CN110332214A - 一种基于轻量化设计的新能源汽车高速驱动的电机轴及其制造工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于轻量化设计的新能源汽车高速驱动的电机轴及其制造工艺，适用于高速旋转，包括轴体和设于所述轴体内部的空腔，所述轴体包括中间段、花键段和后段，所述花键段连接在所述中间段的一侧端面，所述后段连接在所述中间段的另一侧端面。本发明使用设有空腔的轴体作为电机轴，在同等重量下将大幅提高轴的使用强度，实现轴体轻量化，提高功率密度，节省材料、降低能耗，减轻电机总成的整体质量，从而达到新能源汽车的续航里程延长的目的。

Description

一种基于轻量化设计的新能源汽车高速驱动的电机轴及其制 造工艺
技术领域
本发明涉及电机轴技术领域，具体涉及一种基于轻量化设计的新能源汽车高速驱动的电机轴及其制造工艺。
背景技术
新能源汽车以电池组作为提供动力的介质，其续航能力有限，如何在固定的电池容量下达到最大的续航里程，是新能源汽车优化改进的一个方向。
在新能源汽车中，电机轴一般沿用普通汽车的电机轴，即采用实心结构的传动轴进行传动，这种传动轴使得整车重量增大，导致新能源汽车的电池耗电速度加快，能量密度减小，最大续航里程减小。
发明内容
针对上述技术问题，本发明旨在提供一种基于轻量化设计的新能源汽车高速驱动的电机轴及其制造工艺，能够在保持传动轴刚度的同时，降低传动轴的质量，解决新能源汽车因传动轴质量过大导致最大续航里程降低的问题。
为解决上述技术问题，本发明实施例采用以下技术方案来实现：
一种基于轻量化设计的新能源汽车高速驱动的电机轴，适用于高速旋转，包括轴体和设于所述轴体内部的空腔，所述轴体包括中间段、花键段和后段，所述花键段连接在所述中间段的一侧端面，所述后段连接在所述中间段的另一侧端面。
根据权利要求1所述的一种基于轻量化设计的新能源汽车高速驱动的电机轴，其特征是，所述中间段由实心轴经钻孔加工后形成通孔。
有益地或示例性地，所述中间段选用中空的无缝钢管。
有益地或示例性地，所述通孔的形状为圆形或H形。
有益地或示例性地，所述空腔的最大直径不小于所述花键段或所述后段的最小直径处。
一种制造工艺，包括如下步骤：
S1，制造过程开始，选取中间段毛坯，对其进行内外同轴度加工，形成中间段；
S2，选取后段的毛坯与花键段的毛坯；
S3，将后段的毛坯和花键段的毛坯分别焊接在中间段的两侧端面，形成轴体；
S4，机加工以中间段外圆作为加工基准，车削铣轴体，使后段和花键段成形；
S5，对轴体进行热处理；
S6，轴体表面抛丸、去杂物，一次清洗；
S7，轴体精磨、二次清洗，制造过程结束。
有益地或示例性地，其中步骤S3中所述焊接的方法为旋转摩擦焊接，所述旋转摩擦焊接的过程如下：
施加轴向压力，使所述后段和花键段贴合所述中间段的两侧端面；使后段和花键段相对于中间段的端面发生旋转，摩擦并产生热量，直至贴合面温度提升至焊接所需温度；急速停止运动，并进一步施加所述轴向压力，使贴合面发生塑性变形并将后段、花键段和中间段融合连接为一体形成轴体。
有益地或示例性地，其中步骤S3中的旋转摩擦焊接完成后，在空腔内形成至少一圈的焊接疤痕。
本发明的各种实施方式具有以下有益效果为：
1、提供了一种基于轻量化设计的新能源汽车高速驱动的电机轴，该电机轴使用设有空腔的轴体作为电机轴，在同等重量下将大幅提高轴的使用强度，实现轴体轻量化，提高功率密度，节省材料、降低能耗，减轻电机总成的整体质量，提升驱动系统的能量密度，从而达到新能源汽车的续航里程延长的目的。
2、提供了一种基于轻量化设计的新能源汽车高速驱动的电机轴的制造工艺，其工艺过程简便，制作出的轴体质量优良，具有良好的动平衡性能，适用于工业应用与生产。
附图说明
利用附图对本发明作进一步说明，但附图中的实施例不构成对本发明的任何限制，对于本领域的普通技术人员，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据以下附图获得其它的附图。
