EP4558735A1 - Gewichts- und belastungsoptimierte rotorhohlwelle und verfahren zu seiner herstellung - Google Patents

Gewichts- und belastungsoptimierte rotorhohlwelle und verfahren zu seiner herstellung

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EP4558735A1
EP4558735A1 EP23744721.4A EP23744721A EP4558735A1 EP 4558735 A1 EP4558735 A1 EP 4558735A1 EP 23744721 A EP23744721 A EP 23744721A EP 4558735 A1 EP4558735 A1 EP 4558735A1
Authority
EP
European Patent Office
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hollow
section
axis
rotor shaft
shaft
Prior art date
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Pending
Application number
EP23744721.4A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Thomas Grosserüschkamp
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
ThyssenKrupp Steel Europe AG
Original Assignee
ThyssenKrupp Steel Europe AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by ThyssenKrupp Steel Europe AG filed Critical ThyssenKrupp Steel Europe AG
Publication of EP4558735A1 publication Critical patent/EP4558735A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C3/00—Shafts; Axles; Cranks; Eccentrics
    • F16C3/02—Shafts; Axles
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
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    • F16C2220/40—Shaping by deformation without removing material
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F16C2326/00—Articles relating to transporting
    • F16C2326/01—Parts of vehicles in general
    • F16C2326/06—Drive shafts

