DE4231344A1 - Achsgehaeuse - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft allgemein ein Achsgehäuse für Fahrzeugachsen und insbeson­ dere ein gegossenes einstückiges Achsgehäuse und ein Verfahren zu dessen Her­ stellung.

Achsen sind bekannte Konstruktionsteile von Fahrzeugen. Solche Achsen umfassen eine Anzahl von drehbaren Komponenten, die ein Drehmoment von einem Motor auf die Räder des Fahrzeuges übertragen. Diese drehbaren Komponenten sind gewöhnlich in einem nicht-drehbaren, diese Teile schützenden Gehäuse eingebaut. Das Gehäuse hat einen zentralen Träger (in welchem drehbar ein Differential gelagert ist) mit einem Paar nach außen verlaufender Rohre (welche die Achswellen umschließen, die vom Differential zu den Fahrzeugrädern gehen). Bisher wurden diese Rohre aus Abschnit­ ten von hohlzylindrischen Stahlrohren hergestellt, die zusammengeschweißt, ge­ schraubt oder in anderer Weise mit dem Träger verbunden wurden, um das Achs­ gehäuse zu bilden.

Die Rohre dieser Achsgehäuse sind häufig mit einem oder mehreren zusätzlichen Komponenten für verschiedene Zwecke ausgerüstet. Beispielsweise ist es allgemein erwünscht, einen in Umfangsrichtung sich erstreckenden Flansch um das Rohr vorzusehen in der Nähe von dessem äußeren Ende als Montagefläche für die Teile der Bremse für dieses Rad. Ferner ist allgemein ein Federsitz an dem Rohr vorgesehen, zum Anbringen einer Mehrzahl von Blattfedern oder ähnlichen Mittel zur elastischen Verbindung des Fahrzeugrahmens mit dem Achsgehäuse. Schließlich ist es bekannt, eine Konsole an dem Rohr anzubringen, an der ein Bügel angeschweißt ist zum Befestigen eines Stoßdämpfers oder ähnlicher Mittel, um Schwingungen des Fahr­ zeugrahmens relativ zum Achsgehäuse zu dämpfen. In der Vergangenheit wurden der Bremsflansch, der Federsitz und die Stoßdämpferkonsole aus einzelnen Komponenten hergestellt, die an den Rohren angeschweißt, angeschraubt oder in anderer Weise befestigt wurden. Neuerdings hat es sich als erwünscht gezeigt, das Achsgehäuse integral durch Gießen von schmelzflüssigem Metall in eine entsprechende Form herzustellen. Es ist daher bekannt, den Träger und die Rohre des Achsgehäuses einstückig durch Gießen herzustellen. Es hat sich ferner als erwünscht gezeigt, die zusätzlichen Komponenten des Achsgehäuses (d. h. Bremsflansch, Federsitz und Stoßdämpferkonsole) integral mit den Rohren durch Gießen herzustellen. Bekannte gegossene Achsgehäuse wurden aus Kugelgraphiteisen hergestellt.

Bei der Herstellung dieser gegossenen Achsgehäuse ist man jedoch allgemeinen Vorstellungen bezüglich der Herstellung von Rohren gefolgt. Die Rohre dieser bekann­ ten Achsgehäuse haben daher eine gleichmäßige Wanddicke ebenso wie die Ab­ schnitte der hohlzylindrischen Stahlrohre, die zuvor an den zentralen Trägern ange­ bracht wurden. Es wurde jedoch gefunden, daß einige Abschnitte der Rohre des Achsgehäuses in Betrieb relativ großen Belastungen ausgesetzt sind, während andere Abschnitte der Rohre nur relativ kleinen Beanspruchungen ausgesetzt sind. Bei den bisherigen Achsgehäusen, die eine gleichmäßige Wanddicke haben, wurde die Dicke so ausgewählt, daß sie der maximalen Beanspruchung entspricht. Als Folge hiervon war der übrige Teil der Rohre für den beabsichtigten Gebrauch überdimensioniert. In anderen Worten, die Materialmenge, die für den Rest des Rohres verwendet wurde, war beträchtlich größer als die Menge, die erforderlich ist, um einen Ausfall oder einen Bruch zu verhindern.

