DE102014202887A1 - Achszapfen mit einem Plankegelpolygon - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft Verfahren zum Herstellen von einem Achszapfen (2) einer Lageranordnung (1) von einem Fahrzeugrad. Die Lageranordnung (1) umfasst einen endseitigen Radflansch (3) zur Aufnahme eines Fahrzeugrades sowie einen mit einem Radlager (5) zusammenwirkenden Wellenabschnitt (4), über den der Achszapfen (2) im eingebauten Zustand kraftschlüssig mit einem Antriebselement (9) verbunden ist. Das Herstellverfahren sieht eine spannende Bearbeitung eines gehärteten oder weichen Rohlings zu einem Achszapfen (2) vor, wobei alle qualitätsrelevanten Maße für den Radflansch (3), einen Lagersitz (6) für das Radlager (5) sowie eine zentrale Öffnung (12) im Wellenabschnitt (4) mittels einer Aufspannung durch eine spanende Bearbeitung hergestellt werden. Die zentrale Öffnung (12) von dem Wellenabschnitt (4) des Achszapfens (2) ist als ein Plankegelpolygon (13) ausgebildet.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von einem Achszapfen oder einer Lageranordnung eines Fahrzeugrades gemäß den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1 sowie eine Vorrichtung nach Anspruch 7.
  • Achszapfen von Lageranordnungen für Fahrzeugräder verbinden das Radlager mit dem Fahrzeugrad und der Bremsscheibe sowie bei angetriebenen Rädern mit einem Antriebselement, das beispielsweise als Gelenkglocke ausgeführt ist. Über das Radlager ist der Achszapfen weiterhin mit dem Radträger des Fahrwerks verbunden. Der Achszapfen selbst und dessen Anbindung an den Radträger sind den über das Rad eingeleiteten Belastungen im Fahrbetrieb unmittelbar ausgesetzt. Daher ist es erforderlich, dass der Achszapfen zuverlässig ausgelegt und mit einer hohen Qualität gefertigt wird. Bevorzugt wird Stahl, beispielsweise Cf 53, als Werkstoff für den Achszapfen verwendet, der insbesondere durch Warmformen (Gesenkschmieden) über mehrere Umformstufen gefertigt und anschließend spanend nachbearbeitet wird.
  • Achszapfen, die auch als Radnabe oder Radlagerflansch bezeichnet werden, sind in den unterschiedlichsten Ausführungen bekannt. Üblicherweise wird in einer Verbindungsstelle zwischen dem Antriebselement und dem Achszapfen eine selbstzentrierende Hirthverzahnung vorgesehen. Diese Verzahnung kann mittels verschiedener Fertigungsmethoden, wie Verzahnungsfräsen, Verzahnungsstoßen oder Verzahnungsprägen in das Gehäuse des Antriebselements und einer Stirnseite des Achszapfens eingebracht werden. Diese Methoden werden in einem ungehärteten bzw. einem Weichteil eingebracht, wobei ein anschließendes Härten zu Verzügen führen kann. Dagegen verursacht eine harte Feinbearbeitung der Hirthverzahnung hohe Kosten. Wird die Hirthverzahnung bereits beim Schmieden in den Achszapfenrohling eingebracht, so müssen bei allen weiteren Bearbeitungsschritten die Spannwerkzeuge nachteilig in der Verzahnung spannen, um einen Lauf zur Verzahnung zu gewährleisten.
  • Aus der DE-A 21 13 723 ist ein Achszapfen einer Radlagerung für ein Fahrzeugrad bekannt, die ein mit einem Radträger verbundenes zweireihiges Kugellager umfasst, durch das sich eine Hohlwelle des Achszapfens erstreckt, an der endseitig an der Radinnenseite ein Verbindungselement aufgesteckt und über eine durchgeführte Schraube befestigt ist.
  • Die DE 103 38 172 A1 zeigt eine Achszapfen-Drehgelenk-Anordnung für antreibbare Räder von Fahrzeugen. Dabei weist ein Zapfen an dem Drehgelenk einer Antriebswelle eine Außenverzahnung auf, die in eine Innenverzahnung des Achszapfens eingreift, wodurch das Antriebsdrehmoment übertragen werden kann. Die Radnabe ist im Bereich des eingreifenden Zapfens in einem zweireihigen Kugellager eines Radträgers gelagert.
