专利名称：制造空心型材的方法、空心型材和用于汽车的传动系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种制造空心型材，尤其是汽车工业中空心轴的方法。 除此之外发明还涉及一种空心型材或具有空心型材的汽车的传动系统 以及一种具有对应传动系统的汽车。发明因此尤其应用于汽车制造业。
背景技术：
对于空心型材，例如象用于传递转矩的空心轴的制造来说，对于这 种构件的寿命都提出了特殊的要求。对心空心轴来说所应用的空心型材 鉴于在制造时所产生的焊接连接业已证实为是有问题的。这样的焊接连 接例如平行于空心轴的纵轴线布置。它们有i^见则地一直伸到连接部位 里。在连接部位里空心轴和尤其是驱动轴常常设有齿，这些齿用于使空 心轴形状吻合地连接在传动系的随后元件上。这些元件例如可以设计成
所述齿的形状。在制造这些齿时然而有时会发生以下情况焊接连接部 位发生较大的形状变化。这造成在这部位里空心轴易受损坏并大大降低 构件的寿命。
在汽车制造业中空心型材的成型采用不同的方法来实施。使空心型
材设计成有规则地成管状并且在随后的成型范围内设置有一种构造，例 如象一种齿。并使空心型材的外径发生改变。
这样的空心型材的成型必须有规则地满足特殊的质量准则。这尤其 是当空心型材在使用中经受特殊的静载和动载力或者大的转矩负载时。 因此一方面必须避免在成型时在材料中形成裂紋。因此在一种这样的成 型过程中限制了应变。另一方面还力求特别容易地成型加工这样的汽车 构件，因此这里提出了薄壁空心型材的要求。正是在一种按照所谓的正 挤压来成型空心型材的方法中，对于薄壁的空心型材来说在受力时却有 问题，此时要使空心型材以大的应变穿过一个对应的模具。除此之外必 须根据材料的选择在成型过程中局部进行复杂费事的润滑工序。根据应 用场合的不同可以在一个成型工序之前或在多个分成型工序之间补充 地对空心型材进行热的或者表面特有的预加工。
发明内容
因此本发明的任务是提出 一 种制造空心型材的方法，这种方法至少 部分地解决关于技术背景所述的问题，其中应优选地提出一种寿命特别 长的连接。这种方法还应该在制造中对较大的公差波动特别不敏感，从 而即使在制造公差相对较大时也能可靠地制造并且有良好结果地制成 空心型材。
这些任务用 一种按权利要求1的特征的方法以及按权利要求8所述 的 一种空心型材来解决。发明的其它有利的设计方案分別在从属权利要 求中加以叙述。应该指出，在这些权利要求中单个地所述的特征可以任 意地，以工艺技术合理的方式相互进行组合并指出发明的其它技术方 案。这些特征还在i兌明书中详细加以叙述和说明，因此这里也指明了发 明的有利的改进方案。
因此，用于制造空心型材，尤其是汽车制造业中空心轴的方法至少 包括有以下工序
a) 准备好一个具有至少一个连接的管体，
b) 定义一个假设的型材轮廓，它具有至少一组连起来的并在管体 的圆周方向上设计有凹切的部段；
c) 设有至少一个加宽部段组求出型材轮廓，从而使连接位于这加 宽部段的一个部位里，并保持不弯曲或者设计有一个弯曲半径，其至少 是空心型材半径的0.5倍。
d) 借助于成型法在管体的圆周面上形成一种具有所求出的型材轮 廓的型材。
