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Die Erfindung betrifft ein Hohlrohr zur Übertragung von Drehmomenten in einer Kardanwelle eines Kraftfahrzeugs sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung.
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Die Erfindung betrifft ferner eine Kardanwelle für ein Kraftfahrzeug, insbesondere für einen Personenkraftwagen.
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Eine Kardanwelle hier betreffender Art dient in Kraftfahrzeugen der Drehmomentübertragung zwischen einem Frontmotor und einem Heckantrieb oder umgekehrt. Typischerweise ist eine solche Kardanwelle mehrteilig ausgebildet und umfasst z. B. eine vordere Kardanwelle und eine hintere Kardanwelle, die über wenigstens ein Kardangelenk miteinander verbunden sind. Zum diesbezüglichen Stand der Technik wird bspw. auf die
DE 10 2004 043 621 A1 (
1) hingewiesen.
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Um bei einem Unfall (Crash) des Kraftfahrzeugs, insbesondere beim Aufprall auf ein Hindernis, ein unkontrolliertes Ausknicken oder Wegbrechen der Kardanwelle zu verhindern, sind aus dem Stand der Technik zusammenschiebbare Kardanwellen bekannt.
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In der o. g.
DE 10 2004 043 621 A1 wird vorgeschlagen, die vordere Kardanwelle zweiteilig auszuführen, mit einem inneren als Hohlrohr ausgebildeten Wellenelement und einem äußeren als Hohlrohr ausgebildeten Wellenelement, die über eine Schiebeverzahnung miteinander verbunden und bspw. durch Verkleben, Verschweißen und/oder Verstiften axial zueinander fixiert sind. Die Axialfixierung wirkt als Sollbruchstelle. Bei einem Fahrzeugunfall wird die Axialfixierung nach Erreichen einer vorgegebenen Stoßkraft wirkungslos und die Wellenelemente können teleskopartig ineinander geschoben werden. Somit ist keine Gefährdung durch ausknickende oder wegbrechende Bauteile gegeben und eine Intrusion in den Fahrgastraum wird sicher vermieden.
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In der
DE 41 13 709 C2 wird eine rohrförmige Kardanwelle vorgeschlagen, mit einem eingeformten Verformungselement. Das Verformungselement ist gebildet durch einen radial verlaufenden Wandabschnitt, der einen Abschnitt größeren Durchmessers und einen Abschnitt kleineren Durchmessers der Kardanwelle miteinander verbindet. Bei einer auf diese Kardanwelle wirkenden Aufprallenergie in axialer Richtung können sich die Abschnitte bei entsprechender Verformung des Wandabschnitts teleskopartig ineinander verschieben, wobei Aufprallenergie in Verformungsenergie umgewandelt wird. Im Inneren der Kardanwelle ist ein als separates Bauteil ausgebildeter Rohrstutzen angeordnet, der ein mögliches Ausknicken verhindert.
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Eine Weiterbildung dieses Konzepts wird in der nächstliegenden
DE 10 2004 005 096 B3 vorgeschlagen, bei der sich im Übergangsabschnitt zwischen dem ersten, im Durchmesser größeren Abschnitt und dem zweiten, im Durchmesser kleineren Abschnitt wenigstens eine ringförmige Sicke befindet. Durch diese Sicke soll festgelegt werden, an welcher Stelle sich der Übergangsabschnitt im Falle eines Aufpralls zu falten beginnt und später reißt. Verformungsenergie wird also nur aufgenommen bis die Kardanwelle in beabsichtigter Weise abreißt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein zusammenschiebbares Hohlrohr zur Übertragung von Drehmomenten in einer Kardanwelle anzugeben, dass verbesserte Crash-Eigenschaften aufweist.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch ein erfindungsgemäßes Hohlrohr mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Mit nebengeordneten Patentansprüchen erstreckt sich die Erfindung auch auf ein Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Hohlrohrs und auf eine Kardanwelle (eigtl. Kardanwellen-System) zur Verwendung in einem Kraftfahrzeug, insbesondere einem Personenkraftwagen (PKW), die wenigstens ein erfindungsgemäßes Hohlrohr umfasst. Bevorzugte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich analog für alle Erfindungsgegenstände aus den abhängigen Patentansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung und den Figuren.
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Das erfindungsgemäße Hohlrohr weist einen ersten Abschnitt mit einem ersten Durchmesser und einen zweiten Abschnitt mit einem zweiten Durchmesser auf, wobei der zweite Durchmesser kleiner als der erste Durchmesser ist. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass sich zwischen dem ersten Abschnitt und dem zweiten Abschnitt ein dritter Abschnitt bzw. ein Zwischenabschnitt befindet, dessen Durchmesser (dritter Durchmesser) kleiner als der erste Durchmesser und größer als der zweite Durchmesser ist, wobei dieser Zwischenabschnitt über einen ersten verformbaren Übergangsabschnitt mit dem ersten Abschnitt und über einen zweiten unverformbaren Übergangsabschnitt mit dem zweiten Abschnitt verbunden ist.
