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Verfahren und Vorrichtung zum Härten von Gelenkringen
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von homokinetischen Wellengelenken Die Erfindung betrifft ein Verfahren
zum Härten von Gelenkringen von homokinetischen Wellengelenken nach dem Oberbegriff
von Anspruch 1 sowie eine Vorrichtung zum Ausüben des Verfahrens nach dem Oberbegriff
von Anspruch 4.
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Bei Gleichlaufdrehgelenken der zugrunde liegenden Art ist bei bestimmten
Bauarten der eine Teil des Drehgelenkes axial relativ zum anderen in Grenzen verschiebbar.
Es ist erwünscht, daß solche Schiebegelenke ohne zusätzlichen Aufwand trotz einer
axial frei schwimmenden Anordnung des einen Gelenkteiles gegenüber dem anderen Gelenkteil
selbsttätig eine Axialkraft erzeugen die das schwimmende Gelenkteil in die axiale
Normallage zurückführt. Die DE-PS 1 251 S9S sieht hierzu vor, daß die Kugellauahnen
der Gelenkringe im Anschluß an das Härten durch einen Lappvorgang derart feinbearbeitet
werden, daß die iCIgellaufbahnen sich zu den axialen Endseiten des Ge lenkringes
hin leicht verengen Zwar führt diese Methode
grundsätzlich zum Erfolg,
jedoch ist das Läppen ein sehr teurer und zeitraubender Bearbeitungsvorgang. Insbesondere
das Läppen der Kugellaufbahnen des Gelenkringes ist nur mit einem unvertretbar großen
Arbeitsaufwand durchführbar. Die zitierte Patentschrift erwähnt u. a. auch, daß
sich die geringffigigen erwünschten Formabweichungen auch durch einen llärteverzug
herstellen ließen. Die Praxis zeigt aber ganz eindeutig, daß dieses zumindest bei
Gelenkringen nicht möglich ist. Im Gegenteil werden die Mantellinien der Kugellaufbahnen
beim Härten unweigerlich leicht ballig, erhalten also gerade die gegenteilige Form,
wie sie an sich erwiinscht wäre.
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Bei Kraftübertragungen mit zwei hintereinander angeordneten Schiebegelenken,
die zueinander spiegelbildlich eingebaut sind, hat man durch einen gezielt herbeigeführten
ii:irteverzug an den Gelenkringen in Trompetenform der Balligkeit eine Konizität
in der Größenordnung von etwa 3o »m überlagert, wodurch sich auf den schwimmenden
Mittelteil zwischen den beiden Schiebegelenken durch die beiden gegeneinanderwirkenden
Axialkräfte der Schiebegelenke eine axiale Selbstzentrierung für den gesamten Mittelteil
der Kraftübertragung ergibt. Die Trompetenform an den Gelenkringen ergibt sich dadurch,
daß der Gelenkring zonenweise beginnend von der einen axialen Stirnseite her axial
fortschreitend erwärmt wird, wodurch sich für die verschiedenen axialen Abschnitte
des Gelenkringes unterschiedliche Erwärmungszeiten und dementsprechend unterschiedliche
Eindringtiefen der erhitzten Bereiche und dementsprechend unterschiedliche Weirmeverzüge
ergeben. Nach Beendigung
der Erwärmung wird der Gelenkring gleichmäßig
auf der gesamten axialen Erstreckung abgeschreckt. Durch die leichte Trompetenform
der Gelenkringe wird zwar bei einer spiegelbildlichen Doppelanordnung von Schiebegelenken
der schwimmende Mittelteil der Gelenkwelle selbsttätig axial zentriert, es treten
jedoch durch die leichte Konizität der Gelenkringe Teilungsfehler bei den Kugellaufbahnen
auf. Diese Teilungsfehler sind auf die abwechselnde Schränkung der Kugellaufbahnen
gegenüber der Axialrichtung des Gelenkringes zurückzuführen. Die Teilungsfehler
wiederum führen zu einer vermehrten Walkarbeit der kraftübertragenden Kugeln des
Wellengelenkes auf den Kugellaufbahnen, wodurch sich die Wellengelenke übermäßig
stark erwärmen. Üblicherweise fallen .
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bei unzulässig starker Erwärmung der Gelenke die Gummimanschetten
als erstes aus, wodurch die Fettfüllung der Gelenke ausläuft und die Gelenke trockenlaufen.
Eine vollständige Beschädigung des Wellengelenkes tritt dann in kürzester Zeit ein.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren anzugeben, wie beim Härten
eine zylindrische oder leicht konkave Form der Mantellinien der Kugellaufbahnen
an Gelenkringen der zugrunde liegenden Art herbeigeführt werden kann.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale
von Anspruch 1 bzw. durch die kennzeichnenden Merkmale von Anspruch 4 gelöst.
