Verfahren zur Herstellung einer drehmomentübertragenden Verbindung

Technisches Gebiet

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung einer drehmomentübertragenden Verbindung zwischen mindestens einem Ritzel und einer Rotorwelle. Des Weiteren bezieht sich die Erfindung auf die Verwendung des Verfahrens zur Herstellung einer stoffschlüssigen Verbindung zwischen einem Ritzel und einer Rotorwelle, die Teile einer Vormontagebaugruppe sind, die ein Gehäuse und mindestens ein Wälzlager umfasst.

Stand der Technik

DE 10 2005 026505 Al betrifft ein Verfahren zum Verbinden zweier Bauelemente mittels Reibschweißens. Dabei wird zunächst eine Nabe auf eine Welle aufgebracht. Zwischen einer Schweißfläche der Nabe und einer Mantelfläche der Welle ist ein um eine Längsachse umlaufender Zwischenraum gebildet. Nach dem Aufbringen der Nabe auf die Welle wird ein ringförmiges Verbindungselement, welches eine Innen- und eine Außenfläche aufweist, in einer Fügerichtung, die koaxial zur Längsachse verläuft, in den Zwischenraum eingeführt. Hierbei wird das Verbindungselement in konstante, veränderliche oder intermittierende Rotation versetzt. Dies führt zu einem Reibkontakt zwischen der Schweißfläche der Nabe und der Außenfläche des Verbindungselements sowie zu einem Reibkontakt zwischen der Mantelfläche, der Welle und der Innenfläche des Verbindungselements, so dass eine Reibschweißverbindung hergestellt wird.

DE 10 2005 026 713 Al offenbart ein Verfahren zum Verbinden einer Wellenkomponente mit einer Nabenkomponente sowie einen Wellen-Naben- Zusammenbau. Dabei kann die Nabenkomponente durch Pressfügen auf die Wellenkomponente aufgebracht werden. Auf eine Umfangsfläche der Wellenkomponente oder der Nabenkomponente wird eine Luftschicht aufgebracht.

DE 10 2006 039 371 Al offenbart eine Verstelleinrichtung für eine Brennkraftmaschine. Es wird eine Nabe kraftschlüssig, beispielsweise mittels Längspressverband oder Querpressverband, auf einen Rohrkörper fixiert. Es ist des Weiteren möglich, ein stoffschlüssiges Fügen, zum Beispiel eine Schweißverbindung herzustellen. Ferner eignet sich diese Lösung zur Fixierung der Nabe auf dem Rohrkörper einer Kombination unterschiedlicher Verbindungskonstruktionen betreffend Form- und Kraftschluss.

DE 10 2005 007 464 Al bezieht sich auf eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Fügen von Werkstücken mit Kondensatorentladungsschweißen. Hier werden ein oder mehrere auf wenigstens einem der zu fügenden Werkstücke ausgebildete Schweißbuckel mittels einer Hochstromimpulsentladung unter Wirkung eines Anpressdrucks aufgeschmolzen. Ein spaltfreies Fügen ist trotz Vorhandenseins von Formtoleranzen der zur Stromübertragung genutzten Schweißbuckel möglich, wenn nach der Hochstromimpulsentladung eine Erhöhung des Anpressdrucks erfolgt, an welche sich wenigstens eine zweite Hochstromimpulsentladung anschließt.

DE 199 50 166 Al bezieht sich auf ein Verfahren zum Verschließen von Löchern an metallischen Bauteilen mittels Kondensatorentladungsschweißens. Hier erfolgt der Einsatz von Stanznieten, deren Stanzkante ein Loch ringförmig umgibt, wobei der Stanzniet mittels eines Schweißstempels auf ein Bauteil gedrückt wird. Durch die Kondensatorentladung wird das Stanzniet im Bereich der Stanzkante dicht mit dem Fügebereich auf dem Bauteil verschweißt.