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Dadurch kann sich das erfindungsgemäße Hohlrohr bei einer axial wirksamen bzw. einwirkenden Aufprallenergie definiert am ersten Übergangsabschnitt verkürzen, indem sich der Zwischenabschnitt unter Verformung des ersten Übergangsabschnitts teleskopartig in den ersten Abschnitt einschiebt bzw. einschieben kann. Bei der Verformung handelt es sich insbesondere um eine Stülpumformung, wie nachfolgend noch näher erläutert. Aufgrund des Zwischenabschnitts können die Verformungseigenschaften an dem verformbaren ersten Übergangsabschnitt deutlich besser und präziser eingestellt werden, als an einem direkten Übergang zwischen dem ersten und dem zweiten Abschnitt. Dadurch werden hervorragende Crash-Eigenschaften erzielt. Dies gilt insbesondere für größere Durchmesserdifferenzen zwischen dem ersten und dem zweiten Abschnitt, wie nachfolgend noch näher erläutert.
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Das erfindungsgemäße Hohlrohr ist vorzugsweise einstückig ausgebildet, d. h. aus nur einem Werkstück hergestellt. Insbesondere ist das erfindungsgemäße Hohlrohr einstückig durch Umformung eines zylindrischen Rohrstücks, d. h. ausgehend von einem zylindrischen bzw. hohlzylindrischen Rohr, hergestellt. Das erfindungsgemäße Hohlrohr kann aber auch aus mehreren miteinander gefügten (bspw. verschweißten) Stücken gebildet sein, wobei dann bevorzugt das zur Herstellung verwendete Rohrwerkstück bereits mehrstückig ausgebildet ist.
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Die axialen Abschnitte bzw. Rohrabschnitte des erfindungsgemäßen Hohlrohrs sind bevorzugt im Wesentlichen zylindrisch ausgebildet. Die Übergangsabschnitte verbinden benachbarte Abschnitte mit unterschiedlichen Durchmessern. Mit den Durchmessern sind, falls nicht anders angegeben, die Außendurchmesser gemeint.
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Der erste Übergangsabschnitt, der den ersten Abschnitt und den Zwischenabschnitt miteinander verbindet, ist als verformbarer Übergangsabschnitt ausgebildet. Ein verformbarer Übergangsabschnitt kann auch als Verformungsabschnitt bezeichnet werden. Hierunter wird verstanden, dass dieser Verformungsabschnitt aufgrund seiner konstruktiven Ausgestaltung bei einer auf die Kardanwelle und somit auf das erfindungsgemäße Hohlrohr wirkenden Aufprallenergie ein teleskopartiges Zusammenschieben der benachbarten Abschnitte (erster Abschnitt und Zwischenabschnitt) ermöglicht, indem sich der erste Abschnitt über den Zwischenabschnitt schieben kann bzw. indem sich der Zwischenabschnitt in den ersten Abschnitt einschieben kann. Hierbei kommt es am ersten (verformbaren) Übergangsabschnitt zu einer fortlaufenden Stülpumformung, bei der Aufprallenergie in Verformungsarbeit umgewandelt und dadurch abgebaut wird. Um eine solche Stülpumformung zu ermöglichen, ist der Außendurchmesser des Zwischenabschnitts kleiner als der Innendurchmesser des ersten Abschnitts.
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Eine Ausführungsmöglichkeit für den verformbaren ersten Übergangsabschnitt ist Gegenstand einer Weiterbildung. Demnach ist vorgesehen, dass dieser Übergangabschnitt:
- – einen ersten Teilabschnitt aufweist, der mit dem ersten Abschnitt verbunden ist und sich in Richtung des Zwischenabschnitts konisch aufweitet (d. h. sich radial vergrößert);
- – einen zweiten Teilabschnitt aufweist, der mit dem Zwischenabschnitt verbunden und als kreisringförmige Radialfläche ausgebildet ist; und
- – einen ringartigen Rand aufweist, der vorzugsweise radial nach außen überstehend und wulstartig ausgebildet ist, wobei der erste und der zweite Teilabschnitt an diesem Rand mit einem (äußeren) Übergangsradius ineinander übergehen.
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Bevorzugt ist der den ersten Abschnitt und den Zwischenabschnitt verbindende erste Übergangsabschnitt im Wesentlichen nach radial außen ausgebildet, d. h., dieser weist eine nach außen gestülpte Kontur auf. Ebenso kann der erste Übergangsabschnitt auch im Wesentlichen nach radial innen bzw. radial einwärts ausgebildet sein, d. h. eine nach innen gestülpte Kontur aufweisen.
