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Die Erfindung betrifft ein Aggregat gemäß Anspruch 1 sowie ein Verfahren zur Montage eines solchen Aggregats gemäß Anspruch 14.
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Das in Rede stehende Aggregat findet sich überall dort, wo mittels der mechanischen Leistung eines Antriebs eine Abtriebskomponente wie ein elektrischer Generator angetrieben werden soll. Dies ist beispielsweise bei Notstromaggregaten, bei Blockheizkraftwerken oder bei Range-Extender-Aggregaten für Fahrzeuge der Fall. Ein solches Range-Extender-Aggregat für Fahrzeuge, bei dem ein elektrischer Generator von einer Antriebskomponente angetrieben wird, ist beispielsweise in der
DE 10 2008 059 199 A1 gezeigt.
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Der möglichst spielfreien antriebstechnischen Kupplung zwischen der Antriebskomponente und der Abtriebskomponente kommt insbesondere für das Schwingungs- und Geräuschverhalten des Aggregats besondere Bedeutung zu. Mit den oftmals zum Einsatz kommenden Klauenkupplungen lässt sich die Entstehung solchen Spiels speziell im Hinblick auf eine Verdrehung der Wellen gegeneinander nur vermeiden, indem die ineinandergreifenden Klauen mit hoher Genauigkeit und damit kostenaufwändig hergestellt werden. Ferner sind solche Klauenkupplungen verschleißanfällig.
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Aus anderen technischen Bereichen bekannt sind darüber hinaus Federscheibenkupplungen, wie beispielsweise in der
DE 199 51 613 A1 beschrieben. Die bekannten Federscheibenkupplungen sind durch die Notwendigkeit einer schraubenden Befestigung der Wellen an der Federscheibe aufwändig in der Montage.
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Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, ein Aggregat anzugeben, bei dem eine spielfreie Kupplung zwischen Antriebskomponente und Abtriebskomponente bei einfacher Montage und geringem Verschleiß realisierbar ist.
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Das obige Problem wird durch ein Aggregat gemäß Anspruch 1 gelöst.
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Wesentlich ist die grundsätzliche Erkenntnis, dass sich der Vorteil der Steckbarkeit einer Klauenkupplung mit dem Vorteil der Spielfreiheit einer Federscheibenkupplung kombinieren lässt, wenn ganz bestimmte konstruktive Randbedingungen eingehalten werden.
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Dabei wird zunächst davon ausgegangen, dass das vorschlagsgemäße Aggregat eine Antriebskomponente und eine von der Antriebskomponente antreibbare Abtriebskomponente aufweist, die jeweils mit einer Welle ausgestattet sind. Die beiden Wellen weisen entsprechend eine gemeinsame geometrische Achse auf. Dabei ist die Welle des Antriebs zur Übertragung von Antriebsmomenten mit der Welle der Abtriebskomponente über eine Federscheibenkupplung mit elastisch axial auslenkbarer Federscheibe gekuppelt.
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Von besonderer Bedeutung für die vorschlagsgemäße Lehre ist nun, dass die Federscheibe zumindest mit einer der Wellen über eine axial gesteckte, bezogen auf die gemeinsame geometrische Achse vorzugsweise exzentrisch angeordnete und die Antriebsmomente übertragende Konusverbindung gekuppelt ist. Über die mindestens eine Konusverbindung wird die Federscheibe gegen ihre Rückstellkraft permanent axial ausgelenkt.
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Im Ergebnis steht die mindestens eine Konusverbindung unter permanenter axialer Vorspannung, was auf die vorschlagsgemäße, permanente axiale Auslenkung der Federscheibe zurückgeht. Damit ergibt sich zunächst einmal eine von einer Federscheibenkupplung an sich bekannte Spielfreiheit. Damit ergibt sich aber auch eine Steckbarkeit der Kupplung, so dass sich die Montage der Abtriebskomponente auf eine einfache axiale Montagebewegung reduziert.
