DE102020200351A1

DE102020200351A1 - Kupplungseinheit

Info

Publication number: DE102020200351A1
Application number: DE102020200351.3A
Authority: DE
Inventors: Alexander Elter
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2020-01-14
Filing date: 2020-01-14
Publication date: 2021-07-15

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Kupplungseinheit (10), mit zumindest einem um eine Längsachse (14) drehbaren ersten Element (12; 12a), das insbesondere aus Metall besteht und in einem Verbindungsbereich (20) zu einem Bauteil (16; 16a bis 16f) hohlzylindrisch oder zylindrisch ausgebildet ist, wobei das Bauteil (16; 16a bis 16f) hülsenförmig ausgebildet ist und aus Metall oder Kunststoff besteht und durch eine kraft- oder reibschlüssige oder formschlüssige Verbindung mit einer im Querschnitt runden Innen- oder Außenkontur des ersten Elements (12; 12a) verbunden ist, und wobei das Bauteil (16; 16a bis16f) dazu ausgebildet ist, an einer Innenkontur oder einer Außenkontur des Bauteils (16; 16a bis 16f) mit einem als Antriebs- oder Abtriebselement dienenden zweiten Element (19) zusammenzuwirken.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft eine Kupplungseinheit, wie sie zum Übertragen von Drehmomenten zum Beispiel im Rahmen der Elektromobilität in Verbindung mit einem elektromotorischen Antrieb verwendet werden kann. Dabei ist die Kupplungseinheit typischerweise als Bestandteil einer Welle-/Nabeverbindung zwischen einem Antriebselement als erstem Element und einem Abtriebselement als zweitem Element ausgebildet.
Stand der Technik
Verbindungen zur Übertragung von Drehmomenten zwischen zwei Elementen sind aus dem Stand der Technik in vielfältiger Art und Weise bekannt. Dabei ist üblicherweise in einem Verbindungsbereich zwischen den beiden Elementen eine unmittelbare kraft-, reib- oder formschlüssige Verbindung ausgebildet, welche durch eine entsprechende Geometrie beziehungsweise Bearbeitung der beiden Elemente bzw. Bauteile erzielt wird.
Offenbarung der Erfindung
Die erfindungsgemäße Kupplungseinheit mit den Merkmalen des Anspruchs 1 weist den Vorteil auf, dass sie auf besonders einfache Art und Weise Geometrieabweichungen im Verbindungsbereich zwischen zwei Elementen, die der Drehmomentübertragung dienen, ausgleichen kann. Dies hat zur Folge, dass hinsichtlich der erforderlichen Toleranzen der Geometrien der beiden Elemente geringere Anforderungen gestellt werden können, was beispielsweise die Fertigungskosten verringert oder aber die Verwendung alternativer Bearbeitungsmethoden erlaubt. Darüber hinaus ermöglicht es die erfindungsgemäße Kupplungseinheit zusätzlich, in Art einer Rutschkupplung die Größe des maximal zu übertragenden Drehmoments zwischen den beiden Elementen auf besonders einfache Art und Weise zu begrenzen.
Der Erfindung liegt die Idee zugrunde, die Kupplungseinheit zwischen dem angetriebenen Element und dem antreibenden Element im Verbindungsbereich durch ein zusätzliches Bauteil auszubilden, das zur Drehmomentübertragung zwischen dem ersten und dem zweiten Element dient. Dieses zusätzliche Bauteil kann durch eine spezifische Materialauswahl und/oder spezielle geometrische Konturen dem jeweiligen Anwendungszweck besonders einfach angepasst werden, um beispielsweise zu übertragende maximale Drehmomente zu begrenzen, oder aber eine besonders einfache beziehungsweise preiswert herstellbare und/oder besonders zuverlässige Verbindung zwischen den beiden Elementen zu ermöglichen oder aber Geometrieabweichungen zwischen den beiden Elementen auszugleichen.
