SE522485C2 - Fordonsaxel samt sätt och arrangemang för att tillverka densamma - Google Patents

Description

20 25 30 5 2 2 4 å 5 I ¿'_'_'¿ __: f; _ gg j;=_ - o ø o ~ :n utformad med en godstjockleksreducering inom ett avstånd från anligg- ningsytorna som underskrider halva godstjockleken vid anliggningsytorna.

Härigenom kan spänningarna i godset styras bort från svetsfogens yta, vilket är väsentligt eftersom där kan förekomma brottsanvisningar vilket svårligen kan undvikas vid rationell svetsning. Detta möjliggör att höga hållfasthets- krav på svetsfogen kan innehållas. Alternativt kan svetsfogen utföras med mindre noggrannhet, snabbare eller på annat sätt som bidrar till en billigare operation utan att uppställda hållfasthetskrav äventyras.

Vid ännu en utföringsform av uppfinningen har såväl respektive axeltapp som axelpartiet innan ytornas anliggning mot varandra utformats med mind- re godstjocklek på ett avstånd från anliggningsytan som åtminstone under- stiger halva den godstjocklek som respektive anliggningsyta uppvisar.

Ett annat ändamål med uppfinningen är att den ska möjliggöra en rationell tillverkning av fordonsaxlar av den typ som anges i patentkravets 1 ingress. l detta syfte utmärkes uppfinningen av vad som anges i patentkravets 4 kän- netecknande del. Genom att axeländarna och axeltapparna har samma godstjocklek och bearbetas till samverkande plan kan vid det uppfinningsen- liga förfarandet lasersvetsning med rimliga effekter och matningshastigheter utnyttjas, vilket möjliggör en rationell tillverkning. Samtidigt kan svetsstrålen ges ett fokus som möjliggör en svetsfog som genomgår även förhållandevis tjockt gods och som uppfyller kraven på hög hållfasthet. Genom svetsstrå- lens och därmed svetsfogens begränsade utbredning kan dess värmepåver- kan på omgivande gods begränsas. En förhållandevis måttlig fastspän- ningskraft kan hålla arbetsstyckena fixerade i läge och något behov att utfö- ra riktningskorrlgerande åtgärder efter svetsningen behöver inte uppstå. Ax- eltapparna och det mellanliggande axelpartiet kan ändock ligga inom de för- utbestämda måttoleranserna.

Axeltapparna och axelpartiet är utförda i stålmaterial varvid de mot varandra 10 15 20 25 30 522. 485 _; ="--'_'= www ,--;=;; 3 : :zz- '=.

Q | ø | u: liggande ändytorna förvärms i ett område som till lika delar omger ytorna in- nan svetsníngen utförs i detta område. Genom förvärmningen minskar ris- ken för spänningar inom svetsområdet, vilket i sin tur medför minskad risk för sprickor och andra defekter i svetsfogen och dess närhet.

Ett ytterligare ändamål med uppfinningen är att möjliggöra en rationell till- verkning av en fordonsaxel enligt patentkravets 1 ingress. l detta syfte ut- märkes uppfinningen av ett arrangemang enligt vad som anges i patentkra- vet 7. Därvid sker förvärmningen med en induktionsanordning som är syn- kroniserad att utföra en axialrörelse till ett för förvärmningen avsett läge. Rö- relsen sker i beroende av respektive axeltapps axiella rörelse till anliggning mot axelpartiet. Härigenom möjliggörs en rationell förvärmningsoperation som enkelt kan kopplas till axeltapparnas rörelser, vilket underlättar hanter- ingen av arbetsstyckena såväl före som efter svetsoperationen.

Genom att den däri angivna induktionsuppvärmningsanordningen är anord- nad att omge axeltapparna vid två yttre maskindelar hos den verktygsmaskin vars mittre maskindel uppbär det mellanliggande axelpartiet möjliggörs en rationell tillverkningssekvens med en förhållandevis enkel uppbyggnad av verktygsmaskinen. Övriga för uppfinningen utmärkande särdrag framgår av efterföljande be- skrivning av en exemplifierande utföringsform av uppfinningen.

