Die Erfindung betrifft einen Wellenerdungsring sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Wellenerdungsrings. Die Erfindung betrifft ferner eine elektrische Ma schine, eine elektrische Achsantriebs-Einheit für ein Kraftfahrzeug sowie ein Getriebe für ein Kraftfahrzeug mit einem solchen Wellenerdungsring.

Die DE 102016 010 926 A1 beschreibt einen Wellenerdungsring zur Ableitung indu zierter Spannungen bzw. elektrischer Ladungen von einer Welle in ein Gehäuse. Da zu weist der Wellenerdungsring zumindest ein Ableitelement auf, welches aus einem elektrisch leitenden PTFE-Werkstoff gebildet ist und mit einem elastisch gebogenen Randbereich unter elastischer Verformung an der Welle anliegt. Dadurch wird ein elektrisch leitfähiger Schleifkontakt zwischen der Welle und dem Ableitelement gebil det. Durch elektrische Kontaktierung des Ableitelements an das Gehäuse wird derart ein elektrisch leitfähiger Pfad zwischen der Welle und dem Gehäuse gebildet.

Durch einen solchen Wellenerdungsring kann ein elektrischer Potentialausgleich zwi schen einer rotierenden Welle und einem feststehenden Gehäuse realisiert werden. Dadurch kann ein unkontrollierter Potentialausgleich an den Lagerstellen der Welle vermieden werden. Ferner kann ein solcher Wellenerdungsring einen Rückleitpfad von in die Welle eingekoppelten Störströmen zur Störquelle bilden, und derart die elektromagnetische Verträglichkeit eines Systems mit einer solchen Störquelle ver bessern. Um einen geeigneten Rückleitpfad auch für hochfrequente Störströme be reitzustellen, muss der Wellenerdungsring einen niederimpedanten Rückleitpfad zur Störquelle bilden.

Die Impedanz des Übergangs zwischen rotierender Welle und nicht-rotierendem Wellenerdungsring ist abhängig von der Vorspannkraft des Ableitelements zur Welle. Eine hohe Vorspannkraft verringert die Impedanz, erhöht aber den Drehwiderstand der Welle und führt zu erhöhtem Verschleiß der Kontaktelemente. Bei zu geringer Vorspannkraft erhöht sich die Impedanz jedoch deutlich, sodass kein zuverlässiger Rückleitpfad von hochfrequenten Störströmen zur Störquelle gebildet wird. Es ist daher eine erste Aufgabe der Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Wellenerdungsrings anzugeben, mittels dem eine zuverlässige, niederimpedante elektrische Verbindung zwischen einer rotierenden Welle und einem nicht rotierendem Wellenerdungsring bereitgestellt werden kann. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, einen dafür geeigneten Wellenerdungsring bereitzustellen.

Die erste Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 . Die weite re Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale des Patentanspruchs 7. Vorteilhafte Aus gestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen, der Beschrei bung, sowie aus den Figuren.

Das erfindungsgemäß vorgeschlagene Herstellungsverfahren beruht auf einem Wel lenerdungsring, welcher einen ringförmigen Grundkörper und mehrere am Grundkör per angeordnete, elektrisch leitfähige, kunststoff-basierte Kontaktelemente aufweist. Die Kontaktelemente bilden eine nicht-rotierende, elektrisch leitfähige Schnittstelle eines Schleifkontakts zu einer Umfangsfläche einer rotierenden Welle, oder zu einer Umfangfläche einer auf die Welle aufgebrachten Hülse. Die Kontaktelemente sind biege-elastisch ausgeführt, und bewirken mittels ihrer eigenen Biege-Elastizität eine Vorspannung des Schleifkontakts.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Wellenerdungsring vor seiner Inbetrieb nahme thermisch vorkonditioniert wird. Durch diesen Verfahrensschritt erfahren die kunststoff-basierten Kontaktelemente eine thermische Alterung, sodass eine spätere, während des Betriebs des Wellenerdungsrings auftretende thermische Belastung nur mehr einen vernachlässigbaren Einfluss auf die Elastizität der Kontaktelemente hat. Somit kann durch diesen Verfahrensschritt eine über die Betriebsdauer des Wellen erdungsrings im Wesentlichen konstante Elastizität der Kontaktelemente erreicht werden, sodass eine niederimpedante elektrische Verbindung zwischen der Um fangsfläche der Welle, bzw. der Hülse und der Kontaktelemente gewährleistet wird.

