Titel Welle für eine elektrische Maschine, insbesondere für einen

Motorgenerator

Die Erfindung betrifft eine Welle für eine elektrische Maschine, insbesondere für einen Motorgenerator, vorzugsweise für einen Hybridantrieb eines Fahrzeugs, wobei die Welle als Stufenwelle mit unterschiedlich großen Außendurchmessern ausgebildet ist.

Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Welle.

Stand der Technik

Wellen der gattungsgemäßen Art werden im Stand der Technik als Drehteile hergestellt, wobei sowohl Vollwellen als auch Hohlwellen als Rohlinge bekannt sind. Solche Rohlinge werden in einem bezüglich ihrer Längserstreckung mittleren Teil auf ein Passmaß zur Aufnahme von Rotorlamellenpaketen und die Enden der Rohlinge auf den notwendigen Passsitz für die Aufnahme von Lagern abgedreht. An den Enden der Rohlinge werden weiter die für eine Wellen-Nabenverbindung notwendigen Geometrien eingefräst. Hierdurch ergibt sich, in Längserstreckung der Welle betrachtet, im mittleren Bereich der Welle eine stärkere Wanddicke als in den Endbereichen, mithin eine Art

Materialhäufung im Bereich der Rotorlamellenpakete. Dies ist in Hinblick auf die hierdurch bewirkte, große rotierende Masse ungünstig, insbesondere in Hinblick auf deren Wuchtung, die relativ kompliziert und aufwendig ist, sowie in Hinblick auf die durch die hohe Masse verstärkte Neigung zu Unwuchten und die erhöhte Lagerbeanspruchung. Auch ist die unnötig hohe Masseträgheit nachteilig. An der spanenden Bearbeitung ist ferner nachteilig, dass eine solche relativ zeitaufwendig ist und dass sich ein hoher Anteil an Spanabfällen ergibt, mithin relativ dickwandige Rohlinge verwendet werden müssen, wobei die Spanabfälle einer erneuten Verwertung gesondert zugeführt werden müssen. Aufgabe der Erfindung ist es, eine Welle der gattungsgemäßen Art bereitzustellen, deren rotierende Masse reduziert ist, damit bei geringerer Masseträgheit und geringerem Gewicht der Welle eine geringere Lagerbelastung mit verminderten Reibungsverlusten und hiermit ein höherer Gesamtwirkungsgrad der elektrischen Maschine bereitgestellt werden kann. Ferner soll der Anteil an Spanabfällen reduziert werden und die Zykluszeit, die für die Herstellung der Welle erforderlich ist, verkürzt werden.

Offenbarung der Erfindung

Hierzu wird eine Welle für eine elektrische Maschine, insbesondere für einen Motorgenerator, vorzugsweise für einen Hybridantrieb eines Fahrzeugs, vorgeschlagen, wobei die Welle als Stufenwelle mit unterschiedlich großen Außendurchmessern ausgebildet ist. Es ist vorgesehen, dass die Welle als in der Wandstärke im Wesentlichen gleich dicke Stufenhohlwelle ausgebildet ist. Die Stufenhohlwelle weist über ihre Axialerstreckung demzufolge überall die zumindest im Wesentlichen gleiche Wandstärke auf, wodurch sich eine Massehäufung insbesondere im Mittelteil der Stufenhohlwelle vermeiden lässt. Eine solche Stufenhohlwelle lässt sich mittels Umformverfahren herstellen, bei denen die Stufen der Stufenhohlwelle nicht auf das erforderliche Maß von einem Rohling abgedreht werden, sondern wobei die Stufenhohlwelle durch das Umformverfahren in die gewünschte Stufenkontur gebracht wird.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Stufenhohlwelle als Hydroformingwelle ausgebildet. Im Hydroforming-Verfahren wird ein Rohling für die Ausbildung der Welle in eine Form eingelegt, die dem Negativ der zu erstellenden Welle entspricht. Die Enden des Rohlings werden dicht verschlossen und der Innenraum des Rohlings wird mit einem Fluid gefüllt, das solange unter hohem Druck in den Hohlraum des Rohlings gepresst wird, bis sich der Rohling unter plastischem Fließen seines Werkstoffes der Negativkontur der Form (des Formwerkzeugs) anpasst. Auf diese Weise wird erreicht, dass sich über die Axialerstreckung der Welle keine wesentliche Änderung der Wandstärke einstellt, lediglich in Übertrittsstellen zwischen einzelnen Stufen der Stufenwelle können sich geringfügige Wandstärkenänderungen, insbesondere nämlich Reduzierungen im Zug- oder minimale Verdickungen im Querschnittsbereich solcher Ebenen ergeben, die nicht im Wesentlichen parallel zur Drehachse der Welle sind. Auf diese Weise ist es beispielsweise möglich, eine ursprünglich vorhandene Wandstärke von 3 mm eines Wellenrohlings auch nach Bearbeitung im Hydroforming-Verfahren beizubehalten. Eine Veränderung des Rohlinggewichts ergibt sich hieraus nicht.

