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Toleranzausgleich im Motor harmonisiert

Toleranzausgleich im Motor harmonisiert
TFC-Local Manager Johannes Lambertz über den Wellenfeder-Einsatz in E-Drives

Schlank im Design und stark in der Leistung sollen sie sein – die Elektromotoren für moderne E-Mobility-Anwendungen. Einen konstruktiven Beitrag dazu leisten die Wellenfedern des US-amerikanischen Herstellers Smalley, die in Deutschland von Zulieferer TFC angeboten werden.

Lesen Sie im Interview mit Local Manager Johannes Lambertz, wie diese C-Teile aus gewalztem Flachdraht die E-Drive-Hersteller bei der Bauraum-Reduzierung und der Optimierung des Toleranzausgleichs in den Motoren unterstützen.

Herr Lambertz, der E-Mobility-Boom befeuert seit geraumer Zeit die Entwicklungsarbeiten auf dem Gebiet des Elektromotorenbaus. Was bedeutet das für TFC als Zulieferer von Wellenfedern?

Lambertz: Viele Hersteller stehen in diesem Zusammenhang vor der Frage, wie sie ihre Motoren noch kompakter, noch effizienter und noch langlebiger auslegen können. Da ein prägendes Moment dieser Optimierungsarbeit die Umsetzung zahlreicher Detailverbesserungen ist, überprüfen viele Konstrukteure und Produktentwickler auch die Auswahl der verwendeten C-Teile. Hierbei erweisen sich gerade die platzsparenden Smalley-Wellenfedern in unserem Portfolio als überaus vorteilhafte Alternative zu bisherigen Federlösungen.

TFC-Local Manager Johannes Lambertz

TFC-Local Manager Johannes Lambertz: „In einem E-Drive kann eine Crest-to-Crest®-Wellenfeder die erforderliche Last bei niedrigster Federrate liefern und dabei sowohl die mechanischen Toleranzen als auch die Wärmedehnungen innerhalb kleiner Lastunterschiede ausgleichen.“

Können Sie das an einem praxisnahen Beispiel veranschaulichen?

Lambertz: Erst kürzlich wandte sich ein bekannter Hersteller von Elektromotoren an uns. Er war unzufrieden mit der Performance der von ihm für eine Lagerbaugruppe verwendeten Wellenfedern. Dabei handelte es sich um gestanzte Federn mit nur einer Windung, die funktionell sowohl für den mechanischen Toleranzausgleich zwischen verschiedenen Lagerkomponenten verantwortlich waren als auch für die thermische Kompensation der betriebsbedingten Wärmeausdehnung im Lager. Das Problem bestand darin, dass deren Federkonstanten für die in der oberen Arbeitshöhe bereitzustellende Last sehr hoch ausgelegt werden mussten, sodass die Last in der unteren Arbeitshöhe zwangsläufig übermäßig groß ausfiel. In der Praxis führte dieses Missverhältnis häufig zum verfrühten Ausfall des Lagers und zu einem erhöhten MRO-Aufwand.

Und wie konnten Sie dieses konstruktive Problem lösen?

Lambertz: Unsere Problemlösung kam aus dem Sortiment der Crest-to-Crest®-Wellenfedern von Smalley, die wir schon seit vielen Jahren anbieten. Diese in vielen Größen in metrischen und Inch-Maßen lieferbaren Federn sind keine Stanztechnik-Produkte, sondern bestehen aus gewalztem Flachdraht aus Federstahl, Edelstahl oder Sonderlegierungen. Sie erreichen nicht nur hohe Standzeiten, sondern überzeugen vor allem durch einen entscheidenden konstruktiven Vorteil: Bei gleichem Federweg und gleicher Belastbarkeit beanspruchen sie bis zu 50 Prozent weniger axialen Bauraum als klassische Runddrahtfedern. Sie bieten daher viel Potenzial für konstruktive Vereinfachungen und die Minimierung von Bauräumen. Im Fall des erwähnten E-Drive-Herstellers führte der Weg zur Lösung über die proportionale Reduzierung der Federkonstante.

Wie dürfen wir uns das konkret vorstellen?

In Lagerbaugruppen werden die Wellenfedern von Smalley im Sortiment von TFC häufig zur Realisierung präziser Vorspannungs- und Toleranzausgleichs-Lösungen eingesetzt

Lambertz: Ausgehend von der Zielsetzung, grundsätzlich geringere Federkonstanten zu erreichen, rieten wir in diesem Fall zum Einsatz von Crest-to-Crest®-Wellenfedern mit mehreren Windungen. Da sich hierbei die Federkonstante proportional zur Anzahl der verwendeten Windungen verringert, ließ sich die ganze Feder so konstruieren, dass der Unterschied zwischen den Belastungen der oberen und unteren Arbeitshöhe nur noch minimal ausfällt. Durch die Verwendung unserer Smalley-Wellenfeder konnte schließlich der gesamte mechanisch-thermische Toleranzausgleich in der Lagerbaugruppe des Elektromotors erheblich harmonisiert werden.

Dieses Anwendungsbeispiel ist aber schon recht komplex …

Lambertz: Ja, es ist aber auch sehr typisch für den Einsatz unserer Wellenfedern im Elektromotorenbau. Eine Crest-to-Crest®-Feder kann die erforderliche Last bei niedrigster Federrate liefern und dabei sowohl die mechanischen Toleranzen als auch die Wärmedehnungen innerhalb kleiner Lastunterschiede ausgleichen. Auf diese Weise leistet sie einen konstruktiven Beitrag zur Laufruhe eines E-Drives und zur Verlängerung seiner Lebensdauer. Wir können diese Wellenfedern inzwischen auch in sehr kleinen Varianten mit nur 4,0 mm Durchmesser bereitstellen, sodass selbst die Konstrukteure ultrakompakter E-Mobility-Motoren weitere Möglichleiten haben, ihre Aggregate noch kleiner auszuführen.

