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Die Erfindung betrifft einen Ölpumpenantrieb (1), umfassend einen Elektromotor (2), mit einem bewickelten Stator (3), einem in zwei Lagern (7, 8) statisch bestimmt gelagerten permanentmagnetischen Rotor (4), welcher im Betrieb in einem Ölgefüllten Rotorraum (5) drehbar angeordnet ist, und eine Ölpumpe (10) mit einer Eingangswelle (9), welche mit einer Rotorwelle (6) des Elektromotors (2) über ein Wellenkupplungselement (11) drehfest verbunden ist.
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Ölpumpenantriebe bestehen in der Regel aus einem Elektromotor, dessen Rotor über zwei Lager drehbar gelagert ist und eine angeflanschte Ölpumpe, die über eigene Lager verfügt. Da es unvermeidlich ist, dass beim Anbau der Ölpumpe an den Elektromotor toleranzbedinge Winkel und Koaxialitätsungenauigkeiten auftreten, muss für einen Ausgleich gesorgt werden.
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Aufgabe der Erfindung ist es bei einem Ölpumpenantrieb der eingangs genannten Gattung dafür zu sorgen, dass ein Drehmoment der Rotorwelle auf die Eingangswelle übertragbar ist und dabei sowohl Winkelfehler als auch ein Versatz der Wellen zueinander ausgleichbar ist, bei nur geringer Verschleißneigung. Weiter soll das rotatorische Spiel zwischen den Wellen gering sein, ein Schmier- und Kühlmitteldurchlass, ein geräusch- und vibrationsarmer Lauf und ein geringer hydrodynamischer Widerstand bei direkter Anströmung gewährleistet sein.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das Kennzeichen des Anspruchs 1 gelöst. Da die Rotorwelle, die Eingangswelle und das Wellenkupplungselement hohl ausgebildet sind, ist es möglich die Wellen als Strömungskanal zu nutzen, der einen Ölaustausch erlaubt. Die Verzahnungen sind erforderlich um eine Drehmomentübertragung zu gewährleisten. Eine geometrische Überbestimmung wird zuverlässig vermieden indem sowohl die motorseitige als auch die pumpenseitige Verzahnungspaarung einen begrenzten Winkelversatz zulassen.
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Hierdurch sind neben einer Korrektur von Winkelabweichungen auch Koaxialitätsfehler ausgleichbar. Das Wellenkupplungselement wirkt dabei wie ein kardanisches Gelenk.
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Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen dargestellt. Gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Verzahnungen des Wellenkupplungselements als geringfügig ballige Außenverzahnungen ausgebildet sind und die Rotorwelle, sowie die Eingangswelle mit Innenverzahnungen versehen sind. Aufgrund dieser Ausführung ist eine wirtschaftliche Herstellung der Verzahnung und eine ausreichende Auslenkbarkeit der miteinander zu verbindenden Wellen möglich. Zudem ist das Wellenkupplungselement platzsparend innerhalb der Rotor- und Eingangswelle aufgenommen. Aufgrund der geringfügen Balligkeit der Außenverzahnung richtet sich das Wellenkupplungselement bei Belastung selbst aus.
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Alternativ kann auch vorgesehen sein, dass die Verzahnungen des Wellenkupplungselements als Innenverzahnungen ausgebildet und die Rotorwelle sowie die Eingangswelle mit geringfügig balligen Außenverzahnungen versehen sind.
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Die jeweilige Innenverzahnungen sind gerade ausgebildet. Dadurch lassen sie sich einfacher und wirtschaftlich herstellen.
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Da bei Drehrichtungsänderungen unangenehme Geräusche entstehen können ist es vorteilhaft die Verzahnungen als Passverzahnung auszuführen. Die Ölbenetzten Zahnflanken haben eine gewisse dämpfende Wirkung und helfen dadurch zusätzlich Geräusche zu vermeiden. Passverzahnungen werden auch als Steckverzahnungen bezeichnet. Es handelt sich dabei um eine Vielfach-Mitnehmerverbindung. Das Drehmoment wird von den Zahnflanken übertragen. Das Drehmoment wird hier weitgehend gleichmäßig auf alle Zähne verteilt, wodurch eine hohe Belastbarkeit gegeben ist. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass keine Lagerbelastung entsteht, welche durch nicht ausgeglichene Zahnkräfte an dem Wellenkupplungselement verursacht ist.
