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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Befestigen eines Zugmittelrades eines Zugmitteltriebs auf einer Welle, insbesondere auf einer Welle einer elektrischen Maschine, wobei das Zugmittelrad auf die Welle aufgeschoben und mittels einer Mutter auf der Welle festgelegt ist beziehungsweise wird.
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Ferner betrifft die Erfindung einen Zugmitteltrieb, insbesondere für eine Antriebsvorrichtung eines Kraftfahrzeugs, mit einem Umschlingungsmittel und mit wenigstens einem auf einer Welle befestigen Zugmittelrad, das von dem Umschlingungsmittel umschlungen ist.
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Weiterhin betrifft die Erfindung eine Antriebsvorrichtung mit mindestens einer elektrischen Maschine, wobei die elektrische Maschine eine drehbare Welle zum Abgeben oder Aufnehmen eines Drehmoments aufweist, auf welcher ein Zugmittelrad eines Zugmitteltriebs der Antriebsrichtung angeordnet ist.
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Vorrichtungen, Verfahren sowie Zugmitteltriebe der Eingangs genannten Art sind aus dem Stand der Technik bekannt. Zur Übertragung mechanischer Leistungen in Form von Drehmomenten und Drehzahl, insbesondere von einer Kurbelwelle eines Verbrennungsmotors auf den Rotor einer elektrischen Maschine, werden häufig Zugmitteltriebe, insbesondere Riementriebe eingesetzt. Das Umschlingungsmittel läuft dabei über Zugmittelräder, die auf der Kurbelwelle des Verbrennungsmotors beziehungsweise auf einer mit dem Rotor der elektrischen Maschine verbundenen Welle sitzen beziehungsweise befestigt sind. Das Umschlingungsmittel umschlingt dabei das bewegliche Zugmittelrad, um durch Reibschluss oder Formschluss das Drehmoment von der Kurbelwelle auf die Welle zu übertragen. Unter dem Umschlingen des Zugmittelrads ist hierbei nicht ein vollständiges Umschlingen des jeweiligen Zugmittelrades zu verstehen, sondern nur ein bereichsweises Umschlingen, das sich über einen begrenzten Umfangsbereich des Zugmittelrades erstreckt. Eine entsprechende Vorrichtung ist beispielsweise in der deutschen Offenlegungsschrift
DE 34 01 403 A1 offenbart.
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Üblicherweise wird das Zugmittel kraftschlüssig auf der Welle befestigt. Dabei wird das Zugmittelrad auf die Welle bis zu einem Anschlag aufgeschoben und anschließend durch Aufschieben einer Mutter, auf der dem Anschlag gegenüberliegenden Seite, gegen den Anschlag gedrängt und dadurch auf der Welle kraftschlüssig festgelegt. Als Anschlag können dabei auch ein Distanzring, ein Kugellager, ein Lüster und/oder ein Klauenpol der elektrischen Maschine dienen. Das Drehmoment, das über das Zugmittelrad auf die Welle und damit auf die elektrische Maschine übertragen werden soll, wird durch Reibung an den axialen Kontaktflächen, zwischen Mutter, Zugmittelrad und Anschlag, weitergeleitet. Häufig werden die Kräfte über mehrere Elemente axial hinweggeleitet, wie beispielsweise über die Riemenscheibe auf einen Distanzring, zu einem Kugellager, zu einem weiteren Distanzring, zu einem Lüfter bis zu einem Klauenpol, so dass der Kraftschluss zur Drehmomentübertragung axial durch die unterschiedlichen Bauteile direkt bis zu dem anzutreibenden Rotor verläuft. Das maximale Drehmoment ist daher abhängig von der axialen Anpresskraft, die durch die Mutter erzeugt wird. Diese kann jedoch nicht beliebig erhöht werden, weil andernfalls eine Schädigung der Welle und/oder der Mutter die Folge ist.
