-
Die Erfindung betrifft ein Verfahren
und eine Vorrichtung zum Fügen
einer Antriebswelle sowie die Antriebswelle selbst, welche ein erstes
Anschlußteil mit
einer ersten Längsachse,
ein zweites Anschlußteil
mit einer zweiten Längsachse
sowie ein Rohrelement aufweist, das fertigungsbedingt gekrümmt ist.
-
Aus der Druckschrift
DE 199 21 228 A1 ist ein
Verfahren zum Fügen
einer Antriebswelle aus einem ersten Anschlußteil, einem zweiten Anschlußteil sowie
einem Rohrelement bekannt. Dabei weisen die beiden Anschlußteile jeweils
eine zylindrische Aufnahmefläche
auf, deren Außendurchmesser
kleiner ist als der Innendurchmesser des Rohrelements. Zum Verbinden
der drei Bauteile werden die Anschlußteile und das Rohrelement
radial unabhängig voneinander
auf einer Referenzachse mit zum Teil axialer Überdeckung ausgerichtet und
dann miteinander verschweißt.
Es wird davon ausgegangen, daß gerade
Rohrelemente verfügbar
sind. Eine Berücksichtigung
einer fertigungsbedingten Krümmung
des Rohrelements ist nicht vorgesehen.
-
Die
DE 35 10 091 C2 zeigt eine Antriebswelle
für Kraftfahrzeuge
mit einem Rohr sowie zwei Anschlußelementen. Die Anschlußelemente
sind in Form von Kreuzgelenken gestaltet, die in die Enden des Rohres
eingesteckt und mit diesem durch Schweißen verbunden sind. Die Anschlußelemente haben
jeweils einen Abschnitt mit reduziertem Durchmesser, der sich in
das Rohr hinein erstreckt, sowie eine Schulter, die am zugehörigen Ende
des Rohres anliegt, um so eine genaue Positionierung zu erreichen.
In eingestecktem Zustand des Anschlußelements in das Rohr haben
die beiden Bauteile eine definierte Ausrichtung zueinander.
-
Aus der
DE 35 09 306 A1 ist eine
Rohranordnung, insbesondere eine Gelenkwellen-Gelenkkopf-Anordnung, sowie ein Verfahren
zu deren Fertigung bekannt. Die Rohranordnung umfaßt eine
Gelenkwelle und einen koaxial an diese angeschweißten Gelenkkopf.
Das Ende der Gelenkwelle ist in Richtung Gelenkkopf verdickt und
mit einem so tolerierten Innenumfang ausgebildet, daß im zusammengesetzten
Zustand ein Gleitsitz zwischen der Gelenkwelle und dem Gelenkkopf
entsteht. Nachdem die beiden Bauteile mit ihren konischen Flächen in
Anlage und somit in eine definierte Position zueinander gebracht
sind, werden sie miteinander verschweißt.
-
Hiervon ausgehend ist es Aufgabe
der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum
Fügen einer
Antriebswelle, sowie eine Antriebswelle selbst, die ein erstes Anschlußteil, ein zweites
Anschlußteil
sowie ein fertigungsbedingt gekrümmtes
Rohrelement aufweist, vorzuschlagen, wobei die Antriebswelle nach
dem Fügen
minimale Restunwuchten aufweisen soll.
-
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein
Verfahren zum Fügen
einer Antriebswelle aus
- – einem ersten Anschlußteil mit
einer ersten Längsachse
und einer ersten zylindrischen Aufnahmefläche,
- – einem
zweiten Anschlußteil
mit einer zweiten Längsachse
und einer zweiten zylindrischen Aufnahmefläche sowie
- – einem
fertigungsbedingt gekrümmten
Rohrelement mit einer gekrümmten
Mittellinie und einer gegebenen Länge L, welches eine Rohrwandung,
ein erstes Rohrende und ein zweites Rohrende aufweist, wobei zwischen
der Rohrwandung und den Aufnahmeflächen der Anschlußteile Radialspalte
vorgesehen werden,
gelöst, welches die folgenden Verfahrensschritte
umfaßt: - – das
Rohrelement wird mit zwei Punkten seiner Mittellinie auf einer Referenzachse
gehalten,
- – das
erste Anschlußteil
wird mit seiner ersten Längsachse
auf der Referenzachse gehalten, wobei sich das erste Anschlußteil und
das erste Rohrende teilweise axial überdecken,
- – das
zweite Anschlußteil
wird mit seiner zweiten Längsachse
auf der Referenzachse gehalten, wobei sich das zweite Anschlußteil und
das zweite Rohrende teilweise axial überdecken,
- – das
erste Anschlußteil
und das zweite Anschlußteil werden
jeweils mit den Rohrenden des Rohrelements verschweißt, wobei
die Radialspalte geschlossen werden.
