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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Welle mit zumindest
einer Längsbohrung und zumindest einer zwischen der Mantelfläche
der Welle und der zumindest einen Längsbohrung angeordneten
Querbohrung, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs
1.
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Aus
der
WO 01/90605 A1 der
Anmelderin ist ein Automatgetriebe für Kraftfahrzeuge bekannt,
umfassend ein Getriebe, mit einer Eingangswelle und einer Ausgangswelle
und mindestens einer drehmomentführenden Welle, welche
mit einer axialen Zentralbohrung und mit mehreren radialen Querbohrungen
versehen ist. Hierbei sind die Querbohrungen als zylindrische Bohrungen
mit einem Übergangsradius an der Mündung ausgeführt,
der durch einen konischen Übergangsbereich an den zylindrischen
Bohrungsteil angeschlossen ist.
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Aus
der
DE 10 2006018793
A1 der Anmelderin ist eine ölführende
Welle bekannt, durch die die Schmierung von Bauteilen eines Getriebes
erfolgt, welche zumindest eine Längsbohrung und zumindest eine
mit jeweils einer Längsbohrung strömungstechnisch
verbundene ölzulaufbohrung umfasst, wobei die Ölzulaufbohrung
mit einem Anstellwinkel beta ausgerichtet ist.
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Des
weiteren sind Ausgestaltungen bekannt, bei denen der Übergangsbereich
des zylindrischen Bohrungsteils einer Querbohrung einer Welle als
Ansenkung in Form eines Kugelkonus oder mit konvexer bzw. konkaver
Splineform ausgeführt ist.
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Bei
den aus dem Stand der Technik bekannten Konstruktionen wird die
Weile durch die Kerbwirkung der Querbohrung hinsichtlich der Torsionssteifigkeit
signifikant geschwächt.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Welle mit
zumindest einer Längsbohrung und zumindest einer zwischen
der Mantelfläche der Welle und einer Längsbohrung
angeordneten Querbohrung anzugeben, bei der die Kerbwirkung der
Querbohrung unabhängig von den geometrischen Eigenschaften
des Bauteils ist, wobei die Kerbwirkung aus der Störgeometrie
und aus den Torsionsanteilen möglichst minimiert werden
soll.
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Des
weiteren sollen die verursachten Spannungen an den die Querbohrungen
aufweisenden gemäß der Erfindung ausgeführten
Wellen im Vergleich zu den Wellen nach dem Stand der Technik signifikant
reduziert werden.
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Weitere
Ziele der Erfindung sind, ein Verfahren zur Herstellung einer gemäß der
Erfindung ausgeführten Welle sowie eine Verwendung der
Welle anzugeben.
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Diese
Aufgabe wird durch eine Welle mit den Merkmalen des Patentanspruchs
1 gelöst. Weitere erfindungsgemäße Ausgestaltungen
und Vorteile gehen aus den Unteransprüchen hervor. Ein
Verfahren zur Herstellung einer gemäß der Erfindung
ausgeführten Welle ist Gegenstand des Patentanspruchs 12,
wobei Patentanspruch 13 mögliche Verwendungen einer erfindungsgemäß ausgeführten
Welle zum Gegenstand hat.
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Demnach
wird eine Welle vorgeschlagen, mit zumindest einer Längsbohrung
und zumindest einer Querbohrung, welche zwischen der Mantelfläche
der Welle und der zumindest einen Längsbohrung angeordnet
ist, wobei die Querbohrung einen inneren, im Wesentlichen zylindrischen
Bereich und einen äußeren Übergangsbereich
aufweist. Hierbei weist der Übergangsbereich im Wesentlichen
die Form eines Pyramidenstumpfes mit einer im Wesentlichen rautenförmigen
Grundfläche auf; die Grundfläche ist im Bereich
der Mantelfläche der Weile angeordnet. Die Querbohrung
kann sowohl senkrecht als auch geneigt zur Längsbohrung
angeordnet sein, wobei die Querbohrung im wesentil chen zur Schmierung und/oder
Steuerung von radial außerhalb der Welle angeordneten Komponenten,
beispielsweise in einem Kraftfahrzeuggetriebe, vorgesehen ist.
