DE602004009244T2

DE602004009244T2 - Antriebswelle

Info

Publication number: DE602004009244T2
Application number: DE602004009244T
Authority: DE
Inventors: Katsuhiro Iwata-shi Shizuoka Sakurai; Toru Iwata-shi Shizuoka Nakagawa; Kisao Iwata-shi Shizuoka Yamazaki
Original assignee: NTN Corp; NTN Toyo Bearing Co Ltd
Current assignee: NTN Corp
Priority date: 2003-05-19
Filing date: 2004-05-19
Publication date: 2008-01-24
Anticipated expiration: 2024-05-20
Also published as: EP1479926B1; CN1550684A; JP4255312B2; US7112141B2; JP2004340335A; CN100362249C; US20040235575A1; EP1479926A2; EP1479926A3; DE602004009244D1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Diese Erfindung bezieht sich auf eine Antriebswelle zur Kraftübertragung, wobei beide Enden mit Gelenken, wie Gleichlaufuniversalgelenken verbunden sind.
Unter beidendig mit Gelenken verbunden Antriebswellen zur Kraftübertragung gibt es welche, bei denen die Gelenkverbindungsabschnitte einstückig an beiden Enden ausgebildet sind und welche über ihre gesamte Länge hohl ausgebildet sind. Von diesen einstückig ausgebildeten hohlen Antriebswellen werden häufig solche benutzt, bei denen ein Gelenkverbindungsabschnitt oder beide Gelenkverbindungsabschnitte als Keilwellenabschnitte ausgebildet sind, welche in die Gelenke hineingesteckt werden. So werden beispielsweise Antriebswellen zur Kraftübertragung in Fahrzeugen häufig verwendet, bei welchen die Gelenkverbindungsabschnitte an beiden Seiten als Keilwellenabschnitte ausgebildet sind, welche in die Innenringe von Gleichlaufuniversalgelenken hineingesteckt sind.
Solche einstückigen, hohlen Antriebswellen haben den Vorteil, dass es möglich ist, im Vergleich mit massiv ausgebildeten Wellen, gleichwertige statische Festigkeiten bei geringerem Gewicht zu erzielen. Als Mittel zum Härten dieses Typs von Antriebswellen wird häufig das Induktionshärten ausgehend von den Außenumfängen und ein Verformungshärten durch Vermindern der Durchmesser benutzt. Es ist auch bekannt, den Zwischenbereich der Welle durch Verformung zu verfestigen und die Gelenkverbindungsabschnitte an beiden Enden der Welle mittels Induktionshärten zu verfestigen ( JP-Patentveröffentlichung 2001-208037 ).
Diese einstückige, hohle Antriebswellenbauart, bei welcher wenigstens einer der Gelenkverbindungsabschnitte ein Keilwellenabschnitt ist, unterscheidet sich von den massiv ausgeführten Antriebswellen in der Ausgewogenheit zwischen statischer Festigkeit und Ermüdungsfestigkeit. Das bedeutet, dass eine hohle Welle, deren statische Festigkeit gleichwertig ist mit der einer massiv ausgebildeten Welle trotz Gewichtsverminderung, hinsichtlich ihrer Ermüdungsfestigkeit einer massiv ausgeführten Welle unterlegen ist.
Es kommt zum Auftreten von Ermüdungsrissen, deren Ausgangspunkte in den ansteigenden Abschnitte der Keilwellenabschnitte liegen.
Eine Aufgabe dieser Erfindung besteht darin, eine einstückige hohle Antriebswelle mit verbesserter Ausgewogenheit von statischer Festigkeit und Ermüdungsfestigkeit zu schaffen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Gemäß dieser Erfindung ist eine Antriebswelle geschaffen, welche Gelenkverbindungsabschnitte an ihren beiden Enden aufweist und über ihre gesamte Länge hohl ist, wobei wenigstens einer der Gelenkverbindungsabschnitte als Keilwellenabschnitt zum Einstecken in ein Gelenk ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Welle von ihrem Außenumfang her induktionsgehärtet ist, so, dass die Härte der Innenoberfläche der Welle in den Keilwellenabschnitten geringer ist als in anderen Abschnitten.
Das bedeutet, dass beim Induktionshärten von der Außenoberfläche her als Mittel zum Verfestigen der Welle, derart dass die Härte auf der Innenoberfläche der Keilwellenabschnitte geringer ist als die Härte auf der Innenoberfläche der Welle in anderen Abschnitten, die Zähigkeit und die Restdruckspannung der Welle in den Keilwellenbereichen, welche dazu neigen, die Ausgangspunkte für Ermüdungsbruch zu bilden, zunehmen, so dass die Balance zwischen statischer Festigkeit und Ermüdungsfestigkeit verbessert wird.
Der Härteunterschied zwischen der Außenoberfläche und der Innenoberfläche der Welle in den Keilwellenabschnitten beträgt vorzugsweise nicht weniger als Δ HRC 9 Rockwellhärte. Die untere Grenze Δ HRC des Härteunterschiedes wurde anhand der Ergebnisse der nachfolgend beschriebenen Torsions-Ermüdungsprüfung gefunden.
