WO2022258309A1 - Wellenerdungseinrichtung zur herstellung einer elektrisch leitfähigen verbindung zwischen einer drehbaren welle und einem gehäuse - Google Patents

Wellenerdungseinrichtung zur herstellung einer elektrisch leitfähigen verbindung zwischen einer drehbaren welle und einem gehäuse Download PDF

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WO2022258309A1
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grounding device
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housing
guide element
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Michael Griesbach
Dominik Erny
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Zf Friedrichshafen Ag
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    • F16C2380/26—Dynamo-electric machines or combinations therewith, e.g. electro-motors and generators

Definitions

  • Shaft grounding device for producing an electrically conductive connection between a rotatable shaft and a housing
  • the invention relates to a shaft grounding device for producing an electrically conductive connection between a rotatable shaft and a housing.
  • the invention also relates to a transmission for a motor vehicle with such a shaft grounding device, and an electric axle drive unit for a motor vehicle with such a shaft grounding device, and an electric machine with such a shaft grounding device.
  • the shaft grounding ring for diverting induced voltages from a shaft into a machine element.
  • the shaft grounding ring has a housing and several discharge elements arranged on the housing. An elastically curved edge area of each of the discharge elements rests against the shaft, so that an electrically conductive sliding contact is formed with the shaft.
  • a shaft grounding device for producing an electrically conductive connection between a rotatable shaft and a housin se.
  • the shaft grounding device is mechanically and electrically connected to the housing and has several flexible and electrically conductive ge contact elements.
  • the contact elements can be formed, for example, by brushes or by PTFE elements with electrically conductive fillers or by an electrically conductive fleece.
  • the contact elements form an electrically conductive sliding contact to a peripheral surface of the shaft or to a liquid applied to the shaft.
  • the contact elements are arranged and designed in such a way that, due to their own bending elasticity, they cause the sliding contact to be prestressed.
  • the shaft grounding device has at least one guide element.
  • the guide element is designed to prevent contact elements from buckling when the shaft grounding device is installed on the shaft.
  • the invention is based on the finding that damage to the contact elements during assembly on the shaft is often due to a non-coaxial arrangement of the shaft and shaft grounding device. This non-coaxial arrangement state can be limited to a level that is harmless to the contact elements by the guiding element.
  • the contact elements are preferably arranged in a ring shape.
  • the contact elements are arranged along the peripheral surface of the shaft or the sleeve and thus form a ring.
  • a guide element is arranged at at least three positions along this ring-shaped arrangement, specifically between two adjacent contact elements. Due to the three guide elements, the shaft grounding device can be centered during assembly on the shaft along the shaft or sleeve peripheral surface, so that buckling of the contact elements is prevented during the assembly process.
  • the at least one guide element is ring-shaped, so that when mounted on the shaft, an annular gap is formed between the outside diameter of the shaft or the sleeve and the inside diameter of the guide element.
  • the contact elements are also arranged in a ring shape in this embodiment. Due to the ring-shaped design of the guide element, an axial overlap with the inner ends of the contact elements is achieved. This not only avoids kinking of contact elements the, but also limits a bending load of the contact elements against the vorgese Henen bending direction. Because if the shaft grounding device is mounted against the target orientation, the contact elements can only be bent due to the axial overlap until they are present on the ring-shaped guide element.
  • the contact elements are preferably fastened between a holding element and a clamping element.
  • the at least one guide element is either formed directly on the holding element or on the clamping element or is fastened thereto.
  • the fastening of the contact elements between the holding element and the clamping element can be produced in a simple and process-reliable manner.
  • the formation or attachment of the at least one guide element to one of these elements is easy to implement, so that the protective effect of the contact elements against twisting can be provided with only little additional effort.
  • the contact elements Preferably, at least some of the contact elements have a cross section that increases radially inward, so that at least one such contact element and the at least one guide element overlap axially. In this way too, a bending load on the contact elements can be limited opposite to the intended bending direction. Because the shaft earthing device is mounted against the target orientation, the contact elements are due to their wide foot cross-section on the at least one guide element.
  • the holding element or the clamping element preferably has a recess for one of the contact elements.
  • At least one of the contact elements encompasses the at least one guide element.
  • the affected contacts element despite the at least one guide element on a wide support base, so that a uniform surface pressure to the peripheral surface of the shaft, or the sleeve is reached. This improves the lifetime of the shaft grounding device.
  • such a configuration avoids buckling of the contact elements in the event of incorrect assembly.
  • At least that contact element which encompasses the at least one guide element preferably has a recess.
  • the at least one guide element is arranged in such a way that it passes through the recess.
  • Such a configuration not only prevents the contact elements from buckling in the event of incorrect assembly, but also facilitates the assembly of the shaft grounding device.
  • such a particularly rigid design of the contact elements is possible, so that overloading of the contact elements due to a change in the direction of rotation of the shaft can be ruled out.
  • the at least one guide element is designed in such a way that it has no contact with the peripheral surface of the shaft or the sleeve when the shaft grounding device is in the installed state. As a result, unnecessary friction losses can be avoided.
  • the proposed shaft grounding device can be part of a transmission for a motor vehicle, for example an automatic transmission or an automated transmission with multiple gears.
  • the appropriately grounded shaft of the gearbox is rotatably mounted in a housing of the gearbox.
  • the shaft can be, for example, an output shaft of the transmission.
  • the transmission can have an electric machine, which is set up to drive the shaft.
  • the proposed shaft grounding device can be part of an electric axle drive unit for a motor vehicle.
  • the appropriately grounded shaft of the electric axle drive unit is rotatably mounted in a housing of the electric axle drive unit.
  • the proposed shaft grounding device can be part of an electrical machine with a non-rotatable stator and a rotatably mounted rotor.
