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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Welle, insbesondere für ein Getriebe eines Kraftwagens.
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Aus dem Serienbau von Getrieben für Kraftwagen ist es bekannt, Wellen für die Getriebe durch Schmieden herzustellen, wobei während des Schmiedens wenigstens ein Bund der Welle ausgebildet wird. Bei einem solchen Bund handelt es sich um eine stufenartige Erweiterung des Durchmessers der Welle, wobei der Bund dazu genutzt wird, um die Welle in axialer Richtung derselbigen beispielsweise an einem Gehäuse des Getriebes abzustützen und somit eine unerwünschte Bewegung in axialer Richtung der Welle in dem Gehäuse zu verhindern oder zumindest nur in begrenztem Maße zu erlauben. Bei dem Schmieden handelt es sich um ein kostenintensives Umformverfahren. Zudem ist eine hohe Fließfähigkeit des Werkstoffes, aus welchem die Welle besteht, erforderlich, um die Welle und insbesondere den Bund auszubilden. Zudem tritt bei dem Schmieden ein hoher Werkzeugverschleiß auf, was die Kosten negativ beeinflusst.
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Des Weiteren ist es bekannt, massive Wellen herzustellen, deren Konturen und Bünde aus einem hohen Werkstoffvorhalt mit einem entsprechenden Zerspanungsvolumen hergestellt werden. Auch dieses Fertigungsverfahren weist hohe Kosten sowie einen hohen Materialverbrauch auf.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Herstellen einer Welle bereitzustellen, welches geringere Kosten aufweist.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Herstellen einer Welle mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
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Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Herstellen einer Welle, insbesondere für ein Getriebe eines Kraftwagens, werden wenigstens zwei Wellenteile der Welle durch Reibschweißen in axialer Richtung der Welle miteinander gefügt. Bei diesen Wellenteilen handelt es sich um Wellenteile, welche funktionale Aufgaben wie beispielsweise die Übertragung von Drehmomenten, die Bereitstellung von Lagerstellen, Dichtflächen oder dergleichen übernehmen.
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Dabei wird aus bei dem Reibschweißen im Wesentlichen in radialer Richtung der Welle nach außen verdrängtem Werkstoff ein Bund der Welle ausgebildet. Mit anderen Worten wird der bei dem Reibschweißen in radialer Richtung verdrängte Werkstoff genutzt, um den Bund, das heißt eine stufenartige Erweiterung des Durchmessers der Welle, auszubilden. Dieser Bund kann dann beispielsweise dazu genutzt werden, um die Welle in einem Gehäuse des Getriebes in axialer Richtung festzulegen beziehungsweise eine solche axiale Bewegung nur in begrenztem Maße zuzulassen und innerhalb vorgegebener Grenzen einzuschränken. Weiterhin kann dieser Bund zur axialen Abstützung von daran anliegenden Getriebeteilen wie Zahnrädern dienen. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht eine besonders kostengünstige Herstellung der Welle, da zusätzliche, zeit- und kostenaufwändige Ur-, Um- und/oder Anformschritte zum Ausbilden oder Anformen des Bundes nicht vonnöten sind. Vielmehr wird der Bund zumindest nahezu gleichzeitig im gleichen Fertigungsschritt beim Fügen der Wellenteile ausgebildet.
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Des Weiteren kann bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die Menge von einzusetzendem Werkstoff für die Welle gering gehalten werden, da kein entsprechender Werkstoffvorhalt und kein entsprechendes Zerspanungsvolumen notwendig sind, um eine Kontur der Welle mit dem Bund durch ein spanendes Fertigungsverfahren auszubilden. Darüber hinaus ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren den Einsatz von Pressteilen als Wellenteile, welche kostengünstig, in einer hohen Stückzahl und auf einer Produktionslinie hergestellt werden können.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn als Welle eine zumindest bereichsweise als Hohlwelle ausgebildete Welle hergestellt wird, welche zumindest bereichsweise einen Hohlquerschnitt aufweist. In diesem Falle eignet sich das Reibschweißen besonders gut, um die Wellenteile miteinander zu fügen. Ein werterer Vorteil ist, dass die Welle selbst ein niedriges Gewicht und gleichzeitig eine hohe Stabilität aufweist.
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Weiterhin können die beiden Wellenteile bei einer günstigen spiegelsymmetrischen Aufteilung der Welle jeweils eine identische Geometrie aufweisen und im gleichen Werkzeug gefertigt werden, was die Produktionskosten weiter senkt.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird wenigstens ein Formwerkzeug verwendet, mittels welchem der verdrängte Werkstoff zur Ausbildung des Bundes in eine vorgegebene Geometrie geformt wird, wobei vorteilhafterweise ein Formwerkzeug verwendet wird, welches in eine Spanneinrichtung zum Halten der Wellenteile beim Reibschweißen integriert ist. Durch ein solches Formwerkzeug ist der Bund besonders bedarfsgerecht auszubilden, was seine Funktionserfüllung positiv beeinflusst. Durch die Integration des Formwerkzeugs in die Spanneinrichtung sind zusätzliche Formwerkzeuge nicht vonnöten und die ohnehin einzusetzende Spanneinrichtung kann genutzt werden, um den Bund auszubilden. Dies hält die Kosten für das erfindungsgemäße Verfahren ebenfalls gering.
