DE19802283A1

DE19802283A1 - Gelenkwelle mit Rohrschweißverbindung

Info

Publication number: DE19802283A1
Application number: DE19802283A
Authority: DE
Inventors: Karl Damian
Original assignee: GKN Loebro GmbH
Current assignee: GKN Driveline Deutschland GmbH
Priority date: 1998-01-22
Filing date: 1998-01-22
Publication date: 1999-03-04

Description

Die Erfindung betrifft eine Gelenkwelle mit zwei Drehgelenken und einem diese verbindenen Rohr mit einer Schweißverbindung zwischen dem Rohr und einem Gelenkbauteil zumindest eines der Drehgelenke sowie ein Verfahren zum Herstellen einer solchen Gelenkwelle mit zwei Drehgelenken und einem diese verbindenen Rohr, mit einer Schweißverbindung zwischen dem Rohr und einem Gelenkbauteil. Derartige Gelenkwellen mit einem die Drehgelenke verbindenem Rohr ersetzen zunehmend bisher bekannte Gelenkwellen mit einer Vollwelle zwischen den Drehgelenken, bei denen Wellen flansche oder Wellenzapfen unmittelbar an die Vollwelle ange formt sind. Die Gründe hierfür liegen in dem Bemühen nach Ge wichtsreduzierungen und verbessertem Schwingungsverhalten im Fahrzeugbau.

Bei der Herstellung der Schweißverbindung zwischen dem Rohr und dem Gelenkbauteil entstehen jeweils beidseitig der Schweißnaht Übergangsbereiche, die im Vergleich mit den anschließenden Tei len des Gelenkbauteils und des Rohres bei gleichem Querschnitt aufgrund der Einflüsse des Schweißens verringerte Festigkeit aufweisen, während in der Schweißnahtmitte die Festigkeit durch aus gegenüber den beidseitig anschließenden Bereichen des Ge lenkbauteils und des Rohres erhöht sein kann. Diese Übergangs bereiche reduzierter Festigkeit werden durch die Schweißwärme aber auch durch beim Schweißen entstehende Kerbstellen, Lunker und Poren verursacht, die auch bei sorgfältiger Ausführung der Schweißverbindung unvermeidlich sind.

Die Dimensionierung der Gelenkwelle muß notwendigerweise so erfolgen, daß auch in diesen Übergangszonen verringerter Festig keit genügend Sicherheit gegeben ist. Demgegenüber sind dann die sich zu beiden Seiten anschließenden Bereiche des Gelenkbauteils und des Rohres mit größerer Sicherheit ausgelegt, d. h. überdi mensioniert. Im Hinblick auf die teilweise erhebliche Länge des Rohres zwischen den Drehgelenken ist dies nachteilig. Hiervon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Gelenk welle und ein Verfahren zu ihrer Herstellung anzubieten, mit dem Leichtbau- und NVH-Verhalten (noise, vibration, harshness) wei ter verbessert werden können. Die Lösung hierfür besteht in einer Gelenkwelle, bei der das in die Schweißverbindung ein bezogene Ende des Rohres einen gegenüber dem Herstellquerschnitt des Rohres durch Umformung veränderten Anschlußquerschnitt auf weist, wobei der Anschlußquerschnitt des Rohres gegenüber dem Herstellquerschnitt des anschließenden übrigen Rohres ein hö heres Widerstandsmoment besitzt bzw. in einem Verfahren zur Herstellung einer Gelenkwelle, bei dem ein Rohr ausgewählt wird, dessen Herstellquerschnitt im Einbauquerschnitt eines wesentli chen Teils der Länge des Rohres zwischen den Drehgelenken ent spricht und daß zumindest ein für eine Schweißverbindung mit dem zumindest ein Gelenkbauteil vorgesehenes Ende des Rohres so umgeformt wird, daß sein Querschnitt ein höheres Widerstands moment aufweist, als der Herstellquerschnitt des Rohres, und daß das ungeformte Ende des Rohres mit dem zumindest einen Gelenk bauteil verschweißt wird. Die erfindungsgemäßen Maßnahmen können auch an beiden Enden eines Rohres eine Gelenkwelle ausgeführt werden, wenn an beiden Enden Schweißverbindungen mit Gelenkbau teilen vorgesehen sind. Die Rohrwelle kann hiernach zwischen den Gelenkbauteilen auf ihrer gesamten Länge mit geringstnotwendiger Sicherheit ausgelegt werden; Der wesentliche Teil der Länge der Rohrwelle weist diese Sicherheit aufgrund seines Herstell querschnittes auf. Die Rohrenden, die in die Schweißverbindungen einbezogen werden, werden durch Umformung so in ihrer Festigkeit erhöht, daß der Festigkeitsverlust in den Übergangszonen im Zusammenhang mit dem Herstellen der Schweißverbindungen bereits vorab ausgeglichen wird und die verbleibende Sicherheit zumin dest der Sicherheit im Bereich zwischen den Schweißverbindungen entspricht. Es sind hiermit leichtere und damit auch entspre chend billigere Rohre verwendbar. Die Rohrenden können mit be kannten Verfahren umgeformt werden, wobei insbesondere beim Kaltumformen nur geringe Kosten entstehen. Die Umformung des Rohrendes kann durch Stauchen, Ziehen oder Rundhämmern erfolgen. Die Erfindung ist unabhängig von den verwendeten Gelenktypen anzuwenden, wobei die Gelenkbauteile, die mit dem Rohr ver schweißt werden, unmittelbare Funktionsbauteile oder Zwischen flansche mit Zapfen sein können, auf die Gelenkbauteile aufge schoben werden. Ebenso ist die Erfindung unabhängig von der Art der angewandten Schweißtechnik einzusetzen, da die obengenannten Schwächungen infolge des Wärmeeinflusses in gewissem Ausmaß bei sämtlichen Schweißverfahren hinzunehmen sind. Die Schweißverbin dungen können also insbesondere durch Laserschweißen, Reib schweißen, autogenes Schweißen, Magnetarcschweißen oder Elek tronenstrahlschweißen hergestellt werden.

