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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Rotor, insbesondere einen Rotor einer elektrischen Maschine, sowie eine elektrische Maschine mit einem genannten Rotor. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung einer Welle-Nabe-Verbindung, bzw. einer Riemenscheibe-Rotorwelle-Verbindung, eines Rotors, insb. einer elektrischen Maschine.
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Stand der Technik
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Bei den rotierenden elektrischen Maschinen werden die Drehmomente mittels einer Welle-Nabe-Verbindung von einem Rotor der elektrischen Maschine zu einem Leistungsstellglied, wie z. B. einer (Keil-)Riemenscheibe, übertragen. Die Leistungsübertragung von dem Rotor zu dem Leistungsstellglied erfolgt dabei mittels einer reibschlüssigen Verbindung zwischen einer Rotorwelle und einer Wellennabe.
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Gattungsgemäße Welle-Nabe-Verbindungen beruhen auf einer Verwendung einer Zwischenbuchse, die zwischen einem Innenumfang einer Nabenausnehmung und einem Außenumfang der Rotorwelle angeordnet wird. Die Lastübertragung zwischen der Rotorwelle einerseits und der Zwischenbuchse andererseits erfolgt dabei gattungsgemäß reibschlüssig. Wird die Wellennabe auf die Zwischenbuchse aufgeschoben, so bewirkt der sich ausweitende bzw. sich verengende Befestigungsabschnitt an der Zwischenbuchse und der Wellennabe eine radiale Verpressung der Zwischenbuchse, die eine radial wirkende Normalkraft auf den Außenumfang der Rotorwelle erzeugt und dadurch den Reibschluss zwischen der Zwischenbuchse und der Rotorwelle ermöglicht.
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Nachteilig an den bekannten Welle-Nabe-Verbindungen mit einer Zwischenbuchse ist, dass die Welle-Nabe-Verbindung über eine Mutter auf der Rotorwelle verspannt werden muss. Dies ist mit hohen Kosten für die Fertigung (z. B. zur Herstellung einer Gewinde oder eines Freistichs) und die Montage verbunden, welche über das Aufschrauben der Mutter auf die Welle erfolgt.
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Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine Welle-Nabe-Verbindung für einen Rotor, insb. einer elektrischen Maschine, einfacher und kostengünstiger herzustellen.
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Beschreibung der erfindungsgemäßen Lösung
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Diese Aufgabe wird durch Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Rotor, insbesondere ein Rotor einer elektrischen Maschine, bereitgestellt. Der Rotor umfasst eine Rotorwelle, die eine sich im Wesentlichen in Umfangsrichtung der Rotorwelle erstreckende Ausnehmung aufweist. Der Rotor umfasst ferner eine (insb. konische) Spannhülse, die auf der Rotorwelle aufgeschoben und mit der Rotorwelle drehfest verbunden ist. Der Rotor umfasst außerdem einen Sicherungsring, der in der Ausnehmung der Rotorwelle angeordnet ist und eingerichtet ist, eine Verschiebung der Spannhülse in axialer Richtung der Rotorwelle zu verhindern.
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Die Ausnehmung ist vorzugsweise ringförmig ausgebildet. Insbesondere ist die Ausnehmung als eine die Rotorwelle umlaufende Nut ausgebildet bzw. umfasst eine die Rotorwelle umlaufende Nut. Durch diese Ausnehmung arretiert der Sicherungsring die Spannhülse.
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Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, dass der Herstellungsaufwand und die Herstellungskosten eines Rotors bzw. einer elektrischen Maschine vor allem durch eine Reduzierung von Fertigungs- und Montageschritten und durch eine Anwendung einfacher Werkzeugen reduzieren lassen.
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Basierend auf diesem Gedanken wurde im Rahmen der Erfindung nach einer Möglichkeit gesucht, mit der eine Welle-Nabe-Verbindung des Rotors in wenigen Fertigungsschritten und mit wenigen einfachen Werkzeugen herstellen lässt.
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Dabei wurde festgestellt, dass eine Welle-Nabe-Verbindung mittels einer Spannhülse, die insb. mit einem Sicherungsring gesichert ist, eine einfache und kostengünstige Lösung darstellt.
