DE102004001141B4

DE102004001141B4 - Verfahren zur Herstellung von Wellenzapfen und zur Herstellung einer gebauten Welle

Info

Publication number: DE102004001141B4
Application number: DE102004001141A
Authority: DE
Inventors: Rolf Dipl.-Ing. Cremerius
Original assignee: GKN Driveline International GmbH
Current assignee: GKN Driveline International GmbH
Priority date: 2004-01-07
Filing date: 2004-01-07
Publication date: 2006-07-13
Anticipated expiration: 2024-01-08
Also published as: DE102004001141A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung von Wellenzapfen zur Drehmomenteinleitung mit den Schritten:
– Bearbeiten eines stangenförmigen Bauteils, das mehrere Wellenzapfen ausbildet, wobei das Bearbeiten des stangenförmigen Bauteils das Ziehen von mehreren Wellenverzahnungen einschließt,
– anschließendes Trennen des stangenförmigen Bauteils in mehrere Wellenzapfen mit Wellenverzahnungen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Wellenzapfen und ein Verfahren zur Herstellung eine gebauten Welle mit zwei Wellenzapfen zur Einleitung von Drehmoment und einem Zwischenwellenabschnitt.

Wellen der vorstehend genannten Art werden häufig als Zwischenwellen in Gelenkwellen für Kraftfahrzeugantriebe eingesetzt, wobei die Zwischenwellen mit zwei Gleichlaufdrehgelenken zu einer vollständigen Gelenkwelle verbunden werden. Die Wellen haben hierbei an beiden Enden Wellenzapfen, die Wellenverzahnungen tragen, auf die Gelenkbauteile der Gleichlaufdrehgelenke mit entsprechenden Gegenverzahnungen zur Herstellung von drehmomentübertragenden Verbindungen aufgeschoben werden können. Zur gegenseitigen axialen Sicherung sind zusätzliche Elemente, in der Regel in Ringnuten eingreifende Sicherungsringe, vorgesehen. Wellen der genannten Art werden in großen Stückzahlen hergestellt. Zur Herstellung der Wellenverzahnungen an den Wellenzapfen werden aus Kostengründen zunehmend Ziehverfahren eingesetzt, wobei die Wellenenden zur spanlosen Umformung durch eine Matrize gedrückt werden. Es ist bereits bekannt, zur Rationalisierung die Ziehvorgänge an beiden Wellenzapfen einer Welle simultan auf einer entsprechenden Vorrichtung durchzuführen. Dieses Verfahren hat sich bei Wellen aus Vollmaterial inzwischen gut bewährt. ( DE 43 13 712 C2 )

Wellen der vorstehend genannten Art in modularem Aufbau aus zwei Wellenzapfen aus Vollmaterial und einem Zwischenwellenabschnitt in Form einer Hohlwelle sind ebenfalls bereits bekannt. ( DE 201 21 652 U1 )

Aus Gründen der Gewichtsersparnis und unter Gesichtspunkten des NVH-Verhaltens (noise, vibration, harshness) kommen zunehmend Monoblockwellen als Zwischenwellen in Gelenkwellen für Kraftfahrzeuge zum Einsatz. Damit sind einstückige Hohlwellen bezeichnet, die an ihren Wellenenden in der Regel im Durchmesser reduziert sind und dort ebenfalls äußere Wellenverzahnungen tragen. Aufgrund der beim Ziehen von Wellenverzahnungen auftretenden Kräfte ist das Ziehen der Wellenverzahnungen an Monoblockwellen in der Durchführung sehr anspruchsvoll ( DE 42 20 625 C1 ). Stattdessen können die Wellenverzahnungen beispielsweise durch Rundhämmern über einem Dorn erzeugt werden, der den Wellenzapfen während des Umformprozesses die erforderliche Formstabilität verleiht ( DE 101 18 032 A1 ). Diese Art der Herstellung der Wellenverzahnung ist deutlich teurer als das Ziehen von Wellenverzahnungen.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein neuartiges Verfahren zur Herstellung von Wellenzapfen, insbesondere zur Steckverbindung mit Gelenkbauteilen von Gleichlaufdrehgelenken und mit Zwischenwellen bereitzustellen. Der Erfindung liegt weiterhin die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung von Wellen der obengenannten Art bereitzustellen, mit dem Wellen mit gezielt verbesserten Eigenschaften kostengünstig hergestellt werden können.

