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WO2006037355A1 - Gelenk mit hochbelastbarem innenteil und verfahren zu dessen herstellung - Google Patents

Gelenk mit hochbelastbarem innenteil und verfahren zu dessen herstellung Download PDF

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WO2006037355A1
WO2006037355A1 PCT/EP2004/010962 EP2004010962W WO2006037355A1 WO 2006037355 A1 WO2006037355 A1 WO 2006037355A1 EP 2004010962 W EP2004010962 W EP 2004010962W WO 2006037355 A1 WO2006037355 A1 WO 2006037355A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
joint
inner part
shaft
spline
positive connection
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/EP2004/010962
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Rolf Cremerius
Rainer Adolfs
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
GKN Driveline International GmbH
Original Assignee
GKN Driveline International GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by GKN Driveline International GmbH filed Critical GKN Driveline International GmbH
Priority to PCT/EP2004/010962 priority Critical patent/WO2006037355A1/de
Priority to DE112004001207T priority patent/DE112004001207B4/de
Publication of WO2006037355A1 publication Critical patent/WO2006037355A1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16D—COUPLINGS FOR TRANSMITTING ROTATION; CLUTCHES; BRAKES
    • F16D3/00—Yielding couplings, i.e. with means permitting movement between the connected parts during the drive
    • F16D3/16—Universal joints in which flexibility is produced by means of pivots or sliding or rolling connecting parts
    • F16D3/20—Universal joints in which flexibility is produced by means of pivots or sliding or rolling connecting parts one coupling part entering a sleeve of the other coupling part and connected thereto by sliding or rolling members
    • F16D3/22—Universal joints in which flexibility is produced by means of pivots or sliding or rolling connecting parts one coupling part entering a sleeve of the other coupling part and connected thereto by sliding or rolling members the rolling members being balls, rollers, or the like, guided in grooves or sockets in both coupling parts
    • F16D3/223—Universal joints in which flexibility is produced by means of pivots or sliding or rolling connecting parts one coupling part entering a sleeve of the other coupling part and connected thereto by sliding or rolling members the rolling members being balls, rollers, or the like, guided in grooves or sockets in both coupling parts the rolling members being guided in grooves in both coupling parts
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    • F16D2003/22313—Details of the inner part of the core or means for attachment of the core on the shaft
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16D—COUPLINGS FOR TRANSMITTING ROTATION; CLUTCHES; BRAKES
    • F16D2250/00—Manufacturing; Assembly
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16D—COUPLINGS FOR TRANSMITTING ROTATION; CLUTCHES; BRAKES
    • F16D2300/00—Special features for couplings or clutches
    • F16D2300/10—Surface characteristics; Details related to material surfaces

Definitions

  • the invention relates to a joint comprising at least an outer part, an inner part, a cage, a plurality of rolling bodies and a shaft.
  • the shaft and the inner part together form a positive connection.
  • the joint is designed to allow a maximum flex angle in the range of at least 25 ° to an axis of the joint. Furthermore, a method of manufacturing such a hinge is described.
  • This plug or wedge connection requires a high accuracy of fit.
  • shape tolerances it is usually necessary to classify the components to be joined together beforehand.
  • the reason for this is, inter alia, that the known components, which are intended to enable a transmission of such torques even at large flexion angles, are case-hardened in the region of the connection to the contact surfaces.
  • This case hardening which is associated with the introduction of large amounts of heat over a long period of time leads to the corresponding parts to hardness distortions and deformations that may have to be at least partially reworked, in particular ground, must be.
  • a subsequent hard machining is usually carried out at the in the region of the internal toothing of the inner part or the hub, wherein the internal toothing is adapted by broaching in the hardened state of the inner part to the dimensions of the shaft to be joined. This leads to very high tool or
  • a joint should be specified, which ensures a durable force and torque transmission even under high loads and, at maximum deflection.
  • the joint should also be produced with a particularly simple and inexpensive process, among other things, should be made possible to produce sub-components of the joint locally separated from each other and to add without classifying each other.
  • the invention proposed joint comprises at least an outer part, an inner part, a cage, a plurality of rolling elements and a shaft, wherein the shaft and the inner part form a positive connection and a maximum bending angle in the range of at least 25 ° to an axis of the joint is adjustable wherein the inner part comprises a directly hardenable steel.
  • ball pivot joints which are preferably one of the group: Rzeppa joint, such as UF,
  • UF Undercut free
  • RF Ring Fixed Joint
  • AC Angular Contact
  • One major difference between RF and AC joint is that the RF joint is round and the AC joint Due to an elongated track compared to AC joints, UF joints allow for a greater maximum flexion angle (up to more than 50 ° compared to about 47 ° for AC)
  • a DO joint is a special sliding joint For the rolling elements, which run parallel to the axis of the joint, maximum deflection angles of up to approximately 31 ° are to be attained In principle, it should be noted here that all projecting joints can be bent as desired within a range of 0 ° up to the maximum bending angle.
  • the rolling elements are designed as balls.
  • the balls are guided simultaneously in radially opposed tracks in the inner part and in the outer part, wherein a cage is provided, which holds the balls in its cage windows each in a plane perpendicular to the axis.
  • the raceways are hardened on the outer part and / or on the inner part.
  • the number of balls or rolling elements can be selected taking into account the available installation space and the requirements in terms of power transmission. In particular, constant velocity universal joints with 6, 8 or even 10 balls are common.
  • the joint now makes it possible to realize an angle and / or an axial offset (in the case of sliding joints) between the drive side and the driven side.
  • the joints allow a maximum flexion angle in the range of at least 25 ° to the axis of the joint.
  • the "bending angle” means in particular the angle between the axes, with the drive shaft or the output shaft or similar components is formed. If the shaft is bent as far as possible, the "maximum deflection angle" is present.From the above explanations regarding the joints shown here, it can be seen that at least the UF elements have at least one U-turn angle. , RC, AC and DO joints satisfy this condition since they all have a maximum flex angle above 25 °.
  • the inner part comprises a tempering steel.
  • the tempering steel has the property of being directly curable. This is largely attributable to its carbon content of 0.3% to 0.8%. After tempering, the tempering steel usually has a high toughness and a fine-grained structure. These toughening properties are particularly suitable for absorbing the forces occurring at large bending angles. The possible heat treatments will be explained later in detail, at this point is only to point out that under “tempering” here the direct hardening followed by tempering is understood, which may take place partially or for the entire hinenteil.
  • the required carbon content of a tempering material is contained in the material from the outset. This is tolerated and thus guarantees a certain training hardness, for example, for the permanent mastering of occurring Hertz surface pressures is required. This means that, depending on the contact of the force-transmitting components, different levels of stress concentration occur below the surface.
  • a hardness increase or increase in strength of more than 3 times the basic hardness of steel is required (eg from 180 HV to 58 + 4 HRC). This increase in hardness is achieved by a Gefungskonlung in martensite. To avoid excessive component distortion and too low breaking strength, it is advisable to harden as precisely as possible (local, temporal, temperature-dependent, etc.).
  • the inner part comprises a steel having a carbon content in the range of 0.4% to 0.6%. It has been found that especially such steels can permanently withstand a particularly high load at extreme bend angles. This applies in particular to the case that this is a tempered steel. Under certain circumstances, it may be advantageous to provide alloying components (such as manganese and / or boron) in the steel which result in an increase in hardenability or a further improvement in toughness properties. Particularly preferred are, for example, steels with the German name Ck45, Cf 53, C60.
  • the inner part is designed with a hardness-free surface in the region of the positive connection.
  • the inner part is present in this area in the tempered, ie tempered, state and thus there are no significant differences in hardness near the surface of the inner part.
  • a virtually homogeneous ductility of the inner part, starting from this upper surface extends far into the cross section, possibly even over the entire cross section. realized, for example, in the range of 500 HV to 600 HV.
  • Such an embodiment of the inner part has the consequence that a simple and highly accurate production of the connection can be realized, at the same time the requirements for the power transmission is ensured.
  • a non-hardening of the inner area for one also enables, among other things, the greatest possible elongation at break to cope with static requirements, a cheaper and easier production of the final geometry of the internal toothing (avoiding machining in the hardened state) and a plastic deformability of the inner part internal toothing during joining ( possibly even avoiding a classification).
  • the positive connection is formed with a spline.
  • spline is meant in particular that the inner part or the shaft over the circumference a plurality of adjacent juxtaposed springs and fitting grooves .
  • the number of such over the circumference distributed keys or grooves is for example in the range of 15 to 40.
  • the on The circumferential surfaces of the keyways of the splines typically have a modulus of about 1.05833.
  • the spline is performed with hardened feather keys of the shaft and hardness-free, tempered grooves / webs of the inner part.
  • the inner part in a connecting portion with the positive connection has a hardness in the range of 55 HRC to 63 HRC, in particular in the range of 58 to 62 HRC.
  • the outer part, the inner part and the cage comprise the same material.