Somit schlägt es die Lehre des Anspruchs 1 bei einer Kupplungseinheit vor, die Kupplungseinheit mit zumindest einem um eine Längsachse drehbaren ersten Element, das aus Metall besteht und in einem Verbindungsbereich zu dem Bauteil hohlzylindrisch oder zylindrisch ausgebildet ist, auszustatten, wobei das Bauteil hülsenförmig ausgebildet ist und aus Metall oder Kunststoff besteht und über eine kraft-, reib- oder formschlüssige Verbindung mit einer im Querschnitt runden Innen- oder Außenkontur des ersten Elements verbunden ist, und wobei das Bauteil dazu ausgebildet ist, an einer Innenkontur oder einer Außenkontur des Bauteils mit einem als Antriebs- oder Abtriebselement dienenden zweiten Element zusammenzuwirken.
Ergänzend wird noch erwähnt, dass bei der Ausbildung des Bauteils aus Kunststoff, insbesondere bei der Übertragung hoher Drehmomente zwischen den beiden Elementen, es sinnvoll ist, den Kunststoff als faserverstärkten Kunststoff auszubilden.
Allgemein sind thermoplastische Kunststoffe zu bevorzugen, da diese meist eine größere Dämpfung durch die Duktilität aufweisen, als Duroplaste und eine größere Festigkeit besitzen als Elastomere. Gleichzeitig sollte der Kunststoff den Fasern einen guten Halt geben. Bei den Thermoplasten sind u.a. folgende bevorzugt: thermoplastisches Polyurethan (TPU), Polyamide, Polybutylenterephthalat (PBT), Polyetheretherketon (PEEK), POM (Polyoxymethylen). Bei Durplasten sind Epoxidharze und Poylesterharze bevorzugt, die mit entsprechender Additivierung ebenfalls zähmodifiziert werden können. Bei der Faserverstärkung sind v.a. Glas-, Kohlenstoff- und Aramidfasern bevorzugt. Bgzl. Verschleißverhalten sind Kohlenstofffasern und Aramidfasern den Glasfasern vorzuziehen. Der Faservolumenanteil stellt einen Kompromiss aus Festigkeit und Dämpfungseigenschaften dar. Hierbei wird ein Volumenanteil in einem Bereich von größer oder gleich 30 bis kleiner oder gleich 40% Fasern bevorzugt. Bei größerem Anteil der Fasern werden Steifigkeit und Festigkeit verbessert, aber die Werkstoffdämpfung reduziert. Bei einem geringen Faservolumenanteil ist die Entwicklung natürlich genau umgekehrt.
Das Metall als der Kontaktpartner sollte bevorzugt im Fall des definierten Bearbeitens oberflächenseitig entsprechend Duktil und anschließend härtbar sein. Das Metall könnte bspw. Standard C45 Stahl sein, da dieser gut zu bearbeiten ist, relativ preiswert ist, gute mechanische Eigenschaften besitzt und härtbar ist. Die Härte ist hierbei für den Einpressvorgang und die damit erreichbare Kraftübertragung relevant. Prinzipiell ist einfach vorstellbar, dass durch das Einpressen die aufgeraute Oberfläche stark scherbeansprucht wird.
Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Kupplungseinheit sind in den Unteransprüchen angegeben.
Hinsichtlich der Verbindungen zwischen dem ersten Element und dem Bauteil gibt es unterschiedliche Möglichkeiten. So kann es vorgesehen sein, dass das erste Element und das Bauteil durch eine Pressverbindung miteinander verbunden sind. Eine derartige Pressverbindung kann entweder durch axiales Fügen im Verbindungbereich erfolgen, oder aber durch Erwärmen des ersten Elements oder des Bauteils zur Durchmesservergrößerung, um das Fügen zu erleichtern, wobei nach dem Abkühlen und Schrumpfen des zuvor erwärmten Elements bzw. Bauteils die gewünschte Pressverbindung ausgebildet wird.
Eine weitere konstruktive Ausbildung Bauteils sieht vor, dass dieses im Querschnitt eine n-eckige Innen- und/oder Außenkontur aufweist. Derartige Außenkonturen können beispielsweise Bestandteil einer Formschlussverbindung sein, wenn das mit dem Bauteil zusammenwirkende erste oder zweite Element mit einer gegengleichen Kontur ausgestattet ist, oder aber im Zusammenhang mit runden Gegenkonturen die zu übertragenden Drehmomente zu begrenzen, oder aber beispielsweise einen Einpressprozess zwischen dem Bauteil und dem bzw. den Elementen zu erleichtern.
