DE102017114171B4

DE102017114171B4 - Spindelelement eines Kugelgewindetriebs

Info

Publication number: DE102017114171B4
Application number: DE102017114171.5A
Authority: DE
Inventors: Yannick Vanco; Thierry Leobold; Dieter Eckert; Stefan Grimm; Daniel Hell
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2017-06-27
Filing date: 2017-06-27
Publication date: 2019-05-29
Anticipated expiration: 2037-06-28
Also published as: WO2019001612A1; CN110785253B; KR102613924B1; KR20200021940A; US11717918B2; DE102017114171A1; CN110785253A; US20200171608A1

Abstract

Spindelelement (1) eines Kugelgewindetriebs, umfassend eine Gewindespindel (2), die an einem axialen Ende mit einem Stangenelement (3) verbunden ist, wobei die Gewindespindel (2) und das Stangenelement (3) durch einen Reibschweißvorgang miteinander stoffschlüssig verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Gewindespindel (2) an ihrer dem Stangenelement (3) zugewandten Stirnseite (4) eine in Umfangsrichtung umlaufende Ringnut (5) aufweist,die um das der Gewindespindel (2) zugewandte Ende des Stangenelementes (3) herum angeordnet ist.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Spindelelement eines Kugelgewindetriebs, umfassend eine Gewindespindel, die an einem axialen Ende mit einem Stangenelement verbunden ist, wobei die Gewindespindel und das Stangenelement durch einen Reibschweißvorgang miteinander stoffschlüssig verbunden sind.
Hintergrund der Erfindung
Ein gattungsgemäßes Spindelsystem ist aus der DE 10 2008 014 994 A1 bekannt. Vorgesehen ist hier, dass eine Gewindespindel mit einer schraubenförmig um die Spindelachse gewundene Kugelrille zum Abwälzen von Kugeln mit einem Spindelkopf verbunden wird, wobei der Spindelkopf mittels einer Reibschweißverbindung mit der Gewindespindel verbunden wird.
Eine mögliche Anwendung eines solchen gattungsgemäßen Kugelgewindetriebs ist der Einsatz in Abgasrückführungssystemen, die in Kraftfahrzeugen eingesetzt werden. Bei derartigen Systemen muss ein Ventil zur Steuerung des Gasflusses betätigt werden, wozu das Spindelsystem des Kugelgewindetriebs eingesetzt wird. Dabei ist besagtes Spindelsystem im Kontakt mit den Abgasen, die chemisch sehr aggressiv sind und korrodierend wirken. Es wird daher angestrebt, das Stangenelement, welches den Abgasen ausgesetzt ist, aus rostfreiem Stahl zu fertigen, wozu ein niedriger Kohlenstoffanteil im Material vorgesehen wird. Indes ist es zumeist erforderlich, dass die Gewindespindel aus Stahl mit hohem Kohlenstoffanteil besteht. Die Herstellung einer reibgeschweißten Verbindung zwischen Stangenelement und Gewindespindel ist daher nicht unproblematisch.
Aufgabe der Erfindung
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein gattungsgemäßes Spindelelement eines Kugelgewindetriebs so zu verbessern, dass die Reibschweißverbindung zwischen Gewindespindel und Stangenelement verbessert wird.
Zusammenfassung der Erfindung