Das Verhältnis aus Härtungstiefe zu Wandstärke der Welle in den Keilwellenabschnitten beträgt vorzugsweise nicht weniger als 0,3 und die Härte auf der Innenoberfläche der Welle in den Keilwellenabschnitten beträgt nicht mehr als HRC 43 Rockwellhärte. Die untere Grenze des Härtungstiefenverhältnisses von 0,3 und die obere Grenze HRC 43 für die Härte auf der Innenoberfläche der Welle wurden gleichfalls anhand der Ergebnisse der Torsions-Ermüdungsprüfung gewonnen.
Durch Zurücklassen ungehärteter Schichten auf der Innenoberfläche der Welle in den Keilwellenabschnitten ist es möglich, die Zähigkeit der Welle in den Keilwellenabschnitten zuverlässig zu gewährleisten. Durch sanftes Vertiefen der Härtungstiefe in den Keilwellenabschnitten von ihren Spitzen in Richtung auf deren Rumpfenden ist es möglich, die Festigkeit der Welle in den Rumpfenden der Keilwellenabschnitte zu steigern, wo die Belastung aus den Verbindungen groß sind, und um Beanspruchungskonzentrationen zu verhindern.
Die Endposition für das Härten auf der Innenoberfläche der Welle liegt bei jedem der Keilwellenabschnitte vorzugsweise angrenzend an einen Keilwellenschulterabschnitt, welcher an dem Rumpfende jedes Keilwellenabschnitts vorgesehen ist.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung unter Bezug auf die Zeichnungen. In dieser zeigt:
1 einen teils weggebrochenen Vertikalschnitt durch eine Ausführungsform der Antriebswelle;
2 einen vergrößerten teils weggebrochenen Vertikalschnitt durch einen Bereich in der Nähe eines Keilwellenabschnittes in 1;
3 einen teils weggebrochenen Vertikalschnitt durch eine abgewandelte Ausführungsform;
4 ein grafisches Schaubild, welches die Relation zwischen dem Härtungstiefenverhältnis γ und der Anzahl N wiederholter Verdrehungen in einem Ermüdungstest zeigt; und
5 ein grafisches Schaubild, welches die Relation zwischen der Härte HRC der Innenoberfläche und der Anzahl N wiederholter Verdrehungen in einem Ermüdungstest zeigt.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
Anhand von 1–5 wird eine Ausführungsform dieser Erfindung beschrieben. Die Antriebswelle ist für die Kraftübertragung eines Fahrzeuges vorgesehen. Wie in 1 dargestellt, umfasst sie eine einstückige hohle Welle 1, welche über ihre Gesamtlänge hohl ausgebildet ist, sowie Keilwellenabschnitte 2 als Gelenkverbindungsabschnitte, welche an beiden Seiten mit nicht dargestellten Gleichlaufuniversalgelenken verbunden werden. An der Spitze jedes Keilwellenabschnittes 2 ist eine Sprengringnut 3 zum Befestigen des Innenringes eines Gleichlaufuniversalgelenkes vorgesehen und am Rumpfende dessel ben ist ein Keilwellenschulterabschnitt 4 vorgesehen. Die Welle besteht aus einem Rohr aus Konstruktions-Kohlenstoffstahl (STKM) und ist einer Induktionshärtung von ihrem Außenumfang her unterworfen worden, um eine Härtungsschicht 5 über ihre gesamte Länge auszubilden, mit Ausnahme der Spitzenabschnitte der Keilwellenabschnitte 2.
Wie in 2 dargestellt, nimmt nahe der Keilwellenabschnitte 2 die Härtungsschicht 5 allmählich zu, und zwar von der Spitze 2a des Keilwellenabschnittes 2 in Richtung auf das Rumpfende 2b, wobei die Härtungsschicht kurvenförmig in Gestalt des Buchstabens S verläuft, derart, dass die Härtungsschicht die Innenoberfläche der Welle 1 nahe jedes Keilwellenschulterabschnittes 4 erreicht. Demzufolge verbleibt in jedem Keilwellenabschnitt 2 eine ungehärtete Schicht auf der Innenoberfläche der Welle 1.
3 zeigt ein abgewandeltes Beispiel der Härtungsschicht 5 nahe der Keilwellenabschnitte 2. In dem abgewandelten Beispiel nimmt die Härtungsschicht 5 linear zu von der Spitze 2a des Keilwellenabschnittes 2 und erreicht die Innenoberfläche der Welle 1 an einem Punkt nahe dem Keilwellenschulterabschnitt 4.
Es folgen Beispiele und Vergleichsbeispiele.
[Beispiele]
Als Beispiele wurden Antriebswellen gemäß Welle 1 der in 1 dargestellten Ausführungsform mit unterschiedlichen Verhältnissen γ der Härtungstiefe der Härtungsschicht 5 zu der Wandstärke der Welle 1 hergestellt (Beispiele 1 bis 11). Das Härtungstiefenverhältnis γ wurde definiert durch den Wert der Härtungstiefe am Rumpfende 2b des Keilwellenabschnittes 2 gemäß 2. Als Vergleichsbeispiele wurden vergleichbare Antriebswellen hergestellt, in welchen mit Ausnahme eines Abschnittes, der näher zur Spitze liegt als die Sprengringnut 3, eine Härtungsschicht über die gesamte Wandstärke der Welle 1 ausgebildet ist (Vergleichsbeispiele 1 und 2).

