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TECHNISCHES GEBIET
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Diese Offenbarung betrifft allgemein Fahrzeugantriebsstranganordnungen. Insbesondere bezieht sich die Offenbarung auf Verfahren zum Befestigen eines Spiral- oder Hypoidkegeltellerrads an einem Differenzialgehäuse und auf gemäß dem Verfahren bereitgestellte Tellerrad-/Differenzialgehäuseanordnungen.
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HINTERGRUND
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Als Hintergrund und unter Bezugnahme auf 1A und 1B ist ein repräsentativer Differenzialträger 100 gezeigt, welcher der Teil eines Fahrzeugantriebsstrangs ist, der verantwortlich für das Übertragen der Antriebskraft von der Fahrzeugkraftmaschine auf die Fahrzeugantriebsräder ist. Die dargestellte Ausführungsform eines Differenzialträgers 100 ist für ein Hinterachsdifferenzial bestimmt. Dies sollte jedoch nicht als einschränkend angesehen werden, da dem Fachmann sehr wohl bewusst ist, dass es Variationen von Differenzialtyp und -konzeption gibt.
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Der Differenzialträger 100 umfasst eine Zahnradanordnung (allgemein gekennzeichnet durch das Bezugszeichen 102), angetrieben durch eine Eingangsantriebswelle 104. Zahnradanordung 102 ist wirkverbunden mit einem Paar Ausgangswellen 106, 106‘, wodurch Drehmoment und Rotation von einer Fahrzeugkraftmaschine 108 zu den Fahrzeugrädern 112 (siehe 1B) übertragen werden. Natürlich sind in der Regel zusätzliche Elemente zum Übertragen der Antriebskraft (1B, siehe Pfeile) von der Kraftmaschine 108 zu den Rädern 112 enthalten, wie ein Drehmomentwandler 114, ein Getriebe 116 usw.
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Unter Rückkehr zu 1A, ist eine Hypoidtellerrad- und Differenzialanordnung 118 mit der Eingangsantriebswelle 104 wirkverbunden. Die Hypoidtellerrad- und Differenzialanordnung 118 umfasst ein Hypoidtellerrad 122, das mit einem Hypoidritzelrad 119 der Differenzialanordnung kämmt. Bekanntermaßen ist ein Spiral- oder Hypoidrad so benannt wegen seiner schraubenlinienförmigen Spiralkegelradzähne, die weniger Vibration und Geräusche erzeugen als herkömmliche gerade verzahnte oder stirnverzahnte Zahnräder mit geraden Zähnen. Wie gezeigt, ist eine Achse der Hypoidtellerrad- und Differenzialanordnung 118/Eingangsantriebswelle 104 im Wesentlichen senkrecht zu einer Achse des Differenzialträgers 100/Ausgangsantriebswellen 106, 106‘ dargestellt. Das Tellerrad 122 ist an einem Teil eines Differenzialgehäuses 120 befestigt, welches, wie bekannt ist, ein Gehäuse für den Differenzialträger 100 ist, in einer Auslegung, die ein erforderliches Kämmen zwischen dem Tellerrad 122 und dem Hypoidritzelrad 119 bereitstellt. Zahnradanordnung 102 kann auch ein seitliches Zahnrad 126 umfassen. Wenn die Eingangsantriebswelle 104 rotiert, tut dies ebenfalls das Hypoidritzelrad 119 und treibt die Rotation des Tellerrads 122 an. Durch diese Rotation werden Drehmoment und Rotation mittels Ausgangsantriebswellen 106, 106‘ an Räder 112 übertragen.
