DE102020111679A1 - Shaft, forming tool, manufacturing process and rotor for an electrical machine - Google Patents
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Abstract
Welle (1) mit einer Mittelachse (2) und einem Passungsabschnitt (3) zum Ausbilden einer formschlüssigen Welle-Nabe-Verbindung, wobei der Passungsabschnitt (3) radial hervorstehende Passungsstrukturen (4) und eine an einem axialen Ende (5) des Passungsabschnitts (3) ausgebildete, die Passungsstrukturen (4) zumindest teilweise erfassende Fase (6) aufweist, wobei sich ein Abstand radial innerer Ränder (10, 11) einer jeweiligen Passungsstruktur (4) zum axialen Ende (5) hin verringert.Shaft (1) with a central axis (2) and a fitting section (3) for forming a form-fitting shaft-hub connection, the fitting section (3) radially protruding fitting structures (4) and one at an axial end (5) of the fitting section ( 3) has formed chamfer (6) at least partially engaging the fitting structures (4), a distance between radially inner edges (10, 11) of a respective fitting structure (4) being reduced towards the axial end (5).
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Welle mit einer Mittelachse und einem Passungsabschnitt zum Ausbilden einer formschlüssigen Welle-Nabe-Verbindung, wobei der Passungsabschnitt radial hervorstehende Passungsstrukturen und eine an einem axialen Ende des Passungsabschnitts ausgebildete, die Passungsstrukturen zumindest teilweise erfassende Fase aufweist.The present invention relates to a shaft with a central axis and a fitting section for forming a form-fitting shaft-hub connection, the fitting section having radially protruding fitting structures and a chamfer formed at one axial end of the fitting section and at least partially engaging the fitting structures.
Daneben betrifft die Erfindung ein Umformwerkzeug zum Herstellen einer Welle, ein Verfahren zum Herstellen einer Welle und einen Rotor für eine elektrische Maschine.In addition, the invention relates to a forming tool for producing a shaft, a method for producing a shaft and a rotor for an electrical machine.
Eine solche Welle ist aus dem Artikel von M. Lätzer et al. „Untersuchungen zum Übertragungsverhalten von Rändelpressverbänden aus Stahl-Aluminium“, Forschung im Ingenieurwesen
Nachteilig an einer solchen Welle ist, dass während eines Fügevorgangs in eine Nabe das Nabenmaterial im Wesentlichen in radiale Richtung verdrängt wird. Dadurch treten erhebliche radiale mechanische Spannungen im Nabenmaterial auf. Dies ist insbesondere im Hinblick auf die Verwendung einer Welle als Rotorwelle für eine Antriebsmaschine eines elektrischen Fahrzeugs unerwünscht.A disadvantage of such a shaft is that the hub material is displaced essentially in the radial direction during a joining process in a hub. As a result, considerable radial mechanical stresses occur in the hub material. This is particularly undesirable with regard to the use of a shaft as a rotor shaft for a drive machine of an electric vehicle.
Der Erfindung liegt mithin die Aufgabe zugrunde, eine Möglichkeit zur Reduktion radialer mechanischer Spannungen bei einer selbstschneidenden formschlüssigen Welle-Nabe-Verbindung anzugeben.The invention is therefore based on the object of specifying a possibility for reducing radial mechanical stresses in a self-tapping, form-fitting shaft-hub connection.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Welle der eingangs genannten Art gelöst, bei der sich ein Abstand radial innerer Ränder einer jeweiligen Passungsstruktur zum axialen Ende hin verringert.According to the invention, this object is achieved by a shaft of the type mentioned at the outset, in which a distance between radially inner edges of a respective fitting structure and the axial end is reduced.
Die Erfindung beruht auf der Überlegung, die Passungsstrukturen zum axialen Ende hin schmaler verlaufend auszubilden, damit während eines Fügevorgangs verdrängtes Nabenmaterial in Lücken zwischen den radial inneren Rändern benachbarter Passungsstrukturen gelangen kann. Dieses Nabenmaterial gelangt somit nicht radial nach außen, um dort zur Erzeugung radialer mechanischer Spannungen beizutragen. Dadurch können vorteilhafterweise radiale mechanische Spannungen erheblich reduziert und gleichzeitig Verluste der Drehmomentübertragungsfähigkeit der Welle-Nabe-Verbindung vermieden werden. Daneben wird eine durch die radialen mechanischen Spannungen hervorgerufene radiale Deformation beim rotierenden Betrieb der Welle reduziert.The invention is based on the consideration of designing the fitting structures to run narrower towards the axial end so that hub material displaced during a joining process can get into gaps between the radially inner edges of adjacent fitting structures. This hub material thus does not reach the outside radially in order to contribute to the generation of radial mechanical stresses there. As a result, radial mechanical stresses can advantageously be reduced considerably and, at the same time, losses in the torque transmission capacity of the shaft-hub connection can be avoided. In addition, a radial deformation caused by the radial mechanical stresses is reduced when the shaft is rotating.
