DE10237216A1

DE10237216A1 - Verfahren zum Anbringen einer Ausgleichsmasse

Info

Publication number: DE10237216A1
Application number: DE10237216A
Authority: DE
Inventors: Herbert Dr.-Ing. Cermak
Original assignee: GKN Loebro GmbH
Current assignee: GKN Driveline Deutschland GmbH
Priority date: 2002-08-14
Filing date: 2002-08-14
Publication date: 2004-03-04
Anticipated expiration: 2022-08-15
Also published as: US20040092321A1; DE10237216B4; US6854635B2

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Anbringen einer Ausgleichsmasse 2 an einen auszuwuchtenden Rotationskörper 1 mit einer Längsachse X, insbesondere an eine Längsantriebswelle für den Antriebsstrang eines Kraftfahrzeuges, mittels Magnetimpulsschweißen, wobei die Ausgleichsmasse 2 mit einer hohen Geschwindigkeit radial auf die Längsachse X des Rotationskörpers 1 zu bewegt wird und beim Auftreffen mit diesem verschweißt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Anbringen einer Ausgleichsmasse an einem auszuwuchtenden Rotationskörper mit einer Längsachse, insbesondere an einer Längsantriebswelle für den Antriebsstrang eines Kraftfahrzeuges. Aufgrund von Fertigungstungenauigkeiten kommt es bei Wellen in der Regel zu Unsymmetrien der Massenverteilung. Diese Unsymmetrien bewirken umfänglich zur Drehachse und längs der Drehachse beliebig verteilte Unwuchten, welche bei Rotation der Welle zu Schwingungen führt. Um die Unwuchten zu beseitigen, werden Ausgleichsmassen an der Welle angebracht; dieser Vorgang wird als Auswuchten bezeichnet.

Aus der DE 30 11 824 A1 ist ein Verfahren zum Auswuchten einer Kardanwelle mittels einer Ausgleichsmasse sowie ein Verfahren zum Anschweißen einer Ausgleichsmasse an der Kardanwelle bekannt. Als Ausgleichsmasse wird eine gekrümmte Platte verwendet, deren innerer Krümmungsradius etwa dem Außenradius der Kardanwelle entspricht. Die gekrümmte Platte weist eine Mehrzahl von in Richtung zur Kardanwelle weisenden krallenartigen Vorsprüngen auf. Zum Anschweißen wird die Ausgleichsmasse von einer im Querschnitt halbkreisförmigen Elektrode aufgenommen und mit den krallenartigen Vorsprüngen mechanisch gegen die Oberfläche der Kardanwelle gepreßt. Mittels der Vorsprünge wird eine auf der Oberfläche der Kardanwelle befindliche Oxidschicht durchdrungen, worauf ein Schweißvorgang nach Art einer Widerstandsschweißung erfolgt. In den Schweißpunkten kann es zu einer Materialversprödung im Material der Kardanwelle kommen.

Aus der DE 199 02 122 A1 ist ein Verfahren zum Verbinden einer Gelenkgabel mit einer Hohlwelle für den Antriebsstrang eines Kraftfahrzeuges mittels Magnetimpulsschweißtechnik bekannt. Hierfür wird die Gelenkgabel mit einem Halsabschnitt in die Hohlwelle eingeschoben, wobei ein Ringspalt zwischen den beiden Bauteilen ausgebildet ist. Durch einen radial außerhalb der Hohlwelle angeordneten Induktor wird ein starkes Magnetfeld mit einer radial nach innen wirkenden Kraft erzeugt. Beim Entladen des Induktors bewirken diese Kräfte, daß sich die Hohlwelle unter radialer Stauchung mit einem hohen Impuls um den Halsabschnitt der Gelenkgabel legt und dabei mit diesem verschweißt.

Hiervon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Anbringen einer Ausgleichsmasse an einem auszuwuchtenden Rotationskörper, insbesondere an einer Längsantriebswelle für den Antriebsstrang eines Kraftfahrzeuges, vorzuschlagen, das vereinfacht durchzuführen ist.

Die Lösung dieser Aufgabe besteht in einem Verfahren zum Anbringen einer Ausgleichsmasse an einem auszuwuchtenden Rotationskörper mit einer Längsachse, insbesondere an einer Längsantriebswelle für den Antriebsstrang eines Kraftfahrzeuges, mittels Impulsschweißen, wobei die Ausgleichsmasse aus einer Ruhelage mit einem hohen Impuls radial auf die Längsachse des Rotationskörpers zu bewegt wird und beim Auftreffen auf dem Rotationskörper mit diesem verschweißt.