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Der zweite Übergangsabschnitt, der den zweiten Abschnitt und den Zwischenabschnitt miteinander verbindet, ist als unverformbarer bzw. verformungsresistenter Übergangsabschnitt ausgebildet. Hierunter wird verstanden, dass sich dieser Abschnitt aufgrund seiner konstruktiven Ausgestaltung (bspw. durch eine flache Steigung der Durchmesserveränderung und/oder durch eine lokal größere Wanddicke) und/oder aufgrund spezieller Werkstoffeigenschaften (bspw. durch eine lokale Festigkeitserhöhung) bei einer auf die Kardanwelle und somit auf das erfindungsgemäße Hohlrohr wirkenden Aufprallenergie typischerweise nicht oder nur in einem unwesentlichen Umfang plastisch verformt. Die Aufprallenergie wird quasi nur durchgeleitet und nicht abgebaut.
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Bei einer auf das erfindungsgemäße Hohlrohr in axialer Richtung einwirkenden Aufprallenergie kommt es somit in vorgegebener Weise nur am ersten Übergangsabschnitt, der den ersten Abschnitt und den Zwischenabschnitt miteinander verbindet, zu einer definierten Verformung, insbesondere einer Stülpumformung (vorzugsweise mit Abrissfunktion, s. u.). Ein Ausknicken oder Wegbrechen des Hohlrohrs wird zuverlässig verhindert.
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Das erfindungsgemäße Hohlrohr kann eine axiale Länge von bis zu 1500 mm und mehr aufweisen. Bevorzugt beträgt die Differenz zwischen dem ersten Durchmesser (des ersten Abschnitts) und dem zweiten Durchmesser (des zweiten Abschnitts) wenigstens 10 mm, besonders bevorzugt wenigstens 12,5 mm und insbesondere wenigstens 15 mm. Solche verhältnismäßig großen Durchmesserdifferenzen können sich aus Vorgaben eines Lastenhefts für die Kardanwelle ergeben, bspw. im Hinblick auf geforderte Biegefestigkeiten, Schwingungsverhalten und/oder Anschlussmaße. Bei dem erfindungsgemäßen Hohlrohr werden die mit großen Durchmesserdifferenzen ausgebildeten Abschnitte bzw. Rohrabschnitte nicht direkt über einen verformbaren Übergangsabschnitt miteinander verbunden, sondern indirekt über einen Zwischenabschnitt. Dadurch wird zuverlässig gewährleistet, dass es bei einer axial wirkenden Aufprallenergie ohne Ausknicken oder Wegbrechen zu einer definierten Stülpumformung kommt und zwar zwischen dem Zwischenabschnitt und dem ersten durchmessergrößeren Abschnitt. Eine sonst bei größeren Durchmesserdifferenzen wegen undefinierter und somit nicht vorhersagbarer Stülpumformung vorzusehende Innenabstützung (wie aus der
DE 41 13 709 C2 bekannt) oder auch andere gleichwirkende Maßnahmen sind bei dem erfindungsgemäßen Hohlrohr nicht erforderlich, was den Herstellungsaufwand verringert und Gewicht bzw. drehende Masse einspart. Das erfindungsgemäße Hohlrohr ist also auch bei größeren Durchmesserdifferenzen zwischen dem ersten Abschnitt und dem zweiten Abschnitt innenverstärkungsfrei.
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Der erste Durchmesser (Außendurchmesser) des ersten Abschnitts kann wenigstens 70 mm, bevorzugt mehr als 70 mm und insbesondere wenigstens 75 mm betragen. Insbesondere für Kardanwellen für Personenkraftwagen sind Hohlrohre mit solch großen Durchmessern bislang unüblich. Dem großen ersten Durchmesser im ersten Abschnitt steht bevorzugt ein deutlich kleinerer zweiter Durchmesser im zweiten Abschnitt gegenüber. Der zweite Durchmesser (Außendurchmesser) kann bspw. nur 60 mm oder weniger betragen, woraus sich zwischen dem ersten Abschnitt und dem zweiten Abschnitt eine verhältnismäßig große Durchmesserdifferenz von wenigstens 10 mm bzw. wenigstens 15 mm ergibt. Der erste Durchmesser des ersten Abschnitts kann aber bspw. auch nur 50 mm betragen, wobei der zweite Abschnitt dann bspw. nur einen zweiten Durchmesser von 35 mm bis 40 mm aufweisen kann, um eine große, mittels des Zwischenabschnitts zu überbrückende Durchmesserdifferenz (in diesem Fall 10 mm bis 15 mm) zu erhalten.
