专利名称：具有至少一个配重的空心轴及其加工方法，其中至少一个配重通过钎焊固定在空心轴上的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于使至少一个配重固定在空心轴的至少一个位置上的方法以及一种相应的空心轴。
背景技术：
在这里所述形式的旋转对称的、旋转的空心体或者说空心轴、尤其是液动转矩变换器的空心轴或外壳例如汽车生产中的驱动轴由于加工具有一定的不平衡，它必需通过局部有针对性地固定按照重量进行补偿的配重、大多以金属薄板带的形式补偿。
这些配重至少在批量生产时一般电阻地焊接，因为这种焊接可以快速地、以微小以及小的设备费用且工艺安全地进行。但是这种焊接方式要求轴在配重的固定位置上具有高的结构强度，由此焊接电极可以使配重以所需的高作用力压向空心轴，而本身不顶压空心轴的圆柱形壁体。
此外通过熔融焊接工艺例如电阻焊接、激光焊接或WIG焊接产生所谓的“冶金刻槽(metallrugische Kerben)”。“冶金刻槽”指的是产生基材的局部相对清晰划界的硬化，它由于超过液相线通过后面的自动淬火在焊接过程期间构成。这种局部硬化在以后使用这种空心轴时经常是造成部件失效的原因，因为它不能承受动态负荷。
因此空心轴由于焊接工艺的热影响导致构件强度的局部削弱，它是已补偿的部件失效的最经常的原因。此外要考虑到，在空心轴上只能尽可能地固定微少的这种配重，用于使这种平衡过程的技术费用保持尽可能地少。
此外由于作为轻金属轴(例如包括铝、镁等)的新的空心轴结构方案产生这种要求，必需接合不同的材料。这一点通过上述的常见焊接工艺只能极其有条件地实现。对此的原因结合空心轴列出，所述空心轴包括铝合金、例如本身构成的氧化层。
此外已知(对于塑料空心轴)致力于使配重通过粘接接合。但是目前还不能实现，这个方法正好对于批量生产工艺可靠地这样设计，使得可以保证空心轴配重的持久固定。尤其是存在这个危险，所使用的粘接剂对于空心轴的高使用温度和/或高的旋转速度不能持久地固定配重。此外所需的硬化时间通常相对较长并且不对应于批量加工的要求。
发明内容
由此提出本发明的目的是，给出用于将至少一个配重固定在空心轴的至少一个位置上的改进的方法。在此避免或者说至少部分地减少在现有技术中已知的技术问题。此外要给出一种空心轴，它尤其适用于汽车的驱动系统。
这个目的通过用于将至少一个配重固定在空心轴的至少一个位置上的具有权利要求1特征的方法以及具有权利要求11特征的空心轴得以实现。本方法以及空心轴的有利结构方案在对应独立的权利要求中描述。在此要指出，在权利要求中描述的各个技术特征可以以任意的、技术上有意义的方式相互组合并且导致本发明的其它实施方式。
按照本发明的用于将至少一个配重固定在空心轴的至少一个位置上的方法的特征是，使至少一个配重通过钎焊固定在至少一个位置上。关于“钎焊”理解为一种接合工艺，它尤其包括使金属材料通过熔化的添加料(焊料)连接，其中这种焊料的熔点位于两种接合体材料(在这里是空心轴和配重)的熔点以下。这种方法有利的是，因为它也能够简单地集成到批量加工里面并且能够对于配重和/或空心轴的特性没有重要影响地实现所期望的连接。尤其是由于相对低的工作温度避免组织损伤或回火(Anlassung)。
原则上对于接合工艺在软钎焊与硬钎焊之间的钎焊是不同的。在软钎焊时焊料例如在450℃以下熔化，在硬钎焊时焊料在约450℃至800℃的范围熔化。因此使用这种接合工艺也使得空心轴不变形或者只非常微小地变形。此外不存在冶金刻槽(局部相对清晰划界的硬化)。
按照本发明使用钎焊工艺将配重接合到空心轴上与已知的焊接工艺相比尤其确定下列的差别-在钎焊时只以约300℃进行表面的短时络合(Vernetzung)，而焊接需要各个组分的熔化温度以上的表面熔化，对于钢约为1600℃(例如从0.2mm直到超过整个壁厚的深度)。通过钎焊对空心轴微少的热影响避免空心轴组织中的局部硬化以及避免由于收缩应力形成裂纹的危险。