Weitere bevorzugte Ausführungsbeispiele sind in den Unteransprü chen definiert.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnungen näher erläutert, die verschiedene Ausführungsbeispiele darstellen.

Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemäße Gelenkwelle im Bereich zwischen einer Kardangelenkgabel und einer Hohl welle

a) vor dem Umformen des Rohres,
b) nach dem Umformen des Rohrendes,
c) nach dem Herstellen der Schweißverbindung.

Fig. 2 zeigt eine erfindungsgemäße Gelenkwelle im Bereich zwischen einem Tripodegelenkaußenteil und einer Hohlwelle

a) vor dem Umformen des Rohrendes,
b) nach dem Umformen des Rohrendes,
c) nach dem Herstellen der Schweißverbindung.

Fig. 3 zeigt eine erfindungsgemäße Gelenkwelle im Bereich zwischen einem Flansch mit anschließendem Wel lenzapfen zur Aufnahme einer Gelenknabe und ei ner Hohlwelle

In Fig. 1a ist ein Gelenkbauteil in Form einer Gelenkgabel 11 eines Kardangelenks dargestellt, an dem zwei Arme 12 mit Bohrun gen 13 zur Aufnahme der Zapfen eines Zapfenkreuzes erkennbar sind. Auf der Gegenseite zu den Armen 12 ist ein Anschlußstutzen 14 ausgeformt, dessen Wandstärke mit d₁ und dessen Innendurch messer mit D₁ bezeichnet ist.

In koaxialer Anordnung hierzu ist ein gerades Rohrstück 21 ge zeigt, dessen Wandstärke mit d₂ dessen Innendurchmesser mit D₂ bezeichnet ist. Während d₂ ungefähr d₁ ist, ist erkennbar, daß D₂ deutlich kleiner D₁ ist.

In Fig. 1b ist die Kardan-Gelenkgabel 11 mit allen Einzelheiten in gleicher Weise dargestellt wie in Fig. 1a. An dem Rohr 21, das hier in koaxialer Anordnung mit einigem Abstand zur Gelenk gabel 11 dargestellt ist, ist nunmehr ein unverformter Mittel abschnitt 22 und ein umgeformter Endabschnitt 23 erkennbar. Das Ende 23 des Rohres 21 ist in der Weise ausgeweitet, daß die Wanddicke d₃ weiterhin ungefähr der Wanddicke d₁ des Anschluß stutzens 16 entspricht, daß jedoch auch der Innendurchmesser D₃ am Ende 23 des Rohres 21 dem Innendurchmesser D₁ des Anschluß stutzens 16 gleichkommt. Das Widerstandsmoment des Endes 23 des Rohres 21 ist hiernach größer als das Widerstandsmoment des unverformten Mittelabschnitts 22 des Rohres 21.

In Fig. 1c sind die Gelenkgabel 11 und das Rohr 21 in mitein ander verschweißtem Zustand dargestellt, wobei eine Schweißnaht mit 31 bezeichnet ist. Die durch die Schweißung herabgesetzte Festigkeit des Anschlußstutzens 14 und des umgeformten Endab schnitts 23 soll hierbei ein Widerstandsmoment aufweisen, das das Widerstandsmoment des unverformten Mittelabschnitts 22 des Rohres 21 nicht unterschreitet.

