Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Welle mit zumindest einer Längsbohrung und zumindest einer zwischen der Mantelfläche der Welle und der zumindest einen Längsbohrung angeordneten Querbohrung, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Aus der WO 01/90605 A1 der Anmelderin ist ein Automatgetriebe für Kraftfahrzeuge bekannt, umfassend ein Getriebe, mit einer Eingangswelle und einer Ausgangswelle und mindestens einer drehmomentführenden Welle, welche mit einer axialen Zentralbohrung und mit mehreren radialen Querbohrungen versehen ist. Hierbei sind die Querbohrungen als zylindrische Bohrungen mit einem Übergangsradius an der Mündung ausgeführt, der durch einen konischen Übergangsbereich an den zylindrischen Bohrungsteil angeschlossen ist.

Aus der DE 10 2006018793 A1 der Anmelderin ist eine ölführende Welle bekannt, durch die die Schmierung von Bauteilen eines Getriebes erfolgt, welche zumindest eine Längsbohrung und zumindest eine mit jeweils einer Längsbohrung strömungstechnisch verbundene ölzulaufbohrung umfasst, wobei die ölzulaufbohrung mit einem Anstellwinkel beta ausgerichtet ist.

Des weiteren sind Ausgestaltungen bekannt, bei denen der Übergangsbereich des zylindrischen Bohrungsteils einer Querbohrung einer Welle als Ansenkung in Form eines Kugelkonus oder mit konvexer bzw. konkaver Spline- form ausgeführt ist.

Bei den aus dem Stand der Technik bekannten Konstruktionen wird die Welle durch die Kerbwirkung der Querbohrung hinsichtlich der Torsionssteifig- keit signifikant geschwächt. Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Welle mit zumindest einer Längsbohrung und zumindest einer zwischen der Mantelfläche der Welle und einer Längsbohrung angeordneten Querbohrung anzugeben, bei der die Kerbwirkung der Querbohrung unabhängig von den geometrischen Eigenschaften des Bauteils ist, wobei die Kerbwirkung aus der Störgeometrie und aus den Torsionsanteilen möglichst minimiert werden soll.

Des weiteren sollen die verursachten Spannungen an den die Querbohrungen aufweisenden gemäß der Erfindung ausgeführten Wellen im Vergleich zu den Wellen nach dem Stand der Technik signifikant reduziert werden.

Weitere Ziele der Erfindung sind, ein Verfahren zur Herstellung einer gemäß der Erfindung ausgeführten Welle sowie eine Verwendung der Welle anzugeben.

Diese Aufgabe wird durch eine Welle mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Weitere erfindungsgemäße Ausgestaltungen und Vorteile gehen aus den Unteransprüchen hervor. Ein Verfahren zur Herstellung einer gemäß der Erfindung ausgeführten Welle ist Gegenstand des Patentanspruchs 12, wobei Patentanspruch 13 mögliche Verwendungen einer erfindungsgemäß ausgeführten Welle zum Gegenstand hat.

Demnach wird eine Welle vorgeschlagen, mit zumindest einer Längsbohrung und zumindest einer Querbohrung, welche zwischen der Mantelfläche der Wetle und der zumindest einen Längsbohrung angeordnet ist, wobei die Querbohrung einen inneren, im Wesentlichen zylindrischen Bereich und einen äußeren Übergangsbereich aufweist. Hierbei weist der Übergangsbereich im Wesentlichen die Form eines Pyramidenstumpfes mit einer im Wesentlichen rautenförmigen Grundfläche auf; die Grundfläche ist im Bereich der Mantelfläche der Welle angeordnet. Die Querbohrung kann sowohl senkrecht als auch geneigt zur Längsbohrung angeordnet sein, wobei die Querbohrung im wesentli- chen zur Schmierung und/oder Steuerung von radial außerhalb der Welle angeordneten Komponenten, beispielsweise in einem Kraftfahrzeuggetriebe, vorgesehen ist.

Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die längere der beiden Diagonalen der rautenförmigen Grundfläche im Wesentlichen parallel zur Rotationsachse der Welle, wobei die kürzere der beiden Diagonalen im Wesentlichen senkrecht zur Rotationsachse der Welle verläuft. Vorzugsweise nimmt das Längenverhältnis der parallel zur Rotationsachse der Welle verlaufenden Diagonale zur senkrecht zur Rotationsachse verlaufenden Diagonale einen konstanten Wert zwischen 1,2 und 1,4 an; im Rahmen einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung beträgt die Konstante 1 ,272727; wenn das Längenverhältnis der Diagonalen im Bereich zwischen 1,2 und 1,4 liegt und insbesondere den Wert 1 ,272727 annimmt , ergibt sich eine optimale Reduzierung der durch die Bohrungen verursachten Spannungen.

