DE102018003823A1

DE102018003823A1 - Verfahren zur Herstellung einer Welle-Nabe-Verbindung sowie Rotorwelle mit darauf gefügten Elektroblechpaketen

Info

Publication number: DE102018003823A1
Application number: DE102018003823.9A
Authority: DE
Inventors: Tim Weyhmüller; Bernd Schietinger; Christian Elsner; Rainer Sigle; Torben Schulze; Swen Schuller
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2018-04-05
Filing date: 2018-05-11
Publication date: 2018-11-29

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Welle-Nabe-Verbindung, bei welchem vor dem Fügeprozess eine Oberfläche der Welle (7) an einer dem Fügepartner zugewandten Fügestelle (9, 11, 13) und/oder eine Innenfläche der Nabe (1, 3, 5) strukturiert wird. Bei einem Verfahren, bei welchem eine besondere betriebssichere Wellen-Naben-Verbindung hergestellt wird, wird nach der Strukturierung der Welle (7) an der Fügestelle (9, 11, 13) und/oder der Nabe (1, 3, 5) die erste Nabe (1, 3, 5) auf die Welle (7) aufgeschoben und verpresst, wobei für jede weitere Welle-Nabe-Verbindung auf derselben Welle (7) nach der Herstellung der ersten Wellen-Nabe-Verbindung zunächst die Oberfläche der Welle (7) an einer nächsten nabenfreien Fügestelle (9, 11, 13) und/oder die Innenfläche der Nabe (1, 3, 5) strukturiert wird und die nächste Nabe (1, 3, 5) auf die Welle (7) aufgeschoben wird und an der nächsten strukturierten Fügestelle (9, 11, 13) mit der Welle (7) verpresst wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Welle-Nabe-Verbindung, bei welchem vor dem Fügeprozess eine Oberfläche der Welle an einer dem Fügepartner zugewandten Fügestelle und/oder eine Innenfläche der Nabe strukturiert wird sowie eine Rotorwelle mit darauf gefügten Elektroblechpaketen.
Aus der DE 10 2014 019 321 A1 ist ein Verfahren zum Herstellen einer Fügeverbindung zwischen einer Welle und einer Nabe bekannt, bei welchem die Fügeverbindung durch einen Längspressverband erfolgt, bei dem Welle und Nabe zum Zeitpunkt des Verbindens im Wesentlichen die gleiche Temperatur aufweisen. Dabei wird vor dem Fügeprozess auf einer Außenoberfläche der Welle und/oder einer Innenoberfläche der Nabe zumindest in einem Abschnitt des Fügekontaktbereiches mithilfe eines Lasers eine Oberflächenstrukturierung aufgebracht. Bei dieser Längspressung werden die strukturierten Stellen, an der die Nabe positioniert werden soll, geglättet und deformiert, Würde auf dieser Welle nachfolgend mehr als eine Nabe gefügt, würde diese Nabe keinen ausreichenden Halt auf der Welle besitzen.
Die DE 10 2015 007 470 A1 offenbart ein Verfahren zum Herstellen einer Welle-Nabe-Verbindung, bei welchem auf der Welle und/oder der Nabe eine Oberflächenstrukturierung ausgeführt wird, wobei die Welle einen ersten und einen zweiten Fügebereich aufweist. Genauso weist die Nabe einen ersten und einen zweiten Fügebereich auf. Der erste Fügebereich der Welle wird mit dem ersten Fügebereich der Nabe in Form eines Querpressverbandes verbunden, wobei der zweite Fügebereich der Welle mit dem zweiten Fügebereich der Nabe in Form eines Längspressverbandes verbunden wird. Eine solche Fügeverbindung ist sehr aufwändig, wobei bei der Querpressung Nabe und/oder Welle lokal wärmebehandelt und die Naben auf die Wellen geschoben werden, so dass nach Temperaturausgleich auf Raumtemperatur die Naben auf der Welle gleichzeitig festsitzen. Hierbei stellen sich jedoch Spannungszustände ein, die den Halt der Naben auf der Welle reduzieren.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung einer Welle-Nabe-Verbindung und eine Rotorwelle mit einem darauf gefügten Elektroblechpaket anzugeben, bei welchem eine betriebsfeste Verbindung zwischen einer Welle und mehreren Naben durch Verpressen prozesssicher eingestellt wird.
Die Erfindung ergibt sich aus den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. Weitere Merkmale, Anwendungsmöglichkeiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, sowie der Erläuterung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, die in den Figuren dargestellt sind.