In Fig. 2a ist ein als Gelenkaußenteil 41 eines Tripodegelenks ausgeführtes Gelenkbauteil und in koaxialer Anordnung dazu in einigem Abstand ein gerades Rohrstück 51 dargestellt. An dem Gelenkaußenteil 41 werden ein zylindrischer Bahnabschnitt 42, eine radiale Endwand 43 und ein Anschlußstutzen 44 erkennbar. Der Anschlußstutzen 44 hat eine Wandstärke d₁, sowie einen In nendurchmesser D₁. An dem geraden Rohrstück 51 ist die Wand stärke mit d₂ und der Innendurchmesser mit D₂ bezeichnet. Es ist erkennbar, daß die Wandstärke d₂ deutlich kleiner als die Wand stärke d₁ ist, jedoch der Innendurchmesser D₂ des Rohres 51 grö ßer gewählt ist als der Innendurchmesser D₁ des Anschlußstut zens.

In Fig. 2b ist das Tripodegelenkaußenteil 41 mit allen Ein zelheiten wie in Fig. 2a unverändert dargestellt. Auf die Be schreibung wird Bezug genommen. Am Rohr 51 ist ein Endabschnitt 53 durch Anstauchen im Querschnitt gegenüber dem unverformten Mittelabschnitt 52 verändert, und zwar in der Weise, daß in diesem Endabschnitt 53 die Wandstärke d₃ gleich der Wandstärke d₁ des Anschlußstutzens 44 und der Innendurchmesser D₃ ebenfalls gleich dem Innendurchmesser D₁ des Anschlußstutzens 44 ist.

In Fig. 2c sind das Tripodegelenkaußenteil 41 und das Rohr 51 mit gegenüber über 2b unveränderten Einzelheiten gezeigt, jedoch mit einer Schweißnaht 61 verbunden. Die durch die Schweißung herabgesetzte Festigkeit des Anschlußstutzens 44 und des umge formten Endabschnitts 53 soll hierbei ein Widerstandsmoment aufweisen, daß das Widerstandsmoment des unverformten Mittel abschnitts 52 des Rohres 51 nicht unterschreitet.

In Fig. 3a ist ein Anschlußzapfen 71 als Gelenkbauteil gezeigt, der einen Steckzapfen 72 mit einer Wellenverzahnung 73 und einen Anschlußstutzen 74 aufweist. Auf den Steckzapfen 72 kann eine Nabe eines Gleichlaufgelenks oder der Tripodestern eines Tripo degelenks aufgeschoben werden. Der Anschlußstutzen hat die Wand stärke d₁ und den Innendurchmesser D₁. In einigem Abstand von dem Anschlußflansch 71 ist ein gerades Rohr 81 gezeigt, dessen Wand stärke mit d₂ und dessen Innendurchmesser mit D₂ bezeichnet sind. Hierbei ist sowohl die Wandstärke d₂ geringer als die Wandstärke d₁ des Anschlußstutzens 74 als auch der Innendurchmesser D₂ des Rohres 81 kleiner als der Innendurchmesser D₁ des Anschlußstut zens 74.

In Fig. 3b ist der Anschlußzapfen 71 mit den gleichen Einzel heiten wie in Fig. 3a gezeigt. Das Rohrstück 81 ist wiederum in koaxialer Anordnung und in einigem Abstand vom Anschlußstutzen 74 des Anschlußzapfens 71 dargestellt. Am Rohr 81 ist ein End bereich 83 gegenüber dem einen unverändertem mittleren Rohrabschnitt 82 wesentlich umgeformt, nämlich insbesondere ange staucht und aufgeweitet. Hierdurch ist nunmehr die Wandstärke d₃ des Endes 83 in Übereinstimmung mit der Wandstärke d₁ des An schlußstutzens 74 und der Innendurchmesser D₂ des Endes 83 des Rohrstückes 81 entspricht dem Innendurchmesser D₁ des Anschluß stutzens 74.

In Fig. 3c sind der Anschlußzapfen 71 und das Rohr 81 mit den gleichen Einzelheiten wie in Fig. 3b dargestellt, beide Teile sind jedoch nunmehr über eine Reibschweißnaht 91 unlösbar mit einander verbunden. Die durch die Schweißung herabgesetzte Fe stigkeit des Anschlußstutzens 74 und des umgeformten End abschnitts 83 soll hierbei ein Widerstandsmoment aufweisen, das das Widerstandsmoment des unverformten Mittelabschnitts 82 des Rohres 81 nicht unterschreitet.

