WO2017125237A1

WO2017125237A1 - Welle-nabe-verbindung

Info

Publication number: WO2017125237A1
Application number: PCT/EP2016/082292
Authority: WO
Inventors: Guido Daimer; Steffen Derhardt
Original assignee: Robert Bosch Gmbh
Priority date: 2016-01-19
Filing date: 2016-12-22
Publication date: 2017-07-27
Also published as: CN109072983B; DE102016200628A1; US11428158B2; JP6704456B2; CN109072983A; US20200386153A1; JP2019508615A

Abstract

Welle-Nabe-Verbindung (1), insbesondere zur Montage eines Läuferrades auf einer Welle (10). Die Welle-Nabe-Verbindung (1) umfasst eine Welle (10), eine Nabe (20) und ein Füllmaterial (30). Die Welle (10) weist an einem Ende einen Endabschnitt (11) auf. In der Nabe (20) ist ein Aufnahmebereich (21) angeordnet. Der Endabschnitt (11) ist unter Zwischenlage des Füllmaterials (30) in dem Aufnahmebereich (21) angeordnet. Das Füllmaterial (30) bildet zu dem Endabschnitt (11) und zu dem Aufnahmebereich (21) Hinterschnitte in axialer und rotatorischer Richtung aus, so dass die Welle-Nabe-Verbindung (1) formschlüssig ausgeführt ist.

Description

Titel

Welle-Nabe-Verbindung

Beschreibung

Die Erfindung betrifft eine Welle-Nabe-Verbindung, insbesondere für die

Verbindung eines Läuferrades auf einer Welle.

Stand der Technik

Welle-Nabe-Verbindungen sind in vielfältigen Ausführungen aus dem Stand der Technik bekannt, beispielsweise aus dem Lehrbuch„Roloff/Matek

Maschinenelemente: Normung, Berechnung, Gestaltung" (Vieweg+Teubner

Verlag).

Die bekannten Welle-Nabe-Verbindungen vereinbaren jedoch nicht die

Eigenschaften geringe Baugröße, hohe Kraft- und Momentenübertragung und hohe Festigkeit in einem. Beispielsweise weist eine Keilwellenverbindung zwar eine hohe Momentenübertragung auf, ist aber weniger für die Übertragung von Axialkräften geeignet; dafür müsste wiederum eine zusätzliche axiale Sicherung vorgesehen werden, welche wiederum zusätzlichen Bauraum benötigt.

Offenbarung der Erfindung

Demgegenüber weist die erfindungsgemäße Welle-Nabe-Verbindung hohe Kraft- und Momentenübertragungen und hohe Festigkeit bei nur geringer Baugröße auf. Dazu umfasst die Welle-Nabe-Verbindung eine Welle, eine Nabe und ein Füllmaterial. Die Welle weist an einem Ende einen Endabschnitt auf. In der Nabe ist ein Aufnahmebereich angeordnet. Der Endabschnitt ist unter Zwischenlage des Füllmaterials in dem Aufnahmebereich angeordnet. Das Füllmaterial bildet zu dem Endabschnitt und zu dem Aufnahmebereich Hinterschnitte in axialer und rotatorischer Richtung aus, so dass die Welle-Nabe-Verbindung formschlüssig ausgeführt ist.

Durch die formschlüssigen Hinterschnitte können sehr hohe Kräfte und Momente übertragen werden, ohne dass die Festigkeit durch Vorspannungen negativ beeinflusst ist. Weiterhin ist die Verbindung an sich bauraumsparend in dem Aufnahmebereich der Nabe angeordnet; zusätzliche Maschinenelemente wie Schrauben entfallen dadurch. Vorzugsweise sind die Hinterschnitte der Welle- Nabe-Verbindung spielfrei ausgeführt, so dass die Kraft- und

Momentenübertragung Verlust- und stoßfrei erfolgt. Somit sind auch die Effizienz und Lebensdauer der Welle-Nabe-Verbindung maximiert.

Die erfindungsgemäße Welle-Nabe-Verbindung ist insbesondere zur Montage eines Läuferrades auf einer Welle geeignet, wobei das Läuferrad die Nabe bildet.

Die Strömungsgeometrie des Läuferrades wird durch die Anordnung der Welle- Nabe-Verbindung im Inneren des Läuferrades nicht durch diese beeinflusst.

In einer vorteilhaften Weiterbildung weist der Endabschnitt einen

Positionierabschnitt auf. Das Füllmaterial bildet einen rotatorischen Hinterschnitt mit an dem Positionierabschnitt ausgebildeten Strukturen. Der rotatorische Hinterschnitt dient so einer sehr hohen Drehmomentübertragung. Vorzugsweise sind die Strukturen so ausgebildet, dass sie vergleichsweise geringe

Kerbwirkungen aufweisen, um eine hohe Festigkeit der Welle-Nabe-Verbindung zu gewährleisten.

Vorteilhafterweise sind die Strukturen als Nuten in axialer Richtung ausgebildet. Vorzugsweise sind dabei mehrere Nuten über den Umfang verteilt angeordnet. Dadurch ergibt sich eine besonders hohe und auch gleichmäßige

Drehmomentübertragung. In vorteilhaften Ausführungen weist der Endabschnitt einen dem Positionierabschnitt benachbarten Verbindungsabschnitt auf. Das Füllmaterial bildet einen axialen Hinterschnitt mit dem Übergang von dem Positionierabschnitt zu dem Verbindungsabschnitt. Durch den axialen Hinterschnitt können sehr hohe axiale Kräfte übertragen werden. Vorzugsweise ist der Übergang vom

Positionierabschnitt zum Verbindungsabschnitt so ausgebildet, dass er vergleichsweise geringe Kerbwirkungen aufweist, um eine hohe Festigkeit der Welle-Nabe-Verbindung zu gewährleisten.

Sowohl der rotatorische als auch der axiale Hinterschnitt sind sehr vorteilhaft im Inneren der Nabe bzw. des Läuferrades angeordnet. Dadurch ist die Welle-Nabe- Verbindung sehr bauraumsparend ausgeführt; gleichzeitig werden die

Außengeometrien der Welle und insbesondere auch der Nabe nicht negativ durch anderweitige Verbindungstechniken, beispielsweise Verschraubungen, beeinflusst.

