DE60009719T2

DE60009719T2 - Durch hochdruckumformen hergestellte verformbare antriebswelle und lenksäule und verfahren zur herstellung derselben

Info

Publication number: DE60009719T2
Application number: DE60009719T
Authority: DE
Inventors: G. Federico JAEKEL
Original assignee: Cosma International Inc
Current assignee: Cosma International Inc
Priority date: 1999-08-24
Filing date: 2000-08-18
Publication date: 2005-04-28
Anticipated expiration: 2020-08-19
Also published as: CA2378733A1; WO2001014077A1; UY26309A1; AR025355A1; EP1206328A1; BR0013475A; ATE263640T1; EP1206328B1; AU6676600A; MXPA01013300A; CA2378733C; US6543266B1; DE60009719D1

Description

Diese Erfindung betrifft eine mittels Innenhochdruck geformte Antriebswelle und eine mittels Innenhochdruck geformte Lenksäule.
Hintergrund der Erfindung
Während eines Fahrzeugzusammenstoßes können die in dem Fahrzeug befindlichen Wellen zur Drehmomentübertragung wie etwa die Antriebswelle oder die Lenksäule eine Gefahr für die Insassen darstellen, wenn eine auf die Welle ausgeübte axiale Aufprallkraft die Welle aus ihren Halterungen reißt und die welle in den Fahrgastraum treibt. Um die durch solche Komponenten dargestellte potenzielle Gefahr zu reduzieren, sind die Wellen so konstruiert, daß sie in einer axialen Richtung durch plastische Verformung der Welle nach Ausübung einer axialen Kraft ausreichender Größe zusammendrückbar sind. Im allgemeinen sind die Wellen mit einem oder mehreren Bereichen reduzierter axialer Festigkeit ausgebildet, so daß sich die Welle in solchen Bereichen in einer gesteuerten und vorhersagbaren Weise zusammendrückt.
Das Formen von Fahrzeugkomponenten mittels Innenhochdruck ist dem Fachmann auf dem Gebiet herkömmlich bekannt. Im Innenhochdruckumformprozeß wird ein Rohling, üblicherweise ein Stück eines länglichen, röhrenförmigen Me tallstabs, in einer Innenhochdruckform angeordnet, die Formoberflächen mit Profilen und Merkmalen, die den gewünschten Profilen und Merkmalen des Endproduktes entsprechen, aufweist. Beide Enden des Rohlings sind abgedichtet, wobei ein unter Druck stehendes Innenhochdruckumformfluid in den Rohling eingespritzt wird, um dadurch den Rohling bis zur Übereinstimmung mit den Formoberflächen auszudehnen. In den US-Patenten Nr. 5 107 693 , 5 233 854 , 5 333 775 , 4 567 743 , 5 070 717 , 5 239 852 und 5 339 667 sind Innenhochdruckumformverfahren als bevorzugte Verfahren beschrieben, durch die das Formen mittels Innenhochdruckumformen in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung erreicht werden kann.
Das Innenhochdruckumformen ist ein vorteilhaftes Verfahren zum Formen metallischer Fahrzeugkomponenten, da das Verfahren effizient und wirtschaftlich ist und eine reproduzierbare Genauigkeit in den geformten Komponenten erzeugt. Der Stand der Technik hat jedoch kein Verfahren zum Formen einer zusammendrückbaren Welle mittels Innenhochdruck, die Keilnuten zur Drehmomentübertragung hat, vorgeschlagen, bei der der Keilnutenabschnitt der Welle einen Außendurchmesser aufweist, der kleiner als ein Innendurchmesser eines angrenzenden Abschnitts der Welle ist, so daß der Keilnutenabschnitt sich in den angrenzenden Abschnitt hinein verformen kann, wenn die Welle einer axialen Kraft ausreichender Größe ausgesetzt wird.
