DE10237215B3

DE10237215B3 - Verbindung zwischen einem Gelenkkaußenteil und einem Wellenzapfen

Info

Publication number: DE10237215B3
Application number: DE10237215A
Authority: DE
Inventors: Herbert Dr.-Ing. Cermak; Dirk Winkler
Original assignee: GKN Loebro GmbH
Current assignee: GKN Driveline Deutschland GmbH
Priority date: 2002-08-14
Filing date: 2002-08-14
Publication date: 2004-04-15
Anticipated expiration: 2022-08-15
Also published as: US20040089698A1

Abstract

Verfahren zum Herstellen einer Verbindung zwischen einem Gelenkaußenteil 11 eines Gleichlaufdrehgelenks und einem Wellenzapfen, wobei der Wellenzapfen mit einem Flansch versehen wird, der koaxial an das Gelenkaußenteil 11 angesetzt wird, wobei eine Rohrhülse mit größerem Durchmesser mit radialem Abstand über den Stoß zwischen Gelenkaußenteil 11 und Flansch geschoben wird, und wobei die Rohrhülse mittels eines Impulsschweißverfahrens radial reduziert und mit dem Gelenkaußenteil 11 und dem Flansch verschweißt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Verbindung zwischen einem Gelenkaußenteil eines Gleichlaufdrehgelenks und einem Wellenzapfen; sie betrifft ebenso ein Verfahren zum Herstellen einer Verbindung zwischen einem Gelenkaußenteil eines Gleichlaufdrehgelenks und einem Wellenrohr. Gelenkaußenteile von Gleichlaufgelenken werden in vielen Fällen mit einem einstöckig angeformten Wellenzapfen ausgebildet, wodurch ein relativ schweres Bauteil gebildet wird. Für jeden Anwendungsfall ist der Wellenzapfen individuell anzupassen. Dies führt zu einer unerwünschten Teilevielfalt. Gelenkaußenteile von Scheibengelenken werden in der Regel mit Anschlußflanschen über Schraubverbindungen verbunden. Dies gibt größere Gestaltungsmöglichkeiten bei der Ausbildung der anschließenden Wellenzapfen, jedoch ist die Anzahl der Bearbeitungsvorgänge und die Teilezahl infolge der Schraubverbindung hoch.
Es ist auch bereits bekannt geworden, Gelenkaußenteile von Scheibengelenken unmittelbar in Rohrwellen einzuschweißen. Hierbei ist eine genaue Bearbeitung der Paßflächen am Gelenkaußenteil und im Rohr erforderlich, damit das Gelenkaußenteil zentriert und mit exakter Axialität im Rohrende einsitzt, so daß eine unwuchtfreie Verbindung entsteht.

Aus der DE 199 02 122 A1 ist es bereits bekannt, Fahrzeugantriebswellen herzustellen, indem Kreuzgelenkgabeln und Keilprofilrohrwellen in Rohrwellen mittels eines Magnetimpulsschweißverfahrens verbunden werden. Hierbei werden die Anschlußstücke mit einem besonderen Halsabschnitt versehen, der in das offene Ende der Rohrwelle eingeführt wird.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, Verfahren zum Verbinden von Gelenkaußenteilen mit Wellenzapfen und mit Rohrwellen vorzuschlagen, die kostengünstig durchzuführen sind und zu leichtbauenden Verbindungsanordnungen führen.

