DE10220372A1

DE10220372A1 - Mehreckige Grenzfläche zwischen antreibenden und angetriebenen Komponenten

Info

Publication number: DE10220372A1
Application number: DE10220372A
Authority: DE
Inventors: Huang Hsin-Hong; Richard S Kean
Original assignee: Visteon Global Technologies Inc
Current assignee: Automotive Components Holdings LLC
Priority date: 2001-12-07
Filing date: 2002-05-07
Publication date: 2003-06-26
Anticipated expiration: 2022-05-08
Also published as: GB2382860A; GB0209347D0; DE10220372B4; US20030108384A1; GB2382860B

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Kraftübertragungsvorrichtung, wie etwa eine Kraftfahrzeugantriebswelle, die über einen Zahntrieb mit einem Differenzial verbunden ist, um mechanische Kraft auf Räder zu übertragen und dadurch das Kraftfahrzeug anzutreiben. Diese Antriebswellen sehen herkömmlicherweise eine Verbindung des Differenzials mit dem Achsenzahntrieb über eine Grenzfläche in Gestalt einer Keilnutanordnung vor unter Einbeziehung eines Halterungsflansches. Erfindungsgemäß ist die Keilnutanordnung durch eine mehreckige Kupplung verbunden, die Totgang und Rotationsgleichgewicht verringert bzw. ausschaltet und eine bessere Verbindung zwischen Antriebswelle und Differenzial bereitstellt. Die mehreckige Passverbindung kann auch zur Herstellung anderer Verbindungen eingesetzt werden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Kraftübertragungsvorrichtungen, und insbesondere eine Grenzfläche zwischen einem antreibenden Element und angetriebenen Element, wie etwa die Verbindung zwischen einer Antriebswelle und einem Differenzial oder die Verbindung zwischen einem Differenzial und einem Rad.
Kraftübertragungsvorrichtungen können komplizierte Maschinen darstellen, in denen zahlreiche mechanische Vorrichtungen in immer kleineren Bauformen integriert werden, um Kosten zu sparen, die Qualität zu sichern und das Gewicht zu verringern. Ein Bereich, in dem die Qualität stark verbessert werden kann, betrifft die Grenzfläche zwischen einer Antriebswelle und dem Differenzial, das durch die Antriebswelle angetrieben wird. Diese Grenzfläche umfasst typischerweise eine Keilwellenverbindung bzw. Keilnutverbindung, wie in Fig. 1 gezeigt. In einer derartigen Konfiguration ist auf der Außenseite des Endes eines Achsenritzels bzw. Achsenzahnrads ein Keil maschinell gebildet. Eine dazu passende Keilnut ist maschinell auf einem Gegenstückflansch zum Anbringen einer Antriebswelle an der Achse maschinell ausgebildet. Ungeachtet dessen, ob es sich bei der Antriebswellenhalterungseinrichtung um einen Flansch oder eine andere Art von Vorrichtung handelt, sind mit der Verwendung einer derartigen Konfiguration zahlreiche Nachteile verbunden.
Der aktuell zum Einsatz kommende Herstellungsprozess für einen Achsenzahntrieb bzw. ein Achsenritzel, der bzw. das in Fig. 1 gezeigt ist, kann enge Konzentrizitätstoleranzen nicht gewährleisten. Das maschinelle Bearbeiten des in Fig. 1 gezeigten Zahntriebaufbaus 10 umfasst die Schritte des Bereitstellens und des Schmiedens. Bei dem Schmieden handelt es sich um einen grobmaschinellen Bearbeitungsvorgang, der typischerweise zumindest einen Ausrichtungsvorgang erfordert. An das Schmieden schließt sich ein Walzfräsvorgang an einem Ende an, um ein Zahnrad 12 zu bilden. Die außen liegende Keilwelle/Keilnut 14 wird daraufhin roll- bzw. walzgeformt. Das Gewinde 20 muss typischerweise keinen hohen Grad an Konzentrizität aufweisen und kann auf die Welle walzgeformt werden, wobei das Teilfertigprodukt daraufhin wärmebehandelt wird. Nach dem Wärmebehandeln werden die Achszapfen 16, 18 auf eine festgelegte Toleranz geschliffen, weil es erwünscht ist, dass die Achszapfen 16, 18 konzentrisch zur Welle und dem Zahnrad 12 ausgerichtet sind.

