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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur elektrisch leitfähigen Verbindung zwischen einer Welle und einem Gehäuse. Die Erfindung betrifft ferner eine Antriebsstrangeinheit für ein Kraftfahrzeug mit einer solchen Vorrichtung.
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Die Patentanmeldung
DE 102 49 770 A1 beschreibt eine Vorrichtung, welche eine in einem Gehäuse drehbar gelagerte Welle umfasst. Das Gehäuse und die Welle stehen über eine Komponente in elektrisch leitfähiger Verbindung, und zwar über eine Schleifverbindung. Die Komponente kann einen mit der Welle nicht-mitdrehenden Ableitring umfassen, welcher im Bereich seines kleinsten Durchmessers einen Schleifkontakt zur Welle aufweist. Allerdings geht aus dieser Druckschrift nicht hervor, wie diese Komponente befestigt ist.
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Die Patentanmeldung
DE 10 2016 010 926 A1 beschreibt verschiedene Ausgestaltungen eines Wellenerdungsrings zwischen einer Welle und einem Gehäuse. Zur Befestigung wird vorgeschlagen, den Wellenerdungsring über einen Presssitz am Gehäuse zu befestigen. Alternativ dazu wird vorgeschlagen, quer abstehende Laschen zur Befestigung zu verwenden, oder den Wellenerdungsring zu verschrauben.
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Die Befestigung des Wellenerdungsrings mittels Presssitz wird als nachteilig angesehen, da dies eine Demontage desselben erschwert. Zudem besteht das Risiko, bei der Montage und Demontage das Gehäuse zu beschädigen.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung eine verbesserte Befestigung für eine solche Vorrichtung bereitzustellen.
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Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale des Patentanspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen, der Beschreibung sowie aus den Figuren.
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Zur Lösung der Aufgabe wird eine Vorrichtung zur elektrisch leitfähigen Verbindung zwischen einer Welle und einem Gehäuse vorgeschlagen. Die Welle ist in dem Gehäuse drehbar gelagert, beispielsweise mittels eines oder mehreren Wälz- und/oder Gleitlagern. Durch die Lagerung ist regelmäßig keine zuverlässige elektrisch leitfähige Verbindung zwischen Welle und Gehäuse gegeben, da ein Schmiermittel der Lager häufig elektrisch isolierende Eigenschaften aufweist.
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Die Vorrichtung umfasst ein elektrisch leitfähiges Halteelement und ein daran befestigtes elektrisch leitfähiges Kontaktelement. Das Kontaktelement ist dazu eingerichtet ist eine elektrisch leitfähige Verbindung zwischen der Welle und dem Halteelement herzustellen. Dies kann auf verschiedene Weisen erfolgen, beispielsweise mittels Bürsten oder mittels einer Schleiffläche. Für die entsprechend erforderliche elektrisch leitfähige Reibpaarung kann beispielsweise Kohlenstoff oder ein elektrisch leitfähiges PTFE-Element einerseits und Stahl andererseits verwendet werden. Das Halteelement ist dazu eingerichtet eine elektrisch leitfähige Verbindung zwischen dem Kontaktelement und dem Gehäuse herzustellen. Auf der Welle kann ein elektrisch leitfähiger Schleifring aufgebracht sein, auf dessen Umfang das Kontaktelement schleift. Alternativ dazu kann mittels Kaltgasspritzen eine elektrisch leitfähige Schicht auf die Welle aufgebracht werden, sodass ein separater Schleifring entfallen kann.
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Erfindungsgemäß ist nun vorgesehen, das Halteelement mittels eines Sprengrings am Gehäuse zu befestigen. Eine solche Konstruktion ermöglicht eine zerstörungsfreie Demontage, und eine einfache Montage.
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Vorzugsweise ist der Sprengring als ein konischer Sprengring ausgeführt. Die Wirkflächen eines solchen „konischen“ Sprengrings sind nicht parallel zueinander, sondern schließen einen Winkel zueinander ein, sodass die beiden Wirkflächen sich schneiden. Die dazu komplementären Wirkflächen am Gehäuse schließen den gleichen, oder zumindest einen ähnlichen Winkel ein. Durch Verwendung eines solchen Sprengrings wird das Halteelement gegen eine entsprechende Kontaktfläche des Gehäuses gedrückt, sodass ein elektrisch leitfähiger Kontakt zwischen Gehäuse und Halteelement sicher gewährleistet werden kann (sofern die beteiligten Werkstoffe dazu geeignet sind). Zusätzlich ist eine solche Konstruktion besonders platzsparend realisierbar.