Zusammenfassung der Erfindung
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine mittels Innenhochdruck geformte, zusammendrückbare Welle und ein Verfahren zum Formen einer zusammendrückbaren Welle mittels Innenhochdruck zu schaffen. Die Erfindung umfaßt in einer Form ein Verfahren zum Formen einer zu sammendrückbaren Antriebswelle, das die Schritte des Anordnens eines röhrenförmigen Metallrohlings in eine Innenhochdruckform, die einen Formhohlraum aufweist, und des Dehnens des röhrenförmigen Metallrohlings durch Abdichten gegenüberliegender Enden des Rohlings und des Beaufschlagens eines Innenraums des Rohlings mit Druck mittels eines Innenhochdruckumformfluids umfaßt. Ein erster Abschnitt des Rohlings wird auf einen ersten Außendurchmesser ausgedehnt und gelangt in Eingriff mit den Oberflächen des Formhohlraums, die Keilnuten definieren, so daß auf dem ersten Abschnitt Keilnuten zur Drehmomentübertragung geformt werden. Ein zweiter Abschnitt des Rohlings wird auf einen zweiten Außendurchmesser und auf einen Innendurchmesser ausgedehnt, die beide größer als der erste Außendurchmesser des ersten Abschnitts sind.
Kurzbeschreibung der Zeichnung
1 ist ein Teilquerschnitt, der ein zusammendrückbares, mittels Innenhochdruck geformtes Keilnutenelement zeigt, das in einer Innenhochdruckform geformt wird;
2 ist ein Querschnitt, der einen Abschnitt mit unterschiedlichen Durchmessern eines zusammendrückbaren, mittels Innenhochdruck geformten Elements zeigt, das in einer Innenhochdruckform angeordnet ist;
3 ist ein Querschnitt, der ein Keilnutenende eines zusammendrückbaren, mittels Innenhochdruck geformten Elements zeigt;
4 ist ein Querschnitt, der das Keilnutenende des zusammendrückbaren, mittels Innenhochdruck geformten Elements zeigt, das in einen Zwischenabschnitt des Elements zusammengedrückt wird;
5 ist ein Querschnitt, der ein mittels Innenhochdruck geformtes Element zeigt, das einen Zwischenabschnitt und einen Endabschnitt, der einen kleineren Außendurchmesser als der Zwischenabschnitt hat, aufweist;
6 ist ein Querschnitt einer zusammendrückbaren Wellenbaueinheit; und
7 ist ein quer verlaufender Querschnitt längs der Linie VII-VII in 6.
Ausführliche Beschreibung der Erfindung
1 zeigt einen Abschnitt eines zusammendrückbaren, mittels Innenhochdruck geformten, allgemein durch das Bezugszeichen 20 bezeichneten Elements, das in einer Innenhochdruckform 70 angeordnet ist. Die Innenhochdruckform 70 enthält einen oberen Formabschnitt 72, der eine obere Formoberfläche 76 aufweist, und einen unteren Formabschnitt 74, der eine untere Formoberfläche 78 aufweist. Ein röhrenförmiger Metallrohling, der aus einem plastisch verformbaren Material, vorzugsweise aus Stahl, gefertigt ist, ist innerhalb der Form 70 angeordnet, und die obere Form 72 und die untere Form 74 sind so miteinander in Eingriff gebracht, daß die obere Formoberfläche 76 und die untere Formoberfläche 78 einen umschlossenen Formhohlraum definieren. In ein erstes Ende des röhrenförmigen Metallrohlings ist ein Innenhochdruckformdurchlaß 66 eingesetzt, um dadurch das erste Ende des Rohlings abzudichten, und das gegenüberliegende Ende des Rohlings ist ebenso durch einen zweiten Innenhochdruckformdurchlaß (nicht gezeigt) abgedichtet. Durch einen zentralen Kanal 68, der in dem Innenhochdruckformdurchlass 66 ausgebildet ist, wird ein Fluid eingespritzt, um das mit Druck beaufschlagte Fluid 80 in den Innenraum des röhrenförmigen Metallrohlings einzuführen und den Metallrohling bis zur Übereinstimmung mit den oberen und unteren Oberflächen 76, 78 auszudehnen.