In einer weiteren Ausführungsform ist innerhalb der Stufenhohlwelle eine weitere, mit der Stufenhohlwelle mindestens einen Ringraum ausbildende Innenhohlwelle angeordnet. Die Anordnung erfolgt hierbei bevorzugt so, dass sich eine Innenhohlwellenaußenseite an eine Stufenhohlwelleninnenseite anlegt, wobei in einem Bereich keine solche Anlage erfolgt, sondern der Ringraum ausgebildet wird. Bevorzugt wird der Ringraum, in Axialerstreckung der Welle betrachtet, etwa mittig ausgebildet, also in dem Bereich, in dem die Rotorlamellenpakete der elektrischen Maschine aufgebracht werden. Auf diese Weise lässt sich mittels des Ringraums ein von einem Kühlmittel durchströmbarer Kühlraum ausbilden, wobei das Kühlmittel flüssig oder gasförmig sein kann. Hierdurch lässt sich eine sehr leichte Wärmeabführung der Abwärme der Rotorlamellenpakete über das den Ringraum durchströmende Kühlmittel bewirken, so dass die aus dem Stand der Technik bekannten thermischen Probleme derartiger Maschinen vorteilhaft gelöst werden können.

In einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Innenhohlwelle eine im Wesentlichen gleiche Wandstärke aufweist. Auch die Innenhohlwelle ist demzufolge so ausgebildet, dass sie keine unterschiedlichen oder keine wesentlich unterschiedlichen Wandstärken in ihrem Axialverlauf aufweist.

Bevorzugt kann die Innenhohlwelle auch dieselbe Wandstärke oder annähernd dieselbe Wandstärke wie die Stufenhohlwelle aufweisen.

In einer weiteren, bevorzugten Ausführungsform ist die Innenhohlwelle als Stufenwelle ausgebildet. Eine solche Ausbildung erlaubt die Axialsicherung der Innenhohlwelle in der Stufenhohlwelle durch Ausbildung mindestens einer Ringstufe der Innenhohlwelle außenseitig dergestalt, dass die Ringstufe an einer innenseitigen Ringstufe der Stufenhohlwelle anliegt und so eine axial unverrückbare beziehungsweise durch gängige Füge- und Verbindungstechniken leicht mögliche, drehfeste Verbindung zulässt. Bevorzugt ist auch die Innenhohlwelle als Hydroformingwelle ausgebildet.

Weiter wird ein Verfahren vorgeschlagen zur Herstellung einer Welle für eine elektrische Maschine, insbesondere Welle für einen Motorgenerator, vorzugsweise für einen Hybridantrieb eines Fahrzeugs, wobei die Welle als Stufenwelle mit unterschiedlich großen Außendurchmessern ausgebildet wird. Das Verfahren sieht vor, dass die Welle durch ein Umformverfahren als in der Wandstärke im Wesentlichen gleiche Stufenhohlwelle ausgebildet wird. Die Welle wird demzufolge nicht, wie im Stand der Technik üblich, durch Abdrehen aus einem (großen bis übergroßen) Wellenrohling hergestellt, sondern durch ein Umformverfahren. Hierbei bilden sich keine unerwünschten Massehäufungen aus, die zur Unwuchtneigung und zur Ausbildung von nur schwer zu beherrschenden Unwuchten führen können. Gleichzeitig wird durch die gleichbleibende Wandstärke der Stufenhohlwelle ein vordefiniertes Gewicht bereits bei Fertigungsbeginn vorgegeben, das sich nicht mehr wesentlich ändert. Hierdurch lassen sich insbesondere Lager und Lagerungen leicht voraus berechnen und in einer solchen Art und Weise ausbilden, dass, ohne dass die Lager überdimensioniert werden müssten, unerwünschte Lagerbelastungen oder -Überlastungen sicher vermieden werden können.

