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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von aus einzelnen
Teilstücken bestehenden Bauteilen nach dem Obergriff des
Anspruches 1.
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Das
Verbinden von Bauteilen aus einsatzgehärtetem Stahl untereinander
oder mit Bauteilen aus anderen Werkstoffen, wie beispielsweise Gusseisen, ist
in der modernen Produktionstechnik von großem Interesse,
dies zum einen damit begründet, weil es fertigungstechnisch
häufig günstiger ist, zunächst zwei getrennte
Bauteile herzustellen und diese anschließend miteinander
zu verbinden und zum anderen, weil die an das herzustellende Bauteil
gestellten Anforderungen oft nicht durch einen Werkstoff erfüllt werden
können.
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Für
das Verbinden derartiger Bauteile sind Schweißverbindungen
allgemein bekannt. Insbesondere können Press-Schweißverfahren
angewendet werden, bei denen eine ausreichend äußere
Kraft aufgewendet werden muss, um an zwei Fügestellen miteinander
zu verbindender Bauteile eine mehr oder weniger starke plastische
Verformung zu bewirken. Dieser Schweißvorgang erfolgt im
Allgemeinen ohne Zugabe von Schweißzusätzen, die
Bauteile werden aber an ihren Fügeflächen vor
dem Schweißvorgang erwärmt, um das Verbinden zu
ermöglichen oder zu erleichtern. Größere
Aufwendungen sind erforderlich, wenn die zu verbindenden Bauteile
aus unterschiedlichen Materialien gebildet sind, so dass es beim
Schweißen derartiger Bauteile durchaus Probleme gibt.
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So
ist allgemein bekannt, dass beispielsweise das Reibschweißen
als auch das Magnet-Arc-Schweißen geschlossene Querschnitte
erfordern, um eine qualitätsgerechte Schweißung
vornehmen zu können. Beim Reibschweißen werden üblicherweise
entweder die Grenzflächen durch Reibung zwischen den sich
berührenden und normalerweise relativ zueinander rotierenden
Bauteilen erwärmt, oder es wird alternativ ein getrennt
rotierendes Reibelement verwendet. Die Schweißnaht kommt
durch eine anschließend einwirkende Stauchkraft zustande.
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Beim
Magnet-Arc-Schweißen handelt es sich um ein Press-Schweißverfahren
mit magnetisch bewegtem Lichtbogen.
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Diese
Problematik des Verbindens, des Verschweißens zweier Bauteile
tritt beispielsweise auch im Kraftfahrzeugbereich bei der Herstellung
von einzelnen Bauteilen und Baugruppen auf und wird auf unterschiedliche
Art und Weise versucht zu lösen.
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So
beschreibt die
DE
100 13 430 A1 ein Verfahren zum Verbinden von Bauteilen
aus einsatzgehärtetem Stahl untereinander oder mit Bauteilen
aus Gusseisen unter Einsatz eines nickelhaltigen Zusatzwerkstoffes
und es wird hierzu ausgeführt, dass als Zusatzwerkstoff
vor dem Schweißen eine Folie zwischen die zu verbindenden
Bauteile gelegt wird, welche über die gesamte Fläche
der zu verschweißenden Fügestelle zur Verfügung
steht und somit eine gute Schweißverbindung hergestellt
werden soll.
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Bei
einer weiteren Baugruppe für den Kraftfahrzeugbau, dem
gesamten Komplexbereich von Antriebswellen, steht gleichfalls das
Problem, die zu fügenden Teile zu verbinden, um eine Antriebswelle in
ihrer Gesamtheit herausbilden zu können.
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Bekannt
ist, dass diese einzelnen Bauteile gleichfalls mittels Schweißvorgängen
miteinander verbunden werden.
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So
beschreibt die
DE
10 2007 011 242 A1 ein Verfahren zum Herstellen von Antriebsstrangteilen für
den Antriebsstrang eines Kraftfahrzeuges.
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Gemäß dieses
vorgestellten Verfahrens wird das Verbinden der einzelnen Bauteile
zu einem Antriebsstrang dadurch gelöst, dass zwei Antriebsstrangteile,
die aus unterschiedlichen oder gleichen Werkstoffen gebildet sind
und/oder unterschiedliche Querschnitte aufweisen, insbesondere nicht
rotationssymmetrisch sind und/oder unterschiedliche Wandstärken
aufweisen, wenigstens eine Oberfläche eines der Antriebsstrangteile
derart bearbeitet wird, dass die Primäroxidschicht auf
der Oberfläche der Antriebsstrangteile entfernt wird, um
die zu fügenden Antriebsstrangteile schweißtechnisch
verbinden zu können. Dies erfolgt durch ein thermisch induziertes Reduktionsverfahren,
mittels dem die Primäroxidschicht entfernt wird und anschließend
werden die zu fügenden Antriebsstrangteile verschweißt.