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Offenbarung der Erfindung
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass die bisher kraftschlüssige Verbindung durch eine formschlüssige Verbindung ersetzt oder zumindest ergänzt wird. Durch die formschlüssige Verbindung lassen sich wesentlich höhere Drehmomente übertragen, wodurch ein sicherer Betrieb und eine hohe Lebensdauer der Zugmittelrad-Befestigung gewährleistet werden. Erfindungsgemäß ist hierzu vorgesehen, dass zwischen der Mutter und einer Stirnfläche des Zugmittelrades ein Schneidring verspannt gehalten ist, der aufgrund der Verspannung in das Zugmittel und die Welle einschneidet. Durch das Einschneiden entsteht eine formschlüssige Verbindung zwischen dem Schneidring und der Welle und zwischen dem Schneidring und dem Zugmittelrad. Prinzipiell kann das Einschneiden dabei in radialer und/oder axialer Richtung erfolgen. So ist es beispielsweise denkbar, dass der Schneidring sich radial in die Welle und axial in das Zugmittelrad einschneidet. Bevorzugt sind der Schneidring und das Zugmittelrad aber derart ausgebildet, dass sich der Schneidring radial sowohl in die Welle als auch in das Zugmittelrad schneidet, so dass der Schneidring in seiner montierten Stellung ringförmig ausgebildet ist und zweckmäßigerweise in einer gedachten Ebene, insbesondere senkrecht zur Rotationsachse der Welle liegt. Durch die vorteilhafte Vorrichtung wird die formschlüssige Verbindung bei der Montage durch eine plastische Verformung von Welle und Zugmittelrad erzeugt, so dass die Herstellung der Vorrichtung in kurzer Zeit und kostengünstig erfolgt.
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Vorzugsweise weist das Zugmittelrad eine Axialaufnahme in der Stirnseite auf, in welcher zumindest der Schneidring einliegt. Dadurch wird der Schneidring an seinem Außenumfang von Material des Zugmittelrades umgeben, in welches sich der Schneidring bei der Montage beziehungsweise beim Anziehen der Mutter und der dadurch erfolgenden Verspannung einschneidet beziehungsweise einschneiden kann. Der Innendurchmesser der Axialaufnahme und der Außendurchmesser des Zugmittelrades zumindest im Bereich der Axialaufnahme sind entsprechend derart gewählt, dass das Einschneiden erfolgt, ohne das Zugmittelrad zu schwächen. Besonders bevorzugt ist die Axialaufnahme derart tief (axial) ausgebildet, dass die aufgeschraubte Mutter zumindest bereichsweise in der Axialaufnahme angeordnet ist. Natürlich ist es auch denkbar, zwischen Mutter und Schneidmittel einen Stützring vorzusehen, um beispielsweise Größenunterschiede zwischen Mutter und Schneidring auszugleichen.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Schneidring an seiner Außenseite und an seiner Innenseite mehrere, insbesondere jeweils gleichmäßig über den Umfang verteilt angeordnete Schneidzähne aufweist. Die Schneidzähne sind derart geformt und ausgerichtet, dass ein wirkungsvoller Schneidvorgang erfolgt, der zu dem gewünschten Formschluss führt. Hierzu können die Schneidzähne beispielsweise auch mit scharfen Kanten versehen sein. Besonders bevorzugt ist es, wenn die Schneidzähne an ihrer vorzugsweise gekrümmten Außenkante als Schneidmesser ausgebildet sind, und an ihren seitlichen Kanten im Wesentlichen stumpf ausgebildet sind, so dass, wenn die Schneidzähne sich einmal in das Material der Welle oder des Zugmittelrades eingeschnitten haben, kein Schneidvorgang in Umfangsrichtung gesehen erfolgt, der den erzeugten Formschluss wieder lösen könnte.
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Bevorzugt ist der Außendurchmesser des Schneidrings im verspannten Zustand größer als der Innendurchmesser der Axialaufnahme, wobei das Einschneiden durch ein Aufweiten des Schneidrings beim Verspannen erfolgt. Zweckmäßigerweise ist der Außendurchmesser vor dem Verspannen kleiner als der Innendurchmesser der Axialaufnahme.
