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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Wälzlageranordnung, insbesondere für eine Axialflussmaschine innerhalb eines Antriebsstrangs eines Kraftfahrzeugs, umfassend ein Wälzlager mit einem Innenring, der an einem drehfesten einem Hohlwellenabschnitt fixiert ist und einem Außenring, welcher insbesondere mit einer rotierbaren Welle verbunden ist und einer Mehrzahl an Wälzkörpern welche wälzend zwischen dem Innenring und dem Außenring in dem Wälzlager aufgenommen sind. Die Erfindung betrifft ferner eine Axialflussmaschine und ein Verfahren zur Montage einer Wälzlageranordnung in einer Axialflussmaschine.
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Bei Kraftfahrzeugen werden für den Antrieb verstärkt Elektromotoren eingesetzt, um Alternativen zu Verbrennungsmotoren zu schaffen, die fossile Brennstoffe benötigen. Um die Alltagstauglichkeit der Elektroantriebe zu verbessern und zudem den Benutzern den gewohnten Fahrkomfort bieten zu können, sind bereits erhebliche Anstrengungen unternommen worden. Zunehmend werden in derartigen automobilen Anwendungen auch Axialflussmaschinen als Antriebsaggregate eingesetzt.
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Eine Axialflussmaschine bezeichnet eine dynamoelektrische Maschine, bei der der magnetische Fluss zwischen Rotor und Stator parallel zur Drehachse des Rotors verläuft. Häufig sind sowohl Stator als auch Rotor weitgehend scheibenförmig ausgebildet. Axialflussmaschinen sind insbesondere dann vorteilhaft, wenn der axial zur Verfügung stehende Bauraum in einem gegebenen Anwendungsfall begrenzt ist. Dies ist beispielsweise vielfach beiden eingangs beschriebenen elektrischen Antriebsystemen für Elektro- oder Hybridfahrzeuge der Fall.
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Neben der verkürzten axialen Baulänge liegt ein weiterer Vorteil der Axialflussmaschine in ihrer vergleichsweise hohen Drehmomentdichte. Ursächlich hierfür ist die im Vergleich zu Radialflussmaschinen größere Luftspaltfläche, die bei einem gegebenen Bauraum zur Verfügung steht. Ferner ist auch ein geringeres Eisenvolumen im Vergleich zu konventionellen Maschinen notwendig, was sich positiv auf den Wirkungsgrad der Maschine auswirkt.
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In der Regel umfasst eine Axialflussmaschine mindestens einen Stator, der Wicklungen zur Erzeugung des axial ausgerichteten magnetischen Feldes aufweist. Mindestens ein Rotor ist beispielsweise mit Permanentmagneten bestückt, deren magnetisches Feld in Wechselwirkung mit dem magnetischen Feld der Statorwicklungen über einen Luftspalt ein Antriebsmoment erzeugt.
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Insbesondere bei hybriden oder vollelektrischen Antriebskonzepten spielen die Geräuschentwicklung durch den Antrieb eine zunehmend wichtigere Rolle. Systembedingt kann es im Betrieb einer derartigen elektrischen Maschine für einen hybriden oder vollelektrischen Antriebsstrang beispielsweise zu einer hohen elektromagnetischen Anregung kommen, welche auch zu akustischen Schwingungen in den Strukturbauteilen der elektrischen Maschine oder des Antriebsstrangs führen können. Dies kann dann auch im Fahrzeuginnenraum akustisch wahrnehmbar sein, was regelmäßig als störend empfunden wird. Dies ist umso bedeutender, da im elektrischen Betrieb eines entsprechenden Fahrzeugs, derartige Störgeräusche besonders auffallen und das ansonsten akustisch besonders ruhige Fahrerlebnis nachteilig beeinflussen.
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Bei der Lagerung der Rotoren in derartigen elektrischen Maschinen kommen üblicherweise Wälzlageranordnungen zum Einsatz. Dabei werden beispielsweise Loslager üblicherweise auf der Rotorwelle aufgepresst, so dass diese einen Festsitz am Innenring des Wälzlagers aufweisen. Der Lageraußenring ist hierbei in der Regel zum Ausgleich von wärmeinduzierten Längenausdehnungen der Rotorwelle im Betrieb verschiebbar ausgeführt. Zur Herstellung vorteilhafter Laufverhältnisse zwischen Kugelsatz und Lagerlaufbahnen des Loslagers sowie zur akustischen Verbesserung, wird der Lageraußenring regelmäßig vorgespannt. Durch das vorgespannte Lager können ungewollte akustische Auffälligkeiten des entsprechenden Wälzlagers durch Ausbildung einer Spielfreiheit der sich gegeneinander bewegenden Lagerkomponenten vermieden werden.
