JP6470432B2 - 中空シャフト配置 - Google Patents

Description

本発明は、請求項１の前文に記載の中空シャフト配置、及び、請求項１１に記載の中空シャフト配置を組み立てる方法に関する。

独国特許第１０２００８０４３３６７Ａ１号明細書には、内燃機関及び電動モータを有し、各場合に自動車を駆動するために、自動車用のハイブリッド駆動装置が開示されている。電動モータのロータは、ドライブトレインの中空シャフト上に配置されている。冷却流体を運搬する手段は、ロータ及び中空シャフトを冷却するために、中空シャフトの内部空間を通って前記冷却流体を運搬する。

できる限り最良の方法で冷却流体に熱を伝達するために、冷却フィンが中空シャフトの内部空間内に配置されている。冷却フィンは、かなり複雑な方法で中空シャフトの内壁に一体的に形成されている。さらに、中空シャフトの内径、したがって冷却のために使用可能な領域の直径は非常に小さく、その結果、冷却性能が制限される。

独国特許第１０２００８０４３３６７Ａ１号明細書

したがって、本発明の目的は、特に簡単な構造、非常に良好な冷却挙動及び容易な組立を特徴とする中空シャフト配置を提供することである。

前記目的は、請求項１の前文のような中空シャフト配置に起因して、特徴的な特徴と併せて達成される。本発明の有利な改良点が、従属請求項及び説明の中に明記される。

本発明によれば、特にハイブリッド自動車のドライブトレイン用の中空シャフト配置であって、中空シャフト、特に電動モータのロータシャフトを備え、シャフトを通って流体が冷却の目的で通過できる中空シャフト配置が提供される。中空シャフトから流体に熱エネルギーを伝達するための表面拡大冷却構造、特に冷却フィンが、中空シャフトの内部空間に配置されている。冷却構造は、中空シャフトに連結される。中空シャフト配置は、冷却構造が中空シャフトとは別個に形成される冷却体の一部であることを特徴とする。

したがって、冷却体は、中空シャフトとは別個に製造される。この場合、高い熱伝導率を有するが、強度に関する高い要求には左右されない材料が、冷却体の製造に適している。特に、アルミニウム系合金が有利であることが判明している。比較的長い中空シャフトの内部に複雑な冷却構造を形成することがないので、中空シャフト自体の製造が簡単になる。

冷却体は、有利には、内部空間内に圧入式に保持される。特に、冷却体は、内部空間内で半径方向に締め付けられる。有利には、追加の半径方向の締結は提供されず、したがって、冷却体は半径方向に作用する圧入連結のみによって内部空間内に保持される。この目的のために、特に、応力を受けていない状態で、冷却体が挿入される中空シャフトの内径よりも大きな外径を有する、半径方向に圧縮可能な冷却体が使用される。組立のために、外径が中空シャフトの内径よりも小さくなるように、冷却体は半径方向に圧縮可能であり、すなわち、冷却体の外径が半径方向の機械的負荷によって、及び特にプレストレスを受ける工程中に縮小可能である。次に、冷却体が中空シャフトに挿入され、続いて、半径方向の負荷が除去され、それによって冷却体は再膨張し、特にこの場合には弾性的に跳ね返り、圧入式に中空シャフトの内壁に対して半径方向に支持される。

冷却体の外径は、有利には、中空シャフトを取り付けるための軸受、特に２つ軸受の内径よりも大きい。その結果、大きな冷却体と、冷却体と中空シャフトとの間の大きな接触面により、良好な冷却能力が可能になり、同時に、半径方向に小さい、したがって低コストで軽量の中空シャフトを取り付けるための軸受が使用され、前記軸受は、作動中に比較的低い摩擦損失をさらに特徴とする。