图1是本发明一实施例的一种基于轻量化设计的新能源汽车高速驱动的电机轴的主视图；
图2是本发明一实施例的一种基于轻量化设计的新能源汽车高速驱动的电机轴的剖面图；
图3是本发明一实施例的一种基于轻量化设计的新能源汽车高速驱动的电机轴的制造工艺流程图；
图4是本发明一实施例的一种基于轻量化设计的新能源汽车高速驱动的电机轴的轴体分解示意图；
图5是本发明一实施例的一种基于轻量化设计的新能源汽车高速驱动的电机轴的一种H形通孔截面示意图；
图6是本发明一实施例的一种基于轻量化设计的新能源汽车高速驱动的电机轴的一种十字形通孔截面示意图。
附图标记：
1-中间段；2-花键段；3-后段；4-空腔；5-轴体；6-焊接疤痕；7-通孔；8-凹槽。
具体实施方式
下面结合附图和以下实施例对本发明作进一步描述。
一种基于轻量化设计的新能源汽车高速驱动的电机轴，其特征是，适用于高速旋转，包括轴体5和设于轴体5内部的空腔4，轴体5包括中间段1、花键段2和后段3，花键段2连接在中间段1的一侧端面，后段3连接在中间段1的另一侧端面。
本实施方式提供了一种基于轻量化设计的新能源汽车高速驱动的电机轴，该电机轴使用设有空腔4的轴体5作为电机轴，实现轴体5轻量化，提高功率密度，能够节省材料、降耗、在同等重量下将大幅提高轴体5的使用强度，减轻电机总成的整体质量，提升驱动系统的能量密度，从而达到新能源汽车的续航里程延长的目的。
在一种实施方式中，为保证传动，在中间段1、花键段2和后段3处作适应性设计，如设置花键、铣槽、螺纹、轴承位、密封位、旋变位、卡槽等结构。
根据本发明的一个优选实施例，中间段1由实心轴经钻孔加工后形成通孔7。
根据本发明的一个优选实施例，中间段1选用中空的无缝钢管。
根据本发明的一个优选实施例，如图5-图6所示，通孔7的形状为圆形或H形。其中，若中间段1由实心轴钻孔加工而成，则通孔7为圆形通孔；若中间段1直接选用中空的无缝钢管，则通孔7的形状可以是圆形，也可以是H形；在另一种实施方式中，通孔7的形状还可以是十字形。
本优选实施例，通孔7的形状为H形或十字形时，相较于圆形的通孔，在保证一定强度的同时，进一步地提高了电机轴的轻量化程度。
根据本发明的一个优选实施例，空腔4的最大直径不小于花键段2或后段3的最小直径处。
本优选实施例，结合H形或十字形的通孔7，限定了空腔4的大小，能够更近一步地提高电机轴的轻量化程度。
根据本发明的一个优选实施例，如图4所示，花键段2和后段3分别与中间段1连接的端面处均设有凹槽8，凹槽8与中间段1的通孔7相连，空腔4由凹槽8以及与凹槽8相通的通孔7组成。
本优选实施例，在花键段2和后段3上设置凹槽8，空腔4由凹槽8和通孔7组成，在空腔4体积一定的前提下，能够缩减通孔7的尺寸，避免了过大的通孔7尺寸影响中间段1的强度，不致发生电机轴轴体5局部强度较低的情况。在另一种情况下，设置凹槽8，也能够在通孔7尺寸一定的前提下，进一步提高轴体5的轻量化程度。
根据本发明的一个优选实施例，利用拓扑优化设计的方法，设计空腔4、凹槽8的大小以及中间段1、花键段2以及后段3的结构形状，使传动轴整体能够在保证足够刚度的同时，获得效果较好的轻量化程度。
具体地，拓扑优化设计的方法为：建立中间段1、花键段2和后段3以及三者结合的传动轴的有限元模型，对三者结合的传动轴模型有限元模型进行静强度、静刚度以及疲劳寿命分析，根据传动需求设定刚度和强度阈值，在保证有限元模型的静刚度和静强度不低于对应的阈值时，确定空腔4和凹槽8的最佳尺寸，使传动轴的整体质量最低。
一种用于制造轻量化电机轴的制造工艺，其特征是，包括如下步骤：
S1，制造过程开始，选取中间段1毛坯，对其进行内外同轴度加工，形成中间段1；
S2，选取后段3的毛坯与花键段2的毛坯；
S3，将后段3的毛坯和花键段2的毛坯分别焊接在中间段1的两侧端面，形成轴体5；
S4，机加工以中间段1外圆作为加工基准，车削铣轴体5，使后段3和花键段2成形；