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Bei geeigneter Abstimmung der Auslegung der mindestens einen Konusverbindung auf die Auslenkung der Federscheibe wird erreicht, dass sich die Federscheibenkupplung beim Auftreten von mechanischen Toleranzen durch die Rückstellkraft der Federscheibe selbst nachjustiert, ohne dass die Spielfreiheit beeinträchtigt ist. Hierfür ist sicherzustellen, dass sich die Federscheibe beim Auftreten solcher Toleranzen stets im elastisch ausgelenkten Zustand befindet. Dies bedeutet, dass bei der Montage eine hinreichend große Auslenkung der Federscheibe erzeugt werden muss, so dass bei allen zu erwartenden Toleranzen eine hinreichende Elastizitätsreserve verbleibt.
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Aus den bevorzugten Ausgestaltungen gemäß Anspruch 5 ergibt sich, dass sich mit der vorschlagsgemäßen Lösung eine komplette Spielfreiheit bei geringem konstruktivem Aufwand möglich ist.
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Die ebenfalls bevorzugten Ausgestaltungen gemäß den Ansprüchen 10 bis 13 betreffen bevorzugte konstruktive Umsetzungsmöglichkeiten für die mindestens eine Konusverbindung. Dabei ist ein im Querschnitt rundlicher Zentrierkonus als besonders verschleißarm herauszustellen.
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Nach einer weiteren Lehre gemäß Anspruch 14, der eigenständige Bedeutung zukommt, wird ein Verfahren zur Montage des vorschlagsgemäßen Aggregats beansprucht.
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Wesentlich nach dem Verfahren ist, dass in einer bezogen auf die Antriebsachse axialen Montagebewegung Abtriebskomponente und Antriebskomponente einander angenähert werden, wodurch einerseits die mindestens eine Konusverbindung in einem Steckvorgang zustande kommt und andererseits die Federscheibe gegen ihre Rückstellkraft über die mindestens eine Konusverbindung axial ausgelenkt wird. Mit der axialen Montagebewegung wird also einerseits die mindestens eine Konusverbindung hergestellt und andererseits die Federscheibe axial ausgelenkt, was wiederum zu der axialen Vorspannung der Konusverbindung und damit der oben angesprochenen Elastizitätsreserve führt.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand einer lediglich ein Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigt
- 1 ein vorschlagsgemäßes Aggregat in einer Prinzipskizze,
- 2 die Federscheibenkupplung des Aggregats gemäß 1 a) im montierten Zustand und b) in einer Explosionsdarstellung, jeweils in einer perspektivischen Ansicht und
- 3 die Federscheibenkupplung des Aggregats gemäß 1 a) während der Montage und b) im montierten Zustand, jeweils in einer Schnittdarstellung entlang der Schnittlinie III-III.
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Das vorschlagsgemäße Aggregat 1 kann für alle Arten von Anwendungen genutzt werden, bei denen eine Antriebskomponente 2, hier und vorzugsweise ein Verbrennungsmotor, eine Abtriebskomponente 3, hier einen elektrischen Generator, antreiben soll. 1 zeigt ein vorschlagsgemäßes Aggregat 1, das einem Elektroauto 4 zugeordnet ist. Lediglich angedeutet ist der elektrische Fahrantrieb 5 des Elektroautos 4. Ferner lediglich angedeutet sind eine Kraftfahrzeugbatterie B, die den Fahrantrieb 5 mit elektrischer Leistung versorgt, sowie eine Fahrzeugsteuerung 6, die den Fahrantrieb 5 ansteuert.
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Ferner zeigt 1 ein Range-Extender-Aggregat 7, das von dem vorschlagsgemäßen Aggregat 1 gebildet wird. Die Antriebskomponente 2 des Aggregats 1 wird von der Fahrzeugsteuerung 6 angesteuert.
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1 zeigt weiter, dass eine Welle 8 der Antriebskomponente 2 zur Übertragung von Antriebsmomenten mit einer Welle 9 der Abtriebskomponente 3 über eine Federscheibenkupplung 10 mit elastisch axial auslenkbarer Federscheibe 11 gekoppelt ist. Dabei ist den beiden Wellen 8, 9 eine gemeinsame Achse 12 zugeordnet, die beiden Wellen 8, 9 sind also koaxial zueinander ausgerichtet.
