DE102007031286A1

DE102007031286A1 - Endstück für Welle mit verschweißtem Rohr, entsprechende Welle und entsprechendes Herstellungsverfahren

Info

Publication number: DE102007031286A1
Application number: DE102007031286A
Authority: DE
Inventors: Pascal Dagonneau
Original assignee: GKN Driveline SA
Current assignee: GKN Driveline SA
Priority date: 2006-07-10
Filing date: 2007-07-05
Publication date: 2008-02-07
Also published as: FR2903467A1; US20080044223A1; CN101105196B; CN101105196A; JP2008020068A; FR2903467B1; US7775892B2

Abstract

Das gegenständliche Endstück für eine Welle mit verschweißtem Rohr weist auf: eine Mittelachse (X-X), einen ersten Abschnitt (10) mit einem ersten Ende (14), welches ein Verbindungsende ist, einen zweiten Abschnitt (12), welcher rohrförmig ist und welcher für ein Verschweißen mit einem Rohr (8) eingerichtet ist. Der zweite Abschnitt (12) definiert ein zweites freies Ende (18) und weist eine Außenfläche (22), eine Innenfläche (24) und eine durch eine Bodenerzeugende definierte Bodenfläche (26) auf. Die Innenfläche (24) hat eine sich zum zweiten freien Ende (18) hin erweiternde Form und wird durch eine innere Erzeugende definiert, welche von der Bodenerzeugenden verschieden ist. Anwendung auf Kraftübertragungswellen in Kraftfahrzeugen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Endstück für eine Welle mit verschweißtem Rohr einer Art, welche aufweist:

– eine Mittelachse;
– einen ersten axialen Abschnitt, welcher ein erstes Ende aufweist, das ein Verbindungsende ist;
– einen zweiten axialen Abschnitt, welcher rohrförmig ist und für ein Verschweißen mit einem Rohr eingerichtet ist, wobei der zweite axiale Abschnitt ein zweites Ende definiert und eine Außenfläche, eine Innenfläche und eine Bodenfläche, die durch eine Bodenerzeugende definiert ist, aufweist.

Sie findet Anwendung insbesondere auf Verbindungswellen in Kraftübertragungen von Kraftfahrzeugen.
Im Stand der Technik bekannt sind Wellen mit verschweißtem Rohr, welche aus zwei Endstücken gebildet sind, von denen jedes mit dem Ende eines Hohlrohres verschweißt ist. Jedes Endstück weist einen ersten Abschnitt auf, der mit Verbindungsrillen versehen ist. Diese Rillen sind für ein Verbinden der Welle beispielsweise mit einem Gleichlaufgelenk eingerichtet. Jedes Endstück weist einen zweiten rohrförmigen Abschnitt auf, welcher mit dem Hohlrohr verschweißt ist. Der zweite Abschnitt ist mit einer zylindrischen Innenfläche und einer im Wesentlichen ebenen Bodenfläche versehen. Die zylindrische Innenfläche ist mit der Bodenfläche durch eine Teiltorusfläche verbunden.
Die Endstücke der bekannten Wellen mit verschweißtem Rohr werden während ihrer Herstellung einem Normalglühen unterworfen, welches zu einer lokalen Entkohlung des Endstücks am Ort der teiltorischen Oberfläche führt.
Ferner wird nach dem Schweißen die Welle mit verschweißtem Rohr einer Induktionswärmebehandlung unterworfen, welche eine wärmebehandelte Zone auf dem Außenteil der Welle und eine nicht wärmebehandelte Zone hervorruft, die im Inneren der Endstücke liegt, wobei die beiden Zonen durch eine Trennlinie getrennt sind. Gewöhnlich endet die Trennlinie auf Höhe der teiltorischen Fläche.
Aufgrund dieser verschiedenen Herstellungsparameter sind die Gefügestabilität und die Lebensdauer der bekannten Welle gering.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, die Gefügestabilität und die Lebensdauer der Welle mit verschweißtem Rohr bei kostengünstiger Herstellung zu erhöhen.
Hierzu ist Gegenstand der Erfindung ein Endstück der vorgenannten Art, das dadurch gekennzeichnet ist, dass die Innenfläche eine sich zum zweiten Ende hin erweiternde Form aufweist und durch eine von der Bodenerzeugenden verschiedene innere Erzeugende definiert ist.
Gemäß besonderer Ausführungsformen der Erfindung weist das erfindungsgemäße Endstück eines oder mehrere der folgenden Merkmale auf:

