制造转子轴的方法和转子轴与流程

本发明涉及一种用于制造转子轴的方法，特别是用于电气单元，优选电机或发电机，还涉及转子轴，特别是用于这种电气单元。

背景技术：

转子轴是将电机的旋转运动和转矩传递到下游元件的轴。中空转子轴通常如下制造：通过首先挤压圆柱形坯料或管坯和/或将其钻孔或加工成中空或大量成型，例如锻造，然后将其加工成中空或将其压制成中空。然后，将两侧开口的旋转体通过压配合和/或焊接在两侧与附件或连接元件连接。这些用来支撑轴。这种过程记载在用于制造用于电机的内置转子轴的"atzextra"中("thyssenkruppincarplus"，2014年10月公布，第34-37页)。

此外，de102010022621a1规定了一种用于电气单元的由多个部件组成的转子轴，这些部件通过压配合连接和/或焊接在一起。

然而，由于所需的工作过程的数量很大和复杂性以及为确保加工精度必须特别小心，所以这种加工过程昂贵，特别是在时间和金钱方面。

技术实现要素：

本发明的目的在于，在降低复杂性、减少工作量和/或降低成本方面进一步发展或改进转子轴的制造。

该目的通过独立权利要求的主题解决。从属权利要求中指出了有利的实施和改进。在技术上适宜时，可以组合改进的各特征。

本发明的一个方面涉及一种用于制造转子轴的方法，特别是用于电气单元，优选地电机或发电机。所述方法包括以下步骤：

a)提供具有轴插入件的销，特别是圆柱形的；

b)制造在至少一个第一端开口的用于接收所述销并且形成为旋转体形式的中空转子轴体，优选是圆柱形对称的，其中在所述轴插入件的至少一个外表面与所述转子轴体的至少一个内表面之间存在过大尺寸，并且优选地，形成第一轴联接器，用于与旋转轴旋转联接；和

c)将所述轴插入件插入所述转子轴体中，从而将所述销连接在所述转子轴体上以完成所述转子轴。

术语“销”，本发明可以理解为所有类型的销，包括中空销。销可以在步骤a)中通过锻造来制造，优选冲击挤压，特别是坯料的向前和/或向后挤压，并且可以设计为用于转子轴体的开口端的盖部件。圆柱形和/或旋转对称的锻件可以以特别简单的方式在一次操作中以非常精确的同心度生产，由此内轮廓的轴线和外轮廓的轴线以足够的精度形成直线，使得零件很大程度上没有余量(unbalance)。

圆柱形对称的转子轴体有利地在第二端配备有第一轴联接器。其也可以被推入、压入或焊接，但是优选与转子轴体一体锻造。这样具有稳定性、制造和成本优点。转子轴体和/或销优选地通过锻造制造。

步骤b)中的转子轴体的制造可以作为冷、温或热成型或热锻来实施，优选冲击挤压，特别是坯料的向前和/或反向冲击挤出，并且可以包括以下中的至少一个步骤：坯料的铸造、轧制或成型以及随后的硬化、回火、研磨。如果需要，锻造也可以作为半热成型来实施。在步骤b)中制造转子轴体还可以包括诸如板等轧制产品的纵向焊接或者从实心体钻孔。除了纵向接缝之外，螺旋接缝形状也是可以的。制造过程还包括金属板条的成型和连接，以形成在两侧或一侧开口的管，然后形成转子轴体。在焊接之前，有利地使板带成型，特别是热轧和冷轧，例如使其达到所需的壁厚。

步骤b)中转子轴体的制造也可以是在一侧开口的部件的成型，而且还可以是根据管连续工艺或推板工艺制造的管。这两种方法涉及直径为20-180mm的无缝管生产。然而，本发明优选无缝转子轴体。

术语“转子轴”，本发明是指所有的旋转波状物，即，在狭义上不被理解为转子的那些。

步骤a)和/或b)中坯料的材料，优选钢，特别是预轧钢，可以具有纤维状微结构，因此具有比铸造微结构更高的强度。在锻造中，保留了微结构(纤维结构)，微结构变得均匀细粒化，因此甚至更强。另一方面，在加工过程中，纤维的形状中断了颗粒流动并且降低了强度。

