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Die Erfindung betrifft eine Wellenanordnung mit einer äußeren, insbesondere Hohl-, Welle und einer inneren Welle, die radial zumindest entlang einer axialen Überschneidung innerhalb der äußeren Welle angeordnet ist, wobei die beiden Wellen drehfest zueinander festgelegt sind.
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Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf derartige Wellenanordnungen aus einer äußeren Rotorhohlwelle und einer inneren Getriebeeingangswelle, ist aber auch auf Wellenanordnungen anwendbar, die bei hohen Anforderungen hinsichtlich niedriger Geräusch-, Vibrations- und/oder Laufruhelevels axial fluiddicht verbunden werden müssen.
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Bei bekannten axial überlappenden, drehfesten Verbindungen einer Rotorwelle (als äu-ßere Welle) und einer Getriebeeingangswelle eines elektrischen Fahrzeugantriebs (als innere Welle) können NVH-Probleme (NVH: noise vibration harshness) an der Verbindungsstelle zwischen der Rotorwelle des Elektromotors und der Getriebeeingangswelle auftreten, beispielsweise in Form eines Schwebebrummens.
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Zur Reduktion des Schwebebrummens muss in radialer Richtung ein ausreichend gro-ßer Lüftspalt zwischen der äußeren und der inneren Welle vorliegen. Während des Betriebs entweicht insbesondere bei höheren Drehzahlen der zur Kühlung des Elektromotors notwendige Schmierstoff durch den Lüftspalt zwischen der Rotorwelle des Elektromotors und der Getriebeeingangswelle und steht in der Folge nicht mehr zur Kühlung des Motors zur Verfügung.
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Um den Kühlmittelverlust auszugleichen, kommt aber ein herkömmlicher Dichtring mit einem dauerhaften, umlaufenden Kontakt zwischen beiden Wellen nicht in Betracht, weil die beiden Wellen bei der Montage des Getriebes und der E-Maschine zueinander kraftfrei (oder zumindest mit vernachlässigbaren Axialkräften) gefügt werden können müssen, um eine gute Automatisierung des Montageprozesses zu erreichen.
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Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der Erfindung, eine axiale Fluiddichtung einer Wellenanordnung zu verbessern, insbesondere an einem Verbindungsbereich wie beispielsweise einem Passsitz der beiden Wellen zueinander, zu verbessern.
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Jeder der unabhängigen Ansprüche bestimmt mit seinen Merkmalen einen Gegenstand, der diese Aufgabe löst. Die abhängigen Ansprüche betreffen vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.
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Gemäß einem Aspekt wird offenbart eine Wellenanordnung mit (a) einer äußeren Welle, insbesondere Hohlwelle, und (b) einer inneren Welle, insbesondere Hohlwelle, die radial zumindest entlang einer axialen Überschneidung innerhalb der äußeren Welle angeordnet ist, wobei die beiden Wellen drehfest zueinander festgelegt sind, insbesondere mittels einer im Bereich der axialen Überschneidung angeordneten Passverzahnung. Zwischen den beiden Wellen ist radial ein Lüftspalt zwischen einer Außenwelleninnenmantelfläche mit einem Außenwelleninnendurchmesser und einer Innenwellenaußenmantelfläche mit einem Innenwellenaußendurchmesser vorgesehen.
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Aus der Innenwellenaußenmantelfläche ist eine Nut, insbesondere nach radial innen und/oder entlang eines gesamten Wellenumfangs, ausgenommen. In der Nut ist ein Dichtring, insbesondere ein Radialdichtring, beispielsweise ein O-Ring,] aus einem elastischen Material aufgenommen, der zumindest bei einer Null-Drehzahl oder bei einer geringen Drehzahl der Wellenanordnung einen Außendurchmesser aufweist, der kleiner als oder im Wesentlichen gleich einem Innenwellenaußendurchmesser der Innenwellenaußenmantelfläche ist. Der Dichtring ist, insbesondere im Zusammenspiel mit der Geometrie der Nut, dazu eingerichtet, oberhalb einer Grenzdrehzahl der Wellenanordnung (also bei einer Drehzahl, die größer ist als die Grenzdrehzahl) an wenigstens einer Nutwand der Nut und an der Außenwelleninnenmantelfläche, insbesondere fluiddicht, anzuliegen, insbesondere entlang eines gesamten Wellenumfangs.
