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Die
Erfindung betrifft eine Welle mit einem als Außen-N-Rund ausgebildeten Befestigungsabschnitt,
insbesondere eine Welle für
einen Elektromotor, und ein Verfahren zur Herstellung solch einer Welle.
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Aus
der
EP 0 235 183 B1 ist
eine Welle als Teil einer Gelenkverbindung bekannt, die einen als Außensechsrund
ausgebildeten Befestigungsabschnitt aufweist.
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Eine
bekannte Welle, wie sie aus dieser Druckschrift bekannt ist, wird
durch ein spanabhebendes Verfahren, insbesondere durch Stoßen oder Fräsen, hergestellt.
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Die
Herstellung einer Welle mit einem als Außensechsrund ausgebildeten
Befestigungsabschnitt durch Fräsen
oder Stoßen
hat jedoch den Nachteil, dass an der Oberfläche erhebliche Bearbeitungsspuren,
insbesondere Rillen, zurückbleiben.
Außerdem ist
bei der bekannten Herstellung ein weiterer Verfahrensschritt erforderlich,
um die Oberfläche
der Welle im Bereich des Befestigungsabschnitts kalt zu verfestigen.
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Außerdem hat
das bekannte Herstellungsverfahren den Nachteil, dass die Gefügestruktur
im Bereich der Oberfläche
des Befestigungsabschnittes der Welle beeinträchtigt wird, was sich nachteilig
auf die Belastbarkeit der mit dem bekannten Verfahren hergestellten
Welle auswirkt.
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Vorteile der
Erfindung
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Die
erfindungsgemäße Welle
mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat demgegenüber den Vorteil, dass durch
die Verdichtung des Materials der Welle im Bereich einer Oberfläche des
Befestigungsabschnittes eine weitgehend glatte Oberfläche gebildet
wird. Außerdem
weist das verdichtete Material im Bereich der Oberfläche ein
vorteilhaftes Gefüge
auf, so dass sich eine hohe Belastbarkeit der Welle ergibt. Für ein mit
dem erfindungsgemäßen Verfahren
mit den Merkmalen des Anspruchs 5 hergestelltes Erzeugnis ergeben
sich entsprechende Vorteile. Außerdem
hat das erfindungsgemäße Verfahren
den Vorteil, dass in einem Verfahren sowohl eine entsprechende Formgebung
der Welle als auch die Ausbildung einer besonders vorteilhaften
Oberfläche
mittels Verdichtung des Materials im Bereich der Oberfläche erzielt
werden kann.
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Durch
die in den Unteransprüchen
aufgeführten
Maßnahmen
sind vorteilhafte Weiterbildungen der im Anspruch 1 angegebenen
Welle bzw. des in Anspruch 5 angegebenen Verfahrens möglich.
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In
vorteilhafter Weise ist das Material der Welle zumindest im Bereich
der Oberfläche
des Befestigungsabschnitts kalt verfestigt. Beim Einsatz der Welle
zum Übertragen
von Kräften treten
die größten Spannungen
erfahrungsgemäß im Bereich
der Oberfläche
des Befestigungsabschnittes auf. Durch die Kaltverfestigung dieser
Oberfläche
der Welle wird die Belastbarkeit der Welle gegenüber solchen Spannungen verbessert.
Außerdem
wird ein Deformieren der Welle in Bezug auf am Befestigungsabschnitt
der Welle angreifende Befestigungsmittel verringert bzw. verhindert.
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Vorteilhaft
ist es, dass die Oberfläche
zumindest im Wesentlichen glatt ist. Durch die plastische Verformung
der Welle im Bereich des Befestigungsabschnittes wird eine glatte
Oberfläche
erzielt, die weiter geglättet
werden kann. Durch die glatte Oberfläche kann insbesondere eine
weitgehend spielfreie Befestigung ermöglicht werden.
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Vorteilhaft
ist es, dass das Rollieren des Befestigungsabschnittes der Welle
an einer gewellten Außenfläche zumindest
eines Werkzeuges erfolgt. Dabei ist es besonders vorteilhaft, dass
das Rollieren zur Verdichtung mit zunehmender Eindringtiefe erfolgt.
