METHOD OF PRODUCING AN AXIALLY SYMMETRICAL HOLLOW SHAFT

Abstract: Within the spindles made of several parts (1, 2) assembled for the construction of machines, engines and gear boxes, there is provided within the spindle a sealed chamber (4, 5) which is symmetrical in rotation. Parts (1, 2) are obtained through creep extrusion and welded together approximately in their radial plane. This bond may be achieved by means of friction welding, electron bombardment welding, arc welding, shrink ring fitting, force fitting or caulking. The lightening and the facilitation of the manufacture as well as the strength of the spindles are thereby achieved, in particular for the spindles having extremities with decreasing diameters and for which conventional processes produce a considerable amount of worthless turning chips or similar.

Description: AUS MINDESTENS ZWEI TEILEN ZUSAMMENGESETZTE DREHWELLE FUER DEN MASCHINEN-, MOTOREN- UND GETRIEBEBAU UND VER FAHREN ZU DEREN HERSTELLUNG Die vorliegende Erfindung betrifft eine aus mindestens zwei Teilen zusammengesetzte Drehwelle für den Maschinen-, Motoren- und Getriebebau mit Hohlraum sowie ein Verfahren zu deren Herstellung. Im Maschinen-, Motoren- und Getriebebau werden normalerweise Vollwellen benützt. Im Flugzeugmotorenbau, wo das Leistungsgewicht eine sehr grosse Rolle spielt, ist man schon frühzeitig zu ausgedrehten Hohlwellen übergegangen, beispielsweise bei den bekannten Hirtmotoren, wobei die ausgedrehten Hohlwellenteile durch Verschraubung verbunden wurden. Es liegt aber auf der Hand, derartige Wellenteile auch zusammenzuschweissen, um sie anschliessend zu vergüten. Es ist ferner bekannt, rotationssymmetrische Gebilde, beispielsweise in Form einseitig offener Wellen, durch Fliesspressen herzustellen, ein Verfahren, welches nicht nur sehr genau ist und daher nur geringe Bearbeitungszugaben verlangt, sondern zudem relativ billig. Auch erlaubt es eine Formgebung der Hohlräume, welche gefährliche Spannungskon#zentrationen und Spannungsspitzen durch entsprechend feine Uebergänae bei Durchmesseränderungen vermeidet. Es besteht insbesondere im Maschinen-, Motoren- und Getriebebau die Nachfrage nach gewichtsmässig leichten, leicht herzustellenden, festigkeitsmässig jedoch sicheren Wellen, insbesondere auch von Wellen, welche gegen ihre Enden hin im Durchmesser kleiner werden und bei welchen der Totalmaterialeinsatz nicht zu einem merklichen Teil in wertlosen Drehspänen oder dergleichen anfällt. Diese Aufgabe löst die vorliegende Erfindung, indem sie sich dadurch auszeichnet, dass die Teile fliessgepresst und mindestens annähernd in Radialebenen unzerlegbar miteinander verbunden sind. Das erfindungsgemässe Verfahren zum Herstellen einer Drehwelle ist dadurch gekennzeichnet, dass man Teile mit offenen Hohlräumen fliesspresst und diese unter Bildung des geschlossenen Hohlraumes miteinander unzerlegbar vereint. Die Erfindung wird anschliessend anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen jeweils in Längsschnitten durch die Drehachsen: Fig. 1 zwei Hälften einer beidseitig sich nach -den Enden hin verjüngenden, abgesetzten Hohlwelle ! welche durch an und für sich bekanntes Fliesspressen hergestellt sind, Fig. 2 die beiden Hohlwelienteile nach Fig. 1, nach dem Zusammenschweissen mittels Reibschweissung, Fig. 3 zwei andere Wellenteile nach dem Fliesspressen vor dem Reibschweissen, Fig. 4 die Welle nach dem Verbinden der beiden Teile nach Fig. 3 durch Reibschweissung, Fig. 5 eine Vollwelle ananlog der Hohlwelle nach Fig. 2, Fig. 6 eine weitere Vollwelle, deren dünnere Partie zwischen zwei grösseren Durchmessern liegt, C = Materialabfall, wenn Welle fliessgepresst, Fig. 7 eine Vollwelle bekannter Ausführung, mit grösstem Durchmesser am einen Ende, Fig. 8 eine Welle nach Fig. 7, jedoch mit geschlossenem Hohlraum, Fig. 9 und 10 Wellenhälften, als Hohlkörper fliessgepresst, vorbereitet für Verbindung zu einer Welle nach Fig. 8, Fig. 11 eine Vollwelle mit zwei abgesetzten Partien zwischen grösseren Druchmessern, C = Materialabfall, wenn Welle fliessgepresst, Fig. 12 eine Welle analog Fig. 11, jedoch mit geschlossenem Hohlraum, Fig. 13, 14 und 15 Wellenteile als Hohlkörper fliessgepresst, vorbereitet für eine Verbindung zu einer Welle nach Fig. 12, Fig. 16 eine weitere Vollwelle mit unterschiedlichen Durchmessern, Fig. 17 und 18 fliessgepresste Hohlkörper-Wellenteile als Bestandteile der in Fig. 19 9 in Hohlwelle-Ausführung gemäss der Erfindung hersgestellten Welle nach Fig. 16, Fig. 20 eine andere Vollwelle herkömmlicher Bauart, Fig. 21 und 22 die fliessgepressten Hohlkörper-Wellenteiler die zu der in Fig. 23 hergestellen erfindungsgemässen Hohlwelle gleicher Aussenabmessungen zusammengefügt sind, Fig. 24 eine letzte Vollwelle bekannter Form, Fig. 25 und 26 die gemäss der Erfindung hergestellten Hohlkörper-Wellenteile, die zu der in Fig. 27 im Schnitt gezeigten Hohlwelle miteinander verbunden werden. In Fig. 1 sind zwei Hohlwellenteile 1 und 2 ersichtlich, mit Hohlräumen 4 und 5 und Drehachsen 7 und 8. Die Hohlräume 4 und 5 sind durch Stufen 10 und 11 abgesetzt. Die beiden Hohlwellenteile 1 und 2 sind auf bekannte Art durch Fliesspressen hergestellt. Die Genauigkeit dieser Teile ist sehr gross und die Material zugabe daher für die Fertigbearbeitung klein. Die Hohlräume 4 und 5 sind bezüglich Drehachsen 7 und 8 sehr genau symmetrisch. Die beiden Hohlwellenteile 1 und 2 sind durch Reibschweissung, ein ebenfalls in den letzten Jahren bekanntgewordenes Verfahren, zu einer Welle 13 vereinigt. Die Reibschweissnaht 15 ist in Fig. 2 dargestellt und der Gesamthohlraum 16, normalerweise glüssigkeits- oder gasdicht, ergibt eine wesentliche Gewichtsersparnis bzw. Materialersparnis gegenüber bekannten derartigen Wellen. Natürlich entspre chen die Wanddicken den mechanischen und thermischen Beanspruchungen. Ein anderes Ausführungsbeispiel, bei welchem die zwei Wellenteile 20 und r21 nicht symmetrisch ausgebildet sind, zeigt Fig. 3, während Fig. 4 die fertige Welle 23 mit der Reibschweissnaht 24 veranschaulicht. Solche Hohlwellen sind bis zu 50 % leichter als festigkeitsmässig gleichwertige Vollwellen. Die vorliegende Erfindung ist insbesondere interessant, weil sie gestattet, durch Fliesspressen auch Wellen herzustellen, welche bezüglich Durchmesser gegen ihre Enden oder gegen eines ihrer Enden hin stark verjüngt sind, was das Einbringen von Hohlräumen in anderer Weise äusserst schwierig gestaltet. Es ist grundsätzlich auch möglich, anstelle der billigen Reibschweissung die Teile - es können auch mehr als zwei sein - eines derartigen rotationssymmetrischen Gegenstandes durch Widerstands-Stumpfschweissung miteinander zu verbinden. Auch eine Verbindung der einzelnen Hohlwellenteile mittels Elektronenstrahl-Schweissung ist möglich. Es hat sich gezeigt, dass ausschliesslich im Fliesspressverfahren derartige Hohlteile mit so grosser Genauigkeit wirtschaftlich hergestellt werden können, dass am fertigen Teil keine untolerierbaren Verschiebungen der Schwerpunktslage entstehen. Die normalerweise hermetisch nach aussen abgeschlossenen Innenräume geben die Sicherheit, dass keine Verunreinigungen, wie Zunderteile, Abbrandteile u. dgl. im späteren Betrieb in die Maschine bzw. den Motor oder das Getriebe