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Der Begriff „axial“ ist vorliegend stets auf die gemeinsame geometrische Achse 12 bezogen, selbst wenn dies nicht ausdrücklich angegeben ist.
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Hier und vorzugsweise ist die Federscheibe 11 mit einer der beiden Wellen 8, 9, hier mit der der Antriebskomponente 2 zugeordneten Welle 8, über mindestens eine axial gesteckte, bezogen auf die Achse 12 exzentrisch angeordnete und die Antriebsmomente übertragende Konusverbindung 13 - 16 gekuppelt. Von besonderer Bedeutung dabei ist, dass die Federscheibe 11 über die mindestens eine Konusverbindung 13 - 16 permanent axial ausgelenkt wird.
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Zunächst darf darauf hingewiesen werden, dass eine solche axial gesteckte Konusverbindung 13 - 16 auch zwischen der der Abtriebskomponente 3 zugeordneten Welle 9 und der Federscheibe 11 vorgesehen sein kann. Alle die Kupplung der der Antriebskomponente 2 zugeordneten Wellen 8 betreffenden Erläuterungen gelten hierfür entsprechend.
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Bei dem dargestellten und insoweit bevorzugten Ausführungsbeispiel sind insgesamt vier Konusverbindungen 13 - 16 vorgesehen, die in gleichen Winkelabständen um die Achse 12 verteilt angeordnet sind. Grundsätzlich kann aber auch nur eine einzige Konusverbindung 13 - 16 vorgesehen sein. Sofern im Folgenden auf eine einzelne Konusverbindung Bezug genommen wird, gelten diese Ausführungen für alle weiteren Konusverbindungen entsprechend. Die Konusverbindung 13 - 16 ist wie oben angedeutet axial gesteckt. Dies bedeutet, dass sich die Konusverbindung 13 - 16 durch eine axiale Montagebewegung M herstellen lässt, wie sich aus dem Übergang von 3a auf 3b ergibt.
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Die Konusverbindung 13 - 16 ist bezogen auf die Achse 12 vorzugsweise exzentrisch angeordnet. Der entsprechende radiale Abstand 17 der Konusverbindung 13 - 16 zu der Achse 12 ist in 1 dargestellt.
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Die auf die Montagebewegung M zurückgehende Auslenkung 18 ist ebenfalls in 1 dargestellt. Hier wird deutlich, dass die Auslenkung 18, die ja gegen die Rückstellkraft der Federscheibe 11 erfolgt, zu einer Vorspannung der Konusverbindung 13 - 16 führt. Dies ist insofern interessant, als ein Verschleiß der Komponenten der Federscheibenkupplung 10, insbesondere der Federscheibe 11 oder der Komponenten der Konusverbindung 13 - 16, über die Vorspannung kompensiert wird.
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Die vorschlagsgemäße Lösung lässt sich für alle möglichen Kombinationen von Antriebskomponenten und Abtriebskomponenten einsetzen. Beispielsweise kann die Antriebskomponente 2 ein Verbrennungsantrieb oder ein elektrischer Antrieb sein. Die Abtriebskomponente 3 dagegen kann beispielsweise ein elektrischer Generator, eine Pumpeneinheit, eine Getriebeeinheit, o. dgl. sein. Bei dem dargestellten und insoweit bevorzugten Ausführungsbeispiel handelt es sich wie oben angesprochen bei der Antriebskomponente 2 um einen Verbrennungsantrieb und bei der Abtriebskomponente 3 um einen elektrischen Generator.
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Die zu übertragende mechanische Leistung ist hier und vorzugsweise größer als 5 kW, weiter vorzugsweise größer als 50 kW, weiter vorzugsweise größer als 100 kW, weiter vorzugsweise größer als 500 kW und in besonders bevorzugter Ausgestaltung größer als 1000 kW. Die Federscheibenkupplung 10 lässt sich ohne weiteres auf die jeweils zu übertragenden Leistungen, insbesondere auf die damit verbundenen Drehmomente, auslegen.
