DE2817167C2 - Verfahren und Vorrichtung zum Härten von Gelenkringen von homokinetischen Wellengelenken - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Härten von Gelenkringcn von homokinetischen Wellengelenken nach dem Oberbegriff von Anspruch I sowie eine Vorrichtung /um Ausüben des Verfahrens nach dem Ober

begriff von Anspruch 4.

Bei Gleichlaufdrehgelenken der zugrunde liegenden Art ist bei bestimmten Bauarten der eine Teil des Drehgelenks axial relativ zum anderen in Grenzen verschiebbar. Es ist erwünscht, daß solche Schiebegelenke ohne zusätzlichen Aufwand trotz einer axial freischwimmenden Anordnung des einen Gelenkteiles gegenüber dem anderen Gelenkteil selbsttätig eine Axialkraft erzeugen, die das schwimmende Gelenkteil in die axiale Normallage zurückführt. Die DE-PS 12 51 595 sieht hkrzu vor, daß die Kugellaufbahnen der Gelenkringe im Anschluß an das Härten durch einen Läppvorgang derart feinbeartet werden, daß die Kugellaufbahnen sich zu den axialen Endseiten des Gelenkringes hin leicht verengen.

j 5 Zwar führt diese Methode grundsätzlich zum Erfolg, jedoch ist das Läppen ein sehr teurer und zeitraubender Bearbeitungsvorgang. Insbesondere das Läppen der Kugellaufbahnen des Gelenkringes ist nur mit einem unvertretbar großen Arbeitsaufwand durchführbar. Die zitierte Patentschrift erwähnt u. a. auch, daß sich die geringfügigen erwünschten Formabweichungen auch durch einen Kärtevcrzüg herstellen ließen. Die Praxis zeigt aber ganz eindeutig, daß dieses zumindest bei Gelenkringen nicht möglich ist. Im Gegenteil werden die Mantellinien der Kugellaufbahnen beim Härten unweigerlich leicht ballig, erhalten also gerade die gegenteilige Form, wie sie an sich erwünscht warn.

Bei Kraftübertragungen mit zwei hintereinander angeordneten Schiebegelenken, die zueinander spiegelbildlich eingebaut sind, hat man durch einen gezielt herbeigeführten Härteverzug an den Gelenkringen in Trompetenform der Balligkeit eine Konizität in der Größenordnung von etwa 30 μηι überlagert, wodurch sich auf den schwimmenden Mittelteil zwischen den beiden Schiebegelenken durch die beiden gegeneinanderwirkenden Axialkräfte der Schiebegelenke eine axiale Selbst/.cntrierung für den gesamten Mittelteil der Kraftübertragung ergibt. Die Trompetenform an den Gelcnkringcn ergibt sich dadurch, daß der Gelenkring zonenweise beginnend von der eK.cn axialen Stirnseite her axial fortschreitend erwärmt wird, wodurch sich für die verschiedenen axialen Abschnitte des Gelenkringes unterschiedliche Erwärmungszeiten und dementsprechend unterschiedliche Eindringtiefen der erhitzten Bereiche und dementsprechend unterschiedliche Wärmeverzüge ergeben. Nach Beendigung der Erwärmung wird der Gelenkring gleichmäßig auf der gesamten axialen Erstreckung abgeschreckt. Durch die leichte Trompetenform der Gelenkringe wird zwar bei einer spiegelbildlichen Doppelanordnung von Schiebegelenken der schwimmende Mittelteil der Gelenkwelle selbsttätig axial zentriert, es treten jedoch durch die leichte Konizität der Gelenkringe Teilungsfehler bei den Kugellaufbahnen auf. Diese Teilungsfehler sind auf die abwechselnde Schränkung der Kugellaufbahnen gegenüber der Axialrichtung des Gelenkringes zurückzuführen. Die Teilungsfehler wiederum führen zu einer vermehrten Walkarbeit der kraftüberiragenden Kugeln des Wellengclcnkes auf den Kugellaufbahnen. wodurch sich die

bo Wellengclenke übermäßig stark erwärmen. Üblicherweise fallen bei unzulässig starker Erwärmung der Gelenke die Gummimanschcttcn als erstes aus, wodurch die r-'eitfüllung der Gelenke ausläuft und die Gelenke trockenlaufen. Eine vollständige Beschädigung des WcI-

iv3 lcngclcnkcs tritt dann in kürzester Zeit ein.