– die Bodenerzeugende hat einen Bodenkrümmungsradius und die innere Erzeugende hat einen Krümmungsradius, der größer als der Bodenkrümmungsradius ist;
– die Bodenerzeugende hat einen Bodenkrümmungsradius und die innere Erzeugende ist geradlinig, derart, dass die Innenfläche Kegelstumpfform hat;
– die Neigung der inneren Erzeugenden in Bezug auf die Mittelachse ist mindestens 1° und maximal 60° in Bezug auf die Mittelachse und ist vorzugsweise mindestens 10° und maximal 50°;
– die Bodenfläche weist einen Bodenteil auf, an den sich ein Übergangsteil in Form eines Teiltorus anschließt, und die Bodenerzeugende setzt sich aus einer Boden-Teilerzeugenden, welche den Bodenteil defi niert, und einer Übergangs-Teilerzeugenden, welche den Übergangsteil definiert, zusammen;
– das Endstück ist aus Stahl und weist eine wärmebehandelte äußere Zone und eine innere Zone mit einem vom Gefügeaufbau der äußeren Zone verschiedenen Gefügeaufbau auf, wobei diese durch eine Trennlinie getrennt sind und die Trennlinie an der Innenfläche endet;
– die innere Zone ist eine nicht wärmebehandelte Zone oder eine Zwischenzone, insbesondere aus Bainit;
– die Wärmebehandlung ist eine Induktionswärmebehandlung;
– das Endstück ist kaltgeschmiedet ohne Glühen; und
– das erste Ende ist eine Tulpe oder eine Glocke eines Gleichlaufgelenks oder ein Ende mit Rillen.

Die Erfindung betrifft auch eine Welle einer Art mit zwei Endstücken und einem Rohr, das sich zwischen den beiden Endstücken erstreckt, wobei die beiden Endstücke unter Ausbilden jeweils einer Schweißnaht mit dem Rohr verschweißt sind, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eines der Endstücke ein Endstück wie oben definiert ist.
Gemäß besonderen Ausführungsformen weist die erfindungsgemäße Welle eines oder mehrere der nachstehenden Merkmale auf:

– das Endstück ist ein Endstück wie oben definiert, und die wärmebehandelte äußere Zone erstreckt sich über die Schweißnaht hinaus, wobei das Rohr über seinen gesamten Querschnitt und über seine gesamte Länge wärmebehandelt ist;
– das oder jedes Endstück ist ein Endstück aus Borstahl, wie etwa 38B3-Stahl, und das Rohr ist aus einem Stahl, der einen anderen Kohlenstoffgehalt, insbesondere einen geringeren Kohlenstoffgehalt als der Stahl des Endstücks, hat, wie etwa 34MnB5-Stahl.

Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung einer wie oben definierten Welle, welches folgende Verfahrensschritte aufweist:
Befestigen der beiden Endstücke am Rohr durch Schweißen unter Gewinnung einer Rohwelle;
Abdrehen und Bearbeiten der Endstücke;
Durchführen der Rohwelle durch eine Induktionsspule mit variabler Behandlungsgeschwindigkeit;
die Behandlungsgeschwindigkeit bei der Behandlung der Schweißnähte und des Rohres ist bedeutender als die Behandlungsgeschwindigkeit bei der Behandlung der Endstücke.
Ein besseres Verständnis der Erfindung wird sich aus der folgenden, allein als Beispiel gegebenen Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen ergeben, auf welchen
1 eine teilgeschnittene Ansicht einer Welle gemäß der Erfindung ist, und
2 eine vergrößerte Ansicht der Einzelheit II der 1 ist.
1 stellt, teilweise im Schnitt, eine Welle mit verschweißtem Rohr gemäß der Erfindung, bezeichnet durch das allgemeine Bezugzeichen 2, dar.
Die Welle 2 mit verschweißtem Rohr ist aus zwei Endstücken 4 und 6, sowie einem mittleren Rohr 8 gebildet.
Die beiden Endstücke 4 und 6 sind identisch, wenigstens was die nachstehend beschriebenen Merkmale anbelangt. Folglich wird nachstehend nur auf das Endstück 4 Bezug genommen.
Die Welle 2, mit verschweißtem Rohr definiert eine Mittelachse X-X. Im Folgenden werden die Ausdrücke „axial" und „radial" unter Bezug auf diese Mittelachse X-X verwendet.
Das Endstück 4 weist einen ersten axialen Abschnitt 10 sowie einen zweiten axialen Abschnitt 12 auf.
Der erste axiale Abschnitt 10 weist ein erstes Ende 14 auf, welches ein Ende zur Verbindung mit einem komplementären Element, beispielsweise einem nicht dargestellten Dreibeingelenk, aufweist. Das Verbindungsende 14 ist hierzu mit Verbindungskannelierungen 16 versehen.
Der zweite axiale Abschnitt 12 hat Rohrform mit Achse X-X. Der zweite Abschnitt 12 definiert ein zweites Ende 18. Dieses Ende 18 ist im unmontierten Zustand des Endstücks ein freies Ende und ist im montierten Zustand mit dem Rohr 8 mittels einer Schweißnaht 20 verbunden, welche vorzugsweise eine Reibschweißnaht ist. Der dritte axiale Abschnitt 12 definiert eine radial äußere Fläche 22, sowie eine radial innere Fläche 24 und eine Bodenfläche 26 (siehe 2).
Die Bodenfläche 26 ist durch einen im Wesentlichen ebenen axialen Bodenteil 28 sowie einen axialen Übergangsteil 30 gebildet. Der axiale Bodenteil 28 ist im Wesentlichen senkrecht zur Achse X-X und durch eine Boden-Teilerzeugende 28A definiert. Beispielsweise ist der Bodenteil 28 maximal unter 10°, unter 5° oder unter 3° in Bezug auf die sich senkrecht zur Achse X-X erstreckende Ebene geneigt. Unter allen Umständen ist die Neigung der Boden-Teilerzeugenden 28A in Bezug auf die Mittelachse X-X größer als die Neigung der inneren Erzeugenden 32 (siehe nachstehend). Ferner ist die Neigung der Erzeugenden 28A durch eine Ebene begrenzt, die sich senkrecht zur Achse X-X erstreckt. Der Übergangsteil 30 hat die Form eines Teiltorus, der durch eine Übergangs-Teilerzeugende 30A mit einem Übergangskrümmungsradius T erzeugt wird.
Die Innenfläche 24 schließt sich an den Übergangsteil 30 an und hat eine gerade innere Erzeugende 32, derart, dass die Innenfläche 24 Kegelstumpfform hat. Die innere Erzeugende 32 ist in Bezug auf die Mittelachse X-X unter wenigstens 1°, und maximal 60°, geneigt. Die innere Erzeugende 32 ist in Bezug auf die Achse X-X unter einem Winkel geneigt, der vorzugsweise zwischen 10° und 50° und insbesondere zwischen 20° und 40° liegt.
