Die Erfindung betrifft eine Hohlwelle für einen Rotor einer Maschine eines Kraftfahrzeugs gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren.

An Rotorwellen für beispielsweise Traktions-Elektromaschinen mit großer Leistung besteht unter anderem die Anforderung, große Drehmomente vom Rotorblechpaketen durchzuleiten. Um ebenfalls einen möglichst großen Wärmeübergang zwischen den beiden Fügepartnern zu gewährleisten, ist der Einsatz einer Presspassung beziehungsweise das bekannte Aufschrumpfen des Rotorblechpaketes zielführend. Beim Einsatz einer Hohlwelle ist der begrenzende Parameter für die Auslegung der Überdeckung die Steifigkeit der inneren Rotorwelle. Deren Wanddicke kann aus Gründen wie Bauraum, Kosten, Gewicht nicht beliebig groß gewählt werden. Bei den immer weiter steigenden Drehzahlen moderner Elektromaschinen kann ein Schaden eintreten, in dem sich durch die großen Fliehkräfte die Blechpakete mit den innenliegenden Permanentmagneten stärker ausweiten als die Rotorwelle. Dieser Effekt tritt insbesondere bei segmentierten Rotorblechpaketen für Permanentmagneten-Maschinen auf. Insbesondere kann es bei großen Drehzahlen zum Verdrehen der mittleren Blechsegmente kommen, da dort die Rotorwelle die größte radiale sogenannte Einbauchung aufweist.

Aus einem Rohr umgeformte hohle Rotorwellen sind Stand der Technik und werden in Serie eingesetzt, wobei hierfür verschiedene Bauteilhersteller und Firmen existieren. Als Umformtechnologie kommt beispielsweise dort das Radialschmieden oder das Rundkneten zum Einsatz. Um den Festsitz der Rotorbleche zu gewährleisten und die Problemstellung zu umgehen, werden teilweise Verzahnungen oder das Nut-Feder- Prinzip eingesetzt. Die Hohlkammer dieser einteiligen Wellen ist zumeist zylindrisch ausgeführt und führt in Absätzen zu den Lager- bzw. Abtriebszapfen mit Verzahnung. Dabei entsteht der Nachteil, dass ein Vorspannungsverlust der Welle zur Mitte hin steigt und die sogenannte Einbauchung als Folge entsteht. Dieses Problem tritt ebenfalls bei mehrteiligen Wellen auf.

So zeigt die DE 10 2017 006 807 A1 eine Antriebseinrichtung für ein Kraftfahrzeug, mit wenigstens einer elektrischen Maschine, welche einen Rotor mit einer als Hohlwelle ausgebildeten Rotorwelle aufweist, die von einem Fluid zum Kühlen und/oder Schmieren der elektrischen Maschen durchströmbar ist, und somit eine mögliche Vorrichtung für eine Kühlung in einer Hohlwelle zeigt.

Die DE 102017 102 151 A1 sieht hierzu bereits Rippen/Stege in der Hohlwelle zur Führung der Kühlflüssigkeit vor.

Weiterhin zeigt die DE 102018 009 832 A1 auch bereits die konische Form mit Verstärkung in der Mitte der Hohlwelle, die an dieser Stelle durch zwei Halbwellen und Schweißreiben einfach hergestellt werden kann.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Hohlwelle der eingangs genannten Art derart weiterzuentwickeln, dass eine Ausweitung der Hohlwelle durch Fliehkräfte verhindert werden kann

Diese Aufgabe wird durch eine Hohlwelle, sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.

Die erfindungsgemäße Hohlwelle für einen Rotor einer Maschine eines Kraftfahrzeugs, mit einer eine Hohlkammer umfassenden Grundform ist dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlwelle mittels eines inkrementellen Radialumformverfahrens hergestellt ist und die Grundform eine zur Mitte einer Längsrichtung der Hohlkammer hin zunehmende Wanddicke umfasst, so dass ein Doppelkonus der Hohlkammer ausgebildet ist oder die Grundform in der Mitte der Längsrichtung der Hohlkammer ein umlaufender Mittelsteg aufweist.