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Ferner ist es bei Axialflussmaschinen für deren Effizienz sowie sicheren Betrieb besonders wichtig, dass der axiale Luftspalt zwischen den Rotormagnetplatten und dem Stator präzise eingestellt ist. Das den Rotor stützende Wälzlager muss so ausgelegt sein, dass die Abweichungen der Axialspaltbreite durch Magnet- oder äußere Kräfte (z.B. aus Fahrdynamik) innerhalb einer engen Toleranz bleiben. Neben der genauen Auslegung des axialen Lagerspieles ist es notwendig, dass sowohl der Lagerinnen- als auch der Lageraußenring axial spielfrei fixiert wird, um die Abweichungen im Motoraxialspalt im geforderten Bereich zu halten. Hierzu ist es bekannt, den Lagerinnenring beispielsweise mit einer Nutmutter axial zu fixieren. Bei Axialflussmaschinen existieren beispielsweise auch Ausführungsformen, bei denen eine Ausgangsseitenwelle geht durch das Motorzentrum geführt ist, so dass der Rotor mit seiner Rotorwelle koaxial zu dieser Ausgangsseitenwelle angeordnet ist, wodurch der Bauraum für die Nutmutter sehr eingeengt wird. Die Nutmutter muss ferner so ausgelegt sein, dass unter allen Betriebsbedingungen die axiale Vorspannung des Wälzlagers gewährleitet ist und sich die Nutmutter nicht löst. Da aufgrund einer durchaus erwünschten Leichtbauweise die Anbindungsstruktur des Lagerinnenrings aus Aluminium geformt sein kann, während der Lagerinnenring aus Stahl gebildet ist, können sich bei der im Verhältnis großen Lagerbreite derartiger Wälzlager zu Lagerung der Rotorwelle einer Axialflussmaschine und einem im Betrieb möglichen Temperaturunterschied von bis zu 180 K, große Differenzlängen aus den unterschiedlichen Materialwärmedehnungen ergeben. Da die Festigkeit des Gewindes für die Nutmutter im Aluminium ein begrenzende Faktor für die Konstruktion ist, muss die Geometrie der verspannten Teile so gestaltet werden, dass genügend Verformung im elastischen Bereich möglich ist. Durch den üblicherweise in einer Axialflussmaschine herrschenden engen Bauraum müssen die Nutmutter und der Anschluss zur Anbindungsstruktur sehr filigran ausgeführt werden, was die Kosten und das Risiko eines Ausfalls erhöhen kann und was regelmäßig unerwünscht ist.
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Es ist daher die Aufgabe der Erfindung die aus dem Stand der Technik bekannten Probleme zu vermeiden oder zumindest abzuschwächen und eine Wälzlageranordnung, insbesondere für eine Axialflussmaschine innerhalb eines Antriebsstrangs eines Kraftfahrzeugs, bereitzustellen, welche eine einen besonders kompakten Aufbau sowie eine hohe Laufruhe aufweist sowie kostengünstig in der Fertigung ist. Es ist ferner die Aufgabe der Erfindung eine Axialflussmaschine mit einer verbesserten Lagerung des Rotors zu realisieren. Auch ist es die Aufgabe der Erfindung ein verbessertes Verfahren zur Montage einer Wälzlageranordnung in einer Axialflussmaschine bereitzustellen.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Wälzlageranordnung, insbesondere für eine Axialflussmaschine innerhalb eines Antriebsstrangs eines Kraftfahrzeugs, umfassend ein Wälzlager mit einem Innenring, der an einem drehfesten einem Hohlwellenabschnitt fixiert ist und einem Außenring, welcher mit einer rotierbaren Welle verbunden ist und einer Mehrzahl an Wälzkörpern welche wälzend zwischen dem Innenring und dem Außenring in dem Wälzlager aufgenommen sind, wobei der Hohlwellenabschnitt eine axial zum Innenring hin sich radial aufweitende Rampe aufweist, wobei in axialer Richtung zwischen der Rampe und dem Innenring eine umlaufende Nut in dem Hohlwellenabschnitt ausgebildet ist, in welcher ein Sicherungsring axial fixiert aufgenommen ist und an welchem an seiner dem Innenring zugewandten axialen Stirnfläche eine Stützringscheibe anliegt und ein Federelement sich axial einerseits an der Stützringscheibe und anderseits an dem Innenring abstützt.
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Damit kann der Innenring des Wälzlagers auf sichere Weise, auch bei großen unterschiedlichen thermischen Ausdehnungen des Innenrings und dem Hohlwellenabschnitt, axial am Hohlwellenabschnitt fixiert werden. Dabei kann der Innenring so an dem Hohlwellenabschnitt fixiert werden, dass auch innerhalb eines sehr eingeengten Bauraums die Fixierung des Innenrings sicher, robust, leicht montierbar und kostengünstig ausgeführt werden kann.
Die axiale Fixierung des Innenrings wird erfindungsgemäße mit Hilfe der Kombination eines Federelements, einer Stützringscheibe und eines Sicherungsrings bewirkt. Das Federelement gewährleistet dabei in allen Betriebszuständen, dass die temperaturbedingten Längendehnungen ohne signifikante Spannungserhöhungen in den Bauteilen kompensiert werden können. Die Stützringscheibe sorgt für eine sichere Kraftübertragung auf den axial in der Nut festgelegten Sicherungsring. Durch die Rampe des Hohlwellenabschnitts kann der Sicherungsring auf einfache Weise axial in die Nut eingeschoben werden, da die Rampe den Sicherungsring während des axialen Einschiebens radial aufweiten kann, was die Montage des Sicherungsrings erleichtert.