按照发明的制造空心型材的方法尤其可以应用于制造汽车制造业 中的空心轴，在这种方法中首先准备一个管体，它有一个纵轴线和一个 圓周面，其中在圓周面上至少局部地在纵轴线之上设有一种(尤其是材 料结合的)连接。所提供的管体可以设计成具有不同的断面，如圆的、 椭圆的、有边棱的，当然优选为旋转对称的断面。作为材料尤其可以考 虑用金属材料，这些材料允许借助于成型方法进行随后的加工。这里在 工程技术中已知有许多种合金钢或者其它的金属合金。 为了准备一种这样的管体可以实行以下工序 a.l )形成至少一个接合处对至少一个管体成型，和 a.2)在一个接合处形成连接用于产生一种闭合的管体。因此可以在第一个工序中在形成至少一个接合处时由一种(平面 状)材料成型(弯曲)出一个管体。然后在所述接合处形成一连接，以 产生封闭的管体。用于成型出 一种管体的 一种特别简单的并且举例可以列出的方法在于将用作为平面状初始材料的壁厚例如为4 mm的板弯 曲成一种管体。这种加工例如可以借助于三辊弯曲轧机进4亍。在一种这 样形成的管子中所形成的管体的二个纵向接合边相互对峙布置，它们在 充分准确的加工时基本对接地或沿着纵轴线相互接合起来。具有二个接 合边的部位就是所谓接合处。然后可以使接合处连接起来用于形成一个 闭合的管体。这种连接例如通过一种接合技术方面的(和尤其是材料结 合的)连接方法，优选通过焊缝来进行，这种焊缝基本上沿着或平行于 管体的纵轴线。在另外一个工序中定义一种假定的型材轮廓，它具有至少一组连起 来的并在圆周方向上设计有凹切的部段。关于"一组连起来的......部段，，的说明可以这样来理解可以使这些部段(特别优选地)围绕着管体的 整个圓周，但是这并不是强制必须的。因此也可以只是在一个分段圆周 上布置至少一个组。更为有利的方式是最多设四个组。有凹切就是意味 着部段的分段在圆周方向上看形成有凹切。这例如可以相对于圆周方 向在一个部段里设有一个隆起和一个凹处来实现。 一组々i定的型材轮廓 的部l殳或隆起和/或凹处优选设计成相同样式。然后辨认出相对于这假定的型材轮廓的连接位置，它可能与这组的 至少一个部l爻的部位重叠。这辨i^出的这个组的至少一个部l殳的至少一 个部位可以这样来加宽，使得连接位于型材l仑廓的一个部位里，该部位 应保持不弯曲或者其弯曲半径至少不应小于空心型材外半径的0.5倍 (优选大致等于或者甚至至少二倍)。假定的型材轮廓的改变称之为所 求出的型材轮廓。然后事实上使一个具有所求出的型材轮廓的型材借助 于一种成型方法设置于管体的圓周面上。此处的目的是在制造型材轮 廓时使管体的一个部位不变形并且只是微小变形，也就是说放过这与连 接相重叠的部位。因此识别出的部位在工序d)之后优选地具有如在步 骤a)中的管体的基本上相同的半径。如果将部段的宽度加宽，那就加大了这连接至各自位于侧面的并且经受特别强烈变形的部位，例如象矩形花键的齿侧面的距离。部段的宽 度可以用不同的方式来确定。在具有均匀分度的 一种矩形花键中例如可以规定这部段宽度为齿距的一个整数的一倍和多倍。但宽度也可以这样 来规定，其方法是定义一个从部段边缘至连接处的最小距离，以便这样 来说明防止这连接发生不受欢迎的强烈变形的安全性的尺度。这尺度例 如可以是一个长度参数，这个长度参数就是在连接的二边的部段伸出超 过这连接的量。借助于按照发明的方法因此可以确保连接在随后形成的型材轮廓 中并不受到过分的变形。因此这连接例如位于一个足够宽的齿顶或齿底 的部位里，这要根据各个部段是如何构成的。只是(至少)在一个齿顶 或一个齿底的部位里型材轮廓具有足够大的弯曲半径。 一个这样的部位 例如是管体的外圆周或者内圆周的一个部^R,它具有恒定的弯曲半径或 恒定的轮廓走向。这部位在圆周方向上^皮选得越宽，那么这在管体的圆 周上所复盖的部段就越大。