Das sich ergebende mittels Innenhochdruck geformte Element 20 enthält einen ersten Abschnitt 24, der eine Reihe von über der peripheren äußeren Oberfläche hiervon ausgebildeten Keilnuten 26 aufweist und einen mit D_O1 bezeichneten maximalen Außendurchmesser des ersten Abschnitts definiert. Die Keilnuten 26 des ersten Abschnitts 24 gestatten die Montage eines Elements zur Drehmomentübertragung wie etwa eines Getriebes oder einer Riemenscheibe auf das erste Ende 24 des mittels Innenhochdruck geformten Elements 20.
Das mittels Innenhochdruck geformte Element 20 enthält des weiteren einen zweiten Abschnitt 22, der einen minimalen Außendurchmesser D_O2 des zweiten Abschnitts und einen minimalem Innendurchmesser Die des zweiten Abschnitts aufweist. Der erste Abschnitt 24 und der zweite Abschnitt 22 sind vorzugsweise so beschaffen, daß sie im wesentlichen koaxial zueinander sind. Der minimale Innendurchmesser D_I2 des zweiten Abschnitts ist größer als der maximale Außendurchmesser D_O1 des ersten Abschnitts. Obwohl gezeigt ist, daß der zweite Abschnitt 22 des mittels Innenhochdruck geformten Elements 20 einen konstanten Querschnittsdurchmesser entlang seiner Länge aufweist, ist es für die richtige Funktion der vorliegenden Erfindung nicht notwendig, daß dies der Fall ist. Wie nachstehend ausführlicher erläutert wird, ist es jedoch notwendig, daß in der Umgebung des er sten Abschnitts 24 der minimale Innendurchmesser D_I2 des zweiten Abschnitts größer als der maximale Außendurchmesser D_O1 des ersten Abschnitts ist.
Die Art und Weise, in der der erste Abschnitt 24 des zusammendrückbaren mittels Innenhochdruck geformten Elements 20 konstruiert und beschaffen ist, um bezüglich des zweiten Abschnitts 22 zusammendrückbar zu sein, ist in den 3 und 4 gezeigt. Während eines Fahrzeugzusammenstoßes kann eine durch den Pfeil P dargestellte axiale Kraft auf die Lenksäule und/oder die Antriebswelle des Fahrzeugs ausgeübt werden. Wenn die axiale Kraft P von ausreichender Größe ist, verformt sich das mittels Innenhochdruck geformte Element 20 plastisch, wenn der erste Abschnitt 24 plastisch in den zweiten Abschnitt 22 gedrängt wird, um dadurch eine erste Falte 28, einen Zwischenabschnitt 30, der einen Zwischendurchmesser zwischen D_I2 und D_O1 aufweist, und eine zweite Falte 32 zu formen. Die plastische Verformung des Elements 20 absorbiert einen Teil der Energie der Kraft P. Da der Innendurchmesser D_I2 des zweiten Abschnitts 22 größer als der Außendurchmesser D_O1 des ersten Abschnitts 24 ist, kann sich der erste Abschnitt 24 in den zweiten Abschnitt 22 verformen.
Wie in 5 gezeigt ist, kann das mittels Innenhochdruck geformte Element 20 so geformt werden, daß es einen dritten Abschnitt 34 mit einem Außendurchmesser D_O3 enthält. Der Durchmesser D_O3 ist kleiner als der Außendurchmesser D_O2 des zweiten Abschnitts 22 und kann kleiner als der Innendurchmesser D_I2 des zweiten Abschnitts 22 sein, so daß der dritte Abschnitt 34 nach Ausübung einer ausreichenden axialen Kraft auf das Element 20 in den zweiten Abschnitt 22 zusammendrückbar ist. Dieser dritte Abschnitt 34 kann in irgendeiner herkömmlichen Weise mit einem Kreuzgelenk verbunden sein.