In diesem Achsenzahntriebaufbau kann die Konzentrizität zwischen den Keilnuten und der Welle nur schwer erzielt werden, und zwar primär insbesondere deshalb, weil eine Wärmebehandlung durchgeführt wird, nachdem die Keilnuten gebildet sind. Eine Wärmebehandlung nach dem maschinellen Bearbeiten induziert jedoch eine Spannung, wenn nicht sämtliche Teile und Abschnitte dieses Teils in derselben Weise auf die hohe Wärme und Spannungen im Wärmebehandlungsprozess reagieren. Keilnutverbindungen sind außerdem mit zahlreichen Nachteilen behaftet. Da Keilnuten im Wesentlichen Zahnräder darstellen, die auf einer Welle festgelegt sind, werden sie mit einem bestimmten Grad an Spiel unvermeidlich hergestellt, damit die Achse am Flansch oder einer anderen Kraftübertragungskomponente angebracht bzw. montiert werden kann. Während dieses Spiel für die Montage nützlich ist, führt es zu Totgang, sobald die Achse und der Flansch montiert und in Betrieb gesetzt sind. Totgang kann zu Verschleiß und Abnutzung zwischen den vor- und zurückspringenden Keilen/Keilnuten beitragen, was zu einem vorzeitigen Ausfall führen kann. Es besteht ein Bedarf an einer verbesserten Verbindung zwischen dem Differenzial und dem Flansch einer Verbindung, die einen geringeren Totgang aufweist. Außerdem besteht ein Bedarf an einem verbesserten Verfahren zur Herstellung der Grenzfläche zwischen dem Differenzial und der Antriebswelle derart, dass Teile besser dazu geeignet sind, Herstellungstoleranzen einzuhalten, und insbesondere eine verbesserte Konzentrizität zwischen dem Flansch, der Welle und dem Zahntrieb bereit zu stellen.

Erreicht wird dieses Ziel durch die Merkmale des Anspruchs 1 hinsichtlich einer Grenzfläche zwischen einem antreibenden Element und einem angetriebenen Element, durch die Merkmale des Anspruchs 9 hinsichtlich eines Verfahrens zur Grenzflächenkopplung eines angetriebenen Elements mit einem antreibenden Element, durch die Merkmale des Anspruchs 14 hinsichtlich einer Kupplung für eine Kraftfahrzeugantriebswelle, und durch die Merkmale des Anspruchs 26 hinsichtlich eines Verfahrens zur Herstellung eines Achsenzahntriebs. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Mit anderen Worten erreicht die vorliegende Erfindung das genannte Ziel durch eine verbesserte Konstruktion der Grenzfläche bzw. der Verbindung zwischen einem antreibenden Element und einem angetriebenen Element.

Gemäß einem Aspekt besitzt das antreibende Element einen mehreckigen Achsenabschnitt, der zumindest eine Oberfläche aufweist, die aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus konkaven, konvexen und geraden Oberflächen besteht. Das angetriebene Element besitzt eine dazu passende mehreckige Fläche bzw. Oberfläche, d. h., das angetriebene Element besitzt eine Fläche, die konvex ist, wenn das antreibende Element eine konvexe Oberfläche aufweist. Alternativ besitzt das angetriebene Element eine konkave Oberfläche, wenn das antreibende Element ebenfalls eine konkave Oberfläche besitzt. Alternativ können die antreibenden und angetriebenen Elemente Oberflächen ausweisen, die weder konkav noch konvex sind, sondern gerade verlaufen. Zumindest eine der antreibenden und angetriebenen Oberflächen weist entlang ihrer axialen Erstreckung einen verdrehten Abschnitt auf. In einigen Ausführungsformen besitzt der verdrehte Abschnitt einen Verdrehwinkel von etwa 0° 10' bis etwa 1°.

Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft eine Kupplung für eine Kraftfahrzeugantriebswelle. Die Kupplung umfasst eine Antriebswelle mit einem Achsenabschnitt, der aus der Gruppe ausgewählt ist, der konkave, konvexe und gerade Oberflächen umfasst. Die Kupplung umfasst außerdem eine Halterungsvorrichtung mit einem mehreckigen Achsenabschnitt, der mit demjenigen der Antriebswelle übereinstimmt. Einer der mehreckigen Achsenabschnitte weist einen verdrehten Abschnitt entlang seiner Länge auf mit einem Winkel von etwa 0° 10' bis etwa 1°.

Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft eine Kupplung zum Übertragen von Rotationsenergie von einem antreibenden Element auf ein angetriebenes Element. Die Kupplung umfasst ein angetriebenes Element mit einem mehreckigen Achsenabschnitt. Die Kupplung umfasst außerdem ein angetriebenes Element mit einem dazu passenden mehreckigen Achsenabschnitt. Ein Teil von einem der mehreckigen Achsenabschnitte weist einen verdrehten Abschnitt entlang seiner Länge auf mit einem Verdrehwinkel von etwa 0° 10' bis etwa 1°.

Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Grenzflächenkopplung eines antreibenden Elements mit einem angetriebenen Element. Das Verfahren umfasst das Bereitstellen eines antreibenden Elements mit einem mehreckigen Achsenabschnitt und eines angetriebenen Elements mit einem dazu passenden mehreckigen Achsenabschnitt. Zumindest einer der mehreckigen Achsenabschnitte weist einen verdrehten Abschnitt entlang seiner axialen Längserstreckung aus mit einem Verdrehwinkel von etwa 0° 10' bis etwa 1°. Das Verfahren sieht daraufhin das Verbinden des antreibenden Elements mit dem angetriebenen Element vor.

Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Achsenzahntriebs. Das Verfahren umfasst außerdem das Bereitstellen eines Schmiedevorgangs und eine grobmaschinelle Bearbeitung des geschmiedeten Produkts. Das Verfahren umfasst außerdem das Walzfräsen zur Erzeugung eines Zahnrads an einem ersten Ende des Achsenzahntriebs, gefolgt von einer Wärmebehandlung des Achsenzahntriebs. Nach der Wärmebehandlung umfasst das Verfahren das Hartdrehen von zumindest zwei Achszapfen und eines mehreckigen Achsenabschnitts auf der Welle. Bei diesem Verfahren wird die Welle nicht geschliffen und die Konzentrizität zwischen den Achszapfen und dem mehreckigen Abschnitt der Welle beträgt zumindest 0,001 Inch (0,0254 mm).

Das Verwenden mehreckiger Grenzflächen hat große Vorteile im Vergleich zu der aktuell verwendeten Keilnutverbindung zwischen einem antreibenden Abschnitt und einem angetriebenen Abschnitt. Beispielsweise verringert die verdrehte mehreckige Verbindung stark bzw. beseitigt virtuell den Totgang, wodurch der Verschleiß zwischen den Passflächen verringert wird. Außerdem ist dadurch die Herstellungsausbeute verbessert und Fehlproduktion wird verringert, weil die mehreckigen Oberflächen nach der Wärmebehandlung maschinell bearbeitet werden. Im Gegensatz hierzu ist bei dem herkömmlichen Prozess erforderlich, dass die Keilnuten in die Welle vor der Wärmebehandlung geschnitten werden, woraufhin die Welle einer unkontrollierten Spannung während des Wärmebehandlungsprozesses ausgesetzt wird. Der genannte Hartdrehschritt kann auch auf die Achszapfen an der Welle angewendet werden, wodurch eine bessere Konzentrizität zwischen der Welle, den Achszapfen und der mehreckigen Grenzfläche sichergestellt wird.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung beispielhaft näher erläutert; in dieser zeigen:
Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines Achsenzahntriebs mit einer mit Keilnuten versehenen Grenzfläche gemäß dem Stand der Technik,
Fig. 2 eine perspektivische Ansicht eines Achsenzahntriebs mit einer eindringfähigen mehreckigen Grenzfläche gemäß der vorliegenden Erfindung,
Fig. 3 eine perspektivische Ansicht eines Gegenflansches mit einer eindringbaren mehreckigen Grenzfläche, die mit der Grenzfläche von Fig. 2 zusammenpassbar ist,
Fig. 4 eine perspektivische Ansicht der Ausführungsformen von Fig. 2 und 3 in zusammengebautem Zustand,
Fig. 5 eine perspektivische Endansicht der Achsen der Achsenzahntriebswelle mit mehreckiger Grenzfläche,
Fig. 6 eine Querschnittsdarstellung der mehreckigen Flächen unter Erläuterung des Messvorgangs für die Konvexität bzw. Konkavität dieser Flächen,
Fig. 7 und 8 mehreckige Flächen in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung, und
Fig. 9 ein Flussdiagramm zur Erläuterung eines Verfahrens zur Herstellung des Achsenzahntriebs mit einer verdrehten mehreckigen Grenzfläche.
Die Erfindung bezieht sich auf die maschinelle Herstellungstechnik, die lizenziert ist von der IPROTEC Maschinen- und Edelstahlprodukte GmbH, Deutschland. Die Technik ist in einem oder mehreren europäischen Patenten niedergelegt, einschließlich EP 0907458B1, auf das hiermit Bezug genommen wird. Dieses Patent betrifft ein Verfahren zum maschinellen Herstellen eines nicht kreisförmigen Teils unter Verwendung von ausschließlich einer Drehbank im Gegensatz zu dem Verfahren gemäß dem Stand der Technik, das Schleifen, Fräsen und andere arbeitsintensive Schritte vorsieht. In Teilen, in denen eine Konzentrizität entlang einem Axialabschnitt erwünscht ist, stellt die Drehbank offensichtlich ein zu bevorzugendes Herstellungsverfahren dar. Die IPROTEC-Technik basiert auf einer Drehbank zur Herstellung einer mehreckigen Oberfläche im Gegensatz zu Maschinen, die typischerweise bislang eingesetzt werden, wie etwa Fräsmaschinen, Maschinenbearbeitungszentren oder Schleifmaschinen. Während die IPROTEC-Technik voraussichtlich die beste Art und Weise darstellt, die vorliegende Erfindung in die Praxis umzusetzen, sind andere Techniken bekannt, um mehreckige Oberflächen maschinell herzustellen und auch diese Techniken können eingesetzt werden, um die Erfindung in die Praxis umzusetzen.
Fig. 1 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Achsenzahntriebs 10 gemäß dem Stand der Technik zur Verwendung in einem Kraftfahrzeug. Der Achsenzahntrieb umfasst ein Zahnrad 12 zum Grenzflächeneingriff mit einem Kraftfahrzeugdifferenzial. Der Achsenzahntrieb umfasst außerdem einen Keilnutabschnitt 14 zum Grenzflächeneingriff mit einem Gegenflansch oder einer anderen Komponente eines Kraftfahrzeugs oder Lastwagens. Achszapfen 16 und 18 sind vorgesehen für ein Zusammenpassen mit Lagern zum Führen des Achsenzahntriebs. Ein Gewindeende 20 ist vorgesehen, um den Flansch oder eine andere Getriebekomponente in axialer Richtung mit einer Flanschmutter fest zu verbinden. Bei der Konstruktion dieses Achsenzahntriebs ist es wichtig, dass die Keilnutanordnung, das Zahnrad und die Achszapfen zu Gunsten einer wirksamen Kraftübertragung konzentrisch verlaufen sowie auch aus weiteren Gründen, wie etwa eines ruhigen Laufs und einer langen Lebensdauer.
