JP4178106B2 - 車軸およびそれを作る方法と装置 - Google Patents

Description

本発明は請求項１の前文による車軸、および請求項４および９それぞれの前文による車軸を製造する方法とその方法を実施する装置に関するものである。

溶接軸ジャーナルを備えた中間軸部分の形状の車軸およびそのような車軸を製造する方法は、米国特許第４０４８４６６号明細書によってすでに公知である。その場合、軸ジャーナルの軸端部は、またそれらと共働する後方軸ビームの軸端部も、溶接中に後方軸ビームに対してジャーナルの正確な位置を維持するための特殊な肩部を備えている。その方法は電子ビーム溶接によって後方軸ビームに溶接される前に軸ジャーナルの全体が仕上げ加工されることを必要とする。

また、軸への歯車のレーザ溶接において、レーザ溶接を溶接領域の誘導加熱と組合わせることがヨーロッパ特許ＥＰ１０５３８２２号明細書から公知である。環状誘導装置が軸を取囲み、溶接ビームが工程中通過しうる孔を備えている。

本発明の一つの目的は、車軸に剛直な中間部分を形成し、それにより仕上げ加工された軸ジャーナルが中間軸部分の各端部に溶接されることである。車軸は、厳しい強度要求を満足し、製造の合理的方法を、とくに中間軸部分への軸ジャーナルの容易かつ迅速な永久的溶接に関連して、可能にしなければならない。このため、本発明は請求項１の特徴部分に記載されたものによって識別される。

本発明によれば、軸ジャーナルおよび中間軸部分はそれぞれ接触面において同じ材料厚さを有する。さらに、中間軸部分および少なくとも各軸ジャーナルは、接触面において材料厚さの半分より小さいものに等しい接触面からの距離内に材料厚さの減少部を備えている。このことは、材料内の応力が溶接シーム面から案内可能であることを意味し、そのことは合理的な溶接において阻止することが困難な破断線が発生するので必要である。こうして溶接シームが高い強度要求に対して適合することが可能になる。そうでなければ、溶接シームは低い精度で、一層迅速に、または危険においての特徴の強度要求を加えることのない経費の少ない作業に貢献する他の場合に実施される。

本発明の別の実施例において、各軸ジャーナルならびに中間軸部分は面の相互接触の前に、接触面から各接触面が備える材料厚さの半分より小さいものに等しい距離により薄い材料厚さを備える。

本発明の別の目的は、請求項１の前段に記載された型の車軸の合理的な製造を可能にすることである。このため、本発明は請求項１の特徴部分に記載されたものによって識別される。同じ材料厚さを有しかつ共働する平面に機械加工される軸端および軸ジャーナルは、本発明による方法において、合理的動力および供給速度でのレーザ溶接が使用されることを可能にし、それにより合理的な製造を可能にする。同時に、溶接ビームの焦点は、むしろ比較的厚い材料を通過し強い強度に対する要求を満足させる溶接ビームの可能性を生ずるように与えられる。溶接ビームの範囲したがって溶接シームの量を制限することにより、周囲の材料における熱影響は限定可能である。比較的穏やかなクランプ力は加工物を所定位置に固定し、溶接後に方向修正手段は必要ない。それにもかかわらず、軸ジャーナルおよび中間軸部分を所定の寸法公差の範囲内にすることが可能になるであろう。

軸ジャーナルおよび中間軸部分は鋼材から作られ、互いに接触する端面は、溶接がその領域において実施される前に、表面を囲んで同じ範囲が予熱される。予熱は溶接領域内の応力の危険を減少し、それにより溶接シームおよびその付近におけるクラックまたは他の欠陥の危険を少なくする。

本発明のさらに別の目的は、請求項１の前段による車軸の合理的製造を可能にすることである。このため、本発明は、請求項９に記載されたものによる装置によって識別される。したがって、予熱は、予熱に対して意図される位置への軸線方向運動を実施するため同期される誘導装置の方法によって実施される。この運動は、軸部分に対して接触するため各軸ジャーナルの軸線方向運動と共同して行なわれる。このことは、軸ジャーナルの運動と容易に組合わせ得る合理的予熱作業を可能にし、それにより溶接作業の前後両方における加工物の処理を容易にする。