  • Joint is meant in particular one in which at least the cage and the inner part and preferably also the outer part or even additionally the rolling bodies are made with the same material.
  • this is a tempering steel, which is the basis for these components. This has in addition to the load technically significantly improved properties of
  • a method for producing a joint comprising at least one outer part, an inner part, a cage, a plurality of rolling bodies and a shaft is now described.
  • the shaft and the inner part finally form a positive connection and ensure the adjustability of a maximum flexion angle in the range of at least 25 ° to an axis of the joint.
  • This method comprises at least the following steps: a) providing an outer part, a cage and a plurality of
  • Rolling elements b) providing a shaft which is formed in a connecting portion with a spline; c) providing a blank made of directly hardenable steel for the inner part with an opening; d) heat treatment of the inner part; e) providing the blank with a spline in the region of the opening; f) mounting the components.
  • steps a), b) and c), d), e) can be carried out at least partially simultaneously and under certain circumstances also spatially separated from one another.
  • steps a), b) and c), d), e) can be carried out at least partially simultaneously and under certain circumstances also spatially separated from one another.
  • the assembly of other components of the joints can be integrated into the manufacturing process.
  • the particular embodiment variants of the individual method steps will be discussed in more detail below.
  • an outer part, a cage and a plurality of rolling bodies can therefore be carried out independently and in a known manner.
  • the shaft it should be noted that this is preferably a solid shaft of tempered steel or boron steel (particularly high hardenability and hardness depths possible for high transmission torques).
  • the spline of the shaft can also be produced in a conventional manner and preferably independently of the production of the spline of the inner part.
  • this preferably comprises forging of the blank, wherein in particular the peripheral surface or the raceways for the rolling bodies are embossed.
  • the spline is also machined in the area of the opening, and in case of hardening (only) of the outer contour, the finishing of the spline of the inner part can be performed even after the heat treatment in the "soft" state, in particular by means of the manufacturing process spaces are made, with delays are avoided due to the non-existent heat input after broaching.
  • the heat treatment according to step d) comprises at least one curing process, which is to be understood here as heating and quenching to produce an at least partially martensitic microstructure in the blank. It can now be particularly benefited by the benefits of using a directly curable steel.
  • the hardening of the entire blank can be carried out (through hardening) or even only a partial, locally (in particular to areas near the surface of the inner part) limited hardening can take place (eg only the outer contour (running surfaces of the rolling elements) and / or the area with the toothing). Curing may be required in case of an extremely high static requirement. Furthermore, an individual hardness structuring over the wall thickness is possible up to the tooth head, whereby a best possible compromise in terms of a required Zahnfußfesttechnik and cost manufacturability is possible.
  • the preferred inductive firing allows almost any arbitrary hardness profile of the sharp partial outer contour hardening on structuring to curing. When hardening build up only very low internal stresses in the material. It should also be noted that this results in a hardened internal toothing, which provides a higher shearing resistance and a better freedom of play over the lifetime.
  • a heat treatment is preferred, which can be well integrated into the production line for producing such hinenmaschine.
  • a heat treatment is preferred, which can be well integrated into the production line for producing such hinenmaschine.
  • the time required to provide a desired hardness of the inner part are much shorter than, for example, compared to case hardening, in which the material first with carbon must be enriched.
  • the following hardening processes are proposed:
  • Method for heating individual internal parts a. by induction in the shot or feed process b. by an energy beam (e.g., laser, electron beam) c. by electrical resistance 2.
  • Particularly preferred here is an inductive firing of the inner part integrated in the production line. It allows a very fast, highly efficient and targeted heating locally limited to the areas of the inner part, which are to be cured.
  • the method is preferably carried out so that the blank is coated during step d).
  • the tempering process is followed by a heat treatment, namely annealing.
  • the hardening preferably takes place in a plant or machine (for example with cycle times of 10 to 30 seconds), so that the inner part does not have to be removed from the production line.
  • a short-term reason compared to the conventional furnace occasion
  • particularly advantageous variations of annealing will be described, which can be combined with the above-mentioned heating and quenching processes:
  • Procedure for starter heating of individual internal parts a. by induction in the firing process (tempering in seconds, for example 20-60 seconds) b. by electrical resistance c. in a warm bath (preferably oil or salt bath)
  • the method for starter heating in the induction continuous furnace is preferred, since this method is particularly well in the production line of a
  • the cycle time for this is e.g. 10 to 30 seconds, with only a small space requirement and at the same time a high versatility is feasible.
  • This method allows a fairly rapid heating of the inner part (e.g., opposite to a gas oven), thus providing a total annealing time of an inner part, e.g. in the range of 3 to
  • the tempering temperatures are in this case preferably in the range of 160 ° to 190 0 C. This can ultimately produce tempered internal parts with a cycle time as a modern mass production line (about 10-30
  • the hardened inner toothing allows the transmission of higher maximum torques.
  • production-integrated hardening with lower distortion is possible.
  • the inner part thus produced has a significantly improved breaking strength compared with case-hardened inner parts, as they were previously used.
  • the curing of the surfaces is effected simultaneously by inductive shot-hardening.
  • Step d) comprises a partial tempering of the blank in the region of a peripheral surface. This means in particular that only in the field of careers of
  • Rolling body is tempered, in the region of the opening of the inner part (near the positive connection), however, no significant increase in hardness of the
  • Classification can be omitted if necessary.
  • a locally independent production of inner part and shaft is possible.
  • the spatially limited increase in hardness of the outer contour, with low energy consumption the desired properties of the tracks can be produced with little delay, wherein at the same time there is a core with very good toughness properties.
  • This property is especially important for joints with a large maximum flexion angle, since the number of punctual force application points is at times very low and large static forces must be absorbed by the remaining rolling elements.
  • This toughness of the material also in the field of splines allows a plastic adaptation when joining with the shaft. This leads to larger contact surfaces and thus to a higher number of bearing feather key / groove connections, so that a better power distribution and a lower notch effect can be realized.
  • Fig. 1 first embodiment variant of a joint according to the invention in section;
  • Fig. 2 a spline of a shaft as a side view and in section;
  • Fig. 3 a further embodiment of a shaft as a hollow shaft with spline
  • FIG. 5 shows an embodiment variant of an inner part as a plan view
  • Fig. 6 schematically a particularly preferred embodiment of the method according to the invention.
  • Fig. 1 shows Rzeppa joint fixed design, with only a Abwinkein but no displacement of the shaft 6 relative to the joint 1 is possible.
  • the shaft 6 and the axis 9 form a maximum bending angle 8, which is in a range above 25 ° (preferably above 30 °).
  • the maximum deflection angle 8 is determined by the shaft 6 and the housing 2, wherein at the maximum bending angle 8 contact of the shaft 6 to the outer part 2 must be avoided.
  • a positive connection 7 is realized towards the inner part 3 of the joint 1.
  • This form-fitting, torque-resistant connection which is preferably designed as a press-fit connection, ensures the transmission of torque from the shaft 6 to the inner part. 3
  • a cage 4 is arranged with a plurality of distributed over the circumference of the inner part 3, here designed as balls, rolling elements 5 are provided.
  • the balls run in corresponding tracks of the inner part 3 and the outer part 2, so that they allow despite a Beugewinkels 8 a torque transmission from the inner part 3 to the outer part 2.
  • the torque transmission takes place substantially in the circumferential direction, with increasing flexion angle 8 an ever-increasing force has to be absorbed by the cage 4 in the axial direction.
  • the joint 1 is provided with a sleeve 18, on the one hand to the shaft 6 and on the other hand on the outer part is fixed.
  • the transmission of large torques even in extreme positions of the shaft 6, in particular at large Beugewinkeln 8, is ensured by the fact that the inner part 3 here a tempered steel having a surface hardening free surface 10 in the region of the positive connection 7.
  • Fig. 2 shows in a plan view of a shaft end with a Verbmdungsablie 15, in which a spline 12 is executed.
  • the spline has twenty (20) wedges, which are arranged distributed at uniform intervals over the circumference of the shaft 6.
  • a section line is indicated, wherein the section is shown in Fig. 3.
  • Fig. 3 is a section through an embodiment of the shaft 6 is shown.
  • the shaft 6 has a diameter 11 in the range of 15 mm to 40 mm.
  • the arranged on the peripheral surface 16 wedges of the spline 12 have a wedge width 13 and a wedge height 14, which can be designed differently according to the loads of the joint.
  • the peripheral surface 16 of the spline 12 of the shaft 6 is preferably surface hardened inductively, preferably case hardened in the case of a hollow shaft.
  • the inner part 3 is made of a direct-hardening steel, in particular a tempering steel.
  • Such an inner part 3 can be designed with, for example, six (6) or eight (8) running surfaces 22.
  • An opening 20, here designed as a passage opening, is provided centrally, which allows at least partial passage of the shaft 6.
  • the opening 20 on the surface 10 has a spline 12. This engages in a corresponding shaped spline 12 of the shaft 6, so that the positive connection can be realized.