Figurförteckning Figur 1 visar ett schematiskt en verktygsmaskin för tillverkning av en uppfin- ningsenlig fordonsaxel i enlighet med det uppfinningsenliga förfarandet.

Figur 2 visar en ändvy av det mellanliggande axelpartiet medan Figur 3 visar utformningen av en uppfinningsenlig fordonsaxels axeltapp och dess anslutning till det mellanliggande axelpartiet.

Figur 4 visar slutligen i förstoring ett snitt genom svetsfogen och närliggande 10 15 20 É ß »upon :annu 522 485 4 a q e I Q I~ delar av en axeltapp och det mellanliggande axelpartiet.

Beskrivning av en utföringsfonn l figur 1 visas en verktygsmaskin 1 (i fortsättningen även benämnd svetsma- skin) i vilken ett mellanliggande axelparti 2 samt en därtill förbindbar axel- tapp 3 är uppspända. Här exemplifieras nämnda axelparti av en vid tyngre fordon vanligt förekommande bakaxelbrygga av vilken enbart den ena hal- van återges i figuren. Det är underförstått att bakaxelbryggan har en motsva- rande andra halva vilken är uppspänd i en motsvarande andra halva av ma- skinen 1.

Av figur 2 framgår att axelpartiet 2 i sina respektive ändar har en gavelyta 4a, som är ringformig - med fördel cirkulär - och som symmetriskt omger en axiell mot gavelytan 4a väsentligen vinkelrät centralaxel 5a (se figur 2 och 3). Ett bromsfäste 23 är dessutom fastsvetsat på bakaxelbryggan 2 för att med ej visade skruvförbindningari hål 24 uppbära vid fordonsaxeln fäst bromsutrustning (ej visad). Det är underförstått att respektive tapp 3 uppvi- sar en motsvarande cirkulär gavelyta, varvid dock i fortsättningen delsnittet för de mot varandra liggande gavelytorna betecknas 4.

Figur 3 och i förstoring figur 4 återger ett snitt av en axeltapps 3 förbindning via en svetsfog 10 med axelbryggan 2. Figuren visar en föredragen utfö- ringsform av en uppfinningsenlig fordonsaxel, där de inre ytorna 6 respektive 7 på de ändpartier hos axelbryggan 2 respektive axeltapparna 3, som ska fastsvetsas vid varandra är försedda med en godstjockleksminskning 8 re- spektive 9 med början på ett avstånd a från de mot varandra vända anligg- ningsytorna 4. Med fördel är nämnda avstånd a mellan 25 och 50% av an- liggningsytornas godstjocklek b. Godstjockleksminskningen c är i sin tur i storleksordningen 15 - 30% av anliggningsytornas godstjocklek b, med för- del ca 25% av nämnda tjocklek. Vidare utformas godstjockleksminskningen som en mjukt bågformad övergång från den större till den mindre gods- 10 15 20 i" 25 sann: ... . ..... * - 30 III I I 52-2 4-85 tjockleken eller som en väsentligen halvcirkelformad urtagning på godsets inneryta. Urtagningen har en radie som är lika med eller överstiger halva godstjockleksminskningen. Axelbryggans 2 ändparti kan med fördel i upp- värmt tillstånd stukas för att därigenom åstadkomma den önskade gods- tjockleksförändringen på dess inneryta 6. Axeltappens 3 inneryta 7 formas med motsvarande godstjockleksförändring genom en svarvningsoperation.

Nämnda minskningar av godstjockleken styr under belastning av fordons- axeln kraftflödet genom axeltapparna 3 respektive axelbryggan 2 så att eventuella sprickanvisningar vid svetsfogens 10 inneryta inte behöver inne- bära någon minskning í hållfastheten hos de sammansvetsade delarna 2 och 3.

Vid mindre krav på hållfasthet är dock axelbryggan 2 enbart kallbearbetad och kan då i en ej visad uttöringsform vara utformad utan ändringar i gods- tjockleken i det parti som närligger gavelytan 4a. I detta fall är axeltappens dimensionsförändring tillräcklig för att påverka kraftflödet under belastning bort från eventuella sprickanvisningar invid svetsfogens 10 inre yta.

