WO2020074029A1 - Verfahren zum herstellen eines planetengetriebes und aktiver wankstabilisator eines kraftfahrzeuges mit diesem planetengetriebe - Google Patents

Verfahren zum herstellen eines planetengetriebes und aktiver wankstabilisator eines kraftfahrzeuges mit diesem planetengetriebe Download PDF

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    • B60G2204/419—Gears
    • B60G2204/4191—Planetary or epicyclic gears

Definitions

  • the present invention relates to a method for producing a planetary gear and an active roll stabilizer of a motor vehicle with this planetary gear.
  • DE10 2014 205 261 A1 discloses an active roll stabilizer with an actuator arranged between two torsion bar parts, the housing of which connects to one
  • Torsion bar part and its output shaft is connected to the other torsion bar part.
  • a three-stage planetary gear is arranged between the fixed motor and the output shaft of the actuator.
  • the middle planetary stage has a sun gear that is firmly connected to a planet carrier.
  • the object of the present invention was to provide a planetary gear which can be inexpensively manufactured in large quantities and which ensures a perfect connection between the sun gear and the planet carrier.
  • this object was achieved by a method for producing a
  • Planetary gear according to claim 1 solved.
  • the sun gear and the planet carrier are formed from steel in a known manner.
  • the unhardened sun gear and the unhardened planet carrier are by means of
  • Laser welding firmly connected to one another to form a welding assembly.
  • the components therefore remain soft up to this joining.
  • Laser welding enables a narrow and slim weld shape.
  • Sun gear and planet carrier can be without
  • the focal spot of the laser has a typical diameter of a few tenths of a millimeter, which results in very high energy concentrations if the laser used has the typical power of a few kilowatts. Absorption of the laser power results in an extremely rapid increase in the workpiece surface
  • the heat affected zone created by laser welding has a structure whose properties differ from the properties of the structure outside of the
  • this welding assembly is heat-treated using case hardening.
  • Case hardening involves carburizing, hardening and tempering the joined parts.
  • the goal of case hardening is a soft and tough core with a hard surface of the material.
  • the surface layer of the workpiece is enriched with carbon in a suitable carburizing medium.
  • the recrystallization temperature of the materials is exceeded, as a result of which the different structures in the heat affected zone of the laser re-form into a uniform, fine-grained structure of the parts joined together.
  • the heat affected zone can be completely regressed by this heat treatment.
  • low-pressure carburizing in a vacuum with high-pressure gas quenching proves to be very advantageous with regard to the smallest possible distortion of the sun gear.
  • the planet carrier preferably has a central opening and the sun gear has an axial end on the outer circumference of a planet carrier seat which is inserted into the central opening of the planet carrier and then the sun gear is connected to the
  • Planet carrier can be formed from at least one sheet metal part formed in a forming process, the disk-shaped carrier section of which is provided with the central opening for receiving the planet carrier seat. During the joining process, material melts both on the planet carrier in the region of its central opening and on the sun gear in the region of its planet carrier seat.
  • the sun gear is preferably designed as a hollow part with teeth arranged on the outer circumference, the hollow part at one end of the planet carrier seat for receiving the Planet carrier has.
  • the starting material for these hollow parts can be a tube from which these hollow parts are cut to length. Sun gears made from them are light in weight and are therefore particularly suitable for applications in motor vehicles.
  • a planetary gear produced by the method according to the invention is suitable as a component of an active roll stabilizer of a motor vehicle.
  • the roll stabilizer has an actuator arranged between two torsion bar parts, the housing of which is non-rotatably connected to one torsion bar part and the output shaft of which is connected to the other torsion bar part. Between the housing-fixed motor of the actuator and its
  • the output shaft is the one produced according to the method according to the invention
  • This three-stage planetary gear is preferably designed in its middle planetary stage according to the inventive method. Adjacent planetary stages can be produced in the same way.
  • Figure 1 shows an active roll stabilizer of a motor vehicle in a schematic
  • FIG. 2 shows a practical embodiment of a welding assembly of the planetary gear according to FIG. 1 in a perspective view
  • FIG. 3 shows a longitudinal section through the welding assembly from FIG. 2 after a first method step
  • Figure 4 is an enlarged detail of Figure 3.
  • FIG. 5 shows a longitudinal section through the welding assembly from FIG. 2 after a further method step
  • FIG. 6 shows an enlarged detail of FIG. 5.
  • FIG. 1 shows an active roll stabilizer with an actuator 3 arranged between two torsion bar parts 1, 2 only indicated here, the housing 4 of which is connected to the one torsion bar part 1 and the output shaft 5 to the other torsion bar part 2.
  • a three-stage planetary gear 7 is arranged between a motor 6 which is fixed to the housing - which is designed as an electric motor in the exemplary embodiment - and the output shaft 5 of the actuator 3.
  • the middle planetary stage has a sun gear 8 which is fixedly connected to a planet carrier 9.
  • the sun gear 8 and the planet carrier 9 are firmly joined together and form a welding assembly 10, which is shown in FIG. 2. It can be seen from FIG. 2 that the planet carrier is formed in two parts from two sheet metal parts 15, 16, both by means of
  • Both sheet metal parts 15, 16 each have a disk-shaped support section 17, 18 which carry the planets, not shown.
  • the sun gear 8 made of steel is firmly connected to the planet carrier 9 made of steel.
  • the sun gear 8 and the planet carrier 9 are manufactured as components in a known manner.
  • the sun gear 8 is designed as a hollow part 1 with teeth 12 arranged on the outer circumference
  • the sheet metal part 18 of the planet carrier 9 has a central opening 14 into which the
  • Sun gear 8 is used with the planet carrier seat 13.
  • the uncured sun gear 8 and the uncured planet carrier 9 are firmly joined together in a first method step by means of laser welding to form the welding assembly 10
  • FIGS 5 and 6 show the welding assembly 10 according to another
  • Method step in which the welding assembly 10 is heat treated by case hardening.
  • the recrystallization temperature of the materials is exceeded, as a result of which the different structures in the heat affected zone of the laser re-form into a uniform, fine-grained structure of the parts joined together.
  • the strength of the joint in the area of the planet carrier seat 13 and the central opening 14 is significantly increased in the finished and heat-treated welding assembly 10.

