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Die
Erfindung betrifft allgemein ein Rohr für ein Achsgehäuse für Fahrzeugachsen
gemäß dem Oberbegriff
von Anspruch 1.
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Achsen
sind bekannte Konstruktionsteile von Fahrzeugen. Solche Achsen umfassen
eine Anzahl von drehbaren Komponenten, die ein Drehmoment von einem
Motor auf die Räder
des Fahrzeugs übertragen.
Diese drehbaren Komponenten sind gewöhnlich in einem nichtdrehbaren,
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 Abschnitten von hohlzylindrischen Stahlrohren hergestellt,
die zusammengeschweißt,
geschraubt oder in anderer Weise mit dem Träger verbunden wurden, um das
Achsgehäuse
zu bilden.
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Die
Rohre dieser Achsgehäuse
sind häufig mit
einem oder mehreren zusätzlichen
Komponenten für
verschiedene Zwecke ausgerüstet.
Beispielsweise ist es allgemein erwünscht, einen sich in Umfangsrichtung
erstreckenden Flansch um das Rohr in der Nähe seines äußeren Endes als Montagefläche für die Teile
der Bremse für
dieses Rad vorzusehen. Ferner ist allgemein zum Anbringen von mehreren
Blattfedern oder ähnlichen
Mitteln zur elastischen Verbindung des Fahrzeugrahmens mit dem Achsgehäuse ein
Federsitz an dem Rohr vorgesehen. Schließlich ist es bekannt, eine
Konsole an dem Rohr anzubringen, an der ein Bügel angeschweißt ist,
zum Befestigen eines Stoßdämpfers bzw.
Schwingungsdämpfers
oder ähnlicher
Mittel, um Schwingungen des Fahrzeugrahmens relativ zum Achsgehäuse zu dämpfen. In
der Vergangenheit wurden der Bremsflansch, der Federsitz und die
Schwingungsdämpferkonsole
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 Schwingungsdämpferkonsole) integral mit
den Rohren durch Gießen
herzustellen. Bekannte gegossene Achsgehäuse wurden aus Kugelgraphiteisen
hergestellt.
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Bei
der Herstellung dieser gegossenen Achsgehäuse ist man jedoch allgemeinen
Vorstellungen bezüglich
der Herstellung von Rohren gefolgt. Die Rohre dieser bekannten Achsgehäuse haben
daher ebenso wie die Abschnitte der hohlzylindrischen Stahlrohre,
die zuvor an den zentralen Trägem
angebracht wurden, eine gleichmäßige Wandstärke. Es wurde
jedoch gefunden, dass einige Abschnitte der Rohre des Achsgehäuses im
Betrieb relativ großen Belastungen
ausgesetzt sind, während
andere Abschnitte der Rohre nur relativ kleinen Beanspruchungen
ausgesetzt sind. Bei den bisherigen Achsgehäusen, die eine gleichmäßige Wandstärke haben,
wurde die Stärke
so ausgewählt,
dass sie der maximalen Beanspruchung entspricht. Als Folge hiervon
war der übrige
Teil der Rohre für
den beabsichtigten Gebrauch überdimensioniert.
Mit anderen Worten war die Materialmenge, die für den Rest des Rohrs verwendet
wurde, beträchtlich
größer als
die Menge, die erforderlich ist, um einen Ausfall oder einen Bruch
zu verhindern.
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Das
Dokument
DE 34 02 272
A1 zeigt ein Achsgehäuse
mit einem gegossenen zentralen Lagerelement und zwei Achswellenabschnitten,
die integral mit dem Lagerelement derart gegossen sind, dass sie
koaxial zu diesem angeordnet sind. Die Achswellenabschnitte erstrecken
sich zu rohrförmigen
Endstücken,
die (zur Aufnahme von Radlagern) integral mit den Wellenabschnitten
gegossen sind. Dabei haben die Wellenabschnitte jeweils andere Wandstärken als
die Endstücke.