Es wird bei der erfindungsgemäßen Welle besonders bevorzugt, wenn die radial inneren Ränder zum axialen Ende hin in einem Punkt zusammenlaufen. Dadurch wird bei axialer Betrachtung eine im Wesentlichen spitze Ausgestaltung der Passungsstruktur realisiert, welche die Materialverdrängung beim Fügevorgang erheblich erleichtert.In the case of the shaft according to the invention, it is particularly preferred if the radially inner edges converge at one point towards the axial end. As a result, when viewed axially, an essentially pointed configuration of the fit structure is realized, which considerably facilitates the displacement of the material during the joining process.
Gemäß einer Weiterbildungsalternative der erfindungsgemäßen Welle kann vorgesehen sein, dass die radial inneren Ränder jeweils gerade unter einem Winkel bezüglich einer zur Mittelachse parallelen Linie zum axialen Ende hin verlaufen. Der Winkel ist bevorzugt kleiner als 90°. Er beträgt besonders bevorzugt zwischen 10° und 60°.According to a further development alternative of the shaft according to the invention, it can be provided that the radially inner edges each run straight at an angle with respect to a line parallel to the central axis towards the axial end. The angle is preferably less than 90 °. It is particularly preferably between 10 ° and 60 °.
Gemäß einer zweiten Weiterbildungsalternative der erfindungsgemäßen Welle ist vorgesehen, dass die radial inneren Ränder jeweils unter Ausbildung eines Bogens zur Seitenlinie hin verlaufen. Bevorzugt ist der Bogen ein Kreisbogen mit einem konstanten Radius. In bevorzugter Ausgestaltung schließt eine vom Anfang bis zum Ende des Bogens verlaufende Sehne des Bogens einen Winkel zwischen 10° und 60° mit einer zur Mittelachse parallelen Linie ein.According to a second alternative development of the shaft according to the invention, it is provided that the radially inner edges each run towards the side line with the formation of an arc. The arc is preferably an arc of a circle with a constant radius. In a preferred embodiment, a chord of the arch running from the beginning to the end of the arch forms an angle between 10 ° and 60 ° with a line parallel to the central axis.
Mit Vorteil kann bei der erfindungsgemäßen Welle vorgesehen sein, dass die Fase näher am axialen Ende beginnt als ein dem axialen Ende nächster Punkt maximalen Abstands der radial inneren Ränder liegt. Mit anderen Worten erstreckt sich der Bereich der radial inneren Ränder, in dem sich ihr Abstand zum axialen Ende hin verringert, weiter in axiale Richtung als die Fase. So wird besonders viel Raum zur Aufnahme des während des Fügevorgangs verdrängten Nabenmaterial bereitgestellt.In the case of the shaft according to the invention, it can advantageously be provided that the bevel begins closer to the axial end than a point closest to the axial end of the maximum distance between the radially inner edges. In other words, the area of the radially inner edges in which their distance from the axial end decreases, extends further in the axial direction than the bevel. This provides a particularly large amount of space to accommodate the hub material displaced during the joining process.
Typischerweise beträgt ein Verhältnis einer axialen Erstreckung des Bereichs der radial inneren Ränder, in dem sich ihr Abstand zum axialen Ende hin verringert, zu einer axialen Erstreckung eines Bereichs, in welchem die Passungsstruktur angefasst ist, zwischen 1,8 und 2,2.Typically, a ratio of an axial extension of the region of the radially inner edges in which their distance decreases towards the axial end to an axial extension of a region in which the fitting structure is gripped is between 1.8 and 2.2.
Eine jeweilige Passungsstruktur der erfindungsgemäßen Welle kann ebene Seitenflächen aufweisen. Bevorzugt schließen diese einen Winkel zwischen 30° und 70° mit einer senkrecht zur Umfangsrichtung stehenden Ebene ein. Alternativ kann eine jeweilige Passungsstruktur gewölbte Seitenflächen, die vorzugsweise eine einen Winkel zwischen 30° und 70° mit einer senkrecht zur Umfangsrichtung stehenden Ebene einschließende Sehne haben, aufweisen.A respective fitting structure of the shaft according to the invention can have flat side surfaces. These preferably include an angle between 30 ° and 70 ° with a plane perpendicular to the circumferential direction. Alternatively, a respective fitting structure can have curved side surfaces, which preferably form an angle between 30 ° and 70 ° with one perpendicular to the circumferential direction chord enclosing the standing plane.
