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Die Erfindung betrifft einen Rotor eines Elektromotors, mit einer Innenkontur, die eine drehmomentübertragende Formschlussverbindung mit einer Außenkontur einer Trennkupplungshülse eingeht, wobei an beiden axialen Enden der Trennkupplungshülse (unterschiedliche / mehrere) Formschlussmittel am Rotor vorhanden sind, die eine Axialsicherung der Trennkupplungshülse gewährleisten.
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Auf diesem technischen Gebiet befinden sich Reibkupplungseinrichtungen, Hybridmodule und Antriebsstränge für Kraftfahrzeuge, wie sie beispielsweise aus der
DE 21 2018 000 202 U1 bekannt sind.
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Aus einer älteren Patentanmeldung der Anmelderin (US 63/253620) ist bereits grundsätzlich eine rotor-integrierte Trennkupplung bekannt. Insbesondere zeigt dort die Bestandteile einer Rutschkupplungsbaugruppe.
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Diese bildliche Darstellung zeigt die Seite, die einer Antriebseinheit zugewandt ist. Ein Außenring hat eine äußere Radialfläche mit einer Außenverzahnung, die mit einer Innenverzahnung eines Rotors in Eingriff steht. Eine innere Radialfläche des Außenrings hat eine wellenförmige Kontur. Ein Gleitring befindet sich radial innerhalb des Außenrings und radial außerhalb der Welle. Eine radiale Außenfläche des Gleitrings hat eine wellenförmige Kontur. Ein Rollensatz passt zwischen die wellenförmig konturierte Außenfläche des Gleitrings und die wellenförmig konturierte Innenfläche des Außenrings. Die relative Drehung zwischen dem Gleitring und dem Außenring bewirkt, dass sich die Rollen entlang der wellenförmigen Konturen bewegen, so dass die Rollen den Gleitring radial nach innen drücken. Der Gleitring hat einen Schlitz, der es ihm ermöglicht, sich als Reaktion auf diese Kräfte zusammenzuziehen und die Welle zu greifen, wodurch die Welle selektiv mit dem Außenring und somit mit dem Rotor gekoppelt wird. Wenn der Gleitring in Umfangsrichtung mit dem Außenring so ausgerichtet ist, dass die Rollen in die von den gewellten Oberflächen gebildeten Lücken passen, dehnt sich der Gleitring aus, so dass er locker um die Welle passt. In diesem Zustand ist eine Relativdrehung zwischen der Welle und dem Gleitring mit nur geringem parasitärem Widerstand möglich. Der Gleitring ist mit einer Kerbe versehen, die ihn in dieser in Umfangsrichtung ausgerichteten Position hält (siehe unten). Der Betrieb der Rutschkupplungsbaugruppe ist etwas kontraintuitiv - die Kupplung wird eingerückt, indem eine relative Drehung zwischen dem Rutschring und dem Außenring ermöglicht wird, und sie wird ausgerückt, indem die Umfangsposition des Rutschrings relativ zum Außenring fixiert wird.
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Der breiteste Patentanspruch bezieht sich dabei auf einen Motor mit einem Rotor, der in Bezug auf ein Gehäuse drehbar gelagert ist;
eine Welle, die in Bezug auf das Gehäuse drehbar gelagert ist;
einen Außenring, der an dem Rotor befestigt ist und eine gewellte radiale Innenfläche aufweist;
einen Gleitring, der die Welle umgibt und eine gewellte radiale Außenfläche aufweist;
eine Vielzahl von Rollen zwischen der gewellten radial inneren Oberfläche und der radial äußeren Oberfläche, die so konfiguriert sind, dass sie den Gleitring als Reaktion auf eine Drehverschiebung des Gleitrings relativ zum Außenring radial zusammendrücken;
einen Anker, der drehbar an dem Rotor befestigt und so konfiguriert ist, dass er axial in Bezug auf den Rotor gleitet, wobei der Anker ein Merkmal aufweist, das so konfiguriert ist, dass es selektiv in ein Merkmal des Gleitrings eingreift, um den Gleitring in Bezug auf den Außenring drehend zu positionieren; und
ein Solenoid, das an dem Gehäuse befestigt und so konfiguriert ist, dass es selektiv eine axiale Kraft auf den Anker ausübt.
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Die bekannten Lösungen haben jedoch immer Nachteile, die es gilt abzustellen oder wenigstens zu mildern.
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Diese Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Vorrichtung erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass zumindest eines der Formschlussmittel eine Verstemmung ist. Auf diese Weise können konventionelle Sicherungsringe zur axialen Sicherung vermieden werden. Dadurch wird die Wettbewerbsfähigkeit gestärkt. Einsparungen von Kosten, Ressourcen und CO2-Emissionen sind die Folge. Statt eines konventionellen axialen Formschlusses in Form von Sicherungsringen kann nun durch einen kombinieren Formschluss auf zusätzliche Bauteile verzichtet werden. Der axiale Formschluss der Kupplungseinheit im Rotor lässt sich über branchen- und anwendungsspezielle Technologien weiter optimieren. Im Kern der Erfindung steht jedoch, dass Sicherungsringe durch eine Verstemm-Lösung substituiert werden.
