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Die Erfindung betrifft einen Elektromotor, mit dessen Hilfe ein Kraftfahrzeug elektrisch angetrieben werden kann.
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Aus
DE 10 2018 115 186 A1 ist ein Elektromotor zum elektrischen Antrieb eines Kraftfahrzeugs bekannt, bei dem ein von einem Stator angetriebener Rotor über eine als Schlingfeder ausgestaltete Überlastkupplung mit einer Rotorwelle gekoppelt ist, um das Massenträgheitsmoment des Rotors bei einem plötzlichen Drehmomentstoß im Antriebsstrang des Kraftfahrzeugs abzukoppeln.
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Es besteht ein ständiges Bedürfnis einen Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs bauraumsparend bei plötzlichen Drehmomentstößen zu schützen.
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Es ist die Aufgabe der Erfindung Maßnahmen aufzuzeigen, die bei einem geringen Bauraumbedarf einen Schutz eines Antriebsstrangs eines Kraftfahrzeugs bei plötzlichen Drehmomentstößen ermöglichen.
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Die Lösung der Aufgabe erfolgt durch einen Elektromotor mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung angegeben, die jeweils einzeln oder in Kombination einen Aspekt der Erfindung darstellen können.
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Eine Ausführungsform betrifft einen Elektromotor zum elektrischen Antrieb eines Kraftfahrzeugs mit einem von einem Stator antreibbaren Rotor, einem Abtriebselement zum Ausleiten eines von dem Rotor kommenden Drehmoments und einer zwischen dem Rotor und dem Abtriebselement vorgesehenen Rutschkupplung zur Begrenzung eines maximal übertragbaren Drehmoments, wobei die Rutschkupplung ein zwischen zwei axial feststehenden Gegenreibflächen verklemmtes Federelement zum reibschlüssigen Anpressen von zwei voneinander weg weisenden Reibflächen an die jeweilige Gegenreibfläche aufweist.
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Durch das verklemmte Federelement wird das Federelement vorgespannt, wodurch eine definierte Federkraft von dem Federelement auf die mindestens zwei Reibpaarungen zwischen der jeweiligen Reibfläche und Gegenreibfläche aufgeprägt wird. Die Federkraft hängt hierbei nur von dem axialen Abstand der Gegenreibflächen und der Geometrie des Federelements ab, so dass sehr leicht eine genau definierte Federkraft vorgesehen werden kann. Diese Federkraft bedingt die zwischen der Reibfläche und der Gegenreibfläche Reibungskraft, von der wiederum das in der Rutschkupplung maximal übertragbare Drehmoment abhängt. Falls infolge eines plötzlichen Drehmomentstoßes („Impact“) das maximal übertragbare Drehmoment in der Rutschkupplung überschritten werden sollte, kann die in den Reibpaarungen angreifende Reibungskraft überwunden werden und die Rutschkupplung in den Schlupfbetrieb wechseln, bei der ein Durchrutschen der Reibflächen an den Gegenreibflächen erfolgt. Eine Übertragung eines zu großen Drehmoments kann dadurch vermieden werden, wodurch Beschädigungen von Komponenten in dem Antriebsstrang des Kraftfahrzeugs durch Überbelastungen vermieden werden können.
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Da die Gegenreibflächen axial feststehen, ändert sich die von dem Federelement erzeugte Federkraft nicht wesentlich, so dass das von der Rutschkupplung maximal übertragbare Drehmoment sehr genau eingestellt und über die Lebensdauer im Wesentlichen konstant bleibt. Sofern ein abrasiver Verschleiß in der Reibpaarung zwischen der Reibfläche und der Gegenreibfläche überhaupt auftreten sollte, ist davon auszugehen, dass der Verschleiß so gering ist, dass die Vorspannung des Federelements im Wesentlichen erhalten bleibt und das von der Rutschkupplung maximal übertragbare Drehmoment sich nicht wesentlich verändert. Die Rutschkupplung ermöglicht dadurch eine sehr präzise Drehmomentbegrenzung über eine lange Lebensdauer.