Axelbryggan 2 är tillverkad på sedvanligt sätt i grov stålplåt, godstjocklek mellan 7 och 15 mm, med fördel i specialstål med kolhalt ej över 0,2% ex- empelvis med beteckning SSEN 552158, som svetsas längs en centralt här ej visad söm till en ihålig enhet. Denna ges önskad form och bearbetas till att innehålla nödvändiga lagersäten och anliggningsytor för att i senare pro- duktionssteg kunna upptaga här ej visade drivaxlar och en centralt drivkraft- överförande kugghjulsvåxel, en s k centralväxel. Därvid har även axelbrygg- ans 2 ringformiga cirkulära gavelyta 4a bearbetats till förbestämd ytfinhet i ett normalplan till centralaxeln 5a.

Axeltapparna 3 är smidda i ett stålmaterial med kolhalt, i storleksordningen under 0,35% exempelvis ett stål med beteckning SSEN 512225. På dess . . n . . . . . . . - . u »o u. u. .. .l - - .. -. u. u . . u u . . - I ø u 5 . . . - u .n u u 10 15 20 , .

I '25 , 5 . sauna iu-:f 5212 485 ..- =z': .z a:_-. 6 Z Z C '.' °..' J. ' ' ytteryta har i en tidigare bearbetningsoperation i en separat verktygsmaskin svarvats Iagerbanor 16 respektive 17 för en sedvanlig hjullagring och i vissa fall fräses splines i tappens 3 ytterânde för nawäxelmontering och/eller skruvgänga för låsmutter. Genom fräsning bearbetas dess ringformiga ga- velyta svarande mot axelpartiets 2 gavelyta 4a till förbestämd ytfinhet så att den utgör ett normalplan till en centralaxel 5b för axeltappen. Vid alternativa utföringsformer kan axeltappens 3 gavelyta bearbetas till annan rotations- symmetrisk åstadkommen form som kan samverka med en komplementär utformning av axelbryggans 2 gavelyta 4a.

I det följande beskrivs en metod för svetsning av fordonsaxeln.

I den i figur 1 visade verktygsmaskinen 1 visas hur det mellanliggande axel- partiet 2 är fixerat i förbestämt läge med hjälp av ringformade fixturer 13, som omger axelpartiets 2 mot respektive axeltapp 3 vända ändpartier. Fixe- ringen i förbestämt läge sker genom att maskinens 1 mittdel 22 kan justera in axelpartiets 2 läge i alla frihetsgrader. Fixturringarna 13 och därmed axel- partiet 2 kan av på verktygsmaskinen 1 stödjande drivrullar 19 bringas ex- empelvis genom kuggsamverkan att rotera i förbestämd hastighet runt sin centrala axel 5a.

På ett här ej återgivet sätt förs respektive axeltapp 3 antingen manuellt eller med robot in i en i verktygsmaskinen 1 befintlig sedvanlig inspänningschuck 14 där den fixeras. Axeltapparna 3 kan på sedvanligt sätt bringas att rotera i förbestämd hastighet runt sina respektive centrala axlar 5b, varvid denna rotation sker synkront med tidigare omnämnd rotation av axelpartiet 2.

