EP4666368A1 - Wellenvorrichtung und kraftfahrzeug mit einer wellenvorrichtung - Google Patents

Wellenvorrichtung und kraftfahrzeug mit einer wellenvorrichtung

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EP4666368A1
EP4666368A1 EP24703305.3A EP24703305A EP4666368A1 EP 4666368 A1 EP4666368 A1 EP 4666368A1 EP 24703305 A EP24703305 A EP 24703305A EP 4666368 A1 EP4666368 A1 EP 4666368A1
Authority
EP
European Patent Office
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shaft
hollow shaft
hollow
region
opening
Prior art date
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Pending
Application number
EP24703305.3A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
David Evenschor
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.)
Bayerische Motoren Werke AG
Original Assignee
Bayerische Motoren Werke AG
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Filing date
Publication date
Application filed by Bayerische Motoren Werke AG filed Critical Bayerische Motoren Werke AG
Publication of EP4666368A1 publication Critical patent/EP4666368A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K11/00—Structural association of dynamo-electric machines with electric components or with devices for shielding, monitoring or protection
    • H02K11/40—Structural association with grounding devices
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C41/00—Other accessories, e.g. devices integrated in the bearing not relating to the bearing function as such
    • F16C41/002—Conductive elements, e.g. to prevent static electricity
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K1/00—Details of the magnetic circuit
    • H02K1/06—Details of the magnetic circuit characterised by the shape, form or construction
    • H02K1/22—Rotating parts of the magnetic circuit
    • H02K1/32—Rotating parts of the magnetic circuit with channels or ducts for flow of cooling medium
    • H—ELECTRICITY
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    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K7/00—Arrangements for handling mechanical energy structurally associated with dynamo-electric machines, e.g. structural association with mechanical driving motors or auxiliary dynamo-electric machines
    • H02K7/003—Couplings; Details of shafts
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    • F16C2226/50—Positive connections
    • F16C2226/80—Positive connections with splines, serrations or similar profiles to prevent movement between joined parts
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C2380/00—Electrical apparatus
    • F16C2380/26—Dynamo-electric machines or combinations therewith, e.g. electro-motors and generators
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C3/00—Shafts; Axles; Cranks; Eccentrics
    • F16C3/02—Shafts; Axles
    • F16C3/023—Shafts; Axles made of several parts, e.g. by welding
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K2213/00—Specific aspects, not otherwise provided for and not covered by codes H02K2201/00 - H02K2211/00
    • H02K2213/03—Machines characterised by numerical values, ranges, mathematical expressions or similar information

Definitions

  • the invention relates to a shaft device which is designed to be coupled to a rotor shaft of an electric machine of a motor vehicle.
  • a further aspect of the invention relates to a motor vehicle with a shaft device.
  • Such shaft devices can be designed on the one hand to guide a fluid, for example for cooling and/or lubrication, and on the other hand to divert currents via a shaft grounding, as mentioned by way of example in DE 10 2021 204 098 A1.
  • a device for electrically coupling a rotatably mounted shaft to a component of a drive system in which the shaft is part of an at least partially electric drive system.
  • the device comprises a first coupling unit which is formed from an electrically conductive material and can be or is fastened to the shaft so as to rotate with it.
  • the device comprises a second coupling unit which is formed from an electrically conductive material and can be fastened to the component in the drive system in a fixed manner with respect to the shaft.
  • the object of the present invention is to provide a shaft device of the type mentioned at the outset, which contributes to a fail-safe and fuel-efficient operation of a motor vehicle.
  • a first aspect of the invention relates to a shaft device which is designed for coupling to a rotor shaft of an electric machine of a motor vehicle, with a hollow shaft, along the axial extension of which there is a through-opening for passing a fluid for fluid exchange with the rotor shaft, and with a shaft grounding surface arranged on the hollow shaft, which is designed to make contact with a grounding element in order to divert currents generated during operation of the electrical machine via the hollow shaft in the direction of a housing.
  • the housing can in particular be assigned to the electrical machine.
  • the shaft device has a tube insert received in the through-opening, which has a through-opening with a smaller inner diameter than a first inner diameter of the through-opening and is designed to form a step that prevents the fluid from flowing back together with a hollow shaft wall of the hollow shaft within the through-opening.
  • the advantage here is that the step that prevents the fluid from flowing back can ensure that a sufficient amount of fluid can be ensured even when the hollow shaft is rotating during operation of the electrical machine, which is particularly the case when the step is rotationally symmetrical with respect to a rotation axis of the hollow shaft oriented along the axial extension direction.
  • the grounding element can advantageously be designed as a shaft grounding pin, which, in contrast to disk-shaped or ring-shaped grounding elements, for example, provides a particularly high degree of flexibility in the arrangement of the grounding element.
  • the tube insert has a hollow tube region through which the passage opening extends, and a support region over which the hollow tube region is supported on the hollow shaft wall and is spaced from the hollow shaft wall.
  • the hollow tube region and the support region enable a particularly needs-based, and above all weight-reduced, design of the tube insert.
  • linear or point-shaped support on the hollow shaft wall can be provided via the support region, whereby the support region can take on the function of a spacer.
  • An air gap can extend in the axial direction between the hollow tube region and the hollow shaft wall along the support region, through which leakage of the fluid that occurs, for example, during operation of the electrical machine can be discharged.
