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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.
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Die
Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung einer solchen
Welle.
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Stand der Technik
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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 Msheit 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.
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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.
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Offenbarung der Erfindung
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Bevorzugt
ist auch die Innenhohlwelle als Hydroformingwelle ausgebildet.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Nachfolgend
wird die Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen
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1 eine
Welle einer elektrischen Maschine und
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2 eine
solche Welle mit einem inwändigen
Ringraum.
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Ausführungsform(en)
der Erfindung
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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.
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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
dIA 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
dIA, 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 2 nicht dargestellten Rotorlamellenpakete 6 in
sehr vorteilhafter Weise gekühlt
werden können.
Insbesondere können
hierzu Zutritts- und
Austrittsöffnungen 15 im
Bereich der Innenhohlwelle 9 zum Ringraum 11 zur
Durchströmung
des Ringraums mit hier nicht dargestelltem Kühlmittel vorhanden sein.