DE102010028898A1 - Side shaft between an axle differential and the wheels of a motor vehicle - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Seitenwelle zur Übertragung von Drehmoment zwischen einem Achsdifferenzial und einem Rad eines Kraftfahrzeuges, wobei die Seitenwelle zumindest teilweise aus einem Stahlwerkstoff gefertigt ist. Die Seitenwelle ist vorzugsweise hohl und weist in Endabschnitten einen verringerten Durchmesser auf. Der verringerte Durchmesser wird vorzugsweise in einem Rundknetverfahren erzeugt, wobei der Umformgrad der zur Herstellung der Seitenwelle verwendeten Halbzeuge gering gehalten wird. Dadurch kann ein Stahlwerkstoff mit einem hohen Kohlenstoffanteil verwendet werden. Der Stahlwerkstoff muss zur Gewährleistung der Härtbarkeit nicht mit teuren Legierungselementen versetzt werden.The invention relates to a side shaft for transmitting torque between an axle differential and a wheel of a motor vehicle, the side shaft being at least partially made of a steel material. The side shaft is preferably hollow and has a reduced diameter in end sections. The reduced diameter is preferably produced in a circular kneading process, the degree of deformation of the semi-finished products used to produce the side shaft being kept low. This means that a steel material with a high carbon content can be used. To ensure hardenability, the steel material does not have to be mixed with expensive alloy elements.
Description
Die Erfindung betrifft eine Seitenwelle zur Übertragung von Drehmoment zwischen einem Achsdifferenzial und einem Rad eines Kraftfahrzeuges. Derartige Wellen werden auch als Seitenwellen bezeichnet. Die gattungsgemäße Seitenwelle ist zumindest teilweise aus einem Stahlwerkstoff gefertigt und als Rohrwelle ausgeführt. Sie weist eine Längsachse und einen Wellenabschnitt auf, der seinerseits einen ersten Durchmesser und eine erste Wandstärke aufweist, zwei Endabschnitte, welche durch Umformen von Bereichen des Wellenabschnittes gebildet sind, so dass bereichsweise in den Endabschnitten ein zweiten Durchmesser und eine zweite Wandstärke herausgebildet ist. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Seitenwelle nach dem Oberbegriff des Anspruchs 7.The invention relates to a side shaft for transmitting torque between an axle differential and a wheel of a motor vehicle. Such waves are also called side waves. The generic side shaft is at least partially made of a steel material and designed as a tubular shaft. It has a longitudinal axis and a shaft portion, which in turn has a first diameter and a first wall thickness, two end portions, which are formed by forming portions of the shaft portion, so that in regions in the end portions, a second diameter and a second wall thickness is formed. Furthermore, the invention relates to a method for producing a side wave according to the preamble of claim 7.
Antriebswellen werden im Fahrzeug zur Übertragung von Drehmoment verwendet und werden üblicherweise einer Wärmebehandlung unterzogen. Eine Wärmebehandlung einer Antriebswelle ist aus der
In den Endabschnitten weisen gattungsgemäße Seitenwellen üblicherweise einen Bereich auf, der zur zumindest teilweisen formschlüssigen Übertragung geeignet ist. Hierfür eignet sich eine außenliegende Verzahnung, welche in eine korrespondierende innenliegende Verzahnung eines entsprechend anzuschließenden Teils eines Gleichlaufgelenks eingreifen kann. Die Verzahnungen werden häufig als Splinebereich bezeichnet.In the end sections, generic side shafts usually have an area which is suitable for at least partial positive transmission. For this purpose, an external toothing, which can engage in a corresponding internal toothing of a correspondingly to be connected part of a constant velocity joint. The teeth are often referred to as spline area.
Die Seitenwellen werden aus einem Halbzeug, das ein Rohrabschnitt aus einem Stahlwerkstoff sein kann, gefertigt. Die Endabschnitte weisen einen anderen Durchmesser auf als der Wellenabschnitt. Bereitgestellt werden die Seitenwellen, indem die Endabschnitte, welche einen geringeren Durchmesser aufweisen sollen, durch einen Rundknetverfahren, wie es beispielsweise in der
Der Umformgrad ist definiert als das Verhältnis der Abmessungen vor- und nach der Umformung in einer Richtung, in der die maximale Umformung erfolgt. Da gattungsgemäß Seitenwellen in einem Rundknetverfahren gefertigt werden und dabei nicht absichtlich auf wesentliche Temperaturen erhitzt werden, kann es in dem Werkstoff leicht zur Rissbildung und Brüchen kommen.The degree of deformation is defined as the ratio of the dimensions before and after the deformation in a direction in which the maximum deformation takes place. Since generic side shafts are manufactured in a rotary swaging process and are not deliberately heated to significant temperatures, cracking and fractures can easily occur in the material.