-
Dieses Verfahren zum Fügen einer
Antriebswelle hat den Vorteil, daß fertigungsbedingte Urunwuchten
des Rohrelements, die wesentlich aus der fertigungsbedingten Krümmung herrühren, bereits beim
Fügen mit
den Anschlußteilen
weitgehend nach einem einfachen Näherungsverfahren berücksichtigt werden
können.
Dieses Näherungsverfahren
beinhaltet ein qualitatives Annähern
der Hauptträgheitsachse
des Rohrelements vor dem Fügen
an die Rotationsachse der fertigen Welle. Auf diese Weise wird erreicht,
daß die
so hergestellte Antriebswelle minimale Restunwuchten aufweist und
kein kostenspieliges Richten oder Nachbearbeiten erforderlich ist.
-
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung
des erfindungsgemäßen Verfahrens
wird das Rohrelement derart zur Referenzachse ausgerichtet, daß das Verhältnis des
Abstandes der Schnittpunkte der Mittellinie mit der Referenzachse
zur Länge
des Rohrelements zwischen 0,5 und 0,75, insbesondere 0,577 beträgt. Bei
einer derartigen Ausrichtung liegt die Hauptträgheitsachse eines standardmäßig gekrümmten Rohrelements
nahe zur Referenzachse, so daß sich
lediglich minimale Restunwuchten in der Antriebswelle ergeben. Bevorzugt
wird das Rohrelement derart zur Referenzachse ausgerichtet, daß die genannten
Schnittpunkte axial symmetrisch zwischen den Fügestellen mit den Anschlußelementen liegen.
-
In Konkretisierung des erfindungsgemäßen Verfahrens
ist vorgesehen, daß – bei mit
zwei Punkten seiner Mittellinie auf der Referenzachse gehaltenem
Rohrelement – die
Radialspalte zwischen den Aufnahmeflächen der Anschlußteile und
der Rohrwandung jeweils betragsmäßig größer sind
als der Achsabstand zwischen der Referenzachse und einer zentral
durch die Rohröffnungen
an den Rohrenden laufenden Achse. So wird gewährleistet, daß die Rohrenden
in eingeschobenem Zustand mit den Anschlußteilen außer Kontakt mit den zylindrischen
Aufnahmeflächen
sind, so daß das
Rohrelement entsprechend zu den Anschlußteilen auf der Referenzachse
ausgerichtet werden kann.
-
Vorzugsweise werden die Schweißnähte durch
Laser- oder Plasmaschweißen
erzeugt. Solche Verfahren sind nämlich
insbesondere zum Überbrücken großer Spaltbreiten
gut geeignet. Zur Beschleunigung des Schweißprozesses ist es vorteilhaft,
die Schweißnähte an mehreren
Stellen gleichzeitig beginnend bogenförmig entlang den Ringspalten
zwischen der Rohrwandung und den zylindrischen Aufnahmeflächen der
Anschlußteile
zu erzeugen. Um Spannungsverzug zu vermeiden, sollten die Schweißnähte an zwei
einander diametral gegenüberliegenden
Stellen gleichzeitig erzeugt werden.
