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Die Erfindung betrifft eine Differentialbauwelle für einen Elektromotor und einen entsprechenden Elektromotor selbst. Die Erfindung betrifft auch ein Antriebssystem für ein Kraftfahrzeug, das mit einem erfindungsgemäßen Elektromotor versehen ist und ein entsprechendes Kraftfahrzeug selbst.
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Aus
DE 10 2010 022 621 A1 ist eine Rotorwelle für ein elektrisches Aggregat bekannt, die in Differentialbauweise hergestellt ist. Die Rotorwelle umfasst ein röhrenförmiges Zwischenteil, an dessen Ende jeweils ein Verbindungselement zentrisch aufgenommen ist. Die Verbindungselemente umfassen jeweils ein Deckelteil, aus dem sich mittig ein Lagersitz erstreckt. In einem radial äußeren Bereich der Verbindungselemente ist jeweils ein axialer Anschlag ausgebildet, an dem die jeweiligen Enden des röhrenförmigen Zwischenteils anliegen. An einer radial umlaufenden Fläche, die einstückig mit dem jeweiligen Verbindungsstück ausgebildet ist, sind die Verbindungsstücke mit dem röhrenförmigen Zwischenteil durch eine Schweißung miteinander verbunden.
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Das Dokument
US 5 432 390 A offenbart einen geschalteten Reluktanzmotor, der einen Stator und einen Rotor umfasst. An axialen Enden des Stators sind Motorschilde angeordnet, in denen jeweils mittig Kugellager angeordnet sind. In den Kugellagern ist eine Rotorachse drehbar aufgenommen. Die Motorschilde weisen einen axial nach außen kippenden Querschnitt auf. Infolgedessen sind die Wandungen der Motorschilde in einem radial äußeren Bereich in Axialrichtung gesehen weiter voneinander entfernt als in einem radial inneren Bereich.
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Aus
DE 102 2007 006 986 B3 ist ein Rotor für eine schnelllaufende Maschine bekannt, der einen als Hohlwelle ausgebildeten Grundkörper aufweist. Der Grundkörper ist aus faserverstärktem Kunststoff hergestellt und weist an seinen Enden Lagersitze auf. Ferner sind axial an den Enden des Grundkörpers metallische Wellenenden angebracht, die als Inserts ausgebildet sind. Der Grundkörper verfügt über am Umfang verteilte ebene Anlageflächen, die mittels einer spanenden Verarbeitung hergestellt werden. Durch die Anlageflächen ist eine formschlüssige Drehmomentübertragung möglich.
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Ferner ist aus der Offenlegungsschrift
US 2003/0146667 A1 ein Kühlverfahren für einen Rotor und ein entsprechender Rotor bekannt. Der Rotor wird beispielsweise in einem Permanentmagnet-Synchronmotor eingesetzt. Der Rotor umfasst eine Welle, auf der Permanentmagnete angeordnet sind. Im Bereich der Permanentmagnete weist die Welle einen erhöhten Durchmesser auf und ist dort aus Hohlkörper ausgebildet. An ihren Enden ist die Welle in Wälzlagern drehbar aufgenommen. Zur Kühlung wird der Hohlkörper von einem Kühlfluid in einer axialen Richtung durchströmt. Innenwandungen des Hohlkörpers sind derart ausgebildet, dass sich im Hohlkörper verwirbelte Strömungen des Kühlfluids einstellen.
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Aus
US 2013/0274052 A1 ist Fahrzeugantrieb bekannt, der einen Elektromotor umfasst. Der Elektromotor umfasst einen Rotor, der in einem axial mittigen Bereich als Hohlkörper ausgebildet ist. Im Hohlkörper ist ein zweistufiges Planetengetriebe und ein Differentialgetriebe aufgenommen. Über das Planetengetriebe und das Differentialgetriebe wird die vom Elektromotor bereitgestellte Antriebsleistung mit entsprechenden Drehzahlen auf zwei Abtriebswellen verteilt.
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Die Druckschrift
DE 103 19 629 A1 offenbart eine Welle-Nabe-Verbindung, bei der an einem Zapfenende einer Welle eine Mehrzahl an Zahnrädern aufgenommen ist. Zwischen der Welle und den Zahnrädern liegt ein Schrumpfsitz vor, der eine mechanische Verbindung gewährleistet, die zur Aufnahme von Drehmomentlasten geeignet ist.
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In einer Vielzahl an technischen Gebieten besteht ein Bedarf an Elektromotoren, die bei gleichbleibender oder abnehmender Baugröße mehr Antriebsleistung bereitstellen. Dabei wird auch ein hohes Maß an Zuverlässigkeit und Gewichtsersparnis gefordert. Ferner besteht Bedarf an Elektromotoren, in denen anwendungsspezifische Zusatzfunktionen integriert sind. Darüber hinaus wird eine einfache, und damit fehlerrobuste, Herstellbarkeit angestrebt, die auch ein hohes Maß an Wirtschaftlichkeit bietet. Derartige Anforderungen werden in besonderem Umfang im Bereich der Kraftfahrzeugtechnik, z. B. bei Elektrofahrzeugen oder Hybrid-Fahrzeugen, gestellt. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Welle für einen Rotor in einem Elektromotor bereitzustellen, die dessen Leistungsfähigkeit steigert und die oben skizzierten Anforderungen erfüllt.
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Die skizzierte Aufgabenstellung wird durch die erfindungsgemäße Differentialbauwelle für einen Elektromotor gelöst. Die Differentialbauwelle umfasst ein Röhrenelement, das zu einem Befestigen einer Mehrzahl an Rotorelementen, beispielsweise ein Elektroblechpaket, an seiner Außenfläche ausgebildet ist. Das Röhrenelement und die daran angebrachten Rotorelemente definieren den Außendurchmesser des Rotors im Elektromotor. An den Enden des Röhrenelements ist jeweils ein Zapfenelement aufgenommen, das im Wesentlichen rund ausgebildet ist. Die Zapfenelemente wiederum weisen an ihren Enden Lagersitze auf, die jeweils um die Rotorachse drehbar in einem Lager aufgenommen sind. Die Zapfenelemente und das Röhrenelement sind im Wesentlichen rotationssymmetrisch um die Rotorache ausgebildet und entsprechend fluchtend angeordnet.