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Gemäß einer
besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die längere
der beiden Diagonalen der rautenförmigen Grundfläche
im Wesentlichen parallel zur Rotationsachse der Welle, wobei die
kürzere der beiden Diagonalen im Wesentlichen senkrecht
zur Rotationsachse der Welle verläuft. Vorzugsweise nimmt
das Längenverhältnis der parallel zur Rotationsachse
der Welle verlaufenden Diagonale zur senkrecht zur Rotationsachse
verlaufenden Diagonale einen konstanten Wert zwischen 1,2 und 1,4
an; im Rahmen einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung beträgt
die Konstante 1,272727; wenn das Längenverhältnis
der Diagonalen im Bereich zwischen 1,2 und 1,4 liegt und insbesondere
den Wert 1,272727 annimmt, ergibt sich eine optimale Reduzierung
der durch die Bohrungen verursachten Spannungen.
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Erfindungsgemäß kann
vorgesehen sein, dass die Verbindungslinien, d. h. die Kanten zwischen
den Spitzen der Grundfläche des Pyramidenstumpfs keine
Geraden sind, sondern eine konvexe Krümmung aufweisen.
Vorzugsweise wird die Krümmung der Kanten durch einen so
genannten „Conic Parameter” beschrieben, der erfindungsgemäß eine Funktion
des radialen Abstandes der Kanten zur Rotationsachse der Welle ist,
wobei die Krümmung mit abnehmenden Abstand vorzugsweise
geringer wird. Bevorzugtenweise weisen jeweils zwei gegenüberliegende
Kanten den selben „Conic Parameter” auf, wobei
ein „Conic Parameter” mit dem Wert Null einer Geraden
entspricht; mit zunehmenden „Conic Parameter” nimmt
die Konvexität einer Kante zu.
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Zudem
wird vorgeschlagen, dass der Neigungswinkel der Mantelfläche
des Pyramidenstumpfes bezüglich der Längsachse
der Querbohrung vom Durchmesser des zylindrischen Teiles der Querbohrung
abhängig ist, wobei der Neigungswinkel mit zunehmendem
Durchmesser kleinere Werte annimmt.
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Erfindungsgemäß ist
der Neigungswinkel unabhängig vom Durchmesser der Welle.
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Gemäß der
Erfindung wird zur Auslegung des Pyramidenstumpfes eine virtuelle
Idealebene parallel zur Grundfläche des Pyramidenstumpfes
definiert, wobei die Lage der Idealebene durch die Schnittpunkte
der Mantelflächen mit unterschiedlichen Neigungswinkeln
definiert wird. Gemäß der Erfindung liegt der
radiale Abstand dieser virtuellen Ebene von der Rotationsachse der
Welle vorzugsweise in der Größenordnung von 11,8
mm.
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Die
zumindest eine Längsbohrung einer gemäß der
Erfindung ausgeführten Welle kann der Führung
von Öl, Schmierstoff Luft etc. dienen; hierbei kann die
Welle auch als Hohlwelle ausgeführt sein. Die zumindest
eine Querbohrung kann als ein Teil einer Durchgangsbohrung bestehend
aus zwei Querbohrungen oder als Sackbohrung ausgeführt
und rechtwinklig oder schräg zur Längsbohrung
angeordnet sein.
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Gemäß der
Erfindung ausgeführte Wellen können vorzugsweise
in einem Kraftfahrzeuggetriebe, in einer Verbrennungsmaschine oder
in einer anderen Baugruppe in einem Land-, Luft-, Wasserfahrzeug
oder einer sonstigen technischen Anlage oder Gerät eingesetzt
werden, wobei sie aus Metall, beispielsweise aus Stahl oder Aluminium,
oder aus Kunststoff hergestellt werden können.
