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Die
vorliegende Erfindung betrifft Kraftübertragungsvorrichtungen mit
einem antreibenden Element und einem angetriebenen Element, wie
etwa die Verbindung zwischen einer Antriebswelle und einem Differenzial
oder die Verbindung zwischen einem Differenzial und einem Rad. Weiterhin
betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer drehfesten
Verbindung zwischen rotierenden Teilen mittels einer erfindungsgemäßen Kraftübertragungsvorrichtung.
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Kraftübertragungsvorrichtungen
können komplizierte
Maschinen darstellen, in denen zahlreiche mechanische Vorrichtungen
in immer kleineren Bauformen integriert werden, um Kosten zu sparen, die
Qualität
zu sichern und das Gewicht zu verringern. Ein Bereich, in dem die
Qualität
stark verbessert werden kann, betrifft die Grenzfläche zwischen einer
Antriebswelle und dem Differenzial, das durch die Antriebswelle
angetrieben wird. Diese Grenzfläche
umfasst typischerweise eine Keilwellenverbindung bzw. Keilnutverbindung,
wie in 1 gezeigt. In einer derartigen Konfiguration ist
auf der Außenseite des
Endes eines Achsenritzels bzw. Achsenzahnrads ein Keil maschinell
gebildet. Eine dazu passende Keilnut ist maschinell auf einem Gegenstückflansch
zum Anbringen einer Antriebswelle an der Achse maschinell ausgebildet.
Ungeachtet dessen, ob es sich bei der Antriebswellenhalterungseinrichtung
um einen Flansch oder eine andere Art von Vorrichtung handelt, sind
mit der Verwendung einer derartigen Konfiguration zahlreiche Nachteile
verbunden.
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Der
aktuell zum Einsatz kommende Herstellungsprozess für einen
Achsenzahntrieb bzw. ein Achsenritzel, der bzw. das in
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1 gezeigt
ist, kann enge Konzentrizitätstoleranzen
nicht gewährleisten.
Das maschinelle Bearbeiten des in 1 gezeigten
Zahntriebaufbaus 10 umfasst die Schritte des Bereitstellens
und des Schmiedens. Bei dem Schmieden handelt es sich um einen grobmaschinellen
Bearbeitungsvorgang, der typischerweise zumindest einen Ausrichtungsvorgang
erfordert. An das Schmieden schließt sich ein Walzfräsvorgang
an einem Ende an, um ein Zahnrad 12 zu bilden. Die außen liegende
Keilwelle/Keilnut 14 wird daraufhin roll- bzw. walzgeformt.
Das Gewinde 20 muss typischerweise keinen hohen Grad an
Konzentrizität
aufweisen und kann auf die Welle walzgeformt werden, wobei das Teilfertigprodukt
daraufhin wärmebehandelt
wird. Nach dem Wärmebehandeln werden
die Achszapfen 16, 18 auf eine festgelegte Toleranz
geschliffen, weil es erwünscht
ist, dass die Achszapfen 16, 18 konzentrisch zur
Welle und dem Zahnrad 12 ausgerichtet sind.
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In
diesem Achsenzahntriebaufbau kann die Konzentrizität zwischen
den Keilnuten und der Welle nur schwer erzielt werden, und zwar
primär
insbesondere deshalb, weil eine Wärmebehandlung durchgeführt wird,
nachdem die Keilnuten gebildet sind. Eine Wärmebehandlung nach dem maschinellen
Bearbeiten induziert jedoch eine Spannung, wenn nicht sämtliche
Teile und Abschnitte dieses Teils in derselben Weise auf die hohe
Wärme und
Spannungen im Wärmebehandlungsprozess
reagieren. Keilnutverbindungen sind außerdem mit zahlreichen Nachteilen
behaftet. Da Keilnuten im Wesentlichen Zahnräder darstellen, die auf einer
Welle festgelegt sind, werden sie mit einem bestimmten Grad an Spiel
unvermeidlich hergestellt, damit die Achse am Flansch oder einer
anderen Kraftübertragungskomponente angebracht
bzw. montiert werden kann. Während dieses
Spiel für
die Montage nützlich
ist, führt
es zu Totgang, sobald die Achse und der Flansch montiert und in
Betrieb ge setzt sind. Totgang kann zu Verschleiß und Abnutzung zwischen den
vor- und zurückspringenden
Keilen/Keilnuten beitragen, was zu einem vorzeitigen Ausfall führen kann.