Wie in 2 gezeigt ist, kann ein Abschnitt des mittels Innenhochdruck geformten Elements 20 einen Bereich 36 mit unterschiedlichen Querschnittsdurchmessern oder Krenelierungen enthalten, die eine Reihe abwechselnder Höchstwerte 38 und Kleinstwerte 40 umfassen. Die Höchstwerte 38 definieren einen Außendurchmesser D_OP des Höchstwerts und einen Innendurchmesser D_IP des Höchstwerts, und die Kleinstwerte 40 definieren einen Außendurchmesser D_OV des Kleinstwerts und einen Innendurchmesser D_IV des Kleinstwerts. Das mittels Innenhochdruck geformte Element 20 ist in einer Innenhochdruckform 82 angeordnet gezeigt, die eine obere Form 84, die eine obere Formoberfläche 88 aufweist, und eine untere Form 86, die eine untere Formoberfläche 90 aufweist, enthält. Der Bereich 36 der unterschiedlichen Querschnittsdurchmesser kann wie etwa oben beschrieben durch das Abdichten beider Enden eines röhrenförmigen Metallrohlings, der in dem durch die oberen und unteren Formoberflächen 88, 90 definierten Formhohlraum angeordnet ist, und durch das Einführen eines unter Druck stehenden Innenhochdruckumformfluids geformt werden, um den röhrenförmigen Metallrohling bis zur Übereinstimmung mit den Formoberflächen auszudehnen.
Es ist klar, daß die balgartige Gestalt des Bereichs 36 die axiale plastische Verformung des mittels Innenhochdruck geformten Elements 20 nach Ausübung einer axialen Druckkraft ausreichender Größe ermöglicht, um dadurch einen Teil der Energie der axialen Kraft zu absorbieren.
Eine Lenksäulenanordnung, die einen Zylinder aufweist, der einen Bereich von Krenelierungen aufweist, der durch Innenhochdruckumformen geformt wurde, ist in dem US-Patent Nr. 5 902 186 beschrieben.
Eine zusammendrückbare Antriebswellen- oder Lenksäulenanordnung ist in 6 allgemein durch das Bezugszeichen 60 bezeichnet. Die Baueinheit 60 umfaßt ein erstes mittels Innenhochdruck geformtes Element 42, das ein erstes Ende 24 aufweist, das mit Keilnuten 26 geformt ist, und einen Zwischen- oder zweiten Abschnitt 22, wobei wie voranstehend beschrieben der minimale Innendurchmesser des Abschnitts 22 größer als der maximale Außendurchmesser des Abschnitts 24 ist. Obwohl dies in 6 nicht gezeigt ist, kann der Zwischenabschnitt 22, wie etwa in 2 gezeigt und voranstehend beschrieben ist, einen oder mehrere Bereiche unterschiedlicher Durchmesser enthalten. Ein zweites Ende 50 des ersten mittels Innenhochdruck geformten Elements 42 weist einen darauf geformten ersten Verbindungsabschnitt auf, der vorzugsweise abwechselnde longitudinale Rippen 46 und longitudinale Nuten 44 (siehe 7) umfaßt. Das erste mittels Innenhochdruck geformte Element 42 wird durch das Anordnen eines röhrenförmigen Metallrohlings in den Formhohlraum einer Innenhochdruckform, durch das Abdichten der gegenüberliegenden Enden des röhrenförmigen Metallrohlings und durch das Einspritzen eines unter Druck stehenden Innenhochdruckumformfluids, um den röhrenförmigen Metallrohling bis zur Übereinstimmung mit den Oberflächen des Formhohlraums auszudehnen, geformt, um so das in 6 gezeigte mittels Innenhochdruck geformte Element zu formen.
