(57)【要約】  本発明は、軸／円板状部材複合工作物のための接合部位構造、特に摩擦溶接によって円板状部材のハブ部分の接続フランジ（２）に軸（１）を接合するための接合部位構造に関する。軸（１）とハブ部分の接続フランジ（２）との間の、接合部位（３）の前後に、画定された間隙（４、４’）が設けられ、前記間隙は、摩擦溶接法の際に軟化した材料が広がるのを防ぐ。この接合部位構造は、たとえば、クランク軸と駆動ギヤのハブ部分との接合の際に用いられる。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
特に摩擦溶接によって、ハブ部分の接続フランジ（２）に軸（１）を接合するための軸／ハブ複合工作物のための接合部位構造、接合部位構造であって、
前記軸（１）と前記ハブ部分の接続フランジ（２）との間の、接合部位（３）の前後に、それぞれ画定された間隙（４、４’）が設けられ、同間隙（４、４’）は、摩擦溶接の際に軟化した材料が広がるのを防ぐことを特徴とする接合部位構造。
【請求項２】
前記間隙（４、４’）の高さ（１０、１０’）は、前記複合工作物が、前記接合部位（３）の前後に拡張された結合域（８）を有するように寸法決めされることを特徴とする請求項１に記載の接合部位構造。
【請求項３】
６ｍｍの摩擦長さ及び１．５ｍｍの間隙距離において、前記結合域（８）の軸方向の延在範囲が１０ｍｍであることを特徴とする請求項２に記載の接合部位構造。
【請求項４】
前記ハブ部分が、アンダカットを備えていない二段接続フランジ（２）を有していることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の接合部位構造。
【請求項５】
前記軸（１）がアンダカット（９、９’、９”）を備えていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の接合部位構造。
【請求項６】
前記軸（１）及びハブ部分が、異なる材料から構成されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の接合部位構造。
【請求項７】
前記接合される構成部品（１、２）が、１．５〜２．５ｍｍの範囲内の半径方向の重ね代（５）を有していることを特徴とする請求項１１に記載の接合部位構造。
【請求項８】
クランク軸が、駆動ギヤに接合されることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の接合部位構造の使用。
【請求項９】
軸（１）、特に自動車のクランク軸を、駆動ギヤのハブ部分の接続フランジ（２）に接合する方法であって、
軸（１）と接続フランジ（２）との間の、接合部位（３）の前後に、それぞれ画定された間隙（４、４’）が設けられ、同間隙（４、４’）は、摩擦溶接による軸（１）と接続フランジ（２）との続いて起こる接合の際に軟化した材料が広がるのを防ぐことを特徴とする方法。
【請求項１０】
前記駆動ギヤが、前記摩擦溶接の際に冷却されることを特徴とする請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記ハブ部分が、アンダカットを備えずに製造され、二段接続フランジ（２）を形成するのに必要な前記アンダカット（９、９’、９”）が、前記軸（１）に製造されることを特徴とする請求項９あるいは１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記ハブ部分を製造するのに段付き工具が用いられ、前記ハブの内部の機械加工が一プロセス工程で行われることを特徴とする請求項９〜１１のいずれか一項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、請求項１及び９の前段に記載の、接合部位構造とその製造方法とに関する。
【背景技術】
【０００２】
車両の構成においては、軸と、本質的に回転対称形状のハブ部分とから構成された複合工作物が多くの用途に用いられる。円板状部材の例としては、トランスミッション及びクラッチ部品、あるいはまだ機械加工されていない円板状のブランクがある。
【０００３】
摩擦溶接によって軸とハブ部分とを接合領域で接合することが知られている。この場合、従来の方法で、軸の端面をハブ部分の端面に接合する。あるいは、軸とハブ部分とを重ね摩擦溶接（ｏｖｅｒｌａｐ  ｆｒｉｃｔｉｏｎ  ｗｅｌｄｉｎｇ）によって接合でき、この重ね摩擦溶接は、従来の端面摩擦溶接（ｅｎｄ−ｆａｃｅ  ｆｒｉｃｔｉｏｎ  ｗｅｌｄｉｎｇ）とは対照的に、被接合面が構成部品の外周部に配置される圧接の変形形態を含む。この場合、たとえば、２つの構成部品の一方を回転させながら他方の固定した相手部品に押し付けることによって重ね合わせて、軸をハブ部分に溶接する。この溶接プロセスは、構成部品の接触面から始まる。摩擦熱によって接触面に位置する材料が可塑化した後、回転運動が終わると永久的な接合が得られる。
【０００４】