Die Neigung zur Rissbildung kann verringert werden, indem der Kohlenstoffgehalt verringert wird. Gattungsgemäße Seitenwellen weisen verhältnismäßig geringe Kohlenstoffanteile auf, insbesondere weniger als etwa 0,30 Gew.-% Kohlenstoff. Halbzeuge mit geringen Kohlenstoffanteilen eignen sich jedoch weniger gut für ein Härteverfahren. Um die Stahlwerkstoffe dennoch härtbar zu machen, werden dem Stahlwerkstoff im Stand der Technik teure Legierungselement wie z. B. Chrom, Vanadium, Nickel, Molybdän oder Titan beigefügt. Die für die Herstellung von Seitenwellen bereitzustellenden Halbzeuge sind deshalb verhältnismäßig teuer.The tendency for cracking can be reduced by reducing the carbon content. Generic side shafts have relatively low carbon contents, in particular less than about 0.30 wt% carbon. However, semi-finished products with low carbon content are less suitable for a hardening process. In order to make the steel materials nevertheless curable, the steel material in the prior art expensive alloying element such. As chromium, vanadium, nickel, molybdenum or titanium attached. Therefore, to be provided for the production of side shafts semi-finished products are relatively expensive.
Die Definition für im Folgenden verwendete Begriffe, wie z. B. „unlegierter Stahl” und „niedriglegierter Stahl” können einschlägiger Literatur, beispielsweise dem DUBBEL, Taschenbuch für den Maschinenbau, 20. Auflage, entnommen werden. Angaben zur sogenannten Austenitisierungstemperatur können beispielsweise ROOS, MAILE, Werkstoffkunde für Ingenieure, Grundlagen, Anwendungen und Prüfung, 3. Auflage, entnommen werden. Auch zur Definition von „Bainit” und „Martensit” sei auf letztere Literaturangabe verwiesen.The definition for terms used below, such as: As "unalloyed steel" and "low alloy steel" can be found in relevant literature, such as the DUBBEL, Paperback for Mechanical Engineering, 20th Edition. Information on the so-called austenitizing temperature, for example, ROOS, MAILE, material science for engineers, fundamentals, applications and testing, 3rd edition, are removed. Also for the definition of "bainite" and "martensite" refer to the latter literature.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, die Kosten für Bereitstellung von Halbzeugen zur Herstellung von Seitenwellen bei gleichzeitiger Gewährleistung der Härtbarkeit zu verringern.The object underlying the invention is to reduce the cost of providing semi-finished products for the production of side shafts while ensuring the hardenability.
Die Aufgabe wird gelöst durch eine Seitenwelle nach Patentanspruch 1 sowie ein Verfahren zur Herstellung einer Seitenwelle nach Anspruch 7. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen, welche in beliebiger, technologisch sinnvoller Weise miteinander kombiniert werden können und weitere Vorteile der Erfindung aufzeigen. Darüber werden vorteilhafte Merkmale der Erfindung in der Beschreibung, insbesondere in der Figurenbeschreibung aufgezeigt.The object is achieved by a side wave according to claim 1 and a method for producing a side wave according to claim 7. Advantageous embodiments of the invention will become apparent from the respective dependent claims, which can be combined with each other in any technologically meaningful way and show other advantages of the invention. In addition, advantageous features of the invention in the description, in particular in the description of the figures are shown.
Die erfindungsgemäße Antriebswelle dient der Übertragung eines Drehmoments zwischen einem Achsdifferenzial und einem Rad eines Kraftfahrzeuges. Es handelt sich also um eine sogenannte Seitenwelle. Die erfindungsgemäße Seitenwelle ist zumindest teilweise aus einem Stahlwerkstoff gefertigt und als Rohrwelle ausgeführt. Erfindungsgemäß weist sie eine Längsachse und einen Wellenabschnitt mit einem ersten Außendurchmesser D1 und einer ersten Wandstärke S1 auf. Die erfindungsgemäße Antriebs- bzw. Seitenwelle zeichnet sich dadurch aus, dass wenigstens ein Endabschnitt, mit einem zweiten Durchmesser (D2) und einer zweiten Wandstärke (S2) aus einem Kohlenstoffstahl hergestellt ist.The drive shaft according to the invention serves to transmit a torque between an axle differential and a wheel of a motor vehicle. It is therefore a so-called side wave. The side shaft according to the invention is at least partially made of a steel material and designed as a tubular shaft. According to the invention, it has a longitudinal axis and a shaft section with a first outer diameter D 1 and a first wall thickness S 1 . The drive or side shaft according to the invention is characterized in that at least one end portion, with a second diameter (D 2 ) and a second wall thickness (S 2 ) is made of a carbon steel.