Erfindungsgemäß kann vorgesehen sein, dass die Verbindungslinien, d.h. die Kanten zwischen den Spitzen der Grundfläche des Pyramidenstumpfs keine Geraden sind, sondern eine konvexe Krümmung aufweisen. Vorzugsweise wird die Krümmung der Kanten durch einen so genannten „Conic Parameter" beschrieben, der erfindungsgemäß eine Funktion des radialen Abstandes der Kanten zur Rotationsachse der Welle ist, wobei die Krümmung mit abnehmenden Abstand vorzugsweise geringer wird. Bevorzugterweise weisen jeweils zwei gegenüberliegende Kanten den selben „Conic Parameter" auf, wobei ein „Conic Parameter" mit dem Wert Null einer Geraden entspricht; mit zunehmenden „Conic Parameter" nimmt die Konvexität einer Kante zu.

Zudem wird vorgeschlagen, dass der Neigungswinkel der Mantelfläche des Pyramidenstumpfes bezüglich der Längsachse der Querbohrung vom Durchmesser des zylindrischen Teiles der Querbohrung abhängig ist, wobei der Neigungswinkel mit zunehmendem Durchmesser kleinere Werte annimmt. Erfindungsgemäß ist der Neigungswinkel unabhängig vom Durchmesser der Welle.

Gemäß der Erfindung wird zur Auslegung des Pyramidenstumpfes eine virtuelle Idealebene parallel zur Grundfläche des Pyramidenstumpfes definiert, wobei die Lage der Idealebene durch die Schnittpunkte der Mantelflächen mit unterschiedlichen Neigungswinkeln definiert wird. Gemäß der Erfindung liegt der radiale Abstand dieser virtuellen Ebene von der Rotationsachse der Welle vorzugsweise in der Größenordnung von 11 ,8 mm.

Die zumindest eine Längsbohrung einer gemäß der Erfindung ausgeführten Welle kann der Führung von öl, Schmierstoff Luft etc. dienen; hierbei kann die Welle auch als Hohlwelle ausgeführt sein. Die zumindest eine Querbohrung kann als ein Teil einer Durchgangsbohrung bestehend aus zwei Querbohrungen oder als Sackbohrung ausgeführt und rechtwinklig oder schräg zur Längsbohrung angeordnet sein.

Gemäß der Erfindung ausgeführte Wellen können vorzugsweise in einem Kraftfahrzeuggetriebe, in einer Verbrennungsmaschine oder in einer anderen Baugruppe in einem Land-, Luft-, Wasserfahrzeug oder einer sonstigen technischen Anlage oder Gerät eingesetzt werden, wobei sie aus Metali, beispielsweise aus Stahl oder Aluminium, oder aus Kunststoff hergestellt werden können.

Durch die erfindungsgemäße Konzeption werden die Kerbspannungen an den Querbohrungen einer Welle reduziert, wodurch die Wellen einerseits bei gleichen Abmessungen in vorteilhafter Weise mit höheren Momenten beaufschlagt werden können. Andererseits können erfindungsgemäß ausgeführte Wellen bei gleicher Belastung dünner gebaut werden, wodurch die Lebensdauer der Getriebe bei gleichen oder geringeren Abmessungen erhöht wird. Des weiteren ermöglicht die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Wellen Einsparungen im Bereich der Wärmebehandlung; ferner werden bei geschachtelten Weilen Freigangsprobleme minimiert und es wird eine kompakte Bauweise bei Wellen mit zwei dicht nebeneinander liegenden Querbohrungen ermöglicht.

Die erfindungsgemäße Ausgestaltung einer Welle ist für alle Fertigungsverfahren geeignet; vorzugsweise kann sie mittels einer spanenden Bearbeitung oder durch Urformen hergestellt werden.

Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung besteht darin, dass die Wellen kompakter, d.h. mit geringerem Durchmesser gebaut werden können, was darin resultiert, dass mehr Bauraum für Verzahnungen, Lamellen und weitere Bauteile des Getriebes zur Verfügung steht.