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Es ist also ein (hoch-)elastischer O-Dichtring vorgesehen, der in der Nut auf der inneren Welle montiert ist und radial (bei fehlender und ggf. bei geringer Rotation der Wellenanordnung) zumindest im Wesentlichen vollständig innerhalb des Innenwellenaußendurchmessers der inneren Welle angeordnet ist, um ein kraftfreies Fügen der äußeren Welle und der inneren Welle zu ermöglichen.
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Der Dichtring wird im Betrieb durch Reibkräfte in der Dichtungsnut bei steigender Drehzahl der Wellenanordnung mitbeschleunigt, weitet sich unter dem Einfluss der Fliehkraft radial nach außen auf und schließt ab einer Grenzdrehzahl den Lüftspalt zwischen der inneren Welle und der äußeren Welle, sodass eine Abdichtung erfolgt und der Schmierstoff im benötigten Bereich, beispielsweise des Elektromotors, verbleibt. Somit wird bei höheren Drehzahlen die dann benötigte Dichtwirkung zwischen der inneren Welle und der äußeren Welle sichergestellt.
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Indem das Zusammenspiel von Lüftspaltbreite, Nutgeometrie, Dichtringgeometrie und Dichtringelastizität so aufeinander abgestimmt ist, dass in einem Drehzahlbereich von der Grenzdrehzahl bis hin zu einer maximal vorgesehenen Drehzahl der Wellenanordnung ein umlaufender Kontakt des Dichtring sowohl mit der Innenmantelfläche der äu-ßeren Welle als auch mit der Nutbegrenzung (an einer Nutwand und/oder einem Nutgrund) sichergestellt ist, kann in diesem Drehzahlbereich ein unerwünschter Fluss von Schmier-/Kühlöl unterbunden werden.
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Gemäß einer Ausführung kann die Erfindung auch dann sinnvoll eingesetzt werden, wenn der durch die Fliehkraft nach außen gedehnte Dichtring keine vollständige Dichtwirkung bedingt (beispielsweise durch nicht vollständig fluiddichtes Anliegen), sondern lediglich eine anwendungsspezifisch ausreichende Behinderung des axialen Fluidstroms, beispielsweise von Kühlmittel wie einem Kühlöl, erreicht.
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Gemäß einer Ausführung ist der Dichtring dazu eingerichtet, unterhalb einer Grenzdrehzahl der Wellenanordnung an wenigstens einer Nutwand und/oder an einem Nutgrund der Nut anzuliegen.
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Damit wird eine definierte Ausgangsposition des Dichtrings geschaffen, in der er der Montage nicht hinderlich ist, und ausgehend von der das gewünschte radiale Dehnverhalten erreicht werden kann, wenn entsprechende Rotationen der Wellenanordnung auftreten.
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Gemäß einer Ausführung weist die Nut zwei axial begrenzende Nutwände auf, und der Dichtring bei einer Nulldrehzahl und/oder bei einer Drehzahl kleiner als die Grenzdrehzahl und/oder bei einer Drehzahl gleich oder größer als die Grenzdrehzahl an beiden Axialseiten an einer der beiden Nutwände anliegt. So bleibt eine gewünschte Axialposition des Dichtrings dauerhaft erhalten, auch bei Rotationen oberhalb der Drehzahlgrenze.
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Gemäß einer Ausführung weist die Nut einen Querschnitt auf, der einer radialen Innenseite des Dichtrings angeformt ist, insbesondere mit einer halbkreisförmigen radialen Innenseite. Das unterstützt ein vorherbestimmbares radiales Dehnverhalten des Dichtrings.
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Gemäß verschiedener Ausführung kann die Grenzdrehzahl beispielsweise 3000/min oder 4000/min oder 5000/min oder 6000/min betragen, je nachdem, ab welcher Drehzahl im einzelnen Anwendungsfall ein nicht mehr zu vernachlässigender Verlust von Kühlöl zu erwarten ist.
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Gemäß einer Ausführung ist ein Ringquerschnitt des Dichtrings um ein Vielfaches größer als eine Radialbreite des Lüftspalts, insbesondere um das 10-fache, 15-fache oder 20-fache. Durch ein derartiges Verhältnis kann der Dichtring als dauerhaft robustes Bauteil aus-gebildet werden und trotzdem bei der entsprechenden Rotation die benötigte elastische Verformung aufbringen.