Die bekannten gegossenen Achsgehäuse sind daher nicht effizient da sie aus mehr Material bestehen als für ihre Funktion erforderlich ist. Die Verwendung von zusätzli­ chem Material bei den bekannten gegossenen Achsgehäusen führt zu unnötigen Materialkosten und zu einem höheren Gewicht. Da Kosten und Gewicht die Hauptfak­ toren bei der Konstruktion von Achsgehäusen und anderen Fahrzeugteilen sind, ist es erwünscht, ein verbessertes gegossenes Achsgehäuse zu schaffen, das seine be­ absichtigten funktionellen Erfordernisse erfüllt ohne höhere Kosten oder erhöhtes Gewicht zu bedingen.

Die Erfindung betrifft somit eine verbesserte Struktur für ein Gehäuse für eine Achse und ein Verfahren zu deren Herstellung. Das Gehäuse hat ein Rohr, das durch Gießen geformt ist. Das gegossene Rohr hat einen Bremsflansch, einen Federsitz und eine Stoßdämpferkonsole sowie ein äußeres Ende zur Montage von Radlagern, die alle integral mit dem Rohr geformt sind. Das Rohr ist allgemein hohl und hat zylindrische Form, jedoch ist eine äußere Umfangsfläche allgemein kreisförmig und seine innere Umfangsfläche ist allgemein oval. Die Wanddicke des Rohres ist daher über seinen Umfang nicht gleichmäßig. Vielmehr sind die Wanddicken der oberen und unteren Abschnitte des Rohres etwas größer als die Wanddicken der Seitenabschnitte. Die Wanddicken der oberen und unteren Abschnitte des Rohres sind so bemessen, daß sie vertikal gerichtete Belastungen aufnehmen können, die allgemein größer sind als die normalerweise im Betrieb auftretenden horizontalen Belastungen. Das Rohr wird aus einer Eisenlegierung gegossen und einer Austemperung-Wärmebehandlung unter­ zogen.

Beispielsweise Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung erläutert, in der

Fig. 1 eine Draufsicht auf den Rohguß eines Rohres zeigt zur Verwendung in einem Achsgehäuse nach der Erfindung.

Fig. 2 zeigt einen Schnitt des Rohres längs der Linie 2-2 von Fig. 1.

Fig. 3 zeigt einen Schnitt des Rohres längs der Linie 3-3 von Fig. 1.

Fig. 4 zeigt einen Schnitt des Rohres längs der Linie 4-4 von Fig. 1.

Fig. 5 zeigt einen Schnitt des Rohres längs der Linie 5-5 von Fig. 1.

Fig. 6 zeigt einen Schnitt des Rohres längs der Linie 6-6 von Fig. 1.

Fig. 7 zeigt anhand eines Flußdiagrammes die Arbeitsschritte zum Gießen des Rohres nach den Fig. 1 bis 6.

Fig. 8 zeigt in einem Schnitt ähnlich Fig. 6 eine alternative Ausführungs­ form der Erfindung, bei der das Rohr integral mit einem Träger für das Achsgehäuse gegossen ist.

