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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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1. GEBIET DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine die Kraft übertragende
Welle, welche zum Beispiel bei einer Antriebswelle oder bei einer
Gelenkwelle eingesetzt werden kann, welche ein Teilstück eines
Kraftübertragungssystems
bei einem Automobil bildet.
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2. BESCHREIBUNG DES STANDES
DER TECHNIK AUF DIESEM GEBIET
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Im
Allgemeinen gibt es mehrere Arten von Transmissions- bzw. Übertragungswellen,
welche das eine Kraft übertragende
System bei einem Automobil ausmachen. Die Wellen umfassen eine Antriebswelle
zum Herstellen einer Verbindung zwischen einem Motor und einer die
Räder tragenden Vorrichtung,
eine Gelenkwelle zum Übertragen
von Kraft von einem Übersetzungs-
auf ein Untersetzungsgetriebe und so weiter. Eine jede dieser Wellen besitzt
ein Verbindungsglied wie etwa eine Keilnut an dem Ende der Welle.
Solche die Kraft übertragenden Wellen
können
grob gesehen entsprechend ihrer basischen Struktur eingeordnet werden
entweder in die Gruppe der vollen Wellen, die aus massiven Stäben hergestellt
werden, oder in die andere Gruppe der hohlen Wellen, die aus Stahlrohren
oder dergleichen hergestellt werden.
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Herkömmlicherweise
sind volle Wellen als diejenigen die Kraft übertragenden Wellen für Automobile
verwendet worden. In jüngeren
Jahren ist als eine Antwort auf die Bedürfnisse nach einer höheren Funktionalität von Automobilen,
etwa hinsichtlich der Schallisolierungseigenschaften, um die Insassenkabine
ruhig halten zu können,
und dergleichen Bedürfnissen,
eine wachsende Nachfrage nach der Bereitstellung einer die Kraft übertragenden
Welle mit verschiedenen Arten von kennzeichnenden Merkmalen entstanden,
wie etwa ein leichtes Gewicht, eine Kompaktheit und eine Behaglichkeit
gegenüber
NVH-Nebeneffekten (Noise = Lärm,
Vibration = Vibrationen und Harshness = Härte) zusätzlich zu der Festigkeit und
der Dauerhaftigkeit. Darüber
hinaus ist es auch erfordert, die Torsionssteifigkeit der Wellen
zu verbessern, um die Steuerbarkeit bzw. Kontrollierbarkeit und
das direkte Fahrgefühl
für das
Automobil zu dem Zeitpunkt des Starts heraufzusetzen. In diesem
Fall besteht, hinsichtlich der Verbesserung der Torsionssteifigkeit,
eine Idee bezüglich
der Erhöhung
des Durchmessers der Welle. Dies wird jedoch einen Anstieg der Kosten
bewirken, und zwar wegen der Zunahme des Gewichtes und des von einem
Kupplungsteil beanspruchten Volumens. Zusätzlich zu den obigen Anforderungen
besteht ein Bedarf nach einer Anpassung der Eigenfrequenz eines
Automobils, um das Geräusch
zu vermeiden, das durch eine Resonanz zwischen den Schwingungen
eines Antriebsmotors und einer Welle erzeugt wird, während das Automobil
fährt.
Zur Anpassung der Eigenfrequenz besteht eine Idee darin, einen Dämpfer oder
eine vergleichbare Vorrichtung an der eine Kraft übertragenden
Welle anzubringen. Dies wird jedoch zu einem Anstieg der Kosten
führen
wegen der Zunahme der Anzahl der strukturellen Komponenten und der
Anzahl der Montageschritte bei dem Herstellungsverfahren.
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Als
eine Konsequenz aus der Berücksichtigung
der obigen Anforderungen hinsichtlich der Funktionen, besteht eine
zunehmende Tendenz, einen größeren Gebrauch
von hohlen Wellen anstelle von vollen Wellen zu machen. Die hohlen
Wellen können
grob gesehen eingeteilt werden in Wellen von dem integralen Typus
und in solche von dem zusammengesetzten Typus. Die hohle Welle von
dem integralen Typus umfasst ein mittleres Rohrteil mit dem größten Außendurchmesser
und dazu Wellenteile, die integral auf den einander gegenüberliegenden
Enden des Rohrteiles ausgebildet sind. Die Wellenteile sind aus
dem gleichen Material hergestellt wie dasjenige des mittleren Rohrteiles
und es wird ein Verbindungsabschnitt, wie etwa eine Keilnut- bzw.
Zahnnabenverbindung auf der äußeren Peripherie
eines jeden Wellenendes gebildet. Andererseits umfasst die hohle
Welle von dem zusammengesetzten Typus ein Rohrteil und Wellenteile.
Diese Teile werden getrennt geformt und sie werden dann miteinander
verbunden unter Einsatz des Reibungsdruckschweißens, des elektrischen Schweißens oder dergleichen
Verfahren.
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Im
Vergleich zu der vollen Welle weist die hohle Welle von dem integralen
Typus oder von dem Verbindungstypus ein vermindertes Widerstandsmoment
auf, während
die maximale Scherbeanspruchung derselben, welche auf die hohle
Welle wirkt, groß ist.
