WO2024115059A1 - Rotation-dependent seal of a shaft connection - Google Patents

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WO2024115059A1
WO2024115059A1 PCT/EP2023/080991 EP2023080991W WO2024115059A1 WO 2024115059 A1 WO2024115059 A1 WO 2024115059A1 EP 2023080991 W EP2023080991 W EP 2023080991W WO 2024115059 A1 WO2024115059 A1 WO 2024115059A1
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shaft
groove
sealing ring
speed
shaft arrangement
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PCT/EP2023/080991
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Christopher Martin Illenberger
Jean-Baptiste Maurice
Marco Mileti
Thomas Heller
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Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft
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    • F16J15/16—Sealings between relatively-moving surfaces
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    • F16D2300/00—Special features for couplings or clutches
    • F16D2300/08—Details or arrangements of sealings not provided for in group F16D3/84

Definitions

  • the invention relates to a shaft arrangement with an outer, in particular hollow, shaft and an inner shaft which is arranged radially at least along an axial intersection within the outer shaft, wherein the two shafts are fixed to one another in a rotationally fixed manner.
  • the invention relates in particular to such shaft arrangements comprising an outer hollow rotor shaft and an inner transmission input shaft, but is also applicable to shaft arrangements which must be connected in an axially fluid-tight manner when high requirements are placed on low noise, vibration and/or smooth running levels.
  • NVH problems can occur at the connection point between the rotor shaft of the electric motor and the transmission input shaft, for example in the form of a floating hum.
  • a conventional sealing ring with a permanent, circumferential contact between the two shafts is not an option, because the two shafts must be able to be joined together without force (or at least with negligible axial forces) during assembly of the gearbox and the electric motor in order to achieve good automation of the assembly process.
  • a shaft arrangement is disclosed with (a) an outer shaft, in particular a hollow shaft, and (b) an inner shaft, in particular a hollow shaft, which is arranged radially at least along an axial intersection within the outer shaft, wherein the two shafts are fixed to one another in a rotationally fixed manner, in particular by means of a spline arranged in the region of the axial intersection.
  • a radial air gap is provided between an outer shaft inner surface with an outer shaft inner diameter and an inner shaft outer surface with an inner shaft outer diameter.
  • a groove is cut out of the inner shaft outer surface, in particular radially inward and/or along an entire shaft circumference.
  • a sealing ring in particular a radial sealing ring, for example an O-ring, made of an elastic material is accommodated in the groove, which has an outer diameter that is smaller than or substantially equal to an inner shaft outer diameter of the inner shaft outer surface, at least at a zero speed or at a low speed of the shaft arrangement.
  • the sealing ring is designed, in particular in conjunction with the geometry of the groove, to (i.e. at a speed which is greater than the limit speed) to rest on at least one groove wall of the groove and on the outer shaft inner surface, in particular in a fluid-tight manner, in particular along an entire shaft circumference.
  • a (highly) elastic O-ring is therefore provided, which is mounted in the groove on the inner shaft and is arranged radially (in the absence of rotation of the shaft arrangement and possibly in the presence of slight rotation) at least substantially completely within the inner shaft outer diameter of the inner shaft in order to enable a force-free joining of the outer shaft and the inner shaft.
  • the sealing ring is accelerated by frictional forces in the sealing groove as the speed of the shaft arrangement increases, expands radially outwards under the influence of centrifugal force and closes the air gap between the inner shaft and the outer shaft from a limit speed, so that a seal is created and the lubricant remains in the required area, for example the electric motor. This ensures the required sealing effect between the inner shaft and the outer shaft at higher speeds.
  • the invention can also be used effectively when the sealing ring, which is stretched outwards by the centrifugal force, does not result in a complete sealing effect (for example, due to a not completely fluid-tight fit), but only achieves an application-specific, sufficient obstruction of the axial fluid flow, for example of coolant such as a cooling oil.
  • the sealing ring is designed to rest against at least one groove wall and/or a groove base of the groove below a limit speed of the shaft arrangement.