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Vorzugsweise wird die Kontaktfläche durch eine ringförmige Fläche gebildet, deren Zentrum koaxial zur Drehachse der Welle angeordnet ist. Vorzugsweise erstreckt sich die Kontaktfläche in radialer Richtung, mit Bezug zur Drehachse der Welle.
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Gemäß einer möglichen Ausgestaltung ist das Halteelement über ein elektrisch leitfähiges Verbindungselement mit dem Gehäuse verbunden. Eine solche Ausgestaltung ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn ein bloßer Flächenkontakt zwischen Gehäuse und Halteelement keine hohe elektrische Leitfähigkeit gewährleistet, beispielsweise bei einem Gehäuse aus Aluminium. Denn durch die Aluminiumoxidschicht an der Oberfläche des Gehäuses kann der Übergangswiderstand zu hoch sein, um eine sichere und zuverlässige elektrisch leitfähige Verbindung zu gewährleisten. Ein gehäuseseitiges Ende des Verbindungselements weist eine Formgebung auf, mittels der ein sicherer elektrisch leitfähiger Kontakt zwischen Verbindungselement und Gehäuse herstellbar ist, insbesondere zur Verletzung und Durchdringung der Aluminiumoxidschicht. Beispielsweise können dazu Dornen vorgesehen sein, oder eine Geometrie wie an einer Fächerscheibe.
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Das Verbindungselement kann beispielsweise ein flexibles Band aufweisen. Eine solche Ausgestaltung erleichtert die Montage der Vorrichtung, da aufgrund der Flexibilität des Bands das Halteelement nicht exakt zum Gehäuse ausgerichtet sein muss. Zudem ist der Bauraumbedarf für ein solches Band sehr gering.
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Vorzugsweise ist am gehäuseseitigen Ende des Verbindungselements ein Blechstreifen vorgesehen. Über den Blechstreifen kann das Verbindungselement auf einfache Weise mittels einer Schraube am Gehäuse befestigt werden. Die Form zur Verletzung und Durchdringung der Aluminiumoxidschicht kann an dem Blechstreifen ausgebildet sein.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist am Halteelement eine Lasche ausgebildet, an der das Verbindungselement befestigt ist. Die elektrisch leitfähige Verbindung zwischen Lasche und Verbindungselement kann beispielsweise durch Nieten, Löten oder Crimpen hergestellt sein.
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Vorzugsweise ist am Halteelement eine Freistellung für die Lasche vorgesehen. Durch die Freistellung wird die Positionierung der Vorrichtung gegenüber dem Gehäuse erleichtert. Im Bereich der Freistellung weist das Halteelement zudem einen axial ausgerichteten Vorsprung auf, welcher die Positionierung zusätzlich erleichtert. Der axial ausgerichtete Vorsprung kann beispielsweise durch ein lokales Umbiegen des Halteelements erreicht werden.
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Vorzugsweise ist der axial ausgerichtete Vorsprung derart angeordnet und ausgerichtet, dass ein unmittelbarer Kontakt zwischen Sprengring und Verbindungselement verhindert wird. Dadurch kann verhindert werden, dass das Verbindungselement durch Verdrehung des Sprengrings beschädigt wird.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist am Halteelement zumindest ein Schutzelement befestigt. Das zumindest eine Schutzelement ist dazu eingerichtet die elektrisch leitfähige Kontaktstelle zwischen Kontaktelement und Welle gegenüber äußeren Einflüssen zu schützen. Das zumindest eine Schutzelement kann beispielsweise aus einem Elastomerelement gebildet sein, oder durch ein Vlies. Gemäß einer möglichen Ausgestaltung können insgesamt zwei Schutzelemente vorgesehen sein, wobei sich die elektrisch leitfähige Kontaktstelle zwischen Kontaktelement und Welle zwischen den beiden Schutzelementen befindet.
