DE3508487C2 - Verfahren zum Herstellen von Gelenkaußenteilen oder Gelenkinnenteilen für Gleichlaufdrehgelenke - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von Gelenkaußenteilen oder Gelenkinnenteilen von Gleichlauf­ drehgelenken mit jeweils einer Mehrzahl umfangsverteilter, sich im wesentlichen in Längsrichtung erstreckender Kugel­ laufbahnen zur Aufnahme drehmomentübertragender Kugeln, bei dem das Gelenkaußenteil oder Gelenkinnenteil mit den Kugellaufbahnen auf dem Wege spanloser Kalt-, Halbwarm- oder Warmumformung umgeformt wird, bei dem in den Kugel­ laufbahnen jeweils zumindest eine in Längsrichtung der Bahn verlaufende Ausnehmung eingeformt wird und die Kugel­ laufbahnen anschließend ausschließlich außerhalb der Aus­ nehmung spanend fertigbearbeitet werden, wobei die Breite "w" jeder Ausnehmung größer ist als ihre Tiefe "d", be­ zogen auf die bearbeitete Kugellaufbahn. Es betrifft damit Gleichlaufdrehgelenke, bestehend aus einem Gelenk-Außen­ teil, einem Gelenk-Innenteil mit jeweils einstückig daran angeformten Gelenkzapfen, einer Vielzahl gleichmäßig über den Umfang verteilter, in einem Käfig geführter und der Drehmomentübertragung dienender Kugeln, die in zueinander korrespondierenden, im Gelenk-Außenteil und Gelenk-Innen­ teil angeordneten Laufbahnen abrollen.

In der einschlägigen Technik bestehen bereits vielerlei Möglichkeiten zum Herstellen von der Aufnahme der Kugeln dienender Kugellaufbahnen einschließlich der Bildung von derartigen Bahnen in einem gegossenen oder geschmiedeten Teil. Weiterhin lassen sich Kugellaufbahnen mittels Schleifen, Zerspanen oder Verformen in kaltem, halbwarmem oder warmem Zustand im zuvor unbearbeiteten Werkstück herstellen. Die Herstellung einer während eines früheren Produktionsverfahrens ursprünglich grob bemessenen Kugel­ laufbahn kann aber ebenfalls auch durch Kaltverformen oder Schmieden und anschließendem Zerspanen, etwa Schleifen, erfolgen, bis die gewünschte hochgenaue Bahnform erreicht ist. Wenn eine genau spezifizierte Form der Kugellauf­ bahnen erwünscht ist, ist das zuletzt genannte Verfahren das am häufigsten angewandte, da hierbei genaue Ab­ messungen ohne großen Materialverlust erreicht werden. Außerdem verursacht ein solches Verfahren weniger Ver­ schleiß an den Zerspannungswerkzeugen als in solchen Fällen, wo die Kugellaufbahn in ein Werkstück geschliffen oder eingearbeitet werden muß, das keine vorgeformte Ku­ gellaufbahn aufweist.

Hochgenaue Kugellaufbahnen finden beispielsweise in Innen- und Außenteilen von solchen Drehgelenktypen Anwen­ dung, bei denen das Drehmoment mittels in den Kugellauf­ bahnen angeordneten Kugeln übertragen wird. Bei einer dieser Drehgelenkausbildungen, wie sie beispielhaft in den US-Patentschriften 2 046 584 und 1 665 280 beschrieben wurden, sind die Kugellaufbahnen meridianartig in gegenüberliegenden kugeligen Flächen der Gelenk-Innen­ teile und Gelenk-Außenteile angeordnet. Ein solches Gelenk hat (homokinetische) Gleichlauf-Eigenschaften, d. h., wenn das Gelenk gebeugt ist, entstehen keine zyklischen Variationen bei der Drehgeschwindigkeit der Gelenkteile. Aus diesen Gründen werden derartige Gelenke sehr gern in Kraftfahrzeugen mit Vorderradantrieb verwendet.

Bei einem Gleichlaufdrehgelenk dieser Art sind in der Regel in jedem Gelenkteil sechs gleichmäßig über den Um­ fang verteilte hochgenaue Kugellaufbahnen vorgesehen. Die Bahnen werden zunächst beim Schmieden oder Gießen in die Gelenk-Innen- und Gelenk-Außenteile eingeformt. Die ge­ wünschte Hochgenauigkeit einer jeden Kugellaufbahn wird durch anschließendes Zerspanen, etwa Schleifen oder dgl., erreicht. Da die hierbei verwendeten Werkzeuge jedoch hohem Verschleiß ausgesetzt sind, müssen sie von Zeit zu Zeit ersetzt werden, um auch weiterhin hohe Verfahrensge­ nauigkeit zu gewährleisten. Dieser Auswechselprozeß ist jedoch relativ kostenaufwendig, und zwar sowohl in Bezug auf Werkzeugkosten als auch in Bezug auf Arbeitszeitver­ lust.