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Das erfindungsgemäße Hohlrohr kann in axialer Richtung Abschnitte mit unterschiedlichen Wanddicken bzw. Wandstärken aufweisen. Bevorzugt weist das erfindungsgemäße Hohlrohr eine inhomogene Wanddicke im Bereich von 1,3 mm bis 2,0 mm auf. Das erfindungsgemäße Hohlrohr ist insbesondere aus einem Rohrstück hergestellt, welches ursprünglich eine homogene Wanddicke von ca. 1,5 mm aufweisen kann.
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Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass der Differenzbetrag bzw. die Durchmesserdifferenz zwischen dem Innendurchmesser des ersten Abschnitts und dem Außendurchmesser des Zwischenabschnitts 5,0 mm bis 9,0 mm beträgt. Dadurch ergibt sich zwischen dem Außendurchmesser des Zwischenabschnitts und dem Innendurchmesser des ersten Abschnitts ein radialer Spalt mit halb so großem radialen Spaltmaß zwischen 2,5 mm und 4,5 mm. Es hat sich gezeigt, dass ein solches radiales Spaltmaß, insbesondere im Zusammenhang mit der o. g. Wanddicke zwischen 1,3 mm und 2,0 mm, dazu führt, dass die Stülpumformung am ersten Übergangsabschnitt, bei der der Zwischenabschnitt ins Innere des ersten Abschnitts eingeschoben wird, nur über eine begrenzte Länge (Abrisslänge) möglich ist und dass es dann zum Abreißen des Zwischenabschnitts im Inneren des ersten Abschnitts kommt. Das abgerissene Endstück wird sodann sicher im Inneren des ersten Abschnitts weitergeführt.
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Mittels Gestaltung des Zwischenabschnitts und des ersten Übergangsabschnitts kann ein zuverlässig funktionierendes Abrisskonzept bereitgestellt werden, dass ohne zusätzliche Maßnahmen (wie bspw. eine in den ersten Übergangsabschnitt eingeformte Sicke, eine innenliegende Stützt- oder Führungshülse und/oder dergleichen) auskommt. Der erste Übergangsabschnitt, der den ersten Abschnitt und den Zwischenabschnitt miteinander verbindet, ist daher bevorzugt sickenfrei bzw. sickenlos ausgebildet.
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Insbesondere bei größeren Durchmesserdifferenzen zwischen dem ersten Abschnitt und dem zweiten Abschnitt (wie vorausgehend ausführlich beschrieben) hat sich gezeigt, dass durch den erfindungsgemäß vorgesehenen Zwischenabschnitt bzw. Zwischenbereich (dessen Durchmesser bzw. Zwischendurchmesser kleiner als der erste Durchmesser und größer als der zweite Durchmesser ist) zuverlässig eine Stülpumformung mit Abriss erzielt werden kann.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Hohlrohrs umfasst mehrere Axialumformschritte bzw. -stufen, die insbesondere im kalten Zustand ausgeführt werden. Die Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens sind:
- – Bereitstellen eines (hohlzylindrischen) Rohrwerkstücks, das einen Ausgangsdurchmesser hat, den das herzustellende Hohlrohr in seinem ersten Abschnitt haben soll;
- – Reduzieren des Durchmessers auf der Seite bzw. am Rohrende des zu erzeugenden zweiten Abschnitts, wobei der Ausgangsdurchmesser auf den
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Durchmesser des Zwischenabschnitts reduziert bzw. eingezogen und gleichzeitig (d. h. im selben Arbeitsgang) der erste Übergangsabschnitt vorgeformt wird und wobei insbesondere auch der radiale Spalt zwischen dem ersten Abschnitt und dem Zwischenabschnitt (genau genommen zwischen dem Innendurchmesser des ersten Abschnitts und dem Außendurchmesser des Zwischenabschnitts) eingestellt und insbesondere final eingestellt wird;
- – weiteres Reduzieren des Durchmessers auf der selben Seite bzw. am selben Rohrende, wobei der zuvor erzeugte Durchmesser auf den zweiten Durchmesser des zweiten Abschnitts reduziert bzw. eingezogen und gleichzeitig (d. h. im selben Arbeitsgang) der zweite Übergangsabschnitt ausgeformt wird;
- – Stauchen des Rohrwerkstücks auf der selben Seite bzw. am selben Rohrende, wobei der vorgeformte erste Übergangsabschnitt in einer freien, d. h. nicht durch Werkzeugkonturen vorgegebenen Umformung fertig ausgeformt wird.