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Durch
die erfindungsgemäße Konzeption werden die Kerbspannungen
an den Querbohrungen einer Welle reduziert, wodurch die Wellen einerseits bei
gleichen Abmessungen in vorteilhafter Weise mit höheren
Momenten beaufschlagt werden können. Andererseits können
erfindungsgemäß ausgeführte Wellen bei
gleicher Belastung dünner gebaut werden, wodurch die Lebensdauer
der Getriebe bei gleichen oder geringeren Abmessungen erhöht
wird.
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Des
weiteren ermöglicht die erfindungsgemäße
Ausgestaltung der Wellen Einsparungen im Bereich der Wärmebehandlung;
ferner werden bei geschachtetten Wellen Freigangsprobleme minimiert und
es wird eine kompakte Bauweise bei Wellen mit zwei dicht nebeneinander
liegenden Querbohrungen ermöglicht.
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Die
erfindungsgemäße Ausgestaltung einer Welle ist
für alle Fertigungsverfahren geeignet; vorzugsweise kann
sie mittels einer spanenden Bearbeitung oder durch Urformen hergestellt
werden.
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Ein
weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung
besteht darin, dass die Wellen kompakter, d. h. mit geringerem Durchmesser
gebaut werden können, was darin resultiert, dass mehr Bauraum
für Verzahnungen, Lamellen und weitere Bauteile des Getriebes
zur Verfügung steht.
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Die
die erfindungsgemäß ausgestalteten Querbohrungen
aufweisenden Wellen eignen sich auch für kombinierte Belastungen
durch Torsinn und Biegung; zudem sind die Wellen auch für
wechselseitige Belastungen ohne eine Vorkonditionierung auf eine
Belastungsrichtung geeignet.
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Die
Erfindung wird im folgenden anhand der beigefügten Figuren
beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
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1:
Schematische perspektivische Ansichten eines erfindungsgemäßen Übergangsbereiches
einer Querbohrung einer Welle;
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2:
Eine schematische perspektivische Ansicht einer Längsbohrung
in einer Welle umfassend zwei Querbohrungen mit erfindungsgemäß ausgeführten Übergangsbereichen;
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3:
Eine schematische zweidimensionale Draufsicht auf einen Wellenabschnitt
mit einem erfindungsgemäß ausgeführten Übergangsbereich
einer Querbohrung der Welle;
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4:
Eine schematische Schnittansicht einer Längsbohrung einer
Welle umfassend zwei Querbohrungen mit erfindungsgemäß ausgeführten Übergangsbereichen
und der virtuellen Idealebene;
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5:
Eine schematische perspektivische Ansicht eines Wellenabschnitts
umfassend eine Querbohrung mit einem erfindungsgemäß ausgeführten Übergangsbereich;
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6:
Eine schematische perspektivische Ansicht eines Wellenabschnitts
umfassend zwei benachbarte Querbohrungen mit erfindungsgemäß ausgeführten Übergangsbereichen;
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7:
Eine schematische perspektivische Ansicht eines Werkzeugs für
einen ersten Schritt zur Herstellung eines gemäß der
Erfindung ausgeführten Übergangsbereiches einer
Querbohrung;
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8:
Eine schematische Schnittansicht einer Welle umfassend eine Längs-
und eine Querbohrung mit einem erfindungsgemäß ausgeführten Übergangsbereich
zur Veranschaulichung der Berechnung der Länge der zylindrischen
Querbohrung der Welle;
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9:
Eine schematische Schnittansicht eines Wellenabschnitts umfassend
eine Längsbohrung und eine Durchgangsbohrung bestehend
aus zwei gemäß der Erfindung ausgeführten
Querbohrungen;
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10:
Eine schematische Schnittansicht eines Wellenabschnitts umfassend
eine erste Längsbohrung mit einer Durchgangsbohrung, bestehend aus
zwei gemäß der Erfindung ausgeführten
Querbohrungen und zwei weitere Längsbohrungen mit jeweils
einer als Sackbohrung ausgeführten Querbohrung; und
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11:
Eine schematische Schnittansicht eines Wellenabschnitts einer als
Hohlwelle ausgeführten Welle umfassend eine Durchgangsbohrung und
zwei Sackbohrungen.