Die Lösung besteht in einem Verfahren zur Herstellung von Wellenzapfen zur Drehmomenteinleitung, mit den Schritten:

– Bearbeiten eines stangenförmigen Bauteils, das mehrere Wellenzapfen ausbildet, wobei das Bearbeiten des stangenförmigen Bauteils das Ziehen von mehreren Welenverzahnungen einschließt,
– anschließendes Trennen des stangenförmigen Bauteils in mehrere Wellenzapfen mit Wellenverzahnungen.

Es ist hierbei zunächst darauf hinzuweisen, daß das hiermit angesprochene Herstellverfahren für das obengenannte Anwendungsgebiet der Wellenzapfen für Gelenkwellen besonders geeignet ist, jedoch keinesfalls auf die Herstellung von Wellenzap fen für diesen Anwendungsfall beschränkt ist. Vielmehr lassen sich nach dem erfindungsgemäßen Verfahren Wellenzapfen jeglicher Art mit Wellenverzahnungen rational herstellen.

Das erfindungsgemäße Bearbeiten eines stangenförmigen Bauteils, das mehrere Wellenzapfen ausbildet, kann mit einer Drehoperation beginnen, an die sich die Herstellung der Wellenverzahnung und die Wärmebehandlung der mehreren Wellenzapfen, die hier noch in dem stangenförmigen Bauteil verbunden sind, anschließen kann. Die Länge des stangenförmigen Materials entspricht hierbei der Länge der mehreren Wellenzapfen, wobei diese jeweils Verbindungsabschnitte umfassen können. Das Ziehen der einzelnen Wellenverzahnungen kann von einem Ende aus fortschreitend oder von beiden Enden aus simultan erfolgen. Das Härteverfahren kann an den noch als stangenförmiges Bauteil verbundenen Wellenzapfen durchgeführt werden.

Nachdem das stangenförmige Bauteil mit den mehreren Wellenzapfen im wesentlichen fertig bearbeitet ist, werden die einzelnen Wellenzapfen voneinander getrennt. Dies erfolgt bevorzugt durch Brechen des Bauteils, wobei bei den Drehoperationen an der Trennstelle eine Schwächungsnut vorgesehen worden sein kann. Sofern beim Trennen zugleich eine stirnseitige Anschlußfläche erzeugt werden soll, kann das Trennen auch durch eine normale Drehoperation erfolgen. Die maximale Anzahl der mehreren Wellenzapfen an einem stangenförmigen Bauteil richtet sich nach den vorhandenen Bearbeitungs- und Wärmebehandlungsvorrichtungen.

Die Lösung besteht weiterhin in einem Verfahren zur Herstellung von gebauten Wellen mit zwei Wellenzapfen zur Drehmomenteinleitung und einem Zwischenwellenabschnitt, mit den Schritten:

– Bearbeiten eines stangenförmigen Bauteils, das beide Wellenzapfen ausbildet, wobei das Bearbeiten des stangenförmigen Bauteils das Ziehen von Wellenverzahnungen einschließt,
– anschließendes Trennen des stangenförmigen Bauteils in mehrere Wellenzapfen mit Wellenverzahnungen,
– Verbinden der beiden Wellenzapfen mit einem Zwischenwellenelement zur fertigen Welle.

