DE102018203467A1

DE102018203467A1 - Verfahren zum Herstellen einer Welle-Nabe-Verbindung, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, sowie Welle-Nabe-Verbindung

Info

Publication number: DE102018203467A1
Application number: DE102018203467.2A
Authority: DE
Inventors: Jens Richter; Robert Schmidt
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2018-03-08
Filing date: 2018-03-08
Publication date: 2019-09-12

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Welle-Nabe-Verbindung (6), mit den Schritten: Anordnen zumindest eines ersten Längenbereiches (L1) eines Wellenteils (7) als erstes Bauelement in zumindest einem zweiten Längenbereich (L2) eines Nabenteils (8) als zweites Bauelement; zumindest kraftschlüssiges Verbinden des Wellenteils (7) mit dem Nabenteil (8) über die ineinander angeordneten Längenbereiche (L1, L2); und bevor die Längenbereiche (L1, L2) ineinander angeordnet werden: mechanisches Aufweiten des zweiten Längenbereiches (L2) mittels einer zusätzlich zu den Bauelementen vorgesehenen Vorrichtung (11), wobei der zweite Längenbereich (L2) durch das mechanische Aufweiten zumindest elastisch aufgeweitet und dadurch aus einem Ausgangszustand (A) in einen Verformungszustand überführt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Welle-Nabe-Verbindung, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Welle-Nabe-Verbindung, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 10.
Derartige Verfahren zum Herstellen von Welle-Nabe-Verbindungen und solche Welle-Nabe-Verbindungen sind aus dem allgemeinen Stand der Technik bereits hinlänglich bekannt. Bei einem solchen Verfahren wird zumindest ein erster Längenbereich eines Wellenteils in zumindest einem zweiten Wellenbereich eines Nabenteils angeordnet. Ferner wird das Wellenteil mit dem Nabenteil über die ineinander angeordneten Längenbereiche verbunden. Üblicherweise wird die Welle-Nabe-Verbindung mittels eines thermischen Fügeprozesses hergestellt, in dessen Rahmen beispielsweise das Nabenteil zumindest in dem zweiten Längenbereich erwärmt wird und/oder das Wellenteil zumindest in dem ersten Längenbereich gekühlt wird. Hierdurch wird beispielsweise eine Innenumfangsvergrößerung des zweiten Längenbereichs beziehungsweise eine Außenumfangsverkleinerung des ersten Längenbereichs bewirkt, wodurch beispielsweise das Nabenteil auf das Wellenteil aufgeschrumpft beziehungsweise das Wellenteil in das Nabenteil eingeschrumpft werden kann. Insbesondere werden die Längenbereiche in erwärmtem beziehungsweise gekühltem Zustand ineinander angeordnet. Kühlt sich dann das Nabenteil ab beziehungsweise erwärmt sich dann das Wellenteil, so bildet sich zwischen den Längenbereichen ein Presssitz aus, wodurch das Wellenteil mit dem Nabenteil verpresst wird beziehungsweise umgekehrt.
Darüber hinaus offenbart die DE 41 07 222 A1 eine kraftschlüssige Verbindung zwischen einer rohrförmigen Welle aus einem Faserverbundwerkstoff und einem metallischen Anschlusselement. Aus der DE 36 33 435 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung einer gebauten Nockenwelle oder dergleichen bekannt.
Des Weiteren offenbart die DE 101 60 246 C1 eine zumindest abschnittsweise als Hohlwelle ausgebildete Welle mit einem über eine axial bewegliche Einrichtung durch mechanisches Aufweiten am Außenmantel befestigten Bauteil. Außerdem sind Welle-Nabe-Verbindungen aus der DE 42 09 153 C3 und aus der DE 199 45 097 A1 bekannt, bei denen jeweilige Nabenteile mit jeweiligen Wellenteilen durch Keilprofile verbunden sind.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Welle-Nabe-Verbindung der eingangs genannten Art derart weiterzuentwickeln, dass die Welle-Nabe-Verbindung auf besonders kostengünstige Weise hergestellt werden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch eine Welle-Nabe-Verbindung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 10 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Welle-Nabe-Verbindung. Bei dem Verfahren wird zumindest ein erster Längenbereich eines Wellenteils in zumindest einem zweiten Wellenbereich eines Nabenteils angeordnet. Das Wellenteil ist dabei ein erstes Bauelement oder wird auch als erstes Bauelement bezeichnet, wobei das Nabenteil ein zweites Bauelement ist beziehungsweise auch als zweites Bauelement bezeichnet wird. Das Nabenteil weist beispielsweise eine Nabe auf. Die Nabe ist eine beispielsweise zumindest in dem zweiten Längenbereich angeordnete Aufnahmeöffnung, in welcher der erste Längenbereich aufgenommen werden kann. Das Wellenteil ist im Allgemeinen ein Bauteil, dessen erster Längenbereich in dem zweiten Wellenbereich und somit in der Nabe anzuordnen ist beziehungsweise angeordnet wird, um die Bauelemente zumindest kraftschlüssig miteinander zu verbinden. Dabei muss das Wellenteil nicht notwendigerweise als eine Welle im eigentlichen Sinne ausgebildet sein, kann jedoch als eine Welle ausgebildet sein. Durch das zumindest kraftschlüssige Verbinden werden die Bauelemente beispielsweise zumindest derart miteinander verbunden, dass Relativdrehungen sowie translatorische Relativbewegungen zwischen den Bauelementen verhindert sind. Durch das zumindest kraftschlüssige Verbinden der Bauelemente miteinander wird beispielsweise zumindest zwischen den Längenbereichen ein Presssitz beziehungsweise eine Pressverbindung ausgebildet, wodurch die Bauelemente beispielsweise drehfest und verschiebefest miteinander verbunden werden.
