DE102020215933A1

DE102020215933A1 - Gewichtsoptimierte Rotorwelle und Verfahren zu seiner Herstellung

Info

Publication number: DE102020215933A1
Application number: DE102020215933.5A
Authority: DE
Inventors: Thomas Großerüschkamp; Claus Disser
Original assignee: ThyssenKrupp Steel Europe AG
Current assignee: ThyssenKrupp Steel Europe AG
Priority date: 2020-12-15
Filing date: 2020-12-15
Publication date: 2022-06-15
Also published as: US20240035512A1; WO2022128563A1; EP4264802A1; CN116685421A

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Rotorwelle (1) sowie ein Verfahren zur Herstellung einer Rotorwelle (1).

Description

Technisches Gebiet (Technical Field)
Die Erfindung betrifft eine Rotorwelle sowie ein Verfahren zur Herstellung einer Rotorwelle.
Technischer Hintergrund (Background Art)
Rotorwellen sind Komponenten u.a. in Elektromotoren, insbesondere in Elektromotoren für straßengebundene Elektro- oder Hybrid-Fahrzeuge, und haben die Aufgabe, das Drehmoment des Elektromotors zu übertragen. Auf der Rotorwelle wird ein sogenanntes Rotorblechpaket angebunden respektive fixiert. Das Gesamtgewicht einer solchen Ausführung soll möglichst gering sein, um die Reichweite des Elektro- oder Hybrid-Fahrzeugs zu erhöhen oder den Stromverbrauch zu reduzieren. Rotorblechpakete können entweder kraftschlüssig, zum Beispiel in der deutschen Offenlegungsschrift DE 10 2014 106 614 A1 offenbart, oder formschlüssig, zum Beispiel in der deutschen Offenlegungsschrift DE 10 2016 215 979 A1 beschrieben, oder aus einer Kombination hieraus auf der Rotorwelle angebunden respektive fixiert werden.
Das kraftschlüssige Anbinden hat den Nachteil, dass es in den Blechlamellen des Rotorblechpakets hohe Spannungen verursacht, die höhere elektromechanische Verluste im Vergleich zur rein formschlüssigen Anbindung oder der Kombination aus Formschluss und Kraftschluss aufweisen. Für das formschlüssige Anbinden werden auf der Außenfläche der Rotorwelle Geometrien vorgesehen, die sich in den einzelnen Blechen des Rotorblechpakets als Negativform wiederfinden, um hier den Formschluss zu erzeugen. Diese Geometrien werden subtraktiv in die Außenfläche der Rotorwelle eingebracht, dies bedeutet, dass der Querschnitt der Rotorwelle geschwächt wird. Deshalb muss die Rotorwelle konstruktiv so ausgelegt werden, dass diese lokale Dickenreduktion kompensiert wird. Darüber hinaus wird während des in der Regel spanlosen Einbringens dieser Geometrien Kraft in radialer Richtung in die Rotorwelle gebracht, so dass hier die Wanddicke so groß gewählt werden muss, dass sich ein Rohr, welches als Rohling zur Herstellung der Rotorwelle bereitgestellt wird, weder plastisch noch elastisch verformt. Dies führt zu einer an vielen Stellen überdimensionierten Rotorwelle mit einem entsprechend höheren Gewicht.
Zusammenfassung der Erfindung (Summary of Invention)
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zu Grunde, eine Rotorwelle und ein Verfahren zu seiner Herstellung anzugeben, mit welchem ein zu hohes Gewicht im Wesentlichen reduziert werden kann.
Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Rotorwelle mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren zur Herstellung einer Rotorwelle mit den Merkmalen des Patentanspruchs 6.
Die Erfinder haben festgestellt, dass an einer Rotorwelle, welche einen hohlen Wellenkörper mit mindestens einer außen am Wellenkörper in Längserstreckung des Wellenkörpers verlaufenden Profilierung zur formschlüssigen Aufnahme respektive Anbindung eines Rotorblechpakets aufweist, durch zusätzliches Vorsehen mindestens einer wulstförmigen Profilierung innen am Wellenkörper, welche in Längserstreckung des Wellenkörpers parallel zur außen am Wellenkörper verlaufenden Profilierung verläuft, eine im Wesentlichen gleichbleibende Dicke des Wellenkörpers erhalten werden kann, so