Definitions

  • the invention relates to a hollow rotor shaft and a method for producing a rotor shaft.
  • Rotor (hollow) shafts are components in, among other things, electric motors, especially in electric motors for on-road electric or hybrid vehicles, and have the task of supporting a laminated core of the rotor and transmitting torque from the electric motor.
  • the total weight of such a design should be as low as possible in order to increase the range of the electric or hybrid vehicle or to reduce power consumption.
  • the rotor shaft is designed as a hollow body, on the one hand in order to be able to introduce a cooling medium within the hollow shaft, which absorbs the heat via convection and dissipates it accordingly, and on the other hand to save weight and costs.
  • a generic hollow rotor shaft is known from the application DE 10 2020 215 933 Al.
  • a hollow rotor shaft has two bearing points, with the torque being transmitted via an external or internal toothing on the output side of the hollow rotor shaft to a drive shaft unit that is in contact with the hollow rotor shaft via the toothing.
  • This means that the hollow rotor shaft is exposed to significantly greater loads in the area of the output side than on the opposite side.
  • the hollow rotor shaft on the output side has to be sufficiently dimensioned in order not to fail, so that the wall thickness in the other areas is oversized.
  • the hollow rotor shaft is too heavy and is correspondingly more expensive to produce (material costs).
  • the invention is therefore based on the object of specifying a hollow rotor shaft and a method for producing it, which no longer has the aforementioned disadvantages.
  • This task is solved by a hollow rotor shaft with the features of patent claim 1.
  • This task is solved by a method for producing a hollow rotor shaft with the features of patent claim 5.
  • the hollow rotor shaft has two bearing areas for receiving one bearing each, one bearing area forming an end section of the hollow rotor shaft and the other bearing area an output side of the hollow rotor shaft is provided.
  • the storage area forming an end section can be designed to be open or preferably closed.
  • the storage area(s) are designed such that they can be rotatably received in corresponding bearings in the electrical component.
  • a hollow rotor shaft comprising a hollow shaft body with a constant outer diameter running at least in sections along its axis and a section running along its axis for receiving a laminated core, by additionally providing a varying inner diameter running at least in sections along the axis of the shaft body a load-optimized and weight-optimized rotor hollow shaft can be provided.
  • the inner diameter which varies essentially in the section of the laminated core to be arranged or received along the axis, and thus the varying cross section, allows a weight-optimized design of the wall thickness of the hollow shaft body or the hollow rotor shaft, so that essentially there is no longer any over-dimensioning of material in areas that are not critical to the load.
  • the hollow rotor shaft is made in one piece, with the entire hollow rotor shaft being manufactured from a semi-finished product using spinning rollers.
  • the section on the hollow shaft body that serves to receive the laminated core is designed, for example, to receive the laminated core in a positive and/or non-positive manner.
  • the constant outside diameter preferably extends completely along the entire section used to accommodate the laminated core.
  • the inner diameter preferably varies at least within or along the section used to accommodate the laminated core.
  • the sheet metal package consists of a large number of punched sheets, in particular electrical steel, which are individually adapted to the requirements.
  • the design of the laminated core is state of the art.
  • the bearing area of the hollow rotor shaft provided on an output side can form an end section which is designed to be open, the end section in particular having an inner contour which serves to accommodate a drive shaft.
  • the end section can therefore accommodate a bearing in the storage area on the outside and a drive shaft on the inside via an inner contour, preferably an internal toothing.
  • an additional area facing away from the section used to receive a laminated core can be arranged as an end section, which has an inner and / or outer contour, which serves to receive a drive shaft.
  • an inner contour, preferably an internal toothing, or an outer contour, preferably an external toothing, or a combination of internal and external toothing can be used in the additional area.
  • the inner diameter is designed with a constant outer diameter along the axis within or in the section used to accommodate the laminated core in such a way that in a load simulation a substantially uniform stress distribution is established in the section for receiving the laminated core.
  • the Mises equivalent stress is a common method with which failure of the component can be determined if a limit value is exceeded.
  • This method and the corresponding software are known to experts.
  • An “essentially” uniform comparison stress or stress distribution means that individual values along an examined length/distance can fluctuate around a defined value in the range of +/- 10%, in particular +/- 5%.
  • the defined value should therefore preferably be chosen to be constant along the length/distance examined. In particular, this can also depend on the material to be used as well as on the mechanical properties of the material.
  • the inner diameter starting in or at the section for receiving the laminated core on the side facing the output side is smaller than that ending in or at the section for receiving the laminated core on the side facing away from the output side.
  • the invention relates to a method for producing a hollow rotor shaft, comprising a hollow shaft body with a constant outer diameter extending at least in sections along its axis and a section extending along its axis for receiving a laminated core, the method comprising the following steps:
  • the forming is carried out by means of flow-forming in one or more flow-forming steps and the rotor hollow shaft is thereby made in one piece.
  • Flow forming is a process for the non-cutting shaping of rotationally symmetrical hollow bodies.
  • a semi-finished product is clamped and/or fixed on a spinning chuck and set in rotation.
  • At least one pressure disk/roller or another correspondingly suitable means is moved against the rotating semi-finished product, so that forming takes place partially through compressive stresses that are introduced into the material of the semi-finished product by the radially guided pressure rollers.
  • the material flows and takes on the contour of the internal spinning chuck in an axial processing step from one end of the semi-finished product to the other. If the spinning chuck is circular, the spin-rolled shaft body has a circular cylindrical internal geometry.
  • Hot or cold-rolled sheet metal workpieces preferably made of an iron-based material, preferably made of a steel material, prefabricated in the form of a blank or as a tube, which has been formed from a sheet metal workpiece into a tube/hollow profile, serve in particular as metallic semi-finished products.
  • the thickness of the semi-finished product can be between 2.0 and 25.0 mm.
  • the thickness is in particular at least 3.5 mm, preferably at least 5.0 mm and is in particular limited to a maximum of 22.0 mm, preferably a maximum of 20.0 mm, preferably a maximum of 15.0 mm.
  • a forged part can also be provided as a metal semi-finished product.
  • a stress distribution for example according to von Mises, is determined by means of a load simulation along or in the section for receiving the laminated core and this is used to design the inside diameter with a constant outside diameter along the axis in such a way that a substantially uniform stress distribution, for example according to von Mises in or along the section for receiving the laminated core.
  • FIG. 1 shows a simulated load on a hollow rotor shaft known from the prior art (top) and a simulated load on a hollow rotor shaft according to the invention (bottom) and
  • FIG. 2 shows a schematic longitudinal section through a hollow rotor shaft according to the invention.
  • Figure 1 shows two load simulations along a distance of approx. 300 mm in the section where the laminated core of a hollow rotor shaft designed for an electric motor is located, with von Mises voltages listed as ordinates, shown here in a standardized form.
  • the calculations were carried out using the FEM tool integrated in Catia V5. With this tool, the three-dimensional stress state in a component can be represented by specifying forces and/or torques that act on a component with mechanical properties defined by the material selection.
  • the simulation is comparable to that in DE 10 2020 215 933 Al with constant wall thickness, i.e. in addition to the constant outside diameter along the section for receiving the laminated core, a constant inside diameter has also been provided along the axis of the hollow shaft body.
  • the left side corresponds to the output side and therefore clearly shows the main load side.
  • the simulation also shows that the Mises equivalent stress decreases steadily, particularly due to the constant cross-section.
  • a substantially uniform stress distribution can be set in section (B), see bottom diagram in FIG , a higher wall thickness is required on the output side than on the opposite side facing away from the output side. Based on the simulation, the wall thickness can be designed as required, particularly in the section (B) used to accommodate the laminated core (not shown) along the axis (A).
  • a hollow rotor shaft (1) comprising a hollow shaft body (2) with a constant outer diameter (D a ) running at least in sections along its axis (A) and a section (B) running along its axis (A) for receiving a laminated core, wherein the hollow shaft body (2) has a varying inner diameter (D,) which extends at least in sections along its axis (A).
  • the inner diameter (D,) increases steadily from the output side (Ab), at least within the section (B), to the opposite side, Du ⁇ D i2 ⁇ D i3 .
  • the inner diameter (Di) running within the section (B) can, for example, be designed in a cone or funnel shape. Also other ver- Runs to increase the inner diameter (D,) from the output side (Ab) continuously or suddenly are conceivable.
  • the hollow rotor shaft (1) has two bearing areas (3, 4) for receiving a bearing (not shown), one bearing area (4) forming an end section of the hollow rotor shaft (1) and the other bearing area (3) on an output side (Ab).
  • Rotor hollow shaft (1) is provided.
  • an additional area (5) facing away from the section (B) is arranged as an end section, which has an inner and / or outer contour, not shown, which is used to hold a drive shaft, not shown.
  • means can be provided on the hollow rotor shaft (1) or on the outside of the hollow shaft body (2) for positively and/or non-positively receiving/fixing a laminated core (not shown) on the hollow shaft body (2).
  • a laminated core (not shown) on the hollow shaft body (2).
  • grooves (not shown), at least one and, if necessary, several distributed on the circumference of the shaft body (2), can be formed along the axis (A) for the positive reception of a laminated core.
  • cooling channels can also be provided within the hollow rotor shaft (1).
  • Hollow rotor shafts (1) according to the invention are used in electric drives, in particular in electric motors of road vehicles.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Ocean & Marine Engineering (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
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Abstract