特許文献１には、重ね摩擦溶接によって、挿通孔を備えた円板状部材と軸とから組み立てられた、摩擦溶接された軸／円板状部材複合工作物が示されている。軸と円板状部材との溶接の際に、複数の環状接合部が作られ、この接合部と接合部の間には環状の空洞部が形成される。複数の接合部位が半径方向及び軸方向に互いにオフセットされていることによって、部品全体の軽量化が達成され、上記空洞部を、たとえば油の流路に利用することができる。
【０００５】
重ね摩擦溶接によって円板状部材のハブ部分を軸に接合する場合、摩擦溶接中にハブ部分を低温の軸に滑動させた際に欠陥が生じることがあり、これらの欠陥は切欠き及び割れにつながるおそれがある。
【０００６】
【特許文献１】独国特許発明第１９９  ３４  ８５５  Ｃ１号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の目的は、軸／円板状複合工作物のための接合部位の新規な設計を規定することであり、この新規な設計によって、欠陥を最小限に抑え、接合部の機械的強度特性を高める。本発明の目的はまた、上記接合部位の製造方法を規定することでもある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的は、本発明によれば、請求項１及び９の特徴によって達成される。有利な形態は従属項から収集され得る。
【０００９】
本発明によれば、軸／ハブ複合工作物の接合部位構造、特に摩擦溶接によって駆動ギヤのハブ部分の接続フランジに軸を接合するための接合部位構造は、軸とハブ部分の接続フランジとの間の、接合部位の前後に、画定された間隙が設けられ、この間隙が摩擦溶接の際に軟化した材料が広がるのを防ぐように設計される。
【００１０】
このため、接合部材を重ね摩擦溶接によって互いに接合する前に、環状の空洞部（間隙）が軸とハブ部分との間に存在し、これらの空洞部は、摩擦溶接の際に、第一に接合領域から移動される軟化した材料を受け入れ、第二に空洞部の低いクリアランス高さによって、この軟化した材料が広がるのを防ぐ。摩擦溶接のすえ込み段階中に空洞部内に送り込まれる材料の量が多くなるに従い、ますます多くの前記材料が、空洞部内へと、すなわち実際の接合部位から始まって高温の接合部位のより低温の隣接領域内へと移動される。これらのより低温の隣接領域では、周囲温度がより低いため移動された材料がいくらか凝固し、プロセス中により高いペースト状の粘稠度が得られ、材料の高い粘性のために、材料の広がりが引き続き移動されるのを防ぐ。空洞部内では、これにより背圧が発生し、背圧の発生により間隙内に送り込まれた材料の密度が高くなる。このことが、ビードの形状のペースト状材料が接合部位から簡単に漏出し得る従来の重ね摩擦溶接との根本的な違いとなっている。
【００１１】
軸とハブ部分との間の間隙は、摩擦溶接作業中に、接合領域から移動されるペースト状材料で充填されるので、複合工作物は拡張された結合域を備える。このため、たとえば、摩擦長さ６ｍｍ及び間隙のクリアランス高さ１．５ｍｍにおいて、結合域の軸方向の延在範囲は約１０ｍｍとなる。結合域のこの軸方向の拡張によって接合部の強度が著しく向上されるが、この理由は間隙に移動される材料が接合部材の溶接に寄与するためである。
【００１２】
本発明による方法を用いた場合に起こる、強度の向上をもたらす結合域の拡張は、従来の重ね摩擦溶接を用いた場合には実現できない。この理由は、従来の重ね摩擦溶接では、接合部材間の結合域を拡張するために、より大きな遊びを設ける必要があり、所望のより大きな軸方向の重ね代を得るためには、それに対応して接合部材をより大きくすえ込み加工する必要があり得るからである。しかし、このより大きなすえ込みに伴って欠陥が増える場合があり、これらの欠陥は接合部の強度を低下させ得る。したがって、接合部材の本発明による設計によって説明されるような方法で有効な結合域を著しく拡張することができ、プロセス中に強度の向上が得られるという事実は、驚くべき効果となる。
【００１３】
接合部位において材料が押し出されることによってできる突出部すなわちはみ出し部は、曲面部を得るために、摩擦溶接後に機械加工されるのが好ましい。
【００１４】
本発明の有利な形態では、軸方向に互いにオフセットされた複数の接合部位が、軸とハブ部分との間に設けられる。この場合、摩擦溶接の際に、接合部材の自動調心及び軸方向の相対的な配向により、接合部材の接合部位が互いに対して軸方向及び半径方向にオフセットされ、それによって、複合工作物における接合部材の接合部位が溶接後に互いに１０°〜２０°、好ましくは１５°の角度をなして配置されるようにすると有利である。その際、製造される複合工作物は円柱対称となる。
【００１５】
摩擦溶接の後にハブ部分の非対称な収縮のためハブ部分の円錐状のひずみが生じ得る、ハブ部分に対する軸の端面摩擦溶接とは対照的に、本発明による方法は、接合部材の円錐状のひずみを全く伴わず、このため複合工作物における２つの接合部材の当初の円柱対称性が高い正確性で保持される。
【００１６】