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Die Zapfenelemente weisen jeweils in einem radial äußeren Bereich einen Anschlussbereich auf, über den eine stabile Verbindung zum Röhrenelement hergestellt wird. Die stabilen Verbindungen zwischen dem Röhrenelement und den Zapfenelementen ist zu einer Aufnahme von Drehmomentbeanspruchungen bzw. Torsionslasten geeignet, die im bestimmungsgemäßen Betrieb des Elektromotors zu erwarten sind. Dabei liegt bei mindestens einem der Zapfenelemente zwischen der Rotorachse und dem Anschlussbereich eine Stirnflächenwandung, die im Wesentlichen ringförmig ist. Die Stirnflächenwandung verbindet den radial außenliegenden Anschlussbereich mit einem radial innenliegenden Übergangsbereich, der in den Lagersitz übergeht. Im Bereich des Lagersitzes, also radial innenliegend und somit benachbart zum Übergangsbereich, weist die Stirnflächenwandung eine erste Wandstärke auf. An einem radial außenliegenden Übergang, der benachbart zum Anschlussbereich liegt, weist die Stirnflächenwandung eine zweite Wandstärke auf. Dabei übersteigt die erste Wandstärke die zweite Wandstärke. Ferner weist beim mindestens einen Zapfenelement eine axial innenliegende Seite der Stirnflächenwandung, also die dem Innenraum des Röhrenelements zugewandte Seite, gegenüber der Rotorachse einen Neigungswinkel von unter 90° auf. Die axial außenliegende Seite der Stirnflächenwandung, also die dem Innenraum des Röhrenelements abgewandte Seite, liegt im Wesentlichen parallel zur Radialrichtung. Erfindungsgemäß ist die Stirnflächenwandung im Querschnitt axial nach außen kippend ausgebildet. Bei einer Zentrifugalbeanspruchung der Differentialbauwelle wird hierdurch auf das Röhrenelement in Axialrichtung eine Zugbeanspruchung hervorgerufen, durch die eine ausbeulende Verformung in einem axial innenliegenden Bereich des Röhrenelements minimiert wird. Die reduzierte ausbeulende Verformung des Röhrenelements führt zu einer verminderten Schälbeanspruchung zwischen dem mindestens einen Zapfenelement und dem Röhrenelement. Dies führt insgesamt zu einer Entlastung der Verbindung zwischen dem Röhrenelement und dem mindestens einen Zapfenelement, was wiederum eine verbesserte Ausnutzung der Materialeigenschaften erlaubt und damit einen verbesserten Leichtbau der Differentialbauwelle.
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Die radial nach außen abnehmende Wandstärke der Stirnflächenwandung bietet ein hohes Maß an Stabilität für das mindestens eine Zapfenelement gegen die mechanischen und thermischen Beanspruchungen, die im Betrieb des Elektromotors eintreten. Gleichzeitig wird hierdurch die radial außenliegende Masse des Zapfenelements verringert und das Trägheitsmoment des Zapfenelements um die Rotorachse minimiert. Dies erlaubt es, bei verringerter oder zumindest gleichbleibender mechanischer Beanspruchung das mindestens eine Zapfenelement mit einem erhöhten Außendurchmesser auszubilden. Der Außendurchmesser des mindestens einen Zapfenelements entspricht im Wesentlichen dem Röhrendurchmesser des Röhrenelements. Der erhöhte Röhrendurchmesser erlaubt bei gleichbleibendem Rotordurchmesser die Verwendung von flacheren Rotorelementen, die auf der Außenfläche des Röhrenelements angebracht werden. Die Rotorelemente, die mit dem Stator elektromagnetisch in Wechselwirkung treten, sind folglich leichter und deren Betrag zum Trägheitsmoment des Rotors um die Rotorachse geringer. Das Zusammenspiel des mindestens einen Zapfenelements mit dem Röhrenelement und den darauf angebrachten Rotorelementen führt zu einem Rotor, der bei gleichbleibendem Rotordurchmesser ein erheblich reduziertes Trägheitsmoment um die Rotorachse aufweist. Das reduzierte Trägheitsmoment um die Rotorachse gewährleistet ein dynamischeres Anlaufverhalten des Elektromotors und reduzierte mechanische Beanspruchungen der Lager, in denen die Lagersitze aufgenommen sind. Dies erlaubt den Einsatz von kleineren, leichteren und kostengünstigeren Lagern, die durch die niedrigeren Beanspruchungen auch geringerem Verschleiß unterworfen sind. Ferner sind die einzelnen Komponenten der Differentialbauwelle in einfacher wirtschaftlicher Weise separat herstellbar und einfach montierbar. Insgesamt wird durch die erfindungsgemäße Differentialbauwelle das Gesamtgewicht des Elektromotors reduziert, sein Betriebsverhalten verbessert. Die einzelnen Komponenten sind separat herstellbar, so dass die Herstellung der Differentialbauwelle vereinfacht wird.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Übergang von der ersten auf die zweite Wandstärke der Stirnflächenwandung von mindestens einem der Zapfenelemente im Wesentlichen stetig und/oder monoton ausgebildet. Durch die in Radialrichtung nach außen stetig und/oder monoton abnehmende Wandstärke wird bei einer Zentrifugalbeanspruchung des Zapfenelements eine im Wesentlichen gleichmäßige Spannungsverteilung in der Stirnflächenwandung, dem Übergang zum Lagersitz und dem Übergang zum Anschlussbereich sichergestellt, in der mechanische Spannungsspitzen an Bereichen mit sprungartigen bzw. stufenartigen Änderungen der Wandstärke vermieden werden. Die gleichmäßige mechanische Spannungsverteilung im mindestens einen Zapfenelement erlaubt eine stärkere Ausnutzung der Festigkeit des verwendeten Materials des Zapfenelements und eine verbesserte Leichtbauauslegung der Differentialbauwelle.
