jeweiligen Schleifring 14a, 14b zugeordnete metallische Leiter- bzw. Kontaktbahn 16 eingebettet sind. Die Leiterbahn 16 erstreckt sich dabei vom zugeordneten Schleifring 14a, 14b in Richtung der Hohlwelle W durch den Kunststoff des Wellenadapters 12 hindurch.
Des Weiteren ist der Kunststoff des Wellenadapters 12 mit dem wellenseitigen Komplement 6, welches in Gestalt eines metallischen Adapterrings ausgebildet ist, verspritzt bzw. stoffschlüssig verbunden. Fig. 6 veranschaulicht dabei beispielhaft einen ringförmigen Vorsprung des Adapterrings bzw. Formschlusselements 6, welcher stirnseitig am Adapterring 6 und dem Formschlusselement 4 zugewandt in Gestalt einer Schwalbenschwanzform ausgeformt und durch einen Kunststoffflansch des Wellenadapters 12 eingefasst ist. Dieser Adapterring 6 weist dabei eine zur Innenverzahnung IV komplementäre Außenverzahnung AV auf und zudem eine Innenprofilierung bzw. Innenverzahnung, über welche der Adapterring 6 und somit der Wellenadapter 12 auf eine entsprechend komplementär ausgebildete Außenprofilierung bzw. Außenverzahnung der Hohlwelle W aufgepresst ist.
Über den Adapterring 6 lässt sich die vorgeschlagene Sperrvorrichtung SV an unterschiedliche Wellendurchmesser vorteilhafterweise anpassen.
Radial zum Wellenadapter 12 angeordnet sind jeweils zwei Schleifbürsten 2a, 2b, 3a, 3b den beiden Schleifringen 14a, 14b zugeordnet und dabei durch das Gehäuse SV-G aufgenommen. Die Schleifbürsten 2a, 2b, 3a, 3b sind dabei federvorgespannt gegen die zugeordneten Schleifringe 14a, 14b angelegt bzw. kontaktiert. Dabei sind die einem Schleifring 14a, 14b zugeordneten und ein Paar bildenden Schleifbürsten 2a, 2b, 3a, 3b derart zueinander angeordnet, dass sie auf gleicher Höhe liegend einen Winkel einschließen (Fig. 3, Fig. 4).
Zum Zwecke einer Ausrichtung der beiden Formschlusselemente 4, 6 zueinander ist am Formschlusselement 6 stirnseitig und dem Formschlusselement 4 zugewandt ein zentrierend wirkender Verjüngungsabschnitt 7 angeformt (Fig. 6, Fig. 7). Im Falle eines Axialversatzes zwischen dem Formschlusselement 4 und dem Formschlusselement 6 bzw. der Hohlwelle W, kann die Innenverzahnung IV im Zuge einer Längsverschiebung des Formschlusselements 4 in Richtung X - X gegen diesen Verjüngungsabschnitt bzw. Zentrierungsabschnitt 7 anschlagen, um gegenüber der Außenverzahnung AV und somit der Hohlwelle W ausgerichtet zu werden. Das Formschlusselement 6 hat somit neben einer Sperrfunktion auch eine Zentrierungsfunktion, welche eine koaxiale Ausrichtung der beiden Formschlusselemente 4, 6 zueinander gewährleistet. Dadurch wird eine gleichmäßige Kraftverteilung über den Umfang der beiden Formschlusselemente 4, 6 im gefügten Zustand sichergestellt.
Die Sperrvorrichtung SV umfasst ferner eine bspw. induktiv wirkende Positionssensoranordnung zur Erfassung einer Position des mit der Welle W verbundenen Rotors der Synchronmaschine, um eine effiziente elektronische Kommutierung der Synchronmaschine zu ermöglichen. Fig. 8 veranschaulicht dabei beispielhaft eine Positionssensoranordnung im Bereich des äußeren Endes des Wellenadapters 12 bzw. des Endes des Wellenadapters 12, welches dem Wellenende abgewandt ist.
