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Die Erfindung betrifft eine mit Kühlmittel durchströmbare Rotorwelle für eine elektrische Maschine. Die Rotorwelle ist mit gefügten Wellenteilen mehrteilig.
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Aus der
EP 2 069 180 B1 ist eine Radsatzwelle für eine achsreitende elektrische Antriebsmaschine bekannt. Die Radsatzwelle besteht aus mehreren hohlen Wellenteilen, die fest miteinander verbunden sind.
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Die
DE 10 2015 007 470 A1 offenbart eine Welle-Nabe-Verbindung, die als Pressverband mit mehreren Fügebereichen ausgeführt ist.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, auf konstruktiv einfache Weise eine betriebssichere Rotorwelle der vorgenannten Art vorzuschlagen, die aus kühlmitteldicht und drehfest miteinander verbundenen Wellenteilen gebaute ist. Die Herstellung einer solchen Rotorwelle soll vereinfacht und kostengünstiger sein.
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Die Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen.
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Um auf konstruktiv einfache Weise eine betriebssichere Verbindung der Wellenteile zu erreichen, ist ein Pressverband mit einem ersten und einem zweiten Fügebereich mit jeweils profilierter Oberflächenstruktur zur kühlmitteldichten und zur drehfesten Verbindung zweier Wellenteile vorgesehen. Der erste Fügebereich bildet eine kühlmitteldichte Verbindung mit einem auf die Mittelachse der Rotorwelle bezogenen ersten Fügedurchmesser aus, und der zweite Fügebereich bildet eine drehfeste Verbindung mit einem auf die Mittelachse der Rotorwelle bezogenen zweiten Fügedurchmesser aus, wobei der erste Fügedurchmesser größer als der zweite Fügedurchmesser ist. Dadurch kann beim Fügen eine Berührung der Oberflächenstrukturen bzw. Riefenstrukturen an den Fügebereichen und eine Beschädigung derselben vermieden werden.
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Durch den Pressverband der Wellenteile wird eine kostenaufwendige Verbindung, insbesondere durch Laserschweißen, vermieden. Zudem können die für den Pressverband erforderliche Fügekraft durch die profilierten Oberflächenstrukturen an beiden Fügebereichen reduziert und die Spannungen und Deformationen an den Wellenteilen deutlich vermindert werden. Auf diese Weise wird eine besonders verzugsarme Verbindung geschaffen, die eine aufwendige Nachbearbeitung, besonders durch Nachschleifen und insbesondere zur Korrektur von Fluchtungsfehlern, vermeidet.
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Außerdem ist es möglich, die profilierten Oberflächenstrukturen an den Fügebereichen jeweils gezielt mit hoher Dichtheit bzw. mit großer Drehfestigkeit zur Verbindung der Wellenteile auszubilden, wodurch die Fügekraft weiter reduziert werden kann.
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Als profilierte Oberflächenstruktur kann beispielsweise eine Riefen- oder Rändelstruktur an den Fügeflächen der Fügebereiche ausgeführt sein.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind die Fügebereiche mit unterschiedlich profilierten Oberflächenstrukturen zur kühlmitteldichten und zur drehfesten Verbindung der Wellenteile ausgebildet.
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Vorzugsweise ist dabei der erste Fügebereich zur kühlmitteldichten Verbindung der Wellenteile mit einer als Riefenstruktur ausgeführten ersten Oberflächenstruktur mit konzentrisch zur Mittelachse der Rotorwelle verlaufenden und entlang dieser hintereinander angeordneten Riefen vorgesehen. Demzufolge wirken die Riefen am ersten Fügebereich ähnlich wie ein Dichtring abdichtend zwischen den Wellenteilen.
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Eine besonders einfache und kostengünstige Herstellung der ersten Oberflächenstruktur kann durch Lasern oder Rändeln erreicht werden.
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In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist der zweite Fügebereich zur drehfesten Verbindung der Wellenteile mit einer als Riefenstruktur ausgeführten zweiten Oberflächenstruktur mit parallel zur Mittelachse verlaufenden Riefen vorgesehen. Am zweiten Fügebereich ermöglichen die Riefen einen drehfesten Formschluss zwischen den zu verbindenen Wellenteilen und erhöhen die Drehfestigkeit des Pressverbands. Dadurch können die Fügekraft bzw. die axiale Fügelänge und der axiale Bauraum weiter reduziert werden. Die zweite Oberflächenstruktur kann vorzugsweise durch Lasern, Nadeldrucken oder Rändeln ebenfalls auf einfache und kostengünstige Weise hergestellt werden.