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Die Ausrichtung dieser Komponenten beim Zusammenbau einer Achse oder Heckantriebsmoduls ist wichtig, da wie erläutert das Tellerrad 122 mit dem Hypoidritzelrad 119 in einer fertiggestellten Achse oder Heckantriebsmodulanordnung kämmen muss, um das erforderliche Drehmoment/Rotation an die Fahrzeugräder 112 zu übertragen. In der Regel werden diese Elemente aus unterschiedlichen und potenziell schweißinkompatiblen Materialien gefertigt. Beispielsweise wird ein Tellerrad 122 häufig aus Stahl oder einer Legierung gefertigt, die aufgekohlt wird oder nicht, und ein Differenzialgehäuse 120 wird häufig aus Gusseisen mit Kugelgraphit gefertigt. Das Schweißen derartig ungleicher Materialien ist herausfordernd, mindestens aufgrund der unterschiedlichen Materialschmelztemperaturen. Aus diesem Grund ist das gebräuchlichste Verfahren zum Befestigen der beiden das Bereitstellen einer Bolzenverbindung unter Verwendung von herkömmlichen Befestigungselementen. Während solch herkömmliche Befestigungsmittel effektiv sind, erhöhen sie jedoch Arbeitsbedarf und Nebenkosten und tragen ebenfalls zu unerwünschten Erhöhungen von Gewicht und Verpackungsgröße bei.
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Aus diesem Grund wurde Schweißen als Alternative zu herkömmlichen Befestigungselementen zum Befestigen des Tellerrads am Differenzialgehäuse in Betracht gezogen. Mit Laserschweißen wurde versucht, eine starke Befestigung bereitzustellen, trotz der Inkompatibilität der Materialien, aus denen das Hypoidtellerrad und das Differenzialgehäuse gefertigt sind. Beim Laserschweißen wird in der Regel ein Nickelzuführdraht verwendet, um eine starke und gleichmäßige Schweißnaht bereitzustellen, trotz der vorstehend erwähnten Inkompatibilität der Materialien. Unvorteilhafterweise können die mit Laserschweißen verbundenen hohen Schweißtemperaturen und kurzen Abkühlraten zum Verformen oder Verwerfen eines Tellerrads führen und die erforderliche präzise Ausrichtung zwischen dem Tellerrad und dem dazu passenden Ritzelrad verhindern. Darüber hinaus erzeugen herkömmliche Laserschweißtechniken Schweißspritzer, die an den Zähnen des Tellerrads und anderen Komponenten der Fahrzeugdifferenzialanordnung haften können und potenziell zu Verschleiß und einer verringerten Lebensdauer und/oder einem Ausfall der Bauteile führen können. In ähnlicher Weise kann dieser Zustand sich im Ergebnis als unerwünschtes Geräusch/Vibration/Rauigkeit in der endgültigen Achsen-Fahrzeuganordnung manifestieren. Um solche Schweißspritzer zu vermeiden, ist es erforderlich, eine Abschirmung bereitzustellen und nach dem Schweißen Wartungs- und Reinigungsprotokolle umzusetzen. Darüber hinaus ist Laserschweißen verglichen mit anderen Schweißtechniken hoch energieineffizient und erfordert aufgrund der Nutzung von Lasertechnologie spezielle Sicherheits- und Wartungsprotokolle. Zudem müssen Komponenten, die lasergeschweißt werden sollen, extrem sauber, herkömmlicherweise lasergereinigt, sein. Jeder dieser Faktoren erhöht unerwünschterweise Arbeitsbedarf und Nebenkosten für Fertigen/Zusammenbauen einer Hypoidtellerrad-/Differenzialgehäuseanordnung.
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Daher wurde im Fachgebiet ein Bedarf für Verbesserungen von Prozessen zum Fügen von Tellerrädern und Differenzialgehäusen während der Herstellung und Montage von Fahrzeugantriebssträngen festgestellt.
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KURZDARSTELLUNG
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Gemäß der hier beschriebenen Zwecke und Vorteile und zum Lösen der vorstehend zusammengefassten und sonstigen Probleme wird in einem Aspekt ein Verfahren zum Herstellen einer Tellerrad-/Differenzialgehäuseanordnung beschrieben, welches das Bereitstellen und Ausrichten eines Differenzialgehäuses mit einem Differenzialgehäuseflansch und einem Tellerrad mit einem Tellerradflansch umfasst.