Ein besonders bevorzugter Stahlwerkstoff, welcher sich zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Seitenwelle geeignet ist, ist der Stahl C-45 nach
Es hat sich durch empirische Versuche überraschend herausgestellt, dass bei den verwendeten Stahlsorten und bei geschickter Wahl des Umformgrades ein Umformen, beispielsweise durch Rundkneten, ermöglicht ist und gleichzeitig eine Rissbildung vermieden wird und die Möglichkeit, durch Wärmbehandlung eine ausreichende Festigkeit zu erreichen, eröffnet ist. Bei vorgegebenem ersten Außendurchmesser D1 und einer ersten Wandstärke S1 des Wellenabschnitts sowie einem durch das Umformen ausgebildeten Endabschnitts mit zweitem Durchmessers D2 und zweiter Wandstärke S2 ist erfindungsgemäß der Umformgrad Phi = In[(D1 – S1)/(D2 – S2)] vom Betrag her kleiner oder gleich 0,3. Der empirisch ermittelte Wert von 0,3 gilt auch für aufgeweitete Endabschnitte, nicht nur für in einem Rundknetverfahren verengte Endabschnitte, wie sie in
Überraschenderweise hat sich herausgestellt, dass bei einem Umformgraden von weniger oder gleich 0,3 ein Halbzeug, beispielsweise ein Rohrabschnitt aus einem Stahlwerkstoff, mit einem verhältnismäßig hohen Kohlenstoffanteil von 0,35 bis 0,8 Gew.-%, insbesondere von 0,4 bis 0,5 Gew.-% während des Umformens noch nicht zur Rissbildung neigt.Surprisingly, it has been found that at a degree of deformation of less than or equal to 0.3, a semifinished product, for example a pipe section made of a steel material, with a relatively high carbon content of 0.35 to 0.8 wt .-%, in particular from 0.4 to 0.5 wt .-% during the forming is not prone to cracking.
Zur Gewährleistung der Härtbarkeit einer Seitenwelle gemäß dem Stand der Technik, werden den Stahlwerkstoffen Legierungselemente wie z. B. Vanadium, Nickel, Chrom, Molybdän und/oder Titan beigemengt. Durch eine Geringhaltung des Umformgrades kann auf diese verhältnismäßig teuren Legierungselemente verzichtet werden. Durch den verhältnismäßig hohen Kohlenstoffanteil kann die Seitenwelle nach dem Umformen zudem einer Wärmebehandlung, insbesondere einem Härteverfahren unterzogen werden.To ensure the hardenability of a side wave according to the prior art, the steel materials alloying elements such. As vanadium, nickel, chromium, molybdenum and / or titanium added. By keeping the degree of deformation low, these relatively expensive alloying elements can be dispensed with. Due to the relatively high proportion of carbon, the side wave can also be subjected to a heat treatment, in particular a hardening process, after the forming.
Zur Härtung der Seitenwelle eignet sich bevorzugt eine Wärmebehandlung, welche folgende Schritte aufweist:
- • induktive Erwärmung in einem Ringinduktor oder in einem Flächeninduktor, insbesondere auf einer Oberflächentemperatur oberhalb einer Austenitisierungstemperatur, für einen Zeitraum von weniger als 15 Sekunden, insbesondere wenigerer als 10 Sekunden,
- • rasche Abkühlung der Seitenwelle in Wasser oder einer Wasserpolymeremulsion entweder durch Eintauchen oder einer Kombinationen aus Eintauchen und Abbrausen, wobei ein bainitisch martensitisches Mischgefüge angestrebt wird.
- Induction heating in a ring inductor or in a surface inductor, in particular at a surface temperature above an austenitizing temperature, for a period of less than 15 seconds, in particular less than 10 seconds,
- Rapid cooling of the side wave in water or a water polymer emulsion either by immersion or a combination of dipping and buffing, wherein a bainitic martensitic mixed structure is sought.