Im Fall von beispielsweise einer zwischen zwei Wälzlagern gelagerten Welle mit einer Verzahnung für die Wälzlager außerhalb der Lagersitze ist die spätere Montage mit Restriktionen verbunden. Bei einer klassisch ausgeführten einteiligen Welle wird die Verzahnung bei der Herstellung der Welle aufgebracht und später im Montagefluss wird mindestens ein Wälzlager über die Verzahnung geschoben und auf dem entsprechenden Lagersitz auf der Welle befestigt. Daraus ergibt sich zwingend, dass der Verzahnungsdurchmesser kleiner als der Lagerinnendurchmesser auszulegen ist. Bei einer kundenseitigen Varianz in der Verzahnung wäre die komplette Welle als Variantenteil durch die Montage zu führen, d. h. es wären, um der kundenseitigen Varianz Rechnung zu tragen, unterschiedliche Ausführungsvarianten der Welle erforderlich, was im Hinblick auf Fertigungslager und Kommissionierung einen hohen Aufwand verursachte.

Offenbarung der Erfindung

Erfindungsgemäß wird ein Verfahren vorgeschlagen zur Herstellung einer ein Drehmoment übertragenden Verbindung zwischen mindestens einem Ritzel und einer Rotorwelle, wobei zumindest die nachfolgenden Verfahrensschritte durchlaufen werden: a) Montage eines Gehäuses und mindestens eines Wälzlagers auf die Rotorwelle zu einer Vormontagebaugruppe, b) Montage des Ritzels durch Aufpressen auf den Umfang der Rotorwelle als Teil der gemäß a) erhaltenen Vormontagebaugruppe, c) Einleiten eines elektrischen Stroms und einer Prozesskraft über eine erste Elektrode in einen das Ritzel fixierenden Schweißkörper und d) Stromableitung über eine Klemmeinrichtung oder eine weitere, zweite Elektrode.

Durch das erfindungsgemäß vorgeschlagene Verfahren und die dortige Vorgehensweise wird ermöglicht, eine Rotorwelle zu verbauen, die mit mindestens einem oder zwei Wälzlagern und einem Gehäuse bestückt eine Vormontagebaugruppe bildet, auf welcher am Ende der Montage ein Ritzel aufgepresst und anschließend stoffschlüssig verbunden werden kann. Dadurch kann zur Herstellung von beispielsweise elektrischen Antriebsbaugruppen in Kraftfahrzeugen in der Serienfertigung eine Varianz vermieden werden, da die Rotorwelle ein Standardbauteil ist, welches in großen Stückzahlen vorgehalten werden kann, was die Herstellkosten in der Serienfertigung günstig beeinflusst.

In vorteilhafter Weiterbildung des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahrens wird die gemäß c) eingeleitete Prozesskraft über die Rotorwelle isoliert in ein Maschinenbett abgeleitet. Die Prozesskraft kann dadurch für die Zeitspanne, während der die Ausbildung der stoffschlüssigen Verbindung mittels eines Schweißprozesses erfolgt, aufrechterhalten werden, so dass sich eine passgenaue stoffschlüssige Verbindung erreichen lässt.

In vorteilhafter Weiterbildung des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahrens wird der gemäß Verfahrensschritt c) eingeleitete elektrische Strom durch Kondensatorentladung erzeugt. Beim erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren wird gemäß Verfahrensschritt c) als Schweißkörper ein Schweißring oder eine Schweißscheibe eingesetzt. Diese liegt bevorzugt plan an einer Stirnseite der Rotorwelle sowie plan an einem Bund des Ritzels an. Dadurch wird während des Schweißprozesses eine sehr hohe Passgenauigkeit beziehungsweise Rundlaufgenauigkeit des stoffschlüssig mit der Rotorwelle gefügten Ritzels erreicht.

In vorteilhafter Weiterbildung der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung kann die Stromableitung gemäß Verfahrensschritt d) über die zweite Elektrode erfolgen, welche auf einer zweiten Stirnseite des Ritzels dieses axial kontaktiert.

In einer weiteren Ausführungsvariante des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahrens bezüglich der Stromableitung gemäß Verfahrensschritt d) kann diese über die Klemmvorrichtung erfolgen, welche an einem Absatz beziehungsweise Umfangsbereich das Ritzel in einer Umfangsposition kontaktiert.