Auf diese Weise dringt das Werkzeug immer weiter in die (zunächst unbearbeitete)
Welle ein, wobei zum einen Material verdichtet wird und andererseits
Material in die Täler
des Werkzeuges hineinfließt.
Die zunehmende Eindringtiefe kann sowohl durch eine spezielle Ausformung
der gewellten Außenfläche als
auch durch eine zusätzliche
translatorische Bewegung des Werkzeuges erzielt werden. Auch eine
Kombination dieser beiden Möglichkeiten ist
denkbar.
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Ferner
ist es vorteilhaft, dass das Rollieren den Teilschritt der Glättung der
Oberfläche
des Befestigungsabschnittes aufweist. Dies kann insbesondere dadurch
erreicht werden, dass die Außenfläche des
Werkzeuges zur Glättung
eine konstante Eindringtiefe in Bezug auf die Oberfläche der
Welle aufweist.
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Zeichnung
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in den Zeichnungen vereinfacht dargestellt und
in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt:
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1 eine
Vorrichtung zur Durchführung
eines Verfahrens zur Herstellung einer Welle gemäß eines ersten Ausführungsbeispiels
der Erfindung;
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2 eine
Vorrichtung zur Durchführung des
Verfahrens zur Herstellung einer Welle gemäß eines zweiten Ausführungsbeispiels
der Erfindung;
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3 eine
Vorrichtung zur Durchführung des
Verfahrens zur Herstellung einer Welle gemäß eines dritten Ausführungsbeispiels
der Erfindung und
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4 eine
erfindungsgemäße Welle,
die mit einem anhand der 1 bis 3 erläuterten
erfindungsgemäßen Verfahren
herstellbar ist.
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Beschreibung
der Ausführungsbeispiele
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1 zeigt
eine Vorrichtung 1 zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens
zur Herstellung einer Welle 2, insbesondere einer Welle 2 für einen
Elektromotor, mit einem an einem Befestigungsabschnitt der Welle
ausgebildeten Außen-N-Rund, der in der 1 als
Außensechsrund ausgebildet
ist.
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Die
Vorrichtung 1 weist eine erste Rolle 3 und eine
zweite Rolle 4 auf. Die Außenfläche 5 der ersten Rolle 3 ist
mit Erhebungen 6 und Vertiefungen 7 versehen,
die sich im Bereich des ersten Abwälzwinkels Φ1 und im Bereich des zweiten
Abwälzwinkels Φ2 abwechseln,
wodurch eine wellenförmige
Struktur der Außenfläche 5 gebildet
ist. Ein Radius der ersten Rolle 3 wächst von einem Minimalwert
r in Abwälzrichtung
auf einen Maximalwert R langsam an, wobei der Maximalwert R nach
dem Abwälzwinkel Φ1 erreicht
wird. Im Bereich des zweiten Abwälzwinkels Φ2 ist der
Radius R der ersten Rolle 3 konstant, d.h. gleich dem Maximalwert
R. Die zweite Rolle 4 ist entsprechend der ersten Rolle 3 ausgebildet
und weist eine Außenfläche 5' auf.
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Das
Rollieren des Befestigungsabschnittes 8 der Welle 2 beginnt
mit einer Stellung der Vorrichtung 1, bei der die erste
Rolle 3 und die zweite Rolle 4 jeweils mit einem
minimalen Radius r auf den Befestigungsabschnitt 8 einwirken.
Dann werden die Rollen 3 und 4 in der Drehrichtung 9,
d.h. in diesem Fall im Uhrzeigersinn, gedreht, wodurch die Welle 2 im
Bereich des Befestigungsabschnittes 8 an den Rollen 3, 4 abgewälzt wird.
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Da
der Radius der Rollen 3, 4 im Bereich des ersten
Abwälzwinkels Φ1 anwächst, erfolgt
in diesem Verfahrensschritt ein zunehmendes Eindringen der Erhebungen 6 der
Außenfläche 5 der
ersten Rolle 3 und entsprechend der Erhebungen der zweiten
Rolle 4 in die Welle 2 im Bereich des Befestigungsabschnittes 8.