dass die Dicke des Wellenkörpers auf ein notwendiges Mindestmaß, welche den Belastungen im finalen Einsatz stand hält, reduziert werden kann, um zusätzliche Masse und dadurch Gewicht einzusparen, so dass eine gewichtsoptimierte Rotorwelle bereitgestellt werden kann. Durch das Vorsehen der mindestens einen wulstförmigen Profilierung innen am Wellenkörper im Bereich und auf der abgewandten Seite der außen am Wellenkörper in Längserstreckung des Wellenkörpers verlaufenden Profilierung erfährt der Wellenkörper im Bereich der außen verlaufenden Profilierung und somit im Bereich der formschlüssigen Anbindung Rotorblechpakete auch keine Materialschwächung, so dass eine gewichtsoptimierte Auslegung der Rotorwelle erst möglich ist.
Die außen am Wellenkörper in Längserstreckung des Wellenkörpers verlaufende Profilierung kann als Ausnehmung und/oder Nut ausgeführt sein. Auch andere Geometrieformen sind vorstellbar, die sich zum formschlüssigen Aufnehmen eines Rotorblechpakets eignen. Des Weiteren kann sich die außen verlaufende Profilierung auf einen (Teil-)Abschnitt beschränken oder durchgehend am Wellenkörper erstrecken. Auch können mehrere über den Umfang verteilte verlaufende Profilierungen in Längserstreckung jeweils in (Teil-)Abschnitten oder durchgehend vorliegen. Die mindestens eine wulstförmige Profilierung ist somit (immer) in dem Bereich und parallel zu der außen verlaufenden Profilierung angeordnet. Durch die mindestens eine wulstförmige Profilierung entsteht im Inneren des hohlen Wellenkörpers im Schnitt lokal bzw. abschnittweise über den inneren Umfang betrachtet eine Querschnittseinengung.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen gehen aus der nachfolgenden Beschreibung hervor. Ein oder mehrere Merkmale aus den Ansprüchen, der Beschreibung wie auch der Zeichnung können mit einem oder mehreren anderen Merkmalen daraus zu weiteren Ausgestaltungen der Erfindung verknüpft werden. Es können auch ein oder mehrere Merkmale aus den unabhängigen Ansprüchen durch ein oder mehrere andere Merkmale verknüpft werden.
Gemäß einer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Rotorwelle weist die Rotorwelle mindestens einen am einen Ende des Wellenkörpers angeordneten Endabschnitt auf, welcher das eine Ende des Wellenkörpers abschließt. Damit ist der hohle Wellenkörper zumindest einseitig bzw. an einem seiner Enden durch den Endabschnitt geschlossen. Bevorzugt weist die Rotorwelle an beiden Enden des Wellenkörpers angeordnete Endabschnitte auf, welche die Enden des Wellenkörpers abschließen. Besonders bevorzugt weist der Endabschnitt einen Zapfenabschnitt oder weisen die beiden Endabschnitte jeweils einen Zapfenabschnitt auf, welcher derart ausgeführt ist, dass dieser bzw. diese drehbar in entsprechenden Lagern in der elektrischen Komponente aufnehmbar sind.
Gemäß einer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Rotorwelle sind der Wellenkörper und optional ein Endabschnitt der Rotorwelle drückgewalzt. Mittels Drückwalzen kann zumindest der Großteil der Rotorwelle aus einem Halbzeug mittels Drückwalzen hergestellt werden, so dass bevorzugt ein Endabschnitt und der hohle Wellenkörper der Rotorwelle aus einem Material mittels Drückwalzen einstückig und somit gewichtsoptimiert hergestellt respektive geformt ist.
Gemäß einem zweiten Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Rotorwelle aufweisend einen hohlen Wellenkörper mit mindestens einer außen am Wellenkörper in Längserstreckung des Wellenkörpers verlaufenden Profilierung, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst:

- Bereitstellen eines metallischen Halbzeugs;
- Formen eines hohlen Wellenkörpers aus dem Halbzeug;
- Erzeugen mindestens einer außen am Wellenkörper in Längserstreckung des Wellenkörpers verlaufenden Profilierung während des Formens oder nach dem Formen.