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Dadurch, dass der Sicherungsring an sich ohne großen Aufwand kostengünstig herstellen lässt und die Ausnehmung an der Rotorwelle, auf die der Sicherungsring zur Herstellung einer festen Welle-Nabe-Verbindung aufgeschoben wird, ebenfalls mittels einer einfachen spannenden Werkzeugmaschine ohne besonderen Aufwand auf die Rotorwelle anbringen lässt, kann eine Welle-Nabe-Verbindung mittels des einfachen Sicherungsrings und der einfach aufzubringenden Spannhülse in einfacher Weise kostengünstig hergestellt werden.
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Insb. im Vergleich zu einer Welle-Nabe-Verbindung mittels einer Schraubenmutter, die auf eine auf der Rotorwelle aufgeschobene Spannhülse mit einem entsprechenden Gewinde aufgeschraubt wird, beansprucht die oben beschriebene Welle-Nabe-Verbindung mittels eines Sicherungsrings wenige aufwendige Fertigungsschritte, wie z. B. Gewindeschneiden. Zudem weist die Welle-Nabe-Verbindung mittels eines Sicherungsrings ein geringeres Bauteilvolumen bzw. einen geringeren Bauteilgewicht auf und verursacht weniger Abfall, wie z. B. Spänen, bei der Herstellung.
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Der Sicherungsring ist vorzugsweise elastisch insb. in dessen radialen Richtung federnd, ausgebildet. So lässt der Sicherungsring durch Ausweiten (Aufspreizen) auf die Rotorwelle montieren und kann auch in der Ausnehmung bzw. der Nut auf der Rotorwelle ohne äußere Einwirkung eigenständig einrasten.
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Vorzugsweise ist der Sicherungsring tellerfederartig verformt und ist somit in der Lage, das Axialspiel, insb. das Axialspiel zwischen der Ausnehmung, dem Sicherungsring und der Spannhülse, federnd auszugleichen.
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Vorzugsweise weist der Sicherungsring in dessen Umfangsrichtung betrachtet einen keilförmigen Querschnitt auf, der sich insb. von der Mitte des Sicherungsrings in dessen radialer Richtung hin breiter wird. Keilförmige Sicherungsringe besitzen die gleichen Eigenschaften von Sicherungsringen nach DIN 472 (Deutsches Institut für Normung 472), bieten jedoch den Vorteil des starren Ausgleichs von axialen Toleranzen. Ein keilförmiger Sicherungsring wirkt wie ein Keil zwischen der geschrägten Lastseite der Ausnehmung an der Rotorwelle und dem Sicherungsring. Aufgrund seiner Federkraft springt der Sicherungsring so tief in die Ausnehmung ein, bis das vorhandene Spiel ausgeglichen ist.
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Vorzugsweise ist der Sicherungsring als ein Wellenring ausgebildet bzw. umfasst einen Wellenring. Der Wellenring, der wie eine Wellenfeder in seiner Umfangsrichtung eine Wellung aufweist, kann das (axiale) Spiel bzw. die (axialen) Herstellungstoleranzen in der Ausnehmung, dem Sicherungsring und der Spannhülse ausgleichen.
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Durch die Reibung zwischen dem Wellenring und einer Innenwand der Ausnehmung kann der Wellenring noch fester in der Ausnehmung gehalten werden. Dies verhindert ein Ablösen des Wellenrings von der Ausnehmung und erhöht somit die Drehzahlfestigkeit der Welle-Nabe-Verbindung. Durch Einbringen einer axialen Wellung in das Design des Sicherungsrings erhält der Sicherungsring zusätzlich zum Toleranzausgleich Eigenschaften, die zum Ausgleich von einem Axialspiel infolge von unterschiedlichen Wärmeausdehnungen notwendig sind.
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Vorzugsweise ist der Sicherungsring mehrlagig ausgebildet. Insbesondere ist der Sicherungsring als ein Schraubenring – also einen Ring in Form von einer zusammengedrückten Schraubenfeder oder einer Tellerfeder – ausgebildet bzw. umfasst einen derartigen Schraubenring. Ein mehrlagiger Sicherungsring ist in der Lage, das oben genannte Axialspiel noch effizienter auszugleichen.
