DE10021901C1 - Verfahren zur Herstellung einer Welle-Nabeverbindung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Welle-Nabeverbindung. Dazu wird eine Zahn- oder Keilwelle mit einer Außenverzahnung Zahn auf Lücke in eine Innenverzahnung einer Nabe mit Spiel eingeschoben und die Außenverzahnung der Welle mit der Innenverzahnung der Nabe verpreßt. Um die Herstellung einer Welle-Nabeverbindung in einfacher reproduzierbarer Weise zu ermöglichen, die die Anforderungen dynamischer Belastungen optimal erfüllt, wird vorgeschlagen, daß in Schiebelage der Welle diese aus einer Höhlung der Welle heraus in einer radialen umfänglichen Aufweitung plastisch verformt und unter Bildung einer Spielfreiheit zwischen den Lücken der Außenverzahnung der Welle und der in diese greifenden Innenverzahnung der Nabe derart angepreßt wird, daß sich die Nabe elastisch verformt und ein Preßsitz zwischen Welle und Nabe ausgebildet wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Wel­ le-Nabeverbindung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Ein gattungsgemäßes Verfahren ist aus der DE-PS 84 99 42 be­ kannt. Darin ist eine Welle-Nabe-Verbindung beschrieben, bei der die Welle als Hohlwelle ausgebildet ist und eine Außenver­ zahnung einenends aufweist, die mit einer Innenverzahnung der Nabe korrespondiert. Die Nabe ist hierbei auf das verzahnte En­ de der Hohlwelle mit Spiel geschoben. Anschließend wird ein Preßsitz zwischen Nabe und Hohlwelle geschaffen, indem ein Bol­ zen in die Hohlwelle mit Übermaß gegenüber der lichten Weite der Hohlwelle eingetrieben wird, worauf sich die Hohlweile auf­ weitet und unter Anpressung an die Nabe plastisch verformt. Die Nabe verformt sich dabei innerhalb der Elastizitätsgrenzen des Werkstoffes.

Weiterhin ist aus der DE 41 07 222 C2 eine Verbindung zwischen einer Hohlwelle aus einem Faserverbundwerkstoff und einem Me­ tallzapfen entnehmbar, wobei der Metallzapfen über eine Höhlung mittels fluidischen Innenhochdruckes aufgeweitet und an die In­ nenseite der Hohlwelle unter Bildung eines Preßsitzes angepreßt wird.

Des weiteren ist aus der DE 43 02 726 A1 eine Fügeverbindung bekannt, wobei in einem ersten Schritt der Herstellung der Fü­ geverbindung die Nabe und die Welle derart ausgebildet wird, daß die Innenverzahnung der Nabe und die Außenverzahnung der Welle in ihren Abmessungen aufeinander abgestimmt, so daß beim Einschieben der Welle in die Nabe eine Spielpassung zwischen den beiden Fügeteilen Nabe-Welle entsteht. Vor dem Einschieben der Welle in die Nabe allerdings wird die Innenverzahnung der Radnabe auf einem endseitigen Abschnitt angestaucht, so daß die Zahnlücken der Innenverzahnung auf diesem Abschnitt gegenüber dem restlichen Teil der Nabe eine geringere Breite aufweisen. Die Welle wird dann in den Abschnitt der Nabe mit der ursprüng­ lichen Lückenbreite eingefädelt und anschließend durch den mit geringerer Lückenbreite versehenen Abschnitt der Nabe hindurch­ gepreßt. Dabei wird die Innenverzahnung des Abschnitts mit ge­ ringerer Lückenbreite sowie die Außenverzahnung sehr stark me­ chanisch beansprucht, wodurch Schäden an den Verzahnungen beim Hindurchpressen der Welle insbesondere vor dem Hintergrund der Einbeziehung der Fertigungstoleranzen der Einzelteile (Welle, Nabe) auftreten können. Um die Toleranzen in engen Grenzen zu halten und somit der Gefahr der angesprochenen Schädigung ent­ gegenzutreten, ist eine sehr hoher Fertigungsaufwand der Ein­ zelteile erforderlich. Des weiteren ist das oben genannte An­ stauchen zum einen ein zusätzlicher Arbeitsschritt, was die Taktzeit bei der Herstellung der Verbindung vergrößert, und zum anderen nur schwer reproduzierbar und erfordert eine hochgenaue und daher aufwendige Prozeßführung. Zudem fällt das Problem von Axialtolanzen der Welle ganz massiv ins Gewicht, da nach dem Hindurchpressen der Welle durch die Nabe eine Positionierung auf dieser zur Erreichung der gewünschten exakten Relativlage von Welle zu Nabe quasi nicht korrigierbar ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein gattungsgemäßes Verfahren dahingehend weiterzubilden, daß die Herstellung einer Welle-Nabeverbindung in einfacher reproduzierbarer Weise ermög­ licht wird, die die Anforderungen dynamischer Belastungen opti­ mal erfüllt.