Es ist bei der erfindungsgemäßen Welle ferner möglich, dass ein radial äußerer zum axialen Ende weisender Abschnitt der Passungsstruktur abgeflacht unter einem Fasenwinkel der Fase verläuft.In the case of the shaft according to the invention, it is also possible for a radially outer section of the fit structure pointing towards the axial end to run in a flattened manner at a bevel angle of the bevel.
In bevorzugter Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Welle ist ferner vorgesehen, dass eine jeweilige Passungsstruktur bezüglich einer senkrecht zur Mittelachse stehenden Querschnittsfläche die Form eines Polygons oder eines abgerundeten Polygons aufweist. Das Polygon ist vorzugsweise ein Dreieck oder ein Rechteck ist. Alternativ kann eine jeweilige Passungsstruktur bezüglich einer senkrecht zur Mittelachse stehenden Querschnittsfläche die Form eines Halbkreises oder Halbovals aufweisen.In a preferred embodiment of the shaft according to the invention, it is further provided that a respective fitting structure has the shape of a polygon or a rounded polygon with respect to a cross-sectional area perpendicular to the central axis. The polygon is preferably a triangle or a rectangle. Alternatively, a respective fitting structure can have the shape of a semicircle or semicircle with respect to a cross-sectional area perpendicular to the central axis.
In bevorzugter Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Welle ist daneben vorgesehen, dass der Passungsabschnitt mehrere in Umfangsrichtung verteilte Passungszonen mit Passungsstrukturen aufweist und zwischen zwei benachbarten Passungszonen glatt ist. Bevorzugt sind drei gleichmäßig verteilte Passungszonen vorgesehen.In a preferred embodiment of the shaft according to the invention, it is also provided that the fitting section has a plurality of fitting zones with fitting structures distributed in the circumferential direction and is smooth between two adjacent fitting zones. Preferably, three evenly distributed fitting zones are provided.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird ferner gelöst durch ein Umformwerkzeug zum Herstellen einer Welle, insbesondere einer erfindungsgemäßen Welle, umfassend eine Matrize mit einer Durchgangsöffnung zum Durchführen eines angefasten Wellenkörpers, wobei die Matrize in einem inneren Rand der Durchgangsöffnung Eintiefungen zum Ausbilden von Passungsstrukturen auf dem Wellenkörper aufweist, wobei sich ein Abstand radial innerer Ränder einer jeweiligen Eintiefung zum axial Inneren der Durchgangsöffnung hin verringert.The object on which the invention is based is further achieved by a forming tool for producing a shaft, in particular a shaft according to the invention, comprising a die with a through opening for passing through a chamfered shaft body, the die having recesses in an inner edge of the through opening for forming fitting structures on the Has shaft body, wherein a distance between radially inner edges of a respective recess decreases towards the axially inside of the through opening.
Zweckmäßigerweise sind die Eintiefungen gegengleich zu den Bereichen der Passungsstrukturen ausgebildet, in denen sich der Abstand ihrer radial inneren Ränder verringert.The recesses are expediently designed to be opposite to the areas of the fitting structures in which the distance between their radially inner edges is reduced.
Es kann bei dem erfindungsgemäßen Umformwerkzeug vorgesehen sein, dass die radial inneren Ränder zum axial Inneren der Durchgangsöffnung hin in einem Punkt zusammenlaufen.It can be provided in the forming tool according to the invention that the radially inner edges converge at one point towards the axially interior of the through opening.
Die radial inneren Ränder können jeweils gerade unter einem Winkel bezüglich einer zu einer Zentralachse der Durchgangsöffnung parallelen Linie zum axial Inneren der Durchgangsöffnung hin verlaufen. Der Winkel kann zwischen 10° und 60° betragen. Alternativ können die radial inneren Ränder jeweils unter Ausbildung eines Bogens zum axial Inneren der Durchgangsöffnung hin verlaufen. Eine vom Anfang bis zum Ende des Bogens verlaufende Sehne des Bogens schließt vorzugsweise einen Winkel zwischen 10° und 60° mit einer zu einer Zentralachse der Durchgangsöffnung parallelen Linie ein.The radially inner edges can each run straight at an angle with respect to a line parallel to a central axis of the through opening towards the axially inside of the through opening. The angle can be between 10 ° and 60 °. Alternatively, the radially inner edges can each run towards the axially inside of the through opening, forming an arc. A chord of the arch running from the beginning to the end of the arch preferably encloses an angle between 10 ° and 60 ° with a line parallel to a central axis of the through opening.