  • the support area has at least two webs, which are oriented at least predominantly in the axial direction. This is advantageous because the at least two webs provide sufficient Positional security can be ensured with a low weight of the support area. In addition, the at least two webs make it easy to ensure that the air gap remains the same size even when the shaft device is rotating. Depending on the number of webs, the air gap can be divided into several air gap segments on the circumference, but the air gap remains large enough to reliably drain the leakage.
  • the at least two webs extend at least partially in a helical shape between the hollow tube region and the hollow shaft wall.
  • the helical design of the at least two webs allows any leakage of the fluid between the hollow tube region and the hollow shaft wall as a result of rotation of the hollow shaft together with the tube insert during operation of the electrical machine to be drained away in an improved manner.
  • the at least partially helical shape of the at least two webs can promote the drainage of the leakage from an intermediate space between the hollow tube region and the hollow shaft wall.
  • the hollow shaft is made of a metallic material and the tube insert is made of a plastic.
  • the hollow shaft comprises a first hollow shaft region in which the through-opening has the first inner diameter and a second hollow shaft region adjoining the first hollow shaft region in which the through-opening has a second inner diameter that is larger than the first inner diameter, with the tube insert being accommodated in the second hollow shaft region.
  • the tube insert has at least one locking element, via which the tube insert is locked to the hollow shaft and is secured against sliding out of the hollow shaft in the axial direction.
  • the locking element can advantageously provide a simple and Reliable securing of the position of the tube insert on the hollow shaft, especially on the hollow shaft wall.
  • a second aspect of the invention relates to a motor vehicle with a shaft device according to the first aspect of the invention, in which the rotor shaft of the electric machine is coupled to the hollow shaft of the shaft device for fluid exchange and a grounding element is in contact with the shaft grounding surface. This enables fail-safe and fuel-efficient operation of the motor vehicle.
  • Fig. 1 is a perspective sectional view of a variant of a shaft device which is designed for coupling to a rotor shaft of a schematically illustrated electrical machine of a likewise schematically illustrated motor vehicle, wherein the shaft device has a hollow shaft, along the axial extent of which a through-opening extends for passing a fluid through for fluid exchange with the rotor shaft, and a shaft earthing surface arranged on the hollow shaft is provided, which is designed for contact with a grounding element in order to divert currents arising during operation of the electrical machine via the hollow shaft in the direction of a housing, wherein the shaft device has a tube insert received in the through-opening, which has a through-opening with a smaller inner diameter as a first inner diameter of the through-opening and is designed to form a step hindering a backflow of the fluid together with a hollow shaft wall of the hollow shaft within the through-opening;
  • Fig. 2 is a perspective view of a first variant of the tube insert, showing several straight webs which are at least predominantly oriented in the axial extension direction;
  • Fig. 3 is a perspective view of a second variant of the tube insert, wherein the webs are at least partially helical;
  • Fig. 4 is a detailed view showing a locking element of the tube insert, by means of which the tube insert is locked to the hollow shaft and secured against slipping out of the hollow shaft in the axial direction.
  • Fig. 1 shows an abstract representation of a motor vehicle K with a shaft device 10 shown in a perspective sectional view, which is coupled to a rotor shaft 102 of an electric machine 100 of the motor vehicle K.
  • the shaft device 10 has a hollow shaft 20, which can be coupled to the rotor shaft 102, for example via a spline, to transmit torque, as is indicated by way of example in Fig. 1.
  • the hollow shaft can have a toothing shown in Fig. 1 but not provided with a reference number, via which further drive elements of the motor vehicle K, not shown here, can be driven.
  • the hollow shaft 20 has a through-opening 22 which extends along an axial extension direction X indicated by an arrow in Fig. 1.
  • the axial extension direction X runs along a rotation axis R shown in dashed lines in Fig. 1, about which the shaft device 10 and thus also the hollow shaft 20 can rotate during operation of the electric machine 100, for example as a result of driving the motor vehicle K using the electric machine 100.
  • the through-opening 22 serves to pass a flow of a fluid through, which can also be referred to as fluid flow 12 and is indicated by an arrow in Fig. 1.
  • An arrowhead of this arrow also indicates a flow direction of the fluid flow 12. For reasons of clarity, further line elements of the motor vehicle K that guide the fluid flow 12 to the hollow shaft 20 have not been shown.
  • the hollow shaft 20 On one end face of the hollow shaft 20, the latter has a shaft grounding surface 21, which is oriented perpendicular to the axial extension direction X and is in contact with a grounding element 110.
  • the grounding element 110 which is also shown in abstract form in Fig. 1, can be designed as a shaft grounding pin, for example.
  • Currents generated during operation of the electrical machine 100 can be diverted from the hollow shaft 20 towards a housing 104 via the shaft grounding surface 21 and the grounding element 110.
  • the housing 104 can, for example, be assigned to the electrical machine 100 and surround the shaft device 10.
  • the hollow shaft 20 comprises a first hollow shaft region 24 in which the through opening 22 has the first inner diameter 11.
  • the hollow shaft 20 comprises a second hollow shaft region 34 which is immediately adjacent to the first hollow shaft region 24 and in which the through opening 22 has a second inner diameter 12 which is larger than the first inner diameter 11.
  • the tube insert 40 is accommodated in the second hollow shaft region 34, as can be seen in Fig. 1.
  • the toothing which is not provided with a reference number is also assigned to the second hollow shaft region 34, whereas the spline toothing for coupling the hollow shaft 20 to the rotor shaft 102 is assigned to the first hollow shaft region 24.