In vorteilhaften Weiterbildungen weist der Aufnahmebereich einen

Positionierbereich auf, wobei das Füllmaterial einen weiteren rotatorischen Hinterschnitt mit an dem Positionierbereich ausgebildeten Geometrien bildet. Der weitere rotatorische Hinterschnitt dient so einer sehr hohen

Drehmomentübertragung. Vorzugsweise sind die Geometrien so ausgebildet, dass sie vergleichsweise geringe Kerbwirkungen aufweisen, um eine hohe Festigkeit der Welle-Nabe-Verbindung zu gewährleisten.

Vorteilhafterweise sind die Geometrien als Durchgangsnuten in axialer Richtung ausgebildet. Vorzugsweise sind dabei mehrere Durchgangsnuten über den Umfang verteilt angeordnet. Dadurch ergibt sich eine besonders hohe und auch gleichmäßige Drehmomentübertragung.

In vorteilhaften Ausführungen ist der Positionierbereich den Positionierabschnitt außen umgebend angeordnet. Dadurch ist die Momentenübertragung zwischen Welle und Nabe optimiert; eine nachteilige Torsion des Füllmaterials wird so verhindert. In vorteilhaften Weiterbildungen ist ein Außendurchmesser Dn_a des

Positionierabschnitts genauso groß ist wie ein Innendurchmesser D2i_a des Positionierbereichs. Dadurch wirkt der Positionierabschnitt mit dem

Positionierbereich in radialer Richtung zusammen, so dass eine koaxiale Ausrichtung der Welle zu der Nabe erzielt wird.

Vorteilhafterweise ist an dem Positionierbereich zumindest eine

Hinterschnittfläche ausgebildet. Das Füllmaterial bildet einen axialen

Hinterschnitt mit der zumindest einen Hinterschnittfläche. Optional können auch mehrere Hinterschnittflächen vorgesehen sein. Der axiale Hinterschnitt wirkt derart, dass er ein Herausziehen des Füllmaterials aus der Nabe verhindert; die Hinterschnittflächen sind also in das Innere des Aufnahmebereichs gerichtet.

In vorteilhaften Weiterbildungen weist der Endabschnitt einen dem

Positionierabschnitt benachbarten Verbindungsabschnitt und einen daran anschließenden Verdrängungsabschnitt auf. An dem Verdrängungsabschnitt ist zumindest eine Axialfläche ausgebildet. Das Füllmaterial bildet einen weiteren axialen Hinterschnitt mit der zumindest einen Axialfläche. Optional können auch mehrere Axialflächen vorgesehen sein. Der weitere axiale Hinterschnitt wirkt derart, dass er ein Herausziehen Welle aus dem Füllmaterial verhindert; die Axialflächen sind also aus dem Aufnahmebereich heraus gerichtet.

In vorteilhaften Ausführungen wirkt eine an der Nabe ausgebildete Stirnseite mit einer an der Welle ausgebildeten Schulter in Axialrichtung der Welle zusammen. Dadurch entsteht während der Montage der Welle-Nabe-Verbindung ein axialer Anschlag der Welle an der Nabe, so dass die Welle zur Nabe in Axialrichtung eindeutig positioniert werden kann. Axiale Toleranzen der Welle-Nabe- Verbindung werden dadurch minimiert.

Vorteilhafterweise besteht das Füllmaterial aus einer Vergussmasse, welche selbständig oder unter Temperatureinwirkung aushärtet. Dadurch ist der Herstellungprozess der Welle-Nabe-Verbindung sehr einfach ausgeführt.

Vorzugsweise besteht das Füllmaterial dabei aus einem Klebstoff oder einem Elastomer. Dadurch weist die Welle-Nabe-Verbindung gute Dämpfungseigenschaften auf und kann demzufolge Stoßbelastungen gut abdämpfen.

In weiteren erfindungsgemäßen Ausführungen wird die Welle-Nabe-Verbindung in einer Turbine eingesetzt. Die Turbine umfasst dabei ein auf einer Welle angeordnetes Läuferrad. Das Läuferrad ist auf der Welle mittels einer oben beschriebenen Welle-Nabe-Verbindung angeordnet. Das Läuferrad stellt dabei die Nabe der Welle-Nabe-Verbindung dar. Durch die kompakte Bauweise der Welle-Nabe-Verbindung kann auch das Läuferrad sehr kleine ausgeführt werden, ohne dabei die Strömungsgeometrie des Läuferrads negativ zu beeinflussen.

In vorteilhaften Ausführungen ist die Turbine innerhalb eines

Abwärmerückgewinnungssystems einer Brennkraftmaschine angeordnet. Das Abwärmerückgewinnungssystem weist einen ein Arbeitsmedium führenden Kreislauf auf. Der Kreislauf umfasst in Flussrichtung des Arbeitsmediums eine

Pumpe, einen Verdampfer, ein Bypass-Ventil, eine Expansionsmaschine und einen Kondensator. Die Expansionsmaschine ist als Turbine mit einer erfindungsgemäßen Welle-Nabe-Verbindung ausgeführt. Für diesen

Anwendungsfall ändern sich die Betriebszustände der Turbine sehr häufig, und damit die Umdrehungszahl des Läuferrades. Die spielfreie Ausführung der Welle-

Nabe-Verbindung ist dafür besonders gut geeignet. Insbesondere als

Anwendung im Automotive Bereich ist weiterhin eine kleine Baugröße des Abwärmerückgewinnungssystems und damit auch der Turbine erforderlich, wofür die oben beschriebenen Ausführungen der Welle-Nabe-Verbindung gut geeignet sind.

In einer anderen vorteilhaften Ausführung ist die Turbine in einer Wärmepumpe angeordnet. Die Wärmepumpe umfasst einen Kondensator, einen Verdampfer und eine Turbine, wobei das Läuferrad der Turbine als Verdichter zwischen Verdampfer und Kondensator wirkt. Durch die kleine Baugröße und die Fähigkeit große Drehmomente zu übertragen eignet sich die erfindungsgemäße Welle- Nabe-Verbindung besonders gut für eine Wärmepumpe.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführung ist die Turbine in einer Mikrog angeordnet, wobei das Läuferrad der Turbine als Verdichter für ein Turbinenlaufrad der Mikrogasturbine wirkt. Durch die kleine Baugröße und die Fähigkeit große Drehmomente zu übertragen eignet sich die Turbine mit der erfindungsgemäßen Welle-Nabe-Verbindung besonders gut als Verdichter einer Mikrogasturbine.