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Aufgrund der zwangsweisen Behinderung der thermischen Dehnung des
Gelenkringes an seinen axialen Endbereichen kommt es bei der Erwärmung des Ringes
zu einer peripheren Stauchung des Ringes, die sich nach der Abkühlung als eine geringfügige
Durchmesserreduzierung im Bereich der Dehnungsbehinderung erweist. Je nach Ausmaß
der Dehnungsbehinderung kann eine mehr oder weniger große Stauchung und dementsprechend
eine mehr oder weniger große Durchmesserreduzierung herbeigeführt werden. Wenn die
Dehnungsbehinderung auf die axialen Endbereiche des Gelenkringes beschränkt bleibt,
in den dazwischenliegenden mittleren Bereichen aber eine thermische Dehnung beim
Härten zugelassen wird, kann die üblicherweise auftretende Balligkeit der Laufbahnmantellinien
nicht nur reduziert oder beseitigt werden, sondern sogar in einen leicht konkaven
Verlauf der Mantellinien überführt werden. Das Ausmaß der Abweichung von der sonst
üblichen Balligkeit wird zum einen durch die Passung des den zu härtenden Gelenkring
aufnehmenden Zentrierring und zum anderen durch die radiale Tiefe einer im mi.ttleren
Bereich des Zentrierringes angeordneten Umfangsrille bestimmt. Je strammer die Passung
ist und je größer die Tiefe der Umfangsrille ist, um so mehr wird ein konkaver Mantellinienverlauf
herbeigeführt und umgekehrt. Natürlich verliert sich der Einfluß der Tiefe der Umfangsrille,
wenn dessen Tiefe größer ist als die überhaupt auftretende radiale Dehnung bei unbehindertem
Gelenkring. Damit der Zentrierring seinerseits sich nicht thermisch dehnt muß er
durch eine Kühlung auf gleichbleibendem Temperaturniveau gehalten werden.
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Die Erfindung ist anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen
nachfolgend noch kurz erläutert; dabei zeigen: Fig 1 einen Längsschnitt durch ein
homokinetisches Drehgelenk Fig. 2 einen Gegenring in Einzeldarstellung aus dem Drehgelenk
nach Fig 1, Fig. 3 einen Höhenaufschrieb mit radial stark über setzte Darstellung
des Höhenprofiles der Mantellinien von zwei gegenüberliegenden Nugellaufbahnen eines
nach der Erfindung gehärteren Gelenkringes Figo 4 dae entsprechenden Profile eines
nach dem Stand der Technik gehärteten Gelenkringes, Fig. 5 ein Ausführungsbeispiel
einer Härtevorrich tung zum Ausüben des erfindungsgemäßen der fahrens u n d Fig.
6 ein weiteres Ausführungsbeispiel für eine Härtevorrichtung.
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Durch das in Fig. 1 gczeigte Wellengelenk 1 ist eine Welle 2 drehschlüssig
aber gelenkig mit einem Wellenzapfen 1o verbunden. Auf der Welle 2 ist eine Gelenknabe
3 mit Kugellaufbahnen 7 aufgekeilt. Der Wellenzapfen 10 ist über einen Gelenkflansch
12 mit einem Gelenkring 4 verbunden, in dem ebenfalls Kugellaufbahnen 8 eingearbeitet
sind. er Gelenkring 4 steht mit dem Gelenkflansch 12 über eine Reibschweißnaht 11
in Verbindung, die einen sehr geringen Wärmeeintrag in das Werkstück verursacht
und mit hoher Genauigkeit gefertigt werden kann. Um einen Wärmeabfluß von der Reibschweißnaht
in größere Wandungsquerschnitte der zu verschweißenden Werkstückteile möglichst
zu behindern, sind an den Einzelteilen - in Fig. 2 ist der entsprechende Gelenkring
4' als Einzelteil gezeigt - umlaufende axial vorstehende schmale Ansätze 14 vorgesehen.
Die beiden Gelenkhälften stehen drehschlüssig über Gelenkkugeln 5 miteinander in
Verbindung, die in einem Käfig 6 geführt sind. Die offene Seite des Gelenkes ist
durch einen Gummibalg 9 verschlossen, der einerseits an dem Gelenkring 4 und andererseits
an der Welle 2 anliegt und die Aufgabe hat, den Zutritt von Schmutz und Wasser zu
den bewegten Teilen des Gelenkes zu verhindern und die Fettfüllung im Innern des
Gelenkes zu erhalten.
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Wie die Einzeldarstellung des noch unverschweißten Gelenkringes 4'
in Fig. 2 zeigt, sind die Kugellaufbahnen 8 des Gelenkringes abwechselnd nach der
einen bzw. nach der anderen Richtung gegentiber der Axialrichtung des Gelenkringes
verschrRnkt. Entsprechend sind umfangsmäßig benachbarte Kugellaufbahnen der Gelenknabe
ebenfalls abwechselnd nach der einen bzw. nach der andern Richtung zueinander verschränkt.