Das zweite mittels Innenhochdruck geformte Element 48 enthält ein erstes Ende 52, das einen zweiten darauf geformten Verbindungsabschnitt aufweist. Der zweite Verbindungsabschnitt umfaßt vorzugsweise abwechselnde longitudinale Rippen 54 und longitudinale Nuten 56. Wie in den 6 und 7 gezeigt ist, können der erste und der zweite Verbindungsabschnitt vorzugsweise zusammenwirkend miteinander in Eingriff gebracht werden. In der dargestellten Ausführungsform greifen die Rippen 46 und die Nuten 44 des ersten mittels Innenhochdruck geformten Elements 42 mit den Nuten 56 bzw. Rippen 54 des zweiten mittels Innenhochdruck geformten Elements 48 ineinander, so dass die Rotation eines der mittels Innenhochdruck geformten Elemente 42 oder 48 um seine entsprechende longitudinale Achse zu dem anderen, mittels Innenhochdruck geformten Element übertragen wird.
Wie etwa in 2 gezeigt und oben beschrieben ist, enthält das zweite mittels Innenhochdruck geformte Element 48 außerdem einen Zwischenabschnitt 62, der einen oder mehrere Bereiche unterschiedlichen Durchmessers enthalten kann. Ein zweites Ende 64 des zweiten mittels Innenhochdruck geformten Elements 48 kann eine Kopplungsstruktur wie etwa den Kopplungsflansch 58 zum Ankoppeln des zweiten mittels Innenhochdruck geformten Elements 48 und dadurch der Wellenbaueinheit 60 an einen angrenzenden Rotationsmechanismus wie etwa ein U-Gelenk oder einen Lenkmechanismus enthalten.
Das zweite mittels Innenhochdruck geformte Element 48 wird durch Anordnen eines zweiten röhrenförmigen Metallrohlings in den Formhohlraum einer zweiten Innenhochdruckform und durch Ausdehnen des zweiten röhrenförmigen Metallrohlings bis zur Übereinstimmung mit den Oberflächen des zweiten Formhohlraums durch Abdichten der gegenüberliegenden Enden des zweiten röhrenförmigen Metallrohlings und durch Beaufschlagen des Innenraums des zweiten röhrenförmigen Metallrohlings mit Innenhochdruckumformfluid mit Druck geformt, um das in 6 gezeigte zweite mittels Innenhochdruck geformte Element 48 zu formen. Der in 6 gezeigte Kopplungsflansch 5S ist vorzugsweise eine nach dem Formen mittels Innenhochdruck gefertigte Struktur und kann, wie allgemein auf dem Gebiet bekannt ist, durch die Anwendung der Drucktechnik geformt werden.
Obwohl die Erfindung in Verbindung mit der gegenwärtig für am zweckmäßigsten und meisten bevorzugt gehaltenen Ausführungsform beschreiben worden ist, ist die Erfindung selbstverständlich nicht auf die offenbarten Ausführungsformen beschränkt, sondern soll im Gegenteil verschiedene Änderungen und gleichwertige Anordnungen erfassen, die im Umfang der beigefügten Ansprüche enthalten sind.

Claims

Verfahren zum Formen einer zusammendrückbaren Welle (20), mit den folgenden Schritten: Anordnen eines röhrenförmigen Metallrohlings in eine Innenhochdruckform (70), die einen Formhohlraum aufweist; und Dehnen des röhrenförmigen Metallrohlings durch Abdichten gegenüberliegender Enden des Rohlings und Beaufschlagen eines Innenraums des Rohlings mit Druck mittels eines Innenhochdruckumformfluids, so daß (i) ein erster Abschnitt (24) hiervon auf einen ersten Außendurchmesser (D_O1) ausgedehnt wird und mit den Oberflächen des Formhohlraums in Eingriff gelangt, die Keilnuten (26) definieren, so daß auf dem ersten Abschnitt Keilnuten zur Drehmomentübertragung geformt werden, und (ii) ein zweiter Abschnitt (22) hiervon auf einen zweiten Außendurchmesser (D_O2) und auf einen Innendurchmesser (D_I2) ausgedehnt wird, die beide größer als der erste Außendurchmesser des ersten Abschnitts sind.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem während des Ausdehnens des zweiten Abschnitts (22) der zweite Abschnitt mit Oberflächen des Formhohlraums in Eingriff gelangt, die einen Bereich mit unterschiedlichen Querschnittsdurchmessern definieren, um so in dem zweiten Abschnitt wechselnde Durchmesser zu formen und um dadurch diskrete Bereiche mit longitudinaler geringer Festigkeit in der Welle zu definieren.
