DE102008064267A1

DE102008064267A1 - Reibverschweißte Hohlwelle für Getriebe insbesondere von Kraftfahrzeugen

Info

Publication number: DE102008064267A1
Application number: DE102008064267A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dipl.-Ing. Banhardt; Matthias Dipl.-Ing. Kluge; Rudolf Dipl.-Ing.(FH) Reinhardt; Alois Dr.-Ing. Schmid; Frank Dipl.-Ing.(FH) Trommer
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2008-12-20
Filing date: 2008-12-20
Publication date: 2009-08-27

Abstract

Die Erfindung betrifft eine reibverschweißte Hohlwelle (1), insbesondere für Getriebe von Kraftfahrzeugen und ein Verfahren zur Herstellung solcher Hohlwellen (1) durch Reibschweißen. Durch Ausformung des reibverschweißten Bereichs (12) als axialer Steckbereich ist eine automatische, selbstständige, koaxiale Zentrierung der Wellenabschnitte (2) zueinander ermöglicht, wodurch sich geringere Unwuchten im Gegensatz zum stumpf gestoßenen Reibschweißen ergeben.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine reibverschweißte Hohlwelle, insbesondere für Getriebe von Kraftfahrzeugen, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zur Herstellung solcher Hohlwellen.
In der DE 10 2006 016 099 A1 sind ein Verfahren zur Herstellung einer Getriebehohlwelle und eine nach diesem Verfahren hergestellte Getriebehohlwelle beschrieben. Eine solche Getriebehohlwelle ist aus mehreren axial aufeinander folgenden Wellenabschnitten zusammengesetzt, wobei wenigstens zwei Wellenabschnitte mit einer Verzahnung versehen sind. Die Wellenabschnitte werden nach Ausformung der Verzahnung durch stumpf gestoßenes Reibschweißen miteinander verbunden. Dabei sind die benachbarten Wellenabschnitte bezüglich ihrer Drehwinkelpositionierung in einer zuvor festgelegten Sollwinkellage angeordnet. Die hohe erforderliche Genauigkeit des Fügeprozesses wird durch aufwendige Maschinenführungen und Werkstückspann- und Führungsvorrichtungen erreicht.
Nachteilig an diesem stumpf gestoßenen Reibschweißen sind ein hoher Aufwand, der bezüglich Ausrichtung und Verspannung der Werkstücke betrieben werden muss, und eine trotzdem dabei auftretende verfahrensbedingte Unwucht und Rundlaufabweichung, sowie ein entsprechend hoher Nacharbeitsaufwand.
Die DE 103 36 668 A1 zeigt eine Fügestellenstruktur zum Reibschweißen, bei der zwischen den beiden Fügepartnern ein definierter Spalt eingebracht ist, der das beim Reibschweißen erweichte Material in seiner Ausbreitung behindert.
Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich nun mit dem Problem, eine verbesserte oder zumindest eine andere Ausführungsform für solche reibverschweißten Hohlwellen und für ein Verfahren zur Herstellung derselben anzugeben, das sich bezüglich der reibverschweißten Hohlwellen insbesondere durch reduzierte Unwuchten und Rundlaufabweichungen sowie einen geringeren Nacharbeitungsaufwand und bezüglich des Verfahrens insbesondere durch eine vereinfachte Ausrichtung der Wellenabschnitte zueinander auszeichnet.
Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst.
Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, reibverschweißte Hohlwellen aus zumindest zwei axial aufeinander folgenden Wellenabschnitten durch Reibschweißen herzustellen, wobei ein reibverschweißter Bereich nicht durch stumpf gestoßenes Reibschweißen zustande kommt, sondern dadurch, dass jeweils zwei axial aufeinander folgende Wellenabschnitte koaxial ineinander greifen und zumindest ein solcher reibverschweißter Bereich in einem axialen Steckbereich angeordnet ist. Durch eine optionale, konusartige Ausformung des Steckbereiches kann zudem eine koaxiale Ausrichtung der Wellenabschnitte zueinander wesentlich vereinfacht werden, so dass die Rotationsachsen der Werkstücke während des Reibschweißvorganges nicht gegeneinander verrutschen können.
Zur festeren Verbindung der axial aufeinander folgenden Wellenabschnitte wird in einem Verfahren zur Herstellung solcher reibverschweißter Hohlwellen nach dem Reibschweißen solange mit einer Kraft axial zusammengedrückt, bis das Zusammendrücken durch zumindest einen an zumindest einem Wellenabschnitt ausgebildeten axialen Anschlag begrenzt wird. Dabei ist eine Kraft, mit der jeweils zwei Wellenabschnitte in axiale Richtung zusammengedrückt werden, größer als eine während der Reibschweißrotation aufgebrachte axiale Anpresskraft. Die Begrenzung des Zusammendrückens durch den axialen Anschlag hat den Vorteil, dass jeweils zwei aufeinander folgende Wellenabschnitte eine genau definierte axiale Relativlage zueinander aufweisen.
Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Bauteile beziehen.
Es zeigen, jeweils schematisch
1 einen Längsschnitt durch mehrere axial aufeinander folgende einzelne Wellenabschnitte vor dem Herstellen einer Hohlwelle,
2 einen Längsschnitt durch eine reibverschweißte Hohlwelle aus mehreren axial aufeinander folgenden Wellenabschnitten.
