DE4437398C2 - Antriebswelle und Verfahren zu ihrer Herstellung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Antriebswelle zur Übertragung von Drehmomenten, bestehend aus einem bedarfsweise gestuften Wellenkörper mit daran angeordneten Verbindungsflanschen, Lagersitzen und/oder Verzahnungen sowie sonstigen Profilierungen und ein Verfahren zur Herstellung derartiger Antriebswellen.

Die bekannteste Art von Antriebswellen ist durch den Einsatz massiver Wellen aus gezogenem, gegossenem oder geschmiedetem Stahl und durch spanabhebende Bearbeitung gekennzeichnet.

Fortschrittlichere technische Lösungen sehen zum Zwecke der Masse- und Kostenersparnis die Verwendung von rohrförmigen Wellenkörpern und daran befestigten drehmomentübertragenden Arbeitselementen vor.

Zur weiteren Verbesserung der verfügbaren Antriebswellen und der Verfahren zu ihrer Herstellung hat es nicht an Versuchen gefehlt.

So macht die DE 34 09 541 A1 eine Lösung bekannt, mit deren Hilfe an einer Hohlwelle die vorgefertigten Arbeitselemente in der gewünschten Lage angeordnet und durch Druckmittelbeaufschlagung der Hohlwelle infolge der plastischen Verformung der Hohlwelle bis zum Erreichen von Preßsitzen in den Bereichen der Arbeitselemente und bis zur erfolgten Aufweitung zwischen den Arbeitselementen in ihrer Lage fixiert werden. Der Mangel dieser Lösung besteht im Erfordernis, den Arbeitselementen unabhängig von ihren Außenabmessungen jeweils eine auf den Außendurchmesser der vorgesehenen unverformten Hohlwelle bezogenen Innendurchmesser zu geben. Auf diese Weise ist die erreichbare Masseersparnis eingeschränkt. Außerdem wird mit der Verwendung einer rohrförmigen Hohlwelle als Träger der Arbeitselemente im allgemeinen in verschiedenen Längenabschnitten der Antriebswelle ein Überdimensionieren unvermeidlich sein.

Abweichend davon werden mit den DE 37 04 092 C1 und DE 37 20 597 C1 technische Lösungen bekannt gemacht, nach denen ebenfalls ein rohrförmiges Element mit im wesentlichen einheitlicher Wandstärke zur Aufnahme von Arbeitselementen verwendet wird. Die Arbeitselemente weisen jedoch unrunde Öffnungen auf, in denen das Einfügen von Stützelementen unterschiedlicher Beschaffenheit vorgesehen ist. Nach Druckmittelbeaufschlagung kommt es zu partiell unterschiedlichen Aufweitungen des rohrförmigen Wellenkörpers, wodurch eine kraft- und formschlüssige Verbindung zwischen den Arbeitselementen und dem Wellenkörper sichergestellt wird. Gleichzeitig kommt es dabei zu partiellen Veränderungen der Wanddicke des rohrförmigen Wellenkörpers. Prinzipiell gilt auch hierfür die bisherige Kritik am Stand der Technik, wenngleich eine wesentlich größere Zuverlässigkeit der Verbindung zwischen dem Wellenkörper und Arbeitselement erreicht werden kann.