Insbesondere kann bei hohen Drehzahlen moderner Elektromaschinen der Schaden vermieden werden, bei welchem beispielsweise die großen Fliehkräfte die Blechpakete mit den innenliegenden Permanentmagneten ausweiten. Weiterhin steigert die erfindungsgemäße Ausführung der hohlen Rotorwelle und die dazugehörige Herstelltechnologie deren radiale Steifigkeit durch eine gezielte, funktionsoptimale Grundformgebungstechnologie, so dass höhere Flächenpressungen möglich sind.

Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform sieht vor, dass die Hohlwelle wenigstens eine von einem Kühlfluid zum Kühlen des Rotors durchströmbare und radial zur Drehachse der Hohlwelle ausgerichtete Durchströmungsöffnung umfasst. Eine gewünschte Kühlung, mittels des dadurch in die Hohlwelle einführbaren und durch diese durchströmenden Kühlfluids, wird ermöglicht, wodurch die Betriebstemperatur regulierbar ist und eine Umverformung der Hohlwelle aufgrund hoher Temperaturen vermieden werden kann.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Hohlwelle eine als durchgehende Rippenstruktur ausgebildete Innenstruktur der Hohlkammer umfasst und die Rippen der Innenstruktur als Führungen des Kühlfluids ausgebildet sind. Abhängig von einer gewünschten Kühlung können daraufhin die Rippen auch eine Führung des Kühlfluids ermöglichen, wobei die Rippen dafür variierbar ausgebildet werden können.

Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die Innenstruktur der Hohlwelle mit durchgehenden Rippen ausgebildet ist, welche kürzer als die Gesamtlänge der Innenstruktur ausgebildet sind, wodurch zwischen den Rippenenden und wenigstens einer Verengung eines äußeren Lagerbereichs der Hohlwelle wenigstens ein Austauschbereich entsteht und dieser wenigstens eine Durchströmungsöffnung umfasst. Hierbei kann insbesondere die Durchströmungsöffnung für das Kühlfluid auch durch andere Kanäle erreicht werden.

Als besonders vorteilhaft hat sich gezeigt, dass eine Erhebung der Innenstruktur und/oder des Mittelstegs über einen Innenradius der Hohlwelle in etwa einer Wandstärke der Hohlwelle entspricht. Damit ist gemeint, dass die Wandstärke beziehungsweise die Wanddicke der Hohlwelle an sich in etwa der Erhebung und somit der Materialdicke der Innenstruktur und/oder des Mittelstegs entspricht.

Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Herstellen einer Hohlwelle für einen Rotor einer Maschine eines Kraftfahrzeugs, wird die Hohlwelle mit einer eine Hohlkammer umfassenden Grundform bereitgestellt, welches dadurch gekennzeichnet ist, dass die Hohlwelle mittels eines inkrementellen Radialumformverfahrens hergestellt wird, so dass die Grundform eine zur Mitte einer Längsrichtung der Hohlkammer hin zunehmende Wanddicke umfasst wobei ein Doppelkonus der Hohlkammer ausgebildet ist oder die Grundform in der Mitte der Längsrichtung der Hohlkammer ein umlaufender Mittelsteg aufweist..

Eine vorteilhafte Ausführungsform sieht vor, dass bei dem Verfahren die Hohlkammer durch Radialschmieden hergestellt wird. Hierbei ist es möglich die Hohlwelle mittels eines präzisen Verfahrens zur spanlosen Umformung anzuwenden, wodurch insbesondere eine minimale Bearbeitung notwendig ist.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Rippenstruktur der Innenstruktur mittels den bei dem inkrementellen Radialumformverfahren angewendeten Rundknetdornen mit einer entsprechenden Gravur hergestellt wird. Dies vereinfacht insbesondere die Herstellung der Hohlwelle und reduziert die notwendigen Arbeitsschritte für die Produktion.

Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die durchgehende Rippenstruktur der Innenstruktur mittels des Herstellens einer als Außenverzahnung ausgebildete Außenstruktur der Hohlkammer hergestellt wird. Hierbei werden ebenfalls die Herstellung der Hohlwelle vereinfacht und die notwendigen Arbeitsschritte der Produktion reduziert.

Es ist möglich das inkrementelle Radialumformverfahren durch beispielweise Radialschmieden, Rundkneten oder Rundschmieden als Warm-, Halbwarm- oder Kaltumformen durchzuführen, wodurch aus einem Rohr oder aus einem rohrförmigen Massivumformteil die Konusform hergestellt und gegebenfalls weitere Umformschritte für die Lager beziehungsweise Abtriebszapfen durchgeführt werden. Ebenfalls kann für Zwischenstufen das Fließpressen zum Einsatz kommen. Mit dem vorzugsweisen Prozessablauf wird zunächst am Ausgangsrohr der Doppelkonus über zwei sich gegenüberstehende Rundknetdornen rundgeknetet. Danach werden die Lagerzapfen mit einer großen Durchmesserreduzierung durch Rundkneten über Rundknetdornen dargestellt.

Vorteilhaft für die Erfindung ist, dass mit der Technologie die radiale Steifigkeit der Hohlwelle zum Steigern der Vorspannung einer Presspassung bzw. Schrumpfverbindung gezielt ausgelegt und angewendet werden kann. Weiterhin kann durch die Doppelkonusform außerdem die Führung des von innen kommenden Kühlfluids in Richtung der beidseitigen Durchströmungsöffnungen unterstützt und eine Stauwirkung erzielt werden, wodurch ein gezieltes Kühlen der Wickelköpfe ermöglicht wird. Durch die zusätzliche innere Rippenstruktur, aus dem Rotorblechpaket über die Rotorwellenwand in Verbindung mit der inneren Medienführung zu den beidseitigen Durchströmungsöffnungen hin, kann eine Gesteigerte Wärmeabfuhr erreicht werden.

Vorteilhafte Ausgestaltungsformen der Hohlwelle sind als vorteilhafte Ausgestaltungsformen des Verfahrens anzusehen. Die Hohlwelle weist hierbei gegenständliche Merkmale die eine Durchführung des Verfahrens oder eine vorteilhafte Ausgestaltung davon ermöglichen.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnungen. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.

Dabei zeigen:

Fig. 1 eine schematische Schnittansicht einer ersten Ausführungsform einer Hohlwelle für einen Rotor einer Maschine eines Kraftfahrzeugs;

Fig. 2 eine schematische Schnittansicht einer weiteren Ausführungsform der Hohlwelle mit einer als durchgehende Rippenstruktur ausgebildete Innenstruktur und der wenigstens einen Durchströmungsöffnung; und

Fig. 3 eine schematische Schnittansicht einer weiteren Ausführungsform der Hohlwelle mit der als durchgehende Rippenstruktur ausgebildeten Innenstruktur und der wenigstens einen Durchströmungsöffnung, wobei wenigstens ein Austauschbereich an einer Verengung eines äußeren Lagerbereichs der Hohlwelle gezeigt wird und die Hohlwelle mit einer Außenstruktur ausgebildet ist; und

Fig. 4 eine schematische Schnittansicht einer weiteren Ausführungsform der Hohlwelle mit einem umlaufenden Mittelsteg in der Mitte der Längsrichtung der Hohlkammer und einer Vielzahl an durchgehenden Rippenstrukturen als lnnenstruktur;und

Fig. 5 eine schematische Schnittansicht einer weiteren Ausführungsform der Hohlwelle mit einem umlaufenden Mittelsteg in der Mitte der Längsrichtung der Hohlkammer und vier durchgehenden Rippenstrukturen als Innenstruktur.

In den Figuren sind gleiche und funktionsgleiche Elemente mit dem gleichen Bezugszeichen versehen.

