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Title:
FLANGE SHAFT FOR A VEHICLE
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2018/024284
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a shaft (1) for a vehicle, comprising a shank (2) and at least one flange (3) integrally formed on the shank (2), wherein the shaft (1) is formed either of two metal halves (1a, 1b), which are connected to one another along a longitudinal axis, or are integrally formed from a fiber-plastic composite. The invention further relates to a method for producing a shaft (1) as described above.

Inventors:
VELEA, Marian-Nicolae (Valea Cetatii Nr. 33, 9 Brasov, 500289, RO)
DINU, Paul-Tudor (Contstantin Lacea no.12, sc.B ap.2, 2 Brasov, 500112, RO)
DIMA, Dumitru-Gabriel (Sadoveanu 1, 0 Rasnov, 505400, RO)
Application Number:
DE2017/100617
Publication Date:
February 08, 2018
Filing Date:
July 25, 2017
Export Citation:
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Assignee:
SCHAEFFLER TECHNOLOGIES AG & CO. KG (Industriestraße 1-3, Herzogenaurach, 91074, DE)
International Classes:
F16C3/02; B21D17/02; B21D19/08; B21D22/02; B21D53/88; B23P15/00
Foreign References:
US1734268A1929-11-05
GB2170575A1986-08-06
DE19544008A11996-06-05
EP0443470A21991-08-28
DE2058016A11971-08-19
DE2058016A11971-08-19
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Claims:
Patentansprüche

1 . Welle (1 ) für ein Fahrzeug, umfassend einen Schaft (2) und mindestens einen an dem Schaft (2) einteilig angeformten Flansch (3), wobei die Welle (1 ) entweder aus zwei metallischen Hälften (1 a, 1 b), die entlang einer Längsachse miteinander verbunden sind, oder einteilig aus einem Faserkunststoffverbund ausgebildet ist.

2. Welle (1 ) nach Anspruch 1 ,

dadurch gekennzeichnet, dass die Welle (1 ) aus einem thermoplastischen Faser- kunststoffverbund hergestellt ist.

3. Welle (1 ) nach Anspruch 1 ,

dadurch gekennzeichnet, dass die Welle (1 ) aus einem Metallblech hergestellt ist. 4. Welle (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, dass die Welle (1 ) als Hohlwelle ausgebildet ist.

5. Welle (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, dass an einem einteiligen Übergang zwischen dem min- destens einen Flansch (3) und dem Schaft (2) Verrippungen (4) zur Erhöhung der Biegesteifigkeit ausgebildet sind.

6. Welle (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 4,

dadurch gekennzeichnet, dass an einem einteiligen Übergang zwischen dem min- destens einen Flansch (3) und dem Schaft (2) Ausnehmungen (5) für Bohrungen (6) vorgesehen sind.

7. Verfahren zur Herstellung einer Welle (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:

- Herstellen eines Wellenrohlings (7) entweder aus zwei metallischen Hälften (1 a, 1 b), die entlang einer Längsachse miteinander verbunden werden, oder einteilig aus einem Faserkunststoffverbund - Einspannen des Wellenrohlings (7) in eine Umformvorrichtung,

- Ausbilden eines Flansches (3) an mindestens einem distalen Ende (8) des Wellenrohlings (7) mittels eines Stempelwerkzeugs (9) und eines Matrizenwerk- zeugs (10), und

- Entnehmen der Welle (1 ) aus der Umformvorrichtung.

8. Verfahren nach Anspruch 7,

dadurch gekennzeichnet, dass das Matrizenwerkzeug (10) radial an einem Schaft (2) des Wellenrohlings (7) angeordnet wird und das Stempelwerkzeug (9) axial in das Matrizenwerkzeug (10) eingeführt wird, um eine Flanschgeometrie (1 1 ) in den Wellenrohling (7) zu formen.

9. Verfahren nach Anspruch 7,

dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Bohrungen (6) in den mindestens einen Flansch (3) ausgebildet werden.