锻造中的材料成本低于其他成型工艺，因为材料浪费减少(产生的废物减少)。另外，减少了通过成型制造所需的时间。与传统工艺相比，该工艺简化了制造转子轴的过程和操作，同时降低了成本。

本发明的另一方面涉及一种用于电气单元的转子轴，优选电机或发电机。所述转子轴可以包括：

-具有轴插入件的销，和

-转子轴体，其通过锻造制成并且呈中空旋转体的形式，其特别地在至少一个第一端开口，用于接收所述销，并且包括在第二端的第一轴联接器，

其中在所述轴插入件的至少一个外表面与所述转子轴体的至少一个内表面之间存在过大尺寸，并且所述轴插入件被插入、特别是被压入所述转子轴的开口端中，从而将所述销固定到所述转子轴体上。

轴插入件的至少一个外表面与转子轴体的至少一个内表面之间的过大尺寸是指轴插入件半径或轴插入件的外表面的半径至少部分地大于转子轴体的内表面的半径。本发明还将轴插入件的外表面或转子轴体的内表面理解为轴插入件的外壁或转子轴的内壁的部分表面，包括诸如槽、缺口、沟、凹槽等凹部或乾诸如凸轮、点、轴、山等凸部。

轴插入件半径可以在固定元件的区域中大于转子轴体的内半径，并且优选地在固定元件外侧的区域中小于或等于转子轴体的内半径。如果半径相同，则可能存在过渡公差，因为固定元件可以完全压入配对材料中。与压配合相比，在所述方法的步骤c)中轴插入件的外表面的所述形式使得轴插入件能够更容易且精确地插入到转子轴体中并且形成更好地吸收旋转力的齿或摩擦连接。

原则上，意图是在固定元件之间的区域中在转子轴体和轴插入件之间实现非强制连接。特别地，提出了在转子轴体和轴插入件之间的压配合，优选地在固定元件之间的区域中，通过过大尺寸实现或设定，这样确保了转子轴体和轴插入件之间的永久连接。有利的是，通过固定元件的存在，可以调节、特别是减小固定元件之间的压配合。优选地，意图是固定元件形成为使得可以实现各应用所需的拔出力或转矩。还可以想到的是，由固定元件之间的区域引起的压配合已经足以提供所需的永久连接。

特别地，轴插入件与转子轴体之间的过大尺寸与轴插入件的外表面(没有固定元件)和转子轴的内表面(没有固定元件)有关。换句话说，在没有固定元件的情况下已经实现了一定量的过大尺寸。这样确保了在固定元件之间的区域中存在没有游隙的平坦安装。这反过来又确保了最佳的同心度和居中性。

转子轴的制造对转子轴的性能具有决定性的影响，并且与传统的转子轴或通过其他方法制造的转子轴相比具有许多优点，例如

-锻造的转子轴体提供了增加的强度，允许转子轴承受更高的负荷、力和/或转矩；

-转子轴的复杂性较低，制造所需的材料较少(制造过程中没有或更少的浪费)，可以更容易和更快地组装，因此更便宜；

-可以产生易于安装的功能表面或连接元件。

通过轴插入件的外表面和/或转子轴体的内表面具有至少三个固定元件的事实可以产生过大尺寸，由此优选地，固定元件的材料硬度大于转子轴体的内表面的材料硬度。所需的材料硬度可以通过氮化或热处理工艺实现，例如感应硬化，或者通过锻造期间的加工硬化或通过表面硬化实现。

