安装在轴上的电动机用的轮对轴以及驱动单元.pdf

一种用于一个轴装电动机(2)的轮对轴(4)。所述轮对轴具有两个轴向侧面边缘区域(15，16)和一个布置在所述边缘区域(15，16)之间的中间区域(12)。每个边缘区域(15，16)至少部分基本设计为实心圆柱体，具有一个用于安装一车轮或一轴承的第一外圆周面(21)。所述中间区域(12)设计为空的空心圆柱体，具有一个第二外圆周面(11)，所述第二外圆周面用于直接安装所述轴装电动机(2)的一个转子(5)。借此可在确保较高机械稳定性的同时降低制造难度，减小总重量。

1.  一种轮对轴，用于一个安装在轴上的电动机(2)，所述轮对轴包括两个轴向侧面边缘区域(15，16)和一个布置在所述边缘区域(15，16)之间的中间区域(12)，其中，
a)每个边缘区域(15，16)至少部分基本设计为实心圆柱体，包括一个用于安装一车轮或一轴承的第一外圆周面(21)，以及
b)所述中间区域(12)设计为空的空心圆柱体，包括一个第二外圆周面(11)，所述第二外圆周面用于直接安装所述电动机(2)的一个转子(5)。

2.  根据权利要求1所述的轮对轴，其特征在于，
所述中间区域(12)的外径大于所述两个边缘区域(16)的外径。

3.  根据权利要求1所述的轮对轴，其特征在于，
采用一种包括两个轴部件(19)的两分式结构，其中，每个轴部件(19)包括一个边缘区域(15，16)和一部分空心中间区域(12)，这些轴部件(19)在其朝向所述中间区域(12)的轴向末端处彼此固定相连。

4.  根据权利要求3所述的轮对轴，其特征在于，
所述两个轴部件(19)结构相同，所述轴部件(19)的一个连接处(20)位于所述中间区域(12)的轴向中央(13)。

5.  根据权利要求1所述的轮对轴，其特征在于，
采用一种包括两个轴边缘部分(26)和一个轴中间部分(27)的三分式结构，每个所述轴边缘部分包括边缘区域(15，16)，所述轴中间部分(27)构成所述中间区域(12)，其中，所述轴中间部分(27)在其两个轴向端部各自固定连接一个轴边缘部分(26)。

6.  根据权利要求5所述的轮对轴，其特征在于，
所述轴中间部分(27)由一种不同于所述轴边缘部分(26)的材料构成。

7.  根据权利要求5所述的轮对轴，其特征在于，
所述轴中间部分(27)由一种具有磁性能的材料构成。

8.  根据权利要求5所述的轮对轴，其特征在于，
所述轴中间部分(27)由一种预制管件构成。

9.  根据权利要求1所述的轮对轴，其特征在于，
所述外圆周上设置有至少一个径向突出部(14)。

10.  一种驱动单元，包括一个根据上述权利要求中任一项权利要求所述的轮对轴，
其特征在于，
安装在轴上的电动机(2)的一转子(5)直接安装在所述轮对轴(4；17；18)的所述空心中间区域(12)的所述第二外圆周面(11)上。