  • the groove has two axially delimiting groove walls, and the sealing ring rests on one of the two groove walls on both axial sides at zero speed and/or at a speed less than the limit speed and/or at a speed equal to or greater than the limit speed. In this way, a desired axial position of the sealing ring is permanently maintained, even during rotations above the speed limit.
  • the groove has a cross-section that is formed on a radial inner side of the sealing ring, in particular with a semicircular radial inner side. This supports a predeterminable radial expansion behavior of the sealing ring.
  • the limit speed can be, for example, 3000 rpm or 4000 rpm or 5000 rpm or 6000 rpm, depending on the speed at which a loss of cooling oil that can no longer be ignored is to be expected in the individual application.
  • a ring cross-section of the sealing ring is many times larger than a radial width of the air gap, in particular 10 times, 15 times or 20 times. With such a ratio, the sealing ring can be designed as a permanently robust component and still provide the required elastic deformation during the corresponding rotation.
  • the air gap is formed on a fitting seat formed by the outer shaft inner surface and the inner shaft outer surface, especially in the area of the axial overlap of the two shafts.
  • the smallest possible elastic deformation of the sealing ring is sufficient to prevent the undesirable axial fluid flow at the shaft connection.
  • the elastic material of the sealing ring comprises or consists of an elastic plastic and/or rubber material, in particular an acrylonitrile butadiene rubber material (abbreviation: NBR).
  • NBR acrylonitrile butadiene rubber material
  • a (highly) elastic sealing material such as NBR is provided.
  • the sealing ring made of such a material is designed according to one design in its dimensions, in particular with regard to operating conditions such as shaft diameter, speed, air gap dimension) and with regard to the manufacturing tolerances (for example the sealing groove and/or the cord diameter of the sealing ring) so that the clamping forces in the groove and the centrifugal forces are in a balanced ratio, so that the sealing ring can close the air gap by lifting off within the required speed ranges.
  • operating conditions such as shaft diameter, speed, air gap dimension
  • manufacturing tolerances for example the sealing groove and/or the cord diameter of the sealing ring
  • the outer shaft is a rotor shaft of a drive motor, in particular an electric one, of a motor vehicle
  • the inner shaft is an input shaft of an axle transmission of a motor vehicle.
  • Fig. 1 shows a section of an electric motor vehicle drive with a shaft arrangement according to an exemplary embodiment of the invention.
  • Fig. 2 shows a detailed view of the shaft arrangement from Figure 1.
  • Fig. 3 shows a further detailed view of the shaft arrangement from Figure 1 in different operating states, which differ with regard to a rotational speed of the shaft arrangement.
  • Figure 1 shows a section of a motor vehicle drive that can be driven by an electric motor.
  • the section shown shows a part of a rotor shaft 2 of the otherwise not shown electric drive machine of the motor vehicle drive as well as a part of a transmission input shaft 3 of an axle transmission of the motor vehicle drive that is also otherwise not shown.
  • the rotor shaft 2 and the transmission input shaft 3 form a shaft arrangement 1 according to an exemplary embodiment of the invention, wherein the rotor shaft is an outer shaft
  • the transmission input shaft represents an inner shaft 3 of the shaft arrangement 1.
  • the two shafts 2 and 3 are connected to each other in a rotationally fixed manner by means of a spline 4 and are coaxially centered to each other by means of a fit 5.
  • the fit 5 is designed in such a way that an air gap 6 with an exemplary radial air gap width B of just under 0.2 mm remains.
  • a groove 8 is cut out of an inner shaft outer surface 7, in which a sealing ring 9 made of an elastic material is accommodated.
  • the sealing ring 9 has an outer diameter d_9 which is smaller than an inner shaft outer diameter d_3 of the transmission input shaft 3.
  • the sealing ring is designed in interaction with a groove geometry of the groove 8 to rest against at least one groove wall 10 of the groove and against the outer shaft inner surface diameter d_2 of the outer shaft inner surface 11 of the rotor shaft 2 above the limit speed n_g of the shaft arrangement 1.
