DE60217577T2 - Kraft übertragende Antriebswelle - Google Patents

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Katsuyuki Iwata-shi Ikei
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Description

  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • 1. GEBIET DER ERFINDUNG
  • 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.
  • 2. BESCHREIBUNG DES STANDES DER TECHNIK AUF DIESEM GEBIET
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • In den beiliegenden Zeichnungen findet man folgende Darstellungen:
  • 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;
  • 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;
  • 3 ist eine radiale Querschnittsansicht eines Elektroverbindungsabschnittes bei einem Rohr (d.h. eines mit Hilfe des Elektrowiderstandsschweißens hergestellten Rohres);
  • 4 ist eine Tabelle der Ergebnisse einer Prüfung der Torsionszeitfestigkeit;
  • 5 ist eine Tabelle der Ergebnisse einer Prüfung der Torsionszeitfestigkeit; und
  • 6 ist eine Tabelle der Ergebnisse einer Prüfung der Torsionszeitfestigkeit mit oder ohne Behandlung durch Kugelstrahlung.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGEN
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Als eine die Kraft übertragende Welle 1 können andere Arten von Rohren außer den durch Elektrowiderstandsschweißen hergestellten Rohren verwendet werden, zum Beispiel wie folgt.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.

Claims (9)

  1. Kraft übertragende Antriebswelle (1) mit einem Rohrteil (1a), welches aus einem Stahlmaterial hergestellt ist, und mit Verbindungsgliedern (1b), welche jeweils auf den einander entgegengesetzten Enden des Rohrteiles (1a) bereitgestellt sind, dadurch gekennzeichnet, dass das Stahlmaterial einschließt: 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 (3) aufweist, welcher sich entlang einer axialen Richtung erstreckt, wobei der Elektroverbindungsabschnitt (3) und die Nachbarschaft desselben durch eine Härtungsbehandlung gehärtet sind, derart dass dieselben eine Rockwell Härte HRC von 45 oder mehr aufweisen.
  2. Kraft übertragende Antriebswelle gemäß Anspruch 1, wobei die Härtungsbehandlung eine Hochfrequenzinduktionshärtung und eine Temperbehandlung ist.
  3. Kraft übertragende Antriebswelle gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die Verbindungsglieder (1b) integral auf den einander gegenüberliegenden Enden der Welle (1) hergestellt werden, welch letztere ausgehend von einem Stahlelementrohr durch eine plastische Bearbeitung hergestellt wird und welche eine innere diametrische Oberfläche (1c) umfasst, welche einer Härtebehandlung unterworfen wird.
  4. Kraft übertragende Antriebswelle gemäß Anspruch 3, wobei die Härtebehandlung eine Hochfrequenzinduktionshärtung und eine Temperbehandlung ist.
  5. Kraft übertragende Antriebswelle gemäß Anspruch 3 oder 4, wobei die gehärtete Schicht, welche durch die Härtebehandlung gebildet wird, sich ausgehend von einer äußeren diametrischen Oberfläche (1d) hin zu der inneren diametrischen Oberfläche (1c) erstreckt.
  6. Kraft übertragende Antriebswelle gemäß Anspruch 5, wobei die Härte des Oberflächenabschnitts der inneren diametrischen Oberfläche (1c) eine Rockwell Härte HRC von 35 oder mehr aufweist.
  7. Kraft übertragende Antriebswelle gemäß Anspruch 5, wobei eine vorherbestimmte restliche Kompressionsspannung auf die äußere diametrische Oberfläche (1d) ausgeübt wird.
  8. Kraft übertragende Antriebswelle gemäß Anspruch 7, wobei die vorherbestimmte restliche Kompressionsspannung durch eine Kugelstrahlbehandlung ausgeübt wird.
  9. Kraft übertragende Antriebswelle gemäß Anspruch 7 oder 8, wobei die vorherbestimmte restliche Kompressionsspannung 750 MPa oder mehr beträgt.
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