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Den Darstellungen gemäß 2 lässt sich entnehmen, dass die beiden Wellen 8, 9 jeweils einen Flansch 19, 20 aufweisen, die über die Federscheibe 11 miteinander gekoppelt sind, wobei die Flansche 19, 20 der beiden Wellen 8, 9 auf einen vorbestimmten axialen Abstand 21 zueinander eingestellt sind. Einer Zusammenschau der 1 und 2 lässt sich entnehmen, dass mit dieser Einstellung des vorbestimmten Abstands 21 der Flansche 19, 20 eine Einstellung einer vorbestimmten, oben angesprochenen Auslenkung 18 der Federscheibe 11 einhergeht. Die Einstellung des axialen Abstands 21 der beiden Flansche 19, 20 kann beispielsweise durch eine entsprechende Lagerung der zugeordneten Wellen 8, 9 realisiert sein.
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Mit der vorschlagsgemäßen Lösung lässt sich durch eine geeignete Auslegung der Federscheibe 11 erreichen, dass die Kupplung zwischen den Wellen 8, 9 bezogen auf eine Verdrehung der Wellen 8, 9 gegeneinander um die Achse 12 durch die mindestens eine Konusverbindung 13 - 16 spielfrei ist. Für diese Spielfreiheit ist die oben angesprochene Vorspannung der Konusverbindung 13 - 16 von besonderer Bedeutung.
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Ferner darf darauf hingewiesen werden, dass die Kupplung zwischen den Wellen 8, 9 bezogen auf einen axialen Versatz der Wellen 8, 9 gegeneinander insoweit spielfrei ist, als jeder axiale Versatz mit einer Änderung der axialen Auslenkung 18 der Federscheibe 11 einhergeht. Ein axialer Versatz ist also grundsätzlich möglich, dies jedoch ausschließlich unter Einwirkung der Rückstellkraft der Federscheibe 11. Ein axiales Spiel zwischen den Wellen 8, 9 existiert nicht.
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Weiter ist es vorzugsweise so, dass die Kupplung zwischen den Wellen 8, 9 bezogen auf einen radialen Versatz der Wellen 8, 9 gegeneinander insoweit spielfrei ist, als jeder radiale Versatz mit einer weiteren elastischen Verformung der Federscheibe 11, also wiederum unter Einwirkung einer Rückstellkraft, einhergeht.
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Schließlich ist es vorzugsweise so, dass die Kupplung zwischen den Wellen 8, 9 bezogen auf einen Winkelversatz der Wellen 8, 9 zueinander insoweit spielfrei ist, als jeder Winkelversatz mit einer weiteren elastischen Verformung der Federscheibe 11, also wiederum unter Einwirkung einer Rückstellkraft, einhergeht.
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Es lässt sich der Zeichnung entnehmen, dass die Scheibenfläche 22 der Federscheibe 11 quer zu der Achse 12 ausgerichtet ist. Dabei weist die Federscheibe 11 hier und vorzugsweise mindestens eine Materialausnehmung 23 - 26 auf, die das Federverhalten der Federscheibe 11 im Hinblick auf eine axiale Auslenkung 18 bestimmt.
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Für das Material der Federscheibe 11 sind verschiedene vorteilhafte Varianten denkbar. Hier und vorzugsweise handelt es sich bei der Federscheibe 11 um eine Metallscheibe, insbesondere um eine Federstahlscheibe. Die Materialausnehmung 23 - 26 lässt sich je nach Stärke der Federscheibe 11 durch Stanzen, durch Laserbearbeitung, durch Wasserstrahlschneiden o. dgl. realisieren.