Dabei ist ein zum Gehäuse SV-G ortsfester und in eine Leiterplatte 20 integrierter Signalgeber mit einer Spulenanordnung vorgesehen, welcher mit einem zur Hohlwelle W ortsfesten Sensorbauteil in Gestalt eines metallischen, scheibenartigen Elements 18 zusammenwirkt. Dieses Elements 18, welches der Leiterplatte gegenüberliegend angeordnet ist, ist dabei durch den Kunststoff des Wellenadapters 12 sowie ortsfest zum Wellenadapter 12 aufgenommen. Dieses Element 18 weist dabei umfangsseitig einzelne radiale, klauenartige Vorsprünge auf, welche als solche eine Verstimmung eines auf sie einwirkenden Magnetfeldes bewirken. Zumindest diese radialen, klauenartigen Vorsprünge können dabei magnetisch, bspw. ferromagnetisch ausgeführt sein. In einem einfachen Ausführungsbeispiel ist dieses scheibenartige Element 18 gänzlich aus einem nichtmagnetischen Metall, etwa Aluminium gefertigt.
Alternativ dazu kann eine solche Positionssensoranordnung auch im Bereich der besagten Formschlusselemente 4, 6 bzw. wellenseitig vorgesehen sein.
In die Leiterplatte 20 ist dabei neben dem besagten Signalgeber auch eine Sensorelektronik für die Positionssensoranordnung sowie eine Motorelektronik zur Steuerung des elektrischen Antriebs EA integriert.
Die vorgeschlagene Sperrvorrichtung stellt eine kompakte, bauraumsparende sowie kostengünstige Lösung innerhalb eines Antriebsstrangs, insbesondere eines Fahrzeugs im Sinne einer Parksperre bzw. eines Sperraktuators dar, nach welcher der Sperrmechanismus in den Elektromotor EM und die Sperrvorrichtung in das Elektromotorgehäuse EM-G integriert ist.
Bei einem Fahrzeug mit einer solchen Sperrvorrichtung bedeutet dies, dass das Fahrzeug in einer Parksituation, in welcher das Fahrzeug stillsteht, etwa auf einen Fahrerwunsch hin, gesperrt bzw. blockiert werden kann.
Sofern in dieser Parksituation die Ausrichtung der Welle W nicht derart ist, als dass sie die Sperrung durch das Formschlusselement 4 ermöglicht, kann das Formschlusselement 4 in einem Zustand, in welchem es stirnseitig am wellenseitigen Komplement bzw. Formschlusselement 6 bzw. an der Außenverzahnung AV anliegt, über den besagten Schraubentrieb - gebildet durch die Spindel S und die Spindelmutter SM - und die besagten Schraubenfedern 18 längs zur Welle W und mit einer definierbaren Kraft gegen die Welle W zur Einrastung vorgespannt bzw. verspannt werden. Wird die Welle W daraufhin nur etwas weiter verdreht bzw. gedreht, so kommt es zur Einrastung des Formschlusselements 4 mit dem Form- Schlusselement 6 und somit mit der Welle 6, sobald eine entsprechende Ausrichtung der Welle W erreicht wird, welche die Einrastung ermöglicht. Eine solche Weiter(ver)drehung der Welle W in der Parksituation kann dabei fahrzeugsystemseitig veranlasst werden.
Das besagte Bewegungsspiel zwischen den beiden Formschlusselementen 4, 6 und in Umfangsrichtung der Welle W ermöglicht aber auch folgendes Notfall-Szenario in einem Fehlerfall des Fahrzeugs, in welchem der Elektromotor EM der Elektromotor-Antriebseinheit EM-AE ausfällt.
Kommt es während des Fahrens zu einem Ausfall des Elektromotors EM und wird das Fahrzeug daraufhin auf einer Straße mit einer Steigung bis zum Stillstand abgebremst, dann ermöglicht die vorgeschlagene Sperrvorrichtung SV eine Sperrung bzw. Blockade des daraufhin aus dem Stillstand anrollenden Fahrzeugs, und zwar bis zu einer vom Bewegungsspiel abhängigen Höchstdrehgeschwindigkeit der Welle W bzw. Höchstgeschwindigkeit des Fahrzeugs.
Dabei wird das Formschlusselement 4 mit dem Formschlusselement 6 und somit mit der Welle W unter Ausnutzung des Bewegungsspiels und bis zur vom Bewegungsspiel abhängigen Höchstdrehgeschwindigkeit der Welle W bzw. Höchstgeschwindigkeit des Fahrzeugs zur Einrastung und somit das Fahrzeug zum Stillstand gebracht.