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Die oben beschriebene Vorrichtung kann Bestandteil einer Antriebstrangeinheit für ein Kraftfahrzeug sein, sodass die Vorrichtung eine elektrisch leitfähige Verbindung zwischen einer Welle der Antriebstrangeinheit und einem Gehäuse der Antriebstrangeinheit bereitstellt. Die Antriebstrangeinheit kann beispielsweise ein elektrischer Achsantrieb sein, oder ein automatisiertes Getriebe oder ein Automatikgetriebe.
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Vorzugsweise ist die Vorrichtung, welche die elektrisch leitfähige Verbindung zwischen Welle und Gehäuse bereitstellt, unmittelbar benachbart zu einem Radialwellendichtring angeordnet. Für eine solche Ausgestaltung ist die Befestigung der Vorrichtung mittels dem Sprengring besonders geeignet, da somit bei der Montage der Vorrichtung eine Belastung des Radialwellendichtrings auf einfache Weise vermieden werden kann.
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Vorzugsweise wird die Welle durch eine Eingangswelle oder durch eine Abtriebswelle der Antriebstrangeinheit gebildet. Die Antriebstrangeinheit kann eine elektrische Maschine aufweisen, welche dazu eingerichtet ist die Welle anzutreiben. Die Antriebsstrangeinheit kann einen Radsatz und mehrere Schaltelemente aufweisen, welche zur Bildung von mehreren Übersetzungsstufen zwischen Eingangswelle und Abtriebswelle dienen.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind nachfolgend detailliert beschrieben. Es zeigen:
- 1 und 2 je einen Antriebsstrang für ein Kraftfahrzeug;
- 3 ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung;
- 4 ein zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung; sowie
- 5 bis 7 verschiedene Ansichten eines dritten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
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1 zeigt schematisch einen Antriebsstrang für ein Kraftfahrzeug. Der Antriebsstrang weist einen Verbrennungsmotor VM auf, dessen Ausgang mit einer Eingangswelle GW1 eines Getriebes G verbunden ist. Das Getriebe G bildet eine Antriebsstrangeinheit des Antriebstrangs. Eine Abtriebswelle GW2 des Getriebes G ist mit einem Differentialgetriebe AG verbunden. Das Differentialgetriebe AG ist dazu eingerichtet, die an der Abtriebswelle GW2 anliegende Leistung auf Antriebsräder DW des Kraftfahrzeugs zu verteilen. Das Getriebe G weist einen Radsatz RS auf, welcher zusammen mit in 1 nicht dargestellten Schaltelementen dazu eingerichtet ist verschiedene Übersetzungsverhältnisse zwischen der Eingangswelle GW1 und der Abtriebswelle GW2 bereitzustellen. Der Radsatz RS ist von einem Gehäuse GG umschlossen, welches auch eine mit der Eingangswelle GW1 verbundene elektrische Maschine EM beherbergt. Die elektrische Maschine EM ist dazu eingerichtet die Eingangswelle GW1 anzutreiben.
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Das Getriebe G kann eine oder mehrere Vorrichtungen X aufweisen. Die Vorrichtungen X sind dazu vorgesehen, eine elektrisch leitfähige Verbindung zwischen der Eingangswelle GW1, bzw. der Abtriebswelle GW2 einerseits und dem Gehäuse GG andererseits bereitzustellen. In 1 sind die Vorrichtungen X nur schematisch dargestellt; Ausführungsbeispiele der Vorrichtungen X sind in 3 bis 7 detailliert beschrieben.
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2 zeigt schematisch einen Antriebsstrang für ein Kraftfahrzeug, welcher im Gegensatz zur in 1 dargestellten Ausführung ein rein elektrischer Antriebsstrang ist. Der Antriebsstrang weist eine Antriebsstrangeinheit G auf. Die Antriebsstrangeinheit G weist eine elektrische Maschine EM auf, welche dazu eingerichtet ist eine Welle W anzutreiben. Die Welle W ist mit einem Differentialgetriebe AG verbunden. Das Differentialgetriebe AG ist dazu eingerichtet, die an der Welle W anliegende Leistung auf Antriebsräder DW des Kraftfahrzeugs zu verteilen.