Alternativ kann das Läuferrad auch als Turbinenlaufrad der Mikrogasturbine wirken.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführung ist die Turbine in einer

Brennkraftmaschine angeordnet, wobei das Läuferrad der Turbine als

Zusatzverdichter zum Verdichten der der Brennkraftmaschine zugeführten Verbrennungsluft wirkt. Die Anforderungen an ein derartiges Läuferrad sind geringe Baugröße, hohe Momentenübertragung und hohe Festigkeit.

Demzufolge eignet sich die erfindungsgemäße Welle-Nabe-Verbindung daher sehr gut als Verbindungstechnik zwischen Welle und Läuferrad.

Zeichnungen Fig.l zeigt die Bestandteile einer Welle-Nabe-Verbindung vor der Montage, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind.

Fig.2 zeigt schematisch eine Welle-Nabe-Verbindung im montierten Zustand. Fig.3 zeigt eine erfindungsgemäße Welle-Nabe-Verbindung im montierten

Zustand, wobei die Nabe ausgeblendet ist.

Fig.4 zeigt eine weitere Ausführung der erfindungsgemäßen Welle-Nabe- Verbindung im montierten Zustand, wobei die Nabe ausgeblendet ist.

Fig.5 zeigt einen Längsschnitt durch das Füllmaterial der Welle-Nabe- Verbindung in einer weiteren Ausführung.

Fig.6 zeigt schematisch ein Abwärmerückgewinnungssystem. Fig.7 zeigt schematisch eine Wärmepumpe.

Fig.8 zeigt schematisch eine Mikrogasturbine.

Fig.9 zeigt schematisch eine weitere Mikrogasturbine.

Fig.10 zeigt schematisch eine Brennkraftmaschine mit einem Zusatzverdichter.

Beschreibung

Fig.l zeigt eine Welle 10, eine Nabe 20 eines Läuferrades und ein Füllmaterial 30, welche in einem montierten Zustand zu einer Welle-Nabe-Verbindung 1 gefügt werden. Die Fig.l zeigt dabei den Zustand der beiden Bauteile Welle 10 und Nabe 20 sowie des Füllmaterials 30 vor der Fügung zu der Welle-Nabe- Verbindung 1. Erfindungsgemäß wird das Füllmaterial 30 während des

Fügevorgangs der Welle-Nabe-Verbindung 1 stark umgeformt bzw. plastifiziert, so dass formschlüssige Verbindungen entstehen. Dadurch können sehr hohe Kräfte und Momente übertragen werden, höher als beispielsweise bei herkömmlichen Pressverbindungen oder Zahn- bzw. Keilverbindungen.

Im Ausführungsbeispiel der Fig.l wird das Füllmaterial 30 während des Fügens der Welle-Nabe-Verbindung 1 stark umgeformt, optional unter starkem Erhitzen des Füllmaterials 30. Dazu kann das Füllmaterial 30 beispielsweise auch ringförmig bzw. als Hohlzylinder gestaltet sein. Die Welle 10 weist einen dreiteiligen Endabschnitt 11 auf, wobei der Endabschnitt 11 gegenüber einem Mittelbereich 19 der Welle 10 im Durchmesser verringert ist. Die Nabe 20 weist einen Aufnahmebereich 21 in Form einer nahezu beliebig komplexen

Ausnehmung auf. Im Ausführungsbeispiel der Fig.l ist der Aufnahmebereich 21 zweiteilig ausgeführt.

Der Endabschnitt 11 ist derjenige Bereich der Welle 10, welcher im montierten Zustand der Welle-Nabe-Verbindung 1 mit dem Aufnahmebereich 21 der Nabe 20 gegebenenfalls unter Zwischenlage des Füllmaterials 30 zusammenwirkt, um Kräfte und Momente zu übertragen. Die Innengeometrie der Nabe 20, also die Geometrie des Aufnahmebereichs 21, und die Außengeometrie des Endabschnitts 11 der Welle 10 weisen sowohl radiale als auch axiale Geometrien auf:

Der Aufnahmebereich 21 weist einen Positionierbereich 21a und einen

Hinterschnittbereich 21b auf. Der Endabschnitt 11 weist von innen nach außen einen Positionierabschnitt IIa, einen Verbindungsabschnitt IIb und einen Verdrängungsabschnitt 11c auf. Der Verbindungsabschnitt IIb und der

Verdrängungsabschnitt 11c sind diejenigen Bereiche der Welle 10, welche im montierten Endzustand der Welle-Nabe-Verbindung 1 im Hinterschnittbereich 21b angeordnet sind. Der Positionierabschnitt IIa wirkt mit dem

Positionierbereich 21a, vorteilhafterweise unter Zwischenlage des Füllmaterials 30, derart formschlüssig zusammen, dass ein Gegeneinander-Rotieren und ein Gegeneinander-Verschieben von Welle 10 zu Nabe 20 verhindert wird.

Zur axialen Positionierung von Welle 10 zur Nabe 20 ist an Welle 10 bzw. Nabe 20 ein Paar von Anschlagflächen ausgebildet, wobei zwei Alternativen zur Verfügung stehen:

- Eine an der Nabe 20 ausgebildete Stirnseite 22 wirkt mit einer an der Welle 10 ausgebildeten Schulter 12 in Axialrichtung der Welle 10 zusammen. Die Schulter 12 ist dabei die stirnseitige Fläche am Übergang vom Endabschnitt 11 zu dem Mittelbereich 19 der Welle 10.

- Ein in dem Aufnahmebereich 21 ausgebildeter Bohrungsgrund 23 wirkt mit einer an dem Verdrängungsabschnitt 11c ausgebildeten Deckfläche 13 zusammen. Die Deckfläche 13 ist dabei die Stirnseite des

Verdrängungsabschnitts 11c und somit die äußerste Stirnseite der Welle 10.