gelangen können. Der Raum kann sich auch nicht von aussen mit Oel füllen, was auch bezüglich einzufüllender Oelmenge einen Vorteil bietet. Das durch Fliesspressen wegen des Hohlraumes eingesparte Materialvolumen ergibt eine sehr wesentliche Reduktion des Materialeinsatzes und damit eine entsprechende Verbilligung des ganzen Teiles. Wie die Figuren 3 und 4 zeigen, erlaubt das beschriebene Verfahren auch die Herstellung von Wellen, welche zwei Abschnitte mit grösseren Durchmessern und dazwischenliegendem Abschnitt mit keinerem Durchmesser aufweisen. Diese relativ häufige Wellenform kann im Kaltfliess-Pressverfahren nur mit erheblicher Materialanhäufung an der Stelle der Verdünnung hergestellt werden. Das neue Verfahren erlaubt es, diesen Nachteil auszuschalten. Die Fig. 5 bis 27 zeigen weitere Formbeispiele von Vollund Hohlwellenausführungen. Die erfindungsgemässen Wellen weisen folgende Vorteile auf: 1. Gewichteinsparung durch Anbringen eines in sich ge schlosseneri Hohlraumes im Inneren von bisherigen vol len Wellen. 2. Herstellungsverfahren durch a) Fliesspressen von zwei oder mehreren Teilen mit einseitigen Hohlräumen, b) Zusammenfügen der Teile nach a) durch Reibschweis sen. 3. Möglichkeit der rationellen Formgebung des #ohlraumes beim Fliesspressen mit den Vorteilen: Die Form des Hohlraumes kann. der Aussenform folgen und ergibt dadurch optimale Gewichtseinsparung bei optima len geometrischen Formen für polare und axiale Träg heitsmomente, geringste Einbusse an Verdreh- und Biege festigkeit. Günstige Uebergänge bei Durchmesserwechsel und dadurch Vermeidung von Kerbwirkung. Ununterbrochener Faserverlauf längs des Teiles über alle Stufen hinweg. Die Verwendung von hohlen statt vollen Teilen insbesondere Wellen und Achsen des Antriebssystems von Fahrzeugen ermöglicht wesentliche Reduktionen der Fahrzeug-Masse, ohne dass an diesen Teilen eine wesentliche Reduktion der mechanischen Beanspruchung durch Biegung oder Verdrehung in Kauf genommen werden muss. Die meisten der angeführten Teile weisen an beiden Enden stark verdünnte Zapfen auf. Die Hohlräume können daher nicht durch spanabhebende Bearbeitung hergestellt werden. Wo dies aus konstruktiven Gründen noch möglich wäre, kommt die spanende Bearbeitung aus Kostengründen nicht in Frage. Das erfindungsgemässe Verfahren ermöglicht dagegen die wirtschaftliche Herstellung dieser Teile, wobei folgende Vorteile ausgenutzt werden können: 1. Die einseitig oder durchgehend offenen hohlen Einzel teile lassen sich im Kaltfliesspressoder ähnlichen Verfahren vor dem Schweissen wirtschaftlich herstellen. 2. Die Form des Hohlraumes im Fliesspress-Verfahren kann der Aussenform ohne Schwierigkeiten angepasst werden. Dadurch entstehen an der Uebergängen verschiedener Querschnitte optimale Spannungsverhältnisse. 3. Bei der Herstellung der einzelnen Teilstücke für eine Hohlwelle ist es dank dem vorgeschlagenen Fliesspress verfahren möglich, die Hohlräume in die relativ lan gen Schaftpartien auszudehnen, ohne die Wirtschaft lichkeit des Verfahrens in Frage zu stellen. Damit kann eine optimale Gewichtseinsparung erzielt werden. 4. Im Fliessgussverfahren können die Stufen bei den Ueber gängen verschiedener Durchmesser in Bezug auf den Uebergang der Fliesslinien so gestaltet werden, dass keine die Dauerfestigkeit des Teiles beeinträchti gende Spannungskonzentration entsteht. 