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Weiter ist vorgesehen, dass die Passverzahnung flankenzentriert ist und nur wenig Flankenspiel aufweist. Bei einer Flankenzentrierung haben der Grunddurchmesser und der Außendurchmesser der Verzahnung keinen Einfluss auf die Koaxialität und die Winkelausrichtung des Zahneingriffs. Hierdurch wird der Winkelausgleich erleichtert.
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Damit ein gewisser Axialspielausgleich gegeben ist, Metall zu Metall-Kontakte und auch Leckageverluste vermeidbar sind und die Bewegungsfreiheit des Wellenkupplungselements eingeschränkt ist, wird vorgeschlagen dass zwischen dem Wellenkupplungselement und der Rotorwelle als auch zwischen dem Wellenkupplungselement und der Eingangswelle axial elastische Ringe angeordnet sind. Die Ringe bestehen aus einem Elastomermaterial. Vorzugsweise werden handelsübliche O-Ringe, die auch als Ringschnurdichtungen bezeichnet werden, verwendet. Für eine einfachere Zentrierung der O-Ringe ist es sinnvoll, dass axiale Enden leicht gerundete Stirnseiten aufweisen, sie können auch kegelförmig ausgebildet sind.
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Es sind Einsatzfälle denkbar bei denen eine Übertragung von Axialkräften zu vermeiden ist. Für solche Fälle ist vorgesehen, dass zwischen Wellenkupplungselement und einem elastischen Ring oder zwischen dem Wellenkupplungselement und der Rotorwelle oder zwischen dem Wellenkupplungselement und der Eingangswelle ein Axialspiel besteht.
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Weiter ist vorgesehen, dass der Außendurchmesser der Rotorwelle mit dem Außendurchmesser der Eingangswelle übereinstimmt und sich ringförmige Axialbereiche der Rotorwelle und der Eingangswelle gegenüberstehen. Dies ergibt eine platzsparende und sicher zu handhabende Konstruktion.
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Zweckmäßigerweise sollte der Innendurchmesser der hohlen Rotorwelle, der hohlen Eingangswelle und des hohlen Wellenkupplungselements zumindest annähernd gleich groß sein, wodurch der hydrodynamische Widerstand gering ist. Durchmesserabweichungen sollten dabei nicht mehr als 10% betragen.
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Besonders bei einem Einsatz als Antrieb für ein Stoßdämpfungssystem in einem Kraftfahrzeug, bei dem sich die Drehrichtung dynamisch ändert wodurch ein Ölaustauch erschwert wird, ist es wichtig für einen geringen Strömungswiderstand zu sorgen.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine Wellenkupplung eines Ölpumpenmotors,
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2 eine Wellenkupplung mit einfacher Steckverzahnung,
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3 ein Wellenkupplungselement mit Innenverzahnungen,
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4 eine vereinfachte Darstellung eines Koaxialitätsfehlers,
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5 eine vereinfachte Darstellung eines Winkelfehlers,
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6 eine vereinfachte Darstellung einer Kombination aus 4 und 5,
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7 eine Teilschnittdarstellung der idealen Wellenkupplung,
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8 eine stilisierte Darstellung von 7,
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9 eine stilisierte Darstellung der Wellenkupplung mit Achsversatz,
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10 eine stilisierte Darstellung der Wellenkupplung mit Winkelversatz und
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11 eine stilisierte Darstellung der Wellenkupplung mit einem kombinierten Achsversatz und Winkelversatz.
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Hinweis: Bezugszeichen mit Apostroph und entsprechende Bezugszeichen ohne Apostroph bezeichnen namensgleiche Einzelheiten in den Zeichnungen und der Zeichnungsbeschreibung. Es handelt sich dabei um die Verwendung in einer anderen Ausführungsform, dem Stand der Technik und/oder die Einzelheit ist eine Variante. Die Ansprüche, die Beschreibungseinleitung, die Bezugszeichenliste und die Zusammenfassung enthalten der Einfachheit halber nur Bezugszeichen ohne Apostroph.