Um nun die Welle-Nabe-Verbindung auf besonders energiegünstige und somit effiziente Weise herstellen zu können, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass - bevor die Längenbereiche ineinander angeordnet werden, das heißt bevor der erste Längenbereich in dem zweiten Längenbereich angeordnet wird - der zweite Längenbereich mittels einer zusätzlich zu den Bauelementen vorgesehenen, von den Bauelementen unterschiedlichen Vorrichtung aufgeweitet wird, wobei der zweite Längenbereich durch das mechanische Aufweiten zumindest elastisch aufgeweitet und dadurch aus einem Ausgangszustand in einen Verformungszustand überführt wird. In dem Ausgangszustand ist der zweite Längenbereich beziehungsweise das Nabenteil zumindest in dem zweiten Längenbereich nicht elastisch verformt beziehungsweise elastisch unverformt. In dem Ausgangszustand weist beispielsweise der zweite Längenbereich beziehungsweise die Nabe einen ersten Innenumfang, insbesondere einen ersten Innendurchmesser, auf. In dem Verformungszustand weist beispielsweise die Nabe beziehungsweise der zweite Längenbereich einen zweiten Innenumfang, insbesondere einen zweiten Innendurchmesser, auf. Der zweite Innenumfang, insbesondere der zweite Innendurchmesser, ist dabei größer als der erste Innenumfang, insbesondere als der erste Innendurchmesser. Die Nabe kann innenumfangsseitig zylindrisch ausgebildet sein oder aber eine von einer zylindrischen Form unterschiedliche Form aufweisen.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird - während sich der zweite Längenbereich in dem Verformungszustand befindet, insbesondere während der zweite Längenbereich in dem Verformungszustand mittels der Vorrichtung gehalten wird - der erste Längenbereich in dem zweiten Längenbereich angeordnet. Da sich der zweite Längenbereich und somit das Nabenteil in dem Verformungszustand befinden, während der erste Längenbereich in dem zweiten Längenbereich beziehungsweise in der Nabe angeordnet wird, kann beispielsweise der erste Längenbereich auf besonders einfache Weise und insbesondere dadurch in dem zweiten Längenbereich angeordnet werden, dass das Wellenteil, insbesondere in axialer Richtung des Wellenteils, translatorisch relativ zu dem Nabenteil bewegt wird. Hierdurch wird beispielsweise der erste Längenbereich in den zweiten Längenbereich eingesteckt beziehungsweise der zweite Längenbereich wird auf den ersten Längenbereich aufgestülpt beziehungsweise über den ersten Längenbereich übergestülpt.
Des Weiteren ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass - nach dem Anordnen des ersten Längenbereiches in dem zweiten Längenbereich - die durch die Vorrichtung bewirkte mechanische Aufweitung des zweiten Längenbereichs beendet wird, wodurch ein elastisches Zurückverformen des zweiten Längenbereiches in Richtung des Ausgangszustands zugelassen wird und die Bauelemente über die Längenbereiche zumindest kraftschlüssig miteinander verbunden werden. Mit anderen Worten, da der zweite Längenbereich in dem Verformungszustand elastisch verformt ist, verformt sich der zweite Längenbereich dann, wenn die mittels der Vorrichtung bewirkte Aufweitung des zweiten Längenbereichs beendet wird, selbstständig beziehungsweise selbsttätig zurück in Richtung des Ausgangszustands. Hierbei kommt beispielsweise der zweite Längenbereich, insbesondere eine innenumfangsseitige, in dem zweiten Längenbereich vorgesehene Mantelfläche des Nabenteils in Stützanlage mit dem ersten Längenbereich, insbesondere mit einer außenumfangsseitigen, in dem ersten Längenbereich vorgesehenen Mantelfläche des Wellenteils, wodurch beispielsweise die Bauelemente über die Längenbereiche miteinander verpresst werden beziehungsweise einen Presssitz ausbilden. Der erste Längenbereich beziehungsweise das Wellenteil verhindert beispielsweise, dass der zweite Längenbereich vollständig in den Ausgangszustand zurückkehrt. Der zweite Längenbereich kehrt somit - ausgehend von dem Verformungszustand - nicht vollständig in den Ausgangszustand zurück, sondern kommt beispielsweise in einen Zwischenzustand, in welchem beispielsweise der zweite Längenbereich, insbesondere elastisch, verformt ist. Insbesondere ist beispielsweise der zweite Längenbereich beziehungsweise das Nabenteil in dem zweiten Längenbereich gegenüber dem Ausgangszustand stärker, insbesondere elastisch, verformt und gegenüber dem Verformungszustand weniger stark, insbesondere elastisch, verformt. Ferner ist es denkbar, dass das Wellenteil außenumfangsseitig zylindrisch ausgebildet ist oder aber eine von einer zylindrischen Form unterschiedliche Form aufweist.
Somit weist beispielsweise der zweite Längenbereich in dem Zwischenzustand einen dritten Innenumfang, insbesondere einen dritten Innendurchmesser, auf, welcher geringer als der zweite Innenumfang, insbesondere als der zweite Innendurchmesser, jedoch größer als der erste Innenumfang, insbesondere der erste Innendurchmesser, ist. Auf diese Weise werden die Bauelemente über die Längenbereiche zumindest kraftschlüssig miteinander verbunden. Daraufhin wird beispielsweise die Vorrichtung von der hergestellten Welle-Nabe-Verbindung, insbesondere von dem Nabenteil, gelöst und entfernt, sodass daraufhin die Vorrichtung wiederverwendet werden kann, um weitere Welle-Nabe-Verbindungen auf die beschriebene Weise und somit mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens herzustellen.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht es, die Bauelemente ohne thermischen Fügeprozess und somit ohne Erwärmen des Nabenteils beziehungsweise Kühlen des Wellenteils herzustellen oder ein solcher thermischer Fügeprozess kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kombiniert und dabei jedoch besonders energiegünstig durchgeführt werden, sodass die Bauelemente besonders energie- und somit kostengünstig zumindest kraftschlüssig miteinander verbunden werden können.
Der Erfindung liegt dabei insbesondere die folgende Erkenntnis zugrunde: Bei einer kraftschlüssigen Welle-Nabe-Verbindung erfolgt eine Fixierung von Bauelementen üblicherweise über eine geeignete Passung, das heißt über ein geeignetes Übermaß zwischen den auch als Baugruppen bezeichneten, zu verbindenden Bauelementen, insbesondere zwischen ihren jeweiligen Längenbereichen. Dabei ist es beispielsweise denkbar, das Wellenteil in seiner axialen Richtung in die Nabe einzupressen, wozu radiale Presskräfte überwunden werden müssen. Um die zu überwindenden, auch als Einpresskräfte bezeichneten, Presskräfte gering zu halten, kann beispielsweise ein jeweiliges, thermisches Ausdehnungsverhalten des jeweiligen Bauelements genutzt werden. Hierbei wird beispielsweise, insbesondere dann, wenn zumindest eines der Bauelemente aus einem Eisenwerkstoff gebildet ist, das Wellenteil zumindest in dem ersten Längenbereich gekühlt und/oder das Nabenteil wird zumindest in dem zweiten Längenbereich erwärmt, um die Bauelemente im Rahmen eines thermischen Fügeverfahrens beziehungsweise eines thermischen Fügeprozesses miteinander zu verbinden. Für solche thermische Fügeverfahren ist jedoch ein hoher Energieaufwand erforderlich, sodass ein solches herkömmliches thermisches Fügeverfahren nur sehr energie-, zeit- und kostenaufwendig durchgeführt werden kann. Ferner wurde gefunden, dass herkömmliche thermische Fügeverfahren an ihre Grenzen stoßen, wenn eine maximale Temperaturdifferenz des jeweiligen Bauteils durch eine technisch sinnvolle minimale und materialtechnisch mögliche maximale Temperatur des jeweiligen Bauelements erreicht ist. Dies bedeutet, dass das Nabenteil nicht beliebig stark erwärmt und das Wellenteil nicht beliebig stark gekühlt werden kann, da es sonst zu unerwünschten Eigenschaftsveränderungen des jeweiligen Bauelements kommen könnte.
Durch Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es nun möglich, die Bauelemente besonders fest miteinander zu verbinden, ohne die Bauelemente übermäßig thermisch beeinflussen zu müssen, das heißt ohne das Nabenteil übermäßig erwärmen und das Wellenteil übermäßig kühlen zu müssen. Hierzu wird das Nabenteil zumindest in dem zweiten Längenbereich mechanisch aufgeweitet, wobei diese mechanische Aufweitung zumindest so lange beibehalten wird, bis der erste Längenbereich in dem zweiten Längenbereich angeordnet ist. Danach wird die durch die Vorrichtung bewirkte mechanische Aufweitung beendet, sodass sich das Nabenteil in dem zweiten Längenbereich elastisch beziehungsweise selbstständig in Richtung des Ausgangszustands zurückverformen kann. In der Folge bilden die Bauelemente mit den Längenbereichen einen Presssitz miteinander aus, wodurch die Bauelemente zumindest kraftschlüssig miteinander verbunden werden.
Insbesondere ist es denkbar, dass die im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehene mechanische Aufweitung mit einem thermischen Fügeprozess kombiniert werden kann, um eine Verbindung der Bauelemente über die Längenbereiche mit einem Übermaß zu realisieren. Insbesondere können hierbei die Bauelemente mit einem solchen Übermaß miteinander verbunden werden, was bislang durch herkömmliche thermische Fügeprozesse nicht realisiert werden konnte. Alternativ oder zusätzlich ist eine Kombination des erfindungsgemäßen Verfahrens mit wenigstens einem oder mehreren kalten Fügeverfahren möglich, um eine besonders feste Verbindung zwischen den Bauelementen zu realisieren. Eine Aufnahme bzw. Aufnahmeöffnung des Nabenteils kann je nach Ausführungsform einen konstanten Querschnitt aufweisen, oder auch nicht. Ggf. kann in diesem Zusammenhang auch mit Formbohrungen gearbeitet werden.
In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung wird der zweite Längenbereich mittels der Vorrichtung dadurch mechanisch und elastisch aufgeweitet, dass die Vorrichtung in radialer Richtung des Nabenteils nach außen wirkende Kräfte mechanisch auf das Nabenteil ausübt. Hierzu wird beispielsweise die Vorrichtung in, insbesondere formschlüssiges, Zusammenwirken mit dem Nabenteil gebracht. Die zum Aufweiten vorgesehenen Kräfte können somit formschlüssig von der Vorrichtung auf das Nabenteil übertragen werden, sodass auch besonders hohe Kräfte zum Aufweiten des zweiten Längenbereichs realisiert werden können. Im Rahmen des Aufweitens wird das Nabenteil beispielsweise zumindest in dem zweiten Längenbereich aufgespreizt. Auf diese Weise kann das Nabenteil in dem zweiten Längenbereich besonders stark aufgeweitet werden, sodass einerseits der erste Längenbereich auf besonders einfache Weise in dem zweiten Längenbereich angeordnet werden kann. Andererseits können die Bauelemente besonders stark miteinander verpresst und dadurch besonders stark miteinander verbunden werden. Gemäß einer Ausführungsform ist das Nabenteil ein Blechpaket einer elektrischen Maschine, welches eine Mehrzahl von Zähnen aufweist. Die zum Aufweiten vorgesehenen Kräfte wirken z. B. auf die Zähne. Mit anderen Worten zieht die Vorrichtung an dem jeweiligen Zahn, um dadurch eine Aufnahmeöffnung des Blechpakets aufzuweiten und in der Folge in den Verformungszustand zu bringen und insbesondere in dem Verformungszustand zu halten etc.
Als besonders vorteilhaft hat es sich gezeigt, wenn der zweite Längenbereich mittels der Vorrichtung dadurch mechanisch und elastisch aufgeweitet wird, dass das Nabenteil mittels der Vorrichtung um eine Drehachse gedreht wird, sodass auf das Nabenteil Fliehkräfte wirken, mittels welchen der zweite Längenbereich mechanisch und elastisch aufgeweitet wird. Hierdurch kann beispielsweise das Nabenteil zumindest in dem zweiten Längenbereich besonders stark aufgeweitet werden, ohne dass beispielsweise ein übermäßig starkes Zusammenwirken zwischen der Vorrichtung und dem Nabenteil erforderlich ist. Dadurch können beispielsweise Beschädigungen des Nabenteils sicher vermieden werden.
Eine weitere Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass die Drehachse mit der axialen Richtung des Nabenteils zusammenfällt. Hierdurch kann das Verfahren besonders zeit- und somit kostengünstig durchgeführt werden.
Um das Verfahren besonders einfach und somit kostengünstig durchführen zu können, ist es in weiterer Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass der erste Längenbereich in dem zweiten Längenbereich angeordnet wird, während das Nabenteil mittels der Vorrichtung um die Drehachse gedreht wird. Der erste Längenbereich kann somit ohne oder mit nur geringen, insbesondere in axialer Richtung des Nabenteils wirkenden, Kräften in dem zweiten Längenbereich angeordnet werden, sodass die Bauelemente besonders schonend sowie zeit- und kostengünstig miteinander verbunden werden können.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird der erste Längenbereich in dem zweiten Längenbereich angeordnet, während eine Drehung des Wellenteils um die Drehachse unterbleibt. Dadurch kann das Verfahren besonders zeit- und somit kostengünstig durchgeführt werden. Insbesondere wird der erste Längenbereich beispielsweise dadurch in dem zweiten Längenbereich angeordnet, dass das Wellenteil entlang der Drehachse beziehungsweise in axialer Richtung des Nabenteils relativ zu dem Nabenteil translatorisch bewegt wird, wodurch beispielsweise der erste Längenbereich in den zweiten Längenbereich eingesteckt wird.
Eine weitere Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass die Bauelemente als Bauelemente einer elektrischen Maschine, insbesondere eines Rotors einer elektrischen Maschine, ausgebildet sind. Dieser Ausführungsform liegt die Erkenntnis zugrunde, dass insbesondere Bauelemente einer elektrischen Maschine anfällig gegenüber Schäden oder Beeinflussungen sein können, die durch herkömmliche thermische Fügeverfahren bewirkt werden können. Gleichzeitig ist es jedoch auch wünschenswert, Bauelemente einer elektrischen Maschine besonders fest miteinander zu verbinden, sodass die Bauelemente auch bei hohen Drehzahlen der elektrischen Maschine miteinander verbunden bleiben. Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es nun einerseits möglich, die Bauelemente der elektrischen Maschine besonders schonend miteinander zu verbinden, wobei insbesondere eine thermische Beeinflussung der Bauelemente vermieden oder zumindest gering gehalten werden kann. Insbesondere kann eine thermische Beeinflussung der Bauelemente der elektrischen Maschine derart gering gehalten werden, dass thermisch bedingte Eigenschaftsänderungen vermieden werden können. Andererseits ermöglicht es das erfindungsgemäße Verfahren, die Bauelemente der elektrischen Maschine besonders fest, das heißt beispielsweise mit einem besonders großen Übermaß miteinander zu verbinden.
In besonders vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung wird als das Nabenteil ein Blechpaket der elektrischen Maschine, insbesondere des Rotors, verwendet. Insbesondere ein solches Blechpaket einer elektrischen Maschine wurde als anfällig gegenüber Schäden oder Beeinflussen identifiziert, die durch herkömmliche thermische Fügeverfahren bewirkt werden können. Unerwünschte Beeinflussungen und Schäden können nun jedoch durch das erfindungsgemäße Verfahren vermieden werden, wobei das Blechpaket besonders fest mit dem anderen Bauelement verbunden werden kann. Dabei ist beispielsweise das Wellenteil eine Welle, insbesondere eine Rotorwelle, mit welcher das Blechpaket besonders fest verbunden werden kann. Dadurch können beispielsweise auch bei sehr hohen Drehzahlen des Rotors besonders hohe Drehmomente zwischen dem Blechpaket und der Welle übertragen werden, ohne dass es zu einer Relativverschiebung oder einer Relativdrehung zwischen dem Blechpaket und der Welle kommt.
Schließlich hat es sich als besonders vorteilhaft gezeigt, wenn die Längenbereiche derart ineinander angeordnet werden, dass die Bauelemente in axialer Richtung relativ zueinander bewegt werden, wodurch der erste Längenbereich in axialer Richtung in den zweiten Längenbereich eingesteckt wird. Hierdurch kann das Verfahren besonders zeit- und kostengünstig durchgeführt werden.
Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft eine Welle-Nabe-Verbindung, insbesondere für ein Kraftfahrzeug. Die Welle-Nabe-Verbindung umfasst ein zumindest einen ersten Längenbereich aufweisendes Wellenteil als erstes Bauelement und ein zumindest einen zweiten Längenbereich aufweisendes Nabenteil als zweites Bauelement, welches über die ineinander angeordneten Längenbereiche zumindest kraftschlüssig mit dem Wellenteil verbunden ist.
Um nun die Bauelemente besonders fest und kostengünstig miteinander verbinden zu können, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Bauelemente durch mechanisches und zumindest elastisches Aufweiten des zweiten Längenbereichs zumindest kraftschlüssig miteinander verbunden sind. Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des ersten Aspekts der Erfindung sind als Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des zweiten Aspekts der Erfindung anzusehen und umgekehrt.
Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigt:

1 eine schematische und geschnittene Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Welle-Nabe-Verbindung einer elektrischen Maschine, insbesondere für ein Kraftfahrzeug; und
2 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen der Welle-Nabe-Verbindung.

In den Fig. sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.
1 zeigt ausschnittsweise in einer schematischen und geschnittenen Seitenansicht eine im Ganzen mit 1 bezeichnete elektrische Maschine für ein Kraftfahrzeug, insbesondere für einen Kraftwagen wie beispielsweise einen Personenkraftwagen. Das Kraftfahrzeug umfasst in seinem vollständig hergestellten Zustand einen Antriebsstrang, mittels welchem das Kraftfahrzeug antreibbar ist. Dabei umfasst der Antriebsstrang zumindest die elektrische Maschine 1, mittels welcher wenigstens ein Rad oder mehrere Räder des Kraftfahrzeugs elektrisch antreibbar sind bzw. welche beim Antrieb zumindest unterstützen. Dadurch kann das Kraftfahrzeug mittels der elektrischen Maschine 1 elektrisch angetrieben werden. Die elektrische Maschine 1 umfasst ein Gehäuse 2 und einen zumindest teilweise, insbesondere zumindest überwiegend oder vollständig, in dem Gehäuse 2 angeordneten Stator 3, welcher beispielsweise an dem Gehäuse 2 festgelegt und somit drehfest mit dem Gehäuse 2 verbunden ist. Die elektrische Maschine 1 umfasst ferner einen Rotor 4, welcher von dem Stator 3 antreibbar und dadurch um eine Drehachse 5 relativ zu dem Stator 3 drehbar ist. Die elektrische Maschine 1 kann beispielsweise über den Rotor 4 Drehmomente zum Antreiben des Kraftfahrzeugs bereitstellen. Der Rotor 4 umfasst eine Welle-Nabe-Verbindung 6, die als erstes Bauelement ein Wellenteil in Form einer auch als Rotorwelle bezeichneten Welle 7 des Rotors 4 umfasst. Ferner umfasst die Welle-Nabe-Verbindung 6 als zweites Bauelement ein Nabenteil in Form eines Blechpakets 8 des Rotors 4. Das Blechpaket 8 ist dabei auf der Welle 7 derart angeordnet, dass zumindest ein erster Längenbereich L1 der Welle 7 in zumindest einem korrespondierenden zweiten Längenbereich L2 des Blechpakets 8 aufgenommen beziehungsweise angeordnet ist. Außerdem sind die Bauelemente (Welle 7 und Blechpaket 8) über die Längenbereiche L1 und L2 zumindest kraftschlüssig miteinander verbunden, insbesondere derart, dass Relativdrehungen zwischen den Bauelementen um die Drehachse 5 verhindert sind. Außerdem sind translatorische Relativbewegungen zwischen den Bauelementen entlang der Drehachse 5 und somit in axialer Richtung des Rotors 4 vermieden. Die axiale Richtung des Rotors 4 fällt mit der Drehachse 5 zusammen und ist die axiale Richtung des Blechpakets 8 und der Welle 7. Das Blechpaket 8 wird auch als Rotorblechpaket bezeichnet, das Bestandteil des Rotors 4 ist.
In dem Längenbereich L2 weist das Blechpaket 8 eine besonders gut aus 2 erkennbare und auch als Nabe bezeichnete Aufnahmeöffnung 9 auf, welche beispielsweise als Durchgangsöffnung ausgebildet ist. Die Aufnahme 9 wird auch als Bohrung bezeichnet und weist beispielsweise einen in 2 durch einen Doppelpfeil 10 veranschaulichten und mit einem Innenumfang der Nabe korrespondierenden Innendurchmesser auf. Wie im Folgenden noch genauer erläutert wird, sind die Bauelemente (Blechpaket 8 und Welle 7) durch mechanisches und zumindest elastisches Aufweiten des zweiten Längenbereichs L2 zumindest kraftschlüssig miteinander verbunden. Im Rahmen eines Verfahrens zu einem Herstellen der Welle-Nabe-Verbindung 6 wird der erste Längenbereich L1 in dem zweiten Längenbereich L2 angeordnet, und die Bauelemente werden zumindest kraftschlüssig über die ineinander angeordneten Längenbereiche L1 und L2 miteinander verbunden.
Um nun die Welle-Nabe-Verbindung 6 auf besonders energiegünstige und somit kostengünstige Weise herstellen zu können, ist es bei dem Verfahren vorgesehen, dass - bevor die Längenbereiche L1 und L2 ineinander angeordnet werden, das heißt bevor der Längenbereich L1 in dem Längenbereich L2 angeordnet wird - das Blechpaket 8 zumindest in dem zweiten Längenbereich L2 mittels einer zusätzlich zu den Bauelementen vorgesehenen und von den Bauelementen unterschiedlichen Vorrichtung 11 mechanisch und elastisch aufgeweitet wird, sodass der zweite Längenbereich L2 mechanisch und elastisch aufgeweitet und dadurch beispielsweise aus einem in 2 mit A bezeichneten Ausgangszustand in einen Verformungszustand überführt wird. In dem Ausgangszustand A weist der Innenumfang der Nabe (Aufnahmeöffnung 9) einen ersten Wert auf. In dem Verformungszustand weist der Innenumfang der Nabe einen gegenüber dem ersten Wert größeren zweiten Wert auf. Während sich der zweite Längenbereich L2 in dem Verformungszustand befindet, wird der erste Längenbereich L1 in dem zweiten Längenbereich L2 angeordnet, indem beispielsweise die Welle 7 entlang ihrer axialen Richtung relativ zu dem Blechpaket 8 bewegt und dadurch in die Nabe eingesteckt wird, insbesondere derart, dass der Längenbereich L1 in den Längenbereich L2 kommt. Nach dem Anordnen des ersten Längenbereiches L1 in dem zweiten Längenbereich L2 wird die durch die Vorrichtung 11 bewirkte Aufweitung des zweiten Längenbereichs L2 beendet, wodurch ein elastisches Zurückverformen des zweiten Längenbereichs L2 in Richtung des Ausgangszustands zugelassen wird.
