WELLE MIT MITTELS SCHWEISSUNG MIT IHR VERBUNDENEM TEIL Die Erfindung betrifft eine Welle mit auf ihr angebrachtem und befestig- tem mitrotierenden Element, wobei die Welle zumindest in der Region, in der das Element angebracht wird, zylindrisch ist, und das Element eine zylindrische Sitzfläche und zumindest eine quer zur Sitzfläche gelegene Fläche aufweist, und wobei die Schweissting in der zwischen der Sitz- fläche der Welle und der quer zur Sitzfläche gelegenen Fläche des Ele- mentes gebildeten Kehle erfolgt. Mit Region ist die Befestigungsstelle des Elementes und deren Umgebung in zumindest einer Längsrichtung gemeint.

Die Welle kann eine Antriebswelle, Getriebewelle, Kurbelwelle, Nocken- welle oder Ausgleichswelle einer Kolbenmaschine sein, das mitrotierende Element somit ein beliebiger Flansch, ein Rad oder Zahnrad, ein Teil einer Kupplung, eine Nocke oder ein Ausgleichsgewicht. Insbesondere ist an Wellen gedacht, die mit hoher Drehzahl laufen und an die daher hohe Anforderungen hinsichtlich Genauigkeit und Rundlauf gestellt werden.

Solche Wellen bestehen in der Regel aus einem Vergütungsstahl oder einem einsatzgehärteten Stahl, die Elemente oft aus einem Einsatzstahl bzw. einem einsatzgehärteten Stahl und/oder sind Schmiede-Feinguss- oder Sinterteile.

Für den mitrotierenden Teil vorteilhafte und bevorzugte Werkstoffe sind Stähle mit einem Kohlenstoffgehalt unter 0,45 % oder Gusseisen bzw.

Sphäroguss, wobei die Matrix des Grundgefüges mindestens aus 40 % Ferrit, Rest Perlit, Martensit oder Zwischenstufengefüge (Bainit) besteht.

Bei derartigen Paarungen war es bis jetzt ein Glaubensartikel, dass eine direl< : te Schweissverbilldtmg-insbesondere durch Lichtbogenschweissen- vermieden werden muss, von Sonderlösungen unter Einsatz von Reib- schweissen oder Laserschweissen abgesehen. Dafür gibt es zwei Gründe : Erstens führt die Erwärmung der Welle zu deren Verzug, der den Rundlauf beeinträchtigt ; Zweitens entstehen am Anfang und/oder Ende der Schweiß- raupe Risse, die die Dauerfestigkeit herabsetzen bzw. zum baldigen Bruch führen. Das Entstehen der Risse erklärt sich unter anderem damit, dass Aufbau und Zusammenbruch des Lichtbogens nicht mit dem Aufschmelzen der Schweisse synchronisierbar ist.

Es ist somit Aufgabe der Erfindung, derartige Paarungen einer direkten Schweissung, insbesondere Lichtbogenschweissung zugänglich zu machen.

Welle und Element sollen so verschweisst werden, dass eine dauerfeste Verbindung ohne Beeinträchtigung von Genauigkeit, Rundlauf oder Dauerfestigkeit entsteht.

Erfindungsgemäß wird das dadurch erreicht, dass eine Schweissraupe an einem Anfangspunkt der quer zur Sitzfläche gelegenen Fläche beginnt, zur Kehle gefuhrt und dann wieder zu einem Endpunkt auf der quer zur Sitz- fläche gelegenen Fläche geführt ist. Anfangs-und Endpunkt der Schweiß- raupe liegen somit abseits des empfindlicheren Teiles, meistens der Welle.

Auf der quer liegenden Fläche des zumindest in der Zone dieser Fläche

weniger beanspruchten Elementes stört der Anfangs-und/oder Endkrater der Schweissraupe nicht. Deren verbindender Teil liegt dann in der Kehle.

Die Schweissraupe kann, muss aber nicht, dem gesamten Umfang der Welle folgen ; sie kann auf einen Teil oder auf mehrere Teile des Umfangs- kreises beschränkt bleiben. Der günstige Belastungsfall einer in einer solchen Kehle angebrachten Schweissnaht erlaubt eine sehr schlanke und kurze Schweissraupe. Dadurch und durch die besondere Form der Schweissraupe bleibt der Wärmeeintrag gering und die Welle verzieht sich nicht.