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Insbesondere
nachteilig bei diesen Verfahren ist der hohe fertigungstechnische
Aufwand zur Herausbildung der Schweißverbindungen.
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Mit
der
DE 199 21 228
C2 wird eine Antriebswelle vorgestellt, die aus drei Bauteilen
mit jeweils einer individuellen Längsachse gebildet ist,
nämlich einem ersten Anschlusselement, einem zweiten Anschlusselement
und einem zwischen beiden Anschlusselementen angeordneten geraden
Rohrelement mit einer Rohrbohrung, wobei die beiden Anschlusselemente
jeweils eine zylindrische Aufnahmefläche aufweisen, die
ausgehend von den beiden Stirnflächen her zumindest über
einen Teil ihrer axialen Länge in der Rohrbohrung angeordnet
sind, die Rohrbohrung einen größeren Durchmesser
aufweist als die Aufnahmeflächen der Anschlusselemente,
so dass diese Teile zueinander gefügt werden können und
nach dem Fügen der Anschlusselemente diese mittels einer
Schweißung mit dem Drehrohrelement verbunden werden.
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Für
das Verschweißen einzelner Bauelemente von Antriebswellen
kommen bekannte Schweißverfahren zum Einsatz, so das Reibschweißen
oder auch das Lichtbogen-Schutzgas-Schweißen. Bekannt ist
auch die Anwendung des Laserschweißverfahrens, wie in der
DE 102 60 061 A1 beschrieben.
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Die
vorgestellte Antriebswelle besteht aus einem Rohrstück
und aus beidseitig im Rohrstück vorgesehenen Anschlussstücken,
die mittels Laserschweißung mit dem Rohrstück
verbunden werden.
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Mit
der Anwendung des Laserschweißens werden sicher gegenüber
dem bekannten Stand der Technik Vorteile erzielt, nachteilig auch
bei dieser Lösung ist der hohe mechanische Bearbeitungsaufwand,
welcher darin begründet liegt, dass sowohl das Rohrstück
beidseitig mechanisch bearbeitet werden muss und gleichfalls auch
die einzufügenden Anschlussstücke mechanisch zu
bearbeiten sind, um die Teile zueinander fügen zu können.
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Wie
beschrieben, ist das Verfahren des Laserschweißens einer
Antriebswelle durch folgende Verfahrensschritte charakterisiert:
- – zur Verfügung stellen eines
Rohrstückes mit offenen Enden und Anschlussstücken
mit Ansatzkragen für dieses Rohrstück einer Antriebswelle
- – Einfügen des jeweiligen Ansatzstückes
in das jeweilige Rohrstück unter Ausbilden eines Übergangsbereiches
zwischen Rohrstück und Anschlussstück und
- – das Laserschweißen der Anschlussstücke
mit dem Rohrstück im Übergangsbereich, so dass eine
Schweißverbindung ausgebildet und eine Antriebswelle erstellt
wird.
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Auch
bei dieser vorgestellten Lösung ist es nachteilig, dass
bezüglich des Fügens der Anschlussstücke
zum Rohrstück mechanische Bearbeitungsvorgänge
erforderlich sind, die höhere Fertigungskosten verursachen.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren
zur Herstellung von aus einzelnen Teilstücken zu bildenden
Bauteilen anzugeben, mit dem unter Meidung einer mechanischen Bearbeitung
oder chemischen Behandlung diese Bauteile schweißtechnisch
und kostengünstig zur Herausbildung kompakter Funktionseinheiten miteinander
verbunden werden können und eine prozesssichere Verbindung
der zu verbindenden Bauteile gewährleistet ist.
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Erfindungsgemäß wird
diese Aufgabe mit den Merkmalen der Ansprüche 1, 4 und
5 gelöst.
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Besondere
Ausführungen und vorteilhafte Gestaltungen sind Gegenstand
der Unteransprüche.
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Gemäß des
vorgestellten Verfahrens werden die zu schweißenden Bauteile
ohne spezielle Vorbereitungen auf den Schweißvorgang miteinander
verbunden, was bedeutet, dass die zu schweißenden Bauteile
direkt unter Anwendung des Magnet-Arc-Schweißens verbunden
werden und eine sichere Verbindung zwischen den geschweißten
Teilen hergestellt wird.