Daher besteht eine Möglichkeit
zur Verminderung der Scherfestigkeit der hohlen Welle.
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In
einigen Fällen
wird ein mit Hilfe des Verfahrens des Elektrowiderstandsschweißens hergestelltes
Rohr, das eine Wanddicke von einer extrem hohen Genauigkeit und
von einer extrem stabilen Festigkeit aufweist, als eine die Kraft übertragende Hohlwelle
verwendet. Das geschweißte
Rohr besteht aus zwei oder aus mehr Rohrteilen. Die Rohrteile sind
aus einem Stahlmaterial hergestellt und sie besitzen eine gute Dimensionsgenauigkeit
und eine gute Fertigungsgenauigkeit und sie werden unter Einsatz
einer Stoßverbindung
in einer geraden Linie verbunden, wobei das Verfahren des Elektrowiderstandsschweißens Verwendung
findet. Daher besitzt der geschweißte Abschnitt eines Elektroverbindungsteiles
des geschweißten
Rohres, welcher sich in der axialen Richtung erstreckt, eine Neigung
zum Brechen, was zu einer Abnahme der Festigkeit der eine Kraft übertragenden
Welle führt.
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Außerdem wird
die hohle Welle von dem Integraltypus für die Kraftübertragung auf typische Weise
hergestellt durch beispielsweise ein Gesenkverformen, bei welchem
der Durchmesser eines Rohrelementes vermindert wird entweder durch
ein Stanzen in der radialen Richtung desselben mit einer hohen Geschwindigkeit,
während
das Rohr um seine Achse herum gedreht wird; oder durch eine Pressverarbeitung,
bei welcher der Durchmesser eines Rohrelementes vermindert wird
durch ein Einführen des
Rohrelementes in ein Extrusionswerkzeug. Die auf diese Art und Weise
durch eine plastische Bearbeitung während des Gesenkverformens
oder durch dergleichen Vorgehensweisen hergestellte hohle Welle
kann ein plastisches Fließen
des Ausgangsmaterials in den inneren Radialbereich zu dem Zeitpunkt
aufweisen, wo der Durchmesser des Rohrelementes vermindert wird.
Daher besteht eine Neigung gemäß welcher
die innere, radiale Oberfläche
der hohlen Welle Falten wirft. Solch eine Faltenbildung kann der
Ursprung eines Bruches darstellen, was eine Abnahme der Festigkeit
der eine Kraft übertragenden
Welle verursacht.
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Ein
Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Welle für die Kraftübertragung
zu liefern, welche eine Verbesserung der Festigkeit erlaubt und welche
eine stabile Torsionszeitfestigkeit ermöglicht.
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DE-A-4423832
und DE-A-2855487 offenbaren eine die Kraft übertragende Welle mit einem
aus einem Stahlmaterial hergestellten Rohrteil sowie mit Verbindungsgliedern,
die jeweils auf den einander gegenüber liegenden Enden des Rohrteiles
vorgesehen sind.
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Die
vorliegende Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass das Stahlmaterial
sich zusammensetzt aus: 0,30–0,45
Gewichtsprozent C, 0,05–0,35
Gewichtsprozent Si, 1,0–2,0
Gewichtsprozent Mn, 0,05 Gewichtsprozent Al oder weniger, 0,01 Gewichtsprozent
S oder weniger und dem Restanteil, der aus Eisen Fe und unvermeidlichen
Verunreinigungen besteht, und dass das Rohrteil (1a) einen Elektroverbindungsabschnitt
aufweist, welcher sich entlang einer axialen Richtung erstreckt,
wobei der Elektroverbindungsabschnitt und die Nachbarschaft desselben
durch eine Härtungsbehandlung
gehärtet werden,
derart dass dieselben eine Rockwell Härte HRC von 45 oder mehr aufweisen.
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Die
Härtungsbehandlung
kann vorzugsweise aus einer Hochfrequenzinduktionshärtung und
einer Temperbehandlung bestehen. Hier steht der Ausdruck "Nachbarschaft des
Elektroverbindungsabschnittes" dafür, dass
ein Abschnitt innerhalb von 5 mm von der Mitte entfernt bis zu den
einander gegenüberliegenden
Enden in der Umfangsrichtung des Elektroverbindungsabschnittes liegt.
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Bei
dieser Ausführung
wird ein Stahlmaterial verwendet, bei welchem die Menge einer jeden
der obigen Komponenten (C, Si, Mn, Al und S) in dem obigen Bereich
definiert ist, und dessen Elektroverbindungsabschnitt und die Nachbarschaft
desselben werden so gehärtet,
dass die Rockwell Härte
HRC desselben 45 oder mehr ausmachen kann. Daher kann die
Härte des
Rohres, welche erforderlich ist, um als eine die Kraft übertragende
Welle eingesetzt zu werden, erfüllt
werden. Solch eine Härte
gewährleistet
eine stabile Torsionszeitfestigkeit, was eine Welle für die Kraftübertragung
mit einer verlängerten Nutzungslebensdauer
und mit einer hohen Zuverlässigkeit
liefert. Außerdem
ist ein mit Hilfe des Elektrowiderstandsschweißens hergestelltes Rohr nützlich als
ein Stahlrohr, das als das Hauptrohr verwendet werden soll zur stabilen
Gewährleistung
der Wellenfestigkeit. Daher kann die eine Kraft übertragende Welle kaum an einem
Elektroverbindungsabschnitt desselben gebrochen werden, was eine
Verminderung der Festigkeit des Rohres verhindert.