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Zur Darstellung eines großen Bundes, welcher sich in radialer Richtung der Welle weit nach außen erstreckt und somit ein hohes Volumen aufweist, sind die Parameter zum Reibschweißen in geeigneter Art und Weise einzustellen. Zur Ausbildung eines besonders großen Volumen des Bundes ist eine lange Reibzeit der Wellenteile aneinander sowie ein gegenseitiges Anpressen der Reibteile aneinander mit einem niedrigen Druck besonders vorteilhaft.
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Das geschilderte Formwerkzeug umfasst beispielsweise zumindest zwei Formteile, welche in axialer Richtung der Welle einander gegenüber angeordnet sind und zwischen welchen der Bund ausgebildet wird. Dabei kann vorgesehen sein, dass die Formteile zumindest in axialer Richtung der Welle relativ zueinander, insbesondere aufeinander zu, bewegt werden.
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Zur Vermeidung von Oxideinschlüssen ist es von Vorteil, insbesondere den Bund unter Darstellung einer Schutzgasatmosphäre auszubilden und den Bund mit Schutzgas, insbesondere einem Inertgas, zu spülen beziehungsweise zu umströmen.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht somit die kostengünstige Ausbildung eines im Vergleich zur gesamten Welle, welche beispielsweise als Hauptwelle für ein Getriebe ausgebildet ist, filigranen, ringförmigen Bundes.
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Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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Die Zeichnung zeigt in:
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1 ausschnittweise eine schematische Längsschnittansicht einer Hohlwelle mit einem Bund zur axialen Abstützung der Hohlwelle,
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2 ausschnittsweise eine schematische Längsschnittansicht einer durch das Reibschweißen der Wellenteile entstandenen Schweißwulst;
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3 ausschnittsweise eine schematische Längsschnittansicht einer bei dem Reibschweißen der Wellenteile entstehenden Schweißwulst, welche mit einem Wulstformer umgeformt und zu dem Bund der Welle ausgebildet wird;
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4 ausschnittsweise eine weitere schematische Längsschnittansicht der Schweißwulst gemäß 3, welche mit einer alternativen Ausführungsform eines Wulstformers umgeformt und zu dem Bund ausgebildet wird; und
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5 ausschnittsweise eine schematische Längsschnittansicht der Schweißwulst gemäß 4 bei einem weiteren Schritt des Ausbildens des Bundes.
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Die 1 zeigt eine Hohlwelle 10 für ein Getriebe eines Kraftwagens, welche aus einem ersten Wellenteil 12 sowie einem zweiten Wellenteil 14 ausgebildet ist, nach der Durchführung des Herstellungsprozesses. Zum Herstellen der Hohlwelle 10 werden die Wellenteile 12 und 14 über eine kreisringförmige Fügestelle 16, 18 durch Reibschweißen miteinander gefügt, wobei die Wellenteile 12 und 14 relativ zueinander bewegt, insbesondere um eine Drehachse 20 der Hohlwelle 10 relativ zueinander gedreht, und in axialer Richtung 22 der Hohlwelle 10 gemäß Richtungspfeilen 24 gegeneinander gepresst werden.
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Beim Reibschweißen wird ein Teil des Werkstoffes, aus welchem die Wellenteile 12 und 14 ausgebildet sind, in radialer Richtung 26 der Hohlwelle 10 gemäß Richtungspfeilen 28 nach außen verdrängt. Dieser nach außen verdrängte Werkstoff der Hohlwelle 10 beziehungsweise der Wellenteile 12 und 14 wird nun dazu genutzt, um einen Wellenbund 30 der Hohlwelle 10 auszubilden. Der Wellenbund 30, welcher auch als Flansch bezeichnet wird, dient dazu, auf der Hohlwelle 12 gelagerte Getriebeteile, wie z. B. schrägverzahnte Zahnräder, welche hohe Axialkräfte aufnehmen, in axialer Richtung 22 abzustützen. Er kann auch die Hohlwelle 12 in einem korrespondierenden Gehäuse des Getriebes in axialer Richtung 22 der Hohlwelle 10 fixieren beziehungsweise eine Bewegung der Hohlwelle 10 in axialer Richtung 22 innerhalb vorgegebener Grenzen halten.
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Die 2 zeigt in einer Ausschnittsdarstellung die Hohlwelle 10 im Bereich des Wellenbundes 30, wobei der Wellenbund 30 nicht beziehungsweise noch nicht ausgeformt ist. Wie der 2 zu entnehmen ist, entsteht bei dem Reibschweißen eine Schweißwulst 32, welche eine Ausgangshöhe h1 aufweist. Es ist zu erkennen, dass beim Reibschweißen ohne entsprechende Vorkehrungen der Werkstoff der Hohlwelle 10 nach außen verdrängt wird und sich mehr oder weniger unkontrolliert die Schweißwulst 32 ausbildet.
