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Die Erfindung betrifft eine Achse mit mindestens einem Anschlussabschnitt und mindestens einem Rohrelement, deren Verwendung sowie ein Verfahren zu ihrer Herstellung. Typische Achsen sind Pendelachsen und Starrachsen. Die Erfindung wird nachfolgend anhand einer Starrachse, wie sie für nicht angetriebene Achsen - bspw. in LKW-Anhängern, eingesetzt wird beschrieben. Insbesondere handelt es sich um eine Starrachse, die hohe Gewichte aufnehmen kann. Es kann sich aber auch um eine Achse für eine Einzelradaufhängung, eine hohle Antriebsachse oder um eine sonstige Achse mit einem anderen Anschlusselement handeln.
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Gattungsgemäße Achsen sind bekannt. Sie wurden bisher aus hohlen Rohren, an die Anschlussteile, wie Achsschenkelteile, angeschweißt wurden, hergestellt. Sie werden eingesetzt in Antrieben aller Art, angetrieben oder nicht angetrieben in Fahrzeugen, als Kraftübertragungswellen in Maschinen - bspw. Mähdreschern - und zeichnen sich durch hohe Belastbarkeit aus.
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Besonders Starrachsen waren aufwändig in mehreren Verfahrensschritten - Rohrformen, sowie Anschweißen der Achsschenkel auf beiden Seiten - herzustellen. Aufgrund der zu erstellenden und anzuschweißenden Achsenden (im Gesenk geschmiedete Stummel an das Achsrohr) musste bislang relativ viel Material eingesetzt werden, was sich nachteilig auf das Gewicht der Achse sowie die Umweltbilanz des damit ausgestatteten Fahrzeugs auswirkte.
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Typische Starrachsen sind aus der
PCT/EP 2005/003019 oder der
DE102016107141 bekannt.
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Heute werden bei allen Fertigungsverfahren die Anforderungen an eine ressourcenschonende, energiesparende Herstellung bei verringertem Gewicht gesteigert.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Herstellung derartiger Achsen zu vereinfachen und eine verbesserte Achse mit mindestens einem Anschlussabschnitt herzustellen.
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Die Aufgabe wird durch eine Achse mit den Merkmalen des Patentanspruches 1, deren Verwendung nach Anspruch 5 sowie ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruches 7 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
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Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird eine einteilige Achse mit mindestens einem Anschlussabschnitt und einem Rohrelement geschaffen, wobei die Achse ein im mindestens einen Endbereich umgeformtes Ausgangsrohr ist, das einstückig/ einteilig mit dem/den Anschlussabschnitt/en einen im wstl. parallel zur Außenwand verlaufenden Faserverlauf aufweist.
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Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung ist eine gattungsgemäße hohle Achse, die eine Starrachse ist.
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Eine gattungsgemäße Starrachse besteht aus einem einstückigen/ einteiligen geformten Hohlkörper, dessen mindestens eine Ende stufenartig zu einem Anschlussteil, wie einem Achsschenkel, zuläuft, wobei der Faserverlauf im wesentlichen parallel zu der Außenkontur ist. Die Achse ist im wesentlichen aus einem plastisch verformbaren Ausgangsmaterial, ausgewählt aus Knetlegierungen und thermoplastischen Kunststoffen, hergestellt.
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Eine gattungsgemäße einteilige Achse ist ein nahtloses, halbwarm bis warm umgeformtes Rohrelement.
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Bevorzugte Verwendungen der Achse sind in Fahrzeugen oder Fahrzeuganhängern, insbesondere Trailer.
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Weiterhin bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zur Herstellung dieser Achse mit mindestens einem Anschlussteil, mit den Schritten:
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Vorlegen eines gezogenen, nahtlosen Rohrs aus geeignetem Material.
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Erwärmen und Verjüngen des mindestens einen Endbereichs des Rohrs unter Ausbildung eines verjüngten Rohrabschnitts
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Formwalzen des innen abgestützten warmen Rohrs mindestens am verjüngten Bereich unter Herstellung einer Vorkontur mit variierenden Wanddicken (Materialanhäufungen);
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Stauchen des formgewalzten warmen Rohrabschnitts unter Innenabstützung gegen eine Stauch-Außenform unter Ausbildung einer endformnahen-Außenkontur.