  • the passage opening 42 has an inner diameter I which is smaller than the two inner diameters 11, I2 of the passage opening 22.
  • the pipe insert 40 thus forms a step 70 which hinders a backflow of the fluid flow 12 together with a hollow shaft wall 38 of the hollow shaft 20 within the passage opening 22.
  • the tube insert 40 generally has a hollow tube region 44, in other words a region that is designed as a hollow tube.
  • the hollow tube can also be referred to as a hollow cylinder.
  • the tube insert 40 has a support region 50, via which the hollow tube region 44 is supported on the hollow shaft wall 38 and is spaced apart from the hollow shaft wall 38.
  • the support region 50 has three webs 52, 54, 56 arranged evenly on the circumference of the hollow tube region 44, which in the variant shown in Fig. 2 are oriented parallel to the axial extension direction X.
  • the corresponding webs 52, 54, 56 are also predominantly oriented in the axial extension direction X, but are at least partially helical in shape and thus partially surround the hollow tube region 44 in a helical shape.
  • the webs 52, 54, 56 extend at least partially helically between the hollow tube region 44 and the hollow shaft wall 38.
  • Fig. 4 shows a partial, schematic representation of an optional design of the tube insert 40, which can be used in all variants of the tube insert 40.
  • the tube insert 40 has a locking element 60, via which the tube insert 40 is locked to the hollow shaft 20 and is secured against sliding out of the hollow shaft 20 in the axial extension direction X.
  • the locking element 60 engages in a recess 36, which can extend, for example, as an annular groove around the rotation axis R along the hollow shaft wall 38.
  • the shaft device 10 enables the fluid flow 12 to be guided through the hollow shaft 20, whereby the step 70 prevents or at least impedes a backflow of the fluid.
  • the shaft device 10 can be made particularly light due to the pipe insert 40, which is preferably made of plastic. While the pipe insert 40 is dispensed with in hollow shaft elements known from the prior art and the different diameters, namely the inner diameter I and the first Inner diameter 11, are provided by exclusively metallic tube walls, the tube insert 40 in the present shaft device 10 leads to comparatively high weight savings and thus to the avoidance of additional costs, high weight and increased use of resources.
  • the tube insert 40 makes it possible to design the through-opening 22 with the first inner diameter 11 and the second inner diameter I2 exclusively taking into account requirements for the required rigidity, strength, natural frequency and external interfaces to the hollow shaft 20, so that, for example, rolling bearings, plain bearings, gears or gear rims connected to the hollow shaft 20 can be used in a fail-safe manner without having to make the hollow shaft 20 unnecessarily heavy.
  • the inner diameter I is provided in the present case by the tube insert 40, wherein the tube insert 40, which can also be referred to as a plastic insert, both enables the fluid to be conducted through at least one area, namely the second hollow shaft area 34 of the hollow shaft 20, and also contributes to reducing (hindering) the fluid backflow by means of the step 70 and is supported on the hollow shaft wall 38.
  • the support region 50 which can also be referred to as support geometry, enables a leakage of the fluid to be diverted from an air gap 39 formed between the hollow tube region 44 and the hollow shaft wall 38, through which the support region 50 extends. The leakage can advantageously be guided to the shaft grounding surface 21 and there provide lubrication at the sliding contact between the shaft grounding surface 21 and the grounding element 110, thereby achieving improved durability of the grounding element 110 and thus increased reliability.
  • the support region 50 When the shaft device 10 rotates as a result of operation of the electric machine 100, the support region 50 enables the leakage to be drained from the air gap 39, and if the support region 50 or the webs 52, 54, 56 are designed in a helical manner, it is even possible to achieve a favorable, rotation-related conveyance of the fluid out of the air gap 39.
  • the removal of the fluid from the air gap 39 can be supported by the webs 52, 54, 56, in particular if the webs extend at least partially in a helical shape in the air gap 39, i.e. between the hollow tube region 44 and the hollow shaft wall 38. This avoids any possible dead volume and/or any accumulation of dirt elements, such as particles, fibers or the like in the air gap 39.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Wellenvorrichtung (10), welche zur Koppelung mit einer Rotorwelle (102) einer elektrischen Maschine (100) eines Kraftfahrzeugs (K) ausgebildet ist, mit einer Hohlwelle (20), entlang deren Axialerstreckung (X) sich eine Durchgangsöffnung (22) zum Durchleiten eines Fluids für einen Fluidaustausch mit der Rotorwelle (102) erstreckt, und mit einer an der Hohlwelle (20) angeordneten Wellenerdungsfläche (21), welche zur Kontaktierung mit einem Erdungselement (110) ausgebildet ist, um beim Betrieb der elektrischen Maschine (100) entstehende Ströme über die Hohlwelle (20) in Richtung zu einem Gehäuse (104) abzuleiten. Die Wellenvorrichtung (10) weist einen in der Durchgangsöffnung (22) aufgenommenen Rohreinsatz (40) auf, welcher eine Durchtrittsöffnung (42) mit einem kleineren Innendurchmesser (I) als ein erster Innendurchmesser (I1) der Durchgangsöffnung (22) aufweist und dazu ausgebildet ist, eine einen Rückfluss des Fluids behindernde Stufe (70) zusammen mit einer Hohlwellenwandung (38) der Hohlwelle (20) innerhalb der Durchgangsöffnung (22) auszubilden. Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug (K) mit einer derartigen Wellenvorrichtung (10).

