DE10191073B4 - Non-cutting control shaft - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Schaltwelle (1a) für eine Getriebeschaltung, die einstückig mit einem rotationssymmetrischen Schaltprofil (4a) versehen und ist durch ein spanloses Umformverfahren hergestellt ist.The invention relates to a shift shaft (1a) for a transmission circuit, which is integrally provided with a rotationally symmetrical shift profile (4a) and is produced by a chipless forming process.
Description
Gebiet der ErfindungField of the invention
Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltwelle, die für eine Getriebeschaltung eines Zahnräderwechselgetriebes bestimmt ist. Die verschiebbar und verdrehbar in dem Getriebegehäuse gelagerte Schaltwelle ermöglicht einen Gangwechsel, d. h. einen Zahnradwechsel, mit dem die Drehzahl und das Drehmoment einer Getriebeausgangswelle variiert werden kann. Dazu steht die Schaltwelle mit Mitnehmern oder Übertragungselementen in einer Wirkverbindung, 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.The invention relates to a switching shaft which is intended for a transmission circuit of a change-speed gearbox. The slidably and rotatably mounted in the transmission housing shift shaft allows a gear change, d. H. a gear change, with the speed and torque of a transmission output shaft can be varied. For this purpose, the shift shaft with carriers or transmission elements in an operative connection, which preferably engage positively in a shift profile or a locking profile of the shift shaft. Such circuits are common in today's vehicles and known to every driver. This gearshift can be operated either manually or automatically.
Schaltwellen bisheriger Bauart sind üblicherweise Vollwellen mit partiellen Ausfräsungen zur Darstellung des Schaltprofils. Für die Herstellung dieses Profils wird üblicherweise ein aufwendiges und kostenintensives Kopierfräsen oder Konturfräsen angewendet. Diese Maßnahmen gewähren 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 Festigkeit der Schaltwelle nicht mehr gewährleistet ist. Infolge dessen überschreitet die Schaltwelle Grenzwerte für die Durchbiegung, mit der Folge, dass Härteverzüge auftreten und die Schaltwelle unbrauchbar wird.Switching shafts of previous design are usually solid shafts with partial cutouts for the representation of the switching profile. For the production of this profile usually a complex and costly copy milling or contour milling is applied. These measures provide the required positionally accurate arrangement and position of the profile crests of the switching profile. The partial cutout, which extends partially over the shaft center, causes a significant weakening, whereby the required strength of the shift shaft is no longer guaranteed. As a result, the shift shaft exceeds limits for deflection, with the result that hardening distortion occurs and the shift shaft is unusable.
Einen Ausschnitt aus einer bekannten Getriebeschaltung zeigt die
Aufgabe der ErfindungObject of the invention
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.Starting from the disadvantages of the known shift shaft, it is an object of the present invention to provide a shift shaft, which includes a cost-effective production and improved strength.
Zusammenfassung der ErfindungSummary of the invention
Zur Lösung der zuvor genannten Problemstellung ist die erfindungsgemäße Schaltwelle mit einem Schaltprofil 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 formschlüssig in die Führungsnut eingreift.To solve the aforementioned problem, the switching shaft according to the invention is provided with a switching profile, which comprises non-cutting, radially aligned beads and / or walls. The paired beads define axially a guide, which should also be referred to as an annular groove, in which the shift shaft adjacent transmission elements engage positively. As a transmission element, for example, serve a shift fork or a locking, which engages positively in the guide groove.
Die Erfindung, die sich auf ein rotationssymmetrisch gestaltetes, spanlos hergestelltes Schaltwellenprofil bezieht, verbessert die Festigkeit der Schaltwelle aufgrund einer Materialverfestigung, die sich bei dem Umformprozeß zur Herstellung des Schaltprofils einstellt. Die rotationssymmetrische Anordnung des Profils erfordert weiterhin keine positionsgenaue Montage der Schaltwelle, die folglich automatisiert in das Getriebe eingesetzt werden kann, wodurch sich ein weiterer Kostenvorteil einstellt.The invention, which relates to a rotationally symmetrical designed, chipless manufactured switch shaft profile, improves the strength of the shift shaft due to a material consolidation, which is established in the forming process for the production of the shift profile. The rotationally symmetrical arrangement of the profile further requires no positionally accurate mounting of the shift shaft, which can consequently be used automatically in the transmission, which sets a further cost advantage.
Die Erfindung realisiert damit die Forderung nach einer kostengünstigen Herstellung der gesamten Schaltwelle, wobei deren Schaltprofile an beliebiger Stelle der Schaltwelle positioniert werden können. Die Erfindung bietet darüber hinaus ein weiteres Einsparpotential, indem von einem Hohlkörperprofil ausgehend, Schaltwellen mit unterschiedlichen Rast- oder Schaltprofilen herstellbar sind.The invention thus realizes the requirement for a cost-effective production of the entire shift shaft, wherein the shift profiles can be positioned at any point of the shift shaft. The invention also offers a further potential savings, starting from a hollow body profile, switching shafts with different locking or switching profiles can be produced.
