DE102015209449A1

DE102015209449A1 - Antriebsvorrichtung und Verfahren zur Herstellung einer drehfesten Verbindung für eine Antriebsvorrichtung

Info

Publication number: DE102015209449A1
Application number: DE102015209449.9A
Authority: DE
Inventors: Julien Roger; Stefan Koellner
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: SEG Automotive Germany GmbH
Priority date: 2015-05-22
Filing date: 2015-05-22
Publication date: 2016-11-24
Also published as: WO2016188724A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Antriebsvorrichtung mit einem auf einer Antriebswelle (2) mittels eines die Antriebswelle (2) umgreifenden Konusrings (3) an der Antriebswelle (2) befestigten Antriebselement (1), wobei der Konusring (3) selbsthemmend zwischen der Antriebswelle (2) und einer Ringfläche (9) des Antriebselements (1) eingepresst ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Antriebsvorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und ein Verfahren zur Herstellung einer drehfesten Verbindung einer Antriebsvorrichtung mit einem an einer Antriebswelle befestigten Antriebselement gemäß Anspruch 9.
Stand der Technik
Zur Befestigung eines Antriebselements, wie beispielsweise einer Riemenscheibe können Spannmuttern oder Spannschrauben verwendet werden, die in axialer Richtung der Antriebswelle mit dieser verschraubt werden, wobei eine Spannkraft auf das Antriebselement übertragen wird. Dabei hat die Verwendung eines Schraubelements zur Erzeugung einer Spannkraft, die das Antriebselement drehfest auf der Antriebswelle halten soll, den Nachteil, dass der Aufbau der erforderlichen Spannkraft über ein Gewinde erfolgt, welches besonders hohe Spannkräfte aufgrund der Dimensionierung oftmals nicht ermöglicht. Bei einer derart aufgebauten Antriebsvorrichtung können beim Auftreten größerer Temperaturschwankungen Spannkraftverluste durch lokale Verformungen der unterschiedlichen Bauteile auftreten. Dies kann in der Folge bei höheren Momentenbelastungen zu einer Überschreitung der Reibkraftschlussgrenze und somit zu einem Lösen des auf der Antriebswelle befestigten Antriebselements führen.
Aus der FR 2 894 002 A1 ist eine elektrische Maschine mit einer Antriebsvorrichtung bekannt, bei der eine Riemenscheibe mit der Antriebswelle der elektrischen Maschine unter Verwendung eines Konusrings und einer am Konusring angreifenden Wellenmutter verspannt ist. Der Konusring greift in einen einseitig konischen Ringraum zwischen dem als Riemenscheibe ausgebildeten Antriebselement und der Antriebswelle ein und verspannt dadurch die Riemenscheibe über den Konusring mit der Antriebswelle. Zur Erzeugung der erforderlichen Spannkraft ist auch hier ein Außengewinde an der Antriebswelle vorgesehen, auf das die Wellenmutter aufgeschraubt ist.
Offenbarung der Erfindung
Die Antriebsvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass durch die Verwendung eines selbsthemmend eingepressten Konusrings sehr große Spannkräfte realisiert werden können, wodurch sich eine entsprechend sichere drehfeste Verbindung zwischen dem Antriebselement und der Antriebswelle ergibt, die auch hohen Momentenbelastungen standhält. Außerdem ergibt sich gegenüber einem zusätzlich stirnseitig an der Antriebswelle abstehenden Gewindefortsatz und einer daran befestigten Wellenmutter eine Material- und Gewichtsersparnis an einem rotierenden Bauteil, sodass auch eine geringere Masseträgheit bei Drehzahlveränderungen gegeben ist. Die Antriebsvorrichtung ist damit sehr vorteilhaft als Teil einer elektrischen Maschine einsetzbar.
Der Konusring kann aus einem entsprechenden Material gefertigt sein, sodass sich der Konusring an seinen Ringflächen, die sich mit dem Antriebselement einerseits und mit der Antriebswelle andererseits verspannen, sicher reibschlüssig verbindet. Damit können sehr hohe Drehmomente zwischen dem Antriebselement und der Antriebswelle übertragen werden.
Die konischen Ringflächen am Konusring und an dem Antriebselement verlaufen vorzugsweise in einem sehr flachen Winkel zur Mittelachse der Antriebswelle, wodurch ein sehr starkes Verpressen des Konusrings im Ringraum zwischen der Antriebswelle und dem Antriebselement möglich ist. Dabei kann ein Winkel im Bereich zwischen 1° bis 2° vorteilhaft gewählt werden, wenn eine praktisch unlösbare Verbindung zwischen Antriebselement und Antriebswelle hergestellt werden soll. In Abhängigkeit vom Anwendungsbereich und den verwendeten Materialien, können aber auch Winkel bis zu 8° geeignet sein.
Der Konusring kann aus einem weicheren Material bestehen als die Antriebswelle und das Antriebselement, sodass beim Einpressen des Konusrings dieser in geringen Grenzen eine Materialverformung erfährt, um beispielsweise in an den ihn berührenden Ringflächen des Antriebselements und der Antriebswelle in Rillen, Vertiefungen oder aufgeraute Bereiche formschlüssig einzugreifen.
Der Konusring kann je nach Anwendungsfall aus Messing oder einer anderen geeigneten Stahllegierung bestehen, die die erforderlichen Reibungswerte zwischen Antriebselement und Antriebswelle ergibt. Der Konusring kann dabei mit oder ohne Längsschlitz ausgeführt sein, wobei ein ungeschlitzter Konusring ggf. aus einem weicheren Material gefertigt ist.
Die Antriebsvorrichtung mit einem zwischen Antriebselement und Antriebswelle eingepressten Konusring kann sehr vorteilhaft bei elektrischen Maschinen verwendet werden, wobei hier das Antriebselement als Riemenscheibe zur Drehmomentübertragung ausgebildet sein kann. Die bei elektrischen Maschinen auftretenden hohen Drehmomentspitzen können sicher über die Antriebsvorrichtung übertragen werden, da mit dem eingepressten Konusring eine drehfeste Verbindung entsteht, die hohen Drehmomentbelastungen problemlos standhält.