Description

Wellenvorrichtung und Kraftfahrzeug mit einer Wellenvorrichtung
Die Erfindung betrifft eine Wellenvorrichtung, welche zur Koppelung mit einer Rotorwelle einer elektrischen Maschine eines Kraftfahrzeugs ausgebildet ist. Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug mit einer Wellenvorrichtung.
Derartige Wellenvorrichtungen können einerseits zur Führung eines Fluids, beispielsweise zur Kühlung und/oder Schmierung, und andererseits zum Ableiten von Strömen über eine Wellenerdung ausgebildet sein, wie sie beispielhaft in der DE 10 2021 204 098 A1 erwähnt ist. Aus dieser Offenlegungsschrift ist eine Vorrichtung zum elektrischen Koppeln einer drehbar gelagerten Welle mit einem Bauteil eines Antriebssystems bekannt, bei der die Welle Teil eines zumindest teilweise elektrischen Antriebssystems ist. Die Vorrichtung umfasst eine erste Kopplungseinheit, die aus einem elektrisch leitfähigen Material ausgeformt ist und an der Welle mitdrehend befestigbar oder befestigt ist. Weiterhin umfasst die Vorrichtung eine zweite Kopplungseinheit, die aus einem elektrisch leitfähigen Material ausgeformt ist und bezüglich der Welle feststehend an dem Bauteil in dem Antriebssystem befestigbar ist. In einem montierten Zustand der Vorrichtung, in dem die erste Kopplungseinheit an der Welle befestigt ist und die zweite Kopplungseinheit bezüglich der Welle feststehend an dem Bauteil in dem Antriebssystem befestigt ist, ist eine kapazitive Kopplung zwischen der ersten Kopplungseinheit und der zweiten Kopplungseinheit über einen Spalt zwischen denselben hinweg erzeugbar.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Wellenvorrichtung der eingangs genannten Art bereitzustellen, welche zu einem ausfallsicheren und verbrauchsgünstigen Betrieb eines Kraftfahrzeugs beiträgt.
Diese Aufgabe wird durch eine Wellenvorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des Patentanspruchs 8 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft eine Wellenvorrichtung, welche zur Koppelung mit einer Rotorwelle einer elektrischen Maschine eines Kraftfahrzeugs ausgebildet ist, mit einer Hohlwelle, entlang deren Axialerstreckung sich eine Durchgangsöffnung zum Durchleiten eines Fluids für einen Fluidaustausch mit der Rotorwelle erstreckt, und mit einer an der Hohlwelle angeordneten Wellenerdungsfläche, welche zur Kontaktierung mit einem Erdungselement ausgebildet ist, um beim Betrieb der elektrischen Maschine entstehende Ströme über die Hohlwelle in Richtung zu einem Gehäuse abzuleiten. Das Gehäuse kann insbesondere der elektrischen Maschine zugeordnet sein.
Gemäß der Erfindung ist vorgesehen, dass die Wellenvorrichtung einen in der Durchgangsöffnung aufgenommenen Rohreinsatz aufweist, welcher eine Durchtrittsöffnung mit einem kleineren Innendurchmesser als ein erster Innendurchmesser der Durchgangsöffnung aufweist und dazu ausgebildet ist, eine einen Rückfluss des Fluids behindernde Stufe zusammen mit einer Hohlwellenwandung der Hohlwelle innerhalb der Durchgangsöffnung auszubilden. Von Vorteil ist hierbei, dass durch die den Rückfluss des Fluids behindernde Stufe sichergestellt werden kann, dass eine ausreichende Menge des Fluids auch bei sich beim Betrieb der elektrischen Maschine rotierender Hohlwelle sichergestellt werden kann, was insbesondere bei in Bezug auf eine entlang der Axialerstreckungsrichtung orientierte Rotationsachse der Hohlwelle rotationssymmetrischer Ausgestaltung der Stufe der Fall ist. Das Erdungselement kann in vorteilhafter weise als Wellenerdungsstift ausgebildet sein, wodurch, beispielsweise im Gegensatz zu scheibenförmigen oder ringförmigen Erdungselementen, eine besonders hohe Flexibilität in der Anordnung des Erdungselements gegeben ist.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist der Rohreinsatz einen Hohlrohrbereich, durch welchen sich die Durchtrittsöffnung erstreckt sowie einen Abstützbereich auf, überweichen der Hohlrohrbereich an der Hohlwellenwandung abgestützt und von der Hohlwellenwandung beabstandet ist. Dies ist von Vorteil, da durch den Hohlrohrbereich und den Abstützbereich eine besonders bedarfsgerechte, vor allem gewichtsreduzierte Ausgestaltung des Rohreinsatzes ermöglicht ist. So kann beispielsweise über den Abstützbereich eine linienförmige oder punktförmige Abstützung an der Hohlwellenwandung erfolgen, wobei der Abstützbereich die Funktion eines Abstandshalters einnehmen kann. Zwischen dem Hohlrohrbereich und der Hohlwellenwandung kann sich entlang des Abstützbereichs ein Luftspalt in Axialerstreckungsrichtung erstrecken, durch welchen beispielsweise beim Betrieb der elektrischen Maschine auftretende Leckage des Fluids abgeführt werden kann.