Wenn die Kugellaufbahn mittels eines Formgebungs- oder Schmiedeverfahrens, d. h. durch Kalt-, Halbwarm- oder Warmumformung, vorgeformt wird, wird das Metall des Werk­ stückes in beachtlichem Ausmaß verdrängt, insbesondere im Bereich der Kugellaufbahn-Grundfläche, wo der Widerstand gegen die Bahnbildung am größten ist. Eine gewisse Ent­ lastung in diesem Bereich wäre daher von Vorteil, um den Formgebungsvorgang zu erleichtern. Das Schleifwerkzeug dreht sich zudem, wenn die Kugellaufbahn anschließend in ihre endgültige Konfiguration gebracht wird, etwa durch Schleifen, im allgemeinen um eine Achse, die sich von der Kugellaufbahn-Grundfläche aus nach außen erstreckt.

Der Abschnitt des Schleifwerkzeugs im Bereich der Kugel­ laufbahn-Grundfläche bewegt sich also relativ langsam und trifft auf den größten Widerstand. Das wiederum führt zu einem schnellen Verschleiß und damit zu einer Verkürzung der Standzeit dieses Teils des Schleifwerkzeugs. Das Werk­ zeug muß demgemäß relativ häufig ausgewechselt werden, was zu langen Maschinenstillstands- und Ausfallzeiten Anlaß gibt. Die bei der Bearbeitung auftretende Reibung erzeugt in nicht unerheblichem Maße Wärme, die mikroskopische Risse im Werkteil zur Folge haben kann und daher sorg­ fältiger Kontrolle bedarf. Das Feststellen von Rissen und das sich anschließende Aussondern von Fehlteilen hat be­ achtliche Mengen von Abfall zur Folge. Hierdurch erhöhen sich die Herstellungskosten pro Bauteil; es besteht zudem auch die Gefahr, daß Fehler unentdeckt bleiben.

Aus der DE 30 48 709A1 ist es bekannt, vor dem Schleifen der Kugelbahnen durch plastisches Verformen oder durch maschinelle Bearbeitung in der Bahn einen vertieften Schleifentlastungsabschnitt herzustellen, der die an­ schließend erforderlichen Schleifkräfte reduzieren soll. Die Herstellung umfaßt damit einen zusätzlichen Bearbei­ tungsschritt. Die dabei entstehende Bahnquerschnittsform reduziert den Kontakt zwischen Kugel und Bahn auf zwei Berührungspunkte.

Aus den US-PSen 2 322 570 und 3 367 139 sind jeweils Ausneh­ mungen am Bahngrund bekannt, die ebenfalls nachträglich eingebracht werden und einem verbesserten Tragen der Ku­ geln bzw. einer verbesserten Schmierung dienen. Der Ge­ sichtspunkt der Herstellung der Bahnen ist hierbei unbe­ rücksichtigt geblieben.

Angesichts der den bekannten Herstellungsverfahren an­ haftenden technisch-konzeptionellen Grenzen liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein einfaches und relativ kostengünstiges Verfahren zum Herstellen hochgenauer Kugellaufbahnen in Gleichlaufdrehgelenken zu schaffen.

Gelöst wird diese Aufgabe bei einem Verfahren der gattungsgemäßen Art erfindungsgemäß dadurch, daß die jeweils zumindest eine Ausnehmung beim Umformen der Kugellaufbahnen eingeformt wird.

Weitere relevante Merkmale, die der Ausgestaltung wie auch der Fortentwicklung des die vorliegende Erfindung tragen­ den Gedankens dienen, lassen sich den Unteransprüchen entnehmen.