10. Verfahren nach Anspruch 7,

dadurch gekennzeichnet, dass das Ausbilden des Flansches (3) an mindestens ei- nem distalen Ende (8) des Wellenrohlings (7) durch Kaltumformen oder Warmumformen erfolgt.

Description:
Flanschwelle für ein Fahrzeug

Die Erfindung betrifft eine Welle für ein Fahrzeug, umfassend einen Schaft und mindestens einen an dem Schaft einteilig angeformten Flansch. Ferner betrifft die Erfin- dung auch ein Verfahren zur Herstellung der zuvor genannten Welle. Insbesondere ist die Welle in einer Leichtbauweise ausgebildet.

Wellen, die einen Schaft und mindestens einen Flansch aufweisen, werden in der Regel aus einem Flanschbauteil und einem Schaftbauteil hergestellt, die axial miteinan- der verbunden werden. Nachteilig daran ist die Verbindungsstelle zwischen dem Schaft und dem mindestens einen Flansch. Ferner sind auch einteilige Wellen bekannt, die aus einem Schaft und mindestens einem Flansch ausgebildet werden, wobei diese durch Drehen oder Schmieden hergestellt werden. Nachteilig an einer durch Drehen hergestellten Welle ist der hohe Materialabtrag und nachteilig an einer durch Schmieden hergestellten Welle ist der hohe Energieverbrauch.

Des Weiteren geht aus der DE 20 58 016 A1 eine mehrschichtige Welle mit wenigstens einem angeformten Flansch hervor. Sowohl der Wellenabschnitt als auch der Flanschabschnitt sind konzentrisch um eine Achse ausgebildet. Eine erste Anzahl von Lagen ist konzentrisch zueinander angeordnet, wobei die erste Anzahl von Lagen sich über die gesamte Länge des Wellenabschnittes und des Flanschabschnittes erstrecken und miteinander verklebt sind.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Welle für ein Fahrzeug, umfassend einen Schaft und mindestens einen an dem Schaft einteilig angeformten Flansch weiterzuentwickeln, und insbesondere ein automatisiertes Verfahren zur Herstellung dieser Welle zu schaffen.

Die erfindungsgemäße Welle für ein Fahrzeug umfasst einen Schaft und mindestens einen an dem Schaft einteilig angeformten Flansch, wobei die Welle entweder aus zwei metallischen Hälften, die entlang einer Längsachse miteinander verbunden sind, oder einteilig aus einem Faserkunststoffverbund ausgebildet ist. Die Welle ist insbesondere für den Einsatz in einem Fahrzeug vorgesehen. Beispielsweise kann die Welle als Zentralwelle zur Anbinden an einem Getriebe oder eine Differential vorgesehen sein. Ferner kann die Welle auch in einem Radantrieb oder einer Lenkanordnung des Fahrzeugs verwendet werden.

Mit anderen Worten kann die Welle bzw. Flanschwelle entweder aus einem metallischen Werkstoff oder einem Faserkunststoffverbund ausgebildet sein. Maßgeblich ist die einteilige Ausbildung des mindestens einen Flansches mit dem Schaft. Sofern die Welle aus einem metallischen Werkstoff, insbesondere aus einem Stahlwerkstoff oder aus einem Leichtmetall hergestellt ist, werden zwei Hälften zusammengefügt. Die beiden Hälften sind identisch ausgebildet und weisen jeweils mindestens einen Flansch auf, der einteilig mit dem Schaft ausgebildet ist. Die beiden Hälften können stoffschlüssig gefügt, insbesondere geschweißt oder geklebt werden. Charakteristisch für die Welle, die aus den beiden metallischen Hälften gebildet wird, sind zwei Längsnäh- te, die sich über die gesamte axiale Länge der Welle erstrecken. Sofern die Welle aus dem Faserkunststoffverbund ausgebildet ist, ist die Welle einteilig ausgebildet. Bevorzugt ist die Welle als Hohlwelle ausgebildet.

