轴、成形工具、制造方法和用于电机的转子与流程

轴、成形工具、制造方法和用于电机的转子
1.本发明涉及一种轴，其具有中心轴线和用于构造形状配合的轴毂连接的配合区段，其中，所述配合区段具有径向突出的配合结构和在配合区段的轴向端部处构造的倒角，该倒角至少部分地覆盖所述配合结构。
2.此外，本发明涉及一种用于制造轴的成形工具、一种用于制造轴的方法以及一种用于电机的转子。
3.这种轴由m.等人的文章“untersuchungen zumvon aus stahl-aluminium”(《forschung im ingenieurwesen》79卷，第41至65页(2015年))已知。该文章公开了一种具有轴向平行的滚花的滚花轴，这些滚花通过成形借助于滚花轮或递归的轴向成形制造并且具有带有倒角角度的倒角。根据选择的倒角角度可以通过切割和/或成形的接合过程实现形状配合的轴毂连接。
4.这种轴的缺点在于，在接合到轮毂中的过程中，轮毂材料基本上沿径向被挤出。因此在轮毂材料中出现相当大的径向机械应力。这是不希望的，尤其考虑到轴用作电动车辆的驱动机的转子轴。
5.因此，本发明所要解决的技术问题在于，在自攻的形状配合的轴毂连接的情况下提供减小径向机械应力的可能性。
6.根据本发明，该技术问题通过开头提到类型的轴解决，其中，相应的配合结构的径向内边缘之间的距离朝向轴向端部减小。
7.本发明基于如下考虑，即，将配合结构设计为朝向轴向端部变窄地延伸，使得在接合过程中被挤出的轮毂材料可以进入相邻的配合结构的径向内边缘之间的空隙中。因此，该轮毂材料不会径向向外延伸从而在那里导致产生径向机械应力。由此可以有利地显著降低径向机械应力并且同时可以避免轴毂连接的扭矩传递能力的损失。此外减少在轴的旋转运行期间由径向机械应力引起的径向变形。
8.在根据本发明的轴的情况下特别优选的是，径向内边缘朝向轴向端部在点中会聚。因此，当沿轴向看时实现了配合结构的基本上尖形的设计方案，这明显使接合过程中材料挤出变得容易。
9.根据按照本发明的轴的一种扩展选择可以规定，所述径向内边缘分别相对于平行于中心轴线的线以角度朝向轴向端部笔直地延伸。该角度优选地小于90
°
。该角度特别优选处于10
°
至60
°
之间。
10.根据按照本发明的轴的第二扩展选择规定，所述径向内边缘分别以形成弧的方式朝向边缘线或者说侧线延伸。优选地，所述弧是具有恒定半径的圆弧。在优选的设计方案中，所述弧的从弧的始端延伸直至终端的弦与平行于中心轴线的线包围10
°
至60
°
之间的角度。
11.在根据本发明的轴的情况下可以有利地规定，与径向内边缘之间的最大距离的最接近轴向端部的点相比，倒角更靠近轴向端部地开始。换言之，径向内边缘的其之间的距离朝向轴向端部减小的区域沿轴向方向比倒角延伸得更远。因此提供用于容纳在接合过程中
被挤出的轮毂材料的特别大的空间。
12.通常，径向内边缘的其之间的距离朝向轴向端部减小的区域的轴向延伸量相对于配合结构被倒角的区域的轴向延伸量的比例处于1.8至2.2之间。
13.根据本发明的轴的相应配合结构可以具有平坦的侧面。这些平坦侧面优选地与垂直于周向的平面包围30
°
至70
°
之间的角度。备选地，相应的配合结构可以具有成拱形的侧面，这些侧面优选具有弦，该弦与垂直于周向的平面包围30
°
至70
°
之间的角度。
14.在根据本发明的轴中还可行的是，配合结构的径向外部的指向轴向端部的区段被削平地以倒角的倒角角度延伸。
15.在根据本发明的轴的优选设计方案中还规定，相应的配合结构相对于垂直于中心轴线的横截面具有多边形或圆角多边形的形状。多边形优选是三角形或矩形。备选地，相应的配合结构相对于垂直于中心轴线的横截面可以具有半圆形或半椭圆形的形状。