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Im Gegensatz zu bekannten Bauformen von Reibungskupplungen sind die Gegenreibflächen axial unbeweglich. Eine axial verschiebbare Gegenreibfläche, die von einem Federelement angepresst wird, um eine Kupplungsscheibe reibschlüssig zu verpressen ist vermieden. Stattdessen ist die Kupplungsscheibe durch das Federelement ersetzt, wobei das Federelement die Reibflächen in axialer Richtung voneinander weg gegen die aufeinander zu gerichteten Gegenreibflächen drückt. Eine axial oder radial außerhalb der Gegenreibflächen vorgesehene Aktorik und/oder Abstütztechnik zur Erzeugung einer das maximal übertragbare Drehmoment bestimmenden Anpresskraft in den Reibpaarungen zwischen der Reibfläche und der Gegenreibfläche ist nicht erforderlich und kann eingespart werden. Der Bauraumbedarf der Rutschkupplung, insbesondere in axialer Richtung, kann dadurch gering gehalten werden und/oder minimiert werden. Die Funktionen der Reibungskupplung eine Anpresskraft zu erzeugen, eine Reibfläche bereitzustellen und eine Drehmomentübertragung bis zu dem vordefinierten maximal übertragbaren Drehmoment herbeizuführen kann auf eine geringere Anzahl an Bauteilen konzentriert werden. Insbesondere ist es möglich, dass in dem Federelement mehr als eine dieser Funktionen kombiniert sind. Die Bauteleanzahl für die Rutschkupplung kann dadurch gering gehalten werden, wodurch auch ein entsprechend geringer Bauraumbedarf erreicht werden kann. Durch die Verklemmung des Federelements zwischen den axial feststehenden Gegenreibflächen kann bei einem geringen Bauraumbedarf sehr präzise ein maximal übertragbares Drehmoment eingestellt werden, so dass bei einem geringen Bauraumbedarf einen Schutz eines Antriebsstrangs eines Kraftfahrzeugs bei plötzlichen Drehmomentstößen ermöglicht ist.
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Bei einem plötzlichem Drehmomentstoß („Impact“) können sich im Antriebsstrang nicht vorgesehene Belastungen ergeben, die zu einer Beschädigung von drehmomentübertragenden Komponenten im Antriebsstrang führen können. Impacts entstehen beispielsweise, wenn beim Anfahren des Kraftfahrzeugs der Kraftfahrzeugmotor abgewürgt wird, ein Verschalten stattfindet, ein schnelles Einkuppeln erfolgt, ein Rückschalten mit gleichzeitigen Gas geben durchgeführt wird, eine Notbremsung erfolgt, ein Knallstart („Kavalierstart“) stattfindet und/oder ein Motorstart eines als Verbrennungsmotor ausgestalteten angekoppleten Kraftfahrzeugmotors erfolgt. Zudem kann ein Impact im Antriebsstrang aufgrund von Antriebsstrangelastizitäten auftreten, insbesondere wenn sich die Traktion des Kraftfahrzeugs plötzlich ändernd, beispielsweise bei einem Übergang der Fahrbahnbeschaffenheit zwischen einer Eisfläche und einer eisfreien Fläche auf einem Untergrund. Außerdem kann ein schlagartiger Impact auftreten, wenn eine Komponente des Antriebsstrangs an einem Endanschlag anschlägt und aus der Bewegung plötzlich angehalten wird, wie dies beispielsweise bei einem plötzlichen Einrasten einer Parksperre oder ähnlichem der Fall wäre. Die Rutschkupplung kann als Drehmomentbegrenzer in der Art eines Tiefpassfilters eine Übertragung von zu hohen Drehmomenten verhindern, indem die aus der Reibfläche und der Gegenreibfläche gebildete Reibpaarung bei zu hohen Drehmomenten in der Rutschkupplung durchrutschen kann. Das von der Rutschkupplung noch übertragbare maximale Drehmoment hängt von Reibungseigenschaften, insbesondere Reibwert und Anpresskraft, in der mindestens einen Reibpaarung ab, die zur Einstellung des gewünschten maximalen Drehmoments geeignet gewählt sind. Durch die durchrutschende Rutschkupplung kann das wirksame Massenträgheitsmoment des Rotors des Elektromotors und das wirksame elektrisch erzeugte Drehmoment zumindest begrenzt werden, um eine Beschädigung von Komponenten des Antriebsstrangs bei einem plötzlich auftretenden Gegenmoment im Antriebsstrang zu vermeiden.
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Der Elektromotor kann dazu dimensioniert sein das Kraftfahrzeug, an dessen Antriebsstrang der Elektromotor angeschlossen werden kann, rein elektrisch anzutreiben. Hierzu kann der Stator des Elektromotors elektrisch betriebene Elektromagneten aufweisen, die mit Permanentmagneten des Rotors zusammenwirken können, um den Rotor und eine mit dem Rotor verbundene und am Antriebsstrang permanent oder lösbar angekoppelte Rotorwelle in Rotation zu versetzen. Der Rotor kann hierbei als Innenläufer oder Außenläufer ausgestaltet sein. Der Stator kann an einer wieder aufladbaren Kraftfahrzeugbatterie angeschlossen sein, in der die für den Betrieb des Elektromotors benötigte elektrische Energie gespeichert werden kann. Vorzugsweise ist der Elektromotor als elektrische Maschine ausgestaltet, die auch im Generatorbetrieb betrieben werden kann, so dass auch mechanische Energie aus dem Antriebsstrang mit Hilfe des im Generatorbetrieb betriebenen Elektromotors in elektrische Energie gewandelt werden kann, die in der angeschlossenen Kraftfahrzeugbatterie gespeichert werden kann. Dadurch kann beispielsweise beim Abbremsen des Kraftfahrzeugs Bremsenergie rekuperiert werden.
