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Die Erfindung betrifft ein Rotationsbauteil, insbesondere zum Einsatz in einem Kraftwagen, gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Anlage sowie ein Verfahren zum Wuchten eines derartigen Rotationsbauteils gemäß dem Oberbegriff der Patentansprüche 5 bzw. 7.
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Schnell rotierende Rotationsbauteile wie beispielsweise Rotoren von Elektromotoren benötigen nach ihrer Fertigstellung einen präzisen Wuchtausgleich für einen ruhigen Lauf bzw. zur Vermeidung von Schwingungen und Vibrationen. Nur hierdurch kann der erforderliche Komfort und die gewünschte Lebensdauer der Bauteile und Anbauteile erreicht werden. So ist zum Beispiel bei Elektromotoren, welche beispielsweise bei Hybrid- oder Elektrofahrzeugen zum Einsatz kommen, eine besonders hohe Wuchtgüte erforderlich. Zur Erreichung dieser Wuchtgüte ist es entscheidend, die Ur-Unwucht und Unwuchtlage genauso zu ermitteln und beim Ausgleichsvorgang die ermittelte Masse zur Kompensation der Unwucht exakt in ihrer Lage und ihrem Gewicht zu positionieren.
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Prinzipiell sind zum Wuchten – also zur Verbesserung der Massesymmetrie des Massekörpers des Rotationsbauteils bzgl. seiner Rotationsachse – zwei generelle Verfahren bekannt.
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Einerseits gibt es das so genannte negative Wuchten, bei welchem gezielt Masse von dem entsprechenden Massekörper entfernt wird. Dieses Verfahren bekommt üblicherweise zur Erzielung hoher Wuchtgüten zum Einsatz, wobei beispielsweise mittels Bohren oder Fräsen Material von dem entsprechenden Massekörper spanend abgetragen wird. Hierzu muss konstruktiv jedoch genügend Material am Massekörper vorgehalten werden. Außerdem ist es hierbei nachteilig, dass es auf Grund der spanenden Abhebung zu Bauteilschwächungen an den abgetragenen Stellen kommen kann. Die Spanbildung ist ein zusätzliches Problem, da Verschmutzungen wie Späne gerade bei Elektromaschinen zur Funktionsbeeinträchtigung führen können, so dass ein aufwendiger und sorgfältiger Fertigungsprozess erforderlich ist, um diese Probleme zu vermeiden.
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Andererseits gibt es das so genannte positive Wuchten, bei welchem gezielt Masse am zu wuchtenden Massekörper angebracht wird. Hierbei ist das Befestigen von Wuchtgewichten am Massekörper nennenswert, wobei dies beispielsweise durch Anschweißen oder Aufkleben entsprechender Gewichte an dem Massekörper erfolgen kann. Eine weitere Möglichkeit des positiven Wuchtens besteht im Auftragschweißen beispielsweise mittels konventioneller MIG/MAG-Schweißprozesse. Hierbei besteht jedoch die Problematik, dass ein relativ hoher Wärmeeintrag in den Massekörper erfolgt, und dass bei einem solchen Auftragschweißen auf Grund der Charakteristik des Schweißens stets auch das Material des Massekörpers aufgeschmolzen wird. Dabei kann es gegebenenfalls zu Materialschwächungen kommen. Ein weiteres Problem besteht darin, dass die Dosierbarkeit für hohe Wuchtgüten gegebenenfalls nicht ausreichend ist. Außerdem besteht grundsätzlich das Problem der Spritzerbildung bei einem derartigen Auftragsschweißen.
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Ein solches Auftragsschweißen ist beispielsweise aus der
GB 2 037 941 A bekannt. Dort wird ein Massekörper eines Rotationsbauteils in Form einer Kurbelwelle zur Verbesserung seiner Massensymmetrie bzgl. seiner Rotationsachse mit wenigstens einem Wuchtgewicht versehen, welches durch Auftragsschweißen aufgebracht wird.