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Der mehrlagige Sicherungsring bzw. der Schraubenring besteht vorzugsweise aus zwei oder mehr Windungen aus einem gewalzten Flachdraht. Dabei wird der Flachdraht vorzugsweise hochkant gewickelt und ergibt einen lückenlosen Ring mit 360° Sicherungswirkung.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine elektrische Maschine mit einem zuvor beschriebenen Rotor sowie einer Riemenscheibe bereitgestellt, wobei die Riemenscheibe mit der Spannhülse des Rotors drehfest verbunden ist.
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Gemäß noch einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung einer Welle-Nabe-Verbindung, insb. einer Riemenscheibe-Rotorwelle-Verbindung, eines Rotors, insb. einer elektrischen Maschine, bereitgestellt. Gemäß dem Verfahren wird eine Riemenscheibe auf eine Rotorwelle des Rotors aufgeschoben. Ferner wird eine Spannhülse auf die Rotorwelle aufgeschoben. Anschließend wird ein Sicherungsring in dessen radialer Richtung aufgespreizt und in diesem aufgespreizten Zustand auf die Rotorwelle aufgeschoben, bis dieser auf die Höhe der Ausnehmung aufgeschoben wird. Sobald der aufgespreizte Sicherungsring auf die Höhe der Ausnehmung aufgeschoben ist, wird dieser entspannt, wodurch dieser dann in die Ausnehmung einrastet und somit die Spannhülse eine feste und gesicherte Welle-Nabe-Verbindung bilden kann.
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Gemäß noch einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine Vorrichtung zur Herstellung einer Welle-Nabe-Verbindung, bzw. einer Riemenscheibe-Rotorwelle-Verbindung, eines Rotors, insb. einer elektrischen Maschine, bereitgestellt. Die Vorrichtung umfasst eine Spreizeinheit (bspw. in Form von einem Aufnahmedorn) zur Aufnahme und zum Spreizen des Sicherungsrings, sowie eine Aufschiebeeinheit (bspw. in Form von einer doppelwandigen Druckhülse), die die Spreizeinheit in dessen Umfang zumindest teilweise umlaufend ausgebildet ist. Die Aufschiebeeinheit umfasst einen inneren Druckteil, der die Spreizeinheit in deren Umfang zumindest teilweise (und insb. zylindermantelförmig) umlaufend ausgebildet ist und eingerichtet ist, den von der Spreizeinheit aufgenommenen und aufgespreizten Sicherungsring auf eine Rotorwelle des Rotors aufzuschieben. Die Aufschiebeeinheit umfasst ferner einen äußeren Druckteil, der den inneren Druckteil in dessen Umfang zumindest teilweise (und insb. zylindermantelförmig) umlaufend ausgebildet ist und eingerichtet ist, eine (ggfs. von der Spreizeinheit aufgenommene) Spannhülse auf die Rotorwelle aufzuschieben.
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Vorzugsweise weist der innere Druckteil einen sich radial von der Spreizeinheit weg erstreckenden Abschnitt mit einer Kontaktfläche auf, die in axialer Richtung der Vorrichtung gerichtet ist. Analog weist der äußere Druckteil eine zu der Kontaktfläche des inneren Druckteils gerichtete Kontaktfläche auf. Die Vorrichtung umfasst vorzugsweise ferner zumindest ein Federelement, das zwischen der Kontaktfläche des inneren Druckteils und der Kontaktfläche des äußeren Druckteils angeordnet ist und eingerichtet ist, den äußeren Druckteil von dem inneren Druckteil weg in der axialen Richtung der Vorrichtung zu drücken.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen des oben beschriebenen Rotors sind, soweit im Übrigen auf die zuvor genannte elektrische Maschine bzw. auf das oben genannte Verfahren oder die oben genannte Vorrichtung übertragbar, auch als vorteilhafte Ausgestaltungen der elektrischen Maschine bzw. des Verfahrens oder der Vorrichtung anzusehen.
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Kurzbeschreibung der Figur
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Im Folgenden werden beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung bezugnehmend auf die beiliegende Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen:
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1 in einer schematischen Schnittdarstellung eine elektrische Maschine mit einem Rotor gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
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2 in einer schematischen Perspektivdarstellung einen Sicherungsring gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
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3 in einer schematischen Schnittdarstellung den in 1 dargestellten Rotor in einem Montageprozess gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
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Detaillierte Beschreibung der Figur
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1 zeigt in einer schematischen Schnittdarstellung eine elektrische Maschine EM. Die elektrische Maschine EM umfasst einen Rotor RT samt einer Rotorwelle RW, die über ein Wellenlager WL an einem Lagerschild LS der elektrischen Maschine EM drehbar gelagert ist.