  • Die DE 10 2006 030 478 A1 offenbart eine Lageranordnung von einem Fahrzeugrad, bei der die Radnabe mittels einer Stirn- oder Hirthverzahnung mit dem Drehgelenk einer Antriebswelle drehfest verbunden ist. Aus der DE 10 2004 051 517 A1 ist eine weitere Achszapfen-Drehgelenk-Anordnung bekannt, bei der eine innere polygone Kontur eines als glockenförmiges Gehäuse ausgeführten Außengelenks mit einer äußeren polygonen Kontur des inneren Lagerrings der Radlagerung in Wirkverbindung steht.
  • Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Achszapfen bzw. Radlagerflansch zu schaffen, der eine formschlüssige Verbindung zu einer Umgebungskonstruktion einschließt, die durch ein vereinfachtes, kostengünstiges Verfahren ohne eine Nacharbeit und Minderung der Bauteilsteifigkeit in einem Hartzustand realisierbar ist.
  • Diese Problemstellung wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch eine Vorrichtung nach Anspruch 7 gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angeführt, die auf den Anspruch 1 oder den Anspruch 7 rückbezogen sind.
  • Gemäß dem Anspruch 1 ist zur Herstellung des Achszapfens ein Verfahren vorgesehen, das eine spannende Bearbeitung eines gehärteten oder weichen Rohlings zur Schaffung des Achszapfens vorsieht. Vorteilhaft können dabei alle qualitätsrelevanten Maße für den Radflansch, den Lagersitz für das Radlager auf dem Wellenabschnitt sowie eine zentrale Öffnung im Wellenabschnitt mittels einer Aufspannung durch die spanende Bearbeitung zum Schluss der Fertigungskette hergestellt werden. Die erfindungsgemäße Bearbeitung erstreckt sich außerdem auf die zentrale Öffnung des Wellenabschnitts, die als ein Plankegelpolygon ausgebildet wird.
  • Durch die Möglichkeit, das Plankegelpolygon drehtechnisch in der qualitätsrelevanten Fertigungseinspannung einzubringen, entfallen aufwändige Positionierarbeiten bei der Bearbeitung sowie Positionsbohrungen im Bauteil für die vorhergehenden Operationen. Ferner kann auf aufwändige Spannelemente in den einzelnen Fertigungsmaschinen verzichtet werden. Im Gegensatz zur bisherigen Herstellung von Achszapfen, die in mehreren Arbeitsschritten in Verbindung unterschiedlicher Aufspannungen erfolgte, bietet die Erfindung vorteilhaft ein prozesssicheres, vereinfachtes zeitoptimiertes und damit kostengünstiges Verfahren. Das innere Plankegelpolygon ersetzt eine bislang an der Stirnseite von dem Wellenabschnitt des Achszapfens angebrachte Hirthverzahnung, die im Einbauzustand des Achszapfens formschlüssig in eine korrespondierende Verzahnung an einem Antriebselement eingreift.
  • Das Plankegelpolygon ermöglicht in vorteilhafterweise aufgrund einer geringen Neigung an der Verbindungsstelle eine Selbstausrichtung sowie eine Zentrierung. Weiterhin stellt sich zwischen dem inneren Plankegelpolygon des Achszapfens und einem äußeren, mit dem Antriebselement verbundenen Plankegelpolygon nach abgeschlossener Montage eine gewünschte Spielfreiheit ein. Das erfindungsgemäße, für hohe Drehmomentübertragungen einsetzbare Konzept ist sowohl für PKW- als auch in NFZ-Anwendungen einsetzbar.
  • Die vorgestellte Erfindung ermöglicht eine kosteneffiziente Herstellung von Achszapfen, da erfindungsgemäß bereits in einem gehärteten Bauteil das Planpolygon mit relativ einfachen Mitteln eingebracht werden kann. Durch die Verwendung von rotationssymmetrischen Bauteilen bzw. rotationssymmetrischen Bearbeitungsverfahren kann die Bearbeitung der Bauteile kostengünstig erfolgen, die weiterhin eine prozesssichere Methode bietet sowie einen Kostenvorteil gegenüber einer Verbindung mittels einer Hirthverzahnung.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird das Plankegelpolygon mittels eines Dreharbeitsganges in die zentrale Öffnung von dem Achszapfen eingebracht. Dabei ist es unerheblich, ob der Achszapfen gehärtet oder ungehärtet ausgeführt ist. Vorteilhaft kann bei dem eingesetzten Drehverfahren der Kegelwinkel des Plankegelpolygons beliebig programmiert werden.