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Üblicherweise erfolgt dieses positive Wuchten in zwei wesentlichen Schritten. Zunächst wird das Rotationsbauteil bzw. dessen Massenkörper in einer Wuchtprüfungseinrichtung positioniert und durch schnelles Rotieren einer Wuchtprüfung unterzogen. Anschließend wird üblicherweise der Massekörper des Rotationsbauteils aus der Wuchtprüfungseinrichtung entnommen und in eine Ausgleichseinrichtung eingespannt, mittels welcher der Massekörper zur Verbesserung seiner Massensymmetrie bezüglich seiner Rotationsachse mit einem entsprechenden Wuchtgewicht versehen wird. Die Ausgleichseinrichtung umfasst dabei bisher eine Schweißeinrichtung, mittels welcher dieses Wuchtgewicht angeschweißt bzw. aufgebracht werden kann.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Rotationsbauteil sowie eine Anlage und ein Verfahren zum Wuchten eines derartigen Rotationsbauteils zu schaffen, mittels welchen sich eine höhere Wuchtgüte des Rotationsbauteils in einfacherer Weise realisieren lässt.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Rotationsbauteil mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, durch eine Anlage zum Wuchten eines Rotationsbauteils mit den Merkmalen des Patentanspruchs 5, sowie durch ein Verfahren zum Wuchten eines Rotationsbauteils mit den Merkmalen des Patentanspruchs 7 erreicht.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nicht-trivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den jeweils abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Um ein Rotationsbauteil der eingangs genannten Art zu schaffen, welches besonders einfach und mit hoher Wuchtgüte geschaffen werden kann, ist es gemäß Patentanspruch 1 vorgesehen, dass das wenigstens eine Wuchtgewicht aus einem in einem Lötprozess auf den Massekörper aufgetragenen Lot gebildet ist. Mit anderen Worten ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass Wuchtgewicht in einem definierten Lötauftrag in Form beispielsweise von Punkten, Raupen oder Bahnen an einer oder mehreren geeigneten Stellen des Massekörpers aufzutragen. Im Unterschied zu einem Schweißprozess hat dabei das Auftragen von Lot den Vorteil, dass das Material des Massekörpers des Rotationsbauteils nicht aufgeschmolzen wird, so dass sich hierdurch keine nachteiligen Einflüsse auf die Festigkeit oder dergleichen des Massekörpers des Rotationsbauteils ergeben. Außerdem ist das Lot, welches das Wuchtgewicht bildet, in einfacher Weise entsprechend dosierbar und an dem Massekörper positionierbar, so dass sich eine besonders hohe Wuchtgüte ergibt.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung hat es sich dabei als vorteilhaft gezeigt, wenn das Rotationsbauteil für einen Antrieb bzw. Antriebsstrang eines Kraftwagens, insbesondere für einen Rotor einer elektrischen Maschine, vorgesehen ist. Gerade bei derartigen Bauteilen ist eine hohe Wuchtgüte erforderlich, wobei durch den Lötprozess außerdem sichergestellt werden kann, dass die Restschmutzanforderungen leicht zu erfüllen sind. Derartige Restschmutzanforderungen sind beispielsweise bei Span abhebenden Verfahren beim negativen Wuchten nur schwer zu erfühlen. Auch beim Auftragschweißen sind diese Anforderungen auf Grund von Schweißspritzern gegebenenfalls schwerer zu erfüllen als in einem Lötprozess.