Mit der EP 05 23 361 A1 wird eine technische Lösung beschrieben, die ebenfalls von einem rohrförmigen Wellenkörper mit zunächst einheitlicher Wanddicke ausgeht. Abweichend von bisher bekannten Vorschlägen wird nach diesem Verfahren die erforderliche Rohrprofilierung in einer geschlossenen Matrize vorgenommen, indem das verschlossene Rohr in seinem Hohlraum sowohl druckmittelbeaufschlagt als auch insgesamt mit radialen Kräften belastet wird. Bei dieser Prozedur nimmt die Rohrwandung mit ihrer äußeren Kontur die lichte Form der Matrize an, so daß die Gefügeausrichtung im Material weitgehend parallel zur äußeren Kontur der nunmehr vorliegenden profilierten Hohlwelle gewährleistet ist. Zugleich kommt es bei dieser Arbeitsweise zu einer partiellen Materialanreicherung in einzelnen Abschnitten der profilierten Hohlwelle. Nach diesem Vorschlag ist es möglich, mit minimalem Materialverbrauch Antriebswellen zum Zwecke der Drehmomentübertragung herzustellen. Allerdings sind diesem Verfahren zur Herstellung von gestuften Antriebswellen mit unterschiedlichen Anforderungen und Belastungsaufnahmen verhältnismäßig enge technische Grenzen gesetzt.

Den Anforderungen an die rationelle Fertigung einer gestuften Antriebswelle kommt insbesondere die DE 29 14 657 A1 nahe. Auch diese Lösung sieht zunächst den Einsatz eines rohrförmigen Wellenkörpers mit einheitlicher Wanddicke vor. Durch das Einpressen der Rohraußenwand in Formwerkzeuge werden sowohl Durchmesserveränderungen als auch Oberflächen­ profilierungen, beispielsweise Kerbverzahnungen, in einem Arbeitsgang erreicht. Für größere Abstufungen der Rohrdurchmesser und/oder der am hohlwellenförmigen Rohrkörper ausgebildeten Arbeitselemente ist vorgesehen, die Antriebswelle bedarfsweise in mehreren Einzelteilen vorzufertigen und anschließend in radialen Fügeebenen miteinander zu verbinden.

Auch dieser Lösung haftet der Mangel an, daß verschiedenen Anforderungen an die bereitzustellende Materialstärke wegen der notwendigen nachträglichen spanabhebenden Bearbeitung und auch an die unterschiedlichen Abmessungen des Wellendurchmessers nur in eingeschränktem Umfang entsprochen werden kann. Zudem ist auch bei dieser Lösung die Druckmittelbeaufschlagung des Rohrinneren mit den damit verbundenen technologisch aufwendigen Verfahrensschritten unerläßlich.

Die Aufgabe der Erfindung besteht deshalb darin, eine Antriebswelle der eingangs bezeichneten Art und ein Verfahren zu ihrer Herstellung zu schaffen, die die Mängel des bekannten Standes der Technik beseitigt. Die zu entwickelnde Lösung soll zu einer masseoptimierten Antriebswelle führen, die nicht mit Problemen des Verbindens von Arbeitselementen und Wellenkörper belastet ist und zugleich auf rationelle Weise hergestellt werden kann.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die kennzeichnen­ den Merkmale der Ansprüche 1 und 3 gelöst.

Danach besteht die Antriebswelle aus wenigstens zwei die Außenkontur der Antriebswelle bildenden identischen Halb­ schalen. Diese identischen Halbschalen sind so zusammen­ gesetzt, daß sie in einer ausschließlich achsparallelen Fügeebene unlösbar miteinander verbunden sind. Die ein­ zelnen Bereiche der Antriebswelle, wie Lagersitze, Verbindungsflansche und/oder Verzahnungen bzw. sonstige Profilierungen der Wellenoberfläche, weisen dabei eine verstärkte Wanddicke auf.

Die Ausbildung der Antriebswelle als eine aus vorgeformten identischen Halbschalen zusammengefügte Hohlkörperkonstruktion erlaubt praktisch beliebige Abstufungen des Wellendurchmessers sowie die bedarfsgerechte Ausformung der Wellenabschnitte, die für die Nutzung als Lagersitz, Verbindungsflansch, Verzahnung oder sonstige Profilierung für die Drehmomentübertragung vorgesehen sind.