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Die Rotorwelle RW weist einen Endbereich EB auf, der sich in axialer Richtung AR des Rotors RT bzw. der Rotorwelle RW erstreckt und über die Höhe des Lagerschildes LS hinausragt und ein freiliegendes Ende ED aufweist. Auf der zylindermantelförmigen Umfangsfläche UF weist die Rotorwelle RW eine Nut NT auf, die nahe dem freiliegenden Ende ED der Rotorwelle RW angeordnet ist und in Umfangsrichtung UR1 der Rotorwelle RW ringförmig umlaufend verformt ist und somit eine Ringnut ausgebildet.
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Die elektrische Maschine EM weist ferner eine Spannhülse SH, die auf der Rotorwelle RW bzw. auf dem Endbereich EB der Rotorwelle RW aufgeschoben und mit der Rotorwelle RW über einen Reibschluss drehfest verbunden ist. Die Spannhülse SH ist insb. selbsthemmend, etwa durch Wahl einer geeigneten Kegelneigung für die Außenfläche der Spannhülse SH. Die Kegelneigung ist vorzugsweise kleiner gleich 1:5 oder 1:10.
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Die elektrische Maschine EM umfasst ferner einen Sicherungsring SR, der in der Nut NT eingerastet ist und die Spannhülse SH in der axialen Richtung AR der Rotorwelle RW sichert, damit der Reibschluss zwischen der Rotorwelle RW und Spannhülse SH aufrecht erhalten wird.
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Die elektrische Maschine EM umfasst ferner eine Riemenscheibe RS, die auf die Spannhülse SH aufgeschoben ist und mit der Spannhülse SH kraftschlüssig, insb. reibschlüssig, und drehfest verbunden ist. Dadurch ergibt sich eine drehfeste Verbindung.
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In 2 ist eine Ausführungsform des Sicherungsrings SR des in 1 dargestellten Rotors RT dargestellt.
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In dieser Ausführungsform ist der Sicherungsring SR in Form von einem mehrlagigen Wellenring ausgebildet. Der Sicherungsring SR besteht aus zwei oder mehr Windungen aus gewalztem Flachdraht. Sein Design verbindet die Eigenschaften von einem Sicherungsring und einer Wellenfeder durch Einbringen einer Wellung in Umfangsrichtung UR2 des Sicherungsrings in das Design eines Sicherungsrings. Der Vorzug eines derartigen Sicherungsrings SR liegt im Ausgleich von Axialspiel infolge von Fertigungstoleranzen oder Wärmeausdehnung in der Spannhülse SH, der Nut NT und dem Sicherungsring SR. Der Sicherungsring SR ist zudem in dessen radialen Richtung RR federnd ausgebildet und kann in dessen radialer Richtung RR elastisch aufgespreizt werden.
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Nachfolgend wird anhand von 3 ein Verfahren sowie eine Montagevorrichtung V zum Herstellen der oben beschriebenen Welle-Nabe-Verbindung des Rotors RT näher beschrieben.
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Zur Montage der Riemenscheibe RS auf die Rotorwelle RW wird auf der Umfangsfläche UF der Rotorwelle RW die Nut NT angebracht. Hierzu wird bspw. in die Rotorwelle RW die Nut NT eingestochen, wobei die Rotorwelle RW um die eigene Drehachse DA gedreht wird und dabei das Material von der Umfangsfläche UF der Rotorwelle RW mit einem Stechmeißel abgetragen wird.
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Zur Befestigung der Riemenscheibe RS wird diese in einer Montagerichtung MR auf die Rotorwelle RW aufgeschoben. Danach wird die Spannhülse SH in der gleichen Montagerichtung MR auf die Rotorwelle RW aufgeschoben.
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Anschließend wird der Sicherungsring SR mittels einer Montagevorrichtung V auf die Rotorwelle RW aufgeschoben und in die Nut NT eingerastet.