  • the rotor is coupled to a rotor shaft.
  • the rotor shaft is proposed by the Shaft grounding device grounded to a housing of the electrical machine.
  • 1 and 2 each show a drive train of a motor vehicle
  • FIG. 5 shows a plan view of a shaft grounding device
  • FIG. 8 shows a detailed sectional view of a shaft grounding device together with a shaft and a housing; such as
  • the drive train has an internal combustion engine VM, the output of which is connected to an input shaft GW1 of a transmission G.
  • An output shaft GW2 of the Ge gear unit G is connected to a differential gear AG.
  • the differential gear AG is set up to distribute the power applied to the output shaft GW2 to drive wheels DW of the motor vehicle.
  • the transmission G has a wheel set RS which, together with shifting elements not shown in FIG. 1, is set up to provide different transmission ratios between the input shaft GW1 and the output shaft GW2.
  • the wheelset RS is surrounded by a housing GG, which also houses an electrical machine EM connected to the input shaft GW1.
  • the electric machine EM is set up to drive the input shaft GW1.
  • An inverter INV is attached to the housing GG.
  • the converter INV is connected on the one hand to the electric machine EM and on the other hand to a battery BAT.
  • the converter INV is used to convert the direct current from the battery BAT into an alternating current that is suitable for operating the electrical machine EM and has a number of power semiconductors for this purpose.
  • the conversion between direct current and alternating current takes place through controlled pulsed operation of the power semiconductors.
  • Fig. 2 shows schematically a drive train for a motor vehicle, which is a purely electric drive train in Ge contrast to the embodiment shown in FIG.
  • the drive train has an electric axle drive unit EX.
  • the electric final drive unit EX includes an electric machine EM, the power of which is transmitted via a reduction gear set RS2 and a differential gear AG to drive wheels DW of a motor vehicle. Output shafts DS1, DS2 of the differential gear AG are connected to the drive wheels DW.
  • the electrical machine EM, the reduction gear set RS2 and the differential gear AG are enclosed by a housing GA.
  • An inverter INV is attached to the housing GA.
  • the converter INV is connected on the one hand to the electrical machine EM and on the other hand to a battery BAT.
  • the converter INV is used to convert the direct current from the battery BAT into an alternating current that is suitable for operating the electrical machine EM and has a number of power semiconductors for this purpose.
  • the conversion between direct current and alternating current takes place through controlled pulsed operation of the power semiconductors.
  • electromagnetic interference signals can arise, which are coupled into the drive shaft GW2, for example in the drive train according to FIG. 1, or into the output shafts DS1, DS2 in the drive train according to FIG. Due to the bearing of the output shaft GW2, or the output shafts DS1, DS2, which is not shown in FIG. 1 and FIG. GA has electrically insulating properties.
  • interference signals coupled into the output shaft GW2 or into the output shafts DS1, DS2 cannot flow directly into the housing GG or housing GA, which is connected to an electrical ground of the motor vehicle. Instead, the interference signals get back to the electrical ground through electromagnetic radiation, as a result of which other electronic components of the motor vehicle can be disturbed.
  • the output shaft GW2 or output shafts DS1, DS2 protruding from the housing GG or housing GA can form an antenna which promotes the electromagnetic radiation of the interference signals.
  • the electrical cal machine EM2 has a housing GE which accommodates a stator S and a rotor R.
  • the stator S is rotatably fixed in the housing GE.
  • the rotor R is coupled to a rotor shaft RW, the rotor shaft RW being rotatably mounted via two roller bearings WL1, WL2 supported on the housing GE.
  • One end of the rotor shaft RW protrudes from the housing GE.
  • a shaft grounding device E is provided at an exposed portion of the rotor shaft RW.
  • a sealing ring DR2 is provided between the roller bearing WL2 and the shaft grounding device.
  • the shaft grounding device E establishes an electrically conductive contact between the housing GE and the rotor shaft RW.
  • the shaft grounding device E has brushes or other electrically conductive contact elements which rub on a surface of the rotor shaft RW.
  • a potential difference between the housing GE and the rotor shaft E can be reduced via the shaft grounding device E.
  • the roller bearings WL1, WL2 are thereby protected against uncontrolled potential equalization via the roller bodies of the roller bearings WL1, WL2.
  • FIG. 4 shows a detailed view of a shaft W protruding from a housing GFI according to a first exemplary embodiment.
  • the shaft W shown in FIG. 4 could be, for example, the output shaft GW2 according to FIG. 1, or one of the output shafts DS1, DS2 according to FIG. 2, or the rotor shaft RW according to FIG.
  • the housing GFI could for example be the housing GG according to FIG. 1, the housing GA ge according to FIG. 2 or the housing GE according to FIG.
  • a shaft grounding device E is provided for grounding the shaft W relative to the housing GFI.
  • the shaft grounding device E has an annular structure which surrounds a peripheral surface C of the shaft W in order.
  • the shaft grounding device E has an F-holding element EFH on which three fastening lugs EB are formed.
  • the shaft grounding device E is screwed to the housing GFI via the fastening lugs EB, so that the shaft grounding device E is fixed relative to the housing GFI.
  • the screw connection with the GFI housing also creates an electrical conductive contact between the holding element EH and the housing GH Herge provides.
  • the shaft grounding device E has contact elements EK arranged around the peripheral surface C of the shaft W.
  • the contact elements EK are clamped between the holding element EH and a clamping element EZ, and are thereby held in position.
  • the radially inner ends of the contact elements EK slide on the circumferential surface C of the shaft W, so that an electrically conductive sliding contact SK is formed.
  • the contact elements EK are made from an electrically conductive material and are electrically conductively connected to the holding element EH.