その中心機械部材が中間軸部分を支持する機械工具の二つの外側機械部材において軸ジャーナルを囲むため、そこに示された誘導加熱装置を配置することは、比較的簡単な機械工具の準備によって合理的な製造の手順を可能にする。

本発明の他の優れた特徴は、発明の例示的実施例の下記の記載において指示される。

図１は、中間軸部分２およびそれに連結されることが可能な軸ジャーナル３がクランプされる機械工具１（以下溶接機とも称せられる）を示す。前記軸部分２は大型車両後車軸ビームの通常の型の形式を有し、図面には一方の半分のみが示されている。後車軸ビームは、機械１の他の半分に対応するクランプされた対応する他の半分を有するものと理解すべきである。

図２はその各端部に、環状の有利には円形の、端面４ａを有する軸部分２を示し、端面４ａは端面４ａに実質的に垂直な中心軸５ａを対象に囲んでいる（図２，３参照）。ブレーキブラケット２３もまた、孔２４における図示されないねじ連結によって車軸に固定された（図示されない）ブレーキ装置を支持するため後車軸２に溶接されている。各ジャーナル３はそれぞれ対応する円形端面を有し、互いに接触する端面の部分断面は符号４によって下記に指示されている。

図３は、図４において示す拡大図は軸ジャーナル３と軸ビーム２の間の溶接シーム１０による連結の断面を示す。図面は本発明による車軸の好適な実施例を示し、一緒に溶接されるそれぞれ軸ビーム２および軸ジャーナル３の内面６，７は、それぞれ互いに向き合った接触面４からａの距離にある材料厚さ減少部８，９を備えている。有利には、前記距離ａは接触面の材料厚さｂの２５〜５０％に等しい。材料厚さの減少ｃは接触面の材料厚さｂ自体の１５〜３０％、有利には前記厚さの約２５％である。さらに、材料厚さの減少は、材料厚さの大から小まで全体的に円弧状の変化、または材料の内面の実質的に半円形の凹所の形式を取る。凹所は材料厚さの減少の半分に等しいかまたはそれより大きい半径を有する。軸ビーム２の端部は、有利には、その内面６上に所望の材料厚さの変化をもたらすため、加熱された状態においてもひっくり返される。軸ジャーナル３の内面７は、ひっくり返し作用によって対応する材料厚さの変化をもたらされる。

車軸が負荷を加えられるとき、前記材料厚さの減少は、溶接シーム１０の内面上のいかなるクラック線も一緒に溶接された部分２，３の強度の減少を伴なう必要のないように、軸ジャーナル３および軸ビーム２を通る力の流れを案内する。

しかしながら、あまり厳格でない強度要求の場合、軸ビーム２は端に冷間加工され、その場合、記載されない実施例において、端面４ａに隣接する部分において材料厚さの変化は存在しない。そのような場合、軸ジャーナルの寸法変化は、軸は負荷が掛けられるとき溶接シーム１０の内面に近接したクラック線から離して力の流れを指向することで十分である。

軸ビーム２は、材料厚さが７から１５mm、有利には炭素含量が０．２％を超えない特殊鋼、たとえば規格名ＳＳＥＮ５５２１５８、中空ユニットを形成するため（図示しない）中心シームに沿って溶接された重い鋼板で通常の方法によって作られる。後者は所望の形状を与えられ、必要な軸受シートおよび製造の後段において、駆動軸および中心駆動動力伝達歯車、いわゆる中心歯車に適合する接触面を機械加工される。そのような場合、軸ビーム２の環状円形端面４ａもまた、中心軸線５ａに垂直な平面において所定の表面公差まで機械加工される。

