Sperrvorrichtung, Elektromotor-Antriebseinheit und Fahrzeug

Die Erfindung betrifft eine Sperrvorrichtung, eine Elektromotor-Antriebseinheit mit einer solchen Sperrvorrichtung sowie ein Fahrzeug mit einer solchen Elektromotor-Antriebseinheit.

Die im Rahmen dieser Offenbarung vorgeschlagene Sperrvorrichtung stellt eine Weiterentwicklung der in den deutschen Patentanmeldungen mit den Aktenzeichen 10 2021 213 737.7 und 10 2021 213 739.3 beschriebenen Sperrvorrichtungen dar.

Eine der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe ist es, eine verbesserte Sperrvorrichtung, insbesondere für ein Fahrzeug, bereitzustellen.

Diese Aufgabe wird durch eine gemäß Anspruch 1 vorgeschlagene und unter Schutz gestellte Sperrvorrichtung gelöst.

Es wird eine Sperrvorrichtung für eine Elektromotor-Antriebseinheit vorgeschlagen. Die Sperrvorrichtung weist dabei einen Sperrmechanismus zur Sperrung einer sperrbaren Welle der Elektromotor-Antriebseinheit auf sowie einen elektrischen Antrieb zur Aktuierung des Sperrmechanismus, welcher neben dem Sperrmechanismus durch ein Gehäuse der Sperrvorrichtung aufgenommen ist.

Durch das Gehäuse der Sperrvorrichtung ist dabei zudem eine separate Anordnung von Kontaktierungsmitteln mit zumindest zwei Schleifbürsten zur Fremderregung eines mit der Welle verbundenen Rotors einer Synchronmaschine der Elektromotor-Antriebseinheit aufgenommen.

Durch diese vorgeschlagene Funktionsintegration werden vorteilhafterweise Bauteile und somit Bauraum einspart. Damit einhergehend lässt sich auch ein Montageaufwand vorteilhafterweise vereinfachen. Der Sperrmechanismus umfasst dabei ein in einer Axial-Hubbewegung und längs zur Welle aktuierbares Formschlusselement, welches mit einem wellenseitigen Komplement innerhalb eines Formschlussbereichs zumindest abschnittsweise formschlüssig fügbar ist, um die Welle zu sperren.

Dieses aktuierbare Formschlusselement ist dabei in einem Zustand, stirnseitig am wellenseitigen Komplement anliegend, längs zur Welle mittels zumindest eines elastischen Kraftübertragungsmittels definiert gegen das wellenseitige Komplement einrastbar vorspannbar bzw. verspannbar.

Dabei stützt sich das aktuierbare Formschlusselement in einem Sperrzustand der Welle, in welchem das aktuierbare Formschlusselement und das wellenseitige Komplement im Formschlussbereich des Sperrmechanismus ineinandergreifen, gegen einen Gehäuseabschnitt einer Elektromotor-Antriebseinheit ab, an welchem der Sperraktuator angebracht ist.

Der Sperrmechanismus weist dabei im Formschlussbereich und in Umfangsrichtung der Welle ein Bewegungsspiel zwischen dem aktuierbaren Formschlusselement und dem wellenseitigen Komplement auf, welches in Verbindung mit der besagten bzw. zuvor genannten Vorspannung / Verspannung des aktuierbaren Formschlusselements gegen das wellenseitige Komplement eine Einrastung des aktuierbaren Formschlusselements in das wellenseitige Komplement bzw. eine Fügung des aktuierbaren Formschlusselements mit dem wellenseitigen Komplement ermöglicht.