-在钎焊过程期间只需非常微小的定位力。在焊接时必需使用相对较高的顶压力，它们可能导致机械缺陷。
-钎焊能够实现不同材料的无氧化接合。
-可以不损坏空心轴地再去除钎焊连接。由此首次实现配重可(再)解除的固定。这一点例如在这种空心轴的再利用性方面具有重要的优点。此外能够经济地修正平衡和/或装配故障。
通常不能任意地在某个位置上使至少一个配重固定在空心轴上。至少一个位置的认定可以通过常见的方法确定，它们对于本领域普通技术人员是公知的。因此在此无需详细描述这个方法步骤。根据空心轴的类型或者说其结构的形式需要将多个配重固定在这种空心轴的表面上。因此例如在所谓的一体结构中设有2个平衡面，在其中安置配重。对于两体的结构(具有中间层)设有3个平衡面而对于三体结构(具有两个中间层)设有4个平衡面。可以逐个地或者也至少部分同时地实现多个配重的固定。通常在时间上错开地实现在不同平衡面上的固定，因为每个单个的配重在平衡面中必需以0-360°的对应平均的梯度定位。
按照本方法的另一结构方案，使至少一个配重通过软钎焊固定。通过使用软钎焊接合工艺进一步降低在固定过程期间由于温度影响产生的空心轴或者说配重的应力。同时需要更短的加热时间，由此能够非常节省时间并因此节省成本地使平衡板固定在空心轴上。
与此相关特别有利的是使所述空心轴在至少一个位置上在钎焊期间不超过瞬时的最高温度450℃。甚至优选更低的最高温度，尤其250℃至330℃的范围。
还建议，为此使用没有焊剂的焊料。对于没有焊剂的钎焊工艺可以优选使用活性焊料。对于软钎焊优选使用锡基或锌基焊料。因此例如可以使用下面的软焊料-第一种软焊料以锡(Sn)为基础并且还至少包括组成部分银(Ag)和钛(Ti)，其中优选在240℃至260℃的钎焊温度范围中使用这种焊料。
-第二种软焊料以锌(Zn)为基础并且还至少包括组成部分银(Ag)和铝(Al)，其中优选在420℃至450℃的钎焊温度范围中使用这种焊料。
适宜选择的焊料例如可以以粉末或薄膜涂覆。优选的解决方案是使用焊料膜(例如约0.2mm厚)，它以有利的方式在批量加工中以相应宽度的卷轴提供。也可以有利地加工焊料液和/或焊料球、焊料丝或焊料颗粒。
使金属表面去除其氧化层的焊剂具有许多化学物质，它们对于健康和/或环境具有不利的影响。因此在批量加工范畴中正好特别有利的是，通过焊料但是没有焊剂地实现配重的固定。另一优点尤其是，由于使用无焊剂的焊料不再产生由于焊剂残留物引起的腐蚀，无需对构件清洁焊剂残留物并且焊料尤其是无重金属且必要时是可回收的。
但是为了保证在配重与空心轴之间的高级的钎焊连接，例如可以有利地使要在其上固定配重的位置在前置的加工步骤中去除氧化层。因此为了使在要被钎焊的空心轴表面上构成的氧化层断开在无焊剂钎焊之前在焊料与空心轴之间实现相对运动。为此可以例如可以使焊料、预涂焊料的配重和/或空心轴激励振动。此外也可以通过其它措施机械地去除或者说减少硬化层。在此例如可以使用磨削设备、尤其是带式磨削设备。由此至少使所期望的钎焊位置部位磨削地去除硬化层。
此外也可以在特殊的应用场合中或者说由于特殊的空心轴材料在用于避免形成新的氧化的保护气体下实现钎焊过程。因为这种方法变型方案在成本上是昂贵的并且与明显的技术费用相关，因此(尤其在批量加工范畴中)应该尽可能地放弃使用。
按照本方法的有利改进方案在至少一个位置上钎焊过程的持续时间不长于3秒，尤其是少于1.5秒或者甚至少于1秒。优选使钎焊过程的持续时间总体上对于所有的配重不长于20秒或者甚至只15秒。由此能够实现所谓的“在线生产”，因此不必从加工线或者说平衡过程中取出构件。
也建议，在钎焊期间将接合力向着空心轴施加到至少一个配重上，该接合力小于2000N[牛顿]并且优选位于50N至150N。接合力的这种限制一方面保证给出空心轴与焊料或者说焊料与配重的内部接触，由此产生持久的接合连接。同时也保证，配重和/或空心轴不变形。这一点尤其适用于例如壁厚小于2.0mm的薄壁空心轴。