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Ein
zweiter Aspekt der vorliegende Erfindung besteht darin, eine Welle
für die
Kraftübertragung
mit Verbindungsgliedern zu liefern, die integral auf den einander
gegenüberliegenden
Enden der Welle hergestellt werden, wobei die Welle ausgehend von
einem Element aus einem Stahlrohr durch eine plastische Bearbeitung
hergestellt wird, welches eine innere diametrale Oberfläche aufweist,
welche einer Härtebehandlung
unterworfen wird. Vorzugsweise besteht die Härtungsbehandlung aus einer
Hochfrequenzinduktionshärtung
und einer Temperbehandlung. Die Härtungsbehandlung auf der inneren
diametralen Oberfläche
kann dadurch vollzogen werden, dass man eine Spule für die Hochfrequenzinduktionserhitzung
auf der inneren diametralen Seite der eine Kraft übertragenden
Welle anordnet. Alternativ kann die Härtungsbehandlung von der äußeren diametralen
Oberfläche
ausgehend durchgeführt werden,
indem man solch eine Spule für
die Hochfrequenzinduktionserhitzung auf der äußeren diametralen Seite der
eine Kraft übertragenden
Welle anordnet. Bei der Härtungsbehandlung
mit einer Hochfrequenzinduktionshärtung und einer Temperbehandlung
weist die Härte
des Oberflächenabschnittes
der inneren diametralen Oberfläche
eine Rockwell Härte HRC
von 35 oder mehr auf. Hierbei bedeutet der Ausdruck "Oberflächenabschnitt" zum Beispiel einen Bereich
von etwa ein Viertel der Wanddicke der eine Kraft übertragenden
Welle.
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Gemäß der vorliegende
Erfindung, so wie sie oben beschrieben worden ist, wird die innere
diametrale Oberfläche
einer Härtungsbehandlung
ausgesetzt, derart dass es möglich
wird, eine Härte
zu gewährleisten,
die für
eine die Kraft übertragende
Welle erforderlich ist. Zusätzlich
erlaubt solch eine sich ergebende Härte, die Erzeugung einer Faltenbildung auf
der inneren diametralen Oberfläche
durch eine vorzunehmende plastische Bearbeitung zu verhindern, welche
als Ursprung für
den Bruch anzusehen ist. Als ein Ergebnis kann eine die Kraft übertragende Welle
erzielt werden, welche eine stabile Torsionszeitfestigkeit gewährleistet
und eine hohe Zuverlässigkeit
und eine lange Nutzlebensdauer ermöglicht.
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Weiterhin
steigt die residuelle Druck- bzw. Kompressionsbeanspruchung dadurch,
dass eine vorherbestimmte residuelle Kompressionsbeanspruchung auf
die äußere diametrale
Oberfläche
der eine Kraft übertragenden
Welle ausgeübt
wird. Als ein Ergebnis wird es möglich,
die Torsionszeitfestigkeit weiter zu steigern. Solch eine residuelle
Kompressionsbeanspruchung kann leicht durch eine Kugelstrahlbehandlung
ausgeübt
werden. Weiterhin kann die residuelle Kompressionsbeanspruchung
vorzugsweise 750 MPa oder mehr betragen.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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In
den beiliegenden Zeichnungen findet man folgende Darstellungen:
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1 ist
eine teilweise Querschnittsfrontansicht einer eine Kraft übertragenden
Welle als eine der bevorzugten Ausführungen gemäß der vorliegenden Erfindung,
wobei diese Welle als eine hohle Welle von dem Integraltypus vorgesehen
ist;
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2 ist
eine teilweise Querschnittsfrontansicht einer eine Kraft übertragenden
Welle bei einer anderen bevorzugten Ausführung gemäß der vorliegenden Erfindung,
wobei diese Welle als eine hohle Welle von dem Verbindungstypus
vorgesehen ist;
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3 ist
eine radiale Querschnittsansicht eines Elektroverbindungsabschnittes
bei einem Rohr (d.h. eines mit Hilfe des Elektrowiderstandsschweißens hergestellten
Rohres);
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4 ist
eine Tabelle der Ergebnisse einer Prüfung der Torsionszeitfestigkeit;
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5 ist
eine Tabelle der Ergebnisse einer Prüfung der Torsionszeitfestigkeit;
und
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6 ist
eine Tabelle der Ergebnisse einer Prüfung der Torsionszeitfestigkeit
mit oder ohne Behandlung durch Kugelstrahlung.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGEN
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1 zeigt
eine Welle für
die Kraftübertragung
als eine von den bevorzugten Ausführungen gemäß der vorliegenden Erfindung.
Die Kraft übertragende
Welle 1 ist als eine hohle Welle von dem Integraltypus
vorgesehen. Das heißt,
die Kraft übertragende
Welle umfasst: ein mittleres Rohrteil 1a, das den Abschnitt
mit dem größten Durchmesser
aufweist im Vergleich zu den anderen Teilen; und axiale Teile 1b,
die auf den einander gegenüber
liegenden Enden des mittleren Rohrteiles 1a vorgesehen
sind, bei welchen ein Verbindungsabschnitt wie etwa eine Zahnnabenverbindung
auf der äußeren Peripherie eines
jeden Endabschnittes der axialen Teile 1b erzeugt wird.