安装在轴上的电动机用的轮对轴以及驱动单元
技术领域
本发明涉及一种用于安装在轴上的电动机的轮对轴，所述轮对轴包括两个轴向侧面边缘区域和一个布置在所述边缘区域之间的中间区域。此外，本发明还涉及一种具有这种轮对轴的驱动单元。
背景技术
M.Kaufhold(M.考夫霍尔特)和A.(A.约克尔)等人所著的技术论文“Permanenterregte Groβmaschinen：Potenziale in der Oberklasse(大型永磁电机：顶级配置中的潜能)”(2002年，第20期，第2-7页)提出，用于轨道车辆的牵引驱动装置无论作为柔性电动机还是作为非柔性电动机(即轴装电动机)，未来都应实施为永磁同步电动机。
在这种无齿轮非柔性轮对直接驱动装置中，同步电动机的转子通过一个转子支承管直接安装在轮对轴上。转子支承在轮对轴上，因此，这个轮对轴同时又是转子轴。所述转子支承管在两个配合件处热套在采用传统尺寸的轮对轴上。这样在实际操作时，转子支承管会发生与轮对轴相同的机械扭转变形及弯曲变形。因此，转子支承管是用与轮对轴相似的优质材料制成的。此外还须防止转子支承管与轮对轴之间的热压配合件上产生由微动引起的摩擦腐蚀。这些措施花费较大，会增加制造成本。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种开篇所述类型的轮对轴，这种轮对轴可避免上述缺点，且易于制造，成本低廉。
这个目的通过独立权利要求1的特征而达成。在本发明的轮对轴中，每个边缘区域至少部分基本设计为实心圆柱体，具有一个用于安装一个车轮或一个轴承的第一外圆周面，中间区域设计为空的空心圆柱体，具有一个第二外圆周面，所述第二外圆周面用于直接安装轴装电动机的一个转子。
本发明认识到，迄今所用的附加式转子支承管可为轮对轴的中间区域减去极多机械负荷。因此，本发明的轮对轴在其中间区域仅采用转子支承管的空心圆柱形。迄今为止用实心材料制成的轮对轴具有一个在转子支承管的空心内腔中延伸的部分，本发明未对这一部分加以采用。在本发明的轮对轴中，空心圆柱体的内腔是空的，也就是未充填任何材料。借此一方面可以减少所需材料，另一方面也能减小总重量。与此同时，功能性和安全性仍保持原有水准。现有技术采用的是两个组件的组合，即由实心材料构成的传统轮对轴与转子支承管的组合，这一组合被单独一个组件所代替，也就是本发明的轮对轴。迄今为止借助两个组件所实现的功能被整合在单独一个组件中。在节省组件和材料的同时，制造费用也会有所降低，从而在整体上达到降低制造成本的目的。此外，仅使用单独一个组件也会使热压配合连接成为多余，在此情况下，本发明的轮对轴原则上就不会产生摩擦腐蚀。
此外，在为中间区域采用空心设计的情况下，还可对以往不建议用于轮对轴的材料加以使用。在此情况下，原则上也可用具有相应强度的铸造材料进行制造。
本发明的轮对轴的有利设计方案可从权利要求1的从属权利要求的特征中获得。
根据一种有利方案，中间区域的外径大于两个边缘区域的外径。借此可在材料用量相同或较少的情况下实现更高或至少相同的支承能力。此外还能减轻重量。
此外，可优选采用具有两个轴部分的两分式结构，其中，每个轴部分分别包括一个边缘区域、一部分空心中间区域和一个位于所述边缘区域与空心中间区域部分之间的附加过渡区，两个轴部分在其朝向中间区域的轴向末端处彼此固定相连。这样就可以简单而有利的方式制造带有空心中间区域的轮对轴。两个轴部分例如可通过锻造或热挤压工艺制成，并通过焊接技术(例如MAG焊接、UP焊接或摩擦焊接)彼此相连。可以根据所选(焊接)连接技术对轴部分之间的相应接触点进行相应设计。
此外，如果两个轴部分结构相同，且轴部分的连接处位于中间区域的轴向中央，也是有利的。其优点是，两个轴部受到的机械应力相同。在轮对轴由两个相同轴部分组装而成的情况下，还能减少组件的种类。这一点同样会对制造成本产生有利影响。
根据另一优选方案，采用一种具有两个轴端部分和一个轴中间部分的三分式结构，所述两个轴端部分分别包括一个边缘区域，所述轴中间部分构成所述中间区域，其中，所述轴中间部分在其两个轴向末端处各自与一个轴端部分固定相连。在此情况下，可以根据适用于相应轴段的要求，特别是机械要求和磁性要求(主要指中间区域而言)对每个轴的各部分进行相应设计。每个轴部分均可进行独立选材。轴中间部分特定而言可以选用不同于轴边缘部分的材料。举例而言，轴中间部分可由具有磁性能的材料构成，从而与需要安装在这个中间区域内的磁性有效转子达到一定程度的匹配。采用磁损耗较低的材料是有利的。举例而言，可考虑使用结构钢St37或St52。这种材料价格相对较低，但仍具有预期的磁性能。