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Dazu wird ein Rohr-Rohling zunächst an mindestens einem Ende durch ein an sich bekanntes Verfahren, wie ein Walzverfahren, verjüngt; danach werden Materialansammlungen im Bereich der Stufen des gestuften Achsschenkels durch Formwalzenmit Innenabstützung in mindestens einem Endbereich gebildet, woraufhin mittels eines Stauchverfahrens im Bereich der Materialansammlung geformte Achsschenkelabschnitte gebildet werden.
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Dadurch, dass der Faserverlauf aufgrund der Herstellungsverfahrensschritte äußerst günstig für die Festigkeit der Achse ist, können dünnere Wanddicken, als bei den herkömmlichen hohlen Achsen mit geschweißten Anschlussteilen - bspw. Achsschenkeln - eingesetzt werden, wodurch ein leichteres Bauteil in weniger Verfahrensschritten entsteht. Es ist auch unnötig, die für die Herstellung einer Achse mit Anschlusselement aus mehreren Teilen notwendigen Ausgangsteile zu beschaffen, zu bevorraten und dann mit einem aufwändigen und energieintensiven Schweißverfahren an ein Rohr anzuschweißen.
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Dadurch können erhebliche Materialersparnisse im Teil selbst, ein geringeres Gesamtgewicht bei gleicher oder besserer Festigkeit, je nach Materialeinsatz, sowie eine überraschend günstigere und Ressourcen schonende Herstellung erreicht werden.
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Bevorzugt werden als Ausgangsmaterial gezogene nahtlose Rohre verwendet.
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Für die warme oder halbwarme Formung der Anschlußteile an mindestens einem Rohrende - hier anhand von Achsschenkelabschnitten erläutert - können alle Umformverfahren eingesetzt werden, welche den Faserverlauf des Materials nicht zerstören - also solche, die im Halbwarmen oder Warmen umformen. Für Stahl der Güte S355/ST52/3 oder STE 460 sowie höher legierten Materialien mit anschließender Wärmebehandlung bedeutet das, dass die Temperaturen zwischen etwa 650 und 950°C, bevorzugt zwischen 700 bis 900°C und besonders bevorzugt zwischen 700 und 900°C liegen. So eignet sich als Umformverfahren bspw. Rotationswalzen oder Schmieden über einen Stützdorn, wodurch sodann der direkt angeformte Achsschenkel entsteht. Das Verfahren ist jedoch nicht auf Stahl beschränkt - es können auch andere zur Achsherstellung eingesetzte umformbare Materialien, wie Knetlegierungen von Titan, Aluminium oder thermoplastische Hochleistungskunststoffe etc. verwendet werden mit entsprechend angepassten Temperaturen und Rotationswalzen. Durch das Ausbilden von Materialansammlungen über Rotationswalzen und unter zu Hilfenahme von Wärme vor dem Stauch-Verformen zur Endform kann eine ausreichende Wandstärke für hohe Belastungen im Achsschenkelbereich gewährleistet werden, ohne dabei zusätzliches Material oder Abfallmaterial zu erzeugen.
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Nachfolgend wird die Erfindung näher anhand einer LKW-Trailerachse als Ausführungsbeispiel näher erläutert. Ein LKW-Anhänger wird nachfolgend als Trailer bezeichnet und die Fahrwerkachse des Trailers als Trailerachse.
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Ein LKW-Trailer weist mindestens eine Fahrwerkachse auf. Als Fahrwerkachse wird im Sinne der Erfindung eine Achse bezeichnet, über welche die Verbindung des Fahrgestells zu den Rädern hergestellt wird. Die Fahrwerkachse dient somit der Radaufhängung. Die Fahrwerkachse umfasst ein Rohrelement, das die Verbindung zwischen Rädern an gegenüberliegenden Seiten eines Kraftfahrzeuges und damit an gegenüberliegenden Seiten eines Kraftfahrzeuganhängers bildet. Das Rohrelement der Fahrwerkachse wird auch als Achsrohr bezeichnet.