Die Wirkungsweise dieses Verfahrens besteht darin, daß durch den Impuls eine sehr hohe radial nach innen gerichtete Beschleunigungskraft erzeugt wird, welche die Ausgleichsmasse mit sehr hoher Geschwindigkeit auf den rotationssymmetrischen Körper schlagartig auftreffen läßt, wodurch es zu Umwandlung der kinetischen Energie in Verformungsarbeit und Wärme und damit zu einem Kaltverschweißen im Kontaktbereich zwischen den beiden Bauteilen kommt. Dabei ist die Wärmeentwicklung im Kontaktbereich minimal und eng auf den Kontaktbereich begrenzt. Auf diese Weise entsteht lediglich eine sehr geringe Gefügeänderung im Rotationskörper, so daß dessen Festigkeit nicht durch Kerbwirkung beeinträchtigt wird. Mit dem Magnetimpulsschweißverfahren lassen sich sowohl Bauteile aus Stahl als auch aus Aluminium miteinander verschweißen.

In bevorzugter Weise ist vorgesehen, daß die Ausgleichsmasse zuerst linienförmig auf den Rotationskörper auftrifft und im Moment des Auftreffens zumindest einen keilförmigen Spalt mit dem Rotationskörper bildet, wobei der keilförmige Spalt unter Verformung der Ausgleichsmasse fortschreitend geschlossen wird. Hiermit ergibt sich eine auf dem Rotationskörper in Umfangsrichtung wandernde linienförmige Schweißstelle, die Oxidfilme oder Fettfilme verdrängt und die Schweißverbindung schwächende Einschlüsse damit zu vermeiden imstande ist.

Weiterhin ist bevorzugt vorgesehen, daß ein Blech als Ausgleichsmasse verwendet wird, das eben oder in einer Richtung gekrümmt ist, wobei das Blech in der Ruhelage so angeordnet ist, daß seine Mantellinien parallel zur Achse des Rotationskörpers verlaufen. Die entsprechende Verformung eines Bleches gleichmäßiger Dicke ist mit geringer Energie möglich, insbesondere, wenn nur eine Biegeumformung in einer Richtung senkrecht zu parallelen Mantellinien notwendig ist.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, daß ein in der Ruhelage zu einer Radialebene durch die Längsachse des rotationssymmetrischen Körpers symmetrisches Blech als Ausgleichsmasse verwendet wird. Durch die symmetrische Anordnung und Bewegung des Bleches auf den Rotationskörper zu wird sichergestellt, daß das Auftreffen symmetrisch erfolgt und ein sicheres Verbinden der Ausgleichsmasse beidseitig der Symmetrieebene stattfindet. Dabei ist vorzugsweise vorgesehen, daß die Ausgleichsmasse zuerst im Bereich einer Radialebene durch die Längsachse linienförmig auf den Rotationskörper auftrifft.

Nach einer ersten bevorzugten Variante wird als Ausgangsmaterial für die Ausgleichsmasse ein ebenes Blech verwendet, welches in Ruhelage in symmetrischer Lage zur Längsachse mit Abstand zum Rotationskörpers angeordnet wird. Diese Ausführung erleichtert die Vorbereitung, da nur ein einfacher Zuschnitt notwendig ist. Nach einer anderen Ausgestaltung kann als Ausgangsmaterial für die Ausgleichsmasse ein bereits gekrümmtes Blech verwendet werden, welches in Ruhelage mit der konvexen Fläche voran zum Rotationskörper weisend angeordnet wird. Diese Ausführung hat den Vorteil, daß beidseitig zur Symmetrieebene beim Auftreffen des Bleches auf den Rotationskörper höhere Keilwinkel auftreten, wodurch die Schweißverbindung zwischen den Bauteilen sicherer wird.

Nach einer weiteren Ausgestaltung kann als Ausgangsmaterial für die Ausgleichsmasse ein gekrümmtes Blech verwendet werden, welches in Ruhelage mit der konkaven Fläche zum Rotationskörper weisend angeordnet wird und dessen Krümmungsradius größer ist als der äußere Krümmungsradius des Rotationskörpers. Dies ist von Vorteil, wenn aufgrund der ausgewählten Materialien und/oder des aufgebrachten Impulses besonders kleine Keilwin kel zwischen den Bauteilen zu einer optimalen Schweißverbindung führen.

Nach einem bevorzugten Verfahrensablauf legt sich – im Querschnitt durch den Rotationskörper betrachtet – die Ausgleichsmasse beim Auftreffen ausgehend von einer Radialebene durch die Längsachse des Rotationskörpers nach beiden Seiten hin laufend an die Wandung des Rotationskörpers an, wobei es in den beidseitig zur Radialebene benachbarten Kontaktbereichen zu einem flächigen Kaltverschweißen zwischen der Ausgleichsmasse und dem Rotationskörper kommt. Durch das symmetrische Auftreffen der Ausgleichsmasse werden die beiden beidseitig benachbart zur Symmetrieebene liegenden Bereiche in synchronem Ablauf mit dem Rotationskörper verbunden.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Rotationskörper als Hohlwelle gestaltet und wird beim Auftreffen der Ausgleichsmasse im Kontaktbereich von radial innen abgestützt. Somit wird ein radiales Einbeulen der Hohlwelle verhindert.