Der grundsätzliche Nachteil des in Fig. 1 gezeigten Achsen' zahntriebs gemäß dem Stand der Technik betrifft Totgang, der bei der Keilnutverbindung in Kauf genommen werden muss, und die Tatsache, dass das Zahnrad und der Keilnutabschnitt vor der Wärmebehandlung maschinell hergestellt werden müssen. Da dieses Teil während der Wärmebehandlung einer Spannung unterworfen wird, ist zwischen dem Zahnrad und dem Keilnutabschnitt mit einer bestimmten Bewegung zu rechnen. Diese Bewegung führt häufig zu Fehlprodukten und sie sollte deshalb nicht stattfinden. Aus Gründen der Definition wird das antreibende Element als das Teil definiert, das näher an der Kraftquelle liegt, und das angetriebene Element wird als dasjenige Teil definiert, das weiter von der Kraftquelle entfernt liegt. Sowohl der Gegenflansch wie der Achsenzahntrieb werden durch eine (nicht gezeigte) Antriebswelle angetrieben und sie sind in Reihe zur Antriebswelle angeordnet. Der Gegenflansch nimmt jedoch Kraft direkt von der Antriebswelle auf und der Achsenzahntrieb nimmt Kraft direkt von dem Gegenflansch auf. Vorliegend wird deshalb der Gegenflansch als antreibendes Element definiert, da seine Drehung zum Drehantrieb des Achsenzahntriebs führt und der Achsenzahntrieb wird als angetriebenes Element definiert. Diese Definitionen befinden sich im Gegensatz zu der typischen Kraftfahrzeugterminologie, in denen der Achsenzahntrieb als antreibendes Element bezeichnet wird, weil er das gesamte Differenzial antreibt.
Fig. 2 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Achsenzahntriebaufbaus 24 in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung. Der Achsenzahntriebaufbau 24 ist zur Verwendung in Kraftfahrzeugen bestimmt, wie etwa in Lastwägen oder Personenfahrzeugen, obwohl andere Anwendungen die vorliegende Erfindung ebenfalls vorteilhaft nutzen können. Der Achsenzahntriebaufbau 24 umfasst ein Zahnrad 26 an einem Ende zur Grenzflächenkopplung mit einem Differenzial. Der Achsenzahntriebaufbau umfasst außerdem eine Gewindefläche 28 am gegenüberliegenden Ende für eine Mutter zur festen Verbindung mit einem Gegenflansch in der axialen Richtung. Der Achsenzahntrieb umfasst außerdem erfindungsgemäß eine mehreckige Oberfläche 30, wie nachfolgend erläutert, im vorliegenden Fall eine sechseckige Fläche mit geringer Konkavität auf jeder der sechs Flächenteile. Die mehreckige Grenzfläche sorgt für eine Festlegung des Gegenflansches in radialer Richtung. Der Achsenzahntrieb umfasst außerdem Achszapfen 32 und 34 für Lagerflächen. Fig. 3 zeigt den dazu passenden Gegenflansch 38 für den Achsenzahntriebaufbau 24. Der Gegenflansch 38 besitzt bevorzugt eine Außenseite bzw. äußere Oberfläche mit mehreren Löchern 42 zum Anbringen eines Antriebswellenjochs und er weist ebenfalls eine mehreckige Fläche bzw. Oberfläche 40 auf, die mit der mehreckigen Fläche 30 des Achsenzahntriebs zusammenpasst. Die mehreckige Fläche 40 des Gegenflansches besitzt eine geringe Konvexität, um mit den konkaven Oberflächen des Achsenzahntriebs zusammenzupassen.
Die montierten bzw. zusammengebauten Teile sind in Fig. 4 gezeigt. Der Achsenzahntrieb 24 und seine mehreckige Fläche 30 passen in den Gegenflansch 38 und seine damit zusammenpassende mehreckige Fläche 40. Die Löcher des Flansches stehen zur Verfügung, um ein (nicht gezeigtes) Antriebswellenjoch anzubringen und das Gewinde 28 des Achsenzahntriebs ist dazu ausgelegt, eine (nicht gezeigte) Rückhaltemutter aufzunehmen. Fig. 5 zeigt eine perspektivische Endansicht eines Teils des Achsenzahntriebs von Fig. 2. Wie vorstehend angeführt, umfasst der Achsenzahntrieb ein Gewindeende 28, eine mehreckige Oberfläche 30 und zumindest eine Lagerfläche 32. Die mehreckige Fläche 30 kann in der praktischen Auslegung in drei Teile entlang ihrer Länge und entlang der Achse 25 der Welle unterteilt sein. Die Teile bzw. Abschnitte besitzen bevorzugt in etwa gleiche Länge, obwohl dies nicht zwingend erforderlich ist, wie aus Nachfolgendem hervorgeht.