Fig.1 zeigt eine Schnittansicht einer ersten Ausführungsform einer Hohlwelle 10 für einen Rotor 12 einer Maschine eines Kraftfahrzeugs, welche mit einer eine Hohlkammer 16 umfassenden Grundform 14 ausgebildet ist. Die Grundform 14 umfasst eine zur Mitte einer Längsrichtung L der Hohlkammer 16 zunehmende Wanddicke, sodass ein Doppelkonus der Hohlkammer 16 ausgebildet ist. Weiterhin umfasst die Hohlwelle 10 wenigstens eine von einem Kühlfluid zum Kühlen des Rotors 12 durchströmbare und radial zur Drehachse der Hohlwelle 10 ausgerichtete Durchströmungsöffnung 20.

Eine Anordnung der Durchströmungsöffnung 20 in den Endbereichen der Hohlwelle 10 hat auch den Vorteil, dass das durchströmende Kühlfluid nicht nur den Rotor 12 kühlen kann, sondern als Sprühkühlung auch die Wickelköpfe eines zum Rotor 12 entsprechend angeordneten Stators genutzt werden kann und damit die Kühlung noch weiter verbessert werden. Solche Durchströmungsöffnung 20 lassen sich einfach in einem weiteren Herstellungsschritt zum Beispiel durch Bohren herstellen und genau positionieren und radial ausrichten.

Fig. 2 zeigt eine Schnittansicht einer weitere Ausführungsform der Hohlwelle 10 mit einer als durchgehende Rippenstruktur ausgebildete Innenstruktur 18 und der wenigstens einen Durchströmungsöffnung 20. Insbesondere sind Rippen der Innenstruktur 18 als Führungen eines Kühlfluids ausgebildet. Hierbei reichen die Rippen der Innenstruktur 18 bis an die Enden der Hohlwelle 10, insbesondere bis wenigstens an eine Verengung eines äußeren Lagerbereichs 24 der Hohlwelle 10, heran und sind im Überdeckungsbereich der Durchströmungsöffnung 20 angeordnet, so dass die Zwischenräume der Rippen als Kanäle zur Führungen eines Kühlfluids dienen. Hierzu ist nur vorteilhaft insbesondere in jedem Zwischenraum der Rippen eine Durchströmungsöffnung 20 angeordnet und dies an beiden axialen Enden der Hohlkammer 16 beziehungsweise der Hohlwelle 10.

So kann ein Kühlfluid in den Kanälen zwischen den Rippen nach außen an die Enden der Hohlwelle geleitet werden und aus der jeweiligen Durchströmungsöffnung 20 jeden Kanals zur Kühlung des Rotors radial nach außen abfließen.

In Fig. 3 ist eine Schnittansicht einer weiteren Ausführungsform der Hohlwelle 10 mit der als durchgehende Rippenstruktur ausgebildeten Innenstruktur 18 und der wenigstens einen Durchströmungsöffnung 20 dargestellt. Die Innenstruktur 18 der Hohlwelle 10 ist mit den durchgehenden Rippen so ausgebildet, dass die Rippen kürzer als die Gesamtlänge der Innenstruktur 18 ausgebildet sind, wodurch zwischen den Rippenenden und wenigstens einer Verengung eines äußeren Lagerbereichs 24 der Hohlwelle 10 wenigstens ein Austauschbereich 22 entsteht und dieser die wenigstens eine Durchströmungsöffnung 20 umfasst. Hierbei dient der Austauschbereich 22 auch zum Verbinden der Kanäle, die sich in den Zwischenräumen der Rippen der Innenstruktur 18 bilden, so dass sich hier das Kühlfluid sammeln kann. Entsprechend muss hier auch nicht in jedem Zwischenraum der Rippen eine Durchströmungsöffnung 20 angeordnet sein, sondern diese können vorteilhaft gleichverteilt über den Umfang der Hohlwelle im Austauschbereich 22 angeordnet sein um ein Durchfließen des Kühlfluids durch die Durchströmungsöffnung 20 zu ermöglichen. Weiterhin umfasst die Hohlwelle 10 beispielsweise eine als Außenverzahnung ausgebildete Außenstruktur 26, welche über die gesamte Länge der Hohlwelle 10 ausgebildet ist.