冷却体の外周面は、有利にも、中空シャフトの内周面を補完するように形成されており、特に外周面と内周面とが、それぞれ互いに相当する外径及び内径によって円筒状に形成されている。「互いに相当する外径及び内径」とは、特に、配置の組み立てられた状態における直径を意味する。補完的な構成の結果として、中空シャフトと冷却体との間に大きな接触面が設けられ、これにより良好な熱伝達能力を促進する。さらに、円筒状内面を有する中空シャフトは、容易に製造可能である。

冷却体は有利にも、冷却構造が半径方向内側に突出するスリーブ状本体を含む。スリーブ状本体は、特に、中空シャフトとの当接に役立つ円筒面を提供する。特に、相当する寸法を含み、スリーブ状形態は、半径方向の圧縮性に必要とされる弾性をもたらす。

スリーブ状本体は、有利にも、本体が円周方向に縮小可能な円周方向領域を有する点で、半径方向の圧縮性を得る。前記円周方向領域は、特に軸方向空隙によって形成される。前記円周方向領域は、スリーブ状本体の外周、したがって外径が、塑性変形なしに、縮小可能とすることができる。さらに、前記円周方向領域は、中空シャフト及び冷却体の材料の異なる熱膨張係数にもかかわらず、低温及び高温の両方で、冷却体と中空シャフトとの間に最適な当接が常に存在することを可能にする。前記縮小可能な円周方向領域、特に軸方向空隙は、有利にも、本体の軸方向の全長にわたって延在する。

有利な改良点としては、上記円周方向領域によって互いに分離されるスリーブ状本体の２つの端部は、半径方向内側に突出する拡張折り畳み部を介して互いに連結されている。スリーブ状本体の周囲の比較的小さな縮小の場合であっても、前記拡張折り畳み部は比較的大きな変形を受け、その結果、高いプレストレスが達成され得る。変形可能性のパラメータ、したがってプレストレスの大きさは、拡張折り畳み部を寸法形成することによって設定することができる。

中空シャフトは、有利にも複数の部分からなる形態であり、最終的な組立の前に、冷却体を挿入するための軸方向開口部を有する少なくとも１つの、特にスリーブ状のレセプタクル部分を備え、軸方向開口部を閉鎖するための少なくとも１つの閉鎖部分を備える。レセプタクル部分及び閉鎖部分は、組立中に、例えば締り嵌めによって、互いに固定的に連結される。しかしながら、これに先立ち、冷却体は、開口部を通って中空シャフトの内部空間の中に挿入される。その後、中空シャフトは、閉鎖部分によって閉鎖される。閉鎖部分は、特に、例えば、接合可能なシャフト部分と一体に形成されたフランジとして形成される。

本発明は、さらに、上記に説明されるタイプの中空シャフト配置を組み立てる方法に関し、その方法は以下の方法ステップ、半径方向内側に作用する力の負荷によって冷却体の半径方向寸法を縮小し、特に弾性的に縮小するステップと、それによって半径方向に縮小される冷却体を軸方向開口部を通って内部空間の中に挿入するステップと、半径方向の負荷を除去し、その結果、冷却体が、特に弾性的に半径方向に増大し、中空シャフトへの圧入連結を受けるステップとを含む。設置状態の冷却体は、有利にも、非設置状態の冷却体に比べて少なくとも０．５％縮小した外径を有しており、その結果、大きな温度範囲にわたって中空シャフトと冷却体との間の圧入連結に必要である半径方向プレストレスをもたらす。装置及びさらなる構成可能性に関して、特定された利点を参照されたい。弾性的な形状変化挙動に起因して、特に中空シャフトと冷却体との間の完全な接触、したがって高い熱伝達能力が、異なる作動温度にわたって保証される。

本発明を改良する追加の手段が、以下の図面に基づいて本発明の有利な例示的実施形態の説明と共に、以下により詳細に提示される。

本発明による中空シャフト配置の縦断面図である。 図２は、図１の中空シャフト配置の冷却体を示す正面図である図２ａと、図１の中空シャフト配置の冷却体を示す斜視図である図２ｂと、を含む。 図３は、図１の中空シャフト配置の冷却体の改良点を示す正面図である図３ａと、図１の中空シャフト配置の冷却体の改良点を示す斜視図である図３ｂと、を含む。

