DE102012204795A1

DE102012204795A1 - Radnabenmotor mit Potenzialausgleich

Info

Publication number: DE102012204795A1
Application number: DE102012204795A
Authority: DE
Inventors: Tobias Vogler; Dorothee Stirnweiß; Darius Dlugai
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2012-03-26
Filing date: 2012-03-26
Publication date: 2013-09-26
Also published as: WO2013143791A1; US9453536B2; CN104245382A; CN104245382B; US20150008721A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Radnabenmotor zum Antrieb eines Kraftfahrzeuges. Die Alterung der zur Lagerung des Rotors verwendeten Wälzlager wird bei gleichzeitiger Minimierung der Abstrahlung elektromagnetischer Wellen vermieden, indem der Radnabenmotor – einen Rotor, – eine Nabe (1), – ein Radlager mit einem ersten Lagerring (2), der drehfest und elektrisch leitend mit der Nabe (1) verbunden ist, und einem zweiten Lagerring (3), der drehfest und elektrisch leitend mit dem Rotor verbunden ist, und – ein Kontaktelement (4) zur Erzeugung einer elektrisch leitenden Verbindung zwischen den besagten Lagerringen (2, 3), aufweist, wobei das Kontaktelement (4) über eine Feder (6) gegen die Nabe (1) abgestützt ist und einen Druckkontakt zu einem mit dem zweiten Lagerring (3) drehfest und elektrisch leitend verbundenen Potenzialausgleichselement (5) aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Radnabenmotor zum Antrieb eines Kraftfahrzeugs mit den Merkmalen gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Insbesondere für elektrisch angetriebene Fahrzeuge ist es bekannt, den Traktionsmotor direkt im anzutreibenden Rad anzuordnen. Hierbei kann der Rotor der elektrischen Traktionsmaschine direkt mit der Felge des Rades verbunden werden. Ein solches Konzept ist aus DE 10 2006 040 223 A1 bekannt und wird als Direktantrieb bezeichnet. Eine Alternative stellt der aus EP1382476B1 bekannte Aufbau dar, bei dem der Elektromotor über ein Getriebe auf das anzutreibende Rad wirkt.
In beiden Fällen muss der Antrieb den Vorschriften bezüglich elektromagnetischer Verträglichkeit (EMV) genügen. Durch die vom Stator erzeugten elektromagnetischen Felder können jedoch im Rotor Spannungen induziert werden. Diese können zu einen Stromfluss vom Rotor über die Rotorwelle gegen Erde über die Wälzlager führen. Insbesondere bei hohen Drehzahlen verlieren die zwischen den Lagerringen angeordneten Wälzlager den mechanischen Kontakt zu den Lagerringen, so dass die Wälzkörper über einen Schmiermittelfilm von zumindest einem der Lagerringe beabstandet sind. Das elektrisch isolierende Schmiermittel hat jedoch eine begrenzte Durchschlagfestigkeit. Führt die induzierte elekrische Spannung zu Teilentladungen im Schmiermittel oder zu einem dielektrischen Durchschlag, kommt es zu einer Abtrahlung, die unter EMW-Gesichtspunkten eventuell nicht vertretbar ist. Ferner kann ein derartiger Durchschlag zu einem Kontaktbrand an Lagerringen und Wälzkörpern führen, der eine vorzeitige Alterung besagter Elemente zur Folge hat.
Aus der DE 10 2010 022 320 A1 ist ein Radnabenmotor zum Antrieb eines Kraftfahrzeugs mit den Merkmalen gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1 bekannt. Hierbei werden Lagerströme und die Emission elektromagnetischer Wellen dadurch vermindert, dass zwischen Rotor und Stator der elektrischen Maschine mittels eines Kontaktelementes eine elektrisch leitende Verbindung geschaffen wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Radnabenantrieb die Alterung der zur Lagerung des Rotors verwendeten Wälzlager zu minimieren und die Abstrahlung elektromagnetischer Wellen zu vermeiden, wobei eine besonders kostengünstige Lösung angestrebt wird.
Die Lösung dieser Aufgabe gelingt mit einem Radnabenmotor mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1. Ein derartiger Radnabenmotor zum Antrieb eines Kraftfahrzeugs umfasst

– einen Rotor,
– eine Nabe,
– ein Radlager mit einem ersten Lagerring, der drehfest und elektrisch leitend mit der Nabe verbunden ist, und einem zweiten Lagerring, der drehfest und elektrisch leitend mit dem Rotor verbunden ist, und
– ein Kontaktelement zur Erzeugung einer elektrisch leitenden Verbindung zwischen den besagten Lagerringen,

Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind den abhängigen Patentansprüchen zu entnehmen.
Die Erfindung stellt gegenüber der aus der DE 10 2010 022 320 A1 bekannten Lösung eine deutliche konstruktive Verbesserung dar. Hierbei liegt der Erfindung die Erkenntnis zugrunde, dass der konstruktive Aufwand für den Radnabenantrieb und somit die erforderlichen Fertigungskosten signifikant gesenkt werden können, wenn der rotierende Teil des Radnabenantriebs als Umform- oder Tiefziehteil gestaltet werden kann. Dieser fertigungstechnische Vorteil ergibt sich dadurch, dass das Kontaktelement, das die beiden Lagerringe des Radlagers elektrisch leitend miteinander verbindet und somit die Ausbildung von Lagerströmen, die zur Schädigung des Schmiermittels führen würden, unterbindet, über die Feder gegen die Nabe abgestützt ist. Als Nabe wird hier sowie in dem gesamten Dokument jegliches Element zur Befestigung eines Rades auf einer Welle, Achse oder einem Zapfen verstanden.
Erfindungsgemäß drückt die Feder das Kontaktelement gegen das Potenzialausgleichselement, welches mit dem rotierenden Teil des Radnabenmotors in Verbindung steht. Das Potenzialausgleichselement, das in vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung als Abdeckkappe für das Radlager ausgebildet ist, muss demnach nur die Gegenfläche für den Druckkontakt bilden und kann als einfaches Tiefziehteil ohne jegliche spanende Bearbeitung hergestellt werden. Da das stehende Teil des Radlagers, insbesondere die Nabe, ohnehin spanend bearbeitet werden muss, erhöht sich der Fertigungsaufwand an dieser Stelle gegenüber der aus der DE 10 2010 022 320 A1 bekannten Lösung nicht.
Ferner ergibt sich durch die erfindungsgemäße Integration des gefederten Kontaktelementes in den stehenden Teil des Radlagers, d. h. die Nabe, ein optischer Vorteil, da das insbesondere als Abdeckkappe ausgebildete Potenzialausgleichselement hierdurch optisch ansprechender gestaltet werden kann. Die Kontaktierung geschieht darüber hinaus bauraumneutral.
In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist das Kontaktelement verliersicher mit der Nabe verbunden. Hierdurch ist gewährleistet, dass das Kontaktelement auch bei geöffnetem Radlager gegen ein Herausfallen gesichert ist.
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung kennzeichnet sich dadurch, dass die Nabe ein Sackloch umfasst, in dem das Kontaktelement gelagert ist, wobei am Grund des Sacklochs die Feder angebracht ist, die das Kontaktelement gegen das Potenzialausgleichselement drückt. Das Sackloch kann mittels verschiedener spangebender Verfahren wie z. B. Drehen, Fräsen und Bohren hergestellt werden.
Ein Herausfallen des Kontaktelementes bei geöffnetem Radlager kann besonders einfach realisiert werden, indem in vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung das Sackloch eine dem Grund gegenüberliegende Öffnung mit einem Durchmesser aufweist, der derart gewählt ist, dass das Kontaktelement in dem Sackloch verliersicher gehaltert ist. Besagter Durchmesser der Eingangsöffnung des Sacklochs kann insbesondere durch eine Ringverstemmung, Punktverstemmung oder Bördelung realisiert werden.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weist das Kontaktelement einen näherungsweise punktuellen Kontakt zum Potenzialausgleichselement auf, wobei besagter Kontaktpunkt auf der Rotationsachse des Rotors liegt. Durch diese konstruktive Maßnahme kann die Reibung, die der erfindungsgemäße Potenzialausgleich bewirkt, auf ein Minimum reduziert werden.
Reibungsarme und zugleich elektrisch zuverlässig kontaktierende Kontaktflächen ergeben sich bei einer vorteilhaften Ausführungsform, bei der das Kontaktelement eine konvex gestaltete Kontaktfläche aufweist, die mit dem Potenzialausgleichselement den besagten Druckkontakt bildet.
Hierbei ist es insbesondere möglich und vorteilhaft, das Kontaktelement als Kugel auszubilden. Diese kann auf sehr einfache Art und Weise mittels einer Schraubenfeder gegenüber dem Grund eines Sacklochs innerhalb der Nabe abgestützt werden.
Um den Verschleiß zu reduzieren und eine Verunreinigung des Schmiermittels des Wälzlagers zu vermeiden, wird eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung vorgeschlagen, bei der das Potenzialausgleichselement eine gehärtete Platte umfasst, mit der das Kontaktelement den besagten Druckkontakt bildet.
Ein Kraftfahrzeug mit einem Radnabenmotor gemäß einem der zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele ermöglicht vollkommen neuartige Fahrzeugkonzepte, da die zentrale Antriebsmaschine, die gewöhnlich den frontseitigen Motorraum eines Kfz beansprucht, entfällt. Hierbei bietet es sich an, jedes der vier Fahrzeugräder mit einem eigenen Radnabenmotor auszustatten. Auf diese Art und Weise ist auch ein radselektiver Antrieb einfach zu realisieren.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand der an den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert und beschrieben.
Es zeigen:
1 eine erste Ausführungsform einer Lagereinheit für einen Radnabenmotor,
2 eine zweite Ausführungsform einer Lagereinheit für einen Radnabenmotor,
3 eine dritte Ausführungsform einer Lagereinheit für einen Radnabenmotor,
4 eine vierte Ausführungsform einer Lagereinheit für einen Radnabenmotor und