Zur Herstellung des 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 Zunahme 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 Profilübergängen, ein günstiger die Festigkeit verbessernder Faserverlauf einstellt. Mit dem Rundknetverfahren ist eine Zunahme der Zugfestigkeit von ca. 20% erzielbar.To produce the switching profile is advantageously a rotary swaging method, with which the switching or locking profile of the switching shaft from the wall of the hollow body is shaped by a formless kneading. Due to the plastic deformation of the material during the swaging, a microstructural change occurs, a grain extension, associated with an increase in mechanical strength and hardness. The elastic limit is increased in the loading direction and the microstructure changes into a kind of texture, whereby, especially at the points of greatest deformation, the Profile transitions, a favorable setting the strength improving fiber flow. With the rotary swaging method, an increase in tensile strength of about 20% can be achieved.
Das Rundknetverfahren eignet sich in vorteilhafter weise für rotationssymmetrische Formen. Als Ausgangsmaterial werden vorzugsweise Rohre in nahtlos gezogener oder geschweißter Ausführung eingesetzt. Im Bereich von Querschnittsübergängen ist das erfindungsgemäße Schaltprofil so gestaltet, dass scharfe Kanten oder schroffe Übergänge vermieden werden. Das zur Herstellung vorgesehene Knetverfahren ermöglicht die Herstellung von erfindungsgemäßen Schaltwellen in großen Stückzahlen und in laufenden Produktionsprozessen. Damit eignet sich das Rundknetverfahren ebenfalls für eine Großserienproduktion, wie sie für Schaltwellen in Fahrzeugen, insbesondere Personenkraftwagen, erforderlich ist.The rotary swaging method is advantageously suitable for rotationally symmetrical shapes. As a starting material tubes are preferably used in seamlessly drawn or welded design. In the area of cross-sectional transitions, the switching profile according to the invention is designed so that sharp edges or sharp transitions are avoided. The kneading method provided for the production makes it possible to produce switching shafts according to the invention in large numbers and in ongoing production processes. Thus, the rotary swaging method is also suitable for large-scale production, as required for shift shafts in vehicles, especially passenger cars.
Das Rundknetverfahren ermöglicht die Herstellung von Schaltprofilen, in einer Qualität, die einer Feinbearbeitung entspricht, wobei diese bei einer spangebenden 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 vorgesehene Rundknetverfahren eignet sich sowohl für Außenprofilierungen als auch für Innenprofilierungen.The rotary swaging method allows the production of switching profiles, in a quality that corresponds to a fine machining, which can be achieved only at great expense in a cutting machining. Due to the adjusting microstructural changes in the kneading process, which simultaneously results in improved strength, can be dispensed with an additional heat treatment of the shift shaft. The intended for the production of switching profile swaging method is suitable for both external profiles and internal profiles.
Die Einsparung an Material durch verlustlose Umformung des Werkstückes und die höhere Widerstandsfähigkeit kaltverfestigter Oberflächen gegen Verschleiß und Korrosion sind ein weiterer Vorteil gegenüber einer spangebenden Bearbeitung der Schaltwelle zur Ausbildung des Schaltprofils. Gegenüber massiven Vollmaterial-Schaltwellen bietet die erfindungsgemäße, als Hohlkörper gestaltete Schaltwelle einen Gewichtsvorteil von bis zu 75%.The saving of material by lossless deformation of the workpiece and the higher resistance hardened surfaces against wear and corrosion are another advantage over a cutting machining of the switching shaft to form the switching profile. Compared with solid solid material switching shafts, the invention designed as a hollow body shift shaft provides a weight advantage of up to 75%.
Die Erfindung schließt weiterhin zur Herstellung der erfindungsgemäßen Schaltwelle ein hydraulisches Hochdruckumformen ein. Dazu eignet sich insbesondere 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 eines Schaltprofils.The invention further includes for the production of the switching shaft according to the invention a hydraulic high-pressure forming. For this purpose, in particular a hydroforming process (IHV), with which a virtually any material deformation is achievable. This stretch-forming technique, which operates, for example, with high water pressure, is suitable for free shaping in metal, but also for a given contour, for example a switching profile.
Die präzise Ausführung solcher Formteile in engsten Toleranzen kann großserienmäßig hergestellt werden. Da die Herstellung verschleißfrei erfolgt, ergibt sich eine hohe Fertigungsgenauigkeit des Profils bzw. der Schaltwelle, die keinerlei Nacharbeit erfordert. Das hydraulische Hochdruckumformen ist außerdem eine rationelle Methode, weil verschiedene Radien sowie verschiedene Konturen des Profils an einer Schaltwelle in nur einem Arbeitsgang umgeformt werden können.The precise execution of such moldings in tight tolerances can be mass produced. Since the production is carried out without wear, there is a high manufacturing accuracy of the profile or the shift shaft, which requires no rework. The hydraulic high-pressure forming is also a rational method, because different radii and different contours of the profile can be converted to a shift shaft in a single operation.
Gemäß der Erfindung ist das Profil an beliebiger Stelle in die Wandung des Hohlkörpers eingeformt.According to the invention, the profile is formed at any point in the wall of the hollow body.