固定元件为转子轴提供了相当大的优点：

-增加轴向拉伸强度，

-改善旋转扭转强度，

-可以传递更高的转矩，

-提高整体强度和承重能力，

-焊接操作不是必需的，即，不进行，例如将销连接到转子轴体上，这样简化了制造并降低了成本，

-可以避免由于加热而影响转子轴，例如变形。

转子轴可以是电气单元的一部分，电气单元包括可旋转驱动的转子轴或连接到转子轴，用于旋转地驱动转子轴。电气单元可以优选地是电机或发电机。转子轴可以特别有利地用在具有电机的车辆中，特别是陆地车辆，例如汽车。

转子轴可以是端对端中空的。转子轴的外表面可以是旋转对称的。

销可以与固定元件一体制成，优选通过锻造，这样有利地简化了制造并且降低了制造和最终产品的成本。

当将轴插入件轴向插入转子轴体时，转子轴体的内表面和/或轴插入件的外表面可以塑性变形。可以在固定元件中实现变形，固定元件具有比转子轴体的内表面更高的材料硬度，移位或升高转子轴体的内表面的材料，反之亦然，从而在销或轴插入件与转子轴体之间产生可高度负荷的连接，优选强制连接和/或非强制连接。

这种连接可以设计为销或轴插入件与转子轴体之间或者轴插入件的外表面与转子轴体的内表面之间的齿。在提高轴向拉伸强度、旋转扭转强度、转矩负荷能力和避免焊接工艺方面，齿可以进一步增强已经提到的优点。

各固定元件可以形成为轴插入件的外表面和/或转子轴体的内表面的突起，特别是在转子轴体的轴向方向上形成的细长结构，优选地具有相同的参数和/或彼此等距排列，特别是在方位方向上，即，沿着轴插入件的圆周或转子轴体的圆周。这样允许当将轴插入件插入转子轴体时销更好地居中，使得获得的转子轴很大程度上没有余量。

固定元件的尺寸可以如下：

-固定元件的高度大于轴插入件半径的0.5％或1％且小于5％或2％，和/或

-固定元件的轴向延伸大于轴插入件的轴向延伸的1％、3％或10％且小于70％或90％，和/或

-固定元件的方位延伸大于轴插入件的圆周的0.01％、0.1％或1％且小于2％、3％或4％，和/或

-轴插入件的外表面具有大于2、5或10个且小于15、20或40个的固定元件，和/或

-指示固定元件覆盖轴插入件的圆周的程度的覆盖度具有<80％、<70％或<60％且>15％、>20％或>25％的值。

固定元件具有约0.5mm的高度，约5mm的宽度，约25mm的长度，和约25～60mm的轴插入件半径，特别是如果固定元件配置在轴插入件的外表面上。

优选地，在转子轴体的内表面上的一个或多个固定元件基本上在沿着纵向方向确定尺寸的转子轴体的整个长度上延伸。特别地，固定元件与转子轴体一起在成型过程中直接制造，例如在拉制转子轴体时。然而，还可以想到的是，所有或仅单独的固定元件仅在整个长度的一部分上沿着纵向方向延伸。

与之前已知的外部滚花相比，以这种方式确定尺寸的固定元件具有当将轴插入件插入转子轴体时在销与转子轴体之间形成明显更强且更明显的齿的优点，特别是通过使转子轴体的内表面变形。另外，各固定元件沿着轴插入件的圆周充分间隔开，并且与外部滚花不同的是，当将轴插入件插入转子轴体时，允许材料由固定元件从转子轴体的内表面移位、升起或变形，从而接收在方位空间中。这使得销与转子轴体之间的连接更具弹性和更强。

各固定元件在轴向方向上可以是楔形的，特别是在插入区域中或在总长度的至少一部分中，从而便于将轴插入件插入转子轴体中。优选地，轴插入件半径i)在固定构件的区域中大于转子轴体的内半径，但是任选地ii)在固定元件的区域中和在轴插入件的插入端的轴向附近小于转子轴体的内半径。在固定元件外侧的区域中，轴插入件半径可以小于转子轴体的内半径。

与外部滚花相比，以这种方式设计的固定元件具有便于将轴插入件插入转子轴体中的优点。这允许在将轴插入件插入转子轴体时销更好地居中，使得获得的转子轴很大程度上没有余量。