Es ist einleuchtend und überzeugend zugleich, daß die vorliegende Erfindung mit einer Reihe von Vorteilen ein­ hergeht. So vermindert das erfindungsgemäße Verfahren im Vergleich zu bekannten oder gebräuchlichen Verfahren den Verschleiß des zum spanenden Bearbeiten der Kugellaufbahnen verwendeten Werkzeugs. Ein Vorgang, wie er sich z. B. durch Kaltverformen zum Herstellen der ursprünglichen Kugellaufbahnform im Werk­ teil darstellt, wird nachhaltig erleichtert. Auch das Auf­ treten von wärmebedingten mikroskopischen Rissen im Werkteil ist praktisch ausgeschlossen. Die Anordnung einer Entla­ stungsrille und deren Berücksichtigung im Verfahrensablauf vermindert zudem den Verschleiß des Zerspanungswerkzeugs, indem im Bereich des größten Widerstands gegen den Zerspa­ nungsvorgangs der Anteil der Fläche, in die das eingreift, verkleinert wird. Die als Entlastungsrille dienende Ausneh­ mung verbessert im übrigen auch den Metallfluß an der Kugellauf-Grundfläche während der Formgebung. Das Werk­ teil ist im gegebenen Falle das Außen- oder Innenteil eines Gleichlaufdrehgelenkes mit einer Vielzahl von kugelaufnehmenden Laufbahnen, von denen wenigstens eine, vorzugsweise aber alle, unter Anwendung dieses Verfahrens hergestellt werden. Die Laufbahnen können dabei meridianar­ tig in den Gelenkteilen angeordnet sein.

Nachstehend wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.

Es zeigt

Fig. 1 einen Längsschnitt durch ein nach dem erfin­ dungsgemäßen Verfahren hergestelltes Gleich­ laufdrehgelenk,

Fig. 2 einen Querschnitt entlang der Linie 2-2 der Fig. 2, und

Fig. 3 einen Querschnitt durch einen Teil des Gelen­ kes in vergrößertem Maßstab.

Die Fig. 1 und 2 zeigen ein an sich bekanntes Gleichlauf­ drehgelenk 10.

Das Gelenk 10 weist ein Außenteil 12 auf, das einstückig in einen Gelenkzapfen 14 übergeht. In das Außenteil 12 ist ein kugeliger Hohlraum 16 eingeformt. Dieser weist eine Öffnung auf, die dem Gelenkzapfen 14 entgegengesetzt ist.

Wie aus den Fig. 1 und 2 ersichtlich, sind zur Aufnahme einer Reihe von Kugeln 20 über den Umfang in einem Abstand voneinander erste Bahnen 18 in das Innere des Außenteils 12 eingeformt. Die Bahnen 18 sind dabei meridianartig im Außen­ teil 12 angeordnet.

Im kugeligen Hohlraum 16 des Außenteils 12 ist ein Innenteil 22 vorgesehen, das an einem Gelenkzapfen 24 über eine damit Zusammenarbeitende Keilverzahnung 26 befe­ stigt ist. Das Innenteil 22 ist mit einer äußeren kugeligen Fläche 28 versehen, deren Durchmesser wesentlich kleiner ist als der Durchmesser des kugeligen Hohlraums 16 des Gelenkaußenteils 12.

Über den Umfang in einem Abstand voneinander angeordnete Bahnen 30 sind meridianartig in die äußere kugelige Fläche 28 des Gelenkinnenteils 22 eingeformt.

Jede der Bahnen 18 fluchtet mit einer der zu ihnen korres­ pondierenden Bahnen 30 und diese nehmen zwischen sich jeweils eine der Kugeln 20 auf, um eine Winkelbewegung des an dem Gelenkinnenteil 22 befestigten Gelenkzapfens 24 gegenüber dem einteilig mit dem Gelenkaußenteil 12 hergestellten Gelenkzapfen 14 zu gestat­ ten. Die Kugeln 20 übertragen ein Drehmoment zwischen den beiden Gelenkteilen. Ein Käfig 42 mit kugeligen Innen- und Außenflächen ist zwischen der kugeligen Außenfläche 28 des Innenteils 22 und dem kugeligen Hohlraum 16 des Außenteils 12 vorgesehen. Er weist Öffnungen auf, um die Kugeln 20 in bekannter Weise aufzunehmen.

Üblicherweise werden die Innenteile 22 und die Außenteile 12 durch Gießen oder Schmieden, d. h. durch Warm- oder Kaltver­ formen, hergestellt. Die Bahnen 18, 30 werden mittels spanen­ der Bearbeitung, etwa durch Schleifen, hergestellt. Solche Bearbeitungsverfahren verursachen einen beachtlichen Ver­ schleiß an den Schleif- oder Zerspanungswerkzeugen. Diese müssen deshalb relativ häufig ausgewechselt werden. Die für das Herstellen der Innen- und Außenteile erforderlichen Pro­ duktionsmaschinen weisen beachtliche Ausfallzeiten und eine niedrige Produktionsrate auf. Erfindungsgemäß sind die Innenteile 22 und Außenteile 12 jedoch derart modifiziert, daß der Verschleiß an den Bearbeitungswerkzeugen reduziert, die Produktionsrate erhöht und die Ausfallzeit der Produkti­ onsmaschinen verkürzt wird.