Unter einem wellenseitigen Komplement ist dabei ein wellenseitiges Gegenstück zum aktuierbaren Formschlusselement zu verstehen, welches im Formschlussbereich entsprechend komplementär zum aktuierbaren Formschlusselement ausgebildet bzw. ausgeformt ist. Dabei kann es sich um einen entsprechend ausgeformten Abschnitt der Welle selbst oder eines mit der Welle gefügten, separaten und entsprechend ausgeformten Elements handeln, welcher / welches mit dem aktuierbaren Formschlusselement formschlüssig zusammenwirkt. Unter einem elastischen Kraftübertragungsmittel ist dabei ein mechanischer Energiespeicher zur elastischen Vorspannung / Verspannung des aktuierbaren Formschlusselements gegen das wellenseitige Komplement zu verstehen, etwa in Gestalt zumindest einer separaten Feder bzw. eines separaten Federelements und/oder in Gestalt zumindest eines in das aktuierbare Formschlusselement integrierten Federelementabschnitts.

Dieser Energiespeicher spannt das aktuierbare Formschlusselement gegen das wellenseitige Komplement vor, bis die Welle relativ zum aktuierbaren Formschlusselement eine geeignete Ausrichtung für einen Formschluss einnimmt bzw. erfährt. Sobald eine solche Ausrichtung vorliegt, drückt dieser Energiespeicher das aktuierbare Formschlusselement zur Einrastung in das wellenseitige Komplement, so dass die Welle gesperrt bzw. blockiert wird.

Zudem ist der Sperrmechanismus energiesparend aktuierbar, denn es bedarf weder zur besagten Aktuierung noch zur besagten Vorspannung / Verspannung aufzubringender hohen Stellkräfte. Bei der Fügung des aktuierbaren Formschlusselements mit dem wellenseitigen Komplement wird nämlich nur das aktuierbare Formschlusselement und nicht auch noch das zu sperrende Element eines Antriebsstrangs bewegt.

In einer Ausführung ist der elektrische Antrieb quer zur Welle angeordnet. Solch eine Queranordnung schafft vorteilhafterweise Bauraum zur Aufnahme der besagten Kontaktierungsmittel durch das Gehäuse der Sperrvorrichtung.

Unter quer ist dabei entweder eine orthogonale Anordnung des elektrischen Antriebs zur Welle zu verstehen oder aber eine Anordnung, bei welcher eine Längsasche des elektrischen Antriebs einen spitzen oder stumpfen Winkel mit einer Längsachse der sperrbaren Welle bildet.

In einer weiteren Ausführung sind die Schleifbürsten radial zur Welle angeordnet.

Auch solch eine Radialanordnung begünstig eine kompakt bauende Ausführung der Sperrvorrichtung. Dabei wird vorgeschlagen, die Schleifbürsten federvorgespannt gegen einen zugeordneten Schleifring der Kontaktierungsmittel anzulegen bzw. zu kontaktieren. Dadurch ist eine Nachführung von sich über die Zeit abnutzenden Schleifbürsten gegen die zugeordneten Schleifringe sichergestellt.

Es wird ferner eine Elektromotor-Antriebseinheit, insbesondere zum Antrieb eines Fahrzeugs mit einer Sperrvorrichtung der zuvor beschriebenen Art vorgeschlagen, welche an einem Gehäuse des Elektromotors der Elektromotor-Antriebseinheit angebracht ist (Anspruch 5).

Zudem wird ein Fahrzeug mit einer Elektromotor-Antriebseinheit der zuvor beschriebenen Art vorgeschlagen (Anspruch 6).

Unter einem Fahrzeug ist dabei jede Art von Fahrzeug bzw. Kraftfahrzeug zu verstehen, welches elektromotorisch betrieben wird, insbesondere aber Personenkraftwagen und/oder Nutzfahrzeuge. Dabei handelt es sich vorzugsweise um teilautonom und insbesondere um vollautonom betriebene Fahrzeuge.