Diese Teile 1a, 1b werden integral aus demselben
Rohrelement geformt.
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Bezieht
man sich jetzt auf die 2, so wird dort eine die Kraft übertragende
Welle von einer alternativen bevorzugten Ausführung gemäß der vorliegenden Erfindung
gezeigt. Bei dieser Ausführung kann
die eine Kraft übertragende
Welle 2 als eine hohle Welle vom dem Verbindungstypus bereitgestellt
werden. Das heißt,
diese Welle wird erzeugt indem das Rohrteil 2a und die
axialen Teile 2b durch Schweißen wie etwa durch Reibungsdruckschweißen oder
dergleichen Verfahren miteinander verbunden werden. In diesem Fall
ist zu vermerken, dass diese Teile 2a, 2b separat
voneinander hergestellt werden. 3 ist eine
Querschnittsansicht zur Illustration des Rohrteiles 1a für die in
der 1 gezeigte Kraft übertragende Welle 1 oder
des Rohrteiles 2a für die
in der 2 gezeigte Kraft übertragende Welle 2. Zur
Vereinfachung der Beschreibung werden wir wegen der gemeinsam vorkommenden
strukturellen Merkmale aus der 1 und der 2 jetzt
die in der 3 gezeigte Struktur in Übereinstimmung
mit der in der 1 gezeigten Ausführung beschreiben.
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In
diesem Fall wird die eine Kraft übertragende
Welle 1 aus einem mit Hilfe des Elektrowiderstandsschweißens hergestellten
Rohr erzeugt, welches eine Wanddicke mit einer ausgezeichneten Genauigkeit
aufweist. Bei diesem mit Hilfe des Elektrowiderstandsschweißens hergestellten
Rohr wird ein jedes der Rohre erzeugt durch ein Formen einer Platte
mit ausgezeichneten Dimensions- und Fertigungsgenauigkeiten zu einem
Rohr, und die so erhaltenen Rohre werden mit Hilfe einer Stoßverbindung
in einer geraden Linie unter Verwendung des Elekirowiderstandsschweißens miteinander
verbunden. Daher weist die für
die Kraftübertragung
bestimmte Welle 1 einen Elektroverbindungsabschnitt 3 als
einen geschweißten
Abschnitt auf, welcher in der axialen Richtung (siehe 3)
gebildet worden ist.
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Die
Kraft übertragende
Welle 1 wird aus einem Stahlmaterial hergestellt, welches
sich zusammensetzt aus: 0,30–0,45
Gewichtsprozent Kohlenstoff (C), 0,05–0,35 Gewichtsprozent Silizium
(Si), 1,0–2,0
Gewichtsprozent Mangan (Mn), 0,05 Gewichtsprozent Aluminium (Al)
oder weniger, 0,01 Gewichtsprozent Schwefel (S) oder weniger und
einem Restanteil, der aus Eisen (Fe) und unvermeidlichen Verunreinigungen
besteht, und der Elektroverbindungsabschnitt 3 sowie die
Umgebung desselben werden derart gehärtet, dass dieselben eine Rockwell
Härte HRC
von 45 oder mehr aufweisen.
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Solch
eine Härtungsbehandlung
kann vollzogen werden, indem man eine Hochfrequenzinduktionshärtung und
eine Temperbehandlung an der für die
Kraftübertragung
bestimmten Welle 1 durchführt. Die in den 1 und 2 gezeigten
schraffierten Abschnitte sind Bereiche, die der Hochfrequenzinduktionshärtung und
der Temperbehandlung unterzogen worden sind und die einen ausgeglühten Zustand
anzeigen. Die Kraft überfragende
Welle 1 wird unter Verwendung eines Stahlmaterials hergestellt, welches
die obigen Komponenten enthält,
so dass es der Härtungsbehandlung
ermöglicht
werden kann, dem Elektroverbindungsabschnitt 3 und der
Umgebung desselben eine Rockwell Härte HRC von 45 oder
mehr zu verleihen. Folglich steigt die Festigkeit des Rohres selbst
an, während
dabei eine stabile Torsionszeitfestigkeit gewährleistet wird.
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Es
ist hier allgemein gesehen gemäß dem Stand
der Technik bekannt, dass eine Torsionszeitfestigkeit der eine Kraft übertragenden
Welle 1 im Wesentlichen von der Härte abhängt und dass auch die Härte von
der Zusammensetzung des Stahlmaterials abhängig ist. Das heißt, es besteht
eine Notwendigkeit, die Menge einer jeden Komponente anzupassen,
weil ein Element, das die Härte
nach der Abschreckungshärtung
definiert aus Kohlenstoff (C) besteht, während andere Elemente (z.B.
Si und Mn) wirksam sein können,
um die Härte
anschließend
an die Abschreckungshärtung
in der Tiefenrichtung zu bewerkstelligen.
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Kohlenstoff
(C) ist ein wesentliches Element zur Erzielung einer gewünschten
Torsionszeitfestigkeit der eine Kraft übertragenden Welle 1.