In einer weiteren möglichen Ausführungsvariante des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahrens kann die Stromableitung gemäß Verfahrensschritt d) über die Klemmeinrichtung dergestalt erfolgen, dass diese an einem Bund der Rotorwelle in radialer Richtung kontaktiert wird.

Durch die vorgenannten Ausführungsvarianten des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahrens ist die Stromableitung bei der Herstellung der stoffschlüssigen Verbindung zwischen dem Ritzel und der Rotorwelle, je nach Fertigungsrandbedingungen, auf vielerlei Weise möglich.

Beim erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren wird die Prozesskraft gemäß Verfahrensschritt c) derart auf dem am Umfang der Rotorwelle aufzunehmenden Ritzel aufgebracht, dass das Ritzel mit einer ersten Stirnseite an einer Anschlagseite eines Bundes der Rotorwelle angestellt wird. Dadurch lässt sich eine sehr genaue Montageposition des Ritzels und eine sehr große Laufruhe beispielsweise weiterer Getriebekomponenten mit einem derartig mit der Rotorwelle gefügten Ritzel erreichen.

Darüber hinaus bezieht sich die Erfindung auf die Verwendung des Verfahrens zur Herstellung einer stoffschlüssigen Verbindung zwischen einem Ritzel und einer Rotorwelle, die Teil einer Vormontagebaugruppe ist, die ein Gehäuse und mindestens ein Wälzlager umfasst.

Vorteile der Erfindung

Durch das erfindungsgemäß vorgeschlagene Verfahren kann beispielsweise der Lagersitz eines auf einer Rotorwelle erforderlichen Lagers kleiner ausgeführt werden, wodurch bei gleichbleibendem Verzahnungsdurchmesser einerseits der minimale Lagerinnendurchmesser kleiner ausfällt, was einen Bauraum- und Gewichtsvorteil mit sich bringt. Andererseits kann der Verzahnungsdurchmesser bei gleicher Lagerung vergrößert werden, wodurch sich eine erhebliche Steigerung des Designfreiheitsgrades in nachgeschalteten Getrieben erzielen lässt.

Durch die Erfindung kann die kundenseitig erforderliche Verzahnungsvarianz im Ritzel am Montageende beeinflusst werden, die Rotorwelle ist ein Standardbauteil, wodurch sich eine standardisierte Großserienfertigung viel einfacher und kostengünstiger darstellen lässt. Die Varianz entsteht erst am Ende der Montagelinie.

Bei der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung kann auch der üblicherweise eine Restriktion darstellende Aspekt einer späteren Montierbarkeit umgangen werden, welcher sich bei der Montage einer zweifach gelagerten Welle mit einer Verzahnung außerhalb der Lagerstellen ergibt. Bei einer klassisch gefertigten, einteiligen Welle wird die Verzahnung bei der Wellenherstellung erzeugt und später im Montagefluss das mindestens eine Wälzlager über die Verzahnung geschoben und auf den Lagersitz auf der Welle gesteckt. Daraus ergibt sich die zwingende Notwendigkeit, dass der Verzahnungsdurchmesser notwendigerweise kleiner als der Lagerinnendurchmesser ist. Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung wird vermieden, dass bei kundenseitiger Varianz in der Verzahnung die komplette Rotorwelle als Variantenteil durch die Montage zu führen ist.

Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung wird die kundenseitig möglicherweise vorliegende Verzahnungsvarianz nur in das Ritzel, d. h. an ein am Ende der Montagekette zu handhabendes Bauteil gelegt.

Bei der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung erfolgt das Aufpressen des Ritzels mit Außenverzahnung und das sich anschließende Herstellen der stoffschlüssigen Verbindung mit der Rotorwelle mittels Kondensatorentladungsschweißens erst am Ende der Montagelinie. Dies bedeutet, dass die Rotorwelle mit dem Gehäuse der elektrischen Maschine und dem mindestens einen Wälzlager vormontiert werden kann. Erst danach kann das Ritzel mit Außenverzahnung mittels des vorgeschlagenen Verfahrens montiert werden.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.