Im Weiteren wird die Erfindung unter Bezugnahme auf Figurendarstellungen im Einzelnen erläutert. Aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungen ergeben sich weitere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung. Hierzu zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer Elektromotor-Antriebseinheit mit einer vorgeschlagenen Sperrvorrichtung (links) sowie zusätzlich dazu eine separate, perspektivische und vergrößerte Ansicht eines Teils der Sperrvorrichtung (rechts);

Fig. 2 die in Fig. 1 gezeigte Sperrvorrichtung in einer ebenen Schnittansicht;

Fig. 3 einen Sperrmechanismus der Sperrvorrichtung nebst einer Anordnung von Kontaktierungsmitteln; Fig. 4 die in Fig. 3 gezeigte Anordnung des Sperrmechanismus und der Kontaktierungsmittel in einer perspektivischen Ansicht;

Fig. 5 einen multifunktionalen Wellenadapter der Sperrvorrichtung;

Fig. 6 einen Formschlussbereich zwischen einer sperrbaren Welle und der

Sperrvorrichtung in einer Schnittansicht;

Fig. 7 eine perspektivische und vergrößerte Ansicht des in Fig. 6 gezeigten Formschlussbereichs sowie

Fig. 8 eine perspektivische Schnittansicht der Sperrvorrichtung.

Die vorgeschlagene Sperrvorrichtung SV ist an einer Elektromotor-Antriebseinheit EM-AE, insbesondere zum Antrieb eines Fahrzeugs angebracht. Die Elektromotor-Antriebseinheit EM-AE umfasst dabei einen Elektromotor EM in Gestalt einer fremderregten Synchronmaschine sowie ein daran angeschlossenes Reduktionsgetriebe RG. Die Sperrvorrichtung SV ist dabei an einem Gehäuse EM-G der Synchronmaschine angeordnet.

Die Sperrvorrichtung SV weist einen Sperrmechanismus sowie einen elektrischen Antrieb EA zur Aktuierung des Sperrmechanismus auf, welcher neben dem Antrieb EA durch ein Gehäuse SV-G der Sperrvorrichtung aufgenommen ist. Die Fig. 2 z.B. veranschaulicht dabei sehr schön, dass ein Gehäuseabschnitt EM-G der Synchronmaschine das Gehäuse SV-G der Sperrvorrichtung mit ausbildet.

Der Antrieb EA ist dabei quer - und orthogonal - zur Welle W bzw. Wellenachse X - X angeordnet. In einer hier nicht dargestellten Ausführungsform kann der Antrieb EA zur Welle auch derart angeordnet sein, dass eine Längsasche des Antriebs EA einen spitzen oder stumpfen Winkel mit der Längsachse X - X der Welle W bildet. Der Antrieb EA treibt dabei eine Schraubradwelle 8 an, welche wiederum mit einem Zahnradsegment 10 einer Spindelmutter SM mit einem Innengewinde zusammenwirkt. Diese Spindelmutter SM ist dabei längs verschieblich mit einer Spindel S mit einem korrespondierenden Außengewinde gefügt, welche zusammen mit der Spindelmutter SM einen sog. Schraubentrieb bzw. ein sog. Schraubradgetriebe bildet, welcher eine Rotationsbewegung der Spindelmutter SM (links- oder rechtsdrehend) in eine Translationsbewegung der Spindelmutter SM entlang der Spindel S und in Längsrichtung X - X bzw. längs der Welle W wandelt. Die Spindel S ist dabei ortsfest zum Gehäuse SV-G angeordnet und stützt sich gegenüber dem Gehäuse SV-G ab (Fig. 2).

Wellenseitig ist die Spindelmutter SM über ein Ringelement RE, welches über ein Wälzlager durch die Spindelmutter SM selbst reibungsarm aufgenommen ist, und einzelne Federn, etwa in Gestalt von Schraubenfedern 18 gegen ein in Längsrichtung X - X bzw. längs der Welle W aktuierbares Formschlusselement 4 elastisch vorgespannt (Fig. 3, Fig. 4).

Dieses Formschlusselement 4 ist somit über diese - etwa drei über den Umfang des Ringelements RE verteilt angeordnete - Schraubenfedern 18 an einen die Axial-Hubbewegung des Formschlusselements 4 bewirkenden Bewegungsmechanismus der Sperrvorrichtung SV elastisch angebunden.