16.在根据本发明的轴的优选设计方案中还规定，所述配合区段具有多个沿周向分布的带有配合结构的配合区并且在两个相邻的配合区之间是平滑的。优选设有三个均匀分布的配合区。
17.本发明所要解决的技术问题还通过一种用于制造轴、尤其根据本发明的轴的成形工具来解决，该成形工具包括具有通孔的模具，该通孔用于被倒角的轴体穿过，其中，所述模具在通孔的内边缘中具有用于在轴体上构造配合结构的凹槽，其中，相应的凹槽的径向内边缘之间的距离朝向通孔的轴向内部减小。
18.有利地，所述凹槽设计为与配合结构的其径向内边缘之间的距离减小的区域对称相同。
19.在根据本发明的成形工具中可以规定，径向内边缘朝向通孔的轴向内部会聚于一点。
20.径向内边缘可以分别相对于与通孔的中央轴线平行的线以一角度朝向通孔的轴向内部笔直地延伸。该角度可以处于10
°
至60
°
之间。备选地，径向内边缘可以分别以形成弧的方式朝向通孔的轴向内部延伸。所述弧的从弧的始端延伸直至终端的弦优选与相对于通孔的中央轴线平行的线包围10
°
至60
°
之间的角度。
21.此外，在根据本发明的成形工具中可以规定，相应的凹槽具有平坦的侧面，这些侧面优选与垂直于周向的平面包围30
°
至70
°
之间的角度，或者相应的凹槽具有成拱形的侧面，这些侧面优选具有弦，该弦与垂直于周向的平面包围30
°
至70
°
之间的角度。
22.根据本发明的工具的相应凹槽可以相对于垂直于通孔的中央轴线的横截面具有多边形或圆角多边形的形状或者半圆形或半椭圆形的形状，其中，多边形优选是三角形或矩形。
23.所述模具可以由多个、优选三个分开的模具元件构成，这些模具元件固定在成形工具的支架上，其中，每个模具元件可以具有所述凹槽中的多个并且沿周向相对于一个或两个相邻的模具元件是平滑的。
24.本发明所要解决的技术问题还通过一种用于制造轴的方法来解决，该方法包括以下步骤：提供轴体；构造具有径向突出的配合结构的配合区段，所述配合结构至少部分地被配合区段的轴向端部处的倒角覆盖，其中，相应的配合结构的径向内部边缘的距离朝向轴向端部减小。
25.优选使用根据本发明的成形工具来构造配合结构。
26.在根据本发明的方法中可以规定，提供具有现有配合结构和轴向端部处覆盖现有配合结构的现有倒角的轴体。
27.在此，在优选的扩展设计中规定，在构造配合区段时，产生相应的现有配合结构的被现有倒角覆盖并且由垂直于中心轴线的平面限定边界的区域的体积与轴的相应的配合结构的其中径向内边缘之间的距离朝向轴向端部减小并且由垂直于中心轴线的平面限定边界的区域的体积之间的至少95％、优选至少99％的体积符合度。由于两个体积的尺寸相似可以避免不希望的、例如形成毛刺的变形。
28.本发明所要解决的技术问题还通过一种用于电机、优选电动车辆的驱动机的转子来解决，该转子包括根据本发明的轴或通过根据本发明的方法获得的轴和与配合区段形状配合地连接的转子芯和/或旋转变压器。
29.在转子芯中优选布置有永磁体。
30.本发明的其它优点和细节由以下描述的实施例并且借助附图得出。这些附图是示意图并且其中：
31.图1示出根据本发明的轴的第一实施例的立体图；
32.图2示出根据本发明的轴的第一实施例和第二实施例的配合结构从径向视角看的详细视图；
33.图3示出根据第一和第二实施例的配合结构从侧视角看的详细视图；
34.图4示出沿图2中的剖切平面a-a、b-b剖切配合结构得到的剖面图；
35.图5示出根据本发明的轴的第三和第四实施例的配合结构从径向视角看的详细视图；
36.图6示出根据第三和第四实施例的配合结构从侧视角看的详细视图；
37.图7示出根据本发明的轴的另外的实施例的配合结构的剖面图；
