Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine zum Antrieb eines Kraftfahrzeugs.

Für die Lagerung einer Rotorwelle in einer elektrischen Maschine zum Antrieb eines Kraftfahrzeugs werden in der Regel ein Festlager und ein Loslager verwendet. Das Festlager, insbesondere ein Innenring des Festlagers, ist dabei einerseits fest mit der Rotorwelle verbunden. Andererseits ist insbesondere ein Außenring des Festlagers fest mit einem Gehäuse der elektrischen Maschine verbunden. Das Loslager hingegen hat einen axialen Freiheitsgrad. Durch diese Beweglichkeit des Loslagers in der axialen Richtung der elektrischen Maschine wird eine Ausdehnung der Rotorwelle bei deren Erwärmung bzw. ein Zusammenziehen der Rotorwelle bei deren Abkühlung ermöglicht. Das Loslager weist dabei in der Regel zwischen dem Innenring und der Rotorwelle einen Festsitz auf und zwischen dem Außenring und dem Gehäuse einen Spielsitz.

Durch ein Wandern des Außenringes im Gehäuse kann Verschleiß am Gehäuse entstehen, insbesondere, wenn das Gehäuse aus Aluminium gefertigt ist. Dies kann zu einem Ausfall der elektrischen Maschine führen. Das Wandern des Außenrings kann beispielsweise durch eine formschlüssige Verbindung zwischen dem Außenring und dem Gehäuse verhindert werden, insbesondere mittels eines Stifts, der im Außenring des Loslagers und in einer Nut innerhalb des Gehäuses aufgenommen ist. Selbst bei einer solchen formschlüssigen Verbindung kann es jedoch zu einem Einschlagen des Stiftes im Gehäuse und zu einem Blockieren des Loslagers kommen.

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung kann darin gesehen werden, ein zuverlässige Lagerung eines Loslagers in der elektrischen Maschine bereitzustellen, welche den vorstehend beschriebenen Problemstellungen Rechnung trägt. Die Aufgabe wird gelöst durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der Unteransprüche, der folgenden Beschreibung sowie der Figuren. Die vorliegende Erfindung schlägt vor, das Einschlagen und Blockieren des Loslagers mittels eines Schutzelements im Gehäuse zu vermieden. Das Schutzelement kann z.B. als ein gehärtetes umgebogenes Blechteil ausgeführt sein.

In diesem Sinne wird gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung eine elektrische Maschine zum Antrieb eines Kraftfahrzeugs bereitgestellt. Die elektrische Maschine umfasst einen Rotor mit einer Rotorwelle, ein axiales Festlager, ein axiales Loslager, ein Maschinengehäuse, einen Sicherungsstift und ein Schutzelement. Das axiale Festlager ist in der elektrischen Maschine drehfest und unbeweglich in einer axialen Richtung der elektrischen Maschine gelagert, wobei das axiale Loslager in der axialen Richtung beweglich in dem Maschinengehäuse gelagert ist. Der Sicherungsstift ist dazu eingerichtet, zu verhindern, dass ein Außenring des Loslagers in dessen Umfangsrichtung relativ zu dem Maschinengehäuse verdreht wird. Das Schutzelement ist dazu eingerichtet, zu verhindern, dass der Sicherungsstift in das Maschinengehäuse einschlägt und das Loslager blockiert.

Was das Merkmal „drehfest“ angeht, so drehen bzw. verdrehen sich Maschinenelemente, die drehfest miteinander verbunden sind, nicht relativ zueinander. Es kann ein Drehmoment zwischen den Maschinenelementen übertragen werden. In dem konkreten Fall der elektrischen Maschine der vorliegenden Erfindung sind insbesondere der Außenring des Loslagers und das Maschinengehäuse derart miteinander formschlüssig verbunden, dass sich der Außenring des Loslagers in dessen Umfangsrichtung nicht oder nur sehr eingeschränkt bewegen kann.

Das Schutzelement schränkt eine Axialführung des Loslagers jedoch nicht ein. Die Axialführung des Loslagers mit dem Schutzelement zeichnet sich durch eine geringe Anzahl und Komplexität von Bauteilen aus, was zu geringeren Kosten der vorgeschlagenen Lösung führt. Das Schutzelement nimmt lediglich einen geringen Bauraum in Anspruch und ist einfach zu montieren.

