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Die Erfindung betrifft eine Welle-Nabe-Verbindung für eine Schnittstelle zwischen einer Trennkupplung und einem Antriebsstrang, insbesondere zur Anbindung eines Elektromotors, mit einer Welle/Zwischenwelle und einer auf die Welle axial aufschiebbaren Nabe, wobei die Welle und die Nabe formschlüssig über eine Verzahnung drehfest miteinander verbunden sind. Weiterhin betrifft die Erfindung einen Hybridfahrzeugantriebsstrang mit jener Welle-Nabe-Verbindung. Ferner betrifft die Erfindung einen P2-Hybridfahrzeugantriebsstrang mit jener Welle-Nabe-Verbindung.
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Aus dem Stand der Technik sind bereits Welle-Nabe-Verbindungen bekannt. Unter anderem offenbart die
DE 10 2015 219251 A1 eine Nabe für eine Welle-Nabe-Verbindung, insbesondere für einen Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs, mit einem Innenprofil, insbesondere einer Innenverzahnung, zum formschlüssigen Zusammenwirken mit einem Außenprofil, insbesondere einer Außenverzahnung, einer um eine Drehachse drehbaren Welle, und einem Aufnahmeraum zur Aufnahme eines Spannmittels zur Reduzierung eines Spiels zwischen dem Innenprofil und dem Außenprofil, wobei das Innenprofil abschnittsweise von dem Aufnahmeraum durchbrochen ist, wobei der Aufnahmeraum an wenigstens einer Stelle eine radial innen angeordnete Nabeninnenseite mit einer radial außen angeordneten Nabenaußenseite mittels wenigstens einer in axialer Richtung zwischen einem ersten Nabenende und einem zweiten Nabenende angeordneten Öffnung durchgehend verbindet.
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Der Stand der Technik hat jedoch immer den Nachteil, dass oftmals ein Versatz zwischen der Wellen/Zwischenwelle und der Trennkupplung vorhanden ist, der den Luftspalt zwischen einem Rotor und einem Stator des Elektromotors verändert und dadurch die Leistung des Elektromotors verringert.
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Es ist also die Aufgabe der Erfindung, die Nachteile aus dem Stand der Technik zu vermeiden oder wenigstens zu mildern. Insbesondere soll eine Welle-Nabe-Verbindung entwickelt werden, die die Kupplung zentriert auf der Welle lagert und insbesondere spielfrei ausgestaltet ist.
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Diese Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Vorrichtung erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass zumindest ein Zentrierbereich axial an die Verzahnung anschließt, der ausgelegt ist, um die Welle und die Nabe koaxial zueinander auszurichten.
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Dies hat den Vorteil, dass der Zentrierbereich die Nabe beim Aufschieben auf die Welle zwangsweise so führt, dass die Achsen der Welle und der Nabe auf der gleichen Achse liegen und sich kein Versatz bilden kann.
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Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen beansprucht und werden nachfolgend näher erläutert.
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Zudem ist es zweckmäßig, wenn an einem proximalen, axialen Ende der Verzahnung ein erster Zentrierbereich vorhanden ist. Da beim Aufschieben der Nabe dieser erste Zentrierbereich die Nabe aufnimmt, wird vermieden, dass die Nabe exzentrisch auf die Welle aufgepresst wird. Bei einer exzentrischen Verbindung zwischen der Welle und der Nabe können Schäden an der Verzahnung sowohl beim Aufpressen als auch im Betrieb durch eine Walkbewegung der Welle verursacht werden. Daher ist es vorteilhaft, eine Zentrierung der Welle-Nabe-Verbindung sicherzustellen.
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Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn an einem distalen, axialen Ende der Verzahnung ein zweiter Zentrierbereich vorhanden ist. Durch den zweiten Zentrierbereich wird die Nabe an den beiden axialen Enden der Verzahnung zentriert angeordnet, so dass ein Achsversatz im Bereich der Verzahnung sicher ausgeschlossen wird. Gerade dadurch kann eine verschleißende Belastung der Verzahnung verhindert werden.