  • the sliding contact SK can be directly to the shaft W, or alternatively to a sleeve applied to the shaft W.
  • the shaft grounding device E is pushed onto the transition surface C of the shaft W in the axial direction. If the shaft W and the shaft grounding device E are not aligned coaxially, individual contact elements EK may buckle.
  • guide elements EF are provided, which are formed on the clamping element EZ.
  • the guide elements EF are distributed at three positions along the peripheral surface C, and are each arranged between two adjacent contact elements EK. The guide elements EF limit an axial offset between the shaft grounding device E and the shaft W, so that the contact elements EK are prevented from buckling when the shaft grounding device E is installed.
  • FIG. 5 shows a plan view of the shaft grounding device E. In this view, the three positions of the guide elements EF and the ring-shaped arrangement of the contact elements EK can be clearly seen.
  • FIG. 6 shows a detailed view of the shaft grounding device E according to a further exemplary embodiment.
  • the contact elements EK have a wider cross-section in the contact area with the shaft W than in the contact area with the holding element EH or the clamping element EZ.
  • Guide elements EF which are formed on the holding element EH in the given exemplary embodiment, are arranged for the holding element EH.
  • the guide elements EF are designed as projections oriented radially inwards. If the shaft grounding device E in the exemplary embodiment according to FIG. 6 were pushed onto the shaft W contrary to the desired alignment, bending of the contact elements EK would be limited. Because the contact elements EK could only be bent so far until they are present on the guide elements EF.
  • FIG. 7 shows a detailed view of the shaft grounding device E according to a further exemplary embodiment, only a section of the holding element EH of the shaft grounding device E being shown.
  • the guide element EF is ring-shaped. Recesses EG are provided in the holding element EH in order to provide a sufficiently large free space for the contact elements EK.
  • FIG. 8 shows a detailed sectional view of the shaft grounding device E together with the shaft W and the housing GH.
  • the shaft grounding device E is arranged axially directly next to a radial shaft sealing ring DR, which seals off a wet space NR from an environment U.
  • the shaft grounding device is arranged on the side surrounding the radial shaft seal DR.
  • the holding element EH is only partially shown; the fastening tabs EB are not visible in FIG.
  • the sliding contact SK between the contact elements EK and the peripheral surface C of the shaft W is clearly visible.
  • the guide element EF is part of the holding element EH. There is a gap between the inner diameter of the guide element EF and the peripheral surface C, so that the guide element EF does not rub against the shaft W.
  • FIG. 9 shows a detailed view of the shaft grounding device E, which has an annular guide element EF, which is formed on the holding element EH. Recesses EG are provided in the retaining element EH in order to ensure sufficient free movement for the elastic bending area of the contact elements EK.
  • FIG. 10 shows a detailed view of the shaft grounding device E according to a further exemplary embodiment.
  • the contact elements EK each have two bending sections, at which the contact elements EK are connected to the holding element EH.
  • the contact elements EK have a recess EN between these bending sections.
  • the contact elements EK each encompass one of the guide elements EF, which are arranged in the area of the recesses EN.
  • the guide elements EF are formed in this embodiment as radially inward projections, which are arranged on the holding element EH.

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Abstract

Wellenerdungseinrichtung (E) zur Herstellung einer elektrisch leitfähigen Verbindung zwischen einer drehbaren Welle (W) und einem Gehäuse (GH), wobei die Wellenerdungseinrichtung (E) mechanisch und elektrisch mit dem Gehäuse (GH) verbunden ist und mehrere biege-elastische und elektrisch leitfähige Kontaktelemente (EK) aufweist, welche einen elektrisch leitenden Schleifkontakt (SK) zu einer Umfangsfläche (C) der Welle (W) oder einer auf die Welle (W) aufgebrachten Hülse bilden, wobei die Kontaktelemente (EK) derart angeordnet und ausgebildet sind, dass sie aufgrund ihrer eigenen Biege-Elastizität eine Vorspannung des Schleifkontakts (SK) bewirken, wobei die Wellenerdungseinrichtung (E) zumindest ein Führungselement (EF) aufweist, welches dazu eingerichtet ist ein Umknicken von Kontaktelementen (EK) bei der Montage der Wellenerdungseinrichtung (E) auf die Welle (W) zu vermeiden; sowie Getriebe (G) oder elektrische Achsantriebs-Einheit (EA) für ein Kraftfahrzeug mit einer solchen Wellenerdungseinrichtung (E); sowie elektrische Maschine (EM2) mit einer solchen Wellenerdungseinrichtung (E).

Description

Wellenerdungseinrichtung zur Herstellung einer elektrisch leitfähiqen Verbindung zwischen einer drehbaren Welle und einem Gehäuse
Die Erfindung betrifft eine Wellenerdungseinrichtung zur Herstellung einer elektrisch leitfähigen Verbindung zwischen einer drehbaren Welle und einem Gehäuse. Die Erfindung betrifft ferner ein Getriebe für ein Kraftfahrzeug mit einer solchen Wellen erdungseinrichtung, sowie eine elektrische Achsantriebs-Einheit für ein Kraftfahrzeug mit einer solchen Wellenerdungseinrichtung, sowie eine elektrische Maschine mit einer solchen Wellenerdungseinrichtung.
Die DE 10 2016010 926 A1 beschreibt einen Wellenerdungsring zur Ableitung indu zierter Spannungen von einer Welle in ein Maschinenelement. Der Wellenerdungs ring weist ein Gehäuse und mehrere am Gehäuse angeordnete Ableitelemente auf. Ein elastisch gebogener Randbereich jedes der Ableitelemente liegt an der Welle an, sodass ein elektrisch leitfähiger Schleifkontakt zur Welle gebildet wird.