两个轴端部分特定而言仍然可用锻造或热挤压工艺制成。各轴部分的连接同样可以通过焊接技术(例如MAG焊接、UP焊接或摩擦焊接)而实现，其中，可以根据所选(焊接)连接技术对轴部之间的相应接触点进行相应设计。通过摩擦焊接实现的连接只会引起极小程度的机械变形。
轴中间部分优选由预制管件构成。借此可降低制造耗费。特定而言可以采用可购得的半成品。
根据另一优选设计方案，外圆周上设置有至少一个径向突出部，借助这个径向突出部可将需要安装在中间区域上的转子特定而言固定在其轴向位置上。“转子”这一概念在此应作广义理解。它应包括不同的实施方式。其一，“转子”可以是一个带有多个永磁体的叠片组，这些永磁体安装在叠片组上或内置在叠片组中，其中，所述叠片组直接插在轮对轴上。此外也可采用这样一种方案，其中，永磁体例如以粘接和/或捆绑的方式直接安装在轮对轴中间区域的外圆周上。那种完全不使用转子叠片或其他中间结构的方案也可理解成“转子”。
本发明的另一目的是提供一种易于制造、成本低廉的驱动单元，这种驱动单元适合用作非柔性轮对直接驱动装置。
这个目的通过权利要求10的特征而达成。所述驱动单元具有本发明的轮对轴，并且安装在轴上的电动机的一个转子直接安装在所述轮对轴的空心中间区域的第二外圆周面上。举例而言，所述电动机实施为永磁同步电动机。本发明的驱动单元的优点与上文联系本发明的轮对轴所说明的优点基本一致。“转子”这一概念在此也如上所述作广义理解。
附图说明
下面借助附图和实施例对本发明的其他特征、优点和技术细节进行说明，其中：
图1为具有一轴装电动机的一个驱动单元的实施例，所述轴装电动机安装在一轮对轴的一个空心中间区域上；
图2为图1所示的轮对轴的两分式实施例，所述轮对轴部分组装完毕；以及
图3为图1所示的轮对轴的三分式实施例，所述轮对轴部分组装完毕。
具体实施方式
相同部件在图1至图3中用相同参考符号表示。
图1显示的是一个无齿轮驱动单元1的实施例，这个驱动单元具有一个电动机2和一个受到驱动后可绕一旋转轴3旋转的轮对轴4。在本实施例中，电动机2涉及的是一个永磁同步电动机，其转子5直接安装在轮对轴4上。也就是说，驱动单元1是一个无齿轮的轴装式非柔性轮对直接驱动装置。这种驱动装置主要应用在图1未详细图示的轨道机动车辆上。
电动机2基本采用常用结构。除转子5外，电动机2还包括一个带有一绕组系统的定子6，图1只对这个绕组系统的两个轴向端部绕组7进行了示意性图示。转子5包括一个叠片组8，叠片组8具有多个沿轴向前后依次堆叠的冲压叠片9。叠片组8的外圆周面上布置有多个沿切向均匀分布的永磁体10，也就是说，这些永磁体与转子5和定子6之间的气隙直接邻接。作为替代实施方式，原则上也可将永磁体10嵌入叠片组8，或直接布置在轮对轴4上。
在图1所示的实施例中，转子5的叠片组8直接安装在轮对轴4的一空心圆柱形转子区12的一个外圆周面11上。在这个中间区域内，轮对轴4设计成空心轴。转子区12围绕轮对轴4的轴向(即从旋转轴3方向看的)中心13对称布置。轮对轴4上设置有复数个径向向外突出的突出部14，这些突出部位于叠片组8的两个轴向端面上，用于将叠片组8固定在其轴向位置上。
转子区12在两个轴向末端分别通向一个过渡区15，这两个过渡区分别转变成一个轴端16。每个轴端16与相应的过渡区15一起构成轮对轴4的一个轴向边缘区域。轴端16的区域内安装有图1未作图示的车轮和/或轴承。与转子区12不同，轴端16由实心材料构成。轴端16基本实施为实心圆柱体。设置在外圆周上的槽可使这些轴端略微有别于标准的圆柱形。
此外，若有需要，轴端16也可具有一个如图2或图3所示的中央纵向钻孔。但这个纵向钻孔的内径远小于转子区12的圆柱形空心内腔的内径。这个纵向钻孔用于在最初以及在周期性的维护过程中对轮对轴4进行超声波裂纹检测。超声波测量头插在这个纵向钻孔内。至少在维护过程中，轴端16的外圆周上由于安装着车轮和/或轴承而无法被接触到。
轴端16的外径小于转子区12的外径。这样就能节省材料，减轻重量。此外，转子区12内的壁厚优选确定为，空心轴在转子区12中的内径大于轴端16的外径。根据转子5的叠片组8的要求来确定转子区12(特别是其外径)的尺寸。设计轴端16时(此处同样是主要指轴端的外径而言)的重要标准是抗弯强度、适用于车轮的压配合以及对于车轮轴承而言大小适当的外径。