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Ferner kann bei der erfindungsgemäßen Differentialbauwelle zwischen dem Röhrenelement und dem mindestens einen Zapfenelement eine Spielpassung oder eine Übergangspassung, insbesondere eine leichte Spiel- oder Übergangspassung, ausgebildet sein. Eine Spiel- oder Übergangspassung erlaubt eine einfache Montage des mindestens einen Zapfenelements am Röhrenelement, bei der keine aufwendigen Werkzeuge wie zum Beispiel bei der Herstellung einer Presspassung erforderlich sind. Das Röhrenelement und das mindestens eine Zapfenelement sind als Drehteile herstellbar, so dass die Spiel- oder Übergangspassung mit geringem Aufwand mit hoher Präzision gefertigt werden kann. Darüber hinaus bietet die Herstellung als Drehteil eine hohe Oberflächengüte, so dass auch enge Toleranzen bei der Spiel- oder Übergangspassung einfach eingehalten werden können. Hierdurch wird insgesamt die Wirtschaftlichkeit der erfindungsgemäßen Lösung weiter gesteigert.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist das Röhrenelement im Wesentlichen eine Röhrenwandstärke von 0,5 mm bis 7,0 mm, besonders bevorzugt von im Wesentlichen 1,0 mm auf. Bei einem Röhrenelement aus einem metallischen Werkstoff liegt die Röhrenwandstärke vorzugsweise zwischen 0,5 mm und 1,5 mm. Derartig geringe Röhrenwandstärken reduzieren die Masse des Röhrenelements und weiter das Trägheitsmoment des Röhrenelements um die Rotorachse. Hierdurch wird das dynamische Betriebsverhalten des Elektromotors weiter verbessert.
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Ferner kann bei der beanspruchten Differentialbauwelle der Anschlussbereich des mindestens einen Zapfenelements als Flansch ausgebildet sein. Der Flansch bildet mindestens eine radial nach außen gerichtete Fläche aus, an der eine einschnittige Verbindung mit der Innenfläche des Röhrenelements herstellbar ist.
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Die Verbindung zwischen dem Röhrenelement und dem mindestens einen Zapfenelement ist durch eine ausgehärtete Klebstoffschicht hergestellt, so dass der Flansch einen Klebeflansch darstellt. Die Klebstoffschicht ist dazu ausgebildet, den Scherbeanspruchungen in Umfangsrichtung des Röhrenelements standzuhalten, die im bestimmungsgemäßen Betrieb des Elektromotors eintreten. Die Klebstoffschicht ist auch dazu ausgebildet, den Schälbeanspruchungen in Radialrichtung standzuhalten, die durch unterschiedliche Verformungen des mindestens einen Zapfenelements und den in Axialrichtung gesehen unterschiedlichen Verformungen des Röhrenelements auftreten. Die Stabilität der Klebstoffschicht bei beiden genannten Beanspruchungen wird durch die Wahl des Klebstoffs, der Dicke der Klebstoffschicht und den Aushärtungsvorgang bestimmt. Als Klebstoff wird vorzugsweise ein Einkomponentenklebstoff oder ein Zweikomponentenklebstoff, jeweils bevorzugt mit einem Aktivator, eingesetzt. Die Dicke der Klebstoffschicht ist derart gewählt, dass für diese übermäßig hohe Druckbeanspruchungen im Betrieb des Elektromotors vermieden werden. Vorzugsweise weist die Klebstoffschicht eine Dicke von mindestens 25 μm bis 1000 μm auf, besonders bevorzugt von circa 50 μm. Eine Klebung ist als Fertigungsschritt erheblich einfacher und kosteneffizienter durchführbar als die Herstellung anderer stoffschlüssiger Verbindungen, beispielweise Schweißen oder Aufschrumpfen. Hierdurch wird die Fertigung der beanspruchten Differentialbauwelle weiter vereinfacht.
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Weiter bevorzugt weist der Flansch am mindestens einen Zapfenelement eine Flanschtiefe, also eine Abmessung in Axialrichtung, von mindestens 5 mm, vorzugsweise von 10 mm bis 15 mm auf. Eine derartige Flanschtiefe bietet ein ausreichendes Maß an Festigkeit gegen Schälbeanspruchungen zwischen dem Röhrenelement und dem Zapfenelement bei gleichzeitig minimaler Masse des Flansches selbst. Hierdurch wird die radial außen befindliche Masse am mindestens einen Zapfenelement minimiert und gleichzeitig ein hohes Maß an Festigkeit gewährleistet.
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Erfindungsgemäß weist der Flansch in Umfangsrichtung eine im Wesentlichen konstante Flanschtiefe auf. Ein solcher Flansch kann in einfacher Weise als Drehteil mit hoher Präzision hergestellt werden und ermöglicht eine exakte Zentrierung des Zapfenelements im Röhrenelement. Ein derartiger Flansch kann in einfacher Weise standardisiert hergestellt werden, was die Wirtschaftlichkeit der erfindungsgemäßen Differentialbauwelle in der Fertigung erhöht.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der beanspruchten Differentialbauwelle weist das Röhrenelement einen Röhrendurchmesser von 100 mm bis 150 mm, besonders bevorzugt von 120 mm, auf. Ein derartiger Röhrendurchmesser stellt im Inneren des Röhrenelements stellt einen Innenraum zur Verfügung, der ausreichend Platz für die Aufnahme von mechanischen Zusatzkomponenten liefert, die anwendungsspezifische Funktionen bereitstellen. Hierdurch kann der Platzbedarf für die vom Elektromotor angetriebene Anwendung reduziert werden und eine stärkere funktionelle Integration und Modularität erreicht werden. Die beanspruchte Differentialbauwelle stellt auch bei hohen Röhrendurchmessern von 100 mm bis 150 mm ein hinreichendes Maß an Stabilität und Zuverlässigkeit zur Verfügung, die den skizzierten inneren Einbau von mechanischen Zusatzkomponenten erlaubt.