Es zeigen:

Figur 1 einen Schnitt durch ein vollständig montiertes E-Achsen-Modul mit Leistungselektronik, elektrischer Maschine und Getriebe,

Figur 2 eine erste Variante zur Erzeugung einer stoffschlüssigen Verbindung zwischen einem Ritzel und einer Rotorwelle mit einer Stromableitung über eine stromausleitende Elektrode auf der Stirnseite des Ritzels,

Figur 3 eine weitere Ausführungsvariante der Ausbildungsmöglichkeit der stoffschlüssigen Verbindung zwischen dem Ritzel mit Außenverzahnung und der Rotorwelle und einer Stromableitung über stromausleitende Klemmbacken mit radialer Ritzelkontaktierung und Figur 4 eine Ausführungsvariante der Herstellung der stoffschlüssigen Verbindung zwischen dem Ritzel mit Außenverzahnung und der Rotorwelle mit einer Stromableitung über stromausleitende Klemmbacken an einem Absatz der Einheitswelle in Radialkontaktierung.

Ausführungsformen der Erfindung

In der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsformen der Erfindung werden gleiche oder ähnliche Elemente mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente in Einzelfällen verzichtet wird. Die Figuren stellen den Gegenstand der Erfindung nur schematisch dar.

Figur 1 zeigt einen Schnitt durch ein E- Achsen- Modul eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs, wobei dieses eine elektrische Maschine, ein Getriebe und eine Leistungselektronikbaugruppe umfasst.

Gemäß dem in Figur 1 dargestellten Längsschnitt durch ein E-Achsen-Modul 10 befindet sich eine Leistungselektronik 12 oberhalb eines Gehäuses 14 einer elektrischen Maschine 22. Seitlich ist am E-Achsen-Modul 10 auf einer Getriebeseite 18 ein ein- oder mehrstufiges Getriebe 16 angeordnet. Eine der Getriebeseite 18 gegenüberliegende Seite des E-Achsen-Moduls 10 wird als E- Maschinenseite 20 bezeichnet und dient der Montage der Komponenten der elektrischen Maschine 22 seitlich in das Gehäuse 14, welches auch als Motorgehäuse bezeichnet wird.

Figur 1 zeigt, dass die elektrische Maschine 22 einen auf einer Rotorwelle 26 aufgenommenen Rotor 24 umfasst. Der Rotor 24 dreht sich relativ zu einem im Gehäuse 14 der elektrischen Maschine 22 ortsfest eingebauten Stator 28. Einzelne Statorwicklungen des Stators 28 im Gehäuse 14 der elektrischen Maschine 22 sind durch Bezugszeichen 30 bezeichnet. Das seitlich angeflanschte Getriebe 16 wird beispielsweise über einen Radialwellendichtring 32 gegen den Bauraum innerhalb des Gehäuses 14 des E-Achsen-Moduls 10 getrennt, so dass kein umherspritzendes Schmiermedium auf die Komponenten der elektrischen Maschine 22 gelangt. Wie aus der Schnittdarstellung gemäß Figur 1 weiter hervorgeht, ist die Rotorwelle 26 mittels eines ersten Wälzlagers 34 im Gehäuse 14 und mittels eines zweiten Wälzlagers 36 in einem topfförmigen Gehäuseteil der elektrischen Maschine 22 beidseitig gelagert. Das Getriebe 16 der elektrischen Maschine ist auf der Getriebeseite 18 durch einen Getriebedeckel 38 verschlossen.

Aus der Schnittdarstellung gemäß Figur 1 ergibt sich ferner, dass die Rotorwelle 26 eine bei deren Herstellung gefertigte Verzahnung 40 aufweist. Mit Bezugszeichen 42 ist ein Durchmesser der Rotorwelle 26 am Lagersitz 44 des ersten Wälzlagers 34 bezeichnet.