5 eine fünfte Ausführungsform einer Lagereinheit für einen Radnabenmotor.
Einander entsprechende oder gleichwirkende Teile sind in allen Figuren mit denselben Bezugszeichen gekennzeichnet.
1 zeigt eine erste Ausführungsform einer Lagereinheit für einen Radnabenmotor gemäß der vorliegenden Erfindung. Die dargestellten Elemente lassen sich grob in zwei Klassen unterteilen. Zum einen gibt es Elemente, die mechanisch mit dem Rotor des Radnabenmotors drehfest gekoppelt sind und somit im laufenden Betrieb selbst rotieren. Des Weiteren enthält die dargestellte Lagereinheit Elemente, die mechanisch drehfest mit dem Stator der elektrischen Maschine gekoppelt sind und somit rotatorisch betrachtet stillstehen.
Als ein stehendes Element umfasst die Radlagereinheit eine Nabe 1, auf der ein erster Lagerring 2 eines doppelreihigen Wälzlagers angeordnet ist. Bei dem ersten Lagerring 2 handelt es sich in der dargestellten Ausführungsform um einen Innenring. Dieser ist drehfest mit der Nabe 1 verbunden und steht somit wie diese rotatorisch betrachtet still. Das doppelreihige Wälzlager umfasst ferner einen zweiten Lagerring 3, der als Außenring ausgebildet ist und elektrisch sowie mechanisch mit dem Rotor des Radnabenmotors verbunden ist.
Ferner umfasst die dargestellte Lagereinheit ein Kontaktelement 4 und ein Potenzialausgleichselement 5. Das Kontaktelement 4 stützt sich über eine vorgespannte Feder 6 gegen den Grund eines Sacklochs ab, welches in die Nabe 1 eingebracht ist und in axialer Richtung der Nabe 1 verläuft. Das Kontaktelement 4 ist als Kugel ausgebildet und steht in elektrisch leitender Verbindung zur Nabe 1 und mithin zum Stator des Radnabenmotors. Durch eine Ringverstemmung im Bereich der Öffnung des Sacklochs ist die Kugel vor einem Herausfallen gesichert. Sie ist demnach verliersicher mit der Nabe 1 verbunden. Die vorgespannte Feder drückt die Kugel in Richtung der Öffnung des Sacklochs.
Das Potenzialausgleichselement 5 ist hierbei als Abdeckkappe des Radlagers ausgebildet und stützt sich im montierten Zustand gegen die Kugel und somit gegen die Federkraft ab. Es entsteht ein Druckkontakt zwischen der Abdeckkappe und der Kugel. Da die Abdeckkappe mit dem Lageraußenring in Verbindung steht, der wiederum elektrisch leitend mit dem Rotor der elektrischen Maschine verbunden ist, wird an der Druckkontaktstelle zwischen der Abdeckkappe und der Kugel eine elektrisch leitende Verbindung zwischen dem Rotor und der Nabe 1 geschaffen. Wird nun im laufenden Betrieb vom Stator im Rotor des Radnabenmotors eine Spannung induziert, so können hierdurch hervorgerufene Ströme über das Potenzialausgleichselement 5 und das Kontaktelement 4 zur Nabe 1 hin und somit zum Gehäuse der elektrischen Maschine abfließen. Ohne besagte elektrische Verbindung zwischen den stehenden und rotierenden Teilen würde der Stromfluss über das Wälzlager und mithin über dessen Schmiermittel erfolgen. Abdeckkappe und Kugel schließen jedoch den Weg über die Wälzlager elektrisch kurz, sodass eine Alterung des Schmiermittels vermieden wird und die elektromagnetische Verträglichkeit des Aufbaus verbessert wird.
2 zeigt eine zweite Ausführungsform einer Lagereinheit für einen Radnabenmotor. Diese unterscheidet sich zu der in 1 dargestellten Ausführungsform durch die Ausbildung des Sacklochs. In der hier dargestellten Ausführungsform ist das Sackloch durch eine Bohrung in eine Stirnseite der Nabe 1 realisiert.
3 zeigt eine dritte Ausführungsform einer Lagereinheit für einen Radnabenmotor. Das Potenzialausgleichselement 5 ist hier als Abdeckkappe für das Radlager ausgebildet, die im Bereich der Berührungsfläche der Kugel eine konkav geformte Wölbung aufweist. Hierdurch wird eine verbesserte Schmiegung zwischen der Kugeloberfläche und der Abdeckkappe erreicht und die Größe der Kontaktellipse vergrößert.
4 zeigt eine vierte Ausführungsform einer Lagereinheit für einen Radnabenmotor. Diese Ausführungsform zeichnet sich durch eine gehärtete Platte 7 innerhalb der Abdeckkappe aus. Die gehärtete Platte 7 ist im Bereich des Druckkontaktes positioniert, den das als Kugel ausgeformte Kontaktelement 4 mit dem Potenzialausgleichselement 5 bildet. Dadurch, dass die Abdeckkappe im Bereich des Druckkontaktes gehärtet ausgebildet ist, wird der Verschleiß der Abdeckkappe reduziert und einer Verunreinigung des Wälzlagerfettes bzw. -öls entgegengewirkt.
5 zeigt eine fünfte Ausführungsform einer Lagereinheit für einen Radnabenmotor. Im Vergleich zu den zuvor gezeigten Ausführungsformen unterscheidet sich die in 5 dargestellte durch die Ausgestaltung des Kontaktelements 4. Das Kontaktelement 4 ist hier annähernd pilzförmig ausgebildet, wobei eine konvex geformte Oberfläche des Kontaktelementes 4 dem Potenzialausgleichselement 5 zugewandt ist. Das Kontaktelement 4 ist innerhalb einer Durchgangsbohrung der Nabe 1 angeordnet. Mithilfe eines Drahtes, der durch die Durchgangsbohrung hindurchgeführt ist, ist das Kontaktelement 4 an dem Ende der Nabe 1 fixiert, welches axial betrachtet dem Potenzialausgleichselement 5 gegenüberliegt. Hierdurch kann das Kontaktelement 4 auch ohne Verwendung einer Ring- oder Punktverstemmung bzw. Bördelung gegen ein Herausfallen gesichert werden.
Bezugszeichenliste