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Das Federelement kann insbesondere eine ringförmige Ausführung aufweisen. Bevorzugt kann das das Federelement als Tellerfeder, Wellfeder, Druckfeder oder Spiralfeder ausgebildet sein. Besonders bevorzugt weist das Federelement einen inneren Durchmesser auf, der größer ist als der Durchmesser des Hohlwellenabschnitts, auf dem der Innenring des Wälzlagers fixiert ist.
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Der Sicherungsring ist aus einem metallischen Material geformt und ist insbesondere bevorzugt umfänglich offen ausgeführt, so dass er sich federelastisch in radialer Richtung auf einfache Weise aufweiten lässt. Grundsätzlich ist es aber auch denkbar, dass der Sicherungsring umfänglich geschlossen ausgebildet ist, solange er sich hinreichend federelastisch radial aufweiten lässt. Besonders bevorzugt weist der Sicherungsring einen inneren Durchmesser auf, der kleiner ist als der Durchmesser des Hohlwellenabschnitts, auf dem der Innenring des Wälzlagers fixiert ist.
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Die Stützringscheibe ist bevorzugt aus einem metallischen Material gebildet. Besonders bevorzugt weist die Stützringscheibe einen inneren Durchmesser auf, der größer ist als der Durchmesser des Hohlwellenabschnitts, auf dem der Innenring des Wälzlagers fixiert ist.
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Zunächst werden die einzelnen Elemente der beanspruchten Erfindungsgegenstände in der Reihenfolge ihrer Nennung im Anspruchssatz erläutert und nachfolgend besonders bevorzugte Ausgestaltungen des Erfindungsgegenstandes beschrieben. Die in den abhängig formulierten Ansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale sind in technologisch sinnvoller Weise miteinander kombinierbar und können weitere Ausgestaltungen der Erfindung definieren. Darüber hinaus werden die in den Ansprüchen angegebenen Merkmale in der Beschreibung näher präzisiert und erläutert, wobei weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung dargestellt werden.
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Wälzlager können insbesondere dazu verwendet werden, Drehbewegungen mit möglichst geringen Reibungsverlusten zu ermöglichen. Wälzlager können insbesondere zur Fixierung und/oder Lagerung von Achsen und Wellen eingesetzt werden, wobei sie, je nach Bauform, radiale und/oder axiale Kräfte aufnehmen und gleichzeitig die Rotation der Welle oder der so auf einer Achse gelagerten Bauteile ermöglichen.
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Hierzu sind zwischen einem Innenring und einem Außenring des Wälzlagers abrollende Wälzkörper angeordnet. Zwischen diesen drei Hauptkomponenten Innenring, Außenring und den Wälzkörpern tritt innerhalb des Wälzlagers in der Regel hauptsächlich Rollreibung auf. Da die Wälzkörper im Innen- und Außenring bevorzugt auf gehärteten Stahlflächen mit optimierter Schmierung abrollen können, ist die Rollreibung derartiger Lager relativ gering.
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Der Innenring kann insbesondere die Wälzlager aufnehmende Lagerung bzw. Anbindung an den Hohlwellenabschnitt mit dem Wälzlager bzw. den Wälzkörpern verbinden. Dabei kann insbesondere die Hohlwelle mit der der Hohlwelle zugewandten Seite der Mantelfläche des Innenrings verbunden sein, wobei auf der dieser Mantelfläche gegenüberliegenden Innenringlaufbahn die Wälzkörper des Wälzlagers wälzen. Der Innenring kann aus einem metallischen und/oder keramischen Werkstoff gebildet sein. Bevorzugt ist der Innenring aus Stahl geformt. Es ist grundsätzlich denkbar, den Innenring einteilig oder mehrteilig, insbesondere zweiteilig auszubilden.
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Der Innenring kann einen Innenringeinstich aufweisen. In einem Innenringeinstich kann insbesondere eine Abdeckscheibe, Dichtscheibe und/oder Dichtung insbesondere kraft- und/oder formschlüssig angeordnet sein. Bevorzugt ist der Innenringeinstich als eine umlaufende Nut in dem Innenring ausgebildet.
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Der Außenring kann insbesondere eine rotierende Rotorwelle einer Axialflussmaschine mit dem Wälzlager bzw. den Wälzkörpern verbinden. Dabei kann insbesondere die Rotorwelle mit der der Rotorwelle zugewandten Seite der Mantelfläche des Außenrings verbunden sein, wobei der dieser Mantelfläche gegenüberliegenden Außenringlaufbahn die Wälzkörper des Wälzlagers wälzen. Der Außenring kann aus einem metallischen und/oder keramischen Werkstoff gebildet sein. Es ist grundsätzlich denkbar, den Außenring einteilig oder mehrteilig, insbesondere zweiteilig auszubilden.
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Der Außenring kann einen Außenringeinstich aufweisen. In einem Außenringeinstich kann insbesondere eine Abdeckscheibe, Dichtscheibe und/oder Dichtung insbesondere kraft- und/oder formschlüssig angeordnet sein. Bevorzugt ist der Außenringeinstich als eine umlaufende Nut in dem Außenring ausgebildet.
