调质的万向节球笼的制作方法

专利名称：调质的万向节球笼的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种具有多个用于容纳万向节的滚动体的凹槽的球笼。另外提供一种加工这种球笼的方法。
本发明特别涉及用于等速球旋转万向节的球笼，如在汽车制造中应用的那样。这种万向节具有一个万向节外部部分和一个万向节内部部分，在其中设置有多个基本纵向延伸的球轨。在万向节外部部分和万向节内部部分之间，设有球用于传递扭矩，其中球的定位通过布置在万向节外部部分和万向节内部部分之间的球笼得到保证。球笼具有多个用于球的球笼窗口，从而在轴向方向限制球的运动方向。
考虑不同的万向节类型，本发明特别涉及随后的万向节的球笼-球笼式万向节，其中球到角平分面内的直接控制通过万向节内部部分和万向节外部部分的轨道具有在纵向错开的中点由子午线式延伸的球轨来实现。
-无沉割的UF万向节，其基本上具有相同的原理，球轨轴向无沉割地被设置。
-所谓的DO万向节，其中在球笼上设有球形的导向表面，其具有在内侧和外侧上轴向相互错开的曲率中心点，从而在万向节弯曲时实现将球笼的直接控制和由此将球的直接控制到角平分平面内。这种类型的万向节具有弯曲的球导轨作为固定万向节并具有直线延伸的球导轨作为可轴向移动的万向节。
-最后这里作为示例还要说明所谓的VL万向节，其在万向节外部部分和在万向节内部部分具有至少部分相互对应的轨道，其不是严格在纵向延伸，而是相互形成一个角度并且由此实现球被直接控制到角平分平面和一半的移动路径上。
在所有这些公开的万向节中，球笼持续或者至少有时候同万向节的内部部分和/或外部部分的在球轨之间的表面滑动接触。出于磨损的原因，在万向节外部部分、万向节内部部分以及在球笼上的所有滑动面必须被硬化。
对于球笼至今在表面附近区域进行硬化，以避免由于同万向节外部部分以及万向节内部部分的摩擦而引起的磨损现象。现在在汽车制造中需要注意的是，如今总是用这万向节传递较大的力或扭矩。这尤其当万向节不是纯轴向被加载而是力传递或扭矩传递以一个弯角发生时提出了特别的要求。这尤其同由球到球笼的力传递有关。一个球通常通过三个接触点保持在其位置，即一个向着内部部分，另一个向着外部部分而第三个向着球笼。对于变大的弯角作用在球上的轨道力变大，这必须在很大程度上通过球笼来补偿。这种引起的球笼力最终导致在较大的弯角的情况下万向节的扭矩限制。由于持续增长的对于不断增大的扭矩的市场需求，这种情况导致总是需要越来越大的万向节。
由此本发明的任务是提供一种用于万向节的球笼，其至少在一定程度上缓和在现有技术中已知的问题。尤其在汽车制造中这种球笼应该能够耐久地承担变化的要求，其中非常有利地应该可提供非常紧凑的万向节。此外，提供一种简单并良好地结合在批量生产中的用于制造相应球笼的方法。
这项任务通过具有权利要求1所述特征的球笼或具有权利要求6所述特征的用于制造球笼的方法来完成。其他本发明的有利的方案在从属权利要求中叙述。要指出的是，在权利要求中单独描述的特征可以以任意的、有技术上有意义的方式相互组合，并且表示出本发明的其他方案。
根据本发明的球笼具有多个用于容纳万向节的滚动体的凹槽，其中整个球笼基本具有相同的延展性。由此特别意味着，对于球笼不实施至今一直进行的表面淬火。而至今一直对整个表面进行淬火，例如通过表面硬化处理获得尽可能硬的表面和韧的芯，现在这里提出整个球笼在横截面上具有相同的延展性。因此也就是在横截面或者说在球笼的圆周方向上基本不存在明显的硬度区别、组织区别等。试验已经表明，这种球笼可以承受比表面硬化处理的球笼高50％的静态力。如果现在将这种球笼装入万向节中，则可以耐久地传递提高高达30％的静态扭矩。
“延展性”特别是指材料的这一特性，即材料在外力的作用下持续地变形，即先是塑性变形而不断裂。延展程度通常也取决于温度，这里即是指室温。