Zur Erzielung der vorherbestimmten Härte anschließend an die
Wärmebehandlung
sollte die Menge an Kohlenstoff (C) 0,3 Gewichtsprozent oder mehr
ausmachen. Ferner wird, wenn es mehr als 0,45 Gewichtsprozent sind,
die Härte
des Stahlmaterials zu hoch ausfallen. Daher nimmt dann die Maschinenverarbeitbarkeit des
Stahlmaterials ab. Somit beträgt
die obere Grenze für
die Menge an Kohlenstoff, die enthalten sein soll, 0,45 Gewichtsprozent.
Eine kleine Menge an Silizium (Si) ist erforderlich als ein Desoxidationsmittel für das Stahlmaterial
zusätzlich
zu der Menge, die erforderlich ist, um die Wirkung der Induktionshärtung auf
das Stahlmaterial zu gewährleisten.
Wenn die Menge an Si weniger als 0,05 Gewichtsprozent beträgt, dann
ist solch eine Wirkung nicht ausreichend. Wenn dieselbe mehr als
0,35 Gewichtsprozent beträgt,
dann nimmt die Maschinenverarbeitungsfähigkeit des Stahlmaterials
wesentlich ab. Somit beträgt die
obere Grenze für
die Menge an Si, die enthalten sein soll, 0,35 Gewichtsprozent.
Die zusätzliche Menge
an Mangan (Mn) sollte 1,0 Gewichtsprozent oder mehr betragen, um
die Wirkung der Induktionshärtung
auf das Stahlmaterial zu gewährleisten. Wenn
2,0 Gewichtsprozent oder mehr an Mn in das Stahlmaterial hinein
gebracht werden, dann nimmt die Maschinenverarbeitungsfähigkeit
des Stahlmaterials wesentlich ab. Somit beträgt die obere Grenze für die Menge
an Mn, die enthalten sein soll, 2,0 Gewichtsprozent. Aluminium (Al)
wird als ein Desoxidationsmittel des Stahlmaterials hinzu gegeben.
Es wird bevorzugt, dass der Gehalt an Al wegen der Reinheit des
Stahlmaterials auf einem Minimum gehalten werden soll. Somit kann
die Menge an Al etwa 0,05 Gewichtsprozent oder weniger betragen.
Weiterhin unterdrückt
Schwefel (S) die Verformbarkeit des Stahlmaterials zu dem Zeitpunkt
der Kaltbearbeitung. Wenn die Menge an S größer als 0,01 Gewichtsprozent
ist, dann tritt solch eine Abnahme der Verformbarkeit in einem Übermaß auf. Somit
kann die Menge an S 0,01 Gewichtsprozent oder weniger betragen.
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Zur
Vervollständigung
der Akzeptabilität
der Induktionshärtung
des Stahlmaterials kann das Stahlmaterial 0,1–0,35 Gewichtsprozent an Chrom (Cr)
und 0,0005–0,005
Gewichtsprozent an Bor (B) enthalten. Alternativ kann mindestens
eines der Elemente Cr und B enthalten sein. Wenn der Gehalt an Cr
kleiner als 0,1 Gewichtsprozent ist, dann nimmt die Wirkung zur
Vervollständigung
der Akzeptabilität der
Induktionshärtung
des Stahlmaterials ab. Andererseits führen mehr als 0,35 Gewichtsprozent
an Cr zu einem Kostenanstieg bei dem Stahlmaterial. Zusätzlich nimmt,
wenn der Gehalt an B kleiner als 0,0005 Gewichtsprozent ist, die
Wirkung zur Vervollständigung
der Akzeptabilität
der Induktionshärtung des
Stahlmaterials ab. Andererseits beeinflussen mehr als 0,005 Gewichtsprozent
an B die Wirkungen der Induktionshärtung auf das Stahlmaterial
nicht.
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Nach
der Hochfrequenzinduktionshärtung und
der Temperbehandlung kann eine Kugelstrahlbehandlung über den
gesamten Umfang der für
die Kraftübertragung
bestimmten Welle 1 ausgeübt werden. Eine Torsionszeitfestigkeit
der Welle 1 kann weiterhin durch eine Erhöhung einer
residuellen Kompressionsbeanspruchung auf der Oberfläche der
für die
Kraftübertragung
bestimmten Welle 1 erhöht
werden. Hier bedeutet der Ausdruck "Kugelstrahlbehandlung", dass die Beanspruchung
auf die Oberfläche
eines Zielmetalls vergleichmäßigt wird,
indem kleine Stahlpartikel mit einer großen Kraft, welche durch Druckluft
oder durch Zentrifugalkraft ausgeübt wird, auf die Oberfläche des
Metalls geschleudert werden.
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Die
Erfinder der vorliegenden Erfindung haben die Auswertungen der Torsionszeitfestigkeit
in Bezug auf acht für
die Kraftübertragung
bestimmte Wellen durchgeführt
(Proben Nr. 1 bis 8), wobei eine jede der Proben über ihren
eigenen Gehalt an C, Si, Mn, S, Al, Cr und B in ihrer Zusammensetzung
verfügt,
und eine jede der Proben ihre eigene Rockwell Härte HRC an dem Elektroverbindungsabschnitt
und um diesen herum aufweist. Die Ergebnisse der Auswertungen sind
in der in der 4 gezeigten Tabelle aufgelistet
worden.