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Von der Fahrwerkachse und insbesondere dem Rohrelement können hohe Lasten aufgenommen werden. Zudem ist die Bruchfestigkeit bei gleichzeitig guten Zähigkeitseigenschaften gegeben.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform besteht das Rohrelement der Fahrwerkachse aus einem bainitischen, lufthärtenden Werkstoff. Hierdurch können zum einen durch das überwiegend bainitische Gefüge des Werkstoffes die erfindungsgemäß geforderten Kennwerte auf einfache Weise erfüllt werden. Zum anderen kann dadurch, dass die Kennwerte durch Abkühlung an Luft eingestellt werden können, die Herstellung des Rohrelementes und damit der Fahrwerkachse und des Trailers vereinfacht werden. Insbesondere ist bei dem Einsatz von bainitischen Werkstoffen eine aufwändige Wärmebehandlung des Rohrelementes nicht erforderlich. Erst bei dem Einsatz von dementsprechend legierten Vergütwerkstoffen wird eine Wärmebehandlung notwendig. Der Einsatz dieser Vergütwerkstoffe ist einsatzabhängig und bringt bei der Dimensions-Auslegung und Belastbarkeit weitere Vorteile (kleinerer Durchmesser der Achsen bei gleicher Belastungsgrenze/ größere Durchmesser für größere Belastungszustände)
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Gemäß einem weiteren Aspekt wird die Erfindung durch eine Fahrwerkachse, insbesondere für einen Anhänger eines Kraftfahrzeuges, gelöst. Die Fahrwerkachse kann aber auch ggf. als Fahrwerkachse an einem Kraftfahrzeug eingesetzt werden.
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Das Rohrelement ist vorzugsweise ein nahtloses Rohr.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Fahrwerkachse besteht diese vorzugsweise aus einem bainitischen, lufthärtenden Werkstoff.
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Obwohl z.Zt. eine bevorzugte Ausführungsform aus einem Stahlwerkstoff auf Eisenbasis hergestellt ist, kann sie aber auch aus umformbaren Titanknetlegierungen oder anderen Hochleistungswerkstoffen bestehen, die sich unproblematisch stauchen und umformen lassen.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist das Rohrelement der Fahrwerkachse ein warmgeformtes und anschließend an Luft gekühltes Stahl-Rohrelement. Bei der Herstellung des Rohrs beziehungsweise bei der Warmumformung wird hierbei das Rohr, aus dem das Rohrelement gefertigt wird, auf eine Temperatur, die oberhalb der Ac3-Temperatur des Werkstoffes liegt, erwärmt. In einerr bevorzugten Ausführungsform wird das Rohrelement ohne anschließende Wärmebehandlung nach der Warmumformung hergestellt. Es hat sich gezeigt, dass dennoch die erfindungsgemäßen Eigenschaften des Rohrelementes eingestellt werden können.
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Hierdurch kann ein feinkörniges und gleichmäßiges Gefüge erzielt werden, dessen Festigkeits- und Zähigkeitseigenschaften weiter verbessert sind.
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Gemäß einer Ausführungsform stellt die Fahrwerkachse eine einstückige Fahrwerkachse dar, bei der das Rohrelement mindestens einen angeformten Achszapfen aufweist. Eine solche Ausgestaltung ist bei der vorliegenden Erfindung möglich, da auch nach dem Anformen der Achszapfen die Kennwerte in der Achse weiterhin vorliegen.
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Die Fahrwerkachse ist gemäß einer bevorzugten Ausführungsform eine Starrachse. Als Starrachse wird die Art der Radaufhängung bezeichnet, bei der die Räder einer Achse über einen starren Achskörper, insbesondere das Rohrelement, miteinander verbunden sind.
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Die Fahrwerkachse kann eine Achse des Kraftfahrzeuges darstellen. Auch hierbei ist die Fahrwerkachse vorzugsweise eine Starrachse. Besonders bevorzugt ist die Fahrwerkachse eine Kraftfahrzeuganhängerachse. Diese Achsen, die in der Regel als Starrachsen ausgebildet sind, werden Zug- und/oder Druckbeanspruchungen, insbesondere aber Biege- und Torsionsbeanspruchungen ausgesetzt. Mit den erfindungsgemäßen Eigenschaften der Fahrwerkachse kann diese den Beanspruchungen standhalten und die Sicherheit ist somit gewährleistet.
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Die Erfindung betrifft somit auch eine Verwendung einer erfindungsgemäßen Fahrwerkachse in Kraftfahrzeugen, eingeschlossen LKW und Anhängern sowie Schienenfahrzeugen.
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Die erfindungsgemäße Fahrwerkachse zeichnet sich zudem durch eine verbesserte Oberflächengüte aus, da eine Schweißnaht/ Wulst entfällt .Zudem kann die Fahrwerkachse nach der Herstellung und vor der Endbearbeitung auch gegen mechanische Beschädigung, beispielsweise durch Steinschlag, über eine Beschichtung geschützt werden. Die Beschichtung kann beispielsweise eine Verzinkung, Kunststoffbeschichtung, Lackierung oder dergleichen sein. Lediglich eine einfache Abdeckung der im nach hinein mechanisch zu bearbeitenden Bereichen ist u.U. erforderlich.