In Weiterbildung des zuletzt gemachten Vorschlags ist es vorgesehen, dass das Bauteil im Querschnitt eine runde Innen- oder Außenkontur oder eine Verzahnungsgeometrie als Innen- oder Außengeometrie aufweist. Somit schlägt es diese Variante vor, eine n-eckige Innenkontur oder Außenkontur mit einer runden Außenkontur oder Innenkontur zu kombinieren.
Eine weitere mögliche Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass sich der Querschnitt und/oder die Form der Innen- und/oder Außenkontur des Bauteils in Längsrichtung im Verbindungsbereich zum ersten Element zumindest bereichsweise ändert. Dabei ist beispielsweise an kegelförmige Verbindungen oder aber nur bereichsweise in Längsrichtung ausgebildete Verbindungskonturen zwischen dem ersten Element und dem Bauteil gedacht.
Die Verbindung zwischen dem ersten Element und dem Bauteil im Verbindungsbereich kann auch dadurch beeinflusst beziehungsweise verbessert werden, wenn das erste Element und/oder das Bauteil im Verbindungsbereich eine Oberflächenbearbeitung zur Erhöhung der Rauigkeit aufweist.
Eine derartige Oberflächenbearbeitung kann beispielsweise dazu führen, dass die Rauigkeit an dem Element bzw. Bauteil homogen ausgebildet ist, das heißt, dass zumindest im Wesentlichen im gesamten Verbindungsbereich an dem bearbeiteten Element bzw. Bauteil dieses dieselben Rauigkeitswerte aufweist. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass die Rauigkeit ungleichförmig beziehungsweise durch entsprechende Bearbeitung zufällig, das heißt ungleichförmig im Verbindungsbereich ausgebildet ist.
Ebenso kann es vorgesehen sein, dass das Bauteil in einem Verbindungsbereich zum zweiten Bauteil eine Oberflächenbearbeitung zur Erhöhung der Rauigkeit aufweist. Die Oberflächenbearbeitung kann dabei zu einer strukturierten oder unstrukturierten Oberfläche am Bauteil führen.
Die erfindungsgemäße Kupplungseinheit ist insbesondere Bestandteil einer Welle-/Nabeverbindung, insbesondere zur Kraftübertragung mit einem elektromotorischen Antrieb. Insbesondere ist dabei an Anwendungen im Bereich der Elektromobilität gedacht, bei dem eine Abtriebswelle beziehungsweise ein Rotor eines Elektromotors über die Kupplungseinheit zum Antreiben einer Achse oder ähnlichem dient.
Weitere Vorteile, Merkmale oder Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung sowie anhand der Zeichnungen.
Figurenliste

1 eine Anordnung mit einer Kupplungseinheit in gefügtem Zustand im Längsschnitt,
2 zeigt die beiden Bestandteile der Kupplungseinheit der 1 vor dem Fügen der beiden Bestandteile in einem Längsschnitt,
3 eine modifizierte Anordnung mit einer Kupplungseinheit, wobei das Bauteil der Kupplungseinheit jeweils mit auf dem Außenumfang der beiden Elemente angeordnet ist, in einem Längsschnitt und
4 bis 11 jeweils im Querschnitt in der Ebene IV-IV der 2 unterschiedliche Querschnitte des antereibenden ersten Elements und des Bauteils der Kupplungseinheit.

Offenbarung der Erfindung
Gleiche Elemente beziehungsweise Elemente mit gleicher Funktion sind in den Figuren mit den gleichen Bezugsziffern versehen.
In der 1 ist eine Anordnung 100 gezeigt, die typisch für den Einsatz beispielsweise in der Elektromobilität ist. Dabei treibt zum Beispiel ein Elektromotor 102 beispielsweise eine Antriebswelle als erstes Element 12 an, indem die Antriebswelle 12 um eine Längsachse 14 gedreht wird. Das erste Element 12 ist über eine noch im weiteren Verlauf näher beschriebene Kupplungseinheit 10, die zusätzlich zum ersten Element 12 ein hülsenförmiges Bauteil 16 aufweist, mit einer Welle 18 als zweites Element 19 gekoppelt. Die Welle 18 ist beispielsweise zumindest mittelbar mit einem Rad eines Fahrzeugs oder ähnlichem verbunden.