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Vorzugsweise sind in der beanspruchten Differentialbauwelle das Röhrenelement und/oder das mindestens eine Zapfenelement aus einem faserverstärkten Kunststoff hergestellt, der Kohlefasern, Glasfasern, und/oder Aramidfasern umfasst. Die Fasern können dabei als unidirektionale Stränge, kurz Rovings, Gelege, Gewebe oder als ungerichtete Fasern, beispielsweise als Fasermatten, vorliegen. Derartige faserverstärkte Kunststoffe bieten eine hohe dichtespezifische Festigkeit und Steifigkeit. Ferner sind derartige Kunststoffe gut mit anderen Werkstoffen, beispielsweise Metallen, verklebbar. Die Fasern des faserverstärken Kunststoffs weisen bevorzugt einen Ausrichtungswinkel von 30° bis 70° auf. Der Ausrichtungswinkel ist dabei auf die Axialrichtung der Differentialbauwelle bezogen. Insgesamt werden die Masse und das Trägheitsmoment des Röhrenelements um die Rotorachse durch den Einsatz von faserverstärkten Kunststoffen weiter reduziert. Alternativ können das Röhrenelement und/oder das mindestens eine Zapfenelement auch aus einem metallischen Werkstoff, beispielsweise Stahl, hergestellt werden. Eine erfindungsgemäße Differentialbauwelle aus Stahl bietet für den Elektromotor ein erhöhtes Drehmoment bei einem verringerten Spannungsabfall während des Betriebs an einer Batterie.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist auf dem Röhrenelement ein Rotor angeordnet, der eine Mehrzahl an Rotorelementen, beispielsweise einem Blechpaket, umfasst. Der Rotor weist in Radialrichtung eine Dicke von 30 mm bis 80 mm, bevorzugt von circa 40 mm auf. Der Rotor bzw. seine Rotorelemente sind somit verhältnismäßig flach und weisen eine verringerte Masse auf. Durch die radial äußere Lage des Rotors mit seinen Rotorelementen wird hierdurch das Trägheitsmoment des Rotors um die Rotorachse minimiert und die oben skizzierten Vorteile weiter gesteigert.
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In einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Differentialbauwelle liegt zwischen dem Zapfen und dem Röhrenelement eine Differenz der Durchmesser, also ein Durchmessersprung, von mindestens 80 mm vor.
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Ferner kann in der erfindungsgemäßen Differentialbauwelle die Außenfläche des Röhrenelements durchgehend eine zylindrische Mantelfläche ausgebildet sein. Dabei erfolgt die torsionsstabile Befestigung des mindestens einen Zapfenelements ausschließlich über die Klebung zwischen dem Flansch und dem Röhrenelement. Ein sogenannter Abflach zur Aufnahme von Torsionsbeanspruchungen, also eine sich axial erstreckende Abflachung des Querschnitts des Röhrenelements, ist damit entbehrlich. Das Röhrenelement kann folglich in einfacher Weise als Zieh- und/oder Drehteil hergestellt werden. Auf eine aufwändige Passung wie bei einem Abflach kann verzichtet werden.
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Vorzugsweise wird ein Kühlfluid über eine Zufuhr durch das mindestens eine Zapfenelement in den Innenraum des Röhrenelements eingebracht, das im Betrieb des Elektromotors an die Innenfläche des Röhrenelements geschleudert wird. Durch den erhöhten Durchmesser des Röhrenelements liegt auch eine entsprechend vergrößerte Innenfläche zur Verfügung, über die Wärme abführbar an das Kühlfluid ist. Insgesamt wird hierdurch eine gesteigerte Kühlleistung für den Rotor, also seine Rotorelemente, zur Verfügung gestellt. Magnete, die im Rotor aufgenommen sind, können dadurch besser vor thermischen Überbeanspruchungen geschützt werden. Ebenso erlaubt die verbesserte Kühlung auch eine erhöhte mechanische Beanspruchung des Elektromotors, beispielsweise eine erhöhte Dauerleistungsabgabe. Darüber hinaus wird durch die Kühlung mit dem Kühlfluid die thermische Beanspruchung der Klebstoffschicht 41 verringert.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der beanspruchten Differentialbauwelle ist im Innenraum des Röhrenelements ein Planetengetriebe aufgenommen ist, mit dem die Drehung des Rotors auf eine Antriebswelle übersetzt oder untersetzt wird. Das Planetengetriebe weist um die Rotorachse eine weitestgehend gleichmäßige Massenverteilung auf, so dass auf die Differentialbauwelle bei Drehung nur geringe Vibrationslasten einwirken. Infolgedessen bieten auch kleine und einfache Lager eine ausreichende Lagerung der Differentialbauwelle. Die beanspruchte Differentialbauwelle bietet ein hohes Maß an Integration von zusätzlichen mechanischen Funktionen bei geringem Platzbedarf, ohne dass dabei die Anforderungen an Einzelkomponenten wie beispielsweise Lager steigen. Alternativ oder zusätzlich zum Planetengetriebe kann auch ein Differentialgetriebe im Innenraum des Röhrenelements aufgenommen sein.
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Die zugrundeliegende Aufgabenstellung wird auch durch einen Elektromotor gelöst, der einen um eine Rotorachse drehbaren Rotor aufweist, der im bestimmungsgemäßen Betrieb im Zusammenspiel mit einem Stator ein Drehmoment bereitstellt. Der Rotor des Elektromotors ist dabei auf einer Differentialbauwelle gemäß einer der oben beschriebenen Ausführungsformen aufgenommen.