Je nach Lage der quer zur Sitzfläche gelegenen Fläche sind verschiedene Formen der Schweissraupe vorteilhaft. Ist die Fläche quer zur Sitzfläche der Welle im Wesentlichen achsnormal, ist in einer ersten Variante die Schweissraupe in einer Rundung zur Kehle geführt, folgt dieser über einen Bogenteil und ist dann wieder mit einer Rundung zum Endpunkt geführt (Anspruch 2). Dadurch ist sichergestellt, dass die Schweissraupe mit konstanter Geschwindigkeit gezogen wird. Würde sie ein Eck machen, wäre an diesem die Verweilzeit des Lichtbogens länger und die lokale Erwärmung des Werkstückes größer. In einer zweiten Variante ist die Schweissraupe geradlinig vom Anfangspunkt zum Endpunkt geführt und tangiert dazwischen die Kehle (Anspruch 3). Diese ist besonders leicht herstellbar, spart Zustellzeit und sichert konstante Schweißgeschwindigkeit. Wegen der Breite der Schweissraupe erfasst diese trotz der Führung auf der Geraden einen Bogen endlicher Länge.

Ist die Fläche quer zur Sitzfläche der Welle im Wesentlichen achsparallel, ist die Schweissraupe vom Anfangspunkt in einer Rundung zur Kehle und wieder zum Endpunkt geführt (Anspruch 4). In einer Variante ist die

Schweissraupe vom Anfangspunkt zum Endpunkt in einem die Kehle tangierenden Bogen geführt (Anspruch 5).

Bei achsparallelen Flächen können diese auch mehrfach und in gleichen Winkelabständen über den Umfang verteilt sein, deren jede mit der Welle eine Schweissraupe aufnehmende Kehle bildet (Anspruch 6).

Die gute Dauerfestigkeit einer so gestalteten Verbindung gestattet es, und das Streben nach möglichst geringer und nur lokaler Erwärmung macht es erstrebenswert, in Weiterbildung der Erfindung, die Höhe der Schweiss- raupe mit nur einem Fünfzehntel (1/15) bis einem Fünfundzwanzigstel (1/25) des Durchmessers der Welle zu bemessen (Anspruch 7). Die Höhe der Schweissraupe ist bei einer Kehlnaht mit dem Radius des sie begren- zenden Viertellüeises definiert.

Zur thermischen und metallurgischen Verbesserung der Schweissnaht ist es, sofeme keine MIG-Schweissung ausgeführt wird, vorteilhaft, die Schweissung (WIG-, Plasma-oder Laserschweissung) unter Schutzgas und mit Zufuhr eines kalten Zusatzdrahtes vorzunehmen (Anspruch 8) und bei gewissen Grundwerkstoffen, die Schweissung mit Zufuhr eines austeni- tischen Zusatzdrahtes (Anspruch 9). Der kalte Zusatzdraht vermindert die Wärmezuführ. Das ist aber nur möglich, wenn der Zusatzdraht nicht, wie beim MIG-Verfaluen, stromführend ist. Der austenitische Zusatzdraht wirkt gefügeverbessemd.

Das WIG-oder das Plasmascllweissen kommt zum Einsatz, wenn bei ungeteiltem Gehäuse das mitrotierende Maschinenelement im Gehäuse mit der bereits eingebauten Welle verbunden werden soll, weil bei diesen Verfahren keine Schweissspritzer entstehen. Besonders vorteilhaft ist dabei

ein gepulster Schweissshom um geringstmögliche Wärmezufuhr bei gutem Einbrand zu erreichen.

In einer besonders vorteilhaften Anwendung der Erfindung auf eine Aus- gleichswelle einer Verbrennungskraftmaschine, wobei das Element ein Ausgleichsgewicht mit exzentrischem Schwerpunkt ist, besteht darin, dass die Schweissung an der dem Schwerpunkt abgewandten Seite der Welle angeordnet ist (Anspruch 10). Auf dieser Seite wird die Passfläche des Elementes durch die Fliehkraft auf die Welle gedrückt, was einen günstigen Spannungszustand ergibt.