Dieses Formschlusselement 4 ist dabei metallisch sowie hochfest und in Gestalt eines geschlossenen umlaufenden, ringförmigen Elements mit einer Innenverzahnung IV und einer Außenverzahnung 5 ausgeführt. Während die Innenverzahnung IV in eine Außenverzahnung AV eines wellenseitigen und metallisch hochfesten Komplements 6 zur Sperrung der Welle W formschlüssig verfahrbar ist, wirkt die Außenverzahnung 5 stets mit einem komplementär ausgebildeten Abschnitt des Elektromotorgehäuses EM-G formschlüssig zusammen. Letzterer Formschluss gewährleistet eine Führung und Abstützung des Formschlusselements 4 gegenüber dem Elektromotorgehäuse EM-G. Diese Außenverzahnung 5 ermöglicht dabei eine günstige bzw. gleichmäßige Kraftverteilung über den Umfang des Formschlusselements 4 und zugleich eine günstige bzw. gleichmäßige Krafteinleitung in das Elektromotorgehäuse EM-G. Fig. 7 veranschaulicht dabei den am Elektromotorgehäuse EM-G zur Außenverzahnung 5 komplementär ausgeformten Abschnitt mit seiner Innenverzahnung. Dabei ist das Formschlusselement 4 der Einfachheit halber nicht dargestellt bzw. ausgeblendet bzw. weggelassen.

Im Sperrzustand der Welle W werden somit sowohl statische als auch dynamische Drehmomentlasten des Antriebsstrangs über diese Außenverzahnung 5 in das Elektromotorgehäuse EM-G eingeleitet.

Alternativ zur Außenverzahnung 5 kann auch eine Außenprofilierung des Formschlusselements 4 in Gestalt einzelner, radialer, klauenartiger Vorsprünge vorgesehen sein. Diesbezüglich wird auf die bereits eingangs erwähnten deutschen Patentanmeldungen mit den Aktenzeichen 10 2021 213 737.7 und 10 2021 213 739.3 verwiesen, welche dies beschreiben und veranschaulichen.

Die Sperrvorrichtung SV weist ferner einen multifunktionalen Wellenadapter 12 auf, welcher sich durch die Spindel S hindurch und bis in einen Bereich der Hohlwelle W hinein erstreckt. Dieser Wellenadapter 12 ist dabei im Wesentlichen aus einem Kunststoff hergestellt, in welchen zwei metallische Schleifringe 14a, 14b sowie eine dem jeweiligen Schleifring 14a, 14b zugeordnete metallische Leiter- bzw. Kontaktbahn 16 eingebettet sind. Die Leiterbahn 16 erstreckt sich dabei vom zugeordneten Schleifring 14a, 14b in Richtung der Hohlwelle W durch den Kunststoff des Wellenadapters 12 hindurch.

Des Weiteren ist der Kunststoff des Wellenadapters 12 mit dem wellenseitigen Komplement 6, welches in Gestalt eines metallischen Adapterrings ausgebildet ist, verspritzt bzw. stoffschlüssig verbunden. Fig. 6 veranschaulicht dabei beispielhaft einen ringförmigen Vorsprung des Adapterrings bzw. Formschlusselements 6, welcher stirnseitig am Adapterring 6 und dem Formschlusselement 4 zugewandt in Gestalt einer Schwalbenschwanzform ausgeformt und durch einen Kunststoffflansch des Wellenadapters 12 eingefasst ist. Dieser Adapterring 6 weist dabei eine zur Innenverzahnung IV komplementäre Außenverzahnung AV auf und zudem eine Innenprofilierung bzw. Innenverzahnung, über welche der Adapterring 6 und somit der Wellenadapter 12 auf eine entsprechend komplementär ausgebildete Außenprofilierung bzw. Außenverzahnung der Hohlwelle W aufgepresst ist.

Über den Adapterring 6 lässt sich die vorgeschlagene Sperrvorrichtung SV an unterschiedliche Wellendurchmesser vorteilhafterweise anpassen.