38.图8示出根据本发明的成形工具的实施例的立体图；
39.图9示出成形工具的凹槽的详细视图；
40.图10示出在根据本发明的方法的实施例实施之前现有配合结构的原理图；
41.图11示出在根据本发明的方法的实施例实施之后配合结构的原理图；
42.图12示出在电机中的根据本发明的转子实施例的原理图；
43.图13示出制造转子的轴毂连接的示图；和
44.图14示出图13的详细视图。
45.图1是轴1的第一实施例的立体图。
46.轴1具有中心轴线2和用于构造形状配合的轴毂连接的配合区段3。在该配合区段中构造有滚花形式的径向突出的配合结构4。在配合区段3的轴向端部5构造有倒角6，该倒角部分地覆盖配合结构4。
47.如在图1中另外可见，配合区段3在该实施例中示范性地沿轴向方向在两侧延伸得比配合结构4更远。在配合区段3的两侧、即在轴向端部5和另外的轴向端部7上连接有轴端8、9。
48.笛卡尔坐标中的坐标十字定义图1和以下附图中的空间方向，其中，x轴平行于中心轴线2延伸。
49.图2示出轴1的第一实施例和第二实施例的配合结构4从径向视角看的详细视图。
50.代表图1中所示的其余配合结构4的配合结构4的径向内边缘10、11朝向轴向端部5减小它们之间的距离并且在点12中会聚。从配合结构4的径向内边缘之间的最大距离b开始，该距离因此从预定的轴向位置13朝轴向端部5递减，直到该距离实际上为零。径向内边缘10、11分别相对于平行于中心轴线2的线14以角度λ朝向轴向端部5笔直地延伸。
51.第二实施例与第一实施例的不同之处在于，径向内边缘10、11在此以形成虚线所示的弧的方式朝向轴向端部5延伸。在本实施例中，该弧具有恒定的半径。弧的从弧的始端延伸直至终端或者从轴向位置13延伸直至点12的弦15在此与平行于中心轴线2的线14包围角度λ。
52.图3示出根据第一和第二实施例的配合结构4从侧视角看的详细视图。
53.在图3中首先标出配合结构的最大高度h。该高度等于径向内边缘10、11相对于配合结构在倒角区域外的径向外边缘16的径向距离。倒角6的倒角角度用表示。可以看到，与径向内边缘10、11之间的最大距离的区域的最接近端侧的点(轴向位置13)相比，倒角6更靠近轴向端部5地开始。径向内边缘10、11之间的距离减小的区域的轴向延伸量l1相对于配合结构4被倒角的区域的径向延伸量l2的比例在此为2.0并且通常处于1.8至2.2之间。因此，配合区段4的相应侧面17沿周向观察具有三角形形状。
54.图4示出沿图2中的剖切平面a-a、b-b剖切配合结构4得到的两个剖面图。
55.在第一实施例中，侧面17与垂直于周向的或者与沿轴向和径向张开的平面包围角度ψ，该平面延伸通过径向外边缘14。换言之，两个侧面17的径向内部距离c1沿径向方向变小(参见距离c2)。
56.在第二实施例中，侧面17沿周向向外成拱形，其中，该拱形部的弦与平面18包围角度ψ。拱形部相对于其弦的距离d为最多h/2(参见图3)。
57.图5和图6分别示出根据轴1的第三和第四实施例的配合结构4的详图，其中，图5示出从径向视角观察的配合结构4，而图6示出从侧视角观察的配合结构4。
58.在这些实施例中，侧面17不延伸至配合结构4的最大高度h，从而配合结构4的径向外部的指向轴向端部5的区段19被削平地以倒角角度延伸，第三和第四实施例在其它方面与第一或第二实施例相符。
59.图7示出根据轴1的另外的实施例的配合结构4的剖面图，其中，该剖面对应于图4中的剖切平面a-a。在左上角所示的实施例中，配合结构4具有径向内部的平行区段20和径向外部的圆形区段21。在右上角所示的实施例中，配合结构4具有六边形的横截面，该横截面具有径向内部的梯形区段22和径向外部的梯形区段23。在左下角所示的实施例中，配合区段呈五边形并且具有径向内部的平行区段20和径向外部的三角形区段24。在右下角所示的实施例中，配合区段4具有基本上呈抛物线形的横截面。