  • Fig. 5 shows a further embodiment of an inner part 3. Again, the outside of the running surfaces 22 can be seen, which are separated by webs 28 and arranged distributed uniformly over the circumference. In the area of the running surfaces 22, in turn, a hard layer 23 was provided by inductive partial hardening.
  • the inner part 3 is a
  • Annealing steel wherein the surface 10 in the region of the positive connection 7 has no hardening.
  • the positive connection 7 is again ensured with a spline 12, which on the circumference of
  • Opening 20 of the inner part 3 is provided.
  • FIG. 6 schematically shows a possible sequence of the production method for a particularly preferred embodiment variant of the joint 1.
  • FIG. 6 shows separate production lines for the individual components, wherein these are subsequently integrated in a production line 29 and assembled into a joint 1 , A joint 1 or a plurality of joints 1 can then be combined, for example, with a vehicle 30, in particular its drive train.
  • the symbol at the top in FIG. 6, which includes the numbers 2, 4, 5, illustrates in particular the provision of an outer part 2, a cage 4 and a plurality of rolling bodies 5, as described above in accordance with step a).
  • the centered rectangle with the numeral 6 illustrates the method step b), which describes the provision of a shaft 6, which is embodied in a connecting portion with a spline 12.
  • the number 3 which parent is to illustrate the production of an inner part 3.
  • the individual processes for the production of the inner part 3 are shown schematically below, wherein the numbering (I) to (V) individual processes of Show production process.
  • (I) the production of a blank 19 is shown with an opening 20, this production is preferably effected by a forging process.
  • the surface 10 in the region of the running surfaces 22 for the balls of the joint partially cured. This includes heating the blank 19 with an induction heater 25 comprising coils, the coils being annular here and thus uniformly heating each individual blank 19 in a targeted manner (process (U)).
  • the blank 19 is quenched by means of a fluid 21 which is distributed uniformly from a ring shower 21 onto the heated outer region of the surface 10, the desired hardness being established during this cooling process (marked by (III)).
  • the blank 19 is tempered, here while passing the blank on a conveyor belt 27 through an inductive continuous furnace 24 (see (IV)).
  • the spline 12 is inserted through a broaching tool 26 (see Process (V)), omitting hard machining because the area near the opening has not been hardened.

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Abstract

Gelenk (1) umfassend zumindest ein Außenteil (2), ein Innenteil (3), einen Käfig (4), eine Mehrzahl von Rollkörpern (5) und eine Welle (6), wobei die Welle (6) und das Innenteil (3) eine formschlüssige Verbindung (7) bilden und einen maximalen Beugewinkel (8) im Bereich von mindestens 25° zu einer Achse (9) des Gelenks (1) einstellbar ist, wobei das Innenteil (3) einen direkt härtbaren Stahl umfasst. Weiter wird auch ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Gelenks vorgeschlagen.

Description

Gelenk mit hochbelastbarem Innenteil und Verfahren zu dessen Herstellung
Die Erfindung betrifft ein Gelenk umfassend zumindest ein Außenteil, ein Innenteil, einen Käfig, eine Mehrzahl von Rollkörpern und eine Welle. Die Welle und das Innenteil bilden zusammen eine formschlüssige Verbindung. Das Gelenk ist so gestaltet, dass es einen maximalen Beugewinkel im Bereich von mindestens 25° zu einer Achse des Gelenks ermöglicht Weiterhin wird ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Gelenks beschrieben.
Es ist bekannt, dass zur Kraftübertragung im Antriebsstraήg von Kraftfahrzeugen in der Regel kraftübertragende Bauteile wie drehmomentübertragende Gleichlaufgelenke, Antriebswellen, Kardanwellen, etc. eingesetzt werden. Bei der drehmomentübertragenden Verbindung der einzelnen Komponenten werden vielfach kraft- und/oder formschlüssige Verbindungen verwirklicht. Von besonderem Interesse im Hinblick auf die hier vorliegende Erfindung steht die Verbindung eines Gelenk-Innenteils mit einer Welle zur Drehmomentübertragung. Das Gelenk-Innenteil, das bei Kugeldrehgelenken eine Kugelnabe und bei Tripodegelenken einen Tripodestern darstellt, wird über eine Steck- bzw. Keilverzahnung, die in eine Innenbohrung des Gelenk-Innenteils und am Ende des Wellenteils angebracht ist, drehmomentfest mit der Welle verbunden. Diese Steck- bzw. Keilverzahnung hat sich im Automobilbau bereits bewährt.
Allerdings ist in letzter Zeit ein erheblicher Anstieg der Antriebsleistung und der Antriebsmomente der Kraftfahrzeuge zu verzeichnen. Das bedeutet beispielsweise, dass eine deutlich höhere statische Belastung für zumindest einen Teil der Komponenten des Gelenks, wie zum Beispiel den Käfig, auftreten.
Zunächst sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass die Belastung der Komponenten des Gelenks zum Teil erheblich vom maximal erreichbaren Beugewinkel des Gelenks abhängig ist und sich mit zunehmendem Beugewinkel weiter erhöht. Deshalb müssen auch Maßnahmen getroffen werden, die die Funktion des Gelenks sicherstellen bzw. gewährleisten, dass für den Fall eines Bauteilversagens das Fahrzeug für den Bediener weiter beherrschbar bleibt. Diese erhöhte statische Belastung lässt sich auch bezüglich des Innenteils nachweisen, da mit größer werdendem Beugewinkel immer weniger Rollkörper mit dem Innenteil in Kontakt sind und somit die auftretenden statischen Kräfte also über eine immer kleinere werdende Anzahl von punkt- oder linienfÖrmigen Kontaktbereichen der Rollkörper in das Innenteil eingeleitet werden. Nun soll sichergestellt werden, dass das Gelenk auch den erhöhten Anforderungen im Automobilbau dauerhaft standhalten kann.
Weiter ist festzustellen, dass in letzter Zeit auch im Hinblick auf die Komponenten des Antriebsstrangs die Forderung nach kleinen, kompakten und leichten Ausführungen festzustellen ist. Damit soll der bestehende Bauraum nach Möglichkeit voll ausgeschöpft werden, wobei gleichzeitig eine Reduktion der Fahrzeugmasse zu einem reduzierten Kraftstoffverbrauch des Fahrzeugs führen soll.
Diese Steck- bzw. Keilverbindung erfordert eine hohe Passgenauigkeit. Hinsichtlich der Formtoleranzen ist es üblicherweise erforderlich, die miteinander zu verbindenden Komponenten zuvor zu klassifizieren. Ursache hierfür ist unter anderem, dass die bekannten Komponenten, die eine Übertragung derartiger Drehmomente auch bei großen Beugewinkeln ermöglichen sollen, im Bereich der Verbindung an den Kontaktflächen einsatzgehärtet sind. Dieses Einsatzhärten, das mit dem Einbringen von großen Wärmemengen über einen langen Zeitraum verbunden ist, führt an den entsprechenden Teilen zu Härteverzügen und Verformungen, die unter Umständen zumindest teilweise nachbearbeitet, insbesondere geschliffen, werden müssen. Besonders problematisch erweisen sich die Härteverzüge der Komponenten, die im Bereich von Fügestellen hin zu anderen Komponenten des Gelenks vorliegen, wie zum Beispiel im Bereich der Naben-Wellen-Verbindung bzw. der formschlüssigen Verbindung zwischen Welle und Innenteil. Gerade an diese Fügung werden ganz besondere Anforderungen gestellt. Beim Einsatz eines solchen Gelenks im Automobilbereich ist z.B. fahrzeugtechnisch eine Presspassung erforderlich (z.B. mit einer Einpresskraft ca. 10.000 Newton), damit auch unter Last des Gelenks kein wesentliches Spiel bezüglich dieser Fügestelle auftritt. Diese Presspassung ist wesentlich durch die Bauteilfestigkeit des Innenteils begrenzt.
Derzeit sind drei Möglichkeiten üblich, dieser Problematik der exakten Passung der miteinander zu fugenden Komponenten (Innenteil, Welle) entgegen zu treten: a) Klassifizieren Das Klassifizieren umfasst in der Regel ein Ausmessen der Geometrie der
Keilverzahnung des Gelenkinnenteils bzw. der Welle. Anschließend werden die Komponenten einander zugeordnet, so dass sie laut Kundenanforderung gefügt werden können. Dieses Verfahren hat einen hohen logistischen Aufwand und einen hohen Platzbedarf zur Folge und ist zudem sehr arbeitsintensiv. b) Nachträgliche Hartbearbeitung des Innenteils
Eine nachträgliche Hartbearbeitung erfolgt in der Regel an der im Bereich der Innenverzahnung des Innenteils bzw. der Nabe, wobei die Innenverzahnung durch Räumen im gehärteten Zustand des Innenteils an die Abmessungen der zu fügenden Welle angepasst wird. Dies führt zu sehr hohen Werkzeug bzw.