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Vorzugsweise können/kann ein wellenseitiger Verzahnungsteil und/oder ein nabenseitiger Verzahnungsteil der Verzahnung eine Verzahnungsschräge aufweisen. Dadurch wird erreicht, dass der wellenseitige Verzahnungsteil mit dem nabenseitigen Verzahnungsteil beim Aufschieben verspannt ist und somit eine besonders spielfreie Welle-Nabe-Verbindung entsteht.
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Vorzugsweise ist ein männlicher Teil der Verzahnung, also der wellenseitige Verzahnungsteil, mit einer Verzahnungsschräge ausgebildet, da die Verzahnung der Welle durch Schleifen oder Fräsen gefertigt wird und in diesen Fertigungsverfahren eine Verzahnungsschräge genau fertigbar ist.
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Der weibliche Teil der Verzahnung, also der nabenseitige Verzahnungsteil, ist bevorzugt mit einer Geradverzahnung ausgebildet, da er oftmals durch Räumen gefertigt wird und eine Geradeverzahnung kostengünstiger in der Herstellung ist.
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Zudem kann die Verzahnung auch so ausgebildet sein, dass sowohl an dem wellenseitigen Verzahnungsteil als auch dem nabenseitigen Verzahnungsteil eine Verzahnungsschräge vorhanden ist. Dabei sind die Schrägungswinkel bevorzugt gegensinnig ausgebildet, so dass eine Verspannung der Welle mit der Nabe ermöglicht wird. Vorzugsweise sind bei einer beidseitigen Verzahnungsschräge die beiden Schrägungswinkel so gewählt, dass die Summe der Beträge der Schrägungswinkel ausreichend groß ist, um eine Verspannung zu erzeugen, aber nur so groß ist, dass die Nabe auf die Welle aufgeschoben/aufgepresst werden kann. Die Schrägungswinkel können auch gleichsinnig ausgeführt werden, wenn die Differenz der beiden Schrägungswinkel, also der die Verspannung bestimmende Winkel so gewählt ist, dass die Nabe besonders spielfrei/verspannt auf der Welle angeordnet werden kann.
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Zudem ist es zweckmäßig, wenn der Schrägungswinkel der Verzahnungsschräge nur so groß ausgebildet ist, dass die Nabe auf die Welle aufgeschoben/aufgepresst und mit ihr verklemmt/verspannt werden kann, ohne dass der Werkstoff der Welle und der Nabe über den elastischen Bereich hinaus belastet wird, damit Schäden an der Verzahnung vermieden werden.
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Bevorzugt ist der Schrägungswinkel im Bereich zwischen 10 und 30 Bogenminuten, also zwischen einem Zwölftel Grad und einem halben Grad, ausgebildet. Weiter bevorzugt liegt der Schrägungswinkel bei 15 bis 25 Bogenminuten. Sehr bevorzugt liegt der Schrägungswinkel bei 17 bis 18 Bogenminuten.
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Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel ist dadurch gekennzeichnet, dass die Welle und die Nabe lösbar miteinander verbunden sind. So kann die Welle-Nabe-Verbindung vorteilhafterweise einfach montiert und/oder demontiert werden. Auch darf der Schrägungswinkel nicht zu groß gewählt werden, weil die Bauteile sonst nicht mehr zerstörungsfrei voneinander getrennt werden könnten.
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Auch ist es von Vorteil, wenn die Welle-Nabe-Verbindung spielfrei ausgestaltet ist. So kann ein besonders ruhiger Lauf der Nabe und der Welle sichergestellt werden, da die Nabe und die Welle sich nicht relativ zueinander verschieben können.