  • Both the contact with the groove wall 10 and the contact with the inner surface d_2 takes place over the entire shaft circumference, so that a fluid-tight, axial shut-off of the air gap 6 is achieved as soon as the shaft arrangement 1 rotates at at least the limit speed n_g.
  • Figures 3a to 3c show the relationship between the elastic expansion of the sealing ring 9 and the rotational speed/rpm n of the shaft arrangement 1:
  • the sealing ring 9 lifts off from a groove base of the groove 8 as the speed increases under the influence of the rotation-related centrifugal forces due to its elastic NBR material.
  • the elastic expansion due to the centrifugal forces is sufficiently large to achieve such a large elastic expansion that the sealing ring 9 then rests against the inner surface d_2 and thus develops its sealing effect.
  • a ring cross section Q of the sealing ring 9 is many times larger than the radial width B of the air gap 6.
  • the air gap 6 is not shown to scale, but significantly wider.

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Abstract

The invention relates to a shaft arrangement with an outer shaft and an inner shaft which is arranged radially at least along an axial overlap within the outer shaft, wherein the two shafts are rotationally fixed to one another and wherein an air gap is provided radially between the two shafts, between an outer shaft inner surface and an inner shaft outer surface, and wherein a groove is cut out of the inner shaft outer surface, in which a sealing ring made of an elastic material is received, which at a zero speed of rotation of the shaft arrangement has an outer diameter which is smaller than or substantially equal to an inner shaft outer diameter, and which is configured to contact at least one groove wall of the groove and an inner surface of the outer shaft inner diameter above a limit speed of the shaft arrangement.

Description

Rotationsabhängige Dichtung einer Wellenverbindung Rotation-dependent sealing of a shaft connection
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. The invention relates to a shaft arrangement with an outer, in particular hollow, shaft and an inner shaft which is arranged radially at least along an axial intersection within the outer shaft, wherein the two shafts are fixed to one another in a rotationally fixed manner.
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. The invention relates in particular to such shaft arrangements comprising an outer hollow rotor shaft and an inner transmission input shaft, but is also applicable to shaft arrangements which must be connected in an axially fluid-tight manner when high requirements are placed on low noise, vibration and/or smooth running levels.
Bei bekannten axial überlappenden, drehfesten Verbindungen einer Rotorwelle (als äußere 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. In known axially overlapping, rotationally fixed connections of a rotor shaft (as the outer shaft) and a transmission input shaft of an electric vehicle drive (as the inner shaft), NVH problems (NVH: noise vibration harshness) can occur at the connection point between the rotor shaft of the electric motor and the transmission input shaft, for example in the form of a floating hum.
Zur Reduktion des Schwebebrummens muss in radialer Richtung ein ausreichend großer 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. To reduce the floating hum, there must be a sufficiently large air gap between the outer and inner shaft in the radial direction. During operation, particularly at higher speeds, the lubricant required to cool the electric motor escapes through the air gap between the rotor shaft of the electric motor and the transmission input shaft and is therefore no longer available for cooling the engine.
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. In order to compensate for the loss of coolant, however, a conventional sealing ring with a permanent, circumferential contact between the two shafts is not an option, because the two shafts must be able to be joined together without force (or at least with negligible axial forces) during assembly of the gearbox and the electric motor in order to achieve good automation of the assembly process.
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. Against this background, it is an object of the invention to improve an axial fluid seal of a shaft arrangement, in particular at a connection region such as a snug fit of the two shafts to one another.
Jeder der unabhängigen Ansprüche bestimmt mit seinen Merkmalen einen Gegenstand, der diese Aufgabe löst. Die abhängigen Ansprüche betreffen vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung. Each of the independent claims defines with its features an object that solves this problem. The dependent claims relate to advantageous developments of the invention.