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Das
nächstliegende
Dokument
DE 28 05 729 A1 zeigt
einen Achskörper,
der durch Extrudieren (Fließpressen)
eines Rohlings derart hergestellt wird, dass er einen Halsabschnitt
(Stummel), einen hohlen Rumpfabschnitt (Schenkel) und eine dazwischen
liegende Übergangszone
hat. Die Wände
des hohlen Rumpfabschnitts können
derart ausgebildet werden, dass sie unterschiedliche Querschnittsformen
und Dicken haben. Die Übergangszone
zwischen dem Halsabschnitt und dem hohlen Rumpfabschnitt ist (bei
der Herstellung des Achskörpers)
eine Grenzzone zwischen dem Vorwärtsfließpressen
und dem Rückwärtsfließpressen.
Diese Übergangszone,
die innerhalb der Längsausdehnung
des Achskörpers liegt,
weist zum Erhöhen
der Festigkeit des fertigen Produkts eine Anhäufung von Material auf.
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Die
bekannten gegossenen Achsgehäuse sind
nicht effizient, da sie aus mehr Material bestehen als für ihre Funktion
erforderlich ist. Die Verwendung von zusätzlichem Material bei den bekannten gegossenen
Achsgehäusen
führt zu
unnötigen
Materialkosten und zu einem höheren
Gewicht. Da Kosten und Gewicht die Hauptfaktoren bei der Konstruktion von
Achsgehäusen
und anderen Fahrzeugteilen sind, ist es Aufgabe der Erfindung, ein
verbessertes gegossenes Achsgehäuse
zu schaffen, das seine beabsichtigten funktionellen Erfordernisse
erfüllt,
ohne höhere
Kosten oder ein erhöhtes
Gewicht zu bedingen.
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Diese
Aufgabe wird durch die Merkmale von Patentanspruch 1 gelöst.
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Die
Erfindung betrifft somit eine verbesserte Struktur für ein Achs-Gehäuse. Insbesondere
betrifft die Erfindung gemäß Patentanspruch
1 ein Rohr für ein
Achsgehäuse,
das aus einem Hohlkörper
mit einem Oberteil, einem Unterteil und einem Seitenteil besteht,
wobei das Rohr im Querschnitt einen ersten Abschnitt aufweist, der
im Seitenteil des Hohlkörpers mit
einer ersten Wandstärke
definiert ist, und einen zweiten Abschnitt, der entweder im Oberteil
oder im Unterteil des Hohlkörpers
mit einer zweiten Wandstärke
definiert ist, wobei die zweite Wandstärke größer als die erste Wandstärke ist,
wobei der Hohlkörper
mit einer inneren Umfangsfläche
ausgebildet ist, die über
die gesamte Länge
des Hohlkörpers
eine einheitliche Querschnittsform hat.
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Vorteilhafte
Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche 2 bis
8.
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Beispielhafte
Ausführungsformen
der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung erläutert, in
der
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1 eine
Draufsicht auf den Rohguss eines Rohrs zur Verwendung in einem Achsgehäuse nach der
Erfindung zeigt;
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2 einen
Schnitt des Rohrs längs
der Linie 2-2 der 1 zeigt;
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3 einen
Schnitt des Rohrs längs
der Linie 3-3 der 1 zeigt;
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4 einen
Schnitt des Rohrs längs
der Linie 4-4 der 1 zeigt;
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5 einen
Schnitt des Rohrs längs
der Linie 5-5 der 1 zeigt;
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6 einen
Schnitt des Rohrs längs
der Linie 6-6 der 1 zeigt;
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7 anhand
eines Flussdiagramms die Arbeitsschritte zum Gießen des Rohrs nach den 1 bis 6 zeigt;
und
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8 in
einem Schnitt ähnlich
der 6 eine alternative Ausführungsform der Erfindung zeigt,
bei der das Rohr integral mit einem Träger für das Achsgehäuse gegossen
ist.
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Die 1 bis 6 zeigen
ein Rohr 10 zur Verwendung als Teil eines Gehäuses für eine Fahrzeugachse
nach der Erfindung. Die anderen Komponenten des Achsgehäuses 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- bzw.