Eine besondere Ausführungsform der Antriebswelle besteht darin, daß die identischen Halbschalen bei geringfügigen Differenzierungen der äußeren Abmessungen nur im Bereich der Außenkontur Abstufungen aufweisen, die im wesentlichen durch das Verwenden von unterschiedlich dick gewalztem Blech erreicht werden. Die verdickten Wandstärken befinden sich nach dem Zusammenfügen der Halbschalen in den Bereichen erhöhter mechanischer Belastung der Antriebswelle und/oder in den Bereichen des nachträglichen Bearbeitens von Lagersitzen, Verbindungsflanschen, Verzahnungen bzw. sonstigen Profilierungen.

Es gehört weiterhin zum Wesen der Erfindung, daß die erfindungsgemäße Antriebswelle nach einem Verfahren hergestellt wird, das dadurch gekennzeichnet ist, daß zunächst Blechzuschnitte unter Verwendung bereichsweise unterschiedlich dick gewalzter Bleche hergestellt werden. Mittels geeigneter Formgebungsprozesse werden die Außenkontur der Antriebswelle aufweisende identische Halbschalen geformt, die nach dem Beschneiden in einer achsparallelen Fügeebene kraftschlüssig miteinander verbunden werden. Nach einem bedarfsweisen Glühprozeß wird ein mechanisches Nachbearbeiten zumindest der Wellenbereiche für Lagersitze, Verbindungsflansche und/oder Verzahnungen bzw. sonstige Profilierungen vorgenommen.

Bei Vorliegen von zur Längsachse symmetrischen Antriebswellen genügt praktisch eine einzige Preßform, bestehend aus Matrize und Preßstempel, zur Formgebung der gestuften und hohlen Antriebswelle. Für das Zusammenfügen der vorgeformten identischen Halbschalen, beispielsweise mittels Schweißen, stehen grundsätzlich auch bei Verwendung unterschiedlich dick gewalzter Bleche in jedem Nahtabschnitt die zueinander passenden Wanddicken­ paarungen zur Verfügung.

In einer besonderen Ausführungsform des Verfahrensvorschlages werden die erforderlichen Profilierungen der Wellenoberfläche der Antriebswelle zumindest teilweise bereits beim Formen der Halbschalen vorgenommen. Diese Profilierungen beziehen sich vor allem auf Verzahnungen und sonstige Profilierungen zur Drehmomentübertragung auf weitere Arbeitselemente. Auf diese Weise kann eine Minimierung des Zerspanungsaufwandes bei der Endbearbeitung der Antriebswelle erreicht werden.

In einer weiteren besonderen Ausführungsform des Verfahrens zur Herstellung der erfindungsgemäßen Antriebswelle ist vorgesehen, daß für das Herstellen der Halbschalen bereichsweise unterschiedlich dick gewalztes Blech derart eingesetzt wird, daß Abschnitte der Antriebswelle, insbesondere Lagersitze, Verbindungsflansche und/oder Profilierungen zur Übertragung von Drehmomenten, mit verstärkter Wanddicke ausgebildet werden.

Vorzugsweise wird die Formgebung der Blechzuschnitte mittels Schalenpressen vorgenommen. Prinzipiell anwendbar sind jedoch auch Arbeitstechniken, wie Tiefziehen, Hämmern oder Explosivumformen.

Zum Beschneiden der Halbschalen werden bevorzugt an sich bekannte Bearbeitstechniken, wie mechanisches Beschneiden, Laser-, Plasma- oder Wasserstrahlschneiden verwendet.

Beim kraftschlüssigen Verbinden der Identischen Halbscha­ len miteinander finden die an sich bekannten Bearbeitungs­ techniken Elektronenstrahl-, Plasma-, Laser- und/oder elektrisches Widerstandsschweißen Anwendung.

Schließlich ist es für das nachträgliche Profilieren von Abschnitten der Wellenoberfläche zweckmäßig, spanlose oder spanabhebende Bearbeitungstechniken, wie Drehen, Fräsen, Hobeln, Schleifen, anzuwenden.