-
Die der Erfindung zugrundeliegende
Aufgabe wird ferner durch eine Antriebswelle gelöst, die ein erstes Anschlußteil mit
einer ersten Längsachse,
ein zweites Anschlußteil
mit einer zweiten Längsachse sowie
ein fertigungsbedingt gekrümmtes
Rohrelement mit einer gekrümmten
Mittellinie umfaßt,
wobei das erste Anschlußteil
mit seiner ersten Längsachse auf
einer Referenzachse, das zweite Anschlußteil mit seiner zweiten Längsachse
auf der Referenzachse und das Rohrelement mit seiner Mittellinie
die Referenzachse in zwei Punkten schneidend zueinander ausgerichtet,
sich teilweise axial überdeckend
angeordnet und durch Schweißnähte miteinander
verbunden sind. Diese Antriebswelle hat den Vorteil, daß fertigungsbedingte
Urunwuchten des Rohrelements, soweit sie aus der fertigungsbedingten
Krümmung des
Rohrelements herrühren,
bereits beim Fügen
mit den Anschlußteilen
weitgehend berücksichtigt
sind, so daß lediglich
minimale Restunwuchten verbleiben, die innerhalb eines zulässigen Toleranzbereichs
liegen.
-
In Konkretisierung ist vorgesehen,
daß das erste
Anschlußteil
und/oder das zweite Anschlußteil eine äußere Aufnahmefläche mit
einem Außendurchmesser
aufweist, der kleiner ist als der Innendurchmesser des Rohrelements.
Alternativ hierzu kann das erste Anschlußteil und/oder das zweite Anschlußteil eine
inneren Aufnahmefläche
mit einem Innendurchmesser aufweisen, der größer ist als der Außendurchmesser
des Rohrelements. Im ersten Fall werden die Anschlußteile in
das Rohrelement eingeschoben und im zweiten Fall werden die Rohrenden
in die Anschlußelemente
eingeschoben.
-
Eine weitere Lösung der der Erfindung zugrundeliegenden
Aufgabe besteht in einer Vorrichtung zum Fügen einer Antriebswelle aus
einem ersten Anschlußteil
mit einer ersten Längsachse,
einem zweiten Anschlußteil
mit einer zweiten Längsachse sowie
einem fertigungsbedingt gekrümmten
Rohrelement mit einer gekrümmten
Mittellinie und einer Länge,
welche ein erstes Halteelement zum koaxialen Halten des ersten Anschlußteils mit
seiner ersten Längsachse
auf einer Referenzachse, ein zweites Halteelement zum koaxialen
Halten des zweiten Anschlußteils
mit seiner zweiten Längsachse
auf der Referenzachse sowie zwei Spannelemente auf der Referenzachse
zum Halten des Rohrelements mit zwei Punkten der Mittellinie auf
der Referenzachse, wobei die beiden Spannelemente zwischen den beiden
Halteelementen angeordnet sind, umfaßt. Diese Vorrichtung ermöglicht es,
daß fertigungsbedingte Urunwuchten
des Rohrelements, soweit sie auf dessen fertigungsbedingter Krümmung beruhen,
durch das Fügen
mit den Anschlußteilen
weitgehend korrigiert werden, so daß lediglich minimale Restunwuchten
verbleiben.
-
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung
haben die Spannelemente einen Abstand zueinander, der größer als
das 0,5-fache und kleiner als das 0,75-fache der Länge des
Rohrelements ist. Eine besonders günstige Ausgestaltung ist dann
gegeben, wenn die Spannelemente einen Abstand zueinander aufweisen,
der das 0,577-fache der Länge
des Rohrelements beträgt.
So wird nämlich
erreicht, daß das
Rohrelement näherungsweise
mit seiner Hauptträgheitsachse
auf die spätere
Rotationsachse der An triebswelle ausgerichtet wird, so daß Restunwuchten
stark verringert werden.
-
Es ist vorgesehen, daß die Spannelemente jeweils
drei Backen aufweisen, die jeweils den gleichen Abstand zueinander
und zur Referenzachse haben. Dabei sind die Backen jeweils radial
verschiebbar zur Referenzachse angeordnet, um das Rohrelement einspannen
zu können.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung sind die Backen rollenförmig ausgebildet
und liegen jeweils auf zur Referenzachse parallelen Achsen. Auf
diese Weise wird gewährleistet,
daß das
Rohrelement an – im
Querschnitt betrachtet – drei
Lagerstellen genau auf der Referenzachse gehalten werden kann. Die
Spannelemente sind vorzugsweise axial verschiebbar ausgebildet, um
zu ermöglichen,
daß sie
innerhalb des Verstellbereichs an unterschiedliche Krümmungen
des Rohrelements angepaßt
werden können.