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1 zeigt weiter, dass die Federscheibe 11 zu deren antriebstechnischen Kopplung zwei Anschlussbereiche 27, 28 aufweist, die gegen die Federkraft der Federscheibe 11 axial gegeneinander auslenkbar sind. Hier und vorzugsweise ist es so, dass bezogen auf die Achse 12 ein radial äußerer Anschlussbereich 27 und ein radial innerer Anschlussbereich 28 vorgesehen sind. Dabei ist weiter vorzugsweise die eine Welle 8 mit einem Anschlussbereich 27 gekuppelt und die andere Welle 9 mit dem jeweils anderen Anschlussbereich 28 gekuppelt. Eine der Wellen 8, 9 ist vorzugsweise fest mit einem der Anschlussbereiche 27, 28 gekuppelt, während die jeweils andere Welle 8, 9 über die mindestens eine Konusverbindung 13 - 16 mit dem jeweils anderen Anschlussbereich 27, 28 gekuppelt ist. Im Einzelnen ist es hier und vorzugsweise vorgesehen, dass die der Abtriebskomponente 3 zugeordnete Welle 9 fest mit einem Anschlussbereich 28, hier mit dem inneren Anschlussbereich 28, der Federscheibe 11 verbunden ist. Der Flansch 20 der Abtriebskomponente 13 ist dabei mittels Schrauben 29 an dem entsprechenden Anschlussbereich 28 der Federscheibe 11 befestigt.
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Der oben angesprochenen Ausgestaltung der mindestens einen Materialausnehmung 23 - 26 kommt für das elastische Verhalten der Federscheibe 11, also für die oben angesprochene Federkonstante der Federscheibe 11, besondere Bedeutung zu. Bei dem in 1 dargestellten und insoweit bevorzugten Ausführungsbeispiel sind die Materialausnehmungen 23 - 26 so getroffen, dass diese jeweils länglich ausgestaltet sind und zwischen dem äußeren Anschlussbereich 27 und dem inneren Anschlussbereich 28 verlaufen. Dabei ist es so, dass sich die Materialausnehmungen 23 - 26 zumindest abschnittsweise entlang des Außenumfangs der Federscheibe 11 erstrecken. Damit ist gemeint, dass die Materialausnehmungen 23 - 26 in erster Näherung neben dem Außenumfang verlaufen. Ein im strengen Sinne paralleler Verlauf zu dem Außenumfang ist insoweit nicht gefordert, wie auch der Darstellung gemäß 1 zu entnehmen ist.
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Es wurde schon darauf hingewiesen, dass sich die vorschlagsgemäße Lösung grundsätzlich mit einer einzigen Konusverbindung 13 - 16 umsetzen lässt. Vorzugsweise sind jedoch mindestens zwei Konusverbindungen vorgesehen, die um die Achse 12 verteilt angeordnet sind. In besonders bevorzugter Ausgestaltung sind mindestens drei Konusverbindungen und weiter vorzugsweise mindestens vier Konusverbindungen vorgesehen. Bei dem dargestellten und insoweit bevorzugten Ausführungsbeispiel zeigt die Federscheibenkupplung 10 insgesamt vier Konusverbindungen 13 - 16, die, wie oben erläutert, in gleichen Winkelabständen um die Achse 12 verteilt sind. Damit ergibt sich eine über den Umfang der Federscheibe 11 gleichmäßige Kraftaufnahme sowie eine, bezogen auf die Achse 12, gleichmäßige Gewichtsverteilung.
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Für die Ausgestaltung der jeweiligen Konusverbindung 13 - 16 sind je nach konstruktiven Randbedingungen zahlreiche Varianten möglich. Wesentlich ist, dass die Konusverbindung 13 - 16 einen Zentrierkonus 13a - 16a und eine Konusaufnahme 13b - 16b aufweist, wobei der Zentrierkonus 13a - 16a eine zu der Achse 12 geneigte Konusfläche 13c - 16c aufweist. Der Neigungswinkel α ist in 3 beispielhaft dargestellt.
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Der Zentrierkonus 13a - 16a ist vorzugsweise im Querschnitt rundlich, hier und vorzugsweise kreisrund, ausgestaltet. Alternativ kann der Zentrierkonus 13a - 16a aber auch im Querschnitt eckig, insbesondere mindestens viereckig, ausgestaltet sein. Weiter alternativ kann der Zentrierkonus 13a - 16a stegförmig ausgestaltet sein, wobei beispielsweise eine Seitenfläche des Stegs als Konusfläche 13c - 16c ausgestaltet ist, die einen entsprechenden Neigungswinkel α aufweist. Insoweit ist der Begriff „Zentrierkonus“ vorliegend weit zu verstehen.