Bei der Montage des Wellenerdungsrings auf die Welle kann es zum Abknicken von einzelnen Ableitelementen kommen. Dies kann die Vorspannkraft der Ableitelemente negativ beeinflussen, und somit die Lebensdauer des Wellenerdungsrings herabset zen. Dies ist unerwünscht.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung eine Wellenerdungseinrichtung bereitzustellen, welche eine Beschädigung der schleifkontaktführenden Elemente während der Mon tage verhindert.
Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 . Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen, der Be schreibung sowie aus den Figuren.
Zur Lösung der Aufgabe wird eine Wellenerdungseinrichtung zur Herstellung einer elektrisch leitfähigen Verbindung zwischen einer drehbaren Welle und einem Gehäu se vorgeschlagen. Die Wellenerdungseinrichtung ist mechanisch und elektrisch mit dem Gehäuse verbunden, und weist mehrere biege-elastische und elektrisch leitfähi- ge Kontaktelemente auf. Die Kontaktelemente können beispielsweise durch Bürsten oder durch PTFE-Elemente mit elektrisch leitfähigen Füllstoffen oder durch ein elektrisch leitfähiges Vlies gebildet sein. Die Kontaktelemente bilden einen elektrisch leitenden Schleifkontakt zu einer Umfangsfläche der Welle oder zu einer auf die Wel le aufgebrachten Flülse. Die Kontaktelemente sind derart angeordnet und ausgestal tet, dass sie aufgrund ihrer eigenen Biege-Elastizität eine Vorspannung des Schleif kontakts bewirken.
Erfindungsgemäß weist die Wellenerdungseinrichtung zumindest ein Führungsele ment auf. Das Führungselement ist dazu eingerichtet, ein Umknicken von Kontakte lementen bei der Montage der Wellenerdungseinrichtung auf die Welle zu vermeiden. Die Erfindung beruht dabei auf der Erkenntnis, dass eine Beschädigung der Kontak telemente während der Montage auf die Welle häufig auf eine nicht-koaxiale Anord nung von Welle und Wellenerdungseinrichtung zurückzuführen ist. Durch das Füh rungselement kann genau dieser nicht-koaxiale Anordnungs-Zustand auf ein Maß begrenzt werden, welches für die Kontaktelemente unschädlich ist.
Vorzugsweise sind die Kontaktelemente ringförmig angeordnet. In anderen Worten sind die Kontaktelemente entlang der Umfangsfläche der Welle oder der Hülse an geordnet, und bilden derart einen Ring. An zumindest drei Positionen entlang dieser ringförmigen Anordnung ist je ein Führungselement angeordnet, und zwar zwischen zwei benachbarten Kontaktelementen. Durch die drei Führungselemente kann die Wellenerdungseinrichtung bei der Montage auf die Welle entlang der Wellen-, bzw. Hülsenumfangsfläche zentriert werden, sodass ein Abknicken von Kontaktelementen während des Montagevorgangs verhindert wird.
Gemäß einer alternativen Ausgestaltung ist das zumindest eine Führungselement ringförmig ausgebildet, sodass bei der Montage auf der Welle ein ringförmiger Spalt zwischen dem Außendurchmesser der Welle, bzw. der Hülse und dem Innendurch messer des Führungselements gebildet wird. Die Kontaktelemente sind auch in die ser Ausgestaltung ringförmig angeordnet. Durch die ringförmige Ausbildung des Füh rungselements wird eine axiale Überlappung mit den inneren Enden der Kontaktele mente erreicht. Dadurch wird nicht nur das Abknicken von Kontaktelementen vermie- den, sondern auch eine Biegebelastung der Kontaktelemente entgegen der vorgese henen Biegerichtung begrenzt. Denn wird die Wellenerdungseinrichtung entgegen der Soll-Ausrichtung montiert, so können die Kontaktelemente aufgrund der axialen Überlappung nur so weit gebogen werden, bis diese am ringförmigen Führungsele ment anstehen.
Vorzugsweise sind die Kontaktelemente zwischen einem Halteelement und einem Klemmelement befestigt. Das zumindest eine Führungselement ist bei einer derarti gen Ausgestaltung am Halteelement oder am Klemmelement entweder unmittelbar ausgebildet oder daran befestigt. Die Befestigung der Kontaktelemente zwischen Halteelement und Klemmelement ist einfach und prozesssicher herstellbar. Die Aus bildung oder Befestigung des zumindest einen Führungselements an einem dieser Elemente ist einfach umzusetzen, sodass die Schutzwirkung der Kontaktelemente vor Umknicken mit nur geringem zusätzlichen Aufwand bereitgestellt werden kann.
Vorzugsweise weisen zumindest einige der Kontaktelemente einen nach radial innen größer werdenden Querschnitt auf, sodass eine axiale Überdeckung von zumindest einem derartigen Kontaktelement und dem zumindest einen Führungselement be steht. Auch auf diese Weise kann eine Biegebelastung der Kontaktelemente entge gen der vorgesehenen Biegerichtung begrenzt werden. Denn wird die Wellener dungseinrichtung entgegen der Soll-Ausrichtung montiert, so stehen die Kontaktele mente aufgrund ihres breiten Fuß-Querschnitts an dem zumindest einen Führungs element an.
Vorzugsweise weist das Halteelement oder das Klemmelement eine Aussparung für eines der Kontaktelemente auf. Dadurch kann trotz der axialen Überdeckung zu dem zumindest einen Führungselement ein ausreichend großer Biegeradius der Kontakte lemente gewährleistet werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung umgreift zumindest eines der Kontaktele ment das zumindest eine Führungselement. Dadurch weist das betroffene Kontakte lement trotz dem zumindest einen Führungselement eine breite Abstützbasis auf, sodass eine gleichmäßige Flächenpressung zur Umfangsfläche der Welle, bzw. der Hülse erreicht wird. Dies verbessert die Lebensdauer der Wellenerdungseinrichtung. Zudem wird durch eine solche Ausgestaltung ein Um knicken der Kontaktelemente bei fehlerhafter Montage vermieden.