Der Erfolg der Wärmebehandlung kann in einem Schliffbild von einem Querschnitt durch eine Seitenwelle überprüft werden. Bei einer induktiven Erwärmung in einem Ringinduktor oder einem Flächeninduktor erhitzt ein alternierendes Magnetfeld die Bauteile. Die Einwirkungen des Ringinduktores oder des Flächeninduktores auf die Seitenwelle ist vorzugsweise zeitlich lang genug, dass die Austenitisierungstemperatur, bei der eine Umwandlung der Kristallstruktur des Stahlwerkstoffes von kubisch raumzentriert zu kubisch flächenzentriert zu erwarten ist, erreicht wird.The success of the heat treatment can be checked in a micrograph of a cross section through a side wave. In the case of inductive heating in a ring inductor or a surface inductor, an alternating magnetic field heats the components. The effects of the ring inductor or the surface inductor on the side wave is preferably long enough that the austenitizing temperature, at which a conversion of the crystal structure of the steel material from cubic body centered to cubic face centered can be expected, is achieved.
Das Abkühlen der Seitenwellen kann durch die Aussetzung an Wasser oder eine Wasserpolymeriemulsion erfolgen. Die Seitenwelle kann hierzu eingetaucht oder in einer Kombinationen aus Eintauchen und Abbrausen dem Wasser oder der Wasserpolymeremutsion ausgesetzt werden. Die Abkühlung ist so zu gestalten, dass sich ein bainitisch-martensitisches Stahlgefüge bildet. Bainit bildet sich nur, wenn die Abkühlgeschwindigkeit ausreichend hoch ist. Ist die Abkühlgeschwindigkeit zu hoch, bildet sich jedoch ein zu hoher Martensitanteil. Bei zu hohen Martensitanteilen sind die Seitenwellen zu hart und neigt zu spröden Brüchen. Die Austenitisierungstemperatur liegt zwischen 800 und 1200°, eine bevorzugte Abkühlgeschwindigkeit liegt zwischen 1 Sekunde und 100 Sekunden, insbesondere zwischen 1 Sekunde und 50 Sekunden.The cooling of the side waves can be done by exposure to water or a water polymer emulsion. The side wave may for this purpose be dipped or exposed to the water or the water polymer emulsion in a combination of dipping and buffing. The cooling must be designed so that a bainitic-martensitic steel structure is formed. Bainite forms only when the cooling rate is sufficiently high. If the cooling rate is too high, however, an excessive amount of martensite is formed. If the martensite content is too high, the side waves are too hard and prone to brittle fractures. The austenitizing temperature is between 800 and 1200 °, a preferred cooling rate is between 1 second and 100 seconds, in particular between 1 second and 50 seconds.
Vorzugsweise wird die Austenitisierungstemperatur nur in oberflächennahen Randschichten der Seitenwelle erreicht, so dass sich beim Abschrecken oberflächennah eine besonders hohe Härte einstellt. Durch die Anwendung dieses Härteverfahrens kann eine Seitenwelle bereitgestellt werden, bei der die Härte über die Wandstärke nach außen hin zunimmt. Es kann dadurch erreicht werden, dass außenliegende, oberflächennahe Bereiche der Seitenwelle eine höhere Härte aufweisen als weiter innen liegende Bereiche. Die Härte des Stahlwerkstoffes nimmt zu tieferen Schichten hin ab. Auf diese Weise ist die Härte der Seitenwelle der Belastung angepasst, da die Spannung in Wellen bei Drehmomentbeanspruchung mit dem Abstand von der Längsachse ansteigt. Je höher also die Härte der Seitenwelle außen ist, desto mehr Drehmoment kann sie übertragen. Erfindungsgemäße Seitenwellen eignen sich zur Übertragung von Drehmomenten von 1500 Nm bis 5500 Nm, insbesondere 2800 Nm bis 3800 Nm.Preferably, the austenitizing temperature is only achieved in near-surface edge layers of the side shaft, so that adjusts a particularly high hardness during quenching near the surface. By using this hardening method, a side wave can be provided in which the hardness increases outward over the wall thickness. It can be achieved that outer, near-surface regions of the side shaft have a higher hardness than further inner regions. The hardness of the steel material decreases towards deeper layers. In this way, the hardness of the side shaft of the load is adjusted because the voltage in waves increases in torque loading with the distance from the longitudinal axis. The higher the hardness of the side shaft, the more torque it can transmit. Inventive side shafts are suitable for the transmission of torques of 1500 Nm to 5500 Nm, in particular 2800 Nm to 3800 Nm.
Beispielsweise weist eine nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Welle an ihrer Oberfläche eine Härte zwischen 40 und 60 Rockwell, insbesondere zwischen 45 und 55 Rockwell auf.For example, a shaft produced by the process according to the invention has a hardness of between 40 and 60 Rockwell, in particular between 45 and 55 Rockwell, on its surface.