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Gemäß einer Ausführung ist der Lüftspalt an einem Passsitz ausgebildet, der durch die Außenwelleninnenmantelfläche und die Innenwellenaußenmantelfläche ausgebildet, insbesondere im Bereich der axialen Überschneidung der beiden Wellen. Am Passsitz reicht die geringstmögliche elastische Verformung des Dichtrings aus, um an der Wellenverbindung den unerwünschten axialen Fluidfluss zu unterbinden.
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Gemäß einer Ausführung weist das elastische Material des Dichtrings einen elastischer Kunststoff- und/oder Gummiwerkstoff, insbesondere einen Acrylnitril-Butadien-Kautschuk-Werkstoff (Abkürzung: NBR), auf oder besteht aus einem solchen. Ein solcher Werkstoff verbindet die nötigen elastischen Eigenschaften mit der Robustheit gegen typische Einsatzbedingungen gattungsgemäßer Wellenanordnungen, insbesondere in Kraftfahrzeugantrieben.
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Gemäß einer Ausführung ist ein (hoch-)elastischer Dichtungswerkstoff wir z. B. NBR, vorgesehen. Der Dichtring aus einem solchen Werkstoff wird gemäß einer Ausführung in seinen Dimensionen, insbesondere hinsichtlich Betriebsbedingungen wie beispielsweise Wellendurchmesser, Drehzahl, Lüftspaltmaß) und hinsichtlich den Fertigungstoleranzen (beispielsweise der Dichtungsnut und/oder des Schnurdurchmessers des Dichtrings) so ausgelegt wird, dass die Klemmkräfte in der Nut und die Fliehkräfte in einem ausgewogenem Verhältnis stehen, sodass der Dichtring den Lüftspalt innerhalb der erforderlichen Drehzahlbereiche durch Abheben schließen kann. Bei der Werkstoffauswahl sind insbesondere auch Alterungseffekte des Dichtungswerkstoffs und deren Einfluss auf die Steifigkeit der Dichtung zu berücksichtigen.
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Gemäß einer Ausführung ist die äußere Welle eine Rotorwelle einer, insbesondere elektrischen, Antriebsmaschine eines Kraftfahrzeugs, und die innere Welle eine Eingangswelle eines Achsgetriebes eines Kraftfahrzeugs.
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Weitere Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung im Zusammenhang mit den Figuren:
- 1 zeigt einen Ausschnitt eines elektromotorischen Kraftfahrzeugantriebs mit einer Wellenanordnung gemäß einer beispielhaften Ausführung der Erfindung.
- 2 zeigt eine Detailansicht der Wellenanordnung aus 1.
- 3 zeigt eine weitere Detailansicht der Wellenanordnung aus 1 in verschiedenen Betriebszuständen, die sich hinsichtlich einer Rotationsgeschwindigkeit der Wellenanordnung unterscheiden.
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In 1 ist ein Ausschnitt eines elektromotorisch antreibbaren Kraftfahrzeugantriebs gezeigt. Der dargestellte Ausschnitt zeigt dabei einen Teil einer Rotorwelle 2 der ansonsten nicht dargestellten elektrischen Antriebsmaschine das Kraftfahrzeugantriebs sowie einen Teil einer Getriebeeingangswelle 3 eines ebenso ansonsten nicht dargestellten Achsgetriebes des Kraftfahrzeugantriebs.
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Die Rotorwelle 2 und die Getriebeeingangswelle 3 bilden eine Wellenanordnung 1 nach einer beispielhaften Ausführung der Erfindung, wobei die Rotorwelle eine äußere Welle 2 der Wellenanordnung 1 darstellt, und die Getriebeeingangswelle eine innere Welle 3 der Wellenanordnung 1 darstellt.
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Die beiden Wellen 2 und 3 sind miteinander mittels einer Passverzahnung 4 drehfest verbunden, und zueinander mittels eines Passsitzes 5 koaxial zentriert.
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Eine axiale Überlappung der beiden Wellen 2 und 3 zueinander - wobei die innere Welle 3 entlang der Überlappung radial innerhalb der äußeren Welle 2 geführt ist - erstreckt sich zumindest entlang der Passverzahnung 4 und des Passsitzes 5.