Dadurch erfolgt bereits im Wesentlichen die Formgebung des Befestigungsabschnittes 8 der Welle 2 als
Außen-N-Rund,
d.h. in diesem Ausführungsbeispiel
als Außensechsrund.
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Da
der Radius der ersten Rolle 3 und der Radius der zweiten
Rolle 4 im Bereich des zweiten Abwälzwinkels Φ2 konstant ist, ist auch die
Eindringtiefe der Erhebungen 6 der ersten Rolle 3 und
der entsprechenden Erhebungen der zweiten Rolle 4 in diesem Bereich
konstant. Dadurch wird eine zusätzliche Glättung der
gewellten Oberfläche 10 (4)
der Welle 2 im Bereich des Befestigungsabschnittes 8 erzielt.
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Im
Bereich 11 der Außenfläche 5 der
Rolle 3 erfolgt ein Auswurf der Welle 2 aus der
Vorrichtung 1. Durch den Bereich 11 ist außerdem der Übergang von
dem maximalen Radius R auf den minimalen Radius r gegeben.
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Vorzugsweise
ist der erste Abwälzwinkel Φ1 größer, insbesondere
in etwa dreimal so groß,
wie der zweite Abwälzwinkel Φ2. Dadurch
steht für
die plastische Verformung zur Formgebung des Befestigungsabschnittes 8 der
Welle 2 als Außensechsrund ein
größerer Arbeitsbereich
als zur anschließenden Glättung der
Oberfläche 10 des
Bauteils zum Zwecke der Kalibrierung zur Verfügung.
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Außerdem ist
es möglich,
dass die zweite Rolle 4 relativ zu der ersten Rolle 3 während der
Formung des Außensechsrunds
eine translatorische Bewegung in einer Richtung 12 ausführt. Durch
die translatorische Bewegung in der Richtung 12 kann die
Eindringtiefe der Erhebungen 6 in die Welle 2 beeinflusst
werden.
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Es
ist allerdings auch möglich,
dass die erste Rolle 3 als zylindrische Rolle ist und die
zweite Rolle 4 ebenfalls als zylindrische Rolle ausgebildet
ist, d.h. dass der Radius der beiden Rollen 3, 4 jeweils
konstant ist und der Bereich 11 gegebenenfalls entfällt. In diesem
Fall kann die Eindringtiefe der Erhebungen 6 in die Welle 2 allein
durch die translatorische Bewegung in der Richtung 12 gesteuert
werden. In diesem Fall ist das Verfahren nicht auf eine Umdrehung
der Rollen 3, 4 beschränkt. Insbesondere kann die
Formgebung und/oder die Glättung
des Befestigungsabschnittes 8 als Außen-N-Rund dann auch über mehrere
Umdrehungen erfolgen.
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In
dem in der 1 dargestellten Ausführungsbeispiel
sind die erste Rolle 3 und die zweite Rolle 4 jeweils
als Rollierscheibe ausgebildet.
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2 zeigt
eine Vorrichtung 1 zur Durchführung des Verfahrens zur Herstellung
einer Welle gemäß eines
zweiten Ausführungsbeispiels.
Sich entsprechende Elemente sind in dieser und in allen anderen
Figuren mit übereinstimmenden
Bezugszeichen versehen, wodurch sich eine wiederholende Beschreibung
erübrigt.
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Die
Außenfläche 5 der
ersten Rolle 3, die zylinderförmig ausgebildet ist, weist
eine wellenförmige Struktur
auf, die entsprechend der 1 aus Erhebungen 6 und
Vertiefungen 7 gebildet ist. In der 2 ist die
Rolle 3 jedoch vereinfacht dargestellt. Außerdem weist
die in der 2 dargestellte Vorrichtung 1 ein
Hohlzylindersegment 15 auf, das die Außenfläche 5 der Rolle 3 teilweise
umfasst. Eine Innenfläche 16 des
Hohlzylindersegmentes 15 ist in Übereinstimmung mit der Außenfläche 5 der
Rolle 3 mittels Erhebungen und Vertiefungen ausgebildet, um
eine wellenförmige
Struktur zu erzeugen. Die zylindrische Rolle 3 bewegt sich
in der Richtung 9, d.h. in der 2 entgegen
des Uhrzeigersinns.