In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist der Abstützbereich wenigstens zwei Stege auf, welche zumindest überwiegend in Axialerstreckungsrichtung orientiert sind. Dies ist von Vorteil, da durch die wenigstens zwei Stege eine ausreichende Lagesicherung bei geringem Gewicht des Abstützbereich sichergestellt werden kann. Darüber hinaus kann durch die wenigstens zwei Stege auf einfache Weise sichergestellt werden, dass der Luftspalt auch bei rotierender Wellenvorrichtung gleich groß bleibt. Je nach Anzahl der Stege kann der Luftspalt zwar umfangsseitig in mehrere Luftspaltsegmente unterteilt werden, dennoch bleibt der Luftspalt ausreichend groß, um die Leckage zuverlässig abführen zu können.
In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung erstrecken sich die wenigstens zwei Stege zumindest bereichsweise helixförmig zwischen dem Hohlrohrbereich und der Hohlwellenwandung. Dies ist von Vorteil, da durch die helixförmig Ausgestaltung der wenigstens zwei Stege etwaige Leckage des Fluids zwischen dem Hohlrohrbereich und der Hohlwellenwandung infolge einer Rotation der Hohlwelle zusammen mit dem Rohreinsatz beim Betrieb der elektrischen Maschine auf verbesserte Weise abgeführt werden kann. Mit anderen Worten kann die zumindest bereichsweise Helixform der wenigstens zwei Stege das Ausleiten der Leckage aus einem Zwischenraum zwischen dem Hohlrohrbereich und der Hohlwellenwandung fördern.
In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die Hohlwelle aus einem metallischen Werkstoff und der Rohreinsatz aus einem Kunststoff gebildet. Die stellt in vorteilhafter Weise eine besonders bedarfsgerechte Werkstoffkombination dar, durch welche sich insbesondere Gewicht einsparen lässt.
In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung umfasst die Hohlwelle einen ersten Hohlwellenbereich, in welchem die Durchgangsöffnung den ersten Innendurchmesser aufweist und einen an den ersten Hohlwellenbereich anschließenden, zweiten Hohlwellenbereich, in welchem die Durchgangsöffnung einen im Vergleich zu dem ersten Innendurchmesser größeren, zweiten Innendurchmesser aufweist, wobei der Rohreinsatz in dem zweiten Hohlwellenbereich aufgenommen ist. Dies ist von Vorteil, da sich durch die unterschiedlichen ersten und zweiten Innendurchmesser derjeweiligen Hohlwellenbereiche eine rotationssymmetrische Abstufung der Durchgangsöffnung realisieren lässt, welche eine besonders einfache Montage des Rohreinsatzes in der Durchgangsöffnung ermöglicht.
In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist der Rohreinsatz zumindest ein Rastelement auf, über welches der Rohreinsatz mit der Hohlwelle verrastet und gegenüber einem Herausgleiten aus der Hohlwelle in Axialerstreckungsrichtung gesichert ist. Durch das Rastelement kann in vorteilhafter Weise eine gleichsam einfache und zuverlässige Lagesicherung des Rohreinsatzes an der Hohlwelle, insbesondere an der Hohlwellenwandung, erfolgen.
Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug mit einer Wellenvorrichtung gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung, bei welchem die Rotorwelle der elektrischen Maschine mit der Hohlwelle der Wellenvorrichtung zum Fluidaustausch gekoppelt und ein Erdungselement mit der Wellenerdungsfläche kontaktiert ist. Dadurch ist ein ausfallsicherer und verbrauchsgünstiger Betrieb des Kraftfahrzeugs ermöglicht.
Die in Bezug auf einen der Aspekte vorgestellten, bevorzugten Ausführungsformen und deren Vorteile gelten entsprechend für die jeweils anderen Aspekte der Erfindung und umgekehrt.
Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnungen.
Im Folgenden ist die Erfindung noch einmal anhand eines konkreten Ausführungsbeispiels erläutert. Hierzu zeigt:
Fig. 1 eine perspektivische Schnittdarstellung einer Variante einer Wellenvorrichtung, welche zur Koppelung mit einer Rotorwelle einer schematisch dargestellten elektrischen Maschine eines ebenfalls schematisch dargestellten Kraftfahrzeugs ausgebildet ist, wobei die Wellenvorrichtung eine Hohlwelle aufweist, entlang deren Axialerstreckung sich eine Durchgangsöffnung zum Durchleiten eines Fluids für einen Fluidaustausch mit der Rotorwelle erstreckt, und eine an der Hohlwelle angeordnete Wellenerdungsfläche vorgesehen ist, welche zur Kontaktierung mit einem Erdungselement ausgebildet ist, um beim Betrieb der elektrischen Maschine entstehende Ströme über die Hohlwelle in Richtung zu einem Gehäuse abzuleiten, wobei die Wellenvorrichtung einen in der Durchgangsöffnung aufgenommenen Rohreinsatz aufweist, welcher eine Durchtrittsöffnung mit einem kleineren Innendurchmesser als ein erster Innendurchmesser der Durchgangsöffnung aufweist und dazu ausgebildet ist, eine einen Rückfluss des Fluids behindernde Stufe zusammen mit einer Hohlwellenwandung der Hohlwelle innerhalb der Durchgangsöffnung auszubilden;
Fig. 2 eine Perspektivdarstellung einer ersten Variante des Rohreinsatzes, welche mehrere gerade Stege zeigt, die zumindest überwiegend in Axialerstreckungsrichtung orientiert sind;
Fig. 3 eine Perspektivdarstellung einer zweiten Variante des Rohreinsatzes, wobei die Stege zumindest bereichsweise helixförmig ausgebildet sind; und
Fig. 4 eine Detailansicht, welche ein Rastelement des Rohreinsatzes zeigt, über weichen der Rohreinsatz mit der Hohlwelle verrastet und gegenüber einem Herausgleiten aus der Hohlwelle in Axialerstreckungsrichtung gesichert ist.
