Gehäuse für Antriebswellen und Herstellungsverfahren dazu, sowie Verwendung eines Faserverstärkten Kunststoffes

Die Erfindung betrifft ein Gehäuse für eine Antriebswelle, einen Stator und einen Rotor umfassend, wie sie z.B. in Elektromotoren, Generatoren, und anderen Antrieben eingesetzt werden, insbesondere ein Gehäuse mit beispielsweise zwei La- gerschilden, eine für die Antriebswelle mit dem Rotor und eine für den Stator. Außerdem betrifft die Erfindung ein Herstellungsverfahren für die Herstellung eines solchen Gehäuses, sowie die Verwendung eines Faser verstärkten Kunststoffes .

Lagerung und Gehäuse einer Antriebswelle mit Stator besteht in klassischer Weise aus 2 Lagerschilden, eines, das die Motorwelle mit dem Rotor lagert und eines, das den Stator aufnimmt. Die Lagerschilde und Gehäuse sind werkstofflich in der Regel aus Metall und/oder einer Metalllegierung. Die Lagerschilde und Gehäuse werden meistens durch Verschraubungen miteinander verbunden. Durch diese Art der Konstruktion wird das Problem gelöst, Rotor und Stator voneinander getrennt zu halten, damit der Antrieb nicht durch beispielsweise magneti- sehe Anziehungskräfte oder Kräfte die aus der Rotationsbewegung entstehen, Massenträgheit, Umwucht etc beeinträchtigt wird .

Für die elektrische Antriebstechnik in der Mobilität, bei- spielsweise über Straßen, Schienen, Luft, Wasser ist das

Leistungsgewicht des Antriebs (Leistung des Antriebs bezogen auf das Gewicht) ein maßgebliches Kriterium. Zur Erzielung eines hohen Leistungsgewichts muss die Masse der passiven Bauteile (Gehäuse, Lagerschilde) möglichst gering gehalten werden.

Bezüglich der Gewichtsminimierung dieser Komponenten bestehen aufgrund der werkstofflichen und fertigungstechnischen Eigen- Schäften der metallischen Komponenten spezifische Limitationen .

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Konzept zur Verfügung zu stellen, durch das ein Gehäuse für beispielsweise eine Antriebswelle geschaffen werden kann, bei dem das Gewicht der Komponenten, insbesondere der Lagerschilde, reduziert ist. Lösung der Aufgabe und Gegenstand der Erfindung ist daher ein Gehäuse für eine Antriebswelle, wobei zumindest ein Element des Gehäuses, das magnetische Abschirmung ermöglicht und/oder aus Metall oder einer Metalllegierung ist, ganz oder teilweise durch ein Element aus einem Faser verstärkten Kunststoff ersetzt ist. Außerdem ist Gegenstand der Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Gehäuses für eine Antriebswelle durch FaserverbundkunststoffVerarbeitungstechnologie .

Schließlich ist noch die Verwendung eines Faser verstärkten Kunststoffes zum Ersatz von Elementen einer Antriebswelle, eines Motors und/oder eines Motorengehäuses, die aus Metall, einer Metalllegierung und/oder einem metallischen Kunststoff sind, Gegenstand der vorliegenden Erfindung.

Als FaserverbundkunststoffVerarbeitungstechnologie wird bei- spielsweise die Wickeltechnologie, Prepreg-Technologie, Lami- niertechnik, sowie Flüssig-Infusionstechnik genannt.

Dabei ist sowohl der rein werkstoffliche Ersatz einer bisher aus Metall, einer Metalllegierung und/oder einem metallischen Werkstoff gefertigten Komponente eines Aktivteils wie beispielsweise dem Rotor und/oder dem Stator durch die gleiche Komponente aus einem Faserverstärktem Kunststoff, als auch eine faserverstärkte Ausführung des Gehäuses im Sinne der Erfindung .

Beispielsweise ist demnach im Sinne der Erfindung bei der klassischen metallischen Konstruktion des Gehäuses, der Lagerschilde und der Leistungsteile die Einzelkomponenten (Ge- häuse und/oder Lagerschilde) ganz oder teilweise zu substituieren .

Nach einer anderen Ausführungsform der Erfindung wird in ei- ner faserverbundgerechten Tonnenkonstruktion (siehe Figur 2) Gehäuse und Lagerschild integriert.

Es ist insbesondere vorteilhaft, wenn die Orientierung der Fasern im Faserverstärkten Kunststoff an die Gewichtsvertei - lung so angepasst ist, dass das höchste Gewicht in Richtung der Faserverstärkung liegt.

Beispielsweise erfolgt die Faserorientierung des Faserverstärkten Kunststoffes entlang der Hauptlastpfade, damit das Gehäuse besonders dünn und damit Gewichts sparend realisiert werden kann.

Besonders bevorzugt ist die Ausführungsform der Erfindung bei der ein Faserverstärkter Kunststoff eingesetzt wird, der in Faserrichtung höhere spezifische mechanische Steifigkeiten und/oder Festigkeiten aufweist als die gängigen Metalle, Metalllegierungen und/oder metallischen Werkstoffe wie Stahl, Aluminium, Magnesium, etc. Durch diese gezielte Nutzung der anisotropen mechanischen Eigenschaften kann die Masse der tragenden Elemente eines Gehäuses deutlich reduziert werden, wodurch deutlich gesteigerte Leistungsgewichte der Motoren erreicht werden können.