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Der Tellerradflansch und der Differenzialgehäuseflansch werden dimensioniert und angrenzend aneinander gehalten, um nach dem Befestigen eine erforderliche Ausrichtung und ein Kämmen des Tellerrads mit einem zusammenwirkenden Hypoidritzelrad bereitzustellen. Eine vorbestimmte Toleranz oder Passung wird bereitgestellt zwischen einem äußeren Durchmesser des Tellerrads und einem inneren Durchmesser des Differenzialgehäuseflansches, z. B. durch Auslegen der Maschinerie, die zum Halten der beiden Komponenten angrenzend aneinander zum Befestigen verwendet wird, wodurch ein Spalt mit vorbestimmten Dimensionen zwischen mindestens einem Teil der beiden bereitgestellt wird. In Ausführungsformen wird dies erreicht, indem das Differenzialgehäuse koaxial an jede von dessen Naben gehalten wird. Das Tellerrad wiederum wird mittels eines geeigneten Halters gehalten, um die richtige Ausrichtung und vorbestimmte Toleranz zu erreichen.
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Als Nächstes wird ein Reibschweißprozess verwendet, um den Tellerradflansch an dem Differenzialgehäuseflansch zu befestigen, wodurch der vorbestimmte Spalt einen Überlaufkanal zwischen dem Tellerrad und dem Differenzialgehäuse bereitstellt für die Aufnahme von Überlaufmaterial oder Wulst, gebildet während eines Reibschweißstauchschmiedeschritts. Auf diese Weise wird eine Verunreinigung der Differenzialkomponenten durch solches Überlaufmaterial vermieden. Ferner wird jede Notwendigkeit einer Reinigung nach dem Schweißen im Wesentlichen vermieden, ohne Auswirkung auf Form, Passung oder Funktion der Komponente. In Ausführungsformen wird ein vorbestimmter Spalt von 0,01 bis 0,1 Zoll bereitgestellt.
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In anderen Aspekten der Offenbarung werden Tellerrad-/Differenzialgehäuseanordnungen bereitgestellt, hergestellt gemäß der offenbarten Verfahren.
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In der folgenden Beschreibung werden Ausführungsformen der offenbarten Tellerrad-/Differenzialgehäuseanordnung und Verfahren zur Herstellung gezeigt und beschrieben. Wie zu erkennen sein sollte, sind andere unterschiedliche Ausführungsformen der beschriebenen Anordnung und des beschriebenen Verfahrens möglich und ihre mehreren Details sind in verschiedenen offensichtlichen Aspekten modifizierbar, ohne von den Vorrichtungen und Verfahren, wie sie in den folgenden Ansprüchen dargelegt und beschrieben sind, abzuweichen. Dementsprechend sind die Zeichnungen und Beschreibungen als beispielhaft und nicht als einschränkend zu verstehen.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die beigefügten Zeichnungsfiguren, die hier aufgenommen wurden und Teil der Beschreibung sind, stellen mehrere Aspekte der offenbarten Tellerrad-/Differenzialgehäuseanordnung und des Verfahrens zum Herstellen dar und dienen zusammen mit der Beschreibung dazu, bestimmte Prinzipien davon zu erläutern. In den Zeichnungen ist:
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1A eine isolierte Ansicht einer Achsträgeranordnung nach dem Stand der Technik;
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1B ein Fahrzeug und ein Fahrzeugantriebsstrang nach dem Stand der Technik;
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2 eine Seitenschnittansicht einer Tellerrad-/Differenzialgehäuseanordnung gemäß der vorliegenden Offenbarung, die eine rückseitige Schweißnaht darstellt;
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3 eine Seitenschnittansicht der Tellerrad-/Differenzialgehäuseanordnung von 2, die eine Innenschweißnaht darstellt; und
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4 eine repräsentative Reibschweißvorrichtung zum Herstellen der Tellerrad-Differenzialgehäuseanordnung von 2.
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Jetzt wird ausführlich auf Ausführungsformen der offenbarten Tellerrad-/Differenzialgehäuseanordnung und das Verfahren zur Herstellung Bezug genommen, von denen Beispiele in den beigefügten Zeichnungsfiguren dargestellt sind, wobei gleiche Bezugszeichen gleiche Merkmale kennzeichnen.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
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Wie vorstehend zusammengefasst, stellen die ungleichen Materialien, aus denen die beiden Komponenten gefertigt sind (zum Beispiel Stahl oder eine Legierung für das Tellerrad 122 und Gusseisen mit Kugelgraphit für das Differenzialgehäuse 120) eine ingenieurtechnische Herausforderung in Bezug auf das Verbinden/Fügen der beiden dar. Umgekehrt muss das Problem der präzisen Ausrichtung von Komponenten zum Bereitstellen eines geeigneten Kämmens von dem Tellerrad 122 und dem Hypoidritzelrad 119 behandelt werden.