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Gleichermaßen wird die Aufgabenstellung durch ein Antriebssystem für ein Kraftfahrzeug gelöst, das eine Energiequelle und eine Steuereinheit umfasst, die mit einem Elektromotor verbunden sind. Der Elektromotor ist dazu dimensioniert und ausgelegt, die Antriebsleistung für das Kraftfahrzeug zumindest teilweise zur Verfügung zu stellen. Hierzu stellt der Elektromotor im Betrieb des Kraftfahrzeugs die komplette aufgebrachte Antriebsleistung zeitweilig zur Verfügung, beispielsweise bei einer Fahrt mit niedriger Geschwindigkeit. Alternativ oder ergänzend ist der Elektromotor derart dimensioniert und ausgelegt, während einer Betriebsphase Antriebsleistung zur Verfügung zu stellen, die gemeinsam mit der Antriebsleistung eines weiteren Motors, beispielsweise einem Verbrennungsmotor, auf mindestens ein angetriebenes Rad aufgebracht wird. Erfindungsgemäß weist der Elektromotor im beanspruchten Antriebssystem eine Differentialbauwelle gemäß einer der oben skizzierten Ausführungsformen auf. Die zugrundeliegende Aufgabe wird auch durch ein Kraftfahrzeug gelöst, das mit dem beschriebenen Antriebssystem ausgestattet ist.
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Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen in den folgenden Figuren näher beschrieben. Es zeigen im Einzelnen:
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1 ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Differentialbauwelle im Querschnitt;
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2 schematisch die mechanische Belastung des ersten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Differentialbauwelle in einer Detailansicht;
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3 ein zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Differentialbauwelle im Querschnitt;
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4 eine schematische Übersicht über ein erfindungsgemäßes Antriebssystem in einem erfindungsgemäßen Kraftfahrzeug.
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In 1 ist schematisch ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Differentialbauwelle 10 eines Elektromotors 70 abgebildet. Die Differentialbauwelle 10 umfasst ein Röhrenelement 14, dessen Außenfläche 16 eine im Wesentlichen zylindrische Form aufweist. Die Innenfläche 17 des Röhrenelements 17 begrenzt in einer Radialrichtung 30 den Innenraum 13 des Röhrenelements 14. Das Röhrenelement 14 ist konzentrisch um die Rotorachse 12 angeordnet und weist einen Röhrendurchmesser 15 auf, der den maximalen Durchmesser der Differentialbauwelle 10 definiert. Das Röhrenelement 14 ist an seinen Enden 29 jeweils an einem Zapfenelement 20, 21 befestigt. Die Zapfenelemente 20, 21 sind beide konzentrisch zur Rotorachse 12 angeordnet, so dass deren Lagersitze 22 miteinander fluchten. Die Lagersitze 22 sind dazu ausgebildet, in nicht näher dargestellten Lagern 23 aufgenommen zu werden und übertragen das auf die Differentialbauwelle 10 einwirkende Drehmoment.
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An die zentrisch angeordneten Lagersitze 22 schließt sich jeweils eine rotationssymmetrische Verrundung 28 an, die, in Radialrichtung 30 gesehen, in eine Stirnflächenwandung 24 übergeht. Die Stirnflächenwandungen 24 sind im Wesentlichen ringförmig und begrenzen den Innenraum 13 des Röhrenelements 14 in einer nach außen gerichteten Axialrichtung 38. An die Stirnflächenwandung 24 schließt sich bei den Zapfenelementen 20, 21 jeweils ein Übergang 31 an, der die Stirnflächenwandung 24 mit einer Flanschfläche 26 verbindet. Die Flanschfläche 26 ist umlaufend ausgebildet und weist in Axialrichtung 37, 38 eine Flanschtiefe 27 auf. Die Flanschflächen 26 bilden jeweils an den Zapfenelementen 20, 21 einen Anschlussbereich 18 aus, an dem die mechanische Verbindung zwischen dem Röhrenelement 14 und den Zapfenelementen 20, 21 erfolgt. In 1 ist jeweils eine Flanschfläche 26 mit der Innenseite 17 des Röhrenelements 14 über eine Klebstoffschicht 40 verbunden, die eine Klebstoffschichtdicke 41 von 25 μm bis 1000 μm, vorzugsweise 50 μm aufweist. Zur Fixierung in einer nach innen weisenden Axialrichtung 37 sind die Zapfenelemente 20, 21 jeweils mit einem Anschlag 39 versehen, an dem das jeweilige Ende 29 des Röhrenelements 14 bündig anliegt. Die radiale Abmessung des Anschlags 39 entspricht dabei im Wesentlichen der Röhrenwandstärke 19 des Röhrenelements 14. Die Röhrenwandstärke 19 beträgt zwischen 0,5 mm und 7 mm, vorzugsweise 1 mm. Zwischen den Flanschflächen 26 an den Zapfenelementen 20, 21 und der Innenfläche 17 des Röhrenelements 14 liegt eine Spielpassung oder Übergangspassung vor, so dass eine einfache Montage dieser Komponenten möglich ist. Die Spiel- oder Übergangspassung zwischen dem Röhrenelement 14 und den Zapfenelementen 20, 21 stellt jeweils zwischen den Flanschflächen 26 und dem Röhrenelement 14 einen Spalt bereit, der zur Aufnahme von Klebstoff geeignet ist, der im ausgehärteten Zustand die Klebstoffschichtdicke 41 von 25 μm bis 1000 μm aufweist. Die Zapfenelemente 20, 21 sind insgesamt jeweils einstückig mit ihren Lagersitzen 22, den Verrundungen 28, den Stirnflächenwandungen 24 und den Anschlussbereichen 18 mit den Flanschflächen 26 ausgebildet.