Die Fig. 1 bis 6 zeigen ein Rohr 10 zur Verwendung als Teil eines Gehäuses für eine Fahrzeugachse nach der Erfindung. Die anderen Komponenten des Achsgehäu­ ses sind konventionell und bilden keinen Teil der Erfindung. Das Rohr 10 ist mit einem inneren Ende 11 versehen, das an einem nicht gezeigten Träger oder Rahmen des Achsgehäuses befestigt werden kann. Ferner ist das Rohr 10 mit einer Stoß­ dämpferkonsole 12, einem Federsitz 13 und einem Bremsflansch 14 versehen, deren Funktionen bekannt sind. Schließlich hat das Rohr 10 ein äußeres Ende 15 zur Aufnahme von nicht gezeigten Lagern, die auf diesem Ende montiert werden, um drehbar ein Rad auf dem Rohr 10 zu lagern. Wie noch erläutert wird, wird das Rohr 10 durch Gießen hergestellt, so daß alle oben genannten Komponenten 11 bis 15 integral mit dem Rohr geformt werden, im Gegensatz etwa zu individuellen Teilen, die am Rohr 10 angebracht werden.

Wie die Fig. 2 bis 5 zeigen, ist das Rohr 10 allgemein hohl und hat zylindrische Gestalt. Die äußere Umfangsfläche des Rohres 10 hat jedoch allgemein Kreisform, während die innere Umfangsfläche allgemein eine ovale Form hat. Die Wanddicke des Rohres 10 ist daher nicht gleichmäßig über seinen Umfang. Vielmehr sind die Wand­ dicken eines oberen Abschnittes 10a des Rohres 10 und eines unteren Abschnittes 10b des Rohres 10 etwas größer als die Wanddicken eines vorderen Seitenabschnit­ tes 10c des Rohres 10 und eines hinteren Seitenabschnittes 10d des Rohres 10. Im normalen Betrieb wirken vertikale und horizontale Belastungen auf das Rohr 10. Die vertikalen Belastungen werden hauptsächlich durch das Gewicht des Fahrzeuges hervorgerufen. Diese vertikalen Belastungen wirken somit auf den Federsitz 13 (wo der Fahrzeugrahmen mit dem Rohr 10 verbunden ist), und am äußeren Ende 15 (wo die Radlager auf dem Rohr 10 sitzen). Die horizontalen Belastungen werden haupt­ sächlich durch Beschleunigung und Verzögerung des Fahrzeuges hervorgerufen. Diese horizontalen Belastungen wirken somit über die Länge des Rohres 10. Eine Strukturanalyse des Rohres 10 unter simulierten Betriebsbedingungen hat gezeigt, daß die vertikalen auf das Rohr 10 wirkenden Lasten allgemein stärker sind als die auf das Rohr wirkenden horizontalen Belastungen.

Die auf das Rohr 10 wirkenden vertikalen Belastungen erzeugen ein Biegemoment über seine Länge. Diese Biegemoment tritt hauptsächlich in einer vertikalen Ebene auf, d. h. in der Ebene, die vom oberen Abschnitt 10a des Rohres 10 zum unteren Abschnitt 10b verläuft. Als Folge hiervon entstehen Spannungen im Rohr 10, deren Größe auf die Größe des Biegemomentes bezogen ist. Da das Biegemoment des Rohres 10 hauptsächlich in der vertikalen Ebene auftritt, sind diese Belastungen im Rohr 10 hauptsächlich vertikal ausgerichtet.

Da jedoch das Hauptbiegemoment in der vertikalen Ebene auftritt, sind die vorderen und hinteren Seitenabschnitte 10c und 10d des Rohres 10 Belastungen ausgesetzt, die viel schwächer sind als die Belastungen, die auf die oberen und unteren Ab­ schnitte 10a und 10b wirken. Die Wanddicken dieser Seitenabschnitte 10c und 10d sind daher kleiner bemessen als die Dicken der oberen und unteren Abschnitte 10a und 10b.

Das Rohr 10 macht somit einen wirksameren Gebrauch von dem Material, aus dem es besteht. Mit anderen Worten, das gesamte Rohr 10 hat eine größere Festigkeit je Gewichtseinheit des verwendeten Materials als die bisher bekannten Rohre. Dies kommt davon her, daß weniger Material in den Seitenabschnitten 10c und 10d verwendet wird (wo die geringeren Belastungen auftreten) als in den oberen und unteren Abschnitten 10a und 10b des Rohres 10 (wo die größeren Belastungen auftreten). Dies steht im Gegensatz zu bisher bekannten Rohren (gleichgültig ob sie aus vorgeformten hohlzylindrischen Rohrabschnitten oder gegossenen Rohren hergestellt worden sind), bei denen die Wanddicken des Rohres über ihren Umfang gleich sind.