An den Antriebswellen der Beispiele und Vergleichsbeispiele wurden Monodirektions-Torsions-Ermüdungsversuche durchgeführt, um die Anzahl N von wiederholten Torsionsbeanspruchungen bis zum Auftreten von Ermüdungsrissen zu bestimmen, wobei der Keilwellenabschnitt 2 einer Seite der Welle in den Innenring eines Gleichlaufuniversalgelenkes hineingesteckt war. Die Anzahl N wiederholter Torsionsbeanspruchungen beim Ermüdungsversuch wurde bei 2,0 × 10⁶ gestoppt. Tafel 1

Welle	Härtungstiefenverhältnis γ	Härte HRC der Innenoberfläche	Härtedifferenz Δ HRC	Anzahl wiederholter Torsionsbeanspruchungen N
Beispiel 1	0,33	26	26	8,0 × 10⁵
Beispiel 2	0,44	20	32	9,5 × 10⁵
Beispiel 3	0,54	21	31	1,1 × 10⁶
Beispiel 4	0,60	23	29	> 2 × 10⁶
Beispiel 5	0,60	24	28	1,2 × 10⁶
Beispiel 6	0,62	28	24	> 2 × 10⁶
Beispiel 7	0,71	30	22	> 2 × 10⁶
Beispiel 8	0,72	31	21	> 2 × 10⁶
Beispiel 9	0,85	34	18	> 2 × 10⁶
Beispiel 10	0,96	37	15	> 2 × 10⁶
Beispiel 11	1,00	43	9	> 2 × 10⁶
Vergleichsbeispiel 1	1,00	53	3	4,3 × 10⁵
Vergleichsbeispiel 2	1,00	53	3	5,4 × 10⁵