Die Kugellaufbahnen der Gelenkringe und der Gelenknaben sind gehärtet 2 was in
Fig.
2 durch den enger schraffierten durch eine strichpunktierte Linie begrenzten Bereich
innerhalb des Werkstoffquerschnitts angedeutet ist.
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Zum Härten wird die Ringinnenseite des Gelenkringes 4 bzw. 4' au£
induktive Weise auf llärtetemperatur gebracht und anschließend mit einer Brause
abgeschreckt. Hierbei ist das Vorschuberwärmen möglich, bei dem lediglich ein schmaler
axialer Bereich zum Glühen gebracht wird und der Induktor langsam axial verschoben
wird. Daneben kennt man noch das Flächenerwärmen, bei welchem gleichzeitig die gesamte
Innenfläche des Gelenkringes zum Erglühen gebracht wird. Bei den herkömmlichen licirtemethoden
kommt es aufgrund von thermischen Dehnungen zu einem Eigenspannungszustand, der
eine leichte Balligkeit des Gelenkringes auf der Innenseite herbeiführt. Beim Vorschubhärten
ist dieser Balligkeit noch eine Konizität überlagert.
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Diese Balligkeit ist in Fig. 4 veranschaulicht, die die Höhenaufschriebe
16 der Mantellinien zweier gegenüberliegender Kugellaufbahnen eines in herkömmlicher
Weise gehärteten Gelenkringes zeigt. Die Balligkeit beträgt etwa 30 bis 40 Mm.
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Zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Ilärteverfahrens sei zunächst
kurz auf die in Fig. 5 dargestellte Härtevorrichtung eingegangen. Die Vorrichtung
enthält eine drehende Werkstückaufnahme bzw. -auflage mit einem Auflagering 20 und
einem Zentrierring 21, der in definierter Lage konzentrisch zum Auflagering 2o gehalten
ist und sich mit ihm mitdreht. Der Zentrierring 21 ist sehr massiv mit einer radialen
Wandstärke S,
die wesentlich größer ist als die größte radiale
Wandstärke T des zu härtenden Gelenkringes 13. In axialer Richtung ist der Zentrierring
zumindest in dem den Gelenkring zentrierenden Bereich ebenso lang wie der Gelenkring
selber Der in Fig. 5 dargestellte Gelenkring 13 weist zwischen den Kugellaufbahnen
axial verlaufende Durchgangslöcher zum Verschrauben des Ringes innerhalb des Wellengelenkes
auf. Die definiert bearbeitete Innenseite des Zentrierringes ist mit der ebenfalls
definiert bearbeiteten Außenseite des Gelenkringes 13 mit Schiebesitzqualität zusammengepaßt.
Der Zentrierring ist auf seiner Außenseite durch einen ringförmigen stillstehenden
Brausering 24 gekühlt. Ein Spritzring 25, der auf der Oberseite des Zentrierringes
befestigt ist, hält Spritzwasser von der Einlegeseite des Werkstückes fern. Auf
der Innenseite des Zentrierringes ist eine umlaufende Ausnehmung 26 angeordnet,
die im Bereich beider axialer Endseiten der Zentrierlänge umlaufende Zentrierstege
27 beläßt. Oberhalb der WerkstUckaufnahme ist ein ringförmiger Induktor 22 sowie
ein zylindrischer Brausekopf 23 angeordnet, die gemeinsam konzentrisch in das Innere
des Gelenkringes 13 bzw. des Auflageringes 20 absenkbar sind.
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Zum Härten wird unter langsamer Drehung des Auflage- und des Zentrierringes
sowie des Gelenkringes 13 bei eingeschaltetem Induktorstrom der Induktor langsam
von unten nach oben durch den Gelenkring 13 hindurchbewegt, wobei die Innenseite
zum Glühen gebracht wird. Ansdiießend wird Kühlwasser auf den Brausekopf 23 gegeben
und der erhitzte Gelenkring abgeschreckt.
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Die beim Erhitzen des Gelenkringes darin auftretende Dehnung ist durch
den Zentrierring 21 zumindest in den axialen Endbereichen behindert. Es kommt daher
zu einer peripheren Stauchung des Materials vor allen Dingen in den axialen Endbereichen
des Gelenkringes. ;ach dem Abschrecken haben die peripher gestauchten dehnungsbehinderten
Bereiche einen geringzügig kleineren Durchmesser als die nichtbehinderten Bereiche.