Es ist hierbei zunächst darauf hinzuweisen, daß das hiermit angesprochene Herstellverfahren für das obengenannte Anwendungsgebiet der Zwischenwellen für Gelenkwellen besonders geeignet ist, jedoch keinesfalls auf die Herstellung von Wellen für diesen Anwendungsfall beschränkt ist. Vielmehr lassen sich nach dem erfindungsgemäßen Verfahren Wellen jeglicher Art rational herstellen, die Wellenzapfen mit entsprechenden Materialqualitäten mit Wellenverzahnungen für die Drehmomenteinleitung aufweisen. Hierbei kann der Zwischenwellenabschnitt sich von den Wellenzapfen in den Anforderungen unterscheiden. Hierbei kann insbesondere für den Zwischenwellenabschnitt entweder besonders kostengünstiges Material verwendet werden, oder es kann aus Gewichtsersparnisgründen eine Hohlwelle als Zwischenwellenabschnitt eingesetzt werden oder es kann, z. B. unter NVH-Gesichtspunkten, ein gänzlich anderes Material, z. B. Aluminium, im Vergleich mit dem Material der Wellenzapfen verwendet werden.

Wie aus vorstehendem erkennbar, ist mit dem neuen erfindungsgemäßen Verfahren die Möglichkeit gegeben, unterschiedliche Zielsetzungen zu verfolgen, auf die später noch eingegangen wird.

Das erfindungsgemäße Bearbeiten eines stangenförmigen Bauteils, das beide Wellenzapfen ausbildet, kann mit einer Drehoperation beginnen, an die sich die Herstellung der Wellenverzahnung und die Wärmebehandlung der beiden Wellenzapfen, die hier noch in dem stangenförmigen Bauteil verbunden sind, anschließen kann. Die Länge des stangenförmigen Materials kann hierbei im wesentlichen auf die Länge der beiden Wellenzapfen begrenzt sein, wobei diese jeweils Anschluß- und Verbindungsabschnitte umfassen können. Es ist auch möglich, in einem Stangenautomaten jeweils Paare von Wellenzapfen zu drehen und dann von dem fortlaufenden Stangenmaterial abzustechen. Das Ziehen der beiden Wellenverzahnungen kann, wie oben beschrieben, simultan erfolgen. Das Härteverfahren kann an den beiden noch als stangenförmiges Bauteil verbundenen Wellenzapfen in einer Weise durchgeführt werden, die nicht auf die Eigenschaften oder Anforderungen des Zwischenwellen elements zwischen den Wellenzapfen in irgendeiner Weise abgestimmt sein muß oder auf diese Rücksicht nehmen muß.

Nachdem das stangenförmige Bauteil mit den beiden Wellenzapfen im wesentlichen fertig bearbeitet ist, werden die beiden Wellenzapfen voneinander getrennt. Dies erfolgt bevorzugt durch Brechen des Bauteils, wobei bei den Drehoperationen an der Trennstelle eine Schwächungsnut vorgesehen worden sein kann. Sofern beim Trennen zugleich eine stirnseitige Anschlußfläche zur Verbindung mit dem Zwischenwellenelement erzeugt werden soll, kann das Trennen auch durch eine normale Drehoperation erfolgen.

Je nach Bestimmungszweck kann als Zwischenwellenelement, mit dem die Wellenzapfen abschließend verbunden werden, ein Rohrkörper oder eine Vollwelle ausgewählt werden.

Eine Rohrwelle kann mit den Wellenzapfen durch Einpressen der Wellenzapfen in die Enden der Rohrwelle oder durch Aufschrumpfen der Rohrwelle auf die in die Rohrenden eingesteckten Wellenzapfen erfolgen. Die Wellenzapfen benötigen hierfür jeweils bevorzugt zylindrische Anschlußstücke. Der Rohrkörper hat die bereits genannten Gewichtsvorteile.