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. According to one aspect, a shaft arrangement is disclosed with (a) an outer shaft, in particular a hollow shaft, and (b) an inner shaft, in particular a hollow shaft, which is arranged radially at least along an axial intersection within the outer shaft, wherein the two shafts are fixed to one another in a rotationally fixed manner, in particular by means of a spline arranged in the region of the axial intersection. Between the two shafts, a radial air gap is provided between an outer shaft inner surface with an outer shaft inner diameter and an inner shaft outer surface with an inner shaft outer diameter.
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. A groove is cut out of the inner shaft outer surface, in particular radially inward and/or along an entire shaft circumference. A sealing ring, in particular a radial sealing ring, for example an O-ring, made of an elastic material is accommodated in the groove, which has an outer diameter that is smaller than or substantially equal to an inner shaft outer diameter of the inner shaft outer surface, at least at a zero speed or at a low speed of the shaft arrangement. The sealing ring is designed, in particular in conjunction with the geometry of the groove, to (i.e. at a speed which is greater than the limit speed) to rest on at least one groove wall of the groove and on the outer shaft inner surface, in particular in a fluid-tight manner, in particular along an entire shaft circumference.
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. A (highly) elastic O-ring is therefore provided, which is mounted in the groove on the inner shaft and is arranged radially (in the absence of rotation of the shaft arrangement and possibly in the presence of slight rotation) at least substantially completely within the inner shaft outer diameter of the inner shaft in order to enable a force-free joining of the outer shaft and the inner shaft.
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. During operation, the sealing ring is accelerated by frictional forces in the sealing groove as the speed of the shaft arrangement increases, expands radially outwards under the influence of centrifugal force and closes the air gap between the inner shaft and the outer shaft from a limit speed, so that a seal is created and the lubricant remains in the required area, for example the electric motor. This ensures the required sealing effect between the inner shaft and the outer shaft at higher speeds.
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 äußeren 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. By coordinating the interaction of the air gap width, groove geometry, sealing ring geometry and sealing ring elasticity in such a way that in a speed range from the limit speed to a maximum intended speed of the shaft arrangement, circumferential contact of the sealing ring with both the inner surface of the outer shaft and with the groove boundary (on a groove wall and/or a groove base) is ensured, an undesirable flow of lubricating/cooling oil can be prevented in this speed range.
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. 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. According to one embodiment, the invention can also be used effectively when the sealing ring, which is stretched outwards by the centrifugal force, does not result in a complete sealing effect (for example, due to a not completely fluid-tight fit), but only achieves an application-specific, sufficient obstruction of the axial fluid flow, for example of coolant such as a cooling oil. According to one embodiment, the sealing ring is designed to rest against at least one groove wall and/or a groove base of the groove below a limit speed of the shaft arrangement.
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. This creates a defined starting position for the sealing ring in which it does not hinder assembly and from which the desired radial expansion behavior can be achieved when corresponding rotations of the shaft arrangement occur.
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. According to one embodiment, the groove has two axially delimiting groove walls, and the sealing ring rests on one of the two groove walls on both axial sides at zero speed and/or at a speed less than the limit speed and/or at a speed equal to or greater than the limit speed. In this way, a desired axial position of the sealing ring is permanently maintained, even during rotations above the speed limit.
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. According to one embodiment, the groove has a cross-section that is formed on a radial inner side of the sealing ring, in particular with a semicircular radial inner side. This supports a predeterminable radial expansion behavior of the sealing ring.
Gemäß verschiedener Ausführung kann die Grenzdrehzahl beispielsweise 3000/min o- der 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. According to different designs, the limit speed can be, for example, 3000 rpm or 4000 rpm or 5000 rpm or 6000 rpm, depending on the speed at which a loss of cooling oil that can no longer be ignored is to be expected in the individual application.
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. According to one embodiment, a ring cross-section of the sealing ring is many times larger than a radial width of the air gap, in particular 10 times, 15 times or 20 times. With such a ratio, the sealing ring can be designed as a permanently robust component and still provide the required elastic deformation during the corresponding rotation.