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Die Klebstoffschichten 40 an den Anschlussbereichen 18 sind jeweils dazu ausgebildet, die im bestimmungsgemäßen Betrieb des Elektromotors 70 auf die Differentialbauwelle 10 einwirkenden Drehmomentbeanspruchungen und Torsionsbeanspruchungen standzuhalten. Ferner sind die Klebstoffschichten 40 auch dazu ausgebildet, jeweils in den Anschlussbereichen 18 an den Flanschflächen 26 auftretenden Schälbeanspruchungen zwischen dem Röhrenelement 14 und den Zapfenelementen 20, 21 standzuhalten. Die Stirnflächenwandungen 24 weisen jeweils ferner in einem Bereich, der benachbart zur Verrundung 28 liegt, also in Radialrichtung 30 gesehen innenliegend ist, jeweils eine erste Wandstärke 32 auf. In einem Bereich, der sich benachbart zum Übergang 31 befindet, also in Radialrichtung 30 gesehen außenliegend ist, weisen die Stirnflächenwandungen 24 jeweils eine zweite Wandstärke 34 auf. Die Wandstärke der Stirnflächenwandungen 24 nimmt insgesamt in Radialrichtung 30 somit bis zum Anschlussbereich 18 ab. Bei einer Zentrifugalbeanspruchung der Differentialbauwelle 10, die durch eine Drehung um die Rotorachse 12 hervorgerufen wird, gewährleistet die in Radialrichtung 30 abnehmende Wandstärke 32, 34 der Stirnflächenwandungen 24 darin eine im Wesentlichen gleichmäßige mechanische Spannungsverteilung. Dies erlaubt eine stärkere Ausnutzung der Festigkeit des eingesetzten Materials der Zapfenelemente 20, 21. Die gleichmäßige Spannungsverteilung in den Zapfenelementen 20, 21 erlaubt es, bei hinreichender Festigkeit der Differentialbauwelle 10 einen Röhrendurchmesser 15 von 100 mm bis 150 mm herzustellen.
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Des Weiteren ist die axial innenliegende Seite 55 der Stirnflächenwandung 24, also die dem Innenraum 13 zugewandte Seite der Stirnflächenwandung 24, axial nach außen kippend ausgebildet. Die axial innenliegende Seite 55 weist eine Neigung auf, so dass die axial innenliegende Seite 55 mit der Rotorachse 12 einen Neigungswinkel 57 von unter 90° aufweist. Gleichzeitig ist die axial außenliegende Seite 56 der Stirnflächenwandung 24, also die dem Innenraum 13 abgewandte Seite der Stirnflächenwandung 24, im Wesentlichen senkrecht zur Rotorachse 12 ausgebildet. Die nach außen gekippte Form im Querschnitt der Zapfenelemente 20, 21 gewährleistet, dass bei einer Rotation der Differentialbauwelle 10 um die Rotorachse 12 auf das Röhrenelement 14 in Axialrichtung eine Zugbeanspruchung einwirkt.
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Ferner liegt zwischen mindestens einem der Lagersitzen 22 und der Außenfläche 16 des Röhrenelements 16 ein Durchmessersprung, in 1 durch einen korrespondierenden Radiensprung 36 abgebildet, von mindestens 80 mm vor. Infolgedessen liegt ein entsprechend vergrößerter Innenraum 13 des Röhrenelements 14 vor. Der Aufbau der Differentialbauwelle 10 führt durch die verbesserte Materialausnutzung in den Zapfenelementen 20, 21 und der reduzierten Röhrenwandstärke 19 zu einer Gewichtsersparnis und einem reduzierten Trägheitsmoment der Differentialbauwelle 10 um die Rotorachse 12. Ferner zeigt 1 an einem der Zapfenelemente 20 einen Eintritt eines Kühlfluids 59, das an den axial innenliegenden Flächen 55 der Stirnflächenwandung 24 radial nach außen geschleudert wird. Das Kühlfluid fließt an der Innenfläche 17 des Röhrenelements 14 entlang und führt von diesem Wärme ab.
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In 2 ist schematisch der Belastungszustand der Differentialbauwelle 10 gemäß 1 abgebildet. Die Bezugszeichen in 1 und 2 betreffen jeweils dieselben technischen Merkmale. An der Außenfläche 16 des Röhrenelements 14 ist die Differentialbauwelle 10 mit einem Rotor 44 versehen, der eine Mehrzahl an Rotorelementen 46 umfasst. Die Rotorelemente 46 gemäß 2 bilden zusammen ein Blechpaket, das im Zusammenspiel mit dem nicht näher abgebildeten Stator des Elektromotors 70 die Drehung der Differentialbauwelle 10 um die Rotorachse 12 hervorruft. Die Rotorelemente 46 weisen eine Dicke 48 auf, die im Vergleich zu Rotorelementen 46 gemäß dem Stand der Technik erheblich reduziert ist. Die Differentialbauwelle 10 umfasst neben dem Röhrenelement 14 zwei Zapfenelemente 20, 21, die jeweils in einem Lager 23 aufgenommen sind. Die Zapfenelemente 20, 21 und das Röhrenelement 14 begrenzen im Wesentlichen den Innenraum 13. Die Zapfenelemente 20, 21 weisen in einem radial inneren Bereich jeweils einen Lagersitz 22 auf, der dazu ausgebildet ist, das vom Elektromotor 70 erzeugt Drehmoment zu übertragen. An den Lagersitzen 22 schließt sich jeweils eine Verrundung 28 an, die in die Stirnflächenwandung 24 übergeht. An in Radialrichtung 30 außenliegenden Enden der Stirnflächenwandungen 24 schließt sich jeweils der Übergang 31 zum Anschlussbereich 18 an, der mit dem Röhrenelement 14 verbunden ist. Der Anschlussbereich 18 umfasst jeweils einen Flansch 26 mit der Flanschtiefe 27. Die Stirnflächenwandungen 24 weisen jeweils eine erste Wandstärke 32 im Bereich der Verrundungen 28 auf und benachbart zu den Übergängen 31 eine zweite Wandstärke 34. Dabei ist die erste Wandstärke 32 höher als die zweite Wandstärke 34. Die Verbindung zwischen dem Röhrenelement 14 und den Zapfenelementen 20, 21 wird jeweils durch eine ausgehärtete Klebstoffschicht 40 gewährleistet.