Bevorzugt wird ein Magnetimpulsverfahren zur Beschleunigung der Ausgleichsmasse verwendet. Dies setzt ein elektrisch leitendes Material für die Ausgleichsmasse voraus. Beim Magnetimpulsschweißverfahren wird elektrische Energie in elektrischen Kondensatoren gespeichert und über eine Entladeschaltung auf einen spulenförmigen Induktor gegeben, welcher mit Abstand radial außerhalb der Welle und der Ausgleichsmasse angeordnet ist. Hierdurch wird im Induktor in kürzester Zeit ein extrem starkes Magnetfeld aufgebaut. Dieses übt eine hohe Beschleunigungskraft auf die Ausgleichsmasse aus, die nach radial innen im Induktor, das heißt auf die Längsachse der Welle gerichtet ist. Es kann auch ein Sprengimpulsverfahren (pyrotechnisches Verfahren) verwendet werden. Hierbei ist nur die Schweißbarkeit der Materialien von Ausgleichsmasse und Rotationskörper zu beachten. Beim Sprengschweißverfahren wird eine Sprengstoffmasse, in der chemische Energie gespeichert ist, radial außen an der Ausgleichsmasse in Bezug auf die Längsachse der Welle angebracht und zur Detonation gebracht. Hierbei kann radial außerhalb der Ausgleichsmasse eine Verdämmung, z. B. in Form eines auf Ausgleichsmasse und Welle aufgeschobenen Rohres vorgesehen sein. Die bei der Detonation stattfindende Druckerhöhung übt eine hohe Beschleunigungskraft auf die Ausgleichsmasse aus, die radial in Richtung auf die Längsachse der Welle gerichtet sein soll.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung beschrieben. Hierin zeigt
1 eine Hohlwelle mit anzubringenden Ausgleichsmassen in drei Varianten im Querschnitt vor dem Verschweißen;
2 die Hohlwelle mit den Ausgleichsmassen nach 1 während des Verschweißens;
3 die Hohlwelle mit den Ausgleichsmassen nach 1 nach dem Verschweißen.
Die 1 bis 3 werden im folgenden gemeinsam beschrieben. Hierin ist eine Hohlwelle 1 mit einer Längsachse X für den Antriebsstrang eines Kraftfahrzeuges gezeigt. Rufgrund von Fertigungsungenauigkeiten kommt es bei Wellen in der Regel zu Unsymmetrien der Massenverteilung. Diese Unsymmetrien bewirken bezüglich der Längsachse X wirksame Unwuchten, welche bei Rotation der Welle zu Ausbiegungen und damit zu Schwingungen führt. Um die Unwuchten zu beseitigen, werden Ausgleichsmassen in Form von Blechen 2 an der Hohlwelle 1 mittels Impulsschweißen angebracht. Dabei ist die Anordnung in 1 in Ruhelage vor dem Anschweißen, in 2 während des Anschweißens und in 3 nach dem Anschweißen gezeigt. Als Ausgangsform der Ausgleichsmasse sind drei Varianten von Blechstücken dargestellt, nämlich zum einen ein ebenes Blech 2, zum anderen ein zur Hohlwelle konvex gekrümmtes Blech 2' und schließlich ein zur Hohlwelle konkav gekrümmtes Blech 2'' mit größerem Krümmungsradius als die Hohlwelle.
Beim Impulsschweißen wird in nicht näher dargestellter Form Energie gespeichert. Bei der Entladung dieser Energie wird eine große Beschleunigungskraft erzeugt, welche radial in Richtung Längsachse wirkt und das Blech 2 aus der Ruhelage auf die Hohlwelle 1 zu beschleunigt. Dieser Vorgang ist in 1 durch die radial nach innen weisenden Pfeile dargestellt.
Die Magnetkräfte bewirken, daß das Blech 2 stoßartig mit der Hohlwelle 1 kollidiert, so daß es im Kontaktbereich zu einer Verschweißung der beiden Bauteile miteinander kommt. Nach einer ersten Ausführung ist die Ausgangsform des Bleches 2 eben, wobei das Blech symmetrisch zur Längsachse der Hohlwelle 1 gehalten und beschleunigt wird. Nach einer anderen Ausgestaltung kann das Blech 2' auch zylindrisch gekrümmt sein, wobei es mit der konvexen Fläche 3 voran radial auf die Hohlwelle 1 zu bewegt wird. Nach einer weiteren Ausführungsform kann das Blech 2'' zylindrisch gekrümmt sein, wobei es zunächst mit der konkaven Fläche 4 zur Hohlwelle 1 zeigt, wobei seine Krümmung geringer ist, als die der Wand der Hohlwelle 1. In allen Fällen ist vorgesehen, daß das Blech 2 eine Symmetrieebene E aufweist, welche eine Radialebene durch die Längsachse X der Hohlwelle 1 bildet. Durch diese symmetrische Anordnung und Bewegung des Blechs 2 auf die Hohlwelle 1 zu wird sichergestellt, daß es zunächst im Bereich der Symmetrieebene linienförmig auf die Hohlwelle 1 auftrifft, bevor es sich hiervon ausgehend zu beiden entgegengesetzten Seitenkanten 5, 6 lau fend an die Wandung der Hohlwelle 1 anlegt. Beim Auftreffen des Blechs 2 auf die Hohlwelle 1 bilden die Oberflächen beidseits der Symmetrieebene einen Keilwinkel, werden nach außen fortschreitend aneinander angenähert und kollidieren mit hoher Geschwindigkeit.
Die üblicherweise auf den Schweißflächen befindlichen Schmutzund Oxidschichten werden bei der Kollision durch Sammelstrahlen erfaßt und in Richtung Seitenkanten 5, 6 nach außen mitgeführt, so daß es zu einer automatischen Reinigung der Schweißflächen kommt. Durch die Kollision wird das Blech 2 in den beidseitig zur Symmetrieebene E benachbarten Kontaktbereichen mit der Hohlwelle 1 flächig kaltverschweißt. Die flächigen Schweißbereiche sind in 3 mit 7 bzw. 8 bezeichnet.