根据球笼的一项优选的方案，其具有在500至650HV[维氏硬度]范围内的硬度，特别在例如550至600HV范围内。在维氏硬度测量中将一个规则的、四棱的测量锥作为压入体在静态负载作用下置于要测量的材料表面并在一定时间上压入。维氏硬度值(HV)由力和残留的压痕面积得出，从而不考虑弹性变形。这种方法是众所周知的，因此这里不需要详细说明。
在这里提出的球笼的方案中可以在球笼截面的任何位置进行维氏硬度测量，其中这里得出这样的硬度区域，其同在球笼的边缘区域或者说表面附近区域的硬度基本相同。尤其偏差在小于球笼表面的硬度值的15％的范围内并优选小于其10％的范围内。这里给出的从500至650HV的硬度范围是特别针对用于汽车制造的万向节的球笼而选择的。
此外也建议球笼包括调质钢。这尤其意味着，球笼完全由一种钢制成，这种钢对于其为调整出确定的材料特性而进行的热处理，首先进行完全硬化并最后回火，从而具有前面描述的有益的特性。合适的钢是指例如碳含量在0.35％至0.6％的非合金调质钢。
然而可调质的钢通常可以具有0.3％至0.7％的碳含量，因此根据本发明的另外一个方案，球笼包括一种碳含量在0.3％至0.5％范围内的钢，特别在0.43％至0.5％的范围内。考虑到在硬度方面可能的硬度提高也很大程度上由碳含量决定，首先意想不到的是这里建议使用一种碳含量相对较低的钢。然而费事的试验已经显示，对于这种部件正是这种具有较低碳含量和较低回火硬度的调质钢与具有较高碳含量的调质钢相比可以承受较高的静态负载。此外，由具有较低碳含量的调质钢制成的球笼可以过程可靠地进行热处理，其中可以保证在批量生产中球笼具有同样的质量。
根据球笼的另一个优选的方案，球笼包括一种至少具有硼作为合金元素的钢。硼的含量优选在0.0001％至0.0015％的范围内，特别在0.0001％至0.001％的范围内。硼的存在使得钢不仅具有对于可塑性和可硬化性的好的能力，而且钢也可以在分离时以特殊的程度进行部分区域的剪切。这尤其在球笼制造中意义重大，因为凹槽通常是冲制的。为此尤其特别有利的是使用一种牌号为45B2M的钢(包括C0.45-0.5％，Mn0.5-0.6％，Si最多0.1％；P最多0.015％，S最多0.025％，Al0.02-0.04％，Cr0.2-0.3％，Mo最多0.01％，Ni最多0.025％，Cu最多0.015％，Ti0.003-0.005％，B0.0001-0.0005％，N最多0.012％)或者类似的材料。
根据本发明的另一方面，描述了一种用于制造具有多个用于容纳万向节的滚动体的凹槽的球笼的方法。这种方法至少包括下列步骤-成形闭合的基体(5)；-切出多个凹槽(2)；-球笼完全硬化；-球笼的回火；对于上面提到的方法步骤需要注意的是，对于“成形”既可以选择用于原型也可以选择用于变形的加工方法。基体优选通过切断类似管子的毛坯制成。
这种多个凹槽的“切出”通常通过使用切割工具进行，其中材料从基体被机械地去除。为此这种方式特别使用冲制。在确定的应用情况下也可以有利地借助高能量的辐射进行切出。作为补充也可以使用其他对于形状轮廓或者表面轮廓有影响的方法，例如在未硬化的软状态借助车削、钻削和/或铣削对基体进行切削加工。
现在根据本发明建议将球笼完全硬化。为此要将球笼加热至大约800℃至1000℃的温度并接着淬火至大约20℃至60℃的温度。这种淬火在小于10秒的时间长度内进行，尤其在0.5至4秒的时间长度内。淬火速度不允许太高，因为否则会产生硬化裂缝。这种淬火必须尽可能地均匀，由此挠曲尽可能小。在完全硬化后球笼完全是马氏体并由此特别脆和易断裂的。为了避免由于内应力而产生裂纹，球笼必须尽快回火。
在完全硬化后，球笼再次进行热处理。回火温度优选在150℃至250℃的温度范围内，并且根据使用的回火方法保持例如5分钟到90分钟，但优选最短不高于10分钟。淬火在此的功能是相对于硬化状态改善球笼的韧性特性，其中通常要考虑强度损失。在淬硬材料中出现的内应力也在一定程度上被消除。回火处理的实施-特别是温度和回火时间-既取决于化学成分也取决于通过硬化获得的组织状态。但通常随着回火温度的升高强度下降，而延伸率和端面收缩率上升。