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Insbesondere ist das Federelement als Tellerfeder ausgestaltet, wobei insbesondere eine Federkennlinie der Tellerfeder einen Teilbereich mit einer über einen begrenzten Verformungsbereich im Wesentlichen konstanten Federkraft aufweist und die Tellerfeder in diesem Teilbereich zwischen den Gegenreibflächen vorgespannt ist. Die Tellerfeder ist in axialer Richtung sehr klein, so dass der axiale Bauraumbedarf besonders gering ist. Die Tellerfeder kann durch eine Änderung ihrer Konizität eine Federkraft zwischen in radialer Richtung zueinander beabstandeten Anlagestellen aufprägen. Die jeweilige Reibfläche kann an unterschiedlichen Axialseiten der Tellerfeder an den in radialer Richtung zueinander beabstandeten Anlagestellen, an denen die Federkraft der Tellerfeder angreift, vorgesehen sein, wobei insbesondere die Reibfläche durch einen separaten mit der Tellerfeder in dem Anlagestellen befestigten Reibbelag oder durch die Anlagestelle der Tellerfeder selber ausgebildet sein kann. Durch die Bauart und Funktionsweise der Tellerfeder ist es möglich eine lineare Federkennlinie zu vermeiden und für die Federkennlinie des Federelements eine nicht lineare Federkennlinie mit einem Teilbereich auszubilden, in dem die Federkraft über einen bestimmten axialen Verformungsweg im Wesentlichen konstant ist. Insbesondere weicht in diesem Teilbereich der Federkennlinie die Federkraft um maximal 20%, vorzugsweise um maximal 10% und besonders bevorzugt um maximal 5% von einem sich in diesem Teilbereich ergebenen Mittelwert der Federkraft ab. In der Regel liegt in diesem Teilbereich eine Abweichung von dem Mittelwert der Federkraft um über 0%, insbesondere über 2% und vorzugsweise über 4% vor. Die in diesem Teilbereich der Federkennlinie belastete Tellerfeder kann dadurch axiale Toleranzen automatisch ausgleichen, ohne dass sich die von dem Federelement aufgeprägte Federkraft signifikant verändert. Dadurch kann auch bei geringen und kostengünstigen Toleranzanforderungen ein bestimmtes maximal übertragbares Drehmoment für die Rutschkupplung sehr genau eingehalten werden. Zudem kann das als Tellerfeder ausgestaltete Federelement einen abrasiven Verschleiß in der Reibpaarung zwischen der Reibfläche und der Gegenreibfläche automatisch ausgleichen, ohne dass sich die von dem Federelement aufgeprägte Federkraft signifikant verändert. Das für die Rutschkupplung vorgesehene maximal übertragbare Drehmoment ist dadurch im Wesentlichen verschleißunabhängig und kann über die Lebensdauer im Wesentlichen konstant beibehalten werden.
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Vorzugsweise sind die Reibflächen durch unmittelbar an dem Federelement oder an von dem Federelement verformbaren Reibblechen befestigte Reibbeläge ausgebildet. Dadurch ist es möglich, dass die Gegenreibflächen nicht durch Reibbeläge ausgebildet werden und stattdessen durch das Material der mit dem Rotor beziehungsweise mit dem Abtriebselement verbundenen Bauteils oder Teilbereichs ausgebildet werden. Die für die Rutschkupplung vorgesehenen Reibbeläge können dadurch mit einem Bauteil verbunden werden, dessen beide Axialseiten bei der Herstellung leicht zugänglich sind, wodurch die Montage vereinfacht ist. Die Reibeläge können leicht an den frei zugänglichen Axialseiten des, insbesondere als Tellerfeder ausgestalteten, Federelement unmittelbar oder mittelbar über das zwischengeschaltete Reibblech befestigt, insbesondere verklebt oder vernietet, werden. Das Federelement kann zwischen den Reibblechen in axialer Richtung federnd verklemmt sein und die Reibbleche voneinander wegbiegen, bis die Reibflächen der Reibbleche mit der gewünschten Federkraft an den zugeordneten Gegenreibflächen angreifen können. In einer alternativen Ausführungsform können die Gegenreibflächen durch Reibbeläge und die Reibfläche durch die axiale Oberfläche des Federelements beziehungsweise der Reibbleche ausgebildet sein.