设计成直线或者具有恒定的弯曲率半径的部部段的这部位优选至少比连接宽多倍(因此例如使连接的热影响区过度 受载)。在一种这样的实施形式中那么侧面在这样所构成的加宽的部段 上或部位上紧接着就是这样的区域，它们在随后的成型方法中经受特别 强烈的变形。换言之，制造 一 种具有空心4仑廓的空心轴的方法也可以用以下工序 来说明-准备一个空心物体，它有一个纵轴线和一个圓周，其中至少在纵 轴线的一个部分上布置了 一种涉及接合技术或材料结合方面的连接，-引入一个型材轮廓，它具有至少一组在圆周方向上连系起来的并 形成凹切的变形部革殳，其中至少在二个变形部段之间设有一个(局部地)a按照发明的另一种有利的实施^式，、具有这至少一个部段的型材具有一个形心，它位于空心型材的一个纵轴线上。"在一个纵轴线上"应该是要说明面积重心(空心型材断面面积的几《可中心)基本位于中心， 也就是说例如最大偏差至多为1mm。空心型材必须在其以后的安装位 置上以很高的转速，例如每分钟3000至8000转旋转。这里希望这些空 心型材具有尽可能小的不平衡。为此发明规定按照发明的具有所求出 的型材轮廓的型材具有 一个面积重心，它尽可能精确地与空心型材的纵 轴线一致。对于纵轴线来说是指空心型材的回转轴线，这空心型材在其以后的安装位置上围绕这回转轴线旋转。因此有效地避免了由于不均匀的材料分布而引起的不平衡。因此尤其是建议了使加宽的部段直径方 向对峙地-没计成相同。原则上当然也可以，用此处所建议的方法制造一个附属的物体，它 具有一种至少部分地为互补形状的轮廓。按此方式不仅可以制成一个空 心轴也可以制成一个附属的连接件。这例如可以是一个套筒，它在其里 表面上有一个设计成与空心型材的型材4仑廓对应互补的表面。如果加宽部段的曲率半径经过空心型材的纵轴线布置的话，那就有 特别好的强度性能。这样结构的空心型材例如可以通过一 个芯棒借助于 锤子制成。它们具有 一种特别有抵抗能力的材料接缝。特别有利的是如果型材设计成花键轴状的话，这是因为一种这样 的齿是特别可靠的并且可以费用相对有利地制成。为了详细加以说明这 里可以参见对齿顶、齿侧和齿底的说明。作为另外特别优选的方法至少使用了一组以下设备轴向成型装 置、进给锤、在一个芯棒上的锤子、齿形辊。轴向成型尤其是指一种成 型加工，在此成型加工时将管体在纵轴线方向上通过一个形成型材的冲莫 具进行压或者拉(其中模具优选地在圓周上设置有相同型式的构造，这 些构造然而在"加宽部段，，里闭塞住了-也就是不实施变形加工)。对于 锤子来说使管体在其(里面的和/或外面的)圆周面上进行机械加工并被 压入一个模具里(其中这里模具也优选地在圓周上设有相同型式的构 造，这些构造在"加宽部段，，里然而并不使用)。这些方法在使用大型 机器的技术方面是可以良好常握的，可以相对有利地并且与发明的联系 特别简单地加以应用。完全特别优的是将一个接合处的接合边两侧的部位设计成相同。 因此尤其是意味着连接相对于加宽部位来说为中心定位。按照发明的另 一个方面也建议了 一种具有 一个纵轴线和一个圆周 的空心型材，其中至少一个涉及接合技术的和材料结合的连接至少伸展 布置于纵轴线的一个部分之上，而且也建议了一种型材轮廓，它具有至 少一组在圆周方向上连起来的并构成凹切的部段，其中至少在二个部段 之间设置一个凹槽，这凹槽至少布置于纵轴线的一个部分上并与连接重 叠。这种空心型材尤其是可以用一种这里按照发明所述的方法制造。因 此可以参见那里的i兌明用于对空心型材进4亍说明，其中同时应该指出这些说明部分地也与按照发明的方法无联系地可以适用。