Schwingungsdämpferkonsole 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 an diesem Ende montiert werden,
um ein Rad auf dem Rohr 10 drehbar zu lagern. Wie es 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.
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Wie
es die 2 bis 5 zeigen, ist das Rohr 10 allgemein
hohl und hat zylindrische Gestalt. Die äußere Umfangsfläche des
Rohrs 10 hat jedoch allgemein Kreisform, während die
innere Umfangsfläche
allgemein eine ovale Form hat. Die Wandstärke des Rohrs 10 ist
daher über
seinen Umfang nicht gleichmäßig. Vielmehr
sind die Wandstärken
eines oberen Abschnitts 10a des Rohrs 10 und eines
unteren Abschnitts 10b des Rohrs 10 etwas größer als
die Wandstärken
eines vorderen Seitenabschnitts 10c des Rohrs 10 und
eines hinteren Seitenabschnitts 10d des Rohrs 10.
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Im
normalen Betrieb wirken vertikale und horizontale Belastungen auf
das Rohr 10. Die vertikalen Belastungen werden hauptsächlich durch
das Gewicht des Fahrzeugs 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 hauptsächlich
durch Beschleunigung und Verzögerung
des Fahrzeugs hervorgerufen. Diese horizontalen Belastungen wirken
somit über
die Länge
des Rohrs 10. Eine Strukturanalyse des Rohrs 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.
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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 Rohrs 10 zum unteren Abschnitt 10b verläuft. Als
Folge hiervon entstehen Spannungen im Rohr 10, deren Größe auf die
Größe des Biegemoments
bezogen ist. Da das Biegemoment des Rohrs 10 hauptsächlich in
der vertikalen Ebene auftritt, sind diese Belastungen im Rohr 10 hauptsächlich vertikal
ausgerichtet.
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Da
jedoch das Hauptbiegemoment in der vertikalen Ebene auftritt, sind
die vorderen und hinteren Seitenabschnitte 10c und 10d des
Rohrs 10 Belastungen ausgesetzt, die viel schwächer sind
als die Belastungen, die auf die oberen und unteren Abschnitte 10a und 10b wirken.
Die Wandstärken
dieser Seitenabschnitte 10c und 10d sind daher
kleiner bemessen als die Wandstärken
der oberen und unteren Abschnitte 10a und 10b.
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Das
Rohr 10 macht somit einen wirksameren Gebrauch von dem
Material, aus dem es besteht. Mit anderen Worten hat das gesamte
Rohr 10 eine größere Festigkeit
je Gewichtseinheit des verwendeten Materials als die bisher bekannten
Rohre. Dies kommt daher, dass weniger Material in den Seitenabschnitten 10c und 10d (wo
die geringeren Belastungen auftreten) als in den oberen und unteren
Abschnitten 10a und 10b des Rohrs 10 (wo
die größeren Belastungen
auftreten) verwendet wird. Dies steht im Gegensatz zu bisher bekannten
Rohren (gleichgültig
ob sie aus vorgeformten hohlzylindrischen Rohrabschnitten oder gegossenen
Rohren hergestellt worden sind), bei denen die Wandstärken des
Rohrs über
seinen Umfang gleich sind.
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In
der dargestellten Ausführungsform
hat die äußere Umfangsfläche des
Rohrs 10 allgemein Kreisform. Dies kann man tun, um das
Rohr 10 kompatibel mit den zugehörigen 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
Rohrs nicht kreisförmig
zu sein braucht. Ebenso muss die innere Umfangsfläche des
Rohrs 10 nicht allgemein oval ausgebildet 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.
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Wie
es 6 zeigt, ist das innere Ende 11 des Rohrs 10 mit
einem vergrößerten Außendurchmesser
und einem reduzierten Innendurchmesser versehen. Das innere Ende 11 des
Rohrs 10 dient, wie es oben angegeben ist, zur Befestigung
an einem Träger
oder Rahmen des Achsgehäuses.
Das zusätzliche
Material an der äußeren Umfangsfläche 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 Rohrs 10 mit dem Träger entstehen.