Eine erste Lösung hierfür liegt in einem Verfahren zum Herstellen einer Verbindung zwischen einem Gelenkaußenteil eines Gleichlaufdrehgelenks und einem Wellenzapfen, wobei der Wellenzapfen mit einem Flansch versehen wird, der koaxial an das Gelenkaußenteil angesetzt wird, wobei eine Rohrhülse mit größerem Durchmesser mit radialem Abstand über den Stoß zwischen Gelenkaußenteil und Flansch geschoben wird, und wobei die Rohrhülse mittels eines Impulsschweißverfahrens radial reduziert und mit dem Gelenkaußenteil und dem Flansch verschweißt wird. Hiermit wird eine Verbindung geschaffen, bei der sich zunächst das Gelenkaußenteil wahlweise als Scheibengelenk oder mit einem relativ leicht ausgebildeten Boden herstellen läßt und gesondert davon der Wellenzapfen mit einem ebenfalls leicht ausgebildeten Flansch herstellen läßt. Die Umformprozesse für beide Bauteile sind wesentlich günstiger als bei der Herstellung eines Gelenkaußenteils mit einstückig angeformten Wellenzapfen. Die beiden genannten Teile, Gelenkaußenteil und Wellenzapfen mit Flansch, können insbesondere in stumpfem Stoß durchmessergleich aneinandergesetzt werden und durch die aufgeschobene Rohrhülse ohne weitere Vorbereitungsmaßnahmen unter Anwendung eines Magnetpulsverfahrens verbunden werden. Hierbei ist insbesondere hervorzuheben, daß die Genauigkeit der Verbindungsflächen nicht besonders hoch sein muß, so daß diese Flächen bereits bei der spanlosen Umformung der Bauteile fertiggestellt werden können und eine mechanische Bearbeitung der Verbindungsflächen entfallen kann. Die genannten Verbindungsflächen können im einfachen Fall rein zylindrisch sein, wahlweise jedoch auch mit einer Querschnittsprofilierung versehen sein. Zusätzlich zur Schweißverbindung zwischen Rohrhülse und Gelenkaußenteil einerseits und Flansch andererseits entsteht hierbei noch eine torsionsfeste formschlüssige Verbindung zwischen der Rohrhülse und den Teilen. Bei dem genannten Impulsschweißverfahren werden hohe radial Beschleunigungskräfte auf die Rohrhülse ausgeübt, die zunächst mit radialem Spiel zentrisch zu den Verbindungsflächen angeordnet ist. Die Rohrhülse wird hierbei heftig radial gestaucht, wobei die Verformungsgeschwindigkeit so hoch ist, daß beim Auftreffen auf die Verbindungsflächen dort eine Schweißverbindung entsteht. Die Rohrhülse kann vorzugsweise werkstoffgleich mit den zu verbindenden Bauteilen sein. Es ist jedoch auch die Verwendung unterschiedlicher Metalle möglich. Insbesondere kann eine Rohrhülse aus einer Aluminiumlegierung gewählt werden.

Die zweite Lösung besteht in einem Verfahren zum Herstellen einer Verbindung zwischen einem Gelenkaußenteil eines Gleichlaufdrehgelenks und einem Wellenrohr, wobei das Gelenkaußenteil mit einer umfänglichen Verbindungsfläche hergestellt wird, wobei das Wellenrohr mit einem Rohrende mit größerem Durchmesser als dem der Verbindungsfläche versehen wird, und wobei das Rohrende des Wellenrohres mit radialem Abstand über das Gelenkaußenteil geschoben wird und mittels eines Impuls schweißverfahrens radial reduziert und mit dem Gelenkaußenteil verschweißt wird. Hiermit wird ein Verfahren bereitgestellt, mit dem Gelenkaußenteile von Scheibengelenken, aber auch solche mit angeformten leicht ausgebildeten Boden in einem offenen Ende einer Rohrwelle festgelegt werden können. Dies ist insbesondere bei Rohrwellen mit großem Durchmesser. günstig, wie sie in Längsantriebswellen von Kraftfahrzeugen verwendet werden. Die entsprechende Rohrwelle, die insgesamt kleineren Durchmesser haben kann als das Gelenkaußenteil, kann hierbei ein im Durchmesser aufgeweitetes Ende aufweisen, in das sich das Gelenkaußenteil mit radialem Spiel einsetzen läßt. Nachdem das Gelenkaußenteil konzentrisch in das Rohrende eingesetzt ist, wird ein bekanntes Impulsschweißverfahren durchgeführt, dessen Wirkung hier auf das Rohrende beschränkt wird. Bei der impulsartigen radialen Stauchung des Rohrendes kommt es hierbei zu einer Schweißverbindung zwischen dem reduzierten Rohrende und der umfänglichen Verbindungsfläche des Gelenkaußenteils. Auch in diesem Fall kann die umfängliche Verbindungsfläche rein zylindrisch oder aber im Querschnitt profiliert ausgeführt sein. In letzterem Fall entsteht zusätzliche ein torsionsbelastbarer Formschluß zwischen Rohrende und Gelenkaußenteil. Die genannte Profilierung kann insbesondere dadurch gebildet werden, daß das Gelenkaußenteil seinerseits ein Blechumformteil ist, dessen Außenkontur durch die Querschnittsform der Kugelbahnen bestimmt wird. Dies hat den besonderen Vorteil, daß das flächig verschweißte Rohrende wesentlich zur Formsteifigkeit des Gelenkaußenteils beiträgt, die bei Blechumformgelenkbauteilen zunächst geringer liegt als bei Massivgelenkbauteilen.