Prozesskosten. c) Istmaß- Anpassung der Komponenten
Hierbei wird zum Beispiel ein Rollverzahnungprozess der Welle (zur
Herstellung einer Keilverzahnung der Welle) an die tatsächlichen Istmaße der Innenverzahnung des Innenteils angepasst. Dieses Verfahren erfordert jedoch eine zeitversetzte Fertigung, eine Lagerhaltung zumindest der einen Komponente und ist somit nur bedingt anwendbar.
Hiervon ausgehend ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Gelenk bzw. ein Verfahren zu dessen Herstellung anzugeben, welches die bekannte technischen Probleme zumindest teilweise lindert und die hieraus resultierende Anforderungen zumindest partiell erfüllt. Insbesondere soll ein Gelenk angegeben werden, welches auch unter hohen Belastungen und, bei maximaler Auslenkung eine dauerhafte Kraft- bzw. Drehmomentübertragung gewährleistet. Dabei soll das Gelenk sich zudem mit einem besonders einfachen und kostengünstigen Verfahren herstellen lassen, wobei unter anderem auch ermöglicht werden soll, Teilkomponenten des Gelenkes örtlich getrennt voneinander herzustellen und ohne Klassifizieren miteinander fügen zu können.
Diese Aufgaben werden gelöst mit einem Gelenk gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie einem Verfahren zur Herstellung eines Gelenks mit den Schritten gemäß Patentanspruch 8. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den jeweils abhängigen Patentansprüchen beschrieben. Es sei an dieser Stelle daraufhingewiesen, dass die in den Ansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale in beliebiger, technologisch sinnvoller Weise miteinander kombiniert werden können und zu weiteren Ausgestaltungen der Erfindung führen.
Das erfindungsgemäß vorgeschlagene Gelenk umfasst zumindest ein Außenteil, ein Innenteil, einen Käfig, eine Mehrzahl von Rollkörpern und eine Welle, wobei die Welle und das Innenteil eine formschlüssige Verbindung bilden und einen maximalen Beugewinkel im Bereich von mindestens 25° zu einer Achse des Gelenks einstellbar ist, wobei das Innenteil einen direkt härtbaren Stahl umfasst.
Mit „Gelenk" sind insbesondere Gleichlaufkugeldrehgelenke gemeint. Dabei handelt es sich bevorzugt um eines aus der Gruppe: Rzeppa-Gelenk wie z.B. UF,
RF, AC -Gelenke oder ein so genanntes DO-Gelenk. Hierbei steht UF für „undercut free" (hinterschnittfrei), RF für „radseitiges Festgelenk" und AC für „angular contact" (Winkelkontakt). Ein wesentlicher Unterschied zwischen RF- und AC-Gelenk liegt darin, dass das RF-Gelenk eine runde und das AC-Gelenk eine elliptische Bahn aufweist. UF-Gelenke lassen aufgrund einer gegenüber AC- Gelenken längern Bahn einen größeren maximalen Beugewinkel zu (bis zu über 50° gegenüber ca. 47° bei AC). Bei einem DO-Gelenk handelt es sich um ein besonderes Verschiebegelenk mit Bahnen für die Rollkörper, die parallel zur Gelenkachse verlaufen, wobei maximale Beugewinkel bis ca. 31° erreichbar sind. Grundsätzlich sei hier daraufhingewiesen, dass sich alle vorstehenden Gelenke in einem Bereich von 0° bis hin zum maximalen Beugewinkel beliebig abbeugen lassen.
Die Funktionen der einzelnen Komponenten des Gelenks wird nun am Beispiel eines Gleichlaufkugeldrehgelenkes näher erläutert, wobei in diesem Fall die Rollkörper als Kugeln ausgeführt sind. In dem Außenteil und dem Innenteil sind eine Mehrzahl von in Längsrichtung verlaufenden Kugelbahnen vorgesehen, mit denen die Kugeln zur Drehmomentübertragung geführt werden. Die Kugeln sind hierzu in sich radial gegenüberliegenden Bahnen im Innenteil und im Außenteil gleichzeitig geführt, wobei ein Käfig vorgesehen ist, der in seinen Käfigfenstern die Kugeln jeweils in einer senkrecht zur Achse liegenden Ebene hält. Üblicherweise sind die Laufbahnen am Außenteil und/oder am Innenteil gehärtet. Die Anzahl der Kugeln bzw. Rollkörper kann unter Berücksichtigung des zur Verfügung stehenden Bauraumes sowie den Anforderungen hinsichtlich der Kraftübertragung gewählt werden. Üblich sind insbesondere Gleichlaufkugeldrehgelenke mit 6, 8 oder auch 10 Kugeln.
Das Gelenk ermöglicht nun, dass ein Winkel und/oder ein axialer Versatz (bei Verschiebegelenken) zwischen Antriebsseite und Abtriebsseite realisiert werden kann. Dabei lassen die Gelenke einen maximalen Beugewinkel im Bereich von mindestens 25° zur Achse des Gelenks zu. Der „Beugewinkel" meint dabei insbesondere den Winkel zwischen den Achsen, die mit der Antriebswelle bzw. der Abtriebswelle oder vergleichbaren Komponenten gebildet wird. Eine fluchtende Anordnung von Antriebswelle und Abtriebswelle stellt dabei einen Beugewinkel von 0° dar. Wird die Welle so weit wie möglich abgewinkelt, liegt der „maximale Beugewinkel" vor. Aus den vorstehenden Ausführungen betreffend die hier aufgeführten Gelenke ist erkennbar, dass zumindest die UF-, RC-, AC- und DO-Gelenke diese Bedingung erfüllen, da sie alle einen maximalen Beugewinkel oberhalb von 25° aufweisen.
Bei solch großen Abbeugung von mindestens 25°, insbesondere bei Winkeln oberhalb von 30° oder sogar 35°, steigt in einem erheblichen Umfang die statische Belastung des Innenteils des Gelenks. Ursache hierfür ist, dass nicht mehr alle vorhandenen Rollkörper mit dem Innenteil in Kontakt sind und demnach die statischen Kräfte nur über eine reduzierte Anzahl von Rollkörpern auf das Innenteil übertragen wird. Dies führt zu einer deutlich erhöhten, auf wenigere Kontaktflächen zwischen Rollkörper und Innenteil verteilten Krafteinleitung. Betrachtet man beispielsweise ein AC-Gelenk mit 6 Kugeln, so werden bei einem Beugewinkel von 0° alle Kugeln gleichmäßig belastet. Ab einem Beugewinkel von ca. 15° wird das erste Kugelpaar entlastet, so dass die Krafteinleitung zunehmend auf die verbleibenden 4 Kugeln verlagert wird. Bei einem Beugewinkel von ca. 25° beginnt die Entlastung des zweiten Kugelpaares, dass heißt, dieses Kugelpaar überträgt nun eine geringere Kraft, als dies bei einem Beugewinkel von 0° bei gleicher Belastung der Fall ist. Ab 30° Beugewinkel wird die gesamte Belastung schon hochgradig nur noch von 2 Kugeln übertragen, beispielsweise übertragen sie nun das 2,5fache der Belastung wie bei einem Beugewinkel von 0°. Die hier für ein AC-Gelenk mit 6 Kugeln veranschaulichten Prozesse lassen sich in vergleichbarer Weise auch bei anderen Ausgestaltungen der genannten Gelenke zeigen.
Hier wurde nun erkannt, dass dieses Verhalten der Gelenke bei großen Abbeugungen zu einer Beschädigung des Innenteils führen kann. Deshalb wird nun erfindungsgemäß vorgeschlagen, für Gelenke, die bis zu so großen Beugewinkeln maximal abwinkelbar sind, das Innenteil mit einem direkt härtbaren Stahl auszufuhren. Mit „direkt" härtbar ist insbesondere gemeint, dass keine Auflkohlung des Stahls im Rahmen einer Wärmebehandlung vorgenommen wird, sondern der Stahl bereits die Zusammensetzung (insbesondere einen Kohlenstoffgehalt im Bereich von 0,2 % bis 0,8 %) aufweist, die ein Härten durch Gefugeumwandlung in zumindest, teilweise martensitisches Gefüge ermöglicht Damit sind Voraussetzungen geschaffen, die einen gleichmäßigen Gefügeaufbau des Innenteils über den gesamten Querschnitt, erlauben, wodurch ggf. Grenzschichten z.B. hinsichtlich des Kohlenstoffgehaltes vermieden werden. Mit einem solchen Material können einerseits die für die geforderte Lebensdauer des Gelenks und die erforderliche Bruchfestigkeit des Innenteils realisiert werden, da eine Härtung der Laufbahnen für die Rollkörper erreichbar ist, und gleichzeitig können sicher und dauerhaft höhere statische Kräfte bei großen Beugewinkeln aufgenommen werden, da die Kraft an den überwiegend punktförmigen Einleitungspunkte gleichmäßiger verteilt werden kann.