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Die Wälzkörper haben abhängig von der Wälzlagerbauart die Form einer Kugel oder einer Rolle. Sie wälzen sich auf den Laufbahnen des Wälzlagers ab und haben die Aufgabe, die auf ein Radialwälzlager wirkende Kraft vom Außenring auf den Innenring und umgekehrt zu übertragen. Bei einem Axialwälzlager übertragen die Wälzkörper die auf das Axialwälzlager wirkenden Kräfte zwischen den Laufscheiben. Rollenförmige Wälzkörper werden auch als Rollenwälzkörper und kugelförmige Wälzkörper als Lagerkugel bezeichnet.
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Rollenförmige Wälzkörper können beispielsweise ausgewählt sein aus der Gruppe der symmetrischen Pendelrollen, der asymmetrischen Pendelrollen, der Zylinderrollen, der Nadelrollen und/oder der Kegelrollen.
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Das Wälzlager kann einreihig oder mehrreihig, insbesondere zweireihig ausgebildet sein. Im Zusammenhang mit der Erfindung ist es bevorzugt, das Wälzlager zweireihig auszubilden. Ferner kann es auch möglich sein, dass zwei Wälzlager axial aneinander anliegen und so eine zweireihige Wälzlageranordnung ausbilden können.
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Die Wälzkörper können innerhalb des Wälzlagers insbesondere auf der Innenringlaufbahn des Innenrings abwälzen. Hierzu kann vorteilhafter Weise die Oberfläche der Innenringlaufbahn entsprechend abriebfest ausgebildet sein, beispielsweise auch durch ein entsprechendes Oberflächenbehandlungsverfahren und/oder durch Aufbringen einer entsprechenden zusätzlichen Materialschicht. Die Innenringlaufbahn kann eben oder profiliert ausgebildet sein. Eine profilierte Ausgestaltung der Innenringlaufbahn kann beispielsweise zur Führung der Wälzkörper auf der Innenringlaufbahn dienen. Eine ebene Ausformung der Innenringlaufbahn kann hingegen beispielsweise eine gewisse axiale Verschiebbarkeit der Wälzkörper auf der Innenringlaufbahn erlauben.
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Die Wälzkörper können innerhalb des Wälzlagers insbesondere auf der Außenringlaufbahn des Außenrings abwälzen. Hierzu kann vorteilhafter Weise die Oberfläche der Außenringlaufbahn entsprechend abriebfest ausgebildet sein, beispielsweise auch durch ein entsprechendes Oberflächenbehandlungsverfahren und/oder durch Aufbringen einer entsprechenden zusätzlichen Materialschicht.
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Die Außenringlaufbahn kann eben oder profiliert ausgebildet sein. Eine profilierte Ausgestaltung der Außenringlaufbahn kann beispielsweise zur Führung der Wälzkörper auf der Außenringlaufbahn dienen. Eine ebene Ausformung der Außenringlaufbahn kann hingegen beispielsweise eine gewisse axiale Verschiebbarkeit der Wälzkörper auf der Außenringlaufbahn erlauben.
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Wälzkörper können in einem Käfig oder durch Wälzkörperdistanzstücke geführt und voneinander beabstandet sein. Es ist grundsätzlich auch denkbar, ein käfigloses Wälzlager auszubilden, welches auch als vollrolliges Wälzlager bezeichnet wird. Bei vollrolligen Wälzlagern können sich benachbarte Wälzkörper kontaktieren.
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Ein Wälzlager kann einen Käfig aufweisen, wobei der Käfig die Wälzkörper führt. Der Käfig so ausgebildet, dass die Wälzkörperkugeln und/oder die Wälzkörperrollen voneinander beabstandet werden, damit beispielsweise die Reibung und Wärmeentwicklung der Wälzkörper möglichst geringgehalten wird. Ferner hält der Käfig die Wälzkörperkugeln und/oder Wälzkörperrollen in einem festen Abstand beim Abwälzen zueinander, wodurch eine gleichmäßige Lastverteilung erzielt werden kann. Der Käfig kann einstückig oder mehrstückig ausgeführt sein.
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Ein Wälzlager kann eine Dichtung aufweisen, um ein Austreten von Schmiermittel aus dem Wälzlager oder ein Eintreten von Schmutz oder Feuchtigkeit in das Wälzlager zu verhindern. Hierzu können die eingesetzten Dichtungen mit einer oder mehreren Dichtlippen versehen sein, die an einem Bauteil des Wälzlagers anliegen können. Diese sind derart ausgelegt, dass sie zum einen möglichst über die gesamte Lebensdauer das Lager abdichten, andererseits die Reibung durch die anliegende Dichtung nicht zu hoch ist.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Hohlwellenabschnitt aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung und der Innenring des Wälzlagers aus einem Stahl gefertigt ist. Hierdurch können insbesondere Erfordernisse des Leichtbaus mit den Erfordernissen der Langlebigkeit des Wälzlagers verbunden werden.