Die erfindungsgemäße integrale Konstruktion der Flanschwelle ermöglicht eine höhere Produktivität und gleichzeitig eine Kostensenkung bei der Herstellung. Die

Flanschwelle ist eigenverstärkt und weist bei Belastung eine hohe Steifigkeit und geringe Spannungen auf. Die Flanschwelle ist in Leichtbauweise ausgebildet.

Vorzugsweise ist die Welle aus einem thermoplastischen Faserkunststoffverbund her- gestellt. Insbesondere ist die Welle aus einem mit Harz vorimprägnierten Faden, einem sogenannten Prepreg hergestellt. Vorteilhafterweise ist die Welle aus einem Band hergestellt, das eine Vielzahl von vorimprägnierten Fäden aufweist. Insbesondere ist die Welle aus einem carbonfaserverstärkten Kunststoff ausgeformt. Alternativ kann die Welle auch aus einem glasfaserverstärkten Kunststoff oder aus einem ara- midfaserverstärkten Kunststoff oder aus einem anderen geeigneten Faserkunststoffverbund ausgeformt sein. Die Fasern sind vorzugsweise als Langfasern ausgebildet. Insbesondere umfasst der Faserkunststoffverbund einen thermoplastischen Kunststoff. Ferner ist es auch denkbar, dass die Welle aus einem Metallblech hergestellt ist. Insbesondere eigenen sich sowohl Stahlbleche geringer Festigkeit als auch Stahlbleche höherer Festigkeit. Vorteilhafterweise ist das Metallblech aus einem Leichtmetall ausgebildet.

Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind an einem einteiligen Übergang zwischen dem mindestens einen Flansch und dem Schaft Verrippungen zur Erhöhung der Biegesteifigkeit ausgebildet. Mithin erstrecken sich in radialer Richtung mehrere Rippen, die als jeweiliges Stütz- und Verbindungsglied zwischen dem Flansch und dem Schaft dienen. Vorzugsweise sind die Rippen gleichmäßig am Umfang verteilt. Insbesondere sind sechs Rippen vorgesehen, jedoch können auch mehrere oder weniger Rippen vorgesehen werden. Zwischen zwei Rippen ist bevorzugt eine Bohrung am Flansch vorgesehen. Gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel sind an einem einteiligen Übergang zwischen dem mindestens einen Flansch und dem Schaft Ausnehmungen für Bohrungen vorgesehen. Mit anderen Worten weist der Flansch eine Verstärkungsstruktur auf, die insbesondere für eine erhöhte Drehmomentbelastung vorgesehen ist, wobei zur vereinfachten Durchführung und Befestigung von Schrauben in dafür vor- gesehene Bohrungen am Flansch Ausnehmungen in der Verstärkungsstruktur am Flansch vorgesehen sind. Somit ist tangential zwischen zwei Ausnehmungen ein Stegbereich ausgebildet.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemäßen Welle um- fasst insbesondere die nachfolgenden Verfahrensschritte. Zunächst erfolgt das Herstellen eines Wellenrohlings entweder aus zwei metallischen Hälften, die entlang einer Längsachse miteinander verbunden werden, oder einteilig aus einem Faserkunststoffverbund. Insbesondere wird ein Band aus einem Faserkunststoffverbund, vorzugsweise um einen Kern gewickelt, wodurch der Wellenrohling ausgebildet wird. Danach wird der Wellenrohling in eine Umformvorrichtung eingespannt. Gemäß einem dritten Verfahrensschritt erfolgt das Ausbilden eines Flansches an mindestens einem distalen Ende des Wellenrohlings mittels eines Stempelwerkzeugs und eines Matrizenwerkzeugs. Insbesondere ist das Matrizenwerkzeug zweiteilig ausgebildet. Vorzugsweise wird das Matrizenwerkzeug radial an einem Schaft des Wellenrohlings angeordnet und das Stempelwerkzeug wird axial in das Matrizenwerkzeug eingeführt, um eine Flanschgeometrie in den Wellenrohling zu formen. Mit anderen Worten dringt das Stempelwerkzeug in den Flansch axial ein, wobei der Flansch gegen das Matrizenwerkzeug gepresst wird und dadurch zwischen dem Stempelwerkzeug und dem Mat- rizenwerkzeug die Flanschgeometrie in den Wellenrohling ausbildet wird. Vorteilhafterweise werden die zuvor genannten Verfahrensschritte zur Ausbildung der Flanschgeometrie in den Wellenrohling an beiden distalen Enden des Wellenrohlings durchgeführt. Abschließend wird die Welle aus der Umformvorrichtung entnommen. Bevorzugt werden, insbesondere nach der Entnahme der Welle aus der Umformvorrichtung mehrere Bohrungen in den mindestens einen Flansch ausgebildet. Die Bohrungen erstrecken sich dabei axial durch den mindestens einen Flansch.