Dabei ist es vorteilhaft, dass das Innenteil einen Vergütungsstahl umfasst. Der Vergütungsstahl hat die Eigenschaft, direkt härtbar zu sein. Dies ist maßgeblich seinem Kohlenstoffgehalt von 0,3 % bis 0,8 % zuzurechnen. Nach dem Vergüten weist der Vergütungsstahl in der Regel eine hohe Zähigkeit und eine feinkörniges Gefüge auf. Diese hervorzuhebenden Zähigkeitseigenschaften sind in besonderem Maße geeignet, die punktuell auftretenden Kräfte bei großen Beugewinkeln aufzunehmen. Die möglichen Wärmebandlungen werden später noch im Detail erläutert, an dieser Stelle ist vorab nur daraufhinzuweisen, dass unter „vergüten" hier das direkte Härten mit nachfolgendem Anlassen verstanden wird, wobei dies partiell oder für das gesamte hinenteil stattfinden kann.
Ln Gegensatz zum Einsatzmaterial ist bei einem Vergütungsmaterial der erforderliche Kohlenstoffgehalt von vorne herein im Material enthalten. Dieser ist toleriert und garantiert somit eine bestimmte Ausbildungshärte, die zum Beispiel zur dauerhaften Bewältigung der auftretenden Hertzschen Flächenpressungen erforderlich ist. Das bedeutet, dass abhängig von dem Kontakt der kraftübertragenden Komponenten unterschiedlich hohe Spannungskonzentration unterhalb der Oberfläche entstehen. Hierfür ist eine Härtesteigerung bzw. Festigkeitssteigerung von mehr als dem 3fachen der Grundhärte von Stahl erforderlich (z.B. von 180 HV auf 58 + 4 HRC). Diese Härtsteigerung wird durch eine Gefugewandlung in Martensit erreicht. Zur Vermeidung übermäßiger Bauteilverzüge und einer zu geringen Bruchfestigkeit ist es ratsam, möglichst gezielt (örtlich, zeitlich, temperaturabhängig, etc,) zu härten. Bei einem Bauteil wie dem hier gegenständlichen Innenteil bei dem zudem noch hohen Kerbfaktoren wirken (Innenverzahnung, punktuelle Krafteinleitung über die Rollkörper) ist eine größtmögliche Restzähigkeit des Bauteiles erstrebenswert. Darüber hinaus haben Tests bewiesen, dass Innenteile aus Vergütungsstahl grundsätzlich höhere statische Bruchfestigkeiten als Einsatzgehärtete Innenteile aufweisen.
Bevorzugt wird nun vorgeschlagen, dass Innenteil einen Stahl umfasst, der einen Kohlenstoffgehalt im Bereich von 0,4 % bis 0,6 % aufweist. Es wurde herausgefunden, dass gerade solche Stähle einer besonders hohen Belastung bei extremen Beugewinkeln dauerhaft standhalten können. Dies gilt insbesondere für den Fall, dass es sich hierbei um einen Vergütungsstahl handelt. Unter Umstanden kann es vorteilhaft sein, Legierungsbestandteile (wie z.B. Mangan und/oder Bor) im Stahl vorzusehen, die eine Erhöhung der Härtbarkeit oder eine weitere Verbesserung der Zähigkeitseigenschaften zur Folge haben. Besonders bevorzugt sind beispielsweise Stähle mit der deutschen Bezeichnung Ck45, Cf 53, C60.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des Gelenks ist das Innenteil mit einer härtefreien Oberfläche im Bereich der formschlüssigen Verbindung ausgeführt ist. Damit ist insbesondere gemeint, dass das Innenteil in diesem Bereich im vergüteten, also angelassenen, Zustand vorliegt und somit dort keine wesentlichen Härteunterschiede nahe der Oberfläche des Innenteils vorliegen. Damit wird z.B. eine nahezu homogene Duktilität des Innenteils ausgehend von dieser Oberlache bis weit in den Querschnitt hinein, ggf. sogar über den gesamten Querschnitt, realisiert, die beispielsweise im Bereich von 500 HV bis 600 HV liegt. Eine solche Ausgestaltung des Innenteils hat zur Folge, dass eine einfache und hochgenaue Fertigung der Verbindung realisiert werden kann, wobei gleichzeitig die Anforderungen an die Kraftübertragung gewährleistet ist. Außerdem wird mit der nicht-(einsatz)gehärteten Ausgestaltung der Innenverzahnung des Innenteils eine Art „gutmütige Sollbruchstelle" bereitgestellt, die bei einer Überbeanspruchung des Gelenks ggf. zum Einsatz gelangt. Die gehärtete Wellenseite der formschlüssigen Verbindung würde in diesem Fall in der Öffnung des Innenteils sicher geführt werden. Eine Nichthärtung des Innenbereiches für eine ermöglicht unter anderem auch eine größtmögliche Bruchdehnung zur Bewältigung statischer Anforderungen, eine preiswertere und einfachere Herstellung der Endgeometrie der Innenverzahnung (Vermeidung einer Bearbeitung im gehärteten Zustand) und eine plastische Verformbarkeit der Innenteil- Innenverzahnung beim Fügen (ggf. sogar mit Vermeidung einer Klassifizierung).
Außerdem wir nun noch vorgeschlagen, dass die formschlüssige Verbindung mit einer Keilverzahnung gebildet ist. Mit „Keilverzahnung" ist insbesondere gemeint, dass das Innenteil bzw. die Welle über den Umfang mehrere, nebeneinander abwechselnd angeordnete Passfedern und Passnuten aufweisen. Die Anzahl solcher über den Umfang verteilter Passfedern bzw. Nuten liegt beispielsweise im Bereich von 15 bis 40. Die auf der Umfangsfläche angeordneten Passfedern der Keilverzahnung weisen in der Regel einen Modul von ca. 1,05833 auf. Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Keilverzahnung mit gehärteten Passfedern der Welle und härtefreien, vergüteten Nuten/Stegen des Innenteils ausgeführt.
Entsprechend einer weiteren Ausgestaltung des Gelenks weist das Innenteil in einem Verbindungsabschnitt mit der formschlüssigen Verbindung eine Härte im Bereich von 55 HRC bis 63 HRC, insbesondere im Bereich von 58 bis 62 HRC auf. Damit ist nun ein Gelenk angegeben, bei dem der Bereich des Innenteils nahe der formschlüssigen Verbindung mit einer gehärteten Oberfläche ausgeführt ist. Solche Gelenke können mit besonders hohen statischen Übertragungsmomenten belastet werden. Zur Vermeidung einer zu geringen Bruchfestigkeit ist es vorteilhaft, dass die partielle Härtung im Wesentlichen tatsächlich auf die belasteten Bereiche begrenzt wird, um einen relativ zähen Kern des Innenteils erhalten. Ergänzend sei darauf hingewiesen, dass eine partielle Härtung im Bereich der Bahnen für die Rollkörper jedenfalls vorgesehen sein sollte.
Besonders vorteilhaft ist zudem, wenn zumindest das Außenteil, das Innenteil und der Käfig das gleiche Material umfassen. Bei einer solchen Ausgestaltung des
Gelenks ist insbesondere eine solche gemeint, bei der zumindest der Käfig und das Innenteil und bevorzugt auch noch das Außenteil oder sogar zusätzlich noch die Rollkörper mit dem gleichen Material hergestellt sind. Bevorzugt handelt es sich dabei um einen Vergütungsstahl, der Basis für diese Komponenten ist. Dies hat neben den belastungstechnisch deutlich verbesserten Eigenschaften des
Gelenks auch noch andere Vorteile, wie zum Beispiel im Hinblick auf eine kostengünstigere Materialbeschaffung aufgrund der größeren Marge, eine einfachere Lagerhaltung und Logistik sowie eine bessere Recyclingfähigkeit des
Gelenks zur Folge.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird nun ein Verfahren zur Herstellung eines Gelenks aufweisend zumindest ein Außenteil, ein Innenteil, einen Käfig, eine Mehrzahl von Rollkörpern und eine Welle beschrieben. Dabei bilden die Welle und das Innenteil schließlich eine formschlüssige Verbindung und gewährleisten die Einstellbarkeit einen maximalen Beugewinkel im Bereich von mindestens 25° zu einer Achse des Gelenks. Dieses Verfahren umfasst zumindest folgende Schritte: a) Bereitstellen eines Außenteils, eines Käfigs und einer Mehrzahl von
Rollkörpern; b) Bereitstellen einer Welle, die in einem Verbindungsabschnitt mit einer Keilverzahnung ausgeführt ist; c) Bereitstellen eines Rohlings aus direkt härtbarem Stahl für das Innenteil mit einer Öffnung; d) Wärmebehandlung des Innenteils; e) Versehen des Rohlings mit einer Keilverzahnung im Bereich der Öffnung; f) Montieren der Komponenten.