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Dabei
ist von besonderem Vorteil, dass bei den zu fügenden Teilen,
wenn gehärtete bzw. ungehärtete Bauteile schweißtechnisch
miteinander verbunden werden sollen, es keiner mechanischen Bearbeitung
des gehärteten Bauteiles bedarf, um die Oberflächenhärteschicht
zu entfernen.
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Dies
betrifft auch den Vorgang, dass zur Vermeidung von Härteschichten
im Schweißbereich diese Bereiche mit einer Schutzpaste
versehen werden, um den Schweißbereich nicht aufzuhärten.
Gemäß der vorgestellten Lösung ist dies
bei Anwendung des Verfahrens nicht notwendig, was bedeutet, dass
das Auftragen dieser Schutzpaste nicht erforderlich ist, da, auch
wenn die Schweißstelle beim Härtevorgang mit einer
Härteschicht versehen wird, durch Anwendung des Verfahrens
diese Teile schweißtechnisch und sicher zu anderen Bauteilen
verbunden werden können.
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Das
vorgestellte Verfahren ist besonders anwendbar beim Einsatz des
Magnet-Arc-Schweißens, wobei die zu verbindenden/zu schweißenden
Teile ruhend zueinander positioniert sind und ein umlaufender Lichtbogen
die Schweißung vollzieht.
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Alternativ
zu diesem umlaufenden Lichtbogen ist es auch möglich, dass
die beiden zu verbindenden/zu schweißenden Bauteile durch
Reibschweißung verbunden werden.
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Diese
Methode des Verbindens von Bauteilen, die beide im Schweißbereich
gehärtet sind oder nur ein Bauteil gehärtet ist,
ist besonders anzuwenden bei dünnwandigen Bauteilen, da
durch den Fortfall der mechanischen Bearbeitung zur Entfernung der
Oberflächenhärteschicht diese Bauteile mit den gewünschten
Endwandungsdicken vorbereitet und zum Schweißen bereitgestellt
werden können, wodurch erhebliche Material- und Arbeitsaufwendungen eingespart
werden. Vorteilhaft ist dieses Verfahren anwendbar bei der Gestaltung
und Ausbildung von Antriebswellen, die als Längs- oder
Seitenwellen in einem Kraftfahrzeug Anwendung finden und mit einem
Längenausgleichssystem ausgebildet sind.
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Die
Längswellen sind Kardan- oder Gleichlaufwellen und bei
den Seitenwellen handelt es sich um Antriebswellen vom Getriebe
zu den Rädern eines Kraftfahrzeuges oder auch vom Differential-
zum Schaltgetriebe.
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Eine
solche Antriebswelle besteht aus drei Bauteilen und einer Baugruppe.
So aus einem Rohr sowie zwei Gleichlaufgelenken, welche als Festgelenke
ausgebildet sind und der Baugruppe Längenausgleichssystem,
welches allgemein auch als Längenausgleich bezeichnet und
in der Folge auch verwendet wird.
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Ein
Gleichlaufgelenk ist dabei direkt mit dem Rohr verbunden, während
das zweite Gleichlaufgelenk über den Längenausgleich
mit dem Rohr verbunden ist.
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Ein
derartiger Längenausgleich wird bekannterweise in Längswellen
als auch in Seitenwellen eingesetzt, um Längendifferenzen
während des Betriebes eines Fahrzeuges zu kompensieren.
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Dieser
Längenausgleich besteht aus den funktionsbestimmenden Bauteilen
wie einer Profilhülse, einer Schweißnabe, welche
im Inneren der Profilhülse axial verschiebbar gelagert
ist. Dies wird ermöglicht, indem in der Profilhülse
und auf dem äußeren Umfang der Schweißnabe
Laufbahnen in axialer Richtung vorgesehen sind, in denen Kugeln
geführt sind und somit gewährleistet wird, dass
Längenveränderungen der Antriebswelle ausgeglichen
werden können.
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Sowohl
die Profilhülse als auch die Schweißnabe sind
einsatzgehärtet, wodurch Verschleißerscheinungen
der Bauteile des Längenausgleiches weitestgehend ausgeschlossen
sind.
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Das
Fügen/Verbinden der einzelnen Bauteile und der Baugruppe
erfolgt über eine Schweißung in Form eines magnetisch
beschleunigten Lichtbogens, hier das Magnet-Arc-Schweißen.
Dabei werden die zu verschweißenden Teile in einer Schweißmaschine positioniert
und mittels eines umlaufenden magnetisch bewegten Lichtbogens verschweißt.
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Von
besonderem Vorteil bei der vorgestellten Antriebswelle ist, dass
Schweißverbindungen hergestellt werden, ohne dass die einsatzgehärtete
Profilhülse und die einsatzgehärtete Schweißnabe
im Bereich der zueinander zu verschweißenden Teile mechanisch
bearbeitet werden müssen.