  • Als Maßnahme, zur Erzielung einer optimalen Steifigkeit und schwingungsfreien Koppelung des Achszapfens mit dem Antriebselement, ist das Plankegelpolygon bevorzugt als ein trigonaler Kegel ausgeführt, was sich gleichzeitig positiv auf die Wälzlager einschließende Radlagerung auswirkt. Alternativ dazu kann das erfindungsgemäße Plankegelpolygon auch in einer anderen geometrischen Form, beispielsweise als ein pentagonaler Kegel, ausgeführt werden. In vorteilhafter Weise kann durch das erfindungsgemäße Verfahren eine Rundlaufabweichung des Plankegelpolygons zu dem Außendurchmesser von ≤ 0,01 mm erreicht werden. Bevorzugt wird der erfindungsgemäße Achszapfen aus einem Rohling durch Schmieden, ein Ziehverfahren oder ein Fließpressverfahren hergestellt.
  • Der Anspruch 7 bezieht sich auf eine einen Bauteilverbund bildende Vorrichtung, bestehend aus einem Achszapfen einer Lageranordnung von einem Fahrzeugrad, dessen Wellenabschnitt zur Aufnahme eines Radlagers bestimmt ist. Der Wellenabschnitt des Achszapfens steht weiterhin in einer Wirkverbindung mit einem Antriebselement. Dazu greift in eine als Plankegelpolygon ausgeführte zentrische Öffnung des Wellenabschnitts formschlüssig ein komplementär ausgebildeter Zapfen des Antriebselements. Damit kann eine hochgenaue, präzise auch als Kegelpolygon-Kupplung zu bezeichnende Verbindung mit einer optimalen Prozesssicherheit realisiert werden. Zur Sicherung eines dauerfesten, Bauteilverbundes ist zwischen dem Achszapfen und dem Zapfen des Antriebselements eine Verschraubung vorgesehen. Für den eine Kegelverbindung bildenden Bauteilverbund ist vorzugsweise ein Kegelwinkel α zwischen ≥ 2° und ≤ 15° vorgesehen. Der Kegeloder Konuswinkel wird vorteilhaft so gewählt, dass sich in axialer Richtung eine selbsthemmende Kegelverbindung einstellt.
  • Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Zeichnungen, in denen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt ist. Die dargestellte Ausführungsform zeigt ein Beispiel von einer erfindungsgemäßen Lösung, die jedoch keine abschließende Begrenzung der Erfindung darstellt. Dabei zeigt:
  • 1 eine Lageranordnung für ein Fahrzeugrad in einem Halbschnitt mit einem erfindungsgemäßen Bauteilverbund zwischen einem Achszapfen und einem Antriebselement; und
  • 2 eine Schnittansicht der Lageranordnung gemäß einem Verlauf 2-2 aus der 1.
  • Die 1 zeigt eine Lageranordnung 1 von einem Fahrzeugrad (nicht gezeigt) in einem Halbschnitt. Die Lageranordnung 1, bestehend aus einem Achszapfen 2, der endseitig einen Radflansch 3 bildet zur Aufnahme des Fahrzeugrades sowie einen Wellenabschnitt 4, der einen radial gestuften, für ein Radlager 5 bestimmten Lagersitz 6 aufweist. Das als ein zweireihiges Wälzlager ausgeführte Radlager 5 ist über einen äußeren Lagerring 7 in einem Radträger 8 einer Radaufhängung (nicht gezeigt) des Fahrzeugs eingesetzt. Der Achszapfen 2 steht mit einem Antriebselement 9 in Wirkverbindung. Das als Gelenkglocke eines Drehgelenks abgebildete und mit einer Antriebswelle (nicht gezeigt) in Verbindung stehende Antriebselement 9 bildet auf der zum Achszapfen 2 gerichteten Stirnseite einen axial vorstehenden Zapfen 10. Zur Darstellung einer drehfesten Verbindung zwischen dem Achszapfen 2 und dem Antriebselement 9, die gemeinsam einen Bauteilverbund 11 bilden, greift der Zapfen 10 formschlüssig in eine zentrale Öffnung 12 des Achszapfens 2. Dabei ist die Innenkontur der Öffnung 12 als ein Plankegelpolygon 13 ausgebildet, das mit einer komplementär polygonal gestalteten Außenkontur des Zapfens 10 korrespondiert. Zur Sicherstellung einer dauerhaften kraftschlüssigen Verbindung ist eine Verschraubung 14 vorgesehen, bestehend aus einer Spannschraube 15, deren Schraubenkopf 16 über eine Scheibe 17 an dem Achszapfen 2 abgestützt ist und die in eine Gewindebohrung 18 des Zapfens 10 verschraubt ist.
