-
Gebiet der Erfindung
-
Die Planetenträger-Baugruppe bestehend aus wenigstens einer Trägerwange eines Planetenträgers und bestehend aus zumindest einer Welle, wobei die Trägerwange und die Welle an wenigstens einer Fügezone durch Reibschweißen miteinander verbunden sind. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen Planetenträger-Baugruppe und ein Planetengetriebe mit einer nach dem Verfahren hergestellten Planetenträgerbaugruppe.
-
Hintergrund der Erfindung
-
In der
DE 10 2014 217 400 A1 ist ein Planetenträger beschrieben. Der Planetenträger ist durch zwei Trägerwangen und eine Welle gebildet. Die Welle ist als Sonnenrad eines Planetengetriebes ausgeführt. Das Sonnenrad und eine der Trägerwangen sind in einer Radialebene stirnseitig an einem Stumpfstoß durch Reibschweißen mit einer I-Naht miteinander verbunden.
-
Ein Planetengetriebe mit einer Planetenträger-Baugruppe der Gattung ist in
DE 11 2012 000 461 B4 offenbart. Das Planetengetriebe ist durch Planetenräder, Planetenbolzen und eine Planetenträger-Baugruppe gebildet. Die Planetenträger-Baugruppe ist aus verschiedenen Bauteilen zusammengesetzt. Das eine Bauteil ist ein aus zwei Trägerwangen gefügter Planetenträger und das andere Bauteil ist eine Welle mit einem Radialflansch. Der Planetenträger weist zwei Trägerwangen aus Blech auf, welche durch Stege und Planetenbolzen axial miteinander verbunden sind. Der Planetenträger und die Welle sind unlösbar stoffschlüssig miteinander verbunden. Gemäß der in
1 der
DE 11 2012 000 461 B4 dargestellten Ausführung weist eine der Trägerwangen ein Durchgangsloch mit einer innenzylindrischen Führungsfläche auf. Der Innendurchmesser der Führungsfläche entspricht im Nennmaß dem Außendurchmesser einer außenzylindrischen Führungsfläche an dem Flansch. Jeder der Führungsflächen schließt sich axial an einer Seite eine konische Fügefläche an, die jeweils wie eine Fase ausgebildet ist. Die Trägerwange ist so auf dem Flansch aufgesetzt, dass die innenzylindrische Führungsfläche und die außenzylindrische Führungsfläche konzentrisch und radial aneinander liegen und der Planetenträger und die Fügeflächen somit konzentrisch zu der Welle bzw. zu dem Radialflansch geführt sind. Dem Durchgangsloch schließt sich axial eine Ringschulter an, deren Innendurchmesser kleiner ist als der Außendurchmesser der außenzylindrischen Führungsfläche an dem Flansch. Diese Ringschulter bildet einen Axialanschlag. Durch den Axialanschlag ist abgesichert, dass die beiden Fügeflächen axial zueinander so ausgerichtet sind, dass diese radial gegenüber liegen und nicht etwa axial gegeneinander versetzt sind. Aufgrund der sich einander gegenüberliegenden konischen Fügeflächen bzw. Fasen ist an dieser Stelle eine axial ausgerichtete V-förmige Ringnut ausgebildet, die durch Auffüllen als eine V-Schweißnaht ausgeführt ist, so dass folglich der Planetenträger und die Welle an dieser Fügezone stoffschlüssig unlösbar miteinander verbunden sind. Die Führungsflächen sind an der Fügezone von der Schweißnaht unbeeinflusst, so dass die V-Naht nach Art nicht durchgeschweißter Stumpfnähte ausgeführt ist.
-
In
DE 10 2013 008 658 A1 ist eine Verbindung in einem Antriebselement eines Fahrzeuges beschrieben, welche als eine Reibschweißverbindung zwischen einem Zahnrad und einer Welle ausgeführt ist. Als eine Option eines Reibschweiß-Verfahrens ist eine Reibschweißverbindung durch aufgleitendes Reibschweißen vorgesehen.
-
Aus der
EP3241642 B1 geht die besondere Gestaltung einer durch aufgleitendes Reibschweißen erzeugten Fügestellenstruktur hervor.
-
DE 10 2008 064 267 A1 offenbart eine Reibschweißverbindung an einer Steckverbindung zwischen zwei Bauteilen. Die Absätze beider Steckbereiche sind konisch ausgeformt. Auf diese wirkt die Anpresskraft beim Reibschweißen. In einer Anordnung von mehreren konischen Absätzen sind mehrere ringförmige Schweißnähte ausgebildet. Die konische Ausführung der Fügebereiche dient auch der koaxialen Zentrierung der Bauteile während des Reibschweißens.
-
Beschreibung der Erfindung
-
Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine Planetenträger-Baugruppe zu schaffen, die sich einfach und kostengünstig herstellen lässt.