Das Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs hat den Vorteil, dass das Antriebselement an der Antriebswelle sehr einfach und damit auch kostengünstig montiert werden kann. Durch Verwendung eines Presswerkzeugs, welches mittels einer Presse axial gegen den Konusring gepresst wird, kann eine hohe Presskraft auf den Konusring ausgeübt werden. Während des Pressvorganges werden die Antriebswelle und das Antriebselement in ihrer Position fixiert, sodass der Konusring von der Presse weggesteuert in eine vorgegebene Position in den Ringspalt zwischen Antriebselement und Antriebswelle eingepresst werden kann.
Es besteht auch die Möglichkeit, den Pressvorgang kraftgesteuert auszuführen, um zu gewährleisten, dass der Konusring mit einer vorgegebenen Presskraft in den Ringspalt eingepresst wird. Dabei kann gleichzeitig sichergestellt werden, dass keine zu hohen Presskräfte auf den Konusring wirken. Besonders vorteilhaft kann es sein, den Pressvorgang weg- und kraftgesteuert durchzuführen, um den Konusring innerhalb eines vorgegebenen Bereichs zu positionieren, ohne dabei eine vorgegebene maximale Presskraft zu überschreiten.
Das Verfahren ist sehr vorteilhaft bei einer Antriebsvorrichtung anzuwenden, die Teil einer elektrischen Maschine ist. Dabei kann das Antriebselement eine Riemenscheibe sein, die auf der Antriebswelle der elektrischen Maschine zur Übertragung hoher Drehmomente drehfest befestigt werden soll. Während des Pressvorgangs kann das Antriebselement auf der Antriebswelle beispielsweise dadurch in seiner axialen Position gehalten werden, dass sich das Antriebselement an einer Ringschulter an der Antriebswelle abstützt. Die Antriebswelle kann in einem Werkzeug während des Pressvorgangs fixiert sein.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen beispielhaft erläutert.
Es zeigen:
1 eine Schnittansicht einer herkömmlichen Antriebsvorrichtung mit einem teilweise dargestellten Antriebselement und einer Antriebswelle,
2 ein Ausführungsbeispiel der Erfindung,
3 eine perspektivische Ansicht eines Rotors einer elektrischen Maschine und einer auf dessen Antriebswelle zu montierenden Riemenscheibe, und
4 einen prinzipiellen Aufbau einer Pressvorrichtung zum Einpressen eines Konusrings zwischen Antriebselement und Antriebswelle.
Die in 1 dargestellte Antriebsvorrichtung umfasst ein teilweise im Schnitt dargestelltes Antriebselement 1, eine Antriebswelle 2 und einen Konusring 3, der mittels einer Wellenmutter 4 und einer Ringscheibe 5 in einen Ringspalt 6 zwischen Antriebselement 1 und Anriebswelle 2 eingepresst ist. Die Wellenmutter 4 ist auf einen Gewindeabschnitt 7 der Antriebswelle 2 aufgeschraubt, sodass ein Spannungsaufbau vom Gewindeabschnitt 7 über die Wellenmutter 4 zum Konusring 3 erfolgt.
2 zeigt ein vereinfacht dargestelltes Ausführungsbeispiel einer Antriebsvorrichtung, bei dem der Konusring 3 ohne zusätzliche Spannelemente zwischen dem Antriebselement 1 und der Antriebswelle 2 selbsthemmend eingepresst ist. Die konischen Ringflächen 8, 9 am Konusring 3 und an dem Antriebselement 1 sind gegenüber der Mittelachse 10 der Antriebswelle 2 in einem sehr flachen Winkel α geneigt, der in einem Bereich zwischen 1° und 2° liegen kann. Je nach Anwendungsfall und insbesondere in Abhängigkeit von den verwendeten Materialien können auch steilere Neigungswinkel für eine sichere Presspassung gewählt werden.
In 3 ist ein Ausführungsbeispiel dargestellt, bei dem die Antriebsvorrichtung Teil einer elektrischen Maschine ist, deren Rotor 11 hier dargestellt ist. Das im Schnitt dargestellte Antriebselement 1 ist hier als Riemenscheibe ausgeführt und wird axial auf die Antriebswelle 2 der elektrischen Maschine 11 aufgesetzt. Dann wird der Konusring 3 axial in den zwischen dem Antriebselement 1 und der Antriebswelle 2 vorhandenen Ringspalt axial eingeschoben und mittels eines hier nicht dargestellten Presswerkzeugs in den Ringspalt 6, wie er aus 2 ersichtlich ist, eingepresst. Der Konusring 3 kann aus einem geeigneten Material bestehen und ist im Ausführungsbeispiel gemäß 3 mit einem Längsschlitz 12 versehen.
4 zeigt den prinzipiellen Aufbau einer Pressvorrichtung zum Einpressen des Konusrings 3 in den Ringspalt 6 zwischen Antriebselement 1 und Antriebswelle 2. Die Pressvorrichtung besitzt einen Pressenstempel 13 und ein ringförmiges Presswerkzeug 14. Das Presswerkzeug 14 ist in der Weise formangepasst, dass dieses an der Stirnseite 15 des Konusrings 3 konzentrisch beim Pressvorgang so zur Anlage kommt, dass eine gleichmäßige Übertragung der Presskraft auf den Konusring 3 gewährleistet ist. Während des Pressvorgangs werden die Antriebswelle 2 und das Antriebselement 1 ortsfest fixiert, sodass von diesen Elementen eine der Presskraft entsprechende Gegenkraft entgegengesetzt wird. Dies wird durch die beiden Kräftepfeile 16, 17 angedeutet.
Beim Pressvorgang wird der Pressenstempel 13 entsprechend der Pfeilrichtung 16 gegen das Presswerkzeug 14 bewegt, sodass das Presswerkzeug 14 an der Stirnseite 15 des Konusrings 13 zur Anlage kommt und diesen in den Ringspalt 6 so weit eindrückt, bis eine vorgegebene Position für den Konusring 3 erreicht ist. Während des Einpressvorgangs kann die ausgeübte Presskraft auf einen vorgegebenen Maximalwert begrenzt werden, um Beschädigungen im Bereich der Antriebsvorrichtung zu vermeiden. Gleichzeitig kann auch eine Überwachung der Presskraft dahingehend erfolgen, dass eine Mindestpresskraft erreicht oder überschritten wird, um eine sichere Verpressung des Konusrings 3 im Ringspalt 6 sicherzustellen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