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Gemäß der
Erfindung und bezugnehmend auf 1 und 2 weist
der Übergangsbereich 18 einer Querbohrung einer
Welle im Wesentlichen die Form eines Pyramidenstumpfes 1 mit
einer im Wesentlichen rautenförmigen Grundfläche 2 auf;
die Grundfläche 2 ist hierbei im Bereich der Mantelfläche der
Welle angeordnet. In 2 sind die eine Durchgangsbohrung
bildenden Querbohrungen mit den Bezugszeichen 15 bzw. 16 versehen.
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Gemäß einer
besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung, die Gegenstand
der 2 ist, ist die längere der beiden Diagonalen
der rautenförmigen Grundfläche 2 des
Pyramidenstumpfes 1, nämlich die Diagonale 6 im
Wesentlichen parallel zur Rotationsachse 22 der Welle,
deren Längsbohrung 3 gezeigt ist; die kürzere
der beiden Diagonalen, nämlich die Diagonale 7 verläuft
im Wesentlichen senkrecht zur Rotationsachse 22 der Welle.
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Gemäß der
Erfindung weist das Verhältnis der Länge 4 der
parallel zur Rotationsachse verlaufenden Diagonale 6 zur
Länge 5 der senkrecht zur Rotationsachse verlaufenden
Diagonale 7 einen konstanten Wert im Bereich zwischen 1,2
und 1,4 auf.
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Wie
zudem aus 2 ersichtlich, sind die Kanten 8, 9, 10, 11 zwischen
den Spitzen der Grundfläche 2 des Pyramidenstumpfes 1 nicht
als Geraden ausgeführt, sondern weisen eine konvexe Krümmung
auf, was auch anhand der unterschiedlichen Radien 12, 13 erkennbar
ist.
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Die
Krümmung bzw. Schmiegung der Kanten 8, 9, 10, 11 wird
durch einen so genannten „Conic Parameter” beschrieben,
wobei für den Fall einzeln angeordneter Querbohrungen jeweils
zwei gegenüberliegende Kanten den selben „Conic
Parameter” aufweisen.
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Der „Conic
Parameter” einer Kante und somit der gegenüberliegenden
Kante ist gemäß der Erfindung eine Funktion des
radialen Abstandes zur Rotationsachse 22 der Welle 23,
wie anhand 3 veranschaulicht, welche eine
schematische zweidimensionale Darstellung eines Abschnitts einer
Welle 23 mit einem erfindungsgemäß ausgeführten Übergangsbereich 18 einer
Querbohrung darstellt.
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Wie
aus 3 ersichtlich, weisen z. B. die Kanten 8, 9, 10, 11 der
Grundfläche 2 im Bereich der Mantelfläche
der Welle 23 einen größeren Conic Parameter
auf, als die Kanten 8', 9', 10', 11' in
einem geringeren radialen Abstand zur Rotationsachse 22 der Welle 23 auf.
Die Kanten 8', 11' sind auch in 2 gezeigt.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der
Erfindung sind die mit Kreisen markierten Ecken zwischen zwei Kanten
gerundet ausgeführt, wobei der entsprechende „Conic – Parameter” vorzugsweise
im Intervall 0,7–0,9 liegt. Die Ecken können auch derart
gerundet ausgeführt sein, so dass die an sich rautenförmige
Grundfläche ein im wesentlichen ellipsenähnliches
Aussehen erhält.