Klarstellend sei hier darauf hingewiesen, dass die oben genannte Aufzählung nicht zwangsläufig als Reihenfolge der unterschiedlichen Arbeitsschritte bzw. Verfahrensschritte aufzufassen ist. So ist es beispielsweise möglich, die Schritte a), b) und c), d), e) zumindest teilweise zeitgleich und unter Umständen auch örtlich voneinander getrennt ausgeführt werden können. Selbstverständlich kann die Montage weitere Komponenten der Gelenke in den Herstellungsablauf integriert werden. Auf die besonderen Ausführungsvarianten der einzelnen Verfahrensschritte wird nachfolgend genauer eingegangen.
Die Bereitstellung bzw. Herstellung eines Außenteils, eines Käfigs und einer Mehrzahl von Rollkörpern kann demnach unabhängig und in bekannter Weise durchgeführt werden. Bezüglich der Bereitstellung der Welle ist anzumerken, dass es sich hierbei bevorzugt um eine Vollwelle aus Vergütungsstahl oder einem Borstahl (besonders hohe Härtbarkeit und Einhärttiefen möglich für hohe Übertragungsdrehmomente) handelt. Die Keilverzahnung der Welle kann ebenfalls auf herkömmliche Weise und bevorzugt unabhängig von der Herstellung der Keilverzahnung des Innenteils erzeugt werden. Bezüglich des Bereitstellens eines Rohlings aus direkt härtbarem Stahl für das Innenteil mit einer Öffnung ist anzumerken, dass dieses bevorzugt ein Schmieden des Rohling umfasst, wobei insbesondere die Umfangsfläche bzw. die Laufbahnen für die Rollkörper geprägt werden. Betreffend die Eigenschaften eines direkt härtbaren Stahls sei auf die obigen (insbesondere bevorzugten) Ausführungen verwiesen. Schließlich wird in diesem „weichen" Zustand des Rohlings auch die Keilverzahnung im Bereich der Öffnung eingearbeitet. Für den Fall, dass eine Härtung (nur) der Außenkontur vorgenommen wird, kann die Endbearbeitung der Keilverzahnung des Innenteils auch nach der Wärmebehandlung im „weichen" Zustand, insbesondere mittels des Fertigungsverfahrens Räumen, vorgenommen werden, wobei Verzüge aufgrund der nicht existenten Wärmeeinbringung nach dem Räumen vermieden werden.
Die Wärmebehandlung gemäß Schritt d) umfasst zumindest einen Härteprozess, wobei hier ein Erwärmen und Abschrecken zur Erzeugung eines zumindest teilweise martensitischen Gefüges im Rohling zu verstehen ist. Dabei kann nun von den Vorteilen des Einsatzes eines direkt härtbaren Stahls besonders profitiert werden.
Grundsätzlich sei darauf hingewiesen, dass das Härten des gesamten Rohlings vorgenommen werden kann (Durchhärtung) oder auch nur ein partielles, lokal (insbesondere auf Bereiche nahe der Oberfläche des Innenteils) begrenztes Härten erfolgen kann (z.B. nur der Außenkontur (Laufflächen der Rollkörper) und/oder dem Bereich mit der hinenverzahnung). Eine Durchhärtung kann im Falle einer extrem hohen statischen Anforderung erforderlich sein. Weiterhin ist auch eine individuelle Härte-Strukturierung über die Wanddicke bis in den Zahnkopf möglich, wodurch ein bestmöglicher Kompromiss bezüglich einer erforderlichen Zahnfußfestigkeit und einer kostengünstigen Herstellbarkeit möglich ist. Das bevorzugte induktive Schusshärten ermöglich nahezu jeden beliebigen Härteverlauf von der scharfen partiellen Außenkonturhärtung über eine Strukturierung bis zur Durchhärtung. Beim Durchhärten bauen nur sehr geringe innere Spannungen im Material auf. Weiter ist zu berücksichtigen, dass daraus eine gehärtete Innenverzahnung resultiert, die eine höhere Abscherfestigkeit und eine bessere Spielfreiheit über die Lebensdauer bereitstellt.
Hier nun wird eine Wärmebehandlung bevorzugt, die in die Fertigungslinie zur Herstellung solcher hinenteile gut integriert werden kann . (durch direkte Einzelteil-Härtung), da die benötigten Zeiträume zur Bereitstellung einer gewünschten Härte des Innenteils viel kürzer sind, als beispielsweise auch im Vergleich zum Einsatzhärten, bei dem das Material zunächst mit Kohlenstoff angereichert werden muss. Entsprechend den gewünschten Härteeigenschaften des Innenteils bzw. der Fertigung (einzeln, im Batch bzw. chargenweise) werden folgende Härteprozesse vorgeschlagen:
Erwärmungsverfahren:
1. Verfahren zur Erwärmung einzelner Innenteile: a. durch Induktion im Schuss- oder Vorschubverfahren b. durch einen Energiestrahl (z.B. Laser, Elektronenstrahl) c. durch elektrischen Widerstand 2. Verfahren zur gleichzeitigen Erwärmung mehrere Innenteile im Durchlauf mittels Biduktions-, Elektro- oder Gas- Durchlaufofen
3. Verfahren zur gleichzeitigen Erwärmung mehrere Innenteile in einer Kammer mittels Induktions-, Elektro-, Gas-, oder Plasma-Kammerofen.
Besonders bevorzugt ist hierbei eine in die Fertigungslinie integrierte induktive Schusserwärmung des Innenteils. Sie ermöglicht eine sehr schnelle, hocheffiziente und gezielte Erwärmung lokal begrenz auf die Bereiche des Innenteils, welche gehärtet werden sollen.
Abschreckverfahren:
1. Verfahren zur Abschreckung einzelner Innenteile: a. durch Abschreckduschen i. umschlingend am Einzelteil oder im axialen Vorschub ii. axial am Einzelteil oder im horizontalen Vorschub iii. seitlich am Einzelteil oder im horizontalen Vorschub b. im Bad oder Whirlpool (zumeist im freien Fall)
2. Verfahren zur Abschreckung der Innenteile im Batch: a. durch axiales Eintauchen in ein Öl oder Salzbad b. durch Duschen c. durch Gasabschreckung. Besonders bevorzugt is^ hierbei eine in eine Härtemaschine integrierte Einzelteil- Ringduschenabschreckung. Dabei lassen sich beachtenswerte Vorteile erreichen. So ist eine besonders umweltschonende Härtung möglich, da ein Abschreckmittel auf Wasserbasis eingesetzt werden kann, so dass keine Sonderentsorgung erforderlich ist. Weiterhin ist dieses Abschreckverfahren besonders verzugsarm, da es ringsum und zeitgleich kühlt. Damit ist eine effiziente, da auf ein Einzelteil konzentrierte, und wirtschaftliche Wärmebehandlung ermöglicht.
Dabei ist das Verfahren bevorzugt so durchzuführen, dass der Rohling während Schritt d) vergütet wird. Beim Vergüten schließt sich dem Härteprozess noch eine Wärmebehandlung, nämlich das Anlassen, an. Dabei findet das Härten bevorzugt in einer Anlage bzw. Maschine statt (z.B. mit Taktzeiten von 10 bis 30 Sekunden), so dass das Innenteil nicht aus der Fertigungslinie genommen werden muss. Gerade für diesen Fall ist also auch eine Kurzzeit-Anlassung (im Vergleich zur konventionellen Ofenanlassung) des Materials des Innenteils bevorzugt. Nachfolgend werden besonders vorteilhafte Varianten des Anlassens beschrieben, die mit den oben angeführten Erwärmungs- und Abschreckverfahren kombiniert werden können:
Anlassverfahren:
1. Verfahren zur Anlasserwärmung einzelner Innenteile: a. durch Induktion im Schussverfahren (Anlassen im Sekundenbereich, z.B. 20 - 60 Sekunden) b. durch elektrischen Widerstand c. im Warmbad (bevorzugt Öl- oder Salzbad)
2. ' Verfahren zur gleichzeitigen Anlasserwärmung mehrerer Innenteile im
Durchlauf mittels Induktions-, Elektro- oder Gas-Durchlaufofen
3. Verfahren zur gleichzeitigen Anlasserwärmung mehrerer Innenteile in einer Kammer mittels Induktions-, Elektro-, Gas-, oder Plasma- Kammerofen 4. Verfahren zur Anlasserwärmung im Warmbad (bevorzugt Öl- oder Salzbad)
Bevorzugt ist hierbei das Verfahren zur Anlasserwärmung im Induktions- Durchlaufofen, da sich dieses Verfahren besonders gut in die Fertigungslinie einer
Massenproduktion von Innenteilen eingliedern lässt. Die Zykluszeit hierfür beträgt z.B. 10 bis 30 Sekunden, wobei nur ein geringer Platzbedarf besteht und gleichzeitig eine hohe Einsatzflexibilität realisierbar ist. Dieses Verfahren ermöglicht eine recht schnelle Erwärmung des Innenteils (z.B. gegenüber einem Gasofen), womit eine Gesamtanlasszeit eines Innenteils z.B. im Bereich von 3 bis
15 Minuten vorliegt. Die Anlasstemperaturen liegen hierbei bevorzugt im Bereich von 160° bis 1900C. Damit kann letztendlich eine Fertigung vergüteter Innenteile mit einer Taktzeit wie einer modernen Massenproduktionslinie (ca. 10-30
Sekunden) verwirklicht werden.