In einer besonders vorteilhaften Weise können die Enden der Rohrwelle durch ein Magnetimpulsverfahren radial so auf die eingesteckten Wellenzapfen aufgebracht werden, daß eine flächige Verschweißung im Einsteckbereich erfolgt. Durch Eindrehen von Umfangsnuten an den Wellenzapfen können hierbei Umfangsnuten an den Enden der Rohrwelle im Verbindungsbereich zur Faltenbalgbefestigung entstehen. Entsprechende Magnetimpulsverfahren sind grundsätzlich bekannt. Grundsätzlich sind auch konventionelle Schweißverfahren zur Verbindung bei Verwendung einer Hohlwelle als Zwischenwellenabschnitt nicht ausgeschlossen.

Bei der Verwendung einer Vollwelle als Zwischenwellenelement kommt zur Verbindung mit den Wellenzapfen eines der bekannten und industriell erprobten Schweißverfahren in Betracht, d. h. bevorzugt Reibschweißen, Magnetarcschweißen oder Laserschweißen. Eine Vollwelle kann beispielsweise so torsionsweich ausgebildet werden, daß bei Einleitung von Überlasten die Wellenverzahnungen der Wellenzapfen keinen Schaden nehmen, sondern im Zwischenwellenabschnitt eine bleibende plastische Verformung aufgefangen wird.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens ist mit seinen einzelnen Schritten anhand der Zeichnungen dargestellt und wird nachstehend beschrieben.
Hierin zeigt
1 ein stangenförmiges Bauteil für zwei Wellenzapfen nach einer Drehoperation;
2 ein stangenförmiges Bauteil für zwei Wellenzapfen nach dem Erzeugen von Wellenverzahnungen;
3 zwei fertige Wellenzapfen nach dem Trennen des stangenförmigen Bauteils;
4 ein abgelängter Rohrabschnitt zur Verwendung als Zwischenwellenelement;
5 eine erfindungsgemäße Welle aus Zwischenwellenabschnitt und zwei Wellenzapfen.
1 zeigt ein Stück Stangenmaterial 11, das in einem Drehfutter 12 eines Stangenautomaten eingespannt ist und über eine Spindel 13 in einem Support gehalten ist. Das Stangenmaterial 11 weist somit einen Einspannabschnitt 14 auf, der sich weit fortsetzen kann, sowie zwei Zapfenabschnitte 15, 16, die durch eine Trennut 17 voneinander unterschieden sind.
In 2 ist die Stange 11' nach dem Abdrehen vom Einspannabschnitt (14) gezeigt, wobei die beiden Zapfenabschnitte 15, 16 jetzt vollständig symmetrisch zueinander in Bezug auf die Trennut 17 sind. Die Abschnitte 15, 16 weisen nunmehr Wellenverzahnungsabschnitte 19, 20 auf, die in zwei aufeinanderfolgenden Operationen oder in einer simultan durchgeführten Operation hergestellt worden sind, insbesondere durch Verzahnungsziehen von beiden Enden ausgehend. In der hier gezeigten Form können alle Wärmebehandlungsschritte an der Stange 11' mit den beiden Zapfenabschnitten 15, 16 durchgeführt werden.
In 3 sind zwei Wellenzapfen 15', 16' gezeigt, die durch Cracken der Stange 11' an der vormaligen Trennut (17) entstanden sind. Neben den Wellenverzahnungsabschnitten 19, 20 weisen die Wellenzapfen 15, 16 glattzylindrische Verbindungsabschnitte 21, 22 auf.
In 4 ist ein einfaches Zwischenwellenrohr 23 dargestellt, das aus endlosem Rohr durch Abscheren oder Abstechen erzeugt worden sein kann. Dieses Rohr kann aus Stahl oder aus Leichtmetall bestehen. Der Stahl kann ziehhart oder vergütet sein.
In 5 ist eine erfindungsgemäße Welle bestehend aus den beiden Wellenzapfen 15', 16' und der Rohrwelle 23' gezeigt, die hierbei an ihren Enden radial so verformt ist, daß Verformungsabschnitte 25, 26 auf den Verbindungsabschnitten 21, 22 der beiden Wellenzapfen 15, 16 aufsitzen. Bei Anwendung eines Magnetimpulsschweißverfahrens ist hierbei eine Schweißverbindung zwischen den zylindrischen Kontaktflächen zwischen den Verbindungsabschnitten 21, 22 und den im Durchmesser reduzierten Verformungsabschnitten 25, 26 entstanden. Diese können äußere Umfangsnuten zur Faltenbalgbefestigung aufweisen, die durch Umfangsnuten in den Verbindungsabschnitten vordefiniert sind, die sich außen abbilden. Bei Anwendung eines Einpreß- oder Aufschrumpfverfahrens ist ein Preßsitz zwischen den zylindrischen Kontaktflächen zwischen den Verbindungsabschnitten und den im Durchmesser vergrößerten Verformungsabschnitten 25, 26 entstanden. Andere Verbindungstechniken sind anwendbar, wie bereits oben ausführlich beschrieben.