Indem das Formschlusselement 4 in einem Zustand, stirnseitig am Formschlusselement 6 bzw. an der Außenverzahnung AV anliegend, über den Schraubentrieb und die Schraubenfedern 18 und längs zur Welle W mit einer definierbaren Kraft gegen die Welle W und bis zur Einrastung vorgespannt bzw. verspannt wird, erfolgt schließlich die Einrastung, sobald die Welle W eine entsprechende Ausrichtung zum Formschlusselement 4 erfährt.
Obwohl in der vorhergehenden Beschreibung exemplarische Ausführungen erläutert werden, sei darauf hingewiesen, dass eine Vielzahl von Abwandlungen möglich ist. Außerdem sei darauf hingewiesen, dass es sich bei den exempla- rischen Ausführungen lediglich um Beispiele handelt, die den Schutzbereich, die Anwendungen und den Aufbau in keiner Weise einschränken sollen. Vielmehr wird dem Fachmann durch die vorausgehende Beschreibung ein Leitfaden für die Umsetzung von mindestens einer exemplarischen Ausführung gegeben, wobei diverse Änderungen, insbesondere im Hinblick auf die Funktion und Anordnung der beschriebenen Bestandteile, vorgenommen werden können, ohne den Schutzbereich zu verlassen, wie er sich aus den Ansprüchen und diesen äquivalenten Merkmalskombinationen ergibt.

Claims

Patentansprüche:
1 . Sperrvorrichtung (SV) für eine Elektromotor-Antriebseinheit (EM-AE), wobei die Sperrvorrichtung (SV) einen Sperrmechanismus zur Sperrung einer sperrbaren Welle (W) der Elektromotor-Antriebseinheit (EM-AE) aufweist sowie einen elektrischen Antrieb (EA) zur Aktuierung des Sperrmechanismus, welcher neben dem Sperrmechanismus durch ein Gehäuse (SV-G) der Sperrvorrichtung (SV) aufgenommen ist, wobei der Sperrmechanismus ein erstes Formschlusselement (4) mit einer Innenverzahnung (IV) sowie ein zweites, wellenseitiges Formschlusselement (6) mit einer Außenverzahnung (AV) aufweist, gegen welches das erste Formschlusselement (4) in einer Axial-Hubbewegung (X - X) und längs zur Welle (W) formschlüssig aktuierbar ist, wobei am wellenseitigen Formschlusselement (6) stirnseitig und dem ersten Formschlusselement (4) zugewandt ein zentrierend wirkender Verjüngungsabschnitt (7) angeformt ist, gegen welchen die Innenverzahnung (IV) anschlagbar ist, um die beiden Formschlusselemente (4, 6) zueinander auszurichten.
2. Sperrvorrichtung (SV) nach Anspruch 1 , wobei durch das Gehäuse (SV-G) zudem ein multifunktionaler Wellenadapter (12) zur Verbindung mit der sperrbaren Welle (W) aufgenommen ist, welcher im Wesentlichen aus einem Kunststoff hergestellt ist und in welchen Kontaktierungsmittel zur Fremderregung eines mit der Welle (W) verbundenen Rotors einer Synchronmaschine der Elektromotor-Antriebseinheit (EM-AE) eingebettet sind, wobei der Kunststoff des Wellenadapters (12) mit dem wellenseitigen Formschlusselement (6) stoffschlüssig verbunden ist.
3. Sperrvorrichtung (SV) nach Anspruch 2, wobei die Kontaktierungsmittel zumindest zwei Schleifringe (14a, 14b) zur Kontaktierung mit einer zugeordneten Schleifbürste (2a, 2b, 3a, 3b) sowie zumindest eine dem jeweiligen Schleifring (14a, 14b) zugeordnete Leiterbahn (16) umfassen, welche sich vom zugeordneten Schleifring (14a, 14b) durch den Kunststoff des Wellenadapters (12) erstreckt.
4. Elektromotor-Antriebseinheit (EM-AE), insbesondere zum Antrieb eines
Fahrzeugs mit einer Sperrvorrichtung (SV) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welche an einem Gehäuse (EM-G) eines Elektromotors (EM) der Elektromotor-Antriebseinheit (EM-AE) angebracht ist.
5. Fahrzeug mit einer Elektromotor-Antriebseinheit (EM-AE) nach Anspruch 4.
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