销可以具有设计为径向加宽的销盖，用于在将销插入转子轴体时锁定和固定销，由此优选地在销盖上形成凹槽。

即使固定元件的材料比转子轴体的内表面的材料更硬，当将轴插入件插入转子轴体时，材料也可以由固定元件移除、移位、抛出或变形。凹槽用于接收由固定元件移除、移位或抛出的材料。

凹槽也用于以下目的，

-使轴插入件能够与转子轴体齐平地嵌入或插入，因为没有足够大的倒角或弯曲会附接到转子轴体上，和/或

-减少由在旋转轮廓其凹口原因中的凹部引起的应力峰值。

销还可以具有第二轴联接器，用于与旋转轴旋转联接。

附图说明

下面通过实施方案参照附图更详细地解释本发明。相同的附图标记表示相同或相应的元件。不同设计实例的特征可以相互组合。在附图中：

图1是在将轴插入件插入转子轴体之前的销和转子轴体的立体图，

图2是在将轴插入件插入转子轴体之前的销和转子轴体的侧视图(示意性剖视图)，

图3a是转子轴的侧视图(示意性剖视图)，

图3b是沿着图3a的b-b'部分的转子轴的视图(示意性剖视图)，

图4a、图4b是示出了图2中的转子轴的细节a：带有弯曲斜面的固定元件(图4a)和带有楔形斜面的固定元件(图4b)，

图5是根据本发明另一个实施方案的在将轴插入件插入转子轴体之前的销和转子轴体的立体图，

图6是根据本发明另一个实施方案的在将轴插入件插入转子轴体之前的销和转子轴体的侧视图(示意性剖视图)，

图7a是转子轴的侧视图(示意性剖视图)，

图7b是根据本发明另一个实施方案的沿着图3a的b-b'部分的转子轴的视图(示意性剖视图)，

图8是根据本发明的第二进一步实施方案的在将轴插入件插入转子轴体之前的销和转子轴体的侧视图，

图9a是转子轴的侧视图(示意性剖视图)，和

图9b是根据本发明的第二进一步实施方案的沿着图3a的b-b'部分的转子轴的视图(示意性剖视图)。

具体实施方式

图1示出了立体图，图2示出了在将轴插入件14.2插入转子轴体12之前的转子轴体12和具有圆柱形轴插入件14.2的销14的侧视图。

通过锻造制造的转子轴体12形成为在至少一个第一端开口的用于接收销14的中空旋转体。转子轴体12的外径优选为50～120mm，特别优选为>100mm。转子轴体12有利地在其第二端仅具有第一轴联接器12.1。在该优选实施方案中，其与转子轴体12一体锻造。

在这种情况下，转子轴体12是旋转对称的，但是也可以使用具有非旋转对称外轮廓的转子轴体12，因为轴插入件14.2轴向地插入转子轴体12中，特别是压入。

在轴插入件的外表面14.3与转子轴体的内表面12.3之间存在过大尺寸。过大尺寸是指轴插入件半径或轴插入件的外表面14.3的半径至少部分地大于转子轴体的内表面12.3的半径。

通过轴插入件的外表面14.3具有多个固定元件14.4的事实产生过大尺寸，其中固定元件14.4的材料硬度大于转子轴体的内表面12.3的材料硬度。各固定元件14.4形成为轴插入件的外表面14.3的轴向细长的突起。

各固定元件14.4的高度在轴插入件半径的[5-15]％的范围内，宽度或方位延伸<轴插入件圆周的3％，长度或轴向延伸在轴插入件14.2的长度或轴向延伸的[70-90]％的范围内。

以这种方式确定尺寸的固定元件14.4具有当轴插入件14.2(参见图3a)插入转子轴体12时在销14与转子轴体12之间形成清晰且明显的齿的优点。此外，各固定元件14.4沿着轴插入件圆周充分间隔开，并且当将固定元件14.4插入转子轴体12时，允许由轴插入件14.2移位的材料进入转子轴体12中，从而被固定元件14.4在方位空间中接收。这样整体上提高了销14与转子轴体12和转子轴10之间的连接的负荷能力。