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Reibschweißen ist ein Festkörperschweißprozess, wodurch durch eine aufgebrachte mechanische Reibung zwischen miteinander in Kontakt gebrachten Werkstücken Wärme erzeugt wird. Während des Prozesses werden zusätzliche laterale Kräfte („Stauch“-Kräfte) aufgebracht, um die Materialien der Werkstücke plastisch zu verlagern und zu verbinden. Auf einem hohen Niveau werden die Moleküle der ungleichen Materialien unter ausreichend Reibungswärme und Druck gesetzt, um Bindungen einzugehen. Da keine Materialschmelze auftritt, ist Reibschweißen kein Schweißprozess im herkömmlichen Sinn, sondern vielmehr eine Schmiedetechnik. Die durch Reibschweißen bereitgestellten kurzen Fügezeiten und der direkte Wärmeeintrag an der Schweißgrenzfläche führen zu vergleichsweise kleinen Wärmeeinflusszonen. Außerdem sind Reibschweißtechniken im Wesentlichen schmelzfrei und vermeiden Kornwachstum in technischen Materialien. Darüber hinaus stellt die zwischen Oberflächen während des Reibschweißens erzeugte relative Bewegung eine Reinigungswirkung auf den Oberflächen der Materialien, die gefügt werden, bereit. Daher ist vor dem Reibschweißprozess weniger Vorbereitung der Werkstückoberflächen und danach weniger Reinigen der Werkstückoberflächen erforderlich.
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Reibschweißen ist auch deshalb vorteilhaft, weil es starke Bindungen zwischen sehr ungleichen Materialien ohne zusätzliche Befestigungselemente ermöglicht. Der Unterschied der Schmelztemperaturen von ungleichen Materialien wie Stahl/Legierungen und Gusseisen mit Kugelgraphit schließt die Verwendung von herkömmlichen Schweißtechniken aus. Allerdings erfordert Reibschweißen, wie vorstehend erläutert, keine Materialschmelze, sondern stellt stattdessen eine durch Reibung erzeugte plastische Verlagerung und Verbindung der Moleküle von ungleichen Materialien bereit. Dies stellt eine Verbindung mit voller Bindungsstärke zwischen ungleichen Materialien ohne zusätzliches Gewicht bereit und benötigt, wie vorstehend angemerkt, keine Reinigung nach dem Schweißen. Eine Reihe von Varianten des Reibschweißens ist im Fachgebiet bekannt, einschließlich des Rotationsreibschweißens, Linearreibschweißens, Reibauftragsschweißens, linearen Vibrationsschweißens, Winkelvibrationsschweißens und Orbitalreibschweißens. Alle Verfahren verfügen über denselben Vorteil, d. h. sie erfordern kein Schmelzen eines der Materialien, sondern nutzen stattdessen Reibungswärme, um eine plastische Zone zwischen zwei ungleichen Materialien zu schaffen, wodurch durch Aufbringung einer externen Kraft (Stauchung) die Materialien in eine einzelne, homogene Materialgrenzfläche geschmiedet werden.
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Ein weiterer Vorteil des Reibschweißens ist, dass ungleiche Materialien zum Fügen präzise ausgerichtet werden können, da es durch Steuern der Menge an gestauchtem Material möglich ist, sehr enge Toleranzen in automatisierten Prozessen bereitzustellen. Da Reibschweißprozesse wiederum niedrigere Temperaturen als herkömmliche Schweißtechniken erfordern, können Komponenten während späterer Phasen eines Fertigungs- oder Bearbeitungsprozesses, beispielsweise beim finalen Zusammenbau, ohne Notwendigkeit einer Reinigung nach dem Schweißen oder anderer Prozesse gefügt werden. Darüber hinaus ist das Risiko von Komponentenverzug/-verformung verringert, ebenfalls aufgrund der mit dem Reibschweißen verbundenen niedrigeren Temperaturen.