Eine Verfahrensausbildung sieht vor, dass das Umformverfahren ein Hydroforming-Verfahren ist. Hierbei wird in den Hohlwellenrohlingen, der an seinen Enden dicht verschlossen ist, unter hohem Druck ein Fluid eingebracht, nachdem der Rohling in eine der gewünschten Kontur der Stufenhohlwelle entsprechende Negativform eingelegt wurde. Unter entsprechend hoher Druckbeaufschlagung durch das Fluid beginnt das Material des Rohlings zu fließen, bis es sich in die Negativform einschmiegt und hierbei die gewünschte Kontur der Stufenhohlwelle ausbildet. Hierdurch können die Zykluszeiten für die Herstellung der Stufenhohlwelle stark verkürzt werden, da das langwierige Abdrehen größerer Konturen entfällt. Soweit, beispielsweise aus Festigkeitsgründen, erforderlich, kann die so erzeugte Stufenhohlwelle nach dem Umformprozess noch einer abschließenden drehenden Endbearbeitung und gegebenenfalls noch einem Glühverfahren oder einem sonstigen thermischen Verfahren unterzogen werden, um durch die Umformung eventuell entstandene Eigenspannungen zu reduzieren. Insbesondere in den Fällen, in denen Aluminium oder eine Aluminiumlegierung als Werkstoff Verwendung findet, ist ein Rekristallisationsglühen zur Einstellung der vorherigen Werkstoffeigenschaften sinnvoll, sofern ein Kaltumformverfahren genutzt wurde.

In einer weiteren Verfahrensausbildung ist vorgesehen, dass zur Ausbildung der Welle zwei in einem Umformverfahren, insbesondere Hydroforming-Verfahren, ausgebildete Hohlwellen zur Ausbildung eines zumindest bereichsweise zwischen ihnen angeordneten Ringraums ineinander gefügt werden. In die Stufenhohlwelle wird demzufolge eine Innenhohlwelle eingefügt, wobei beide in einem Umformverfahren hergestellt wurden, wie vorstehend beschrieben, um gleiche Wandstärken und gut beherrschbare Masseverteilungen zu erzielen. Die Stufenhohlwellen haben unterschiedliche Geometrien, insbesondere ist die Innenhohlwelle in einem in Axialerstreckung betrachtet mittleren Bereich der Stufenhohlwelle durchgehend ausgebildet, so dass sich zwischen

Stufenhohlwelle und Innenhohlwelle der Ringraum ergibt, der beispielsweise zur Durchströmung einem flüssigen oder gasförmigen Kühlmittel verwendet werden kann, um auf der Stufenhohlwelle aufzubringende Rotorlamellenpakete zu kühlen. Auch die Innenhohlwelle wird hierbei bevorzugt durch eine Innenhochdruckumformung, insbesondere Hydroforming, hergestellt. Sie kann in die Stufenhohlwelle eingeschrumpft werden oder mit der Stufenhohlwelle verschweißt werden. Damit aber im Bereich der Schweißnaht keine unerwünschte Beeinflussung von Festigkeitseigenschaften erfolgt, sollte als Schweißverfahren ein Elektronenstrahl- oder Laserstrahlschweißverfahren gewählt werden, wodurch eine nur kleine Wärmeeinflusszone gewährleistet werden kann.

In einer weiteren Verfahrensausbildung wird der Ringraum mit Zu- und/oder Austrittsöffnungen für ein den Ringraum durchströmendes Kühlmedium versehen. Das Kühlmedium strömt hierbei durch einen Innenraum der Innenhohlwelle in den Ringraum ein und auch wieder ab, wozu der Innenraum der Innenhohlwelle vorzugsweise mit einem Trennelement versehen ist, das das Kühlmittel in die Zutrittsöffnungen hinein und aus den Austrittsöffnungen heraus zwingt, ohne einen strömungstechnischen Kurzschluss zu gestatten. Rotorlamellenpakete zur Ausbildung eines Rotors werden bevorzugt so aufgebracht, dass die Rotorlamellenpakete erwärmt und mittels Schrumpfsitz auf die so hergestellte Stufenhohlwelle aufgebracht werden. Die Lagerbefestigung erfolgt durch Aufschrumpfen oder Aufpressen. Eine Loslagerung auf einer oder beiden Seiten kann, gegebenenfalls nach vorangehender drehender Endbearbeitung, über eine Nut für einen Sicherungsring erfolgen. Auch Formschlusselemente sind, wie aus dem Stand der Technik bekannt, auf die Stufenhohlwelle aufbringbar, insbesondere mittels eines Schweißverfahrens, Lötverfahrens oder Klebeverfahrens.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen

Figur 1 eine Welle einer elektrischen Maschine und

Figur 2 eine solche Welle mit einem inwändigen Ringraum.

