Die Erfindung betrifft eine Seitenwelle zur Übertragung von Drehmoment zwischen einem Achsdifferenzial und einem Rad eines Kraftfahrzeuges. Derartige Wellen werden auch als Seitenwellen bezeichnet. Die gattungsgemäße Seitenwelle ist zumindest teilweise aus einem Stahl Werkstoff gefertigt und als Rohrwelle ausgeführt. Sie weist eine Längsachse und einen Wellenabschnitt auf, der seinerseits einen ersten Durchmesser und eine erste Wandstärke aufweist, zwei Endabschnitte, welche durch Umformen von Bereichen des Wellenabschnittes gebildet sind, so dass bereichsweise in den Endabschnitten ein zweiten Durchmesser und eine zweite Wandstärke herausgebildet ist. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Seitenwelle nach dem Oberbegriff des Anspruchs 7.

Antriebswellen werden im Fahrzeug zur Übertragung von Drehmoment verwendet und werden üblicherweise einer Wärmebehandlung unterzogen. Eine Wärmebehandlung einer Antriebswelle ist aus der DE 39 36 368 AI bekannt. Dieses Verfahren betrifft jedoch ein Härtungsverfahren für die Antriebswelle zwischen einem Getriebe und einem Differenzial, also einer Kardanwelle. Kardanwellen haben häufig einen erheblich größeren Außendurchmesser als die Seitenwellen zwischen dem Differenzial und den Antriebsrädern, welche auch Seitenwellen genannt werden.

In den Endabschnitten weisen gattungsgemäße Seitenwellen üblicherweise einen Bereich auf, der zur zumindest teilweisen formschlüssigen Übertragung geeignet ist. Hierfür eignet sich eine außenliegende Verzahnung, welche in eine korres- pondierende innenliegende Verzahnung eines entsprechend anzuschließenden Teils eines Gleichlaufgelenks eingreifen kann. Die Verzahnungen werden häufig als Splinebereich bezeichnet.

Die Seitenwellen werden aus einem Halbzeug, das ein Rohrabschnitt aus einem Stahlwerkstoff sein kann, gefertigt. Die Endabschnitte weisen einen anderen Durchmesser auf als der Wellenabschnitt. Bereitgestellt werden die Seitenwellen, indem die Endabschnitte, welche einen geringeren Durchmesser aufweisen sollen, durch einen Rundknetverfahren, wie es beispielsweise in der DE 199 52 229 B4 offenbart wird, kalt umgeformt werden.

Der Umformgrad ist definiert als das Verhältnis der Abmessungen vor- und nach der Umformung in einer Richtung, in der die maximale Umformung erfolgt. Da gattungsgemäß Seitenwellen in einem Rundknetverfahren gefertigt werden und dabei nicht absichtlich auf wesentliche Temperaturen erhitzt werden, kann es in dem Werkstoff leicht zur Rissbildung und Brüchen kommen.

Die Neigung zur Rissbildung kann verringert werden, indem der Kohlenstoffgehalt verringert wird . Gattungsgemäße Seitenwellen weisen verhältnismäßig geringe Kohlenstoffanteile auf, insbesondere weniger als etwa 0,30 Gew.-% Kohlenstoff. Halbzeuge mit geringen Kohlenstoffanteilen eignen sich jedoch weniger gut für ein Härteverfahren. Um die Stahlwerkstoffe dennoch härtbar zu machen, werden dem Stahl Werkstoff im Stand der Technik teure Legierungselement wie z. B. Chrom, Vanadium, Nickel, Molybdän oder Titan beigefügt. Die für die Herstellung von Seitenwellen bereitzustellenden Halbzeuge sind deshalb verhältnismäßig teuer.

Die Definition für im Folgenden verwendete Begriffe, wie z. B.„unlegierter Stahl" und„niedriglegierter Stahl" können einschlägiger Literatur, beispielsweise dem DUBBEL, Taschenbuch für den Maschinenbau, 20. Auflage, entnommen werden. Angaben zur sogenannten Austenitisierungstemperatur können beispielsweise ROOS, MAILE, Werkstoffkunde für Ingenieure, Grundlagen, Anwendungen und Prüfung, 3. Auflage, entnommen werden. Auch zur Definition von„Bainit" und „Martensit" sei auf letztere Literaturangabe verwiesen. Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, die Kosten für Bereitstellung von Halbzeugen zur Herstellung von Seitenwellen bei gleichzeitiger Gewährleistung der Härtbarkeit zu verringern .