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Die Erfindung weist eine Reihe von Vorteilen auf. Zum einen ist mit der vorliegenden Erfindung ein Leichtbaupotential gegeben, das beispielsweise für Fahrzeuganhänger oder Trailerachsen genutzt werden kann. Insbesondere kann aufgrund der durchgehenden Wand die Wandstärke des Rohrelementes verringert werden und dadurch das Gewicht der Fahrwerkachse verringert werden. Zudem garantiert das Verfahren eine gute Umformbarkeit des Werkstoffes und daher eine einfachere Herstellung der Achse.
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Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der folgenden detaillierten Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen, die anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert werden. Darin zeigen:
- 1A : eine schematische Darstellung des Aufbaus einer bekannten Starrachse im Längsschnitt,
- 1B: eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Achse im Längsschnitt,
- 2 schematisch den Faserverlauf in der erfindungsgemäßen Starrachse der 1B, und
- 3: Verfahrensschritte zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Starrachse
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Ausführungsformen der Erfindung werden hierin beschrieben. Es versteht sich jedoch, dass die offenbarten Ausführungsformen lediglich Beispiele sind und andere Ausführungsformen verschiedene und alternative Formen annehmen können. Die Figuren sind nicht notwendigerweise maßstäblich; so können einige Einrichtungen übertrieben oder verkleinert sein, um Einzelheiten einzelner Komponenten zu zeigen. Daher sind spezifische strukturelle und funktionelle Details, die hierin offenbart sind, nicht einschränkend zu interpretieren, sondern lediglich als eine repräsentative Basis zur Unterrichtung des Fachmanns, um die Erfindung unterschiedlich anzuwenden. Wie dem Fachmann geläufig ist, können verschiedene mit Bezug auf irgendeine der Figuren dargestellte und beschriebene Einrichtung mit Einrichtungen kombiniert werden, die in einer oder mehreren anderen Figuren dargestellt sind, um Ausführungsformen zu erzeugen, die nicht explizit dargestellt oder beschrieben sind. Die dargestellten Kombinationen von Einrichtungen stellen repräsentative Ausführungsformen für typische Anwendungen dar. Verschiedene Kombinationen und Modifikationen der Einrichtungen, die mit den Lehren dieser Erfindung übereinstimmen, könnten jedoch für bestimmte Anwendungen oder Ausführungen erwünscht sein.
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In 1 A sind die Bestandteile einer herkömmlichen Fahrwerks-Starrachse 1 schematisch gezeigt. Die Starrachse 1 weist ein Rohrelement 11 auf, das auch als Achsrohr bezeichnet werden kann. Das Rohrelement 11 ist bevorzugt ein nahtloses Rohrelement 11. An den beiden Enden des Rohrelementes 11 ist jeweils ein Achszapfenelement 8 vorgesehen, das über eine Schweißverbindung 6 mit dem Rohrelment verbunden wird. In 1 B ist eine erfindungsgemäße Starrachse mit angeformtem Achszapfen 12 gezeigt. Die Achszapfen 11 sind an den Enden des Rohrelementes 11 ausgeformt. Die Achszapfen 12 sind bei der Ausführungsform nach 1B durch Umformen der Enden des Rohrelementes 11 selbst, insbesondere durch Warmformen, ausgeformt worden. Hier sind die einstückig angeformten Achszapfen 12 verjüngte und/oder gewalzte/gestauchte Enden des Rohrelementes 11.
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2 ist eine schematische Darstellung eines Teils des Faserverlaufs in einer erfindungsgemäßen Starrachse. Deutlich erkennt man, dass aufgrund der Aufstauchung des Materials in den Endbereichen des umgeformten Rohrs 11 die Fasern etwas wellig sind - aber ununterbrochen und im Wesentlichen parallel zur Oberfläche der Starrachse verlaufen. Durch einen derartigen Faserverlauf wird eine hohe Materialfestigkeit erzielt, die eine geringe Wandstärke bei guten Festigkeitseigenschaften ermöglicht.
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In 3 ist ein Verfahren zur Herstellung der Achse der 1 und 2 schematisch gezeigt.