軸ジャーナル３は、０．３５％より少ない程度の炭素含量をもった鋼材料、たとえば規格名ＳＳＥＮ５１２２２５、から鍛造される。それらの外面は、それぞれ通常のホイール軸受用の軸受レース１６，１７を作成するため別の機械工具において事前の加工作業において旋削され、ある場合には各ジャーナル３の外端は、ハブ歯車嵌装用のスプラインおよび／またはロックナット用ねじを作成するためフライス加工される。フライス加工は、軸ジャーナルの中心軸線５ｂに垂直な平面を形成するよう、所定の表面公差まで軸部分２の端面４ａに対応するそれらの環状端面を加工するため適用される。別の実施例において、軸ジャーナル３の端面は、軸ビーム２の端面４ａの補完的形状と共働し得るある軸対称な形状に機械加工される。

車軸を溶接する方法が下記に記載される。
図１は、機械工具１が、各軸ジャーナル３に面する軸部分２の端部を囲む環状固定具１３によって、中心軸部分２を所定の位置において固定する方法を示している。所定位置における固定は、すべての自由度において軸部分２の位置を調節することが可能である機械１の中心部材２２によって達成される。機械工具１上に支持された動力ローラ１９は、たとえば、固定リング１３、したがって軸部分２を、それらの中心軸線５ａの周りに所定速度で回転するため、歯車の相互作用によって回転させるため使用され得る。

ここに記載されない方法においては、各軸ジャーナル３は手動でまたは機械工具１に設置される通常のクランプチャック１４内のロボットにより設置される。軸ジャーナル３は通常の方法でそれらの各中心軸線５ｂの周りに所定の速度で回転され、その場合、この回転は軸部分２の上記回転と同期して発生する。

軸ジャーナル３を機械１に固定することは、それらの各円筒面１６，１７の平行性に関して所定の公差限定内にあることを確実に必要とする（図３参照）。このため、機械工具１はすべての自由度において加工物を設定する通常の設定設備を備えている。二つの軸ジャーナル３外端の中心点間の軸線は、各軸ジャーナル３の機械加工された内外のホイール軸受レース１７，１６の中心軸線５ｂと比較される。各中心軸線の間の１００mmに沿う距離はＸmmを超えるべきでない。重い高速道路用の車両に対して、前記公差限度Ｘは０．０６／１００程度のものでなければならない。さらに、軸部分２ならびに軸ジャーナル３の両方の端面４における材料の厚さｂは、実質的に同じ、すなわち材料の厚さｂの±１０％以内であろう。

この状態において、各軸ジャーナル３の端面４ｂは、中間軸部分２の対応する端面４ａに向かって運ばれる。このことは機械１の外側部材２１によって発生されるある所定の力、有利には５０ｋＮ程度、によって達成され、そのことは表面の相互の密接を生ずる。それにもかかわらず間隙は互いに向き合った円形接触面４のある部分に沿って発生する。過大な連結力は軸ビーム２に、作業の完了後引き続く跳ね戻りが平行性等に関する特定の要求に対する適合を阻止する危険性を伴う変形を生じ得る。前記加工物２，３の回転は、それが所定の力で互いに接触されたときにだけ発生する。

この二つの互いに並んだ同心誘導リング３１，３２の場合における形式の誘導加熱装置は、軸ジャーナル３を取り囲みかつそれと同心である。誘導リング３１，３２はキャリヤ３４に固定され、かつそれにより軸ジャーナル３と無関係にユニットとして軸方向運動するように配置され、軸ジャーナル３がクランプされる機械１の部材２１（図１参照）に連結されている。軸方向可動性は二方向矢印３５によって示されている。機械１に軸ジャーナル３をクランプするときの休止位置において、誘導リング３１，３２は機械１の中心に対して外側位置にあって、軸ジャーナル３はクランプされるチャック１４が近接する。誘導リング３１，３２の運動はそれにより機械１がその運動および機械の動作を実行するのに必要な作動を実施するコンピュータプログラムによって制御される（図示されない）動力発生電動装置によって実施される。