Die Aufgabe wird gelöst durch eine Seitenwelle nach Patentanspruch 1 sowie ein Verfahren zur Herstellung einer Seitenwelle nach Anspruch 7. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen, welche in beliebiger, technologisch sinnvoller Weise miteinander kombiniert werden können und weitere Vorteile der Erfindung aufzeigen . Darüber werden vorteilhafte Merkmale der Erfindung in der Beschreibung, insbesondere in der Figurenbeschreibung aufgezeigt.

Die erfindungsgemäße Antriebswelle dient der Übertragung eines Drehmoments zwischen einem Achsdifferenzial und einem Rad eines Kraftfahrzeuges. Es handelt sich also um eine sogenannte Seitenwelle. Die erfindungsgemäße Seitenwelle ist zumindest teilweise aus einem Stahlwerkstoff gefertigt und als Rohrwelle ausgeführt. Erfindungsgemäß weist sie eine Längsachse und einen Wellenabschnitt mit einem ersten Außendurchmesser Di und einer ersten Wandstärke Si auf. Die erfindungsgemäße Antriebs- bzw. Seitenwelle zeichnet sich dadurch aus, dass wenigstens ein Endabschnitt, mit einem zweiten Durchmesser (D ₂ ) und einer zweiten Wandstärke (S ₂ ) aus einem Kohlenstoffstahl hergestellt ist.

Ein besonders bevorzugter Stahl Werkstoff, welcher sich zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Seitenwelle geeignet ist, ist der Stahl C-45 nach DIN EN10083. Dieser ist preiswert erhältlich.

Es hat sich durch empirische Versuche überraschend herausgestellt, dass bei den verwendeten Stahlsorten und bei geschickter Wahl des Umformgrades ein Umformen, beispielsweise durch Rundkneten, ermöglicht ist und gleichzeitig eine Rissbildung vermieden wird und die Möglichkeit, durch Wärmbehandlung eine ausreichende Festigkeit zu erreichen, eröffnet ist. Bei vorgegebenem ersten Außendurchmesser Di und einer ersten Wandstärke Si des Wellenabschnitts sowie einem durch das Umformen ausgebildeten Endabschnitts mit zweitem Durchmes- sers D ₂ und zweiter Wandstärke S ₂ ist erfindungsgemäß der Umformgrad Phi = In [(Di-Si)/(D ₂ -S ₂ )] vom Betrag her kleiner oder gleich 0,3.

Der empirisch ermittelte Wert von 0,3 gilt auch für aufgeweitete Endabschnitte, nicht nur für in einem Rundknetverfahren verengte Endabschnitte, wie sie in Figur 1 dargestellt sind .

Überraschenderweise hat sich herausgestellt, dass bei einem Umformgraden von weniger oder gleich 0,3 ein Halbzeug, beispielsweise ein Rohrabschnitt aus einem Stahlwerkstoff, mit einem verhältnismäßig hohen Kohlenstoffanteil von 0,35 bis 0,8 Gew.-%, insbesondere von 0,4 bis 0,5 Gew.-% während des Umformens noch nicht zur Rissbildung neigt.

Zur Gewährleistung der Härtbarkeit einer Seitenwelle gemäß dem Stand der Technik, werden den Stahlwerkstoffen Legierungselemente wie z. B. Vanadium, Nickel, Chrom, Molybdän und/oder Titan beigemengt. Durch eine Geringhaltung des Umformgrades kann auf diese verhältnismäßig teuren Legierungselemente verzichtet werden. Durch den verhältnismäßig hohen Kohlenstoffanteil kann die Seitenwelle nach dem Umformen zudem einer Wärmebehandlung, insbesondere einem Härteverfahren unterzogen werden.

Zur Härtung der Seitenwelle eignet sich bevorzugt eine Wärmebehandlung, welche folgende Schritte aufweist:

o induktive Erwärmung in einem Ringinduktor oder in einem Flächeninduktor, insbesondere auf einer Oberflächentemperatur oberhalb einer Austenitisierungstemperatur, für einen Zeitraum von weniger als 15 Sekunden, insbesondere wenigerer als 10 Sekunden,

o rasche Abkühlung der Seitenwelle in Wasser oder einer

Wasserpolymeremulsion entweder durch Eintauchen oder einer Kombinationen aus Eintauchen und Abbrausen, wobei ein bainitisch martensitisches Mischgefüge angestrebt wird .

Der Erfolg der Wärmebehandlung kann in einem Schliffbild von einem Querschnitt durch eine Seitenwelle überprüft werden. Bei einer induktiven Erwärmung in einem Ringinduktor oder einem Flächeninduktor erhitzt ein alternierendes Magnetfeld die Bauteile. Die Einwirkungen des Ringinduktores oder des

Flächeninduktores auf die Seitenwelle ist vorzugsweise zeitlich lang genug, dass die Austenitisierungstemperatur, bei der eine Umwandlung der Kristallstruktur des Stahl Werkstoffes von kubisch raumzentriert zu kubisch flächenzentriert zu erwarten ist, erreicht wird .

