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Die Erfindung betrifft eine Rotorhohlwelle sowie ein Verfahren zur Herstellung einer Rotorwelle.
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Rotor(hohl)wellen sind Komponenten u.a. in Elektromotoren, insbesondere in Elektromotoren für straßengebundene Elektro- oder Hybrid-Fahrzeuge, und haben die Aufgabe, ein Blechpaket des Rotors zu tragen und ein Drehmoment des Elektromotors zu übertragen. Das Gesamtgewicht einer solchen Ausführung soll möglichst gering sein, um die Reichweite des Elektro- oder Hybrid-Fahrzeugs zu erhöhen oder den Stromverbrauch reduzieren zu können. Die Rotorwelle ist als Hohlkörper ausgeführt, zum einen um innerhalb der Hohlwelle ein Kühlmedium einbringen zu können, welches die Wärme über Konvektion aufnimmt und entsprechend abführt, und zum anderen zur Gewichts- und Kostenersparnis. Eine gattungsgemäße Rotorhohlwelle ist aus der Anmeldeschrift
DE 10 2020 215 933 A1 bekannt.
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Eine Rotorhohlwelle weist zwei Lagerstellen auf, wobei über eine Außen- oder Innenverzahnung auf der Abtriebsseite der Rotorhohlwelle das Drehmoment auf eine mit der Rotorhohlwelle über die Verzahnung in Kontakt stehende Antriebswelle/-einheit übertragen wird. Dies führt dazu, dass die Rotorhohlwelle im Bereich der Abtriebsseite wesentlich stärkeren Belastungen ausgesetzt ist als an der gegenüberliegenden Seite. Das führt dazu, dass die Rotorhohlwelle an der Abtriebsseite ausreichend dimensioniert werden muss, um nicht zu versagen, so dass sie in den anderen Bereichen von der Wandstärke her überdimensioniert ist. Dadurch weist die Rotorhohlwelle ein zu hohes Gewicht auf und ist entsprechend teurer in der Herstellung (Materialkosten).
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Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zu Grunde, eine Rotorhohlwelle und ein Verfahren zu seiner Herstellung anzugeben, welche bzw. welches die vorgenannten Nachteile nicht mehr aufweist.
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Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Rotorhohlwelle mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren zur Herstellung einer Rotorhohlwelle mit den Merkmalen des Patentanspruchs 7.
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Der Erfinder hat festgestellt, dass an einer Rotorhohlwelle umfassend einen hohlen Wellenkörper mit einem entlang seiner Achse zumindest abschnittsweise verlaufenden konstanten Außendurchmesser und einen entlang seiner Achse verlaufenden Abschnitt zur Aufnahme eines Blechpaketes, durch zusätzliches Vorsehen eines entlang der Achse des Wellenkörpers zumindest abschnittsweise verlaufenden variierenden Innendurchmessers eine belastungsoptimierte und gewichtsoptimierte Rotorhohlwelle bereitgestellt werden kann. Der im Wesentlichen im Abschnitt des anzuordnenden respektive aufzunehmenden Blechpaketes entlang der Achse variierende Innendurchmesser und somit der variierende Querschnitt erlaubt eine gewichtsoptimierte Auslegung der Wandstärke des Hohlwellenkörpers respektive der Rotorhohlwelle, so dass im Wesentlichen eine Überdimensionierung von Material in belastungsunkritischen Bereichen nicht mehr vorliegt.
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Der zur Aufnahme des Blechpaketes dienende Abschnitt am Hohlwellenkörper ist beispielsweise zur formschlüssigen und/oder kraftschlüssigen Aufnahme des Blechpaketes ausgelegt. Der konstante Außendurchmesser erstreckt sich vorzugsweise vollständig entlang des gesamten zur Aufnahme des Blechpaketes dienenden Abschnitts. Bevorzugt variiert der Innendurchmesser zumindest innerhalb respektive entlang des im zur Aufnahme des Blechpaketes dienenden Abschnitts.
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Das Blechpaket besteht aus einer Vielzahl von gestanzten Blechen, insbesondere aus Elektroband, welche individuell an den Bedarfsfall angepasst sind. Die Auslegung des Blechpakets ist Stand der Technik.
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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.