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Entsprechend ist bevorzugt vorgesehen, dass der Innendurchmesser des Schneidrings im verspannten Zustand kleiner ist als der Außendurchmesser der Welle, um eine sicheres Einschneiden des Schneidrings in die Welle zu gewährleisten. Vorzugsweise ist auch hier vorgesehen, dass der Innendurchmesser des Schneidrings vor dem Verspannen größer ist, als der Außendurchmesser der Welle, damit der Schneidring problemlos auf die Welle beziehungsweise in die Axialaufnahme des Zugmittelrads aufschiebbar ist.
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Dies wird bevorzugt dadurch erreicht, dass die Zähne des Schneidrings zumindest in axialer Richtung umbiegbar ausgebildet sind, so dass sie zur Durchmesserverkleinerung beziehungsweise Vergrößerung umgebogen werden können, wodurch der Schneidring im Querschnitt gesehen ein V- oder U-förmiges Profil erhält, welches das Aufschieben auf die Welle und das Einschieben in die Axialaufnahme erlaubt. Wird anschließend die Mutter aufgeschoben beziehungsweise geschraubt, wird aufgrund der wirkenden Axialkräfte der Schneidring gegen den Boden beziehungsweise die innen liegende Stirnfläche der Axialaufnahme verspannt und dadurch derart verformt, dass er in seine Ausgangsstellung zurückverformt wird, in welcher alle Zähne zumindest im Wesentlichen in einer Ebene liegen und bei der dabei erfolgenden Durchmesservergrößerung beziehungsweise -verkleinerung des Schneidrings in das Material des Zugmittelrads beziehungsweise des der Welle einschneidet.
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Der erfindungsgemäße Zugmitteltrieb mit den Merkmalen des Anspruchs 7 zeichnet sich durch eine Vorrichtung zum Befestigung eines Zugmittelrades auf einer Welle wie sie oben stehend beschrieben wurde aus. Besonders bevorzugt ist das Zugmittelrad dabei als Riemenrad und das Umschlingungsmittel als Riemen ausgebildet, um einen Riementrieb darzustellen.
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Die erfindungsgemäße Antriebsvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 9 zeichnet sich durch eine wie oben beschriebene Vorrichtung zum Befestigen des Zugmittelrades auf der Welle aus. Die elektrische Maschine mit dem darauf befestigten Zugmittelrad kann somit als eine Einheit genutzt werden, die eine verlässliche Drehmittelübertragung auch hoher Drehmomente gewährleistet. Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus dem zuvor Beschriebenen.
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Das erfindungsgemäße Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 10 zum Befestigen eines Zugmittelrades auf einer Welle führt zu den oben bereits beschriebenen Vorteilen. Es zeichnet sich dadurch aus, dass vor dem Aufschieben der Mutter ein Schneidring auf die Welle aufgeschoben und dann mittels der Mutter zwischen der Mutter und einer Stirnfläche des Zugmittelrads verspannt wird, so dass es insbesondere radial in die Welle und das Zugmittelrad einschneidet. Vorzugsweise wird der Schneidring mit Schneidzähnen an seinem Außenumfang und seinem Innenumfang versehen, die sich insbesondere gleichmäßig über den jeweiligen Umfang verteilt erstrecken. Die Zähne werden vor dem Aufschieben auf die Welle derart umgebogen, dass sowohl die Zähne des Außenumfangs als auch die Zähne des Innenumfangs axial in die gleiche Richtung weisen, vorzugsweise in einem Winkel von etwa 45°, zumindest aber in einem derartigen Winkel, dass – wie oben bereits erwähnt – das Aufschieben auf die Welle möglich ist und insbesondere auch ein Einschieben in eine Axialaufnahme in der Stirnseite des Zugmittelrades. Durch Verspannen des Schneidrings werden die umgebogenen Zähne nach außen beziehungsweise innen gedrängt und schneiden dadurch in das Material des Zugmittelrades beziehungsweise der Welle ein, um eine formschlüssige Verbindung herzustellen, die das Übertragen hoher Drehmomente erlaubt. Bevorzugt wird vor dem Aufschieben beziehungsweise Aufschrauben der Mutter zusätzlich ein Stützring auf die Welle aufgeschoben, der anschließend von der Mutter gegen den Schneidring gedrängt wird.