In der dargestellten Ausführungsform hat die äußere Umfangsfläche des Rohres 10 allgemein Kreisform. Dies kann man tun, um das Rohr 10 kompatibel mit den zu­ gehörigen anderen nicht gezeigten Teilen zu machen, die verwendet werden, um bisher bekannte Rohre mit dem Fahrzeug zu verbinden. Die Erfindung zieht jedoch in Betracht und ermöglicht, daß die äußere Umfangsfläche des Rohres nicht kreisförmig zu sein braucht. Ebenso braucht die innere Umfangsfläche des Rohres 10 nicht allgemein oval ausgebildet zu sein. Es wurde jedoch befunden, daß es erwünscht ist, große Übergangsradien zwischen jedem der unteren und oberen Abschnitte 10a und 10b und jedem der Seitenabschnitte 10c und 10d längs der inneren Umfangsfläche vorzusehen, wodurch die allgemein ovale Form entsteht. Die großen Übergangsradien reduzieren Spannungskonzentrationen in diesen Bereichen.

Wie Fig. 6 zeigt, ist das innere Ende 11 des Rohres 10 mit einem vergrößerten Außendurchmesser und einem reduzierten Innendurchmesser versehen. Das innere Ende 11 des Rohres 10 dient, wie oben erwähnt, zur Befestigung an einem Träger oder Rahmen des Achsgehäuses. Das zusätzliche Material an der äußeren Umfangs­ fläche des inneren Endes 10 ist vorgesehen, um das Rohr nachfolgend schleifen zu können. Dieses Schleifen wird durchgeführt, um den Außendurchmesser des inneren Endes 11 genau zu dimensionieren, so daß es genau in eine entsprechend bemaßte Bohrung im Träger paßt. Das zusätzliche Material an der inneren Umfangsfläche des inneren Endes 11 ist vorgesehen, um die Belastungen und Spannungen aufzunehmen, die durch die Verbindung des Rohres 10 mit dem Träger entstehen.

Fig. 7 zeigt ein Flußdiagramm der Arbeitsschritte beim Gießen des Rohres 10. Zunächst wird eine Legierung aus einem duktilen Eisenmaterial ausgewählt. Das ausgewählte Material enthält vorzugsweise einen vorgegebenen Anteil an Kupfer oder vorgegebene Anteile von Kupfer und Nickel in der Eisenlegierung. Die Zusam­ mensetzung der jeweiligen Eisenlegierung hängt unter anderem ab von der ge­ wünschten Endhärte für das Rohr 10, wie noch erläutert wird. Sobald das gewünsch­ te Eisenlegierungsmaterial ausgewählt ist, wird das Material über seinen Schmelz­ punkt erwärmt und in eine Form gegossen die die gewünschte Gestalt für das Rohr 10 hat. Das erhitzte Eisenlegierungsmaterial wird dann gekühlt bis es in der Form fest ist und dann herausgenommen.

Das resultierende Rohr 10 ist eine relativ weiche, leicht maschinell zu bearbeitende gegossene Eisenlegierung. Nach dem Gießen kann das Rohr 10 nach Bedarf maschi­ nell bearbeitet werden. Diese Bearbeitung ist bekannt und kann mit konventionellen Vorrichtungen ausgeführt werden. Beispielsweise kann die äußere Umfangsfläche des inneren Endes 11 des Rohres 10 geschliffen werden, wie oben erwähnt, um die Verbindung des Rohres 10 mit einem Träger zu erleichtern. Auch können Öffnungen an verschiedenen Stellen im Rohr 10 ausgebildet werden, um die Verbindung des Rohres 10 mit anderen Teilen des Fahrzeuges zu erleichtern. Aus noch zu erläutern­ den Gründen ist es jedoch erwünscht, daß die Außenfläche des äußeren Endes 15 des Rohres 10 zu diesem Zeitpunkt nicht bearbeitet wird.