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Um eine Anlage zum Wuchten eines Rotationsbauteils der eingangs genannten Art zu schaffen, mittels welcher sich auf einfache Weise eine höhere Wuchtgüte des Rotationsbauteils erreichen lässt, ist es gemäß Patentanspruch 5 vorgesehen, dass die Wuchtprüfungseinrichtung in einem Arbeitsbereich der Ausgleichseinrichtung positioniert ist, wodurch das Wuchtgewicht bei in der Wuchtprüfungseinrichtung angeordnetem Massekörper auftragbar ist. Mit anderen Worten ist es erfindungsgemäß vorgesehen, die Ausgleichseinrichtung, welche vorzugsweise wenigstens eine Lötstation umfasst, so relativ zur Wuchtprüfungseinrichtung anzuordnen, dass das Wuchtgewicht bei in der Wuchtprüfungseinrichtung eingespanntem Massekörper angebracht bzw. aufgetragen werden kann. Dies hat den Vorteil, dass somit ein aufwendiges Entnehmen des Massekörpers aus der Wuchtprüfungseinrichtung und ein zusätzliches Einspannen in die Ausgleichseinrichtung, wie dies bisher der Fall war, vermieden werden kann. Hierdurch ergibt sich eine schnelle Herstellung bzw. Wuchtprüfung des Rotationsbauteils. Außerdem kann die Wuchtprüfung genauer erfolgen, da keine einspannungsbedingten oder dergleichen Ungenauigkeiten Einfluss nehmen.
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In diesem Zusammenhang sei erwähnt, dass durch die Ausgleichseinrichtung, mittels welcher ein entsprechendes Wuchtgewicht angebracht werden kann, prinzipiell jede Art von Einrichtung umfassen kann, mittels welcher ein thermisches Auftragen des Wuchtgewichts möglich ist. Insbesondere ist hierbei an Auftragsschweißverfahren oder Lötverfahren zu denken, wobei sich Lötverfahren auf den vorgenannten Gründen besonders anbieten. Die Ausgleichseinrichtung kann demzufolge einen oder mehrere Schweißroboter bzw. Portale aufweisen.
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Die vorstehend in Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Anlage genannten Vorteile ergeben sich auch für das Verfahren zum Wuchten eines Rotationsbauteils gemäß Patentanspruch 7.
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Überdies hat es sich erfindungsgemäß als vorteilhaft gezeigt, wenn nach dem Auftragen des Wuchtgewichts eine nachfolgende Wuchtprüfung bei in der Wuchtprüfungseinrichtung angeordnetem Massekörper durchgeführt wird. Hierdurch ergibt sich eine besonders hohe Wuchtgüte, wobei sich die erfindungsgemäße Anlage und das erfindungsgemäße Verfahren des Weiteren dadurch auszeichnen, dass zwischen dem Aufbringen des Wuchtgewichts und der anschließenden weiteren Wuchtprüfung kein Umspannen des Massekörpers erfolgen muss. Hierdurch lässt sich ein besonders einfacher und schneller Wuchtprozess erreichen. Zudem lassen sich hierdurch Fehlerquellen eliminieren bzw. Toleranzen reduzieren, die bei einem Umspannen des Massekörpers entstehen könnten.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnungen; diese zeigen in:
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1a, b, c eine Perspektivansicht, eine axiale Schnittansicht sowie eine perspektivische Vorderansicht auf einen Massekörper eines Rotationsbauteils in Form eines Rotors eines Elektromotors, welcher zur Verbesserung einer Massensymmetrie bzgl. seiner Rotationsachse mit einer Mehrzahl von Wuchtgewichten versehen worden ist, welche aus in einem Lötprozess auf den Massekörper aufgetragenem Lot gebildet sind;
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2a, b, eine schematische Abfolge von Seitenansichten zur Erläuterung eines CMT-Lichtbogenprozesses, mittels welchem entsprechende Lötpunkte auf den Massekörper des Rotationsbauteils aufbringbar sind sowie eine schematische Schnittansicht auf einen der Lötpunkte;
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3a, b eine schematische Seitenansicht auf eine Reihe von Lötpunkten mit einem gewissen Lötpunktabstand sowie eine schematische Darstellung der Lötpunkte zur Ermittlung des optimalen Lötpunktabstandes;
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4 verschiedene Beispiele von Abständen von Lötpunkten zur Bildung entsprechender Lätpunktreihen bzw. Raupen oder Bahnen, welche das jeweilige Wuchtgewicht auf dem Massekörper bilden;
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5 eine perspektivische Darstellung einer Anlage zum Wuchten eines Rotationsbauteils mit einer Wuchtprüfungseinrichtung in Form einer Vertikalauswuchtmaschine, mittels welcher ein Massekörper des Rotationsbauteils einer Wuchtprüfung zu unterziehen ist, und mit wenigstens einer Ausgleichseinrichtung mit zwei Lötstationen, mittels welchen der Massekörper zur Verbesserung seiner Massensymmetrie bzgl. seiner Rotationsachse durch thermisches Auftragen in Form von Löten mit wenigstens einem Wuchtgewicht zu versehen ist, wobei die Wuchtprüfungseinrichtung in einem Arbeitsbereich der Ausgleichseinrichtung positioniert ist, wodurch das Wuchtgewicht bei in der Wuchtprüfungseinrichtung angeordneten Massekörper auftragbar ist; und
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6 eine Perspektivdarstellung der beiden vorliegend eingesetzten Lötstationen der Ausgleichseinrichtung, mittels welcher jeweilige Wuchtgewichte auf den Massekörper des Rotationsbauteils auftragbar sind.
