Niedrige Federrate optimiert Toleranzausgleich

Der E-Mobility-Boom bringt eine steigende Dynamisierung der Forschungs- und Entwicklungsarbeiten auf dem Gebiet des Elektromotorenbaus mit sich. Um die Motoren noch kompakter und effizienter zu gestalten, suchen die Hersteller nach konstruktiven Detailverbesserungen.

Ein namhafter Elektromotorenhersteller hatte beispielsweise jüngst ein Problem mit der Performance der von ihm in einer Lagerbaugruppe eingesetzten Wellenfedern. Es handelte sich dabei um gestanzte Federn, die in einer Doppelfunktion sowohl für den mechanischen Toleranzausgleich der Lagerkomponenten als auch für den thermischen Ausgleich der betriebsbedingten Wärmeausdehnung im Lager zuständig waren.

Allerdings tauchten dabei immer wieder Schwierigkeiten bei der Auslegung der richtigen Federkonstanten (Federraten) auf: Beim Einbau gestanzter Wellenfedern mit nur einer Windung musste die Federkonstante für die in der oberen Arbeitshöhe bereitzustellende Last sehr hoch ausgelegt werden. Zwangsweise fiel daher die Last in der unteren Arbeitshöhe (Betriebshöhe) übermäßig groß aus. Diese überhöhte Last führte stets zu einem vorzeitigen Ausfall des Lagers – und damit auch des Motors. Deshalb klopften die Entwicklungsingenieure des Elektromotorenbauers bei den Wellenfederexperten von TFC in Bochum an. Denn zu deren Produktsortiment gehören bereits seit vielen Jahren die Wellenfedern der Crest-to-Crest-Serie des US-amerikanischen Herstellers Smalley.

Diese Federn liegen in vielen Größen sowohl in metrischen wie auch Inch-Maßen vor und sind keine Stanzteile, sondern bestehen durchgehend aus gewalztem Flachdraht. Gerade im Automobilbau decken sie aktuell eine enorme Bandbreite an Anwendungen ab und erfreuen sich bei den Konstrukteuren der Branche großer Beliebtheit. Das liegt nicht nur an der hohen Lebensdauer der CTC-Federn, die aus Federstahl, Edelstahl oder Sonderlegierungen bestehen, sondern vor allem an ihren konstruktiven Vorteilen. Da sie bei gleichem Federweg und gleicher Belastbarkeit bis zu 50 % weniger axialen Bauraum als konventionelle Runddrahtfedern beanspruchen, machen sie den Weg frei für konstruktive Vereinfachungen und die Reduzierung von Bauräumen. Damit bieten sie den Automotive-Konstrukteuren viel Optimierungspotenzial in zwei zukunftsweisenden Disziplinen.

Die Entwicklungsingenieure des renommierten Elektromotorenherstellers trafen bei TFC in Bochum auf kompetente Gesprächspartner und fanden im Crest-to-Crest-Sortiment die passende Wellenfelder-Lösung. „Mit dem Ziel, grundlegend geringere Federkonstanten zu erzielen, empfahlen wir den Einsatz von Flachdraht-Wellenfedern mit mehreren Windungen“, erklärt Johannes Lambertz, der Local Manager von TFC Bochum. „Da hierbei die Federkonstante proportional zur Anzahl der verwendeten Windungen reduziert wurde, lies sich die ganze Feder so konstruieren, dass der Unterschied zwischen den Belastungen der oberen und unteren Arbeitshöhe jetzt nur noch minimal ausfällt. Durch die Verwendung der neuen CTC-Wellenfeder wurde der mechanisch-thermische Toleranzausgleich im Lager also insgesamt deutlich harmonisiert.“

Der Elektromotorenhersteller profitiert von dieser Verbesserung in mehrfacher Hinsicht. Da TFC die Crest-to-Crest-Wellenfedern in sehr kleinen Varianten mit bis nur 4,0 Millimetern Durchmesser anbietet, können die Konstrukteure die Motoren erheblich kleiner bauen. „Dabei liefert die Wellenfeder die erforderliche Last bei niedrigster Federrate und sowohl die mechanischen Toleranzen als auch die Wärmedehnungen können innerhalb kleiner Lastunterschiede ausgeglichen werden“, erläutert Johannes Lambertz. Auf diese Weise leisten die eingebauten Wellenfedern von TFC einen spürbaren Beitrag zu einem ruhigen Lauf der Elektromotoren und erhöhen zudem noch deren Lebensdauer. aru