回火可以直接在硬化站或者在随后的回火站(例如带有单独的感应、电的或者燃气工作的连续式加热炉或者箱式加热炉)进行。在此优选的是一种可以实现单个处理并且由此可以集成到生产线中的工艺。其中这种回火可以以有利的方式在小的空间内并在短时间内(根据可能的加工周期)进行。需要的总回火时间由部件加热到希望的回火温度的时间以及保持时间来决定。回火时间或者保持时间越短，需要的回火温度越高。在秒范围内的回火中，其必要时在这种工艺集成到硬化设备中的情况下是必需的，“高温回火”(回火温度高于通常的在炉中约0.5至1.5小时的长时间回火)通常变得必不可少。但这种方式的回火经常伴随着过热的风险，由此导致很难识别地过软的球笼。在优选的在感应的连续式加热炉中的回火不需要这种高风险的“高温回火”，因为使用其只需要在1至5分钟范围内的常温回火，其中产量优选相应于生产线的产量。由系列测试已知，完全硬化的球笼的回火硬度相比表面硬化处理的球笼的硬度更低并且必须有更小的公差，为了得到对于这里描述的应用领域耐久并作用良好的球笼方案，优选在57HRC至60HRC。
根据本发明的另一个方案，这种完全硬化包括至少下列加热球笼的手段之一感应加热、通过能量辐射加热、使用连续式加热炉或者箱式炉加热。根据球笼是否单个或者多个一起进行热处理，例如可以使用下列方法a)单个球笼的加热-通过在单步工艺中的感应(单步工艺)；-通过能量辐射(例如激光、电子射线)；-通过电阻。
b)在连续式加热球笼-借助连续式感应加热炉、连续式电加热炉或者连续式燃气加热炉。
c)在箱式炉内的球笼加热-借助感应箱式炉、电箱式炉、燃气箱式炉、离子箱式炉。
在此特别优选的是单个加热球笼的集成在制造过程中的感应单步硬化。此外为了对球笼特别的部分进行硬化，可以使用能量辐射例如激光辐射或者电子辐射。
相应地球笼的淬火可以分为下列方法a)单个球笼淬火
-通过淬火浴·在单个零件上缠绕或者在轴向进给；·在单个零件上轴向或者在水平的进给；·在单个零件上侧面或者在水平的进给。
-在池中或者旋涡中·至少在自由的情况下。
b)多个球笼成批淬火a.通过轴向浸入油中或者盐浴；b.通过流体浴；c.通过气淬火。
在此特别优选的是集成在硬化机中的单个零件的环浴淬火。
也被称作奥氏体化温度的硬化温度在亚共析钢中高于相应的铁碳合金相图中所谓的Ac3线大约50℃。钢的硬化通常是指γ混合晶到硬化组织即奥氏体的转变。在此向铁素体、珠光体和贝氏体的转变被抑制。其中冷却速度必须高于临界的冷却速度，以准确避免形成这些中间组织。
根据本方法的一个有利的方案，这种回火导致球笼的硬度处于500至600HV[根据维氏硬度测量方法的硬度]的范围内。“回火”是指将部件加热至低于在铁碳合金相图中的所谓的Ac1线(前述的硬化之后)并在这个温度中保持和随后进行冷却。在第一回火阶段(100至180℃)分离出极细的Fe2，4C颗粒(ε-碳化物)，弥散硬度以过饱和强化为代价而增加(四边形的马氏体转变为立方形的马氏体)。在高于200℃时ε-碳化物变得稳定并且由于碳扩散出残余奥氏体而转变成Fe3C。这导致在奥氏体中碳的穷化。为了获得上述的球笼硬度可以例如将钢45B2M在大约190℃进行回火，其中材料在保持一段时间后根据回火方法再次冷却大约40秒至120分钟。
在回火中可以使用至少下列手段之一对球笼进行加热a)单个球笼的回火加热-通过在单步工艺中的感应(至少在20至60秒范围内回火)；-通过电阻；-在热浴中(至少油或者盐)。
b)在连续式加热炉内回火加热
-借助连续式感应加热炉、连续式电加热炉或者连续式气加热炉。
c)在箱式炉内的球笼的回火加热-借助感应箱式炉、电箱式炉、气箱式炉、离子箱式炉。
球笼的回火根据硬化方法通常至少借助下列方法进行-浸入一种热的流体(尤其在单个零件加热时)，或者-穿过至少一个连续式加热炉或者箱式加热炉(尤其在多件同时加热时)。