S5，对轴体5进行热处理；
S6，轴体5表面抛丸、去杂物，一次清洗；
S7，轴体5精磨、二次清洗，制造过程结束。
上述工艺中，工艺过程简便，制作出的轴体5质量优良，适于工业应用与生产。
根据本发明的一个优选实施例，其中制造工艺的步骤S3中焊接的方法为旋转摩擦焊接，旋转摩擦焊接的过程如下：
施加轴向压力，使后段3和花键段2贴合中间段1的两侧端面；使后段3和花键段2相对于中间段1的端面发生旋转，摩擦并产生热量，直至贴合面温度提升至焊接所需温度；急速停止运动，并进一步施加轴向压力，使贴合面发生塑性变形并将后段3、花键段2和中间段1融合连接为一体形成轴体5。
本优选实施例，采用旋转摩擦焊接的工艺，能够使得电机轴整体动平衡较好，使其能够用于高速旋转的电机上，适用于新能源汽车行业。
根据本发明的一个优选实施例，在制造过程开始前，选取中间段1毛坯，对其进行内外同轴度加工，形成中间段1。
本优选实施例，对中间段1进行内外同轴度加工，使其内外同轴度达到理想状态，取得优质的动平衡效果，并为后续加工确立基准位，便于后续加工。
根据本发明的一个优选实施例，其中步骤S3中的旋转摩擦焊接完成后，在空腔4内形成至少一圈的焊接疤痕6。
摩擦焊接的工艺将在贴合面的两侧形成焊接疤痕，其中形成在轴体5外圆周上的焊接疤痕在步骤S3中的机加工车削铣轴体5的过程中被消除，而形成在空腔4一侧的焊接疤痕由于处于已与外界隔绝的空腔4内，因此难以甚至无法消除。故，在一种情况下，形成在空腔4一侧的焊接疤痕6能够作为判断是否采用摩擦焊接的依据之一。
最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims (7)

1.一种基于轻量化设计的新能源汽车高速驱动的电机轴，其特征是，适用于高速旋转，包括轴体(5)和设于所述轴体(5)内部的空腔(4)，所述轴体(5)包括中间段(1)、花键段(2)和后段(3)，所述花键段(2)连接在所述中间段(1)的一侧端面，所述后段(3)连接在所述中间段(1)的另一侧端面。
2.根据权利要求1所述的一种基于轻量化设计的新能源汽车高速驱动的电机轴，其特征是，所述中间段(1)由实心轴经钻孔加工后形成通孔(7)。
3.根据权利要求1所述的一种基于轻量化设计的新能源汽车高速驱动的电机轴，其特征是，所述中间段(1)选用中空的无缝钢管。
4.据权利要求2所述的一种基于轻量化设计的新能源汽车高速驱动的电机轴，其特征是，所述通孔(7)的形状为圆形或H形。
5.用于制造权利要求1-4任一项所述的电机轴的一种制造工艺，其特征是，包括如下步骤：
S1，制造过程开始，选取中间段(1)毛坯，对其进行内外同轴度加工，形成中间段(1)；
S2，选取后段(3)的毛坯与花键段(2)的毛坯；
S3，将后段(3)的毛坯和花键段(2)的毛坯分别焊接在中间段(1)的两侧端面，形成轴体(5)；
S4，机加工以中间段(1)外圆作为加工基准，车削铣轴体(5)，使后段(3)和花键段(2)成形；
S5，对轴体(5)进行热处理；
S6，轴体(5)表面抛丸、去杂物，一次清洗；
S7，轴体(5)精磨、二次清洗，制造过程结束。
6.根据权利要求5所述的一种制造工艺，其特征是，其中步骤S3中所述焊接的方法为旋转摩擦焊接，所述旋转摩擦焊接的过程如下：
施加轴向压力，使所述后段(3)和花键段(2)贴合所述中间段(1)的两侧端面；使后段(3)和花键段(2)相对于中间段(1)的端面发生旋转，摩擦并产生热量，直至贴合面温度提升至焊接所需温度；急速停止运动，并进一步施加所述轴向压力，使贴合面发生塑性变形并将后段(3)、花键段(2)和中间段(1)融合连接为一体形成轴体(5)。
7.根据权利要求6所述的一种制造工艺，其特征是，其中步骤S3中的旋转摩擦焊接完成后，在空腔(4)内形成至少一圈的焊接疤痕(6)。
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