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. According to one embodiment, the air gap is formed on a fitting seat formed by the outer shaft inner surface and the inner shaft outer surface, especially in the area of the axial overlap of the two shafts. At the tight fit, the smallest possible elastic deformation of the sealing ring is sufficient to prevent the undesirable axial fluid flow at the shaft connection.
Gemäß einer Ausführung weist das elastische Material des Dichtrings einen elastischer Kunststoff- und/oder Gummiwerkstoff, insbesondere einen Acrylnitril-Butadien-Kaut- schuk-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. According to one embodiment, the elastic material of the sealing ring comprises or consists of an elastic plastic and/or rubber material, in particular an acrylonitrile butadiene rubber material (abbreviation: NBR). Such a material combines the necessary elastic properties with the robustness against typical operating conditions of generic shaft arrangements, in particular in motor vehicle drives.
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. According to one design, a (highly) elastic sealing material such as NBR is provided. The sealing ring made of such a material is designed according to one design in its dimensions, in particular with regard to operating conditions such as shaft diameter, speed, air gap dimension) and with regard to the manufacturing tolerances (for example the sealing groove and/or the cord diameter of the sealing ring) so that the clamping forces in the groove and the centrifugal forces are in a balanced ratio, so that the sealing ring can close the air gap by lifting off within the required speed ranges. When selecting the material, aging effects of the sealing material and their influence on the rigidity of the seal must also be taken into account.
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. According to one embodiment, the outer shaft is a rotor shaft of a drive motor, in particular an electric one, of a motor vehicle, and the inner shaft is an input shaft of an axle transmission of a motor vehicle.
Weitere Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung im Zusammenhang mit den Figuren: Further advantages and possible applications of the invention will become apparent from the following description in conjunction with the figures:
Fig. 1 zeigt einen Ausschnitt eines elektromotorischen Kraftfahrzeugantriebs mit einer Wellenanordnung gemäß einer beispielhaften Ausführung der Erfindung. Fig. 1 shows a section of an electric motor vehicle drive with a shaft arrangement according to an exemplary embodiment of the invention.
Fig. 2 zeigt eine Detailansicht der Wellenanordnung aus Figur 1. Fig. 3 zeigt eine weitere Detailansicht der Wellenanordnung aus Figur 1 in verschiedenen Betriebszuständen, die sich hinsichtlich einer Rotationsgeschwindigkeit der Wellenanordnung unterscheiden. Fig. 2 shows a detailed view of the shaft arrangement from Figure 1. Fig. 3 shows a further detailed view of the shaft arrangement from Figure 1 in different operating states, which differ with regard to a rotational speed of the shaft arrangement.
In Figur 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. Figure 1 shows a section of a motor vehicle drive that can be driven by an electric motor. The section shown shows a part of a rotor shaft 2 of the otherwise not shown electric drive machine of the motor vehicle drive as well as a part of a transmission input shaft 3 of an axle transmission of the motor vehicle drive that is also otherwise not shown.
Die Rotorwelle 2 und die Getriebeeingangswelle 3 bilden eine Wellenanordnung 1 nach einer beispielhaften Ausführung der Erfindung, wobei die Rotorwelle eine äußere WelleThe rotor shaft 2 and the transmission input shaft 3 form a shaft arrangement 1 according to an exemplary embodiment of the invention, wherein the rotor shaft is an outer shaft
2 der Wellenanordnung 1 darstellt, und die Getriebeeingangswelle eine innere Welle 3 der Wellenanordnung 1 darstellt. 2 of the shaft arrangement 1, and the transmission input shaft represents an inner shaft 3 of the shaft arrangement 1.
Die beiden Wellen 2 und 3 sind miteinander mittels einer Passverzahnung 4 drehfest verbunden, und zueinander mittels eines Passsitzes 5 koaxial zentriert. The two shafts 2 and 3 are connected to each other in a rotationally fixed manner by means of a spline 4 and are coaxially centered to each other by means of a fit 5.