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Gemäß einer Ausgestaltung weist die Rotorhohlwelle zwei Lagerbereiche zur Aufnahme jeweils eines Lagers auf, wobei ein Lagerbereich einen Endabschnitt der Rotorhohlwelle bildet und der andere Lagerbereich auf einer Abtriebsseite der Rotorhohlwelle vorgesehen ist. Der eine einen Endabschnitt bildenden Lagerbereich kann offen oder bevorzugt geschlossen ausgeführt sein. Der bzw. die Lagerbereiche sind derart ausgebildet, dass dieser bzw. diese drehbar in entsprechenden Lagern in der elektrischen Komponente aufnehmbar sind.
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Der auf einer Abtriebsseite vorgesehene Lagerbereich der Rotorhohlwelle kann einen Endabschnitt bilden, welcher offen ausgeführt ist, wobei der Endabschnitt insbesondere eine Innenkontur aufweist, welche zur Aufnahme einer Antriebswelle dient. Somit kann der Endabschnitt außen ein Lager im Lagerbereich und innen über eine Innenkontur, vorzugsweise eine Innenverzahnung, eine Antriebswelle aufnehmen.
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Alternativ und bevorzugt kann an dem auf einer Abtriebsseite vorgesehenen Lagerbereich der Rotorhohlwelle ein vom zur Aufnahme eines Blechpaketes dienenden Abschnitt abgewandten Seite zusätzlicher Bereich als Endabschnitt angeordnet sein, welcher eine Innen- und/oder Außenkontur aufweist, welche zur Aufnahme einer Antriebswelle dient. Es kann entweder eine Innenkontur, vorzugsweise eine Innenverzahnung, oder eine Außenkontur, vorzugsweise eine Außenverzahnung, oder eine Kombination aus Innen- und Außenverzahnung im zusätzlichen Bereich vorgehen sein.
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Gemäß einer Ausgestaltung ist der Innendurchmesser bei konstantem Außendurchmesser entlang der Achse innerhalb respektive im zur Aufnahme des Blechpaketes dienenden Abschnitt derart ausgelegt, dass sich in einer Belastungssimulation eine im Wesentlichen gleichmäßige Spannungsverteilung im Abschnitt zur Aufnahme des Blechpaketes einstellt.
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Zur Auslegung bzw. Berechnung von Wellen, die sowohl auf Biegung und auch auf Torsion beansprucht werden, ist die Mises-Vergleichsspannung eine gängige Methode, mit dem ein Versagen des Bauteils ermittelt werden kann, wenn ein Grenzwert überschritten wird. Somit können Belastungsfälle je nach Auslegung und Anwendung der Wellen simuliert werden. Diese Methode sowie entsprechende Software sind der Fachwelt bekannt. Eine „im Wesentlichen“ gleichmäßige Vergleichsspannung bzw. Spannungsverteilung bedeutet, dass Einzelwerte entlang einer untersuchten Länge/Strecke durchaus im Bereich von +/- 10 %, insbesondere von +/- 5 % um einen definierten Wert schwanken können. Der definierte Wert ist somit vorzugsweise entlang der untersuchten Länge/Strecke konstant zu wählen. Insbesondere kann dieser auch von dem zu verwendenden Material wie auch von den mechanischen Eigenschaften des Materials abhängig sein.
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Der Innendurchmesser beginnend im bzw. am Abschnitt zur Aufnahme des Blechpaketes auf der der Abtriebsseite zugewandten Seite ist kleiner als der endend im bzw. am Abschnitt zur Aufnahme des Blechpaketes auf der der Abtriebsseite abgewandten Seite. Vorzugsweise nimmt der Innendurchmesser ausgehend von der der Abtriebsseite zugewandten Seite entlang der Achse verlaufend zur gegenüberliegenden Seite zu, so dass im Umkehrschluss die Wandstärke ausgehend von der der Abtriebsseite zugewandten Seite entlang der Achse verlaufend zur gegenüberliegenden Seite abnimmt und dadurch der Querschnitt und damit auch die Rotorhohlwelle belastungsoptimiert ausgelegt werden kann, insbesondere innerhalb respektive entlang des Abschnitts zur Aufnahme des Blechpaketes.
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Gemäß einer Ausgestaltung ist die Rotorhohlwelle einteilig ausgeführt. Insbesondere mittels Drückwalzen kann die gesamte Rotorhohlwelle aus einem Halbzeug mittels Drückwalzen hergestellt werden.