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Abstract

Verfahren zum Herstellen eines Planetengetriebes (7), dessen aus Stahl gebildetes Sonnenrad (8) fest mit einem aus Stahl gebildeten Planetenträger (9) verbunden ist, wobei das ungehärtete Sonnenrad (8) und der ungehärtete Planetenträger (9) mittels Laserschweißen fest miteinander verbunden und anschließend gemeinsam mittels Einsatzhärten wärmebehandelt werden.

Description

Verfahren zum Herstellen eines Planetenqetriebes und aktiver Wankstabilisator eines Kraftfahrzeuges mit diesem Planetenqetriebe
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Planetengetriebes sowie einen aktiven Wankstabilisator eines Kraftfahrzeuges mit diesem Planetengetriebe.
Aus DE10 2014 205 261 A1 ist ein aktiver Wankstabilisator bekannt geworden mit einem zwischen zwei Drehstabteilen angeordneten Aktuator, dessen Gehäuse an das eine
Drehstabteil und dessen Abtriebswelle an das andere Drehstabteil angeschlossen ist.
Zwischen dem gehäusefesten Motor und der Abtriebswelle des Aktuators ist ein dreistufiges Planetengetriebe angeordnet. Die mittlere Planetenstufe weist ein Sonnenrad auf, das fest mit einem Planetenträger verbunden ist.
Derartige Wankstabilisatoren sind im Betrieb großen Belastungen ausgesetzt, die im Bereich von 1500 Nm liegen können. In der mittleren Planetenstufe wirken bei diesen hohen
Drehmomenten große Kräfte, die eine zuverlässige Verbindung zwischen Planetenträger und Sonnenrad erforderlich machen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es, ein Planetengetriebe anzugeben, das in großen Stückzahlen preiswert hergestellt werden kann und das eine einwandfreie Verbindung zwischen dem Sonnenrad und dem Planetenträger gewährleistet.
Erfindungsgemäß wurde diese Aufgabe durch ein Verfahren zum Herstellen eines
Planetengetriebes gemäß Anspruch 1 gelöst. Zunächst werden in bekannter Weise das Sonnenrad und der Planetenträger aus Stahl gebildet.
Das ungehärtete Sonnenrad und der ungehärtete Planetenträger werden mittels
Laserschweißen fest miteinander verbunden zu einer Schweißbaugruppe. Bis zu diesem Fügen bleiben die Bauteile demzufolge weich. Das Laserschweißen ermöglicht eine schmale und schlanke Schweißnahtform. Sonnenrad und Planetenträger können ohne
nennenswerten thermischem Verzug miteinander gefügt werden.
Der Brennfleck des Lasers besitzt typische Durchmesser von einigen Zehntel Millimetern, wodurch sehr hohe Energiekonzentrationen entstehen, wenn der eingesetzte Laser die typischen Leistungen von einigen Kilowatt Laserleistung besitzt. Durch Absorption der Laserleistung erfolgt auf der Werkstückoberfläche ein extrem schneller Anstieg der
Temperatur über die Schmelztemperatur von Metall hinaus, so dass sich eine Schmelze bildet. Durch die hohe Abkühlgeschwindigkeit der Schweißnaht wird diese je nach Werkstoff sehr hart. Die durch das Laserschweißen entstandene Wärmeeinflusszone hat ein Gefüge dessen Eigenschaften sich von den Eigenschaften des Gefüges außerhalb der
Wärmeeinflusszone unterscheiden.
In einem weiteren Verfahrensschritt wird diese Schweißbaugruppe mittels Einsatzhärten wärmebehandelt. Das Einsatzhärten umfasst das Aufkohlen, Härten und Anlassen der miteinander gefügten Teile. Ziel des Einsatzhärtens ist ein weicher und zäher Kern bei gleichzeitig harter Oberfläche des Werkstoffs. Die Randschicht des Werkstücks wird in einem geeigneten Aufkohlungsmedium mit Kohlenstoff angereichert.
