DE10013878A1

DE10013878A1 - Spanlos hergestellte Schaltwelle

Info

Publication number: DE10013878A1
Application number: DE2000113878
Authority: DE
Inventors: Peter Jennes
Original assignee: INA Waelzlager Schaeffler OHG
Current assignee: IHO Holding GmbH and Co KG
Priority date: 2000-03-21
Filing date: 2000-03-21
Publication date: 2001-09-27
Also published as: DE10191073D2; WO2001071222A1; DE10191073B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Schaltwelle (1a) für eine Getriebeschaltung, die einstückig mit einem rotationssymmetrischen Schaltprofil (4a) versehen und durch ein spanloses Umformverfahren hergestellt ist.

Description

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltwelle, die für eine Getriebeschaltung eines Zahnräderwechselgetriebes bestimmt ist. Die verschiebbar und verdreh bar in dem Getriebegehäuse gelagerte Schaltwelle ermöglicht einen Gang wechsel, d. h. einen Zahnradwechsel, mit dem die Drehzahl und das Drehmo ment einer Getriebeausgangswelle variiert werden kann. Dazu steht die Schaltwelle mit Mitnehmern oder Übertragungselementen in einer Wirkverbin dung, die vorzugsweise in ein Schaltprofil oder ein Rastprofil der Schaltwelle formschlüssig eingreifen. Derartige Schaltungen sind in heutigen Fahrzeugen üblich und jedem Autofahrer bekannt. Diese Gangschaltung kann entweder manuell oder automatisch betätigt werden.

Schaltwellen bisheriger Bauart sind üblicherweise Vollwellen mit partiellen Ausfräsungen zur Darstellung des Rastprofils oder des Schaltprofils. Für die Herstellung dieses Profils wird üblicherweise ein aufwendiges und kosteninten sives Kopierfräsen oder Konturfräsen angewendet. Diese Maßnahmen gewäh ren die geforderte positionsgenaue Anordnung und Lage der Profilkämme des Schaltprofils. Die partielle Ausfräsung, die sich teilweise über die Wellenmitte erstreckt, bedingt eine deutliche Schwächung, wodurch die geforderte Festig keit der Schaltwelle nicht mehr gewährleistet ist. Infolge dessen überschreitet die Schaltwelle Grenzwerte für die Durchbiegung, mit der Folge, dass Härte verzüge auftreten und die Schaltwelle unbrauchbar wird.

Einen Ausschnitt aus einer bekannten Getriebeschaltung zeigt die DE 198 05 924 A1. Diese Schaltung umfasst eine Schaltwelle, die als Rohrkörper getaltet ist, wobei in beide Rohrenden jeweils ein am Getriebegehäuse fixierter Zapfen eingreift, auf dem über ein Lager die Schaltwelle verdrehbar und axial ver schiebbar angeordnet ist. Die Schaltwelle ist versehen mit Schaltfingern, die mit einem Mitnehmer in Eingriff stehen, zur Betätigung einer Schaltgabel. Die bekannte, als Hohlkörper gestaltete Schaltwelle ist weiterhin mit einer separa ten Rastierhülse versehen, die mit einer der Schaltwelle nebengeordneten Ku gelraste zusammenwirkt, zur Begrenzung des Schaltweges, bzw. zur Lagefixie rung einer Schaltwellenposition. Diese bekannte Schaltwelle umfasst viele Ein zelteile, die durch eine Schweißverbindung unlösbar mit der Schaltwelle ver bunden sind. Die Schweißung erfordert einen hohen Aufwand zur Vermeidung von Spannungsrissen bzw. zur Einhaltung von geforderten Lage- und Formto leranzen. Dadurch erhöhen sich nachteilig die Herstellkosten dieser bekannten Schaltwelle.

Aufgabe der Erfindung

Von den Nachteilen der bekannten Schaltwelle ausgehend, ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Schaltwelle zu schaffen, die eine kostengünstige Herstellung und eine verbesserte Festigkeit beinhaltet.