Vorzugsweise umfasst die thermische Vorkonditionierung ein Erhitzen des Wellener dungsrings auf einen definierten Temperaturbereich für einen definierten Zeitraum. Dadurch kann die Elastizität der Kontaktelemente auf einen Sollwert eingestellt wer den.

Vorzugsweise umfasst die thermische Vorkonditionierung ein Erhitzen des Wellener dungsrings auf eine Temperatur zwischen 75 Grad Celsius und 180 Grad Celsius, vorzugsweise auf eine Temperatur zwischen 100 Grad Celsius und 140 Grad Celsi us, besonders bevorzugt auf eine Temperatur zwischen 120 Grad Celsius und 140 Grad Celsius. Die genannten Temperaturbereiche haben sich im Versuch als vorteil haft herausgestellt.

Vorzugsweise umfasst die thermische Vorkonditionierung ein Erhitzen des Wellener dungsrings für einen Zeitraum zwischen 15 und 120 Minuten. Dieser Zeitraum hat sich im Versuch als vorteilhaft herausgestellt.

Vorzugsweise sind die Kontaktelemente des Wellenerdungsrings während der ther mischen Vorkonditionierung vorgespannt, und zwar bevorzugt auf jenen Durchmes ser, welcher dem Durchmesser der Welle, bzw. der Hülsen-Umfangsfläche ent spricht. Die thermische Vorkonditionierung wirkt dadurch auf belastete Kontaktele mente, sodass ein Memory-Effekt eintritt. Dadurch wird ein besonders reproduzierba res Elastizitäts-Verhalten beim späteren Betrieb des Wellenerdungsrings erreicht.

Der zur Lösung der weiteren Aufgabe vorgeschlagene Wellenerdungsring weist ei nen ringförmigen Grundkörper und mehrere am Grundkörper angeordnete, elektrisch leitfähige, kunststoff-basierte Kontaktelemente auf. Die Kontaktelemente bilden eine nicht-rotierende, elektrisch leitfähige Schnittstelle eines Schleifkontakts zu einer Um fangsfläche einer rotierenden Welle, oder zu einer Umfangfläche einer auf die Welle aufgebrachten Hülse. Die Kontaktelemente sind biege-elastisch ausgeführt, und be wirken mittels ihrer eigenen Biege-Elastizität eine Vorspannung des Schleifkontakts. Der erfindungsgemäß Wellenerdungsring ist nach dem oben beschriebenen Verfah ren hergestellt.

Der vorgeschlagene Wellenerdungsring kann sowohl in einer trockenen Umgebung als auch in einem Ölraum verwendet werden. Vorzugsweise sind die Kontaktelemente aus einem thermisch beständigen Kunststoff gebildet, welche mit einem elektrisch leitenden Füllstoff versehen sind. Beispiele für thermisch beständige Kunststoffe sind Fluorthermoplaste, Polyamide oder Elastome re wie zum Beispiel Fluorkautschuk. Als elektrisch leitende Füllstoffe sind Graphit oder Kupferpartikel denkbar. Besonders bevorzugt wird elektrisch leitfähiges PTFE als Werkstoff für die Kontaktelemente verwendet.

Der vorgeschlagene Wellenerdungsring kann Bestandteil einer elektrischen Maschi ne mit einem drehfesten Stator und einem drehbar gelagerten Rotor sein. Der Rotor ist mit einer Rotorwelle gekoppelt. Die Rotorwelle ist durch den vorgeschlagenen Wellenerdungsring gegenüber einem Gehäuse der elektrischen Maschine geerdet.