Vorzugsweise weist zumindest jenes Kontaktelement, welches das zumindest eine Führungselement umgreift, eine Aussparung auf. Das zumindest eine Führungsele ment ist derart angeordnet, dass es durch die Aussparung hindurchführt. Eine solche Ausgestaltung verhindert nicht nur ein Umknicken der Kontaktelemente bei fehlerhaf ter Montage, sondern erleichtert auch den Zusammenbau der Wellenerdungseinrich tung. Zudem ist derart eine besonders steife Ausführung der Kontaktelemente mög lich, sodass eine Überlastung des Kontaktelemente durch Drehrichtungswechsel der Welle ausgeschlossen werden kann.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist das zumindest eine Führungselement derart ausgestaltet, dass es im montierten Zustand der Wellenerdungseinrichtung keinen Kontakt zur Umfangsfläche der Welle, bzw. der Hülse hat. Dadurch können unnötige Reibungsverluste vermieden werden.
Die vorgeschlagene Wellenerdungseinrichtung kann Bestandteil eines Getriebes für ein Kraftfahrzeug sein, beispielsweise ein Automatikgetriebe oder ein automatisiertes Getriebe mit mehreren Gangstufen. Die entsprechend geerdete Welle des Getriebes ist in einem Gehäuse des Getriebes drehbar gelagert. Die Welle kann beispielsweise eine Abtriebswelle des Getriebes sein. Das Getriebe kann eine elektrische Maschine aufweisen, welche zum Antrieb der Welle eingerichtet ist.
Die vorgeschlagene Wellenerdungseinrichtung kann Bestandteil einer elektrischen Achsantriebs-Einheit für ein Kraftahrzeug sein. Die entsprechend geerdete Welle der elektrischen Achsantriebs-Einheit ist in einem Gehäuse der elektrischen Achsan triebs-Einheit drehbar gelagert.
Die vorgeschlagene Wellenerdungseinrichtung kann Bestandteil einer elektrischen Maschine mit einem drehfesten Stator und einem drehbar gelagerten Rotor sein. Der Rotor ist mit einer Rotorwelle gekoppelt. Die Rotorwelle ist durch die vorgeschlagene Wellenerdungseinrichtung gegenüber einem Gehäuse der elektrischen Maschine geerdet.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind anhand der Figuren detailliert beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 und Fig. 2 je einen Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs;
Fig. 3 eine elektrische Maschine;
Fig. 4 eine Detail-Ansicht einer aus einem Gehäuse hervorragenden Welle;
Fig. 5 eine Draufsicht einer Wellenerdungseinrichtung;
Fig. 6 und Fig. 7 je eine Detailansicht einer Wellenerdungseinrichtung;
Fig. 8 eine Detail-Schnittansicht einer Wellenerdungseinrichtung zusammen mit einer Welle und einem Gehäuse; sowie
Fig. 9 und Fig. 10 je eine Detailansicht einer Wellenerdungseinrichtung.
Fig. 1 zeigt schematisch einen Antriebsstrang für ein Kraftfahrzeug. Der Antriebs strang weist einen Verbrennungsmotor VM auf, dessen Ausgang mit einer Ein gangswelle GW1 eines Getriebes G verbunden ist. Eine Abtriebswelle GW2 des Ge triebes G ist mit einem Differentialgetriebe AG verbunden. Das Differentialgetriebe AG ist dazu eingerichtet, die an der Abtriebswelle GW2 anliegende Leistung auf An triebsräder DW des Kraftfahrzeugs zu verteilen. Das Getriebe G weist einen Radsatz RS auf, welcher zusammen mit in Fig. 1 nicht dargestellten Schaltelementen dazu eingerichtet ist verschiedene Übersetzungsverhältnisse zwischen der Eingangswelle GW1 und der Abtriebswelle GW2 bereitzustellen. Der Radsatz RS ist von einem Ge häuse GG umschlossen, welches auch eine mit der Eingangswelle GW1 verbundene elektrische Maschine EM beherbergt. Die elektrische Maschine EM ist dazu einge richtet die Eingangswelle GW1 anzutreiben. Am Gehäuse GG ist ein Umrichter INV befestigt. Der Umrichter INV ist einerseits mit der elektrischen Maschine EM und an dererseits mit einer Batterie BAT verbunden. Der Umrichter INV dient zur Wandlung des Gleichstroms der Batterie BAT in einen zum Betrieb der elektrischen Maschine EM geeigneten Wechselstrom, und weist dazu mehrere Leistungshalbleiter auf. Die Wandlung zwischen Gleichstrom und Wechselstrom erfolgt durch einen gesteuerten pulsartigen Betrieb der Leistungshalbleiter. Fig. 2 zeigt schematisch einen Antriebsstrang für ein Kraftfahrzeug, welcher im Ge gensatz zur in Fig. 1 dargestellten Ausführung ein rein elektrischer Antriebsstrang ist. Der Antriebsstrang weist eine elektrische Achsantriebs-Einheit EX auf. Die elektri sche Achsantriebs-Einheit EX umfasst eine elektrische Maschine EM, deren Leistung über einen Reduktionsradsatz RS2 und ein Differentialgetriebe AG auf Antriebsräder DW eines Kraftfahrzeugs übertragen werden. Ausgangswellen DS1 , DS2 des Diffe rentialgetriebes AG sind mit den Antriebsrädern DW verbunden. Die elektrische Ma schine EM, der Reduktionsradsatz RS2 und das Differentialgetriebe AG sind von ei nem Gehäuse GA umschlossen. Am Gehäuse GA ist ein Umrichter INV befestigt.