Die die erfindungsgemäß ausgestalteten Querbohrungen aufweisenden Wellen eignen sich auch für kombinierte Belastungen durch Torsion und Biegung; zudem sind die Wellen auch für wechselseitige Belastungen ohne eine Vorkonditionierung auf eine Belastungsrichtung geeignet.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der beigefügten Figuren beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:

Figur 1 : Schematische perspektivische Ansichten eines erfindungsgemäßen Übergangsbereiches einer Querbohrung einer Welle;

Figur 2: Eine schematische perspektivische Ansicht einer

Längsbohrung in einer Welle umfassend zwei Querbohrungen mit erfindungsgemäß ausgeführten Übergangsbereichen; Figur 3: Eine schematische zweidimensionale Draufsicht auf einen Wellenabschnitt mit einem erfindungsgemäß ausgeführten Übergangsbereich einer Querbohrung der Welle;

Figur 4: Eine schematische Schnittansicht einer Längsbohrung einer Welle umfassend zwei Querbohrungen mit erfindungsgemäß ausgeführten Übergangsbereichen und der virtuellen Idealebene;

Figur 5: Eine schematische perspektivische Ansicht eines Weilenabschnitts umfassend eine Querbohrung mit einem erfindungsgemäß ausgeführten Übergangsbereich;

Figur 6: Eine schematische perspektivische Ansicht eines Wellenabschnitts umfassend zwei benachbarte Querbohrungen mit erfindungsgemäß ausgeführten Übergangsbereichen;

Figur 7: Eine schematische perspektivische Ansicht eines Werkzeugs für einen ersten Schritt zur Herstellung eines gemäß der Erfindung ausgeführten Übergangsbereiches einer Querbohrung;

Figur δ: Eine schematische Schnittansicht einer Welle umfassend eine Längs- und eine Querbohrung mit einem erfindungsgemäß ausgeführten Übergangsbereich zur Veranschaulichung der Berechnung der Länge der zylindrischen Querbohrung der Welle; Figur 9: Eine schematische Schnittansicht eines Wellenabschnitts umfassend eine Längsbohrung und eine Durchgangsbohrung bestehend aus zwei gemäß der Erfindung ausgeführten Querbohrungen;

Figur 10: Eine schematische Schnittansicht eines Weilenabschnitts umfassend eine erste Längsbohrung mit einer Durchgangsbohrung, bestehend aus zwei gemäß der Erfindung ausgeführten Querbohrungen und zwei weitere Längsbohrungen mit jeweils einer als Sackbohrung ausgeführten Querbohrung; und

Figur 11 : Eine schematische Schnittansicht eines Wellenabschnitts einer als Hohlwelle ausgeführten Welle umfassend eine Durchgangsbohrung und zwei Sackbohrungen.

Gemäß der Erfindung und bezugnehmend auf Figuren 1 und 2 weist der Übergangsbereich 18 einer Querbohrung einer Welle im Wesentlichen die Form eines Pyramidenstumpfes 1 mit einer im Wesentlichen rautenförmigen Grundfläche 2 auf; die Grundfläche 2 ist hierbei im Bereich der Mantelfläche der Welle angeordnet. In Figur 2 sind die eine Durchgangsbohrung bildenden Querbohrungen mit den Bezugszeichen 15 bzw. 16 versehen.

Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung, die Gegenstand der Figur 2 ist, ist die längere der beiden Diagonalen der rautenförmigen Grundfläche 2 des Pyramidenstumpfes 1 , nämlich die Diagonale 6 im Wesentlichen parallel zur Rotationsachse 22 der Welle, deren Längsbohrung 3 gezeigt ist; die kürzere der beiden Diagonalen, nämlich die Diagonale 7 verläuft im Wesentlichen senkrecht zur Rotationsachse 22 der Welle. Gemäß der Erfindung weist das Verhältnis der Länge 4 der parallel zur Rotationsachse verlaufenden Diagonale 6 zur Länge 5 der senkrecht zur Rotationsachse verlaufenden Diagonale 7 einen konstanten Wert im Bereich zwischen 1 ,2 und 1 ,4 auf.

Wie zudem aus Figur 2 ersichtlich, sind die Kanten 8, 9, 10, 11 zwischen den Spitzen der Grundfläche 2 des Pyramidenstumpfes 1 nicht als Geraden ausgeführt, sondern weisen eine konvexe Krümmung auf, was auch anhand der unterschiedlichen Radien 12, 13 erkennbar ist.

Die Krümmung bzw. Schmiegung der Kanten 8, 9, 10, 11 wird durch einen so genannten „Conic Parameter" beschrieben, wobei für den Fall einzeln angeordneter Querbohrungen jeweils zwei gegenüberliegende Kanten den selben „Conic Parameter" aufweisen.