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1 zeigt eine Wellenkupplung eines Ölpumpenmotors, mit einer Rotorwelle 6, einer Eingangswelle 9 für eine Ölpumpe und ein Wellenkupplungselement 11, wobei die Rotorwelle 6, die Eingangswelle 9 und das Wellenkupplungselement 11 hohl ausgebildet sind. Alle Innendurchmesser sind aufeinander abgestimmt, so dass der Strömungswiderstand insgesamt gering ist. Die axialen Enden des Wellenkupplungselements 11 weisen kegelförmige Stirnflächen 24 auf, welche teilweise an elastischen Ringen 16 anliegen, die sich über diese Form mit dem Wellenkupplungselement 11 zentrieren. Das Wellenkupplungselement 11 weist eine rotorseitige Außenverzahnung 12 und eine pumpenseitige Außenverzahnung 13 auf. Die Rotorwelle 6 ist mit einer als Innenverzahnung ausgebildete Gegenverzahnung 14 und die Eingangswelle 9 mit einer ebenfalls als Innenverzahnung ausgebildete Gegenverzahnung 15 auf. Die Außenverzahnungen 12, 13 des Wellenkupplungselement 11 sind leicht ballig ausgebildet, während die Gegenverzahnungen 14, 15 der Rotorwelle 6 und der Eingangswelle 9 nicht ballig ausgeführt sind.
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2 zeigt eine nicht erfindungsgemäße alternative Wellenkupplung 33‘ mit einfacher Steckverzahnung 17‘, mit einer Rotorwelle 6‘ mit einer geringfügig ballig ausgeführten Außenverzahnung 18‘, einer Eingangswelle 9‘ mit einer geraden Innenverzahnung 19‘. Beide Wellenenden sind unmittelbar ohne Zwischenelement miteinander über die Verzahnung gekuppelt. Ein Ausgleich von Koaxialitätsfehlern wird nur durch die Wahl eines großen Flankenspiels erreicht. Dies hat jedoch Nachteile, z. B. sind die Zähne u. U. nicht gleichmäßig belastet, so dass das zu übertragende Drehmoment von ein oder zwei Zahnpaaren aufgenommen werden muss. Dies führt bei großen Abweichungen zu einer Überlastung der Verzahnung. Radialkräfte werden nicht ausgeglichen, wodurch die Lager des Elektromotors und der Ölpumpe durch Radialkräfte belastet werden.
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3 zeigt eine Wellenkupplung 33‘‘ mit einem Wellenkupplungselement 11‘‘, das eine rotorseitige Innenverzahnung 20‘‘ und einer pumpenseitigen Innenverzahnung 21‘‘ aufweist, wobei die beiden Innenverzahnungen 20‘‘, 21‘‘ mit einer rotorseitigen Außenverzahnung 22‘‘ bzw. einer pumpenseitigen Außenverzahnung 23‘‘ in Eingriff sind. Auch diese alternative Lösung hat Nachteile. Ein Nachteil besteht darin, dass das Wellenkupplungselement 11‘‘ axial nicht festgelegt ist und daher in Grenzen beweglich ist. Dies hat unangenehme Geräusche zur Folge. Besonders nachteilig ist der vom Wellenkupplungselement 11‘‘ eingenommene Bereich kaum nutzbar ist.
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4 zeigt eine vereinfachte Darstellung eines Koaxialitätsfehler in Form eines Achsversatzes zwischen der Rotorwelle 6 und der Eingangswelle 9, mit einem Rotor 4, einem Motorlager 7, einem pumpenseitigen Lager 8, einem Pumpenrotor 27, einem Pumpenlager 26 und einem motorseitigen Lager 25. Die Rotorwelle 6 und somit eine Motordrehachse 28 ist hier toleranzbedingt parallel versetzt zur Eingangswelle 9 und damit einer Pumpendrehachse 29 angeordnet, jedoch ohne Winkelfehler. An einer Schnittstelle 30 treffen sich die Motordrehachse 28 und die Pumpendrehachse nicht.
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5 zeigt eine vereinfachte Darstellung eines Winkelfehlers zwischen der Rotorwelle 6 und der Eingangswelle 9, mit dem Rotor 4, dem Motorlager 7, dem pumpenseitigen Lager 8, dem Pumpenrotor 27, dem Pumpenlager 26 und dem motorseitigen Lager 25. Die Eingangswelle 9 ist hier toleranzbedingt gegenüber der Rotorwelle 9 geneigt. Die Drehachsen 28, 29 schneiden sich an der Schnittstelle 30.