Figur 2 ist eine Anordnung zu entnehmen, bei der ein Ritzel 56, welches beispielsweise eine Außenverzahnung umfasst, mit der Rotorwelle 26 stoffschlüssig gefügt wird.

Bei der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Montagevorgehensweise werden im Rahmen einer Vormontage das Gehäuse 14 und die Rotorwelle 26 miteinander gefügt, wobei auf der Rotorwelle 26 mindestens ein Wälzlager 34, 36, beispielsweise das erste Wälzlager 34 aufgebracht wird. Erst danach erfolgt, wie in Figur 2 dargestellt, eine Ausbildung einer stoffschlüssigen Verbindung zwischen dem Ritzel 56 mit Außenverzahnung und der in Figur 2 dargestellten Rotorwelle 26.

Zunächst wird das Ritzel 56 mit Außenverzahnung auf die Rotorwelle 26 gemäß Figur 2 aufgepresst. Dies erfolgt durch das Einleiten einer Prozesskraft, beispielsweise über eine erste Elektrode 50 auf das am Umfang der Rotorwelle 26 vormontierte Ritzel 56. Das Ritzel 56 mit Außenverzahnung umfasst eine erste Stirnseite 60 sowie eine dieser gegenüberliegende zweite Stirnseite 76. Auf der ersten Stirnseite 60 des Ritzels 56 befindet sich ein Bund 78, auf dem in der Schnittdarstellung gemäß Figur 2 ein Schweißkörper 52, beispielsweise in Gestalt eines Schweißrings 54 oder einer Schweißscheibe, plan aufliegt. Der Schweißkörper 52, sei es ein Schweißring 54 oder eine Schweißscheibe, liegt sowohl plan auf der Stirnseite der Rotorwelle 26 als auch plan auf dem Bund 78 des Ritzels 56 auf. Das Ritzel 56 wird durch das Aufbringen der Prozesskraft beispielsweise auf die erste Elektrode 50 in axiale Richtung wirkend an eine Anschlagseite 66 eines Bundes 64 der Rotorwelle 26 gepresst, so dass sich ein passgenauer Sitz des Ritzels 56 bei der Durchführung der stoffschlüssigen Verbindung an der Rotorwelle 26 ergibt. Über die erste Elektrode 50 wird eine Prozesskraft sowie ein elektrischer Strom in den als Schweißring 54 ausgebildeten Schweißkörper 52 eingeleitet. Die Erzeugung des elektrischen Stroms erfolgt mittels Kondensatorentladung. Die eingeleitete Prozesskraft wird durch die gesamte Rotorwelle 26 geführt und an einer gegenüberliegenden Stirnseite der Rotorwelle 26 isoliert in ein Maschinenbett 68 einer Schweißanlage abgeführt.

Die Stromableitung des über die erste Elektrode 50 eingeleiteten elektrischen Stroms erfolgt über eine zweite Elektrode 70, die der Stromausleitung dient und welche auf der zweiten Stirnseite 76 des Ritzels 56 dieses axial kontaktiert.

Durch die Variante der Erzeugung einer stoffschlüssigen Verbindung gemäß Figur 2 werden sehr kurze Wege in Bezug auf den Fluss des elektrischen Stroms realisiert, während die Prozesskraft vom Maschinenbett 68 aufgenommen wird.

Figur 3 zeigt eine weitere Ausführungsvariante der Erzeugung einer stoffschlüssigen Verbindung zwischen der Rotorwelle 26 und dem an dieser drehfest aufzunehmenden Ritzel 56 mittels Kondensatorentladungsschweißens.

Gemäß Figur 3 erfolgt die Einleitung der Prozesskraft sowie des elektrischen Stroms über die erste Elektrode 50 an den in Figur 2 ebenfalls als Schweißring 54 ausgebildeten Schweißkörper 52. Dieser liegt gemäß der Darstellung in Figur 3 sowohl plan auf dem Bund 78 des Ritzels 56 als auch plan auf der Stirnseite der Rotorwelle 26 auf.