Daneben kann bei dem erfindungsgemäßen Umformwerkzeug vorgesehen sein, dass eine jeweilige Eintiefung ebene Seitenflächen, die vorzugsweise einen Winkel zwischen 30° und 70° mit einer senkrecht zur Umfangsrichtung stehenden Ebene einschließen, oder gewölbte Seitenflächen, die vorzugsweise eine einen Winkel zwischen 30° und 70° mit einer senkrecht zur Umfangsrichtung stehenden Ebene einschließende Sehne haben, aufweist.In addition, it can be provided in the forming tool according to the invention that a respective recess flat side surfaces, which preferably enclose an angle between 30 ° and 70 ° with a plane perpendicular to the circumferential direction, or curved side surfaces, which preferably form an angle between 30 ° and 70 ° having an enclosing chord with a plane perpendicular to the circumferential direction.
Eine jeweilige Eintiefung des erfindungsgemäßen Werkzeugs kann bezüglich einer senkrecht zur Zentralachse der Durchgangsöffnung stehenden Querschnittsfläche die Form eines Polygons oder eines abgerundeten Polygons, wobei das Polygon vorzugsweise ein Dreieck oder ein Rechteck ist, oder die Form eines Halbkreises oder Halbovals aufweisen.A respective recess of the tool according to the invention can have the shape of a polygon or a rounded polygon with respect to a cross-sectional area perpendicular to the central axis of the through opening, the polygon preferably being a triangle or a rectangle, or the shape of a semicircle or semi-oval.
Die Matrize kann durch mehrere, vorzugsweise drei, getrennte Matrizenelemente, die an einem Träger des Umformwerkzeugs befestigt sind, ausgebildet sein, wobei jedes Matrizenelement mehrere der Eintiefungen aufweisen und in Umfangsrichtung zu einem oder beiden benachbarten Matrizenelement glatt sein kann.The die can be formed by several, preferably three, separate die elements which are attached to a carrier of the forming tool, each die element having several of the recesses and being smooth in the circumferential direction to one or both adjacent die elements.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird ferner gelöst durch ein Verfahren zum Herstellen einer Welle, umfassend folgende Schritte: Bereitstellen eines Wellenkörpers, Ausbilden eines Passungsabschnitts mit radial hervorstehenden Passungsstrukturen, die zumindest teilweise von einer Fase an einem axialen Ende des Passungsabschnitts erfasst sind, wobei sich ein Abstand radial innerer Ränder einer jeweiligen Passungsstruktur zum axialen Ende hin verringert.The object on which the invention is based is further achieved by a method for producing a shaft, comprising the following steps: providing a shaft body, forming a fitting section with radially protruding fitting structures which are at least partially covered by a chamfer at an axial end of the fitting section, whereby a distance between radially inner edges of a respective fitting structure towards the axial end is reduced.
Vorzugsweise wird zum Ausbilden der Passungsstrukturen ein erfindungsgemäßen Umformwerkzeug verwendet.A forming tool according to the invention is preferably used to form the fitting structures.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann vorgesehen sein, dass ein Wellenkörper mit bestehenden Passungsstrukturen und einer die bestehenden Passungsstrukturen erfassenden bestehenden Fase am axialen Ende bereitgestellt wird.In the method according to the invention it can be provided that a shaft body with existing fitting structures and an existing bevel that encompasses the existing fitting structures is provided at the axial end.
In bevorzugter Weiterbildung ist dabei vorgesehen, dass beim Ausbilden des Passungsabschnitts eine Volumenübereinstimmung zwischen einem Volumen eines Bereich einer jeweiligen bestehenden bestehende Passungsstrukturen, der von der bestehenden Fase erfasst und durch eine zur Mittelachse senkrechte Ebene begrenzt ist, und einem Volumen eines Bereichs einer jeweiligen Passungsstruktur der Welle, in welchem sich der Abstand der radial inneren Ränder zum axialen Ende hin verringert und durch eine zur Mittelachse senkrechte Ebene begrenzt ist, von wenigstens 95 %, bevorzugt wenigstens 99 % erzeugt wird. Dadurch, dass die Volumina ähnlich groß werden, können unerwünschte, beispielsweise einen Grat ausbildende, Deformationen vermieden werden.In a preferred development, it is provided that when the fitting section is formed, a volume match between a volume of a region of a respective existing fitting structure that is captured by the existing bevel and through a plane perpendicular to the central axis is delimited, and a volume of a region of a respective fit structure of the shaft, in which the distance between the radially inner edges decreases towards the axial end and is limited by a plane perpendicular to the central axis, of at least 95%, preferably at least 99% is generated. Because the volumes are of a similar size, undesired deformations, for example deformations that form a burr, can be avoided.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird ferner gelöst durch einen Rotor für eine elektrische Maschine, vorzugsweise eine Antriebsmaschine für ein elektrisches Fahrzeug, umfassend eine erfindungsgemäße Welle oder eine durch das erfindungsgemäße Verfahren erhaltene Welle und einen formschlüssig mit dem Passungsabschnitt verbundenen Rotorkern und/oder einen Resolver.The object on which the invention is based is further achieved by a rotor for an electrical machine, preferably a drive machine for an electric vehicle, comprising a shaft according to the invention or a shaft obtained by the method according to the invention and a rotor core and / or a resolver positively connected to the fitting section .