Fig. 1 zeigt in abstrahierter Darstellung ein Kraftfahrzeug K mit einer in perspektivische Schnittdarstellung gezeigten Wellenvorrichtung 10, welche mit einer Rotorwelle 102 einer elektrischen Maschine 100 des Kraftfahrzeugs K gekoppelt ist. Die Wellenvorrichtung 10 weist eine Hohlwelle 20 auf, welche beispielsweise über eine Keilverzahnung Drehmoment übertragen mit der Rotorwelle 102 gekoppelt sein kann, wie exemplarisch in Fig. 1 angedeutet ist.
Die Hohlwelle kann eine in Fig. 1 dargestellte, jedoch nicht mit Bezugszeichen versehene Verzahnung aufweisen, über welche weitere, vorliegend nicht dargestellte Antriebselemente des Kraftfahrzeugs K angetrieben werden können.
Die Hohlwelle 20 weist eine Durchgangsöffnung 22 auf, welche sich entlang einer in Fig. 1 durch einen Pfeil verdeutlichten Axialerstreckungsrichtung X erstreckt. Die Axialerstreckungsrichtung X verläuft dabei entlang einer in Fig. 1 gestrichelt dargestellten Rotationsachse R, um welche die Wellenvorrichtung 10 und damit auch die Hohlwelle 20 beim Betrieb der elektrischen Maschine 100, beispielsweise infolge eines Antreibens des Kraftfahrzeugs K anhand der elektrischen Maschine 100, rotieren kann. Die Durchgangsöffnung 22 dient zum Durchleiten eines Stroms eines Fluids, welche auch als Fluidstrom 12 bezeichnet werden kann und in Fig. 1 durch einen Pfeil verdeutlicht ist. Eine Pfeilspitze dieses Pfeils gibt dabei auch eine Strömungsrichtung des Fluidstroms 12 an. Aus Gründen der Übersichtlichkeit wurde auf eine Darstellung weiterer, den Fluidstrom 12 zu der Hohlwelle 20 führender Leitungselemente des Kraftfahrzeugs K verzichtet.
An einer Stirnseite der Hohlwelle 20 weist Letztere eine vorliegend senkrecht zur Axialerstreckungsrichtung X orientierte Wellenerdungsfläche 21 auf, welche mit einem Erdungselement 110 kontaktiert ist. Das in Fig. 1 ebenfalls abstrahiert dargestellte Erdungselement 110 kann beispielsweise als Wellenerdungsstift ausgebildet sein. Über die Wellenerdungsfläche 21 und das Erdungselement 110 können beim Betrieb der elektrischen Maschine 100 entstehende Ströme von der Hohlwelle 20 in Richtung zu einem Gehäuse 104 abgeleitet werden. Das Gehäuse 104 kann beispielsweise der elektrischen Maschine 100 zugeordnet sein und die Wellenvorrichtung 10 umgeben.
In der Durchgangsöffnung 22 ist ein Rohreinsatz 40 der Wellenvorrichtung 10 aufgenommen, welcher eine Durchtrittsöffnung 42 aufweist. Während die Hohlwelle 20 aus einem metallischen Werkstoff, beispielsweise Stahl, gebildet ist, kann der Rohreinsatz 40 aus Gewichtsgründen aus einem Kunststoff gebildet sein.
Die Hohlwelle 20 umfasst einen ersten Hohlwellenbereich 24, in welchem die Durchgangsöffnung 22 den ersten Innendurchmesser 11 aufweist. Darüber hinaus umfasst die Hohlwelle 20 einen an den ersten Hohlwellenbereich 24 unmittelbar anschließenden, zweiten Hohlwellenbereich 34, in welchem die Durchgangsöffnung 22 einen im Vergleich zu dem ersten Innendurchmesser 11 größeren, zweiten Innendurchmesser I2 aufweist. Der Rohreinsatz 40 ist in dem zweiten Hohlwellenbereich 34 aufgenommen, wie in Fig. 1 erkennbar ist. Darüber hinaus ist auch die nicht mit Bezugszeichen versehene Verzahnung dem zweiten Hohlwellenbereich 34 zugeordnet, wohingegen die Keilverzahnung zur Koppelung der Hohlwelle 20 mit der Rotorwelle 102 dem ersten Hohlwellenbereich 24 zugeordnet ist.
Die Durchtrittsöffnung 42 weist einen Innendurchmesser I auf, welcher kleiner ist als die beiden Innendurchmesser 11 , I2 der Durchgangsöffnung 22. Der Rohreinsatz 40 bildet dadurch eine einen Rückfluss des Fluidstroms 12 behindernde Stufe 70 zusammen mit einer Hohlwellenwandung 38 der Hohlwelle 20 innerhalb der Durchgangsöffnung 22 aus. Anhand von Fig. 2 und Fig. 3 ist erkennbar, dass der Rohreinsatz 40 allgemein einen Hohlrohrbereich 44 aufweist, also mit anderen Worten einen Bereich, der als Hohlrohr ausgebildet ist. Das Hohlrohr kann auch als Hohlzylinder bezeichnet werden. Zudem weist der Rohreinsatz 40 einen Abstützbereich 50 auf, über welchen der Hohlrohrbereich 44 an der Hohlwellenwandung 38 abgestützt und von der Hohlwellenwandung 38 beanstandet ist.