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An den Fügebereichen kann die Dichtwirkung bzw. die Drehfestigkeit der Verbindung weiter gesteigert werden, wenn die vorgenannten Oberflächenstrukturen der Fügebereiche an einem Wellenteil ausgebildet sind, das von den zu verbindenden Wellenteilen die größere Materialhärte aufweist. Während des Fügevorgangs kann so Material des weicheren Verbindungspartners in die Freiräume der Riefenstruktur des anderen Verbindungspartners fließen, wodurch ein Verzug der Wellenteile weiter verhindert wird. Zudem wird dabei diese Riefenstruktur in den weicheren Verbindungspartner abgebildet, wodurch ein Formschluss entsteht, so dass eine besonders drehfeste Kombination von reib- und formschlüssiger Verbindung der Wellenteile zur Kraftübertragung erreicht wird. Fügekraft und Pressüberdeckung können dadurch weiter reduziert werden.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Findung sieht vor, dass die axiale Fügelänge des abdichtenden ersten Fügebereichs abhängig von den Einbau- und Betriebsverhältnissen vorzugsweise weniger als ein Fünftel der axialen Fügelänge des zweiten Fügebereichs beträgt. Dadurch wird eine große axiale Fügelänge am zweiten Fügebereich zur drehfesten Verbindung der Wellenteile ermöglicht, wodurch die Fügekraft weiter verringert bzw. die gesamte Fügelänge des Pressverbands weiter reduziert und weiterer axialer Bauraum eingespart werden kann.
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In einer weiteren besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind zwei endseitige Wellenteile mit einem diese verbindenden mittleren Wellenteil durch zwei Pressverbände kühlmitteldicht und drehfest verbunden. Bevorzugt sind dabei beide Pressverbände in der vorangehend beschriebenen Weise gleich aufgebaut.
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Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und aus den Zeichnungen, anhand derer die vorliegende Erfindung weiter erläutert wird. Es zeigen:
- 1 eine erfindungsgemäße Rotorwelle,
- 2 die Einzelheit Z aus 1,
- 3 die Einzelheit Z aus 2,
- 4 ein Wellenteil der Rotorwelle,
- 5 die Einzelheit Z aus 4.
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In den Figuren sind verschiedene Ansichten einer erfindungsgemäßen Rotorwelle für eine nicht weiter dargestellte elektrische Maschine dargestellt, die wassergekühlt ist und zum Antrieb eines Fahrzeugs dient. Die Rotorwelle hat miteinander verbundene Wellenteile und ist mit Kühlmittel durchströmbar.
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Die in 1 dargestellte Rotorwelle ist zur Durchströmung mit Kühlmittel als Hohlwelle ausgeführt und besteht aus drei Wellenteilen 1, 2, 3, nämlich zwei endseitigen Wellenteilen 1, 2 und einem diese verbindenden rohrförmigen mittleren Wellenteil 3. Letzteres dient insbesondere als Träger von Blechpaketen eines Rotors der elektrischen Maschine.
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Am Wellenteil 1 ist eine Innenverzahnung 4 als Steckverzahnung zur drehfesten Verbindung mit einem nicht dargestellten Abtriebselement ausgebildet. Die Wellenteile 1, 2 bilden jeweils am Außenumfang ihrer freien Enden Flansche mit Lager- und Dichtflächen zur Abstützung und Abdichtung an einem ortsfesten Bauteil, insbesondere einem Gehäuse der elektrischen Maschine.
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Am Wellenteil 1 kann am freien Ende Kühlmittel von einem nicht dargestellten Kühlmittelsystem des Fahrzeugs einströmen oder umgekehrt in dieses wieder ausströmen. Zur weiteren Kühlmittelverbindung mit dem Kühlmittelsystem ist am Wellenteil 2 ein Kühlmittelkanal 5 angedeutet. Das mit Kühlmittel durchströmbare Wellenteil 3 hat am Innenumfang in einem zwischen seinen axialen Enden 6, 7 gelegenen mittleren Abschnitt konzentrisch zur Mittelachse 8 der Rotorwelle und hintereinander angeordnete Vertiefungen 9, die ähnlich wie Kühlrippen die thermische Kontaktfläche am Wellenteil 3 vergrößern und damit den Wärmeübergang und somit die Kühlung verbessern.
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Die erfindungsgemäße Anordnung weist zur Verbindung der Wellenteile 1, 2 mit dem Wellenteil 3 zylindrische Pressverbände 10, 11 auf, die jeweils zwei Wellenteile 1, 3 bzw. 2, 3 kühlmitteldicht und drehfest verbinden. An den Pressverbänden 10, 11 sind die Wellenteile 1, 2 mit dem Außenumfang ihrer axial inneren Enden 12, 13 am Innenumfang der axialen Enden 6, 7 des Wellenteils 3 axial eingepresst und weisen eine Übermaß- bzw. Presspassung mit einer bestimmten sogenannten Pressüberdeckung auf. Die Pressverbände 10, 11 sind analog ausgebildet und werden im Folgenden beispielhaft am Pressverband 10 zur Verbindung des Wellenteils 1 mit dem Wellenteil 3 anhand der 2 bis 5 erläutert.