Nach einer günstigen Ausführung kann vor dem Einsetzen des Gelenkaußenteils in das offene Rohrende zunächst ein Deckel eingesetzt werden, der den Rohrquerschnitt verschließt. Dieser kann gegen einen Innenabsatz im Rohr angelegt werden, wobei dieser in einem axialen Bereich liegen sollte, in dem sich die radiale Stauchung des Rohrquerschnittes durch das Impulsschweißverfahren noch auswirkt. Hierdurch wird der Deckel, wie das Gelenkaußenteil im Rohr, zusätzlich eingespannt.

Nach einer weiteren günstigen Ausgestaltung ist vorgesehen, daß nach dem Einsetzen des Gelenkaußenteils in das offene Rohrende noch eine Hülse, beispielsweise zur Festlegung eine Rollbalges, in das offene Rohrende eingeschoben wird. Auch diese wird nach dem Durchführen des radialen Stauchens des Rohrquerschnitts durch das Impulsschweißverfahren zumindest kraftschlüssig eingespannt.

Sowohl der genannte Deckel als auch die genannte Hülse können vor Durchführen des Impulsschweißverfahrens teilweise auf das Gelenkaußenteil aufgeschoben werden, so daß sie zwischen Gelenkaußenteil und Rohrwelle zumindest teilweise eingespannt werden, bevorzugt auch zumindest partiell mit den genannten Teilen bei der Durchführung des Impulsschweißverfahrens verschweißt werden. Auch bei diesem Verfahren kann als Wellenwerkstoff für die Rohrwelle eine Leichtmetallegierung gewählt werden.