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Bei einer Drehung der Differentialbauwelle 10 um die Rotorachse 12 treten Zentrifugalkräfte 50 auf, die im Wesentlichen flächig am Röhrenelement 14 angreifen. Durch die nach außen kippende Form der Stirnflächenwandungen 24 wird bei der Drehung um die Rotorachse 12 auf das Röhrenelement 14 und die Klebstoffschicht 40 eine Zugbeanspruchung 58 ausgeübt. Die Zentrifugalkräfte 50 rufen am Röhrenelement 14 einen Verformungszustand 52 hervor. Der Betrag 51 der Verformung im Verformungszustand 52 erreicht in einem axial innenliegenden Bereich ein Verformungsmaximum 54. Infolge der Zugbeanspruchung 58 wird die Verformung 54 im axial innenliegenden Bereich des Röhrenelements 14 verringert. Die Begriffe „axial innenliegend” und „axial außenliegend” sind in 2 durch die Pfeile 37, 38 abgebildet. Dabei weisen die Pfeile mit den Bezugszeichen 37 axial nach innen und die Pfeile mit den Bezugszeichen 38 axial nach außen. Der Betrag 51 der Verformung ist im Anschlussbereich 18 hingegen im Wesentlichen Null. Insgesamt stellt der Verformungszustand 52 eine Wölb- oder Beulbeanspruchung des Röhrenelements 14 dar. Die infolge der Zentrifugalkräfte 50 am Anschlussbereich 18 wirkende mechanische Belastung ist eine Schälbeanspruchung, der die Klebstoffschicht 40 standhält. Ferner tritt auch zwischen dem Rotor 44 und dem Röhrenelement 14 eine Schälbeanspruchung auf. Das Verformungsmaximum 54 stellt ein Maß für die Schälbeanspruchung zwischen dem Röhrenelement 14 und dem Rotor 44 dar. Zwischen dem aus den Rotorelementen 46 bestehenden Rotor 44 und dem Röhrenelement 14 befindet sich eine ausgehärtete Klebstoffschicht 40, die dieser Schälbeanspruchung standhält
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In 3 ist schematisch ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Differentialbauwelle 10 eines Elektromotors 70 abgebildet. Die Differentialbauwelle 10 umfasst ein Röhrenelement 14, dessen Außenfläche 16 eine im Wesentlichen zylindrische Form aufweist. Die Innenfläche 17 des Röhrenelements 17 begrenzt in einer Radialrichtung 30 den Innenraum 13 des Röhrenelements 14. Das Röhrenelement 14 ist konzentrisch um die Rotorachse 12 angeordnet und weist einen Röhrendurchmesser 15 auf, der den maximalen Durchmesser der Differentialbauwelle 10 definiert. Das Röhrenelement 14 ist an seinen Enden 29 jeweils an einem Zapfenelement 20, 21 befestigt. Die Zapfenelemente 20, 21 sind beide konzentrisch zur Rotorachse 12 angeordnet, so dass deren Lagersitze 22 miteinander fluchten. Die Lagersitze 22 sind dazu ausgebildet, in nicht näher dargestellten Lagern 23 aufgenommen zu werden und übertragen das auf die Differentialbauwelle 10 einwirkende Drehmoment.
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Im Innenraum 13 des Röhrenelements 14 ist ein Planetengetriebe 60 aufgenommen, das ein Hohlrad 63 umfasst, das mit dem Röhrenelement 14 verbunden ist. Zum Planetengetriebe 60 gehört auch ein mittig angeordnetes Sonnenrad 61, das von Planetenrädern 62 umgeben ist. Das Sonnenrad 61 ist mit einer Sonnenradwelle 64 verbunden, die konzentrisch zur Rotorachs 12 angeordnet ist und im Lagersitz 22 des Zapfenelements 21 aufgenommen ist. Die Planetenräder 62 sind mit einem Planetenträger 66 verbunden, an den sich eine Planetenräderwelle 65 anschließt. Die Planetenräderwelle 65 ist auch konzentrisch zur Rotorachse 12 ausgerichtet und im Lagersitz 22 des Zapfenelements 20 aufgenommen. Das Planetengetriebe 60 ist dazu geeignet, die über die Differentialbauwelle 10 übertragene Wellenleistung in puncto Drehzahl umzuwandeln und über die Planetenräderwelle 65 und/oder die Sonnenradwelle 64 einer Anwendung, beispielsweise einer Antriebswelle eines Kraftfahrzeugs, zuzuführen.
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An die zentrisch angeordneten Lagersitze 22 schließt sich jeweils eine rotationssymmetrische Verrundung 28 an, die, in Radialrichtung 30 gesehen, in eine Stirnflächenwandung 24 übergeht. Die Stirnflächenwandungen 24 sind im Wesentlichen ringförmig und begrenzen den Innenraum 13 des Röhrenelements 14 in einer nach außen gerichteten Axialrichtung 38. An die Stirnflächenwandung 24 schließt sich bei den Zapfenelementen 20, 21 jeweils ein Übergang 31 an, der die Stirnflächenwandung 24 mit einer Flanschfläche 26 verbindet. Die Flanschfläche 26 ist umlaufend ausgebildet und weist in Axialrichtung 37, 38 eine Flanschtiefe 27 auf. Die Flanschflächen 26 bilden jeweils an den Zapfenelementen 20, 21 einen Anschlussbereich 18 aus, an dem die mechanische Verbindung zwischen dem Röhrenelement 14 und den Zapfenelementen 20, 21 erfolgt. In 3 ist jeweils eine Flanschfläche 26 mit der Innenseite 17 des Röhrenelements 14 über eine Klebstoffschicht 40 verbunden, die eine Klebstoffschichtdicke 41 von 25 μm bis 1000 μm aufweist. Zur Fixierung in einer nach innen weisenden Axialrichtung 37 sind die Zapfenelemente 20, 21 jeweils mit einem Anschlag 39 versehen, an dem das jeweilige Ende 29 des Röhrenelements 14 bündig anliegt. Die radiale Abmessung des Anschlags 39 entspricht dabei im Wesentlichen der Röhrenwandstärke 19 des Röhrenelements 14. Die Röhrenwandstärke 19 beträgt zwischen 0,5 mm und 7 mm, vorzugsweise 1 mm. Zwischen den Flanschflächen 26 an den Zapfenelementen 20, 21 und der Innenfläche 17 des Röhrenelements 14 liegt eine Spielpassung oder Übergangspassung vor, so dass eine einfache Montage dieser Komponenten möglich ist. Die Spiel- oder Übergangspassung zwischen dem Röhrenelement 14 und den Zapfenelementen 20, 21 stellt jeweils zwischen den Flanschflächen 26 und dem Röhrenelement 14 einen Spalt bereit, der zur Aufnahme von Klebstoff geeignet ist, der im ausgehärteten Zustand die Klebstoffschichtdicke 41 von 25 μm bis 1000 μm aufweist. Die Zapfenelemente 20, 21 sind insgesamt jeweils einstückig mit ihren Lagersitzen 22, den Verrundungen 28, den Stirnflächenwandungen 24 und den Anschlussbereichen 18 mit den Flanschflächen 26 ausgebildet.