Zusammenfassung der Erfindung

Zur Lösung der zuvor genannten Problemstellung ist die erfindungsgemäße Schaltwelle mit einem Schaltprofil bzw. einem Rastprofil versehen, welches spanlos geformte, radial ausgerichtete Sicken und/oder Wandungen umfasst. Die paarweise angeordneten Sicken begrenzen axial eine Führungsnut, die auch als Ringnut zu bezeichnen ist, in die der Schaltwelle nebengeordnete Übertragungselemente formschlüssig eingreifen. Als Übertragungselement kann beispielsweise eine Schaltgabel oder eine Arretierung dienen, die form schlüssig in die Führungsnut eingreift.

Die Erfindung, die sich auf ein rotationssymmetrisch gestaltetes, spanlos her gestelltes Schaltwellenprofil bezieht, verbessert die Festigkeit der Schaltwelle aufgrund einer Materialverfestigung, die sich bei dem Umformprozeß zur Her stellung des Schaltprofils einstellt. Die rotationssymmetrische Anordnung des Schaltprofils erfordert weiterhin keine positionsgenaue Montage der Schalt welle, die folglich automatisiert in das Getriebe eingesetzt werden kann, wo durch sich ein weiterer Kostenvorteil einstellt.

Die Erfindung realisiert damit die Forderung nach einer kostengünstigen Her stellung der gesamten Schaltwelle, wobei deren Schalt- bzw. Rastprofile an beliebiger Stelle der Schaltwelle positioniert werden können. Die Erfindung bietet darüber hinaus ein weiteres Einsparpotential, indem von einem Hohlkör perprofil ausgehend, Schaltwellen mit unterschiedlichen Rast- oder Schaltpro filen herstellbar sind.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der ab hängigen Ansprüche 2 bis 11.

Zur Herstellung des erfindungsgemäßen Schaltprofils eignet sich vorteilhaft ein Rundknetverfahren, mit dem das Schalt- oder Rastprofil der Schaltwelle aus der Wandung des Hohlkörpers durch ein formloses Kneten herausgeformt wird. Durch die plastische Verformung des Werkstoffs beim Rundkneten stellt sich eine Gefügeveränderung ein, eine Kornstreckung, verbunden mit einer Zunah me der mechanischen Festigkeit und der Härte. Die Elastizitätsgrenze wird in der Belastungsrichtung erhöht und die Gefügestruktur geht in eine Art Textur über, wobei sich speziell an den Stellen der größten Umformung, den Profil übergängen, ein günstiger die Festigkeit verbessernder Faserverlauf einstellt. Mit dem Rundknetverfahren ist eine Zunahme der Zugfestigkeit von ca. 20% erzielbar.

Das Rundknetverfahren eignet sich in vorteilhafter Weise für rotationssymmetri sche Formen. Als Ausgangsmaterial werden vorzugsweise Rohre in nahtlos gezogener oder geschweißter Ausführung eingesetzt. Im Bereich von Quer schnittsübergängen ist das erfindungsgemäße Schaltprofil so gestaltet, dass scharfe Kanten oder schroffe Übergänge vermieden werden. Das zur Herstel lung vorgesehene Knetverfahren ermöglicht die Herstellung von erfindungsge mäßen Schaltwellen in großen Stückzahlen und in laufenden Produktionspro zessen. Damit eignet sich das Rundknetverfahren ebenfalls für eine Großseri enproduktion, wie sie für Schaltwellen in Fahrzeugen, insbesondere Personen kraftwagen, erforderlich ist.

Das Rundknetverfahren ermöglicht die Herstellung von Schaltprofilen, in einer Qualität, die einer Feinbearbeitung entspricht, wobei diese bei einer spange benden Bearbeitung nur unter hohem Aufwand erzielbar ist. Aufgrund der sich einstellenden Gefügeveränderungen beim Knetvorgang, die gleichzeitig eine verbesserte Festigkeit ergibt, kann auf eine zusätzliche Wärmebehandlung der Schaltwelle verzichtet werden. Das zur Herstellung des Schaltprofils vorgese hene Rundknetverfahren eignet sich sowohl für Außenprofilierungen als auch für Innenprofilierungen.

