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