Aufgabe der Erfindung ist es. ein Verfahren anzugeben, wie beim Härten eine zylindrische oder leicht konkave l'orni der Mantellinicn der Kugellaufbahnen an

Selenkringen der zugrunde liegenden Art herbeigeführt werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale von Anspruch 1 bzw. durch die kennzeichnenden Merkmale von Anspruch 4 gelöst.

Aufgrund der zwangsweisen Behinderung der thermischen Dehnung des Gelenkringes an seinen axialen Endbereichen kommt es bei der Erwärmung des Ringes zu einer peripheren Stauchung des Ringes, die sich nach der Abkühlung als eine geringfügige Durchmesserreduzierung im Bereich der Dehnungsbehinderung erweist. Je nach Ausmaß der Dehnungsbehinderung kann eine mehr oder weniger große Stauchung und dementsprechend eine mehr oder weniger große Durchmesserreduzierung herbeigeführt werden. Wenn die Dehnungsbehinderung auf die axialen Endbereiche des Gelenkringes beschränkt bleibt, in den dazwischenliegenden mittleren Bereichen aber eine thermische Dehnung beim Härten zugelassen wird, kann die üblicherweise auftretende Balligkeit der Laufbahnmantellinien nicht nur reduziert oder beseitigt werden, sondern sogar in einen leicht konkaven Verlauf der Mantellinien übeführt werden. Das Ausmaß der Abweichung von der sonst üblichen Balligkeit wird zum einen durch die Passung des den zu härtenden Gelenkring aufnehmenden Zentrierring und zum anderen durch die radiale Tiefe einer im mittleren Bereich des Zentrierringes angeordneten Umfangsrille bestimmt Je strammer die Passung ist und je größer die Tiefe der Umfangsrille ist, um so mehr wird ein konkaver Mantellinienverlauf herbeigeführt und umgekehrt Natürlich verliert sich der Einfluß der Tiefe der Umfangsrille, wenn dessen Tiefe größer ist als die überhaupt auftretende radiale Dehnung bei unbehindertem Gelenkring. Damit der Zentrierring seinerseits sich nicht thermisch dehnt muß er durch eine Kühlung auf gleichbleibendem Temperaturniveau gehalten werden.

Die Erfindung ist anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen nachfolgend noch kurz erläutert; aabei zeigt

Fig. 1 einen Längsschnitt durch ein homokinetisches Drehgelenk,

F i g. 2 einen Gelenkring in Einzeldarstellung aus dem Drehgelenk nach F i g. 1,

F i g. 3 einen Höhenaufschrieb mit radial stark übersetzter Darstellung des Höhenprofiles der Mantellinien von zwei gegenüberliegenden Kugellaufbahnen eines nach der Erfindung gehärteten Gelenkringes,

F i g. 4 die entsprechenden Profile eines nach dem Stand der Technik gehärteten Gelenkringes,

Fig.5 ein Ausführungsbeispiel einer Härtevorrichtung zum Ausüben des erfindungsgemäßen Verfahrens und

F i g. 6 ein weiteres Ausführungsbeispiel für eine Härtevorrichtung.

Durch das in Fig. 1 gezeigte Wellengelenk 1 ist eine Welle 2 drehschlüssig aber gelenkig mit einem Wellenzapfen 10 verbunden. Auf der Welle 2 ist eine Gelcnknabe 3 mit Kugellaufbahnen 7 aufgekeilt. Der Wellenzapfen 10 ist über einen Gelenkflansch 12 mil einem Gelenkring 4 verbunden, in dem ebenfalls Kugcllaufbahnen 8 eingearbeitet sind. Der Gelenkring 4 steht mit dem Gelenkflansch 12 über eine Reibschweißnaht 11 in Verbindung, die einen sehr geringen Wärmeeintrag in das Werkstück verursacht und mit hoher Genauigkeit gefertigt werden kann. Um einen Wärmeabfluß von der Rcibschweißnaht in größere Wandungsquerschnitte der zu verschweißenden Werkstückteile möglichst zu behindern, sind an den Einzelteilen — in Fig.2 ist der entsprechende Gelenkring 4' als Einzelteil gezeigt — umlaufende axial vorstehende schmale Ansätze 14 vorgesehen. Die beiden Gelenkhälften stehen drehschlüssig über Gelenkkugeln 5 miteinander in Verbindung, die in einem Käfig 6 geführt sind. Die offene Seite des Gelenkes ist durch einen Gummibalg 9 verschlossen, der einerseits an dem Gelenkring 4 und andererseits an der Welle 2 anliegt und die Aufgabe hat, den Zutritt von Schmutz und Wasser zu den bewegten Teilen des Gelenkes zu verhindern und die Fettfüllung im Innern des Gelenkes zu erhalten.