Der erste Abschnitt 30a ist fluchtend mit der Achse 25 des Achsenzahntriebs 24 maschinell hergestellt. Der Abschnitt 30b ist so maschinell hergestellt, dass er eine geringfügige Verdrehung aufweist, und zwar entweder im Uhrzeigersinn oder entgegen dem Uhrzeigersinn relativ zu der Achse der Welle. Der Abschnitt 30c schließlich ist maschinell mit einer zweiten Verdrehung gleich oder entgegengesetzt zu derjenigen des Abschnitts 30b gebildet. Die Wirkung des mittleren Abschnitts 30b ist so, als ob dieser Abschnitt entlang seiner Außenfläche verdreht wäre. Der Winkel ist klein und beträgt bevorzugt etwa 0° 10' bis etwa 1°. Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist der Winkel ausgewählt aus einem schmaleren Bereich von etwa 0° 20' bis etwa 0° 50' und gemäß noch einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der Winkel noch enger gewählt mit etwa 0° 35'. Es wurde ermittelt, dass bei Wellen mit einem Durchmesser von etwa 1'' bis etwa 3'' diese Verdrehung im mittleren Abschnitt zur Beseitigung von Totgang wirksam ist. Gleichzeitig ist der Winkel nicht so groß, dass es schwierig wäre, die Teile unter Verwendung bekannter Verfahren zum Montieren von Teilen mit Grenzflächen zusammenzubauen. Diese Verfahren sehen thermische Techniken und Techniken unter Verwendung mechanischer Mittel vor.
Die Verdrehung ist ausschließlich auf einem der zwei Teile, bevorzugt dem eindringenden Teil maschinell gebildet, während das dazu passende Teil, beispielsweise das eindringbare Teil, gerade verlaufend gehalten ist. Die Verdrehung kann auf dem eindringenden Teil der mehreckigen Grenzfläche problemloser gebildet werden, d. h., auf der Welle, obwohl die Verdrehung statt dessen grundsätzlich auf dem eindringbaren Teil maschinell gebildet werden kann. Im zusammengebauten Zustand passt der äußere Teil 30c problemlos in den eindringbaren Teil. Bei der weiteren Montage leitet der Abschnitt 30b eine Spannung in die Welle und in den passenden Abschnitt der eindringbaren mehreckigen Grenzfläche ein. Wenn der Zusammenbau bzw. die Montage beendet ist, befindet sich der erste Teil 30a unter Torsion gegenüber dem eindringbaren Passteil in einer Richtung und der äußere Abschnitt 30c befindet sich unter Torsion in entgegengesetzter Richtung und widersteht damit der Torsion des mittleren Teils bzw. Abschnitts. Wenn der Winkel klein gehalten wird, führen diese geringen Interferenzen zur Beseitigung des Totgangs, wodurch der Verschleiß der eindringenden und eindringbaren mehreckigen Flächen verringert wird. Ein wesentlicher Aspekt der Auslegung der mehreckigen Grenzflächen besteht in der Grenzfläche selbst und im Grad der Konvexität oder der Passkonvexität. Eine mehreckige Fläche in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung kann drei oder eine beliebige Anzahl von Seiten aufweisen. Wenn die Anzahl der Seiten zunimmt, nimmt jedoch die Komplexität bei der Herstellung und beim Programmieren ebenfalls zu für das Programmieren der Drehbänke, die verwendet werden, um die Welle zu drehen und das Teil herzustellen. Es wurde herausgefunden, dass mehreckige Teile mit einer relativen Exzentrizität bis hin zu etwa 4% bevorzugt verwendet werden können. Die Exzentrizität ist so definiert, wie in Fig. 6 gezeigt. Eine mehreckige (in diesem Fall sechseckige) Fläche 44 ist von einem Kreis 46 an ihren am weitesten außen liegenden Punkten umschlossen. Ein innerer Kreis 48 grenzt an die am weitesten innen liegenden Punkte an. Die Exzentrizität (e) des Mehrecks ist definiert als die Differenz zwischen dem Durchmesser des äußeren Kreises 46 (D_out) und des inneren Kreises 48 (D_in): [e = S (D_out - D_in)]. Die relative Exzentrizität (E) ist definiert als der Prozentsatz der Exzentrizität dividiert durch den mittleren Durchmesser des äußeren Kreises 46 (D_out) und des inneren Kreises 48 (D_in): (D_in): [E = S (e/D_middle) × 100%] und [D_middle = S (D_out + D_in)]. Es wird bemerkt, dass dann, wenn der innere Kreis sich dem äußeren Kreis annähert, eine geringere Exzentrizität vorliegt, bis die Seiten des "Mehrecks" in einen einzigen Kreis (e = 0) konvergieren. Während dies sicherlich möglich ist, ist es bevorzugt, dass zumindest eine relative Exzentrizität von etwa 1,5% bezüglich Konkavität oder Konvexität des Mehrecks existiert, das für die Passflächen verwendet wird. Der Grund besteht darin, dass bei kleinerer Exzentrizität die tangentialen Spannungen dazu neigen, ausgeprägter zum Zentrum der Welle zu weisen, wodurch wiederum eine höhere Scherspannung erzeugt wird. Bei einer größeren Exzentrizität, insbesondere Konkavität im eindringenden antreibenden Element, weist die tangentiale Spannung weg vom Zentrum der Welle, wodurch eine geringere Scherspannung erzeugt wird. Während eine konkave Oberfläche auf einem eindringenden angetriebenen Element lediglich eine mögliche Ausführungsform darstellt, handelt es sich hierbei um eine bevorzugte Ausführungsform.
Zusätzlich zu den sechseckigen Flächen können auch andere mehreckige Flächen verwendet werden. Beispielsweise können, wie in Fig. 7 gezeigt, auf der Welle 52 konvexe dreibogige Flächen 50c verwendet werden. Konkave fünfeckige Flächen 60c auf der Welle 62 können ebenfalls verwendet werden, wie in Fig. 8 gezeigt. Es wird bemerkt, dass die Welle, die die Flächen 50c oder 60c umfassen, auch aus innen liegenden Abschnitten 50a und 50b bzw. 60a und 60b (nicht gezeigt) bestehen, wobei der Abschnitt 50b bzw. 60b um etwa 0° 10' bis etwa 1° verdreht ist, insbesondere von etwa 0° 20' bis etwa 0° 50' und besonders bevorzugt etwa um 0° 35'. Der mittlere Abschnitt 50b bzw. 60b legt die Verdrehung in einer Richtung vom Abschnitt 50a bzw. 60a fest und in der entgegengesetzten Richtung zu dem in Fig. 7 oder 8 gezeigten Abschnitt. In diesen Ausführungsformen weisen die drei mehreckigen Abschnitte dieselbe Anzahl von Seiten auf.