Die Ergebnisse der Ermüdungsversuche sind in Tafel 1 sowie in 4 und 5 dargestellt. In Tafel 1 sind neben des Härtentiefenverhältnisses γ, der Härte HRC der Innenoberfläche der Welle 1 am Rumpfende 2b des Keilwellenabschnittes 2, wo das Härtungstiefenverhältnis γ definiert worden ist, auch die Härtedifferenz Δ HRC zwischen der Innenoberfläche und der Außenoberfläche angegeben. In allen Beispielen betrug die Härte der Innenoberfläche nicht mehr als HRC 43 und war der Härtungsunterschied zwischen der Innenoberfläche und der Außenoberfläche nicht kleiner als Δ HRC 9. 4 ist ein Schaubild, in welchem die Relation zwischen dem Härtentiefenverhältnis γ und der Anzahl von wiederholten Torsionsbeanspruchungen N auf der Grundlage der in Tafel angegebenen Ergebnisse aufgetragen ist. 5 ist ein Schaubild, in welchem die Relation zwischen der Härte HRC der Innenoberfläche und der Anzahl N wiederholter Torsionsbeanspruchungen aufgetragen ist.
Aus diesen Ergebnissen geht hervor, dass bei den Vergleichsbeispielen, bei welchen die gesamte Wandstärke durchgehärtet war, die Außenwandhärte HRC 56, die Innenwandhärte HRC 53 und die Anzahl N wiederholter Torsionsbeanspruchungen 5,0 × 10⁵ betrug, wohingegen bei den erfindungsgemäßen Beispielen, bei welchen die Innenoberflä chenhärte niedriger als die Außenoberflächenhärte war, die Anzahl N wiederholter Torsionsbeanspruchungen nicht weniger als 8,0 × 10⁵ betrug, was heißt, dass die Ermüdungsfestigkeit beträchtlich verbessert war.
Wenngleich bei den Ausführungsformen die Gelenkverbindungsabschnitte an beiden Enden als Keilwellenabschnitte ausgebildet sind, ist die Antriebswelle nach der Erfindung auch auf eine Ausführungsform anwendbar, bei welcher der Gelenkverbindungsabschnitt lediglich an einem Ende als Keilwellenabschnitt ausgebildet ist.
Wie vorstehend beschrieben, ist bei der Antriebswelle nach der Erfindung als Maßnahme zum Verfestigen einer einstückigen hohlen Welle ein Induktionshärten vom Außenumfang her vorgesehen, so dass die Härte auf der Innenoberfläche der Welle in den Keilweilenabschnitten geringer ist als die Härte auf der Welleninnenoberfläche in anderen Bereichen, wodurch die Zähigkeit und die Restdruckspannung der Welle in den Keilwellenabschnitten gesteigert werden, wobei es die Keilwellenabschnitte sind, welche dazu neigen, den Ausgangspunkt für Ermüdungsrisse zu bilden. Ferner wird durch diesen Härteunterschied die Ausgewogenheit zwischen der statischen Festigkeit und der Dauer- bzw. Ermüdungsfestigkeit verbessert. Demzufolge ist die erfindungsgemäße Antriebswelle beispielsweise geeignet für den Antriebsstrang eines Automobils, für welchen Gewichtsverminderung gefordert wird.

Claims

Antriebswelle (1) mit einstückig an beiden Enden vorgesehenen Gelenk-Verbindungsabschnitten, wobei die Antriebswelle über ihre Gesamtlänge hohl ist und wenigstens einer der Gelenk-Verbindungsabschnitte ein in ein Gelenk einsteckbarer Keilwellenabschnitt (2) ist, und wobei die Welle von ihrem Außenumfang her induktionsgehärtet ist, so, dass die Härte der Innenoberfläche der Welle in den Keilwellenabschnitten geringer ist als in anderen Abschnitten.
Antriebswelle nach Anspruch 1, wobei die Härtedifferenz zwischen der Außenoberfläche und der Innenoberfläche der Welle in den Keilwellenabschnitten nicht weniger als Δ HRC 9 Rockwellhärte beträgt.
Antriebswelle nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Verhältnis der Härtungstiefe zur Wandstärke der Welle in den Keilwellenabschnitten (2) nicht weniger als 0,3 beträgt, und die Härte der Innenoberfläche der Welle in den Keilwellenabschnitten nicht mehr als HRC 43 Rockwellhärte beträgt.
Antriebswelle nach einem der Ansprüche 1–3, wobei in den Keilwellenabschnitten (2) auf der Innenoberfläche der Welle ungehärtete Schichten verbleiben.
Antriebswelle nach einem der Ansprüche 1–4, wobei die Härtungstiefe in den Keilwellenabschnitten (2) derart ist, dass sie von dem spitzen Ende (2a) jedes Keilwellenabschnittes allmählich zu dessen Rumpfende (2b) hin zunimmt.
Antriebswelle nach einem der Ansprüche 1–5, wobei die Endposition, bei der die Härte der Innenoberfläche der Welle jedes Keilwellenabschnitts (2) zu einem Keilwellenschulter-Abschnitt (4) benachbart ist, der an dem Rumpfende (2b) jedes Keilwellenabschnitts vorgesehen ist.