-
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel
wird anhand der nachstehenden Zeichnung erläutert. Hierin zeigt
-
1 eine
erfindungsgemäße Vorrichtung mit
einer Antriebswelle im Längsschnitt;
-
2 die
Vorrichtung nach 1 mit
einer zweiten Ausführungsform
einer Antriebswelle im Längsschnitt;
-
3 ein
Spannelement gemäß Schnittlinie I-I
aus 1;
-
4 eine
mit dem erfindungsgemäßen Verfahren
hergestellte Antriebswelle und
-
5 eine
Antriebswelle nach dem Stand der Technik.
-
Aus 1 ist
eine Vorrichtung zum Fügen
einer Antriebswelle 1, die ein erstes Anschlußteil 2,
ein zweites Anschlußteil 3 sowie
ein beispielsweise aufgrund von Fertigungsungenauigkeiten gekrümmtes Rohrelement 4 aufweist.
Das erste und das zweite Anschlußteil 2, 3 sind
beide gleich ausgebildet, wobei das erste Anschlußteil 2 um
eine individuelle erste Längsachse
A1 und das zweite Anschlußteil 3 um eine
individuelle zweite Längsachse
A2 rotationssymmetrisch gestaltet sind.
Beide Anschlußteile 2, 3 haben
jeweils einen Zapfenabschnitt 5, 6 mit einer Verzahnung 7, 8 zum Übertragen
eines Drehmoments sowie einen sich an den Zapfenabschnitt 5, 6 anschließenden Verbindungsabschnitt 9, 10 zum
Verbinden mit dem Rohrelement 4. Die Verbindungsabschnitte 9, 10 umfassen
jeweils eine zylindrische Aufnahmefläche 12, 13,
deren Außendurchmesser
D1, D2 kleiner sind,
als der Innendurchmesser dR des Rohrelements
an seinen Rohrenden. Ruf diese Weise sind bei teilweise in das Rohrelement 4 eingeschobenen
Anschlußteilen 2, 3 Radialspalte 15, 16 zwischen
der Rohrwandung und den jeweiligen Aufnahmeflächen 12, 13 ausgebildet,
wodurch eine gegenseitige radiale Ausrichtung der Bauteile zueinander
in begrenztem Umfang möglich
ist.
-
Die Vorrichtung umfaßt ein erstes
Halteelement 17 zum Positionieren des ersten Anschlußteils 2,
ein zweites Halteelement 18 zum Positionieren des zweiten
Anschlußteils 3 sowie
zwei Spannelemente 19, 20 zum Positionieren des
Rohrelements 4. Es ist vorgesehen, daß die einzelnen Bauteile der
Antriebswelle 1 zunächst
zueinander ausgerichtet und anschließend miteinander verschweißt werden.
Um eine axiale Überdeckung
mit dem Rohrelement 4 zu erreichen, können die beiden Anschlußteile 2, 3 axial gegeneinander
auf ein vorbestimmtes Maß verschoben
werden.
-
Für
das radiale Ausrichten der drei Bauteile der Antriebswelle zueinander
ist das axiale Zusammenspiel zwischen den Spannele menten 19, 20 und den
Halteelementen 17, 18 maßgeblich. Es ist vorgesehen,
das Rohrelement 4 mit den Spannelementen 2, 3 so
für den
Schweißprozeß auszurichten,
daß die Restunwucht
des Rohrelements 4 nach dem Schweißen minimiert ist. Dies ist
dann der Fall, wenn die Hauptträgheitsachse
des Rohrelements möglichst nah
zur Referenzachse R, welche durch die von den Spannelementen 19, 20 gebildeten
Mittelpunkte verläuft
und auf der die beiden Anschlußteile 2, 3 mit
ihren Längsachsen
A1, A2 ausgerichtet
werden, liegt.
-
Um dies zu erreichen, wird das Rohrelement 4 mit
seiner Mittellinie M, welche durch die Summe der Mittelpunkte der
in axial aufeinanderfolgenden Querschnitte definiert ist, die Referenzachse
in zwei Punkten schneidend relativ zu den Anschlußelementen 2, 3 ausgerichtet.