Die Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspru­ ches 1 gelöst.

Dank der Erfindung kann die Welle in einfacher Weise immer in die exakte axiale Fügeposition geschoben werden, da in diesem ersten Schritt zur Herstellung der Fügeverbindung völliges Spiel zwischen Welle und Nabe besteht und keine Verklemmungen oder gar Verpressungen beim Durchschieben entstehen. Dahinge­ hend werden auch etwaige damit zusammenhängende Beschädigungen der Verzahnungen vermieden. Enge Fertigungstoleranzen der Ver­ zahnungen von Welle und Nabe und deren axialen und umfänglichen Abmessungen spielen keine Rolle mehr für die Prozeßsicherheit der Herstellung, so daß zum einen preisgünstige auch bezüglich Vergütung unbehandelte Materialien und einfache Herstellungs­ verfahren für die Nabe und die Welle zum Einsatz kommen können und zum anderen auf den besonders erheblichen apparativen und zeitlichen Aufwand zur Entsprechung geforderter enger Ferti­ gungstoleranzen bei der Fügeverbindung verzichtet werden kann. Die Reproduzierbarkeit der Fügeverbindung ist somit insgesamt gesehen vollkommen gewährleistet. Des weiteren wird durch die verfahrensspezifische Verwendung einer Hohlwelle Gewicht an der Fügeverbindung eingespart und somit Materialressourcen besser genutzt. Aufgrund der umfänglichen Anpressung durch die Aufwei­ tung der Hohlwelle an die Nabe wird ein hoher Kraft- und Formschluß zwischen Welle und Nabe erreicht, der den dynami­ schen Belastungen vollauf gerecht wird. D. h., daß kein Pas­ sungsspiel während der dynamischen Belastung und auch keine Zu­ nahme des Spiels auftritt und somit eine direkte - ohne Zeit­ verzug - Drehmomentübertragung gewährleistet ist. Das Passungs­ spiel wird durch den kraftschlüssigen Anteil der Verbindung aufgrund der elastischen Rückverformung der Nabe unterbunden. Zusätzlich wird durch diesen kraft- bzw. reibschlüssigen Anteil eine hohe Widerstandskraft gegen axiales Verschieben der Nabe auf der Welle nach Montage erzeugt. Des weiteren wird eine hohe Langzeithaltbarkeit der Fügeverbindung erreicht, da die Verzah­ nung während der Betriebszeit nicht ausschlägt. Auch entfallen die mit einem Passungsspiel verbundenen störenden Klappergeräu­ sche beim Anschlagen der Zahne aneinander. Auch die Prozeßfüh­ rung bei der Montage ist vereinfacht, wobei die Welle- Nabeverbindung nur zwei Arbeitsschritte Einschieben der Welle in die Nabe und Aufweiten der Welle erfordert.

Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung können den Unteran­ sprüchen entnommen werden; im übrigen ist die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles nachfolgend näher erläutert; dabei zeigt:

Fig. 1 in einer seitlichen Ansicht eine erfindungsgemäße Welle- Nabeverbindung,

Fig. 2 in einem Querschnitt die Verbindung aus Fig. 1 in Schie­ belage der Welle,

Fig. 3 einen vergrößerten Ausschnitt der Verbindung aus Fig. 2,

Fig. 4 in einem Querschnitt die Verbindung aus Fig. 1 nach der Aufweitung der Welle,

Fig. 5 einen vergrößerten Querschnitt der Verbindung aus Fig. 4.