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Ferner ist es zweckmäßig, wenn ein Schrägungswinkel der Verzahnungsschräge in Abhängigkeit der Länge der Verzahnung und eines Verzahnungsspiels und/oder einer Zahnteilung ausgestaltet ist. Um ein Aufschieben des gerade-verzahnten Bauteils auf die Verzahnungsschräge zu ermöglichen, darf die Verzahnungsschräge nur einen sehr geringen Schrägungswinkel aufweisen. Dabei sollte der Schrägungswinkel des Verzahnungsteils mit der Verzahnungsschräge etwa dem Arkustanges der Differenz zwischen dem Verzahnungsspiel und der Länge der Verzahnung entsprechen. Je nach Elastizität des Werkstoffs kann ein geringfügig darüber liegender Winkel gewählt werden.
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Zusätzlich ist es vorteilhaft, wenn der erste Zentrierbereich axial an eine Lagerstelle zur drehbaren Befestigung der Welle an einem gehäusefesten Bauteil anschließt. Gerade dadurch kann die axiale Verlängerung des Zentrierbereichs als Radiallager für ein Wälzlager, das die Welle an dem Gehäuse befestigt, dienen. Gleichzeitig bietet das Lager/Wälzlager einen Anschlag für das Begrenzen der axialen Verschiebung, so dass die Verzahnung beim Aufpressen/Aufschieben der Nabe weniger stark belastet wird.
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Weiterhin wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass ein Hybridfahrzeugantriebsstrang eines Kraftfahrzeugs mit einer erfindungsgemäßen Welle-Nabe-Verbindung eingesetzt wird.
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Außerdem wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass ein P2-Hybridfahrzeugantriebsstrang eines Kraftfahrzeugs mit einer erfindungsgemäßen Welle-Nabe-Verbindung verbaut wird. Bei einem P2-Hybridfahrzeugstrang wird ein Hybrid-Modul zwischen dem Verbrennungsmotor und dem Getriebe angeordnet. Eine P2-Anordnung ist einer der üblichsten Anordnungen für ein Hybridmodul.
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Mit anderen Worten betrifft die Erfindung eine spielfreie Welle-Nabe-Verbindung für einen P2-Hybridfahrzeugantriebsstrang/P2-Hybride für die Anbindung einer E-Maschine über eine Kupplung K0. Die Welle-Nabe-Verbindung ist sowohl für koaxiale P2-Hybride als auch für achsparallele P2-Hybride geeignet. Bei den koaxialen P2-Hybriden dient die Kupplung auch dazu, einen Rotor der E-Maschine aufzunehmen. Bei achsparallelen P2-Hybriden, bei denen die E-Maschine beispielsweise über einen Riemen an die Kupplung angebunden ist, dient die Kupplung auch als Träger für die Riemenscheibe.
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Die Erfindung wird nachfolgend mit Hilfe einer Zeichnung erläutert. Es zeigen:
- 1 eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Welle-Nabe-Verbindung mit einer geschnitten dargestellten Nabe,
- 2 eine Seitenansicht einer Welle und der geschnittenen Nabe der Welle-Nabe-Verbindung in einem nicht-montierten Zustand,
- 3 eine zur 2 vergleichbare Darstellung der Welle-Nabe-Verbindung mit der Welle und mit einer teilweise auf die Welle aufgeschobenen Nabe,
- 4 eine zur 3 vergleichbare Darstellung der Welle-Nabe-Verbindung mit der fast vollständig auf die Welle aufgeschobenen Nabe, und
- 5 eine zur 4 vergleichbare Darstellung der vollständig montierten Welle-Nabe-Verbindung.
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Die Figuren sind lediglich schematischer Natur und dienen ausschließlich dem Verständnis der Erfindung. Die gleichen Elemente sind mit denselben Bezugszeichen versehen.
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In 1 ist eine Welle-Nabe-Verbindung 1 dargestellt, die als eine Schnittstelle zwischen einer Trennkupplung und einem Antriebsstrang dient. Die Welle-Nabe-Verbindung 1 besitzt eine Welle 2 und eine auf die Welle 2 axial aufschiebbare Nabe 3. Dabei sind die Welle 2 und die Nabe 3 formschlüssig über eine Verzahnung 4 drehfest miteinander verbunden. Die Welle-Nabe-Verbindung 1 weist zumindest einen Zentrierbereich 5 auf, der axial an die Verzahnung 4 anschließt, wobei die Welle 2 und die Nabe 3 durch den Zentrierbereich 5 koaxial zueinander ausgerichtet werden.