Die Lösung dieser Aufgabe durch die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Gewindespindel vor der Durchführung des Reibschweißvorgangs an ihrer dem Stangenelement zugewandten Stirnseite eine in Umfangsrichtung umlaufende Ringnut aufweist.
Die Ringnut weist dabei gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung im Radialschnitt eine V-förmige Gestalt auf, wobei sich die radiale Dicke der Ringnut zur Stirnseite hin vergrößert.
Das Stangenelement weist bevorzugt an seinem der Gewindespindel zugewandten Ende einen Durchmesser auf, der kleiner ist als der innere Durchmesser der Ringnut an der Stirnseite oder gleich diesem Durchmesser ist.
Der vor dem Reibschweißvorgang vorhandene Raum der Ringnut ist bevorzugt nach der Durchführung des Reibschweißvorgangs zumindest teilweise mit dem Material der Gewindespindel und/oder mit dem Material des Stangenelements gefüllt.
Das Stangenelement besteht bevorzugt aus rostfreiem Stahl. Der Stahl des Stangenelements weist dabei bevorzugt einen geringen Kohlenstoffgehalt auf, vorzugsweise einen Kohlenstoffgehalt von weniger als 1,2 %.
Indes besteht die Gewindespindel bevorzugt aus Einsatzstahl. Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass die Gewindespindel aus 16MnCr5 besteht.
Das Spindelelement ist gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung Bestandteil eines Abgasrückführungssystems eines Kraftfahrzeugs. Hierbei ist insbesondere vorgesehen, dass das Stangenelement mit einem Ventil des Abgasrückführungssystems verbunden ist und dieses betätigt.
Die vorgeschlagene Lösung erlaubt eine zuverlässige und stabile Verbindung zwischen einer Gewindespindel und einem Stangenelement, wobei, wie gesagt, das Stangenelement aus rostfreiem Stahl und die Gewindespindel bevorzugt aus einsatzgehärtetem Stahl bestehen.
Die Gewindespindel besteht aus einem Stahl mit einem hohen Kohlenstoffanteil, wobei bevorzugt während der Wärmebehandlung eine Anreicherung des Kohlenstoffanteils erreicht wird (Einsatzhärtung), wobei die Oberfläche der Gewindespindel eine Härte aufweist, die bevorzugt über 650 HV liegt.
Die vorgeschlagene Ausgestaltung der Gewindespindel im Zusammenwirken mit dem Stangenelement hat zur Folge, dass eine tief liegende Diffusion beim Reibschweißvorgang erreicht werden kann, so dass über den Oberflächenbereich hinaus eine stabile Verbindung der beiden Reibschweißpartner erreicht werden kann und somit eine duktile Verbindung der Materialien.
Ein weiterer Vorteil der vorgeschlagenen Lösung besteht aus einem sehr kompakten Aufbau des Spindelelements, was es möglich macht, den Bauraum des Elements klein zu halten.
Vorteilhaft ist weiterhin, dass sich gezeigt hat, dass eine mechanische sehr stabile Verbindung zwischen den beiden Reibschweißpartnern ergibt, so dass relativ hohe Zugkräfte übertragen werden können.
Somit kann eine stabile und duktile Verbindung zwischen den beiden Reibschweißpartnern erreicht werden, wenngleich die Ausgangsmaterialien der beiden Partner sehr unterschiedlich sind und sich zunächst kaum für eine Schweißverbindung eignen.
Figurenliste
In den Figuren ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Es zeigen:

1 eine Seitenansicht eines Spindelelements, umfassend eine Gewindespindel und ein Stangenelement, welches mit der Gewindespindel per Reibschweißen verbunden ist,
2 eine Seitenansicht der Gewindespindel, teilweise geschnitten dargestellt, und eines Endabschnitts des Stangenelements vor der Herstellung der Reibschweißverbindung und
3 eine Seitenansicht des teilweise geschnitten dargestellten Spindelelements nach der Herstellung der Reibschweißverbindung.

Ausführliche Beschreibung der Figuren
In 1 ist ein Spindelelement 1 eines Kugelgewindetriebs dargestellt, welches eine Gewindespindel 2 aufweist, die mit einem Stangenelement 3 mittels Reibschweißen verbunden ist. Das Stangenelement 3 ist dabei durch den genannten Reibschweißvorgang an einer Stirnseite 4 der Gewindespindel 2 befestigt.
Die Gewindespindel 2 weist an ihrem äußeren Umfang mindestens eine Kugelrille auf, in der in 3 schematisch angedeutete Kugeln 7 laufen.
Damit die Reibschweißverbindung zwischen der Gewindespindel 2 und dem Stangenelement 3 in oben erläutertem Sinne stabil ist, weist die Gewindespindel 2 vor der Durchführung des Reibschweißvorgangs eine Ausgestaltung auf, wie sie in 2 dargestellt ist.
Hiernach ist in die Stirnseite 4 der Gewindespindel 2 eine Ringnut 5 eingearbeitet, die in Umfangsrichtung umläuft und im Radialschnitt gemäß einer möglichen Ausgestaltung der vorgeschlagenen Lösung, wie in 2 zu sehen, eine V-förmige Gestalt aufweist. Der Durchmesser des Stangenelements d entspricht dabei im wesentlichen dem inneren Durchmesser D der Ringnut 5 an der Stirnseite 4, wie es sich aus 2 ergibt.
Die Ringnut 5 wird dabei bevorzugt durch einen Drehvorgang in die Gewindespindel 2 eingebracht.
Bei der Durchführung des Reibschweißvorgangs werden die Gewindespindel 2 und das Stangenelement 3 in axiale Richtung gegeneinander gedrückt, wobei gleichzeitig eine relative Drehbewegung zwischen den beiden Bauteilen erzeugt wird. Der an sich bekannte Reibschweißvorgang führt zur Verbindung, wie sie in 3 illustriert ist.
Hiernach ist zu sehen, dass durch den Reibschweißvorgang aufgeschmolzenes Material sowohl der Gewindespindel 2 als auch des Stangenelements 3 in den ursprünglich zur Verfügung stehenden Raum der Ringnut 5 eintritt.
Für die Durchführung des Reibschweißvorgangs steht ein gewisser axialer Bereich zur Verfügung, wie er durch die Bezugsziffer 6 in 3 angedeutet ist.
Das axiale Ende des Stangenelements 3 kann dabei neben einem zylindrischen Abschnitt einen leicht konischen Bereich aufweisen, was in 2 angedeutet ist.
Mit der vorgeschlagenen Lösung kann eine stabile Verbindung zwischen Stangenelement 3 und Gewindespindel 2 hergestellt werden, die sich aus einer duktilen Verbindung der Materialien der beiden Bauteile ergibt. Demgemäß ist eine vorteilhaft dauerhaft stabile Verbindung zwischen den beiden Bauteilen gewährleistet.
Die Form der Ringnut 5 - im Ausführungsbeispiel V-förmig vorgesehen - kann natürlich auch andere Ausformungen aufweisen, die vorteilhaft zum Einsatz kommen können.
Hinsichtlich der Dimensionierung der Ringnut 5 sei darauf hingewiesen, dass die Größenverhältnisse in 2 maßstabsgetreu dargestellt sind und hier eine vorteilhafte Ausgestaltung der Dimensionen der geometrischen Größen angegeben ist.
Bezugszeichenliste

1: Spindelelement
2: Gewindespindel
3: Stangenelement
4: Stirnseite der Gewindespindel
5: Ringnut
6: möglicher Bereich, der für das Reibschweißen zur Verfügung steht
7: Kugel
d: Durchmesser des Stangenelements
D: innerer Durchmesser der Ringnut

Claims

Spindelelement (1) eines Kugelgewindetriebs, umfassend eine Gewindespindel (2), die an einem axialen Ende mit einem Stangenelement (3) verbunden ist, wobei die Gewindespindel (2) und das Stangenelement (3) durch einen Reibschweißvorgang miteinander stoffschlüssig verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Gewindespindel (2) an ihrer dem Stangenelement (3) zugewandten Stirnseite (4) eine in Umfangsrichtung umlaufende Ringnut (5) aufweist,die um das der Gewindespindel (2) zugewandte Ende des Stangenelementes (3) herum angeordnet ist.
Spindelelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ringnut (5) im Radialschnitt eine V-förmige Gestalt aufweist, wobei sich die radiale Dicke der Ringnut (5) zur Stirnseite (4) hin vergrößert.
Spindelelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Stangenelement (3) an seinem der Gewindespindel (2) zugewandten Ende einen Durchmesser (d) aufweist, der kleiner oder gleich ist als der innere Durchmesser (D) der Ringnut (5) an der Stirnseite (4).
Spindelelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Stangenelement (3) aus rostfreiem Stahl besteht.
Spindelelement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Stahl des Stangenelements (3) einen geringen Kohlenstoffgehalt aufweist, vorzugsweise einen Kohlenstoffgehalt von weniger als 1,2 %.
Spindelelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Gewindespindel (2) aus Einsatzstahl besteht.
Spindelelement nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Gewindespindel (2) aus 16MnCr5 besteht.
Abgasrückführungssystem eines Kraftfahrzeugs mit einem Spindelelement nach einem der Ansprüche 1 bis 7, das mit einem Ventil des Abgasrückführungssystems verbunden ist und dieses betätigt.
Verfahren zur Herstellung eines Spindelelementes nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dessen umlaufende Ringnut (5) vor der Durchführung des Reibschweißvorgangs erzeugt wird, der durchgeführt wird unter relativer Drehbewegung zwischen dem Stangenelement (3) und der Gewindespindel (2), die in axialer Richtung gegeneinander gedrückt werden.
Verfahren nach Anspruch 9, dessen Raum der Ringnut (5) nach der Durchführung des Reibschweißvorgangs zumindest teilweise mit aufgeschmolzenem Material der Gewindespindel (2) und/oder des Stangenelements (3) gefüllt ist.