销14具有径向加宽形式的销盖14.5，用于在推入转子轴体12时锁定或固定销14，由此在销盖14.5上形成底切口14.6。

轴插入件14.2通过在销14上的轴向按压或拉入销14而被推入转子轴体12中。当将轴插入件14.2插入转子轴体12时，转子轴体的内表面12.3发生塑性变形，导致在销14或轴插入件14.2与转子轴体12之间产生强制连接(positiveconnection)和/或非强制连接。

即使固定元件14.4的材料比转子轴体的内表面12.3的材料更硬，当将轴插入件14.2插入转子轴体12时，材料也可以被固定元件14.4移除、移位、抛出或变形。凹槽14.6用于接收由固定元件14.4移除或变形的材料。

凹槽14.6也可以用于底切按压以进行轴向固定。底切口14.6可以用于i)接收在按压期间抛出的材料，和ii)以恒定尺寸均匀地锻造元件直到底部，因为对于成型，这是困难任务。在锻造到底部期间可能发生不规则，这样不允许轴的紧密连接。

作为凹槽14.6的替代，可以相应地处理轴，以补偿不规则，从而确保与径向盖区域的接触。

另一变型是在轴的边缘区域(底切)中有针对性地引入材料积聚。轴的边缘加宽，使其变厚。当连接时，膨胀边缘与轴的剩余外径齐平地压入凹槽14.6中。这样产生了额外的轴向拉脱保护。

插入后的状态，即，完成的转子轴10，示于图3a、图3b。图3b示出了在固定元件14.4的区域中轴插入件半径大于转子轴体12的内半径，并且在固定元件14.4外侧的区域中小于转子轴体12的内半径，从而形成过大尺寸。固定元件14.4沿着轴插入件圆周均匀分布，即，在方位方向上等距排列。这样允许当将轴插入件14.2插入转子轴体12时销14更好地居中，使得获得的转子轴10很大程度上没有余量。

图4a、图4b各自示出了固定元件，该固定元件在任何情况下都是部分楔形的或弯曲的和/或在轴向上部分地凸起的：在图4a中，楔形的侧面是凹形弯曲的，在图4b中，其是楔形的。在两种情况下，i)便于将轴插入件插入转子轴体中，和ii)当将轴插入件14.2插入转子轴体12时销14更好地居中，使得获得的转子轴10很大程度上没有余量。此外，楔形区域的厚度在第二轴联接器14.1的方向上向后偏移距离14.7，这样增大了按压期间的摩擦连接。距离14.7便于将销14插入转子轴体12中。

销14优选地为中空销或任选地为实心销，包括第二轴联接器14.2，用于与未示出的电气单元的旋转轴旋转联接，特别是电机，从而将转矩传递到转子轴10。

类似地，转子轴体12在第二轴向端部包括第一轴联接器12.1，将要由转子轴10驱动的元件(这里未示出)可以与其机械有效地接触。

优选地，制造过程或转子轴10包括一个或多个以下特征。如果技术上合理，这些特征可以相互组合。

通过轴插入件的外表面14.3具有至少两个、三个固定元件14.4的事实产生过大尺寸，其中优选地，固定元件14.4的材料硬度大于转子轴体的内表面12.3的材料硬度。

销14通过锻造与固定元件14.4一体制成。

当将轴插入件14.2插入转子轴体12时，转子轴体的内表面12.3发生塑性变形，导致在销14或轴插入件14.2与转子轴体12之间产生强制连接和/或非强制连接。

将轴插入件14.2插入转子轴体12中通过在销14上的轴向按压或通过销14的缩回而引起。

各固定元件14.4设计为轴插入件的外表面14.3的突起，特别是在转子轴体12的轴向方向上的细长结构，优选地具有大于轴插入件半径的0.1％、0.5％或1％且小于5％、4％或2％的高度。