-
Diese Aufgabe ist nach dem Gegenstand des Anspruchs 1 gelöst.
-
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Fügezone durch miteinander stoffschlüssig verbundene und konisch ausgebildete Fügebereiche gebildet ist.
-
Fügebereich sind aneinander liegende Fügekanten oder Fügeflächen, im konkreten Fall konische Flächen, an den Bauteilen, die beim Reibschweißen aneinander gerieben werden.
-
Die Fügezone ist die Zone, an welcher die Bauteile nach dem Reibschweißen miteinander durch das Reibschweißen unlösbar miteinander verbunden sind.
-
Das Reibschweißen ist ein Schweißverfahren aus der Gruppe des Pressschweißens ohne Zusatzwerkstoffe. Dabei werden zwei Bauteile unter Druck relativ zueinander bewegt, wobei sich die Bauteile an den Kontaktflächen berühren. Durch die entstehende Reibung kommt es zur Erwärmung und Plastifizierung des Materials. Eine „Schweißnaht“ aus homogenen und den Werkstoffen beider Bauteile durchsetztem Material verbindet Bauteile stoffschlüssig an einem Schweißstoß.
-
Nach einer Ausgestaltung der Erfindung wird Rotationsreibschweißen angewendet. In diesem Fügeverfahren entstehen in der Regel vollflächige Kontaktverbindungen. Durch Drehen eines Werkstücks relativ zu einem anderen, während es unter Druckkräften (axialen Stauchkräften) steht, wird Reibung erzeugt, wodurch zwischen den beiden aneinander anliegenden Oberflächen Wärme entsteht und das Material plastifiziert wird.
-
Generell kann der Reibschweiß-Prozess durch folgende Schritte bzw. Phasen beschrieben werden:
- Anreiben - Drehen eines der Werkstücke; das andere Werkstück zugleich mit einem definierten Druck gegendrücken.
- Reiben - Die Berührungsflächen erwärmen sich durch bei Relativbewegung (Rotation) und den gleichzeitigen Druck entstehende Reibschweiß-Reibung und Plastifizieren der Materialien der Fügeflächen.
- Stauchen - Die Rotation wird gestoppt und der Druck noch einmal erhöht. Der plastifizierte Werkstoff kann so mit dem anderen Bauteil verbunden werden.
- Halten - Die beiden die Teile schnellstens und präzise zueinander zu positionieren bzw. positioniert und noch unter Druck halten und langsam abkühlen.
-
Dazu ist zu berücksichtigen, dass diese Schritte oder Phasen stufenlos und ohne Unterbrechung in einem Durchgang ausgeführt werden.
-
Präzisions-Reibschweißen im Sinne der Erfindung ist rotierendes Reibschweißen, beispielsweise Rotierendes-Vibrationsschweißen, für rotationssymmetrische und um die Symmetrieachse drehbare Bauteile, vorzugsweise unter Verwendung des aufgleitenden Reibschweißens. Die zu verschweißenden Bauteile sind deshalb in den Fügebereichen konisch ausgelegt, so dass sie nach der Schweißung besser exakt miteinander fluchten. Die Fügebereiche werden ineinandergesteckt und zentrieren sich aufgrund ihrer Konizität radial aneinander vollständig zu ihrer Rotationsachse.
-
Beim aufgleitenden Reibschweißen überlappen sich Fügebereiche der miteinander zu verbindenden Bauteile zumindest teilweise koaxial. Mindestens eines der Bauteile muss wenigstens eine zur Symmetrieachse bzw. Rotationsachse gerichtete und um diese umlaufende Innenfläche aufweisen. Das andere Bauteil muss die gleiche Anzahl von der Symmetrieachse bzw. Rotationsachse radial weggewandte und um die Achsen umlaufende Außenflächen mit radial ansteigender oder abfallender Kontur aufweisen. Mit bzw. in dieser Kontur nimmt es das andere Bauteil auf. Im konkreten Fall ist die innen- bzw. außenkonische Kontur der Bauteile im Fügebereich in die eine axiale Richtung durch eine Reduzierung des Außendurchmessers und des Innendurchmessers oder in die andere axiale Richtung durch eine Vergrößerung des Innendurchmessers und des Außendurchmessers gekennzeichnet. Dies ist jeweils in axialer Richtung ausgehend von einem Ende der Fügezone zu dem anderen Ende der Fügezone hin betrachtet.