Wie in den 1 und 2 dargestellt, umfasst eine Hohlwelle 1 mehrere Wellenabschnitte 2, die einen steckerartigen Bereich 3 und/oder einen buchsenartigen Bereich 4 aufweisen, wobei der steckerartige Bereich 3 und der buchsenartige Bereich 4 miteinander versteckt, koaxial ineinander greifen. Beide Bereiche 3, 4 sind zumindest in einem Teilbereich durch zumindest eine kegelstumpfartige Mantelfläche 5, 6 konisch ausgeformt. Vorzugsweise sind die kegelstumpfartigen Mantelflächen 5, 6 in einem Winkel von 45° zur Rotationsachse 7 der Hohlwelle 1 ausgebildet. Es sind aber auch andere Winkel möglich, wobei eine auf die kegelstumpfartigen Mantelflächen 5, 6 vertikal wirkende Anpresskraft während eines Reibschweißvorganges, eine sogenannte Reibschweißkraft, sich mit Vergrößerung des Winkels zwischen den kegelstumpfartigen Mantelflächen 5, 6 und der Rotationsachse 7 so lange vergrößert, bis die Reibschweißkraft der Kraft entspricht, die zum Zusammendrücken der zwei axial aufeinander folgenden Wellenabschnitte 2 aufgewendet wird. In diesem Fall beträgt der Winkel zwischen den kegelstumpfartigen Mantelflächen 5, 6 und der Rotationsachse 7 90°. Zum anderen dienen die kegelstumpfartigen Mantelflächen 5, 6 zu einer automatischen Zentrierung der axial aufeinander folgenden Wellenabschnitte 2 zu Beginn bzw. während des Reibschweißvorgangs. Je kleiner dabei der Winkel zwischen den kegelstumpfartigen Mantelflächen 6 und der Rotationsachse 7 ist, desto einfacher findet eine Zentrierung statt. Insofern ist ein Winkel zwischen den kegelstumpfartigen Mantelflächen 5, 6 und der Rotationsachse 7 von 45° bevorzugt, da in diesem Fall sowohl die automatische Zentrierung genügend vereinfacht ist als auch die Reibschweißkraft ausreichend hoch genug ist.
Während des Zentriervorganges, der vor oder zu Beginn des Reibschweißvorgangs erfolgt, muss jedoch einer der zwei axial aufeinander folgenden Wellenabschnitte 2 derart beweglich gelagert sein, dass sich während des Zusammenfahrens die beiden Wellenabschnitte 2 eigenständig und optimal zentriert zueinander ausrichten können. Dies ist gegenüber dem stumpf gestoßenen Reibschweißen ein wesentlicher Vorteil, da dadurch eine Maschinenführung und eine Werkstückspann- und Führungsvorrichtung weniger aufwendig ausgeführt werden muss, um trotzdem eine hohe erforderliche Genauigkeit zu erreichen. Nach dem Zentrieren kann die Relativlage zwischen den zu verschweißenden Wellenabschnitten bzgl. der Längsmittelachsen fixiert werden.
Bevor die Wellenabschnitte 2 durch Reibschweißen materialschlüssig gefügt werden, können mehrere Verzahnungen 8 und eine für insbesondere Getriebewellen typische Lagerstelle 9 an einem jeweiligen Endstück der reibverschweißten Hohlwelle 1 ausgeformt werden. Des Weiteren ist ein wesentlicher Vorteil des Reibschweißens, die Möglichkeit der Verwendung unterschiedlicher metallischer Materialien in den einzelnen Wellenabschnitten 2. Dadurch ergibt sich aufgrund der hohen Materialvielfalt die Möglichkeit, an den hoch beanspruchten Abschnitten der Hohlwelle 1, zum Beispiel im Bereich der Verzahnungen 8 oder der Lagerstellen 9, ein anderes Material zu verwenden als an weniger belasteten Abschnitten, die zum Beispiel mit Nebenaggregaten wie beispielsweise einer Ölpumpe oder einer Vorgelegewellenbremse verbunden sind.
Zum Reibschweißen werden jeweils zwei Wellenabschnitte 2 bzw. ein Wellenabschnitt 2 und ein aus mehreren Wellenabschnitten 2 zuvor gefügtes Bauteil in eine Reibschweißmaschine eingespannt, zusammengedrückt und zumindest einer der Wellenabschnitte 2 in Rotation versetzt. Durch die Rotation und das Zusammendrücken werden die sich zu Beginn des Reibschweißprozesses berührenden, kegelstumpfartigen Mantelflächen 5, 6 örtlich aufgeschmolzen. Nach Stoppen der Rotation und Einstellen einer definierten Axialstellung der beiden Wellenabschnitte 2 zueinander bzw. des aus zumindest zwei Wellenabschnitten 2 zuvor gefügten Bauteils zu einem Wellenabschnitt 2, werden dieselben mit einer axialen Kraft zusammengedrückt bzw. gestaucht, die höher als die beim Reibschweißprozess aufgewendete, zusammendrückende axiale Kraft ist. Das Zusammendrücken bzw. Stauchen wird dadurch beendet, dass ein Absatz 10 des einen Wellenabschnitts 2 an einen an dem anderen Wellenabschnitt 2 ausgebildeten axialen Anschlag 11 anstößt, wodurch sichergestellt ist, dass die reibverschweißten Wellenabschnitte 2 eine genau definierte axiale Relativlage zueinander aufweisen. Dieses Verfahren wird solange wiederholt, bis alle Wellenabschnitte 2 miteinander reibverschweißt verbunden sind.
Eine auf diese Art hergestellte reibverschweißte Hohlwelle 1 weist zumindest einen reibverschweißten Bereich 12 auf, wie in 2 dargestellt. Dabei kann der reibverschweißte Bereich 12 durch Reibschweißen einer kegelstumpfartigen Mantelfläche 5 mit einer gegenüberliegenden kegelstumpfartigen Mantelfläche 6 oder durch mehrere kegelstumpfartige Mantelflächen 5 mit gegenüberliegenden kegelstumpfartigen Mantelflächen 6 ausgebildet werden. Dies gelingt durch axial voneinander beabstandete, stufenartig aufeinander folgende kegelstumpfartige Mantelflächen 5, 6, wobei diese kegelstumpfartigen Mantelflächen 5, 6 gegenüber der Rotationsachse 7 unterschiedliche Winkel aufweisen können. Sind die Wellenabschnitte 2 mit mehreren kegelstumpfartigen Mantelflächen 5, 6 versehen, so weist der reibverschweißte Bereich 12 auch mehrere ringförmige Schweißnähte auf. Dies führt zu einer höheren Festigkeit der materialschlüssigen Verbindung im reibverschweißten Bereich 12.
Dieses Reibschweißverfahren zur Herstellung reibverschweißter Hohlwellen 1 ermöglicht in der Produktion, z. B. die Radscheiben vor dem Schweißen zu verzahnen und die Weichbearbeitung an den Einzelteilen vor dem Reibschweißen abzuschließen. Nach den oben beschriebenen Fügeschritten können nachfolgend die reibverschweißten Hohlwellen 1 in üblicher Weise wärmebehandelt werden. Das Fügen mittels Reibschweißen der Wellenabschnitte 2 im gehärteten Zustand ist hier ebenfalls möglich. Nach dem Fügen der Wellenabschnitte 2 durch Reibschweißen ist aufgrund der höheren erzielbaren Rundlaufgenauigkeit und geringerer Unwuchten gegenüber dem konventionellen stumpf gestoßenen Reibschweißprozess ein geringerer Materialabtrag erforderlich. Dadurch wird eine wirtschaftlichere Hartbearbeitung ermöglicht.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 102006016099 A1 [0002]
- DE 10336668 A1 [0004]