Ein Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum maschinellen Herstellen des Achsenzahntriebs oder einer anderen Kraftübertragung, enthaltend die vorstehend erläuterte mehreckige Fläche bzw. Oberfläche. Das in Fig. 9 dargestellte Verfahren umfasst das Bereitstellen (Schritt 90) eines Werkstücks für die maschinelle Bearbeitung. Wie dem Fachmann auf dem Gebiet von Kraftfahrzeugtechnik bekannt, wird ein Achsenzahntrieb bevorzugt durch Schmieden hergestellt. Das Verfahren sieht daraufhin eine grobe maschinelle Bearbeitung vor (Schritt 91). Im Schritt der groben maschinellen Bearbeitung, primär Drehen, werden mehrere Durchmesser und zumindest ein Datum bzw. Bezugspunkt auf dem Werkstück gebildet. Das Werkstück wird daraufhin bevorzugt zur Bildung eines Zahnrads an einem ersten Ende des Werkstücks walzgefräst (Schritt 92). Eine Gewindefläche kann außerdem auf dem anderen Ende der Welle für eine Flanschhaltemutter gebildet werden (Schritt 93). Die grob hergestellte Welle wird daraufhin wärmebehandelt (Schritt 94), so dass Spannung und andere Effekte sich manifestieren, bevor die endgültigen maschinellen Bearbeitungsschritte durchgeführt werden. Der größte Teil der maschinellen Bearbeitung nach der Wärmebehandlung besteht aus Hartdrehen, d. h., aus Drehen auf einer Drehbank, nachdem die Oberfläche des Teils in einem Wärmebehandlungsprozess gehärtet worden ist. Nach der Wärmebehandlung werden Achszapfen gedreht und die mehreckige Fläche wird auf derselben Drehbank gebildet (Schritt 95), und zwar in Übereinstimmung mit der vorstehend genannten IPROTEC-Technik.
Dieses Verfahren erbringt eine hervorragende Konzentrizität (Schritt 96) zwischen der Welle und dem Achszapfen, der mehreckigen Fläche und dem Zahnrad. In einer Ausführungsform sollte die Konzentrizität nicht größer sein als 0,001'' (ungefähr 0,0254 mm); d. h., der Schlag sollte nicht größer sein als 0,001''. Ein Achsenzahntriebaufbau für ein Kraftfahrzeug, wie etwa einen Lastwagen oder ein Personenfahrzeug, kann von etwa 8 Inch bis etwa 11 Inch lang sein und einen Durchmesser von etwa 1,0 Inch bis etwa 2,5 Inch aufweisen. Es wird bemerkt, dass die IPROTEC-Technik bevorzugt eingesetzt wird, um die mehreckigen Flächen vor der Wärmebehandlung während der Grobbehandlung zu bilden, um größere Materialmengen rasch zu entfernen, während ausreichend Fleisch zurückbleibt, um eine Bewegung des Material während der Wärmebehandlung aufzunehmen. Der Grobdrehschritt bzw. Grobmaschinenbearbeitungsschritt kann auch eingesetzt werden, um die Achszapfendurchmesser so nahe wie möglich an ihren endgültigen Abmessungen zu bilden, während ausreichend Fleisch zurückbleibt, um Konzentrizitätstoleranzen für das fertig gestellten Achsenzahntrieb möglichst eng zu halten. Es wird bemerkt, dass die Konzentrizität umgekehrt proportional zum Schlag ist, und dass ein Teil eine höhere Konzentrizität aufweist, wenn der Schlag bei der Messung der Konzentrizität geringer ist.
Während in der vorstehend angeführten Beschreibung auf Kraftfahrzeuganwendungen Bezug genommen ist, ist die Verwendung der verdrehten mehreckigen Grenzflächen nicht auf einen Achsenzahntrieb beschränkt, noch auf die Verwendung in Kraftfahrzeuganwendungen überhaupt. Beispielsweise können verdrehte mehreckige Flächen in einer beliebigen Kraftübertragungsanwendung zum Einsatz kommen, bei der Totgang oder maschinelle Bearbeitungsqualität wesentlich sind. Zusammenpassende verdrehte mehreckige Flächen können demnach beispielsweise eingesetzt werden, um Kraft von einem Schwungrad auf ein Differenzial zu übertragen, und zwar in derselben Weise wie Kraft, wie vorstehend erläutert, von einer Antriebswelle auf ein Differenzial übertragen wird. Andere Anwendungen umfassen die Kraftabnahmepassung (PTO) für einen Traktor gegenüber einem Werkzeug, wie etwa in Gestalt einer PTO-Welle eines Traktors oder Lastwagens in Bezug auf einen Erdbohrer, eine Winsche oder eine andere Vorrichtung, die über eine Welle kraftangetrieben wird. Verdrehte mehreckige Flächen und Passungen können auch bei anderen Kraftübertragungsanwendungen als für Fahrzeuge eingesetzt werden. Beispielsweise können sie als mechanische Verbindungen in Kompressoren, Pumpen, Maschinenwerkzeugen, mechanischen Vorrichtungen, Motoren, Generatoren und in anderen Anwendungen eingesetzt werden.
Die vorstehend erläuterten Ausführungsformen sind zahlreichen Abwandlungen und Modifikationen zugänglich, die sämtliche im Umfang der vorliegenden Erfindung liegen, die in den anliegenden Ansprüchen festgelegt ist.