Das Paar von Anschlagflächen, also Stirnseite 22 / Schulter 12, oder

Bohrungsgrund 23 / Deckfläche 13, positioniert bei Kontakt während der Montage die Welle 10 zur Nabe 20 in axialer Richtung. Vorzugsweise werden dabei die Anschlagflächen Schulter 12 und Stirnseite 22 verwendet, da sie nicht unter Zwischenlage des Füllmaterials 30 aneinander gepresst werden. Beim Fügen der Welle-Nabe-Verbindung 1 wird das Füllmaterial 30 vor allem derart von dem Endabschnitt 11 verdrängt, dass es sich ringförmig um den Verbindungsabschnitt IIb und den Verdrängungsabschnitt 11c anordnet, also quasi axial zwischen dem Positionierabschnitt IIa und dem

Verdrängungsabschnitt 11c verspannt ist. Vergleiche dazu auch die Fig.3.

Vorzugsweise füllt das Füllmaterial 30 jedoch alle Hohlräume zwischen dem Endabschnitt 11 und dem Aufnahmebereich 21 aus, also auch zwischen

Positionierabschnitt IIa und Positionierbereich 21a. Vergleiche dazu auch die Fig.2. Dazu weist der Endabschnitt 11 zwischen Positionierabschnitt IIa und

Mittel abschnitt 19 noch vorzugsweise einen zylindrischen Ringabschnitt lld auf, der das Füllmaterial 30 am Ausdringen aus den Hohlräumen zwischen

Endabschnitt 11 und Aufnahmebereich 21 hindert. Im Ausführungsbeispiel der Fig.l sind der Positionierabschnitt IIa und der

Verdrängungsabschnitt 11c keilwellenförmig gestaltet, der Verbindungsabschnitt IIb zylindrisch. Dabei ist vorteilhaft, dass der Durchmesser Dnb des

Verbindungsabschnitts IIb kleiner ist als der Außendurchmesser Dn_a des Positionierabschnitts IIa und auch kleiner als der Außendurchmesser Dn_c des Verdrängungsabschnitts 11c; dadurch entstehen axiale Hinterschnitte der Welle

10 zum Füllmaterial 30.

Vorteilhafterweise weisen der Verdrängungsabschnitt 11c und der

Verbindungsabschnitt IIa im Querschnitt die gleiche Geometrie auf, um

Fertigungskosten zu minimieren. Die Geometrie des Verdrängungsabschnitts 11c ist dabei so zu wählen, dass dieser während der Montage über den

Positionierbereich 21a geschoben werden kann. Vorzugsweise ist der Hohlraum zwischen Verdrängungsabschnitt 11c und Hinterschnittbereich 21b möglichst gering zu halten, so dass nicht zu viel Füllmaterial 30 in diesen Hohlraum gefüllt werden muss, da dieser Hohlraum für die Funktion der Welle-Nabe-Verbindung 1 in einigen Ausführungen - vor allem ohne größere Axialkräfte - untergeordnet ist. Ein Beispiel mit einem zylindrischen Verdrängungsabschnitt 11c zeigt die Fig.4.

Im Ausführungsbeispiel der Fig.l der Positionierabschnitt IIa vorzugsweise keilwellenförmig gestaltet, mit Nuten llal, um, eine Verankern des Füllmaterials 30 in diesen Nuten llal zu erzielen; dadurch werden rotatorische Hinterschnitte geschaffen. Optional kann der Verdrängungsabschnitt 11c ebenfalls derartige Nuten llcl aufweisen, wie in Fig.l dargestellt. Weiterhin weißt der

Positionierbereich 21a Durchgangsnuten 21al auf, ebenfalls zur Verankerung des Füllmaterials bzw. zur Schaffung weiterer rotatorischer Hinterschnitte.

In der Ausführung der Fig.l ist der Hinterschnittbereich 21b zylindrisch ausgeführt mit einem Durchmesser D2it>, wobei Ü2ib größer ist als der

Innendurchmesser Ü2ia des Positionierbereichs 21a; dadurch entsteht ein Hinterschnitt des Füllmaterials 30 zur Nabe 20 am Übergang vom

Hinterschnittbereich 21b zum Positionierbereich 21a.

Die Hinterschnitte des Füllmaterials 30 zur Welle 10 und zur Nabe 20 wirken so zusammen, dass das Füllmaterial 30 ein Herausziehen der Welle 10 aus der Nabe 20 verhindert. Die Welle-Nabe-Verbindung 1 kann somit nur demontiert werden, wenn das Füllmaterial 30 wieder aufgeschmolzen wird.

Die Drehmomentübertragung zwischen Welle 10 und Nabe 20 bzw. Läuferrad 20 erfolgt in erster Linie über den Positionierabschnitt IIa, das Füllmaterial 30 und den Positionierbereich 21a. Das Füllmaterial ist in den Nuten llal der Welle 10 und in den Durchgangsnuten 21al der Nabe 20 verankert und bildet somit einen Formschluss zu Welle 10 und Nabe 20 in Rotationsrichtung aus. In der

Ausführungsform der Fig.l können die Anzahl von Nuten llal und

Durchgangsnuten 21al dementsprechend auch unterschiedlich sein.

Der Außendurchmesser Dn_a des Positionierabschnitts IIa ist dann

vorteilhafterweise nicht größer als der Innendurchmesser Ü2ia des

Positionierbereichs 21a. Besonders bevorzugt sind Dn_a und Ü2ia gleich groß, so dass Außendurchmesser Dn_a und Innendurchmesser Ü2ia derart

zusammenwirken, dass sie eine koaxiale Ausrichtung der Nabe 20 zur Welle 10 bewirken, wie auch in der Fig.5 gezeigt.

Dazu sind an dem Positionierabschnitt IIa, genauer an den Zähnen zwischen den Nuten llal Außenflächen lla2 ausgebildet, welche in Summe eine zylindrische Fläche des Durchmessers Dn_a mit Aussparungen ergeben. Analog dazu sind an dem Positionierbereich 21a, genauer an den Zähnen zwischen den Durchgangsnuten 21al Innenflächen 21a2 ausgebildet, welche in Summe eine zylindrische Fläche des Durchmessers Ü2ia mit Aussparungen ergeben. Im Rahmen der Fertigungstoleranzen ist in dieser Ausführung zur koaxialen Positionierung von Welle 10 und Nabe 20 Dn_a = D2i_a. Vorzugsweise sind die Anzahl der Außenflächen lla2 und Innenflächen 21a2 dabei gleich groß.