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Aus
der
DE 41 17 826 A1 ist
eine flexible Welle zur Übertragung
eines niedrigen Drehmoments mit Steckkupplung bekannt, die speziell
ausgebildete polygonale Endzapfen aufweist, die zur Einführung in komplementär ausgebildete
Anschlussbuchsen vorgesehen sind. Zur Verminderung von Spiel des
in die Anschlussbuchse eingeführten
Endzapfens ist dieser bei gleich bleibendem polygonalem Querschnitt längs seiner
Längsachse
in sich verdreht. Hingegen weist die Anschlussbuchse eine solche
Verdrehung nicht auf. Wird der Endzapfen in die Anschlussbuchse
eingeführt,
so ergibt sich eine mit zunehmender Einstecktiefe zunehmende Verspannung
des in sich verdrehten Endzapfens in der Anschlussbuchse, aus der
eine weitestgehend spielfreie Drehverbindung von Endzapfen und Anschlussbuchse
ergibt. Nachteilig an der aus der
DE 41 17 826 A1 bekannten Steckkupplung ist,
dass sie nicht zur Übertragung
höherer
Drehmomente geeignet ist. Weiterhin ist die in der Steckkupplung
erzielte Vorspannung abhängig von
der Montage der Steckkupplung und kann sich unter mechanischer Beanspruchung
unkontrolliert verändern.
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Aus
der
DE 35 11 534 A1 ist
ebenfalls eine flexible Welle zur Übertragung eines niedrigen
Drehmoments mit Steckkupplung bekannt. Die Eigenschaften der Steckkupplung
entsprechen im Wesentlichen denen der aus der
DE 41 17 826 A1 bekannten Steckkupplung.
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Aus
der nachveröffentlichten
EP 1 225 356 A1 ist
eine Welle-Nabe-Verbindung bekannt, die einen Endzapfen aufweist,
der eine Dreiteilung in seiner Längsrichtung
aufweist. Der Endzapfen weist dabei zwei gegeneinander verdrehte
Halteabschnitte auf, die jeweils einen trochoidischen Querschnitt
aufweisen. Nicht bekannt ist aus der
EP 1 225 356 A1 das für den angegebenen Verwendungszweck
optimale Maß an
Verdrehung der Halteabschnitte gegeneinander.
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Es
besteht daher ein Bedarf an einer verbesserten Kraftübertragungsvorrichtung
z.B. zwischen dem Differenzial und dem Flansch einer Verbindung, die
einen geringeren Totgang bei gleichzeitig hoher Drehmomentbelastbarkeit
aufweist. Außerdem
besteht ein Bedarf an einem verbesserten Verfahren zur drehfesten
Kopplung eines antreibenden Elements mit einem angetriebenen Element,
die z.B. Teil einer zwischen einem Differenzial und einer Antriebswelle angeordneten
Kraftübertragungsvorrichtung
derart, dass die drehfeste Verbindung einen geringeren Totgang bei
bei gleichzeitig hoher Drehmomentbelastbarkeit aufweist.
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Erreicht
wird dieses Ziel durch die Merkmale des Anspruchs 1 hinsichtlich
einer Grenzfläche
zwischen einem antreibenden Element und einem angetriebenen Element,
durch die Merkmale des Anspruchs 9 hinsichtlich eines Verfahrens
zur Grenzflächenkopplung
eines angetriebenen Elements mit einem antreibenden Element, durch
die Merkmale des Anspruchs 14 hinsichtlich einer Kupplung für eine Kraftfahrzeugantriebswelle,
und durch die Merkmale des Anspruchs 26 hinsichtlich eines Verfahrens
zur Herstellung eines Achsenzahntriebs. Vorteilhafte Weiterbildungen
der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Mit
anderen Worten erreicht die vorliegende Erfindung das genannte Ziel
durch eine verbesserte Konstruktion der Grenzfläche bzw. der Verbindung zwischen
einem antreibenden Element und einem angetriebenen Element.
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Gemäß einem
Aspekt besitzt das antreibende Element einen mehreckigen Achsenabschnitt,
der zumindest eine Oberfläche
aufweist, die aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus konka ven,
konvexen und geraden Oberflächen
besteht. Das angetriebene Element besitzt eine dazu passende mehreckige
Fläche
bzw. Oberfläche,
d. h., das angetriebene Element besitzt eine Fläche, die konvex ist, wenn das antreibende
Element eine konvexe Oberfläche
aufweist. Alternativ besitzt das angetriebene Element eine konkave
Oberfläche,
wenn das antreibende Element ebenfalls eine konkave Oberfläche besitzt.