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Das vorgeschlagene Verfahren weist unter anderem die Besonderheit auf, dass der zweite Abschnitt nicht direkt mittels Durchmesserreduzierung aus dem bereitgestellten Rohrwerkstück erzeugt bzw. geformt wird, sondern dass zunächst ein Zwischenabschnitt geformt wird, der dann teilweise zum zweiten Abschnitt weiter umgeformt wird. Das vorgeschlagene Verfahren weist ferner die Besonderheit auf, dass der erste verformbare Übergangsabschnitt, der den ersten Abschnitt und den Zwischenabschnitt miteinander verbindet, zunächst vorgeformt und erst später in einer freien bzw. ungebundenen Umformung fertig geformt bzw. ausgeformt wird. Bevorzugt berücksichtigt die Vorformung des ersten Übergangsabschnitts das nachfolgende freie Fertigformen.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht bei geringer Serientoleranz die, insbesondere stückfallende, Serienherstellung von erfindungsgemäßen Hohlrohren, die bei axialer Crashbelastung stets ein im Wesentlichen gleiches vorhersehbares Verformungsverhalten aufweisen. Bei Crashbelastung unterliegt das Verformungsverhalten der hergestellten Hohlrohre keinen nennenswerten Schwankungen. Dadurch wird, insbesondere auch bei Serienfertigung, Sicherheit gewährleistet.
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Bevorzugt werden die oben beschriebenen Schritte unmittelbar aufeinanderfolgend in der genannten Reihenfolge ausgeführt, ohne dass das Rohrwerkstück hierzu umgespannt wird. Die Schritte bzw. Stufen werden bevorzugt auf einer Axialumformmaschine ausgeführt, die entsprechend ausgebildet und mit geeigneten Werkzeugen ausgestattet ist.
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Die Erfindung wird nachfolgend beispielhaft und in nicht einschränkender Weise anhand der schematischen und nicht maßstabsgerechten Figuren näher erläutert. Die in den Figuren gezeigten und/oder nachfolgend erläuterten Merkmale können, auch losgelöst von konkreten Merkmalskombinationen, allgemeine Merkmale der Erfindung sein und die Erfindung weiterbilden.
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1 zeigt in einer Draufsicht eine Kardanwelle für ein Kraftfahrzeug.
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2 zeigt in einer Schnittansicht ein zur vorderen Kardanwelle aus 1 gehörendes Hohlrohr (gemäß dem in 1 gekennzeichneten Bereich).
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3 zeigt in zwei Schnittansichten einen ersten Übergangsabschnitt am Hohlrohr der 2 (gemäß dem in 2 gekennzeichneten Bereich).
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4 zeigt in mehreren Schnittansichten einen Stadienplan für die Herstellung des Hohlrohrs aus 2.
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5 zeigt analog zur 4 einen Stadienplan für die Herstellung eines anderen Hohlrohrs zur Verwendung in der Kardanwelle aus 1.
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1 zeigt eine insgesamt mit 1 bezeichnete Kardanwelle für einen Personenkraftwagen. Die Kardanwelle 1 weist eine in Fahrtrichtung F liegende Längsachse bzw. Rotationsachse L auf. Bei der Kardanwelle 1 handelt es sich genau genommen um ein Kardanwellen-System, das unter anderem eine vordere Kardanwelle 100, eine hintere Kardanwelle 200, ein verbindendes Kardangelenk 300 und einen vorderen Flansch 400 umfasst. Die Drehmomentübertragung durch die Kardanwelle 1 erfolgt abhängig vom Antriebsprinzip von vorne nach hinten (d. h. gemäß Darstellung von rechts nach links) und/oder von hinten nach vorne. Die vordere Kardanwelle 100 weist ein als Hohlrohr bzw. Hohlwelle 101 ausgebildetes Wellenstück auf, das erfindungsgemäß ausgebildet ist und nachfolgend unter Bezug auf die 2 näher erläutert wird.
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2 zeigt das rotationssymmetrisch ausgebildete Hohlrohr 101 in einer Schnittansicht. Die axiale Länge des Hohlrohrs 101 beträgt bspw. 300 mm bis 500 mm. Das Hohlrohr 101 weist einen ersten axialen Abschnitt bzw. Rohrabschnitt 110 mit einem ersten Durchmesser D1 und einen in Fahrtrichtung F davor liegenden zweiten axialen Abschnitt 120 mit einem zweiten Durchmesser D2 auf. Der Durchmesser D1 beträgt bspw. 75 mm. Der Durchmesser D2 beträgt bspw. 60 mm (Anschlussmaß für die flanschseitige Anbindung, bspw. durch Schweißen). Hinter dem ersten Abschnitt 110 befindet sich ein weiterer, hinterer axialer Abschnitt 160 mit einem Durchmesser D4. Der Durchmesser D4 beträgt bspw. 60 mm (Anschlussmaß für die gelenkseitige Anbindung, bspw. durch Schweißen). Die Abschnitte 120 und 160 können aufgrund ihrer bevorzugten Anbindung an andere Bauteile der Kardanwelle 1 mittels Schweißen auch als Schweiß- bzw. Anschweißbereiche bezeichnet werden.