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Gegenstand
der 4 ist eine schematische nicht maßstäbliche
Schnittansicht durch eine nicht gezeigte Welle mit zwei eine Durchgangsbohrung
bildenden Querbohrungen 15, 16 mit erfindungsgemäß ausgeführten Übergangsbereichen 18 zur
Veranschaulichung der virtuellen Idealebene und der Abhängigkeit
des Neigungswinkels α der Mantelfläche 20 des
Pyramidenstumpfes 1 bezüglich der Mittel- bzw.
Rotationsachse 14 der Querbohrung vom Durchmesser dbq des zylindrischen Teiles der Querbohrung.
Bei dem gezeigten Beispiel nimmt der Winkel α mit zunehmendem
Durchmesser dbq des zylindrischen Teiles
der Querbohrung kleinere Werte an. Beispielsweise beträgt
der Winkel α3 für einen
Bohrungsdurchmesser von 4 mm 24°, der Winkel α2 für einen Bohrungsdurchmesser
von 5 mm 22° und der Winkel α1 für
einen Bohrungsdurchmesser von 6 mm 20°.
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Als
virtuelle Idealebene 17 ist die Ebene definiert, in der
sich die Mantelflächen der erfindungsgemäßen Übergangsbereiche
für Querbohrungen unterschiedlichen Durchmessers schneiden,
wobei der radiale Abstand dieser Ebene 17 von der Rotationsachse 22 der
Welle immer 11,8 mm beträgt. Hierbei liegt die Länge
der parallel zur Längsachse verlaufenden Diagonale der
Grundfläche 2 des Pyramidenstumpfes extrapoliert
auf die Idealebene 17 in der Größenordnung
von 14 mm; die Länge der senkrecht zur Längsachse
verlaufenden Diagonale liegt extrapoliert auf die Idealebene 17 in
der Größenordnung von 11,8 mm.
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In 4 sind
drei Mantelflächen 20, 20' und 20'' gezeigt,
die sich in der Idealebene 17 schneiden. In Abhängigkeit
des Durchmessers der Welle können die Dimensionen des Übergangsbereiches
auf einfache Weise verändert werden, indem der Bereich
der Mantelfläche entsprechend dem jeweiligen Winkel α skaliert
d. h. vergrößert bzw. verkleinert wird.
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In 5 ist
ein gemäß der Erfindung ausgeführter Übergangsbereich 18 einer
Querbohrung 15 einer Welle 23 dargestellt; in 6 ist
ein Abschnitt einer Welle 23 dargestellt, welche zwei unmittelbar benachbarte
Querbohrungen 15, 16 aufweist. Gemäß der
Erfindung weisen die Querbohrungen 15, 16 jeweils
einen eigenen Übergangsbereich 18, 18' auf; die
beiden Übergangbereiche sind zueinander beabstandet.
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Ferner
sind die beiden gegenüberliegenden Ecken der beiden Übergangsbereiche 18, 18' derart abgerundet,
dass die Gesamtkontur beider Übergangsbereiche bezüglich
des Verlaufs der Kraftflusslinien im Wesentlichen der Kontur eines
rautenförmigen Übergangsbereiches entspricht.
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Gegenüber
der Ausgestaltung zweier benachbarter Querbohrungen nach dem Stand
der Technik kann in vorteilhafter Weise der Abstand zwischen den
Bohrungen bei einer erhöhten Spannungsreduzierung um mindestens
30% verringert werden.
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Ein
erfindungsgemäßer Übergangsbereich kann
beispielsweise dadurch hergestellt werden, dass in einem ersten
Verfahrensschritt mittels eines Werkzeuges 19 in der Welle 23 eine
rotationssymmetrische Grundkontur der Querbohrung vorgebohrt wird,
wodurch der größte Materialteil entfernt wird (7).
Zur Reduzierung der Werkzeugkomplexität kann die Mantelfläche 20 des
Pyramidenstumpfs 1 linear ausgeformt sein.