Vorteilhaft bezüglich eines partiellen Härtens bzw. Vergütens des Innenteils im Bereich der Außenkontur (mit den Laufflächen für die Rollkörper) und der Öffnung (nahe der formschlüssigen Verbindung) ist, dass die gehärtete Innenverzahnung die Übertragung höherer maximale Drehmomente erlaubt. Gleichzeitig ist eine fertigungsintegrierte Härtung mit geringeren Verzügen möglich. Das damit erzeugt Innenteil hat eine deutlich verbesserte Bruchfestigkeit gegenüber einsatzgehärteten Innenteilen, wie sie bislang eingesetzt wurden. Bevorzugt wird das Härten der Oberflächen gleichzeitig mittels induktivem Schuss-Härten bewirkt.
Bezüglich des Fügens ist besonders vorteilhaft, wenn auf das Klassifizieren von Innenteil und Welle bzw. ein Ausmessen des Gegenteils und eine Nachbearbeitung der Oberfläche oder der Form im gehärteten Zustand vermieden wird. Ganz besonders bevorzugt ist jedoch eine Ausgestaltung des Verfahrens, bei dem
Schritt d) ein partielles Vergüten des Rohlings im Bereich einer Umfangsfläche umfasst. Damit ist insbesondere gemeint, dass nur im Bereich der Laufbahnen der
Rollkörper vergütet wird, im Bereich der Öffnung des Innenteils (nahe der formschlüssigen Verbindung) jedoch keine wesentliche Härtesteigerung des
Ausgangsmaterials vorgenommen wird. Damit ist z.B. die Möglichkeit der
Räumung der Innenverzahnung nach dem partiellen Härteverfahren im Bereich der Außenkontur bzw. Umfangsfläche geschaffen, Wobei unter Umständen sogar ein weiterer Spannungsabbau im Innenteil beim Räumen bewirkt werden kann. Damit ist eine (nahezu) verzugfreie Keilverzahnung herstellbar, so dass auf das
Klassifizieren ggf. verzichtet werden kann. Damit ist auch eine örtlich unabhängigen Fertigung von Innenteil und Welle möglich. Weiter ist zu erwähnen, dass durch die räumlich begrenzte Härtesteigerung der Außenkontur, mit geringem Energieaufwand die gewünschten Eigenschaften der Laufbahnen mit geringen Verzügen herstellbar sind, wobei gleichzeitig ein Kern mit sehr guten Zähigkeitseigenschaften vorliegt. Diese Eigenschaft ist gerade bei Gelenken mit einem großen maximalen Beugewinkel von wesentlicher Bedeutung, da hier die Anzahl der punktuellen Krafteinleitungspunkte zeitweise sehr gering ist und große statische Kräfte von den verbleibenden Rollkörpern aufgenommen werden müssen. Diese Zähigkeit des Materials auch im Bereich der Keilverzahnung erlaubt eine plastische Anpassung beim Fügen mit der Welle. Dies führt zu größeren Kontaktflächen und damit zu einer höheren Anzahl an tragenden Passfeder/Nut- Verbindungen, so dass eine bessere Kraftverteilung und eine geringere Kerbwirkung verwirklicht werden kann. Außerdem ist für den (unwahrscheinlichen) Fall eine Überbeanspruchung der formschlüssigen Verbindung eine Sollbruchstelle durch das (gegenüber der Welle vorzeitige) Abscheren der Passfedern des Innenteils geschaffen, wobei sichergestellt ist, dass die Welle auch nach einem solchen Vorfall sicher in der Öffnung des Innenteils geführt wird. Schließlich wird als besonders bevorzugtes Einsatzgebiet der Erfindung ein Fahrzeug umfassend mindestens ein erfindungsgemäßes Gelenk bzw. umfassend mindestens ein Gelenk hergestellt nach einem erfindungsgemäßen Verfahren vorgeschlagen.
Die Erfindung sowie das technische Umfeld werden anhand der Figuren näher erläutert. Es ist darauf hinzuweisen, dass die Figuren besonders bevorzugte Ausfuhrungsbeispiele der Erfindung zeigen, die Erfindung jedoch nicht darauf begrenzt ist.
Es zeigen:
Fig. 1 : erste Ausfuhrungsvariante eines erfindungsgemäßen Gelenkes im Schnitt;
Fig. 2: eine Keilverzahnung einer Welle als Seitenansicht und im Schnitt;
Fig. 3: eine weitere Ausfuhrungsform einer Welle als Hohlwelle mit Keilverzahnung
Fig. 4: eine Ausfuhrungsvariante eines Innenteils im Schnitt;
Fig. 5: eine Ausfuhrungsvariante eines Innenteils als Draufsicht;
Fig. 6: schematisch eine besonders bevorzugte Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Mit Bezug auf die Figuren ist darauf hinzuweisen, dass die Darstellungen schematisch sind, also auf die Größenverhältnisse nur begrenzt Bezug genommen werden kann. Fig. 1 zeigt Rzeppa-Gelenk fester Bauart, wobei nur ein Abwinkein aber kein Verschieben der Welle 6 gegenüber dem Gelenk 1 möglich ist.
Die Welle 6, welche beispielsweise die Antriebsseite darstellt, ist in einer abgewinkelten Position bezüglich der Achse 9 des Gelenks 1 dargestellt. Die Welle 6 und die Achse 9 bilden einen maximalen Beugewinkel 8, der in einem Bereich oberhalb von 25° (bevorzugt oberhalb von 30°) liegt. Der maximale Beugewinkel 8 wird durch die Welle 6 und das Gehäuse 2 bestimmt, wobei bei dem maximalen Beugewinkel 8 ein Kontakt der Welle 6 hin zum Außenteil 2 vermieden werden muss. Am rechten Ende der Welle 6 ist eine formschlüssige Verbindung 7 hin zum Innenteil 3 des Gelenks 1 realisiert. Diese formschlüssige, drehmomentfeste Verbindung, die bevorzugt als Pressdruckverbindung ausgeführt ist, gewährleistet die Übertragung des Drehmoments von der Welle 6 hin zum Innenteil 3.
Zwischen dem Innenteil 3 und dem Außenteil 2 ist ein Käfig 4 mit einer Mehrzahl über den Umfang des Innenteils 3 verteilt angeordneten, hier als Kugeln ausgeführten, Rollkörpern 5 vorgesehen. Die Kugeln laufen in entsprechenden Bahnen des Innenteils 3 und des Außenteils 2, so dass sie trotz eines Beugewinkels 8 eine Drehmomenrabertragung vom Innenteil 3 hin zum Außenteil 2 ermöglichen. Die Drehmomentübertragung erfolgt dabei im wesentlichen in Umfangsrichtung, wobei mit zunehmenden Beugewinkel 8 eine immer größer werdende Kraft in axialer Richtung von dem Käfig 4 aufgenommen werden muss.
Da dieses Gelenk zumindest teilweise mit Betriebsstoffen wie Fetten, Ölen, etc. versehen ist, und außerdem auch das Eindringen von Schmutz verhindert werden soll, ist das Gelenk 1 mit einer Manschette 18 versehen, die einerseits an der Welle 6 und andererseits an dem Außenteil 2 fixiert ist. Die Übertragung großer Drehmomente auch in extremen Positionen der Welle 6, insbesondere bei großen Beugewinkeln 8, wird dadurch gewährleistet, dass das Innenteil 3 hier einen vergüteten Stahl mit einer einsatzhärtefreien Oberfläche 10 im Bereich der formschlüssigen Verbindung 7 aufweist.
Fig. 2 zeigt in einer Draufsicht ein Wellenende mit einem Verbmdungsabschnitt 15, in dem eine Keilverzahnung 12 ausgeführt ist. Bei der hier dargestellten Ausführungsvariante weist die Keilverzahnung zwanzig (20) Keile auf, die mit gleichmäßigen Abständen über den Umfang der Welle 6 verteilt angeordnet sind. In Fig. 2 ist eine Schnittlinie angedeutet, wobei der Schnitt in Fig. 3 dargestellt ist.
In Fig. 3 ist ein Schnitt durch eine Ausführungsvariante der Welle 6 dargestellt. Für die meisten Anwendungen im Automobilbereich sind Vollwellen vorzuziehen, gleichwohl können bei den hier beschriebenen Gelenken auch Hohlwellen zum Einsatz gelangen. Die Welle 6 hat einen Durchmesser 11 im Bereich von 15 mm bis 40 mm. Die auf der Umfangsfläche 16 angeordneten Keile der Keilverzahnung 12 weisen eine Keilbreite 13 und eine Keilhöhe 14 auf, die entsprechend den Belastungen des Gelenks unterschiedlich ausgeführt sein können. Die Umfangsfläche 16 der Keilverzahnung 12 der Welle 6 ist bevorzugt induktiv oberflächengehärtet, im Fall einer Hohlwelle bevorzugt einsatzgehärtet.