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Die
Welle 2 ist in der 1 in einer
Lage dargestellt, die den Beginn des Rollierprozesses angibt. Während des
Rollierprozesses wird die Welle 2 in der Richtung 17 bewegt
und am Ende des Rollierprozesses in der Richtung 18 ausgeworfen.
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Das
zunehmende Eindringen der Erhebungen der Innenfläche 16 in die Welle 2 im
Bereich des Befestigungsabschnittes 8 wird erreicht, indem
der Abstand der Innenfläche 16 des
Hohlzylindersegments 15 in Bezug auf die Außenfläche 5 der
Rolle 3 zum Auswurf 18 hin abnimmt. Das Hohlzylindersegment 15 ist
dabei ortsfest gehalten.
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Alternativ
ist es auch möglich,
dass in Drehrichtung 9 mehrere Hohlzylindersegmente 15 die Rolle 3 teilweise
umfassen. Insbesondere können drei
Hohlzylindersegmente 15 vorgesehen werden, wodurch eine
Selbstlagerung der Rolle 3 möglich ist. Ferner ist es auch
möglich,
dass die Außenfläche 5 der
Rolle 3 und/oder die Innenfläche 16 des Hohlzylindersegments 15 zylindrisch
oder abschnittsweise spiralförmig
ausgebildet sind.
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3 zeigt
eine Vorrichtung 1 zur Durchführung eines Verfahrens zur
Herstellung einer Welle gemäß eines
dritten Ausführungsbeispiels.
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Die
Vorrichtung 1 umfasst in diesem Fall eine erste Flachbacke 20,
die ortsfest befestigt ist, und eine zweite Flachbacke 21,
die mittels einer ortsfesten Führungsschiene 22 relativ
zu der ersten Flachbacke 20 in einer Richtung 23 und
zurück
bewegbar ist. Eine Außenfläche 24 der
ersten Flachbacke 20 weist entsprechend der in 1 dargestellten
Außenfläche 5 der
Rolle 3 Erhebungen und Vertiefungen auf, so dass eine wellenförmige Außenfläche 24 gebildet
ist. Entsprechend ist auch die Außenfläche 25 der zweiten
Flachbacke 21 wellenförmig
ausgebildet. Die wellenförmigen
Ausbildungen der Außenfläche 24 bzw. 25 sind
aufeinander abgestimmt. Zu Beginn des Verfahrens zur Herstellung
der Welle 2 mit einem an einem Befestigungsabschnitt der
Welle ausgebildeten Außen-N-Rund
befindet sich die Welle 2 in der in 3 dargestellten
Lage. Zur Durchführung
des Verfahrens wird die zweite Flachbacke 21 ausgehend
von der in 3 dargestellten Ausgangsstellung
parallel zu der ersten Flachbacke 20 mittels der Führungsschiene 22 in
der Richtung 23 bewegt, wobei die Welle 2 ebenfalls
in der Richtung 23 zwischen den beiden Flachbacken 20, 21 abgewälzt wird.
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Wenn
die Welle 2 aufgrund der Bewegung der zweiten Flachbacke 21 das
Ende 26 der zweiten Flachbacke 21 erreicht, dann
erfolgt der Auswurf der geformten Welle 2. Um ein zunehmendes
Eindringen der Erhebungen der Außenfläche 24 bzw. der Außenfläche 25 in
die Welle 2 im Bereich des Befestigungsabschnittes 8 während des
Verfahrens zu erreichen, sind die Flachbacken 20, 21 vorzugsweise
keilförmig ausgebildet,
d.h. die Höhe
der ersten Flachbacke 20 nimmt in Bezug auf die Außenfläche 25 der
zweiten Flachbacke von einem Ende 30 zu einem Ende 31 hin
zu und/oder die Höhe
der zweiten Flachbacke 21 nimmt in Bezug auf die Außenfläche 24 der
ersten Flachbacke 20 von einem Ende 27 zu dem
Ende 26 hin zu. Dabei kann insbesondere ein an das Ende 26 angrenzender
Teil 27 der Außenfläche 25 der
zweiten Flachbacke 21 und ein an das Ende 31 angrenzender Teil 28 der
Außenfläche 24 der
ersten Flachbacke 20 so ausgebildet sein, dass bei der
Bearbeitung in diesem Teil 27 bzw. 28 die Eindringtiefe
der entsprechenden Erhebungen konstant bleibt, wodurch eine zusätzliche
Glättung
der Oberfläche 10 (4) der Welle 2 im
Bereich des Befestigungsabschnittes 8 erreicht wird.