Die Vorteile der Erfindung bestehen zusammengefaßt in der nunmehr gegebenen Verfügbarkeit einer einfach herstellbaren Antriebswelle, die sehr variable Abmessungen aufweisen kann und in jedem Teilabschnitt lediglich die erforderlichen Materialdicken und Abmessungen zur Gewährleistung der geforderten Stabilität und der benötigten drehmomentübertragenden Funktionen aufweist. Unter Vermeidung aufwendiger Verfahrensschritte wird dabei mit minimiertem Materialverbrauch eine masseoptimierte Antriebswelle bereitgestellt. Sie kann weitgehend mittels plastischer Umformungsprozesse so profiliert werden, daß der abschließende Zerspanungs­ aufwand ebenfalls deutlich gegenüber bisher bekannten Verfahren reduziert wird.

Die Erfindung soll nachstehend mit einem Ausführungsbei­ spiel näher erläutert werden.

In der beiliegenden Zeichnung zeigen

Fig. 1 den schematischen Längsschnitt einer Antriebswelle mit Verbindungsflansch, Lagersitzen und Verzahnungsbereich;

Fig. 2 den schematischen Querschnitt einer Antriebswelle mit Kennzeichnung der Schweißverbindung in der achsparallelen Fügeebene;

Eine spezielle Antriebswelle 1 ist für das Übertragen von Drehmomenten vorgesehen. Das Drehmoment soll über eine an der Antriebswelle 1 angeflanschte Zahnriemenscheibe bereitgestellt, über ein Zahnrad an eine Getriebewelle und über einen profilierten Wellenstumpf einem direkt formschlüssig gekoppelten Pumpenantrieb weitergeleitet werden. Dazu ist die Antriebswelle 1 mit einem Verbindungsflansch 5, zwei Lagersitzen 4, einem verzahnten Bereich zwischen den Lagersitzen 4 und einem als Vierkanthohlprofil ausgebildeten profilierten Wellenstumpf 6 ausgestattet.

Die Antriebswelle 1 ist dazu aus zwei identischen Halbschalen 2 zusammengesetzt, die in einer achsparalle­ len Fügeebene 3 mittels Plasmaschweißen kraftschlüssig miteinander verbunden sind.

Die Halbschalen 2 sind aus Blechzuschnitten herge­ stellt, die im Verzahnungsbereich 6 eine Blechdicke von 8 mm aufweisen, während die übrigen Teile der identische Halbschalen 2 nur eine Blechdicke von 4 mm besitzen. Die unterschiedlichen Anforderungen an die Stabilität der Antriebswelle 1 werden im wesentlichen darüber hinaus durch entsprechende Veränderungen der Geometrie der Antriebswelle 1 sichergestellt. Nach dem Zusammenfügen der beiden identische Halbschalen 2 erfolgte eine Nachbehandlung der Anschlußfläche des Verbindungs­ flansches 5 mit Herstellung der Flanschbohrungen, der beiden Lagersitze 4, der vorgeprägten Kerbverzahnungen 6 und des profilierten Wellenendes 6 mit Hilfe üblicher spanabhebender Verfahren.

Die zur Herstellung der Antriebswelle 1 angewendeten Verfahrensschritte umfaßten das Bereitstellen von unterschiedlich dick gewalzten Blech, wobei der Blechdickenunterschied zwischen dem mit 8 mm Dicke weniger stark ausgewalzten Bereich und der allgemeinen Blechdicke 4 mm beträgt. Anschließend wurden aus dem bereitgestellten Blech Blechzuschnitte derart gewonnen, daß die verstärkte Wanddicke 8 im Bereich der bei der Herstellung der identische Halbschalen 2 auszubildenden Verzahnung 6 angeordnet ist. Die Blechzuschnitte wurden in einem Preßwerkzeug, bestehend aus halbschalenförmiger profilierter Matrize und adäquat profiliertem Preßstempel, eingelegt und plastisch zu dem benötigten identische Halbschalen 2 kalt oder wahlweise auch warm bzw. halbwarm umgeformt. Die dem Preßwerkzeug entnommenen identische Halbschalen 2 wurden darauf folgend mittels geeigneter Schneidwerkzeuge so beschnitten, daß damit zugleich die Nahtvorbereitung für das anschließende Verschweißen der identische Halbschalen 2 realisiert wurde.