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Im Folgenden soll die Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert werde. Dazu zeigen
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1 ein auf einer Welle befestigtes Riemenrad eines Riementriebs, einer elektrischen Maschine
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2 einen Schneidring zur Befestigung des Riemenrads auf der Welle,
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3 eine Längsschnittdarstellung durch das Riemenrad vor und
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4 den Längsschnitt durch das Riemenrad nach dessen Montage des Riemenrads auf der Welle.
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1 zeigt ein Zugmittelrad 1 eines hier nicht näher dargestellten Zugmitteltriebs 2. Das Zugmittelrad 1 ist als Riemenrad 3 ausgebildet ist und auf einer Welle 4 einer elektrischen Maschine 17 befestigt. Dazu ist eine Vorrichtung 5 vorgesehen, mittels der das Riemenrad 3 auf der Welle 4 befestigt ist. Die Vorrichtung 5 weist eine Mutter 6 auf, die auf ein freies Ende der Welle 4 aufgeschraubt ist, um das Riemenrad 3 gegen einen Anschlag, beispielsweise einen Radialvorsprung der Welle 4, der beispielsweise auch durch ein auf der Welle 4 angeordnetes Wälzlager gebildet sein kann, zu drängen. Das Riemenrad 3 weist eine Axialaufnahme 7 in einer Stirnseite 8 auf. Die Axialaufnahme 7 ist zylinderförmig ausgebildet und derart tief – in Axialrichtung gesehen – bis zu einer innen liegenden Stirnfläche 15 (in 3 und 4 ersichtlich) ausgebildet, dass die Mutter 6 vollständig darin aufgenommen ist.
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Zwischen der Mutter 6 und dem Riemenrad 3 ist ein Schneidring 9, wie er in 2 dargestellt ist, verspannt gehalten. Dabei ist zwischen der Mutter 6 und dem Schneidring 9 zusätzlich ein Stützring 6’ in Form einer Unterlegscheibe vorgesehen, dessen Außendurchmesser im Wesentlichen dem Innendurchmesser der Axialaufnahme entspricht oder etwas kleiner als dieser ist, und dessen Innendurchmesser im Wesentlichen im Außendurchmesser der Welle 4 entspricht oder etwas größer als dieser ist, so dass sich der Stützring 6’ einfach auf die Welle 4 und in die Axialaufnahme 7 aufschieben beziehungsweise einführen lässt. Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist der Stützring 6’ als separates Element ausgebildet. Gemäß einem hier nicht dargestellten Ausführungsbeispiel ist es jedoch auch denkbar, den Stützring 6’ einstückig mit der Mutter 6 auszubilden. Der Stützring 6’ wird somit einseitig von der Mutter 6 axial beaufschlagt und dadurch axial gegen den Schneidring 9 gedrängt, um diesen in das Material von Welle 4 und Riemenrad 3 zu schneiden.
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2 zeigt hierzu nur einen Abschnitt des Schneidrings 9. Der Schneidring 9 weist einen Grundkörper 10 auf, der kreisringförmig ausgebildet ist, und der an seiner Innenseite 11 eine Vielzahl gleichmäßig über den Umfang der Innenseite 11 verteilt angeordnete Schneidzähne 12 aufweist. An seiner Außenseite 13 weist der Grundkörper 10 ebenfalls eine Vielzahl von Schneidzähnen 14 auf, die gleichmäßig verteilt über den Umfang der Außenseite 13 angeordnet sind. Die Schneidezähne 12 und 14 sind jeweils radial ausgerichtet. Der Schneidring 9 ist zumindest im Bereich der Schneidzähne 12 und 14 derart verformbar ausgebildet, dass die Schneidzähne 12 und 14 in axialer Richtung umlegbar sind. Vor der Montage des Schneidrings 9 zwischen der Mutter 6 und dem Boden der Axialaufnahme 7 beziehungsweise der Stirnwand 8 des Riemenrads 3, sind die Schneidzähne 12 und 14 in die gleiche axiale Richtung umgebogen, so dass der Schneidring 9 einen im Wesentlichen U-förmigen Querschnitt erhält, wie in 3 dargestellt.