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Die Welle 2 ist mit dem nicht gezeigten Antriebsstrang drehfest verbunden. Die Welle 2 ist so ausgebildet, dass sie sich zu ihrem distalen Ende hin verjüngt. An dem proximalen, axialen Ende der Verzahnung schließt sich ein erster Zentrierbereich 6 an und an dem distalen, axialen Ende der Verzahnung schließt sich ein zweiter Zentrierbereich 7 an. Der erste Zentrierbereich 6 ist auf dem Außendurchmesser der Welle 2 angeordnet weist eine plane Oberfläche auf. Der erste Zentrierbereich 6 auf der Welle 2 weist einen größeren Außendurchmesser auf als der zweite Zentrierbereich 7 auf der Welle 2.
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Beim Aufschieben der Nabe 3 auf die Welle 2 greift ein wellenseitiger Verzahnungsteil 8 in einen nabenseitigen Verzahnungsteil 9 ein, so dass die Verzahnung 4 ausgebildet wird.
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Die Nabe 3 ist so ausgebildet, dass sie auf die Welle 2 aufgeschoben/aufgepresst werden kann. An ihrem Ende, das beim Aufschieben zuerst mit der Welle 2 in Kontakt kommt, weist sie einen Innendurchmesser, der an der Außenkante der Zähne gemessen wird, auf, der auf den Außendurchmesser des ersten Zentrierbereichs 6 auf der Welle 2 abgestimmt ist und ihm etwa entspricht. An ihrem anderen Ende weist sie einen Innendurchmesser auf, der auf den Außendurchmesser des zweiten Zentrierbereichs 7 auf der Welle 2 abgestimmt ist und ihm etwa entspricht.
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Die Verzahnung 4 ist als Keilverzahnung oder als Evolventenverzahnung mit einer Zähnezahl zwischen 20 und 35 Zähnen ausgebildet. An den ersten Zentrierbereich 6 schließt axial ein Lagerungsbereich 10 an, der auf einer Fläche mit demselben Außendurchmesser wie der erste Zentrierbereich 6 ausgebildet ist. Der Lagerungsbereich 10 ist vorbereitet um einen Innenring 11 eines Wälzlagers 12, durch das die Welle 2 an einem nicht dargestellten Gehäuse befestigt wird, aufzunehmen. Gleichzeitig dient eine nabenzugewandte Fläche des Wälzlagers 12 als eine Anschlagsfläche 13 für die Nabe 3, die die axiale Verschiebung der Nabe 3 begrenzt.
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An der Welle 2 ist zwischen dem zweiten Zentrierbereich 7 und dem wellenseitigen Verzahnungsteil 8 der Verzahnung 4 eine umlaufende Nut 14 eingebracht, die etwa den gleichen Durchmesser wie der Fußkreisdurchmesser des wellenseitigen Verzahnungsteils 8 aufweist.
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In 2 ist die Welle-Nabe-Verbindung 1 im nicht-montierten Zustand dargestellt. Dabei ist gut zu erkennen, dass die Nabe 3 über ihre gesamte axiale Länge verzahnt ist.
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Etwa ein Drittel der nabenseitigen Verzahnung 9 weist einen größeren Durchmesser als der andere Teil der Nabe 3 auf. Dieses erste Drittel liegt im montierten Zustand an dem ersten Zentrierbereich 6 an der Welle 2 und dem Verzahnungsansatz 15 der Welle 2 an. Das zweite Drittel steht im montierten Zustand mit dem wellenseitigen Verzahnungsteil 8 im Eingriff. Da an der Welle 2 die Verzahnung 4 nicht bis zu dem distalen Ende der Welle 2 ausgebildet ist, liegt ein Teil der nabenseitigen Verzahnung auf der Nut 14 und auf dem zweiten Zentrierbereich 7 auf. Über die Auflage auf den beiden Zentrierbereichen 6, 7 wird also sichergestellt, dass die Nabe 3 konzentrisch zu der Welle 2 angeordnet ist.