Die Erfindung schließt die technische Lehre ein, dass das Ausbilden des Flansches an mindestens einem distalen Ende des Wellenrohlings durch Kaltumformen oder Warmumformen erfolgt. Je nach verwendetem Material, insbesondere Werkstoff und Materialdicke, wird die Welle warm oder kalt umgeformt. Kaltumformung eignet sich insbesondere bei weichen Metallblechen, wobei höherfeste Metallbleche sowie Faserkunststoffverbundmaterial warm umgeformt werden.

Weitere die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung zwei bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche Bauteile beziehen. Hierbei zeigt

Figur 1 eine schematische Perspektivdarstellung zur Veranschaulichung des

Aufbaus einer erfindungsgemäßen Welle nach einem ersten Ausführungsbeispiel,

Figur 2 eine schematische Perspektivdarstellung zur Veranschaulichung des

Aufbaus einer erfindungsgemäßen Welle nach einem zweiten Ausführungsbeispiel, Figur 3a eine schematische Perspektivdarstellung zur Veranschaulichung des Aufbaus eines Wellenrohlings zur Herstellung der erfindungsgemäßen Welle,

Figur 3b eine schematische Perspektivdarstellung zur Veranschaulichung des

Aufbaus eines Wellenrohlings zur Herstellung der erfindungsgemäßen Welle, und

Figuren 3c-3g eine jeweilige schematische Perspektivdarstellung zur Veranschauli- chung eines jeweiligen Verfahrensschrittes zur Herstellung der erfindungsgemäßen Welle nach Figur 1 .

Nach den Figuren 1 und 2 umfasst eine erfindungsgemäße Welle 1 für ein - hier nicht dargestelltes - Fahrzeug einen Schaft 2 und zwei an dem Schaft 2 einteilig angeform- te Flansche 3. Die Welle 1 ist als Hohlwelle ausgebildet.

Gemäß Figur 1 ist an einem einteiligen Übergang zwischen dem jeweiligen Flansch 3 und dem Schaft 2 eine jeweilige Verrippungen 4 zur Erhöhung der Biegesteifigkeit der Welle 1 ausgebildet. Ferner sind am jeweiligen Flansch 3 mehrere Bohrungen 6 aus- gebildet.

In Figur 2 sind an einem einteiligen Übergang zwischen dem jeweiligen Flansch 3 und dem Schaft 2 Ausnehmungen 5 für Bohrungen 6 vorgesehen. Mithin weist der jeweilige Flansch 3 eine Verstärkungsstruktur auf, die insbesondere für eine erhöhte Dreh- momentbelastung der Welle 1 vorgesehen ist. Am jeweiligen Flansch 3 sind die Ausnehmungen 5 in der Verstärkungsstruktur zur vereinfachten Durchführung und Befestigung von - hier nicht dargestellten - Schrauben in dafür vorgesehene Bohrungen 6 vorgesehen. Somit ist tangential zwischen zwei Ausnehmungen 5 ein Stegbereich 12 ausgebildet.