In Fig. 1 ist eine Welle-Nabeverbindung 1 dargestellt, bei der ein mit einer Außenverzahnung 2 versehener Endabschnitt 3 einer Hohlwelle 4 eine Nabe 5 durchragt. Die Hohlwelle 4 kann als Zahnwelle oder wie hier im Ausführungsbeispiel als Keilwelle ausgebildet sein. Die Keilwelle kann beispielsweise durch Zie­ hen eines Rohres oder durch Fräsen des für die Ausbildung der Verzahnung bestimmten Abschnittes 3 der Hohlwelle 4 in einfa­ cher Weise hergestellt werden. Die entsprechende Innenverzah­ nung 6 der Nabe 5 kann durch Räumen oder auch durch Fräsen er­ zeugt werden. Es ist auch denkbar, daß die Hohlwelle 4 aus zwei separaten Bauteilen, einem Zahnkranz und einem glattzylindri­ schen Rohr gebildet ist, wobei der die Außenverzahnung 2 der Hohlwelle 4 bildende Zahnkranz auf das Rohr in die gewünschte axiale Fügeposition aufgeschoben wird und anschließend bei­ spielsweise durch Schweißen oder durch eine mittels eines im Rohr aufgebrachten fluidischen Innenhochdruckes verursachte partielle Aufweitung des Rohres am Rohr unlösbar befestigt wird. Die Zähne 7 wie auch die Lücken 8 der Außenverzahnung 2 der aus einem üblichen Rohrmaterial bestehenden Hohlwelle 4 sind prismatisch ausgebildet. Die Innenverzahnung 6 der Nabe 5 ist entsprechend gestaltet. Die Keilwelle 4 wird nun mit ihrer Außenverzahnung 2 Zahn auf Lücke in die Innenverzahnung 6 der Nabe 5 mit Spiel eingeschoben, wobei sich zwischen den Verzah­ nungen 2 und 6 ein Fügespalt 9 ausbildet (Fig. 2 und insbeson­ dere Fig. 3).

Nach Erreichen der genauen axialen Relativlage zwischen Hohl­ welle 4 und Nabe 5 wird eine sogenannte Aufweitlanze in den die Höhlung bildenden Innenraum 10 der Hohlwelle 4 hineingeschoben. In der Aufweitlanze verläuft ein Axialkanal zur Führung eines unter Hochdruck stehenden fluidischen Mittels, wobei der Kanal eine Radialbohrung besitzt, die an der Stelle der herzustellen­ den Aufweitung positioniert wird. Die Radialbohrung ist durch zwei zu beiden Seiten des Bohrungsaustritts am Aufweitlanzenum­ fang angeordneten Radialdichtungen hochdruckfest (< ca. 500 bar) in beide Axialrichtungen abgedichtet. Das heißt, daß durch den Innenhochdruck nur die Stelle der Hohlwelle 4 beaufschlagt wird, die zwischen den beiden Radialdichtungen liegt, und somit die Hohlwelle 4 partiell umgeformt wird. Durch Steuerung des Fluidhochdruckes kann höchst präzise der Prozeßablauf der Auf­ weitung und der Anpreßdruck und somit die Stärke des Reib­ schlusses je nach Bedarf, natürlich im Rahmen der Bruchdehnung des Hohlwellenmaterials und der Umformelastizität der Nabe 5 eingestellt werden.

Die Hohlwelle 4 weitet sich also in radialer Richtung umfäng­ lich plastisch auf, bis es zur umfänglichen festen Anlage der Außenverzahnung 2 an der Innenverzahnung 6 der Nabe 5 unter Aufhebung des bis dahin noch bestehenden Passungsspiels kommt (Fig. 4 und 5). Bei dem dadurch erreichten Reib- und Formschluß von Hohlwelle 4 und Nabe 5 verbleibt höchstens nur noch ein Ra­ dialspalt 11 zwischen den Zahnköpfen 12 der Zähne 7 der Außen­ verzahnung 2 der Hohlwelle 4 und dem jeweiligen zugewandten Lückengrund 13 der Lücken der Innenverzahnung 6 der Nabe 5, wie insbesondere in Fig. 5 zu sehen ist. Die Nabe 5 weitet sich mo­ mentan zwar auch auf, jedoch nur im elastischen Bereich, so daß nach der Entspannung des Druckes das Nabenmaterial elastisch zur plastisch aufgeweiteten Hohlwelle 4 hin zurückfedert, wo­ durch ein besonders hoher Reibschluß zwischen Welle 4 und Nabe 5 gegeben ist.

Zur Aufweitung ergeben sich örtlich mehrere Möglichkeiten. Zum einen kann die Aufweitung und dementsprechend die Anpressung lokal nur punktuell ausgebildet sein, wozu die Hohlwelle 4 mit der Außenverzahnung 2 an zumindest einer Axialposition inner­ halb der Erstreckung der Nabe 5 umlaufend an die Innenverzah­ nung 6 der Nabe angepreßt wird, was die Herstellung insbesonde­ re bei einem Aufweitverfahren - angewandt auf die Hohlwelle 4 - besonders schnell macht.