Der „Conic Parameter" einer Kante und somit der gegenüberliegenden Kante ist gemäß der Erfindung eine Funktion des radialen Abstandes zur Rotationsachse 22 der Welle 23, wie anhand Figur 3 veranschaulicht, welche eine schematische zweidimensionale Darstellung eines Abschnitts einer Welle 23 mit einem erfindungsgemäß ausgeführten Übergangsbereich 18 einer Querbohrung darstellt.

Wie aus Figur 3 ersichtlich, weisen z.B. die Kanten 8, 9, 10, 11 der Grundfläche 2 im Bereich der Mantelfläche der Welle 23 einen größeren Conic Parameter auf, als die Kanten 8\9', 10', 11' in einem geringeren radialen Abstand zur Rotationsachse 22 der Welle 23 auf. Die Kanten 8', 11' sind auch in Figur 2 gezeigt. Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind die mit Kreisen markierten Ecken zwischen zwei Kanten gerundet ausgeführt, wobei der entsprechende „Conic - Parameter" vorzugsweise im Intervall 0,7 - 0,9 liegt. Die Ecken können auch derart gerundet ausgeführt sein, so dass die an sich rautenförmige Grundfläche ein im wesentlichen ellipsenähnliches Aussehen erhält.

Gegenstand der Figur 4 ist eine schematische nicht maßstäbliche Schnittansicht durch eine nicht gezeigte Welle mit zwei eine Durchgangsbohrung bildenden Querbohrungen 15, 16 mit erfindungsgemäß ausgeführten Übergangsbereichen 18 zur Veranschaulichung der virtuellen Idealebene und der Abhängigkeit des Neigungswinkels α der Mantelfläche 20 des Pyramiden- stumpfes 1 bezüglich der Mittel- bzw. Rotationsachse 14 der Querbohrung vom Durchmesser d _bq des zylindrischen Teiles der Querbohrung. Bei dem gezeigten Beispiel nimmt der Winkel α mit zunehmendem Durchmesser d&, des zylindrischen Teiles der Querbohrung kleinere Werte an. Beispielsweise beträgt der Winkel α ₃ für einen Bohrungsdurchmesser von 4mm 24°, der Winkel α ₂ für einen Bohrungsdurchmesser von 5mm 22° und der Winkel Ot ₁ für einen Bohrungsdurchmesser von 6mm 20°.

Als virtuelle Idealebene 17 ist die Ebene definiert, in der sich die Mantelflächen der erfindungsgemäßen Übergangsbereiche für Querbohrungen unterschiedlichen Durchmessers schneiden, wobei der radiale Abstand dieser Ebene 17 von der Rotationsachse 22 der Welle immer 11 ,8 mm beträgt. Hierbei liegt die Länge der parallel zur Längsachse verlaufenden Diagonale der Grundfläche 2 des Pyramidenstumpfes extrapoliert auf die Idealebene 17 in der Größenordnung von 14 mm; die Länge der senkrecht zur Längsachse verlaufenden Diagonale liegt extrapoliert auf die Idealebene 17 in der Größenordnung von 11,8 mm.

In Figur 4 sind drei Mantelflächen 20, 20' und 20" gezeigt, die sich in der Idealebene 17 schneiden. In Abhängigkeit des Durchmessers der Welle können die Dimensionen des Übergangsbereiches auf einfache Weise verändert werden, indem der Bereich der Mantelfläche entsprechend dem jeweiligen Winke! α skaliert d.h. vergrößert bzw. verkleinert wird. In Figur 5 ist ein gemäß der Erfindung ausgeführter Übergangsbereich 18 einer Querbohrung 15 einer Welle 23 dargestellt; in Figur 6 ist ein Abschnitt einer Welle 23 dargestellt, welche zwei unmittelbar benachbarte Querbohrungen 15, 16 aulweist. Gemäß der Erfindung weisen die Querbohrungen 15, 16 jeweils einen eigenen Übergangsbereich 18, 18' auf; die beiden Übergangbereiche sind zueinander beabstandet.

Ferner sind die beiden gegenüberliegenden Ecken der beiden Übergangsbereiche 18, 18' derart abgerundet, dass die Gesamtkontur beider Übergangsbereiche bezüglich des Verlaufs der Kraftflusslinien im Wesentlichen der Kontur eines rautenförmigen Übergangsbereiches entspricht.