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3 zeigt eine Längsschnittdarstellung der Vorrichtung 5, wobei das Riemenrad 3 sowie der Schneidring 9 auf die Welle 4 aufgeschoben sind und die Mutter 6 bis zur Anlage an den Schneidring 9 beziehungsweise an den Grundkörper 10 des Schneidrings 9 auf ein auf der Welle 4 vorgesehenes Gewinde 16 aufgeschraubt ist. Die Schneidzähne 12 und 14 sind zur Innendurchmesservergrößerung beziehungsweise Außendurchmesserverkleinerung derart weit umgebogen, dass sich der Schneidring 9 problemlos in die Axialaufnahme 7 und auf die Welle 4 aufschieben lässt. Sobald die Mutter 6 derart weit auf das Gewinde 16 aufgeschraubt ist, dass sie den Stützring 6’ gegen den Grundkörper 10 des Schneidrings 9 drängt, führt dies dazu, dass der Schneidring 9 zwischen der Stirnfläche 15 und der Mutter 6 verspannt wird, wodurch die Schneidzähne 12 und 14 nach außen beziehungsweise nach innen gedrängt werden. Die Schneidzähne 14 werden dabei gegen die Innenseite der Axialaufnahme 7 insbesondere radial gedrängt, während die Schneidzähne 12 nach innen in Richtung auf die Welle 4 ebenfalls im Wesentlichen radial gedrängt werden. Wird die Mutter 6 weiter angezogen, dringen die Schneidzähne 12 und 14 jeweils in das Material des Riemenrads 3 beziehungsweise der Welle 4, indem sie sich in das Material hineinschneiden. Die Schneidzähne 12 und 14 weisen dazu vorzugsweise an ihren vorzugsweise gekrümmten Außenkanten Messerschneiden auf. Die Schneidzähne 12 und 14, die jeweils vorzugsweise einstückig mit dem Grundkörper 10 ausgebildet sind, sind vorzugsweise aus einem Material gefertigt, das härter ist als das Material des Riemenrads 3 und der Welle 4, so dass ein Einschneiden sicher gewährleistet wird. Die Mutter 6 wird derart weit aufgeschraubt, bis der Schneidring 9 mit dem Grundkörper 10 plan an der Stirnfläche 15 der Axialaufnahme 7 anliegt und die Schneidzähne 12, 14 in einer Ebene mit dem Grundkörper liegen, wie in 4 dargestellt.
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4 zeigt die Vorrichtung 5 aus 3 in einer weiteren Längsschnittdarstellung, jedoch in der endgültigen Montageposition, in welcher – wie bereits erwähnt – die Mutter 6 derart weit auf das Gewinde 16 aufgeschraubt wurde, dass der Schneidring plan auf die Stirnfläche 15 aufliegt und dadurch die Schneidzähne 12 und 14 in das Material des Riemenrads 3 beziehungsweise der Welle 4 gedrängt wurden.
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In der endgültigen Montageposition wird somit ein Formschluss zwischen der Welle 4 und dem Schneidring 9 sowie dem Schneidring 9 und dem Riemenrad 3 erzeugt, der eine formschlüssige Kraftübertragung von einem das Riemenrad 3 umschlingenden Riemen auf die die Welle 4 aufweisende elektrische Maschine erlaubt. Hierdurch lassen sich im Vergleich zu üblichen Vorrichtungen zur Befestigung des Riemenrads 3 auf der Welle 4 auch hohe Drehmomente sicher übertragen. Durch die Verwendung des Schneidrings 9 lässt sich die Vorrichtung 5 auf einfache Art und Weise montieren, wobei der Formschluss bei der Montage durch Aufbringen einer Axialkraft mittels der Mutter 6 erzeugt wird. Mittels der Mutter 6 wird somit das Riemenrad 3 sowohl axial als auch in Umfangsrichtung gesehen auf der Welle 4 befestigt beziehungsweise festgelegt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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