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Um die Schweißwulst 32 zur Ausbildung des Wellenbundes 30 auf die geschilderte Art und Weise zu nutzen und die Ausgangshöhe h1 zur erhöhen, so dass der Wellenbund 30 sich besonders weit in radialer Richtung 26 der Hohlwelle 10 nach außen gemäß den Richtungspfeilen 28 erstreckt, zeigt die 3 ausschnittsweise einen passiven Wulstformer 34, welcher zwei Formteile 36 und 38 umfasst, die beim Reibschweißen fest relativ zueinander sowie fest relativ zur Hohlwelle 10 beziehungsweise relativ zu den Wellenteilen 12 und 14 gehalten werden. Wie der 3 zu entnehmen ist, wird der verdrängte Werkstoff zur Ausbildung des Wellenbundes 30 in eine vorgegebene Geometrie mit einer gegenüber der Ausgangshöhe h1 vergrößerten Höhe h2 geformt. Dazu sind die Formteile 36 und 38 in axialer Richtung 22 der Hohlwelle 10 einander gegenüberliegend angeordnet, wobei die Schweißwulst 32 in axialer Richtung 22 der Hohlwelle 10 zwischen den Formteilen 36 und 38 angeordnet ist.
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Während 3 einen passiven Wulstformer 34 zeigt, ist auch eine aktive Ausführungsform denkbar: Die 4 und 5 zeigen eine alternative Ausführungsform des Wulstformers 34 mit den Formteilen 36 und 38, wobei die Formteile 36 und 38 zur Ausbildung des Wellenbundes 30 in axialer Richtung der Hohlwelle 10 relativ zueinander bewegbar sind. Während das Formteil 36 relativ zur Hohlwelle 10 unbeweglich ist, ist das Formteil 38 über eine Kolbenstange 40 mit einem Kolben 42 verbunden. Der Kolben 42 ist in einem Zylinder 44 aufgenommen und unterteilt eine Arbeitskammer 46 des Zylinders 44 in zwei Steuerkammern 48 und 50. Dabei ist der Arbeitskolben 42 in axialer Richtung der Hohlwelle 22 bewegbar in dem Zylinder 44 geführt angeordnet. Wird beispielsweise die Steuerkammer 50 über eine Zuleitung 52 mit einem Druckmedium, insbesondere einem Druckfluid, beaufschlagt, so bewegt sich der Arbeitskolben 42 in Richtung der Schweißwulst 32, wobei diese Bewegung über die Kolbenstange 40 auf das Formteil 38 übertragen wird und sich somit auch das Formteil 38 auf die Schweißwulst 32 zu bewegt. In Abhängigkeit von der Menge des Druckmediums, welches der Steuerkammer 50 zugeteilt wird, wird die Schweißwulst 32 mehr oder weniger zwischen den Formteilen 36 und 38 zusammen gepresst. Damit kann sowohl die Dicke, das heißt die Erstreckung des Wellenbundes 30 in axialer Richtung der Hohlwelle 10, sowie dessen Höhe, das heißt die Erstreckung in radialer Richtung der Hohlwelle 10, bedarfsgerecht eingestellt werden.
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Die 5 zeigt den Wulstformer 34 gemäß 4, wobei das Formteil 38 gemäß einem Richtungspfeil 52 im Vergleich zur 4 auf die Schweißwulst 32 zu bewegt ist und an der Schweißwulst 32 ebenso wie das Formteil 36 anliegt, um diese in eine gewünschte Geometrie zur Ausbildung des Wellenbundes 30 zu formen. Die Schweißwulst 32 gemäß 5 weist eine Kontur auf, welche einer gewünschten Endkontur des Wellenbundes 30 nahe kommt.
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Die Schweißwulst 32 wird zur Ausbildung des Wellenbundes 30 in noch glühendem Zustand der Fügestelle 16, 18 beziehungsweise der Schweißwulst 32 ausgebildet. Ebenso werden verbleibende und gegebenenfalls mit dem Wulstformer 34 nicht zu schließende Lippen 54 der Schweißwulst 32 in noch glühendem Zustand miteinander verschweißt.
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Nach dem Ausbilden und Formen der Schweißwulst 32 in einer Kontur, die in etwa der gewünschten Endkontur des Wellenbundes 30 entspricht, folgt eine mechanische Endbearbeitung des Schweißwulstes 32, um die Endkontur zu erzielen.
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Je nach der gewünschten Form des Wellenbundes 30 muss bei der Durchführung des Reibschweißverfahrens dafür gesorgt werden, dass auch genügend Material zur Erzeugung des Bundes 30 zur Verfügung steht. Die dabei zu variierenden Parameter sind unter anderem die Dauer des Reibschweißen, der Zeitpunkt, an der vom reinen Rotieren der Fügepartner zu einem Stauchen in Form einer Axialbewegung übergegangen wird oder beispielsweise eine geeignete Vorbehandlung der Wellenteile 12, 14 vor Beginn des Reibschweißvorgangs.