Jede der Bahnen 18 ist mit einer als Entlastungsrille dienenden Ausneh­ mung 32 versehen, die sich entlang deren Länge erstreckt. In ähnlicher Weise ist jede Bahn 30 mit einer als Entlastungsrille dienenden Ausnehmung 34 versehen, die sich ebenfalls entlang deren Länge erstreckt. Die während des anfänglichen Gieß- oder Schmiedevorgangs geschaffenen, als Entla­ stungsrillen dienenden Ausnehmungen 32, 34 dienen dazu, den Verschleiß an den Schleif- oder Zerspanungswerkzeugen zu verringern, die zum spanenden Bearbeiten der Bahnen 18 und 30 verwendet werden, um zu einer bestimmten Präzisions­ form zu gelangen.

Wie insbesondere aus Fig. 3 in Bezug auf eine Bahn 18a hervorgeht, ist die als Entlastungsrille dienende Ausnehmung 32 in die Grundfläche der Bahn eingeformt, weil dort der größte Widerstand gegen den Schleif- oder Zerspanungsvorgang auftritt. Das für die Fertigbearbeitung der Bahn 18a verwen­ dete Zerspanungswerkzeug unterliegt daher wesentlich weniger einem Verschleiß als dies der Fall wäre, würde die als Entlastungsril­ le dienende Ausnehmung 32 nicht vorgesehen sein.

Die als Entlastungsrille dienende Ausnehmung 32 hat vorzugs­ weise eine wesentlich größere Breite w als Tiefe d gegenüber der Bahn 18a. Hierdurch wird der Verschleiß am Zerspanungs­ werkzeug wesentlich verringert, ohne dabei aber das Außen­ teil 12 nennenswert zu schwächen. So kann beispielsweise die Breite w der als Entlastungsrille dienende Ausnehmung 32 zwei- bis viermal so groß sein wie die Tiefe d. Zudem erstreckt sich die als Entlastungsrille dienende Ausnehmung 32 in der Weise über den Umfang eines Abschnittes der Bahn 18a, daß sie - im Querschnitt betrachtet - in der Mitte der Bahnkrümmung einen Bogenwinkel R definiert. Der vorbestimmte Winkel R wird dabei so gewählt, daß der Verschleiß an dem Zer­ panungswerkzeug auf ein Minimum verringert wird, wobei aber dennoch eine ausreichend große Fläche für den Kontakt zwi­ schen der Bahn 18a und der darin geführten Kugel 20 erhalten bleibt. Im vorgenannten Beispiel beträgt der Winkel R ca. 20°, obgleich er zwischen ca. 10 und 30° betragen kann.

Erfindungsgemäß wird die Bahn 18a im Außenteil 12 zunächst mit einer Oberfläche 36 mit einem Radius r₁ eingeformt. Der sich daran anschließende Zerspanungsvorgang, etwa Schleifen, schafft eine Oberfläche, die innerhalb vorbestimmter Toleranzen zwischen einer Oberfläche 38 mit einem Mindestradius r₂ und ei­ ner Oberfläche 40 mit einem Mindestradius r₃ variiert. Die Tiefe d der als Entlastungsrille dienenden Ausnehmung 32 wird so ge­ wählt, daß sie die Differenz zwischen dem maximal geschlif­ fenen Radius r₃ und dem anfänglich geformten Radius r₁ über­ steigt, damit das Zerspanungswerkzeug nicht auf die Grund­ fläche 44 der Ausnehmung 32 trifft.

Auch die weiteren Bahnen 18, 30 des Innen- bzw. Außenteiles 12, 22 werden analog zur vorstehend beschriebenen Weise hergestellt. Der Zerspanungsvorgang kann in einem oder auch mehreren Arbeitsgängen erfolgen.

Das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich vorteilhafter auf das Außenteil 12 als auf das Innenteil 22 anwenden. Die Bah­ nen 18 des Außenteils 12 haben solche Proportionen im Verhältnis zu den Kugeln 20, daß diese in eine Bahnfläche eingreifen, die im allgemeinen nicht die Bahngrundfläche einschließt. Dies ist der Fall, um zu gewährleisten, daß der Flä­ chenkontakt zwischen den Kugeln 20 und dem Außenteil 12 maximiert wird. Die Entfernung eines Teils der Bahnen 18 durch Schaffen der als Entlastungsrille dienenden Ausnehmung 32 in jeder Bahn bezieht sich auf einen Abschnitt der Bahnen, die einer Beanspruchung nicht ausgesetzt ist. Wenn daher das erfindungsgemäße Verfahren auf das Herstellen des Außenteils 12 eines Gleichlaufdrehgelenks 10 angewandt wird, wird die tatsächliche Lebensdauer des Zerspanungswerkzeuges erhöht, indem der Teil der geformten Oberfläche 36 der Bahnen 18 entfernt wird, der den größten Widerstand gegenüber dem Zer­ spanungswerkzeug aufbringt, ohne daß der funktionelle Ein­ griff zwischen den Kugeln 20 und den Bahnen 18 beeinflußt wird.