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Die Aufgabe der Erfindung wird ferner gelöst durch eine elektrische Axialflussmaschine, insbesondere für einen Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs, umfassend einen scheibenförmigen Stator und einen davon axial beabstandeten und gegenüber dem Stator drehbaren scheibenförmigen Rotor, wobei der Rotor eine Welle umfasst, welche mittels wenigstens einer Wälzlageranordnung nach einem der Ansprüche 1-2 gelagert ist.
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Die elektrische Axialflussmaschine weist einen magnetische Fluss im Luftspalt zwischen Stator und Rotor auf, der axial zu einer Rotationsrichtung des Rotors der Axialflussmaschine gerichtet ist. Es gibt unterschiedliche Typen von Axialflussmaschinen. Ein bekannter Typ ist eine sogenannte I-Anordnung, bei der der Rotor axial neben einem Stator oder zwischen zwei Statoren angeordnet ist. Ein anderer bekannter Typ ist eine sogenannte H-Anordnung, bei der zwei Rotoren auf gegenüberliegenden axialen Seiten eines Stators angeordnet sind. Die elektrische Axialflussmaschine ist bevorzugt als H-Typ konfiguriert.
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Grundsätzlich ist es auch möglich, dass eine Mehrzahl von Rotor-Stator-Konfigurationen als I-Typ und/oder H-Typ axial nebeneinander angeordnet sind. Auch wäre es in diesem Zusammenhang möglich, sowohl eine oder mehrere Rotor-Stator-Konfigurationen des I-Typs sowie eine oder mehrere Rotor-Stator-Konfigurationen des H-Typs in axialer Richtung nebeneinander anzuordnen. Insbesondere ist es auch zu bevorzugen, dass die Rotor-Stator-Konfiguration des H-Typs und/oder des I-Typs jeweils im Wesentlichen identisch ausgebildet sind, so dass diese modulartig zu einer Gesamtkonfiguration zusammengefügt werden können. Derartige Rotor-Stator-Konfigurationen können insbesondere koaxial zueinander angeordnet sein sowie mit einer gemeinsamen Rotorwelle oder mit mehrere Rotorwellen verbunden sein.
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Insbesondere ist die elektrische Axialflussmaschine so dimensioniert, dass Fahrzeuggeschwindigkeiten größer als 50 km/h, vorzugsweise größer als 80 km/h und insbesondere größer als 100 km/h erreicht werden können. Besonders bevorzugt weist der Elektromotor eine Leistung größer als 30 kW, vorzugsweise größer als 50 kW und insbesondere größer als 70 kW auf. Es ist des Weiteren bevorzugt, dass die elektrische Maschine Drehzahlen größer als 5.000 U/min, besonders bevorzugt größer als 10.000 U/min, ganz besonders bevorzugt größer als 12.500 U/min bereitstellt.
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Die elektrische Axialflussmaschine besitzt bevorzugt ein Motorgehäuse. Das Motorgehäuse umhaust die elektrische Axialflussmaschine. Ein Motorgehäuse kann darüber hinaus auch die Steuer- und Leistungselektronik aufnehmen. Das Motorgehäuse kann darüber hinaus auch Bestandteil eines Kühlsystems für die elektrische Maschine und derart ausgebildet sein, dass Hydraulikfluid über das Motorgehäuse der elektrischen Maschine zugeführt werden und/oder die Wärme über die Gehäuseflächen nach außen abgeführt werden kann. Darüber hinaus schützt das Motorgehäuse die elektrische Maschine sowie die ggf. vorhandene Elektronik vor äußeren Einflüssen. Ein Motorgehäuse kann insbesondere aus einem metallischen Material gebildet sein. Vorteilhafter Weise kann das Motorgehäuse aus einem metallischen Gussmaterial, wie zum Beispiel Aluminiumdruckguss, Magnesiumdruckguss, Grauguss oder Stahlguss geformt sein. Das Motorgehäuse kann bevorzugt mehrteilig ausgebildet sein. Insbesondere kann der Hohlwellenabschnitt ein Teil des Motorgehäuses sein. Höchst bevorzugt ist der Hohlwellenabschnitt aus einem Aluminium gefertigt.
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Als Kraftfahrzeuge im Sinne dieser Anmeldung gelten Landfahrzeuge, die durch Maschinenkraft bewegt werden, ohne an Bahngleise gebunden zu sein. Ein Kraftfahrzeug kann beispielsweise ausgewählt sein aus der Gruppe der Personenkraftwagen (PKW), Lastkraftwagen (LKW), Kleinkrafträder, Leichtkraftfahrzeuge, Krafträder, Kraftomnibusse (KOM) oder Zugmaschinen.
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Des Weiteren kann es gemäß einer ebenfalls vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen sein, dass das Wälzlager als ein zweireihiges Schrägkugellager ausgeführt ist. Hierdurch lässt sich insbesondere der Wirkung erzielen, dass eine hohe Sicherheit gegen ein Verkippen der Rotorwelle bereitgestellt werden kann. Das zweireihige Schrägkugellager weist eine besonders geeignete Stützbasis zur Aufnahme von Kippkräften, wie sie im Betrieb der elektrischen Maschine vorkommen können, auf. Das zweireihige Schrägkugellager kann in O- oder X-Konfiguration ausgebildet sein. Im Zusammenhang mit der Erfindung ist eine O-Anordnung bevorzugt.