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Am den Pressverbänden 10, 11 ist jeweils ein erster Fügebereich 14 zur kühlmitteldichten Verbindung der Wellenteile 1, 3 und ein zweiter Fügebereich 15 zur drehfesten Verbindung der Wellenteile 1, 3 vorgesehen (2 und 3). Die Fügebereiche 14, 15 sind vorzugsweise axial unmittelbar hintereinander angeordnet, wobei der abdichtende erste Fügebereich 14 den Pressverband 10 am äußeren axialen Ende desselben nach axial außen kühlmitteldicht abschließt.
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Der erste Fügebereich 14 umfasst eine am Außendurchmesser bzw. am Außenumfang des axial inneren Endes 12 des Wellenteils 1 gebildete erste Fügefläche 16 als Dichtfläche mit einer ersten profilierten Oberflächenstruktur 17, die als Riefenstruktur mit einer radial gegenüberliegenden glatten Fügefläche 18 als Gegenfläche am Innendurchmesser bzw. am Innenumfang des Wellenteils 3 zusammenwirkt (1 und 2). Dabei ist der erste Fügebereich 14 an seinem axial äußeren Ende durch einen am Außendurchmesser des Wellenteils 1 nach radial außen abgesetzten und ringförmig umlaufenden Absatz 26 axial begrenzt, der als axialer Anschlag bei der Montage die axiale Einpresstiefe beim Fügen begrenzt (2 bis 5).
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Der zweite Fügebereich 15 umfasst eine am Außendurchmesser bzw. am Außenumfang des ersten Wellenteils 1 ausgebildete zweite Fügefläche 19 mit einer zweiten profilierten Oberflächenstruktur 20, die als Riefenstruktur mit einer radial gegenüberliegenden glatten Fügefläche 21 als Gegenfläche am Innendurchmesser bzw. am Innenumfang des Wellenteils 3 zusammenwirkt (2).
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Die erste Oberflächenstruktur 17 der ersten Fügefläche 16 weist mehrere konzentrisch zur Mittelachse 8 der Rotorwelle verlaufende und koaxial hintereinander angeordnete Riefen 22 auf (3 bis 5). Die Riefen 22 dichten das Wellenteil 1 und das Wellenteil 3 am Pressverband 10 bzw. am ersten Fügebereich 14 nach axial außen ab. Am Wellenteil 1 ist die zweite Oberflächenstruktur 20 der zweiten Fügefläche 19 mit axial verlaufenden und über den gesamten Umfang verteilt parallel hintereinander angeordneten Riefen 23 ausgebildet. Im gefügten Zustand bilden diese einen Formschluss in Umfangsrichtung mit der Fügefläche 21 am Wellenteil 3, so dass das Wellenteil 1 mit dem Wellenteil 3 drehfest verbunden wird.
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Die Oberflächenstrukturen 17, 20 sind jeweils an den Wellenteilen 1, 2 ausgebildet, die von den zu verbindenden Wellenteilen 1, 3 bzw. 2, 3 die größere Materialhärte aufweisen. Dadurch kann während des Fügevorgangs an den Pressverbänden 10, 11 jeweils Material des weicheren Wellenteils 3 in die Riefen 22, 23 der Wellenteile 1, 2 fließen, wodurch ein Verzug der Wellenteile 1, 3 bzw. 2, 3 beim Fügen vermieden wird.
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Die Riefenstrukturen werden in den weicheren Gegen- bzw. Fügeflächen 18, 21 komplementär abgebildet, wodurch die Dichtwirkung am ersten Fügebereich 14 erhöht und durch einen Formschluss am zweiten Fügebereich 15 eine besonders drehfeste Kombination von reib- und formschlüssiger Verbindung der Wellenteile 1, 3 bzw. 2, 3 zur Kraftübertragung erreicht wird. Fügekraft und Pressüberdeckung können dadurch weiter reduziert werden.
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Die Fügebereiche 14, 15 sind auf unterschiedlichen Fügedurchmessern D1, D2 bezogen auf die Mittelachse 8 der Rotorwelle angeordnet. Dabei ist der Fügedurchmesser D1 des ersten Fügebereichs 14 größer als der Fügedurchmesser D2 des zweiten Fügebereichs 15. Je nach Dimensionierung der Rotorwelle kann der erste Fügedurchmesser D1 um mehrere Zehntel eines Millimeters oder um mehrere Millimeter größer sein als der zweite Fügedurchmesser D2. Auf diese Weise kann die Berührung und Beschädigung der auf unterschiedlichen Durchmessern liegenden Oberflächenstrukturen 17, 20 und Gegenflächen 18, 21 an den Fügebereichen 14, 15 beim Fügen ausgeschlossen werden. Beispielsweise kann das dritte Wellenteil 3 mit der Füge- bzw. Gegenfläche 18 beim Fügen bzw. axialen Verpressen der Wellenteile 1, 3 unbeschädigt über die zweite Riefenstruktur 20 am ersten Wellenteil 1 geschoben werden.