1: Nabe
2: erster Lagerring
3: zweiter Lagerring
4: Kontaktelement
5: Potenzialausgleichselement
6: Feder
7: gehärtete Platte

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102006040223 A1 [0002]
EP 1382476 B1 [0002]
DE 102010022320 A1 [0004, 0008, 0009]

Claims

Radnabenmotor zum Antrieb eines Kraftfahrzeuges mit – einem Rotor, – einer Nabe (1), – einem Radlager mit einem ersten Lagerring (2), der drehfest und elektrisch leitend mit der Nabe (1) verbunden ist, und einem zweiten Lagerring (3), der drehfest und elektrisch leitend mit dem Rotor verbunden ist, und – einem Kontaktelement (4) zur Erzeugung einer elektrisch leitenden Verbindung zwischen den besagten Lagerringen (2, 3), dadurch gekennzeichnet, dass das Kontaktelement (4) über eine Feder (6) gegen die Nabe (1) abgestützt ist und einen Druckkontakt zu einem mit dem zweiten Lagerring (3) drehfest und elektrisch leitend verbundenen Potenzialausgleichselement (5) aufweist.
Radnabenmotor nach Anspruch 1, wobei das Kontaktelement (4) verliersicher mit der Nabe (1) verbunden ist.
Radnabenmotor nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei die Nabe (1) ein Sackloch umfasst, in dem das Kontaktelement (4) gelagert ist, wobei am Grund des Sacklochs die Feder (6) angebracht ist, die das Kontaktelement (4) gegen das Potenzialausgleichselement (5) drückt.
Radnabenmotor nach Anspruch 3, wobei das Sackloch (6) eine dem Grund gegenüberliegende Öffnung mit einem Durchmesser ausweist, der derart gewählt ist, dass das Kontaktelement (4) in dem Sackloch (6) verliersicher gehaltert ist.
Radnabenmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Kontaktelement (4) einen näherungsweise punktuellen Kontakt zum Potenzialausgleichselement (5) aufweist, wobei besagter Kontaktpunkt auf der Rotationsachse des Rotors liegt.
Radnabenmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Kontaktelement (4) eine konvex gestaltete Kontaktfläche aufweist, die mit dem Potenzialausgleichselement (5) den besagten Druckkontakt bildet.
Radnabenmotor nach Anspruch 6, wobei das Kontaktelement (4) als Kugel ausgebildet ist.
Radnabenmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Potenzialausgleichselement (5) als Abdeckkappe für das Radlager ausgebildet ist.
Radnabenmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Potenzialausgleichselement (5) eine gehärtete Platte umfasst, mit der das Kontaktelement (4) den besagten Druckkontakt bildet.
Kraftfahrzeug mit einem Radnabenmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche.