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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum festen Verbinden einer Welle mit einem Rotorgehäuseteil. Die Erfindung betrifft ferner ein Rotorgehäuseteil, das einen Lagerflansch aufweist, mit dem eine Welle fest verbunden ist.
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Ein Rotorgehäuseteil gemäß der vorliegenden Erfindung kann insbesondere Teil eines Rotors eines Elektromotors sein. Hierbei kann es sich beispielsweise um den Elektromotor eines Lüftergebläses handeln, das in einem Kraftfahrzeug beispielsweise als Komponente der Motorkühlung vorgesehen ist.
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Die Verbindung zwischen Welle und Lagerflansch des Rotorgehäuseteils muss so beschaffen sein, dass auf die Welle axial wirkende Kräfte nicht zu einer Verschiebung der Welle relativ zum Lagerflansch führen, auch nicht um ein kleines Spiel. Eine axial auf die Welle wirkende Kraft, die gerade zu einer Verschiebung der Welle relativ zu dem Lagerflansch führt, wird auch als Auspresskraft bezeichnet. Die Verbindungstechnik zwischen Welle und Lagerflansch muss daher so beschaffen sein, dass sie ausreichend Widerstand gegen hohe Auspresskräfte bietet, d.h. eine hohe Auspresskraft besitzt.
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Bei bisherigen Verfahren zum festen Verbinden einer Welle mit einem Rotorgehäuseteil wird die Welle mit einer Übermaßpassung in den Lagerflansch eingesetzt. Die hierbei erreichbaren Auspresskräfte hängen von der axialen Länge des Lagerflansches, der Oberflächenrauigkeit des Lagerflansches und der Welle und dem Übermaß der Welle ab. Die mit einer Übermaßpassung erreichbaren Auspresskräfte können jedoch je nach Anforderung zu gering sein.
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Mittels eines längeren Lagerflansches lässt sich die Auspresskraft zwar erhöhen, allerdings sind der Länge des Lagerflansches Grenzen gesetzt. Wenn das Rotorgehäuseteil als Blechumformteil aus einer Platine gefertigt wird, und der Lagerflansch durch Lochen und Durchziehen eines Bodenabschnitts des Rotorgehäuseteils hergestellt wird, ist die erreichbare axiale Länge des Lagerflansches eher gering, und beträgt beispielsweise 1 bis 2 cm. Auch eine Erhöhung der Rauigkeiten von Welle und/oder Lagerflansch führt nicht zu einer deutlichen Erhöhung der erreichbaren Auspresskraft. Die Auspresskraft könnte durch eine Schweißung der Welle an den Lagerflansch deutlich erhöht werden, was jedoch einen zusätzlichen Verfahrensschritt und ggfls. die Verwendung eines Zusatzstoffes erfordert.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum festen Verbinden einer Welle mit einem Rotorgehäuseteil bereitzustellen, mit dem auch bei einem axial kurz bauenden Lagerflansch eine hohe Auspresskraft erreicht wird.
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Der Erfindung liegt des Weiteren die Aufgabe zugrunde, ein Rotorgehäuseteil mit fest verbundener Welle bereitzustellen, wobei die Welle einen hohen Widerstand gegen eine axiale Verschiebung relativ zum Lagerflansch besitzt.
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Erfindungsgemäß wird die dem Verfahren zugrunde liegende Aufgabe durch ein Verfahren zum festen Verbinden einer Welle mit einem Rotorgehäuseteil gelöst, mit:
- Bereitstellen des Rotorgehäuseteils mit einem Lagerflansch,
- Bereitstellen der Welle mit einem sich in Umfangsrichtung der Welle erstreckenden Freistich an einem Außenumfang der Welle,
- Einsetzen der Welle in den Lagerflansch, und
- Einbringen von Material des Lagerflansches in den Freistich.
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Das erfindungsgemäße Verfahren führt durch einen zumindest teilweisen Formschluss zwischen Material des Lagerflansches und der Welle zu einer Erhöhung der Auspresskraft, d.h. zu einer Erhöhung des Widerstandes gegen eine Verschiebung der Welle relativ zum Lagerflansch. Die Welle wird hierzu mit einem sich in Umfangsrichtung der Welle erstreckenden Freistich bereitgestellt. Der Freistich kann beispielsweise die Form einer Rille oder Nut aufweisen. Axial beabstandet können auch mehrere Freistiche an dem Außenumfang der Welle vorgesehen sein. Des Weiteren ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass Material des Lagerflansches in den Freistich eingebracht wird. Das Einbringen von Material wird vorzugsweise durch Umformung des Lagerflansches auf Höhe des Freistichs durchgeführt. Wenn die Welle am Außenumfang mehrere Freistiche axial verteilt aufweist, kann es vorgesehen sein, an mehreren Stellen des Lagerflansches Material von diesem in die Freistiche einzubringen.
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Der Freistich muss nicht vollständig mit Material des Lagerflansches gefüllt sein. Eine Erhöhung der Auspresskraft wird bereits erreicht, wenn der Freistich nur teilweise mit Material des Lagerflansches gefüllt ist.
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Durch den Freistich am Außenumfang der Welle und das Einbringen von Material des Lagerflansches in den Freistich wird nicht nur ein zumindest teilweiser Formschluss zwischen Welle und Lagerflansch erreicht, sondern es wird auch die Oberfläche des Anlagebereichs der Welle am Lagerflansch vergrößert, wodurch der Kraftschluss bzw. Reibschluss zwischen Welle und Lagerflansch erhöht wird, was ebenso den Widerstand gegen ein axiales Verschieben der Welle erhöht.
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Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass ein aufwändiger Arbeitsgang wie eine Schweißung der Welle an dem Lagerflansch nicht erforderlich ist. Ein noch weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass Material des Lagerflansches mittels eines Kaltumformvorganges in den Freistich eingebracht werden kann. Somit kann das Rotorgehäuseteil einschließlich des Verbindens des Rotorgehäuseteils mit der Welle allein durch Kaltumformvorgänge hergestellt werden, so dass die Vorteile einer Kaltverfestigung genutzt werden können.
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Das Einbringen von Material des Lagerflansches in den Freistich der Welle kann dass Formen einer Sicke, die als Voll- oder Halbsicke ausgebildet sein kann, in den Lagerflansch von einer Außenseite des Lagerflansches her umfassen. Eine Vollsicke wird geformt, wenn der Freistich vom freien Ende des Lagerflansches beabstandet ist. Eine Halbsicke wird geformt, wenn sich der Freistich unmittelbar am Ende des Lagerflansches befindet.
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Die Voll- oder Halbsicke kann sich vollumfänglich in Umfangsrichtung des Lagerflansches erstrecken.
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Das Einbringen von Material des Lagerflansches in den Freistich wird vorzugsweise mittels eines Rollierwerkzeuges durchgeführt.
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Rollieren des Lagerflansches zum Einbringen von Material desselben in den Freistich ist vorteilhaft einfach durchführbar. Außerdem kann durch Rollieren das Material des Lagerflansches in Umfangsrichtung gleichmäßig in den Freistich eingebracht werden, und es wird eine Kaltverfestigung des Materials des Lagerflansches im Freistich bewirkt.
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Das Einbringen von Material des Lagerflansches in den Freistich kann in anderen Ausgestaltungen mittels eines Schiebers, eines Umformwerkzeuges, eines Presswerkzeuges oder Zangenwerkzeuges eingebracht werden.
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Vorzugsweise erstreckt sich der Freistich vollumfänglich in Umfangsrichtung der Welle.
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Hierbei ist von Vorteil, dass aufgrund der vollständigen Rotationssymmetrie beim Einsetzen der Welle in den Lagerflansch für den nachfolgenden Vorgang des Einbringens von Material des Lagerflansches in den Freistich nicht auf eine bestimmte Drehstellung der Welle geachtet werden muss.
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Weiterhin ist es bevorzugt, wenn die Welle mit einem Übermaß bezüglich des Lagerflansches bereitgestellt wird, und das Einsetzen der Welle in den Lagerflansch ein Einpressen der Welle in den Lagerflansch umfasst.
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Hierbei ist von Vorteil, dass ein Teil des Verschiebewiderstandes durch die Übermaßpassung der Welle in dem Lagerflansch bereitgestellt wird, während das in den Freistich eingebrachte Material des Lagerflansches den Verschiebewiderstand der Welle relativ zum Lagerflansch auf die zu erreichende Auspresskraft erhöht. Durch die Kombination von Übermaßpassung und Formschluss wird der Verschiebewiderstand gegen ein Verschieben der Welle relativ zum Lagerflansch somit auf die gesamte Anlagefläche der Welle an dem Lagerflansch verteilt.
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Vorzugsweise wird das Rotorgehäuseteil als Blechumformteil bereitgestellt, und der Lagerflansch wird durch Lochen und Durchziehen eines Bodenabschnitts des Blechumformteils hergestellt.
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Insgesamt kann somit das Rotorgehäuseteil einschließlich des Vorgangs des festen Verbindens der Welle mit dem Lagerflansch durch Umformvorgänge, insbesondere Kaltumformvorgänge, bewerkstelligt werden.
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Vorzugsweise werden durch das Einbringen von Material des Lagerflansches in den Freistich zumindest 30% des Freistiches, vorzugsweise zumindest 50% des Freistiches, mit dem Material des Lagerflansches gefüllt.
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Wie bereits oben erwähnt, ist es nicht erforderlich, dass der Freistich vollständig mit Material des Lagerflansches gefüllt ist, um eine hohe Auspresskraft zu erreichen. Der Füllgrad des Freistiches mit Material des Lagerflansches kann somit auf die zu erreichende Auspresskraft angepasst werden.
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Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich insbesondere dann, wenn die axiale Länge des Lagerflansches gering ist, insbesondere wenn die axiale Länge des Lagerflansches geringer ist als die halbe axiale Länge der Welle.
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Weiterhin wird erfindungsgemäß ein Rotorgehäuseteil bereitgestellt, insbesondere ein Rotorgehäuseteil eines Elektromotors, mit einem Lagerflansch und einer Welle, die in den Lagerflansch eingesetzt und mit diesem fest verbunden ist, wobei die Welle einen sich in Umfangsrichtung der Welle erstreckenden Freistich an einem Außenumfang der Welle aufweist, und wobei Material des Lagerflansches in den Freistich eingreift.
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Das erfindungsgemäße Rotorgehäuseteil weist die gleichen Vorteile auf wie sie oben in Bezug auf das Verfahren beschrieben wurden. Das erfindungsgemäße Rotorgehäuseteil kann strukturelle Ausgestaltungen aufweisen, die sich aus den oben beschriebenen Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben.
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Eine Auspresskraft der Welle in zumindest einer Auspressrichtung beträgt vorzugsweise zumindest 5 kN, vorzugsweise zumindest 7 kN, bei einer Temperatur von 23° C.
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Derartige Auspresskräfte lassen sich durch eine Übermaßpassung der Welle im Lagerflansch allein nicht erreichen, insbesondere wenn der Lagerflansch nur eine geringe axiale Länge aufweist.
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Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und der beigefügten Zeichnung. Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden mit Bezug auf die Zeichnung nachfolgend näher beschrieben. Es zeigen:
- 1 einen Schnitt durch ein Rotorgehäuseteil gemäß einem Verfahrensstadium eines Verfahrens zum festen Verbinden einer Welle mit dem Rotorgehäuseteil;
- 2 perspektivisch eine Welle, die mit dem Rotorgehäuseteil in 1 zu verbinden ist;
- 3 einen Schnitt entsprechend 1, wobei die Welle in einem weiteren Verfahrensstadium in einen Lagerflansch des Rotorgehäuseteils eingesetzt worden ist;
- 4 einen Schnitt entsprechend 1 und 3, in einem weiteren Stadium des Verfahrens zum festen Verbinden der Welle mit dem Rotorgehäuseteil;
- 5 eine Draufsicht auf ein Rollierwerkzeug, das in dem Verfahren zum festen Verbinden der Welle mit dem Rotorgehäuseteil verwendet werden kann;
- 6 eine Seitenansicht des Werkzeugs in 5; und
- 7 einen vergrößerten Ausschnitt aus 6.
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1 zeigt ein Rotorgehäuseteil 10, mit dem eine in 2 gezeigte Welle 12 fest verbunden werden soll. Das Rotorgehäuseteil 10 ist bezüglich einer Achse 14 rotationssymmetrisch ausgebildet. Das Rotorgehäuseteil 10 gemäß 1 kann insbesondere durch Blechumformung aus einer Metallplatine, bspw. einer Stahl- oder Aluminiumplatine, gefertigt sein. Das Rotorgehäuseteil 10 weist einen Boden 16 und eine sich vom Boden 16 weg erstreckende Wand 18 auf, die sich um die Achse 14 vollumfänglich erstreckt.
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Das topfförmige Rotorgehäuseteil 10 kann beispielsweise durch Tiefziehen aus einer Platine hergestellt werden.
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Das Rotorgehäuseteil 10 weist weiterhin einen Lagerflansch 20 auf, der in Form eines Kragens am Boden 16 des Rotorgehäuseteils 10 einstückig bzw. einteilig mit dem Boden 16 ausgebildet ist. Der Lagerflansch 20 kann durch Lochen und Durchziehen eines Bodenabschnitts des Bodens 16 gebildet werden.
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Die Welle 12 ist als Zapfen 22 ausgebildet. Die Welle 12 weist einen sich in Umfangsrichtung der Welle 12 erstreckenden Freistich 24 an einem Außenumfang der Welle 12 auf. Der Freistich 24 ist in Form einer Nut oder Rille ausgebildet und kann eine Tiefe von etwa 0,3 mm bis 1 mm und eine axiale Weite von etwa 1 mm aufweisen. Der Zapfen 22 kann einen Durchmesser von etwa 1 cm aufweisen. Die Welle 12 weist eine deutlich größere Länge auf als der Lagerflansch 20, und zwar in dem gezeigten Ausführungsbeispiel eine mehr als fünfmal größere Länge. Die Länge des Lagerflansches 20 kann etwa 1 cm oder etwas weniger betragen.
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Nach dem Bereitstellen des Rotorgehäuseteils 10 wird gemäß 3 die Welle 12 in den Lagerflansch 20 eingesetzt. Die Welle 12 wird so in den Lagerflansch 20 eingesetzt, dass sich der Freistich 24 der Welle 12 und der Lagerflansch 20 überlappen. In dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel wird die Welle 12 so eingesetzt, dass sich der Freistich 24 innerhalb eines Endes 26 des Lagerflansches 20 befindet.
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Die Welle 12 kann gegenüber der lichten Weite der Öffnung 28 des Lagerflansches mit einem Übermaß bereitgestellt werden. In diesem Fall wird die Welle 12 in den Lagerflansch 20 eingepresst. Mit einer derartigen Übermaßpassung der Welle 12 in den Lagerflansch 20 können Auspresskräfte erreicht werden, die mitunter zu gering sein können. In 3 sind mit Pfeilen F1 und F2 axial auf die Welle 12 wirkende Kräfte veranschaulicht, die, wenn sie den Verschiebewiderstand, der durch die Übermaßpassung bereitgestellt wird, überwinden, zu einer axialen Verschiebung der Welle 12 relativ zu dem Lagerflansch 20 führen können, was jedoch vermieden werden soll. Eine Kraft, die den Verschiebewiderstand überwindet, wird als Auspresskraft bezeichnet.
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Um eine höhere Auspresskraft zu erreichen, als sie durch eine Übermaßpassung erreicht wird, wird in dem Verfahren zum festen Verbinden der Welle 12 mit dem Rotorgehäuseteil 10 in einem weiteren Schritt Material des Lagerflansches 20 in den Freistich 24 der Welle 12 eingebracht. Dies ist in 4 mit Pfeilen 30 veranschaulicht.
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Durch das Einbringen von Material des Lagerflansches 20 in den Freistich 24 der Welle 12 wird die Auspresskraft, die ein Verschieben der Welle 12 relativ zu dem Lagerflansch 20 in axialer Richtung bewirkt, deutlich erhöht. Es können hierdurch Auspresskräfte von 5 kN oder sogar über 7 kN erreicht werden, was mit einer Übermaßpassung bei einem derart kurzen Lagerflansch 20 allein nicht erreichbar ist.
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Das Einbringen von Material des Lagerflansches 20 in den Freistich 24 kann dadurch bewerkstelligt werden, dass von einer Außenseite des Lagerflansches 20 her eine Sicke 32 in Form einer Voll- oder Halbsicke in den Lagerflansch 20 geformt wird. In dem in 4 gezeigten Ausführungsbeispiel wird in den Lagerflansch 20 eine Halbsicke eingebracht. Eine Halbsicke bietet sich hier in Anbetracht der sehr kurzen axialen Länge des Lagerflansches 20 an. Wenn der Lagerflansch 20 eine größere axiale Länge aufweist, kann die Welle 12 so in den Lagerflansch eingesetzt werden, dass sich der Freistich 24 nicht am Ende 26 des Lagerflanschs 20 befindet, wie in 3 gezeigt ist, sondern tiefer in den Lagerflansch 20 eintaucht. In diesem Fall kann auch vorgesehen sein, eine Vollsicke in den Lagerflansch 20 zu formen, um so Material von dem Lagerflansch 20 in den Freistich 24 einzubringen.
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Das Einbringen von Material des Lagerflansches 20 in den Freistich 24 wird vorzugsweise mittels eines Rollierwerkzeuges durchgeführt, wobei ein solches Rollierwerkzeug später noch beschrieben wird. In anderen Ausführungsbeispielen kann das Material des Lagerflansches 20 in den Freistich 24 mittels eines Schiebers, eines Umformwerkzeuges, eines Presswerkzeuges oder Zangenwerkzeugs durchgeführt werden. Material des Lagerflansches 20 kann in den Freistich 24 auch nur abschnittsweise bzw. teilumfänglich in Umfangsrichtung des Freistichs eingebracht werden, sofern damit die gewünschte Auspresskraft erreicht wird. Unabhängig davon kann sich der Freistich 24 vollumfänglich um die Welle 12 erstrecken, und ebenso kann sich die Sicke 32 vollumfänglich in Umfangsrichtung des Lagerflansches 20 erstrecken.
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Beim Einbringen von Material des Lagerflansches 20 in den Freistich 24 muss letzterer nicht vollständig mit dem Material des Lagerflansches 20 gefüllt sein. Je nach zu erreichender Auspresskraft kann eine Füllung des Freistichs 24 mit dem Material des Lagerflansches 20 von 30% bis 50% ausreichen, um die erforderliche Auspresskraft zu erzielen. Ein höherer Füllgrad erhöht die Auspresskraft.
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4 zeigt das Rotorgehäuseteil 10 mit fest montierter Welle 12. Die Welle 12 ist sowohl in Richtung der Achse 14 als auch in Drehrichtung um die Achse 14 an dem Rotorgehäuseteil 10 unbeweglich festgelegt und besitzt einen hohen Widerstand gegen ein Verschieben relativ zu dem Lagerflansch 20.
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Das Rotorgehäuseteil 10 kann Teil eines Rotors eines nicht näher dargestellten Elektromotors sein, beispielsweise eines Elektromotors eines Lüftergebläses, wie es in einem Kraftfahrzeug als Teil des Motorkühlsystems eingesetzt werden kann.
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5 und 6 zeigen ein Rollierwerkzeug 40, das in dem Verfahrensschritt gemäß 4 zum Einbringen von Material des Lagerflansches 20 in den Freistich 24 der Welle 12 verwendet werden kann. Mit dem Rollierwerkzeug 40 kann insbesondere die Sicke 32, hier in Form einer Halbsicke, in den Lagerflansch 20 von seiner Außenseite her geformt werden.
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Das Rollierwerkzeug 40 weist einen Grundkörper 42 auf, der einerseits mit einem Antriebsschaft 46 verbunden ist, und andererseits drei Rollen 44a, 44b und 44c trägt. Die Rollen 44a sind drehbar an dem Grundkörper 42 gelagert, wie für die Rolle 44a mit einem Pfeil 48 veranschaulicht ist.
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Die Rollen 44a, 44b, 44c sind soweit voneinander beabstandet, dass sie von einer Seite 50 in 4 her über die Welle 12 gestülpt werden können, bis die Rollierflächen 52 der Rollen 44a, 44b, 44c auf Höhe des Freistichs 24 der Welle 12 angeordnet sind und mit dem Lagerflansch 20 außenseitig desselben in Eingriff kommen können. Durch Drehen des Grundkörpers 42 über den Antriebsschaft 46 wird die Außenseite des Lagerflansches 20 im Bereich dessen Endes 26 mittels der Rollen 44a, 44b, 44c rolliert, bis die Sicke 32 geformt und für die zu erreichende Auspresskraft erforderliche Menge an Material des Lagerflansches 20 in den Freistich 24 eingebracht ist.
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7 zeigt in einem vergrößerten Ausschnitt die Rollierfläche 52 der Rolle 44a, deren Formgebung sich für das Formen einer Halbsicke besonders gut eignet. In diesem Fall ist die Rollierfläche 52 radial etwas eingezogen. Wenn eine Vollsicke rolliert werden soll, eignet sich eine Rollierfläche, die radial von dem übrigen Körper der Rolle nach außen übersteht (nicht dargestellt).