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Eine ingenieurtechnische Herausforderung, die beim Umsetzen von Reibschweißen zum Fügen eines Tellerrads 122 mit einem Differenzialgehäuse 120 zu überwinden war, war die Bildung von Überlaufmaterial oder „Wulst“, d. h. kleinen Partikeln von Werkstückmaterial, die beim Reibschweiß-Stauchprozess aus der Arbeitsmasse herausgedrängt werden. Diese kleinen Partikel könnten sich möglicherweise in anderen Elementen des Differenzialträgers 100 ablagern und Schäden an der Zahnradanordnung 102 und anderen Komponenten darin verursachen und die nützliche Komponenten-Lebensdauer verringern. Während dies durch einen Reinigungsschritt nach dem Reibschweißen behandelt werden könnte, war gewünscht, die zusätzliche Arbeits- und Nebenkosten zu vermeiden.
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Um dieses und andere Probleme zu lösen, ist unter Bezugnahme auf 2 isoliert eine Tellerrad-/Differenzialgehäuseanordnung 200 gemäß der vorliegenden Offenbarung gezeigt. Wie gezeigt, umfasst die Anordnung 200 ein Differenzialgehäuse 202, welches wie vorstehend beschrieben häufig aus einem ersten Material wie Gusseisen mit Kugelgraphit gefertigt ist. Das Differenzialgehäuse 202 umfasst oder definiert einen Flansch 204 mit einem inneren Durchmesser.
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2 zeigt auch ein Tellerrad 206 mit einem Tellerradflansch 208, der einen äußeren Durchmesser definiert. Die Ringräder 206 sind in der Regel aus einem zweiten Material wie Stahl oder einer Legierung gefertigt, die über andere physikalische Eigenschaften wie Härte, Schmelztemperatur usw. als das erste Material verfügen. Wie in den Zeichnungsfiguren gezeigt, muss der Tellerradflansch 208 mit einem Differenzialgehäuseflansch 204 verbunden sein, wodurch nach dem Zusammenbau die benötigte Ausrichtung und Kämmung von dem Tellerrad 206 mit einem zusammenwirkenden Hypoidritzelrad (in dieser Ansicht nicht sichtbar) bereitgestellt wird.
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Um dies zu erreichen, werden der Tellerradflansch 208 und Differenzialgehäuseflansch 204 für den Reibschweißprozess gehalten, wobei enger Kontakt entlang eines Teils des Tellerradflanschs 208 und des Differenzialgehäuseflanschs 204 bereitgestellt wird, wodurch aber auch ein vorbestimmter Spalt 214 zwischen einem Teil des äußeren Durchmessers des Tellerradflanschs 208 und einem inneren Durchmesser des Differenzialgehäuseflanschs 204 definiert wird. Dies wird in einer Ausführungsform durch Auslegen der zum Halten der beiden Komponenten angrenzend aneinander zum Befestigen verwendeten automatisierten Maschinerie erreicht, um die gewünschte Zahnradkämmung/Ausrichtung bereitzustellen, die den engen Kontakt zwischen einem Teil des Tellerradflanschs 208 und Differenzialgehäuseflansch 204 und den vorbestimmten Spalt 214 bereitstellt.
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In Ausführungsformen wird dies erreicht, indem das Differenzialgehäuse 202 koaxial an jede von dessen Naben gehalten wird. Wiederum wird ein Halter bereitgestellt, an dem das Tellerrad 206 gesichert ist, um die korrekte Ausrichtung und den vorbestimmten Spalt 214 zu erreichen. In einer Ausführungsform beträgt der vorbestimmte Spalt 214 mindestens 0,01 Zoll, obwohl es sich versteht, dass gemäß unterschiedlichen Differenzialanordnungsauslegungen alternative Spalte/Toleranzen und/oder Abmessungen erforderlich sein könnten.