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Besonders bevorzugt weisen mindestens eine Reibfläche und die zugehörige Gegenreibfläche im Wesentlichen in axialer Richtung. Die Reibfläche und die zugehörige Gegenreibfläche können im Wesentlichen in einer Radialebene des Elektromotors aneinander anliegen. Der axiale Bauraumbedarf und der Herstellungsaufwand kann dadurch minimiert werden.
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Insbesondere sind mindestens eine Reibfläche und die zugehörige Gegenreibfläche im Wesentlichen konisch ausgeformt. Die Bauteile der Rutschkupplung können dadurch automatisch aneinander zentriert werden, so dass sich genau geometrisch vorherbestimmte Reibungsverhältnisse sicherstellen lassen. Die Reibfläche und die zugehörige Gegenreibfläche können zu einer Radialebene des Elektromotors kegelförmig angeschrägt verlaufen, wodurch die angreifenden Reibkräfte verstärkt werden können. Insbesondere können durch die mindestens zwei an unterschiedlichen Axialseiten des Federelements vorgesehenen Reibpaarung bezüglich der Größe und der relativen Ausrichtung zur Radialebene des Elektromotors derart aneinander angepasst sein, dass auch bei einem radialen Versatz der Reibpaarungen in beiden Reibpaarungen das im Wesentlichen gleiche maximale Drehmoment erreicht wird.
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Vorzugsweise ist mindestens eine Gegenreibfläche durch einen separat befestigten Sicherungsring axial abgestützt. Dies ermöglicht es die mindestens zwei Gegenreibflächen von einem gemeinsamen Bauteil auszubilden. Dieses Bauteil kann sich scheibenartig an der einen Axialseite des Federelements erstrecken und das Federelement radial umgreifen. Dadurch kann in dem scheibenartigen Teilbereich die eine Gegenreibfläche ausgebildet werden. Das Federelement mit den mindestens zwei Reibflächen kann bei der Montage der Rutschkupplung an den scheibenartigen Teilbereich angelegt werden. Danach kann das Federelement mit axialer Vorspannung durch den in den radial abstehenden Teil des Bauteils eingesetzten Sicherungsring in axialer Richtung verliersicher gehalten werden. Hierbei kann zwischen dem Sicherungsring und der zugewandten Axialseite ein die entsprechende andere Gegenreibfläche ausbildendes, insbesondere als ringförmige Scheibe ausgestaltetes, Bauteil vorgesehen sein. Alternativ kann die andere Gegenreibfläche von dem Sicherungsring selber ausgestaltet sein.
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Besonders bevorzugt verläuft die Reibfläche und/oder die Gegenreibfläche in Umfangsrichtung geschlossen oder über Nuten unterbrochen in Umfangsrichtung segmentiert. Durch die in Umfangsrichtung geschlossene Reibfläche und/oder Gegenreibfläche ist eine einfache und kostengünstige Formgestaltung realisiert, bei der aufgrund der maximierten aneinander angreifenden Reibpaarungen der abrasive Verschleiß gering gehalten werden kann. Durch den segmentierten Verlauf in Umfangsrichtung sind zwischen den jeweiligen Segmenten der Reibfläche und/oder der Gegenreibfläche die Nuten ausgebildet, wodurch eine unnötige Versteifung der Reibfläche beziehungsweise der Gegenreibfläche vermieden ist. Die Wegunabhängigkeit der durch die Reibfläche und die Gegenreibfläche ausgebildeten Reibpaarung ist dadurch erhöht, so dass sich das maximal übertragbare Drehmoment in der Rutschkupplung bei axialen Toleranzen und/oder Verschleiß von Reibbelägen weniger stark ändert. Zudem kann über die Nuten in den Reibpaarungen entstehende Reibungswärme konvektiv abgeführt werden. Ein zu starkes Aufheizen der Reibbeläge kann dadurch vermieden werden. Die Erstreckung in Umfangsrichtung der Segmente der Reibfläche beziehungsweise der Gegenreibfläche ist hierbei groß genug, um ein hinreichend großes maximal übertragbares Drehmoment erreichen zu können. Die Erstreckung des jeweiligen Segments in Umfangrichtung ist hierbei geeignet gewählt, dass die Anzahl der Segmente möglichst gering ist, aber entsprechend viele Nuten für eine über den Umfang verteilte ausreichende Wärmeabfuhr gegeben ist.