Der Abstützbereich 50 weist vorliegend drei gleichmäßig umfangsseitig des Hohlrohrbereichs 44 angeordnete Stege 52, 54, 56 auf, welche in der in Fig. 2 gezeigten Variante parallel zur Axialerstreckungsrichtung X orientiert sind. In der in Fig. 3 gezeigten Variante hingegen sind die entsprechenden Stege 52, 54, 56 zwar ebenfalls überwiegend in Axialerstreckungsrichtung X orientiert, jedoch zumindest bereichsweise helixförmig ausgestaltet sind und dadurch den Hohlrohrbereich 44 bereichsweise helixförmig umgeben. In der in Fig. 3 gezeigten Variante des Rohreinsatzes 40 erstrecken sich die Stege 52, 54, 56 also zumindest bereichsweise helixförmig zwischen dem Hohlrohrbereich 44 und der Hohlwellenwandung 38. Unter dem Ausdruck „zumindest überwiegend“ ist im Rahmen der vorliegenden Offenbarung zu verstehen, dass sich die Stege 52, 54, 56 hauptsächlich also über einen Hauptanteil ihrer räumlichen Erstreckung in Axialerstreckungsrichtung X erstrecken, was für beide in Fig. 2 bzw. Fig. 3 gezeigten Varianten gilt.
Fig. 4 zeigt in ausschnittsweiser, schematischer Darstellung eine optionale Ausgestaltung des Rohreinsatz 40, welche bei sämtlichen Varianten des Rohreinsatzes 40 eingesetzt werden kann. Bei dieser Ausgestaltung weist der Rohreinsatz 40 ein Rastelement 60 auf, über welches der Rohreinsatz 40 mit der Hohlwelle 20 verrastet und gegenüber einem herausgleiten aus der Hohlwelle 20 in Axialerstreckungsrichtung X gesichert ist. Hierzu greift das Rastelement 60 in eine Aussparung 36 ein, welche sich beispielsweise als Ringnut um die Rotationsachse R entlang der Hohlwellenwandung 38 erstrecken kann.
Die Wellenvorrichtung 10 ermöglicht einerseits die Leitung des Fluidstroms 12 durch die Hohlwelle 20, wobei durch die Stufe 70 ein Rückfluss des Fluids verhindert oder zumindest erschwert wird. Durch den vorzugsweise aus Kunststoff gefertigten Rohreinsatz 40 kann die Wellenvorrichtung 10 besonders leicht ausgebildet sein. Während bei aus dem Stand der Technik bekannten Hohlwellenelementen auf den Rohreinsatz 40 verzichtet wird und die unterschiedlichen Durchmesser, nämlich der Innendurchmesser I und der erste Innendurchmesser 11, durch ausschließlich metallische Rohrwände bereitgestellt werden, führt der Rohreinsatz 40 bei der vorliegenden Wellenvorrichtung 10 zu vergleichsweise hohen Gewichtseinsparungen und damit zur Vermeidung von Mehrkosten, hohem Gewicht und einem erhöhten Ressourceneinsatz.
Durch den Rohreinsatz 40 ist es möglich, die Durchgangsöffnung 22 mit dem ersten Innendurchmesser 11 und dem zweiten Innendurchmesser I2 ausschließlich unter Berücksichtigung von Anforderungen an eine benötigte Steifigkeit, Festigkeit, Eigenfrequenz und äußere Schnittstellen zur Hohlwelle 20 auszulegen, sodass beispielsweise mit der Hohlwelle 20 verbundene Wälzlager, Gleitlager, Zahnräder oder Zahnkränze ausfallsicher eingesetzt werden können, ohne die Hohlwelle 20 hierbei unnötig schwer ausgestalten zu müssen. Der Innendurchmesser I wird vorliegend durch den Rohreinsatz 40 bereitgestellt, wobei der Rohreinsatz 40, welcher auch als Kunststoffeinsatz bezeichnet werden kann, sowohl die Leitung des Fluids zumindest durch einen Bereich, nämlich den zweiten Hohlwellenbereich 34 der Hohlwelle 20, ermöglicht, als auch anhand der Stufe 70 zur Reduzierung (Behinderung) des Fluidrückflusses beiträgt und sich an der Hohlwellenwandung 38 abgestützt. Der Abstützbereich 50, welcher auch als Abstützgeometrie bezeichnet werden kann, ermöglicht ein Ausleiten einer Leckage des Fluids aus einem zwischen dem Hohlrohrbereich 44 und der Hohlwellenwandung 38 gebildeten Luftspalt 39, durch welchen sich der Abstützbereich 50 erstreckt. In vorteilhafter Weise kann die Leckage zu der Wellenerdungsfläche 21 geführt werden und dort für eine Schmierung am Gleitkontakt zwischen der Wellenerdungsfläche 21 und dem Erdungselement 110 sorgen, wodurch eine verbesserte Haltbarkeit des Erdungselements 110 und damit eine erhöhte Ausfallsicherheit erzielt wird.