Die Einsparung an Material durch verlustlose Umformung des Werkstückes und die höhere Widerstandsfähigkeit kaltverfestigter Oberflächen gegen Ver schleiß und Korrosion sind ein weiterer Vorteil gegenüber einer spangebenden Bearbeitung der Schaltwelle zur Ausbildung des Schaltprofils. Gegenüber massiven Vollmaterial-Schaltwellen bietet die erfindungsgemäße, als Hohlkör per gestaltete Schaltwelle einen Gewichtsvorteil von bis zu 75%.

Die Erfindung schließt weiterhin zur Herstellung der erfindungsgemäßen Schaltwelle ein hydraulisches Hochdruckumformen ein. Dazu eignet sich ins besondere ein Innenhochdruckverfahren (IHV), mit dem eine nahezu beliebige Materialumformung erzielbar ist. Diese beispielsweise mit hohem Wasserdruck arbeitende Streck-Umformtechnik eignet sich für eine freie Formgebung in Metall, aber auch für eine vorgegebene Kontur, beispielsweise ein Schaltpro fils.

Die präzise Ausführung solcher Formteile in engsten Toleranzen kann großse rienmäßig hergestellt werden. Da die Herstellung verschleißfrei erfolgt, ergibt sich eine hohe Fertigungsgenauigkeit des Schaltprofils bzw. der Schaltwelle, die keinerlei Nacharbeit erfordert. Das hydraulische Hochdruckumformen ist außerdem eine rationelle Methode, weil verschiedene Radien sowie verschie dene Konturen des Schaltprofils an einer Schaltwelle in nur einem Arbeitsgang umgeformt werden können.

Die Erfindung schließt weiterhin Schaltwellen ein, bei der das Schaltprofil an beliebiger Stelle in die Wandung des Hohlkörpers eingeformt ist. Alternativ dazu kann das Schaltprofil als ein separates spanlos hergestelltes Bauteil mit einem Rohrkörper kombiniert werden. Zur Befestigung eines derartigen Schalt profils verfügt dieses vorteilhaft über an beiden Stirnseiten angeordnete axiale Ansätze oder über axial ausgerichtete, sektionsweise angeordnete Befesti gungslaschen, über dies das separate Schaltprofil unlösbar an dem Rohrkörper befestig ist.

Die geometrische Gestaltung des Schaltprofils ist vorzugsweise in Form eines trapezförmigen Querschnitts ausgebildet. Abhängig von der Anordnung der Übertragungselemente, die der Schaltwelle nebengeordnet sind, kann das Schaltprofil als Innen- oder Außenprofilierung ausgebildet werden. Die erfin dungsgemäßen spanlosen Umformverfahren ermöglichen sowohl ein radial aus der Mantelfläche des Hohlkörpers austretendes Schaltprofil als auch eine in Richtung einer Längsachse der Schaltwelle ausgerichtete Profilierung. Weiter hin schließt die Erfindung eine Schaltwelle mit geometrisch unterschiedlich gestalteten und ausgerichteten Schaltprofilen ein, d. h. neben einem als Au ßenprofilierung gestalteten Schaltprofil verfügt die Schaltwelle ebenfalls über eine Innenprofilierung.

Das spanlose Herstellverfahren der erfindungsgemäßen Schaltwelle erstreckt sich außerdem auf Bereiche der Schaltwelle, die versetzt zu dem Schaltprofil angeordnet sind, wie beispielsweise ein Lagersitz bzw. eine Lagerlaufbahn, mit der die Schaltwelle drehbar und verschiebbar im Getriebegehäuse angeordnet ist. Ein derartiger Lagersitz kann beispielsweise als ein zylindrischer Ansatz ausgebildet sein, der radial versetzt zur übrigen Mantelfläche der Schaltwelle angeordnet ist.

Bedingt durch den Herstellungsprozeß ergibt sich eine weitestgehend überein stimmende Wandstärke in allen Bereichen der erfindungsgemäß gestalteten Schaltwelle. Die Wandstärke im zylindrischen Bereich der Schaltwelle übertrifft dabei jedoch die Wandstärke im Bereich des Schaltprofils.