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Gemäß einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann es vorgesehen sein, dass das Wälzlager radial unterhalb des Stators angeordnet ist, was eine positive Wirkung auf das Vermeiden bzw. das Reduzieren von Kipp- und Taumelbewegungen des Rotors hat, insbesondere wenn die Axialflussmaschine eine H-Konfiguration aufweist.
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Des Weiteren kann die Erfindung daher auch dahingehend weiterentwickelt sein, dass die Axialflussmaschine in H-Anordnung konfiguriert ist.
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In einer ebenfalls bevorzugten Ausgestaltungsvariante der Erfindung kann auch vorgesehen sein, dass der Außenring beidseits axial spielfrei an der Welle positioniert ist, während der Innenring beidseits axial spielfrei an dem Hohlwellenabschnitt angeordnet ist, wobei eine der axial spielfreien Sicherungen des Innenrings durch den Sicherungsring, an welchem an seiner dem Innenring zugewandten axialen Stirnfläche sich die Stützringscheibe unter Zwischenanordnung des Federelements axial an der Stützringscheibe abstützt, realisiert ist. Hierdurch kann eine sichere und thermische Dehnungen kompensierende Fixierung des Innenrings an dem Hohlwellenabschnitt erreicht werden.
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Die Aufgabe der Erfindung kann auch gelöst sein durch ein Verfahren zur Montage einer Wälzlageranordnung in einer elektrischen Axialflussmaschine, insbesondere für einen Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs, umfassend die folgenden Schritte:
- • Bereitstellung eines Wälzlagers mit einem Innenring,
- • Axiales Aufschieben des Innenrings auf einen Hohlwellenabschnitt, wobei der Hohlwellenabschnitt eine axial zum Innenring hin sich radial aufweitende Rampe aufweist und in axialer Richtung zwischen der Rampe und dem Innenring eine umlaufende Nut in dem Hohlwellenabschnitt ausgebildet ist,
- • Axiales Aufschieben des Federelements auf den Hohlwellenabschnitt
- • Axiales Aufschieben der Stützringscheibe auf den Hohlwellenabschnitt,
- • Axiales Einschieben eines Montagewerkzeuges mit einer Zentrierhülse und einem die Zentrierhülse umgreifenden und relativ zur Zentrierhülse axial versetzbaren Montagekolben, so dass die Zentrierhülse axial wie radial gegenüber dem Hohlwellenabschnitt festgelegt ist,
- • Axiales Einschieben eines sich in radialer Richtung federelastisch aufweitenden Sicherungsrings über die Rampe des Hohlwellenabschnitts mittels des axial versetzbaren Montagekolbens des Montagewerkzeugs, so dass der Sicherungsring in die Nut einschnappt.
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Durch das geschilderte Verfahren und das Montagewerkzeug kann eine montagefreundliche, sichere sowie kostengünstige axiale, thermische Dehnungen kompensierende Fixierung des Innenrings gegenüber dem Hohlwellenabschnitt bereitgestellt werden.
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Die Zentrierhülse kann besonders bevorzugt radial wie axial an dem Hohlwellenabschnitt festgelegt werden. Beispielsweise kann eine entsprechende zylindrische Geometrie der Zentrierhülse so ausgeführt sein, dass diese beim axialen Einschieben der Zentrierhülse in den Hohlwellenabschnitt am Innendurchmesser des Hohlwellenabschnitts anliegt. Ferner kann die Zentrierhülse bevorzugt einen sich in Radialrichtung erstreckenden Kragen aufweisen, welcher in axialer Richtung beim Einschieben der Zentrierhülse in den Hohlwellenabschnitt gegen diesen stößt und die Zentrierhülse so axial gegenüber dem Hohlwellenabschnitt festlegt.
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Gemäß einer weiteren zu bevorzugenden Ausgestaltung des Erfindungsgegenstandes kann vorgesehen sein, dass der Montagekolben einen radial inneren Abschnitt und einen radial äußeren Abschnitt aufweist, wobei während der Montage der Stützringscheibe und des Sicherungsrings der radial inneren Abschnitt zumindest zeitweise an dem Sicherungsring und der radial äußere Abschnitt zumindest zeitweise an der Stützringscheibe anliegt, so dass die Stützringscheibe und der Sicherungsring mittels des Montagekolbens axial in der Art versetzbar sind, dass der Sicherungsring ohne mit der Stützringscheibe in Kontakt zu stehen in die Nut einschnappen kann.
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Hierdurch kann erreicht werden, dass der gestufte Montagekolben gleichzeitig das Federelement, die Stützscheibe und den Sicherungsring über den durch die Rampe definierten Montagekonus am Hohlwellenabschnitt axial aufschieben kann, bis der Sicherungsring in die Nut des Hohlwellenabschnitts eingeschnappt ist. Dabei wird bevorzugt der Montagekolben sowie die zu montierenden Bauteile, Federelement, Stützscheibe und Sicherungsring über die Zentrierhülse geführt.