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Für irgendeinen
Abschnitt mit Ausnahme des Elektroverbindungsabschnittes werden
die Härtungs- und Temperbehandlungen
auf solche Art und Weise durchgeführt, dass die Oberflächenhärte des äußeren Durchmesseranteiles
eine Härtungsverteilung von 50 oder
mehr Rockwell Härte
HRC aufweisen würde.
Die Härte
in der Nachbarschaft des Elektroverbindungsabschnittes ist ein Ergebnis
der Umwandlung einer Vickershärte,
die an einer Stelle in einer Entfernung von 2 mm von der
inneren diametralen Seite her gemessen worden ist, in eine Rockwell Härte. In
diesem Experiment wird in einem Zustand, in welchem beide Enden
der für
eine Kraftübertragung
bestimmten Welle 1 unterstützt werden, ein Ende der für eine Kraftübertragung
bestimmten Welle 1 befestigt, während auf das andere Ende ein
Belastungsdrehmoment ausgeübt
wird. Für
die Interpretation der Ergebnisse wird die untere Grenze der Festigkeit
der massiven Welle, welche denselben axialen Teildurchmesser aufweist,
als ein Standard verwendet, auf welchen eine Beurteilung gegründet werden kann.
Die eine Kraft übertragende
Welle, die 400.000-mal oder öfter
die wiederholte Drehmomentausübung
ausgehalten hat, wird akzeptiert.
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Wie
sich aus den Ergebnissen zeigt, welche in der Tabelle der 4 aufgelistet
sind, besteht eine jede der Proben (Proben Nr. 4 bis 8), welche
in Punkto Torsionszeitfestigkeit bis zu dem Standard herankommt,
aus einer für
eine Kraftübertragung
bestimmten Welle 1, die aus einem Stahlmaterial gebaut
ist, welches sich zusammensetzt aus: 0,30–0,45 Gewichtsprozent Kohlenstoff
(C), 0,05–0,35
Gewichtsprozent Silizium (Si), 1,0–2,0 Gewichtsprozent Mangan
(Mn), 0,05 Gewichtsprozent Aluminium (Al) oder weniger, 0,01 Gewichtsprozent
Schwefel (S) oder weniger, wobei der Elektroverbindungsabschnitt
und die Nachbarschaft desselben derart gehärtet worden sind, dass dieselben
eine Rockwell Härte
HRC von 45 oder mehr aufweisen.
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Als
eine die Kraft übertragende
Welle 1 können
andere Arten von Rohren außer
den durch Elektrowiderstandsschweißen hergestellten Rohren verwendet
werden, zum Beispiel wie folgt.
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Die
eine Kraft übertragende
Welle 1 wird typischerweise hergestellt durch eine plastische
Bearbeitung, zum Beispiel durch eine Gesenkverformung, bei welcher
der Durchmesser eines Rohrelementes vermindert wird durch ein Stanzen
in der radialen Richtung desselben bei einer hohen Geschwindigkeit,
während
das Rohr um seine Achse gedreht wird, oder durch dergleichen Verarbeitungsverfahren.
Die auf solche Weise durch die plastische Bearbeitung einer Gesenkverformung
oder durch dergleichen Verarbeitungsverfahren hergestellte eine
Kraft übertragende
Welle 1 kann ein plastisches Fließen des Ausgangsmaterials auf
die innere, diametrale Seite zu dem Zeitpunkt aufweisen, wo der
Durchmesser des Rohrelementes vermindert wird. Daher besteht eine
Neigung entsprechend welcher die innere, diametrale Oberfläche der
hohlen Welle Falten werfen kann.
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Gemäß der vorliegenden
Ausführungsform wird
daher die innere, diametrale Oberfläche 1c der eine Kraft übertragenden
Welle 1 durch eine Hochfrequenzinduktionshärtung und
Temperbehandlung gehärtet.
Mit anderen Worten, die Härtungsbehandlung wird
auf der inneren, diametralen Oberfläche 1c der eine Kraft übertragenden
Welle 1 durchgeführt,
indem man eine Spule für
die Hochfrequenzinduktionserhitzung auf der äußeren diametralen Seite der
eine Kraft übertragenden
Welle 1 anordnet. Die Härtungsbehandlung
kann ausgehend von der äußeren diametralen
Oberfläche 1d der
eine Kraft übertragenden Welle 1 her
durchgeführt
werden bis zu der inneren, diametralen Oberfläche 1c, und zwar durch
die Hochfrequenzinduktionshärtung
und Temperbehandlung durch die gesamte Wanddicke hindurch (ein schraffierter
Bereich, der in der 1 gezeigt wird, ist ein Bereich,
welcher der Hochfrequenzinduktionshärtung und einer Temperbehandlung
unterworfen worden ist, was einen ausgeglühten Zustand anzeigt). Daher
wird die Härte
des Oberflächenabschnittes
der inneren diametralen Oberfläche 1c der
eine Kraft übertragenden
Welle 1 bis auf eine Rockwell Härte HRC von 35 oder
mehr gebracht. Hierin bedeutet der Ausdruck "Oberflächenabschnitt" zum Beispiel einen Abschnitt,
der fast einem Viertel der Wanddicke der eine Kraft übertragenden
Welle 1 entspricht.