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Zwischen dem ersten durchmessergrößeren Abschnitt 110 und dem zweiten durchmesserkleineren Abschnitt 120 befindet sich ein axialer Zwischenabschnitt 130, dessen Durchmesser D3 kleiner als der erste Durchmesser D1 und größer als der zweite Durchmesser D2 ist (D2 < D3 < D1). Der Durchmesser D3 beträgt bspw. 65 mm. Die axialen Abschnitte 110, 120, 130 und 160 sind zylindrisch ausgebildet.
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Der Zwischenabschnitt 130 ist über einen ersten verformbaren Übergangs- bzw. Verbindungsabschnitt 140 mit dem ersten durchmessergrößeren Abschnitt 110 und über einen zweiten unverformbaren Übergangs- bzw. Verbindungsabschnitt 150 mit dem zweiten durchmesserkleineren Abschnitt 120 verbunden. Bei einer von vorne oder gegebenenfalls auch von hinten auf das erfindungsgemäße Hohlrohr 101 in axialer Richtung L einwirkenden Aufprallenergie E wird das Hohlrohr 101 in definierter Weise zusammengeschoben. Hierbei kommt es am ersten „weichen” Übergangsabschnitt 140 zu einer gewollten Stülpumformung (wie nachfolgend noch näher erläutert), wohingegen der zweite „steife” Übergangsabschnitt 150 die Aufprallenergie E lediglich weiterleitet bzw. durchleitet und selbst im Wesentlichen unverformt bleibt oder nur unwesentlich verformt wird.
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Die Verformungsresistenz des zweiten Übergangsabschnitts 150 ergibt sich in dem gezeigten Beispiel daraus, dass die Rohrwand bzw. Rohrwandung 11 (siehe auch 4a) in diesem Abschnitt bzw. Bereich eine möglichst kleine (vorzugsweise < 45° und insbesondere < 30°) und stetige Steigung gegenüber der Längsachse L aufweist, wodurch sich in axialer Richtung ein steifes Druckverhalten ergibt. Ferner ist aufgrund der geringen Durchmesserdifferenz (D3 – D2) zwischen dem Zwischenabschnitt 130 und dem zweiten Abschnitt 120 am zweiten Übergangsabschnitt 150 eine Stülpumformung nicht oder zumindest kaum möglich.
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3a zeigt detailliert die Ausgestaltung des ersten Übergangsabschnitts 140, der den ersten Abschnitt 110 und den Zwischenabschnitt 130 miteinander verbindet und der als verformbarer Übergangsabschnitt gestaltet ist. Der erste Übergangsabschnitt 140 ist ausgebildet mit einem ersten Teilabschnitt 141, der sich in Fahrtrichtung F bzw. in Richtung des Zwischenabschnitts 130 bzw. in Richtung des zweiten Abschnitts 120 konisch aufweitet, einem zweiten Teilabschnitt 142, der als kreisringförmige Radialfläche ausgebildet ist, und einem ringartigen Rand 143, der radial vorstehend und wulstartig ausgebildet ist und an dem die beiden Teilabschnitte 141 und 142 mit einem Übergangsradius ineinander übergehen. Der schulterartige zweite Teilabschnitt 142 kann schräg ausgebildet, d. h. gemäß Darstellung nach rechts oder links geneigt sein. Die Wanddicke S (der Wandung 11) beträgt bspw. 1,3 mm bis 2,0 mm.
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Zwischen dem Außendurchmesser D3 des Zwischenabschnitts 130 und dem Innendurchmesser d1 des ersten Abschnitts 110 (wobei gilt: d1 = D1 – 2·S) besteht eine Durchmesserdifferenz (d1 – D3), aus der ein radialer Spalt P mit einem radialen Spaltmaß X resultiert. Das radiale Spaltmaß X beträgt in dem beschriebenen Beispiel (abhängig von der Wanddicke S) 3,0 mm bis 3,7 mm.
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Bei einer während eines Unfalls (Crash) von vorne auf das Hohlrohr 101 einwirkenden Aufprallenergie E kommt es nur am ersten speziell ausgestalteten Übergangsabschnitt 140 zu einer Stülpumformung mit einem genau vorhersagbaren Verformungsverhalten, wobei der Zwischenabschnitt 130 ins Innere des ersten Abschnitts 110 eingestülpt bzw. eingeschoben wird. Die resultierende Stülpumformung ist in 3b durch den Pfeil U veranschaulicht.
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Durch die balgartige Ausgestaltung des ersten Übergangsabschnitts 140 wird beim, Überschreiten einer vorbestimmten axialen Kraft (bspw. 60 kN) zuverlässig das Einstülpen eingeleitet, um dadurch einen unzulässigen Kraftanstieg im Hohlrohr 101 bzw. in der Kardanwelle 1 zu vermeiden bzw. die auftretende Kraft unterhalb einer definierten Maximalkraft zu halten (bspw. < 90 kN).