Dabei sind die beiden Spannelemente 19, 20 mit
gleichem Abstand zu einer senkrecht auf der Referenzachse R stehenden
Mittelebene des Rohrelements 4 mit einem Abstand B voneinander
angeordnet. Das Verhältnis
zwischen diesem Abstand B und der Rohrlänge L beträgt zwischen 0,5 und 0,75, vorzugsweise
0,577. Durch die Krümmung des
Rohrelements 4 bewirkt eine solche Ausrichtung, daß die Rohrenden
von der Referenzachse R versetzt und damit nicht koaxial zu den
Anschlußteilen 2, 3 liegen.
Um diesen radialen Versatz auszugleichen, sind der Innendurchmesser
dR des Rohrelements sowie die Außendurchmesser
D1, D2 der Anschlußteile 2, 3 an
ihren Aufnahmeflächen 12, 13 so
bemessen, daß zwischen
den Bauteilen Radialspalte 15, 16 gebildet sind.
Diese müssen
groß genug
sein, um den Versatz der Referenzachse R zu einer Achse die zentral
durch die Rohrenden des Rohrelements 4 verläuft, auszugleichen.
-
Die beiden Spannelemente 19, 20 sind
axial verstellbar, so daß sie
innerhalb des Verstellbereichs an unterschiedliche Krümmungen
von verschiedenen Rohrelementen 4 angepaßt werden
kön nen.
So kann die nicht näher
dargestellte Hauptträgheitsachse
des Rohrelements 4 an die Referenzachse R, welche später die
Rotationsachse der Antriebswelle bildet, angenähert werden, so daß in der
Antriebswelle verbleibende Restunwuchten minimal sind.
-
Im Unterschied zur Antriebswelle
nach 1 weist die Antriebswelle
nach 2 ein erstes Anschlußteil 2 in
Form eines Zapfenteils und ein zweites Anschlußteil 3' in Form eines Gleichlaufgelenks
zur Drehmomentübertragung
auf. Der Innendurchmesser d2 der Öffnung ist
größer als
der Außendurchmesser
DR des Rohrelements 4 an seinem Rohrende, so daß bei teilweise
in die Öffnung
eingeschobenem Rohrelement 4 ein Radialspalt zwischen den beiden
Bauteilen gebildet ist. In der Öffnung
des Gelenkaußenteils
ist ein Deckel 22 angeordnet, welcher in Anlage mit der
Schulter des Gelenkaußenteils
ist und zum Abdichten des Gelenkraumes dient. Hierdurch wird verhindert,
daß Schmiermittel
aus dem Gelenkraum herausgelangt.
-
Zum Fügen der Antriebswelle 1' wird das zweite
Anschlußteil 3' am Gelenkaußenteil
in dem zweiten Halteelement 18' eingespannt, wobei das Gelenkaußenteil
mit seiner Längsachse
A2' auf
der Referenzachse R ausgerichtet wird. Durch den Radialspalt zwischen
dem Rohrelement 4 und der zylindrischen Aufnahmefläche 13 des
Gelenkaußenteils kann
ein durch die Krümmung
des Rohrelements 4 bewirkter Versatz zwischen der Längsachse
A2' des Gelenkaußenteils
und der Achse, die zentral durch die beiden Rohröffnungen an dessen Enden verläuft, ausgeglichen
werden. Hierdurch ergeben sich die bereits oben beschriebenen Vorteile.
-
3 zeigt
exemplarisch eines der beiden Spannelemente 19, 20 im
Querschnitt. Es umfaßt drei
rollenförmige
Backen 21, die in einer zur Referenzachse R senkrechten
Ebene auf parallelen Achsen C angeordnet sind. Dabei weisen die
Achsen C der Backen 21 jeweils denselben Abstand zueinander
auf. Zum Einspannen des Rohrelements 4 lassen sich die
drei rollenförmigen
Backen 21 jeweils radial zur Referenzachse R verschieben.
So wird das Rohrelement 4 in der Ebene der Backen 21 mit
seiner Mittellinie M die Referenzachse R schneidend gehalten.
-
Nachdem Anschlußteile und Rohrelement zueinander
ausgerichtet sind, werden die drei Bauteile miteinander verschweißt. Zum
Schweißen
kommen solche Verfahren in Frage, die einen Spalt überbrücken können und
einen geringen Verzug verursachen. Hierfür eignen sich insbesondere
Laser- oder Plasmaschweißen.