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Gemäß einem zweiten Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Rotorhohlwelle umfassend einen hohlen Wellenkörper mit einem entlang seiner Achse zumindest abschnittsweise verlaufenden konstanten Außendurchmesser und einen entlang seiner Achse verlaufenden Abschnitt zur Aufnahme eines Blechpaketes, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: - Bereitstellen eines metallischen Halbzeugs; - Formen eines hohlen Wellenkörpers aus dem Halbzeug, derart, dass ein entlang seiner Achse zumindest abschnittsweise verlaufender konstanter Außendurchmesser und ein entlang seiner Achse verlaufender Abschnitt zur Aufnahme eines Blechpaketes erzeugt wird; wobei der hohle Wellenkörper mit einem entlang seiner Achse zumindest abschnittsweise verlaufenden veränderlichen Innendurchmesser erzeugt wird.
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Um Wiederholungen zu vermeiden, wird auf die Ausführungen zu der erfindungsgemäßen Rotorhohlwelle verwiesen.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung wird das Formen mittels Drückwalzen in einem oder mehreren Drückwalzschritten durchgeführt und dadurch die Rotorhohlwelle einteilig ausgeführt. Alternativ wäre auch eine mehrteilige Ausführung denkbar.
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Unter Drückwalzen wird ein Verfahren zur spanlosen Formgebung rotationssymmetrischer Hohlkörper verstanden. Dabei wird ein Halbzeug 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 (End-)Wandstärke 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/Wandstärken eingestellt werden. Das Drückwalzen entspricht dem Stand der Technik.
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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 Rohr, welches quasi aus einem Blechwerkstück zu einem Rohr/Hohlprofil geformt worden ist. Die Dicke des Halbzeugs kann zwischen 2,0 und 25,0 mm betragen. Die Dicke beträgt insbesondere mindestens 3,5 mm, vorzugsweise mindestens 5,0 mm und ist insbesondere auf maximal 22,0 mm, vorzugsweise auf maximal 20,0 mm, bevorzugt auf maximal 15,0 mm begrenzt. Auch ein Schmiedeteil kann als metallischen Halbzeug bereitgestellt werden.
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Gemäß einer Ausgestaltung wird mittels einer Belastungssimulation eine Spannungsverteilung zum Beispiel nach von Mises entlang bzw. im Abschnitt zur Aufnahme des Blechpaketes ermittelt und diese genutzt, um den Innendurchmesser bei konstantem Außendurchmesser entlang der Achse derart zu gestalten, dass sich eine im Wesentlichen gleichmäßige Spannungsverteilung zum Beispiel nach von Mises im bzw. entlang des Abschnitts zur Aufnahme des Blechpaketes ergibt.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert. Im Einzelnen zeigen:
- 1 eine simulierte Belastung bei einer aus dem Stand der Technik bekannten Rotorhohlwelle (oben) sowie eine simulierte Belastung bei einer erfindungs-gemäßen Rotorhohlwelle (unten) und
- 2 einen schematischen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Rotorhohlwelle.
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1 zeigt zwei Belastungssimulationen entlang einer Strecke von ca. 300 mm im Abschnitt der Aufnahme des Blechpaketes eines für einen Elektromotor ausgelegte Rotorhohlwelle, wobei als Ordinate die von Mises-Spannungen aufgeführt sind, hier normiert dargestellt. Die Berechnungen wurden mit dem in Catia V5 integrierten FEM-Tool durchgeführt. Mit diesem Tool kann der dreidimensionale Spannungszustand in einem Bauteil durch Vorgabe von Kräften und/oder Drehmomenten dargestellt werden, die auf ein Bauteil mit durch die Werkstoffauswahl definierten mechanischen Eigenschaften wirken. Durch das Durchführen von verschiedene Konstruktions- und Berechnungsschleifen, in denen die Wandstärke reduziert und mit einer nachfolgenden FEM Betrachtung das Bauteil entsprechend der Erfindung dimensioniert worden ist.