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

Description

Gewichts- und belastungsoptimierte Rotorhohlwelle und Verfahren zu seiner Herstellung
Die Erfindung betrifft eine Rotorhohlwelle sowie ein Verfahren zur Herstellung einer Rotorwelle.
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 Al bekannt.
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 AntriebswelleAeinheit 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).
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.
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 5.
Die Rotorhohlwelle weist 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.
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. Die Rotorhohlwelle ist einteilig ausgeführt, wobei mittels Drückwalzen die gesamte Rotorhohlwelle aus einem Halbzeug mittels Drückwalzen hergestellt wird.
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.
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.
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. 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.
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.
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.
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.
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.
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.
Erfindungsgemäß wird das Formen mittels Drückwalzen in einem oder mehreren Drückwalzschritten durchgeführt und dadurch die Rotorhohlwelle einteilig ausgeführt.
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.
Um Wiederholungen zu vermeiden, wird auf die Ausführungen zu der erfindungsgemäßen Rotorhohlwelle verwiesen.
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 guasi 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.
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.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert. Im Einzelnen zeigen:
Fig. 1 eine simulierte Belastung bei einer aus dem Stand der Technik bekannten Rotorhohlwelle (oben) sowie eine simulierte Belastung bei einer erfin- dungs-gemäßen Rotorhohlwelle (unten) und
Fig. 2 einen schematischen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Rotorhohlwelle. Figur 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 Konstruk- tions- und Berechnungsschleifen, in denen die Wandstärke reduziert und mit einer nachfolgenden FEM-Betrachtung das Bauteil entsprechend der Erfindung dimensioniert worden ist.
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 Al 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.
Durch das Vorsehen einer belastungsoptimierten und gewichtsoptimierten Auslegung einer erfindungsgemäßen Rotorhohlwelle (1), vgl. Figur 2, kann eine im Wesentlichen gleichmäßige Spannungsverteilung im Abschnitt (B) eingestellt werden, siehe unteres Diagramm in Figur 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 (D,) aufweist. Vorzugsweise nimmt der Innendurchmesser (D,) von der Abtriebsseite (Ab) zumindest innerhalb des Abschnitts (B) zur gegenüberliegenden Seite insbesondere stetig zu, Du < Di2 < Di3. Der innerhalb des Abschnitts (B) verlaufende Innendurchmesser (Di) kann beispielsweise konus- respektive trichterförmig ausgeführt sein. Auch andere Ver- läufe, um den Innendurchmesser (D,) von der Abtriebsseite (Ab) ausgehend stetig oder sprungartig zu erhöhen, sind denkbar.
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.
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.
Die beschriebenen Merkmale sind alle, soweit technisch möglich, miteinander kombinierbar. Erfindungsgemäße Rotorhohlwellen (1) werden in elektrischen Antrieben, insbesondere in Elektromotoren von straßengebundenen Fahrzeugen eingesetzt.