Eine fi. mktionell und fertigungstechnisch besonders günstige Konstruktion besteht darin, dass das Ausgleichsgewicht ein exzentrischer Ring mit zwei Stirnflächen und einem Ausschnitt mit zwei inneren Stirnflächen an der dem Schwerpunkt abgewandten Seite der Welle ist, sodass es aus zwei Ringteilen mit einander zugewandten inneren Flächen beiderseits des Ausschnittes und aus einem Segmentteil auf der Seite des exzentrischen Schwerpunktes besteht (Anspruch 11). Bei dieser Gestalt des Ausgleichs- gewichtes wird mit einem Minimum an Gesamtmasse ein Maximum an Exzentrizität des Schwerpunktes erreicht. Dadurch stehen auch für die Verbindung im Extremfall vier quer zur Achse der Welle gelegene und zwei parallel zur Achse gelegene ebene Flächen für die Schweissver- bindung zur Verfügung, zwei der quer gelegenen nur über einen Teil des Umfanges.

Eine vorteilhafte Lösung besteht darin, dass die Schweissraupen nur an den inneren achsnormalen inneren Flächen angeordnet sind (Anspruch 12). Sie beanspruchen dort praktisch keinen Bauraum und befinden sich an einer

Stelle der Welle, an der sie durch die Stützwirkung des sie umgebenden Ausgleichsgewichtes nicht unter Spannung stehen.

Eine besonders schöne Lösung besteht darin, dass die Schweissraupen an den inneren achsparallelen inneren Flächen angeordnet sind (Anspruch 13) und deren zwei einander diametral gegenüberliegen (Anspruch 14). Damit sind eventuelle Wärmeverzüge zentrisch-symmetrisch und heben einander auf.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Abbildungen beschrieben und erläutert. Es stellen dar : Fig. 1 : Einen Längsschnitt durch den Erfindungsgegenstand, Fig. 2 : Einen Querschnitt nach B-B in Fig. 1, Fig. 3 : Einen Querschnitt nach B-B in Fig. 1 in einer Variante, Fig. 4 : Einen Querschnitt durch eine erste andere Ausführungsform der Erfindung analog Fig. 2, Fig. 5 : Einen Querschnitt durch eine zweite andere Ausführungsform der Erfindung analog Fig. 2, Fig. 6 : Eine Draufsicht auf den Gegenstand der Fig. 1 in einer anderen Ausmhrungsform, Fig. 7 : Eine Variante zu Fig. 6.

In Fig. 1 und Fig. 2 ist eine Welle mit 1, deren Drehachse mit 3 und ein auf der Welle 1 befestigtes mitdrehendes Element mit 2 bezeichnet. Die Welle ist hier eine Ausgleichswelle, das mitdrehende Element ein Ausgleichs- gewicht, das auf der zylindrischen Sitzfläche 4 der Welle 1 angebracht ist.

Die Welle 1 ist hier über ihre ganze Länge zylindrisch, könnte aber auch auf eine Seite des Elementes abgesetzt und im Durchmesser vergrössert sein, sodass sie dort eine größere zylindrische Sitzfläche 4'hat.

Das Element 2, hier ein Ausgleichsgewicht, hat zwei äussere Flächen 6 und einen sich nur über einen Teil seines Umfanges erstreckenden Ausschnitt 7, der zwei innere Stirnflächen 8 bildet. Diese Stimflächen liegen im allge- meinen quer zur Achse 3, im speziellen Fall normal zu Ihr. Zwischen den Flächen 6,8 und der zylindrischen Sitzfläche 4 der Welle wird so eine rechtwinkelige Kehle gebildet, die sich der Schweissung anbietet. Die Flächen 6,8 müssen nicht achsnormal sein ; es genügt, dass deren Erzeu- gende mit der Sitzfläche 4 der Welle einen Winkel einschließt, der in der Grös-senordnung eines rechten Winkels ist. In den meisten Fällen sind die Flächen Ebenen.

Das Ausgleichsgewicht 2 besteht aus zwei Ringteilen 9 und einem Seg- mentteil 10 mit azentrischem Schwerpunkt 11. Die beiden Ringteile mit dem dazwischen liegenden Ausschnitt 7 bilden somit einen"Hosenträger", der den Segmentteil 10 im Betrieb gegen die Fliehkraft hält. Das Aus- gleichsgewicht 2 hat eine zylindrische Sitzfläche 12, die beispielsweise mit Schiebesitz auf die zylindrische Sitzfläche 4 der Welle passt.

Die Welle besteht hier aus einem Vergütungsstahl, beispielsweise aus vergütetem 42 CrMo4, gehärtet oder einsatzgehärtet, der unter normalen Umständen nicht gut schweissbar ist. Das Schweissen von Teilen mit gehärtetem Gefüge erfordert in der Regel besondere Maßnahmen, beispielsweise besondere Schweisszusätze. Das Ausgleichsgewicht 2 besteht hier aus geschmiedetem Einsatzstahl, beispielsweise C 15, könnte aber auch aus Stahlguss oder Sphäroguss (z. B. GGG40) bestehen.