Der vorgeschlagene Wellenerdungsring kann Bestandteil einer elektrischen Achsan- triebs-Einheit für ein Kraftfahrzeug sein. Eine in einem Gehäuse der elektrischen Achsantriebs-Einheit gelagerte Welle ist durch den vorgeschlagenen Wellenerdungs ring gegenüber dem Gehäuse geerdet. Die entsprechend geerdete Welle der elektri schen Achsantriebs-Einheit kann beispielsweise eine Rotorwelle, eine Vorgelegewel le oder zumindest eine der Ausgangswellen der elektrischen Achsantriebs-Einheit sein.

Der vorgeschlagene Wellenerdungsring kann Bestandteil eines Getriebes für ein Kraftfahrzeug sein. Eine in einem Gehäuse des Getriebes gelagerte Welle, vorzugs weise eine Abtriebswelle des Getriebes, ist durch den vorgeschlagenen Wellener dungsring gegenüber dem Gehäuse geerdet. Das Getriebe kann eine elektrische Maschine aufweisen, welche zum Antrieb der entsprechend geerdeten Getriebewelle eingerichtet ist.

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 schematische Ansicht eines Wellenerdungsrings; Fig. 5a und Fig. 5b je eine Schnittansicht des Wellenerdungsrings im einge bauten Zustand; sowie

Fig. 6a bis Fig. 6c eine Illustration eines Fierstellungsverfahrens des Wellener dungsrings.

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 ein Wellenerdungsring E vorgesehen. Zwischen dem Wälzlager WL2 und dem Wellenerdungsring ist ein Dichtring DR2 vorgesehen. Der Wellenerdungs ring E stellt einen elektrisch leitfähigen Kontakt zwischen dem Gehäuse GE und der Rotorwelle RW her. Der Wellenerdungsring E weist dazu elektrisch leitfähige Kontak telemente auf, welche auf einer Oberfläche der Rotorwelle RW schleifen. Über den Wellenerdungsring E kann ein Potentialunterschied zwischen dem Gehäuse GE und der Rotorwelle E abgebaut werden. Die Wälzlager WL1 , WL2 werden dadurch vor einem unkontrollierten Potentialausgleich über die Wälzkörper der Wälzlager WL1, WL2 geschützt.

Fig. 4 zeigt eine schematische Ansicht eines Wellenerdungsrings E. Der Wellener dungsring E weist einen ringförmigen Grundkörper EG und mehrere daran angeord nete Kontaktelemente EK auf. Der Grundkörper EG kann - wie in Fig. 4 dargestellt - als geschlossener Ring oder als offener Ring ausgebildet sein. Die Kontaktelemente EK sowie der Grundkörper EG sind elektrisch leitfähig. Die Kontaktelemente EK und der Grundkörper EG können wie in Fig. 4 dargestellt einteilig ausgebildet sein. Alter nativ dazu können die Kontaktelemente EK am Grundkörper EG befestigt sein. Die Kontaktelemente EK sind aus einem thermisch beständigen Kunststoff gebildet, wel cher mit einem elektrisch leitenden Füllstoff versehen ist. Beispiele für thermisch be ständige Kunststoffe sind Fluorthermoplaste, Polyamide oder Elastomere wie zum Beispiel Fluorkautschuk. Als elektrisch leitende Füllstoffe sind Graphit oder Kupfer partikel denkbar. Besonders bevorzugt wird elektrisch leitfähiges PTFE als Werkstoff für die Kontaktelemente EK verwendet.