  • Die Schnittansicht gemäß 2 verdeutlicht insbesondere die formschlüssig mittels einer polygonalen Innenkontur und einer entsprechenden polygonalen Außenkontur zusammengefügten Bauteile, den Achszapfen 2 und das Antriebselement 9. Über das als trigonaler Kegel ausgebildete Plankegelpolygon 13 beider Bauteile stellt sich eine präzise spielfreie Führung beider Bauteile ein. Gleichzeitig gewährleistet das Kegelpolygon eine optimale Drehmomentübertragung und damit einen schwingungsfreien Antrieb.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Lageranordnung
    2
    Achszapfen
    3
    Radflansch
    4
    Wellenabschnitt
    5
    Radlager
    6
    Lagersitz
    7
    Lagerring
    8
    Radträger
    9
    Antriebselement
    10
    Zapfen
    11
    Bauteilverbund
    12
    Öffnung
    13
    Plankegelpolygon
    14
    Verschraubung
    15
    Spannschraube
    16
    Schraubenkopf
    17
    Scheibe
    18
    Gewindebohrung
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 2113723 A [0004]
    • DE 10338172 A1 [0005]
    • DE 102006030478 A1 [0006]
    • DE 102004051517 A1 [0006]

Claims (8)

  1. Verfahren zum Herstellen von einem Achszapfen (2) einer Lageranordnung (1) von einem Fahrzeugrad, bestehend aus einem endseitigen Radflansch (3) zur Aufnahme eines Fahrzeugrades sowie einen mit einem Radlager (5) zusammenwirkenden Wellenabschnitt (4), über den der Achszapfen (2) im eingebauten Zustand kraftschlüssig mit einem Antriebselement (9) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Herstellverfahren eine spannende Bearbeitung eines gehärteten oder weichen Rohlings zu einem Achszapfen (2) umfasst, wobei alle qualitätsrelevanten Maße für den Radflansch (3), einen Lagersitz (6) für das Radlager (5) sowie eine zentrale Öffnung (12) im Wellenabschnitt (4) mittels einer Aufspannung durch eine spanende Bearbeitung hergestellt werden, wobei die Öffnung (12) des Wellenabschnitts (4) als ein Plankegelpolygon (13) ausgebildet wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Plankegelpolygon (13) mittels eines Dreharbeitsganges in den Achszapfen (2) eingebracht wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass mit dem Dreharbeitsgang ein Kegelwinkel α des Plankegelpolygons (13) beliebig programmiert werden kann.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Plankegelpolygon (13) als trigonaler Kegel ausgeführt wird.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Rundlaufabweichung des Plankegelpolygons (13) zu einem Außendurchmesser im Wellenabschnitt (4) des Achszapfens (2) ≤ 0,01 mm beträgt.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Achszapfen (2) als Rohling durch Schmieden, ein Ziehverfahren oder ein Fließpressverfahren hergestellt wird.
  7. Vorrichtung einer Lageranordnung (1) von einem Fahrzeugrad zur Bildung eines Bauteilverbundes (11), umfassend einen Achszapfen (2), dessen Wellenabschnitt (4) zur Aufnahme eines Radlagers (5) bestimmt ist und der mit einem Antriebselement (9) in einer Wirkverbindung steht, dadurch gekennzeichnet, dass in eine als Plankegelpolygon (13) ausgeführte zentrale Öffnung (12) von dem Wellenabschnitt (4) des Achszapfens (2) ein komplementär ausgebildeter Zapfen (10) des Antriebselements (9) formschlüssig eingreift, wobei eine zwischen dem Achszapfen (2) und dem Zapfen (10) vorgesehene kraftschlüssig wirkende Verschraubung (14) den Bauteilverbund (11) sichert.
  8. Bauteilverbund nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass für den eine Kegelverbindung bildenden Bauteilverbund (11) ein Kegelwinkel α zwischen ≥ 2° und ≤ 15° vorgesehen ist.
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