Alternativ können
die antreibenden und angetriebenen Elemente Oberflächen ausweisen,
die weder konkav noch konvex sind, sondern gerade verlaufen. Zumindest
eine der antreibenden und angetriebenen Oberflächen weist entlang ihrer axialen
Erstreckung einen verdrehten Abschnitt auf. In einigen Ausführungsformen
besitzt der verdrehte Abschnitt einen Verdrehwinkel von etwa 0° 10' bis etwa 1°.
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Ein
weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft eine Kupplung
für eine
Kraftfahrzeugantriebswelle. Die Kupplung umfasst eine Antriebswelle mit
einem Achsenabschnitt, der aus der Gruppe ausgewählt ist, der konkave, konvexe
und gerade Oberflächen
umfasst. Die Kupplung umfasst außerdem eine Halterungsvorrichtung
mit einem mehreckigen Achsenabschnitt, der mit demjenigen der Antriebswelle übereinstimmt.
Einer der mehreckigen Achsenabschnitte weist einen verdrehten Abschnitt
entlang seiner Länge
auf mit einem Winkel von etwa 0° 10' bis etwa 1°.
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Ein
weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft eine Kupplung
zum Übertragen
von Rotationsenergie von einem antreibenden Element auf ein angetriebenes
Element. Die Kupplung umfasst ein angetriebenes Element mit einem
mehreckigen Achsenabschnitt. Die Kupplung umfasst außerdem ein
angetriebenes Element mit einem dazu passenden mehreckigen Achsenabschnitt.
Ein Teil von einem der mehreckigen Achsenabschnitte weist einen verdrehten
Abschnitt entlang seiner Länge
auf mit einem Verdrehwinkel von etwa 0° 10' bis etwa 1°.
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Ein
weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Grenzflächenkopplung
eines antreibenden Elements mit einem angetriebenen Element. Das
Verfahren umfasst das Bereitstellen eines antreibenden Elements
mit einem mehreckigen Achsenabschnitt und eines angetriebenen Elements
mit einem dazu passenden mehreckigen Achsenabschnitt. Zumindest
einer der mehreckigen Achsenabschnitte weist einen verdrehten Abschnitt
entlang seiner axialen Längserstreckung
aus mit einem Verdrehwinkel von etwa 0° 10' bis etwa 1°. Das Verfahren sieht daraufhin
das Verbinden des antreibenden Elements mit dem angetriebenen Element
vor.
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Ein
weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen
eines Achsenzahntriebs. Das Verfahren umfasst außerdem das Bereitstellen eines
Schmiedevorgangs und eine grobmaschinelle Bearbeitung des geschmiedeten
Produkts. Das Verfahren umfasst außerdem das Walzfräsen zur
Erzeugung eines Zahnrads an einem ersten Ende des Achsenzahntriebs,
gefolgt von einer Wärmebehandlung des
Achsenzahntriebs. Nach der Wärmebehandlung umfasst
das Verfahren das Hartdrehen von zumindest zwei Achszapfen und eines
mehreckigen Achsenabschnitts auf der Welle. Bei diesem Verfahren wird
die Welle nicht geschliffen und die Konzentrizität zwischen den Achszapfen und
dem mehreckigen Abschnitt der Welle beträgt zumindest 0,001 Inch (0,0254
mm).