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So
wie dies oben beschrieben worden ist, wird die innere, diametrale
Oberfläche 1c der
eine Kraft übertragenden
Welle 1 gehärtet
unter Verwendung der Hochfrequenzinduktionshärtung und der Temperbehandlung
und die Härte
des Oberflächenabschnittes
der inneren, diametralen Oberfläche 1c wird
bis auf eine Rockwell Härte
HRC von 35 oder mehr gebracht. Daher führt zu dem Zeitpunkt der Herstellung
der eine Kraft übertragenden
Welle 1 durch eine plastische Bearbeitung die Faltenbildung auf
der inneren, diametralen Oberfläche 1c zu
eben diesem Zeitpunkt der Herstellung der eine Kraft übertragenden
Welle durch eine plastische Bearbeitung kaum zu der Veranlassung
eines Bruches, was einen Anstieg der Festigkeit der eine Kraft übertragenden Welle
selbst verursacht und zusätzlich
dazu eine stabile Torsionszeitfestigkeit sichert.
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Bei
dieser Ausführung
wird übrigens
eine Spule für
die Hochfrequenzinduktionserhitzung auf der äußeren diametralen Seite der
eine Kraft übertragenden
Welle 1 angeordnet, um die Härtungsbehandlung ausgehend
von der äußeren diametralen Seite
der eine Kraft übertragenden
Welle 1 her zu ermöglichen.
Gemäß der vorliegenden
Erfindung ist diese Behandlung jedoch nicht auf solch eine Anordnung
begrenzt. Die Spule für
die Hochfrequenzinduktionserhitzung kann auf der inneren diametralen
Seite der eine Kraft übertragenden
Welle 1 angeordnet werden, um die Härtungsbehandlung ausgehend
von der inneren diametralen Seite der eine Kraft übertragenden
Welle 1 her zu ermöglichen.
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Zusätzlich dazu,
wenn eine vorherbestimmte residuelle Druck- bzw. Kompressionsbeanspruchung auf
die äußere diametrale
Oberfläche 1d der
eine Kraft übertragenden
Welle 1 ausgeübt
wird, dann wird es möglich
die Torsionszeitfestigkeit der eine Kraft übertragenden Welle 1 weiter
zu steigern mit Hilfe einer Anhebung der residuellen Kompressionsbeanspruchung.
Eine residuelle Kompressionsbeanspruchung kann durch eine zweistufige
Kugelstrahlbehandlung ausgeübt
werden und sie kann dann 750 MPa oder mehr erreichen.
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In
der ersten Stufe der Kugelstrahlbehandlung vollzieht man eine hohe
residuelle Kompressionsbeanspruchung, um einen tiefgehenden Einfluss auf
die Oberfläche
des Metalls auszuüben.
Zu diesem Zweck sollte eine solche Kugelstrahlbehandlung unter Bedingungen
durchgeführt
werden, wobei jede Partikel, mit der geschossen werden soll, eine
Härte HV
von 750 oder mehr aufweist, und wobei eine Partikelgröße von 0,5–1,0 mm
vorliegt und wobei mit einer Geschwindigkeit von 60 m/Sekunde oder
mehr geschossen wird. Wenn die Partikelgröße der geschossenen Partikel
größer als
1 mm ist, dann wird die Oberfläche
der eine Kraft überfragenden
Welle 1 rau und die Zeitfestigkeit derselben nimmt ab.
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Andererseits
werden in der zweiten Stufe der Kugelstrahlbehandlung Geschosspartikel
verwendet, welche kleiner sind als diejenigen in der ersten Stufe, um
die residuelle Kompressionsbeanspruchung und die maximale Oberflächenhärte der
Oberfläche
der für
eine Kraftübertragung
bestimmten Welle 1 zu erhöhen und um die Oberflächenrauheit
zu verbessern. Daher weist für
diesen Zweck eine jede Partikel eine Härte HV von 750 oder mehr auf
und einen Durchmesser von 0,1–0,5
mm, was kleiner ist die Größe derselben
in der ersten Stufe. Daher ermöglicht
die Kugelstrahlbehandlung unter Verwendung kleinerer Partikel eine
residuelle Kompressionsbeanspruchung von 750 MPa oder mehr auf der
Oberfläche der
eine Kraft übertragenden
Welle 1. Der Grund für die
Bestimmung solch einer Beanspruchung bis zu 750 MPa oder mehr liegt
darin, dass die residuelle Kompressionsbeanspruchung auf die eine
Kraft übertragende
Welle, auf welche eine residuelle Kompressionsbeanspruchung nicht
durch eine Kugelstrahlbehandlung oder dergleichen ausgeübt worden ist,
750 MPa oder weniger aufweist. Mit anderen Worten, die Anwendung
von 750 MPa oder mehr an residueller Kompressionsbeanspruchung ermöglicht eine
weitere Zunahme der Torsionszeitfestigkeit.