Der Umrichter INV ist einerseits mit der elektrischen Maschine EM und andererseits mit einer Batterie BAT verbunden. Der Umrichter INV dient zur Wandlung des Gleichstroms der Batterie BAT in einen zum Betrieb der elektrischen Maschine EM geeigneten Wechselstrom, und weist dazu mehrere Leistungshalbleiter auf. Die Wandlung zwischen Gleichstrom und Wechselstrom erfolgt durch einen gesteuerten pulsartigen Betrieb der Leistungshalbleiter.
Die in Fig. 1 und Fig. 2 dargestellten Antriebsstränge sind nur beispielhaft anzuse hen.
Durch den pulsartigen Betrieb der Leistungshalbleiter können elektromagnetische Störsignale entstehen, die beispielsweise im Antriebsstrang gemäß Fig. 1 in die Ab triebswelle GW2 oder im Antriebsstrang gemäß Fig. 2 in die Ausgangswellen DS1, DS2 eingekoppelt werden. Durch die in Fig. 1 und Fig. 2 nicht dargestellte Lagerung der Abtriebswelle GW2, bzw. der Ausgangswellen DS1, DS2 sind diese jedoch ge genüber dem Gehäuse GG, bzw. dem Gehäuse GA elektrisch isoliert, da das Schmieröl im Inneren der Gehäuse GG, GA elektrisch isolierende Eigenschaften aufweist. Somit können in die Abtriebswelle GW2, bzw. in die Ausgangswellen DS1, DS2 eingekoppelte Störsignale nicht auf kurzem Weg in das Gehäuse GG, bzw. Ge häuse GA fließen, welches mit einer elektrischen Masse des Kraftfahrzeugs verbun den ist. Stattdessen gelangen die Störsignale durch elektromagnetische Abstrahlung zurück zur elektrischen Masse, wodurch andere elektronische Komponenten des Kraftfahrzeugs gestört werden können. Die aus dem Gehäuse GG, bzw. Gehäuse GA hervortretende Abtriebswelle GW2, bzw. Ausgangswellen DS1, DS2 können da- bei eine Antenne bilden, welche die elektromagnetische Abstrahlung der Störsignale begünstigt.
Fig. 3 zeigt eine schematische Ansicht einer elektrischen Maschine EM2. Die elektri sche Maschine EM2 weist ein Gehäuse GE auf, welches einen Stator S und einen Rotor R aufnimmt. Der Stator S ist drehfest im Gehäuse GE fixiert. Der Rotor R ist mit einer Rotorwelle RW gekoppelt, wobei die Rotorwelle RW über zwei am Gehäuse GE abgestützte Wälzlager WL1 , WL2 drehbar gelagert ist. Ein Ende der Rotorwelle RW ragt aus dem Gehäuse GE hervor. An einem freiliegenden Abschnitt der Rotor welle RW ist eine Wellenerdungseinrichtung E vorgesehen. Zwischen dem Wälzlager WL2 und der Wellenerdungseinrichtung ist ein Dichtring DR2 vorgesehen. Die Wel lenerdungseinrichtung E stellt einen elektrisch leitfähigen Kontakt zwischen dem Ge häuse GE und der Rotorwelle RW her. Die Wellenerdungseinrichtung E weist dazu Bürsten oder andere elektrisch leitfähige Kontaktelemente auf, welche auf einer Oberfläche der Rotorwelle RW schleifen. Über die Wellenerdungseinrichtung E kann ein Potentialunterschied zwischen dem Gehäuse GE und der Rotorwelle E abgebaut werden. Die Wälzlager WL1 , WL2 werden dadurch vor einem unkontrollierten Poten tialausgleich über die Wälzkörper der Wälzlager WL1 , WL2 geschützt.
Fig. 4 zeigt eine Detail-Ansicht einer aus einem Gehäuse GFI hervorragenden Welle W gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel. Die in Fig. 4 dargestellte Welle W könn te beispielsweise die Abtriebswelle GW2 gemäß Fig. 1 , oder eine der Ausgangswel len DS1 , DS2 gemäß Fig. 2, oder die Rotorwelle RW gemäß Fig. 3 sein. Das Gehäu se GFI könnte beispielsweise das Gehäuse GG gemäß Fig. 1 , das Gehäuse GA ge mäß Fig. 2 oder das Gehäuse GE gemäß Fig. 3 sein. Zur Erdung der Welle W ge genüber dem Gehäuse GFI ist eine Wellenerdungseinrichtung E vorgesehen. Die Wellenerdungseinrichtung E weist einen ringförmigen Aufbau auf, welcher eine Um fangsfläche C der Welle W umgibt. Die Wellenerdungseinrichtung E weist ein FHal- teelement EFH auf, an dem drei Befestigungslaschen EB ausgebildet sind. Über die Befestigungslaschen EB ist die Wellenerdungseinrichtung E mit dem Gehäuse GFI verschraubt, sodass die Wellenerdungseinrichtung E gegenüber dem Gehäuse GFI fixiert ist. Durch die Verschraubung mit dem Gehäuse GFI wird auch ein elektrisch leitfähiger Kontakt zwischen dem Halteelement EH und dem Gehäuse GH herge stellt.