軸部分２のおよび軸ジャーナル３の端面４の間の密接が達成されたとき、誘導リング３１，３２は、軸線方向に誘導リング３１，３２が端面４の両側に対称的に設置されるように端面４が互いに接触する位置を取るようにされる。端面４の外径が１５０mm程度のものであるとき、軸部分２および軸ジャーナル３の外面からのそれらの距離は７±１mm程度のものであろう。軸線方向の誘導リング３１，３２の距離は５mm程度のものであろう。

通常のように、電気エネルギが（図示されない）電源から導線１０，１１を介して誘導リングに供給される。リング３１，３２は、それぞれ、有利には中を冷媒が流れるコアを備えた銅から作られる。この場合、コアは管１２を通して給装される水の形式の冷媒をリング３１，３２に備えられる。リングおよびそれらに供給されるエネルギは、３０ｋＷ程度の誘導動力を発生する。ここに関連する軸部分に通常使用される鋼材料および必要な強度を達成するため必要な比較的厚い材料の厚さによって、誘導リング３１，３２は、互いに接触する端面４の周りの両側の関連する溶接領域を２５０から３５０℃の範囲に加熱することができる。７mmを超える材料の厚さに対して、前記範囲まで加熱されるべき領域の厚さは、材料の厚さの少なくとも２００％、有利には誘導加熱される領域は材料の厚さの３００と４００％の間である。

誘導加熱装置３１，３２の軸線方向運動に関連して、レーザ溶接機ユニット４０も互いに接触する端面４に対して位置の中心をとるようにされる。有利には、レーザ溶接機ユニット４０は誘導リング３１，３２の上記運動を伴う。ユニット４０も、そのユニットが後車軸ビーム２の両軸端において溶接作用を実施できるように、機械の中心部材３３に枢着される。レーザ溶接機の溶接リング３１，３２の間を拡げることによって得られる（図示されない）目的によって作られた孔を通るように配置される。

レーザ溶接機ユニット４０は、１０ｋＷ以上の出力を供給し得る自体公知の種類のものである。所定の位置に達したとき、誘導加熱が開始し、一方互いに接触する加工物２，３はゆっくり回転されるか制止したままとされる。一旦加熱される材料が、ある時間ある動力で処理される加熱に対応した所定の温度に達すると、レーザ溶接が開始する。

レーザ溶接機ユニット４０は、９時と３時の間の位置、有利には１２時の位置に停止したままであり、互いに接触する加工物、すなわち軸ビーム２および各軸ジャーナル３の中心軸線５に対して本質的に半径方向に指向される。これらの加工物２，３は同時に接触したまま、特殊なレーザユニット４０に対して必要な溶接速度によって決定される速度で回転する。溶接速度したがって加工物２，３の回転は２cm／s以上とすべきであり、有利には８cm／s程度である。

レーザ溶接は、外面の材料厚さの０と３０％の間にレーザビームの焦点を結ぶことによって発生する。材料厚さが７と１５mmの間の場合、ビームは有利にはわずか数mmの、有利には２と５mmの間の幅の溶接シーム１０を形成する。しかしながら、同時に、シームの半径方向内面の幅ｄはシーム１０の外側部分の幅ｅよりわずかに小さいであろう。それにもかかわらず、溶接シーム１０の内端面がその外面から接触面４の材料厚さの少なくとも約０．２倍の半径方向距離にあるようにする注意が必要である。軸に動作中負荷を加えられるとき、力の流れを、溶接シーム１０の内端面上のクラック線から十分に離して通すようにすることが可能である。

本発明による方法によって、本発明による車軸を製造する機械工具の略図。 中間軸部分の端面図。 本発明による車軸の軸ジャーナルの形状および中間軸部分へのその連結の図。 溶接シームおよび一つの軸ジャーナルおよび中間軸部分の隣接部分を通る最終的拡大断面図。

Claims (5)