最后特别有利的是设计这样的万向节，其具有外部部分、内部部分、多个滚动体和球笼，其中球笼以前面所述的实施形式或者使用前面描述的根据本发明的方法制造而成。球笼得到显著改善的负载能力值，从而可以在大的弯角情况下传递大的静态力或者扭矩。球笼的静态断裂强度的增大也直接改善了万向节特性。
当万向节同轴呈大于20°[度]的弯角时，这特别明显。尤其万向节的最大可能弯角在30°至大于50°的范围内。在这种极端的偏转的情况下，由于轴向负载通过滚动体在球笼上产生非常大的力。其中试验表明，正是在这种极端的负载情况下这种完全硬化的、调质的球笼具有显著改善的静态断裂强度。试验表明，这种根据本发明的万向节比公开的万向节具有提高达50％的球笼的断裂强度并且在弯曲小于45°时可以将最大可传递的准静态的扭矩提高30％。
这种万向节的特别有利的应用领域是汽车。在此是指轿车、货车等。其他技术应用领域可以是例如风力发电装置或者其他传动系，其中不能有扭矩或者力的刚性传递。
发明以及技术内容随后借助附图详细进行说明。需要指出的是，附图示出的是本发明特别有利的实施例，但是发明并不局限于此。
附图示出

图1示意的球笼横截面图；图2示意的万向节结构图；图3具有多个万向节的汽车的透视图；图4制造方法的实施方案的示意的流程图；图5制造方法的另一种实施方案的示意的流程。
图1示意地示出了球笼1的一个实施例的横截面图。球笼1包括具有圆柱形外形的基体5，这个圆柱形的圆周表面呈球形向外弯曲。这种基体5通常具有在2.5至6.0mm范围内的材料厚度14。对示出的球笼1的实施方案在圆周上设置有多个凹槽2。这些凹槽用于容纳万向节的滚动体。这里，球笼具有六(6)个凹槽2，但也可以是四(4)个或者八(8)个。通常每个凹槽2都形状上如下设计，即使得在其中的滚动体在负载时总是可以充分运动。同样实现多个滚动体在一个凹槽2内定位。那么可以采用球笼1的与此不同的结构。
图2示意地示出了一个万向节4，其具有外部部分6、内部部分7、多个滚动体3以及根据发明的球笼1。经过轴9和示出的啮合齿15到内部部分7直到滚动体3实现力传递。滚动体3在内部部分7和外部部分6的滚动面或导轨16上被导向，从而扭矩从内部部分7经过的滚动体3传递到外部部分6上。球笼1用于滚动体3在轴线15方向上的固定。当轴9以相对于轴线19的弯角8传递扭矩时，在轴线15方向上作用于球笼1上的力显著增大。那么对于球笼1的轴向容纳的导向力特别的高。
图3示意地示出一种汽车10，其具有用于将由发动机产生的扭矩传递到轮子11上的传动系统。为此使用了大量不同的轴9，这些轴通过万向节4相互连接。发明的万向节4特别涉及这种设置在轮子11附近用于扭矩传递的万向节4。
图4示意地说明了由基体5制造这种球笼1。基体5在第一步(A)中成形。接着冲出凹槽2(B)，从而球笼1同时基本具有其外部形状。在示出的实施方案中，球笼1的热处理批量地并且在单件生产线之外进行，即总是首先收集多个球笼1，然后成组并最后同时加热、淬火和回火。由此球笼1一起固定在一个底座上并完全硬化，其中这里示例地示出了同加热元件12的接触(C)。加热元件12在这里是带有感应环的连续式加热炉，多个球笼1(例如借助传送带22)被运送穿过这个加热炉。接着对球笼1淬火(D)，其中这里优选在池13内进行淬火。为了获得球笼1的均匀的延展性，还要对其回火(D)，其中这也同样通过浸入到池13使用油进行。在这种方法中优选将多个球笼1作为批量或者说批料一起进行(例如多达1000个球笼)并且一起热处理。但在这么大的批量时要注意，一起在油池内淬火存在较低的淬火效率。正是对于这种情况，开始所述的牌号为45B2M的钢保证了均匀的结果，至少延展性比例如牌号为Ck45的钢更均匀。