Radial zum Wellenadapter 12 angeordnet sind jeweils zwei Schleifbürsten 2a, 2b, 3a, 3b den beiden Schleifringen 14a, 14b zugeordnet und dabei durch das Gehäuse SV-G aufgenommen. Die Schleifbürsten 2a, 2b, 3a, 3b sind dabei federvorgespannt gegen die zugeordneten Schleifringe 14a, 14b angelegt bzw. kontaktiert. Dabei sind die einem Schleifring 14a, 14b zugeordneten und ein Paar bildenden Schleifbürsten 2a, 2b, 3a, 3b derart zueinander angeordnet, dass sie auf gleicher Höhe liegend einen Winkel einschließen (Fig. 3, Fig. 4).

Zum Zwecke einer Ausrichtung der beiden Formschlusselemente 4, 6 zueinander ist am Formschlusselement 6 stirnseitig und dem Formschlusselement 4 zugewandt ein zentrierend wirkender Verjüngungsabschnitt 7 angeformt (Fig. 6, Fig. 7). Im Falle eines Axialversatzes zwischen dem Formschlusselement 4 und dem Formschlusselement 6 bzw. der Hohlwelle W, kann die Innenverzahnung IV im Zuge einer Längsverschiebung des Formschlusselements 4 in Richtung X - X gegen diesen Verjüngungsabschnitt bzw. Zentrierungsabschnitt 7 anschlagen, um gegenüber der Außenverzahnung AV und somit der Hohlwelle W ausgerichtet zu werden. Das Formschlusselement 6 hat somit neben einer Sperrfunktion auch eine Zentrierungsfunktion, welche eine koaxiale Ausrichtung der beiden Formschlusselemente 4, 6 zueinander gewährleistet. Dadurch wird eine gleichmäßige Kraftverteilung über den Umfang der beiden Formschlusselemente 4, 6 im gefügten Zustand sichergestellt.

Die Sperrvorrichtung SV umfasst ferner eine bspw. induktiv wirkende Positionssensoranordnung zur Erfassung einer Position des mit der Welle W verbundenen Rotors der Synchronmaschine, um eine effiziente elektronische Kommutierung der Synchronmaschine zu ermöglichen. Fig. 8 veranschaulicht dabei beispielhaft eine Positionssensoranordnung im Bereich des äußeren Endes des Wellenadapters 12 bzw. des Endes des Wellenadapters 12, welches dem Wellenende abgewandt ist.

Dabei ist ein zum Gehäuse SV-G ortsfester und in eine Leiterplatte 20 integrierter Signalgeber mit einer Spulenanordnung vorgesehen, welcher mit einem zur Hohlwelle W ortsfesten Sensorbauteil in Gestalt eines metallischen, scheibenartigen Elements 18 zusammenwirkt. Dieses Elements 18, welches der Leiterplatte gegenüberliegend angeordnet ist, ist dabei durch den Kunststoff des Wellenadapters 12 sowie ortsfest zum Wellenadapter 12 aufgenommen. Dieses Element 18 weist dabei umfangsseitig einzelne radiale, klauenartige Vorsprünge auf, welche als solche eine Verstimmung eines auf sie einwirkenden Magnetfeldes bewirken. Zumindest diese radialen, klauenartigen Vorsprünge können dabei magnetisch, bspw. ferromagnetisch ausgeführt sein. In einem einfachen Ausführungsbeispiel ist dieses scheibenartige Element 18 gänzlich aus einem nichtmagnetischen Metall, etwa Aluminium gefertigt.

Alternativ dazu kann eine solche Positionssensoranordnung auch im Bereich der besagten Formschlusselemente 4, 6 bzw. wellenseitig vorgesehen sein.

In die Leiterplatte 20 ist dabei neben dem besagten Signalgeber auch eine Sensorelektronik für die Positionssensoranordnung sowie eine Motorelektronik zur Steuerung des elektrischen Antriebs EA integriert.

Die vorgeschlagene Sperrvorrichtung stellt eine kompakte, bauraumsparende sowie kostengünstige Lösung innerhalb eines Antriebsstrangs, insbesondere eines Fahrzeugs im Sinne einer Parksperre bzw. eines Sperraktuators dar, nach welcher der Sperrmechanismus in den Elektromotor EM und die Sperrvorrichtung in das Elektromotorgehäuse EM-G integriert ist.