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7 zeigt
ein Flussdiagramm der Arbeitsschritte beim Gießen des Rohrs 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 Zusammensetzung
der jeweiligen Eisenlegierung hängt
unter anderem von der gewünschten
Endhärte
für das
Rohr 10 ab, wie es noch erläutert wird. Sobald das gewünschte Eisenlegierungsmaterial
ausgewählt
ist, wird das Material über
seinen Schmelzpunkt 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.
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Das
resultierende Rohr 10 ist eine relativ weiche, leicht maschinell
zu bearbeitende gegossene Eisenlegierung. Nach dem Gießen kann
das Rohr 10 nach Bedarf maschinell bearbeitet werden. Diese Bearbeitung
ist bekannt und kann mit konventionellen Vorrichtungen ausgeführt werden.
Beispielsweise kann der äußere Umfangsfläche des
inneren Endes 11 des Rohrs 10 geschliffen werden,
wie es oben angegeben ist, um die Verbindung des Rohrs 10 mit
einem Träger
zu erleichtern. Auch können Öffnungen an
verschiedenen Stellen im Rohr 10 ausgebildet werden, um
die Verbindung des Rohrs 10 mit anderen Teilen des Fahrzeugs
zu erleichtern. Aus noch zu erläuternden
Gründen
ist es jedoch erwünscht,
dass die Außenfläche des äußeren Endes 15 des
Rohrs 10 zu diesem Zeitpunkt nicht bearbeitet wird.
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Nach
der Bearbeitung wird das Rohr 10 einer Wärmebehandlung
unterzogen, um es auf eine gewünschte
Härte zu
härten.
Insbesondere wird eine Wärmebehandlung
zur Austemperung 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 über
eine vorgegebene Zeitspanne auf dieser Temperatur gehalten, die
u. a. von der gewünschten
Endhärte
des Rohrs 10 abhängig
ist. Danach wird das Rohr 10 durch Abschrecken in einem
Salzbad auf eine relativ hohe Temperatur von etwa 204–260° Celsius
schnell gekühlt.
Das Rohr 10 wird über
eine vorgegebene Zeitdauer auf dieser Temperatur gehalten, die wiederum von
der gewünschten
Endhärte
für das
Rohr 10 abhängt.
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Durch
Abkühlen
des Rohrs 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
Rohrs 10 befähigt
es, die statischen Belastungen auszuhalten, die durch das Gewicht
des Fahrzeugs und im normalen Betrieb entstehen. Dies gilt besonders
bei Verwendung des Rohrs 10 in Straßenfahrzeugen, bei denen einen
Haltbarkeit über
eine relativ lange Zeitdauer ein wichtiger Faktor ist. Die Duktilität des Rohrs 10 versetzt
es in den Zustand, kurze dynamische Belastungen durch Stöße auszuhalten,
wie z.B. beim Fahren über
Schlaglöcher
auf der Straße. Bei
der vorgenannten Wärmebehandlung
entsteht kaum ein Verzug im Rohr 10. Die einzige maschinelle Bearbeitung
des Rohrs 10, die nach der Wärmebehandlung erforderlich
ist, erfolgt am äußeren Ende 15 des
Rohrs 10, auf dem die Radlager montiert werden.
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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 es dargestellt ist, sondern
es können
beide Rohre zusammen mit dem zentralen Rahmen oder Träger unter
Bildung eines integralen Achsgehäuses
integral gegossen werden.
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In 8 ist
eine andere Ausführungsform der
Erfindung gezeigt, bei der das innere Ende 11 des Rohrs 10 integral
mit einem Träger 20 des
Achsgehäuses
gegossen ist. Die Arbeitsschritte bei der Herstellung des Rohrs
und Trägers
sind im wesentlichen dieselben, wie sie oben beschrieben sind. Auch hier
kann die Form des Rohrs 10 von der dargestellten allgemein
zylindrischen Gestalt abweichen und variiert werden. Beispielsweise
kann das Rohr eine allgemein rechteckige oder quadratische Querschnittsform
haben.