Fig. 4 zeigt in einer Schnittansicht eine erste mögliche Ausführungsform des Innenteils 3. In der Schnittdarstellung sind außen die Laufflächen 22 für die Rollkörper 5 dargestellt. Diese Laufflächen 22 sind mit einer partiellen Hartschicht 23 versehen. Zur Ausbildung einer solchen partiellen Hartschicht 23 ist das Innenteil 3 aus einem direkt härtbaren Stahl, insbesondere einem Vergütungsstahl. Ein solches Innenteil 3 kann mit beispielsweise sechs (6) oder acht (8) Laufflächen 22 ausgeführt sein. Zentral ist eine Öffnung 20, hier als Durchgangsöffhung ausgebildet, vorgesehen, die ein zumindest teilweises Hindurchschieben der Welle 6 ermöglicht. Zur Bereitstellung einer formschlüssigen, drehmomentsicheren Verbindung weist die Öffnung 20 auf der Oberfläche 10 eine Keilverzahnung 12 auf. Diese greift in eine entsprechend ausgeformte Keilverzahnung 12 der Welle 6, so dass die formschlüssige Verbindung realisiert werden kann.
Fig. 5 zeigt nun eine weitere Ausführungsvariante eines Innenteils 3. Wiederum sind außen die Laufflächen 22 zu erkennen, die durch Stege 28 voneinander getrennt und über den Umfang gleichmäßig verteilt angeordnet sind. Im Bereich der Laufflächen 22 wurde wiederum eine Hartschicht 23 durch induktives partielles Härten vorgesehen. Bei dem Innenteil 3 handelt es sich um einen
Vergütungsstahl, wobei die Oberfläche 10 im Bereich der formschlüssigen Verbindung 7 keine Härtung aufweist. Die formschlüssige Verbindung 7 wird wiederum mit einer Keilverzahnung 12 sichergestellt, die am Umfang der
Öffnung 20 des Innenteils 3 vorgesehen ist.
Fig. 6 zeigt schematisch einen möglichen Ablauf des Herstellungsverfahrens für eine besonders bevorzugte Ausführungsvariante des Gelenks 1. Oben in Fig. 6 sind zunächst schematisch separate Fertigungslinien für die einzelnen Bauteile gezeigt, wobei diese anschließend in einer Fertigungslinie 29 integriert und zu einem Gelenk 1 montiert werden. Ein Gelenk 1 bzw. mehrere Gelenke 1 können dann beispielsweise mit einem Fahrzeug 30, insbesondere dessen Antriebsstrang, kombiniert werden. Das Symbol oben in Fig. 6, welches die Ziffern 2, 4, 5 umfasst, veranschaulicht insbesondere das Bereitstellen eines Außenteils 2, eines Käfigs 4 und einer Mehrzahl von Rollkörpern 5, wie dies gemäß Schritt a) vorstehend beschrieben wurde. Das mittig angeordnete Rechteck mit der Ziffer 6 veranschaulicht den Verfahrensschritt b), welcher das Bereitstellen einer Welle 6 beschreibt, die in einem Verbindungsabschnitt mit einer Keilverzahnung 12 ausgeführt ist. Im unteren Teil der Fertigungslinie 29 ist ein weiteres Rechteck mit der Ziffer 3 dargestellt, welches übergeordnet die Herstellung eines Innenteils 3 veranschaulichen soll.
Die einzelnen Prozesse zur Herstellung des Innenteils 3 sind darunter schematisch dargestellt, wobei die Nummerierung (I) bis (V) einzelne Prozesse des Herstellungsverfahrens zeigen sollen. Mit (I) ist dabei die Herstellung einer Rohlings 19 mit einer Öffnung 20 dargestellt, wobei diese Herstellung bevorzugt durch einen Schmiedeprozess bewirkt wird. Nun wird die Oberfläche 10 im Bereich der Laufflächen 22 für die Kugeln des Gelenks, partiell gehärtet. Dies umfasst, das Erwärmen des Rohlings 19 mit einem Spulen umfassenden Induktionsheizer 25, wobei die Spulen hier ringförmig ausgebildet sind und somit gleichmäßig jeden einzelnen Rohling 19 gezielt erwärmen (Prozess (U)). Anschließend erfolgt ein Abschrecken des Rohlings 19 mittels einem Fluid 21, welches aus einer Ringdusche 21 gleichmäßig auf den erwärmten äußeren Bereich der Oberfläche 10 verteilt wird, wobei sich bei diesem Abkühlvorgang die gewünschte Härte einstellt (gekennzeichnet mit (III)). Nach dem partiellen Härten wird der Rohling 19 angelassen, hier während des Durchführens des Rohlings auf einem Förderband 27 durch einen induktiven Durchlaufofen 24 (vgl. (IV)). Nach dem Anlassen wird die Keilverzahnung 12 durch ein Räumwerkzeug 26 eingebracht (vgl. Prozess (V)), wobei hier auf eine Hartbearbeitung verzichtet wird, denn der Bereich nahe der Öffnung wurde nicht gehärtet. Durch diese Herstellung des Innenteils 3 werden insbesondere auch Verzüge der Keilverzahnung 12 vermieden, so dass ein Fügen mit der Welle 6 ohne Klassifizieren vorgenommen werden kann.
Bezugszeichenliste
1 Gelenk
2 Außenteil
3 Innenteil
4 Käfig
5 Rollkörper
6 Welle
7 Verbindung
8 Beugewinkel
9 Achse
10 Oberfläche
11 Durchmesser
12 Keilverzahnung
13 Keilbreite
14 Keilhöhe
15 Verbindungsabschnitt
16 Umfangsfläche
17 Ringdusche
18 Manschette
19 Rohling
20 Öffnung
21 Fluid
22 Lauffläche
23 Hartschicht
24 Durchlaufofen
25 Induktionsheizer
26 Räumwerkzeug
27 Förderband
28 Steg Fertigungslinie Fahrzeug Umfangsfläche

Claims

Patentansprüche
1. Gelenk (1) umfassend zumindest ein Außenteil (2), ein Innenteil (3), einen Käfig (4), eine Mehrzahl von Rollkörpern (5) und eine Welle (6), wobei die
Welle (6) und das Innenteil (3) eine formschlüssige Verbindung (7) bilden und einen maximalen Beugewinkel (8) im Bereich von mindestens 25° zu einer Achse (9) des Gelenks (1) einstellbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Innenteil (3) einen direkt härtbaren Stahl umfasst.
2. Gelenk (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Innenteil (3) einen Vergütungsstahl umfasst.
3. Gelenk (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Innenteil (3) einen Stahl umfasst, der einen Kohlenstoffgehalt im Bereich von 0,4 % bis 0,6 % aufweist.
4. Gelenk (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Innenteil (3) mit einer härtefreien Oberfläche (10) im Bereich der formschlüssigen Verbindung (7) ausgeführt ist.
5. Gelenk (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die formschlüssige Verbindung (7) mit einer Keilverzahnung (12) gebildet ist.
6. Gelenk (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Innenteil (3) in einem Verbindungsabschnitt (15) mit der formschlüssigen Verbindung (7) eine Härte im Bereich von 55 HRC bis 63 HRC aufweist.
7. Gelenk (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest das Außenteil (2), das Innenteil (3) und der Käfig (4) das gleiche Material umfassen.
8. Verfahren zur Herstellung eines Gelenks (1) aufweisend zumindest ein Außenteil (2), ein Innenteil (3), einen Käfig (4), eine Mehrzahl von Rollkörpern (5) und eine Welle (6), wobei die Welle (6) und das Innenteil (3) eine formschlüssige Verbindung (7) bilden und einen maximalen Beugewinkel (8) im Bereich von mindestens 25° zu einer Achse (9) des Gelenks (1) einstellbar ist, welches zumindest folgende
Schritte umfasst: a) Bereitstellen eines Außenteils (2), eines Käfigs (4) und einer Mehrzahl von Rollkörpern (5); b) Bereitstellen einer Welle (6), die in einem Verbindungsabschnitt (15) mit einer Keilverzahnung (12) ausgeführt ist; c) Bereitstellen eines Rohlings (19) aus direkt härtbarem Stahl für das hinenteil (3) mit einer Öffnung (20); d) Wärmebehandlung des Innenteils (3); e) Versehen des Rohlings (19) mit einer Keilverzahnung (12) im Bereich der Öffnung (20); f) Montieren der Komponenten.
9. Verfahren nach Anspruch 8, bei dem der Rohling (19) während Schritt d) vergütet wird.
10. Verfahren nach Anspruch 10, bei dem Schritt d) ein partielles Vergüten des Rohlings (19) im Bereich der Laufflächen (22) umfasst.
11. Fahrzeug (30) umfassend mindestens ein Gelenk (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 bzw. umfassend mindestens ein Gelenk (1) hergestellt nach einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 8 bis 11.
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