Claims

Verfahren zur Herstellung von Wellenzapfen zur Drehmomenteinleitung mit den Schritten: – Bearbeiten eines stangenförmigen Bauteils, das mehrere Wellenzapfen ausbildet, wobei das Bearbeiten des stangenförmigen Bauteils das Ziehen von mehreren Wellenverzahnungen einschließt, – anschließendes Trennen des stangenförmigen Bauteils in mehrere Wellenzapfen mit Wellenverzahnungen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Bearbeiten des stangenförmigen Bauteils Drehoperationen einschließt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Ziehen von Wellenverzahnungen von einem Ende des stangenförmigen Bauteils ausgehend fortschreitend erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Ziehen von Wellenverzahnungen von zwei Enden des stangenförmigen Bauteils ausgehend simultan erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Bearbeiten des stangenförmigen Bauteils Wärmebehandlungsschritte einschließt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Trennen des stangenförmigen Bauteils in mehrere Wellenzapfen durch Brechen/Cracken erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Trennen des stangenförmigen Bauteils in mehrere Wellenzapfen durch Drehen/Abstechen erfolgt.
Verfahren zur Herstellung einer gebauten Welle mit zwei Wellenzapfen zur Drehmomenteinleitung und einem Zwischenwellenabschnitt, gekennzeichnet durch die Schritte: – Bearbeiten eines stangenförmigen Bauteils, das beide Wellenzapfen ausbildet, wobei das Bearbeiten des stangenförmigen Bauteils das Ziehen von Wellenverzahnungen einschließt, – anschließendes Trennen des stangenförmigen Bauteils in mehrere Wellenzapfen mit Wellenverzahnungen, – Verbinden der beiden Wellenzapfen mit einem Zwischenwellenelement zur fertigen Welle.
Verfahren nach Anspruch 8 dadurch gekennzeichnet, daß das Bearbeiten des stangenförmigen Bauteils Drehoperationen einschließt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Ziehen von Wellenverzahnungen an beiden Wellenzapfen simultan, insbesondere von den Enden des stangenförmigen Bauteils ausgehend, erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Bearbeiten des stangenförmigen Bauteils Wärmebehandlungsschritte einschließt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Trennen des stangenförmigen Bauteils in mehrere Wellenzapfen durch Brechen/Cracken erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Trennen des stangenförmigen Bauteils in mehrere Wellenzapfen durch Drehen/Abstechen erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß als Zwischenwellenelement ein Rohrkörper ausgewählt wird.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellenzapfen zum Verbinden mit dem Zwischenwellenelement in dessen Enden eingesteckt werden und das Zwischenwellenelement durch radiales Magnetimpulsumformen mit den Wellenzapfen verschweißt wird.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Verbinden der Wellenzapfen mit dem Zwischenwellenelement durch Einpressen oder Aufschrumpfen erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß als Zwischenwellenelement eine Vollwelle ausgewählt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 oder 17, dadurch gekennzeichnet, daß das Verbinden der Wellenzapfen mit dem Zwischenwellenelement durch Schweißen erfolgt, insbesondere durch Reibschweißen, Magnetarcschweißen oder Laserschweißen.