1. 仕上げ機械加工された軸ジャーナル（３）は、剛性中間部分（２）および各軸ジャーナル（３）の互いに向き合った軸端面（４）が実質的に同じ材料厚さを有し、かつ二つの軸ジャーナル（３）の同心性および平行性に関連して所定の寸法公差内の固定位置において互いに近接するとき剛性中間部分（２）の各軸端部に溶接される大型車両軸ビームタイプの鋼製車軸の製造方法において、
   前記面（４）がそれぞれ軸ジャーナル（３）および剛性中間部分（２）の対称軸線（５）に対して半径方向平面に機械加工されること、接触面（４）における材料厚さが７ mm を超えること、接触面（４）の部分断面が同じ範囲で部分断面を囲む所定の第１領域内で予熱されること、部分断面が軸ジャーナル（３）および剛性中間部分（２）の回転中溶接シーム（１０）が第１領域内にある外側幅を有すること、第１領域は溶接が開始し１０ｋＷを超える所定の電力を供給され、かつ２ cm ／ s を超える溶接速度において溶接シーム（１０）を形成するように、外面（４２）内に０と４ mm の間に焦点を結ぶそのレーザビームを有するレーザ溶接機（４０）によって実施される前に少なくとも所定の温度に達し、該溶接シーム（１０）がジャーナル（３）および剛性中間部分（２）の材料を貫通可能であり、材料の溶接および冷却後二つの軸ジャーナル（３）の同心性および平行性が所定の寸法公差内にあることを特徴とする鋼製車軸の製造方法。
2. 予熱は、軸部分（２）と接触するため各軸ジャーナル（３）の軸線方向運動と関連して所定の予熱位置への軸線方向運動を実施するため同期される誘導装置（３０）によるものであり、該位置が軸ジャーナル（３）と軸部分（２）との間の接触面（４）の部分断面に対して軸線方向に整合されることを特徴とする請求項１に記載された方法。
3. 接触される前に各軸ジャーナル（３）ならびに軸部分（２）の両方は接触面（４）からある距離に第１材料厚さを備え、該距離は接触面（４）における材料厚さの半分より小さいものに等しく、該第１材料厚さは各接触面（４）によって示される材料厚さより小さいことを特徴とする請求項１乃至２に記載された方法。
4. 軸ジャーナル（３）が中間剛性軸部分（２）の両端に溶接される車軸を溶接する装置であって、該装置が中間軸部分（２）を固定するための固定具（１３）を備えた内側機械部材（２２）、それぞれ各軸ジャーナル（３）を固定するためのチャック（１４）を備えた二つの互いに向き合った外側機械部材（２１）、中間軸部分（２）まで軸ジャーナル（３）とともにそれぞれのチャック（１４）を移動しかつクランプする動力発生装置、および溶接発生装置（４０）を有する車軸を溶接する装置において、
   前記外側機械部材（２１）が各軸ジャーナル（３）を囲むように配置された誘導加熱装置（３０）を有し、かつ溶接工程中中間軸部分（２）に接触する軸ジャーナル端部の接触面（４ｂ）に対して対称位置を有すること、
   前記溶接発生装置（４０）は、そのビームコーンが溶接工程中誘導加熱装置（３１，３２）の間に形成された孔を通るレーザ溶接機であること、および
   前記誘導加熱装置（３０）は予熱が実施された後それが軸部分（２）に溶接された軸ジャーナル（３）を解放するためチャック（１４）に向かって移動するように軸線方向に運動するように配置されていることを特徴とする車軸を溶接する装置。
5. 誘導加熱装置（３１，３２）はそれぞれ溶接工程の間剛性中間部分（２）に近接する軸ジャーナル端部の接触面（４ｂ）の両側に対称位置を有する平行に配置された二つのリングを有し、該リング（３１，３２）は、それらの上方部分上の位置に互いに拡張された円弧状の構成部を表出させ、それらの構成部間を溶接中レーザ溶接機のビームコーンが通過するようにしたことを特徴とする請求項３に記載された方法。

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