Erfindungsgemäß wird das Formen mittels Drückwalzen in einem oder mehreren Drückwalzschritten durchgeführt, wobei im Drückwalzschritt oder in einem der Drückwalzschritte in Längserstreckung des Wellenkörpers innen am Wellenkörper mindestens eine wulstförmige Profilierung erzeugt wird.
Unter Drückwalzen wird ein Verfahren zur spanlosen Formgebung rotationssymmetrischer Hohlkörper verstanden. Dabei wird ein Halbzeug, beispielsweise eine Ronde oder ein Hohlprofil, auf ein Drückfutter gespannt und/oder fixiert und in Rotation versetzt. Mindestens eine Andrückscheibe/Walze oder ein anderes entsprechend geeignetes Mittel wird gegen das rotierende Halbzeug bewegt, so dass eine Umformung partiell durch Druckspannungen erfolgt, die durch das radial geführte Drückwalzen ins Material des Halbzeugs eingebracht werden. Das Material fließt und nimmt in einem axialen Bearbeitungsgang von einem zum anderen Ende des Halbzeugs die Kontur des innenliegenden Drückfutters an. Ist das Drückfutter kreisrund, erhält der drückgewalzte Wellenkörper eine kreisrunde zylindrische Innengeometrie. Vorzugsweise ist die Gestalt des Drückfutters derart ausgeführt, dass sich innere Geometrien am drückgewalzten Wellenkörper innen umsetzen lassen. Beim Drückwalzen verformt die mindestens eine Andrückscheibe/Walze durch die unmittelbare Druckeinwirkung den Werkstoff des Halbzeugs plastisch, wobei eine definierte axiale Bewegung der mindestens einen Andrückscheibe/Walze dazu führen kann, dass die Ausgangswanddicke des Halbzeugs auf eine einstellbare (Endwand-)Dicke reduziert wird. Bei Bedarf kann die Innenkontur des drückgewalzten Halbzeugs/Wellenkörpers direkt vom Drückfutter abgeformt werden. Zusätzlich oder alternativ können auch über die axiale Ausrichtung des Wellenkörpers individuelle Dicken eingestellt werden. Das Drückwalzen entspricht dem Stand der Technik.
Erfindungsgemäß ist beispielsweise eine Negativform im Drückfutter oder Kern berücksichtigt, welche zu einer in Längserstreckung im zu erzeugenden Wellenkörper eine wulstförmige Profilierung innen am Wellenkörper berücksichtigt.
Als metallisches Halbzeug dienen insbesondere warm- oder kaltgewalzte Blechwerkstücke, vorzugsweise aus einem eisenbasierten Werkstoff, bevorzugt aus einem Stahlwerkstoff, vorkonfektioniert in Form einer Ronde oder als Hohlprofil. Die Dicke des Halbzeugs kann zwischen 2,0 und 25 mm betragen. Die Dicke beträgt insbesondere mindestens 2,5 mm, vorzugsweise mindestens 3,5 mm und ist insbesondere auf maximal 22 mm, vorzugsweise maximal 20 mm begrenzt.
Um Wiederholungen zu vermeiden, wird auf die Ausführungen zu der erfindungsgemäßen Rotorwelle verwiesen.
Gemäß einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die mindestens eine außen am Wellenkörper in Längserstreckung des Wellenkörpers verlaufende Profilierung im Bereich und parallel auf der der wulstförmigen Profilierung abgewandten Seite erzeugt. Um zu gewährleisten, dass keine Schwächung des Materials vorliegt, wird im Zuge des Drückwalzens in dem Drückwalzschritt oder in einem der Drückwalzschritte die mindestens eine wulstförmige Profilierung innen am Wellenkörper eingestellt, so dass anschließend die mindestens eine außen am Wellenkörper verlaufende Profilierung erzeugt wird. Die außen verlaufende Profilierung wird bevorzugt spanend erzeugt, da im Rahmen von Toleranzen die Profilierung zur formschlüssigen Aufnahme und Anbindung der Rotorblechpakete gezielt einstell- und einbringbar ist.
Gemäß einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die innen vorgesehene wulstförmige Profilierung und die außen verlaufende Profilierung derart bemessen, dass die Dicke im Bereich der Profilierungen nicht die finale Dicke des fertigen Wellenkörpers unterschreitet. Dies hat den Vorteil, dass keine Materialschwächung im Bereich der Profilierungen vorliegt und dennoch eine gewichtsoptimierte Rotorwelle bereitgestellt werden kann.
Gemäß einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird aus dem Halbzeug neben dem Wellenkörper zusätzlich auch ein Endabschnitt geformt, welcher vor oder nach dem Formen des Wellenkörpers erzeugt wird. Vorzugsweise wird zunächst ein Teil respektive die Vorform des Endabschnitts aus dem Halbzeug vorgeformt bzw. angeformt und entweder vor oder nach dem Formen des Wellenkörpers endgeformt. So kann aus einem Halbzeug ein Großteil der Rotorwelle einstückig mittels Drückwalzen hergestellt werden. Der zweite Endabschnitt zum vollständigen Schließen des Wellenkörpers und somit komplettieren der Rotorwelle kann als separates Teil hergestellt werden und mit dem offenen Ende des Wellenkörpers stoff-, form- und/oder kraftschlüssig verbunden werden.
Figurenliste
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert. Gleiche Teile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Im Einzelnen zeigen:

1 eine Draufsicht auf einen Schnitt einer konventionellen Rotorwelle und
2 eine perspektivische Ansicht auf einen Schnitt einer Rotorwelle gemäß einer erfindungsgemäße Ausführungsform.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen (Best Mode for Carrying out the Invention)
1 zeigt ein Beispiel einer konventionell hergestellten Rotorwelle (1). Die Rotorwelle (1) ist als hohler Wellenkörper (2) ausgeführt und weist eine in Längserstreckung des Wellenkörpers (2) Profilierung (3) auf, hier in Form von zwei eingebrachten Nuten (3) zur formschlüssigen Aufnahme und Anbindung eines nicht dargestellten Rotorblechpakets. Gut zu erkennen, ist die Reduzierung der Dicke des Wellenkörpers (2) im Bereich der Profilierung (3). Die Dicke (d1) des Wellenkörpers (2) ist durch die Profilierung (3) in diesem Bereich auf die Dicke (d2) reduziert. Der Wellenkörper (2) wäre mit der Dicke (d2) zwar ausreichend dimensioniert, jedoch wird durch das Einbringen der Profilierung (3) in Form der Nuten die Differenz von (d1) und (d2) aufgeschlagen und letztendlich im finalen Einsatz als unnötiges Zusatzgewicht mitbewegt.
2 zeigt eine erfindungsgemäße Ausführungsform einer Rotorwelle (1), welche im Vergleich zur konventionellen Ausgestaltung in 1 neben einer geringeren und im Wesentlichen einheitlicher Dicke (d2) des Wellenkörpers (2) zusätzlich im Bereich der mindestens einen Profilierung (3) mindestens eine innen und parallel zur Profilierung (3) verlaufende wulstförmige Profilierung (4) aufweist. Die innen vorgesehene wulstförmige Profilierung (4) und die außen verlaufende Profilierung (3) sind derart bemessen, dass die Dicke im Bereich der Profilierungen (3, 4) nicht die finale Dicke (d2) des fertigen Wellenkörpers (2) unterschreitet. Die erfindungsgemäße Rotorwelle (1) ist zum Großteil, wobei der Wellenkörper (2) und ein Endabschnitt (5) der Rotorwelle (1) einstückig aus einem Halbzeug hergestellt sind, mittels Drückwalzen herstellbar. Komplettiert wird die Rotorwelle (1) durch ein separates Teil, welches den zweiten Endabschnitt bildet und mit dem offenen Ende des Wellenkörpers (2) stoff-, form- und/oder kraftschlüssig verbunden wird, hier nicht dargestellt. Die Endabschnitte (5) weisen auch nicht dargestellte Zapfenabschnitte zur drehbaren Lagerung auf.
Die beschriebenen Merkmale sind alle, soweit technisch möglich, miteinander kombinierbar. Erfindungsgemäße Rotorwellen (1) werden in elektrischen Antrieben, insbesondere in Elektromotoren von straßengebundenen Fahrzeugen eingesetzt. Die außen am Wellenkörper (2) in Längserstreckung des Wellenkörpers (3) verlaufende Profilierung (3) kann als Ausnehmung und/oder Nut ausgeführt sein. Auch andere Geometrieformen sind vorstellbar, die sich zum formschlüssigen Aufnehmen eines Rotorblechpakets eignen. Des Weiteren kann sich die außen verlaufende Profilierung (3) auf einen (Teil-)Abschnitt beschränken oder durchgehend am Wellenkörper (2) erstrecken. Auch können mehrere über den Umfang verteilte verlaufende Profilierungen (2), s. 2, in Längserstreckung jeweils in (Teil-)Abschnitten oder durchgehend vorliegen. Die wulstförmige Profilierung (4) ist immer in dem Bereich und parallel zu der außen verlaufenden Profilierung (3) angeordnet.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102014106614 A1 [0002]
DE 102016215979 A1 [0002]