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In den 1a, b und c ist in einer Perspektivansicht, einer axialen Schnittansicht sowie einer perspektivischen Seitenansicht ein Massekörper 10 eines Rotationsbauteils, welches im vorliegenden Fall als Rotor eines Elektromotors ausgestaltet ist, dargestellt. Derartige Rotoren bedürfen einer besonders hohen Wuchtgüte und eines präzisen Wuchtausgleichs für einen ruhigen Lauf bzw. zur Vermeidung von Schwingungen und Vibrationen. Als im Rahmen der Erfindung mit umfasst ist es jedoch zu betrachten, dass die vorliegend beschriebene Erfindung nicht auf Rotoren für Elektromotoren beschränkt ist, sondern auch Massekörper 10 von Kurbelwellen, Ausgleichsgetrieben, Gelenkwellen oder anderen Bauteilen, welche insbesondere schnell rotierend sind und insbesondere bei Kraftwagen in Anwendung kommen, denkbar sind.
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Der im vorliegenden Fall eingesetzte Massekörper 10 weist im hier gezeigten Ausführungsbeispiel eine erste Ausgleichsebene AE1 und eine zweite Ausgleichsebene AE2 auf, an welchen jeweilige Wuchtgewichte 12 zum Grob- und Feinwuchten aufgebracht werden können. Diese Wuchtgewichte 12 werden – wie im Weiteren noch näher erläutert werden wird – durch einen geeigneten Lötprozess auf den Massekörper 12, welcher vorliegend aus einem Metallwerkstoff gebildet ist, aufgebracht. Der Vorteil eines derartigen Lötprozesses liegt dabei insbesondere darin, dass das Metall des Massekörpers 10 beim thermischen Auftragen des Lots zumindest im Wesentlichen nicht aufgeschmolzen wird.
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Die erste Ausgleichsebene AE1 verläuft dabei – in der Schnittansicht gemäß 1b gesehen – parallel zur Rotationsachse R des Massekörpers 10 des Rotationsbauteils, mithin also an einer Außenumfangsseite einer Mantelfläche 14 des Massekörpers 10.
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Die zweite Ausgleichsebene AE2 verläuft demgegenüber schräg zur Ausgleichsebene AE1 bzw. zur Rotationsachse R. Diese Ausgleichsebene AE2 ist dabei an einer Stirnseite 16 des Massekörpers 10 – ringförmig umlaufend – vorgesehen.
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Durch die beiden Ausgleichsebenen AE1 und AE2, von welchen wenigstens eine schräg zur Rotationsachse R des Massekörpers 10 verläuft, sind somit die Wuchtgewichte 12 in allen drei Raumrichtungen entsprechend am Massekörper 10 positionierbar. Durch entsprechendes Aufbringen einer oder mehrerer Wuchtgewichte 12 an den entsprechenden Ausgleichsebenen AE1 und AE2 ist somit die Massensymmetrie des Massekörpers 10 bzgl. seiner Rotationsachse R verbesserbar. Durch das Aufbringen der Wuchtgewichte 12 durch in einem Lötprozesses aufgetragenes Lot wird zudem erreicht, dass kein Aufschmelzen des Materials des Massekörpers 10 erfolgt. Dies würde nämlich zu erheblichen Wärmeeinträgen führen und könnte gegebenenfalls die Qualität des Massekörpers 10 erheblich herabsetzen.