図１は、本発明による中空シャフト配置１を示しており、これは、例えば、ハイブリッド車両のドライブトレインに使用され得る。中空シャフト配置１は、中空シャフトの形態のロータシャフト２を備える。ロータシャフト２の外周上には、電動モータのロータが締結されている。ロータの積層パック４を見ることができる。ロータシャフト２の一方の軸方向端部に、前記シャフトは第１のシャフト部分１６を備え、内燃機関が第１のシャフト部分１６に連結可能である。ファンホイール１９が、内燃機関とロータシャフト２との間に配置されており、ファンホイール１９を経て冷却流体が中空シャフトの内部空間３内に運搬される。ロータシャフト２の他方の軸方向端部に、前記シャフトは内側歯部２０を含む第２のシャフト部分１７を備え、駆動軸に連結されたシフトギアボックス（図示せず）が、第２のシャフト部分１７に連結可能である。ロータシャフト２は、２つの転がり軸受１３を介して車体又は車両フレームに取り付けられている。前記転がり軸受１３用の軸受シート１４が、各場合に２つのシャフト部分１６，１７上に設けられている。

ロータシャフト２は、複数の部分からなる形態であり、軸方向の中央領域内に別個のレセプタクル部分５を備える。レセプタクル部分５は、スリーブ状の形状であり、円筒状外面及び円筒状内面１２の両方を有する。前記スリーブ状レセプタクル部分５は、半径方向内側の内部空間３を画定し、内部空間３の中には、図２及び図３に基づいてさらに詳細に提示される冷却体８が配置される。両方の軸方向端部で、スリーブ状レセプタクル部分５は、各場合に、第１の閉鎖部分６又は第２の閉鎖部分７によって閉鎖される開口部１５を備える。第１のシャフト部分１６及び第２のシャフト部分１７が、それぞれ第１の閉鎖部分６及び第２の閉鎖部分７に一体的に接合されている。

したがって、ロータシャフト２は、第１のシャフト部分１６、第１の閉鎖部分６、レセプタクル部分５、第２の閉鎖部分７及び第２のシャフト部分１７から形成されている。２つの閉鎖部分６，７は、それぞれ、例えば締り嵌め又は溶接継ぎ目によって、レセプタクル部分５に固定的に連結されている。組み立てられた状態では、冷却体８の外径Ｄ_８及び円筒状内面１２の内径ｄ_１２は、２つの転がり軸受１３の内径ｄ_１３よりもかなり大きいことを理解することができる。したがって、本発明のロータシャフト２の場合には、小さな転がり軸受を設けることが可能であるが、しかしそれでも比較的大きな直径を有する冷却体８を使用することが可能である。これまで、これらの２つの特性は互いに相容れないものであった。

図２ａ及び図２ｂは、冷却体８を詳細に示す。冷却体８は、多数の冷却フィン９が半径方向内側に突出するスリーブ状本体１８を含む。スリーブ状本体１８の外周面１０は、略円筒状の形態である。スリーブ状本体１８は、軸方向の全長にわたって延在する軸方向空隙１１を有し、それによって、本体１８は原則として半径方向に弾性的に圧縮可能である。半径方向の圧縮により、冷却体８は半径方向にプレストレストを受けることができる。本体１８は、圧縮を生成する負荷が存在しない場合はすぐに、この圧縮状態から自動的に膨張することが可能である。軸方向空隙１１の結果として、円周方向Ｕに見て本体１８の２つの露出した端部２１が形成される。