Eine axiale Überlappung der beiden Wellen 2 und 3 zueinander - wobei die innere WelleAn axial overlap of the two shafts 2 and 3 to each other - whereby the inner shaft
3 entlang der Überlappung radial innerhalb der äußeren Welle 2 geführt ist - erstreckt sich zumindest entlang der Passverzahnung 4 und des Passsitzes 5. 3 is guided along the overlap radially inside the outer shaft 2 - extends at least along the spline 4 and the fit seat 5.
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. In order to avoid a floating hum during operation at high speeds n, the fit 5 is designed in such a way that an air gap 6 with an exemplary radial air gap width B of just under 0.2 mm remains.
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. Eine in jeden Betriebszustand wirkende Richtung kommt im vorliegenden Anwendungsfall nicht infrage, weil eine axial kraftfreie Montage sichergestellt sein muss. Tests carried out by the applicant have shown that during operation of the drive machine - in particular at high speeds n which are greater than a limit speed n_g - an undesirable amount of cooling oil (cooling oil flow K) flows out of the area of the electric drive machine. A direction that acts in every operating state is not an option in the present application because axial force-free assembly must be ensured.
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. In order to nevertheless create a sufficient seal against the coolant outflow, a groove 8 is cut out of an inner shaft outer surface 7, in which a sealing ring 9 made of an elastic material is accommodated.
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. At a zero speed n = 0 of the shaft arrangement 1, the sealing ring 9 has an outer diameter d_9 which is smaller than an inner shaft outer diameter d_3 of the transmission input shaft 3.
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. The sealing ring is designed in interaction with a groove geometry of the groove 8 to rest against at least one groove wall 10 of the groove and against the outer shaft inner surface diameter d_2 of the outer shaft inner surface 11 of the rotor shaft 2 above the limit speed n_g of the shaft arrangement 1.
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. Both the contact with the groove wall 10 and the contact with the inner surface d_2 takes place over the entire shaft circumference, so that a fluid-tight, axial shut-off of the air gap 6 is achieved as soon as the shaft arrangement 1 rotates at at least the limit speed n_g.
In den Figuren 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. Figures 3a to 3c show the relationship between the elastic expansion of the sealing ring 9 and the rotational speed/rpm n of the shaft arrangement 1: Starting from zero speed n = 0, the sealing ring 9 lifts off from a groove base of the groove 8 as the speed increases under the influence of the rotation-related centrifugal forces due to its elastic NBR material. When the rotation increases further to a speed n greater than the limit speed n_g, the elastic expansion due to the centrifugal forces is sufficiently large to achieve such a large elastic expansion that the sealing ring 9 then rests against the inner surface d_2 and thus develops its sealing effect.
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 Figur 3 - der Luftspalt 6 nicht maßstäblich, sondern deutlich breiter dargestellt. A ring cross section Q of the sealing ring 9 is many times larger than the radial width B of the air gap 6. For a better illustration, in the figures - and particularly in Figure 3 - the air gap 6 is not shown to scale, but significantly wider.