Die Werte führen zu einer guten Toleranz gegenüber Tiefenabweichungen der Wärmebehandlung und zu einem axialen Spielraum, der ausreichend groß ist zu gewährleisten, dass die Trennlinie (siehe nachstehend) auf der Innenfläche 24 endet.
Die Innenfläche 24 erstreckt sich von der Übergangsfläche 30 zur Schweißnaht 20. Die Innenfläche 24 ist über ihre ganze Erstreckung hinweg frei von konvexen Abschnitten, derart, dass sie sich in monotoner Weise von der Bodenfläche 26 zum zweiten Ende 18 hin erweitert. In einer Abwandlung kann die innere Erzeugende gekrümmt sein und dabei einen Krümmungsradius haben, der größer als der Übergangskrümmungsradius T ist.
Die Endstücke 4 und 6 sind aus Borstahl, etwa 38B3-Stahl hergestellt, und das Rohr 8 ist aus einem Stahl mit anderem Kohlenstoffgehalt und insbesondere geringerem Kohlenstoffgehalt als der Stahl der Endstücke 4 und 6. Das Rohr 8 ist beispielsweise aus 34MnB5-Stahl hergestellt. Es ist indessen möglich, dass andere Stähle, die durch Induktion wärmebehandelt sein können, verwendet werden.
Das Endstück 4 weist eine wärmebehandelte äußere Zone 40 sowie eine nicht wärmebehandelte innere Zone 42 auf. Die äußere Zone 40 ist beispielsweise aus Martensit gebildet, während die innere Zone 42 aus Ferrit-Perlit gebildet ist. Die wärmebehandelte Zone 40 und die nicht wärmebehandelte Zone 42 sind durch eine Zwischen-Trennzone 44 getrennt. Die Zwischen-Trennzone 44 ist beispielsweise aus Bainit gebildet. Die Trennzone 44 und die wärmebehandelte Zone 40 definieren eine Trennlinie 46, die an der Innenfläche 24 endet und daher außerhalb der Bodenfläche 26 liegt.
Ferner erstreckt sich die wärmebehandelte Außenzone 40 vom Endstück 4 über die Schweißnaht 20 hinaus bis zum Rohr 8. Das Rohr 8 ist über seinen gesamten Querschnitt und seine gesamte Länge hinweg wärmebehandelt und weist keine nicht behandelte Zone 42 und keine Zwischen-Trennzone 44 auf. Anders ausgedrückt, ist das Rohr 8 aus Martensit gebildet.
Ferner ist das Endstück 4 ohne Glühen kaltgeschmiedet und weist daher keine entkohlte Zone auf. Folglich zeugt der Übergangsteil 30 keine Spitzen mechanischer Spannung im Einsatz der Welle 2, und diese hat große Stabilität und große Lebensdauer.
Die Tatsache, dass die Trennlinie 46 an der Innenfläche 24 endet, reduziert auch mechanische Spannungen in der Übergangszone 30, steigert die Gefügestabilität und Lebensdauer der Welle 2.
Die Tatsache, dass die Innenfläche 24 in Bezug auf die Mittelachse X-X leicht geneigt ist, gestattet, die Welle 2 durch eine Induktionsspule hindurch zu führen, um die Außenfläche 22 wärmezubehandeln, wobei gleichzeitig große Relativpositionstoleranzen der Welle 2 in Bezug auf die Induktionsspule zugelassen sind.
Vorzugsweise wird die erfindungsgemäße Welle 2 mit einem Herstellungsverfahren hergestellt, welches die nachstehenden aufeinander folgenden Schritte aufweist.
Zunächst werden die beiden Endstücke 4 und 6 durch Reibschweißen an dem Rohr 8 befestigt, womit eine Rohwelle gewonnen wird. Danach wird die Welle an den Endstücken abgedreht und bearbeitet.
Nachfolgend wird die Rohwelle mit variabler Behandlungsgeschwindigkeit des Endstücks durch eine Induktionsspule geführt.
Die Behandlungsgeschwindigkeit bei der Behandlung der Schweißnähte und des Rohres ist bedeutender als die Behandlungsgeschwindigkeit bei der Behandlung der Endstücke.
In einer Abwandlung bildet das Ende 14 eine Tulpe bzw. Glocke eines Gleichlaufgelenks.