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Insbesondere ist das Federelement drehmomentübertragend aber axial bewegbar, insbesondere über eine Verzahnung und/oder eine axial biegeweiche Übertragungsscheibe, mit dem Abtriebselement oder mit dem Rotor direkt oder indirekt gekoppelt.
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Durch die axiale Nachgiebigkeit der Anbindung des Federelements kann das Federelement gut zwischen den Gegenreibflächen verspannt werden und einen axialen Toleranzausgleich erreichen. Durch die drehmomentübertragende Koppelung kann das über die Reibpaarungen eingeleitete Drehmoment in Kraftflussrichtung an der Koppelstelle ausgeleitet werden beziehungsweise das an der drehmomentübertragenden Koppelstelle eingeleitete Drehmoment an den Reibpaarungen ausgeleitet werden. Hierbei kann das Federelement in einer an der Koppelstelle ausgebildeten Verzahnung axial verschiebbar ausgeführt sein. Es ist aber auch möglich das Federelement über mindestens eine dünne und in axialer Richtung nachgiebige Scheibe, die auch als „Flexplate“ bezeichnet wird, in der Koppelstelle anzubinden.
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Vorzugsweise ist ein den Stator und den Rotor aufnehmendes Motorgehäuse vorgesehen, wobei die Rutschkupplung innerhalb oder außerhalb des Motorgehäuses vorgesehen ist. Wenn die Rutschkupplung innerhalb des, insbesondere als Trockenraum ausgestalteten, Motorgehäuse aufgenommen ist, kann die Rutschkupplung vor äußeren Einflüssen geschützt sein. Wenn die Rutschkupplung außerhalb des Motorgehäuses, insbesondere in einem mit Schmieröl geschmierten Nassraum, vorgesehen ist, kann die Rutschkupplung zur Abfuhr von Reibungswärme besser gekühlt werden.
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Besonders bevorzugt sind der Rotor und das Abtriebselement über eine, insbesondere als Planetengetriebe ausgestaltete, Übersetzungsstufe zur Drehzahluntersetzung gekoppelt, wobei die Übersetzungsstufe radial innerhalb zu dem Rotor in einem gemeinsamen Axialbereich mit dem Rotor vorgesehen ist, wobei insbesondere die Rutschkupplung zwischen dem Rotor und der Übersetzungsstufe vorgesehen ist. Damit der Elektromotor ein zum Antrieb des Kraftfahrzeugs ausreichende Leistung erzeugen kann, weisen der Stator und der Rotor eine entsprechende Dimensionierung mit einem entsprechend großen Außendurchmesser auf. Dadurch kann leicht radial innerhalb der mit dem Stator zusammenwirkenden Magneten des Rotors Bauraum geschaffen werden, der von der Übersetzungsstufe genutzt werden kann. Hierbei kann berücksichtigt werden, dass ein Elektromotor sehr gut sehr hohe Drehzahlen bei einem geringen Drehmoment erzeugen kann und die Übersetzungsstufe die von dem Elektromotor erzeugte Drehzahl auf eine für Anwendungen im Antriebsstrang des Kraftfahrzeugs besser geeignete Drehzahl untersetzen kann, wodurch gleichzeitig das von dem Elektromotor erzeugte Drehmoment auf ein für die gewünschte Fahrdynamik des Kraftfahrzeugs besser geeignetes Drehmoment übersetzt werden kann. Mit Hilfe der Übersetzungsstufe kann ein für den Anrieb des Kraftfahrzeugs nicht benötigter Drehzahl- und Drehmomentbereich vermieden werden, so dass eine Drehzahlspreizung eines im Antriebsstrang nachfolgenden Kraftfahrzeuggetriebes geringer dimensioniert werden kann. Besonders bevorzugt ist die Rutschkupplung in der Übersetzungsstufe integriert und/oder wirkt mit Komponenten der Übersetzungsstufe zusammen. Beispielsweise kann die Gegenreibfläche durch eine Komponente der Übersetzungsstufe, beispielsweise ein Sonnenrad, ein Hohlrad oder ein Planetenträger, oder durch ein mit dieser Komponente der Übersetzungsstufe unmittelbar verbundenes Bauteil ausgebildet sein. Ein Rotorträger des Rotors oder eine mit dem Rotor verbundene Rotorwelle kann insbesondere ein Sonnenrad, ein Hohlrad oder einen Planetenträger der als Planetengetriebe ausgestalteten Übersetzungsstufe ausbilden oder mit einer dieser Komponenten verbunden sein. Bei dem Planetengetriebe können drehbar an dem Planetenträger gelagerte Planetenräder sowohl mit dem radial inneren Sonnenrad als auch mit den koaxial zu Sonnenrad vorgesehenen Hohlrad kämmen. Um eine bestimmte Übersetzung für die Übersetzungsstufe einzustellen, kann eine der Komponenten des Planetengetriebes permanent oder zweitweise bewegungslos festgehalten oder gebremst sein. Beispielsweise kann das Hohlrad bewegungsfest mit einem Motorgehäuse des Elektromotors verbunden sein.