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Es stellen sich zahlreiche Vorteile ein, wie etwa der Entfall einer Nut für einen jeweiligen Sicherungsring, eine Reduktion der Bearbeitungszeit, eine Einsparung von Werkzeugkosten, ein Entfall von aufwändigen Entgratungsmaßnahmen in jener Nut (unterbrochener Schnitt), eine Reduktion der Bauteile, eine Verringerung des Montageaufwandes, eine Vermeidung von Montagefehlern und eine Reduktion des Bauraumbedarfs. Eine Produktnutzung ist sehr vielfaltig, so bietet sie sich bei diversen Entkopplungseinheiten an, welche sich direkt im Rotor des Elektromotors eines Fahrzeuges befinden, insbesondere bei ganz oder teilweise elektrifizierten Antriebssträngen.
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Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen beansprucht und werden nachfolgend näher erläutert.
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So ist es auch von Vorteil, wenn das andere Formschlussmittel ein Absatz an der Innenkontur des Rotors ist. Auf diese Weise kann der Montageprozess durch ein einfaches Einschieben der Trennkupplungshülse auf/in die Formschlussverbindung zu einem präzisen Montageergebnis führen. Auch lässt sich der Montageprozess dadurch verkürzen.
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Wenn der Absatz innerhalb der zur Drehmomentübertragung vorbereiteten Formschlussverbindung ausgebildet ist, so kann sichergestellt werden, dass das maximale Drehmoment auch über die entsprechend dimensionierte Formschlussverbindung führbar ist. Ein Bauteilausfall kann somit vermieden werden.
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Es ist zweckmäßig, wenn die Formschlussverbindung Flanken besitzt, die sich von einer Seite des Absatzes über diesen hinweg auf die andere Seite des Absatzes unterbrechungsfrei / durchgehend erstrecken. Kerbwirkungen werden dadurch vermieden, ein Aufschieben erleichtert und eine gute Dauerfestigkeit erreicht.
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Die Dimensionierung wird vereinfacht, wenn die zur Drehmomentübertragung vorgesehene Formschlussverbindung des Rotors in Umfangsrichtung segmentiert oder durchgehend ausgestaltet ist und/oder als Vielzahnprofil, Innenverzahnung oder Keilverzahnung ausgebildet ist.
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Eine vorteilhafte Ausführungsform ist auch dadurch gekennzeichnet, dass die Verstemmung als Blockierwand aus geflossenem / bei der Herstellung plastifiziertem (und danach wieder erstarrendem) (Stahl-)Material ausgeführt ist. Schnelle Produktionszyklen sind dann realisierbar.
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Ein kompakter Aufbau lässt sich dann umsetzen, wenn vorzugsweise die als Außenring konzipierte Trennkupplungshülse auf der Innenseite ein welliges Profil zum Kontaktieren von Wälzkörpern besitzt.
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Die Erfindung betrifft auch einen Kraftfahrzeug-Elektromotor mit einem Stator und einem erfindungsgemäß ausgestalteten, dem Stator zugeordneten Rotor.
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Auch betrifft die Erfindung einen Kraftfahrzeug-Antriebsstrang mit einem solchen Kraftfahrzeug-Elektromotor, wobei die Trennkupplungshülse ein Teil einer Reibkupplung ist, die mit einem Getriebe wirkverbunden ist.
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Die Erfindung schlägt also vor, zur axialen Befestigung einer Trennkupplung eine Verstemmung einzusetzen, wodurch eine zusätzliche Sicherung über beispielsweise einen Sicherungsring nicht länger erforderlich ist. Ein optimierter Einbau einer rotorintegrierten Trennkupplung ist die Folge.
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Spezifische Besonderheiten einer bestimmten Ausführungsform sind:
- - Nenndrehmoment 620 Nm (verfügbar bis zu 6000 RPM)
- - Maximales (Schlag-)Drehmoment 1200 Nm
- - Maximale Drehzahl 19.500 RPM
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Die Verzahnung ist dabei mit 50 oder 53 oder 54 Zähnen und einem 1 mm - Modul ausgelegt. Theoretisch könnten 6 bis 9 Zähne auch entfernt werden. Bei dieser Ausführungsform wird die ANSI-Normverzahnung (bspw. ANSI B92.2M) gegenüber der DIN-Norm bevorzugt. Die Außenverzahnung des Außenrings der Rutschkupplung sollte genau in die Innenverzahnung des Rotors passen. Eine Sicherung durch Sprengringe, wie bisher vorgesehen, ist unerwünscht, da Grate vorhanden sind, die sich nur schwer von der Verzahnung des Rotors entfernen lassen. Die Außenverzahnung des Ankers sollte so locker sein, dass sie leicht in der Innenverzahnung des Rotors gleiten kann. Sie sollte jedoch nicht so locker sein, dass sie sich soweit verkanten kann, dass sie sich verklemmt.
Das oben erwähnte Drehmoment wird durch den Außenring der Rutschkupplung übertragen, nicht durch den Anker (nur parasitäres Schleppmoment im Anker).