Bezugszeichenliste

11

Gelenkgabel

12

Arm

13

Bohrung

14

Anschlußstutzen

21

Rohr

22

Rohrende

23

Rohrmitte

31

Schweißnaht

41

Tripodeaußenteil

42

Bahnabschnitt

43

Wand

44

Anschlußstutzen

51

Rohr

52

Rohrende

53

Rohrmitte

61

Schweißnaht

71

Zapfenbauteil

72

Steckzapfen

73

Verzahnung

74

Anschlußstutzen

81

Rohr

82

Rohrende

83

Rohrmitte

91

Schweißnaht

Claims

1. Gelenkwelle mit zwei Drehgelenken und einem diese verbinde nem Rohr mit einer Schweißverbindung (31, 61, 91) zwischen dem Rohr (21, 51, 81) und einem Gelenkbauteil (11, 41, 71) zumindest eines der Drehgelenke, dadurch gekennzeichnet, daß das in die Schweißverbindung einbezogene Ende (23, 53, 83) des Rohres einen gegenüber dem Herstellquerschnitt des Rohres durch Umformung veränderten Anschlußquerschnitt aufweist, wobei der Anschlußquerschnitt am Ende des Rohres gegenüber dem Herstellquerschnitt des anschließenden übri gen Rohres (22, 52, 82) ein höheres Widerstandsmoment be sitzt.

2. Gelenkwelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Anschlußquerschnitt (am Ende des Rohres) einen größeren mittleren Durchmesser als der Herstellquerschnitt (des anschließenden übrigen Rohres) aufweist
(D₃ + d₃) < (D₂ + d₂).

3. Gelenkwelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Anschlußquerschnitt (am Ende des Rohres) eine grö ßere Wandstärke als der Herstellquerschnitt (des anschlie ßenden übrigen Rohres) aufweist
(d₃ < d₂).

4. Gelenkwelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Anschlußquerschnitt am Ende des Rohres eine größere Wandstärke und einen größeren Innendurchmesser gegenüber dem Herstellquerschnittes (des anschließenden übrigen Roh res) aufweist
(d₃ < d₂; D₃ < D₂).

5. Gelenkwelle nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Gelenkbauteil (11, 41, 71) einen Anschlußstutzen (14, 44, 74) aufweist, dessen Querschnitt dem Querschnitt des umgeformten Endes (23, 53, 83) des Rohres (21, 51, 81) entspricht und an dem das Ende (23, 53, 83) des Rohres stumpf angesetzt ist.

6. Gelenkwelle nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Gelenkbauteil (11, 41, 71) einen Zentrieransatz zum Überschieben des umgeformten Endes (22, 52, 82) des Rohres (21, 51, 81) aufweist.

7. Gelenkwelle nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Gelenkbauteil eine Gelenkgabel (11) eines Kardange lenks ist (Fig. 1).

8. Gelenkwelle nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Gelenkbauteil das Gelenkaußenteil (41) eines Tripo degelenks oder eines Gleichlaufdrehgelenks ist (Fig. 2).

9. Gelenkwelle nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Gelenkbauteil ein Zapfenbauteil (71) mit einem Steckzapfen (72) zur Aufnahme einer Kugelnabe eines Gleich laufdrehgelenks oder eines Tripodesterns eines Tripodege lenks ist (Fig. 3).

10. Verfahren zum Herstellen einer Gelenkwelle mit zwei Drehge lenken und einem diese verbindenen Rohr, mit einer Schweiß verbindung zwischen dem Rohr und einem Gelenkbauteil zu mindest eines der Drehgelenke, dadurch gekennzeichnet, daß ein Rohr ausgewählt wird, dessen Herstellquerschnitt dem Einbauquerschnitt eines wesentlichen Teils der Länge des Rohres zwischen den Drehgelenken entspricht und daß zumindest ein für eine Schweißverbindung mit dem zumindest ein Gelenkbauteil vorgesehenes Ende des Rohres so umgeformt wird, daß sein Querschnitt ein höheres Widerstandsmoment aufweist, als der Herstellquerschnitt des Rohres, und daß das ungeformte Ende des Rohres mit dem zumindest einen Gelenkbauteil verschweißt wird.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Ende des Rohres zu vergrößertem Innendurchmesser aufgeweitet wird.

12. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Ende des Rohres zu vergrößerter Wandstärke ge staucht wird.

13. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Ende des Rohres zu vergrößerter Wandstärke bei größerem Durchmesser gestaucht und aufgeweitet wird.