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Das
Magnet-Arc-Schweißverfahren wird immer dann anzuwenden
sein, wenn dünnwandige Teile, hier die Ausbildung der Schweißnabe
und des Mitnehmergehäuses vom Festgelenk, verbunden werden
sollen.
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In
einer bevorzugten Ausführung der Herstellung einer Antriebswelle
ist es auch möglich, ein Reibschweißen einzusetzen.
Dies wird der Fall sein, wenn die zu schweißenden Teile
mit dickeren Wandstärken ausgebildet sind bzw. dickere
Wandstärken besitzen, so dass mit dem Reibschweißen
eine prozesssichere Verbindung erreicht wird.
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Ein
weiterer Vorteil der vorgestellten Antriebswelle und des zum Einsatz
kommenden Magnet-Arc-Schweißens besteht darin, dass die
zu schweißenden Teile aus Werkstoffen mit gleichen oder
unterschiedlichen Gefügestrukturen ausgebildet sein können,
beispielsweise jeweils aus handelsüblichen Baustählen
bestehen oder in der Paarung eines thermisch unbehandelten Baustahles
mit einem einsatzgehärteten Baustahl.
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Aus
der folgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels
der Erfindung, hier einer Antriebswelle, ergeben sich weitere Merkmale und
Vorzüge der vorgestellten Lösung.
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In
der dazugehörigen Zeichnung zeigen:
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1:
eine Gesamtansicht einer Antriebswelle,
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2:
eine Schnittdarstellung der Antriebswelle nach 1,
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3:
eine Detailansicht eines Gleichlaufgelenkes mit angeschlossener
Schweißnabe,
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4:
eine Detailansicht der Verbindungsstelle zwischen dem Rohr der Antriebswelle
mit der Profilhülse vom Längenausgleich.
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Die
Erläuterung der vorgestellten Erfindung an einer Antriebswelle 1 eines
Kraftfahrzeuges ist bewusst gewählt, da diese Antriebswelle 1 aus
einzelnen Bauteilen besteht, die über ein Magnet-Arc-Schweißen
miteinander verbunden werden. Ferner ist diese Antriebswelle 1 so
gestaltet, dass die zu verbindenden Bauteile sowohl in gehärteter
als auch nicht gehärteter Form ausgebildet sind und in diesem
Zustand miteinander verbunden werden und gleichfalls ist die Antriebswelle 1 als
ein dünnwandiges Bauteil ausgebildet, zu dem, hier das
Rohr 16 betreffend, die einzelnen Bauteile gemäß des
vorgestellten Verfahrens verschweißt werden.
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So
ist in der 1 eine Antriebswelle 1 in
ihrer Gesamtheit dargestellt, welche, wie gezeigt, aus dem Rohr 16 mit
dem linksseitig angeordneten Gleichlauflaufgelenk 2 besteht,
welches über die Schweißung 13 zum Rohr 16 verbunden
ist.
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Auf
der gegenüberliegenden Seite des Rohres 16 ist über
die Schweißung 13 der Längenausgleich 4 zum
Rohr 16 angeschlossen und das zweite Gleichlaufgelenk 3 ist über
die Schweißung 13 zur Schweißnabe 8 des
Längenausgleiches 4 verbunden.
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Aus
der 1 ergibt sich ferner, dass die Verbindungsstelle
von Profilhülse 5 und Schweißnabe 8 mittels
eines Faltenbalges 11 überspannt ist, welcher über
die vorgesehenen Spannschellen 12 sowohl zur Profilhülse 5 als
auch zur Schweißnabe 8 befestigt ist, so gleichzeitig
eine Abdichtung erzielt wird, um zu verhindern, dass das im Inneren
des Faltenbalges 11 vorgesehene Fett ungehindert austreten
kann und in das Innere keine Fremdkörper und Verunreinigungen
eindringen können.
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Das
funktionelle Zusammenwirken der Antriebswelle ergibt sich im Detail
aus der 2, in der sowohl die Anordnung
der Gleichlaufgelenke 2; 3 zum Rohr 16 und
zur Schweißnabe 8 des Längenausgleiches 4 dargestellt
sind, aber auch die Ausbildung der Bauteile des Längenausgleiches 4 selbst.
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So
ist gezeigt, dass die Profilhülse 5 im Inneren
ihres Längsschaftes mit Laufbahnen 6 ausgebildet
ist und die Schweißnabe 8 in ihrem zylindrischen Teil,
mit dem die Schweißnabe 8 im Inneren der Profilhülse 5 eingesetzt
ist, gleichfalls Laufbahnen 7 besitzt und zwischen den
Laufbahnen 6; 7 Kugeln 9 vorgesehen sind,
die in einem Kugelkäfig 10 positioniert sind.