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In 2a ist anhand einer Abfolge von vier schematischen Seitenansichten erläutert, auf welche Weise die jeweiligen Wuchtgewichte 12 auf den Massenkörper 10 aufgebracht werden. Dies erfolgt im vorliegenden Fall durch einen CMT(Kaltmetalltransfer)-Lichtbogenprozess, mittels welchem ein oder mehrere Lötpunkte 24 auf den Massekörper 10 aufgetragen werden. Die Lötpunkte 24 sind dabei in Größe, Anzahl und Lage variabel. Der Vorteil eines derartigen Lichtbogenprozesses liegt in der exakten Trockenablösung und in dem definierten Drahtrückzug, so dass die Masse und die Position des jeweiligen Wuchtgewichts 12 exakt definiert werden kann. Anhand von 2b ist dabei erkennbar, welche Größe der jeweilige Lötpunkt 24 in Abhängigkeit des jeweiligen in 2a dargestellten Stadiums des Lichtbogeriprozesses einnimmt. Ebenfalls ist in 2a erkennbar, dass der Lötauftrag im vorliegenden Fall von einer entsprechenden Lötstation 22 mittels einer Schutzgasdüse 18 unter zu Hilfenahme des Drahtzusatzwerkstoffs 20 erfolgt.
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Die in 2a jeweils angedeutete Lötstation 22 ist außerdem in 3a in einer schematischen Seitenansicht erkennbar, wobei dargestellt ist, dass mit dem vorstehend erläuterten Lichtbogenprozess ein entsprechender Lötpunktabschnitt I zwischen den einzelnen Lötpunkten 24 entsprechend auf das gewünschte Wuchtgewicht 12 bzw. auf dessen Positionierung anpassbar ist.
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Anhand der 3b und 4 wird dabei erkennbar, dass durch ein Bewertungsschema ein linearer Zusammenhang zwischen der Zyklenanzahl und dem optimalen Lötpunktabstand I ermittelt werden kann.
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Anhand der 5 und 6 soll nun eine Anlage bzw. ein Verfahren zum Wuchten eines Massekörpers 10 eines derartigen Rotationsbauteils, welches im Zusammenhang mit den 1a bis 1c erläutert worden ist, näher beschrieben werden. Dabei kommt ein entsprechender Lötprozess zum Einsatz, wie dieser im Zusammenhang mit den 2a bis 4 beschrieben worden ist. Alternativ hierzu ist es jedoch auch denkbar, ein anderes Auftragsverfahren, also insbesondere auch ein Auftragsschweiß verfahren, zum Einsatz zu bringen. Besonders bevorzugt ist jedoch ein definierter Lötauftragsprozess, bei welchem entweder Punkte, Raupen oder Bahnen mittels von gesteuerten Kurzlichtbogen auf den Massekörper 10 aufgetragen werden. Dies kann beispielsweise in einem CMT-Prozess, einem anderen Lichtbogenprozess oder in einem sonstigen MSG-Prozess mit optimierter Kurzlichtbogensteuerung erfolgen.
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Wie aus 5 in einer entsprechenden Perspektivansicht erkennbar ist, umfasst die vorliegende Anlage zum Wuchten des Massekörpers 10 des Rotationsbauteils prinzipiell zwei große Einheiten, nämlich einerseits eine Wuchtprüfungseinrichtung 28 und eine Ausgleichseinrichtung 30. Die Wuchtprüfungseinrichtung 28 wird im vorliegenden Fall durch eine Vertikalauswuchtmaschine gebildet, welche einen entsprechenden Rotationskörpers 32 aufweist, an weichem der Massekörper 10 des Rotationsbauteils fixierbar und um dessen in Vertikalrichtung verlaufende Rotationsachse R schnell drehbar ist. Außerdem umfasst die Wuchtprüfungseinrichtung 28 ein entsprechendes nicht weiter erkennbares Wuchtprüfungssystem, mittels welchem zunächst beispielsweise eine Ur-Unwucht und eine Unwuchtlage im Rahmen einer Wuchtprüfung ermittelt werden können.