Gemäß einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Loslager durch einen Formschluss daran gehindert wird, sich in der Umfangsrichtung zu bewegen, wohingegen eine Bewegung in der axialen Richtung durch den Formschluss zugelassen wird. Der Widerstand, den das Loslager während einer Verschiebung in der axialen Richtung erfährt, kann in dieser Ausführungsform besonders klein gehalten werden, z.B. indem das Loslager durch eine Spielpassung oder durch eine geringe Übergangspassung insbesondere in einer Bohrung des Maschinengehäuses der elektrischen Maschine gelagert ist. In diesem Sinne ist gemäß einer Ausführungsform vorgesehen, dass das Maschinengehäuse eine Führungsnut formt, wobei das Schutzelement zwischen dem Außenring des Loslagers und der Führungsnut angeordnet ist. Der Außenring und das Schutzelement sind dabei mittels des Sicherungsstifts derart formschlüssig verbunden, dass der Außenring mit dem Maschinengehäuse drehfest verbunden ist. Zwischen dem Sicherungsstift und dem Schutzelement kann dabei ein Spiel in der Umfangsrichtung bestehen. Dieses Spiel erlaubt dem Sicherungsstift, sich eine kleine Strecke in der Umfangsrichtung zu bewegen, z.B. 1 bis 2 mm, ehe das Spiel aufgebraucht ist, der Sicherungsstift an dem Schutzelement anschlägt und das Schutzelement eine weitere Bewegung in der Umfangsrichtung formschlüssig blockiert.

In diesem Zusammenhang kann ein erstes Ende des Sicherungsstifts in einer radialen Bohrung des Außenrings des Loslagers angeordnet sein, wobei ein zweites Ende des Sicherungsstifts in der Führungsnut aufgenommen ist. Der Sicherungsstift kann dabei innerhalb der Führungsnut in der axialen Richtung verschoben werden, wohingegen er in der Umfangsrichtung durch das Schutzelement blockiert wird.

Das Schutzelement kann aus einem härteren Material gefertigt sein als das Maschinengehäuse. Dadurch wird ein Beitrag geleistet, dass das Schutzelement wenig Gefahr läuft, durch den Sicherungsstift beschädigt zu werden, wenn dieser innerhalb der Führungsnut verdreht wird und an das Schutzelement anschlägt. Insbesondere kann das Schutzelement aus Stahl gefertigt sein. Beispielsweise kann das Schutzelement ein umgebogenes Blechteil sein.

Eine axiale Vorspannung des Loslagers kann insbesondere über eine Wellfeder aufgebracht werden. Die Wellfeder kann dazu eine in der axialen Richtung wirkende Kraft auf das Loslager ausüben, wobei die in der axialen Richtung wirkende Kraft über die Rotorwelle an das Festlager übertragen werden kann. In diesem Sinne umfasst die elektrische Maschine in einer weiteren Ausführungsform eine Wellfeder, wobei sich ein erstes Ende der Wellfeder an dem Maschinengehäuse abstützt, und wobei sich ein zweites Ende der Wellfeder an dem Loslager abstützt. Die Wellfeder übt dabei eine Federkraft auf das Loslager aus, sodass das Loslager und die Rotorwelle in der axialen Richtung in Richtung des Festlagers gedrückt werden.

Bei dem Loslager kann es sich in diesem Zusammenhang insbesondere um ein Rillenkugellager handeln, das einen Innenring und den Außenring umfasst, wobei die Wellfeder die Federkraft auf den Außenring des Rillenkugellagers ausübt. Die Federkraft kann über den Innenring des Rillenkugellagers auf die Rotorwelle übertragen werden, sodass die Rotorwelle zusammen mit dem Rillenkugellager in der axialen Richtung in Richtung des Festlagers gedrückt wird, wobei die Federkraft auf das Festlager wirkt, von wo aus sie auf das Maschinengehäuse übertragen wird.

Weiterhin kann der Außenring des Loslagers innerhalb des Maschinengehäuses durch eine Spielpassung oder eine geringe Übergangspassung oder eine geringe Presspassung gelagert sein.

Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird ein Antriebsstrang für ein Nutzfahrzeug bereitgestellt, wobei der Antriebsstrang eine elektrische Maschine gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung umfasst.

Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert, wobei gleiche oder ähnliche Elemente mit dem gleichen Bezugszeichen versehen sind. Hierbei zeigt

Fig. 1 eine grob schematische Längsschnittdarstellung einer elektrischen Maschine,

Fig. 2 eine vergrößerte Längsschnittdarstellung einer Lagerung eines Loslagers für die elektrischen Maschine nach Fig. 1 , Fig. 3 eine perspektivische Ansicht der Lagerung des Loslagers nach Fig. 2 mit einem erfindungsgemäßen Schutzelement,

Fig. 4 eine Querschnittdarstellung der Lagerung des Loslagers nach Fig. 2 ohne das Schutzelement und

Fig. 5 eine Querschnittdarstellung der Lagerung des Loslagers nach Fig. 2 mit dem Schutzelement.

Fig. 1 zeigt eine elektrische Maschine 1 , insbesondere eine Asynchronmaschine. Die elektrische Maschine 1 wird zum Zentralantrieb (Frontmotor) eines nicht dargestellten Kraftfahrzeugs genutzt, z.B. eines Nutzfahrzeugs, insbesondere ein Bus oder ein Lastkraftwagens (Lkw).