Die Wellenerdungseinrichtung E weist um die Umfangsfläche C der Welle W herum angeordnete Kontaktelemente EKauf. Die Kontaktelemente EK sind zwischen dem Halteelement EH und einem Klemmelement EZ geklemmt, und dadurch in Position gehalten. Die radial inneren Enden der Kontaktelemente EK schleifen an der Um fangsfläche C der Welle W, sodass ein elektrisch leitfähiger Schleifkontakt SK gebil det wird. Die Kontaktelemente EKsind aus einem elektrisch leitfähigen Werkstoff hergestellt, und sind elektrisch leitfähig mit dem Halteelement EH verbunden. Der Schleifkontakt SK kann unmittelbar zur Welle W bestehen, oder alternativ dazu zu einer auf die Welle W aufgebrachten Hülse.
Zur Montage wird die Wellenerdungseinrichtung E in axialer Richtung auf die Um gangsfläche C der Welle W aufgeschoben. Bei einer nicht-koaxialen Ausrichtung von Welle W und Wellenerdungseinrichtung E kann es dabei zum Umknicken von einzel nen Kontaktelementen EK kommen. Um dies zu verhindern sind Führungselemente EF vorgesehen, welche am Klemmelement EZ ausgebildet sind. Die Führungsele mente EF sind im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 4 an drei Positionen entlang der Umfangsfläche C verteilt, und jeweils zwischen zwei benachbarten Kontaktelementen EK angeordnet. Durch die Führungselemente EF wird ein Achsversatz zwischen Wellenerdungseinrichtung E und Welle W begrenzt, sodass ein Umknicken der Kon taktelemente EK bei der Montage der Wellenerdungseinrichtung E verhindert wird.
Fig. 5 zeigt eine Draufsicht auf die Wellenerdungseinrichtung E. In dieser Ansicht sind die drei Positionen der Führungselemente EF sowie die ringförmige Anordnung der Kontaktelemente EK gut erkennbar.
Fig. 6 zeigt eine Detailansicht der Wellenerdungseinrichtung E gemäß einem weite ren Ausführungsbeispiel. Im Vergleich zum in Fig. 4 und Fig. 5 gezeigten Ausfüh rungsbeispiel weisen die Kontaktelemente EK im Kontaktbereich zur Welle W einen breiteren Querschnitt auf als im Kontaktbereich zum Halteelement EH, bzw. zum Klemmelement EZ. Unmittelbar neben dem Kontaktbereich der Kontaktelemente EK zum Halteelement EH sind Führungselemente EF angeordnet, welche im gegebenen Ausführungsbeispiel am Halteelement EH ausgebildet sind. Die Führungselemente EF sind als nach radial innen ausgerichtete Vorsprünge ausgebildet. Würde die Wel lenerdungseinrichtung E bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 6 entgegen der Soll-Ausrichtung auf die Welle W aufgeschoben werden, so würde eine Durchbiegen der Kontaktelemente EK begrenzt werden. Denn die Kontaktelemente EK könnten nur so weit gebogen werden, bis diese an den Führungselementen EF anstehen.
Fig. 7 zeigt eine Detailansicht der Wellenerdungseinrichtung E gemäß einem weite ren Ausführungsbeispiel, wobei nur ein Abschnitt des Halteelements EH der Wellen erdungseinrichtung E dargestellt ist. Anstelle der nach radial innen ausgerichteten Vorsprünge gemäß dem in Fig. 6 dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Füh rungselement EF ringförmig ausgebildet. Im Halteelement EH sind Aussparungen EG vorgesehen, um einen ausreichend großen Freiraum für die Kontaktelemente EK bereitzustellen.
Fig. 8 zeigt eine Detail-Schnittansicht der Wellenerdungseinrichtung E zusammen mit der Welle W und dem Gehäuse GH. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Wellenerdungseinrichtung E axial direkt neben einem Radialwellendichtring DR an geordnet, welcher einen Nassraum NR gegenüber einer Umgebung U abdichtet. Die Wellenerdungseinrichtung ist auf der Umgebungsseite des Radialwellendichtrings DR angeordnet. Das Halteelement EH ist nur abschnittsweise dargestellt; die Befes tigungslaschen EB sind in Fig. 8 nicht sichtbar. In der Darstellung gemäß Fig. 8 ist der Schleifkontakt SK zwischen den Kontaktelementen EK und der Umfangsfläche C der Welle W gut sichtbar. Im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 8 ist das Führungs element EF Bestandteil des Halteelements EH. Zwischen dem Innendurchmesser des Führungselements EF und der Umfangsfläche C besteht ein Spalt, sodass das Führungselement EF nicht an der Welle W schleift.
Fig. 9 zeigt eine Detailansicht der Wellenerdungseinrichtung E, welche ein ringförmi ges Führungselement EF aufweist, welches am Halteelement EH ausgebildet ist. Im Halteelement EH sind Aussparungen EG vorgesehen, um einen ausreichenden Frei gang für den elastischen Biegebereich der Kontaktelemente EK zu gewährleisten. Fig. 10 zeigt eine Detailansicht der Wellenerdungseinrichtung E gemäß einem weite ren Ausführungsbeispiel. In diesem Ausführungsbeispiel weisen die Kontaktelemente EK jeweils zwei Biegeabschnitte auf, an denen die Kontaktelemente EK mit dem Hal teelement EH verbunden sind. Zwischen diesen Biegeabschnitten weisen die Kon taktelemente EK eine Aussparung EN auf. Die Kontaktelemente EK umgreifen dabei jeweils eines der Führungselemente EF, welche im Bereich der Aussparungen EN angeordnet sind. Die Führungselemente EF sind in diesem Ausführungsbeispiel als radial nach innen gerichtet Vorsprünge ausgebildet, welche am Halteelement EH an geordnet sind.
