AT5144U1

AT5144U1 - Welle mit mittels schweissung mit ihr verbundenem teil

Info

Publication number: AT5144U1
Application number: AT0016901U
Authority: AT
Inventors: Oskar Dr Kehrer
Original assignee: Steyr Powertrain Ag & Co Kg
Priority date: 2001-03-07
Filing date: 2001-03-07
Publication date: 2002-03-25
Also published as: US20040136776A1; US7137897B2; JP2004522913A; EP1368573A1; CA2440084A1; WO2002070911A1

Abstract

Eine Welle (1) mit auf ihr befestigtem mitrotierenden Element (2), das eine quer zur Achse (3) der Welle gelegene Fläche aufweist, und wobei die Schweissung in der zwischen der Sitzfläche (4) der Welle (1) und achsnormalen Fläche (6,8) des Elementes gebildeten Kehle erfolgt. Um eine dauerfeste Verbindung ohne Beeinträchtigung des Rundlaufes zu erreichen, ist eine Schweissraupe (20) an einem Anfangspunkt (21) auf der quer zur Achse (3) der Welle (1) gelegenen Fläche (6; 8) beginnt, zur Kehle geführt und dann wieder zu einem Endpunkt (21) auf der quer zur Achse der Welle gelegenen Fläche (6; 8) geführt ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Welle mit auf ihr angebrachtem und befestigtem mitrotierenden Element, wobei die Welle zumindest in der Region, in der das Element angebracht wird, zylindrisch ist, und das Element eine zylindrische Sitzfläche und zumindest eine quer zur Sitzfläche gelegene Fläche aufweist, und wobei die Schweissung in der zwischen der Sitzfläche der Welle und der quer zur Sitzfläche gelegenen Fläche des Elementes gebildeten Kehle erfolgt. Mit Region ist die Befestigungsstelle des Elementes und deren Umgebung in zumindest einer Längsrichtung gemeint.

Die Welle kann eine Antriebswelle, Getriebewelle, Kurbelwelle, Nockenwelle oder Ausgleichswelle einer Kolbenmaschine sein, das mitrotierende Element somit ein beliebiger Flansch, ein Rad oder Zahnrad, ein Teil einer Kupplung, eine Nocke oder ein Ausgleichsgewicht. Insbesondere ist an Wellen gedacht, die mit hoher Drehzahl laufen und an die daher hohe Anforderungen hinsichtlich Genauigkeit und Rundlauf gestellt werden. Solche Wellen bestehen in der Regel aus einem Vergütungsstahl, die Elemente oft aus einem Einsatzstahl und/oder sind Schmiede- oder Feingussteile.

Bei derartigen Paarungen war es bis jetzt ein Glaubensartikel, dass eine direkte Schweissverbindung - insbesondere durch Lichtbogenschweissen vermieden werden muss, von Sonderlösungen unter Einsatz von Reibschweissen oder Laserschweissen abgesehen. Dafür gibt es zwei Gründe: 1führt die Erwärmung der Welle zu deren Verzug, der den Rundlauf beeinträchtigt ; 2 entstehen am Anfang und/oder Ende der Schweissraupe Risse, die die Dauerfestigkeit herabsetzen bzw zum baldigen Bruch führen.

Das Entstehen der Risse erklärt sich unter anderem damit, dass Aufbau und Zusammenbruch des Lichtbogens nicht mit dem Aufschmelzen der Schweisse synchronisierbar ist.

Es ist somit Aufgabe der Erfindung, derartige Paarungen einer direkten Schweissung, insbesondere Lichtbogenschweissung zugänglich zu machen.

Welle und Element sollen so verschweisst werden, dass eine dauerfeste Verbindung ohne Beeinträchtigung von Genauigkeit, Rundlauf oder Dauerfestigkeit entsteht.

Erfindungsgemäss wird das dadurch erreicht, dass eine Schweissraupe an einem Anfangspunkt der quer zur Sitzfläche gelegenen Fläche beginnt, zur Kehle geführt und dann wieder zu einem Endpunkt auf der quer zur Sitzfläche gelegenen Fläche geführt ist. Anfangs- und Endpunkt der Schweissraupe liegen somit abseits des empfindlicheren Teiles, nämlich der Welle.

Auf der quer liegenden Fläche des zumindest in der Zone dieser Fläche weniger beanspruchten Elementes stört der Anfangs- und/oder Endkrater der Schweissraupe nicht. Deren verbindender Teil liegt dann in der Kehle.