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Bei dem dargestellten und insoweit bevorzugten Ausführungsbeispiel weist die Federscheibe 11 die Konusaufnahme 13b - 16b der jeweiligen Konusverbindung 13 - 16 auf. Entsprechend ist es so, dass der Zentrierkonus 13a - 16a der jeweiligen Konusverbindung 13 - 16 an dem zu kuppelnden Flansch 19, hier an dem der Antriebskomponente 2 zugeordneten Flansch 19, angeordnet ist. Dabei kann es vorgesehen sein, dass der betreffende Flansch 19 den Zentrierkonus 13a - 16a der jeweiligen Konusverbindung 13 - 16 unmittelbar, also ohne zwischengeschaltete Komponenten, aufnimmt. Bei dem in 2 dargestellten und insoweit bevorzugten Ausführungsbeispiel sind die Zentrierkonen 13a - 16a jeweils an einem Zwischenring 30 angeordnet, der wiederum über Schrauben 31 o. dgl. an dem betreffenden Flansch 19 befestigt ist.
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2 zeigt weiter, dass die Konusaufnahme 13b - 16b der jeweiligen Konusverbindung 13 - 16 eine Aufnahmeöffnung in der Federscheibe 11 ist, in die der Zentrierkonus 13a - 16a mit einer Eintauchtiefe 32 eintaucht. Dabei ist es weiter vorzugsweise so, dass die Formgebung der Aufnahmeöffnung zu der Formgebung des Zentrierkonus 13a - 16a korrespondiert. Dies bedeutet, dass Aufnahmeöffnung der Konusaufnahme 13b - 16b und Formgebung des Zentrierkonus 13a - 16a derart aufeinander abgestimmt sind, dass sich eine Konusverbindung 13 - 16 im üblichen Sinne ergibt.
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In besonders bevorzugter Ausgestaltung entspricht die axiale Länge 33 des Zentrierkonus 13a - 16a der jeweiligen Konusverbindung 13 - 16, die über die Eintauchtiefe 32 hinausgeht, mindestens dem Betrag der Auslenkung 18 der Federscheibe 11. Dadurch ist sichergestellt, dass bei einem Verschleiß des Zentrierkonus 13a - 16a stets eine zentrierende Wirkung der Konusverbindung 13 - 16 verbleibt, solange die Federscheibe 11 noch elastisch ausgelenkt ist.
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Nach einer weiteren Lehre, der eigenständige Bedeutung zukommt, wird ein Verfahren zur Montage eines vorschlagsgemäßen Aggregats 1 beansprucht.
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Wesentlich nach dem Verfahren ist, dass die Abtriebskomponente 3 und die Antriebskomponente 2 in einer bezogen auf die Achse 12 axialen Montagebewegung M einander angenähert werden, wodurch einerseits die mindestens eine Konusverbindung 13 - 16 in einem Steckvorgang zustande kommt und andererseits die Federscheibe 11 gegen ihre Rückstellkraft über die mindestens eine Konusverbindung 13 - 16 axial ausgelenkt wird.
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Eine Zusammenschau der 1, 2 und 3 zeigt, dass nach dem vorschlagsgemäßen Verfahren die Herstellung der Federscheibenkupplung 10 durch einen einfachen Steckvorgang bewerkstelligt werden kann, wobei gleichzeitig eine komplett spielfreie Kupplung zwischen den beiden Wellen 8, 9 sichergestellt ist.
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Vorzugsweise wird die Auslenkung der Federscheibe 11 bei der axialen Montagebewegung M auf einen vorbestimmten Wert eingestellt, wie weiter oben bereits angedeutet worden ist. In besonders bevorzugter Ausgestaltung handelt es sich bei dieser Auslenkung 18 um einen Betrag, der weniger als 10mm, vorzugsweise weniger als 5mm und in besonders bevorzugter Ausgestaltung etwa 3mm beträgt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008059199 A1 [0002]
- DE 19951613 A1 [0004]