Im Gegensatz hierzu sind die Bahnen 30 des Innenteils 22 in einer typischen Ausführungsform derart ausgebildet, daß ein ausreichend großer Flächenkontakt neben dem Bahngrund der Bahnen gewährleistet ist. Wenn daher ein Innenteil 22 nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt wird, befindet sich der Bereich des größten Kontaktes zwischen der Ku­ gel 20 und der zugeordneten Bahn 30 auf beiden Seiten der als Entlastungsrille dienenden Ausnehmung 34.

Deshalb ist es für einige Anwendungsfälle angezeigt, nur das Außenteil 12 nach dem erfindungsgemäßen Verfahren zu bear­ beiten, während das Innenteil 22 in bekannter Weise bearbeitet wird. Als Alternative kann die als Entlastungsrille dienende Ausnehmung 34 an einer anderen Stelle als am Bahngrund der Bahn angeordnet werden. So können beispiels­ weise zwei - in der Zeichnung nicht dargestellte - als Entla­ stungsrillen dienende Ausnehmungen in jede Bahn 30 einge­ formt werden, die sich in einem vorbestimmten Winkelabstand vom Bahngrund der Bahn auf gegenüberliegenden Seiten des Bahngrundes befinden.

In dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel sind die Kugelbahnen in den Gelenkteilen - im Querschnitt gesehen - kreisbogenförmig. In der Praxis haben die Bahnen in Gleichlauf­ drehgelenken - im Querschnitt betrachtet - oft die Form ei­ nes "gotischen Bogens", d. h. die Bahn hat im Querschnitt eine deutlich de­ finierte Spitze, die nicht mit der Kugel in Berührung kommt. Die vorliegende Erfindung läßt sich auch ohne weiteres auf das Herstellen von Teilen anwenden, die eine solche Bahnform aufweisen. Die Erfindung ist weiterhin auch anwendbar auf Gelenkteile, bei denen die Kugelbahnen nicht eine Meridiankrümmung haben. Gemeint sind damit beispielsweise gerade Bahnen, die sich parallel und relativ zu den Drehachsen der ent­ sprechenden Teile spiralförmig-schräg ge­ stellt, erstrecken.

Claims (4)

1. Verfahren zum Herstellen von Gelenkaußenteilen oder Gelenkinnenteilen von Gleichlaufdrehgelenken mit je­ weils einer Mehrzahl umfangsverteilter, sich im we­ sentlichen in Längsrichtung erstreckender Kugellauf­ bahnen zur Aufnahme drehmomentübertragender Kugeln, bei dem das Gelenkaußenteil oder Gelenkinnenteil mit den Kugellaufbahnen auf dem Wege spanloser Kalt-, Halbwarm- oder Warmumformung umgeformt wird, bei dem in den Kugellaufbahnen (18, 30) jeweils zumindest eine in Längsrichtung der Bahn verlaufende Ausnehmung (32, 34) eingeformt wird und die Kugellaufbahnen (18, 30) anschließend ausschließlich außerhalb der Ausnehmung (32, 34) spanend fertigbearbeitet werden, wobei die Breite "w" jeder Ausnehmung (32, 34) größer ist als ihre Tiefe "d", bezogen auf die bearbeitete Kugellauf­ bahn, dadurch gekennzeichnet, daß die jeweils zumindest eine Ausnehmung (32, 34) beim Umformen der Kugellaufbahnen (18, 30) eingeformt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils eine Ausnehmung (32, 34) entlang des Grun­ des einer Kugellaufbahn (18, 30) eingeformt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils zwei auf im Querschnitt relativ zum Bahn­ grund gegenüberliegenden Seiten einer Kugellaufbahn liegende Ausnehmungen eingeformt werden.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß jede Ausnehmung (32, 34) mit einer Breite eingeformt wird, die - be­ zogen auf die Bahnmittellinie durch den Kugelmittel­ punkt - einen Winkel R in der Größenordnung von 10 bis 30° definiert.