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Die 3 zeigt
einen Grenzfall der Vorrichtung 1, der sich aus der 2 ergibt,
wenn der Radius der Rolle 3 unendlich groß wird.
Zwischen dem in der 2 dargestellten Ausführungsbeispiel
und dem in der 3 dargestellten Ausführungsbeispiel sind
weitere Zwischenformen möglich.
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4 zeigt
eine erfindungsgemäße Welle 2, die
mit einem der anhand der 1 bis 3 erläuterten
Verfahren herstellbar ist. Die Welle 2 kann insbesondere
als Welle für
einen Elektromotor dienen, um das mechanische Abtriebsmoment bzw.
die Drehzahl eines Elektromotors zu übertragen. Die Welle 2 eignet
sich jedoch auch für
andere Anwendungsfälle.
Das Gegenelement der Welle 2 ist vorzugsweise als Innen-N-Rund,
insbesondere als Innensechsrund, ausgebildet. Ein Formschluss zwischen
der Welle 2 und dem Gegenelement kann durch axiales Einbringen
(Einstecken) des nachfolgend noch im Detail beschriebenen Befestigungsabschnittes 8 der
Welle 2 in das Gegenelement gebildet werden. Der Formschluss
kann jedoch auch auf andere Weise, zum Beispiel durch Umfassen des
Befestigungsabschnittes 7 der Welle mittels eines Gegenelementes,
erfolgen.
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Die
Welle 2 weist an einem Ende 30 einen Befestigungsabschnitt 8 auf.
In diesem Ausführungsbeispiel
ist an einem anderen Ende 31 der Welle 2 kein
dem Befestigungsabschnitt 8 entsprechender Befestigungsabschnitt
vorgesehen, wobei dies allerdings ebenfalls möglich ist. Außerdem ist
es mit dem beschriebenen Verfahren möglich, auch in einem Bereich 32 zwischen
den Enden 30, 31 einen Befestigungsabschnitt 8 vorzusehen.
Außerdem
können weitgehend
beliebig viele voneinander getrennte Befestigungsabschnitte 8 vorgesehen
werden. Es ist auch möglich,
dass sich der Befestigungsabschnitt 8 von dem Ende 30 bis
zu dem anderen Ende 31 der Welle 2 erstreckt.
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Das
Material der Welle 2 ist im Bereich der Oberfläche 10 des
Befestigungsabschnittes 8 durch Kaltumformung verfestigt,
wobei die Dichte des Materials sich zumindest im wesentlichen nicht ändert. Außerdem ist
die Oberfläche 10 geglättet.
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Die
Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Insbesondere
sind die in der 1 dargestellten Erhebungen 6 der
Rolle 3 nicht notwendigerweise gleich weit beabstandet, wodurch
bei einem sich kontinuierlich ändernden Achsabstand
die "Erhebungen-Tal"-Teilung berücksichtigt
werden kann. Die in der 1 dargestellte Rolle 3 kann
im Bereich des ersten Abwälzwinkels Φ1 die Form
einer abschnittsweisen arithmetischen Spirale aufweisen, auf deren
Umfang die Erhebungen 6 und Vertiefungen 7 verteilt
sind. Außerdem sind
auch Verfahren mit drei Rollen denkbar, bei denen sich die Welle 2 selbst
zentriert.
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Bei
den in 2 und 3 dargestellten Ausführungsbeispielen
ist es auch möglich,
dass das Hohlzylindersegment 15 bzw. die erste Flachbacke 20 ebenfalls
bewegbar angeordnet sind. Entsprechend können dann auch die Rolle 3 bzw.
die zweite Flachbacke 21 ortsfest befestigt sein.