Verfahren nach Anspruch 2, bei dem ein dritter Abschnitt (34) des röhrenförmigen Metallrohlings auf einen dritten Außendurchmesser (DO3) ausgedehnt wird, der kleiner als der zweite Außendurchmesser (D_O2) ist, wobei der dritte Abschnitt und der erste Abschnitt auf gegenüberliegenden Seiten des zweiten Abschnitts angeordnet sind.
Zusammendrückbare Welle (20), mit: einem einteilig ausgebildeten röhrenförmigen Element; wobei das röhrenförmige Element einen ersten Abschnitt (24) mit Keilnuten zur Drehmomentübertragung aufweist, die auf einer äußeren Oberfläche hiervon ausgebildet sind, wobei der erste Abschnitt einen ersten Außendurchmesser (D_O1) aufweist; wobei das röhrenförmige Element einen zweiten Abschnitt (22) mit einem zweiten Außendurchmesser (D_O2) und mit einem Innendurchmesser (D_I2) aufweist, die beide größer als der erste Außendurchmesser (D_O1) sind.
Zusammendrückbare Welle nach Anspruch 4, bei der der zweite Abschnitt (22) einen Bereich mit unterschiedlichen Querschnittsdurchmessern umfaßt, die diskrete Bereiche mit longitudinaler geringer Festigkeit in der Welle definieren.
Zusammendrückbare Welle nach Anspruch 4 oder 5, bei der die Welle eine Antriebswelle ist.
Zusammendrückbare Welle nach Anspruch 4 oder 5, bei der die Welle eine Lenksäule ist.
Zusammendrückbare Welle nach Anspruch 4, bei der der zweite Abschnitt (22) so konstruiert und beschaffen ist, daß er sich plastisch verformt, so daß der erste Abschnitt (24) mit ausreichender Kraft in den zweiten Abschnitt gedrängt werden kann, so daß die Keilnuten in dem zweiten Abschnitt positioniert werden.
Zusammendrückbare Welle nach Anspruch 4, bei der das röhrenförmige Element ein einstöckiges einziges Element ist.
Zusammendrückbare Welle nach Anspruch 4, bei der der erste und der zweite Abschnitt (24, 22) des röhrenförmigen Elements längs einer Achse koaxial sind und bei der der zweite Abschnitt (22) einen Verbindungsbereich zum Verbinden des zweiten Abschnitts mit dem ersten Abschnitt umfaßt, wobei sich der Verbindungsbereich radial vom ersten Abschnitt erstreckt und zu der Achse im wesentlichen senkrecht ist.
Zusammendrückbare Welle nach Anspruch 8, bei der der zweite Abschnitt (22) so konstruiert und beschaffen ist, daß er nach der Verformung eine erste Falte (28) zwischen einem nicht verformten Bereich des zweiten Abschnitts (22) und einem verformten Zwischenbereich des Verbindungsbereichs sowie eine zweite Falte (32) zwischen dem Zwischenbereich und dem ersten Abschnitt (24) aufweist.
Zusammendrückbare Welle nach Anspruch 11, bei der der erste und der zweite Abschnitt des röhrenförmigen Elements längs einer Achse koaxial sind und der zweite Abschnitt (22) so konstruiert und beschaffen ist, daß sich der Zwischenbereich nach der Verformung zwischen dem nicht verformten Bereich des zweiten Abschnitts (22) und dem ersten Abschnitt (24) längs einer Linie, die sich radial von der Achse erstreckt, befindet.