-
Generell korrespondieren die Flächen geometrisch hinsichtlich ihrer Abmessungen so, dass sich eine Steckverbindung zwischen den beiden Bauteilen ergibt, wenn diese axial ineinander geschoben werden. In der Regel ist allerdings zunächst entweder an dem Fügebereichen beider Bauteile oder an nur einem ein Materialüberschuss vorgesehen. Im Reibkontakt beim Reibschweißen verformt sich dieser Materialüberschuss so bzw. wird so plastisch verdrängt, dass die Bauteile in der Fügezone exakt miteinander verbunden sind. Aus dem dabei verdrängten Material des Materialüberschusses bildet seitlich der Fügezone ein Schweißwulst. Alternativ wird eine Ausweichzone vorgesehen, in welche das überflüssige Material ausweichen kann.
-
Es ist gegebenenfalls eine Nachbearbeitung des Schweißwulstes durch spanabhebende Verfahren oder Glätten durch Rollieren oder Walzen vorgesehen. Letzteres wird beispielsweise auch noch im heißen Zustand der Werkstoffe durchgeführt, wodurch gezielt Druckspannungen zur Vermeidung von Rissen in die Fügestelle eingebracht werden können und die Schweißnaht gegebenenfalls vollständig aufgefüllt wird.
-
Durch die Anwendung des Reibschweißen ergeben sich verschiedene Vorteile:
- - Durch die Stauchkraft wird eine homogene Verbindung zwischen den Ausgangsmaterialien hergestellt.
- - Beim Reibschweißen sind keine Zusatzwerkstoffe, Flussmittel oder Schutzgase erforderlich.
- - Es entstehen keine Schweißspritzer.
- - Umlaufend gleichmäßiger Ausbildung einer Fügestelle, Schweißzone bzw. Schweißnaht mit sehr geringen radialen Abmessungen;
- - Reibschweißverbindungen weisen aufgrund der vollflächigen Anlage und dem homogenen Gefüge sehr hohe Qualitäten auf.
- - Sowohl gleiche als auch unterschiedliche Materialien können mit Hilfe dieser Technologie verbunden werden. Das betrifft zum Beispiel Werkstoffe und deren Kombinationen wie Stahl und Edelstahl, Kupfer und Aluminium, Kupfer bzw. Aluminium und Edelstahl, Titan und Aluminium. Beim Schweißen von Stahl lassen sich Kohlenstoffstahl und Edelstahl genauso miteinander kombinieren wie Stähle unterschiedlicher Legierungen bzw. abweichenden Legierungsbestandteilen bzw. Volumenanteilen von Legierungselementen.
- - hoher Automatisierungsgrad des Prozesses möglich;
- - kurze Taktzeiten bei der Herstellung der Schweißverbindung;
- - geringere Kosten - zum Beispiel, weil keine Zusatzwerkstoffe benötigt werden, wegen der Automatisierung und weil die Taktzeiten kurz sind;
- - Das Verfahren kann bei der Herstellung von Baugruppen mit in geringer oder hoher Stückzahl von einzelnen Verbindungen für Einzelstücke bzw. Muster bis hin zur Großserienfertigung geeignet eingesetzt werden.
-
Figurenliste
-
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.
- 1 zeigt ein Planetengetriebe 20 mit einer Planetenträger-Baugruppe 1 in einem Längsschnitt entlang der Rotations- bzw. Zentralachse 12.
- Die 2 und 3 zeigen eine Trägerwange 2 und die Welle 4 der in 1 gezeigten Planetenträger-Bautruppe 1 jeweils in einer Gesamtansicht und in einer Ausgangsposition, aus welcher diese beiden Bauteile aufeinander zu bewegt und durch Reibschweißen miteinander verbunden werden.
- 4 zeigt eine aus der Trägerwange 2 und der Welle 4 gebildete Vorstufe einer in 6 gezeigten Vormontagebaugruppe 13, in einem Längsschnitt entlang der Zentralachse 12.
- In 5 ist die mit 4 beschriebene Vorstufe der Vormontagebaugruppe 13 in einer Gesamtansicht dargestellt.
- 6 zeigt die fertige Vormontagebaugruppe 13 in einer Gesamtansicht.
- In 7 ist die fertige Planetenträger-Baugruppe 1 in einem Längsschnitt entlang der Zentralachse 12 abgebildet.
- In 8 ist die Planetenträger-Baugruppe 1 in einer Gesamtansicht dargestellt.
-
1, 7 und 8 - Die Planetenträger-Baugruppe 1 ist aus der Trägerwange 2, der Trägerwange 14, Verbindungsstegen 17 (in 1 nicht sichtbar) und der Welle 4 zusammengesetzt. Die Verbindungsstege 17 sind einteilig-einmaterialig mit der Trägerwange 14 ausgebildet. Die Trägerwangen 2 und 14 liegen sich mit axialem Abstand einander gegenüber. Axial ist im Sinne der Erfindung gleichgerichtet mit der Zentralachse 12, und zwar unbeachtlich der Ausrichtung der Zentralachse 12 im Raum. Radial ist im Sinne der Erfindung immer quer bzw. senkrecht zur Zentralachse 12 ausgerichtet. Die Trägerwangen 2 und 14 sind mit Durchgangslöchern 18 bzw. 19 versehen. Jedes Loch 18 in der einen Trägerwange 2 liegt an einer Bolzenachse 21 koaxial fluchtend einem Durchgangsloch 19 axial gegenüber.