Bei einer Rotation der Wellenvorrichtung 10 infolge eines Betrieb der elektrischen Maschine 100 ermöglicht der Abstützbereich 50 das Abführen der Leckage aus dem Luftspalt 39, wobei bei helixförmiger Ausgestaltung des Abstützbereich 50 bzw. der Stege 52, 54, 56 sogar eine günstige, rotationsbedingte Förderung des Fluids aus dem Luftspalt 39 bewirkt werden kann. Mit anderen Worten kann also das Herausführen des Fluids aus dem Luftspalt 39 durch die Stege 52, 54, 56 unterstützt werden, insbesondere wenn die Stege sich zumindest bereichsweise helixförmig in dem Luftspalt 39, also zwischen dem Hohlrohrbereich 44 und der Hohlwellenwandung 38 erstrecken. Dadurch wird ein mögliches Totvolumen und/oder eine etwaige Ansammlung von Schmutzelementen, wie beispielsweise Partikeln, Fasern oder dergleichen in dem Luftspalt 39 vermieden. Bezugszeichenliste
10 Wellenvorrichtung
12 Fluidstrom
20 Hohlwelle
21 Wellenerdungsfläche
22 Durchgangsöffnung
24 erster Hohlwellenbereich
34 zweiter Hohlwellenbereich
36 Aussparung
38 Hohlwellenwandung
39 Luftspalt
40 Rohreinsatz
42 Durchtrittsöffnung
44 Hohlrohrbereich
50 Abstützbereich
52 Steg
54 Steg
56 Steg
60 Rastelement
70 Stufe
100 elektrische Maschine
102 Rotorwelle
104 Gehäuse
110 Erdungselement
I Innendurchmesser
11 erster Innendurchmesser
12 zweiter Innendurchmesser
K Kraftfahrzeug
R Rotationsachse
X Axialerstreckungsrichtung

Claims

Ansprüche
1. Wellenvorrichtung (10), welche zur Koppelung mit einer Rotorwelle (102) einer elektrischen Maschine (100) eines Kraftfahrzeugs (K) ausgebildet ist, mit einer Hohlwelle (20), entlang deren Axialerstreckung (X) sich eine Durchgangsöffnung (22) zum Durchleiten eines Fluids für einen Fluidaustausch mit der Rotorwelle (102) erstreckt, und mit einer an der Hohlwelle (20) angeordneten Wellenerdungsfläche
(21), welche zur Kontaktierung mit einem Erdungselement (110) ausgebildet ist, um beim Betrieb der elektrischen Maschine (100) entstehende Ströme über die Hohlwelle (20) in Richtung zu einem Gehäuse (104) abzuleiten, dadurch gekennzeichnet, dass die Wellenvorrichtung (10) einen in der Durchgangsöffnung (22) aufgenommenen Rohreinsatz (40) aufweist, welcher eine Durchtrittsöffnung (42) mit einem kleineren Innendurchmesser (I) als ein erster Innendurchmesser (11) der Durchgangsöffnung
(22) aufweist und dazu ausgebildet ist, eine einen Rückfluss des Fluids behindernde Stufe (70) zusammen mit einer Hohlwellenwandung (38) der Hohlwelle (20) innerhalb der Durchgangsöffnung (22) auszubilden.
2. Wellenvorrichtung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Rohreinsatz (40) einen Hohlrohrbereich (44), durch welchen sich die Durchtrittsöffnung (42) erstreckt sowie einen Abstützbereich (50) aufweist, über welchen der Hohlrohrbereich (44) an der Hohlwellenwandung (38) abgestützt und von der Hohlwellenwandung (38) beabstandet ist.
3. Wellenvorrichtung (10) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstützbereich (50) wenigstens zwei Stege (52, 54, 56) aufweist, welche zumindest überwiegend in Axialerstreckungsrichtung (X) orientiert sind.
4. Wellenvorrichtung (10) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass sich die wenigstens zwei Stege (52, 54, 56) zumindest bereichsweise helixförmig zwischen dem Hohlrohrbereich (44) und der Hohlwellenwandung (38) erstrecken.
5. Wellenvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlwelle (20) aus einem metallischen Werkstoff und der Rohreinsatz (40) aus einem Kunststoff gebildet ist.
6. Wellenvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlwelle (20) einen ersten Hohlwellenbereich (24) umfasst, in welchem die Durchgangsöffnung (22) den ersten Innendurchmesser (11) aufweist und einen an den ersten Hohlwellenbereich (24) anschließenden, zweiten Hohlwellenbereich (34) umfasst, in welchem die Durchgangsöffnung (22) einen im Vergleich zu dem ersten Innendurchmesser (11) größeren, zweiten Innendurchmesser (I2) aufweist, wobei der Rohreinsatz (40) in dem zweiten Hohlwellenbereich (34) aufgenommen ist.
7. Wellenvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rohreinsatz (40) zumindest ein Rastelement (60) aufweist, über welches der Rohreinsatz (40) mit der Hohlwelle (20) verrastet und gegenüber einem Herausgleiten aus der Hohlwelle (20) in Axialerstreckungsrichtung (X) gesichert ist.
8. Kraftfahrzeug (K) mit einer Wellenvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die Rotorwelle (102) der elektrischen Maschine (100) mit der Hohlwelle (20) der Wellenvorrichtung (10) zum Fluidaustausch gekoppelt und ein Erdungselement (110) mit der Wellenerdungsfläche (21) kontaktiert ist.
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