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Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele exemplarisch erläutert, wobei die nachfolgend dargestellten Merkmale sowohl jeweils einzeln als auch in Kombination einen Aspekt der Erfindung darstellen können. Es zeigen:
- 1: eine schematische Schnittansicht eines Elektromotors,
- 2: eine schematische Detailansicht einer ersten Ausführungsform einer Rutschkupplung für den Elektromotor aus 1,
- 3: eine schematische Detailansicht einer zweiten Ausführungsform einer Rutschkupplung für den Elektromotor aus 1,
- 4: eine schematische Detailansicht einer dritten Ausführungsform einer Rutschkupplung für den Elektromotor aus 1,
- 5: eine schematische Draufsicht auf einen Teil eines Federelements der Rutschkupplung aus 4,
- 6: ein schematisches Diagramm einer Federkennlinie eines Federelements der Rutschkupplung für den Elektromotor aus 1 und
- 7: eine schematische Detailansicht eines alternativen Elektromotors.
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Der in 1 dargestellte Elektromotor 10 ist zum rein elektrischen Antrieb eines Kraftfahrzeugs dimensioniert. Der Elektromotor 10 kann hierbei als elektrische Maschine ausgestaltet sein, die sowohl im Motorbetrieb als auch im Generatorbetrieb betrieben werden kann. Der Elektromotor 10 weist einen mit einem Motorgehäuse 12 fest verbundenen Stator 14 auf, der mit einem drehbaren als Innenläufer ausgestalteten Rotor 16 elektromagnetisch zusammenwirken kann. Die Drehzahl des Rotors 16 kann mit Hilfe eines mit dem Motorgehäuse 12 befestigten Drehzahlsensors 18 gemessen werden. Der Rotor 16 ist über einen Rotorträger 20 mit einer zu dem Magneten aufweisenden Rotor 18 radial innen beabstandet vorgesehenen Rotorwelle 22 drehfest verbunden. Die Rotorwelle 22 ist über beispielsweise als Wälzlager ausgestaltete Lager 24 an dem Motorgehäuse 12 gelagert. An einem aus dem Motorgehäuse 12 axial herausragenden Wellenende der Rotorwelle 22 ist ein Abtriebselement 26 vorgesehen, das, beispielsweise über eine Außenverzahnung, das in dem Elektromotor 10 erzeugte Drehmoment an eine in einen Antriebsstrang des Kraftfahrzeugs nachgelagerte Komponente ausleiten kann. Das von dem Abtriebselement 26 ausgeleitete Drehmoment kann beispielsweise, gegebenenfalls über eine Trennkupplung, an eine Getriebeeingangswelle eines Kraftfahrzeuggetriebes geleitet werden.
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In dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Abtriebselement 26, insbesondere über ein Gleitlager, an der Rotorwelle 22 relativ drehbar gelagert und über eine an der Rotorwelle 22 und dem Abtriebselement 26 angreifende Rutschkupplung 28 mit der Rotorwelle 22 gekoppelt. Die in 2 im Detail dargestellte Rutschkupplung 28 des in 1 dargestellten Elektromotors 10 weist ein mit der Rotorwelle 22, beispielsweise durch Schweißen, drehfest verbundenes Eingangsbauteil 30 auf, das an einem mit dem Abtriebselement 26 beispielsweise durch Schweißen drehfest verbundenes Ausgangsbauteil 32 oberhalb eines definierten maximalen Drehmoments durchrutschen kann, so dass eine Drehmomentübertragung von bei einem „Impact“ auftretenden zu hohen und schädigenden Drehmomenten vermieden ist. Hierzu weist das Eingangsbauteil 30 auf unterschiedlichen zueinander versetzten Radien insgesamt zwei, beispielsweise durch separate Reibbeläge ausgestaltete, Reibflächen 34 auf, die an korrespondierenden Gegenreibflächen 36 des Ausgangsbauteils 32 reibschlüssig angreifen können. Mit Hilfe eines insbesondere als Tellerfeder ausgestalteten Federelements 38, das in axialer Richtung zwischen den beiden durch die Reibfläche 34 und die zugehörige Gegenreibfläche 36 ausgebildeten Reibpaarungen vorgesehen ist, kann eine definierte Anpresskraft in den Reibpaarungen aufgeprägt werden. Das Federelement 38 ist hierzu mit einer definierten in axialer Richtung vorgespannten Federkraft verklemmt. Im dargestellten Ausführungsbeispiel weist das Eingangsbauteil 30 zwei mit der Rotorwelle 22 verbundene Reibbleche 40 auf, zwischen denen das Federelement 38 verklemmt ist. Das Federelement 