Die Schweissraupe kann, muss aber nicht, dem gesamten Umfang der Welle folgen; sie kann auf einen Teil oder auf mehrere Teile des Umfangskreises beschränkt bleiben. Der günstige Belastungsfall einer in einer solchen Kehle angebrachten Schweissnaht erlaubt eine sehr schlanke und kur-

ze Schweissraupe. Dadurch und durch die besondere Form der Schweissraupe bleibt der Wärmeeintrag gering und die Welle verzieht sich nicht.

Je nach Lage der quer zur Sitzfläche gelegenen Fläche sind verschiedene Formen der Schweissraupe vorteilhaft. Ist die Fläche quer zur Sitzfläche der Welle im Wesentlichen achsnormal, ist in einer ersten Variante die Schweissraupe in einer Rundung zur Kehle geführt, folgt dieser über einen Bogenteil und ist dann wieder mit einer Rundung zum Endpunkt geführt (Anspruch 2). Dadurch ist sichergestellt, dass die Schweissraupe mit konstanter Geschwindigkeit gezogen wird. Würde sie ein Eck machen, wäre an diesem die Verweilzeit des Lichtbogens länger und die lokale Erwärmung des Werkstückes grösser. In einer zweiten Variante ist die Schweissraupe geradlinig vom Anfangspunkt zum Endpunkt geführt und tangiert dazwischen die Kehle (Anspruch 3). Diese ist besonders leicht herstellbar, spart Zustellzeit und sichert konstante Schweissgeschwindigkeit.

Wegen der Breite der Schweissraupe erfasst diese trotz der Führung auf der Geraden einen Bogen endlicher Länge.

Ist die Fläche quer zur Sitzfläche der Welle im Wesentlichen achsparallel, ist die Schweissraupe vom Anfangspunkt in einer Rundung zur Kehle und wieder zum Endpunkt geführt (Anspruch 4). In einer Variante ist die Schweissraupe vom Anfangspunkt zum Endpunkt in einem die Kehle tangierenden Bogen geführt (Anspruch 5).

Bei achsparallelen Flächen können diese auch mehrfach und in gleichen Winkelabständen über den Umfang verteilt sein, deren jede mit der Welle eine Schweissraupe aufnehmende Kehle bildet (Anspruch 6).

Die gute Dauerfestigkeit einer so gestalteten Verbindung gestattet es, und das Streben nach möglichst geringer und nur lokaler Erwärmung macht es erstrebenswert, in Weiterbildung der Erfindung, die Höhe der Schweissraupe mit nur einem Fünfzehntel (1/15) bis einem Fünfundzwanzigstel (1/25) des Durchmessers der Welle zu bemessen (Anspruch 7). Die Höhe der Schweissraupe ist bei einer Kehlnaht mit dem Radius des sie begrenzenden Viertelkreises definiert.

Zur thermischen und metallurgischen Verbesserung der Schweissnaht ist es, soferne keine MIG-Schweissung ausgeführt wird, vorteilhaft, die Schweissung unter Schutzgas und mit Zufuhr eines kalten Zusatzdrahtes vorzunehmen (Anspruch 8) und bei gewissen Grundwerkstoffen, die Schweissung mit Zufuhr eines austenitischen Zusatzdrahtes (Anspruch 9).

Der kalte Zusatzdraht vermindert die Wärmezufuhr. Das ist aber nur möglich, wenn der Zusatzdraht nicht, wie beim MIG-Verfahren, stromführend ist. Der austenitische Zusatzdraht wirkt gefügeverbessernd.

In einer besonders vorteilhaften Anwendung der Erfindung auf eine Ausgleichswelle einer Verbrennungskraftmaschine, wobei das Element ein Ausgleichsgewicht mit exzentrischem Schwerpunkt ist, besteht darin, dass die Schweissung an der dem Schwerpunkt abgewandten Seite der Welle angeordnet ist (Anspruch 10). Auf dieser Seite wird die Passfläche des Elementes durch die Fliehkraft auf die Welle gedrückt, was einen günstigen Spannungszustand ergibt.

Eine funktionell und fertigungstechnisch besonders günstige Konstruktion besteht darin, dass das Ausgleichsgewicht ein exzentrischer Ring mit zwei Stirnflächen und einem Ausschnitt mit zwei inneren Stirnflächen an der dem Schwerpunkt abgewandten Seite der Welle ist, sodass es aus zwei

Ringteilen mit einander zugewandten inneren Flächen beiderseits des Ausschnittes und aus einem Segmentteil auf der Seite des exzentrischen Schwerpunktes besteht (Anspruch 11). Bei dieser Gestalt des Ausgleichsgewichtes wird mit einem Minimum an Gesamtmasse ein Maximum an Exzentrizität des Schwerpunktes erreicht.