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Diese Korrektur der Makroforin des Ringes überträgt sich entsprechend
auch auf die Form der Kugellaufbahnen bzw. deren Mantellinicn. Das Ergebnis dieses
Bemühens ist in Fig. 3 veranschaulicht, wo wiederum das stark überhöht gezeichnete
Profil 15 der Mantellinien zweier gegenüberliegender Kugellaufbahnen aufgeschrieben
ist. Es ist erkennbar, daß die Aufschriebe im mittleren Bereich des Gelenkringes
geringfügige Einsattelungen im Bereich von wenigen Mikrometern aufweisen. Diese
zylindrische bzw. leicht konkave Form der Mantellinien der Kugellaufbahnen kann
mit dem Zentrierring nach der Erfindung sowohl beim Vorschubhärten als auch beim
Flächenh'irten erziclt werden. Die konkave Form kann durch Reduzierung des Passungsspieles
zwischen dem Zentrierring und dem Gelenkring noch vergrößert werden.
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Die in Fig. 6 dargestellte IIärtevorrichtung ist ausgestaltet zum
härten eines glockenförmigen Gelenkteiles, wie er in dem 1stellengelenl; nach Fig.
1 dargestellt ist, bei dem also der Gelenkring 4 über die Reibschweißnaht li mit
dem Gelenkflansch verbunden und der Ring somit axial einseitig verschlossen ist.
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In Übereinstimmung mit dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 5 weist auch
diese Ilärtevorrichtung einen Zentrierring X auf,
der auf seiner
Außenseite von einem Brausering 24 ständig gekühlt wird. Außerdem ist auf der Oberseite
des Zentrierringes ebenfalls ein Spritzring 25 befestigt. Im Unterschied zum Ausführungsbeispiel
nach Fig. 5 ist der Zentrierring 34 von einem drehenden Aufnahmekopf 30 gehalten,
der seinerseits beim dargestellten Ausführungsbeispiel in die Spannbacken 32 eines
Backenfutters 31 gespannt ist. Am Boden des topfförmigen Aufnahmekopfes ist eine
axialbewegliche Zentrierspitze 33 angeordnet, die in eine entsprechende Zentrierkörnung
am Wellenzapfen 10 des Gelenkteiles beim Einfügen des Werkstückes einrastet. Entgegen
der Kraft der Auswurffeder 37 muß das Werkstück bis in die dargestellte Relativlage
in den Zentrierring bzw. in den Aufnahmekopf hineingedrückt werden, wonach die schwenkbaren
Niederhalter 38 über die Stirnseite des Gelenkringes hinweggeschwenkt werden können.
Auch bei der in Fig. 6 gezeigten IIärtevorrichtung sind ein ringförmiger Induktor
35 und ein zylindrischer Brausekopf 36 zum Abschrecken ins Innere des zu härtenden
ringförmigen Werkstückes absenkbar angeordnet.
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Wegen des beschränkten axialen Bewegungsraumes sind jedoch die beiden
Teile konzentrisch ineinanderliegend angeordnet und jeweils für sich axial beweglich.
Ausgehend von der dargestellten Relativlage des Induktors 35 wird dieser zum Erwärmen
des Werkstückes bei eingeschaltetem Induktorstrom langsam nach oben gezogen, wobei
die Innenseite des Gelenkringes 4 zum Glühen gebracht wird. Anschließend wird der
Induktor hochgezogen und das Werkstück über den nun freiliegenden Brausekopf abgeschreckt.
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Nach beendetem flärtevorgang werden der Induktor und der Brausekopf
gemeinsam nach oben abgezogen, so daß der Aufnahmekopf für einen Werkstückwechsel
frei zugänglich ist.
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Auch heim Ausführungsbespiel der Härtevorrichtung nach Fig.
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ist der ?entrierring mit einer Ausnehmung 26 versehen, so daß aufgrund
der verbleibenden umlaufenden Absttitzstege 27 die nehnungsbehinderung lediglich
auf die axialen Endbereiche des Gelenkringes 4 beschränkt ist.
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Die Besonderheit des Ausführungsbeispieles nach Fig. 6 gegenüber dem
nach Fig. 5 liegt weniger darin begründet, daß der Gelenkring einseitig axial durch
den angeschweißten Gelenkflansch verschlossen ist, als vielmehr darin, daß der Härten
vorgang nach dem Anschweißen des Gelenkflansches 12 an den Gelenkring erfolgt. Die
durch die Reibschweißung und durch die anschließende Wärmenachbehandlung der gestelle
in das Werkstück eingetragenen Wrmeverzüge sind zumindest bei Anordnung der Reibschweißnaht
an schmalen Ansätzen 14 geringer als die Wärmeverzüge durch das 1{.ürten des Gelenkringes
bzw.
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geringer als die Korrekturen, die durch die Dehnungsbehinderung möglich
sind. Das nachtrtigliche Härten nach dem Ilerstellen der Reibschweißung stellt in
fertigungsmäßiger Hinsicht einen gewissen Vorteil dar.