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Das
Verwenden mehreckiger Grenzflächen hat
große
Vorteile im Vergleich zu der aktuell verwendeten Keilnutverbindung
zwischen einem antreibenden Abschnitt und einem angetriebenen Abschnitt. Beispielsweise
verringert die verdrehte mehreckige Verbindung stark bzw. beseitigt
virtuell den Totgang, wodurch der Verschleiß zwischen den Passflächen verringert
wird. Außerdem
ist dadurch die Herstellungsausbeute verbessert und Fehlproduktion
wird verringert, weil die mehreckigen Oberflächen nach der Wärmebehandlung
maschinell bearbeitet werden. Im Gegensatz hierzu ist bei dem herkömmlichen Prozess
erforderlich, dass die Keilnuten in die Welle vor der Wärmebehandlung
geschnitten werden, woraufhin die Welle einer unkontrollierten Spannung während des
Wärmebehandlungsprozesses
ausgesetzt wird. Der genannte Hartdrehschritt kann auch auf die
Achszapfen an der Welle angewendet werden, wodurch eine bessere
Konzentrizität
zwischen der Welle, den Achszapfen und der mehreckigen Grenzfläche sichergestellt
wird.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung beispielhaft näher erläutert; in
dieser zeigen:
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1 eine
perspektivische Ansicht eines Achsenzahntriebs mit einer mit Keilnuten
versehenen Grenzfläche
gemäß dem Stand
der Technik,
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2 eine
perspektivische Ansicht eines Achsenzahntriebs mit einer eindringfähigen mehreckigen
Grenzfläche
gemäß der vorliegenden
Erfindung,
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3 eine
perspektivische Ansicht eines Gegenflansches mit einer eindringbaren
mehreckigen Grenzfläche,
die mit der Grenzfläche
von 2 zusammenpassbar ist,
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4 eine
perspektivische Ansicht der Ausführungsformen
von 2 und 3 in zusammengebautem Zustand,
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5 eine
perspektivische Endansicht der Achsen der Achsenzahntriebswelle
mit mehreckiger Grenzfläche,
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6 eine
Querschnittsdarstellung der mehreckigen Flächen unter Erläuterung
des Messvorgangs für
die Konvexität
bzw. Konkavität
dieser Flächen,
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7 und 8 mehreckige
Flächen
in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung, und
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9 ein
Flussdiagramm zur Erläuterung
eines Verfahrens zur Herstellung des Achsenzahntriebs mit einer
verdrehten mehreckigen Grenzfläche.
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Die
Erfindung bezieht sich auf die maschinelle Herstellungstechnik,
die lizenziert ist von der IPROTEC Maschinen- und Edelstahlprodukte GmbH,
Deutschland. Die Technik ist in einem oder mehreren europäischen Patenten
niedergelegt, einschließlich
EP 0907458B1 ,
auf das hiermit Bezug genommen wird. Dieses Patent betrifft ein
Verfahren zum maschinellen Herstellen eines nicht kreisförmigen Teils
unter Verwendung von ausschließlich
einer Drehbank im Gegensatz zu dem Verfahren gemäß dem Stand der Technik, das
Schleifen, Fräsen
und andere arbeitsintensive Schritte vorsieht. In Teilen, in denen
eine Konzentrizität
entlang einem Axialabschnitt erwünscht
ist, stellt die Drehbank offensichtlich ein zu bevorzugendes Herstellungsverfahren
dar. Die IPROTEC-Technik basiert auf einer Drehbank zur Herstellung
einer mehreckigen Oberfläche
im Gegensatz zu Maschinen, die typischerweise bislang eingesetzt
werden, wie etwa Fräsmaschinen,
Maschinenbearbeitungszentren oder Schleifmaschinen. Während die
IPROTEC-Technik voraussichtlich die beste Art und Weise darstellt,
die vorliegende Erfindung in die Praxis umzusetzen, sind andere
Techniken bekannt, um mehreckige Oberflächen maschinell herzustellen
und auch diese Techniken können
eingesetzt werden, um die Erfindung in die Praxis umzusetzen.
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1 zeigt
eine perspektivische Ansicht eines Achsenzahntriebs 10 gemäß dem Stand
der Technik zur Verwendung in einem Kraftfahrzeug. Der Achsenzahntrieb
umfasst ein Zahnrad 12 zum Grenzflächeneingriff mit einem Kraftfahrzeugdifferenzial.
Der Achsenzahntrieb umfasst außerdem
einen Keilnutabschnitt 14 zum Grenzflächeneingriff mit einem Gegenflansch
oder einer anderen Komponente eines Kraftfahrzeugs oder Lastwagens.
Achszapfen 16 und 18 sind vorgesehen für ein Zusammenpassen
mit Lagern zum Führen
des Achsenzahntriebs. Ein Gewindeende 20 ist vorgesehen,
um den Flansch oder eine andere Getriebekomponente in axialer Richtung
mit einer Flanschmutter fest zu verbinden. Bei der Konstruktion
dieses Achsenzahntriebs ist es wichtig, dass die Keilnutanordnung,
das Zahnrad und die Achszapfen zu Gunsten einer wirksamen Kraftübertragung
konzentrisch verlaufen sowie auch aus weiteren Gründen, wie
etwa eines ruhigen Laufs und einer langen Lebensdauer.