Vid axeltapparnas 3 fixering i maskinen 1 tillses att axeltapparnas 3 läge re- lativt varandra ligger inom en förbestämd toleransgräns vad avser parallelli- tet hos deras respektive cylindriska ytor 16 respektive 17 (se figur 3). l detta syfte är verktygsmaskinen 1 försedd med sedvanliga inställningsmöjligheter vad avser inställning av arbetsstyckena i alla frihetsgrader. Axeln mellan u c u u o av u n u »o o u o o o | ø o ~ c o n I 00 522 485 7 centrumpunkterna hos de båda axeltapparnas 3 ytterändar jämförs därvid med centralaxeln 5b för respektive axeltapps 3 bearbetade yttre och inre la- gerbanor 16, 17 för hjullagringen. Avståndet mellan respektive centrumaxlar efter 100 mm får därvid ej överskrida X mm. För tunga Iandsvägsfordon ska 5 nämnda toleransgräns X vara i storleksordningen 0,06/100. Vidare är gods- tjockleken b vid gavelytorna 4 hos dels axelpartiet 2 dels axeltapparna 3 vä- sentligen lika stor d v s inom +/- 10 % av godstjockleken b. l detta läge förs respektive axeltapps 3 gavelyta 4b mot motsvarande gavel- 10 yta 4a på det mellanliggande axelpartiet 2. Detta sker med viss av maski- nens 1 ytterdelar 21 utövad förbestämd kraft, med fördel i storleksordningen 50 kN, som ger dikt anliggning av ytorna mot varandra. En spalt kan dock uppträda längs vissa delar av de mot varandra vända cirkulära anliggnings- ytorna 4. Alltför stor anslutningskraft innebär att axelbryggan 2 kan deforme 15 ras med risk för att en efterföljande återfjädring efter operationens slut kan medföra att ställda krav på parallellitet etc. inte kan innehållas. En ovan- nämnd rotation av arbetsstyckena 2, 3 kan endast ske när dessa kommit till anliggning mot varandra med den förbestämda kraften. 20 Ett induktionsuppvärmningsarrangemang 30 i form av i detta fall två bredvid varandra belägna koncentriska induktionsringar 31, 32 omger axeltappen 3 och uppvisar koncentricitet gentemot denna. lnduktionsringarna 31, 32 är fastgjorda vid en hållare 34 och är därigenom som en enhet axiellt rörligt anordnade oberoende av axeltappen 3 och kopplade till den i figur 1 visade 25 delen 21 av maskinen 1 i vilken axeltappen 3 är uppspänd. Den axiella rör- H ligheten åskàdliggörs av den dubbelriktade pilen 35. l viloläge i samband med axeltappens 3 fastspänning i maskinen 1 befinner sig induktionsringar- na 31, 32 i ett relativt maskinens 1 mitt yttre läge nära chucken 14 i vilken axeltappen 3 inspännes. lnduktionsringarnas 31, 32 rörelse åstadkommes 30 med sedvanliga kraftalstrande elektrohydrauliska organ (ej visade) som styrs ' av ett dataprogram efter vilket maskinen 1 utför sina rörelser och aktiviteter . » . - . Q ' . , ' . . . . . - . - ø | » H 522 485 s för operationernas utförande.

Efter att den dikta anliggningen mellan axelpartiets 2 och axeltappens 3 ga- velytor 4 uppnåtts bringas induktionsringarna 31, 32 inta läge relativt de mot 5 varandra anliggande gavelytorna 4 så att ringarna 31, 32 i axiell riktning är belägna symmetriskt på ömse sidor om gavelytorna 4. Deras avstånd till yt- terytan hos axelpartiet 2 och axeltappen 3 är i storleksordningen 7 mm +/- 1 mm i de fall gavelytornas 4 ytterdiameter är i storleksordningen 150 mm. ln- duktionsringarnas 31, 32 avstånd från varandra i axialled är i storleksord- 10 ningen 5 mm.

På sedvanligt sätt matas elektrisk energi från en elektrisk källa (ej visat) i ledningar 10, 11 till induktionsringarna. Ftingarna 31, 32 är var och en lämp- ligen utförda i koppar med en kylvätskegenomströmmad kärna. I detta fall 15 tillförs kärnan vatten som kylvätska vilken pumpas genom ledningar 12 till ringarna 31, 32. Ftingarna och energimatningen till desamma möjliggör en inducerande effekt, storleksordningen 30 kW. I de stålmaterial som vanligen används för här aktuella axeldelar och vid de relativt grova godstjocklekar som krävs för att nå den erforderliga hållfastheten förmår induktionsringarna 20 31, 32 att uppvärma det aktuella svetsområdet på ömse sidor om de mot varandra liggande gavelytorna 4 till temperaturer i området 250 - 350 C°. Vid godstjocklekar över 7 mm krävs att området som erhåller uppvärmning till nämnda gradtal åtminstone överstiger 200% av materialets godstjocklek, _ med fördel utgör det induktionsuppvärmda området mellan 300 - 400 % av 25 godstjockleken. 5 Tillsammans med induktionsuppvärmningsanordningens 31, 32 axiella för- flyttning bringas även ett Iasersvetsaggregat 40 att inta läge mitt för de mot varandra liggande gavelytorna 4. Med fördel följer lasersvetsaggregatet 40 - ' 30 med i induktionsringarnas 31, 32 rörelse som beskrivits ovan. Aggregatet I 40 kan även utformas svängbart lagrat vid maskinens mittdel 22 så att ett 10 15 20 25 30 v | a . u 522 4859 i -- v.. och samma aggregat kan fås att utföra svetsoperationer vid båda axelän- darna hos bakaxelbryggan 2. Lasersvetsens stråle är anordnad att genomgå en härför arrangerad öppning (ej visad) som åstadkommits genom en vidg- ning mellan induktionsringarna 31, 32.