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Die Klebstoffschichten 40 an den Anschlussbereichen 18 sind jeweils dazu ausgebildet, die im bestimmungsgemäßen Betrieb des Elektromotors 70 auf die Differentialbauwelle 10 einwirkenden Drehmomentbeanspruchungen und Torsionsbeanspruchungen standzuhalten. Ferner sind die Klebstoffschichten 40 auch dazu ausgebildet, jeweils in den Anschlussbereichen 18 an den Flanschflächen 26 auftretenden Schälbeanspruchungen zwischen dem Röhrenelement 14 und den Zapfenelementen 20, 21 standzuhalten. Die Stirnflächenwandungen 24 weisen jeweils ferner in einem Bereich, der benachbart zur Verrundung 28 liegt, also in Radialrichtung 30 gesehen innenliegend ist, jeweils eine erste Wandstärke 32 auf. In einem Bereich, der sich benachbart zum Übergang 31 befindet, also in Radialrichtung 30 gesehen außenliegend ist, weisen die Stirnflächenwandungen 24 jeweils eine zweite Wandstärke 34 auf. Die Wandstärke der Stirnflächenwandungen 24 nimmt insgesamt in Radialrichtung 30 somit bis zum Anschlussbereich 18 ab. Bei einer Zentrifugalbeanspruchung der Differentialbauwelle 10, die durch eine Drehung um die Rotorachse 12 hervorgerufen wird, gewährleistet die in Radialrichtung 30 abnehmende Wandstärke 32, 34 der Stirnflächenwandungen 24 darin eine im Wesentlichen gleichmäßige mechanische Spannungsverteilung. Dies erlaubt eine stärkere Ausnutzung der Festigkeit des eingesetzten Materials der Zapfenelemente 20, 21. Die gleichmäßige Spannungsverteilung in den Zapfenelementen 20, 21 erlaubt es, bei hinreichender Festigkeit der Differentialbauwelle 10 einen Röhrendurchmesser 15 von 100 mm bis 150 mm herzustellen.
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Des Weiteren ist die axial innenliegende Seite 55 der Stirnflächenwandung 24, also die dem Innenraum 13 zugewandte Seite der Stirnflächenwandung 24, axial nach außen kippend ausgebildet. Die axial innenliegende Seite 55 weist eine Neigung auf, so dass die axial innenliegende Seite 55 mit der Rotorachse 12 einen Neigungswinkel 57 von unter 90° aufweist. Gleichzeitig ist die axial außenliegende Seite 56 der Stirnflächenwandung 24, also die dem Innenraum 13 abgewandte Seite der Stirnflächenwandung 24, im Wesentlichen senkrecht zur Rotorachse 12 ausgebildet. Die nach außen gekippte Form im Querschnitt der Zapfenelemente 20, 21 gewährleistet, dass bei einer Rotation der Differentialbauwelle 10 um die Rotorachse 12 auf das Röhrenelement 14 in Axialrichtung eine Zugbeanspruchung einwirkt.
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Ferner liegt zwischen mindestens einem der Lagersitze 22 und der Außenfläche 16 des Röhrenelements 16 ein Durchmessersprung, in 3 durch einen korrespondierenden Radiensprung 36 abgebildet, von mindestens 80 mm vor. Infolgedessen liegt ein entsprechend vergrößerter Innenraum 13 des Röhrenelements 14 vor. Der Aufbau der Differentialbauwelle 10 führt durch die verbesserte Materialausnutzung in den Zapfenelementen 20, 21 und der reduzierten Röhrenwandstärke 19 zu einer Gewichtsersparnis und einem reduzierten Trägheitsmoment der Differentialbauwelle 10 um die Rotorachse 12.
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4 zeigt schematisch eine Übersicht eines erfindungsgemäßen Antriebssystems 90 für ein nicht näher dargestelltes Kraftfahrzeug 100. Das Antriebssystem 90 umfasst einen Energiequelle 74, beispielsweise eine Batterie oder eine Brennstoffzelle, die mit einem Umrichter 72 verbunden ist. Die von der Energiequelle bereitgestellte elektrische Energie wird durch den Umrichter 72 in puncto Spannung, Stromstärke und Frequenz für den Betrieb des Kraftfahrzeugs passend umgewandelt. Der Umrichter 72 und die Energiequelle 74 bilden zusammen die Energieversorgung 76 des Kraftfahrzeugs 100. Die Energiequelle 74, der Umrichter 72 und der Elektromotor 70 sind jeweils mit einer Steuereinheit 71 verbunden, die Steuerbefehle eines Fahrers durch Ansteuern dieser Komponenten umsetzt. Der Elektromotor 70 ist mit einer Differentialbauwelle 10 gemäß einer erfindungsgemäßen Ausführungsform ausgestattet. Der Elektromotor 70 ist ferner mechanisch mit dem Antriebsstrang 80 verbunden, der die Antriebsleistung des Elektromotors 70 für zumindest ein Rad zur Verfügung stellt.