Dadurch stehen auch für die Verbindung im Extremfall vier quer zur Achse der Welle gelegene und zwei parallel zur Achse gelegene ebene Flächen für die Schweissverbindung zur Verfügung, zwei der quer gelegenen nur über einen Teil des Umfanges.

Eine vorteilhafte Lösung besteht darin, dass die Schweissraupen nur an den inneren achsnormalen inneren Flächen angeordnet sind (Anspruch 12). Sie beanspruchen dort praktisch keinen Bauraum und befinden sich an einer Stelle der Welle, an der sie durch die Stützwirkung des sie umgebenden Ausgleichsgewichtes nicht unter Spannung stehen.

Eine besonders schöne Lösung besteht darin, dass die Schweissraupen an den inneren achsparallelen inneren Flächen angeordnet sind (Anspruch 13) und deren zwei einander diametral gegenüberliegen (Anspruch 14). Damit sind eventuelle Wärmeverzüge zentrisch-symmetrisch und heben einander auf.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Abbildungen beschrieben und erläutert. Es stellen dar :
Fig. 1: Einen Längsschnitt durch den Erfindungsgegenstand,
Fig. 2: Einen Querschnitt nach B-B in Fig. 1, Fig. 3 : Querschnitt nach B-B in Fig. 1 in einer Variante,
Fig. 4: Einen Querschnitt durch eine erste andere Ausführungsform der Erfindung analog Fig. 2,

Fig. 5: Einen Querschnitt durch eine zweite andere Ausführungsform der Erfindung analog Fig. 2,
Fig. 6: Eine Draufsicht auf den Gegenstand der Fig. 1 in einer anderen
Ausführungsform, Fig. 7 : Variante zu Fig. 6.

In Fig. 1 und Fig. 2 ist eine Welle mit 1, deren Drehachse mit 3 und ein auf der Welle 1 befestigtes mitdrehendes Element mit 2 bezeichnet. Die Welle ist hier eine Ausgleichswelle, das mitdrehende Element ein Ausgleichsgewicht, das auf der zylindrischen Sitzfläche 4 der Welle 1 angebracht ist.

Die Welle 1 ist hier über ihre ganze Länge zylindrisch, könnte aber auch auf eine Seite des Elementes abgesetzt und im Durchmesser vergrössert sein, sodass sie dort eine grössere zylindrische Sitzfläche 4' hat.

Das Element 2, hier ein Ausgleichsgewicht, hat zwei äussere Flächen 6 und einen sich nur über einen Teil seines Umfanges erstreckenden Ausschnitt 7, der zwei innere Stirnflächen 8 bildet. Diese Stirnflächen liegen im allgemeinen quer zur Achse 3, im speziellen Fall normal zu Ihr. Zwischen den Flächen 6,8 und der zylindrischen Sitzfläche 4 der Welle wird so eine rechtwinkelige Kehle gebildet, die sich der Schweissung anbietet. Die Flä- chen 6,8 müssen nicht achsnormal sein ; genügt, dass deren Erzeugende mit der Sitzfläche 4 der Welle einen Winkel einschliesst, der in der Grössenordnung eines rechten Winkels ist. In den meisten Fällen sind die Flächen Ebenen.

Das Ausgleichsgewicht 2 besteht aus zwei Ringteilen 9 und einem Segmentteil 10 mit azentrischem Schwerpunkt 11. Die beiden Ringteile mit dem dazwischen liegenden Ausschnitt 7 bilden somit einen "Hosenträger", der den Segmentteil 10 im Betrieb gegen die Fliehkraft hält. Das Aus-

gleichsgewicht 2 hat eine zylindrische Sitzfläche 12, die beispielsweise mit Schiebesitz auf die zylindrische Sitzfläche 4 der Welle passt.

Die Welle besteht hier aus einem Vergütungsstahl, beispielsweise aus vergütetem 42 CrMo4, der unter normalen Umständen nicht gut schweissbar ist. Das Schweissen von Teilen mit gehärtetem Gefüge erfordert in der Regel besondere Massnahmen, beispielsweise besondere Schweisszusätze. Das Ausgleichsgewicht 2 besteht hier aus geschmiedetem Einsatzstahl, beispielsweise C 15, könnte aber auch aus Stahlguss bestehen.