也特别有利的是，使至少一个配重至少首先配有焊料并接着固定在空心轴上。其优点例如是，可以通过简单的方式使焊料定位在空心轴上，即直接与配重接触。由此可以避免使焊料同时相对于空心轴和配重定向。这进一步缩短用于使配重固定在空心轴上的时间间隔。
例如可以通过焊料膜通过钎焊、形状配合连接或传力配合连接实现焊料在配重上的预涂焊料或者说预固定。如果涉及一种焊料液，则可以使焊料液例如在约250℃温度时涂覆、尤其是喷洒在预热的配重上。
在构成钎焊连接时一般致力于尽可能点状的钎焊，因为它以后在使用空心轴期间导致最小的剪应力。尽管如此全表面钎焊也可能是有利的，例如为了避免缝隙腐蚀。
此外这公开了这种方案，使配重本身在质量方面变化。为此建议，在空心轴上固定许多配重并且在配重上设有至少局部不同的焊料量。这意味着，焊料在这种情况下不仅承担空心轴与配重之间的接合措施的功能，而且也本身局部地承担配重的功能。这能够以确定的误差范围一致地加工配重，其中最终精确提供的配重通过配重与焊料的重量的加和并在接合过程期间设定。这降低了在批量加工范畴中所需的配重方面的局部费用。但是尤其在成本方面要注意，优选事先根据配重的结构方案选择焊料。在此这样确定焊料量，使所有配重的接合技术连接可以承受接近相同大小的剪切力或者说离心力。
按照本方法的另一结构方案为了钎焊使用下面热源中的至少一个热源感应器，对流器。在此感应器指的是按照焦耳电阻加热原理起到自加热结构部件的热源。对流器包括加热面，它们以其它的非电的方式加热并给出热量。对于在其上要固定配重的空心轴的每个位置优选设有一个独立的热源，用于能够非常快速地进行接合过程。但是对于某些应用也有利的是，使单个的热源加热至少多个位置。原则上与此相关要指出，使热源只通过一个分部件(配重、空心轴)导入。作为用于钎焊工艺的热源尤其可以使用下面的措施中的至少一个措施电弧(等离子、钨极氩弧焊(WIG)、...)；电阻；电烙铁；摩擦(高频摩擦(超声的)、端面摩擦(Stirnreiben))；感应；激光辐射(二极管、钕-钇铝石榴(Nd-YAG))；气体火焰；热空气；红外光。
按照本方法的另一结构方案至少在设备中进行空心轴的平衡并且进行至少配重的钎焊。也优选在这个设备中进行表面处理(例如去除空心轴上的氧化层)。在此特别有利的是，在为了平衡置于旋转的空心轴制动期间使摩擦带或者大致类似部件在平衡面处至少部分地接触表面。紧接着可以选择所需的焊料量或者说相应的配重，相对于空心轴定位并接着与空心轴钎焊。对于按照平衡设备静止状态涂覆配重的过程例如需要少于15秒。接着使空心轴再一次置于旋转，用于检验配重的作用方式。
此外按照本发明建议按照上述方法加工的空心轴，它具有至少一个下面的参数-直径(8)，在40至100mm范围内；-壁厚(9)，在1.0至3.0mm范围内；-长度(10)，在300至2000mm范围内。
对于在这里所建议的加工方式可以使壁厚由于更微少的热影响降低到1.0至2.0mm，其中保持相同的空心轴功率。
在这里给出的空心轴例如用于传递扭矩并且在其使用期间以直到8000l/min或者甚至12000l/min[每分钟多少转]的转速运行。在此传递直到5000(静态)Nm[牛顿米]范围内的转矩。这些空心轴尤其用于后驱动汽车(例如大型轿车、小运输车、有篷货车(Van))的纵轴。此外这些空心轴例如用于风力设备、工具设备或其它驱动杆。这样加工的空心轴通常在使用中至少以3000l/min的转速旋转。在这种高负荷的薄壁空心轴中特别重要的是，保证配重的持久固定，因为在使用期间的脱离将导致配重以非常高的速度给到周围环境，其中可能碰到周围的构件或者说人员。通过上述的钎焊连接固定方式避免这一点。
按照空心轴的结构方案所述空心轴包括钢材料并且具有直到1000N/mm2范围内的平均抗拉强度。对于空心轴包括轻金属材料的情况这个空心轴例如在铝空心轴的情况下优选具有290至700N/mm2范围内的平均抗拉强度并且例如在钛空心轴的情况下优选具有直到1700N/mm2的抗拉强度。在这里给出的不同空心轴结构方案的平均抗拉强度或者说硬度能够在特别长的使用时间上传递转矩、尤其是在上述的转矩范围内。同时这样设计空心轴，使得它承受高的动态交变负荷。因此长形的、薄壁构件满足高的要求，尤其是因为在固定负责少振动的旋转运行的配重时不产生空心轴局部范围的削弱。