Im Anschluss an die Aufkohlung wird das Härten und Anlassen durchgeführt. Hierdurch wird die Randhärte und Einsatzhärtungstiefe eingestellt.
Während der Wärmebehandlung wird die Rekristallisationstemperatur der Werkstoffe überschritten, dadurch bilden sich die verschiedenen Gefüge in der Wärmeeinflusszone des Lasers zurück zu einem einheitlichen, feinkörnigen Gefüge der miteinander gefügten Teile. Die Wärmeeinflusszone kann durch diese Wärmebehandlung vollkommen zurückgebildet werden. Gleichzeitig wird am gesamten Bauteil eine definierte Oberflächenhärte und
Einhärtezone hergestellt. Die Festigkeit der Fügestelle ist deutlich erhöht.
Insbesondere das Niederdruckaufkohlen im Vakuum mit Hochdruckgasabschreckung erweist sich als sehr vorteilhaft mit Blick auf einen möglichst geringen Verzug des Sonnenrades aus.
Vorzugsweise weisen der Planetenträger eine Zentralöffnung und das Sonnenrad an einem axialen Ende am Außenumfang einen Planetenträgersitz auf, der in die Zentralöffnung des Planetenträgers eingesetzt wird und anschließend wird das Sonnenrad mit dem
Planetenträger mittels Laserschweißen fest miteinander verbunden. Mit dieser Maßnahme ist ein serientechnisch günstiger Aufbau der zu fügenden Teile sichergestellt. Der
Planetenträger kann aus wenigstens einem in einem Umformverfahren geformten Blechteil gebildet sein, dessen scheibenförmiger T rägerabschnitt mit der Zentralöffnung zur Aufnahme des Planetenträgersitzes versehen ist. Während des Fügens schmilzt Werkstoff sowohl an dem Planetenträger im Bereich von dessen Zentralöffnung als auch an dem Sonnenrad im Bereich von dessen Planetenträgersitz auf.
Vorzugsweise ist das Sonnenrad als Hohlteil mit am Außenumfang angeordneten Zähnen ausgebildet, wobei das Hohlteil an einem Ende den Planetenträgersitz zur Aufnahme des Planetenträgers aufweist. Ausgangsmaterial für diese Hohlteile kann ein Rohr sein, von dem diese Hohlteile abgelängt werden. Daraus hergestellte Sonnenräder sind vom Gewicht her leicht und somit insbesondere für Anwendungen in Kraftfahrzeugen geeignet.
Ein nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestelltes Planetengetriebe ist geeignet als Bauelement eines aktiven Wankstabilisators eines Kraftfahrzeuges. Der Wankstabilisator weist einen zwischen zwei Drehstabteilen angeordneten Aktuator auf, dessen Gehäuse mit dem einen Drehstabteil und dessen Abtriebswelle mit dem anderen Drehstabteil drehfest verbunden sind. Zwischen dem gehäusefesten Motor des Aktuators und dessen
Abtriebswelle ist das gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte
Planetengetriebe angeordnet.
Vorzugsweise ist dieses dreistufige Planetengetriebe in seiner mittleren Planetenstufe gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren ausgebildet. Benachbarte Planetenstufen können in gleicher weise hergestellt sein.
Nachstehend wird die Erfindung anhand eines in insgesamt vier Figuren abgebildeten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 einen aktiven Wankstabilisator eines Kraftfahrzeuges in schematischer
Darstellung, mit einem Planetengetriebe, hergestellt nach dem erfindungsgemäßen Verfahren,