Die elektrische Maschine 1 umfasst einen Rotor 2, dessen Rotorwelle 3 in einem Festlager 4 und in einem Loslager 5 gelagert ist. Ein Stator 6 der elektrischen Maschine 1 umgibt den Rotor 2 in einer radialen Richtung r der elektrischen Maschine 1 . Das Loslager 5 befindet sich auf einer ersten Stirnseite S1 der elektrischen Maschine 1 . Das Festlager 4 befindet sich auf einer der ersten Stirnseite S1 abgewandten zweiten Stirnseite S2 der elektrischen Maschine 1. Die elektrische Maschine 1 umfasst ein Maschinengehäuse 7 und einen Gehäusedeckel 8, welcher die elektrische Maschine 1 auf der zweiten Stirnseite S2 abschließt.

Bei dem Festlager 4 handelt es sich um ein Wälzlager mit einem nicht dargestellten Innenring und Außenring. Zwischen dem Innenring und dem Außenring sind in bekannter Weise Wälzkörper angeordnet. Der radial innen angeordnete Innenring des Wälzlagers 4 ist drehfest mit der Rotorwelle 3 verbunden. Der radial außen angeordnete Außenring des Wälzlagers 4 ist drehfest in dem Gehäusedeckel 8 gelagert. Der Außenring des Wälzlagers 4 ist weiterhin in der axialen Richtung x der elektrischen Maschine fest innerhalb des Gehäusedeckels 8 gelagert. Somit kann sich das Wälzlager 4 nicht in der axialen Richtung x der elektrischen Maschine 1 nicht hin- und her bewegen. Bei dem Loslager 5 handelt es sich in dem gezeigten Ausführungsbeispiel um ein Rillenkugellager. Das Rillenkugellager 5 nimmt Kräfte in der radialen Richtung r der elektrischen Maschine auf. Das Rillenkugellager 5 umfasst einen Innenring 9 und einen Außenring 10. Zwischen dem Innenring 9 und dem Außenring 10 sind die Kugeln 11 (Wälzkörper) des Loslagers 5 angeordnet (Fig. 2 bis 4). Fig. 1 zeigt in einer übertriebenen Darstellung, dass eine Passung zwischen dem Loslager 5 und einer axialen Bohrung 12 des Maschinengehäuses 7 derart ausgelegt ist, dass sich das Loslager 5 in der axialen Richtung X der elektrischen Maschine 1 bewegen kann. Es besteht somit eine Spielpassung bzw. eine geringe Übergangspassung zwischen dem Loslager 5 und der axialen Bohrung 12 des Maschinengehäuses 7. Das Loslager 5 kann demnach keine Kräfte in der axialen Richtung x aufnehmen, sondern ist in der axialen Richtung x verschiebbar innerhalb des Maschinengehäuses 7 gelagert. Der Innenring 9 des Wälzlagers 5 ist fest mit der Rotorwelle 3 verbunden (Fig. 2 bis 4).

Während eines Betriebs der elektrischen Maschine 1 , erwärmt sich insbesondere die Rotorwelle 3 und dehnt sich dabei in einer axialen Richtung x der elektrischen Maschine 1 aus. Dadurch, dass das Loslager 5 in der axialen Richtung x beweglich innerhalb des Gehäuses 7 gelagert ist, kann sich das Loslager 5 entsprechend der Längenausdehnung der Rotorwelle 3 in der axialen Richtung x verschieben. In dem durch Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel wird sich das Loslager 5 nach links verschieben, wenn sich die Rotorwelle 3 im Betrieb der elektrischen Maschine 1 ausdehnt.

Eine Wellfeder 13 spannt das Loslager 5 in der axialen Richtung x vor (und zwar in Richtung des Festlagers 4), damit das Loslager 5 in der axialen Richtung x eine vorbestimmte Position einnimmt, und damit sich die Kugeln 11 des Loslagers 5 in vorgesehener Weise abwälzen können. Ein erstes axiales Ende der Wellfeder 13 liegt an dem Außenring 10 des Loslagers 5 an. Das zweite axiale Ende der Wellfeder 13 stützt sich über eine Stauscheibe 14 und einen Sicherungsring 15 an dem Maschinengehäuse 7 ab. Die Wellfeder 13 erzeugt eine Federkraft, die in der axialen Richtung x auf den Außenring 10 des Loslagers 5 wirkt. Die Federkraft wird über den Innenring 9 des Loslagers 5 und über einen radialen Wellenabsatz 16 der Rotorwelle 3 auf die Rotorwelle 3 übertragen, welche die Federkraft auf das Festlager 4 überträgt, sodass auch das Festlager 4 vorgespannt wird.