Fig. 5a zeigt eine schematische Schnittansicht des Wellenerdungsrings E im einge bauten Zustand. Der Wellenerdungsring E ist dabei radial zwischen einer Welle W und einem Gehäuse G angeordnet. Die Welle W ist um eine Achse A drehbar gela gert. Die in Fig. 5a dargestellte Welle W könnte beispielsweise die Abtriebswelle GW2 gemäß Fig. 1 , oder eine der Ausgangswellen DS1 , DS2 gemäß Fig. 2, oder die Rotorwelle RW gemäß Fig. 3 sein. Das in Fig. 5a dargestellte Gehäuse G könnte beispielsweise das Gehäuse GG gemäß Fig. 1 , das Gehäuse GA gemäß Fig. 2 oder das Gehäuse GE gemäß Fig. 3 sein. Im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 5a ist der Wellenerdungsring E mehrteilig aus gebildet. Die Kontaktelemente EKsind zwischen dem Grundkörper EG und einem Klemmring EZ geklemmt. Der Grundkörper EG ist mechanisch und elektrisch leitend mit dem Gehäuse G verbunden. Das radial innere Ende der Kontaktelemente EK berührt eine Umfangsfläche C der Welle W. Bei Rotation der Welle W schleifen die Kontaktelemente EK entlang der Umfangsfläche C, sodass ein elektrisch leitfähiger Schleifkontakt K zwischen der Umfangsfläche C und den Kontaktelementen EK ge bildet wird. Die Vorspannung des Schleifkontakts K erfolgt durch die Biege-Elastizität der Kontaktelemente EK.

Fig. 5b zeigt eine weitere schematische Schnittansicht des Wellenerdungsrings E im eingebauten Zustand. Im Unterschied zur Darstellung gemäß Fig. 5a besteht der Schleifkontakt K nun nicht mehr direkt zwischen den Kontaktelementen EK und der Welle W. Stattdessen schleifen die Kontaktelemente EK auf der Umfangsfläche C einer Flülse H, welche mit der Welle W mechanisch und elektrisch leitfähig verbun den ist.

Fig. 6a bis Fig. 6c zeigen ein Herstellungsverfahren des Wellenerdungsrings E. In Fig. 6a ist der Zusammenbau des mehrteiligen Wellenerdungsrings E dargestellt. Dazu werden zunächst mehrere Kontaktelemente EK am Grundkörper EG angeord net. Anschließend daran werden die Kontaktelemente EK durch Montage des Klemmrings EZ an den Grundkörper EG geklemmt. In Fig. 6b wird der fertig montier te Wellenerdungsring E auf eine Prüfwelle PW montiert. Der Durchmesserder Prüf welle PW, an dem die radial inneren Enden der Kontaktelemente EK aufliegen, ent spricht im Wesentlichen dem Durchmesser jener Welle W, bzw. Hülse H, auf wel chem der Wellenerdungsring E später betrieben werden soll. Anschließend wird der Verbund aus Wellenerdungsring E und Prüfwelle W für eine definierte Zeitdauer auf einen definierten Temperaturbereich erhitzt. Dies ist in Fig. 6c illustriert. Durch diesen Verfahrensschritt erfahren die kunststoff-basierten Kontaktelemente EK eine thermi sche Alterung, sodass eine spätere, während des Betriebs des Wellenerdungsrings E auftretende thermische Belastung nur mehr einen vernachlässigbaren Einfluss auf die Biege-Elastizität der Kontaktelemente EK hat. Somit kann eine über die Betriebs dauer des Wellenerdungsrings E im Wesentlichen konstante Biege-Elastizität der Kontaktelemente EK erreicht werden, sodass im Betrieb des Wellenerdungsring E eine niederimpedante elektrische Verbindung zwischen der Umfangsfläche C der Welle W, bzw. der Hülse H und den Kontaktelementen EK gewährleistet wird.

Da der Wellenerdungsring E während des Erhitzens auf der Prüfwelle W angeordnet ist, wirkt die thermische Vorkonditionierung auf biege-belastete Kontaktelemente EK. Dies bewirkt einen Memory-Effekt auf die Geometrie der Kontaktelemente EK. Dadurch wird ein besonders reproduzierbares Elastizitäts-Verhalten beim späteren Betrieb des Wellenerdungsrings E erreicht.

Der in Fig. 4, Fig. 5a-5b sowie in Fig. 6a-6c dargestellte Aufbau des Wellenerdungs rings E ist lediglich beispielhaft anzusehen. Die in den Darstellungen gewählten Grö ßenverhältnisse dienen insbesondere der Illustration, und sind nicht maßstäblich an zusehen.

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

W Welle

H Hülse

C Umfangsfläche

G Gehäuse

E Wellenerdungsring

EG Grundkörper

EK Kontaktelement

EZ Klemmring K Schleifkontakt

PW Prüfwelle