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Die Anordnung der Fügebereiche 14, 15 auf verschiedenen Fügedurchmessern D1, D2 wird dadurch erreicht, dass am ersten Fügebereich 14 das erste Wellenteil 1 am Außendurchmesser entsprechend aufgeweitet und das dritte Wellenteil 3 am Innendurchmesser entsprechend eingezogen ist (2 bis 5). Im Übergangsbereich ist dabei zwischen den Fügebereichen 14, 15 jeweils ein entsprechender ringförmiger radialer Absatz 24, 25 am Innendurchmesser bzw. am Innenumfang des dritten Bauteils 3 und am Außendurchmesser bzw. am Außenumfang des ersten Bauteils 1 gebildet, der mit abgerundeten Kanten jeweils den Übergang zwischen den Fügebereichen 14, 15 in radialer und axialer Richtung vermittelt.
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Am ersten und zweiten Fügebereich 14, 15 können die Wellenteile 1, 3 mit der gleichen Pressüberdeckung mit geringer Fügekraft verpresst werden. Dabei beträgt die axiale Fügelänge L1 des ersten Fügebereichs 14 abhängig von den Einbau- und Betriebsverhältnissen vorzugsweise wie dargestellt weniger als ein Fünftel der axialen Fügelänge L2 des zweiten Fügebereichs 15, wodurch eine große axiale Fügelänge am zweiten Fügebereich ermöglicht wird (2). Demzufolge können die Fügekraft weiter verringert bzw. die gesamte Fügelänge des Pressverbands reduziert und axialer Bauraum eingespart werden.
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Der zweite Pressverband 11 ist vorzugsweise analog zum ersten Pressverband aufgebaut.
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Der erste Fügebereich 14 ist axial hinter dem zweiten Fügebereich 15 angeordnet und schließt den Pressverband 10, 11 nach axial außen ab. Auf diese Weise wird eine exakte Kraft-Weg-Messung zur Ermittlung der tatsächlichen Fügekraft bei der Herstellung des zweiten Fügebereichs 15 zur drehfesten Verbindung der Wellenteile 1, 3 bzw. 2, 3 ohne den Einfluss des abdichtenden ersten Fügebereichs 14 erreicht und eine entsprechend exakte Dokumentation der Fügekraft ermöglicht.
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Die Dichtheit des ersten Fügebereichs 14 nach außen kann durch eine Luftleckagen- oder Luftdruckabfall-Prüfung nach der Montage durchgeführt werden. Durch die vorangehend dargelegte Fügekraftmessung und Luftleckageprüfung sowie eine vollständige Dokumentation der gemessenen Werte in der Montagelinie kann die fertig montierte Rotorwelle auf Festigkeit und Dichtheit rückverfolgt werden.
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Die erste Riefen- bzw. Oberflächenstruktur 17 ist vorzugsweise durch Lasern oder Rändeln hergestellt, und die zweite Riefen- bzw. Oberflächenstruktur 20 ist bevorzugt durch Lasern, Nadeldrucken oder Rändeln hergestellt.
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Zur Herstellung der Rotorwelle werden zunächst die Wellenteile 1, 2, 3 fertig bearbeitet. Dann werden die endseitigen Wellenteile 1, 2 jeweils in das mittlere Wellenteil 3 axial gefügt. Anschließend kann die so gebaute Rotorwelle je nach geforderter Konzentrizität radial gerichtet werden, ohne dass es eines Nachschleifens der fertig montierten Rotorwelle bedarf.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Wellenteil
- 2
- Wellenteil
- 3
- Wellenteil
- 4
- Innenverzahnung
- 5
- Kühlmittelkanal
- 6
- Ende
- 7
- Ende
- 8
- Mittelachse
- 9
- Vertiefung
- 10
- erster Pressverband
- 11
- zweiter Pressverband
- 12
- Ende
- 13
- Ende
- 14
- erster Fügebereich
- 15
- zweiter Fügebereich
- 16
- erste Fügefläche
- 17
- erste Oberflächenstruktur
- 18
- Fügefläche
- 19
- zweite Fügefläche
- 20
- zweite Oberflächenstruktur
- 21
- Fügefläche
- 22
- Riefe
- 23
- Riefe
- 24
- Absatz
- 25
- Absatz
- 26
- Absatz
- D1
- erster Fügedurchmesser
- D2
- zweiter Fügedurchmesser
- L1
- erste axiale Fügelänge
- L1
- zweite axiale Fügelänge