In Weiterbildungen der Ausführung der Fig.l können der Positionierabschnitt IIa und der Positionierbereich 21a auch so gestaltet sein, dass sie - gegebenenfalls unter Zwischenlage des Füllmaterials 30 - eine Keilwellenverbindung ausbilden. Der Positionierbereich 21a weist dann im Rahmen der Fertigungs- und

Passungstoleranzen die Negativform des Positionierabschnitts IIa auf.

Dementsprechend ist in diesen Ausführungen dann der Außendurchmesser Dn_a des Positionierabschnitts IIa größer als der Innendurchmesser Ü2ia des Positionierbereichs 21a.

Vorteilhafterweise ist die Welle 10 über das Füllmaterial 30 mit der Nabe 20 in axialer Richtung spielfrei verspannt. Der axiale Kraftfluss wirkt dann über das Paar von Anschlagflächen - also Stirnseite 22 / Schulter 12, oder Bohrungsgrund 23 / Deckfläche 13 - und die axialen Hinterschnitte des Füllmaterials 30 zu dem Aufnahmebereich 21 und dem Endabschnitt 11: Dazu sind an dem

Verdrängungsabschnitt 11c - und optional an dem Positionierabschnitt IIa - Axialflächen lla3, llc3 ausgebildet, vorteilhafterweise als Stirnflächen der Nuten llal, llcl. Weiterhin sind an dem Positionierbereich 21a ebenfalls Axialflächen als Hinterschnittflächen 21a3 ausgebildet, vorteilhafterweise als Stirnflächen der Durchgangsnuten 21al.

In axialer Richtung werden somit mehrere Hinterschnitte ausgebildet:

- Ein axialer Hinterschnitt zwischen dem Füllmaterial 30 und den

Hinterschnittflächen 21a3 des Positionierbereichs 21a. Dieser verhindert ein Herausziehen des Füllmaterials 30 aus der Nabe 20.

- Ein optionaler axialer Hinterschnitt zwischen dem Füllmaterial 30 und den Axialflächen lla3 des Positionierabschnitts IIa. - Ein weiterer axialer Hinterschnitt zwischen dem Füllmaterial 30 und den Axialflächen llc3 des Verdrängungsabschnitts 11c. Dieser verhindert ein Herausziehen der Welle 10 aus dem Füllmaterial 30.

Die Dimensionierung des Hinterschnittbereichs 21b, des Verbindungsabschnitts IIb, des Verdrängungsabschnitts 11c, des Positionierbereichs 21a, des

Positionierabschnitts IIa und des Füllmaterials 30 müssen so aufeinander abgestimmt sein, dass ein hoher Füllungsgrad nach der Montage der Welle- Nabe-Verbindung 1 erreicht werden kann. Das Füllmaterial 30 kann

beispielsweise ein Metall sein, welches während der Montage durch Erwärmung (z.B. mittels Induktion) schmilzt und durch das Fügen der Welle 10 in die Nabe 20 in den Hinterschnittbereich 21b gedrückt wird.

Das Füllmaterial 30 kann alternativ aber auch ein 2-Komponenten-Kleber sein, welcher in flüssiger Form eingefüllt wird, sich dann bei der Montage in den Hinterschnittbereich 21b und gegebenenfalls in den Positionierbereich 21a verteilt und anschließend aushärtet. Vorzugsweise erfolgt die Aushärtung dabei selbständig. Ebenso können andere Materialien wie Elastomere oder

verschiedene Granulate als Füllmaterial 30 verwendet werden. Wird als

Füllmaterial 30 ein Elastomer verwendet, so weist die Welle-Nabe-Verbindung 1 einen hohen Dämpfungsgrad auf. Wird als Füllmaterial 30 ein Granulat verwendet, so ist gegebenenfalls eine thermische Behandlung der montierten Welle-Nabe-Verbindung 1 durchzuführen, damit das Füllmaterial 30 seine Endfestigkeit erreicht.

Sinnvollerweise bietet sich eine Montagerichtung der Welle 10 von oben in den Aufnahmebereich 21 an, damit das Füllmaterial 30 aufgrund der Gravitationskraft nicht aus dem Aufnahmebereich 21 herausläuft. Die während der Montage aus den Hohlräumen zwischen dem Endabschnitt 11 und dem Aufnahmebereich 21 zu verdrängende Luft kann durch entsprechend gestaltete Kanäle entweichen. Das Füllmaterial 30 muss auf die spezifischen Umgebungsbedingungen, speziell die thermo-mechanischen Belastungen, ausgelegt werden.

Fig.2 zeigt die Welle-Nabe-Verbindung 1 im montierten bzw. gefügten Zustand. Das Füllmaterial 30 hat seine Endkonfiguration erreicht und füllt die Hohlräume zwischen Aufnahmebereich 21 und Endabschnitt 11. Dabei ist das Füllmaterial 30 den Verbindungsabschnitt IIb umgebend angeordnet, um so Hinterschnitte zu Welle 10 und Nabe 20 zu erzeugen, die eine formschlüssige Verbindung in axialer Richtung realisieren. Weiterhin umgibt das Füllmaterial 30 jedoch auch den Positionierabschnitt IIa und den Verdrängungsabschnitt 11c.

Dadurch, dass das Füllmaterial 30 in einer Ausführungsform die Spielbereiche zwischen Positionierabschnitt IIa und Positionierbereich 21a ausfüllt, erfolgt die Drehmomentübertragung über eine Keilwellenverbindung zwischen dem

Positionierabschnitt IIa und dem Positionierbereich 21a spielfrei.

In einer anderen Ausführungsform füllt das Füllmaterial 30 die Nuten llal und Durchgangsnuten 21al so aus, dass das Füllmaterial 30 Formschlüsse in Rotationsrichtung zwischen Welle 10 und Nabe 20 erzeugt, wobei auch diese Formschlüsse spielfrei sind.