1: Rotationssymmetrischer Körper/Hohlwelle
2: Ausgleichsmasse/Blech
3: Konvexe Fläche
4: Konkave Fläche
5: Seitenkante
6: Seitenkante
7: Schweißbereich
8: Schweißbereich
E: Symmetrieebene, Radialebene
X: Längsachse

Claims

Verfahren zum Anbringen einer Ausgleichsmasse (2, 3) an einem auszuwuchtenden Rotationskörper (1) mit einer Längsachse (X), insbesondere an einer Längsantriebswelle für den Antriebsstrang eines Kraftfahrzeuges, mittels Impulsschweißen, wobei die Ausgleichsmasse (2, 3) aus einer Ruhelage mit einer hohen Geschwindigkeit radial auf die Längsachse (X) des Rotationskörpers (1) zu bewegt wird und beim Auftreffen auf dem Rotationskörper mit diesem verschweißt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgleichsmasse zuerst linienförmig auf den Rotationskörper auftrifft und im Moment des Auftreffens zumindest einen keilförmigen Spalt mit dem Rotationskörper bildet, wobei der keilförmige Spalt unter Verformung der Ausgleichsmasse fortschreitend geschlossen wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Blech als Ausgleichsmasse verwendet wird, das eben oder in einer Richtung gekrümmt ist, wobei das Blech in der Ruhelage so angeordnet ist, daß seine Mantellinien parallel zur Achse des Rotationskörpers verlaufen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein in der Ruhelage zu einer Radialebene (E) durch die Längsachse (X) des rotationssymmetrischen Körpers (1) spiegelsymmetrisches Blech verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein ebenes Blech verwendet wird, welches in Ruhelage in symmetrischer Lage zur Längsachse (X) mit Abstand zum Rotationskörper (1) angeordnet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein gekrümmtes Blech verwendet wird, welches in Ruhelage mit der konvexen Fläche (4) zum Rotationskörper (1) weisend angeordnet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein gekrümmtes Blech verwendet wird, welches in Ruhelage mit der konkaven Fläche zum Rotationskörper weisend angeordnet wird und dessen Krümmungsradius größer ist, als der äußere Krümmungsradius des Rotationskörpers.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgleichsmasse (2, 3) zuerst im Bereich einer Radialebene (E) durch die Längsachse (X) des Rotationskörpers (1) linienförmig auf den Rotationskörper auftrifft.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß sich – im Querschnitt durch den Rotationskörper betrachtet – die Ausgleichsmasse (2, 3) beim Auftreffen ausgehend von einer Radialebene (E) durch die Längsachse (X) des Rotationskörpers nach beiden Seiten hin verlaufend an die Wandung des Rotationskörpers (1) anlegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotationskörper (1) als Hohlwelle gestaltet ist und beim Auftreffen der Ausgleichsmasse (2, 3) im Kontaktbereich von radial innen abgestützt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß ein Magnetimpulsverfahren zur Beschleunigung der Ausgleichsmasse verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß ein Sprengimpulsverfahren (pyrotechnisches Verfahren) zur Beschleunigung der Ausgleichsmasse verwendet wird.