Gegenüber der Ausgestaltung zweier benachbarter Querbohrungen nach dem Stand der Technik kann in vorteilhafter Weise der Abstand zwischen den Bohrungen bei einer erhöhten Spannungsreduzierung um mindestens 30% verringert werden.

Ein erfindungsgemäßer Übergangsbereich kann beispielsweise dadurch hergestellt werden, dass in einem ersten Verfahrensschritt mittels eines Werkzeuges 19 in der Welle 23 eine rotationssymmetrische Grundkontur der Querbohrung vorgebohrt wird, wodurch der größte Materialteil entfernt wird (Figur 7). Zur Reduzierung der Werkzeugkomplexität kann die Mantelfläche 20 des Pyramidenstumpfs 1 linear ausgeformt sein.

In einem zweiten Verfahrensschritt kann anschließend ein Fräswerkzeug, vorzugsweise ein Kugelfräser, verwendet werden, um die im Wesentlichen rautenförmige Endkontur herzustellen bzw. um den Rand zu glätten. Hierbei kann der Kugelfräser im Rahmen einer Bahnsteuerung spiralförmig in Richtung auf die Rotationsachse der Welle gesteuert werden, wobei der Spiralvorschub auf Rauhigkeit abgestimmt werden kann. Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung, die Gegenstand der Figur 8 ist ist die Länge der zylindrischen Querbohrung d _b ι durch folgende Formel gegeben:

mit:

Di _E = Abstand der Rotationsachse der Welle 23 zur Idealebene 17; d _W i= Durchmesser der Längsbohrung der Welle 23; d _bq - Durchmesser des zylindrischen Teils der Querbohrung;

CC _b = Winkel zwischen der Mantelfläche 20 des Pyramidenstumpfs 1 und der Längsachse 14 der Querbohrung;

P _L = Länge der parallel zur Längsachse verlaufenden Diagonale der

Grundfläche des Pyramidenstumpfs extrapoliert auf die Idealebene 17.

In Figur 9 ist eine beispielhafte Ausführung einer Welle 23 dargestellt. Hierbei umfasst der gezeigte Wellenabschnitt eine Längsbohrung 3 und eine Durchgangsbohrung bestehend aus zwei gemäß der Erfindung ausgeführten Querbohrungen 15, 16. Bei dem in Figur 10 gezeigten Wellenabschnitt umfasst die Welle 23 eine erste Längsbohrung 3 mit einer Durchgangsbohrung, bestehend aus zwei gemäß der Erfindung ausgeführten Querbohrungen 15, 16 und zwei wettere Längsbohrungen 3', 3" mit jeweils einer als Sackbohrung ausgeführten Querbohrung 15', 16'.

Gegenstand der Figur 11 ist ein Wellenabschnitt einer als Hohlwelle ausgeführten Welle 23 umfassend eine durch zwei Querbohrungen 15, 16 gebildete Durchgangsbohrung und zwei Sackbohrungen 15', 16'. Bezugszeichen

1 Pyramidenstumpf

2 Grundfläche

3, 3 ¹ , 3" Längsbohrung

4 Länge der parallel zur Längsachse verlaufenden Diagonale

5 Länge der senkrecht zur Längsachse verlaufenden Diagonale

6 parallel zur Längsachse verlaufende Diagonale

7 senkrecht zur Längsachse verlaufende Diagonale

8, 8' Kante

9, 9' Kante

10, 10' Kante

11, 11' Kante

12 Radius

13 Radius

14 Mittelachse der Querbohrung

15, 15' Querbohrung

16, 16' Querbohrung

17 Idealebene

18, 18' Übergangsbereich einer Querbohrung

19 Werkzeug

20, 20', 20" Mantelfläche

22 Rotationsachse der Welle

23 Weile dbi Länge der zylindrischen Querbohrung

DIE Abstand der Rotationsachse der Welle zur Idealebene d _w ι Durchmesser der Längsbohrung der Welle dbq Durchmesser des zylindrischen Teils der Querbohrung

CtI ₃ Ot ₂ , α ₃ Neigungswinkel der Mantelfläche des Pyramidenstumpfes bezüglich der Mittelachse der Querbohrung α, Ob Neigungswinkel der Mantelfläche des Pyramidenstumpfes bezüglich der Mittelachse der Querbohrung

PL Länge der paraliel zur Längsachse verlaufenden Diagonale der rautenförmigen Grundfläche extrapoliert auf die Idealebene