Bei einem Fahrzeug mit einer solchen Sperrvorrichtung bedeutet dies, dass das Fahrzeug in einer Parksituation, in welcher das Fahrzeug stillsteht, etwa auf einen Fahrerwunsch hin, gesperrt bzw. blockiert werden kann. Sofern in dieser Parksituation die Ausrichtung der Welle W nicht derart ist, als dass sie die Sperrung durch das Formschlusselement 4 ermöglicht, kann das Formschlusselement 4 in einem Zustand, in welchem es stirnseitig am wellenseitigen Komplement bzw. Formschlusselement 6 bzw. an der Außenverzahnung AV anliegt, über den besagten Schraubentrieb - gebildet durch die Spindel S und die Spindelmutter SM - und die besagten Schraubenfedern 18 längs zur Welle W und mit einer definierbaren Kraft gegen die Welle W zur Einrastung vorgespannt bzw. verspannt werden. Wird die Welle W daraufhin nur etwas weiter verdreht bzw. gedreht, so kommt es zur Einrastung des Formschlusselements 4 mit dem Formschlusselement 6 und somit mit der Welle 6, sobald eine entsprechende Ausrichtung der Welle W erreicht wird, welche die Einrastung ermöglicht. Eine solche Weiter(ver)drehung der Welle W in der Parksituation kann dabei fahrzeugsystemseitig veranlasst werden.

Das besagte Bewegungsspiel zwischen den beiden Formschlusselementen 4, 6 und in Umfangsrichtung der Welle W ermöglicht aber auch folgendes Notfall-Szenario in einem Fehlerfall des Fahrzeugs, in welchem der Elektromotor EM der Elektromotor-Antriebseinheit EM-AE ausfällt.

Kommt es während des Fahrens zu einem Ausfall des Elektromotors EM und wird das Fahrzeug daraufhin auf einer Straße mit einer Steigung bis zum Stillstand abgebremst, dann ermöglicht die vorgeschlagene Sperrvorrichtung SV eine Sperrung bzw. Blockade des daraufhin aus dem Stillstand anrollenden Fahrzeugs, und zwar bis zu einer vom Bewegungsspiel abhängigen Höchstdrehgeschwindigkeit der Welle W bzw. Höchstgeschwindigkeit des Fahrzeugs.

Dabei wird das Formschlusselement 4 mit dem Formschlusselement 6 und somit mit der Welle W unter Ausnutzung des Bewegungsspiels und bis zur vom Bewegungsspiel abhängigen Höchstdrehgeschwindigkeit der Welle W bzw. Höchstgeschwindigkeit des Fahrzeugs zur Einrastung und somit das Fahrzeug zum Stillstand gebracht. Indem das Formschlusselement 4 in einem Zustand, stirnseitig am Formschlusselement 6 bzw. an der Außenverzahnung AV anliegend, über den Schraubentrieb und die Schraubenfedern 18 und längs zur Welle W mit einer definierbaren Kraft gegen die Welle W und bis zur Einrastung vorgespannt bzw. verspannt wird, erfolgt schließlich die Einrastung, sobald die Welle W eine entsprechende Ausrichtung zum Formschlusselement 4 erfährt.

Obwohl in der vorhergehenden Beschreibung exemplarische Ausführungen erläutert werden, sei darauf hingewiesen, dass eine Vielzahl von Abwandlungen möglich ist. Außerdem sei darauf hingewiesen, dass es sich bei den exemplarischen Ausführungen lediglich um Beispiele handelt, die den Schutzbereich, die Anwendungen und den Aufbau in keiner Weise einschränken sollen. Vielmehr wird dem Fachmann durch die vorausgehende Beschreibung ein Leitfaden für die Umsetzung von mindestens einer exemplarischen Ausführung gegeben, wobei diverse Änderungen, insbesondere im Hinblick auf die Funktion und Anordnung der beschriebenen Bestandteile, vorgenommen werden können, ohne den Schutzbereich zu verlassen, wie er sich aus den Ansprüchen und diesen äquivalenten Merkmalskombinationen ergibt.