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Bei der fortlaufende Stülpumformung U führt der relativ enge radiale Spalt P zu kleinen Stülpradien Ri und Ra, so dass die Stülpumformung U nur über eine begrenzte axiale Länge möglich ist (bis die Umformbarkeit des Werkstoffs erschöpft ist) und es schließlich zum gewollten Abreißen des Zwischenabschnitts 130 im Inneren des ersten Abschnitts 110 kommt. Der axiale Stülpweg bis zum Abriss kann als Abrisslänge bezeichnet werden. Die Abrisslänge beträgt bspw. wenigstens 10 mm und bevorzugt wenigstens 20 mm und kann mitunter bis zu 40 mm und mehr betragen. Die axiale Länge des Zwischenabschnitts 130 sollte und insbesondere muss wenigstens der Hälfte der vorgesehenen Abrisslänge entsprechen.
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Unter Bezug auf 4 wird nachfolgend eine besonders geeignete Möglichkeit zur Herstellung des Hohlrohrs 101 ausschließlich mittels Axialumformen in mehreren Schritten (mehrstufiges Axialumformen) erläutert. Beim Axialumformen kommt es zwischen dem Rohrwerkstück und den umformenden Werkzeugen lediglich zu translatorischen Relativbewegungen in axialer Richtung. Eine radiale Relativbewegung und/oder eine relative Drehbewegung ist in vorteilhafter Weise nicht vorgesehen.
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Die Herstellung des Hohlrohrs 101 gemäß 2 erfolgt aus einem bereitgestellten Rohling 10, wobei es sich um ein Stahl-Rohrstück handelt, wie in 4a gezeigt. Der Rohling 10 weist einen Durchmesser (Außendurchmesser) D von bspw. 75 mm auf, was dem ersten Durchmesser D1 im ersten Abschnitt 110 des herzustellenden Hohlrohrs 101 entspricht (D = D1). Die homogene Wanddicke S der Rohrwand 11 beträgt bspw. 1,5 mm (einschließlich Fertigungstoleranzen).
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Für den ersten Umformschritt (erste Stufe) wird das Rohrwerkstück
10 eingespannt und in an und für sich bekannter Weise (bspw. wie in der
DE 10 2004 005 096 B3 beschrieben) wird der hintere bzw. gemäß Darstellung linksseitige Abschnitt
160 erzeugt.
4b zeigt das Rohrwerkstück
10 mit fertig geformtem Abschnitt
160.
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Für den zweiten Umformschritt (zweite Stufe) wird das Rohrwerkstück 10 umgespannt. Mit Hilfe einer von vorne bzw. rechts kommenden ersten Matrize 21 wird der gesamte vordere bzw. gemäß Darstellung rechtsseitige Abschnitt des Rohrwerkstücks 10 auf den Enddurchmesser D3 des zu erzeugenden Zwischenabschnitts 130 reduziert bzw. eingezogen, wie in 4c gezeigt. Die Matrize 21 wird dabei in axialer Richtung nur soweit (nach links) bewegt, bis die Übergangsstelle zwischen dem ersten Abschnitt 110 und dem Zwischenabschnitt 130 erreicht ist. Dabei wird einerseits die axiale Länge des ersten Abschnitts 110 eingestellt und andererseits, was viel wichtiger ist, das radiale Spaltmaß X (siehe auch 3a) endgültig, d. h. auf finales Maß, eingestellt. Ferner wird der zu erzeugende erste Übergangsabschnitt 140 mit einer Vorkontur 140' vorgeformt. Die Matrize 21 ist an einer Matrizenaufnahme 22 befestigt und wird durch einen als Druckmittelzylinder ausgebildeten Antrieb 23 in axialer Richtung vor- und zurück bewegt. Während der Umformung ist das Rohrwerkstück 10 von den Spanneinrichtungen 24 und 25 doppelt eingespannt und ferner gegen den Anschlag (Widerlager) 26 abgestützt.
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Ohne Umspannen des Rohrwerkstücks 10 kann nun der dritte Umformschritt (dritte Stufe) erfolgen. Hierbei wird mit Hilfe einer zweiten Matrize 27 der zweite Abschnitt 120 und der zweite Übergangsabschnitt 150 erzeugt, wie in 4d gezeigt. Die Matrize 27 wird hierbei in axialer Richtung nur über eine entsprechende Länge bewegt.