Bezuqszeichen
VM Verbrennungsmotor
EX Elektrische Achsantriebs-Einheit
G Getriebe
GW1 Eingangswelle
GW2 Abtriebswelle
RS Radsatz
RS2 Reduktionsradsatz
EM Elektrische Maschine
INV Umrichter
BAT Batterie
AG Differentialgetriebe
DS1 Ausgangswelle
DS2 Ausgangswelle
DW Antriebsrad
GA Gehäuse
EM2 Elektrische Maschine
S Stator
R Rotor
RW Rotorwelle
WL1 Lager
WL2 Lager
DR2 Dichtring
GE Gehäuse
E Wellenerdungseinrichtung
SK Schleifkontakt
EH Halteelement
EG Aussparung
EN Aussparung
EB Befestigungslasche
EZ Klemmelement
EK Kontaktelement EF Führungselement
W Welle
C Umfangsfläche
DR Radialwellendichtring
U Umgebung
NR Nassraum
GFI Gehäuse

Claims

Patentansprüche
1 . Wellenerdungseinrichtung (E) zur Herstellung einer elektrisch leitfähigen Verbin dung zwischen einer drehbaren Welle (W) und einem Gehäuse (GH), wobei die Wel lenerdungseinrichtung (E) mechanisch und elektrisch mit dem Gehäuse (GH) ver bunden ist und mehrere biege-elastische und elektrisch leitfähige Kontaktelemente (EK) aufweist, welche einen elektrisch leitenden Schleifkontakt (SK) zu einer Um fangsfläche (C) der Welle (W) oder einer auf die Welle (W) aufgebrachten Hülse bil den, wobei die Kontaktelemente (EK) derart angeordnet und ausgebildet sind, dass sie aufgrund ihrer eigenen Biege-Elastizität eine Vorspannung des Schleifkontakts (SK) bewirken, dadurch gekennzeichnet, dass die Wellenerdungseinrichtung (E) zumindest ein Füh rungselement (EF) aufweist, welches dazu eingerichtet ist ein Umknicken von Kon taktelementen (EK) bei der Montage der Wellenerdungseinrichtung (E) auf die Welle (W) zu vermeiden.
2. Wellenerdungseinrichtung (E) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktelemente (EK) ringförmig angeordnet sind, wobei an zumindest drei Posi tionen je ein Führungselement (EF) zwischen zwei benachbarten Kontaktelementen (EK) angeordnet ist.
3. Wellenerdungseinrichtung (E) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktelemente (EK) ringförmig angeordnet sind, wobei das zumindest eine Führungselement (EF) ringförmig ausgebildet ist.
4. Wellenerdungseinrichtung (E) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge kennzeichnet, dass die Kontaktelemente (EK) zwischen einem Halteelement (EH) und einem Klemmelement (EZ) befestigt sind, wobei das zumindest eine Führungs element (EF) an dem Halteelement (EH) oder an dem Klemmelement (EZ) ausgebil det oder daran befestigt ist.
5. Wellenerdungseinrichtung (E) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge kennzeichnet, dass zumindest eine Auswahl der Kontaktelemente (EK) einen nach radial innen größer werdenden Querschnitt aufweisen, sodass eine axiale Überde- ckung von zumindest einem derartigen Kontaktelement (EK) und dem zumindest ei nen Führungselement (EF) besteht.
6. Wellenerdungseinrichtung (E) nach Anspruch 4 und Anspruch 5, dadurch gekenn zeichnet, dass das Flalteelement (EH) oder das Klemmelement (EZ) zumindest eine Aussparung (EG) für zumindest eines der Kontaktelemente (EK) aufweist.
7. Wellenerdungseinrichtung (E) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge kennzeichnet, dass zumindest eines der Kontaktelemente (EK) das zumindest eine Führungselement (EF) umgreift.
8. Wellenerdungseinrichtung (E) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass jenes Kontaktelement (EK), welches das zumindest eine Führungselement (EF) um greift, eine Aussparung (EN) aufweist, wobei das zumindest eine Führungselement (EF) durch die Aussparung (EN) hindurchführend angeordnet ist.
9. Wellenerdungseinrichtung (E) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch ge kennzeichnet, dass das zumindest eine Führungselement (EF) derart ausgestaltet ist, dass es im montierten Zustand der Wellenerdungseinrichtung (E) keinen Kontakt zur Umfangsfläche (C) hat.
10. Getriebe (G) für ein Kraftfahrzeug, gekennzeichnet durch eine Wellenerdungsein richtung (E) nach einem der Ansprüche 1 bis 9 zur Erdung einer in einem Gehäuse (GG) des Getriebes (G) gelagerten Welle (GW2).
11 . Getriebe (G) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Welle (GW2) eine Abtriebswelle des Getriebes (G) bildet.
12. Getriebe (G) nach Anspruch 10 oder Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass das Getriebe (G) eine elektrische Maschine (EM) aufweist, welche zum Antrieb der Welle (GW2) eingerichtet ist.
13. Elektrische Achsantriebs-Einheit (EX) für ein Kraftfahrzeug, gekennzeichnet durch eine Wellenerdungseinrichtung (E) nach einem der Ansprüche 1 bis 9 zur Er dung einer in einem Gehäuse (GA) der Achsantriebs-Einheit (EA) gelagerten Welle (DS1 , DS2).
14. Elektrische Maschine (EM2) mit einem drehfesten Stator (S) und einem drehba ren Rotor (R), wobei der Rotor (R) mit einer Rotorwelle (RW) gekoppelt ist, wobei die Rotorwelle (RW) in einem Gehäuse (GE) der elektrischen Maschine (EM2) gelagert ist, gekennzeichnet durch eine Wellenerdungseinrichtung (E) nach einem der An sprüche 1 bis 9 zur Erdung der Rotorwelle (RW).
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