完美转子轴
没有转子轴,就不可能有电动汽车:
作为电动机的核心,转子轴将电能转化为动能,并将其传递给传动系统。它的设计决定了电动机运行的速度和扭矩。在蒂森克虏伯动力零部件公司开发组装式转子轴的过程中,集团能够从一种完全不同的驱动技术中汲取宝贵的专业知识,即内燃机组装式凸轮轴的经验。
转子轴的开发工作大约在十年前就已经开始了:在蒂森克虏伯动力零部件公司,组装式凸轮轴已经成为铸造或锻造轴的替代产品。组装式凸轮轴的主要优势为:在这个复杂的部件中,不同的材料可以以适合所施加负荷的方式进行组合。这意味着,整个轴的制造材料不必遵循最高负荷的部件的制作标准。在组装式凸轮轴中,只有高应力部件(如凸轮)由高合金钢制成。对于其他功能方面,材料属性可以遵循完全不同的标准,材料选择的灵活性增加。这样就带来了成本和重量优势,并使生产更加灵活。然而,为了掌握这项技术,尤其是将各种材料和部件连接在一起,需要特殊的专业知识:工程师们能够利用集团自身的经验和蒂森克虏伯动力零部件公司的制造工艺。
从凸轮轴扩展到转子轴
列支敦士登埃申城的凸轮轴专家很早就决定将他们的研发精力转移到电动机转子轴上。十年前,很难预见2020年代以后电动汽车市场的动态趋势。但是,与凸轮轴一样,转子轴也是为了实现汽车的重量优化和最大成本效益。然而,扭矩和速度要高得多:凸轮轴的平均转速约为3500 rpm,只有曲轴的一半,而转子轴的转速已经达到20000 rpm。这代表着巨大的负荷,但绝不是研发目标的终结:当前的速度已有向25000 rpm发展的趋势。
转子轴十年前还主要是一个实心的固体部件,如今却可以将转子和定子之间交变电磁场产生的动能传递给变速器。在上述25000 rpm速度条件下,传递能量的扭矩是传统汽车凸轮轴的3-5倍。为了应对这种情况,符合负荷要求的设计和低制造公差是重中之重,例如花键齿轮的同心度。蒂森克虏伯动力零部件公司高级工程部主管Martial Danthois说:“我们很快得出结论,我们可以有效地满足组装式设计转子轴的要求,并期望从中获益。我们在组装式凸轮轴方面的经验证明,在开发用于量产的组装式转子轴时,以往的经验是有效的:因为在这两种设计中,关键的专业知识都会涉及各种制造材料和部件之间的连接。”
不同材料的使用也为转子轴提供了较大的研发潜力。由于较高的扭矩出现在传动装置部位的轴输出端,因此可以通过有针对性地选择具有合金等级较高的材料来完美地平衡这些扭矩,另一端的管件和轴承法兰则采用合金等级较低的材料。
中空设计实现附加功能
组装式设计的另一个主要优势是轴是中空的。对于功率特别大的电动机,空腔可具有附加功能。蒂森克虏伯的工程师利用空腔来进行冷却,具体方法是将冷却剂注入轴中,并借助旋转的离心力将其分布在轴内壁上。对流热传递可从转子轴散热,从而冷却电动机。然后,冷却剂将从轴中导出,并在带有热交换器的回路中冷却。
通过离心力实现冷却功能,也是通过一体式空心转子轴具体实现的,但这种设计与内燃机中的一体式凸轮轴相同:两种设计的基础部位都要不可避免地承受最大负荷。因此,整个轴的材料质量是预先确定的,无法实现灵活的、以需求为导向的材料选择。因此,具有灵活材料选择特性的组装式轴具有成本优势。
从试点项目到量产
通过密切合作,该项目工作与部件和系统供应商一起在埃申(LIE)、伊森堡(D)和开姆尼茨(D)进行了系列开发工作的推进,,并考量了原始设备制造商的各项规格。在交付了所需的原型和产品验证合格后,集团开始建立生产线并进行量产,最初是在德国开姆尼茨工厂生产,后续项目已在德国伊森堡启动。2021年,由于新的、扩大的产品组合,集团更名为蒂森克虏伯动力零部件公司。
首款采用蒂森克虏伯Presta工艺组装的转子轴的成功上市引发了两项进一步的举措。一方面,越来越多的原始设备制造商的询问促成了新的转子轴项目,通过这些项目可以进一步扩大专业知识和经验应用,并研究和引进创新的制造技术。
重点扩展:从轴扩展到转子
此外,蒂森克虏伯动力零部件公司研发团队已将其工作重点从优化转子轴扩展到组装式转子方面面临的一项特殊挑战是将叠片组以及叠片组中的磁体固定在转子轴上。
组装式转子生产中面临的另一个挑战来自于客户对允许残余的不平衡或平衡质量的要求。一方面,可以从高转子速度中推导出这些要求;它们影响轴承的使用寿命,从而影响电动机的使用寿命。另一方面,电动机的动态整体系统由于不平衡而被激励振动。这些振动的特性及其传播(空气传播和结构传播的噪声)对驾驶舒适性带来了很大影响。取消内燃机后,可以假设空气传播和结构传播噪声的限值将进一步降低。
Martial Danthois说:“我们的目标是进一步优化现有的量产方式。但我们也在开发全新的制造技术,这将使我们能够进一步提高生产率,减少废料和返工。”