In beiden Ausführungen ist die Welle-Nabe-Verbindung 1 ist damit sehr steif ausgeführt. Weiterhin entfällt somit eine Schraubverbindung zwischen Welle 10 und Nabe 20. Ist die Nabe 20 als Läuferrad 20 einer Turbine ausgebildet, so kann eine Radnase 29 des Läuferrads 20, welche dem Aufnahmebereich in axialer Richtung gegenüberliegend angeordnet ist, strömungstechnisch optimiert gestaltet werden, ohne dabei eine Verschraubung berücksichtigen zu müssen.

Fig.3 zeigt eine erfindungsgemäße Welle-Nabe-Verbindung 1 im montierten Zustand, wobei die Nabe 20 bzw. das Läuferrad 20 ausgeblendet ist. Das Füllmaterial 30 ist den Verbindungsabschnitt IIb der Welle 10 ringförmig umgebend angeordnet. Dadurch wird ein axialer Formschluss zur Geometrie des Positionierbereichs 21a der ausgeblendeten Nabe 20 erzeugt.

In den meisten Ausführungsbeispielen der Welle-Nabe-Verbindung 1 ist das Füllmaterial 30 auch den Verdrängungsabschnitt 11c und optional auch den Positionierabschnitt IIa ringförmig umgebend angeordnet. Aus

Darstellungsgründen wurde dies jedoch in der vorliegenden Fig.3 nicht eingezeichnet. Fig.4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Welle- Nabe-Verbindung 1 im montierten Zustand, wobei die Nabe 20 ausgeblendet ist. Im Unterschied zur Ausführung der Fig.3 ist der Verdrängungsabschnitt 11c zylindrisch ausgeführt und das Füllmaterial 30 den Positionierabschnitt IIa teilweise umgebend angeordnet.

Fig.5 zeigt einen Längsschnitt durch das Füllmaterial im verpressten bzw.

montierten Zustand. In dieser Ausführung sind der Außendurchmesser Dn_a des Positionierabschnitts IIa und der Innendurchmesser D2i_a des Positionierbereichs 21a gleich groß. Dadurch wirken die Innenflächen 21a2 des Positionierbereichs

21a mit den Außenflächen lla2 des Positionierabschnitts IIa zusammen und richten so die Nabe 20 koaxial zur Welle 10 aus.

Fig.6 zeigt ein Abwärmerückgewinnungssystem 100. Das

Abwärmerückgewinnungssystem 100 weist einen ein Arbeitsmedium führenden

Kreislauf 100a auf, der in Flussrichtung des Arbeitsmediums eine Pumpe 102, einen Verdampfer 103, ein Bypass-Ventil 104a, eine Expansionsmaschine 104 und einen Kondensator 105 umfasst. Ein Sammelbehälter 101 ist über eine Ventilanordnung 101a an den Kreislauf 100a angebunden; alternativ kann der Sammelbehälter auch in den Kreislauf 100a eingebunden sein.

Flüssiges Arbeitsmedium wird durch die Pumpe 102 aus dem Kreislauf 100a bzw. aus dem Sammelbehälter 101 in den Verdampfer 103 gefördert und dort durch die Wärmeenergie eines Abgases einer Brennkraftmaschine verdampft. Das verdampfte Arbeitsmedium wird anschließend in der Expansionsmaschine

104 unter Abgabe mechanischer Energie, beispielsweise an einen nicht dargestellten Generator oder an ein nicht dargestelltes Getriebe, entspannt. Anschließend wird das Arbeitsmedium im Kondensator 105 wieder verflüssigt und in den Sammelbehälter 101 zurückgeführt.

Optional ist eine Bypassleitung 106 parallel zur Expansionsmaschine 104 angeordnet. Je nach Betriebszustand der Brennkraftmaschine und daraus resultierender Größen, beispielsweise Temperaturen des Arbeitsmediums, wird das Arbeitsmedium durch das Bypass-Ventil 104a der Expansionsmaschine 104 zugeführt oder durch die Bypassleitung 106 an der Expansionsmaschine vorbeigeführt. Beispielhaft ist ein Temperatursensor 107 vor dem Kondensator 105 angeordnet. Der Temperatursensor 107 ermittelt die Temperatur des

Arbeitsmediums vor dem Kondensator 105 und übermittelt ein entsprechendes Signal an ein nicht dargestelltes Steuergerät. Das Steuergerät steuert in

Abhängigkeit verschiedener Daten, wie beispielsweise der Temperatur des Arbeitsmediums vor dem Kondensator 105, das Bypass-Ventil 104a an.

Erfindungsgemäß ist die Expansionsmaschine 104 als Turbine ausgebildet und umfasst ein Läuferrad 20, welches mittels der Welle-Nabe-Verbindung 1 auf der Welle 10 befestigt ist, wobei die Welle 10 in dieser Ausführung als Abtriebswelle wirkt.

Fig.7 zeigt schematisch eine Anwendung einer erfindungsgemäßen Welle-Nabe- Verbindung 1 in einer Turbine 75 einer Wärmepumpe 70, wobei die Turbine 75 als Verdichter betrieben wird. Eine Wärmepumpe 70 weist einen

Arbeitsmittelkreislauf 77 mit einem Kondensator 71, einem Verdampfer 72, einer Drossel 73 bzw. einem Expansionsventil und einer Turbine 75 auf.

Der Verdampfer 72 verdampft ein vorher flüssiges Arbeitsmittel, das

anschließend durch das Läuferrad 20 der Turbine 75 verdichtet und dem

Kondensator 71 zugeführt wird. Unter Abgabe von Wärmeenergie,

beispielsweise in das Heizsystem eines Hauses, verflüssigt sich das Arbeitsmittel im Kondensator 71 wieder. Anschließend wird das Arbeitsmittel in der Drossel 73 oder über ein Expansionsventil entspannt und wieder dem Verdampfer 72 zugeführt.

Erfindungsgemäß ist das Läuferrad 20 der Turbine 75 auf der Welle 10 mittels der oben beschriebenen Welle-Nabe-Verbindung 1 befestigt, wobei in dieser Ausführung die Welle 10 als Antriebswelle wirkt.