Claims

1. Grenzfläche zwischen einem antreibenden Element und einem angetriebenen Element, aufweisend:
ein antreibendes Element mit einem mehreckigen Achsenabschnitt, der zumindest eine Oberfläche aufweist, die aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus konkaven, konvexen und geraden Oberflächen besteht, und
ein angetriebenes Element mit einem dazu passenden mehreckigen Achsenabschnitt,
wobei ein Teil von einem der mehreckigen Achsenabschnitte entlang einer Achse des Längsabschnitts verdreht ist.

2. Grenzfläche nach Anspruch 1, wobei die Verdrehung von etwa 0° 10' bis etwa 1° beträgt.

3. Grenzfläche nach Anspruch 1, wobei das angetriebene Element eine Welle umfasst, die einen eindringfähigen mehreckigen Achsenabschnitt umfasst.

4. Grenzfläche nach Anspruch 1, außerdem aufweisend eine zweite Verdrehung entlang der Achse des Achsenabschnitts, wobei die zweite Verdrehung in einer Richtung entgegengesetzt zu dem verdrehten Abschnitt verläuft.

5. Grenzfläche nach Anspruch 1, wobei das angetriebene Element eine Welle mit einem eindringfähigen mehreckigen Achsenabschnitt aufweist, wobei zumindest ein Teil des Achsenabschnitts von etwa 0° 20' bis etwa 0° 50' verdreht ist.

6. Grenzfläche nach Anspruch 1, wobei entweder das antreibende Element oder das angetriebene Element gerade verlaufen.

7. Grenzfläche nach Anspruch 1, wobei der mehreckige Achsenabschnitt eine relative Exzentrizität von etwa 1, 5% bis etwa 4% aufweist.

8. Grenzfläche nach Anspruch 1, wobei das angetriebene Element eine Welle mit einem konkaven eindringfähigen mehreckigen Achsenabschnitt mit einer Anzahl von Seiten aufweist, die aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus 3 bis 12 besteht.

9. Verfahren zur Grenzflächenkopplung eines antreibenden Elements mit einem angetriebenen Element, wobei das Verfahren die Schritte aufweist:
Bereitstellen eines antreibenden Elements mit einem mehreckigen Achsenabschnitt und eines angetriebenen Elements mit einem dazu passenden mehreckigen Achsenabschnitt, wobei entweder das antreibende Element oder das angetriebene Element zumindest einen Teil des Achsenabschnitts verdreht von etwa 0° 10' bis etwa 1° entlang der Achse des Achsenabschnitts aufweist, und
Verbinden des antreibenden Elements mit dem angetriebenen Element.