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3 zeigt den teilweise montierten Zustand der Welle-Nabe-Verbindung 1. Die Nabe 3 ist bereits mit dem ersten Drittel auf die Welle 2 aufgeschoben. Da die Nabe 3 an dem aufgeschobenen Abschnitt einen größeren Durchmesser als an dem eingreifenden Verzahnungsteil 9 besitzt, ist die Nabe 3 gegenüber der Welle 2 noch geringfügig radial verlagerbar.
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Gemäß 4 liegt der Innendurchmesser der Nabe 3 an dem zweiten Zentrierbereich 7 an und somit wird die Nabe 3 beim weiteren Aufschieben so geführt, dass sie zentriert zu der Welle 2 ist. Der wellenseitige und der nabenseitige Verzahnungsteil 8, 9 greifen mit ihren Zähnen in der Verzahnung 4 ineinander.
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Gemäß 5 ist die Welle-Nabe-Verbindung 1 in einem vollständig montierten Zustand dargestellt. Dabei liegt der größere Innendurchmesser der Nabe 3 an dem einen Ende an dem ersten Zentrierbereich 6 an und an dem kleineren Innendurchmesser an dem zweiten Zentrierbereich 7. Die Nabe 3 stößt mit ihrer axialen Endfläche, die zuerst auf die Welle 2 aufgeschoben wird, an der Anschlagsfläche 13 des Wälzlagers 12 an.
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Die Verzahnung 4 der Welle-Nabe-Verbindung 1 ist so ausgebildet, dass der wellenseitige oder der nabenseitige Verzahnungsteil 8, 9 mit einer Verzahnungsschräge ausgebildet ist. Der andere der beiden Verzahnungsteile 8, 9 ist gerade-verzahnt ausgebildet. Dabei ist die Verzahnungsschräge mit einem sehr geringen Schrägungswinkel ausgebildet, so dass die Nabe 3 noch auf die Welle 2 aufschiebbar ist und im montierten Zustand mit der Welle 2 gegen die Elastizität der Werkstoffe verklemmt/verspannt ist. Der Schrägungswinkel ist geringer als ein halbes Grad und liegt bei etwa 17 Bogenminuten.
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Dadurch dass der wellenseitige oder der nabenseitige Verzahnungsteil 8, 9 schräg ausgebildet ist und die beiden Verzahnungsteile 8, 9 daher nicht zueinander passen, entsteht eine Verklemmung zwischen der Welle 2 und der Nabe 3. Die Verklemmung ist so gewählt, dass die Nabe 3 spielfrei auf der Welle 2 sitzt. Daher ist der Schrägungswinkel in Abhängigkeit der Länge der Verzahnung 4 und des Verzahnungsspiels zu wählen. Um eine spielfrei Verbindung zu erhalten, wird der Schrägungswinkel so gewählt, dass er dem Arkustangens der Differenz zwischen des Verzahnungsspiels und der Länge der Verzahnung 4 entspricht. Durch die geometrischen Zusammenhänge sitzt die Nabe 3 dann im Presssitz auf der Welle 2. Der Schrägungswinkel ist jedoch nur so groß gewählt, dass die Welle 2 und die Nabe 3 nicht über den elastischen Bereich der Werkstoffe hinaus verformt werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Welle-Nabe-Verbindung
- 2
- Welle
- 3
- Nabe
- 4
- Verzahnung
- 5
- Zentrierbereich
- 6
- erster Zentrierbereich
- 7
- zweiter Zentrierbereich
- 8
- wellenseitiger Verzahnungsteil
- 9
- nabenseitiger Verzahnungsteil
- 10
- Lagerbereich
- 11
- Innenring
- 12
- Wälzlager
- 13
- Anschlagsfläche
- 14
- Nut
- 15
- Verzahnungsansatz
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102015219251 A1 [0002]