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In
einem zweiten Verfahrensschritt kann anschließend ein Fräswerkzeug,
vorzugsweise ein Kugelfräser, verwendet werden, um die
im Wesentlichen rautenförmige Endkontur herzustellen bzw.
um den Rand zu glätten. Hierbei kann der Kugelfräser
im Rahmen einer Bahnsteuerung spiralförmig in Richtung
auf die Rotationsachse der Welle gesteuert werden, wobei der Spiralvorschub
auf Rauhigkeit abgestimmt werden kann.
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Gemäß einer
vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung, die Gegenstand der
8 ist
ist die Länge der zylindrischen Querbohrung d
bl durch
folgende Formel gegeben:
mit:
- DIE
- = Abstand der Rotationsachse
der Welle 23 zur Idealebene 17;
- dwi
- = Durchmesser der
Längsbohrung der Welle 23;
- dbq
- = Durchmesser des
zylindrischen Teils der Querbohrung;
- αb
- = Winkel zwischen
der Mantelfläche 20 des Pyramidenstumpfs 1 und
der Längsachse 14 der Querbohrung;
- PL
- = Länge der
parallel zur Längsachse verlaufenden Diagonale der Grundfläche
des Pyramidenstumpfs extrapoliert auf die Idealebene 17.
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In 9 ist
eine beispielhafte Ausführung einer Welle 23 dargestellt.
Hierbei umfasst der gezeigte Wellenabschnitt eine Längsbohrung 3 und
eine Durchgangsbohrung bestehend aus zwei gemäß der Erfindung
ausgeführten Querbohrungen 15, 16. Bei dem
in 10 gezeigten Wellenabschnitt umfasst die Welle 23 eine
erste Längsbohrung 3 mit einer Durchgangsbohrung,
bestehend aus zwei gemäß der Erfindung ausgeführten
Querbohrungen 15, 16 und zwei weitere Längsbohrungen 3', 3'' mit
jeweils einer als Sackbohrung ausgeführten Querbohrung 15', 16'.
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Gegenstand
der 11 ist ein Wellenabschnitt einer als Hohlwelle
ausgeführten Welle 23 umfassend eine durch zwei
Querbohrungen 15, 16 gebildete Durchgangsbohrung
und zwei Sackbohrungen 15', 16'.
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- 1
- Pyramidenstumpf
- 2
- Grundfläche
- 3,
3', 3''
- Längsbohrung
- 4
- Länge
der parallel zur Längsachse verlaufenden Diagonale
- 5
- Länge
der senkrecht zur Längsachse verlaufenden Diagonale
- 6
- parallel
zur Längsachse verlaufende Diagonale
- 7
- senkrecht
zur Längsachse verlaufende Diagonale
- 8,
8'
- Kante
- 9,
9'
- Kante
- 10,
10'
- Kante
- 11,
11'
- Kante
- 12
- Radius
- 13
- Radius
- 14
- Mittelachse
der Querbohrung
- 15,
15'
- Querbohrung
- 16,
16'
- Querbohrung
- 17
- Idealebene
- 18,
18'
- Übergangsbereich
einer Querbohrung
- 19
- Werkzeug
- 20,
20', 20''
- Mantelfläche
- 22
- Rotationsachse
der Welle
- 23
- Welle
- dbl
- Länge
der zylindrischen Querbohrung
- DIE
- Abstand
der Rotationsachse der Welle zur Idealebene
- dwi
- Durchmesser
der Längsbohrung der Welle
- dbq
- Durchmesser
des zylindrischen Teils der Querbohrung
- α1, α2, α3
- Neigungswinkel
der Mantelfläche des Pyramidenstumpfes bezüglich der
Mittelachse der Querbohrung
- α, αb
- Neigungswinkel
der Mantelfläche des Pyramidenstumpfes bezüglich der
Mittelachse der Querbohrung
- PL
- Länge
der parallel zur Längsachse verlaufenden Diagonale der
rautenförmigen Grundfläche extrapoliert auf die
Idealebene
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
-
- - WO 01/90605
A1 [0002]
- - DE 102006018793 A1 [0003]