半径方向の圧縮性は、配置の組立中に利用される。冷却体８は、組み立てられていない状態で、レセプタクル部分５の内面１２の内径ｄ_１２よりも最初は大きい外径Ｄ_８を有する。組立のために、冷却体８は半径方向の負荷によって半径方向に圧縮され、それによってプレストレスを受ける。この場合、冷却体８の外径Ｄ_８は、前記外径が内面１２の内径ｄ_１２よりも小さくなるように弾性的に縮小される。この状態で、冷却体８は、一方の軸方向開口部１５を通って内部空間３の中に挿入される。次いで、半径方向の負荷が除去され、冷却体が弾性的に跳ね返る。この場合、冷却体１８は半径方向に膨張し、その開始状態に戻ろうとする。応力を受けていない状態では、レセプタクル部分５の内径ｄ_１２が冷却体８の外径Ｄ_８よりも小さいので、そのとき冷却体８はレセプタクル部分５の内面１２に対して内側から半径方向に押圧し、それによって、レセプタクル部分５に圧入により締結される。さらなる半径方向の締結は、もはや必要ではない。しかしながら、図１から分かるように、内部空間３内の冷却体８の軸方向の型枠嵌合の位置決めは、２つの閉鎖部分によって実施されることが可能である。

非設置状態の外径Ｄ_８が、内径ｄ_１２によって画定される予想される半径方向設置空間よりも、少なくとも０．５％、特にせいぜい２．５％より大きい冷却体８が特に適している。冷却体の圧縮性が、円周方向の軸方向空隙を増大することによって向上され得るが、これによって冷却体の外面が縮小され、中空シャフトとの接触が少なくなることに起因して、冷却体の熱伝達能力が低下することにつながる。したがって、軸方向空隙、したがって圧縮性を絶対的に必要な程度に限定することが好ましい。

特に適切な材料一対では、レセプタクル部分５が鋼鉄部品であり、冷却体８はアルミニウム部品である。

約８０ｍｍの典型的な外径Ｄ_８の場合、軸方向空隙１１は、０．５ｍｍ〜１０ｍｍの空隙幅Ｂを含み、２０℃の設置状態で有利には約１．２ｍｍの空隙幅Ｂを含む。

本発明による構成では、冷却体８の寸法は、転がり軸受１３の軸受内径ｄ_１３から独立している。したがって、軸受内径ｄ_１３は非常に小さくなるように選択することができ、同時に、冷却体８は、それとは独立して要求される熱伝達能力に従って設計することができる。レセプタクル部分５の内面１２と冷却体８との間の円筒状接触面が大きいので、熱伝達のための大きな接触面が存在し、レセプタクル部分５の円筒状内面１２と冷却体８の円筒状外面１０との間の完全な面接触が、大きな温度範囲にわたる弾性的プレストレスによって保証される。

図３は、図２による冷却体の改良点を示す。軸方向空隙１１によって互いから分離されたスリーブ状本体１８の２つの端部２１が、半径方向内側に突出する拡張折り畳み部２２を介して互いに連結されている。本発明の場合、拡張折り畳み部はＵ字型である。拡張折り畳み部の設計は、スリーブ状本体の弾性パラメータにかなりの影響を及ぼす。拡張折り畳み部の弾性、したがって本体の弾性は、拡張折り畳み部２２の壁厚、寸法及び形状によって設定され得る。

本発明は、その実施形態に関して上述した例示的な実施形態に限定されない。むしろ、根本的に異なる実施形態においても、提示された解決策を利用する多くの変形形態が考えられる。構造的詳細又は空間的配置を含む請求項、説明又は図面から生じるすべての特徴及び／又は利点は、個別的に、及び非常に幅広い様々な組み合わせの両方において、本発明に必須のものであることができる。