Das erste Element 12 und das Bauteil 16 der Kupplungseinheit 10 sind in der 2 in noch nicht gefügtem Zustand gezeigt. Beispielhaft weist das erste Element 12 in einem Verbindungsbereich 20 zum Bauteil 16 eine zylindrische Bohrung 22 auf, die durch eine radial um die Längsachse 14 umlaufende Schulter 24 axial begrenzt ist. Die Schulter 24 dient somit als Axialanschlag beim Fügen des Bauteils 16 mit dem ersten Element 12. Die Bohrung 22 des ersten Elements 12 ist mit einer aufgerauten Oberfläche 26 versehen. Dabei kann die Rauigkeit der Oberfläche 26 in Richtung der Längsachse 14 entweder homogen beziehungsweise gleichförmig ausgebildet sein, oder aber wie dargestellt ungleichförmig.
Das Bauteil 16 der Kupplungseinheit 10, das aus Metall oder Kunststoff besteht, wird durch Einpressen in die Bohrung 22 mit dem ersten Element 12 verbunden. Das erste Element 12 besteht dabei vorzugsweise aus Metall. Der (mittlere) Durchmesser D₁ der Bohrung 22 des ersten Elements 12 sowie der Außendurchmesser D₂ des Bauteils 16 sind mit Blick auf die zu übertragenden Drehmomente beziehungsweise Aufpresskräfte ausgelegt, wie dies aus dem Stand der Technik an sich bekannt ist. Der Aufpressprozess kann durch Erwärmen des ersten Elements 12 erleichtert oder erst ermöglicht werden.
In der 3 ist eine Anordnung 100a gezeigt, bei der das Bauteil 16 auf einem Außenumfang des ersten Elements 12a aufgepresst ist. Das zweite Element 19 ist wiederum auf den Außenumfang des Bauteils 16 aufgepresst und als Hohlwelle ausgebildet.
Mit Blick auf die unterschiedlichen Querschnittsformen des ersten Elements 12 und des Bauteils 16 im Verbindungsbereich 20 wird nunmehr auf die 4 bis 11 Bezug genommen: So zeigt die 4, dass das erste Element 12 und das Bauteil 16 im Verbindungsbereich 20 jeweils hülsenförmig ausgebildet sind, das heißt, dass das erste Element 12 im Querschnitt eine runde Innenkontur und das Bauteil 16 eine runde Außenkontur aufweist. Beispielhaft ist auch die Innenkontur des Bauteils 16 rund ausgebildet.
Die 5 zeigt im Gegensatz zu 4 eine n-eckige Innenkontur 28 des Bauteils 16a. Dies ermöglicht es insbesondere im Zusammenhang mit einer gegengleich ausgebildeten Außenkontur am zweiten, nicht dargestellten Element 19 zwischen dem Bauteil 16a und dem zweiten Element 19 eine Formschlussverbindung auszubilden, während zwischen dem ersten Element 12 und dem Bauteil 16a, ebenso wie bei der Darstellung der 4, eine reibbeziehungsweise kraftschlüssige Verbindung ausgebildet ist.
Das Beispiel gemäß 6 zeigt ein Bauteil 16b, bei dem sowohl dessen Innenkontur 28 als auch dessen Außenkontur 30 jeweils im Querschnitt n-eckig ausgebildet ist. Zwischen dem ersten Element 12 und dem Bauteil 16b ist eine Pressverbindung ausgebildet.
Das Ausführungsbeispiel gemäß der 7 zeigt im Gegensatz zum Ausführungsbeispiel gemäß der 6 eine runde Innenkontur 32 am Bauteil 16c.
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß der 8 ist es zusätzlich in Abänderung zum Ausführungsbeispiel gemäß der 7 vorgesehen, dass an der Innenkontur 34 des Bauteils 16d in Längsrichtung, das heißt senkrecht zur Zeichenebene der 8 ausgebildete Verzahnungselemente 36 vorgesehen sind.
Die 9 zeigt eine Ausführungsform, die grundsätzlich gemäß der 4 ausgebildet ist, wobei jedoch an der Innenkontur 37 des Bauteils 16e in Längsrichtung verlaufende Verzahnungselemente 36 zum Zusammenwirken mit dem (nicht dargestellten) zweiten Element 19 vorgesehen sind.