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Der
grundsätzliche
Nachteil des in 1 gezeigten Achsenzahntriebs
gemäß dem Stand
der Technik betrifft Totgang, der bei der Keilnutverbindung in Kauf
genommen werden muss, und die Tatsache, dass das Zahnrad und der
Keilnutabschnitt vor der Wärmebehandlung
maschinell hergestellt werden müssen.
Da dieses Teil während
der Wärmebehandlung
einer Spannung unterworfen wird, ist zwischen dem Zahnrad und dem
Keilnutabschnitt mit einer bestimmten Bewegung zu rechnen. Diese
Bewegung führt
häufig
zu Fehlprodukten und sie sollte deshalb nicht stattfinden. Aus Gründen der
Definition wird das antreibende Element als das Teil definiert, das
näher an
der Kraftquelle liegt, und das angetriebene Element wird als dasjenige
Teil definiert, das weiter von der Kraftquelle entfernt liegt. Sowohl
der Gegenflansch wie der Achsenzahntrieb werden durch eine (nicht
gezeigte) Antriebswelle angetrieben und sie sind in Reihe zur Antriebswelle
angeordnet. Der Gegenflansch nimmt jedoch Kraft direkt von der Antriebswelle
auf und der Achsenzahntrieb nimmt Kraft direkt von dem Gegenflansch
auf. Vorliegend wird deshalb der Gegenflansch als antreibendes Element
definiert, da seine Drehung zum Drehan trieb des Achsenzahntriebs
führt und
der Achsenzahntrieb wird als angetriebenes Element definiert. Diese
Definitionen befinden sich im Gegensatz zu der typischen Kraftfahrzeugterminologie,
in denen der Achsenzahntrieb als antreibendes Element bezeichnet
wird, weil er das gesamte Differenzial antreibt.
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2 zeigt
eine perspektivische Ansicht eines Achsenzahntriebaufbaus 24 in Übereinstimmung mit
der vorliegenden Erfindung. Der Achsenzahntriebaufbau 24 ist
zur Verwendung in Kraftfahrzeugen bestimmt, wie etwa in Lastwägen oder
Personenfahrzeugen, obwohl andere Anwendungen die vorliegende Erfindung
ebenfalls vorteilhaft nutzen können.
Der Achsenzahntriebaufbau 24 umfasst ein Zahnrad 26 an
einem Ende zur Grenzflächenkopplung
mit einem Differenzial. Der Achsenzahntriebaufbau umfasst außerdem eine
Gewindefläche 28 am
gegenüberliegenden
Ende für
eine Mutter zur festen Verbindung mit einem Gegenflansch in der
axialen Richtung. Der Achsenzahntrieb umfasst außerdem erfindungsgemäß eine mehreckige
Oberfläche 30,
wie nachfolgend erläutert,
im vorliegenden Fall eine sechseckige Fläche mit geringer Konkavität auf jeder
der sechs Flächenteile.
Die mehreckige Grenzfläche
sorgt für eine
Festlegung des Gegenflansches in radialer Richtung. Der Achsenzahntrieb
umfasst außerdem Achszapfen 32 und 34 für Lagerflächen. 3 zeigt den
dazu passenden Gegenflansch 38 für den Achsenzahntriebaufbau 24.
Der Gegenflansch 38 besitzt bevorzugt eine Außenseite
bzw. äußere Oberfläche mit
mehreren Löchern 42 zum
Anbringen eines Antriebswellenjochs und er weist ebenfalls eine
mehreckige Fläche
bzw. Oberfläche 40 auf,
die mit der mehreckigen Fläche 30 des
Achsenzahntriebs zusammenpasst. Die mehreckige Fläche 40 des
Gegenflansches besitzt eine geringe Konvexität, um mit den konkaven Oberflächen des
Achsenzahntriebs zusammenzupassen.
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Die
montierten bzw. zusammengebauten Teile sind in 4 gezeigt.
Der Achsenzahntrieb 24 und seine mehreckige Fläche 30 passen
in den Gegenflansch 38 und seine damit zusammenpassende mehreckige
Fläche 40.
Die Löcher
des Flansches stehen zur Verfügung,
um ein (nicht gezeigtes) Antriebswellenjoch anzubringen und das
Gewinde 28 des Achsenzahntriebs ist dazu ausgelegt, eine
(nicht gezeigte) Rückhaltemutter
aufzunehmen. 5 zeigt eine perspektivische
Endansicht eines Teils des Achsenzahntriebs von 2.