此外还建议，至少一个配重具有至少7.0g/cm3[每立方厘米多少克]的密度。作为配重优选使用由钢或铜制成的平衡板。相对高密度的优点是，只需将微少或者说相对较小构成的配重固定在空心轴上。此外这些小的配重是形状稳定的并且可以更加点状地接合。由此不仅节省材料而且节省接合时间。尤其是对于配重优选至少一种下列材料铁(7.3g/cm3)、铜(8.9g/cm3)、锌(7.1g/cm3)或钨(19.25g/cm3)。
按照空心轴的另一结构方案，至少一个配重具有不超过3.0mm[毫米]的高度。优选所有配重具有相同的高度。这一点与相应适配的钎焊面相结合的结果是，在焊料上产生基本相同的重力并因此对于所有的配重可以保证相近的安全性标准。
尤其是通过在这里所述的发明、但是原则上也与其无关地建议一种包括金属材料和至少一个配重的空心轴，其中对于空心轴和至少一个配重规定无损坏的、可重复拆卸的接合技术的连接。这种连接尤其是钎焊连接。无损坏的、可重复拆卸的接合技术的连接能够优选由于温度作用再拆开，尤其是在200℃至400℃的温度范围里面。与此相关“无损坏”尤其意味着，在空心轴的表面上没有(对于空心轴的要求)重要的机械作用，也优选不出现空心轴材料接合的重要变化。由此对于这种空心轴提供维修和再利用的可能性。
此外还建议，所述空心轴与至少一个配重的钎焊连接具有100至140N/mm2[每平方毫米●牛顿]范围内的钎焊抗拉强度。这个数值能够通过常见的拉力试验确定，其中这个试验以本领域普通技术人员公知的方式在室温下进行。这种钎焊抗拉强度保证在高旋转速度和例如直到5000N/m范围内的转矩传递时持久地使用。
有利地使至少一个这样的空心轴在汽车的驱动系统中使用。具有这种驱动系统的汽车例如也可以在郊野置于特别极端的行驶状态，而不必担心配重与空心轴脱离。在固定配重时更少的空心轴热应力最终导致明显增加的使用寿命。同时对于汽车也能够实现节省时间和成本的加工方法。
下面借助于附图详细描述本发明以及技术领域。在此要指出，附图示出特别优选的实施例，但是本发明不局限于这些实施例。附图中图1简示出具有驱动系统的汽车立体图，该驱动系统包括具有配重的空心轴，图2以截面图示出具有配重的空心轴的细节。
具体实施例方式
图1简示出汽车14的立体图，其驱动系统13具有多个空心轴3。它们主要用于将转矩从发动机传递到后面的车轮5的转矩传送器。在空心轴3上标记位置2，在其上定位配重1。这个在汽车14中间中心设置的空心轴3将转矩传递到后轴并且通常称为“纵轴”或“传动轴”。这些纵轴可以一体或多体地构成。尺寸取决于相应汽车的各空间条件。这个纵轴一般具有300至2000mm范围的长度10。而且目前几乎仅仅平衡纵轴。侧面的空心轴(所谓的“侧轴)通常配有独立的缓冲结构，它们补偿可能产生的不平衡。尽管如此也可以通过实现平衡替换这种阻尼系统。必要时可以独立于在这里所述的配重钎焊连接实现这种基本思想。
图2通过空心轴3的横截面图简示出钎焊连接12。该空心轴3具有40至100mm范围的直径8，其中壁厚9在1.5至3mm的范围内。现在在空心轴3的表面上固定配重1，它通过焊料4固定在空心轴3上。该配重1由高度约为3mm的钢材制成。这个钎焊连接12的加工以这种方式进行，使配重1相对于空心轴3定向并通过接合力6顶压在空心轴3的表面上，通过热源7产生用于熔化焊料4所需的热量。在此产生的温度位于焊料4的熔化范围以上，其中熔化范围指的是在该温度范围中使焊料与接合部件达到专业适合的络合。通过软钎焊实现配重1的固定。
本发明尤其在批量加工的范畴中使配重1工艺可靠且快速地固定在空心轴3上。同时保证，配重1抵消相应的负荷。在此空心轴3的材料在接合过程期间不产生负面的影响，因此能够将特别薄壁且由此特别轻的空心轴3集成到汽车14的驱动系统13里面。