Figur 2 eine praktische Ausführung einer Schweißbaugruppe des Planetengetriebes gemäß Figur 1 in perspektivischer Darstellung,
Figur 3 einen Längsschnitt durch die Schweißbaugruppe aus Figur 2 nach einem ersten Verfahrensschritt,
Figur 4 eine Ausschnittvergrößerung der Figur 3, und
Figur 5 einen Längsschnitt durch die Schweißbaugruppe aus Figur 2 nach einem weiteren Verfahrensschritt, und
Figur 6 eine Ausschnittvergrößerung der Figur 5. Figur 1 zeigt einen aktiven Wankstabilisator mit einem zwischen zwei hier nur angedeuteten Drehstabteilen 1 , 2 angeordneten Aktuator 3, dessen Gehäuse 4 an das eine Drehstabteil 1 und dessen Abtriebswelle 5 an das andere Drehstabteil 2 drehtest angeschlossen ist.
Zwischen einem gehäusefesten Motor 6 - der im Ausführungsbeispiel als Elektromotor ausgeführt ist - und der Abtriebswelle 5 des Aktuators 3 ist ein dreistufiges Planetengetriebe 7 angeordnet. Die mittlere Planetenstufe weist ein Sonnenrad 8 auf, das fest mit einem Planetenträger 9 verbunden ist.
Das Sonnenrad 8 und der Planetenträger 9 sind fest miteinander gefügt und bilden eine Schweißbaugruppe 10, die in Figur 2 abgebildet ist. Der Figur 2 ist zu entnehmen, dass der Planetenträger zweiteilig aus zwei Blechteilen 15, 16 gebildet ist, die beide mittels
Laserschweißen miteinander gefügt sind. Beide Blechteile 15, 16 weisen jeweils einen scheibenförmigen Trägerabschnitt 17, 18 auf, die die nicht dargestellten Planeten tragen.
Das aus Stahl gebildete Sonnenrad 8 ist fest mit dem aus Stahl gebildeten Planetenträger 9 verbunden. Zunächst werden in bekannter Weise das Sonnenrad 8 und der Planetenträger 9 als Bauteile hergestellt.
Das Sonnenrad 8 ist als HohlteiH 1 mit am Außenumfang angeordneten Zähnen 12 ausgebildet,
Den Figuren 3 und 4 kann entnommen werden, dass das Hohlteil 11 an einem Ende von den Zähnen freigestellt ist und dort einen Planetenträgersitz 13 zur Aufnahme des
Planetenträgers 9 aufweist.
Das Blechteil 18 des Planetenträgers 9 weist eine Zentralöffnung 14 auf, in die das
Sonnenrad 8 mit dem Planetenträgersitz 13 eingesetzt wird. Das ungehärtete Sonnenrad 8 und der ungehärtete Planetenträger 9 werden in einem ersten Verfahrensschritt mittels Laserschweißen fest miteinander gefügt zu der Schweißbaugruppe 10. Ein nicht
abgebildeter Laser schmilzt Werkstoff im Bereich der Zentralöffnung 14 und des
Planetenträgersitzes 13 auf. Bis zu diesem Fügen bleiben die Bauteile weich.
Die Figuren 5 und 6 zeigen die Schweißbaugruppe 10 nach einem weiteren
Verfahrensschritt, in dem die Schweißbaugruppe 10 mittels Einsatzhärten wärmebehandelt wird. Während der Wärmebehandlung wird die Rekristallisationstemperatur der Werkstoffe überschritten, dadurch bilden sich die verschiedenen Gefüge in der Wärmeeinflusszone des Lasers zurück zu einem einheitlichen, feinkörnigen Gefüge der miteinander gefügten Teile. Die Festigkeit der Fügestelle im Bereich des Planetenträgersitzes 13 und der Zentralöffnung 14 ist bei der fertig gestellten und wärmebehandelten Schweißbaugruppe 10 deutlich erhöht.
Bezugszeichenliste
1 Drehstab
2 Drehstab
3 Aktuator
4 Gehäuse
5 Abtriebswelle
6 Motor
7 Planetengetriebe
8 Sonnenrad
9 Planetenträger
10 Schweißbaugruppe
11 Hohlteil
12 Zähne
13 Planetenträgersitz
14 Zentralöffnung
15 Blechteil
16 Blechteil
17 scheibenförmiger T rägerabschnitt
18 scheibenförmiger Trägerabschnitt