Wie die Einzeldarstellung des noch unverschweißten Gelenkringes 4' in F i g. 2 zeigt, sind die Kugellaufbahnen 8 des Geienkringes abwechselnd nach der einen bzw. nach der anderen Richtung gegenüber der Axialrichtung des Gelenkringes verschränkt. Entsprechend sind umfangsmäßig benachbarte Kugellaufbahnen der Gelenknabe ebenfalls abwechselnd nach der einen bzw. nach der andern Richtung zueinander v.-rschränkt. Die Kugcüaufbahnen der Gelenkringe und ce-r Gelenknsben sind gehärtet, was in F i g. 2 durch den enger schraffierten durch eine strichpunktierte Linie begrenzten Bereich innerhalb des Werkstoffquerschnitts angedeutet ist.

Zum Härten wird die Ringinnenseite des Gelenkringes 4 bzw. 4' auf induktive Weise auf Härtetemperatur gebracht und anschließend mit einer Brause abgeschreckt. Hierbei ist das Vorschuberwärrnen möglich, bei dem lediglich ein schmaler axialer Bereich zum Glühen gebracht wird und der Induktor langsam axial verschoben wird. Daneben kennt man noch das Flächenerwärmen, bei welchem gleichzeitig die gesamte Innenflä-

j5 ehe des Gelenkringes zum Erglühen gebracht wird. Bei den herkömmlichen Härtemethoden kommt es aufgrund von thermischen Dehnungen zu einem Eigenspannungszustand. der eine leichte Balligkeit des Gelenkringes auf der Innenseite herbeiführt. Büm Vorschubhärten ist dieser Balligkeit noch eine Konizität überlagert.

Dies-· Balligkeit ist in F i g. 4 veranschaulicht, die die Höhenaufschriebe 16 der Mantellinien zweier gegenüberliegender Kugellaufbahnen eines in herkömmlicher Weise gehärteten Gelenkringes zeigt. Die Balligkeit beträgt etwa 30 bis 40 μπι.

Zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Härteverfahrens sei zunächst kurz auf die in F i g. 5 dargestellte Härtevorrichtung eingegangen. Die Vorrichtung enthält eine drehende Werkstückaufnahme bzw. -auflage mit einem Auflagering 20 und einem Zentrierring 21, der in definierter Lage konzentrisch zum Auflagering 20 gehalten ist und sich mit ihm mitdreht. Der Zentrierring 21 is' se!";· massiv mit einer radialen Wandstärke S, die wesentlich größer ist als die größte radiale Wandstärke Tdes zu härtenden Geienkringes 13. In axialer Richtung ist der Zentrierring zumindest in dem den Gelenkring zentrierenden Bereich ebenso lang wie der Gelenkring selber. Der in Fig. 5 dargestellte Gelenkring 13 weist

bo zwischen den Kugellaufbahnen axial verlaufende Durchgangslöcher zum Verschrauben des Ringes innerhalb des Wellengelenkes auf. Die definiert bearbeitete Innenseite des Zentrierringes ist mit der ebenfalls definiert bearbeiteten Außenseile des Gelenkringes 13 mit

b^r> Schicbesitzqualität zusrmmengepaßt. Der Zentrierring ist auf seiner Außenseite durch einen ringförmigen stillstehenden Brausering 24 gekühlt. Ein Spritzring 25, der auf der Oberseite des Zentrierringes befestigt ist, hält

Spritzwasser von der Einlegeseite des Werkstückes fern. Auf der Innenseite des Zentrierringes ist eine umlaufende Ausnehmung 26 angeordnet, die im Bereich beider axialer Endseiten der Zentrierlänge umlaufende Zentrierstege 27 beläßt. Oberhalb der Werkstückaufnähme ist ein ringförmiger Induktor 22 sowie ein zylindrischer Brausekopf 23 angeordnet, die gemeinsam konzentrisch in das Innere des Gelenkringes 13 bzw. des Auflageringes 20 absenkbar sind.