Hierbei kommt beispielsweise eine innenumfangsseitige Mantelfläche 12 des Blechpakets 8 in Stützanlage mit einer außenumfangsseitigen Mantelfläche 13 der Welle 7, wobei die innenumfangsseitige Mantelfläche 12 in dem Längenbereich L2 angeordnet ist und die Aufnahmeöffnung 9 begrenzt. Die außenumfangsseitige Mantelfläche 13 ist zumindest in dem ersten Längenbereich L1 angeordnet. In dem Längenbereich L1 weist beispielsweise die Welle 7 einen mit einem Außendurchmesser korrespondierenden Außenumfang auf, wobei der Außenumfang beispielsweise einen gegenüber dem ersten Wert größeren und gegenüber dem zweiten Wert geringeren dritten Wert aufweist. Somit weist der Außenumfang gegenüber dem Innenumfang im Ausgangszustand A ein Übermaß auf. In der Folge verformt sich der Längenbereich L2 ausgehend von dem Verformungszustand nicht vollständig zurück in den Ausgangszustand A, sondern der Längenbereich L1, insbesondere dessen Außenumfang, bewirkt, dass sich der Längenbereich L2 lediglich in einen Zwischenzustand zurückverformt und somit in dem Zwischenzustand zum Stehen beziehungsweise zum Liegen kommt. In dem Zwischenzustand weist der Innenumfang der Aufnahmeöffnung 9 einen vierten Wert auf, welcher größer als der erste Wert und geringer als der zweite Wert ist. Insbesondere kann der vierte Wert dem dritten Wert entsprechen, wenn beispielsweise das Verformen des Längenbereichs L2 in den Zwischenzustand keine Verringerung des Außenumfangs bewirkt. In dem Zwischenzustand ist beispielsweise der Längenbereich L2, insbesondere zumindest oder ausschließlich, elastisch verformt, sodass sich zwischen den Längenbereichen L1 und L2 ein Presssitz beziehungsweise eine Pressverbindung ausbildet. Dadurch sind die Bauelemente zumindest kraftschlüssig derart miteinander verbunden, dass die Bauelemente drehfest miteinander verbunden sind und dass Relativverschiebungen zwischen den Bauelementen entlang der Drehachse 5 und um die Drehachse 5 verhindert sind.
Nach dem kraftschlüssigen Verbinden der Bauelemente miteinander wird die Vorrichtung 11 von der Welle-Nabe-Verbindung 6, insbesondere von dem Blechpaket 8, gelöst und entfernt und kann zur Herstellung weiterer Welle-Nabe-Verbindungen verwendet werden.
Bei dem in den Figuren veranschaulichten Ausführungsbeispiel wird der zweite Längenbereich L2 mittels der Vorrichtung 11 dadurch mechanisch und elastisch aufgeweitet, dass die Vorrichtung 11 in radialer Richtung des Blechpakets 8 nach außen wirkende und in 2 durch Pfeile 14 veranschaulichte Kräfte mechanisch auf das Blechpaket 8 ausübt. Aus 2 ist besonders gut erkennbar, dass das Blechpaket 8 eine Mehrzahl von Zähnen 15 aufweist, welche in Umfangsrichtung des Blechpakets 8, insbesondere gleichmäßig, verteilt angeordnet und voneinander beabstandet sind. Die Umfangsrichtung des Blechpakets 8 ist in 2 durch einen Doppelpfeil 16 veranschaulicht. Die Zähne 15 dienen beispielsweise dazu, in 2 nicht dargestellte Spulen und somit wenigstens eine Wicklung des Rotors 4 zu tragen beziehungsweise zu halten. Der jeweilige Zahn 15 weist einen ersten Teilbereich 17 und einen sich daran anschließenden Teilbereich 18 auf, welcher sich beispielsweise in radialer Richtung des Blechpakets 8 an den Teilbereich 17 anschließt. Dabei veranschaulicht der Doppelpfeil 10 auch die radiale Richtung des Blechpakets 8.
Der Teilbereich 18 weist eine in Umfangsrichtung des Blechpakets 8 verlaufende größere Erstreckung als der Teilbereich 17 auf. Dadurch kann die Vorrichtung 11 beispielsweise derart formschlüssig mit dem jeweiligen Zahn 15 zusammenwirken, dass die Vorrichtung 11 den jeweiligen Teilbereich 18 und somit den jeweiligen Zahn 15 hintergreift. Dabei sind beispielsweise jeweilige Wandungen 19 der Vorrichtung 11 in radialer Richtung des Blechpakets 8 nach außen an dem Teilbereich 18 abgestützt, sodass beispielsweise die jeweilige, in radialer Richtung des Blechpakets 8 nach außen wirkende Kraft über die Wandungen 19 und den Teilbereich 18 auf den jeweiligen Zahn 15 übertragen wird. Die jeweilige Kraft ist eine Zugkraft, sodass die Vorrichtung 11 auf den jeweiligen Zahn 15 eine Zugkraft ausübt. Mit anderen Worten zieht die Vorrichtung 11 an dem jeweiligen Zahn 15, um dadurch die Aufnahmeöffnung 9 aufzuweiten und in der Folge in den Verformungszustand zu bringen und insbesondere in dem Verformungszustand zu halten. Wird das Ausüben der jeweiligen Zugkraft auf den jeweiligen Zahn 15 beendet, so kann sich der Längenbereich L2 aus dem Verformungszustand elastisch und dabei selbstständig zurück in den Zwischenzustand verformen.
Alternativ oder zusätzlich ist es denkbar, dass das Blechpaket 8 in dem Längenbereich L2 derart mechanisch aufgeweitet wird, dass das Blechpaket 8 beispielsweise um die Drehachse 5 gedreht wird. Daraus resultieren beispielsweise Fliehkräfte, welche in radialer Richtung des Blechpakets 8 nach außen wirken und zur mechanischen und elastischen Aufweitung des Längenbereichs L2 führen.
Durch das beschriebene Verfahren ist es möglich, die Bauelemente ohne einen thermischen Fügeprozess miteinander zu verbinden. Ferner ist es möglich, das beschriebene Verfahren mit einem thermischen Fügeprozess zu kombinieren, wobei jedoch der thermische Fügeprozess besonders energiegünstig durchgeführt werden kann. In der Folge können die Bauelemente besonders energie- und somit zeit- und kostengünstig miteinander verbunden werden.