Bevorzugt wird ein Magnetimpulsschweißverfahren zur Beschleunigung der Ausgleichsmasse verwendet. Dies setzt ein elektrisch leitendes Material für die Ausgleichsmasse voraus. Beim Magnetimpulsschweißverfahren wird elektrische Energie in elektrischen Kondensatoren gespeichert und über eine Entladeschaltung auf einen spulenförmigen Induktor gegeben, welcher mit Abstand radial außerhalb der Welle und der Ausgleichsmasse angeordnet ist. Hierdurch wird im Induktor in kürzester Zeit ein extrem starkes Magnetfeld aufgebaut. Dieses übt eine hohe Be schleunigungskraft auf die Ausgleichsmasse aus, die nach radial innen im Induktor, das heißt auf die Längsachse der Welle gerichtet ist. Es kann auch ein Sprengimpulsschweißverfahren (pyrotechnisches Verfahren) verwendet werden. Hierbei ist nur die Schweißbarke n der Materialien von Ausgleichsmasse und Rotationskörper zu beachten. Beim Sprengschweißverfahren wird eine Sprengstoffmasse, in der chemische Energie gespeichert ist, radial außen an der Ausgleichsmasse in Bezug auf die Längsachse der Welle angebracht und zur Detonation gebracht. Hierbei kann radial außerhalb der Ausgleichsmasse eine Verdämmung, z. B. in Form eines auf Ausgleichsmasse und Welle aufgeschobenen Rohres vorgesehen sein. Die bei der Detonation stattfindende Druckerhöhung übt eine hohe Beschleunigungskraft auf die Ausgleichsmasse aus, die radial in Richtung auf die Längsachse der Welle gerichtet sein soll.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt, die nachfolgend beschrieben werden.
1 zeigt eine erfindungsgemäße Verbindung zwischen einem Gelenkaußenteil und einem Wellenzapfen;
2 zeigt eine erfindungsgemäße Verbindung zwischen einem Gelenkaußenteil und einer Rohrwelle;
3 zeigt eine erfindungsgemäße Verbindung zwischen einem Gelenkaußenteil und einer Rohrwelle unter Einschluß von weiteren Konstruktionselementen.
In 1 ist ein Gelenkaußenteil 11 eines Kugelgleichlauffestgelenkes im Längsschnitt gezeigt, an das ein mit einem Flansch 12 einstückig ausgebildeter Wellenzapfen 13 angesetzt ist. Das Gelenkaußenteil hat eine Öffnung 14, von der aus die weiteren Konstruktionselemente des Gelenkes eingesetzt werden können, einen Boden 15, sowie Kugelbahnen 16, von denen eine gezeigt ist. Im Bereich des Bodens 15 hat das Gelenkaußenteil eine zylindrische Verbindungsfläche 17. Am Wellenzapfen 13 sind ein Wellenprofil 18 sowie ein Gewindezapfen 19 erkennbar. Im Bereich des Flansches 12 weist der Wellenzapfen eine zylindrische Verbindungsfläche 20 auf. Die Verbindungsflächen 17, 20 sind durchmessergleich. Der Boden 15 des Gelenkaußenteils und der Flansch 12 stoßen stumpf und flächig aneinander. Über die beiden Verbindungsbereiche 17, 20 ist eine Rohrhülse 21 aufgeschoben, die gemäß der Darstellung in der unteren Bildhälfte zunächst mit Radialspiel zu den Verbindungsflächen ausgeführt ist und gemäß der Darstellung in der oberen Bildhälfte nach Anwendung eines Impulsschweißverfahrens spielfrei auf den Verbindungsabschnitten 17, 20 aufsitzt und mit diesen kaltverschweißt ist. Auf diese Weise ist eine koaxiale, biege- und torsionsfeste Verbindung zwischen Gelenkaußenteil 11 und Wellenzapfen 13 hergestellt. Während der Durchführung des Impulsschweißverfahrens können Gelenkaußenteil und Wellenzapfen konzentrisch eingespannt sein. Infolge der Reduzierung der Rohrhülse findet während des Schweißvorganges jedoch zusätzlich eine Zentrierung der beiden Teile statt. Während Gelenkaußenteil 11 und Wellenzapfen 13 aus Stahl bestehen, kann die Rohrhülse 21 aus Stahl oder aber auch aus Aluminium hergestellt sein.