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Gezeigt
ist auch, wie der Faltenbalg 11 den Übergangsbereich
von der Profilhülse 5 zur Schweißnabe 8 überdeckt
und die einzusetzenden Spannschellen 12 den Faltenbalg 11 zu
diesen beiden Bauteilen dichtend umspannen.
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Wie
aus der 2 auch ersichtlich, erfolgt die
Verbindung des Gleichlaufgelenkes 3 zur Schweißnabe 8 über
einen Schweißbund 15, der aus dem Mitnehmergehäuse 14 des
Gleichlaufgelenkes 3 herausgebildet ist und einen Außendurchmesser besitzt,
der dem Außendurchmesser der Schweißnabe 8 angepasst
ist.
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In
analoger Weise ist auch das Mitnehmergehäuse 14 des
Gleichlaufgelenkes 2 mit einem Schweißbund 15 ausgebildet, über
den das Gleichlaufgelenk 2 mit dem Rohr 16 verschweißt
ist. Ferner wird gezeigt, dass die Profilhülse 5 einen
Außendurchmesser besitzt, der dem des Rohres 16 entspricht
und die Profilhülse 5 über die Schweißung 13 mit
dem Rohr 16 verbunden ist.
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Die
Darstellungen gemäß der 3 und 4 zeigen
Detailansichten der Antriebswelle 1. In der 3 ist
das Gleichlaufgelenk 3 in Verbindung mit der Schweißnabe 8 dargestellt
und die 4 zeigt die Ausbildung der Profilhülse 5 mit
den in ihrem Inneren vorgesehenen axial verlaufenden Laufbahnen 6.
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So
ergibt sich aus der 3, wie das Mitnehmergehäuse 14 übergeht
in den Schweißbund 15, über den das Gleichlaufgelenk 3 mit
der Schweißnabe 8 durch die Schweißung 13 verbunden
ist und es wird gezeigt, dass beide Teile mit einem gleichgroßen Außendurchmesser
ausgeführt sind.
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Aus
der 4 ergibt sich, dass analog der Verbindung vom
Gleichlaufgelenk 3 zur Schweißnabe 8 das
Rohr 16 und die Profilhülse 5 im Bereich
der Schweißung 13 einen gleichgroßen
Außendurchmesser besitzen.
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Sowohl
aus obiger Beschreibung als auch aus den Darstellungen der 1 bis 4 ist
zu entnehmen, dass die zu verbindenden Bauteile der Antriebswelle 1 in
den Schweißstellen 13 jeweils gleichgroße
Durchmesser besitzen. Dies betrifft den Schweißbund 15 des
Gleichlaufgelenkes 2, den Schweißbund der Profilhülse 5 zum
Rohr 16 und den Durchmesser des Schweißbundes 15 vom
Gleichlaufgelenk 3 sowie den Durchmesser der Schweißnabe 8.
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Die
Schweißbunde 15 der Gleichlaufgelenke 2 und 3 und
auch das Rohr 16 sind nicht gehärtet, auch nicht
im Bereich der Schweißstellen 13.
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Dagegen
ist der Längenausgleich 4, bestehend aus der Profilhülse 5 und
der Schweißnabe 8, in gehärteter Form
ausgebildet und wird in diesem gehärteten Zustand direkt über
die Schweißstellen 13 zum Rohr 16 bzw.
zum Schweißbund 15 des Gleichlaufgelenkes 3 über
den Lichtbogen der Magnet-Arc-Schweißung verbunden. Dies
bedeutet, weder die Profilhülse 5 noch die Schweißnabe 8 werden im
Bereich der Schweißstellen 13 durch eine mechanische
Bearbeitung von ihrer gehärteten Oberfläche befreit
bzw. diese zu härtenden Bauteile müssen im Bereich
ihrer Schweißstellen nicht mit einer Schutzschicht versehen
werden, wenn diese Bauteile gehärtet werden, somit also
auch ein Entfernen dieser aufgetragenen Schutzschichten nicht notwendig wird.
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Von
Vorteil der vorgestellten Lösung ist ferner, dass vor dem
Schweißvorgang keines der zu verbindenden Bauteile oder
Baugruppen wärmetechnisch behandelt werden müssen.
Dies betrifft insbesondere den Verzicht einer Vorwärmung.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 10013430
A1 [0007]
- - DE 102007011242 A1 [0010]
- - DE 19921228 C2 [0013]
- - DE 10260061 A1 [0014]