Die Prozesskraft wird analog zur Ausführungsvariante gemäß Figur 2 durch die gesamte Rotorwelle 26 geführt und an einer gegenüberliegenden Stirnseite der Rotorwelle 26 in das Maschinenbett 68 der Schweißanlage abgeführt.

In der in Figur 3 dargestellten Ausführungsvariante erfolgt die Stromableitung des elektrischen Stroms über eine stromausleitende Klemmvorrichtung 58, welche das Ritzel 56 in einer Umfangsposition 72 radial kontaktiert, so dass sich ein Stromfluss zwischen der ersten Elektrode 50 und der Klemmvorrichtung 58 einstellt.

Schließlich kann gemäß Figur 4 in einer weiteren Ausführungsvariante die Herstellung der stoffschlüssigen Verbindung zwischen dem Ritzel 56 mit Außenverzahnung und der Rotorwelle 26 dadurch hergestellt werden, dass über die erste Elektrode 50 sowohl die Prozesskraft als auch ein elektrischer Strom in die in Figur 4 dargestellte Anordnung eingeleitet wird. Auch in diesem Fall wird der elektrische Strom, der über die erste Elektrode 50 eingeleitet wird, mittels Kondensatorentladung erzeugt.

Bei der Anordnung gemäß Figur 4 ist der Schweißkörper 52, hier ebenfalls ausgebildet als Schweißring 54 oder als Schweißscheibe, so angeordnet, dass dieser sowohl plan auf dem Bund 78 des Ritzels 56 als auch plan auf der der ersten Elektrode 50 zuweisenden Stirnseite der Rotorwelle 26 aufliegt. Die Prozesskraft wird durch die Rotorwelle 26 durchgeführt und an der gegenüberliegenden Stirnseite der Rotorwelle 26 isoliert in das Maschinenbett 68 der Schweißanlage abgeführt.

In der in Figur 4 dargestellten Ausführungsvariante erfolgt eine Stromableitung über stromausleitende Klemmbacken 58, wobei diese an einen Absatz an der Rotorwelle 26, bevorzugt im Bereich des Bundes 64, in radialer Richtung angestellt sind und demzufolge eine Umfangsposition 72 einnehmen.

Über alle in den Figuren 2, 3 und 4 dargestellten Ausführungsvarianten lässt sich mittels Kondensatorentladung eine stoffschlüssige Verbindung zwischen dem Ritzel 56 und der Rotorwelle 26 erzeugen. Vor der Durchführung der stoffschlüssigen Verbindung mittels Kondensatorentladungsschweißens erfolgt in sämtlichen Konfigurationen gemäß den Figuren 2 und 4 eine Vormontage einer Baugruppe dergestalt, dass vor der Durchführung der stoffschlüssigen Verbindung das Gehäuse 14, die Rotorwelle 26 und die Vormontage mindestens eines Wälzlagers 34, 36 im Rahmen der vormontierten Baugruppe durchgeführt wird. Somit kann ein und dasselbe Bauteil in Gestalt der Rotorwelle 26 als Standardbauteil bei der Serienfertigung von E-Achsen-Modulen gemäß der Darstellung in Figur 1 Verwendung finden, da die kundenseitige Varianz am Ende des Montagedurchlaufs in ein separates Bauteil, nämlich das mit der Rotorwelle 26 zu fügende Ritzel 56 mit Außenverzahnung, gelegt ist. Durch das erfindungsgemäß vorgeschlagene Verfahren kann in vorteilhafter Weise erreicht werden, dass eine kundenseitig erforderliche Verzahnungsvarianz nur durch das Ritzel 56 am Ende der Montagelinie beeinflusst wird. Die Rotorwelle 26selbst stellt ein standardisiertes Gleichbauteil dar und kann im

Großserienrahmen in entsprechender Stückzahl kostengünstig gefertigt werden. Eine kundenseitig erforderliche Varianz, der beim Einbau Rechnung zu tragen ist, entsteht erst am Ende der Montagelinie. Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr ist innerhalb des durch die Ansprüche angegebenen Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachmännischen Handelns liegen.