Das kraftschlüssige Verbinden der beiden identische Halbschalen 2 in dem vorgesehenen achsparallelen Fügeebene 3 erfolgte mittels Plasmaschweißen.

Die nach dem Verschweißen der identische Halbschalen 2 verfügbare Antriebswelle 1 im Rohzustand wurde anschließend der Endbearbeitung unterzogen, indem die Anschlußfläche des Verbindungsflansches 5 sowie die Flanschbohrungen, die Lagersitze 4 und die Profilierungen 6 in den Bereichen der Verzahnung 6 und im Bereich des Wellenendes spanabhebend bearbeitet wurden.

Die Antriebswelle 1 weist damit eine minimale Eigenmasse und die erforderlichen Gebrauchseigenschaften auf, ohne in einzelnen Bereichen überdimensioniert zu sein. Der Herstellungsaufwand konnte auf ein Mindestmaß beschränkt werden. Das zur Herstellung verbrauchte Material konnte bis auf den Verschnitt bei der Herstellung der Blechzuschnitte und beim Beschneiden der identische Halbschalen 2 sowie auf die bei den nachträglichen Zerspanungsprozessen abgetragenen Materialumfang ebenfalls minimiert werden.

Claims (4)

1. Antriebswelle zur Übertragung von Drehmomenten, bestehend aus einem bedarfsweise gestuften Wellenkörper mit daran angeordneten Verbindungsflanschen, Lagersitzen und/oder Verzahnungen, wobei der Wellenkörper aus wenigstens zwei Wellenkörperteilen zusammengesetzt ist, einzelne Abschnitte der Antriebswelle eine verstärkte Wanddicke aufweisen und die Wellenkörperteile an einer Fügeebene unlösbar verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebswelle (1) aus zwei identischen jeweils mit der gesamten Außenkontur (9) der Antriebswelle (1) ausgestatteten Halbschalen (2) zusammengesetzt ist, die in einer ausschließlich achsparallelen Fügeebene (3) miteinander verbunden sind, und daß einzelne Bereiche der Antriebswelle für Lagersitze (4), Verbindungsflansche (5) und/oder sonstige Profilierungen (6) der Wellenoberfläche (7) eine auf den Umfang bezogene verstärkte Wanddicke (8) aufweisen.

2. Antriebswelle nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die identischen Halbschalen (2) nur im Bereich der Außenkontur (9) eine Abstufung (10) aufweisen.

3. Verfahren zum Herstellen einer Antriebswelle gemäß der Ansprüche 1 und 2 durch Vorfertigen von wenigstens zwei Welleneinzelteilen, dem anschließenden Zusammenfügen zu einem Wellenkörper und dem bedarfsweisen Verwenden von unterschiedlich dick gewalzten Blechen, dadurch gekennzeichnet, daß zunächst Blechzuschnitte (11) unter Verwendung bereichsweise unterschiedlich dick gewalzter Bleche hergestellt werden, wobei die Längsausrichtung der partiellen Blechverdickungen rechtwinklig zur Längsachse der herzustellenden identischen Halbschalen (2) vorgenommen wird, daß mittels geeigneter Formgebungsprozesse die gesamte Außenkontur (9) der Antriebswelle (1) aufweisende identische Halbschalen (2) geformt werden, die nach dem Beschneiden in einer ausschließlich achsparallelen Fügeebene (3) miteinander unlösbar verbunden werden.

4. Verfahren zum Herstellen einer Antriebswelle nach dem Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Formgebung der Blechzuschnitte zu identischen Halbschalen (2) mittels Schalenpressen vorgenommen wird.