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Um ein Schwebebrummen im Betrieb bei hohen Drehzahlen n zu vermeiden, ist der Passsitz 5 derart ausgebildet, dass ein Lüftspalt 6 mit einer beispielhaften, radialen Lüftspaltsbreite B von knapp 0,2 mm verbleibt.
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Versuche der Anmelderin haben ergeben, dass im Betrieb der Antriebsmaschine - insbesondere bei hohen Drehzahlen n, die größer sind als eine Grenzdrehzahl n_g - unerwünscht viel Kühlöl (Kühlölstrom K) aus dem Bereich der elektrischen Antriebsmaschine herausfließt.
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Eine in jeden Betriebszustand wirkende Richtung kommt im vorliegenden Anwendungsfall nicht infrage, weil eine axialkraftfreie Montage sichergestellt sein muss.
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Um trotzdem eine ausreichende Dichtung gegen den Kühlmittelabfluss zu schaffen, ist aus einer Innenwellenaußenmantelfläche 7 eine Nut 8 ausgenommen, in welcher ein Dichtring 9 aus einem elastischen Material aufgenommen ist.
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Bei einer Null-Drehzahl n = 0 der Wellenanordnung 1 weist der Dichtring 9 einen Außendurchmesser d_9 auf, der kleiner als ein Innenwellenaußendurchmesser d_3 der Getriebeeingangswelle 3 ist.
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Der Dichtring ist im Zusammenspiel mit einer Nutgeometrie der Nut 8 dazu eingerichtet, oberhalb der Grenzdrehzahl n_g der Wellenanordnung 1 an wenigstens einer Nutwand 10 der Nut und an dem Außenwelleninnenmanteldurchmesser d_2 der Außenwelleninnenmantelfläche 11 der Rotorwelle 2 anzuliegen.
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Sowohl die Anlage an die Nutwand 10 als auch die Anlage an die Innenmantelfläche d_2 erfolgt am gesamten Wellenumfang, sodass eine fluiddichte, axiale Absperrung das Luftspalt 6 erreicht wird, sobald die Wellenanordnung 1 sich mit mindestens der Grenzdrehzahl n_g dreht.
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In den 3a bis 3c ist der Zusammenhang zwischen der elastischen Dehnung des dichtrings 9 und der Rotationsgeschwindigkeit/Drehzahl n der Wellenanordnung 1 dargestellt: Ausgehend von der Nulldrehzahl n = 0 hebt der Dichtring 9 bei steigender Drehzahl von einem Nutgrund der Nut 8 unter der Einwirkung der rotationsbedingten Zentrifugalkräfte aufgrund seines elastischen NBR-Materials ab. Bei weiterer Steigerung der Rotation auf eine Drehzahl n größer als die Grenzdrehzahl n_g ist die elastische Dehnung aufgrund der Zentrifugalkräfte ausreichend groß, um eine derart große elastische Dehnung zu erreichen, dass der Dichtring 9 dann an der Innenmantelfläche d_2 anliegt und somit seine Dichtwirkung entfaltet.
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Ein Ringquerschnitt Q des Dichtrings 9 ist um ein Vielfaches größer ist als die Radialbreite B des Lüftspalts 6. Für eine bessere Darstellung ist in den Figuren - und insbesondere in 3 - der Luftspalt 6 nicht maßstäblich, sondern deutlich breiter dargestellt.
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BEZUGSZEICHENLISTE
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- 1
- Wellenanordnung
- 2
- Rotorwelle / äußere Welle
- 3
- Getriebeeingangswelle / innere Welle
- 4
- Passverzahnung
- 5
- Passsitz
- 6
- Lüftspalt
- 7
- Innenwellenaußenmantelfläche
- 8
- Nut
- 9
- Dichtring
- 10
- Nutwand
- 11
- Außenwelleninnenmantelfläche
- A
- Längsachse, axiale Richtung
- B
- Lüftspaltbreite
- d_2
- Außenwelleninnenmanteldurchmesser
- d_3
- Innenwellenaußendurchmesser
- d_9
- Außendurchmesser des Dichtrings
- K
- Kühlölstrom
- n
- Drehzahl der Wellenanordnung
- n_g
- Grenzdrehzahl
- Q
- Ringquerschnitt
- R
- Radiale Richtung