60.又参照图1，根据另外的实施例，在配合区段3中，代替沿周向连续布置的配合结构4设置沿周向分布的多个配合区，在这些配合区中构造有配合结构4，其中，在这些配合区之间不构造配合结构，或者说配合区段3沿周向在配合区之间是平滑的。在此，根据一个实施例可以设置三个配合区，这三个配合区沿周向以120
°
的角度布置。
61.图8示出用于制造轴1的成形工具50的实施例的立体图。在此，以下还描述用于制造轴1的方法的实施例。
62.成形工具50包括具有通孔52的模具51，该通孔用于被倒角的轴体穿过并且具有中央轴线53。在这种轴体中，如在图10中所示的那样，设有已经存在的配合结构，这些配合结构以现有倒角角度被倒角。模具51在通孔52的内边缘54中具有凹槽55，用于在轴体上构造配合区段4。
63.图9示出成形工具50的凹槽55的详细视图。在此可以看到，凹槽55设计为相对于可以一般性地与轴1的前述实施例相符的配合结构4的想要的形状对称相同。因此，凹槽55首先具有径向内边缘56、57，它们之间的距离朝向通孔52的轴向内部减小。
64.又参照图8可以看到，这些凹槽不是完全沿周向环绕地构造，而是仅构造在三个沿周向间隔开的凹槽区58中，因此所示的成形工具50设计用于构造具有相应的前述配合区的轴1。但根据成形工具50的另外的实施例，该成形工具也可以具有完全沿周向分布的凹槽55，从而可以制造如在图1中示出的轴。
65.在当前情况下，模具51由三个彼此分开的模具元件59构成，这三个模具元件分别具有凹槽区58之一的相应凹槽55并且在这方面具有相同的设计。模具元件59布置在同样被通孔52贯穿的支架60中并且在那里通过固定件61、在此示范性地通过螺栓固定。
66.在用于制造轴1的方法的范畴内首先提供轴体。对此，图10示出在实施制造方法之前轴体上的现有配合结构4a的立体图。在图10中还标记现有配合结构4a的宽度t和现有配合结构4a的被倒角覆盖的区域的轴向长度x1。h表示现有配合结构4a的高度，并且表示现有倒角角度。现有配合结构4a的指向轴向端部5并且被现有倒角覆盖的区域的体积用v1标记。
67.为了构造配合结构4，首先将具有现有配合结构4a的轴体插入工具50的通孔中，从而使现有配合结构4a塑性变形。
68.图11示出在工具50中的成形之后配合结构4的几何关系，其中产生角度λ、ψ。配合结构4的被倒角6覆盖的区域的轴向长度用x2表示。径向内边缘10、11的距离朝向轴向端部5减小的区域与配合结构4的被倒角6覆盖的区域相差的轴向长度用x3表示。径向内边缘10、11的距离朝向轴向端部5减小的指向轴向端部5的区域的体积用v2表示，该体积被分成子体积v
2.1
、v
2.2
地示出。
69.为了避免在成形期间形成不希望的毛刺，现有配合结构4a和模具51的凹槽55的形状选择为使得v1和v2之间的体积符合度达到至少99％。在此应当注意的是，在配合结构4的构造期间，倒角角度从变成
70.图12示出具有转子101的实施例的电机100的原理图。
71.转子101包括根据前述实施例之一的轴1，其中，在配合区段3上形状配合地布置有具有永磁体的转子芯102。转子101在定子103内围绕中心轴线2可旋转地支承。
72.图13和图14分别示出制造转子的轴毂连接的示图，其中，图14示出图13中的细节z。
73.可以看到，将轴1插入转子芯102中以便制造轴毂连接。配合区段4在此相对于转子芯102具有径向过量u。因此，通过转子芯102的切割和成形实现轴1和转子芯102之间的形状配合的轴毂连接。