Es ist vorgesehen, daß die Schweißnähte an zwei
einander diametral gegenüberliegenden
Stellen erzeugt werden, damit der Wärmeverzug minimal ist. Beim
Schweißvorgang
findet zwischen dem Schweißwerkzeug
und der Vorrichtung zum Halten der Antriebswelle 1 eine
relative Drehbewegung um die Referenzachse R statt, wobei die Schweißnaht bogenförmig entlang
den Radialspalten 15, 16 zwischen der Rohrwandung 14 und den
zylindrischen Aufnahmeflächen 12, 13 erzeugt wird.
-
4 zeigt
eine nach dem erfindungsgemäßen Verfahren
hergestellte Antriebswelle 1' nach dem
Schweißvorgang,
welche einen Zapfen als erstes Anschlußteil 2 und ein Gelenkaußenteil
als zweites Anschlußteil 3' aufweist. Es
ist ersichtlich, daß die vormals
separaten Längsachsen
A1, A2' der Anschlußteile 2, 3' nunmehr zusammenfallen
und die gemeinsame Drehachse A der Antriebswelle bilden. Das Rohrelement 4 ist
mit seiner Mittellinie M diese Drehachse A in zwei Punkten schneidend
zu den Anschlußteilen 2, 3' ausgerichtet
und mit diesen verschweißt.
Dabei beträgt
der Abstand B der beiden Schnittpunkte zueinander im Verhältnis zur
Rohrlänge
L in etwa 0,577. Auf diese Weise ist die nicht näher dargestellte Hauptträgheitsachse
sowie der Schwerpunkt des Rohrelements 4 der Drehachse
A angenä hert,
so daß die
so hergestellte Antriebswelle 1' minimale Restunwuchten aufweist.
-
Demgegenüber ist das Rohrelement 4'' der Antriebswelle 1'' nach dem Stand der Technik, wie
in 5 gezeigt, mit seinen
Rohrenden zentral auf den Längsachsen
A1'', A2' ' der Anschlußelemente 2'' , 3'' ausgerichtet
und verschweißt.
Die Mittellinie M'' schneidet die Drehachse
A'' der Antriebswelle 1'' nicht innerhalb der Längserstreckung
des Rohrelements 4'', sondern unmittelbar
an den Rohrenden. Auf diese Weise ist der Schwerpunkt des Rohrelements 4'' deutlich zu der Drehachse A'' der Antriebswelle radial versetzt angeordnet,
so daß nach
dem Schweißen
verbleibende Restunwuchten relativ groß sind und eine kostspielige
Nachbearbeitung erforderlich ist.
-
In den hier beschriebenen Ausführungsbeispielen
sind die Anschlußteile
zum Teil als Einzelbauteile, insbesondere Gelenkbauteile, und zum
Teil als Baugruppe, nämlich
als ganzes Gleichlaufgelenk, dargestellt. Es versteht sich, daß beides
vom Gegenstand der vorliegenden Erfindung eingeschlossen ist und
daß die
Anschlußteile
auch größere vormontierte Baugruppen
bilden können.
-
- 1
- Antriebswelle
- 2
- erstes
Anschlußteil
- 3
- zweites
Anschlußteil
- 4
- Rohrelement
- 5
- Zapfenabschnitt
- 6
- Zapfenabschnitt
- 7
- Verzahnung
- 8
- Verzahnung
- 9
- Verbindungsabschnitt
- 10
- Verbindungsabschnitt
- 12
- Aufnahmefläche
- 13
- Aufnahmefläche
- 14
- Rohrwandung
- 15
- Radialspalt
- 16
- Radialspalt
- 17
- erstes
Halteelement
- 18
- zweites
Halteelement
- 19
- Spannelement
- 20
- Spannelement
- 21
- Backe
- 22
- Deckel
- A
- Drehachse
- A1
- erste
Längsachse
- A2
- zweite
Längsachse
- B
- Abstand
- D1
- Außendurchmesser
- D2
- Außendurchmesser
- d2
- Innendurchmesser
- DR
- Außenduchmesser
- dR
- Innendurchmesser
- L
- Rohrlänge
- M
- Mittelpunkt
- R
- Referenzachse