38 kann zumindest die Teilbereiche der Reibbleche 40, in denen die Reibflächen 34 ausgebildet sind, elastisch in axialer Richtung voneinander wegbiegen, um die zur Einstellung des maximal möglichen Drehmoments der Rutschkupplung 28 erforderliche Anpresskraft in den Reibpaarungen aufzuprägen. Anstelle eines Gleitlagers zwischen dem Abtriebselement 26 und der Rotorwelle 22 kann auch eine Reibhülse vorgesehen sein, die eine bestimmte Mindestreibung bereitstellt und damit unabhängig von der Federkraft des Federelements 38 ein minimal übertragbares Drehmoment vorgibt, bevor ein Durchrutschen auftreten kann. Im dargestellten Ausführungsbeispiel kann das Ausgangsbauteil 32 die Reibpaarungen radial außen umgreifen, so dass die radial äußere Gegenreibfläche 36 nach der Montage des Eingangsbauteils 30 und des Federelements 38 in das Ausgangsbauteil 32 durch eine axiale Relativbewegung eingehangen und durch einen Sicherungsring 42 axial verliersicher zurückgehalten und axial abgestützt werden kann.
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Bei dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel sind die durch die Reibflächen 34 und die zugehörigen Gegenreibflächen 36 ausgebildeten Reibpaarungen konisch ausgeführt. Zudem ist die Rutschkupplung 28 außerhalb des Motorgehäuses 12, beispielsweise in einem geölten Nassbereich, vorgesehen. Bei dem in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel des Elektromotors 10 ist im Vergleich zu dem 2 dargestellten Ausführungsbeispiel des Elektromotors 10 die Rutschkupplung 28 in einem Trockenbereich innerhalb des Motorgehäuses 12 vorgesehen. Zudem sind die durch die Reibflächen 34 und die zugehörigen Gegenreibflächen 36 ausgebildeten Reibpaarungen nicht konisch, sondern in einer Radialebene des Elektromotors 10 als umlaufende oder unterteilte ebene Ringflächen ausgestaltet. Zudem sind die Reibflächen 34 von dem Federelement 38 selber ohne zwischengeschaltete elastisch zu verbiegende Reibbleche 40 ausgebildet, indem beispielsweise die Reibflächen 34 ausbildende Reibbeläge an unterschiedlichen Axialseiten des als Tellerfeder ausgestalteten Federelements 38 auf unterschiedlichen Radien mit dem Federelement 38 verbunden sind. Zudem ist es das mit der Rotorwelle 22 verbundene Eingangsbauteil 30, das die durch die Reibflächen 34 und die zugehörigen Gegenreibflächen 36 ausgebildeten Reibpaarungen radial außen umgreift und die radial äußere Gegenreibfläche 36 mit Hilfe des Sicherungsrings 42 axial sichert und abstützt. Das Ausgangsbauteil 32 kann einstückig mit dem Abtriebselement 26 ausgebildet sein und in der Art eines nach radial außen abstehenden Flansches ausgeformt sein. Das Federelement 38 ist insbesondere an seinem radial inneren Rand über eine Verzahnung 44 drehfest mit dem Ausgangsbauteil 32 gekoppelt, wobei eine axiale Verschiebbarkeit des Federelements 38 in der Verzahnung 44 gegeben ist, beispielsweise um einen axialen Toleranzausgleich in der Rutschkupplung 28 erreichen zu können.
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Bei dem in 4 dargestellten Ausführungsbeispiel des Elektromotors 10 ist im Vergleich zu dem 2 dargestellten Ausführungsbeispiel des Elektromotors 10 vergleichbar zu dem in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel des Elektromotors 10 das Eingangsbauteil 30 in der Art eines Flansches einstückig mit der Rotorwelle 22 ausgebildet und über die Verzahnung 44 drehfest aber axial relativ bewegbar mit dem die Reibflächen 34 ausbildenden Federelement 38 gekoppelt. Auch in dieser Ausführungsform sind separate Reibbleche 40 eingespart. Zudem sind die Reibflächen 34 des als Tellerfeder ausgestalteten Federelement 38 nicht in Umfangsrichtung geschlossen, sondern segmentiert unterbrochen ausgebildet, wie in 5 dargestellt ist. Dadurch ergeben sich in Umfangsrichtung zwischen den einzelnen Segmenten der jeweiligen Reibfläche 34 Nuten 46, die eine unnötige Versteifung und eine dadurch verursachte erhöhte Wegabhängigkeit der aufgeprägten Anpresskraft in der Reibpaarung zwischen der Reibfläche 34 und der Gegenreibfläche 36 vermeiden können.