Zur Festlegung des Ausgleichsgewichtes 2 auf der Welle 1 wird an den beiden inneren Flächen 8 je eine Schweissraupe 20 gelegt. Diese läuft von einem Anfangspunkt 21, dem Anfangskrater, über eine Rundung 22 in einem Bogenteil 23, der die eigentliche Schweissnaht darstellt, wieder über eine Rundung 22 zu einem Endpunkt 21', dem Endkrater. Die Höhe 24 der Schweissraupe 20, hier in der Winkelsymmetralen der verschweissten Flächen gemessen, kann klein sein. Sie beträgt beispielsweise bei einem Wellendurchmesser von 25 Millimeter 1,3 Millimeter. Durch diese nur dünne Schweissraupe wird dem Werkstück auch nur wenig Wärme zugeführt.

Fig. 3 ist eine Variante der Fig. 2, die sich von dieser nur dadurch unterscheidet, dass die Schweissraupe 30 zwischen Anfangs- und Endkrater 31, 31'geradlinig verläuft. Die Schweissnaht selbst ist dann nur die Zone 33, in der die Schweissraupe 30 die Welle 1 tangiert.

Fig. 4 zeigt ein weiteres Anwendungsbeispiel. Auf der Welle 1 sitzt eine Nabe 42. Zur deren Verbindung sind zwei einander gegenüberliegende Schweissraupen 40 vorgesehen, deren Verlauf der in der Fig. 2 dargestell-

ten gleicht. Der Vorteil der symmetrischen Anordnung der Schweissraupen hinsichtlich eventuellen Wärmeverzuges liegt auf der Hand.

Fig. 5 zeigt schliesslich als Anwendungsbeispiel die Befestigung eines Zahnrades 52 auf einer Welle 1. Hier sind drei geradlinige Schweissraupen 50 vorgesehen, deren Anfangskrater 51und Endkrater 51'wieder nur auf dem Zahnrad 52 liegen, abseits der Welle 1. Eine erfindungsgemässe Schweissverbindung kann an allen Stirnflächen ausgeführt werden, im vorliegenden Fall also auch auf der in der Abbildung unsichbaren Seite des Zahnrades 52.

Die Schweissung selbst wird vorzugsweise im WIG oder MIG-Verfahren unter Schutzgas durchgeführt, wobei bei der beispielsweisen Werkstoffpaarung ein austhenitischer Zusatzdraht zugeführt wird. Im Sinne einer Minimierung der Wärmezufuhr sollte der Zusatzdraht kalt, also nicht vorgewärmt, zugeführt werden.

Fig. 6 zeigt eine andere Ausführungsform der Schweissverbindung am Beispiel der Ausgleichswelle der Fig. 1, die hier aber nicht geschnitten, sondern in Ansicht dargestellt ist. Diese andere Ausführungsform kann alternativ oder zusätzlich zu der der Fig. 1 eingesetzt werden.

Der in der Abwicklung rechteckige Ausschnitt 7 ist von den beiden inneren Flächen 8 in achsnormalen Ebenen und zwei weiteren inneren Flächen 60 in achsparallelen Ebenen begrenzt. Auch diese beiden Flächen 60 bilden mit der Sitzfläche der Welle Kehlen, die in dieser Ausführungsform je eine Schweissraupe 61 aufnehmen. Diese verläuft von einem Anfangskrater 62 in einer Ausrundung 63 zu dem geraden Teil, der die Schweissverbindung herstellt und wieder in einer Ausrundung zum Endkrater 62'. Die beiden

Krater 62,62' liegen wieder nur auf den inneren Flächen 60 des Aus- gleichsgewichtes 10.

In der Variante der Fig. 7 verläuft die Schweissraupe 71 vom Anfangskrater 72 in einem Bogen, vorzugsweise einem Kreisbo- gen, zum Endkrater 72'. Dabei stellt die bogenförmige Schweissraupe 71 über eine Länge 74 die Verbindung zwischen Welle und Ausgleichsge- wicht her.

Die beschriebenen Schweisserbindungen haben in Versuchen ausserge- wöhnlich gute Dauerfestigkeitswerte bei ungeminderter Laufpräzision der Wellen erreicht.