本発明による接合部位構造を製造するために、２つの接合部材の少なくとも１つにおいて半径方向にアンダカットを設けなければならない。接合部位を形成するのに必要なアンダカットは全て、軸に設けられると有利であり、このためハブ部分の接続フランジはアンダカットを備えない。このことは製造の点で特にコスト効果が高く、この理由は、軸の機械加工中のアンダカットの導入には追加の経費が必要なく、単一のプロセス工程でハブ部分の内部の機械加工を行うための段付き工具（ｓｔｅｐｐｅｄ  ｔｏｏｌ）を、ハブ部分を製造するのに用いることができるからである。
【００１７】
軸及びハブ部分は、異なる材料から構成されていてもよい。特に、焼入れされた軸が用いられてもよく、及び／又はハブ部分が仕上げ加工（焼入れ、研摩など）されてもよい。
【００１８】
接合領域が、複合工作物の高負荷を受ける領域の近傍、たとえば軸受の近傍に位置している場合、接合部位が半径方向外側にずらされて、高負荷を受ける領域に接合部位の影響が全くないように軸及びハブを設計することが有利であり得る。
【００１９】
接合部位の間隙高さは、接合部位の直径、半径方向の重ね代、及び接合される構成部品の材料が互いに適合されるように、それぞれの用途に関して最適化される。直径が６０ｍｍの軸の場合、たとえば、間隙寸法が１．５ｍｍ、及び接合される構成部品の半径方向の重ね代が１．５〜２．５ｍｍの範囲内、好ましくは２ｍｍで、良好な接合結果が得られた。
【００２０】
本発明を、概略的な図面に示した例示的実施形態を参照して以下に説明する。図面、以下の説明、及び特許請求の範囲には、組み合わされた多くの特徴が含まれている。また、当業者であれば、好適にこれらの特徴を個別に考慮して、それらから別の適した組合せを形成するであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
図１ａによれば、軸１、たとえばクランク軸が、円板状部材、たとえば接続フランジ２を有する駆動ギヤのハブ部分に接合されている。接続フランジ２の前側及び後側の端部の拡張部によって、クリアランス高さ１０、１０’を有するそれぞれ画定された間隙４、４’が、接合部位３の前後に設けられる。軸１と接続フランジ２との組み立て状態においては、これらの間隙４、４’は環状の空洞部を形成する。軸１と接続フランジ２との半径方向の重ね代５は、たとえば２ｍｍである。摩擦溶接によって、加熱され軟化した材料は、接合部位３から漏出しようとするが、間隙４、４’によって半径方向への漏出が防がれる。このことにより軸１と接続フランジ２との間の結合域８がもたらされ、この結合域８の有効幅１１’は、接合部位３において接続フランジ２に当初に設けられたウェブ１２の幅１１と比べて拡張されている。一段接続フランジの接合部位の構造は、図２に示されている。摩擦溶接の後、接合部位の材料の突出部すなわちはみ出し部６、６’が得られ、この突出部すなわちはみ出し部６、６’は、たとえば摩擦溶接の後、曲面部７、７’を得るために機械加工される。
【００２２】
図３は、二段接続フランジ２を示している。軸１と接続フランジ２との間の、接合部位３、３’の前後に、それぞれ間隙４、４’、４”が軸方向に設けられる。摩擦溶接の際に軟化した材料が両方の接合部位３、３’から浸入して来る間隙４’は、接合部位３から移動される材料が接合部位３’からの材料流れに悪影響を与えないように、その高さ及び長さを寸法決めされる。この例示的実施形態では、ハブ部分の二段接続フランジ２は半径方向のアンダカットを全く備えず、接合部位３、３’を形成するのに必要なアンダカット９、９’、９”は全て軸１に設けられる。
【００２３】
本発明による接合部位構造は、たとえば、クランク軸の駆動ギヤへの接合の際に用いられる。
【００２４】
駆動ギヤのハブ部分の接続フランジ２を有する、自動車のクランク軸１の複合工作物を製造するために、まず最初に駆動ギヤのハブ部分と接続フランジとを備えた一体型ハブユニットが製造される。クランク軸とハブユニットの接続フランジとの間の、設けられた接合部位の前後に、それぞれ画定された間隙が設けられ、この間隙は、摩擦溶接によるクランク軸と接続フランジとの続いて起こる接合の際に軟化した材料が広がるのを防ぐ。
【００２５】
軸に面したハブ部分の領域を機械加工するために、段付き工具が用いられ、ハブの内部の機械加工は、単一プロセス工程で単一工具によって行われる。
【００２６】
たとえば、摩擦溶接の際の、駆動ギヤに設けられた焼入れした歯状機構の焼なましを回避するために、摩擦溶接の際に駆動ギヤを冷却してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１ａ】一段接続フランジを備えた軸／円板状部材複合工作物を示す図である。
【図１ｂ】一段接続フランジを備えた軸／円板状部材複合工作物を示す図である。
【図２ａ】一段接続フランジの接合部位の構造を示す図である。
【図２ｂ】一段接続フランジの接合部位の構造を示す図である。
【図２ｃ】一段接続フランジの接合部位の構造を示す図である。
【図３】二段接続フランジを備えた軸／円板状部材複合工作物を示す図である。
【図１ａ】
2007533456.tif 000003
【図１ｂ】
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【図２ａ】
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【図２ｂ】