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Ohne Umspannen kann nun auch der vierte und letzte Umformschritt (vierte Stufe) ausgeführt werden. Hierzu wird durch die Stauchplatte 28 gegen die vordere Stirnseite des Rohrwerkstücks 10 eine Stauchkraft aufgebracht, wobei der bereits fertig ausgebildete zweite Abschnitt 120 mit einem eingeführten Stützdorn 29 abgestützt wird, wie in 4e gezeigt. Die axial wirkende Stauchkraft wird über den bereits fertig ausgeformten zweiten Übergangsabschnitt 150 und den fertig geformten Zwischenabschnitt 130 auf den zunächst noch eine Vorkontur 140' aufweisenden ersten Übergangsabschnitts 140 übertragen, wodurch dieser in einer freien Umformung fertig ausgeformt wird und seine endgültige Kontur bzw. Gestalt erhält. Im Übergangsabschnitt bzw. Übergangsbereich 140 wird dabei die axiale Länge verringert und die endgültige Länge eingestellt. Auch das Hohlrohr 101 erhält seine konstruktiv vorgegebene axiale Länge.
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Nach dem vierten Umformschritt ist das Rohrwerkstück 10 fertig umgeformt. Am hergestellten Hohlrohr 101 sind keine weiteren Umformschritte mehr vorgesehen. Aufgrund der vorausgegangenen Umformung weist das Hohlrohr 101 eine inhomogene Wanddicke S auf, wobei lokale Wanddicken durch entsprechende Prozessführung gegebenenfalls gezielt eingestellt werden können. Im ersten Abschnitt 110 weist das Hohlrohr 101 den ursprünglichen Ausgangsdurchmesser D des Rohrwerkstücks 10 auf (D1 = D), d. h. in diesem Abschnitt 110 findet keine Umformung statt.
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Zumindest die für die Erfindung relevanten Umformschritte zwei bis vier (gemäß den 4c bis 4e) können in unmittelbarer Abfolge und ohne Umspannen des Rohrwerkstücks 10 ausgeführt werden. Bevorzugt werden diese Schritte bzw. Stufen auf einer geeigneten Axialumformmaschine ausgeführt, die mit entsprechenden Werkzeugen ausgestattet ist. Auch der optionale erste Umformschritt zur Ausformung des Abschnitts 160 kann auf dieser Axialumformmaschine ausgeführt werden.
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5 zeigt analog zur 4 einen Stadienplan für die Herstellung eines anderen Hohlrohrs 101 zur Verwendung in der Kardanwelle aus 1. Die ersten drei Fertigungsschritte (5b bis 5d) werden übereinstimmend mit den ersten drei Fertigungsschritten gemäß 4 ausgeführt. Zumindest für den vierten Fertigungsschritt (5e) wird allerdings eine Spanneinrichtung 24a verwendet, die den vorgeformten Übergangsabschnitt 140' überdeckt, so dass sich während der freien Stauchumformung ein im Wesentlichen nach radial innen bzw. radial einwärts gerichteter erster Übergangsabschnitt 140a ausbildet. Dieser Übergangsabschnitt 140a (mit nach innen gestülpter Kontur) kann bezüglich dem in den 2, 3a und 4e gezeigten Übergangsabschnitt 140 (mit nach außen gestülpter Kontur) im Wesentlichen gleichwertig sein.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Kardanwelle
- 10
- Rohrwerkstück
- 11
- Rohrwand
- 21
- erste Matrize
- 22
- Matrizenaufnahme
- 23
- Antrieb
- 24
- Spanneinrichtung
- 24a
- Spanneinrichtung
- 25
- Spanneinrichtung
- 26
- Anschlag
- 27
- zweite Matrize
- 28
- Stauchplatte
- 29
- Stützdorn
- 100
- vordere Kardanwelle
- 101
- Hohlrohr
- 110
- erster Abschnitt
- 120
- zweiter Abschnitt
- 130
- Zwischenabschnitt
- 140
- erster Übergangsabschnitt
- 140a
- erster Übergangsabschnitt
- 140'
- Vorkontur (erster Übergangsabschnitt)
- 141
- konischer Teilabschnitt
- 142
- radialer Teilabschnitt
- 143
- Rand
- 150
- zweiter Übergangsabschnitt
- 160
- hinterer Abschnitt
- 200
- hintere Kardanwelle
- 300
- Kardangelenk
- 400
- Flansch
- D
- Ausgangsdurchmesser (Rohrwerkstück)
- D1
- Durchmesser (erster Abschnitt)
- d1
- Innendurchmesser (erster Abschnitt)
- D2
- Durchmesser (zweiter Abschnitt)
- D3
- Durchmesser (Zwischenabschnitt)
- D4
- Durchmesser (hinterer Abschnitt)
- E
- Aufprallenergie
- F
- Fahrtrichtung
- L
- Längsachse, Rotationsachse
- P
- radialer Spalt
- Ra
- äußerer Stülpradius
- Ri
- innerer Stülpradius
- S
- Wanddicke
- U
- Stülpumformung
- X
- radiales Spaltmaß
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102004043621 A1 [0003, 0005]
- DE 4113709 C2 [0006, 0020]
- DE 102004005096 B3 [0007, 0049]
- DE 102013114461 A1 [0008]