Als Werkstoff für die erfindungsgemäße Schaltwelle ist ein kaltumformbares Metall oder eine kaltumformbare Legierung vorgesehen. Dieses kann bei spielsweise ein geeigneter kohlenstoffhaltiger Stahl sein, der wärmebehandel bar, aber auch ausreichend dehnungsfähig ist, um eine Umformung ohne Rei ßen zu ermöglichen. Als geeignete Werkstoffe gelten beispielsweise 15CR3, 32CrMo4, 38CrSiV66 oder 10 S 20.

Grundsätzlich lassen sich alle Werkstoffe gut umformen, deren Ausgangsfe stigkeit die Grenze von 120 kp/mm² nicht übersteigt. Wesentlich für gute Ferti gungsergebnisse ist eine möglichst hohe Dehnung, die in einem Bereich von 8 bis 10% liegt.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Vorteilhafte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dar gestellt, die nachfolgend näher beschrieben sind. Es zeigen:

Fig. 1 eine erfindungsgemäße Schaltwelle in einem Halbschnitt mit einem radial nach außen gerichteten Schaltprofil;

Fig. 2 einen Ausschnitt einer Schaltwelle, deren Schaltprofil radi al nach innen gerichtet ist;

Fig. 3 einen Ausschnitt einer zweiteilig aufgebauten Schaltwelle, bei der auf einem Rohrkörper ein separates Schaltprofil aufgesetzt ist.

Detaillierte Beschreibung der Zeichnungen

Die in Fig. 1 in einem Halbschnitt abgebildete Schaltwelle 1a umfasst einen rotationssymmetrisch gestalteten Hohlkörper 2a. In eine Mantelfläche 3 des Hohlkörpers 2a ist durch ein spanloses Umformverfahren ein Schaltprofil 4a eingeformt, das zwei Führungsnuten 5, 6 umfasst. Die Führungsnuten 5, 6 sind axial begrenzt durch Wandungen in Form von Sicken. In Fig. 1 begrenzen die Wandungen 8a, 8b die Führungsnut 5 und die weitere Führungsnut 6 ist von den Wandungen 8b und 8c seitlich begrenzt. Allen Wandungen 8a, 8b, 8c ge meinsam ist ein trapezartig geformtes Querschnittsprofil, die gemeinsam einen Profilkamm 10 bilden. Die geometrische Gestaltung der Wandungen 8a, 8b, 8c hinsichtlich der radialen Höhe sowie deren Längserstreckung kann sowohl gleich als auch unterschiedlich erfolgen, wobei die Formgebung in Abhängig keit des Übertragungselementes erfolgt, welches formschlüssig in die Füh rungsnut 5a, 6a eingreift, bzw. darin verrastet. Axial versetzt zu dem Schaltpro fil 4a verbunden durch einen zylindrischen Abschnitt 9 ist die Schaltwelle 1a beidseitig mit einem Lagersitz 11, 12 versehen, der eine längenbegrenzte, zy lindrische Aufnahmefläche beispielsweise für ein Wälzlager oder eine Rollen führung bildet, um damit eine Axialverschiebung und/oder eine Drehbewegung der Schaltwelle 1 zu ermöglichen.

Die Fig. 2 zeigt einen Ausschnitt der Schaltwelle 1b, deren Schaltprofil 4b abweichend zur Schaltwelle 1a radial nach innen, d. h. in Richtung einer Längsachse 13 zeigend ausgerichtet ist. Das erfindungsgemäße spanlose Umformverfahren ermöglicht ebenfalls die Herstellung einer Schaltwelle 1b mit einem als Innenprofil gestalteten Schaltprofil 4b, welches gemäß Fig. 2 mit insgesamt drei Führungsnuten 5, 6, 7 versehen ist, die jeweils ein trapezartig geformtes Querschnittsprofil aufweisen.

Einen zweiteiligen Aufbau einer Schaltwelle 1c zeigt die Fig. 3. Dazu ist auf einem rohrförmigen Hohlkörper 2c ein als separates Bauteil ausgebildetes Schaltprofil 4c angeordnet. Die Ausbildung des Schaltprofils 4c entspricht dem in Fig. 1 abgebildeten Schaltprofil 4a. Zur Befestigung des Schaltprofils 4c auf der Mantelfläche 3 des Hohlkörpers 2c dient ein vorzugsweise zylindrischer Ansatz 14, 15, welcher unlösbar, vorzugsweise mittels einer Schweißung, mit der Mantelfläche 3 des Hohlkörpers 2c verbunden ist. Alternativ zu der abge bildeten zweiteiligen Schaltwelle 1c kann diese auch mit weiteren separaten Schaltprofilen versehen werden.