Wie vorstehend angeführt,
umfasst der Achsenzahntrieb ein Gewindeende 28, eine mehreckige
Oberfläche 30 und
zumindest eine Lagerfläche 32.
Die mehreckige Fläche 30 kann in
der praktischen Auslegung in drei Teile entlang ihrer Länge und
entlang der Achse 25 der Welle unterteilt sein. Die Teile
bzw. Abschnitte besitzen bevorzugt in etwa gleiche Länge, obwohl
dies nicht zwingend erforderlich ist, wie aus Nachfolgendem hervorgeht.
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Der
erste Abschnitt 30a ist fluchtend mit der Achse 25 des
Achsenzahntriebs 24 maschinell hergestellt. Der Abschnitt 30b ist
so maschinell hergestellt, dass er eine geringfügige Verdrehung aufweist, und
zwar entweder im Uhrzeigersinn oder entgegen dem Uhrzeigersinn relativ
zu der Achse der Welle. Der Abschnitt 30c schließlich ist
maschinell mit einer zweiten Verdrehung gleich oder entgegengesetzt
zu derjenigen des Abschnitts 30b gebildet. Die Wirkung des
mittleren Abschnitts 30b ist so, als ob dieser Abschnitt
entlang seiner Außenfläche verdreht
wäre. Der
Winkel ist klein und beträgt
bevorzugt etwa 0° 10' bis etwa 1°. Gemäß einer
weiteren Ausführungsform ist
der Winkel ausgewählt
aus einem schmaleren Bereich von etwa 0° 20' bis etwa 0° 50' und gemäß noch einer weiteren bevorzugten
Ausführungsform
ist der Winkel noch enger gewählt
mit etwa 0° 35'. Es wurde ermittelt,
dass bei Wellen mit ei nem Durchmesser von etwa 1'' bis
etwa 3'' diese Verdrehung
im mittleren Abschnitt zur Beseitigung von Totgang wirksam ist.
Gleichzeitig ist der Winkel nicht so groß, dass es schwierig wäre, die
Teile unter Verwendung bekannter Verfahren zum Montieren von Teilen
mit Grenzflächen
zusammenzubauen. Diese Verfahren sehen thermische Techniken und
Techniken unter Verwendung mechanischer Mittel vor.
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Die
Verdrehung ist ausschließlich
auf einem der zwei Teile, bevorzugt dem eindringenden Teil maschinell
gebildet, während
das dazu passende Teil, beispielsweise das eindringbare Teil, gerade
verlaufend gehalten ist. Die Verdrehung kann auf dem eindringenden
Teil der mehreckigen Grenzfläche
problemloser gebildet werden, d. h., auf der Welle, obwohl die Verdrehung
statt dessen grundsätzlich
auf dem eindringbaren Teil maschinell gebildet werden kann. Im zusammengebauten
Zustand passt der äußere Teil 30c problemlos
in den eindringbaren Teil. Bei der weiteren Montage leitet der Abschnitt 30b eine
Spannung in die Welle und in den passenden Abschnitt der eindringbaren
mehreckigen Grenzfläche
ein. Wenn der Zusammenbau bzw. die Montage beendet ist, befindet
sich der erste Teil 30a unter Torsion gegenüber dem
eindringbaren Passteil in einer Richtung und der äußere Abschnitt 30c befindet
sich unter Torsion in entgegengesetzter Richtung und widersteht
damit der Torsion des mittleren Teils bzw. Abschnitts. Wenn der
Winkel klein gehalten wird, führen
diese geringen Interferenzen zur Beseitigung des Totgangs, wodurch
der Verschleiß der
eindringenden und eindringbaren mehreckigen Flächen verringert wird. Ein wesentlicher
Aspekt der Auslegung der mehreckigen Grenzflächen besteht in der Grenzfläche selbst
und im Grad der Konvexität
oder der Passkonvexität.
Eine mehreckige Fläche
in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung kann drei oder eine beliebige Anzahl
von Seiten aufweisen. Wenn die Anzahl der Seiten zunimmt, nimmt
jedoch die Komplexität
bei der Herstellung und beim Programmieren ebenfalls zu für das Programmieren
der Drehbänke,
die verwendet werden, um die Welle zu drehen und das Teil herzustellen.