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Herstellen eines Planetengetriebes (7), dessen aus Stahl gebildetes Sonnenrad (8) fest mit einem aus Stahl gebildeten Planetenträger (9) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass das ungehärtete Sonnenrad (8) und der ungehärtete Planetenträger (9) mittels Laserschweißen fest miteinander verbunden und danach gemeinsam mittels Einsatzhärten wärmebehandelt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dessen Planetenträger (9) eine Zentralöffnung (14) und dessen Sonnenrad (8) an einem axialen Ende am Außenumfang einen Planetenträgersitz (13) aufweist, der in die Zentralöffnung (14) des Planetenträgers (9) eingesetzt und anschließend das Sonnenrad (8) mit dem Planetenträger (9) mittels Laserschweißen fest miteinander verbunden wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dessen Einsatzhärten ein Niederdruckaufkohlen im Vakuum mit Hochdruckgasabschreckung umfasst.
4. Planetengetriebe (7), hergestellt nach dem Verfahren gemäß Anspruch 2, dessen Sonnenrad (8) als Hohlteil (11) mit am Außenumfang angeordneten Zähnen (12) ausgebildet ist, wobei das Hohlteil (11) an einem Ende den Planetenträgersitz (13) zur Aufnahme des Planetenträgers (9) aufweist.
5. Planetengetriebe (7) nach Anspruch 4, dessen Planetenträger (9) aus wenigstens einem in einem Umform verfahren hergestellten Blechteil (15, 16) gebildet ist, dessen
scheibenförmiger Trägerabschnitt (16) mit der Zentralöffnung (14) zur Aufnahme des Planetenträgersitzes (13) versehen ist.
6. Aktiver Wankstabilisator, mit einem zwischen zwei Drehstabteilen (1 , 2) angeordneten Aktuator (3), dessen Gehäuse (4) mit dem einen Drehstabteil (1) und dessen Abtriebswelle
(5) mit dem anderen Drehstabteil (2) drehfest verbunden sind, und dessen zwischen Motor
(6) und Abtriebswelle (5) angeordnetes Planetengetriebe (7) nach einem der Ansprüche 4 und 5 gebildet ist.
7. Aktiver Wankstabilisator nach Anspruch 6, dessen dreistufiges Planetengetriebe (7) in seiner mittleren Planetenstufe gemäß einem der Ansprüche 4 und 5 ausgebildet ist.
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