2007533456.tif 000006
【図２ｃ】
2007533456.tif 000007
【図３】
2007533456.tif 000008
【手続補正書】
【提出日】平成17年5月18日(2005.5.18)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
摩擦溶接によって、ハブ部分の接続フランジ（２）に軸（１）を接合するための軸／ハブ複合工作物のための接合部位構造であって、
前記軸（１）と前記ハブ部分の接続フランジ（２）との間の、接合部位（３）の前後に、それぞれ画定された間隙（４、４’）が設けられ、同間隙（４、４’）は、前記摩擦溶接の際に軟化した材料が広がるのを防ぎ、前記間隙（４、４’）の高さは、前記複合工作物が、前記接合部位（３）の前後に、前記接合部位（３）において前記接続フランジ（２）に当初に設けられたウェブ（１２）の幅と比べて拡張された結合域（８）を有するように寸法決めされることを特徴とする接合部位構造。
【請求項２】
６ｍｍの摩擦長さ及び１．５ｍｍの間隙距離において、前記結合域（８）の軸方向の延在範囲が１０ｍｍであることを特徴とする請求項１に記載の接合部位構造。
【請求項３】
前記ハブ部分が、アンダカットを備えていない二段接続フランジ（２）を有していることを特徴とする請求項１〜２のいずれか一項に記載の接合部位構造。
【請求項４】
前記軸（１）がアンダカット（９、９’、９”）を備えていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の接合部位構造。
【請求項５】
前記軸（１）及びハブ部分が、異なる材料から構成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の接合部位構造。
【請求項６】
前記接合される構成部品（１、２）が、１．５〜２．５ｍｍの範囲内の半径方向の重ね代（５）を有していることを特徴とする請求項１１に記載の接合部位構造。
【請求項７】
クランク軸が、駆動ギヤに接合されることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の接合部位構造の使用。
【請求項８】
軸（１）、特に自動車のクランク軸を、駆動ギヤのハブ部分の接続フランジ（２）に接合する方法であって、
軸（１）と接続フランジ（２）との間の、接合部位（３）の前後に、それぞれ画定された間隙（４、４’）が設けられ、同間隙（４、４’）は、摩擦溶接による軸（１）と接続フランジ（２）との続いて起こる接合の際に軟化した材料が広がるのを防ぎ、動圧を発生させ、動圧の発生により前記間隙（４、４’）に送り込まれる材料の密度が高くなることを特徴とする方法。
【請求項９】
前記駆動ギヤが、前記摩擦溶接の際に冷却されることを特徴とする請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記ハブ部分が、アンダカットを備えずに製造され、二段接続フランジ（２）を形成するのに必要な前記アンダカット（９、９’、９”）が、前記軸（１）に製造されることを特徴とする請求項８あるいは９に記載の方法。
【請求項１１】
前記ハブ部分を製造するのに段付き工具が用いられ、前記ハブの内部の機械加工が一プロセス工程で行われることを特徴とする請求項８〜１０のいずれか一項に記載の方法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００１】
本発明は、請求項１及び８の前段に記載の、接合部位構造とその製造方法とに関する。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００８】
上記目的は、本発明によれば、請求項１及び８の特徴によって達成される。有利な形態は従属項から推測され得る。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００９】
本発明によれば、軸／ハブ複合工作物の接合部位構造、特に摩擦溶接によって駆動ギヤのハブ部分の接続フランジに軸を接合するための接合部位構造は、軸とハブ部分の接続フランジとの間の、接合部位の前後に、画定された間隙が設けられ、この間隙が摩擦溶接の際に軟化した材料が広がるのを防ぐように設計され、間隙の高さは、複合工作物が、接合部位の前後に拡張された結合域を有するように寸法決めされる。
【手続補正書】
【提出日】平成19年6月7日(2007.6.7)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項６】
前記接合される構成部品（１、２）が、１．５〜２．５ｍｍの範囲内の半径方向の重ね代（５）を有していることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の接合部位構造。
【国際調査報告】
2007533456.tif 000009
2007533456.tif 000010
2007533456.tif 000011
2007533456.tif 000012