Claims

Reibverschweißte Hohlwelle, insbesondere für Getriebe von Kraftfahrzeugen, mit – zumindest zwei axial aufeinander folgenden Wellenabschnitten (2), – zumindest einem zwischen zwei axial aufeinander folgenden Wellenabschnitten (2) angeordneten reibverschweißten Bereich (12), dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein solcher reibverschweißter Bereich (12) als ein axialer Steckbereich ausgeformt ist, in dem miteinander reibverschweißte Enden der Wellenabschnitte (2) koaxial ineinander greifen.
Reibverschweißte Hohlwelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der axiale Steckbereich zumindest in einem Teilbereich durch zumindest eine kegelstumpfartige Mantelfläche (5, 6) ausgeformt ist.
Verfahren zur Herstellung reibverschweißter Hohlwellen, insbesondere für Getriebe von Kraftfahrzeugen, dadurch gekennzeichnet, dass nach Beendigen einer Reibschweißrotation zwischen zwei axial aufeinander folgenden Wellenabschnitten (2) die beiden Wellenabschnitte (2) in axialer Richtung solange mit einer Kraft axial zusammengedrückt werden, die größer als eine während der Reibschweißrotation aufgebrachten axialen Reibschweißkraft ist, bis das Zusammendrücken durch zumindest einen an zumindest einem Wellenabschnitt (2) ausgebildeten axialen Anschlag (11) begrenzt wird.