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Das insbesondere als Tellerfeder ausgestaltete Federelement 38 kann beispielsweise die in 6 dargestellte Federkennlinie 48 aufweisen, wobei in dem in 6 dargestellten Diagramm eine Federkraft 50 in N in Abhängigkeit von einem axialen Federweg 52 im mm aus einer designierten mit 1.000 N verspannten Ausgangslage dargestellt ist. Bei einem Federweg von ca. ± 0,7 mm um die verspannte Ausgangslage ist die Federkraft des Federelements 38 nahezu konstant, so dass das Federelement 38 in diesem Ausmaß axiale Toleranzen und/oder einen abrasiven Verschleiß in den Reibpaarungen zwischen der Reibfläche 34 und der Gegenreibfläche 36 ausgleichen kann, ohne dass sich das in der Rutschkupplung 28 eingestellte maximal übertragbare Drehmoment signifikant ändert.
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Bei der in 7 dargestellten Ausführungsform des Elektromotors 10 ist zwischen der Rutschkupplung 28 und dem Abtriebselement 26 eine als Planetengetriebe ausgestaltete Übersetzungsstufe 54 zwischengeschaltet, die bauraumsparend in radialer Richtung zwischen dem Rotor 16 und der Rotorwelle 22 vorgesehen ist. Das Eingangsbauteil 30 der Rutschkupplung 28 wird in diesem Fall durch den mit dem Rotor 16 befestigten Rotorträger 20 ausgebildet, der relativ zu der Rotorwelle 22 ausgeführt ist. Zwischen dem Rotorträger 20 und der Rotorwelle 22 ist beispielsweise ein Gleitlager oder eine Reibhülse vorgesehen. Das die Reibflächen 34 ausbildende Federelement 38 ist über die Verzahnung 44 mit der Rotorwelle 22 drehfest gekoppelt. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Federelement 38 radial außen über eine konusförmige Reibpaarung und radial innen über eine in einer Radialebene vorgesehene ebene Reibpaarung mit dem durch den Rotorträger 22 ausgebildeten Eingangsbauteil gekoppelt. Die Rotorwelle 22 kann ein, insbesondere einstückiges oder separat befestigtes, Sonnenrad 56 aufweisen, das mit einem in einem Planetenträger 58 drehbar gelagerten Planetenrad 60 kämmt, wobei das Planetenrad 60 wiederum mit einem Hohlrad 62 kämmt. Insbesondere ist das Hohlrad 62 drehfest mit dem Motorgehäuse 12 verbunden, während der Planetenträger 58 mit dem Abtriebselement 26 gekoppelt ist. Der Rotorträger 22 kann zu einer Axialseite hin geöffnet ausgeführt sein, so dass die Übersetzungsstufe 54 durch eine axiale Relativbewegung als gemeinsame Baueinheit, insbesondere zusammen mit der Rotorwelle 22, in den Rotor 16 und den Rotorträger 22 eingesteckt werden kann. Dies ermöglicht es auch die Übersetzungsstufe 54 in axialer Richtung gegen die Rotorwelle 22 und den Rotorträger 20 anzudrücken und über ein Axiallager 64 zu lagern, so dass axiale Toleranzen eliminiert werden können. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Planetenträger 58 über das Axiallager 64 an dem Ausgangsbauteil 32 der Rotorwelle 22 relativ verdrehbar axial abgestützt.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Elektromotor
- 12
- Motorgehäuse
- 14
- Stator
- 16
- Rotor
- 18
- Drehzahlsensor
- 20
- Rotorträger
- 22
- Rotorwelle
- 24
- Lager
- 26
- Abtriebselement
- 28
- Rutschkupplung
- 30
- Eingangsbauteil
- 32
- Ausgangsbauteil
- 34
- Reibfläche
- 36
- Gegenreibfläche
- 38
- Federelement
- 40
- Reibblech
- 42
- Sicherungsring
- 44
- Verzahnung
- 46
- Nut
- 48
- Federkennlinie
- 50
- Federkraft
- 52
- Federweg
- 54
- Übersetzungsstufe
- 56
- Sonnenrad
- 58
- Planetenträger
- 60
- Planetenrad
- 62
- Hohlrad
- 64
- Axiallager
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102018115186 A1 [0002]