Ausführungsform(en) der Erfindung

Figur 1 zeigt eine als Stufenwelle 1 , nämlich als Stufenhohlwelle 2 ausgebildete Welle 3 für eine nicht dargestellte elektrische Maschine, mit einem jeweils endseitigen Lagerbereich 4 und einem Tragbereich 5, wobei im Lagerbereich 4 jeweils die Lagerung der Welle 3 durch entsprechende Lager und im Tragbereich 5 die außenumfangsseitige Anordnung von Rotorlamellenpaketen 6 zur Ausbildung eines Rotors 7 der nicht dargestellten elektrischen Maschine vorgesehen ist. Die Stufenhohlwelle 2 weist, in Axialerstreckung betrachtet, unterschiedliche Außen- und Innendurchmesser auf, wobei der Durchmesser im Tragbereich 5 am größten und im Lagerbereich 4 am kleinsten ist. Die

Wandstärke d ist jedoch über die gesamte Axialerstreckung der Stufenhohlwelle 2 zumindest im Wesentlichen gleichbleibend. Zwischen den einzelnen Durchmessern ergeben sich Stufen 8, die den Übergang von einem Durchmesser auf einen anderen bewirken. Die Ausbildung der gezeigten Stufenhohlwelle 5 geschieht in einem Umformverfahren, insbesondere in einem Hydroforming-Verfahren, dergestalt, dass ein Wellenrohling in eine der gezeigten Wellenkontur entsprechende Negativform eingebracht, endseitig dicht verschlossen und von innen mit einem hohen Fluiddruck solange beaufschlagt wird, bis er die Kontur der Negativform angenommen hat.

Figur 2 zeigt eine Welle 3 für eine nicht dargestellte elektrische Maschine, die als Stufenhohlwelle 2 ausgebildet ist, und in der inwändig eine Innenhohlwelle 9 eingebracht ist. Die Innenhohlwelle 9 ist hierbei auch als Stufenwelle 1 ausgebildet, wobei sie eine umlaufende Ringstufe 10 aufweist, die in eine Stufe 8 der Stufenhohlwelle 2 passgenau gefügt werden kann, so dass sich eine drehfeste Verbindung von Stufenhohlwelle 2 und Innenhohlwelle 9 ergibt. Die Innenhohlwelle 9 weist hierbei einen Innenhohlwellenaußendurchmesser diA auf, der so bemessen ist, dass er einem Stufenhohlwelleninnendurchmesser dsi im Lagerbereich 4 oder in einem der Lagerbereiche 4 entspricht, wobei die Entsprechnung in nur einem der Lagerbereiche 4 dann sinnvoll ist, wenn die gezeigte Ringstufe 10 zur formschlüssigen und drehfesten Verbindung der Innenhohlwelle 9 mit der Stufenhohlwelle 2 vorhanden ist. Die Entsprechung erfolgt selbstverständlich für beide Lagerbereiche 4, wobei aber die Stufenhohlwelleninnendurchmesser dsi und Innenhohlwellenaußendurchmesser di _A in beiden Endbereichen unterschiedlich sein können, abhängig von der Ausbildung der Ringstufe 10. Hierdurch ergibt sich im Tragbereich 5 dadurch, dass im Tragbereich 5 der Innendurchmesser dsT der Stufenhohlwelle 2 deutlich größer ist als der Innenhohlwellenaußendurchmesser di _A , ein im Tragbereich 5 umlaufender Ringraum 11 , in dem die Innenhohlwellenaußenseite 12 nicht an der Stufenhohlwelleninnenseite 13 anliegt. Dieser Ringraum 11 lässt sich hier bevorzugt als Kühlmittelraum 14 für die Durchströmung mit einem nicht dargestellten Kühlmittel (bevorzugt flüssig oder gasförmig) verwenden, wodurch die Kühlung der im Tragbereich 5 außenumfangsseitig auf die Stufenhohlwelle 2 aufgebrachten, in Figur 2 nicht dargestellten Rotorlamellenpakete 6 in sehr vorteilhafter Weise gekühlt werden können. Insbesondere können hierzu Zutrittsund Austrittsöffnungen 15 im Bereich der Innenhohlwelle 9 zum Ringraum 11 zur Durchströmung des Ringraums mit hier nicht dargestelltem Kühlmittel vorhanden sein.