Es wurde herausgefunden, dass mehreckige Teile mit einer relativen
Exzentrizität
bis hin zu etwa 4% bevorzugt verwendet werden können. Die Exzentrizität ist so
definiert, wie in 6 gezeigt. Eine mehreckige (in
diesem Fall sechseckige) Fläche 44 ist
von einem Kreis 46 an ihren am weitesten außen liegenden
Punkten umschlossen. Ein innerer Kreis 48 grenzt an die
am weitesten innen liegenden Punkte an. Die Exzentrizität (e) des
Mehrecks ist definiert als die Differenz zwischen dem Durchmesser
des äußeren Kreises 46 (Dout) und des inneren Kreises 48 (Din) : [e = ½ (Dout – Din)]. Die relative Exzentrizität (E) ist
definiert als der Prozentsatz der Exzentrizität dividiert durch den mittleren
Durchmesser des äußeren Kreises 46 (Dout) und des inneren Kreises 48 (Din) : (Din) : [E
= ½[e/Dmiddle) × 100]
und [Dmiddle = ½ (Dout +
Din)]. Es wird bemerkt, dass dann, wenn
der innere Kreis sich dem äußeren Kreis
annähert,
eine geringere Exzentrizität vorliegt,
bis die Seiten des „Mehrecks" in einen einzigen
Kreis (e = 0) konvergieren. Während
dies sicherlich möglich
ist, ist es bevorzugt, dass zumindest eine relative Exzentrizität von etwa
1,5% bezüglich
Konkavität
oder Konvexität
des Mehrecks existiert, das für
die Passflächen
verwendet wird. Der Grund besteht darin, dass bei kleinerer Exzentrizität die tangentialen
Spannungen dazu neigen, ausgeprägter zum
Zentrum der Welle zu weisen, wodurch wiederum eine höhere Scherspannung
erzeugt wird. Bei einer größeren Exzentrizität, insbesondere
Konkavität im
eindringenden antreibenden Element, weist die tangentiale Spannung
weg vom Zentrum der Welle, wodurch eine geringere Scherspannung
erzeugt wird. Während
eine konkave Oberfläche
auf einem eindringenden angetriebenen Element lediglich eine mögliche Aus führungsform
darstellt, handelt es sich hierbei um eine bevorzugte Ausführungsform.
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Zusätzlich zu
den sechseckigen Flächen können auch
andere mehreckige Flächen
verwendet werden. Beispielsweise können, wie in 7 gezeigt,
auf der Welle 52 konvexe dreibogige Flächen 50c verwendet
werden. Konkave fünfeckige
Flächen 60c auf
der Welle 62 können
ebenfalls verwendet werden, wie in 8 gezeigt.
Es wird bemerkt, dass die Welle, die die Flächen 50c oder 60c umfassen, auch
aus innen liegenden Abschnitten 50a und 50b bzw. 60a und 60b (nicht
gezeigt) bestehen, wobei der Abschnitt 50b bzw. 60b um
etwa 0° 10' bis etwa 1° verdreht
ist, insbesondere von etwa 0° 20' bis etwa 0° 50' und besonders bevorzugt
etwa um 0° 35'. Der mittlere Abschnitt 50b bzw. 60b legt
die Verdrehung in einer Richtung vom Abschnitt 50a bzw. 60a fest und
in der entgegengesetzten Richtung zu dem in 7 oder 8 gezeigten
Abschnitt. In diesen Ausführungsformen
weisen die drei mehreckigen Abschnitte dieselbe Anzahl von Seiten
auf.
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Ein
Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum maschinellen Herstellen
des Achsenzahntriebs oder einer anderen Kraftübertragung, enthaltend die
vorstehend erläuterte
mehreckige Fläche bzw.
Oberfläche.
Das in 9 dargestellte Verfahren umfasst das Bereitstellen
(Schritt 90) eines Werkstücks für die maschinelle Bearbeitung.
Wie dem Fachmann auf dem Gebiet von Kraftfahrzeugtechnik bekannt,
wird ein Achsenzahntrieb bevorzugt durch Schmieden hergestellt.