In 2 ist die Verbindung zwischen einem Gelenkaußenteil 11 eines Gleichlaufdrehgelenkes und einer Rohrwelle 22 gemäß der Erfindung gezeigt. Das Gelenkaußenteil 11 ist hier als Scheibengelenk mit beidseitigen Öffnungen ausgebildet und hat eine zylindrische Befestigungsfläche 17. Das Gelenkaußenteil 11 weist im vorliegenden Fall über dem Umfang abwechselnd ge staltete Kugelbahnen 16', 16'' auf. Mit gestrichelten Linien sind die weiteren Bauteile des Gleichlaufdrehgelenks gezeigt, nämlich Gelenkinnenteil 23 mit Kugelbahnen 24', 24'' , Kugeln 25', 25'' und Kugelkäfig 26. Das dargestellte Gelenk stellt ein sogenanntes Gegenbahngelenk dar, bei dem sich die Bahnpaare 16', 24' bzw. 16'', 24'' über dem Umfang abwechselnd in entgegengesetzter Richtung öffnen. Für den Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist dies nicht von Bedeutung. Das Rohrende 29 des Wellenrohres 22 wird von einer Erweiterung 27 gebildet, so daß das Rohrende 29 mit radialem Spiel über das Gelenkaußenteil 11 geschoben werden kann, wie in der unteren Bildhälfte dargestellt, während das Wellenrohr 22 selber einen geringeren Außendurchmesser hat als das Gelenkaußenteil 11. Nach Durchführung des Impulsschweißverfahrens sitzt das Rohrende 29 unter Ausbildung einer Einbördelung 28 spielfrei auf dem Gelenkaußenteil 11 auf und ist mit diesem kaltverschweißt. Das Herstellen der Verbindung zwischen Wellenrohr und Gelenkaußenteil kann vorzugsweise bei bereits vollständig montiertem Gleichlaufdrehgelenk erfolgen. Hiermit ist eine ungehinderte Gelenkmontage möglich.
In 3 ist eine erfindungsgemäße Verbindung zwischen dem Gelenkaußenteil 11 eines Gleichlaufdrehgelenks und einem Wellenrohr 22 gezeigt. Es sind noch weitere Konstruktionselemente dargestellt, auf die noch eingegangen wird. Auch hier ist ein vollständiges Gleichlaufdrehgelenk in der Form eines Gegenbahngelenkes, jedoch in diesem Fall mit durchgezogenen Linien, dargestellt, wobei die Einzelteile des Gelenks hier nicht im einzelnen bezeichnet sind. Das Gelenkaußenteil 11 hat abweichend von dem Gelenkaußenteil nach 2 eine umfängliche Verbindungsfläche 17, die eine nicht-zylindrische Querschnitts- und Längskontur hat; vielmehr ist das Gelenkaußenteil 11 als Blechumformteil mit etwa gleichmäßiger Wandstärke dargestellt, so daß eine Erweiterung 27 am Rohrende 29 der Rohrwelle 22 kaltverschweißt und formschlüssig auf der Verbindungsfläche 17 des Gelenkaußenteils 11 aufsitzt. In die Erweiterung 27 der Rohrwelle 22 ist ein Deckel 31 eingesetzt, der teilweise stumpf an das Gelenkaußenteil 11 anstößt (untere Bildhälfte) und teilweise mit Lappen 32 zwischen Gelenkaußenteil 11 und Rohrwelle 22 einliegt und dort eingespannt und mit den genannten Teilen kaltverschweißt ist. Weiterhin ist in das offene Rohrende 29 der Rohrwelle 22 eine Blechhülse 33 eingeschoben, die über dem Umfang teilweise am Gelenkaußenteil 11 stumpf anstößt (obere Bildhälfte) und teilweise mit Lappen 34 zwischen Gelenkaußenteil 11 und Rohrende 29 eingespannt ist und mit diesen Teilen kaltverschweißt ist. Eine Bördelung 28 am Rohrende 29 der Rohrwelle 22 umschließt die Blechhülse 33. Die Blechhülse 33 trägt einen Rollbalg 35, der von einer Bördelung 36 der Hülse 33 eingespannt wird und weiterhin auf einer Welle 37 aufgespannt ist, die in das Gelenkinnenteil 23 des Gelenks eingesteckt ist. Der Deckel 31 und die Hülse 33 können vor der Herstellung der Schweißverbindung zwischen Rohrwelle 22 und Gelenkaußenteil 11 im wesentlichen ihre fertige dargestellte Form haben. Geringfügige Verformungen während der Durchführung des Impulsschweißverfahrens sind jedoch möglich.