Lasersvetsaggregatet 40 är av ett i och för sig känt slag som kan avge en uteffekt över 10 kW. Så snart det förbestämda läget har uppnåtts startar in- duktionsuppvärmningen under det att de mot varandra liggande arbets- styckena 2, 3 långsamt roterar alternativt står stilla. Omedelbart efter att det uppvärmda materialet nått den förbestämda temperaturen, vilket i och för sig kan likställas med att uppvärmningen med viss effekt försiggått under en viss tid, startar lasersvetsningen.

Lasersvetsaggregatet 40 står stilla i ett läge mellan klockan nio och tre, med fördel i läge klockan tolv och med laserstrålen riktad i allt väsentligt radiellt relativt den centrala axeln 5 för de mot varandra liggande arbetstyckena, d v s för axelbryggan 2 och respektive axeltapp 3. Dessa arbetsstycken 2, 3 ro- terar under samtidig anliggning med en hastighet som bestäms av den svetshastighet som önskas med laseraggregatet 40 ifråga. Svetshastigheten och därmed rotationen hos arbetsstyckena 2, 3 bör överstiga 2 cm/s och den är med fördel i storleksordningen 8 cm/s.

Lasersvetsningen sker med en fokusering av laserstrålen mellan O - 30% av godstjockleken innanför ytterytan. Vid godstjocklekar mellan 7 och 15 mm ger strålen med fördel en svetsfog 10 som enbart blir ett fåtal mm bred, med fördel mellan 2 och 5 mm. Därvid är dock bredden d hos fogens radiellt inre yta obetydligt mindre än bredden e hos den yttre delen av fogen 10. Dock skall tillförsäkras att svetsfogens 10 inre ändyta hamnar på ett radiellt av- stånd åtminstone ca 0,2 ggr anliggningsytornas 4 godstjocklek från dessas ytteryta. Därigenom kan kraftflödet genom anliggningsytorna 4 vid axelns belastning under drift ledas tillräckligt långt från eventuella sprickanvisningar vid svetsfogens 10 inre ändyta.

Claims (1)