Fig. 4 zeigt eine schematische Schnittansicht einer weiteren Ausführungsform der Hohlwelle 10 mit einem umlaufenden Mittelsteg 28 in der Mitte der Längsrichtung der Hohlkammer 16 und einer Vielzahl an durchgehenden Rippenstrukturen als Innenstruktur 18. Hierbei reichen die Rippen der Innenstruktur 18 bis an die Enden der HohlwellelO, insbesondere bis wenigstens an eine Verengung eines äußeren Lagerbereichs 24 der Hohlwelle 10, heran und sind im Überdeckungsbereich der Durchströmungsöffnung 20 angeordnet, so dass die Zwischenräume der Rippen als Kanäle zur Führungen eines Kühlfluids dienen. Hierzu ist nur vorteilhaft insbesondere in jedem Zwischenraum der Rippen eine Durchströmungsöffnung 20 angeordnet und dies an beiden axialen Enden der Hohlkammer 16 beziehungsweise der Hohlwelle 10. Der Mittelsteg 28 trennt dabei die Kanäle zu jedem Ende der Hohlkammer 16 mittig gegeneinander ab, so dass jeder Kanal im Zwischenraum der Rippen der Innenstruktur 18 nur ein offenes Ende zum Ende der Hohlkammer 16 hin aufweist und in der Mitte durch den Mittelsteg 28 begrenzt ist. Vorteilhaft weist der Mittelsteg 28 und/oder die Innenstruktur 18 eine Erhebung über einen Innenradius der Hohlwelle 10 auf, der im Wesentlichen der Wandstärke beziehungsweise der Materialdicke der Hohlwelle 10 an sich entspricht. Solche Strukturen lassen sich dadurch besonders gut herstellen und tragen auch zur Stabilisierung der Hohlwelle 10 wesentlich bei ohne überdimensioniert zu sein und unnötige Gewichtsbeiträge darzustellen. Die Flanken beziehungsweise die Seiten des Mittelstegs 28 und der Rippen der Innenstruktur 18 sind hierbei nicht zwingend in radialer Richtung ausgeführt, sondern können vorteilhaft eben auch dazu geneigt ausgeführt sein, so dass eine Querschnittsfläche des Mittelstegs 28 und/oder der Rippen der Innenstruktur 18 im Wesentlichen eine Trapezform aufweisen, die in radialer Richtung nach außen die längere Grundseite aufweist. Auch eine solche Trapezform entspricht hierbei nicht den mathematischen Vorgaben mit klaren Ecken und Kanten, sondern auch die Ecken und Kanten sind abgerundet. Hierbei lassen sich abgerundete Ecken und Kanten wesentlich besser und einfach herstellen und sind auch werkzeugschonender, haben aber auch Vorteile bei der Materialspannung an diesen Stellen und Bereichen. Somit stellen diese Formen nur wesentliche Grundformen dar, die im Rahmen einer optimierten Produktion und Herstellung dann angepasst und mit weichen, runden Übergängen versehen sind. Auch in dieser Ausführungsform umfasst die Hohlwelle 10 beispielsweise eine als Außenverzahnung ausgebildete Außenstruktur 26, welche über die gesamte Länge der Hohlwelle 10 ausgebildet ist.