Im Rotorkern sind bevorzugt Permanentmagnete angeordnet.Permanent magnets are preferably arranged in the rotor core.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den im folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnungen. Diese sind schematische Darstellungen und zeigen:
-
1 eine perspektivische Ansicht eines ersten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Welle; -
2 eine Detailansicht einer Passungsstruktur des ersten Ausführungsbeispiels und eines zweiten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Welle aus radialer Perspektive; -
3 eine Detailansicht der Passungsstruktur gemäß dem ersten und im zweiten Ausführungsbeispiel aus seitlicher Perspektive; -
4 Schnittdarstellungen der Passungsstruktur entlang von Schnittebenen A-A und B-B in2 ; -
5 eine Detailansicht einer Passungsstruktur gemäß einem dritten und einem vierten Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Welle aus radialer Perspektive; -
6 eine Detaildarstellung der Passungsstruktur gemäß dem dritten und dem vierten Ausführungsbeispiel aus seitlicher Perspektive; -
7 Schnittdarstellungen einer Passungsstruktur gemäß weiteren Ausführungsbeispielen der erfindungsgemäßen Welle; -
8 eine perspektivische Darstellung eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Umformwerkzeug; -
9 eine Detailansicht von Eintiefungen des Umformwerkzeugs; -
10 eine Prinzipskizze einer bestehenden Passungsstruktur vor einer Durchführung eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens; -
11 eine Prinzipskizze einer Passungsstruktur nach Durchführung des Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens; -
12 eine Prinzipskizze eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Rotors in einer elektrischen Maschine; -
13 eine Darstellung der Herstellung einer Welle-Nabe-Verbindung des Rotors; und -
14 eine Detailansicht von 13 .
-
1 a perspective view of a first embodiment of the shaft according to the invention; -
2 a detailed view of a fitting structure of the first embodiment and a second embodiment of the shaft according to the invention from a radial perspective; -
3 a detailed view of the fitting structure according to the first and second embodiment from a side perspective; -
4th Sectional representations of the fit structure along section planes AA and BB in2 ; -
5 a detailed view of a fitting structure according to a third and a fourth embodiment of the shaft according to the invention from a radial perspective; -
6th a detailed representation of the fit structure according to the third and fourth exemplary embodiment from a side perspective; -
7th Sectional representations of a fit structure according to further exemplary embodiments of the shaft according to the invention; -
8th a perspective view of an embodiment of the forming tool according to the invention; -
9 a detailed view of recesses of the forming tool; -
10 a schematic diagram of an existing fit structure before an embodiment of the method according to the invention is carried out; -
11 a schematic diagram of a fit structure after performing the embodiment of the method according to the invention; -
12th a schematic diagram of an embodiment of the rotor according to the invention in an electrical machine; -
13th a representation of the production of a shaft-hub connection of the rotor; and -
14th a detailed view of13th .
Die Welle
Wie in
Ein Koordinatenkreuz in kartesischen Koordinaten, bei dem die x-Achse parallel zur Mittelachse
Radial innere Ränder
Das zweite Ausführungsbeispiel unterscheidet sich vom ersten Ausführungsbeispiel dadurch, dass die radial inneren Ränder
In
Beim ersten Ausführungsbeispiel schließen die Seitenflächen
Beim zweiten Ausführungsbeispiel sind die Seitenflächen
Bei diesen Ausführungsbeispielen, die im Übrigen dem ersten bzw. zweiten Ausführungsbeispiel entsprechen, erstrecken sich die Seitenflächen
Wieder mit Bezug zu
Das Umformwerkzeug
Wieder mit Bezug zu
Die Matrize
Im Rahmen des Verfahrens zur Herstellung der Welle
Zum Ausbilden der Passungsstrukturen
Zur Vermeidung einer unerwünschten Gratbildung während des Umformens sind die bestehenden Passungsstrukturen
Der Rotor
Ersichtlich wird die Welle
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