在中央转子区12内，圆柱形空心内腔虽有助于节省材料，但这并不会使机械稳定性受到任何损害。在转子区12中的外径相对较大的情况下，可以通过调节的方式来使此处由扭矩和弯矩引起的机械应力小于外径相对较小的轴端16中的机械应力。总体而言，转子区12内的空心内腔使轮对轴4尽管在机械稳定度较高的情况下仍然具有相对较小的重量。
图2和图3显示的是如图1所示的轮对轴4的两种具体实现方式。这两个附图分别显示了一个处于部分组装完毕状态的轮对轴17或18的实施例。
图2所示的轮对轴17实施为由两部分构成，其中，图2只对一个轴部件19进行了图示。未作图示的第二轴部件与轴部件19结构相同，并在位于轴向中央13的一个中央连接处20上通过摩擦焊接技术与轴部件19固定相连。这两个轴部件相对于中央13镜像对称布置。轴部件19和未作图示的第二轴部用优质的调质钢锻造而成。
轴部件19包括一个轴端16、一个过渡区15和一半转子区12。轴端16具有一个带有两个分区的外圆周面21，其中一个分区是用于安装车轮的车轮区22，另一个分区是用于安装轴承的轴承区23，这两个分区被一个环形槽24隔开。轮对轴17为内支承，也就是说，位于外部轴向边缘的是车轮区22，而非轴承区23。此外，轴部件19在轴端16和过渡区15的区域内还具有一个上文已提及的贯通式中央钻孔25。
图3所示的轮对轴18实施为由三部分构成。轮对轴18包括两个轴边缘部分26和一个布置在这两个轴边缘部分之间的轴中间部分27，图3只对其中一个轴边缘部分进行了图示。附图所示的左侧轴边缘部分26在连接处28上与轴中间部分27固定焊接在一起。轴中间部分27的另一轴向末端处以类似方式设置有另一个连接处28，这个连接处用于连接附图未作图示的右侧轴边缘部分26。
每个轴边缘部分26均包括一个轴端16和一个过渡区15。轴中间部分27则包括转子区12。轴中间部分27实施为管件，由不同于两个轴边缘部分26的材料构成，两个轴边缘部分26则同样是用优质的调质钢锻造而成。相对较小的机械应力以及由于直接相邻布置磁致有效转子5而在转子区12内形成的磁通情况，决定了可以为轮对轴的不同部分选用不同材料，从而有利地实现轮对轴18的三分式结构。轴中间部分27特定而言由一种结构钢构成。本实施例采用的是结构钢St37。可以采用用这种材料预制成的管件，借此可降低制造成本。
转子区原则上也可设计为一个实心轴或一个实心轴零件。采用这种附图未作图示的替代性实施方式时，转子5(主要指转子5的叠片组8)同样直接安装在这个实心轴或实心轴零件的外圆周面上。
其中，实心轴或实心轴零件指的是一种整体式实心零件，即例如用块料通过切削加工制成的整体式实心零件。
实心轴或实心轴零件也可理解成带有细小空隙或小直径钻孔的实心零件，设置这些空隙或钻孔是出于维护目的，特定而言是为了在轮对上进行超声波检测。其中，这些空隙或钻孔具有与上述实心轴或实心轴零件相似的基本技术数据(扭矩、强度等)。
轴(尤其是轨道车辆用轮对的轴)通常会在产生自支承、导引、驱动和制动任务的径向力的作用下发生弯曲。此外，这类轴还会在产生自驱动、制动和导引任务的转矩的作用下发生扭转。为能满足在应力较高的同时惯性较小的要求，需要在考虑疲劳强度的情况下对这些轴进行极精确的计算和认真设计。
本发明的轴应用于轨道车辆时的受力情况如下：
—以最大驱动力起动，其中，动态支承力和导引力较小，
—以最高速度和可以达到的最大驱动力或制动力行驶，其中，动态支承力和导引力较大，驱动力较小，
—在弯道以额外的离心力行驶，其中，静态导引力较大。
将轴设计成轮对轴4、18时，须对弯曲疲劳强度、尺寸和表面效应、圆角半径和凹槽的直径差所引起的缺口效应的影响、源自热压配合连接和压配合连接的预应力和边缘压力所引起的缺口效应、钢种的缺口脆性以及因磨损和可能的修整工作而产生的附加费用加以考虑。
相对于实心轴而言，在外径相同的情况下，空心轴的惯性的下降速度由于内部钻孔的使用而比截面模量的下降速度快。空心轴的优点是惯性较小，车轮与轨道之间的动态力因而也较小，节能(尤指短程交通而言)，可从钻孔内部进行超声波检测，也可在极易断裂的轮毂座下方进行超声波检测。
实心轴或实心轴零件的优点是挠度较小，传热性能较佳，因而轴承温度较低。此外，实心轴更易于制造，成本更低。另一优点是，轴承直径也相对较小。