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Zunächst wird ein nahtloser Rohrabschnitt für das nahtlose Rohrelement 11 vorgelegt und auf Schmiedetemperatur oder bis etwa 20% darunter erwärmt. Die beiden Enden des Rohrelementes 11 werden zunächst trichterartig durch zwei rotierende Walzsegmente sowie einem innen im warmen Bauteil symmetrisch und parallel zu den Walzelementen gesteuerten Stützdorn verjüngt. Anschließend werden die Endbereiche des Rohrelements 11 warm, gezielt über einen Dorn 17 so über Formwalzen 15 gewalzt, dass im Bereich der Stufen der ,Achsen-Endbereiche Materialansammlungen 13 entstehen. Diese Materialansammlungen 13 werden beim nachfolgenden Warmstauchen mit Innenabstützung durch einen Dorn gegen eine Außenform 20 aufgeweitet, so dass auch im Bereich der Abstufung des Achsschenkels eine für die Stabilität der angeformten Achsschenkel 12 unabdingbare Wandstärke erhalten wird. Das Stauchen erfolgt gegen eine Außenform 20 mit Innenabstützung, wie einem Dorn, wobei die Materialansammlung 13 sich zumindest teilweise auflöst bzw. streckt, eine Endform-Außenkontur entsteht und so der angeformte Achsschenkel 12 gebildet wird. Dieser Achsschenkel 12 kann noch durch übliche Nachbearbeitungsschritte - wie Drehen oder dgl. überarbeitet werden. Durch ununterbrochenen Faserverlauf und die Werkstoffverdichtung wird bei der erfindungsgemäßen Achse eine deutliche Qualitätssteigerung gegenüber den gebauten Achsen (d.h. solchen mit angeschweißten Achsschenkeln gemäß 1A) erzielt. Mit Hilfe der Formwalzwerkzeuge 15 können alle Materialien bearbeitet werden, die sich warm bis halbwarm umformen lassen. Das Material - bevorzugt Stahl, Aluminium- oder Titanlegierung, wird durch die Walzbacken 15 einer Formwalze gegen einen Dorn 17 an Bereichen, in denen eine Materialstreckung erfolgen soll, angesammelt und dann durch Querstauchen gegen eine Außenform 20 in die endgültige Form gebracht.
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Ausführungsbeispiel
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Trailerachse
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Ein Rohr einer Länge von etwa 2,20 m aus STE460 Stahl einer Wanddicke von 14 mm und einem Durchmesser von 180 mm wird auf 750°C erwärmt und seine Rohrenden beidseitig durch Formwalzen mit einer Innendornabstützung im Durchmesser reduziert.
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Anschließend wird werden die verjüngten Endabschnitte des noch warmen Rohrs in einer Formwalzmaschine derart gewalzt, dass der Stahl sich auf den verjüngten Endabschitten endformnah unter Ausbildung von Materialanhäufungen 13 verteilt. Dieses formgewalzte Rohr wird in einer Stauchmaschine gegen eine Außenform unter Innenabstützung gestaucht und nimmt dadurch Endform an.
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Die so hergestellte Trailerachse ist aufgrund ihrer Einstückigkeit leichter als geschweißte Achsen und einfacher herzustellen. Es wird bei diesem Verfahren deutlich weniger Energie eingesetzt als bei der herkömmlichen Achsfertigung mit Einsatz und Verschweißen von geschmiedeten Achszapfen.
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Während verschiedene Ausführungsformen zur Erläuterung von Vorteilen gegenüber anderen Ausführungsformen oder Implementierungen des Stands der Technik in Bezug auf eine oder mehrere gewünschte Eigenschaften beschrieben worden sind, erkennt der Fachmann, dass Merkmale oder Einrichtungen verschlechtert werden können, um das gewünschte Ziel zu erreichen, das von der spezifischen Anwendung und Implementierung abhängt. Diese Attribute können die Kosten, die Widerstandsfähigkeit, Haltbarkeit, Lebenszykluskosten, Marktfähigkeit, das Aussehen, Größe, Gebrauchstauglichkeit, das Gewicht, die Herstellbarkeit, Einfachheit der Montage usw. einschließen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Achse
- 6
- Schweißverbindung bei Achse nach dem Stand der Technik
- 8
- Achsschenkel nach dem Stand der Technik
- 11
- Rohrelement
- 12
- Anschlußelement/Achszapfen
- 13
- Materialansammlung
- 15
- Formwalze
- 16
- Formdorn
- 17
- Stützdorn
- 20
- Stauchaußenform
- Y -
- Rohr-Relativbewegung gegen die Formwalze 15
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 2005/003019 PCT [0004]
- DE 102016107141 [0004]