Zum anderen kann die Welle 4 in ihrer axialen Erstreckung lokal selektiv an der Stelle der Nabe 5 entlang des gesamten axialen Überlappungsbereiches der Verzahnungen 2 und 6 aufgeweitet wer­ den. Hierbei ist der rutschfeste Halt der Nabe 5 auf der Hohlwelle 4 hinsichtlich seiner Dauerfestigkeit vorteilhaft, da die an der Welle-Nabeverbindung angreifenden Drehmomente breit über den Überlappungsbereich verteilt werden können. Außerdem können auch höhere Drehmomente schadensfrei übertragen werden.

Des weiteren ist es denkbar, die Nabe 5 und die Welle 4 in der Schiebelage in einem geschlossenen Innenhochdruckumformwerkzeug zu fügen. Hierbei können nicht nur der an der Stelle des herzu­ stellenden Preßsitzes im Überlappungsbereich der Verzahnungen 2 und 6 gelegene Abschnitt 14 der Hohlwelle 4, sondern auch die außerhalb des Überlappungsbereiches liegenden Abschnitte 15, aufgeweitet werden. Die Hohlwelle 4 kann dabei über ihre gesam­ te Erstreckung hinweg aufgeweitet werden. Dadurch ergibt sich für die Nabe 5 eine in axialer Richtung formschlüssige Einbet­ tung in die Hohlwelle 4 und somit ein unverrückbarer axialer Halt.

Falls sich die Aufweitung nur auf den Überlappungsbereich be­ schränkt, kann eine gegenüber der zuletzt erwähnten Variante bauraumsparende Welle-Nabeverbindung bzw. Ausbildung des Zusam­ menbaus erreicht werden. Ein geschlossenes Innenhochdruckum­ formwerkzeug ist hierzu nicht erforderlich, so daß der Einsatz der oben genannten Aufweitlanze genügt.

Nach der Ausbildung der gewünschten Welle-Nabeverbindung wird im Falle der Beaufschlagung mit Innenhochdruck dieser entspannt und die Aufweitlanze aus der Hohlwelle 4 gezogen. Durch die hochgenau kontrollierbare Druckregulierung des Innenhochdruckes kann mit einem einzigen Werkzeug der Aufweitvorgang exakt auf die jeweilige Wandstärke der Hohlwelle 4 und/oder Bruchdehnung des Hohlwellenmaterials in schonender vorteilhafter Weise abge­ stimmt werden, so daß die Prozeßsicherheit weiter verbessert wird.

Alternativ zur Aufweitung mittels fluidischen Innenhochdruckes kann diese auch durch Aufdornen oder Räumen erfolgen. Die er­ findungsgemäße Welle-Nabeverbindung kann beispielsweise in Zahnrad-, Ketten- und Riemengetrieben im Antriebsstrang von Kraftfahrzeugen ihre Anwendung finden.

Claims (4)

1. Verfahren zur Herstellung einer Welle-Nabeverbindung, wobei eine Zahn- oder Keilwelle mit einer Außenverzahnung Zahn auf Lücke in eine Innenverzahnung einer Nabe mit Spiel eingeschoben wird und wobei die Außenverzahnung der Welle mit der Innenver­ zahnung der Nabe verpreßt wird, wobei in Schiebelage der Welle diese aus einer Höhlung der Welle heraus in einem radialen um­ fänglichen Aufweitvorgang plastisch verformt und unter Bildung einer Spielfreiheit zwischen den Lücken der Außenverzahnung der Welle und der in diese greifenden Innenverzahnung der Nabe an die Nabe derart angepreßt wird, daß sich die Nabe elastisch verformt und ein Preßsitz zwischen Welle und Nabe ausgebildet wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlwelle (4) aus zwei separaten Bauteilen einem Zahn­ kranz und einem glattzylindrischen Rohr gefertigt wird, wobei der die Außenverzahnung (2) der späteren Hohlwelle (4) bildende Zahnkranz auf das Rohr lagegerecht aufgeschoben wird und dann beispielsweise durch Schweißen oder durch eine mittels eines in dem Rohr an der Stelle des Zahnkranzes aufgebrachten fluidi­ schen Innenhochdruckes verursachten Aufweitung des Rohres be­ festigt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Welle (4) in ihrer axialen Erstreckung lokal selektiv an der Stelle der Nabe (5) aufgeweitet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Welle (4) über ihrer gesamte Erstreckung aufgeweitet wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Welle (4) mittels fluidischen Innenhochdruckes aufge­ weitet wird.