Die Aufgabe ist mit einem Verfahren dadurch gelöst, dass nach der Strukturierung der Welle an der Fügestelle und/oder der Nabe die erste Nabe auf die Welle aufgeschoben und verpresst wird, wobei für jede weitere Welle-Nabe-Verbindung auf derselben Welle nach der Herstellung der ersten Wellen-Nabe-Verbindung zunächst die Oberfläche der Welle an einer nächsten nabenfreien Fügestelle und/oder die Innenfläche der Nabe strukturiert wird und die nächste Nabe auf die Welle aufgeschoben wird und an der nächsten strukturierten Fügestelle mit der Welle verpresst wird. Dies hat den Vorteil, dass durch den ständigen Wechsel von Strukturierungsprozess auf der Welle und dem Fügeprozess zwischen der Welle und der Nabe eine betriebssichere Verbindung hergestellt wird, wobei jede einzeln hergestellte Welle-Nabe-Verbindung ein vergleichbar hohes Haltemoment zwischen Welle und Nabe aufweist. Die Fügestellen weisen auch bei hohen betrieblichen Anforderungen eine ausreichende mechanische Verklammerung zwischen dem Fügepartnern auf. Insbesondere werden höhere Drehzahlen durch die vorgeschlagene Oberflächenstrukturierung ertragen, was eine Erweiterung des Einsatzfeldes ermöglicht.
Eine Weiterbildung der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Welle-Nabe-Verbindung, bei welchem vor dem Fügeprozess eine Oberfläche der Welle und/oder eine Innenfläche der Nabe an einer dem Fügepartner zugewandten Fügestelle strukturiert wird beziehungsweise werden. Bei einer besonders betriebssicheren Welle-Nabe-Verbindung werden die Innenfläche zweier Naben und/oder zwei partielle Bereiche der Außenfläche einer Welle zur Ausbildung der Fügestelle strukturiert und die beiden Naben anschließend von einer jeweils gegenüberliegenden Seite der Welle auf diese aufgeschoben und auf je einem partiellen Bereich der Welle positioniert und an je einer Fügestelle mit der Welle verpresst, wobei die erste Nabe von dem einen Wellenende her gefügt wird, während die zweite Nabe von dem entgegengesetzten Wellenende her gefügt wird. Auch hierbei werden vergleichbare Haltemomente durch das getrennte Fügen der Wellen-Nabe-Verbindungen ermöglicht.
In einer Ausgestaltung erfolgt die Strukturierung der Fügestelle ausschließlich auf der Welle. Dadurch werden toleranzbedingte Verformungen der Welle beim Aufschieben der Naben außerhalb der Fügestelle unterbunden. Da auf eine Oberflächenstrukturierung der Naben an deren Innenfläche verzichtet wird, wird ein besseres Aufschieben der Naben auf die Welle möglich.
In einer Variante wird die Oberflächenstrukturierung mit einem Laser durchgeführt. Eine solche Laserstrukturierung der Oberfläche ist einfach durchführbar und erlaubt unterschiedliche Strukturen, wie beispielsweise Linien, Punkte oder kreuzförmige Linienzüge. Alternativ ist aber auch die Strukturierung mittels eines Elektronenstrahls oder mit einem mechanischen Verfahren, wie beispielsweise durch Rändeln, vorstellbar, die auch beliebig kombiniert werden können.
Vorteilhafterweise erfolgt die Verpressung von Welle und Nabe durch eine Längspressung. Die Längspressung hat den Vorteil, dass auf eine Temperierung und der vorzusehenden genauen Überdeckung der Umfänge, wie sie bei der Querpressung notwendig sind, verzichtet werden kann, was die Verfahrensabläufe vereinfacht.
In einer weiteren Variante werden als Naben Elektromotorblechpakete und als Welle eine Rotorwelle eines Elektromotors verwendet, wobei der Elektromotor insbesondere als E-Traktionsmotor fungiert. Gerade bei Rotorwellen, bei welchen hohe Drehzahlen gefordert sind, kann das Versagen der Verbindung zuverlässig verhindert werden, da die Naben bei einer stärkeren Verdrängung nach außen in ihrer ursprünglichen Überdeckung zwischen Welle und Nabe verbleiben. Die Strukturausbildung in der Fügestelle bildet einen möglichen Überdeckungsverlust ab.
Eine Weiterbildung der Erfindung betrifft Rotorwelle mit darauf gefügten Elektroblechpaketen. Die Rotorwelle bildet mit den als Nabe ausgebildeten Elektroblechpaketen eine Nabe-Welle-Verbindung, welche nach mindestens einem in dieser Schutzrechtsanmeldung genannten Merkmal hergestellt ist, wobei der Elektromotor insbesondere als E-Traktionsmotor fungiert.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der - gegebenenfalls unter Bezug auf die Zeichnung - zumindest ein Ausführungsbeispiel im Einzelnen beschrieben ist. Beschriebene und/oder bildlich dargestellte Merkmale können für sich oder in beliebiger, sinnvoller Kombination den Gegenstand der Erfindung bilden, gegebenenfalls auch unabhängig von den Ansprüchen, und können insbesondere zusätzlich auch Gegenstand einer oder mehrerer separater Anmeldung/en sein. Gleiche, ähnliche und/oder funktionsgleiche Teile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Es zeigen:

1 ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens,
2 ein zweites Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens.