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Die
vorliegenden Erfinder haben eine Torsionszeitfestigkeit bei neun
für eine
Kraftübertragung bestimmten
Wellen (Proben) ausgewertet. Die eine Kraft übertragenden Wellen haben dieselben
Innen- und Außendurchmesser
und sie werden der Hochfrequenzinduktionshärtung und der Temperbehandlung unter
verschiedenen Bedingungen unterzogen, so dass eine jede von ihnen
eine Härte
(Rockwell Härte HRC)
des Oberflächenabschnittes
der inneren, diametralen Oberfläche
aufweist, die unterschiedlich voneinander ist, während eine Rockwell Härte HRC der äußeren, diametralen
Oberfläche
einen Wert von 50 oder mehr aufweist. Die Ergebnisse der
Auswertungen sind in der in der 5 gezeigten
Tabelle aufgelistet.
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Die
Härte des
Oberflächenabschnittes
der inneren, diametralen Oberfläche 1c ist
ein Ergebnis der Messung der Härte
eines Abschnittes von fast 0,5 mm von der inneren, diametralen Oberfläche mit
Hilfe einer Vickers-Härtemessungsvorrichtung
und der Umwandlung der gemessenen Härte in eine Rockwell Härte. Während dieses
Testes wird in einem Zustand gemessen, bei welchem beide Enden der
eine Kraft übertragenden
Welle 1 gestützt
werden, ein Ende der eine Kraft übertragenden
Welle 1 befestigt ist, während auf das andere Ende derselben
ein Belastungsdrehmoment (± 1,0
kNm und ± 1,2
kNm) ausgeübt
wird. In der Tabelle zeigt der Ursprung des Bruches von "außen" ("out") die äußere diametrale Ursprungsseite
an, während "innen" ("in") die innere diametrale
Ursprungsseite anzeigt. Für
die Interpretation der Ergebnisse verwendet man als Standard, auf
welchen man eine Beurteilung basieren kann, die untere Grenze der
Festigkeit der vollen bzw. massiven Welle, welche denselben axialen
Teildurchmesser aufweist. Wenn das Belastungsdrehmoment ± 1,0 kNm
beträgt,
dann wird die eine Kraft übertragende
Welle akzeptiert, welche 400.000-mal oder öfter die wiederholte Drehmomentausübung ausgehalten hat.
Wenn das Belastungsdrehmoment ± 1,2
kNm beträgt,
dann wird die eine Kraft übertragende
Welle akzeptiert, welche 100.000-mal oder öfter die wiederholte Drehmomentausübung ausgehalten
hat.
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Wie
aus denjenigen in der 5 gezeigten Ergebnissen hervorgeht,
wird in dem Fall einer für
die Kraftübertragung
bestimmten Welle 1, welche eine innere diametrale Oberfläche 1c mit
der Härte
des Oberflächenabschnittes
von 35 oder mehr Rockwell Härte HRC aufweist, eine Faltenbildung,
die auf der inneren diametralen Oberfläche 1c erzeugt worden ist,
keinen Ausgangspunkt für
einen Bruch bilden, so dass solch eine Welle 1 hinsichtlich
der Torsionszeitfestigkeit akzeptiert wird.
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Weiterhin
haben die vorliegenden Erfinder eine Torsionszeitfestigkeit bei
einer jeden der für
eine Kraftübertragung
bestimmten Wellen 1 (Proben) ausgewertet, welche dieselben
Innen- und Außendurchmesser
aufweisen. Diese werden der Hochfrequenzinduktionshärtung und
der Temperbehandlung unter denselben Bedingungen mit oder ohne eine
Kugelstrahlbehandlung unterzogen. Die Ergebnisse des Tests sind
in der in der 6 gezeigten Tabelle aufgelistet.
Im Hinblick auf die residuelle Kompressionsbeanspruchung der äußeren diametralen
Oberfläche der
eine Kraft übertragenden
Welle 1 wird eine jede Probe extrahiert und sie wird dann
der Messung unterzogen, dies für
eine Probe mit oder ohne Kugelstrahlbehandlung. In diesem Test wird
in einem Zustand gemessen, in welchem beide Enden der eine Kraft übertragenden
Welle 1 abgestützt
sind, ein Ende der eine Kraft übertragenden
Welle 1 ist befestigt, während auf das andere Ende derselben
ein Belastungsdrehmoment (0–1,3
kNm) ausgeübt
wird.
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Wie
es aus den in der 6 gezeigten Auswertungsergebnissen
offensichtlich hervorgeht, ist die eine Kraft übertragende Welle 1,
welche der Kugelstrahlbehandlung unterzogen worden ist, vorteilhaft
hinsichtlich einer Steigerung der Torsionszeitfestigkeit, dies im
Vergleich zu einer Welle, die keiner Kugelstrahlbehandlung unterzogen
worden ist. Außerdem
weist die eine Kraft übertragende
Welle 1, die der Kugelstrahlbehandlung nicht unterzogen
worden ist, eine Oberfläche
mit einer residuellen Kompressionsbeanspruchung von 750 MPa als
Maximum auf. Daher ist es vorzuziehen, die Oberfläche der eine
Kraft übertragenden
Welle 1 mit einer residuellen Kompressionsbeanspruchung
von 750 MPa oder mehr bereitzustellen, indem sie der Kugelstrahlbehandlung
unterzogen wird.