Bezugszahlen

1

a Schaltwelle

1

b Schaltwelle
lc Schaltwelle

2

a Hohlkörper

2

b Hohlkörper

2

c Hohlkörper

3

Mantelfläche

4

a Schaltprofil

4

b Schaltprofil

4

c Schaltprofil

5

Führungsnut

6

Führungsnut

7

Führungsnut

8

a Wandung

8

b Wandung

8

c Wandung

9

zylindrischer Abschnitt

10

Profilkamm

11

Lagersitz

12

Lagersitz

13

Längsachse

14

Ansatz

15

Ansatz

Claims

1. Schaltwelle für eine Getriebeschaltung eines insbesondere mechanisch schaltbaren Zahnräderwechselgetriebes, die Schaltwelle (1a, 1b, 1c) ist verschiebbar und verdrehbar in einem Getriebegehäuse angeordnet und als ein rotationssymmetrischer, spanlos hergestellter metallischer Hohl körper (2a, 2b, 2c) ausgebildet mit zumindest einem Schaltprofil (4a, 4b, 4c) und/oder einem Rastprofil, wobei das Profil mehrere radial ausge richtete, insbesondere paarweise angeordnete und axial beabstandete Wandungen (8a, 8b, 8c) umfasst, die eine Führungsnut (5, 6, 7) begren zen, in die der Schaltwelle (1a, 1b, lc) nebengeordnete Übertragungs elemente formschlüssig eingreifen.

2. Schaltwelle nach Anspruch 1, deren Schaltprofil (4a, 4b, 4c) mittels ei nes Rundknetverfahrens hergestellt ist, mit dem auch die übrige Ge staltung der Schaltwelle (1a, 1b, lc) erfolgt.

3. Schaltwelle nach Anspruch 1, deren gesamte Kontur durch ein hydrauli sches Hochdruckumformen hergestellt ist.

4. Schaltwelle nach Anspruch 1, mit einem einteiligen Aufbau, der einen Hohlkörper (4a, 4b) umfasst, in dessen Mantelfläche (3) das Schaltprofil (4a, 4b) eingebracht ist (Fig. 1, Fig. 2).

5. Schaltwelle nach Anspruch 1, die zumindest zwei Bauteile umfasst, ei nen Hohlkörper (2c), dem ein als separates Bauteil gestaltetes Schalt profil (4c) zugeordnet ist (Fig. 3).

6. Schaftwelle nach Anspruch 5, bei der das separate Schaltprofil (4c) beidseitig mit einem zylindrischen Ansatz (14, 15) versehen ist, mit dem das Schaltprofil (4c) an der Mantelfläche (3) des Hohlkörpers (2c) befe stigt ist (Fig. 3).

7. Schaltwelle nach Anspruch 1, deren Schaltprofil (4a) radial aus der Mantelfläche (3) der Schaltwelle (1a) austretende Wandungen (8a, 8b, 8c) umfasst, die einen Profilkamm (10) bilden (Fig. 1).

8. Schaltwelle nach Anspruch 1, wobei deren Schaltprofil (4b) radial nach innen in Richtung einer Längsachse (13) der Schaltwelle (1b) ausge richtete Wandungen aufweist (Fig. 2).

9. Schaltwelle nach Anspruch 1, die zumindest einen Lagersitz (11, 12) aufweist, der axial zu dem Schaltprofil (1a) und radial zu einer Mantel fläche (3) der Schaltwelle (1a) versetzt angeordnet ist (Fig. 1).

10. Schaltwelle nach Anspruch 1, deren Wandstärke in einem zylindrischen Abschnitt (9) des Hohlkörpers (2a) die Wandstärke im Bereich des Schaltprofils (4a) übertrifft.

11. Schaltwelle nach Anspruch 1, deren Hohlkörper (2a, 2b, 2c) aus einem kaltumformbaren Material oder einer kaltumformbaren Legierung herge stellt ist.