Das Abkühlen der Seitenwellen kann durch die Aussetzung an Wasser oder eine Wasserpolymeriemulsion erfolgen. Die Seitenwelle kann hierzu eingetaucht oder in einer Kombinationen aus Eintauchen und Abbrausen dem Wasser oder der Wasserpolymeremulsion ausgesetzt werden. Die Abkühlung ist so zu gestalten, dass sich ein bainitisch-martensitisches Stahlgefüge bildet. Bainit bildet sich nur, wenn die Abkühlgeschwindigkeit ausreichend hoch ist. Ist die Abkühlgeschwindigkeit zu hoch, bildet sich jedoch ein zu hoher Martensitanteil. Bei zu hohen Martensitanteilen sind die Seitenwellen zu hart und neigt zu spröden Brüchen. Die Austenitisierungstemperatur liegt zwischen 800 und 1200°, eine bevorzugte Abkühlgeschwindigkeit liegt zwischen 1 Sekunde und 100 Sekunden, insbesondere zwischen 1 Sekunde und 50 Sekunden.

Vorzugsweise wird die Austenitisierungstemperatur nur in oberflächennahen Randschichten der Seitenwelle erreicht, so dass sich beim Abschrecken oberflächennah eine besonders hohe Härte einstellt. Durch die Anwendung dieses Härteverfahrens kann eine Seitenwelle bereitgestellt werden, bei der die Härte über die Wandstärke nach außen hin zunimmt. Es kann dadurch erreicht werden, dass außenliegende, oberflächennahe Bereiche der Seitenwelle eine höhere Härte aufweisen als weiter innen liegende Bereiche. Die Härte des Stahlwerkstoffes nimmt zu tieferen Schichten hin ab. Auf diese Weise ist die Härte der Seitenwelle der Belastung angepasst, da die Spannung in Wellen bei Drehmomentbeanspruchung mit dem Abstand von der Längsachse ansteigt. Je höher also die Härte der Seitenwelle außen ist, desto mehr Drehmoment kann sie übertragen. Erfindungsgemäße Seitenwellen eignen sich zur Übertragung von Drehmomenten von 1500 Nm bis 5500 Nm, insbesondere 2800 Nm bis 3800 Nrn.

Beispielsweise weist eine nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Welle an ihrer Oberfläche eine Härte zwischen 40 und 60 Rockwell, insbesondere zwischen 45 und 55 Rockwell auf.

Die Abkühlgeschwindigkeit kann verlangsamt werden, indem das Abbrausen oder Eintauchen der Seitenwelle unterbrochen wird und die Seitenwelle an der Luft, welche einen erheblich geringeren Wärmeübertragungsfaktor aufweist als Wasser, bzw. eine Wasserpolymeremulsion, und deshalb langsamer kühlt, gehalten wird .

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung einer Seitenwelle werden die gehärteten Seitenwellen nach dem Härteverfahren in einem Anlassverfahren angelassen. Durch Diffusionsvorgänge im Stahlgefüge„entspannt" sich der Werkstoff. Eventuelle in der Seitenwelle vorhandene Eigenspannungen können somit reduziert werden, wodurch die Belastungsgrenze der Seitenwellen, bei der ein Versagen zu erwarten ist, angehoben werden kann. Das Anlassen erfolgt bei Temperaturen zwischen 150° C und 300° C. Das Anlassen erfolgt vorzugsweise direkt im Anschluss an das Härte verfahren, wobei die Abkühlung nicht unterbrochen werden muss, sie muss nur bei einer Temperatur zwischen 150°C und 300°C verlangsamt werden. Die Seitenwellen können direkt während des Abkühlens beim Härte verfahren nur auf 300°C abgekühlt werden und auf dieser Temperatur gehalten werden.

Vor dem Härteverfahren wird auf den Seitenwellen in den Endbereichen ein Splinebereich oder eine Außenverzahnung zur formschlüssigen Übertragung eines Drehmomentes bereitgestellt. Der Splinebereich kann bereitgestellt werden, indem in dem Endbereich Nuten, welche in Richtung der Längsachse verlaufen, herausgefräst, gestanzt oder in einem spanenden Fertigungsschritt herausgeschnitten werden. Weiterhin kann der Splinebereich bereitgestellt werden, indem während der Umformung der Seitenwelle entsprechende Vertiefungen eingearbeitet werden.

Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nun folgenden Beschreibung der Zeichnung. In dieser zeigt:

Fig . 1 : eine erfindungsgemäße Seitenwelle in einer perspektivischen Darstellung mit einem teilweise geschnittenen Abschnitt.

In Fig . 1 ist eine Seitenwelle 10 zur Übertragung eines Drehmoments dargestellt. Derartige Seitenwellen 10 eignen sich zur Übertragung des Drehmomentes zwischen einem Differenzial und einem Rad eines Fahrzeugs. Zwischen der Seitenwelle 10 und dem Differential bzw. dem Rad ist üblicherweise ein Gleichlaufge- lenk, beispielsweise ein Tripodegelenk angeordnet. Jedoch eignen sich hierfür auch andere Bauformen von Gleichlaufgelenken. Zur Übertragung des Drehmomentes zwischen der Seitenwelle 10 und dem entsprechenden Eingangsabschnitt des Gleichlaufgelenkes ist auf der Seitenwelle 10 ein Splinebereich 20 ausgebildet. Zur Verdeutlichung und Veranschaulichung des Zustandes, welcher sich nach einem ersten erfindungsgemäßen umformenden Fertigungsschritt einsteht, ist an dem in Figur 1 nach links weisenden Ende der Seitenwelle 10 kein

Splinebereich 20 herausgebildet.

Die Seitenwelle 10 ist als Rohrwelle ausgestaltet. Als Halbzeug zur Herstellung erfindungsgemäßer Seitenwellen 10 werden Rohrabschnitte verwendet, die Abschnitte von Rohren aus der Massenproduktion sein können. Bevorzugt werden Rohrabschnitte aus dem Stahlwerkstoff C-45 verwendet. Die Halbzeuge haben einen ersten Außendurchmesser Di und eine erste Wandstärke Si. Bei der Umformung wird in den Endabschnitten 12 ein zweiter Außendurchmesser D ₂ und eine zweite Wandstärke S ₂ eingestellt. Der Wellenabschnitt 16 entspricht im wesentlichen in seiner Abmessung dem Halbzeug, welches einen Rohrabschnitt aus der Massenproduktion sein kann. Daher kann das Verhältnis der Abmessungen (Di, Si) von den Endabschnitten 12 zu den Abmessungen (D ₂ , S ₂ ) der Wellenabschnitte 16 auch an einer gefertigten Seitenwelle 10 vermessen werden und der Umformgrad Phi ermittelt werden. Während des umformenden Fertigungsschrittes im Rundknetverfahren wird das Rohr gestaucht. Die Wandstärke Si verändert sich und es stellt sich der Wert S ₂ ein. Si kann zwischen 0,5mm und 5mm liegen. Di kann zwischen 10 mm und 50 mm, bevorzugt zwischen 25mm und 40 mm liegen. Nach der Umformung mit einem Umformgrad Phi von weniger als 0,3 kann die Seitenwelle 10 bei angenommenen Anfangswerten Di= 30mm und Si = 5 mm in den Endbereichen 12 auf D ₂ = 25 mm verjüngt werden, bei der eine Wandstärke von etwa S ₂ = 6 mm zu erwarten ist.

Die Endabschnitte 14 werden durch ein Rundknetverfahren gemäß DE 199 52 229 B4 umformend aus einem Halbzeug, das über die gesamte Länge einen einheitlichen Durchmesser Di aufweist, ausgearbeitet.

Zur Ermöglichen eines hohen Umformgrades Phi muss das Halbzeug eine ausreichende Duktilität aufweisen, da die Umformung üblicherweise nicht bei hohen Temperaturen erfolgt. Die Menge an Kohlenstoff, welcher dem Stahl Werkstoff zur Gewährleistung einer ausreichenden Härtbarkeit zugesetzt werden muss, ist daher im Stand der Technik begrenzt. Man ist gezwungen, auf teurere Legierungselemente, wie z. B. Chrom, Vanadium, Titan, Molybdän und/oder Nickel zurückzugreifen. Dadurch erhöht sich der Anschaffungspreis der Halbzeuge erheblich. Um diesen Nachteil zu überwinden und einen kostengünstigen Werkstoff mit einem verhältnismäßig hohen Kohlenstoffanteil verwenden zu können, beschränkt die vorliegende Erfindung den Umformgrad auf einen Wert von weniger als 0,3, bevorzugt von weniger als 0,28, besonders bevorzugt weniger als 0,27. Bei diesen, verhältnismäßig geringen Umformgraden der Seitenwelle 10 kommt es nicht zu Rissbildung während der Umformung .