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Die Antriebsstrangeinheit G weist ein Gehäuse GG auf, welche die elektrische Maschine EM beherbergt. Die Welle W ist in dem Gehäuse GG drehbar gelagert. Die Antriebsstrangeinheit G kann eine Vorrichtung X aufweisen. Die Vorrichtung X ist dazu vorgesehen, eine elektrisch leitfähige Verbindung zwischen der Welle W einerseits und dem Gehäuse GG andererseits bereitzustellen. In 2 ist die Vorrichtung X nur schematisch dargestellt; Ausführungsbeispiele der Vorrichtung X sind in 3 bis 7 detailliert beschrieben.
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Die in 1 und 2 dargestellten Antriebsstränge sind nur beispielhaft anzusehen. Die Vorrichtung X könnte auch in andersartig ausgebildeten Antriebssträngen zum Einsatz kommen, um eine elektrisch leitfähige Verbindung zwischen einer Welle und einem die Welle lagernden Gehäuse bereitzustellen. Der Antriebsstrang kann beispielswese zum Antrieb von Personenkraftwagen, Nutzfahrzeugen oder Schienenfahrzeugen dienen.
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3 zeigt eine Schnittdarstellung der Vorrichtung X gemäß einem ersten möglichen Ausführungsbeispiel. Die Vorrichtung X umfasst ein elektrisch leitfähiges Halteelement X1 und ein daran befestigtes elektrisch leitfähiges Kontaktelement X2. Das Kontaktelement X2 schleift an seinem Innendurchmesser an einem optionalen Schleifring WS, welcher ein Bestandteil der Welle W ist. Das Kontaktelement X2 ist beispielhaft als ein federndes PTFE-Element ausgeführt. Das Kontaktelement X2 könnte aber auch andersartig ausgeführt sein, beispielsweise als Kohlebürste. Das Halteelement X1 ist beispielsweise als Stahlring ausgeführt. Zum sicheren Halten des Kontaktelements X2 kann ein zusätzliches Halteelement X1b vorgesehen sein, wobei ein radial äußerer Bereich des Kontaktelements X2 zwischen dem Halteelement X1 und dem zusätzlichen Halteelement X1b eingespannt ist.
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Durch den Schleifkontakt zwischen dem Schleifring WS der Welle W und dem Kontaktelement X2, und durch die Befestigung des Kontaktelements X2 am Halteelement X1 weisen die Welle W, das Kontaktelement X2 und das Halteelement X1 das gleiche elektrische Potential auf. Da das Halteelement X1 am Gehäuse GG befestigt ist, wird somit ein elektrisch leitfähiger Kontakt zwischen Welle W und Gehäuse GG bereitgestellt, sofern die beteiligten Werkstoffe dazu geeignet sind.
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Das Halteelement X1 ist mittels eines konischen Sprengrings SP am Gehäuse GG befestigt. Durch die konische Form des Sprengrings SP wird das Halteelement X1 gegen eine Anlagefläche des Gehäuses GG gedrückt, sodass der elektrisch leitfähige Kontakt zwischen Halteelement X1 und Gehäuse GG sichergestellt ist. Die Kontaktfläche ist durch eine ringförmige Fläche gebildet, welche sich im Wesentlichen in radialer Richtung erstreckt, und deren Zentrum koaxial zur Drehachse der Welle W angeordnet ist.
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Die Vorrichtung X gemäß dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel kann zwei Schutzelemente X3a, X3b aufweisen. Die Schutzelemente X3a, X3b sind axial beidseitig des Kontaktelements X2 angeordnet, und schützen die Kontaktstelle zwischen Kontaktelement X2 und Schleifring WS vor Umwelteinflüssen wie Staub, Späne etc. Die Schutzelemente X3a, X3b können beispielsweise aus einem Vlies oder einem Elastomerelement gebildet sein.
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Die Vorrichtung X ist unmittelbar benachbart zu einem Radialwellendichtring D angeordnet. Der Radialwellendichtring D wirkt zwischen Gehäuse GG und Welle W, und dichtet einen Innenraum des Gehäuses GG gegenüber der Umgebung ab. Die Vorrichtung X befindet sich dabei am Außenbereich des Gehäuses GG.