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Schließlich kann die Erfindung auch in vorteilhafter Weise dahingehend ausgeführt sein, dass der Montagekolben in axialer Richtung zwischen dem radial inneren Abschnitt und dem radial äußeren Abschnitt so freigestellt ist, dass der Sicherungsring während seines axialen Einschiebens in radialer Richtung den Montagekolben nicht kontaktiert. Der gestufte Montagekolben ist mit anderen Worten also im Durchmesserbereich „über“ dem Sicherungsring radial freigestellt, so dass dieser bei der Montage über den durch die Rampe definierten Montagekonus am Hohlwellenabschnitt radial unbehindert aufweiten kann. Weiterhin wird es höchst bevorzugt durch die Stützscheibe sowie den geometrisch vorgehaltenen axialen Freigang im gestuften Montagekolben ermöglicht, dass der Sicherungsring axialkraftfrei in die Nut des Hohlwellenabschnitts einschnappen kann, was die Montage erleichtert.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Figuren ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens näher erläutert werden.
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Es zeigt:
- 1 eine erste Ausführungsform einer Axialflussmaschine in einer schematischen Axialschnittdarstellung,
- 2 eine zweite Ausführungsform einer Axialflussmaschine in einer schematischen Axialschnittdarstellung,
- 3 eine dritte Ausführungsform einer Axialflussmaschine in einer schematischen Axialschnittdarstellung,
- 4 eine dritte Ausführungsform einer Axialflussmaschine in einer schematischen Axialschnittdarstellung,
- 5 eine Detailansicht der Wälzlageranordnung während des Montageprozesses der axialen Fixierung des Innenrings gegenüber dem Hohlwellenabschnitt in einer schematischen Axialschnittansicht,
- 6 ein Kraftfahrzeug mit einer Axialflussmaschine im Antriebsstrang in einer schematischen Blockschaltdarstellung.
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Der 1-4 zeigen verschiedene Ausführungsformen von Axialflussmaschinen 20, insbesondere für einen Antriebsstrang 21 eines Kraftfahrzeugs 22, wie es auch exemplarisch in der 6 gezeigt ist. Allen Ausführungsformen der 1-3 ist gemein, dass sie einen scheibenförmigen Stator 23 und einen davon axial beabstandeten und gegenüber dem Stator 23 drehbaren scheibenförmigen Rotor 24 aufweisen, wobei der Rotor 24 eine Welle 6 umfasst, welche mittels wenigstens einer Wälzlageranordnung 1 gelagert ist.
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Die 1 zeigt eine Axialflussmaschine in I-Ausführung und die 2-3 zwei unterschiedliche Ausführungen in H-Konfiguration.
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Die Wälzlageranordnung 1 in den 1-4 umfasst jeweils ein Wälzlager 2 mit einem Innenring 3, der an einem drehfesten einem Hohlwellenabschnitt 4 fixiert ist und einem Außenring 5, welcher in der Ausführungsformen der 1-2 mit dem Stator 23 der Axialflussmaschine 20 verbunden ist. In der Ausführungsform der 3 und der 4 ist der Außenring 5 mit einer rotierbaren Welle 6 des Rotors 24 verbunden. Zwischen dem Innenring 3 und dem Außenring 5 sind in dem Wälzlager 2 eine Mehrzahl an Wälzkörpern 7 wälzend aufgenommen.
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Der Hohlwellenabschnitt 4 weist eine axial zum Innenring 3 hin sich radial aufweitende Rampe 8 auf, so dass ein konusartige kegelringförmiger Abschnitt an dem Hohlwellenabschnitt 4 ausgebildet ist.
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Wie sich aus der Zusammenschau der 1-4 mit 5 erkennen lässt, ist in axialer Richtung zwischen der Rampe 8 und dem Innenring 3 eine umlaufende Nut 9 in dem Hohlwellenabschnitt 4 ausgebildet, in welcher ein Sicherungsring 10 axial fixiert aufgenommen ist und an welchem an seiner dem Innenring 3 zugewandten axialen Stirnfläche 11 eine Stützringscheibe 12 anliegt und ein Federelement 13 sich axial einerseits an der Stützringscheibe 12 und anderseits an dem Innenring 3 abstützt.
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Der Hohlwellenabschnitt 4 ist aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung und der Innenring 3 des Wälzlagers 2 aus einem Stahl gefertigt.
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Das Wälzlager 2 in der 5 ist radial unterhalb des Stators 23 angeordnet, wobei die Axialflussmaschine 20 der 4 in H-Anordnung konfiguriert ist, wie es auch in der 4 gezeigt ist. Das Wälzlager 2 ist in dieser Ausführungsvariante als ein zweireihiges Schrägkugellager ausgeführt. In den Ausführungsvarianten der 3-4 ist der Hohlwellenabschnitt 4 von einer nicht näher bezeichneten Welle durchgriffen. Derartige Konfigurationen sind beispielsweise bekannt, wenn die Axialflussmaschine 20 mit einem Differentialgetriebe gekoppelt wird, welches zwei Abtriebswellen zu den Rädern eines Kraftfahrzeugs aufweist.