Das Verfahren sieht daraufhin eine grobe maschinelle Bearbeitung
vor (Schritt 91). Im Schritt der groben maschinellen Bearbeitung, primär Drehen,
werden mehrere Durchmesser und zumindest ein Datum bzw. Bezugspunkt
auf dem Werkstück
gebildet. Das Werkstück
wird daraufhin bevorzugt zur Bildung eines Zahnrads an einem ersten
Ende des Werkstücks
walzgefräst
(Schritt 92). Eine Gewindefläche kann außerdem auf dem anderen Ende
der Welle für
eine Flanschhaltemutter gebildet werden (Schritt 93). Die
grob hergestellte Welle wird daraufhin wärmebehandelt (Schritt 94),
so dass Spannung und andere Effekte sich manifestieren, bevor die
endgültigen
maschinellen Bearbeitungsschritte durchgeführt werden. Der größte Teil
der maschinellen Bearbeitung nach der Wärmebehandlung besteht aus Hartdrehen,
d. h., aus Drehen auf einer Drehbank, nachdem die Oberfläche des
Teils in einem Wärmebehandlungsprozess
gehärtet
worden ist. Nach der Wärmebehandlung
werden Achszapfen gedreht und die mehreckige Fläche wird auf derselben Drehbank
gebildet (Schritt 95), und zwar in Übereinstimmung mit der vorstehend
genannten IPROTEC-Technik.
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Dieses
Verfahren erbringt eine hervorragende Konzentrizität (Schritt 96)
zwischen der Welle und dem Achszapfen, der mehreckigen Fläche und
dem Zahnrad. In einer Ausführungsform
sollte die Konzentrizität
nicht größer sein
als 0,001'' (ungefähr 0,0254
mm); d. h., der Schlag sollte nicht größer sein als 0,001''. Ein Achsenzahntriebaufbau für ein Kraftfahrzeug,
wie etwa einen Lastwagen oder ein Personenfahrzeug, kann von etwa
8 Inch bis etwa 11 Inch lang sein und einen Durchmesser von etwa
1,0 Inch bis etwa 2,5 Inch aufweisen. Es wird bemerkt, dass die
IPROTEC-Technik bevorzugt eingesetzt wird, um die mehreckigen Flächen vor
der Wärmebehandlung während der
Grobbehandlung zu bilden, um größere Materialmengen
rasch zu entfernen, während
ausreichend Fleisch zurückbleibt,
um eine Bewegung des Material während
der Wärmebehandlung
aufzunehmen. Der Grobdrehschritt bzw. Grobmaschinenbearbeitungsschritt
kann auch eingesetzt werden, um die Achszapfendurchmesser so nahe
wie möglich
an ihren endgültigen
Abmessungen zu bilden, während ausreichend
Fleisch zurückbleibt,
um Kon zentrizitätstoleranzen
für das
fertig gestellten Achsenzahntrieb möglichst eng zu halten. Es wird
bemerkt, dass die Konzentrizität
umgekehrt proportional zum Schlag ist, und dass ein Teil eine höhere Konzentrizität aufweist,
wenn der Schlag bei der Messung der Konzentrizität geringer ist.
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Während in
der vorstehend angeführten
Beschreibung auf Kraftfahrzeuganwendungen Bezug genommen ist, ist
die Verwendung der verdrehten mehreckigen Grenzflächen nicht
auf einen Achsenzahntrieb beschränkt,
noch auf die Verwendung in Kraftfahrzeuganwendungen überhaupt.
Beispielsweise können
verdrehte mehreckige Flächen
in einer beliebigen Kraftübertragungsanwendung
zum Einsatz kommen, bei der Totgang oder maschinelle Bearbeitungsqualität wesentlich
sind. Zusammenpassende verdrehte mehreckige Flächen können demnach beispielsweise
eingesetzt werden, um Kraft von einem Schwungrad auf ein Differenzial
zu übertragen,
und zwar in derselben Weise wie Kraft, wie vorstehend erläutert, von
einer Antriebswelle auf ein Differenzial übertragen wird. Andere Anwendungen
umfassen die Kraftabnahmepassung (PTO) für einen Traktor gegenüber einem
Werkzeug, wie etwa in Gestalt einer PTO-Welle eines Traktors oder
Lastwagens in Bezug auf einen Erdbohrer, eine Winsche oder eine
andere Vorrichtung, die über
eine Welle kraftangetrieben wird. Verdrehte mehreckige Flächen und
Passungen können
auch bei anderen Kraftübertragungsanwendungen
als für
Fahrzeuge eingesetzt werden. Beispielsweise können sie als mechanische Verbindungen
in Kompressoren, Pumpen, Maschinenwerkzeugen, mechanischen Vorrichtungen,
Motoren, Generatoren und in anderen Anwendungen eingesetzt werden.
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Die
vorstehend erläuterten
Ausführungsformen
sind zahlreichen Abwandlungen und Modifikationen zugänglich,
die sämtliche
im Umfang der vorliegenden Erfindung liegen, die in den anliegenden
Ansprüchen
festgelegt ist.