Die geometrische Gestaltung des Profils ist vorzugsweise in Form eines trapezförmigen Querschnitts ausgebildet. Abhängig von der Anordnung der Übertragungselemente, die der Schaltwelle nebengeordnet sind, kann das Schaltprofil als nicht-erfindungsgemäße Innen- oder Außenprofilierung ausgebildet werden. Die erfindungsgemäßen spanlosen Umformverfahren ermöglichen sowohl ein radial aus der Mantelfläche des Hohlkörpers austretendes Schaltprofil als auch eine in Richtung einer Längsachse der Schaltwelle ausgerichtete Profilierung. Weiterhin schließt die Erfindung eine Schaltwelle mit geometrisch unterschiedlich gestalteten und ausgerichteten Schaltprofilen ein, d. h. neben einem als Außenprofilierung gestalteten Schaltprofil verfügt die Schaltwelle ebenfalls über eine Innenprofilierung.The geometric configuration of the profile is preferably in the form of a trapezoidal cross section. Depending on the arrangement of the transmission elements, which are juxtaposed to the shift shaft, the shift profile can be formed as non-inventive inner or outer profiling. The non-cutting forming process according to the invention allow both a radially exiting from the lateral surface of the hollow body switching profile and a aligned in the direction of a longitudinal axis of the switching shaft profiling. Furthermore, the invention includes a switching shaft with geometrically differently designed and aligned switching profiles, d. H. In addition to a designed as external profiling switching profile, the switching shaft also has an internal profiling.
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.The non-cutting production method of the switching shaft according to the invention also extends to areas of the switching shaft, which are arranged offset to the shift profile, such as a bearing seat or a bearing raceway with which the shift shaft is rotatably and slidably disposed in the transmission housing. Such a bearing seat may be formed, for example, as a cylindrical projection, which is arranged radially offset from the remaining surface of the switching shaft.
Bedingt durch den Herstellungsprozeß ergibt sich eine weitestgehend übereinstimmende Wandstärke in allen Bereichen der erfindungsgemäß gestalteten Schaltwelle. Die Wandstärke im zylindrischen Bereich der Schaltwelle übertrifft dabei jedoch die Wandstärke im Bereich des Profils.Due to the manufacturing process results in a largely consistent wall thickness in all areas of the invention designed switching shaft. However, the wall thickness in the cylindrical region of the switching shaft exceeds the wall thickness in the region of the profile.
Als Werkstoff für die erfindungsgemäße Schaltwelle ist ein kaltumformbares Metall oder eine kaltumformbare Legierung vorgesehen. Dieses kann beispielsweise ein geeigneter kohlenstoffhaltiger Stahl sein, der wärmebehandelbar, aber auch ausreichend dehnungsfähig ist, um eine Umformung ohne Reißen zu ermöglichen. Als geeignete Werkstoffe gelten beispielsweise 15CR3, 32CrMo4, 38CrSiV66 oder 10 S 20.As a material for the switching shaft according to the invention a kaltumformbares metal or a cold-formable alloy is provided. This may be, for example, a suitable carbonaceous steel that is heat treatable but also sufficiently stretchable to permit forming without cracking. Suitable materials are, for example, 15CR3, 32CrMo4, 38CrSiV66 or 10S20.
Grundsätzlich lassen sich alle Werkstoffe gut umformen, deren Ausgangsfestigkeit die Grenze von 120 kp/mm2 nicht übersteigt. Wesentlich für gute Fertigungsergebnisse ist eine möglichst hohe Dehnung, die in einem Bereich von 8 bis 10% liegt.In principle, all materials whose initial strength does not exceed the limit of 120 kp / mm 2 can be well formed. Essential for good manufacturing results is the highest possible elongation, which is in a range of 8 to 10%.
Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings
Vorteilhafte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt, die nachfolgend näher beschrieben sind. Es zeigen:Advantageous embodiments of the invention are illustrated in the drawings, which are described in more detail below. Show it:
Detaillierte Beschreibung der ZeichnungenDetailed description of the drawings
Die in
Die
Einen zweiteiligen Aufbau einer Schaltwelle
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 1a1a
- Schaltwelleshift shaft
- 1b1b
- Schaltwelleshift shaft
- 1c1c
- Schaltwelleshift shaft
- 2a2a
- Hohlkörperhollow body
- 2b2 B
- Hohlkörperhollow body
- 2c2c
- Hohlkörperhollow body
- 33
- Mantelflächelateral surface
- 4a4a
- Schaltprofilswitching profile
- 4b4b
- Schaltprofilswitching profile
- 4c4c
- Schaltprofilswitching profile
- 55
- Führungsnutguide
- 66
- Führungsnutguide
- 77
- Führungsnutguide
- 8a8a
- Wandungwall
- 8b8b
- Wandungwall
- 8c8c
- Wandungwall
- 99
- zylindrischer Abschnittcylindrical section
- 1010
- Profilkammprofile cam
- 1111
- Lagersitzbearing seat
- 1212
- Lagersitzbearing seat
- 1313
- Längsachselongitudinal axis
- 1414
- Ansatzapproach
- 1515
- Ansatzapproach
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