5. Im Fliesspressverfahren kann die Toleranz der Konzen trizität zwischen Hohlraum und Aussenform so gering ge halten werden, dass keine störenden Unwuchtkräfte ent stehen. Dank der erzielbaren geringen Abweichung der Wandstärken entstehen beim Abschrecken aus der nachfol genden Einsatzhärtung keine untolerierbaren Härtever züge. 6. Das im Hohlraum eingesparte Material ergibt eine we sentliche Reduktion der Rohmaterialkosten, welche auch die in gewissen Fällen bei Verfahren nach Patent even tuell in Kauf zuvnehmenden Mehrkosten mehr als kompen siert. 7. Teile mit Einschflürtingen wie z.B. die Vorgelegewelle nach Fig. 6 und Fig. 11 konnten bis jetzt auch als Vollteil im Kaltfliesspress-Verfahren nicht wirtschaft lich hergestellt werden, da ein in zwei Ebenen teil bares Gesenk notwendig wäre, oder teures unnötiges Roh material an den Stellen A und B in Fig. 6 und Fig. 11 zerspant werden müsste. 8. Relativ dünne Zapfen an einem oder beiden Enden der Wellen konnten bisher bei einteiliger Voll-Ausführung nur mit Mehrkosten bei der Formgebung und bei der Zer spanung hergestellt werden. Bei der Herstellung aus zwei oder mehreren Hohlteilen ist dieses Problem ein fach und ohne Mehrkosten lösbar. 9. Bei der Herstellung von Teilen mit komplizierten For men z.B. Wellen mit dünnen Schäften und grossen Flan schen entstehen bei der Formgebung Probleme wegen des Materialflusses zu sehr kleinen und sehr grossen Durch messern, die in extremen Fällen gar nicht oder nur mit erheblichen Mehrkosten bewältigt werden können. Diese Schwierigkeiten werden bei dem Verfahren nach Patent aufgehoben, da durch Zerlegen des herzustellenden Tei les in zwei oder mehrere Einzelteile die kritischen Querschnittübergänge vermieden werden. Die wirtschaftliche Anwendungsmöglichkeit für fliess gepresste Teile wird damit wesentlich erweitert. 10. Beim Kaltfliesspressen von vollen Wellen fliesst die Material-Mengentoleranz des Ausgangs-Rohlings in das dünne Ende der Welle. Da dieser Querschnitt relativ klein ist, entsteht eine nicht akzeptierbare Längen Toleranz am fertig gepressen Teil, welche durch eine zusätzliche Operation abgeglichen werden muss. Bei der Herstellung nach Patent entsteht diese Toleranz an der Schweissstelle und kann durch entsprechende Steuerung des im Patent vorgeschlagenen Schweissvorganges auf das verlangte Mass ohne Mehrkosten reduziert werden. 11. Der durch das Zusammenschweissen erzeugte flüssigkeits und gasdichte Hohlraum ist nach aussen hermetisch ge schlossen. Dadurch entfällt eine Bearbeitung oder Rei nigung nach dem Verschweissen zur Entfernung von Zun der und Rückständen.

Claims: PATENTANSPRUECHE 1. kusmindestens zwei Teilen zusammengesetzte Drehwelle für den Maschinen-, Motoren- und Getriebebau mit Hohl raum, dadurch gekennzeichnet, dass die Teile fliessge presst und mindestens annähernd in Radialebenen unzer legbar miteinander verbunden sind. 2. Drehwelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Teile durch Reibschweissung, Elektrodenstrahl Schweissung, Lichtbogen-Schweissung, durch Schrumpf sitz, Pressitz oder Verstemmung miteinander verbunden sind. 3. Drehwelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlraum rotationssymmetrisch ist. 4. Drehwelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlraum geschlossen und vorzugsweise mindestens flüssigkeitsdicht ist. 5. Verfahren zum Herstellen einer Drehwelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass man Teile mit offenen Hohlräumen fliesspresst und diese unter Bildung des ge schlossenen Hohlraumes miteinander unzerlegbar vereint. 6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Teile durch Schweissung, insbesondere Reibschweis sung oder Widerstands-Stumpfschweissung miteinander verbunden werden.

Inventors: SCHLATTER, WALTER
Applicants: LANZ INDUSTRIE-TECHNIK AG
Application year: 1981
Main classification: B21K1
IPC codes: F16C3, B21K1