In 1 ist ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt. Dabei zeigt 1a die Ausgangssituation, bei welchem mehrere Naben 1, 3, 5 auf einer Welle 7 befestigt werden sollen, wobei für jede Nabe 1, 3, 5 eine Fügestelle 9, 11, 13 vorgesehen ist. Dabei erfolgt nach dem Bereitstellen der Welle 7 und der Naben 1,3, 5 eine Oberflächenstrukturierung nur an der Welle 7, wobei diese Oberflächenstrukturierungen zunächst auf die Fügestellen 9 der Welle 7 begrenzt ist. Nach den Vorbereitungen wird zuerst die Nabe 1, die zum Beispiel als Elektroblechpaket ausgebildet ist, auf die als Rotorwelle fungierende Welle 7 geschoben und dort an der ersten Fügestelle 9 positioniert und mittels einer Längspressung befestigt (1b). Anschließend wird auf der Welle 7 eine weitere Fügestelle 11 oberflächenstrukturiert, wobei die zweite Nabe 3 im Bereich dieser Fügestelle 11 positioniert ist und ebenfalls mittels der Längspressung befestigt wird (1c). Die Zuführung der Nabe 3 auf die Welle 7 erfolgt von der in 1c betrachteten rechten Seite der Welle 7. Nach Befestigung der Nabe 3 wird auf der Welle 7 eine weitere Fügestelle 13 durch Oberflächenstrukturierung vorbereitet, was in 1d gezeigt ist. Nach Strukturierung dieser Fügestelle 13 wird die dritte Nabe 5 auf die Fügestelle 13 positioniert und mittels Längspressung mit der Welle 7 verbunden. Auf diese Art und Weise können beliebig viele weitere Naben auf der Welle 7 befestigt werden, wobei insbesondere immer vor der Herstellung eines Pressverbandes auf einem partiellen Bereich der Oberfläche der Welle 7 die Oberflächenstrukturierung stattfindet, wodurch die Oberfläche der Welle 7 lokal verändert und dadurch ein guter Fügeverband erzielt wird. Grundsätzlich kann aber auch zusätzlich jede Nabe 1, 3, 5 vor oder im Zuge der Längspressung erwärmt und/oder die Welle 7 abgekühlt werden, wodurch zusätzlich eine Querpressung erreicht wird.
Ein zweites Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens ist in 2 gezeigt, wo ein Sonderfall des erfindungsgemäßen Verfahrens beschrieben wird, wenn nur zwei Naben 1, 3 auf der Welle 7 gefügt werden sollen. Dabei erfolgt, wie in 2a gezeigt, vor dem Fügen der Naben 1, 3 die Strukturierung der Fügestellen 11, 13 in partiellen Bereichen der Welle 7 vor dem Fügen der beiden Naben 1, 3. Anschließend werden die Naben 1, 3 jeweils von einer entgegengesetzten Seite auf die Welle 7 geschoben. Dabei kommen die Naben 1, 3 jeweils von den beiden Wellenenden aufeinander zu. Dies kann gleichzeitig erfolgen. Die Naben 1, 3 können aber auch nacheinander gefügt werden. Die Nabe 1 wird dabei vom in 2a linken Wellenende her gefügt, während die Nabe 3 vom in 2a rechten Wellenende herkommend gefügt wird. In 2b ist die Nabe-WellenVerbindung nach dem erfolgten Fügevorgang gezeigt.
Die Oberflächenstrukturierung kann dabei mittels eines Lasers erfolgen, wobei alternativ aber auch eine Strukturierung mittels eines Elektronenstrahls genauso möglich ist wie mittels eines mechanischen Verfahrens. Es ist auch vorstellbar, eine Kombination der genannten Verfahren einzusetzen.
Die Höhe und Charakteristik der Oberflächenstruktur richtet sich nach dem jeweiligen Anwendungsfall. Im vorliegenden Fall, wo die Nabe aus einem Rotorblechpaket besteht und die Welle eine Rotorwelle eines Elektromotors darstellt, kann die Höhe der Oberflächenstruktur 5 µm bis 200 µm, bei einer bevorzugte Strukturhöhe 10 bis 150 µm betragen. Die Oberflächenstrukturierung kann flächig, linienförmig oder punktuell erfolgen. Im Falle von Linienzügen können gerade, gekrümmte oder auch gekreuzte Linienzüge vorliegen.
Obwohl die Erfindung im Detail durch bevorzugte Ausführungsbeispiele näher illustriert und erläutert wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen. Es ist daher klar, dass eine Vielzahl von Variationsmöglichkeiten existiert. Es ist ebenfalls klar, dass beispielhaft genannte Ausführungsformen wirklich nur Beispiele darstellen, die nicht in irgendeiner Weise als Begrenzung etwa des Schutzbereichs, der Anwendungsmöglichkeiten oder der Konfiguration der Erfindung aufzufassen sind. Vielmehr versetzen die vorhergehende Beschreibung und die Figurenbeschreibung den Fachmann in die Lage, die beispielhaften Ausführungsformen konkret umzusetzen, wobei der Fachmann in Kenntnis des offenbarten Erfindungsgedankens vielfältige Änderungen beispielsweise hinsichtlich der Funktion oder der Anordnung einzelner, in einer beispielhaften Ausführungsform genannter Elemente vornehmen kann, ohne den Schutzbereich zu verlassen, der durch die Ansprüche und deren rechtliche Entsprechungen, wie etwa weitergehenden Erläuterungen in der Beschreibung, definiert wird.
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