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6 zeigt eine vereinfachte Darstellung aus einem Koaxialitätsfehler in Form eines Achsversatzes und einem Winkelfehler zwischen der Rotorwelle 6 und der Eingangswelle 9, mit dem Rotor 4, dem Motorlager 7, dem pumpenseitigen Lager 8, dem Pumpenrotor 27, dem Pumpenlager 26 und dem motorseitigen Lager 25. Die Eingangswelle 9 ist hier toleranzbedingt parallel gegenüber der Rotorwelle 6 versetzt und zugleich um einen Winkel geneigt. Im Normalfall sind die Drehachsen 28, 29 hierbei windschief. In einem Spezialfall wandert ein Schnittpunkt 31 zwischen der Motordrehachse 28 und der Pumpendrehachse 29 von der Schnittstelle 30 weg, hier in Richtung Elektromotor.
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7 zeigt eine Teilschnittdarstellung der idealen Wellenkupplung, mit der Rotorwelle 6, der Eingangswelle 9 und dem Wellenkupplungselement 11. 8 zeigt die gleiche Wellenkupplung in stilisierter Art.
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9 zeigt eine stilisierte Darstellung der Wellenkupplung mit Achsversatz, wobei die Rotorwelle 6 und die Eingangswelle 9 parallel zueinander ausgerichtet sind. Eine Wellenkupplungsdrehachse 32 schneidet sich an zwei verschiedenen Stellen 33, 34 einerseits mit der Motordrehachse 28 und andererseits mit der Pumpendrehachse 29.
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10 zeigt eine stilisierte Darstellung der Wellenkupplung mit Winkelversatz, wobei die Rotorwelle 6 und die Eingangswelle 9 keinen Achsversatz zueinander haben. Das Wellenkupplungselement ist hier sowohl zur Rotorwelle 6 als auch zur Eingangswelle 9 um etwa den gleichen Betrag geneigt. Die Motorwellenachse 28 und die Pumpenwellenachse 29 schneiden sich in einem gemeinsamen Punkt, der Schnittstelle 30 mit der Wellenkupplungsdrehachse 32.
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11 zeigt eine stilisierte Darstellung der Wellenkupplung mit einem kombinierten Achsversatz und Winkelversatz. Auch hier sind Schnittpunkte zwischen der Motordrehachse 28 und der Wellenkupplungsdrehachse 32, zwischen der Pumpendrehachse 29 und der Wellenkupplungsdrehachse 32 und zwischen der Motordrehachse 28 und der Pumpendrehachse 29 möglich aber zunehmend unwahrscheinlich.
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Die 4 bis 11 zeigen nur einige (übertrieben deutliche) Beispiele, welche Toleranzverhältnisse grundsätzlich ausgleichbar sind. Achswinkelabweichungen sind in jeder Raumrichtung möglich und auch ein Achsversatz kann in beliebige Richtungen vorliegen, so dass normalerweise windschiefe Anordnungen entstehen, die ebenso ausgleichbar sind.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Ölpumpenantrieb
- 2
- Elektromotor
- 3
- Stator
- 4
- Rotor
- 5
- Rotorraum
- 6
- Rotorwelle
- 7
- Motorlager
- 8
- Pumpenseitiges Lager
- 9
- Eingangswelle
- 10
- Ölpumpe
- 11
- Wellenkupplungselement
- 12
- rotorseitige Verzahnung
- 13
- pumpenseitige Verzahnung
- 14
- rotorseitige Gegenverzahnung
- 15
- pumpenseitige Gegenverzahnung
- 16
- elastischer Ring
- 17
- Steckverzahnung
- 18
- Außenverzahnung
- 19
- Innenverzahnung
- 20
- rotorseitige Innenverzahnung
- 21
- pumpenseitige Innenverzahnung
- 22
- rotorseitige Außenverzahnung
- 23
- pumpenseitige Außenverzahnung
- 24
- Kegelförmige Stirnfläche
- 25
- motorseitiges Lager
- 26
- Pumpenlager
- 27
- Pumpenrotor
- 28
- Motordrehachse
- 29
- Pumpendrehachse
- 30
- Schnittstelle
- 31
- Schnittpunkt
- 32
- Wellenkupplungsdrehachse
- 33
- Wellenkupplung