１ 中空シャフト配置
２ 中空シャフト／ロータシャフト
３ 内部空間
４ 電動モータのロータの積層パック
５ レセプタクル部分
６ 第１の閉鎖部分
７ 第２の閉鎖部分
８ 冷却体
９ 冷却フィン
１０ 冷却体の円筒状外面
１１ 軸方向空隙
１２ レセプタクル部分の円筒状内面
１３ 転がり軸受
１４ 軸受シート
１５ 中央部分の開口部
１６ 第１のシャフト部分
１７ 第２のシャフト部分
１８ スリーブ状本体
１９ ファンホイール
２０ 内側歯部
２１ スリーブ状本体の端部
２２ 拡張折り畳み部
Ｄ８ 冷却体の外径
ｄ１２ レセプタクル部分の円筒状内面の内径
ｄ１３ 転がり軸受の内径
Ｂ 空隙幅
Ｕ 円周方向

Claims (9)

1. 中空シャフト（２）、特に電動モータのロータシャフトであって、当該シャフトを通って流体が冷却の目的のために通過することができるシャフト、を具備し、
   さらに、前記中空シャフト（２）を取り付けるための少なくとも１つの軸受を具備し、
   前記中空シャフト（２）から前記流体に熱エネルギーを伝達するための表面拡大冷却構造（９）が、前記中空シャフト（２）の内部空間（３）の内部に配置され、
   前記冷却構造（９）が、前記中空シャフト（２）に連結されており、さらに、該中空シャフト（２）とは別個に形成される冷却体（８）の一部であり、
   前記冷却体（８）が、前記冷却構造（９）が径方向内側に突出するスリーブ状本体（１８）を含む、中空シャフト配置（１）であって、
   前記スリーブ状本体（１８）が軸方向空隙（１１）を含み、
   前記冷却体（８）の外径（Ｄ _８ ）が、前記少なくとも１つの軸受（１３）の内径（ｄ _１３ ）よりも大きい、ことを特徴とする、中空シャフト配置（１）。
2. 前記冷却体（８）が、前記内部空間（３）に圧入式に保持され、特に、前記内部空間（３）の内部に径方向に締め付けられる、請求項１に記載の中空シャフト配置（１）。
3. 前記冷却体（８）の外周面（１０）が、前記中空シャフト（２）の内周面（１２）を補完するように形成されている、請求項１又は請求項２に記載の中空シャフト配置（１）。
4. 前記外周面（１０）及び前記内周面（１２）が、それぞれ互いに対応する外径（Ｄ_８）及び内径（ｄ_１２）を用いて、各場合に円筒状に形成されている、請求項３に記載の中空シャフト配置（１）。
5. 前記スリーブ状本体（１８）が、周方向（Ｕ）に縮小可能な周方向領域（１１）を含む、請求項１から請求項４のいずれかに記載の中空シャフト配置（１）。
6. 前記軸方向空隙（１１）によって互いから分離された前記スリーブ状本体（１８）の２つの端部（２１）が、径方向内側に突出する拡張折り畳み部（２２）を介して互いに連結されている、請求項１から請求項５のいずれかに記載の中空シャフト配置（１）。
7. 前記中空シャフト（２）が、
   複数の部分からなる形態であり、
   前記冷却体（８）を収容するための軸方向開口部（１５）を有する少なくとも１つのレセプタクル部分（５）を含み、さらに、
   前記軸方向開口部（１５）を閉鎖するための少なくとも１つの閉鎖部分（６，７）を含む、請求項１から請求項６のいずれかに記載の中空シャフト配置（１）。
8. 請求項１から請求項７のいずれかに記載の中空シャフト配置（１）を組み立てるための方法であって、
   径方向内側に作用する力の負荷によって前記冷却体（８）の径方向寸法を縮小するステップと、
   前記冷却体（８）を、径方向に縮小せしめるように、軸方向開口部（１５）を通って前記内部空間（３）の中に挿入するステップと、
   前記半径方向の力の負荷を除去し、その結果、前記冷却体（８）が、径方向に増大し、前記中空シャフト（２）への圧入連結を受けるステップと、
   を含む方法。
9. 設置状態の前記冷却体（８）が、非設置状態の前記冷却体に比べて少なくとも０.５％縮小されている外径（Ｄ_８）を有する、請求項８に記載の方法。

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