Claims

Patentansprüche
1. 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, wobei der hohle Wellenkörper (2) einen entlang seiner Achse (A) zumindest abschnittsweise verlaufenden variierenden Innendurchmesser (Di) aufweist, wobei die Rotorhohlwelle (1) zwei Lagerbereiche (3, 4) zur Aufnahme jeweils eines Lagers aufweist, wobei ein Lagerbereich (4) einen Endabschnitt der Rotorhohlwelle (1) bildet und der andere Lagerbereich (3) auf einer Abtriebsseite (Ab) der Rotorhohlwelle (1) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotorhohlwelle (1) einteilig mittels Drückwalzen ausgeführt ist.
2. Rotorhohlwelle nach Anspruch 1, wobei der auf einer Abtriebsseite (Ab) vorgesehene Lagerbereich (3) der Rotorhohlwelle (1) einen Endabschnitt bildet, wobei der Endabschnitt insbesondere eine Innenkontur aufweist, welche zur Aufnahme einer Antriebswelle dient.
3. Rotorhohlwelle nach Anspruch 1, wobei an dem auf einer Abtriebsseite (Ab) vorgesehenen Lagerbereich (3) der Rotorhohlwelle (1) ein vom Abschnitt (B) abgewandten Seite zusätzlicher Bereich (5) als Endabschnitt angeordnet ist, welcher eine Innen- und/oder Außenkontur aufweist, welche zur Aufnahme einer Antriebswelle dient.
4. Rotorhohlwelle nach einem der vorgenannten Ansprüche, wobei der Innendurchmesser (Di) bei konstantem Außendurchmesser (Da) entlang der Achse (A) im Abschnitt (B) derart ausgelegt ist, dass sich in einer Belastungssimulation eine im Wesentlichen gleichmäßige Spannungsverteilung im Abschnitt (B) einstellt.
5. Verfahren zur Herstellung einer 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, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst:
Bereitstellen eines metallischen Halbzeugs; - Formen eines hohlen Wellenkörpers (2) aus dem Halbzeug, derart, dass ein entlang seiner Achse (A) zumindest abschnittsweise verlaufender konstanter Außendurchmesser (Da) und ein entlang seiner Achse (A) verlaufender Abschnitt (B) zur Aufnahme eines Blechpaketes erzeugt wird, wobei der hohle Wellenkörper (2) mit einem entlang seiner Achse (A) zumindest abschnittsweise verlaufenden veränderlichen Innendurchmesser (D,) erzeugt wird; dadurch gekennzeichnet, dass das Formen mittels Drückwalzen in einem oder mehreren Drückwalzschritten durchgeführt und dadurch die Rotorhohlwelle (1) einteilig ausgeführt wird. Verfahren nach Anspruch 5, wobei als metallisches Halbzeug eine Ronde bereitgestellt wird. Verfahren nach Anspruch 5, wobei als metallisches Halbzeug ein Schmiedeteil bereitgestellt wird. Verfahren nach Anspruch 5, wobei als metallisches Halbzeug ein Rohr bereitgestellt wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 8, wobei mittels einer Belastungssimulation eine Spannungsverteilung im Abschnitt (B) ermittelt wird und diese genutzt wird, um den Innendurchmesser (D,) bei konstantem Außendurchmesser (Da) entlang der Achse (A) derart zu gestalten, dass die sich eine im Wesentlichen gleichmäßige Spannungsverteilung im Abschnitt (B) ergibt.
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