BEZUGSZEICHENLISTE LIST OF REFERENCE SYMBOLS
Wellenanordnung 1 Shaft arrangement 1
Rotorwelle / äußere Welle 2Rotor shaft / outer shaft 2
Getriebeeingangswelle / innere Welle 3 Passverzahnung 4 Gearbox input shaft / inner shaft 3 Spline 4
Passsitz 5 Fit seat 5
Lüftspalt 6Air gap 6
Innenwellenaußenmantelfläche 7 Inner shaft outer surface 7
Nut 8 Slot 8
Dichtring 9 Sealing ring 9
Nutwand 10Groove wall 10
Außenwelleninnenmantelfläche 11 Outer shaft inner surface 11
Längsachse, axiale Richtung A Lüftspaltbreite B Außenwelleninnenmanteldurchmesser d_2 Innenwellenaußendurchmesser d_3 Außendurchmesser des Dichtrings d_9 Kühlölstrom K Longitudinal axis, axial direction A Air gap width B Outer shaft inner diameter d_2 Inner shaft outer diameter d_3 Outside diameter of the sealing ring d_9 Cooling oil flow K
Drehzahl der Wellenanordnung n Grenzdrehzahl n_g Speed of the shaft arrangement n Limit speed n_g
Ringquerschnitt Q Radiale Richtung R Ring cross section Q Radial direction R

Claims

ANSPRÜCHE EXPECTATIONS
1. Wellenanordnung (1) mit einer äußeren Welle (2) und einer inneren Welle (3), die radial zumindest entlang einer axialen (A) Überschneidung innerhalb der äußeren Welle angeordnet ist, wobei die beiden Wellen drehtest zueinander festgelegt sind und wobei zwischen den beiden Wellen (2, 3) radial (R) ein Lüftspalt (6) zwischen einer Außenwelleninnenmantelfläche (11) und einer Innenwellenaußenmantelfläche (7) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass aus der Innenwellenaußenmantelfläche eine Nut (8) ausgenommen ist, in welcher ein Dichtring (9) aus einem elastischen Material aufgenommen ist, der bei einer Null-Drehzahl (n=0) der Wellenanordnung einen Außendurchmesser (d_9) aufweist, der kleiner oder im Wesentlichen gleich einem Innenwellenaußendurchmesser (d_3) ist, und der dazu eingerichtet ist, oberhalb einer Grenzdrehzahl (n_g) der Wellenanordnung an wenigstens einer Nutwand (10) der Nut und an der Außenwelleninnenmantelfläche anzuliegen. 1. Shaft arrangement (1) with an outer shaft (2) and an inner shaft (3) which is arranged radially at least along an axial (A) intersection within the outer shaft, wherein the two shafts are rotationally fixed to one another and wherein a clearance gap (6) is provided radially (R) between an outer shaft inner surface (11) and an inner shaft outer surface (7) between the two shafts (2, 3), characterized in that a groove (8) is cut out of the inner shaft outer surface, in which a sealing ring (9) made of an elastic material is received, which at a zero speed (n=0) of the shaft arrangement has an outer diameter (d_9) which is smaller than or substantially equal to an inner shaft outer diameter (d_3), and which is designed to rest against at least one groove wall (10) of the groove and against the outer shaft inner surface above a limit speed (n_g) of the shaft arrangement.
2. Wellenanordnung gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Dichtring dazu eingerichtet ist, unterhalb einer Grenzdrehzahl der Wellenanordnung an wenigstens einer Nutwand und/oder an einem Nutgrund der Nut anzuliegen. 2. Shaft arrangement according to claim 1, characterized in that the sealing ring is designed to rest against at least one groove wall and/or a groove base of the groove below a limit speed of the shaft arrangement.
3. Wellenanordnung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Nut zwei axial begrenzende Nutwände aufweist, 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. 3. Shaft arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the groove has two axially delimiting groove walls, and the sealing ring rests on one of the two groove walls on both axial sides at a zero speed and/or at a speed less than the limit speed and/or at a speed equal to or greater than the limit speed.
4. Wellenanordnung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Nut einen Querschnitt aufweist, der einer radialen Innenseite des Dichtrings angeformt ist. 4. Shaft arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the groove has a cross-section which is formed on a radial inner side of the sealing ring.
5. Wellenanordnung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ringquerschnitt (Q) des Dichtrings um ein Vielfaches größer ist als eine Radialbreite (B) des Lüftspalts. Wellenanordnung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das elastische Material des Dichtrings einen elastischer Kunststoff- und/oder Gummiwerkstoff aufweist. Wellenanordnung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die äußere Welle eine Rotorwelle (2) einer Antriebsmaschine ist, und die innere Welle eine Eingangswelle (3) eines Achsgetriebes eines Kraftfahrzeugs ist. 5. Shaft arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that a ring cross-section (Q) of the sealing ring is many times larger than a radial width (B) of the air gap. Shaft arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the elastic material of the sealing ring comprises an elastic plastic and/or rubber material. Shaft arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the outer shaft is a rotor shaft (2) of a drive machine, and the inner shaft is an input shaft (3) of an axle transmission of a motor vehicle.
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