图5示意地示出用于球笼1的生产线集成的单个热处理的加工工艺流程。步骤(A)和(B)基本相应于由图4示出的步骤。其后接着是每个单个球笼1在硬化站23、淬火站24和回火站25上进行的热处理。在一个这种硬化站23上，球笼1相对于例如环形的加热元件12(如感应环)借助底座定位并且以相对运动21相对于加热元件12至少部分在热处理期间运动(C)，这种相对运动在图5中被表示为回转运动。如果达到期望的硬化温度，球笼1同底座20被输送到淬火站24。在图6中示出的淬火台24包括一个用于冷却剂18的输送单元17，其中在示出的图中输送单元17设计为喷头或者淋浴头的形式(D)。在淬火期间也可以至少暂时地实现球笼1和输送单元17之间的相对运动21。关于在这种热处理期间的相对运动21还要指出，这种运动由球笼1和/或至少一个加热元件12或者至少用于一个冷却剂18的输送单元17进行。最后球笼1还要在池13中回火(E)。
这种在万向节中的完全硬化的或者说调质的球笼在汽车制造中的使用使得静态断裂强度即使在大的弯曲情况下也有显著的提高，从而尤其可以持续地传递这里提供的越来越大的扭矩。同时描述的用于加工这种球笼的加工方法可以简单地集成到批量生产中，因为这种加热或者冷却容易被集成。由此可以减少运输工具、人员、场地需求和特别地减少进行表面硬化处理所需的硬化技术。
附图标记列表1. 球笼2. 凹槽3. 滚动体4. 万向节5. 基体6. 外部部分7. 内部部分8. 弯角9. 轴10. 汽车11. 轮子12. 加热元件13. 池14. 材料厚度15. 啮合齿16. 导轨17. 传送单元18. 冷却剂19. 轴线20. 底座21. 相对运动22. 传送带23. 硬化台24. 淬火台25. 回火台
权利要求
1.球笼(1)具有多个用于容纳万向节(4)的滚动体(3)的凹槽(2)，其特征在于，整个球笼(1)具有基本上相同的延展性。
2.根据权利要求(1)所述的球笼(1)，其特征在于，所述的球笼(1)具有在500至650HV范围内的硬度。
3.根据权利要求1或2所述的球笼(1)，其特征在于，所述的球笼(1)包括调质钢。
4.根据前述权利要求中任一项所述的球笼(1)，其特征在于，所述的球笼(1)包括一种碳含量在0.3％至0.5％范围内的钢。
5.根据前述权利要求中任一项所述的球笼(1)，其特征在于，所述的球笼(1)包括至少含有硼作为合金元素的钢。
6.用于制造具有多个用于容纳万向节(4)的滚动体(3)的凹槽(2)的球笼(1)的方法，至少包括下列步骤-成形闭合的基体(5)；-切出多个凹槽(2)；-完全硬化球笼(1)；-球笼(1)回火；
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述的完全硬化至少包括下列用于加热球笼(1)的手段之一感应加热、通过能量辐射加热、使用连续式炉或者箱式炉加热。
8.根据权利要求6或7所述的方法，其特征在于，所述的回火导致球笼(1)的硬度在500至650HV的范围内。
9.根据权利要求6至8中任一项所述的方法，其特征在于，所述的球笼(1)的回火至少借助-浸入热的流体中，或者-输送通过至少一个连续式炉或者箱式炉。
10.万向节(4)，具有外部部分(6)、内部部分(7)、多个滚动体(3)和球笼(1)，其中球笼(1)是根据权利要求1至5中任一项所述的球笼或者使用根据权利要求6至9中任一项所述的方法制造。
11.根据权利要求10所述的万向节(4)，其特征在于，其为轴(9)提供一个大于20°的弯角。
12.包括根据权利要求10或11所述的万向节(4)的汽车(10)。
全文摘要
具有多个用于容纳万向节(4)的滚动体(3)的凹槽(2)的球笼(1)，其特征在于，整个球笼(1)基本上具有相同的延展性。此外提供了一种球笼(1)的制造方法，其中对球笼(1)进行完全硬化和回火。另外描述了在汽车方面的特别的应用领域。
文档编号F16C33/44GK1997834SQ200480043514
公开日2007年7月11日 申请日期2004年9月10日 优先权日2004年9月10日
发明者R·克勒默里厄斯, R·阿多尔夫斯 申请人:Gkn动力传动系统国际有限责任公司