1. 5 22 4l§>5 u n n Q nu Patentkrav

1. Fordonsaxel innefattande ett stelt mellanparti (2) med en axeltapp (3) fastsvetsad till vardera av dess båda ändar, vilket mellanparti (2) och respektive axeltapp (3) har anliggningsytor (4a respektive 4b) med väsentligen samma godstjocklek kännetecknat av att åtminstone endera av respektive axeltapp (3) och mellanpartiet (2) är utformad med en godstjockleksreducering (8, 9) beläget på ett avstånd (a) från anliggningsytorna (4), som är mellan 25% och 50% av godstjockleken vid anliggningsytorna (4). Fordonsaxel enligt patentkravet 1 kännetecknat av att godstjockleksminskningen (8, 9) är i sin tur i storleksordningen 15 - 30% av anliggningsytornas (4) godstjocklek och att såväl respektive axeltapp (3) som axelpartiet (2) har utformats med nämnda godstjockleksminskning (8, 9). Fordonsaxel enligt patentkravet t kännetecknat av att enbart respektive axeltapp (3) har utformats med nämnda godstjockleksminskning (9). Förfarande för tillverkning av i stål utformade fordonsaxlar där färdigbearbetade axeltappar (3) svetsas till respektive axelände hos ett mellanliggande stelt axelparti (2) där mot varandra vända axiella ändytor (4) hos axelpartiet (2) och respektive tapp (3) har väsentligen samma godstjocklek och anligger mot varandra i fixerat läge inom förutbestämda måttoleranser avseende de båda tapparnas (3) koncentricitet och parallellitet kännetecknat av att nämnda ytor (4) bearbetas till radiella plan relativt tappens(3) respektive axelpartiets (2) symmetriaxel (5), att godstjockleken vid anliggningsytorna (4) överstiger 7 mm, att delsnittet för anliggningsytorna (4) förvärmes inom ett förbestämt första område som till lika delar omger delsnittet, att delsnittet svetsas under rotation av tappar (3) och axelparti (2) så att svetsfogen (10) erhåller en yttre bredd som ligger inom det första området, att det första området innan svetsningen påbörjats åtminstone erhållit en förutbestämd temperatur, att svetsningen sker med lasersvets (40) som matas med elektrisk effekt, som överstiger 10 kW och vars lasersträle har en fokusering mellan 0 och 4 mm innanför godsets ytteryta (42) så att vid en svetshastighet över 2 cm/s en svetsfog (10) bildas, som helt förmår 522- 485 s":"I=.s"="I* ' 11 = ==-.- ..=s '- ' v ~ u ø | u o , , , _' genomtränga axeltapparnas (3) respektive axelpartiets (2) gods, varvid efter svetsningen och godsets avkylning de båda tapparnas (3) koncentricitet och parallellitet ligger inom de förutbestämda måttoleranserna. . Förfarande enligt patentkravet 4 kännetecknat av att förvärmningen sker med en induktionsanordning (30) som är synkroniserad att utföra en axialrörelse till ett för förvärmningen avsett läge i beroende av respektive axeltapps (3) axiella rörelse till anliggning mot axelpartiet (2), vilket läge är ett i axialled centrerat läge relativt delsnittet för anliggningsytorna (4) mellan axeltappen (3) och axelpartiet (2). . Förfarande enligt något av patentkraven 4 eller 5 kännetecknat av att innan anliggning såväl respektive axeltapp (3) som axelpartiet (2) utformas med en första godstjocklek på ett avstånd från anliggningsytan (4) som understiger halva godstjockleken vid anliggningsytan (4), vilken första godstjocklek är mindre än den godstjocklek som respektive anliggningsyta (4) uppvisar. . Arrangemang för svetsning av en fordonsaxel, där en axeltapp (3) svetsas till vardera änden av ett mellanliggande stelt axelparti (2), vilket arrangemang innefattar en inre maskindel (22) med en fixtur (13) för fastgöring av det mellanliggande axelpartiet (2), två motställda yttre maskindelar (21) med vardera en chuck (14) för fastgöring av respektive axeltapp (3), kraftalstrande organ för förflyttning och fasthällning av respektive chuck (14) med axeltapp (3) mot det mellanliggande axelpartiet (2) samt svetsalstrande organ (40) kännetecknat av att de yttre maskindelarna (21) har induktionsuppvärmande organ (30) anordnade så att de omger respektive axeltapp (3) och har ett i samband med svetsförfarandet symmetriskt läge relativt axeltappsändens anliggningsyta (4b) mot det mellanliggande axelpartiet (2), att det svetsalstrande organet (40) är en lasersvets, vars strälkägla vid svetsning genomgår en öppning i det induktionsuppvärmande organet (31, 32) och att organet (30) är anordnat axiellt förflyttbart för att efter genomförd uppvärmning förflyttas in mot chucken (14) för friläggning av de vid axelpartiet (2) fastsvetsade axeltapparna (3). . Arrangemang enligt patentkrav 7 kännetecknat av att de induktionsuppvärmande organen (31, 32) innefattar var och en två parallellt anordnade ringar vilka i 522 4 ss i n; 12 j ; z ~ . . 1": å " nu o.. samband med svetsförfarandet har symmetriskt läge på ömse sidor om axeltappsändens anliggningsyta (4b) mot det mellanliggande axelpartiet (2) och vilka ringar (31, 32) vid en position på sina övre delar uppvisar från varandra vidgade bågformer mellan vilka Iasersvetsens strålkägla löper vid svetsning.