业已特别有利地证实这部l殳在连接的两边包括有 一 个受到保护的 lmm至20mm的范围(尤其是5至12mm),因此就保证了至较强烈 变形的部位(在部段之外)有足够的距离。本发明优选地净皮用在具有长度为300 mm至2000 mm的空心型材 上。这些长度可以特别有利地尤其是被用在汽车中。在发明的另外一种有利的设计方案中空心型材的直径为30至150 mm,尤其是40至100 mm。采用其直径位于这些范围内的空心型材在 通常的壁厚条件下就可以传递足够大的转矩。若空心型材的壁厚在1和7 mm之间，那是有利的，这样就保证了 空心型材的质量与各自要求的匹配。另外这里也建议了 一种汽车用的传动系统，这种系统包括有一种按 照发明的或按照发明制成的空心型材。 一 种这样的传动系统例如可以具 有一个空心轴和一个形状互补的对置件，两者都是按照本发明的方法设计成。加宽的部段包括有连接，因此它防止了过度的变形。最后，按照一种上面所述型式的包括有一个传动系统的汽车也被看 作有利的，用 一种这样设计成的汽车通过应用 一种按照发明的传动系统 就可以提高汽车的实际功率、平静的运转和首先是耐久性。
发明的其它优点，以及技术范围都结合以下的实施例和附图作了说 明。附图然而并不对发明有限制。附图筒略所示为 图1:具有不同的传动轴的汽车的斜视图； 图2: —种>^照发明的空心轴的前一见和俯^1图； 图3'.图2中III细部的》文大图；图4: 一种按照发明的空心轴的另一个实施形式的一个径向剖视图。
具体实施方式
图1表示了具有不同传动轴的汽车1的一个斜视立体图。汽车l设 有一个传动系统2,该系统具有多个空心轴3。这些空心轴首先用作为 从发动机至后轮4的转矩传送器。空心轴3布置在汽车1的中间并将转 矩传递到后轴5上。它一般称之为纵向轴或者也称之为万向轴。这样的纵向轴6可以作成整体的或者由多个部分组成。尺寸大小取决于^^自汽 车l的各自空间条件。然而原则上可以发现纵向轴6承受大的机械负 载。纵向轴6的寿命一般应设计成超过汽车的总寿命，因此必须特别注 意该构件的耐久性。
图2表示了一种按照发明的空心轴3的正视图和俯视图。在图2的 下部是空心轴3的俯视图，空心轴有其纵轴线27和长度33。它其中基 本有三个分段。在上面部位里是第一个分段7,其直径最小。第一个分 |史7例如 一 直逐渐变小，使它可以插入在另外 一 个连接于空心轴3上的 未示出的构件里。空心轴3也可以备选地在一个较长的部位上设计成较 小的直径23,以便用尽可能少的结构空间就够了。在第一个分段7之下 是第二个分段8，其直径23较大。在下面部位里是第三个分段9，它是 按照本发明设计成的。第三个分段9在圆周面35上设置有按照发明的 结构形状的型材轮廓10。
在图2的上部表示了空心轴3的上端面11的^L图。那里可以;f艮好 地见到 一个由型材4仑廓IO构成的型材12如何布置在空心轴3的整个 圆周上的。最上面在型材12里有一个连接13,它设计成焊缝。图2中 用III标出的部位以下将参见图3进行详述。