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In Abhängigkeit dieser Wuchtprüfung wird dann in einem weiteren Verfahrensschritt wenigstens ein Wuchtgewicht 12 mittels der Ausgleichsseinrichtung 30 an den Massekörper 10 angebracht. Wie insbesondere aus 6 erkennbar ist, umfasst die Ausgleichseinrichtung 30 hierzu zwei Lötstationen 22, wie diese im Zusammenhang mit den 2b bis 5 erläutert worden ist. Diese beiden Lötstationen 22 sind vorliegenden jeweils ein Lötroboter 31 zugeordnet. Mittels dieser beiden Lötstationen 22 bzw. Lötrobotern 31 ist ein bzw. sind mehrere Wuchtgewichte 12 an den entsprechenden Ausgleichsebenen AE1 und AE2 des Massekörpers 10 auftragbar.
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Wie nun insbesondere aus 5 erkennbar ist, liegt die Besonderheit der vorliegenden Anlage darin, dass die Wuchtprüfungseinrichtung 28 in einem Arbeitsbereich AB der Ausgleichseinrichtung 30 – genauer gesagt in einem Arbeitsbereich der beiden Lötstationen 22 bzw. Lötrobotern 31 – positioniert ist, so dass das jeweilige Wuchtgewicht 12 bei in der Wuchtprüfungseinrichtung 28 angeordneten bzw. eingespannten Massekörper 10 aufgetragen werden kann, sofern dies erforderlich ist. Mit anderen Worten liegt also die Besonderheit der vorliegenden Anlage darin, dass der Massekörper 10 nicht aus der Wuchtprüfungseinrichtung 28 entnommen werden muss, sondern vielmehr an Ort und Stelle das Aufbringen des jeweiligen Wuchtgewichts 12 durch thermisches Auftragen in Form eines Lötprozesses erfolgen kann. Es ist klar, dass hierzu eine oder mehrere Lötstationen 22 zum Einsatz kommen können.
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In diesen kombinierten Mess- und Ausgleichssystems kann somit die benötigte Ausgleichsmasse des Wuchtgewichts 12 exakt gemessen und direkt im Anschluss mit Hilfe der geregelten Kurzlichtbogentechnologie für die entsprechend erforderliche Lötmasse abgeschmolzen und aufgetragen werden. Der Lötauftrag ist hierbei in Positionierung und Masse flexibel und erfolgt über die zum Bauteil entsprechend positionierten Lötbrenner bzw. Schutzgasdüsen 18.
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Ein besonderer Vorteil des vorliegenden Verfahrens liegt außerdem darin, dass nach dem Auftragen des Wuchtgewichts 12 eine weitere, nachfolgende Wuchtprüfung bei nach wie vor in die Wuchtprüfungseinrichtung 28 eingespannten Massekörper 12 durchgeführt werden kann. Diese Prüfung wird allgemein als Restunwuchtmessung bezeichnet. Diese kann vorteilhafter Weise also ebenfalls in der Anlage erfolgen. Der gesamte Prozess zwischen Unwuchtmessung, Unwuchtausgleich und Restunwuchtmessung erfolgt vorzugsweise vollautomatisch, ohne dass das Rotationsbauteil bzw. dessen Massekörper 10 aus der Anlage entnommen werden muss. Als zweite Variante wäre jedoch auch eine getrennte Mess- und Ausgleichsstation denkbar, wobei sich dann jedoch insbesondere der Vorteil ergibt, dass wenigstens eine Lötstation 22 vorgesehen ist, mittels welcher die Wuchtgewichte 12 in einem Lötprozess auf den Massekörper 12 aufgebracht werden können.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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