DE 102014019321 A1 [0002]
DE 102015007470 A1 [0003]

Claims

Verfahren zur Herstellung einer Welle-Nabe-Verbindung, bei welchem vor dem Fügeprozess eine Oberfläche der Welle (7) an einer dem Fügepartner zugewandten Fügestelle (9, 11, 13) und/oder eine Innenfläche der Nabe (1, 3, 5) strukturiert wird, dadurch gekennzeichnet, dass nach der Strukturierung der Welle (7) an der Fügestelle (9, 11, 13) und/oder der Nabe (1, 3, 5) die erste Nabe (1, 3, 5) auf die Welle (7) aufgeschoben und verpresst wird, wobei für jede weitere Welle-Nabe-Verbindung auf derselben Welle (7) nach der Herstellung der ersten Wellen-Nabe-Verbindung zunächst die Oberfläche der Welle (7) an einer nächsten nabenfreien Fügestelle (9, 11, 13) und/oder die Innenfläche der Nabe (1, 3, 5) strukturiert wird und die nächste Nabe (1, 3, 5) auf die Welle (7) aufgeschoben wird und an der nächsten strukturierten Fügestelle (9, 11, 13) mit der Welle (7) verpresst wird.
Verfahren zur Herstellung einer Welle-Nabe-Verbindung, bei welchem vor dem Fügeprozess eine Oberfläche der Welle (7) an einer dem Fügepartner zugewandten Fügestelle (9, 11, 13) und/oder eine Innenfläche der Nabe (1, 3) strukturiert wird bzw. strukturiert werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenfläche zweier Naben (1, 3) und/oder zwei partielle Bereiche der Außenfläche einer Welle (7) zur Ausbildung der Fügestellen (9, 11) strukturiert werden und dass die beiden Naben (1, 3) anschließend von einer jeweils gegenüberliegenden Seite der Welle (7) auf diese aufgeschoben und auf je einem partiellen Bereich der Welle (7) positioniert werden und an je einer Fügestelle (9, 11) mit der Welle (7) verpresst werden, wobei die erste Nabe (1) von dem einen Wellenende her gefügt wird und wobei die zweite Nabe (3) von dem entgegengesetzten Wellenende her gefügt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Strukturierung der Fügestelle (9, 11, 13) ausschließlich auf der Welle (7) erfolgt.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Strukturierung mit einem Laser ausgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Strukturierung mittels eines mechanischen Verfahrens erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Strukturierung mit einem Elektronenstrahl ausgeführt wird.
Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verpressung von Welle (7) und Nabe (1, 3, 5) durch eine Längspressung erfolgt.
Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Naben (1, 3, 5) Elektromotorblechpakete und als Welle (7) eine Rotorwelle eines Elektromotors verwendet wird, wobei der Elektromotor insbesondere als E-Traktionsmotor fungiert.
Rotorwelle mit darauf gefügten Elektroblechpaketen, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotorwelle (7) mit den als Nabe (1, 3 5) ausgebildeten Elektroblechpakete eine Nabe-Welle-Verbindung bildet, welche nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche hergestellt ist.