Wie läuft denn in der Praxis die Zusammenarbeit zwischen TFC und den E-Drive-Herstellern ab?

Lambertz: Besteht die Zusammenarbeit schon länger, beliefern wir den Kunden mitunter just-in-time oder docken mit den Leistungen unserer Kanban- oder Kitting-Services direkt an die E-Drive-Montagelinien an. Hier sind wir also unmittelbar in die Wertschöpfungskette der Hersteller eingebunden. Geht es um Neuentwicklungen, stehen wir dem Kunden mit Know-how, 3D-CAD-Systemen und unserem Prototyping als kompetenter und vielseitiger Partner zur Seite.

Wie kurzfristig können Sie denn mit den ersten Serienteilen dienen?

TFC bietet die Wellenfedern von Smalley in vielen verschiedenen Werkstoffen an

Lambertz: Erste Musterteile sowie Null- und Vorserien können wir dank der hohen Flexibilität der Wellenfeder-Fertigung sehr schnell und kostengünstig realisieren. Denn unsere Flachdraht-Produkte entstehen in einem Verfahren namens No-Tooling-Cost® bzw. Circulair-Grain®. Das ist eine spezielle Kantenwindungstechnik, bei der – um einen nahezu idealen Kreis zu erhalten – ein vorgehärteter, gewalzter Flachdraht über eine hohe Kante gezogen wird. Da Smalley dieses Verfahren kontinuierlich weiterentwickelt hat, lassen sich damit inzwischen Federn in zahlreichen verschiedenen Werkstoffen und in fast allen Durchmessern fertigen. Davon profitieren alle E-Mobility- und Automotive-Konstrukteure, zu deren Aufgabe es gehört, kompakte Baugruppen mit Vorspannungs-, Rückstellungs- oder eben Ausgleichsfunktionen zu realisieren.

Autor: Julius Moselweiß, freier Fachjournalist, Darmstadt

Sicherungsringe aus gewalztem Flachdraht

Zwei von vielen: Crest-to-Crest®-Wellenfedern von Smalley bietet TFC in vielen Ausführungen aus gewalztem Flachdraht aus Federstahl, Edelstahl oder Sonderlegierungen an

Die Sicherungsringe der Smalley-Serien Spirolox®, Schnappring, Hoopster® und Wavering® bilden die zweite große Produktgruppe im Portfolio von TFC. Wie bei den Wellenfedern, so handelt es sich auch hierbei um Flachdraht-Lösungen, die im Circulair-Grain®-Verfahren gefertigt werden. Für einen Hersteller von High-Speed-Elektromotoren realisierten die TFC-Ingenieure beispielsweise jüngst einen Sicherungsring mit integrierter Eigensicherung, der hohe Drehzahl-Anforderungen erfüllen kann. Im Gegensatz zu den Standardlösungen verfügt der als Sonderteil realisierte selbstsperrende Sicherungsring über zwei Dorne, die sich jeweils in gegenüberliegende schmale Slots im Außenring schieben und dort einrasten. Durch diese doppelte Dorn-Slot-Paarung entsteht eine schlüssige Verbindung zwischen den Windungen des Rings, die umso fester wird, je schneller die Welle des Elektromotors dreht. Dank der Selbstsperr-Funktion erweist sich dieser Sicherungsring zudem als extrem standhaft bei hoher Beschleunigung und viel unempfindlicher gegenüber Vibrationen.

TFC Deutschland – Spezialist für mechanische Verbindungstechnik

Die TFC Ltd. zählt international zu den führenden Zulieferern mechanischer Befestigungslösungen und gilt als Spezialist für Federelemente. Das Unternehmen wurde 1961 gegründet und beschäftigt heute weltweit über 130 Mitarbeiter an Standorten in Großbritannien, Irland, den USA und Australien sowie in Brasilien, Costa Rica, der Tschechischen Republik, Serbien, Italien, Frankreich und Deutschland. Die deutschen Niederlassungen in Bochum und Gottmadingen (vormals Singen) sind Ansprechpartner für alle deutschsprachigen Kunden in Europa.
TFC ist insbesondere Exklusivanbieter gewalzter Smalley® Flachdraht-Sicherungsringe und Smalley® Wellenfedern. Basierend auf diesem Produkt-Portfolio verfügt das Unternehmen über umfassende Kompetenzen und branchenübergreifendes Know-how zur Lösung anspruchsvoller Aufgabenstellungen auf den Gebieten Bauraum-Optimierung, Vorspannungstechnik und C-Teile-Management. Darüber hinaus gehören auch klassische Stanzteile nach DIN, gestanzte Sicherungsringe in Zoll-Abmessungen sowie Drahtringe, Pass-Scheiben, Rencol-Toleranzringe und Kunststoffteile zum Lieferprogramm von TFC.

TFC bedient derzeit weltweit rund 3000 Kunden in fast allen Industriezweigen und ist zertifiziert nach ISO 9001:2015 sowie BS EN 9100:2016. Das Unternehmen ist seit Jahren auf Expansionskurs und baut sowohl sein internationales Vertriebsnetz als auch seinen global ausgerichteten Kundenservice konsequent aus.

Text/Fotos: TFC Bochum

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