Als besonders vorteilhaft werden Faserverbundkunststoffe auf Basis von Kohlenstofffasern eingesetzt, denn diese zeigen einen ausgesprochen hohes und damit günstiges Steifigkeit- bzw. Festigkeits- zu Gewichts-Verhältnis. Daher wird vorgeschlagen diese Komponenten aus Faserverbundmaterialien wie Kohlefaserverstärkter Kunststoff (CFK) , Glasfaserverstärkter Kunststoff (GFK) und/oder Aramidfaserverstärkten Kunststoff (AFK) oder Kombinationen dieser Materialien auszuführen. Integrale Faserverbundkonstruktion: In einer besonders vorteilhaften Ausführung wird das Gehäuse inklusive Lagerschild als Komplettstruktur faserverbundgerecht hergestellt. Diese Struktur kann als "Tonnenkonstruktion" realisiert werden (Fi- gur 2)

Durch die Orientierung der Verstärkungsfasern ist es möglich die Gehäusekonstruktion weitgehend an die oben genannten Lasten anzupassen.

Im Vergleich zur klassischen Verbindung von Lagerschild und Gehäuse durch Verschraubung, Vernietung sind bei der erfindungsgemäßen Schaffung eines Gehäuses mit Lagerschild aus Faserverstärktem Kunststoff Verbindungsmethoden, wie sie für die Verarbeitung von Faserverstärkten Kunststoffen üblich sind, einsetzbar.

Als bei der Verarbeitung von Faser verstärkten Kunststoffen übliche Verbindungsmethoden werden beispielsweise Verkle- bung, Schlaufenbildung und/oder Insert -Technik genannt.

Durch die Kunststoff -basierten Verbindungsmethoden ist es zusätzlich möglich, eine weitere Gewichtsreduktion des hergestellten Gehäuses zu erzielen.

Diese Verbindungstechniken haben darüber hinaus den Vorteil, dass die Kräfte nicht über Schraub- oder Nietverbindungen ein- oder umgeleitet werden, sondern gleichmäßig von der gesamten Gehäusefläche aufgenommen werden.

So werden in der "Tonnenkonstruktion", wie in der Figur 2 gezeigt, die Kräfte nicht über die SchraubVerbindung ein- oder umgeleitet, sondern werden gleichmäßig von der gesamten Gehäusefläche aufgenommen.

Im Folgenden wird eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung noch beispielhaft anhand zweier Figuren näher beschrieben : Figur 1 zeigt den Stand der Technik,

Figur 2 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung, die bevor- zugte Tonnenkonstruktion

Figur 1 zeigt die klassische metallische Konstruktion 1 mit Gehäuse, Lagerschild und Leistungsteilen mit verschraubten Komponenten. Zu erkennen ist das Gehäuse 2 mit der Welle 3, den beiden Lagerschilden 4, die mit dem Gehäuse 2 durch

Schrauben 5 verschraubt sind. Lagerschild 4 und Gehäuse 2 umschließen einen Raum 6, in dem Aktivteile wie Stator und Rotor (nicht gezeigt) Platz haben. Demgegenüber ist in Figur 2 eine Faserverbundkonstruktion zu sehen, insbesondere die Variante, bei der Gehäuse und Lagerschild integriert sind, das „Tonnengehäuse" gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird in Figur 2 gezeigt.

Zu erkennen ist wieder die Welle 3 und der Raum 6 für die Aktivteile wie Stator und Rotor. Gehäuse 2, Lagerschilde 4, Verschraubungen 5 jedoch sind in Figur 2 nicht mehr zu erkennen, da diese Komponenten in dem hier gezeigten Ausführungs- beispiel der Erfindung durch das Tonnengehäuse 7 komplett ersetzt sind. Das Tonnengehäuse 7 ist ellipsoid konstruiert und beispielsweise eine CarbonFaserKunststoff - (CFK) -Hülle mit integriertem Lagerschild, beispielsweise in Wickeltechnik oder Prepregtechnik hergestellt.

Zur Herstellung des Gehäuses können für die Komponenten aus Faser verstärktem, insbesondere aus Langfaser verstärktem Kunststoff massenfertigungstaugliche und kostengünstige Methoden, beispielsweise die bereits genannten Wickeltechnolo- gie und Prepreg-Technologie , aber auch alle Arten der Lami- niertechniken, sowie Flüssig-Infusionstechnik eingesetzt werden. Dadurch ist es beispielsweise auch möglich, im kontinuierlichen Verfahren und kostengünstig zu produzieren. Durch die Erfindung wird erstmals der werkstoffliche und/oder konstruktive Ersatz einer klassischen Gehäuse- und Lagerschildkonstruktion für Antriebswellen vorgeschlagen. Wie ausgeführt, werden dazu zwei Richtungen vorgeschlagen, zum einen die gezielte Nutzung der anisotropen mechanischen Eigenschaften der Faser verstärkten Kunststoffteile und zum anderen die Reduzierung der Masse der Passivteile. So können deutlich erhöhte Leistungsgewichte erzielt werden.

Schließlich wird die Kraftverteilung durch die Anpassung der Konstruktion vergleichmäßigt.

Die Erfindung offenbart eine Möglichkeit schwere metallische Komponenten eines Gehäuses für eine Antriebswelle durch leichtere und gegebenenfalls sogar besser belastbare Faser verstärkte Kunststoffe zu ersetzen.