附图标记列表1 配重2 位置3 空心轴4 焊料5 车轮6 接合力7 热源8 直径9 壁厚10 长度11 高度12 钎焊连接13 驱动系统14 汽车
权利要求
1.将至少一个配重(1)固定在空心轴(3)的至少一个位置(2)上的方法，其特征在于，使至少一个配重(1)通过钎焊固定在至少一个位置(2)上。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，使至少一个配重(1)通过软钎焊固定。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述空心轴(3)在至少一个位置(2)上在钎焊期间不超过最高温度450℃。
4.如上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，使用没有焊剂的焊料(4)。
5.如上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在至少一个位置(2)上钎焊过程的持续时间不长于3秒。
6.如上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在钎焊期间将接合力(6)向着空心轴(3)施加到至少一个配重(1)上，该接合力小于2000牛顿。
7.如上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，使至少一个配重(1)首先配有焊料(4)并接着固定在空心轴(3)上。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，固定许多配重(1)并且在配重(1)上规定至少局部不同的焊料(4)量。
9.如上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，为了钎焊使用下面热源(7)中的至少一个热源感应器，对流器。
10.如上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，至少在设备中进行空心轴(3)的平衡并且进行至少配重(1)的钎焊。
11.按前述权利要求中任一项加工的空心轴(3)，其特征在于，该空心轴具有至少一个下面的参数-直径(8)，在40至100mm的范围内；-壁厚(9)，在1.0至3.0mm的范围内；-长度(10)，在300至2000mm的范围内。
12.如权利要求11所述的空心轴(3)，其特征在于，所述空心轴(3)包括钢材料并且具有直到1000N/mm2范围内的平均抗拉强度。
13.如权利要求11所述的空心轴(3)，其特征在于，所述空心轴(3)包括轻金属材料。
14.如权利要求11至13中任一项所述的空心轴(3)，其特征在于，至少一个配重(1)具有至少7.0g/cm3的密度。
15.如权利要求11至14中任一项所述的空心轴(3)，其特征在于，至少一个配重(1)具有不超过3.0mm的高度(11)。
16.如权利要求11至15中任一项所述的空心轴(3)，其特征在于，所述空心轴(3)与至少一个配重(1)的钎焊连接(12)具有100至140N/mm2范围内的钎焊抗拉强度。
17.汽车(14)的驱动系统(13)，包括如权利要求11至16中任一项所述的空心轴(3)。
18.汽车(14)，包括如权利要求17所述的驱动系统(13)。
全文摘要
用于将至少一个配重(1)固定在空心轴(3)的至少一个位置(2)上的方法，其中使至少一个配重(1)通过钎焊固定在至少一个位置(2)上。此外还描述了相应加工的空心轴(3)以及用于汽车(14)的驱动系统(13)。该方法能够加工特别轻的、高负荷的汽车驱动轴。
文档编号F16F15/32GK101027159SQ200480043967
公开日2007年8月29日 申请日期2004年9月10日 优先权日2004年9月10日
发明者T·普伦, R·克勒默里厄斯 申请人:Gkn动力传动系统国际有限责任公司