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Aufgrund einer OWC-Rollenschnittstelle im Außenring wird die Serienversion wahrscheinlich ein einsatzgehärtetes Bauteil sein (Oberflächenhärte >700 HV rundum). Dadurch wird es schwieriger, extrem enge Toleranzen in der Verzahnung einzuhalten, die vor dem Einsatzhärten bearbeitet werden würde.
Die Prototypversion dieses Teils soll aus vorgehärtetem SAE 52100 oder 100Cr6 mit einer Härte von etwa 60 HRC drahtgeschnitten werden. Die Serienversion der Armatur wird wahrscheinlich aus einem gesinterten Pulvermetall mittlerer Festigkeit hergestellt sein.
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Die Prototypversion dieses Teils soll aus einer mittelfesten Stahlsorte maschinell bearbeitet und per Draht-EDM geschnitten werden. Die Serienversion des Rotors wird aus SAE 4140 HT (wärmebehandeltem) Stahl (ähnlich 42CrMo4) bestehen. Momentan wird dabei von 28 HRC oder 40 bis 45 HRC ausgegangen.
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Die Erfindung wird nachfolgend mit Hilfe einer Zeichnung näher erläutert
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Es zeigen:
- 1 eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Rotors eines Elektromotors in perspektivischer teilgeschnittener Darstellung, wobei in einer an der Innenkontur des Rotors vorhandene drehmomentübertragende Formschlussverbindung nach Art einer Innenverzahnung eine Trennkupplungshülse mit Außenverzahnung eingesetzt ist, wobei auf der einen Seite eine formschlüssige Axialsicherung durch plastische Verformung der Zahnenden erreicht ist und auf der anderen Seite eine formschlüssige Axialsicherung durch einen Absatz im Zahnkopf einer Passverzahnung bewirkt ist,
- 2 eine Vergrößerung des Bereiches II aus 1,
- 3 der Rotor des Elektromotors aus 1 ohne eingesetzte Trennkupplungshülse,
- 4 eine Vergrößerung des Bereichs IV aus 3,
- 5 ein perspektivisch dargestellter Abschnitt eines Rotors gemäß der Erfindung in einer zweiten Ausführungsform,
- 6 eine Vergrößerung des Bereichs VI aus 5.
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Die Figuren sind lediglich schematischer Natur und dienen nur dem Verständnis der Erfindung. Die gleichen Elemente sind mit denselben Bezugszeichen versehen. Merkmale der einzelnen Ausführungsformen lassen sich untereinander austauschen.
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In der 1 ist eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Rotors 1 dargestellt. Er ist zum Einsatz in einem Elektromotor 2 vorgesehen, von dem jedoch nur einige ausgewählte Teile dargestellt sind. Der Rotor 1 besitzt auf seiner Innenseite / Innenkontur 3 eine zur Drehmomentübertragung vorgesehene Formschlussverbindung 4. Die Formschlussverbindung 4 ist mit einer Gegenkontur auf der Außenseite einer Trennkupplungshülse 5 vorgesehen. An einem ersten axialen Ende 6 der Trennkupplungshülse 5 gibt es ein erstes Formschlussmittel 7. An einem zweiten axialen Ende 8 der Trennkupplungshülse 5 gibt es ein zweites Formschlussmittel 9. Das erste Formschlussmittel 7 ist als Verstemmung 10 ausgebildet. Das zweite Formschlussmittel 9 ist als Absatz 11 ausgebildet.
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Die Formschlussverbindung 4 wird durch eine Innenverzahnung 12 des Rotors 1 und eine Außenverzahnung 13 der Trennkupplungshülse 5 gebildet. Die Innenverzahnung 12 und die Außenverzahnung 13 sind spielfrei aufeinander abgestimmt. Die Konturen der Innenverzahnung 12 und der Außenverzahnung 13 sind auch aufeinander exakt abgestimmt. In der Vergrößerung der 2 ist die Verstemmung 10 auf der einen Seite der Trennkupplungshülse 5 und der Absatz 11 auf der anderen Seite der Trennkupplungshülse 5 bildlich besser erkennbar. Wie in den 3 und 4 gut zu erkennen ist, ziehen sich Flanken 14 über den Absatz 11 hinaus. In 4 ist ein Bereich 15 angedeutet, der zum Plastifizieren und Ausbilden des Formschlusses prädestiniert ist, referenziert mit dem Bezugszeichen 15. Die Verstemmung 10 ist den 5 und 6 gut zu entnehmen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Rotor
- 2
- E-Motor / Elektromotor
- 3
- Innenseite / Innenkontur
- 4
- Formschlussverbindung
- 5
- Trennkupplungshülse
- 6
- erstes axiales Ende der Trennkupplungshülse
- 7
- erstes Formschlussmittel
- 8
- zweites axiales Ende der Trennkupplungshülse
- 9
- zweites Formschlussmittel
- 10
- Verstemmung
- 11
- Absatz
- 12
- Innenverzahnung
- 13
- Außenverzahnung
- 14
- Flanke
- 15
- zur Plastifizierung und Ausbildung der Verstemmung vorgesehener Bereich
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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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.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 212018000202 U1 [0002]