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Als Nächstes wird ein Reibschweißprozess verwendet, um die Tellerradschulter 208 an dem Differenzialgehäuseanschlagstift 204 zu befestigen. Wie vorstehend zusammengefasst und dem Fachmann bekannt, ergibt sich Reibschweißen aus Wärme, die durch mechanische Reibung erzeugt wird, die von einer Reibschweißmaschine (siehe 4) auf die sich berührenden Oberflächen des Tellerradflanschs 208 und des Differenzialgehäuseflanschs 204 aufgebracht wird. Während des Prozesses werden von der Reibschweißmaschine zusätzliche laterale Kräfte (häufig bezeichnet als ein Stauchschmiedeschritt) aufgebracht, um die unterschiedlichen Materialien des Tellerradflanschs 208 und des Differenzialgehäuseflanschs 204 plastisch zu verlagern und zu verbinden, dadurch eine Schweißnaht oder Verbindung 216 zwischen den beiden formend. Eine Reibschweiß-Werkzeugsteuerung, ausgelegt zum Einstellen einer Steigungslinie 212 des Tellerrads 206 in einem gewünschten Winkel relativ zur Orientierung des Differenzialgehäuses 202 wird bereitgestellt.
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Bezug nehmend auf 3, wie dort gezeigt, schafft das Bereitstellen eines vorbestimmten Spalts 214 ebenfalls einen Überlaufkanal zwischen dem Tellerradflansch 208 und dem Differenzialgehäuseflansch 204 zur Aufnahme von Überlaufmaterial 218 oder Wulst, gebildet während eines Reibschweiß-Stauchprozesses. Wie dort gezeigt, verteilt sich das Überlaufmaterial 218 in den Spalt 214, ohne eines der verschiedenen beschriebenen Elemente der Differenzialanordnung zu berühren. Auf diese Weise wird im Wesentlichen jede Verunreinigung von Differenzialkomponenten durch Überlaufmaterial, Reinigung nach dem Schweißen usw., ohne Einfluss auf Komponentenform, -passung oder -funktion, vermieden.
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Die grundlegenden Elemente einer Reibschweißmaschine sind im Fachgebiet bekannt und erfordern hier keine ausführliche Erläuterung. Jedoch stellt 4 eine repräsentative Reibschweißmaschine 400 dar, anwendbar, um ein Tellerrad 206/Differenzialgehäuse 204-Anordnung wie vorstehend beschrieben zu fertigen. Eine Basis 402 stützt die Maschine 400. Die Maschine umfasst einen rotierenden Teil 404 und einen feststehenden Teil 406. Der feststehende Teil 406 umfasst ein Vorspannelement 408 wie z. B. einen pneumatischen oder hydraulischen Zylinder, der von geeigneten Haltern 410 gehaltene Tellerräder 206 gegen ein vom rotierenden Teil 404 gehaltenes Differenzialgehäuse 204 drängt (siehe Pfeil A). Jeder geeignete Halter 410 wird in Betracht gezogen, einschließlich, unter anderem, Spannbacken mit Antirotationsstiften 412 wie in der Zeichnungsfigur dargestellt, eine Zahnaufnahmeplatte usw.
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Der rotierende Teil 404 wie dargestellt umfasst eine mittels numerischer Steuerung (CNC – Computer Numerical Control) betätigte Hauptspindel 414 unter der Steuerung eines Servomotors. Die Hauptspindel 414 ist dazu ausgelegt, das von einer Klemme 416 (siehe Pfeile B) gehaltene Differenzialgehäuse 204 durch die Wirkung eines Servomotors 418 zu rotieren. Eine von einem CNC-gesteuerten Servomotor 422 betätigte Kugelumlaufspindel 420 drängt das festgehaltene Differenzialgehäuse 204 (siehe Pfeil C) gegen die vom feststehenden Teil 406 Tellerräder 206 wie vorstehend beschrieben. Durch die kombinierte Rotation des Differenzialgehäuses 204 und die von der Kugelumlaufspindel 420/Vorspannelement 408 ausgeübten Stauchschmiedekräfte werden das Tellerrad 206 und Differenzialgehäuse 204 reibgeschweißt wie vorstehend beschrieben.
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Das Vorstehende dient Veranschaulichungs- und Beschreibungszwecken. Es soll nicht erschöpfend sein oder die Ausführungsformen auf die präzise offenbarte Form einschränken. Im Licht der obigen Lehren sind offenkundige Modifikationen und Variationen möglich. All diese Modifikationen und Variationen liegen im Schutzbereich der beigefügten Ansprüche, wenn sie entsprechend der Breite, zu der sie den Regeln entsprechend, juristisch und gerechterweise berechtigt sind, interpretiert werden.