Bei der 10 ist erkennbar, dass an dem Bauteil 16f an seiner Außenseite eine Mikro-/Feinverzahnung 40 ausgebildet ist, die beim Einpressen in das erste Element 12 die Übertragung von höheren Drehmomenten ermöglicht.
Zuletzt ist in der 11 eine Abwandlung der 6 dargestellt, bei der die Innenkontur 42 des ersten Elements 12 ebenfalls mit einer Mikro-/Feinverzahnung 40 entsprechend der Ausführungsform der 10 ausgebildet ist.
Ergänzend wird erläutert, dass es selbstverständlich auch bei den in den 4 bis 9 dargestellten Ausführungsformen möglich ist, durch entsprechende Bearbeitung Mikro-/Feinverzahnungen 40 vorzusehen.
Weiterhin kann es zum Ausbilden der Pressverbindungen zwischen dem ersten Element 12 und dem Bauteil 16, 16a bis 16f vorgesehen sein, durch Erwärmen des ersten Elements 12 beziehungsweise des Bauteils 16, 16a bis 16f ein vereinfachtes Fügen der beiden Komponenten zu ermöglichen, wobei sich nach dem Schrumpfen des vorerwärmten Elements 12 bzw. Bauteils 16, 16a bis 16f die gewünschte Pressverbindung einstellt.

Claims

Kupplungseinheit (10), mit zumindest einem um eine Längsachse (14) drehbaren ersten Element (12; 12a), das insbesondere aus Metall besteht und in einem Verbindungsbereich (20) zu einem Bauteil (16; 16a bis 16f) hohlzylindrisch oder zylindrisch ausgebildet ist, wobei das Bauteil (16; 16a bis 16f) hülsenförmig ausgebildet ist und aus Metall oder Kunststoff besteht und durch eine kraft- oder reibschlüssige oder formschlüssige Verbindung mit einer im Querschnitt runden Innen- oder Außenkontur des ersten Elements (12; 12a) verbunden ist, und wobei das Bauteil (16; 16a bis16f) dazu ausgebildet ist, an einer Innenkontur oder einer Außenkontur des Bauteils (16; 16a bis 16f) mit einem als Antriebs- oder Abtriebselement dienenden zweiten Element (19) zusammenzuwirken.
Kupplungseinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (16a bis 16e) im Querschnitt eine n-eckige Innen- und/oder Außenkontur aufweist.
Kupplungseinheit nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (16; 16a; 16c; 16d; 16e; 16f) im Querschnitt eine runde Innen- oder Außenkontur oder eine Verzahnungsgeometrie als Innen- oder Außenkontur aufweist.
Kupplungseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Querschnitt und/oder die Form der Innen- und/oder Außenkontur des Bauteils (16; 16a bis 16f) in Längsrichtung im Verbindungsbereich (20) zum ersten Element (12; 12a) zumindest bereichsweise ändert.
Kupplungseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Element (12; 12a) und/oder Bauteil (16; 16a bis 16f) im Verbindungsbereich (20) eine Oberflächenbearbeitung zur Erhöhung der Rauigkeit aufweist.
Kupplungseinheit nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Rauigkeit homogen oder in Form einer Strukturierung ausgebildet ist.
Kupplungseinheit nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Rauigkeit ungleichförmig ausgebildet ist.
Kupplungseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (16; 16a bis 16f) im Verbindungsbereich (20) zum zweiten Element (19) eine Oberflächenbearbeitung zur Erhöhung der Rauigkeit aufweist.
Kupplungseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 8 dadurch gekennzeichnet, dass das erste Element (12) das Bauteil (16; 16a bis 16f) im Verbindungsbereich (20) an dessen Außenkontur aufnimmt.
Kupplungseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 8 dadurch gekennzeichnet, dass das erste Element (12a) das Bauteil (16; 16a bis 16f) im Verbindungsbereich (20) an dessen Innenkontur aufnimmt.
Kupplungseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass diese Bestandteil einer Welle-/Nabeverbindung ist, insbesondere zur Kraftübertragung bei einem elektromotorischen Antrieb.