在图3中又放大表示了图2中用m标出的部位。那里表示了一个 型材12的单个齿14的放大图，这齿与一个形状互补的对置件一起用于 传递转矩。齿14具有侧齿面15,以及一个4吏型材12闭合的连接13。 连接13具有连接宽度15,以及一个使型材12闭合的连接13。连接13 具有连接宽度25。与此相对地，齿14具有一个齿宽26,它明显大于连 接13的宽度25。齿宽26说明了一个范围，在这范围里一个齿顶16相 对于一个轴中心点17或纵轴线具有一种不变的和同心的半径。在这齿 顶16的宽度26之内的范围构成了型材轮廓10的一个包括了连接13的 部位。在这种设计方案中优点在于连接13并不位于齿侧面15范围里， 这些齿侧面在制造过程中经受强烈的变形。这或者未变形的或者只是微 小变形的连接13与一种变形的相比保持了其原始的强度。因此大大提 高了所制成的空心型材的寿命和可承载性。除了所示的将部位18连同 连接13布置在一个齿顶16范围里之外当然也可以将这部位18(备选地) 布置在一个图3中未示出的齿底里。这里则适合于相对应的，这就是说， 具有宽度25的连接13会被一个具有不变的半径28和齿宽26的部位18包围。只是相邻于此一个齿侧面15分别在其右面或左面在齿顶16的方
向上升起。
图4表示了一种按发明设计的空心型材的另一种实施形式。空心型 材3这里又设计成空心轴。在中心是轴中心点17，它位于一个轴的转动 轴线19或纵轴线上。此外这里也有由型材12所构成的断面的型心30 位于轴的旋转轴线19上。型材12具有一种型材轮廓10,它按照一种花 键轴样式设计成具有部段14,这些部段14形成了沿圆周24方向上看去 的凹切31。型材轮廓10由许多相互并排的齿14组成(交替的隆起和凹 处，这些隆起和凹处在圆周方向上基本上径向向里和径向向外)。齿14 分别设计有齿顶16并通过齿底20相互连接。所有在圆周24方向上连 起来的，也就是相互邻接着的齿14在所示的实施例中就一起构成一个 组。在上面部位里示出了一个左接合边21以及一个右接合边22,它们 通过一个作成焊缝的连接13相互连接起来。连接13具有宽度25，它又 是比部位18的齿宽26小许多。除了部位18或凹槽32之外，所示的型 材12具有一个均匀分布于圆周上的齿距。换句话说，型材也就是说作 成有规则的，其中(只是)在具有连接13的部位18里(或在一定条件 下还有对峙布置地)至少有二个(齿底14或)齿顶16直接相互过渡， 也就是形成一个连续的部位18。因此，部位18在圆周24的方向上伸展 布置在比(齿底14或)齿顶16明显更大的间距(例如多倍的)。
在所示的实施例中，在部位18里使一个整齿14直接与一个相邻接 的齿14在省去一个齿底20的情况下连接起来。部位18又具有一个恒 定的半径28，其中半径28与轴的旋转轴线19同心地对准。半径28大 致相当于在制造管体6时所产生的半径。因此在型材12的以后加工中 取消了补充的成型，因而使连接13基本上不变形，从而使那里所示的 焊缝保持其初始的强度。管体6此外还有一种在圆周24上看基本上保 持相同的壁厚34。
此外可以规定本发明并不局限于所示的实施例。在发明的范围内 可以有许多修改变种方案，它们都归入权利要求的保护范围里。因此例 如也可以应用不是同心不变的半径来代戶齐同心地布置的不变的半径。此 外也可以除了管体6外圆周上所示的环形的构造成形之外使这管体只是 在某些部位i殳置有一种对应的型材轮廓IO并因此设有一种型材12。标号表
1汽车19轴的旋转轴线
2传动系统20齿底
3空心型材21左接合边
4车轮22右接合边
5轴23直径
6管体24圆周
7第一个分段25连接宽度
8第二个分段26齿宽
9第三个分段27纵轴线
10型材轮廓28半径
11端面29接合处
12型材30形心(面积、重心)
13连接31凹切
14齿32凹槽
15侧面33长度
16齿顶34壁厚
17轴中心点35圓周表面
18部位
权利要求