Die Abkühlgeschwindigkeit kann verlangsamt werden, indem das Abbrausen oder Eintauchen der Seitenwelle unterbrochen wird und die Seitenwelle an der Luft, welche einen erheblich geringeren Wärmeübertragungsfaktor aufweist als Wasser, bzw. eine Wasserpolymeremulsion, und deshalb langsamer kühlt, gehalten wird.The cooling rate can be slowed down by interrupting the drowning or dipping of the side wave and the side wave in the air, which has a significantly lower heat transfer factor than water, or a water polymer emulsion, and therefore slower cooling, is maintained.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung einer Seitenwelle werden die gehärteten Seitenwellen nach dem Härteverfahren in einem Anlassverfahren angelassen. Durch Diffusionsvorgänge im Stahlgefüge „entspannt” sich der Werkstoff. Eventuelle in der Seitenwelle vorhandene Eigenspannungen können somit reduziert werden, wodurch die Belastungsgrenze der Seitenwellen, bei der ein Versagen zu erwarten ist, angehoben werden kann. Das Anlassen erfolgt bei Temperaturen zwischen 150°C und 300°C. Das Anlassen erfolgt vorzugsweise direkt im Anschluss an das Härteverfahren, wobei die Abkühlung nicht unterbrochen werden muss, sie muss nur bei einer Temperatur zwischen 150°C und 300°C verlangsamt werden. Die Seitenwellen können direkt während des Abkühlens beim Härteverfahren nur auf 300°C abgekühlt werden und auf dieser Temperatur gehalten werden.According to an advantageous embodiment of the method according to the invention for producing a side wave, the hardened side waves are tempered after the hardening process in an annealing process. Diffusion processes in the steel structure "relax" the material. Any residual stresses present in the side shaft can thus be reduced, whereby the load limit of the sideshafts, at which failure is to be expected, can be raised. The tempering takes place at temperatures between 150 ° C and 300 ° C. The tempering is preferably carried out directly after the hardening process, wherein the cooling must not be interrupted, it only has to be slowed down at a temperature between 150 ° C and 300 ° C. The side shafts can be cooled directly during cooling during the hardening process only to 300 ° C and kept at this temperature.
Vor dem Härteverfahren wird auf den Seitenwellen in den Endbereichen ein Splinebereich oder eine Außenverzahnung zur formschlüssigen Übertragung eines Drehmomentes bereitgestellt. Der Splinebereich kann bereitgestellt werden, indem in dem Endbereich Nuten, welche in Richtung der Längsachse verlaufen, herausgefräst, gestanzt oder in einem spanenden Fertigungsschritt herausgeschnitten werden. Weiterhin kann der Splinebereich bereitgestellt werden, indem während der Umformung der Seitenwelle entsprechende Vertiefungen eingearbeitet werden.Before the hardening process, a spline area or an external toothing for the positive transmission of a torque is provided on the side shafts in the end areas. The spline region can be provided by grooves in the end region, which run in the direction of the longitudinal axis, milled out, punched or cut out in a machining production step. Furthermore, the spline region can be provided by incorporating corresponding recesses during the deformation of the side wave.
Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nun folgenden Beschreibung der Zeichnung. In dieser zeigt:Further advantages and features of the invention will become apparent from the following description of the drawing. In this shows:
In
Die Seitenwelle
Die Endabschnitte
Zur Ermöglichen eines hohen Umformgrades Phi muss das Halbzeug eine ausreichende Duktilität aufweisen, da die Umformung üblicherweise nicht bei hohen Temperaturen erfolgt. Die Menge an Kohlenstoff, welcher dem Stahlwerkstoff zur Gewährleistung einer ausreichenden Härtbarkeit zugesetzt werden muss, ist daher im Stand der Technik begrenzt. Man ist gezwungen, auf teurere Legierungselemente, wie z. B. Chrom, Vanadium, Titan, Molybdän und/oder Nickel zurückzugreifen. Dadurch erhöht sich der Anschaffungspreis der Halbzeuge erheblich. Um diesen Nachteil zu überwinden und einen kostengünstigen Werkstoff mit einem verhältnismäßig hohen Kohlenstoffanteil verwenden zu können, beschränkt die vorliegende Erfindung den Umformgrad auf einen Wert von weniger als 0,3, bevorzugt von weniger als 0,28, besonders bevorzugt weniger als 0,27. Bei diesen, verhältnismäßig geringen Umformgraden der Seitenwelle
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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