Nach der Bearbeitung wird das Rohr 10 einer Wärmebehandlung unterzogen, um es auf eine gewünschte Härte zu härten. Insbesondere wird eine Austemperung-Wärme­ behandlung verwendet, um das Rohr 10 zu härten. Bei diesem Austempern wird das Rohr 10 zunächst auf eine Temperatur über seiner kritischen Temperatur erhitzt, deren Höhe von der besonderen Zusammensetzung der Eisenlegierung abhängig ist.

Das Rohr 10 wird auf diese Temperatur über eine vorgegebene Zeitspanne gehalten, die u. a. von der gewünschten Endhärte des Rohres 10 abhängig ist. Danach wird das Rohr 10 schnell gekühlt durch Abschrecken in einem Salzbad auf eine relativ hohe Temperatur von etwa 204-260° Celsius. Das Rohr 10 wird auf diese Tempe­ ratur über eine vorgegebene Zeitdauer gehalten, die wiederum von der gewünschten Endhärte für das Rohr 10 abhängt.

Durch Abkühlen des Rohres 10 in dieser Weise wird eine duktile Eisen-Mikrostruktur im Rohr erreicht. Eine solche Mikrostruktur ist erwünscht weil das Rohr 10 sowohl hart als auch duktil ist. Die Härte des Rohres 10 befähigt es, die statischen Belastun­ gen auszuhalten, die durch das Gewicht des Fahrzeuges und im normalen Betrieb entstehen. Dies gilt besonders bei Verwendung des Rohres 10 in Straßenfahrzeugen, bei denen Haltbarkeit über eine relativ lange Zeitdauer ein wichtiger Faktor ist. Die Duktilität des Rohres 10 setzt es instand, kurze dynamische Belastungen durch Stöße auszuhalten, z. B. beim Fahren über Schlaglöcher in der Straße. Bei der vorgenannten Wärmebehandlung entsteht kaum ein Verzug im Rohr 10. Die einzige maschinelle Bearbeitung des Rohres 10, die nach der Wärmebehandlung erforderlich ist, erfolgt am äußeren Ende 15 des Rohres 10, auf dem die Radlager montiert werden.

Die dargestellte Erfindung zeigt ein Rohr 10, das sich zur Verwendung als Teil eines Gehäuses für eine Fahrzeugachse eignet. In solchen Gehäusen sind zwei solche Rohre 10 an einen zentralen Trägeroberrahmen angebracht. Nach der Erfindung kann nun nicht nur jedes der Rohre als separates Teil hergestellt werden, wie dargestellt, sondern es können beide Rohre zusammen mit dem zentralen Rahmen oder Träger integral gegossen werden unter Bildung eines integralen Achsgehäuses.

In Fig. 8 ist eine andere Ausführungsform der Erfindung gezeigt, bei der das innere Ende 11 des Rohres 10 integral mit einem Träger 20 des Achsgehäuses gegossen ist.

Die Arbeitsschritte bei der Herstellung des Rohres und Trägers sind im wesentlichen dieselben wie oben beschrieben. Auch hier kann die Form des Rohres 10 von der dargestellten allgemein zylindrischen Gestalt abweichen und variiert werden. Bei­ spielsweise kann das Rohr eine allgemein rechteckige oder quadratische Quer­ schnittsform haben.

Claims (24)

1. Rohr für ein Achsgehäuse insbesondere für Fahrzeugachsen, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Rohr einen ersten Abschnitt hat, der eine erste Wanddicke hat und daß es einen zweiten Abschnitt hat, der eine zweite Wanddicke hat, und daß die zweite Wanddicke größer ist als die erste Wanddicke.

2. Rohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es einen dritten Ab­ schnitt hat, mit einer dritten Wanddicke, die gleich der ersten Wanddicke ist, sowie einen vierten Abschnitt, der eine vierte Wanddicke hat, die gleich der zweiten Wanddicke ist.

3. Rohr nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und der dritte Abschnitt auf gegenüberliegenden Seiten des Rohres liegen, und daß der zweite und der vierte Abschnitt auf gegenüberliegenden Seiten des Rohres liegen.

4. Rohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß seine äußere Umfangs­ fläche allgemein kreisförmig ist.

5. Rohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß seine innere Umfangs­ fläche allgemein oval ausgebildet ist.

6. Rohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es aus einem wärmebe­ handelten duktilen Eisen besteht.

7. Rohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es aus einer wärmebe­ handelten duktilen Eisenlegierung besteht.

8. Rohr nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die duktile Eisenlegie­ rung Kupfer enthält.

9. Rohr nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die duktile Eisenlegie­ rung Kupfer und Nickel enthält.

10. Rohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es mit wenigstens einer Stoßdämpferkonsole, einem Federsitz und einem Bremsflansch versehen ist.

11. Rohr nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Stoßdämpferkon­ sole, der Federsitz und der Bremsflansch integral mit dem Rohr geformt sind.

12. Rohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es mit einem Träger verbunden ist unter Bildung des Achsgehäuses.

13. Rohr nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr integral mit dem Träger ausgebildet ist.

14. Verfahren zur Herstellung eines Rohres für ein Achsgehäuse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,

• a) daß ein hohler Körper gegossen wird, der einen ersten Abschnitt mit einer ersten Wanddicke und einen zweiten Abschnitt mit einer zweiten Wand­ dicke hat, und daß die zweite Wanddicke größer ist als die erste Wanddicke;
• b) daß der gegossene Körper einer Austemperungs-Wärmebehandlung unterzogen wird, um eine duktile Eisen-Mikrostruktur in dem gegossenen Körper zu erzeugen.

15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß im Arbeitsschritt (a) ferner ein dritter Abschnitt in dem Körper gebildet wird, der eine dritte Wanddicke hat, die gleich der ersten Wanddicke ist und daß ferner ein vierter Abschnitt in dem Körper gebildet wird, der eine vierte Wanddicke hat, die gleich der zweiten Wanddicke ist.

16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Arbeitsschritt (a) so ausgeführt wird, daß der erste und der dritte Abschnitt auf gegenüber liegenden Seiten des Körpers liegen und daß der zweite und der vierte Ab­ schnitt auf gegenüberliegenden Seiten des Körpers liegen.

17. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Arbeitsschritt (a) so ausgeführt wird, daß der Körper eine äußere Umfangsfläche hat, die allgemein kreisförmig ist.

18. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Arbeitsschritt (a) so ausgeführt wird, daß der Körper eine innere Umfangsfläche hat, die allgemein oval ist.

19. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Arbeitsschritt (a) die Auswahl eines duktilen Eisenmaterials zum Gießen des Körpers um­ faßt.

20. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Arbeitsschritt (a) die Auswahl eines duktilen Eisenlegierungsmaterials zum Gießen des Körpers umfaßt.

21. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die duktile Eisen­ legierung Kupfer enthält.

22. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die duktile Eisen­ legierung Kupfer und Nickel enthält.

23. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Arbeitsschritt (a) so ausgeführt wird, daß der Körper integral mit wenigstens einer Stoß­ dämpferkonsole und/oder einem Federsitz und/oder einem Bremsflansch geformt wird.

24. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Arbeitsschritt (a) so ausgeführt wird, daß der Körper integral mit einem Träger oder Rahmen unter Bildung des Achsgehäuses geformt wird.