10. Verfahren nach Anspruch 9, wobei das antreibende Element eine Welle aufweist und wobei das angetriebene Element einen Flansch aufweist oder umgekehrt.

11. Verfahren nach Anspruch 9, wobei das angetriebenen Element eine Welle mit einem eindringfähigen mehreckigen Achsenabschnitt aufweist.

12. Verfahren nach Anspruch 9, wobei das angetriebene Element eine Welle mit einem eindringfähigen mehreckigen Achsenabschnitt aufweist, wobei zumindest ein Teil des Achsenabschnitts um etwa 0° 20' bis etwa 0° 50' verdreht ist.

13. Verfahren nach Anspruch 9, wobei das antreibende Element und das angetriebene Element ausgewählt ist aus der Gruppe, die einen Kompressor, eine Pumpe, ein Maschinenwerkzeug, einen mechanischen Antrieb, einen Generator und einen Elektromotor umfasst.

14. Kupplung für eine Kraftfahrzeugantriebswelle, aufweisend:
Eine Welle mit einem mehreckigen Achsenabschnitt, wobei der mehreckige Achsenabschnitt ausgewählt ist aus der Gruppe, die aus konkaven, konvexen und geraden Flächen besteht, und
eine Halterungseinrichtung mit einem passenden mehreckigen Achsenabschnitt, wobei die Halterungseinrichtung und die Welle zumindest einen Teil des mehreckigen Achsenabschnitts aufweist, der von etwa 0° 10' bis etwa 1° verdreht ist.

15. Kupplung nach Anspruch 14, wobei die Halterungseinrichtung einen Flansch umfasst.

16. Kupplung nach Anspruch 14, wobei das angetriebene Element einen eindringfähigen mehreckigen Achsenabschnitt aufweist, von dem zumindest ein Teil von etwa 0° 20' bis etwa 0° 50' verdreht ist.

17. Kupplung nach Anspruch 14, wobei der mehreckige Achsenabschnitt eine relative Exzentrizität von etwa 1, 5% bis etwa 4% aufweist.

18. Kupplung nach Anspruch 14, wobei entweder die Welle oder die Halterungsvorrichtung gerade verläuft.

19. Kupplung nach Anspruch 14, wobei das angetriebene Element eine Welle ist, die einen konkaven eindringfähigen mehreckigen Achsenabschnitt mit einer Anzahl von Seiten aufweist, die aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus 3 bis 12 besteht.

20. Kupplung zum Übertragen von Drehenergie von einem antreibenden Element auf ein angetriebenes Element, wobei die Kupplung aufweist:
ein antreibendes Element mit einem mehreckigen Achsenabschnitt, und
ein angetriebenes Element mit einem dazu passenden mehreckigen Achsenabschnitt, wobei zumindest ein Teil von einem der Elemente eine Verdrehung von etwa 0° 10' bis etwa 1° aufweist.

21. Kupplung nach Anspruch 20, wobei das antreibende Element aus der Gruppe ausgewählt ist, die eine Achse, eine Halbachse und eine Welle umfasst.

22. Kupplung nach Anspruch 20, wobei das angetriebene Element einen eindringfähigen mehreckigen Achsenabschnitt aufweist, der eine Verdrehung von etwa 0° 20' bis etwa 0° 50' aufweist.

23. Kupplung nach Anspruch 20, wobei der mehreckige Achsenabschnitt eine relative Exzentrizität von etwa 1, 5% bis etwa 4% aufweist.

24. Kupplung nach Anspruch 20, wobei das angetriebene Element eine Welle mit einem konkaven eindringfähigen mehreckigen Achsenabschnitt mit einer Anzahl von Seiten aufweist, die aus der Gruppe ausgewählt ist, die 3 bis 12 umfasst.

25. Kupplung nach Anspruch 20, wobei eines der Elemente gerade gebildet ist.

26. Verfahren zum Herstellen eines Achsenzahntriebs, aufweisend die Schritte:
Bereitstellen eines geschmiedeten Teils,
maschinelles Grobbearbeiten des geschmiedeten Teils, Walzfräsen eines Zahnrads an einem ersten Ende der Welle,
Wärmebehandeln der Welle, und
Hartdrehen von zumindest zwei Achszapfen und eines mehreckigen Achsenabschnitts auf der Welle, wobei die Welle nicht geschliffen wird und eine Konzentrizität zwischen den Achszapfen und dem mehreckigen Achsenabschnitt von zumindest 0,001 Inch (0,0254 mm) besitzt.

27. Verfahren nach Anspruch 26, wobei der durch Hartdrehen hergestellte, mehreckige Achsenabschnitt einen Abschnitt aufweist, der um etwa 0° 10' bis etwa 1° verdreht ist.

28. Verfahren nach Anspruch 26, außerdem aufweisend das Rollformen eines Gewindes an einem zweiten Ende der Welle vor dem Wärmebehandlungsschritt.

29. Verfahren nach Anspruch 26, wobei Komponenten der mehreckigen Grenzfläche auf eine relative Exzentrizität von etwa 1,5% bis etwa 4% hartgedreht werden.