Zum Härten wird unter langsamer Drehung des Auf- !age- und des Zentrierringes sowie des Gelenkringes 13 bei eingeschaltetem Induktorstrom der Induktor langsam von unten nach oben durch den Gelenkring 13 hindurchbewegt, wobei die Innenseite zum Glühen gebracht wird. Anschließend wird Kühlwasser auf den Brausekopf 23 gegeben und der erhitzte Gelenkring abgeschreckt.

Die beim Erhitzen des Gelenkringes darin auftretende Dehnung ist durch den Zentrierring 21 zumindest in den axialen Kndbereichen behindert. Es kommt daher zu einer peripheren Stauchung des Materials vor allen Dingen in den axialen Endbereichen des Gelenkringes. Nach dem Abschrecken haben die peripher gestauchten dehnungsbehinderten Bereiche einen geringfügig kleineren Durchmesser als die nichtbehinderten Bereiche. Diese Korrektur der Makroform des Ringes überträgt sich entsprechend auf die Form der Kugellaufbahnen bzw. deren Mantellinien. Das Ergebnis dieses Bemühens ist in F i g. 3 veranschaulicht, wo wiederum das stark überhöht gezeichnete Profil 15 der Mantellinien zweier gegenüberliegender Kugellaufbahncn aufgeschrieben ist. Es ist erkennbar, daß die Aufschriebe im mittleren Bereich des Gelenkringes geringfügige Einsattelungen im Bereich von wenigen Mikrometern aufweisen. Diese zylindrische bzw. leicht konkave Form der Mantellinien J5 der Kugellaufbahnen kann mit dem Zentrierring nach der Erfindung sowohl beim Vorschubhärten als auch beim Fiächenhärten erzieh werden. Die konkave Form kann durch Reduzierung des Passungsspieles zwischen dem Zentrierring und dem Gelenkring noch vergiößert werden.

Die in F i g. 6 dargestellte Härtevorrichtung ist ausgestaltet zum Härten eines glockenförmigen Gelenkteiles, wie er in dem Wellengeienk nach Fig. 1 dargestellt ist. bei dem also der Gelenkring 4 über die Reibschweißnaht 11 mit dem Gelenkflansch verbunden und der Ring somit axial einseitig verschlossen ist. In Übereinstimmung mit dem Ausführungsbeispiel nach Fig.5 weist auch diese Härtevorrichtung einen Zenirierring 34 auf, der auf seiner Außenseite von einem Brausering 24 standig gekühlt wird- Außerdem ist auf der Oberseite des Zentrierringes ebenfalls ein Spritzring 25 befestigt. Im Unterschied zum Ausführungsbeispiel nach Fig.5 ist der Zentrierring 34 von einem drehenden Aufnahmekopf 30 gehalten, der seinerseits beim dargestellten Ausführungsbeispiel in die Spannbacken 32 eines Bakkenfutters 31 gespannt ist. Am Boden des topfförmigen Aufnahmekopfes ist eine axialbewegliche Zentrierspitze 33 angeordnet, die in eine entsprechende Zentrierkörnung am Wellenzapfen 10 des Gelenkteiles beim μ Einfügen des Werkstückes einrastet. Entgegen der Kraft der Auswurf feder 37 muß das Werkstück bis in die dargestellte Relativlage in den Zentrierring bzw. in den Aufnahmekopf hineingedrückt werden, wonach die schwenkbaren Niederhalter 38 über die Stirnseite des Gelenkringes hinweggeschwenkt werden können. Auch bei der in F i g. ό gezeigten Härtevorrichtung sind ein ringförmiger Induktor 35 und ein zylindrischer Brausekopf 36 zum Abschrecken ins Innere des zu härtenden ringförmigen Werkstückes absenkbar angeordnet. Wegen des beschränkten axialen Bewegungsraumes sind jedoch die beiden Teile konzentrisch ineinanderliegend angeordnet und jeweils für sich axial beweglich. Ausgehend von der dargestellten Relativlage des Induktors 35 wird dieser zum Erwärmen des Werkstückes bei eingeschaltetem Induktorstrom langsam nach oben gezogen, wobei die Innenseite des Gelenkringes 4 zum Glühen gebracht wird. Anschließend wird der Induktor hochgezogen und das Werkstück über den nun freiliegenden Brausekopf abgeschreckt. Nach beendetem Härtevorgang werden der Induktor und der Brausekopf gemeinsam nach oben abgezogen, so daß der Aufnahmekopf für einen Werkstückwechsel frei zugänglich ist.