Claims

Endstück für eine Welle mit verschweißtem Rohr einer Art, welche aufweist: – eine Mittelachse (X-X); – einen ersten axialen Abschnitt (10), welcher ein erstes Ende (14) aufweist, das ein Verbindungsende ist; – einen zweiten axialen Abschnitt (12), welcher rohrförmig ist und für ein Verschweißen mit einem Rohr (8) eingerichtet ist, wobei der zweite axiale Abschnitt (12) ein zweites Ende (18) definiert und eine Außenfläche (22), eine Innenfläche (24) und eine Bodenfläche (26), die durch eine Bodenerzeugende (28A, 30A) definiert ist, aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenfläche (24) eine sich zum zweiten Ende (18) hin erweiternde Form aufweist und durch eine von der Bodenerzeugenden verschiedene innere Erzeugende (32) definiert ist.
Endstück nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bodenerzeugende einen Bodenkrümmungsradius (T) hat und dass die innere Erzeugende (32) einen Krümmungsradius hat, der größer als der Bodenkrümmungsradius (T) ist.
Endstück nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bodenerzeugende einen Bodenkrümmungsradius (T) hat und dass die innere Erzeugende (32) geradlinig ist, derart, dass die Innenfläche (24) Kegelstumpfform hat.
Endstück nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Neigung der inneren Erzeugenden (32) in Bezug auf die Mittelachse mindestens 1° und maximal 60° in Bezug auf die Mittelachse, und vorzugsweise wenigstens 10° und maximal 50°, ist.
Endstück nach irgendeinem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Bodenfläche (26) einen Bodenteil (28) aufweist, an den sich ein Übergangsteil in Form eines Teiltorus (20) anschließt, und dass die Bodenerzeugende aus einer Boden-Teilerzeugenden (28A), die den Bodenteil definiert, und einer Übergangs-Teilerzeugenden (30A), die den Übergangsteil definiert, zusammengesetzt ist.
Endstück nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass es aus Stahl ist und eine wärmebehandelte äußere Zone (40) und eine innere Zone (42, 44) aus einem anderen Gefügematerial als das Material der Außenzone (40), die durch eine Trennlinie (46) getrennt sind, aufweist, und dass die Trennlinie (46) an der Innenfläche (24) endet.
Endstück nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die innere Zone eine nicht wärmebehandelte Zone (42) oder eine Zwischenzone (44), insbesondere aus Bainit, ist.
Endstück nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmebehandlung eine Induktionswärmebehandlung ist.
Endstück nach irgendeinem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Endstück kaltgeschmiedet ohne Glühen ist.
Endstück nach irgendeinem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Ende (14) eine Tulpe, eine Glocke eines Gleichlaufgelenks oder ein Ende (16) mit Kannelierungen ist.
Welle einer Art, welche zwei Endstücke (4, 6) und ein Rohr (8) aufweist, das sich zwischen den beiden Endstücken erstreckt, wobei die Endstücke (4, 6) jeweils unter Ausbilden einer Schweißnaht (20) mit dem Rohr (8) verschweißt sind, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eines der Endstücke ein Endstück nach irgendeinem der vorstehenden Ansprüche ist.
Welle nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Endstück (4, 6) ein Endstück wenigstens gemäß Anspruch 6 ist, und dass die wärmebehandelte äußere Zone (40) sich über die Schweißnaht (20) hinaus erstreckt, wobei das Rohr (8) über seinen gesamten Querschnitt und über seine gesamte Länge hinweg wärmebehandelt ist.
Welle nach irgendeinem der Ansprüche 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass das oder jedes Endstück (4, 6) ein Endstück aus Borstahl, wie etwa 38B3-Stahl, ist und dass das Rohr (8) ein Stahl mit einem anderen Kohlenstoffgehalt vorzugsweise unterhalb desjenigen des Stahls des Endstücks, wie etwa 34MnB5-Stahl, ist.
Verfahren zur Herstellung einer Welle nach einem der Ansprüche 11 bis 13, welches die folgenden Verfahrensschritte aufweist: Befestigen der beiden Endstücke (4, 6) am Rohr (8) durch Schweißen und Gewinnen einer Rohwelle; Abdrehen und Bearbeiten der Endstücke; Führen der Rohwelle durch eine Induktionsspule mit einer variablen Behandlungsgeschwindigkeit; wobei die Behandlungsgeschwindigkeit beim Behandeln der Schweißnähte und des Rohres bedeutender als die Behandlungsgeschwindigkeit bei der Behandlung der Endstücke ist.