Claims

Ansprüche 1. Welle ( 1 ) mit auf ihr angebrachtem und befestigtem mitrotierenden Element (2), wobei die Welle zumindest in der Region, in der das Element angebracht wird, zylindrisch ist, und das Element eine zylindrische Sitzflä- che (12) und zumindest eine quer zur Sitzfläche gelegene Fläche aufweist, und wobei die Schweissung in der zwischen der Sitzfläche der Welle und der quer zur Sitzfläche gelegenen Fläche des Elementes gebildeten Kehle erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass eine Schweissraupe (20; 30 ; 40;50; 61; 71) an einem Anfangspunkt (21; 31; 41; 51; 62 ; 72) auf der quer zur Sitzfläche der Welle (1) gelegenen Fläche (6; 8 ; beginnt, zur Kehle ge- führt und dann wieder zu einem Endpunkt (21' ;31' ;41' ;51'; 62';

72') auf der quer zur Sitzfläche gelegenen Fläche (6; 8 ; geführt ist.
2. Welle nach Anspruch 1, wobei die quer zur Sitzfläche der Welle gele- genen Fläche (6; 8) im wesentlichen achsnormal ist, dadurch gekennzeich- net, dass die Schweissraupe (20; 40 ;) Anfangspunkt (21; 41) zur Kehle geführt ist, dieser über einen Bogenteil (23) folgt und dann mit einer Rundung (22) zum Endpunkt (21 '; 41') geführt ist.
3. Welle nach Anspruch l, wobei die quer zur Sitzfläche der Welle gele- genen Fläche (6; 8) im wesentlichen achsnormal ist, dadurch gekennzeich- net, dass die Schweissraupe (30; 50) geradlinig vom Anfangspunkt (31; 51) zum Endpunkt (31'; 5 1') geführt ist und dazwischen die Kehle tangiert. <Desc/Clms Page number 11>
4. Welle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die quer zur Sitzfläche (12) gelegenen Fläche (60) im wesentlichen achsparallel ist und dass die Schweissraupe (61) vom Anfangspunkt (62) in einer Rundung (63) 5 zur Kehle und weiter zum Endpunkt (62') geführt ist.
5. Welle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die quer zur Sitzfläche (12) gelegenen Fläche (60) im wesentlichen achsparallel ist und dass die Schweissraupe (71) vom Anfangspunkt (72) bis zum Endpunkt 10 (72') in einem die Kehle tangierenden Bogen (74) geführt ist.
6. Welle nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Element mehrere in gleichen Winkelabständen voneinander über den Umfang ver- teilte im wesentlichen achsparallele Flächen aufweist, deren jede mit der 15 Welle eine Schweissraupe aufnehmende Kehle bildet.
7. Welle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Höhe (24) der Schweissraupe 1/15 bis 1/25 des Durchmessers der Welle (1) beträgt.

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8. Welle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwei- ssung unter Schutzgas und mit Zufuhr eines kalten Zusatzdrahtes erfolgt.
9. Welle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schweis- sung unter Schutzgas und mit Zufuhr eines austenitischen Zusatzdrahtes 25 erfolgt. <Desc/Clms Page number 12>
10. Welle nach Anspruch 1, wobei die Welle (1) eine Ausgleichswelle ei- ner Verbrennungskraftmaschine und das Element (2) ein Ausgleichsge- wicht mit exzentrischem Schwerpunkt (11) ist, dadurch gekennzeichnet, 5 dass die Schweissung an der dem Schwerpunkt (1) abgewandten Seite der Welle (1) angeordnet ist.
11. Welle nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Aus- gleichsgewicht ein exzentrischer Ring mit zwei achsnormalen äusseren 10 Flächen (6) und einem Ausschnitt (7) an der dem Schwerpunkt (11) abge- wandten Seite der Welle (1) ist, sodass es aus zwei Ringteilen (9) mit ein- ander zugewandten inneren Flächen (8) beiderseits des Ausschnittes (7) und aus einem Segmentteil (10) auf der Seite des exzentrischen Schwer- punktes besteht.

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12. Welle nach Anspruch 11, wobei die inneren Flächen (8) achsnormal sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Schweissraupen (20; 30) an den achsnormalen inneren Flächen (8) angeordnet sind.

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13. Welle nach Anspruch 11, wobei die inneren Flächen (60) achsparallel sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Schweissraupen (61; 71) an den achsparallelen inneren Flächen (60) angeordnet sind.
14. Welle nach Anspruch 13, wobei die inneren Flächen (60) achsparalell 25 sind, dadurch gekennzeichnet, dass die achsparallelen inneren Flächen (60) einander gegenüberliegen und deren jede eine Schweissraupe (61; 71) aufnimmt.