1.制造一种空心型材(3)、尤其是汽车制造业中的空心轴的方法，它至少包括以下步骤a)准备提供一个管体(6)，它具有至少一个连接(13)，b)限定一假定的型材轮廓(10)，该轮廓具有至少一组连起来的、并在管体的圆周方向上设成凹切的部段(14)，c)求出一种型材轮廓(10)，该型材轮廓设有在所述组中的至少一个加宽部段(14)，使连接位于这加宽部段的一个部位(18)里，该部位保持无弯曲或者设有一个曲率半径，此半径为空心型材(3)的半径(28)的至少0.5倍，d)借助于一种成型的方法在管体(6)的圆周面(35)上形成一种具有求出的型材轮廓(10)的型材(12)。
2. 按权利要求l所述的方法，其中步骤a)包括至少以下这些过程 a.l)形成至少一个接合处(29)使至少一个管体(6)成型，并且 a.2 )在一个接合处(29 )形成一种连接(13 )用于产生一闭合的管体(6)。
3. 按上述权利要求之一所述的方法，其中具有至少一个部段(14) 的型材(12)具有一个形心(30),它位于空心型材(3)的纵轴线(19) 上。
4. 按上述权利要求之一所述的方法，其中加宽部位(18)的曲率半 径经过空心型材(3)的纵轴线(19)。
5. 按上述权利要求之一所述的方法，其中型材(12)设计成花键轴。
6. 按上述权利要求之一所述的方法，其中作为成型的方法包括有以 下方法中的至少一种方法轴向成型法、进给锤击、在一个芯棒上的锤 击、齿形辊轧。
7. 按上述权利要求之一所述的方法，其中在一个接合处(29)的接 合边(21, 22)两侧的部位(18)设计成相同。
8. 具有一个纵轴线(27)和一个圆周(24)的空心型材(3)，其 中至少一个接合技术的或者材料结合的连接(13)至少延伸在纵轴线(27)的部分上，并有一个型材轮廓(10),它具有至少一组在圆周方 向(24)上连起来的、并构成凹切(31 )的部段(14),其中至少在二 个部段(14)之间设有一个凹槽(32),它至少在纵轴线(27)的一部分上延伸并与连接(13 )重叠。
9. 按权利要求8所述的空心型材，其中部段(14)包括有一个部位 (18)在lmm和20mm之间，位于连接(13)的二边。
10. 按权利要求8或9所述的空心型材(3),其中至少满足一个以 下的参数-长度(33 )在300 mm和2000 mm之间，画直径(23 )在30 mm和150 mm之间，尤其是在40 mm和100 mm 之间，-壁厚(34 )在1 mm和7 mm之间。
11. 用于汽车(1)的传动系统(2),包括有一个空心型材(3), 它按权利要求1至7中之一来制成或者按权利要求8至10中之一来设 计。
12. 汽车(1)，包括有一种按权利要求11的传动系统(2)。
全文摘要
本发明涉及一种制造空心型材(3)的方法，此型材具有一个纵轴线(27)和一个圆周(24)，其中至少在纵轴线(27)的一部分上布置有至少一种涉及接合技术和材料结合的连接(13)和一种型材轮廓(10)，这轮廓具有至少一组在圆周(24)方向上连起来的并形成凹切(31)的部段(14)，其中至少在二个部段(14)之间设有一个凹槽(32)，这凹槽至少布置在纵轴线(27)的那部分上，而且与连接(13)重叠。除此之外本发明还涉及相应的空心型材和汽车的传动系统。
文档编号F16C3/02GK101290085SQ200810092959
公开日2008年10月22日 申请日期2008年4月18日 优先权日2007年4月20日
发明者A·格尔克, U·布罗克休瑟, W·希尔德布兰特 申请人:Gkn动力传动系统国际有限责任公司