FR 2894002 A1 [0003]

Claims

Antriebsvorrichtung mit einem auf einer Antriebswelle (2) mittels eines die Antriebswelle (2) umgreifenden Konusrings (3) an der Antriebswelle (2) befestigten Antriebselement (1), dadurch gekennzeichnet, dass der Konusring (3) selbsthemmend zwischen der Antriebswelle (2) und einer Ringfläche (9) des Antriebselements (1) eingepresst ist.
Antriebsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Konusring (3) an seinen Umfangsflächen einen höheren Reibungskoeffizienten hat als die an ihnen anliegenden Oberflächen der Antriebswelle (2) und des Antriebselements (1).
Antriebsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass konische Ringflächen (8, 9) am Konusring (3) und an dem Antriebselement (1) zur Mittelachse (10) der Antriebswelle (2) in einem Winkel zwischen 1° und 2° geneigt sind.
Antriebsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Konusring (3) aus einem weicheren Metall besteht als die Antriebswelle (2) und als das Antriebselement (1).
Antriebsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächen, an denen der Konusring (3) am Antriebselement (1) und an der Antriebswelle (2) zur Anlage kommt, eine aufgeraute Oberflächenstruktur haben.
Antriebsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Konusring (3) einen Längsschlitz (12) hat.
Antriebsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Antriebselement (1) eine Riemenscheibe ist.
Antriebsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebsvorrichtung Teil einer elektrischen Maschine ist.
Verfahren zur Herstellung einer drehfesten Verbindung zwischen einem Antriebselement (1) und einer Antriebswelle (2) unter Verwendung eines Konusrings (3), dadurch gekennzeichnet, dass ein Presswerkzeug (14) axial an einer Stirnseite (15) des zwischen Antriebswelle (2) und Antriebselement (1) eingesetzten Konusrings (3) angesetzt wird, dass dann mittels eines Pressenstempels (13) mit hoher Presskraft der Konusring (3) in den wenigstens eine konische Ringfläche (9) aufweisenden Ringspalt (6) eingepresst wird, und dass nach dem Einpressvorgang das Presswerkzeug (14) vom Konusring (3) abgenommen wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren zur Herstellung einer drehfesten Befestigung eines Antriebselements (1) auf der Antriebswelle (2) einer elektrischen Maschine angewandt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein an die Form einer Stirnseite (15) des Konusrings (3) angepasstes Presswerkzeug (14) zur Übertragung der von einem Pressenstempel (13) erzeugten Presskraft auf den Konusring (3) verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Einpressen des Konusrings (3) weggesteuert erfolgt, sodass bei Erreichen einer vorgegebenen Axialposition der Pressvorgang beendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass bei Erreichen einer vorgegebenen Presskraftgrenze der Pressvorgang beendet wird.