-
1 - Das Planetengetriebe 20 ist aus der Planetenträger-Baugruppe 1, einem Satz Planetenräder 15 und Planetenbolzen 16 gebildet. Die Planetenbolzen 16 (nur ein Planetenbolzen ist sichtbar) sitzen jeweils linksseitig in einem Durchgangsloch 19 der Trägerwange 14 und rechtsseitig in einem Durchgangsloch 18 der Trägerwange 2. Auf jedem der Planetenbolzen 16 ist jeweils mittels eines Planetenlagers 22 ein Planetenrad 15 um die Bolzenachse 21 drehbar gelagert.
-
1, 4, 5, 6, 7 und 8 - Die Trägerwange 2 und die Welle 4 sind an einer konusringförmigen Fügezone 5 durch Reibschweißen miteinander verbunden. Dazu sitzt die Trägerwange 2 auf dem Flansch 10. Der Flansch 10 ist einteilig-einmaterialig mit der Welle 4 ausgebildet. Die Fügezone 5 ist radial zwischen dem Flansch 10 und der Trägerwange 2 ausgeführt.
-
1, 4 und 7 - Die Fügezone 5 ist durch miteinander stoffschlüssig verbundene und konisch ausgebildete Fügebereiche 6 und 7 gebildet. Der erste Fügebereich 6 ist durch eine innenkonische erste Fläche 8 an der Trägerwange 2 gebildet und der zweite Fügebereich 7 eine an der Welle 4 bzw. an dem Flansch 10 ausgebildete außenkonische zweite Fläche 9.
-
2 und 3 - Die Trägerwange 2 und die Welle 4 sind für eine aufgleitende Reibschweißverbindung vorbereitet. Die Trägerwange 2 ist dazu an einem Durchgangsloch 23 innen mit der innenkonischen Fläche 8 versehen. Der Flansch 10 weist an seinem Außenumfang die außenkonische Fläche 9 auf. Die Durchmesser D1 und D2 und Konuswinkel ax bzw. ay sind gleich oder unterscheiden sich geringfügig voneinander (siehe 3). Wenn sich diese voneinander z.B. so unterscheiden, dass wenigstens einer gegenüber dem Nennmaß größer ist und der andere dem Nennmaß entspricht, ergibt sich daraus ein Materialüberschuss. Die Trägerwange 2 und die Welle 4 werden zunächst entlang der Zentralachse 12 zueinander zentriert zunächst für eine Steckverbindung in Richtung der axialen Pfeile aufeinander zu bewegt und ineinandergesteckt sowie dadurch koaxial aneinander zentriert und durch Rotationsreibschweißen miteinander verbunden. Die Rotation beim Schweißen wird in der Regel an einem der Bauteile durchgeführt während das andere gehalten ist. Zugleich wird in Richtung der axial gerichteten Pfeile beim Reiben Druck ausgeübt.
-
4 und 5 - Durch einen plastisch verdrängten Materialüberschuss entstehen Schweißwulste 24 bzw. 25, welche axial aus der Fügezone 5 hervorstehen. In 6 ist die Fügezone 5 der Vormontagebaugruppe 13 verputzt, d. h., die Schweißwulst 24 bzw. 25 sind nicht mehr sichtbar, da diese durch spanabhebende Nachbearbeitung entfernt bzw. durch plastisches Einformen geglättet sind.
-
Bezugszeichenliste
-
- 3
- 1 Planetenträger-Baugruppe 2 Trägerwange Planetenträger
- 4
- Welle
- 5
- Fügezone
- 6
- erster Fügebereich
- 7
- zweiter Fügebereich
- 8
- innenkonische erste Fläche
- 9
- außenkonische zweite Fläche
- 10
- Flansch
- 11
- nicht vergeben
- 12
- Zentralachse
- 13
- Vormontagebaugruppe
- 14
- Trägerwange
- 15
- Planetenrad
- 16
- Planetenbolzen
- 17
- Verbindungsstege
- 18
- Durchgangsloch
- 19
- Durchgangsloch
- 20
- Planetengetriebe
- 21
- Bolzenachse
- 22
- Planetenlager
- 23
- Durchgangsloch
- 24
- Schweißwulst
- 25
- Schweißwulst
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- DE 102014217400 A1 [0002]
- DE 112012000461 B4 [0003]
- DE 102013008658 A1 [0004]
- EP 3241642 B1 [0005]
- DE 102008064267 A1 [0006]