Zur Festlegung des Ausgleichsgewichtes 2 auf der Welle 1 wird an den beiden inneren Flächen 8 je eine Schweissraupe 20 gelegt. Diese läuft von

einem Anfangspunkt 21, dem Anfangskrater, über eine Rundung 22 in ei- nem Bogenteil 23, der die eigentliche Schweißnaht darstellt, wieder über eine Rundung 22 zu einem Endpunkt 21', dem Endl-ater. Die Höhe 24 der Schweissraupe 20, hier in der Winkelsymmetralen der verschweissten Flä- chen gemessen, kann klein sein. Sie beträgt beispielsweise bei einem Wel- lendurchmesser von 25 Millimeter 1,3 Millimeter. Durch diese nur dünne Schweissraupe wird dem Werkstück auch nur wenig Wärme zugeführt.

Fig. 3 ist eine Variante der Fig. 2, die sich von dieser nur dadurch unter- scheidet, dass die Schweissraupe 30 zwischen Anfangs-und Endkrater 31, 31'geradlinig verläuft. Die Schweißnaht selbst ist dann nur die Zone 33, in der die Schweissraupe 30 die Welle 1 tangiert.

Fig. 4 zeigt ein weiteres Anwendungsbeispiel. Auf der Welle 1 sitzt eine Nabe 42. Zur deren Verbindung sind zwei einander gegenüberliegende Schweissraupen 40 vorgesehen, deren Verlauf der in der Fig. 2 darge- stellten gleicht. Der Vorteil der symmetrischen Anordnung der Schweiss- raupen hinsichtlich eventuellen Wärmeverzuges liegt auf der Hand.

Fig. 5 zeigt schließlich als Anwendungsbeispiel die Befestigung eines Zahnrades 52 auf einer Welle 1. Hier sind drei geradlinige Schweissraupen 50 vorgesehen, deren Anfangskrater 51 und Endkrater 51'wieder nur auf dem Zahnrad 52 liegen, abseits der Welle 1. Eine erfindungsgemäße Schweissverbindung kann an allen Stirnflächen ausgeführt werden, im vor- liegenden Fall also auch auf der in der Abbildung unsichtbaren Seite des Zahnrades 52. Wenn es einsatzgehärtet ist, sollte es im Bereich der Schweissnaht aufkohlungsfrei sein.

Die Schweissung selbst wird vorzugsweise im WIG oder MIG-Verfahren unter Schutzgas durchgeführt, wobei bei der beispielsweisen Werkstoff- paarung ein austhenitischer Zusatzdraht zugeführt wird. Im Sinne einer Minimierung der Wärmezufuhr sollte der Zusatzdraht kalt, also nicht vorgewärmt, zugeführt werden.

Fig. 6 zeigt eine andere Ausführungsform der Schweissverbindung am Beispiel der Ausgleichswelle der Fig. 1, die hier aber nicht geschnitten, sondern in Ansicht dargestellt ist. Diese andere Ausfuhrungsform kann alternativ oder zusätzlich zu der der Fig. 1 eingesetzt werden.

Der in der Abwicklung rechteckige Ausschnitt 7 ist von den beiden inneren Flächen 8 in achsnormalen Ebenen und zwei weiteren inneren Flächen 60 in achsparallelen Ebenen begrenzt. Auch diese beiden Flächen 60 bilden mit der Sitzfläche der Welle Kehlen, die in dieser Ausführungsform je eine Schweissraupe 61 aufnehmen. Diese verläuft von einem Anfangslçrater 62 in einer Ausrundung 63 zu dem geraden Teil, der die Schweißverbindung herstellt und wieder in einer Ausrundung zum Endlçrater 624. Die beiden Rater 62,62'liegen wieder nur auf den inneren Flächen 60 des Aus- gleichsgewichtes 10. In der Variante der Fig. 7 verläuft die Schweissraupe 71 vom Anfangskrater 72 in einem Bogen, vorzugsweise einem Kreis- bogen, zum Endkrater 72'. Dabei stellt die bogenförmige Schweissraupe 71 über eine Länge 74 die Verbindung zwischen Welle und Ausgleichsgewicht her.

Die beschriebenen Schweisserbindungen haben in Versuchen ausser- gewöhnlich gute Dauerfestigkeitswerte bei ungeminderter Laufpräzision der Wellen erreicht.