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4 zeigt eine Schnittdarstellung der Vorrichtung X gemäß einem zweiten möglichen Ausführungsbeispiel. Im Unterschied zum Ausführungsbeispiel gemäß 3 entfallen die Schutzelemente. Die Vorrichtung X kann somit besonders nah zum Radialwellendichtring D angeordnet werden, sodass das Halteelement X1 an einem Trägerelement des Radialwellendichtrings D anliegt. Eine solche Konstruktion der Vorrichtung X ist besonders für Anwendungen geeignet, bei der die Vorrichtung X in einer von außen geschützten Umgebung verwendet wird.
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5 zeigt eine Ansicht der Vorrichtung X gemäß einem dritten möglichen Ausführungsbeispiel. In diesem dritten Ausführungsbeispiel umfasst die Vorrichtung X zusätzlich ein Verbindungselement Y, welches zur elektrisch leitfähigen Verbindung zwischen dem Halteelement X1 und dem Gehäuse GG dient. Das Verbindungselement Y weist ein flexibles Band auf, welches über eine Nietverbindung mit einer Lasche XY des Halteelements X1 verbunden ist. Das flexible Band ist über eine weitere Nietverbindung mit einem Blechstreifen Y1 verbunden, welcher mittels einer Schraube Y2 am Gehäuse GG befestigt ist. Eine gehäuseseitige Fläche des Blechstreifens Y2 weist eine Formgebung auf, welche zur Verletzung und Durchdringung einer oberflächlichen Oxidschicht des Gehäuses GG eingerichtet ist.
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6 zeigt eine Detailansicht der Vorrichtung X gemäß dem in 5 dargestellten dritten Ausführungsbeispiel. Darin ist gut zu erkennen, dass am Halteelement X1 eine Freistellung für die Lasche XY vorgesehen ist, und dass das Halteelement X1 im Bereich der Freistellung zwei axial ausgerichtete Vorsprünge XY2 aufweist. Die Vorsprünge XY2 sind durch Umbiegen von Abschnitten des Halteelements X1 gebildet. Die Vorsprünge XY2 sind dabei so angeordnet und ausgerichtet, dass eine Verdrehung des Sprengrings SP nicht zu einer Beschädigung des Verbindungselements Y führen kann.
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7 zeigt einen Abschnitt einer Schnittansicht der Vorrichtung X gemäß dem in 5 und 6 dargestellten Ausführungsbeispiel. Darin ist der räumliche Verlauf des flexiblen Bands Y gut zu erkennen. Durch einen solchen Verlauf des Bands Y kann die elektrisch leitfähige Verbindung zwischen Welle W (in 7 nicht sichtbar) und dem Gehäuse GG durch einen Spalt zwischen dem Gehäuse GG und einem benachbarten Gehäuse GG2 hindurchgeführt werden. In 7 ist zudem die gehäuseseitige Formgebung des Blechstreifens Y1 angedeutet, welche zur Verletzung und Durchdringung der oberflächlichen Oxidschicht des Gehäuses GG vorgesehen ist.
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Bezugszeichenliste
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- VM
- Verbrennungsmotor
- G
- Antriebstrangeinheit, Getriebe
- EM
- Elektrische Maschine
- RS
- Radsatz
- GG
- Gehäuse
- W
- Welle
- WS
- Schleifring der Welle
- GW1
- Eingangswelle
- GW2
- Abtriebswelle
- AG
- Differentialgetriebe
- DW
- Antriebsrad
- X
- Vorrichtung
- X1
- Halteelement
- X1b
- Zusätzliches Halteelement
- X2
- Kontaktelement
- SP
- Sprengring
- X3a
- Schutzelement
- X3b
- Schutzelement
- D
- Radialwellendichtring
- Y
- Verbindungselement
- Y1
- Blechstreifen
- Y2
- Schraube
- XY
- Lasche
- XY2
- axialer VorsprungGG2 weiteres Gehäuse
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10249770 A1 [0002]
- DE 102016010926 A1 [0003]