Fig.8 zeigt schematisch eine Anwendung einer erfindungsgemäßen Welle-Nabe- Verbindung 1 in einer Turbine 89, wobei die Turbine 89 als Verdichter betrieben wird. Eine Mikrogasturbine 80 weist ein Turbinenlaufrad 81 und eine Turbine 89 auf. Das Turbinenlaufrad 81 ist ebenso wie das Läuferrad 20 der Turbine 89 auf der Welle 10 angeordnet. Verbrennungsluft 85 wird in der Turbine 89

komprimiert und einem Brennraum 82 der Mikrogasturbine 80 zugeführt.

Im Brennraum 82 wird die Verbrennungsluft 85 mit einem Brennstoff 86 gemischt und gezündet und somit das Turbinenlaufrad 81 angetrieben. Es entsteht heißes und entspanntes Abgas 87. Anschließend kann in einem nicht dargestellten Rekuperator das Abgas 87 gekühlt und gleichzeitig die Verbrennungsluft 85 vorgewärmt werden. Das Turbinenlaufrad 81 treibt die Welle 10 und mit ihr auch das Läuferrad 20 der Turbine 89 an.

Erfindungsgemäß sind das Läuferrad 20 der Turbine 89 und/oder das

Turbinenlaufrad 81 auf der Welle 10 mittels der oben beschriebenen Welle-Nabe- Verbindung 1 befestigt.

Fig.9 zeigt schematisch eine weitere Anwendung der erfindungsgemäßen Welle- Nabe-Verbindung 1 in einer Turbine 91. Eine Mikrogasturbine 90 weist eine Turbine 91 mit einem Läuferrad 20, ein Verdichterlauf rad 93 und einen

Brennraum 92 auf.

Das Läuferrad 20 der Turbine 91 ist gegebenenfalls ebenso wie das

Verdichterlauf rad 93 auf der Welle 10 angeordnet. Verbrennungsluft 95 wird im Verdichter durch das Verdichterlaufrad 93 komprimiert und einem Brennraum 92 der Mikrogasturbine 90 zugeführt. Im Brennraum 92 wird die Verbrennungsluft 95 mit einem Brennstoff 96 gemischt und gezündet und somit das Läuferrad 20 der Turbine 91 angetrieben. Es entsteht heißes und entspanntes Abgas 97. Das Läuferrad der Turbine 91 treibt die Welle 10 an, wodurch wiederum das

Verdichterlauf rad 93 angetrieben wird.

Erfindungsgemäß sind das Läuferrad 20 der Turbine 91 und/oder das

Verdichterlauf rad 93 auf der Welle 41 mittels einer oben beschriebenen Welle- Nabe-Verbindung 1 befestigt.

Fig.10 zeigt schematisch eine Anordnung einer Turbine 62 mit einem Läuferrad 20 als Zusatzverdichter für eine Brennkraftmaschine 61. Verbrennungsluft 65 wird über eine Ansaugleitung 66 der Turbine 62 zugeführt und dort durch das Läuferrad 20 verdichtet. Die verdichtete Verbrennungsluft 65 wird über eine Druckleitung 67 der Brennkraftmaschine 61 zugeführt. Nach dem Verbrennungsprozess in der Brennkraftmaschine 61 wird das Abgas durch einen Abgastrakt 68 abgeführt. Das heiße Abgas im Abgastrakt 68 kann in weiteren Ausführungen auch zur Vorwärmung der Verbrennungsluft in der Ansaugleitung 66 verwendet werden.

Erfindungsgemäß ist das Läuferrad 20 der Turbine 62 auf der Welle 10 bzw. Antriebswelle mittels der oben beschriebenen Welle-Nabe-Verbindung 1 befestigt.

Die Funktionsweise der erfindungsgemäßen Welle-Nabe-Verbindung 1 ist wie folgt:

Das Füllmaterial 30 erzeugt sowohl in Umfangsrichtung als auch in axialer Richtung Hinterschnitte zwischen der Welle 10 und der Nabe 20.

Vorteilhafterweise sind diese Hinterschnitte spielfrei, so dass effizient Kräfte und Momente zwischen Welle 10 und Nabe 20 übertragen werden können.

Diese Welle-Nabe-Verbindung 1 eignet sich speziell für vergleichsweise kleine Bauweisen, beispielsweise kleine Turbinen 62, 75, 89, 91, wobei das Läuferrad 20 der Turbine 62, 75, 89, 91 mittels der Welle-Nabe-Verbindung 1 auf der entsprechenden Welle 10 befestigt ist.

Speziell bei kleinen Baugrößen von Läuferrädern 20 ist eine Schraubverbindung zur Welle 10 wegen des fehlenden Bauraums kaum möglich. Des Weiteren ist gerade bei kleinen Baugrößen eine strömungsgünstige Ausgestaltung der Radnase 29 von großem Vorteil, was durch eine Schraubverbindung nicht optimal erreicht werden kann.

In speziellen Anwendungsfällen, bei welchem an beiden Enden der Welle 10 Laufräder 20 angebracht werden müssen, entstünde bei der Montage des zweiten Läuferrades 20 das zusätzliche Problem, dass eine Fixierung des Verbunds aus Welle 10 und erstem Läuferrad 20 notwendig wäre, um eine Schraubverbindung mit entsprechender Vorspannung bzw. Anzugsmoment zu erzeugen. Ein Festhalten des ersten Läuferrades 20 wäre aufgrund der filigranen Struktur kaum möglich bzw. sehr nachteilig, da dies zu Verformungen bzw. Beschädigungen des Läuferrades 20 führen würde. Die Geometrie des

Läuferrades 20, speziell bei kleinen Baugrößen, ist für Verspannungen zur Montage nur schlecht geeignet.

Die erfindungsgemäße Welle-Nabe-Verbindung 1 verlagert demgegenüber die Verbindung des Läuferrades 20 mit der Welle 10 in die Nabe 20 bzw. in das Läuferrad 20. Dabei wird zusätzliches Material (z.B. Metall mit geringerem Schmelzpunkt, Vergussmasse, Klebstoff, Elastomer), nämlich das Füllmaterial 30, beispielsweise durch eine externe Wärmequelle aufgeschmolzen oder in flüssiger Form eingefüllt und durch das Fügen des Endabschnitts 11 der Welle 10 in die Nabe 20 so in die entsprechenden Hohlräume gedrückt, dass eine radial und axial formschlüssige Verbindung zwischen dem Endabschnitt 11 der Welle 10 und dem Aufnahmebereich 21 der Nabe 20 entsteht.