11: Gelenkaußenteil
12: Flansch
13: Wellenzapfen
14: Öffnung
15: Boden
16: Kugelbahn
17: Sitzfläche
18: Wellenprofil
19: Gewindezapfen
20: Verbindungsfläche
21: Rohrhülse
22: Wellenrohr
23: Gelenkinnenteil
24: Kugelbahn
25: Kugel
26: Kugelkäfig
27: Erweiterung
28: Bördelung
29: Rohrende
30
31: Deckel
32: Lappen
33: Hülse
34: Lappen
35: Rollbalg
36: Bördelung
37: Wellenzapfen

Claims

Verfahren zum Herstellen einer Verbindung zwischen einem Gelenkaußenteil (11) eines Gleichlaufdrehgelenks und einem Wellenzapfen (13), dadurch gekennzeichnet, daß der Wellenzapfen (13) mit einem Flansch (12) versehen wird, der koaxial an das Gelenkaußenteil (11) angesetzt wird, daß eine Rohrhülse (21) mit größerem Durchmesser mit radialem Abstand über den Stoß zwischen Gelenkaußenteil (11) und Flansch (12) geschoben wird, und daß die Rohrhülse (21) mittels eines Impulsschweißverfahrens radial reduziert und mit dem Gelenkaußenteil (12) und dem Flansch (12) verschweißt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem Stoß benachbarte umfängliche Verbindungsflächen (17, 20) am Gelenkaußenteil (11) und am Flansch (12) zylindrisch ausgebildet werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem Stoß benachbarte umfängliche Verbindungsflächen (17, 20) am Gelenkaußenteil (11) und am Flansch (12) profiliert ausgebildet werden.
Verfahren zum Herstellen einer Verbindung zwischen einem Gelenkaußenteil (11) eines Gleichlaufdrehgelenks und einem Wellenrohr (22), dadurch gekennzeichnet, daß das Gelenkaußenteil (11) mit einer umfänglichen Verbindungsfläche (17) hergestellt wird, daß das Wellenrohr (22) mit einem Rohrende (29) mit größerem Durchmesser als dem der Verbindungsfläche (17) versehen wird, daß das Rohrende (29) des Wellenrohres (22) mit radialem Abstand über das Gelenkaußenteil (11) geschoben wird und mittels eines Impulsschweißverfahrens radial reduziert und mit dem Gelenkaußenteil (11) verschweißt wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die umfängliche Verbindungsfläche (17) des Gelenkaußenteils (11) zylindrisch ausgebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die umfängliche Verbindungsfläche (17) des Gelenkaußenteils (111 profiliert ausgebildet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein napfförmiger Deckel (31) zur Abdichtung des Rohrinnenquerschnitts vor dem Aufschieben des Rohrendes (29) auf das Gelenkaußenteil (11) in das offene Rohrende (29) eingesetzt wird, der beim radialen Reduzieren des Rohrendes vom Rohrende (29) radial eingespannt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Aufschieben des Rohrendes auf das Gelenkaußenteil eine Blechhülse (33) in das offene Rohrende (29) eingeschoben wird, die beim radialen Reduzieren des Rohrendes vom Rohrende (29) radial eingespannt wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein Bördelrand des Deckels (31) beim radialen Reduzieren des Rohrendes zwischen Gelenkaußenteil (11) und Rohrende (29) eingespannt und gegebenenfalls mit diesen kaltverschweißt wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein Endabschnitt der Blechhülse (33) beim radialen Reduzieren des Rohrendes (29) zwischen Gelenkaußenteil (11) und Rohrende (29) eingespannt und gegebenenfalls mit diesen verschweißt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß ein Magnetimpulsschweißverfahren verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß ein Sprengimpuls- (pyrotechnisches Impuls-) schweißverfahren verwendet wird.