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Die Montagevorrichtung V umfasst einen zylinderförmigen Aufnahmedorn AD, dessen radialen Querschnitt in einer bekannten Weise bis zu einer Querschnittfläche ausweiten lässt, die einer radialen Querschnittfläche der Rotorwelle RW entspricht bzw. geringfügig größer ist als die radiale Querschnittfläche der Rotorwelle RW (wie z. B. mit einem Radius, der einige Millimeter größer ist als der Radius der Querschnittfläche der Rotorwelle RW).
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Die Montagevorrichtung V umfasst ferner eine doppelwandige Druckhülse DH mit einem inneren Druckteil IT und einem äußeren Druckteil AT. Der innere Druckteil IT ist zylindermantelförmig ausgebildet und ummantelt den Aufnahmedorn AD. Damit bildet der innere Druckteil IT quasi eine innere Wand der Druckhülse DH. Der äußere Druckteil AT ist ebenfalls zylindermantelförmig ausgebildet und ummantelt den inneren Druckteil IT. Damit bildet der äußere Druckteil AT quasi eine äußere Wand der Druckhülse DH.
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Der innere Druckteil IT weist einen sich radial von dem Aufnahmedorn AD weg erstreckenden Abschnitt AB mit einer Kontaktfläche KI auf, die in axialer Richtung AS des Aufnahmedorns AD zu dem äußeren Druckteil AT gerichtet ist. Analog weist der äußere Druckteil AT eine zu der Kontaktfläche KI des inneren Druckteils IT gerichtete Kontaktfläche KA auf.
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Die Montagevorrichtung V umfasst außerdem ein Federpaket FP mit zumindest einem Federelement, das zwischen der Kontaktfläche KI des inneren Druckteils IT und der Kontaktfläche KA des äußeren Druckteils AT angeordnet ist und eingerichtet ist, den äußeren Druckteil AT in der axialen Richtung AS des Aufnahmedorns AD und von dem inneren Druckteil IT weg zu drücken.
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Zur Montage des Sicherungsrings SR wird dieser auf den Aufnahmedorn AD aufgeschoben und durch Vergrößern des radialen Querschnitts des Aufnahmedorns AD in dessen radialer Richtung RR aufgespreizt. Der Aufnahmedorn AD wird dann samt dem aufgespreizten Sicherungsring SR über eine Zentrierung auf das freiliegende Ende ED der Rotorwelle RW aufgesteckt.
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Dann wird die Druckhülse DH mit einer in der Figur nicht dargestellten Presse über den Aufnahmedorn AD in die Montagerichtung MR zu der Rotorwelle RW gedrückt. Dabei bekommt der äußere Druckteil AT der Druckhülse DH Kontakt mit der Spannhülse SH und verspannt diese in die Montagerichtung MR soweit, dass die Rotorwelle RW und die Spannhülse SH sowie die Riemenscheibe RS und die Spannhülse SH sich kraft- bzw. reibschlüssig verbinden.
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Der innere Druckteil IT der Druckhülse DH verschiebt dann den Sicherungsring SR über den Aufnahmedorn AD in die Montagerichtung MR bzw. in Richtung zu der Nut NT. Befindet sich der Sicherungsring SR auf die Höhe der Nut NT, so springt dieser aufgrund der federnden Eigenschaft eigenständig in die Nut NT und rastet dort ein. Das Federpaket FP zwischen dem inneren und dem äußeren Druckteil IT, AT der Druckhülse DH gleicht während des oben beschriebenen Montageprozesses die Fertigungstoleranzen zwischen der Spannhülse SH, dem Sicherungsring SR sowie der Nut NT aus.
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Nach der Montage, hält der Sicherungsring SR die Spannhülse SH in der Position, um den Kraft- bzw. Reibschluss zwischen der Rotorwelle RW und der Spannhülse SH aufrechtzuerhalten.
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Die Spannhülse SH und der Sicherungsring SR können somit in einfachen automatisierbaren Montageschritten unter einer Presse, bzw. in einer einzigen Montageanlage, und lediglich mittels der doppelwandigen Druckhülse DH auf der Rotorwelle RW montiert werden.
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Die Fertigungstoleranzen und die Wärmeausdehnungen, insb. in der Axialmaße, der Spannhülse SH, des Sicherungsringes SR und der Nut NT können durch die wellenförmige und mehrlagige Ausführung des Sicherungsringes SR ausgeglichen werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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