Im Falle eines aufgeschmolzenen Füllmaterials 30 erstarrt dieses anschließend wieder; andere Füllmaterialien 30 wie Elastomere oder verschiedene Granulate werden durch eine thermische Behandlung nach dem Fügevorgang in ihre End- Festigkeit bzw. End-Konfiguration - gegebenenfalls nach einer chemischen Reaktion - gebracht.

Die Vorteile der so erzeugten Welle-Nabe-Verbindung 1 sind:

• gleichzeitiger radialer und axialer Formschluss zwischen Welle 10 und Nabe 20,

• kostengünstige Verbindung,

• hohe Genauigkeit bei der radialen und axialen Positionierung von Welle, 10 zu Nabe 20,

• deutliche Bauraumreduzierung gegenüber herkömmlichen

Verbindungstechniken,

• Radeintrittsgeometrie bzw. Radnase 29 kann bezüglich

Strömungsführung optimal gestaltet werden,

• große Auswahl an potenziellen Füllmaterialien 30, je nach

Anwendungsfall, durch spezielle Füllmaterialien 30 können sogar weitere Funktionen wie beispielsweise Dämpfung erzielt werden.

Claims

Ansprüche

1. Welle-Nabe-Verbindung (1), insbesondere zur Montage eines Läuferrades auf einer Welle (10), wobei die Welle-Nabe-Verbindung (1) eine Welle (10), eine Nabe (20) und ein Füllmaterial (30) umfasst, wobei die Welle (10) an einem Ende einen Endabschnitt (11) umfasst, wobei in der Nabe (20) ein Aufnahmebereich (21) angeordnet ist,

dadurch gekennzeichnet, dass

der Endabschnitt (11) unter Zwischenlage des Füllmaterials (30) in dem

Aufnahmebereich (21) angeordnet ist, wobei das Füllmaterial (30) zu dem

Endabschnitt (11) und zu dem Aufnahmebereich (21) Hinterschnitte in axialer und rotatorischer Richtung ausbildet, so dass die Welle-Nabe-Verbindung (1) formschlüssig ausgeführt ist.

2. Welle-Nabe-Verbindung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Endabschnitt (11) einen Positionierabschnitt (IIa) aufweist, wobei das Füllmaterial (30) einen rotatorischen Hinterschnitt mit an dem Positionierabschnitt (IIa) ausgebildeten Strukturen bildet, wobei die Strukturen vorzugsweise als Nuten (llal) in axialer Richtung ausgebildet sind.

3. Welle-Nabe-Verbindung (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Aufnahmebereich (21) einen Positionierbereich (21a) aufweist, wobei das Füllmaterial (30) einen weiteren rotatorischen Hinterschnitt mit an dem

Positionierbereich (21a) ausgebildeten Geometrien bildet, wobei die Geometrien vorzugsweise als Durchgangsnuten (21al) in axialer Richtung ausgebildet sind.

4. Welle-Nabe-Verbindung (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Positionierbereich (21a) den Positionierabschnitt (IIa) außen umgebend angeordnet ist.

5. Welle-Nabe-Verbindung (1) nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Außendurchmesser Dn_a des Positionierabschnitts (IIa) genauso groß ist wie ein Innendurchmesser D2i_a des Positionierbereichs (21a).

6. Welle-Nabe-Verbindung (1) nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Positionierbereich (21a) zumindest eine

Hinterschnittfläche (21a3) ausgebildet ist, wobei das Füllmaterial (30) einen axialen Hinterschnitt mit der zumindest einen Hinterschnittflächen (21a3) bildet.

7. Welle-Nabe-Verbindung (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Endabschnitt (11) einen dem Positionierabschnitt (IIa) benachbarten Verbindungsabschnitt (IIb) und einen daran anschließenden

Verdrängungsabschnitt (11c) aufweist, wobei an dem Verdrängungsabschnitt (11c) zumindest eine Axialfläche (llc3) ausgebildet ist, wobei das Füllmaterial (30) einen weiteren axialen Hinterschnitt mit der zumindest einen Axialfläche (llc3) bildet.

8. Welle-Nabe-Verbindung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine an der Nabe (20) ausgebildete Stirnseite (22) mit einer an der Welle (10) ausgebildeten Schulter (12) in Axialrichtung der Welle (10) zusammenwirkt.

9. Welle-Nabe-Verbindung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Füllmaterial (30) aus einer Vergussmasse besteht, wobei die Vergussmasse vorzugsweise selbständig aushärtbar ist.

10. Turbine (62, 75, 89, 91) mit einem auf einer Welle (10) angeordneten Läuferrad (20), dadurch gekennzeichnet, dass das Läuferrad (20) auf der Welle (10) durch eine Welle-Nabe-Verbindung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9 angeordnet ist.

11. Abwärmerückgewinnungssystem (100) mit einem ein Arbeitsmedium führenden Kreislauf (100a), wobei der Kreislauf (100a) in Flussrichtung des Arbeitsmediums eine Pumpe (102), einen Verdampfer (103), ein Bypass-Ventil (1), eine Expansionsmaschine (104) und einen Kondensator (105) umfasst, wobei die Expansionsmaschine (104) als Turbine nach Anspruch 10 ausgebildet ist.

12. Wärmepumpe (70) mit einem Kondensator (71), einem Verdampfer (72) und einer Turbine (75) nach Anspruch 10, wobei das Läuferrad (20) als Verdichter zwischen Verdampfer und Kondensator wirkt.

13. Mikrogasturbine (80) mit einer Turbine (89) nach Anspruch 10, wobei das Läuferrad (20) als Verdichter für ein Turbinenlaufrad der Mikrogasturbine wirkt.

14. Mikrogasturbine (90) mit einer Turbine (91) nach Anspruch 10, wobei das Läuferrad als ein Turbinenlaufrad der Mikrogasturbine (90) wirkt.

15. Brennkraftmaschine (61) mit einer Turbine nach Anspruch 10, wobei das Läuferrad (20) als Zusatzverdichter zum Verdichten der der Brennkraftmaschine (61) zugeführten Verbrennungsluft (65) wirkt.