Die schematische Schnittansicht einer weiteren Ausführungsform in der Fig. 5 der Hohlwelle 10 mit einem umlaufenden Mittelsteg 28 in der Mitte der Längsrichtung der Hohlkammer 16 und vier durchgehenden Rippenstrukturen als Innenstruktur 18 kann als eine Variation zur Ausführungsform der Fig. 4 angesehen werden. Hierbei sind in der Hohlkammer 16 nur vier durchgehenden Rippenstrukturen als Innenstruktur 18 enthalten, die gleichverteilt und somit in einem Wickelabstand von 90° zueinander um den Innenumfang der Hohlwelle 10 angeordnet sind. Somit bilden sich in den vier Zwischenräumen der Rippen der Innenstruktur 18 auch nur vier Kanäle zur Führung des Kühlfluids aus, was dann auch wiederum an jedem axialen Ende der Hohlkammer 16 auch nur vier Durchströmungsöffnung 20, je eine in jedem Zwischentraum, erfordert. Durch die mittige Trennung der Zwischenräume der Rippen anhand des Mittelstegs 28 und damit der Kanäle sind insgesamt somit acht gleiche Kanäle, vier zu jedem axialen Ende der Hohlkammer 16 hin, in der Hohlwelle 10 durch den Mittelsteg 28 und die Innenstruktur 18 der Rippen gebildet. Die vier Kanäle zur Führung des Kühlfluids und die vier Durchströmungsöffnung 20 je axialem Ende der Hohlkammer 16 genügen um eine ausreichende Kühlung des Rotors zu ermöglichen, so dass es mehr Rippen nicht bedarf und die vier Rippen sind einfach, kostengünstig und materialschonend herzustellen. Im Gegensatz zu Ausführungsform der Fig. 4 weist die Ausführungsform der Fig. 5 keine Außenstruktur 26 auf, so dass ein Rotor nicht durch beispielsweise eine Verzahnung mit der Hohlwelle 10 verbunden werden kann, sondern beispielsweise durch eine Presspassung oder andere Befestigungsvorrichtungen oder Verfahren. Ansonsten gelten auch hier die weiteren Ausführungen der Fig. 4.

Alternativ können in nicht dargestellten Varianten der Ausführungsformen der Fig. 4 und Fig. 5 die Rippen kürzer als die Gesamtlänge der Innenstruktur 18 ausgebildet sein, wodurch zwischen den Rippenenden und wenigstens einer Verengung eines äußeren Lagerbereichs 24 der Hohlwelle 10 analog zur Fig. 3 wenigstens ein Austauschbereich 22 entsteht.

Auch kann alternativ das Merkmal einer zunehmende Wanddicke der Grundform 14 zur Mitte einer Längsrichtung L der Hohlkammer 16 hin, sodass ein Doppelkonus der Hohlkammer 16 ausgebildet ist, mit dem Merkmal eines Mittelstegs 28 kombiniert werden. Hierbei würde dann in der Mitte der Hohlkammer 16 auf dem Doppelkonus noch zusätzlich ein Mittelsteg 28 angeordnet sein.

Die Hohlwelle 10 kann mittels eines Verfahrens derart hergestellt werden, dass die Grundform 14 die zur Mitte einer Längsrichtung der Hohlkammer 16 hin zunehmende Wanddicke umfasst, so dass der Doppelkonus der Hohlkammer 16 ausgebildet ist oder die Grundform in der Mitte der Längsrichtung der Hohlkammer ein umlaufender Mittelsteg aufweist. Insbesondere kann die Hohlkammer 16 beispielsweise mittels eines inkrementellen Radialumformverfahrens, beispielsweise durch Radialschmieden, hergestellt werden.

Weiterhin kann die Rippenstruktur der Innenstruktur 18 mittels den bei dem inkrementellen Radialumformverfahren angewendeten Rundknetdornen mit einer entsprechenden Gravur hergestellt werden.

Auch kann die durchgehende Rippenstruktur der Innenstruktur 18 kann mittels des Herstellens einer als Außenverzahnung ausgebildeten Außenstruktur 26 der Hohlkammer 16 hergestellt werden.

Die Erfindung betrifft eine Rotorwelle mit steifigkeitssteigender Grundformgebung. Bezugszeichenliste

10 Hohlwelle

12 Rotor

14 Grundform

16 Hohlkammer

18 Innenstruktur

20 Durchströmungsöffnung

22 Austauschbereich

24 Äußerer Lagerbereich

26 Außenstruktur

28 Mittelsteg L Längsrichtung schematische