Claims

Rotorwelle (1) aufweisend einen hohlen Wellenkörper (2) mit mindestens einer außen am Wellenkörper (2) in Längserstreckung des Wellenkörpers (2) verlaufenden Profilierung (3), dadurch gekennzeichnet, dass innen am Wellenkörper (2) mindestens eine wulstförmige Profilierung (4) vorgesehen ist, welche in Längserstreckung des Wellenkörpers (2) parallel zur außen am Wellenkörper (2) verlaufenden Profilierung (3) verläuft.
Rotorwelle nach Anspruch 1, wobei die Rotorwelle (1) mindestens einen am einen Ende des Wellenkörpers (2) angeordneten Endabschnitt (5) aufweist, welcher das eine Ende des Wellenkörpers (2) abschließt.
Rotorwelle nach einem der vorgenannten Ansprüche, wobei die Rotorwelle (1) an beiden Enden des Wellenkörpers (2) angeordnete Endabschnitte (5) aufweist, welche die Enden des Wellenkörpers (2) abschließen.
Rotorwelle nach Anspruch 3 oder 4, wobei der Endabschnitt (5) einen Zapfenabschnitt aufweist.
Rotorwelle nach einem der vorgenannten Ansprüche, wobei der Wellenkörper (2) und optional ein Endabschnitt (5) der Rotorwelle (1) drückgewalzt sind.
Verfahren zur Herstellung einer Rotorwelle (1) aufweisend einen hohlen Wellenkörper (2) mit mindestens einer außen am Wellenkörper (2) in Längserstreckung des Wellenkörpers (2) verlaufenden Profilierung (3), wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: - Bereitstellen eines metallischen Halbzeugs; - Formen eines hohlen Wellenkörpers (2) aus dem Halbzeug; - Erzeugen mindestens einer außen am Wellenkörper (2) in Längserstreckung des Wellenkörpers (2) verlaufenden Profilierung (3) während des Formens oder nach dem Formen; dadurch gekennzeichnet, dass das Formen mittels Drückwalzen in einem oder mehreren Drückwalzschritten durchgeführt wird, wobei im Drückwalzschritt oder in einem der Drückwalzschritte in Längserstreckung des Wellenkörpers (2) innen am Wellenkörper (2) mindestens eine wulstförmige Profilierung (4) erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei die mindestens eine außen am Wellenkörper (2) in Längserstreckung des Wellenkörpers (2) verlaufende Profilierung (3) im Bereich und parallel auf der der wulstförmigen Profilierung (4) abgewandten Seite erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, wobei die mindestens eine außen verlaufende Profilierung (3) spanend erzeugt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei die innen vorgesehene wulstförmige Profilierung (4) und die außen verlaufende Profilierung (3) derart bemessen werden, dass die Dicke im Bereich der Profilierungen (3, 4) nicht die finale Dicke (d2) des fertigen Wellenkörpers (2) unterschreitet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, wobei aus dem Halbzeug auch ein Endabschnitt (5) geformt wird, welcher vor oder nach dem Formen des Wellenkörpers (2) erzeugt wird.