Die Figuren 3a und 3b zeigen einen jeweiligen Wellenrohling 7, aus dem nach Durchführung mehrere erfindungsgemäßer Verfahrensschritte eine erfindungsgemäße Welle 1 gemäß den Figuren 1 oder 2 herstellbar ist. Gemäß Figur 3a weist der Wellenrohling 7 einen Schaft 2 und zwei an dem Schaft 2 einteilig angeformte Flansche 3 auf. Der Wellenrohling 7 ist aus zwei metallischen Hälften 1 a, 1 b ausgebildet, die entlang einer Längsachse miteinander verbunden sind. Mithin weist der Wellenrohling 7 zwei Längsnähte 13 auf.

Nach Figur 3b weist der Wellenrohling 7 einen Schaft 2 und zwei an dem Schaft 2 einteilig angeformte Flansche 3 auf. Der Wellenrohling 7 ist einteilig aus einem Faserkunststoffverbund ausgebildet. Dabei ist ein Prepreg-Band 14, umfassend in einer thermoplastischen Matrix eingebettete Carbonfasern, zur Ausbildung des Wellenroh- lings 7 in einem spitzen Winkel um die Längsachse des Wellenrohlings 7 gewickelt.

Die Figuren 3c, 3d, 3e, 3f und 3g zeigen eine Abfolge von Verfahrensschritten zur Herstellung der Welle 1 nach Figur 3a aus einem Wellenrohling 7. Gemäß Figur 3c erfolgt das Einspannen des Wellenrohlings 7 in eine - hier nur teilweise dargestellte - Umformvorrichtung. Die Umformvorrichtung umfasst ein Stempelwerkzeugs 9 und ein Matrizenwerkzeug 10. Das Stempelwerkzeug 9 ist einteilig ausgebildet wobei das Matrizenwerkzeug 10 zweiteilig ausgebildet ist. Das Matrizenwerkzeug 10 wird radial am Schaft 2 des Wellenrohlings 7 angeordnet. Dazu werden die beiden Hälften des Matrizenwerkzeugs 10 aufeinander zugeführt, sodass der Schaft 2 vom Matrizenwerkzeug 10 umschlossen wird.

Nach Figur 3d wird das Stempelwerkzeug 9 axial in das Matrizenwerkzeug 10 eingeführt, um eine am Stempelwerkzeug 9 und am Matrizenwerkzeug 10 ausgebildete Flanschgeometrie 1 1 in den Wellenrohling 7 zu formen. Der Wellenrohling 7, insbesondere der Flansch 3 an einem distalen Ende 8 des Wellenrohlings 7 ist im Wesentlichen axial zwischen dem Stempelwerkzeug 9 und dem Matrizenwerkzeug 10 angeordnet und bekommt die Flanschgeometrie 1 1 des Stempelwerkzeugs 9 und des Matrizenwerkzeugs 10 aufgeprägt. Die Flanschgeometrie 1 1 des Matrizenwerkzeugs 10 ist in Figur 3g dargestellt.

In Figur 3e ist das Stempelwerkzeug 9 während der Einformung des Flansches 3 im Matrizenwerkzeug 10 dargestellt. Mithin erfolgt in diesem Verfahrensschritt eine Profilierung des Wellenrohlings 7. Die Figuren 3f und 3g zeigen den profilierten Flansch 3 aus zwei Perspektiven. Das Stempelwerkzeug 9 wurde aus dem Matrizenwerkzeug 10 entfernt. Zur Profilierung des zweiten Flansches 3 wird das Matrizenwerkzeug 10 geöffnet, der Wellenrohling 7 gedreht und die zuvor genannten Verfahrensschritte gemäß den Figuren 3c bis 3g an dem noch nicht umgeformten distalen Ende 8 des Wellenrohlings 7 wiederholt. Abschließend wird die fertiggestellte Welle 1 aus der Umformvorrichtung entnommen.

Bezugszeichenliste

Welle

metallische Hälfte

Schaft

Flansch

Verrippungen

Ausnehmungen

Bohrungen

Wellenrohling

distales Ende

Stempelwerkzeug

Matrizenwerkzeug

Flanschgeometrie

Stegbereich

Längsnaht

Prepreg-Band