Auch beim Ausführungsbeispiel der Härtevorrichtung nach F i g. 6 ist der Zentrierring mit einer Ausnehmung 26 versehen, so daß aufgrund der verbleibenden umlaufenden Abstützstege 27 die Dehnungsbehinderung lediglich aul die axialen tndbereiche des Geienkringes 4 beschränkt ist.

Die Besonderheit des Ausführungsbeispieles nach F i g. 6 gegenüber dem nach F i g. 5 liegt weniger darin begründet, daß der Gelenkring einseitig axial durch den angeschweißten Gelenkflansch verschlossen ist, als vielmehr darin, daß der Härtevorgang nach dem Anschweißen des Gelenkflansches 12 an den Gelenkring erfolgt. Die durch die Reibschweißung und durch die anschließende Vyärmenachbehandlung der Fügestelle in das Werkstück eingetragenen Wärmeverzüge sind zumindest bei Anordnung der Reibschweißnaht an schmalen Ansätzen 14 geringer als die Wärmeverzüge durch das Härten des Gelenkringes bzw. geringer als die Korrekturen, die durch die Dehnungsbehinderung möglich sind. Das nachträgliche Härten nach dem Herstellen der Reibschweißung stellt in fertigungsmäßiger Hinsicht einen gewissen Vorteil dar.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Härten von Gelenkringen von homokinetischen Wellengelenken, mit auf der Ringinnenseite spanabhebend eingearbeiteten wenigstens in grober Näherung — im Meridianschnitt gesehen — axial verlaufenden nach innen offenen Kugellaufbahnen, bei welchem Verfahren die Ringinnenseite kurzzeitig auf Härtetemperatur angewärmt und anschließend durch ein flüssiges Kühlmedium abgeschreckt wird, dadurch gekennzeichnet, daß während des Härtens eine thermische Dehnung des Gelenkringes (4,13) radial zwangsweise verhindert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dehnungsbehinderung auf die axial stirnseitigen Endbereiche des Gelenkringes beschränkt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei axial an eine ^Mirnseite des Gelenkringes ein Gelenkfiansch angeschweißt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Härten nach dem Schweißen durchgeführt wird, wobei eine gegebenenfalls erforderliche Wärmenachbehandlung der Fügestelle noch vor dem Härten durchgeführt werden kann.

4. Vorrichtung zum Ausüben des Verfahrens nach Anspruch 1, mit einer definierten Aufnahme und Auflage für den Gelenkring, ferner mit einem gleichachsig zur Aufnahme angeordneten in das Innere des Gelenkringes einführbaren Flammkopf oder einem Induli.or zum Erwärmen der Ringinnenseite auf Härtetemperatur sowi»» mit einem ebenfalls gleichachsig dazu angeordneten Brausekopf zum Abschrecken des Gelenkrinres, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufnahme und Auflage einen massiven Zentrierring (21,34) enthält, dessen Wandstärke (S) größer ist als die größte Wandstärke (T) des Gelenkringes (13, 4), der sich wenigstens über die gesamte axiale Länge des Gelenkringes (13, 4) erstreckt und der mit seiner Innenfläche mit der definiert bearbeiteten Außenfläche des ungehärteten Gelenkringes (13, 4) mit Schiebcsitzqualität zusammengepaßt ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Zentrierring (21,34) auf seiner Innenseite umfangsmäßig eine durchgehende Ausnehmung (26) aufweist, die sich axial auf etwa 75 bis 90% der axialen Erstreckung des Gelenkringes (13,4) erstreckt und die im Bereich beider stirnseitigen Enden des Gelenkringes noch tragende umlaufende Stege (27) am Zentrierring (21,34) beläßt.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die radiale Tiefe der Ausnehmung (26) auf einen definierten Bruchteil der radialen Dehnung des Gelenkringes beim Härten ohne Zentrierring bemessen ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 4,5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Zentrierring (21, 34) mit einer Einrichtung (24) zum Kühlen versehen ist.