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Der Außenring 5 ist beidseits axial spielfrei an der Welle 6 positioniert, während der Innenring 3 beidseits axial spielfrei an dem Hohlwellenabschnitt 4 angeordnet ist, wobei eine der axial spielfreien Sicherungen des Innenrings 3 durch den Sicherungsring 10, an welchem an seiner dem Innenring 3 zugewandten axialen Stirnfläche 11 sich die Stützringscheibe 12 unter Zwischenanordnung des Federelements 13 axial an der Stützringscheibe 12 abstützt, realisiert ist.
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Anhand der 5 lässt sich das Verfahren zur Montage der Wälzlageranordnung 1 in der elektrischen Axialflussmaschine 20 gut nachvollziehen und wird nachstehend näher erläutert.
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Zunächst kann die Bereitstellung eines Wälzlagers 2 mit einem Innenring 3 erfolgen, welcher dann durch ein axiales Aufschieben auf den Hohlwellenabschnitt 4 positioniert wird. Der Hohlwellenabschnitt 4 weist eine axial zum Innenring 3 hin sich radial aufweitende Rampe 8 auf. In axialer Richtung zwischen der Rampe 8 und dem Innenring 3 ist eine umlaufende Nut 9 in dem Hohlwellenabschnitt 4 ausgebildet.
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Auf diesen Hohlwellenabschnitt 4 erfolgt dann ein axiales Aufschieben des Federelements 13 sowie der Stützringscheibe 12.
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Dann wird ein Montagewerkzeug 30 mit einer Zentrierhülse 31 und einem die Zentrierhülse 31 umgreifenden und relativ zur Zentrierhülse 31 axial versetzbaren Montagekolben 32 axial in bzw. an den Hohlwellenabschnitt 4 herangeführt, so dass die Zentrierhülse 31 axial wie radial gegenüber dem Hohlwellenabschnitt 4 festgelegt ist.
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Nun kann ein axiales Einschieben eines sich in radialer Richtung federelastisch aufweitenden Sicherungsrings 10 über die Rampe 8 des Hohlwellenabschnitts 4 mittels des axial versetzbaren Montagekolbens 32 des Montagewerkzeugs 30 erfolgen, so dass der Sicherungsring 10 in die Nut 9 einschnappt.
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Der Montagekolben 32 besitzt einen radial inneren Abschnitt 33 und einen radial äußeren Abschnitt 34, wobei während der Montage der Stützringscheibe 12 und des Sicherungsrings 10 der radial inneren Abschnitt 33 zumindest zeitweise an dem Sicherungsring 10 und der radial äußere Abschnitt 34 zumindest zeitweise an der Stützringscheibe 12 anliegt, so dass die Stützringscheibe 12 und der Sicherungsring 10 mittels des Montagekolbens 32 axial in der Art versetzbar sind, dass der Sicherungsring 10 ohne mit der Stützringscheibe 12 in Kontakt zu stehen in die Nut 9 einschnappen kann.
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Der Montagekolben 32 ist in axialer Richtung zwischen dem radial inneren Abschnitt 33 und dem radial äußeren Abschnitt 34 so freigestellt ist, dass der Sicherungsring 10 während seines axialen Einschiebens in radialer Richtung den Montagekolben 32 nicht kontaktiert.
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Es versteht sich, dass das geschilderte Montageverfahren, obwohl anhand der 4-5 erläutert, auch auf die Ausführungsformen der 1-3 anwendbar ist.
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Die in dieser Anmeldung benutzten Begriffe „radial“, „axial“, „tangential“ und „Umfangsrichtung“ beziehen sich immer auf die Rotationsachse der Axialflussmaschine 20. Die Begriffe „links“, „rechts“, „oben“, „unten“, „oberhalb“ und „unterhalb“ dienen hier nur dazu, um zu verdeutlichen, welche Bereiche der Abbildungen gerade im Text beschrieben werden. Die spätere Ausführung der Erfindung kann auch anders angeordnet werden. Die Erfindung ist ferner nicht auf die in den Figuren dargestellten Ausführungsformen beschränkt. Die vorstehende Beschreibung ist daher nicht als beschränkend, sondern als erläuternd anzusehen. Die nachfolgenden Patentansprüche sind so zu verstehen, dass ein genanntes Merkmal in zumindest einer Ausführungsform der Erfindung vorhanden ist. Dies schließt die Anwesenheit weiterer Merkmale nicht aus. Sofern die Patentansprüche und die vorstehende Beschreibung ‚erste‘ und ‚zweite‘ Merkmal definieren, so dient diese Bezeichnung der Unterscheidung zweier gleichartiger Merkmale, ohne eine Rangfolge festzulegen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Wälzlageranordnung
- 2
- Wälzlager
- 3
- Innenring
- 4
- Hohlwellenabschnitt
- 5
- Außenring
- 6
- Welle
- 7
- Wälzkörpern
- 8
- Rampe
- 9
- Nut
- 10
- Sicherungsring
- 11
- Stirnfläche
- 12
- Stützringscheibe
- 13
- Federelement
- 20
- Axialflussmaschine
- 21
- Antriebsstrang
- 22
- Kraftfahrzeug
- 23
- Stator
- 24
- Rotor
- 30
- Montagewerkzeuge
- 31
- Zentrierhülse
- 32
- Montagekolben
- 33
- Abschnitt
- 34
- Abschnitt