Bezugszeichenliste

1: elektrische Maschine
2: Gehäuse
3: Stator
4: Rotor
5: Drehachse
6: Welle-Nabe-Verbindung
7: Welle
8: Blechpaket
9: Aufnahmeöffnung
10: Doppelpfeil
11: Vorrichtung
12: innenumfangsseitige Mantelfläche
13: außenumfangsseitige Mantelfläche
14: Pfeil
15: Zahn
16: Doppelpfeil
17: Teilbereich
18: Teilbereich
19: Wandung
A: Ausgangszustand
L1: erster Längenbereich
L2: zweiter Längenbereich

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 4107222 A1 [0003]
DE 3633435 A1 [0003]
DE 10160246 C1 [0004]
DE 4209153 C3 [0004]
DE 19945097 A1 [0004]

Claims

Verfahren zum Herstellen einer Welle-Nabe-Verbindung (6), mit den Schritten: - Anordnen zumindest eines ersten Längenbereiches (L1) eines Wellenteils (7) als erstes Bauelement in zumindest einem zweiten Längenbereich (L2) eines Nabenteils (8) als zweites Bauelement; und - zumindest kraftschlüssiges Verbinden des Wellenteils (7) mit dem Nabenteil (8) über die ineinander angeordneten Längenbereiche (L1, L2); gekennzeichnet durch die Schritte: - bevor die Längenbereiche (L1, L2) ineinander angeordnet werden: mechanisches Aufweiten des zweiten Längenbereiches (L2) mittels einer zusätzlich zu den Bauelementen vorgesehenen Vorrichtung (11), wobei der zweite Längenbereich (L2) durch das mechanische Aufweiten zumindest elastisch aufgeweitet und dadurch aus einem Ausgangszustand (A) in einen Verformungszustand überführt wird; - während sich der zweite Längenbereich (L2) in dem Verformungszustand befindet: Anordnen des ersten Längenbereiches (L1) in dem zweiten Längenbereich (L2); - nach dem Anordnen des ersten Längenbereiches (L1) in dem zweiten Längenbereich (L2): Beenden der durch die Vorrichtung (11) bewirkten mechanischen Aufweitung des zweiten Längenbereiches (L2), wodurch ein elastisches Zurückverformen des zweiten Längenbereiches (L2) in Richtung des Ausgangszustands (A) zugelassen wird und die Bauelemente über die Längenbereiche (L1, L2) kraftschlüssig miteinander verbunden werden; und - Lösen und Entfernen der Vorrichtung (11) von der hergestellten Welle-Nabe-Verbindung (6).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Längenbereich (L2) mittels der Vorrichtung (11) dadurch mechanisch und elastisch aufgeweitet wird, dass die Vorrichtung (11) in radialer Richtung (10) des Nabenteils (8) nach außen wirkende Kräfte (14) mechanisch auf das Nabenteil (8) ausübt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Längenbereich (L2) mittels der Vorrichtung (11) dadurch mechanisch und elastisch aufgeweitet wird, dass das Nabenteil (8) mittels der Vorrichtung (11) um eine Drehachse (5) gedreht wird, sodass auf das (8) Nabenteil Fliehkräfte wirken, mittels welchen der zweite Längenbereich (L2) mechanisch und elastisch aufgeweitet wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehachse (5) mit der axialen Richtung des Nabenteils (8) zusammenfällt.
Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Längenbereich (L1) in dem zweiten Längenbereich (L2) angeordnet wird, während das Nabenteil (8) mittels der Vorrichtung (11) um die Drehachse (5) gedreht wird.
Verfahren nach einem Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Längenbereich (L1) in dem zweiten Längenbereich (L2) angeordnet wird, während eine Drehung des Wellenteils (7) um die Drehachse (5) unterbleibt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bauelemente als Bauelemente einer elektrischen Maschine (1), insbesondere eines Rotors (4) einer elektrischen Maschine (1), ausgebildet sind.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass als das Nabenteil (8) ein Blechpaket (8) der elektrischen Maschine (1), insbesondere des Rotors (4), verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Längenbereiche (L1, L2) derart ineinander angeordnet werden, dass die Bauelemente in axialer Richtung relativ zueinander bewegt werden, wodurch der erste Längenbereich (L1) in axialer Richtung in den zweiten Längenbereich (L2) eingesteckt wird.
Welle-Nabe-Verbindung (6), mit einem zumindest einen ersten Längenbereich (L1) aufweisenden Wellenteil (8) als erstes Bauelement, und mit einem zumindest einen zweiten Längenbereich (L2) aufweisenden Nabenteil (8) als zweites Bauelement, welches über die ineinander angeordneten Längenbereiche (L1, L2) zumindest kraftschlüssig mit dem Wellenteil (7) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Bauelemente durch mechanisches und zumindest elastisches Aufweiten des zweiten Längenbereiches (L2) zumindest kraftschlüssig miteinander verbunden sind.