各固定元件14.4沿着轴向方向是楔形的，从而使轴插入件14.2和转子轴体12居中，并且便于将轴插入件14.2插入转子轴体12中，其中轴插入件半径i)优选地，在固定元件14.4的区域中大于转子轴体12的内半径，但是任选地ii)在固定元件14.4的区域中和在轴插入件14.2的插入端的轴向附近小于转子轴体12的内半径，和iii)特别是在固定元件14.4外侧的区域中小于转子轴体12的内半径。

各固定元件14.4具有i)大于轴插入件14.2的长度或轴向延伸的1％、3％或10％且小于15％、50％或85％的轴向延伸，和ii)优选地，大于轴插入件的圆周的0.1％、0.5％或1％且小于2％、3％或4％的方位延伸。

轴插入件的外表面14.3具有大于3、5或10个且小于15、20或40个的固定元件14.4，优选地，指示固定元件覆盖轴插入件的圆周的程度的覆盖度具有<50％、<40％或<30％且>1％、>5％或>10％的值。

固定元件14.4沿着轴插入件的圆周均匀分布。

各固定元件14.4被设计为在径向方向上至少在一些区域中的锥形结构。

销14具有径向加宽形式的销盖14.5，用于在插入转子轴体12时锁定或固定销14，优选地在销盖14.5上形成凹槽14.6，用于接收当将销14插入转子轴体12时移除、移位或抛出的材料。

销14具有第二轴联接器14.2，用于与旋转轴旋转联接。

图5、图6、图7a和图7b示出了根据本发明另一个实施方案的在将轴插入件14.2插入转子轴体12中之前的销14和转子轴体12的立体图。基本上，图5～图7b中所示的实施方案对应于图1～图4b中所示的实施方案，并且基本上仅在固定元件12.4的布置方面不同。特别地，根据另一设计提出，固定元件12.4仅仅或者也从转子轴体的内表面12.3突出，特别是向内突出。另一方面，轴插入件的外表面14.3没有固定元件14.4或突起，或者，如参照图1-4所述的，其本身具有(另外的)固定元件。固定元件从转子轴体的内表面12.3突出。特别是提出，在固定元件之间的区域中也存在过大尺寸，从而在转子轴体和轴插入件之间形成最大可能的附加摩擦连接。然而，由于固定元件的存在，可以有利地减小或调整由固定元件之间的区域中的过大尺寸形成的压配合。

优选地，至少一个转子轴体的内表面12.3具有至少三个固定元件12.4，其中固定元件12.4的材料硬度特别优选地大于至少一个轴插入件的外表面14.3的材料硬度。此外，提出了各固定元件12.4形成为转子轴体的内表面12.3的突起，特别是沿着转子轴体12的轴向方向的细长结构，优选地具有大于轴插入件半径或转子轴体内半径的0.1％、0.5％或1％且小于5％、4％或2％的高度。转子轴体的内体半径或内半径

i)优选地，在固定元件12.4的区域中小于轴插入件14.2的轴插入件半径，但是如果需要的话

ii)在固定元件12.4的区域中和在轴插入件14.2的插入端的轴向附近大于轴插入件半径，和/或

iii)特别是在固定元件12.4外侧的区域中大于转子轴体12的内半径。

此外，计划在组装状态下在轴插入件的外表面14.3和转子轴的内表面之间不形成间隙。

图8、图9a和图9b示出了根据本发明另一个实施方案的在将轴插入件14.2插入转子轴体12之前的销14和转子轴体12的立体图。转子轴体与图5～图8b中的转子轴体之间唯一的本质区别在于，在转子轴体的内表面上的固定元件基本上在纵向方向上测量的转子轴体的整个长度上延伸。

附图标记列表

10转子轴

12转子轴体

12.1第一轴联接器

12.3转子轴体的内表面

12.4固定元件

14销

14.1第二轴联接器

14.2轴插入件

14.3轴插入件的外表面

14.4固定元件

14.5销盖

14.6凹槽

14.7距离