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Gut zu erkennen ist der Verlauf der Mises-Vergleichsspannungen in dem oberen Diagramm, welche von links nach rechts abnimmt. Die Simulation ist bei einer Ausführung vergleichbar der in der
DE 10 2020 215 933 A1 mit konstanter Wandstärke, d.h. neben dem konstanten Außendurchmesser entlang des Abschnitts zur Aufnahme des Blechpaketes ist auch ein konstanter Innendurchmesser entlang der Achse des Hohlwellenkörpers vorgesehen worden. Die linke Seite entspricht der Abtriebsseite und zeigt somit eindeutig die Hauptbelastungsseite. Mit zunehmendem Abstand zur Abtriebsseite zeigt die Simulation auch, dass die Mises-Vergleichsspannung stetig, insbesondere aufgrund des konstanten Querschnitts, abnimmt.
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Durch das Vorsehen einer belastungsoptimierten und gewichtsoptimierten Auslegung einer erfindungsgemäßen Rotorhohlwelle (1), vgl. 2, kann eine im Wesentlichen gleichmäßige Spannungsverteilung im Abschnitt (B) eingestellt werden, siehe unteres Diagramm in 1. Um eine im Wesentlichen gleichmäßige Spannungsverteilung einstellen zu können, ist auf der Abtriebsseite eine höhere Wandstärke als auf der gegenüberliegenden, der Abtriebsseite abgewandten Seite erforderlich. Anhand der Simulation kann somit die Wandstärke insbesondere im zur Aufnahme des nicht dargestellten Blechpaketes dienenden Abschnitt (B) entlang der Achse (A) bedarfsgerecht ausgelegt werden. Somit wird eine Rotorhohlwelle (1) umfassend einen hohlen Wellenkörper (2) mit einem entlang seiner Achse (A) zumindest abschnittsweise verlaufenden konstanten Außendurchmesser (Da) und einen entlang seiner Achse (A) verlaufenden Abschnitt (B) zur Aufnahme eines Blechpaketes bereitgestellt, wobei der hohle Wellenkörper (2) einen entlang seiner Achse (A) zumindest abschnittsweise verlaufenden variierenden Innendurchmesser (Di) aufweist. Vorzugsweise nimmt der Innendurchmesser (Di) von der Abtriebsseite (Ab) zumindest innerhalb des Abschnitts (B) zur gegenüberliegenden Seite insbesondere stetig zu, Di1 < Di2 < Di3. Der innerhalb des Abschnitts (B) verlaufende Innendurchmesser (Di) kann beispielsweise konus- respektive trichterförmig ausgeführt sein. Auch andere Verläufe, um den Innendurchmesser (Di) von der Abtriebsseite (Ab) ausgehend stetig oder sprungartig zu erhöhen, sind denkbar.
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Die Rotorhohlwelle (1) weist zwei Lagerbereiche (3, 4) zur Aufnahme jeweils eines nicht dargestellten Lagers auf, wobei ein Lagerbereich (4) einen Endabschnitt der Rotorhohlwelle (1) bildet und der andere Lagerbereich (3) auf einer Abtriebsseite (Ab) der Rotorhohlwelle (1) vorgesehen ist. Bevorzugt ist an dem auf einer Abtriebsseite (Ab) vorgesehenen Lagerbereich (3) der Rotorhohlwelle (1) ein vom Abschnitt (B) abgewandten Seite zusätzlicher Bereich (5) als Endabschnitt angeordnet, welcher eine nicht dargestellte Innen- und/oder Außenkontur aufweist, welche zur Aufnahme einer nicht dargestellten Antriebswelle dient.
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Nicht dargestellt, können an der Rotorhohlwelle (1) respektive außen am hohlen Wellenkörper (2) Mittel zur form- und/oder kraftschlüssigen Aufnahme/Fixierung eines nicht dargestellten Blechpaketes auf dem hohlen Wellenkörper (2) vorgesehen sein. Bevorzugt können nicht dargestellte Nuten, mindestens eine und bei Bedarf auch mehrere am Umfang des Wellenkörpers (2) verteilte, entlang der Ache (A) zur formschlüssigen Aufnahme eines Blechpakets eingeformt sein. Des Weiteren können auch nicht dargestellte Kühlkanäle innerhalb der Rotorhohlwelle (1) vorgesehen sein.
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Die beschriebenen Merkmale sind alle, soweit technisch möglich, miteinander kombinierbar. Erfindungsgemäße Rotorhohlwellen (1) werden in elektrischen Antrieben, insbesondere in Elektromotoren von straßengebundenen Fahrzeugen eingesetrt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102020215933 A1 [0002, 0025]