Der Außenring 10 des Loslagers 5 weist eine radiale Bohrung 17 auf, in welcher passend ein radial inneres erstes Ende 18 eines Sicherungsstifts 19 aufgenommen ist. Ein Verdrehen des Außenrings 10 des Loslagers 5 führt zu einer entsprechenden Verdrehung des Sicherungsstifts 19. Ein radial äußeres zweites Ende 20 des Sicherungsstifts 19 ist in einer Führungsnut 21 des Maschinengehäuses 7 aufgenommen. Die Führungsnut 21 wird durch das Maschinengehäuse 7 geformt und erstreckt sich derart in der axialen Richtung x der elektrischen Maschine 1 , dass sich der Sicherungsstift 19 in der axialen Richtung x der elektrischen Maschine 1 derart bewegen kann, dass die Ausdehnung der Rotorwelle 3 in der axialen Richtung x der elektrischen Maschine 1 ermöglicht wird. Dabei wird das Loslager 5 der Ausdehnung der Rotorwelle 3 entsprechend in der axialen Richtung x verschoben, und zwar innerhalb von axialen Anschlagsgrenzen, die durch das Maschinengehäuse 7 definiert werden.

In der radialen Richtung r der elektrischen Maschine 1 blockiert die Begrenzung der Führungsnut 21 ein Verdrehen des Sicherungsstifts 19 formschlüssig und damit auch ein Verdrehen des Außenrings 10 des Loslagers 5 in dessen Umfangsrichtung U. Zwei in der Umfangsrichtung U angeordnete, durch das Maschinengehäuse 7 geformte und in der radialen Richtung r verlaufende Begrenzungsflanken 22, 23 der Führungsnut 21 erlauben dabei lediglich eine minimale Verdrehung des Außenrings 10 des Loslagers 5, wobei die maximal erlaubte Verdrehung beispielsweise im Bereich einiger Millimeter liegen kann (Fig. 4).

Das Maschinengehäuse 7 ist in dem gezeigten Ausführungsbeispiel aus Aluminium gefertigt. Dies hat Vorteile insbesondere bezüglich des Gewichts der elektrischen Maschine 1 . Allerdings kann der Fall auftreten, dass das zweite Ende 20 des Sicherungsstifts 19 durch das Verdrehen des Außenrings 10 des Loslagers 5 das Maschinengehäuse 7 im Bereich der Begrenzungsflanken 22, 23 beschädigt, wenn das zweite Ende 20 des Sicherungsstifts 19 an den Begrenzungsflanken 22, 23 anschlägt. Dies kann dazu führen, dass das zweite Ende 20 des Sicherungsstifts 19 in das Maschinengehäuse 7 im Bereich der Führungsnut 19 einschlägt wodurch das Loslager 5 blockiert werden kann.

Fig. 2, 3 und 5 zeigen, dass im Bereich der Begrenzungsflanken 22, 23 ein Schutzelement 24 angeordnet ist. Das Schutzelement 24 ist aus einem härteren Material gefertigt als das Maschinengehäuse 7. Beispielsweise kann das Schutzelement 24 aus Stahl gefertigt sein und z.B. ein Stahlblech sein. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel weist das Schutzelement 24 einen U-förmigen Querschnitt auf. Diese Form kann durch Umbiegen des Stahlblechs erreicht werden. Das Schutzelement 24 bedeckt die Begrenzungsflanken 22, 23 dort, wo das zweite Ende 20 des Sicherungsstifts 19 an die Begrenzungsflanken 22, 23 anschlagen kann. Auf diese Weise ist das Maschinengehäuse 7 vor einer Beschädigung durch den sich verdrehenden Sicherungsstift 19 geschützt. Dadurch wird zugleich ein Einschlagen des Sicherungsstifts 19 in den Begrenzungsflanken 22, 23 des Maschinengehäuses 7 und somit auch ein Blockieren des Loslagers 5 verhindert. Falls das Schutzelement 24 durch den Sicherungsstift 19 beschädigt werden sollte, so kann das Schutzelement 24 leicht ausgetauscht werden.

Bezuqszeichen r radiale Richtung

S1 erste Stirnseite

S2 zweite Stirnseite

U Umfangsrichtung x axiale Richtung

1 elektrische Maschine

2 Rotor

3 Rotorwelle

4 Festlager

5 Loslager

6 Stator

7 Maschinengehäuse

8 Gehäusedeckel

9 Innenring

10 Außenring

11 Kugel

12 axiale Bohrung

13 Wellfeder

14 Stauscheibe

15 Sicherungsring

16 radialer Wellenabsatz

17 radiale Bohrung im Loslager

18 erstes Ende Sicherungsstift

19 Sicherungsstift

20 zweites Ende Sicherungsstift

21 Führungsnut

22 Begrenzungsflanke

23 Begrenzungsflanke

24 Schutzelement