DE102011001499B3

DE102011001499B3 - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung einer Schrumpfverbindung zwischen wenigstens zwei Bauteilen

Info

Publication number: DE102011001499B3
Application number: DE201110001499
Authority: DE
Inventors: Matthias Schaarschmidt
Original assignee: USK Karl Utz Sondermaschinen GmbH
Current assignee: USK Karl Utz Sondermaschinen GmbH
Priority date: 2011-03-23
Filing date: 2011-03-23
Publication date: 2012-08-30
Anticipated expiration: 2031-03-24

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung einer Schrumpfverbindung zwischen wenigstens zwei Bauteilen. Verfahrensgemäß wird wenigstens ein erstes Bauteil (1) auf eine Vorwärmtemperatur (T1) eingestellt, wenigstens ein damit zu fügendes zweites Bauteil (2) auf eine Temperatur (T2) eingestellt, die geringer ist, als die Vorwärmtemperatur (T1), wobei durch die Temperaturdifferenz zwischen der Vorwärmtemperatur (T1) und der zweiten Temperatur (T2) ein Fügen der Bauteile (1, 2) möglich ist, und dass nach dem Aufeinanderscheiben der Bauteile dann das Bauteil mit der geringeren Temperatur (T2) erwärmt wird und dadurch die Schrumpfverbindung hergestellt wird. Die Vorrichtung zur Herstellung der Schrumpfverbindung weist ein oder mehrere Heizeinrichtungen auf, durch welche zumindest ein erstes Bauteil (1) auf die Vorwärmtemperatur (T1) einstellbar ist und durch welche nach dem Fügen mit wenigstens einem zweiten Bauteil (2) die Temperatur des zweiten Bauteils (2) auf eine Temperatur gleich oder nahe der Vorwärmtemperatur (T1) erhöht wird. (2)

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung einer Schrumpfverbindung zwischen wenigstens zwei Bauteilen die üblicherweise aus einer zumindest in Bereichen zylindrischen Welle oder Rohr und einem oder mehreren konzentrischen, exzentrischen oder frei geformten Teilen mit zylindrischen Bohrungen bestehen (Wellen-Naben-Verbindung).
Bekannt sind Verfahren zum Verbinden von Bauteilen durch Schrumpfen. Dabei werden die Wellen oder Rohre abgekühlt oder bei Raumtemperatur belassen und die aufzuschrumpfenden Bauteile erwärmt. Die durch den Temperaturunterschied entstehende Passungsveränderung wird genutzt, um die Bauteile fügen zu können. Der anschließende Prozess der Abkühlung der Bauteile oder durch den Kontakt der Welle zugeführte Energie und damit verbundene Erwärmung der Welle verbindet die Bauteile miteinander. Üblicherweise werden die gefügten Bauteile während des Temperaturungleiches in Vorrichtungen gehalten. Die Vorrichtungsteile führen dabei Wärme ab.
Ein Verfahren und ein Montagesystem zum Herstellen einer gebauten Nockenwelle mit aufgeschrumpften Nocken ist beispielsweise aus DE 10 2004 049 272 A1 (1) bekannt. Dabei werden auf die metallische Welle Nocken aufgeschrumpft. Die Nocken werden zunächst erwärmt, im erwärmtem Zustand in eine vorgegebene Position auf der Welle aufgefädelt und anschließend durch Aufschrumpfen infolge des Abkühlens auf der Welle befestigt.
In der Druckschrift DE 10 2005 061 920 B4 wird ein Verfahren zur Erzeugung eines Schrumpfsitzes für ein Triebteil, insbesondere für ein ringförmiges Triebteil, auf einer Welle, bei dem das Triebteil eine dem Außendurchmesser der Welle entsprechende Öffnung aufweist, das Triebteil bis zum Erreichen eines Fügetemperaturprofils erwärmt und dadurch aufgeweitet wird, das Triebteil beim Erreichen des Fügetemperaturprofils über die Welle geschoben wird und anschließend in vordefinierter Lage erkaltet und dabei fest auf die Welle schrumpft, wobei das Triebteil vor dem Aufschieben auf die Welle gleichzeitig und ausschließlich gezielt von radial innen und radial außen, jeweils bezogen auf die Öffnung, erwärmt wird.
Nachteil der vorgenannt beschriebenen Lösungen ist, dass die Vorrichtungsteile schon ab der Bestückung mit Bauteilen Wärme abführen und damit schon vor dem eigentlichen Fügen der Schrumpfungsprozess beginnt und eine Verkleinerung des Fügespaltes oder Vergrößerung der Passungsüberlappung eintritt. Ein weiterer Nachteil ist darin zu finden, dass an den Stellen, an denen die Bauteile berührt werden, mehr Wärme abgeleitet wird als an den unberührten Stellen. Dabei entstehen im Bauteil unterschiedliche Temperaturzonen, die dazu führen, dass der Fügedurchmesser nicht mehr zylindrisch ist.
Bauteilbereiche, die dünnwandiger sind, kühlen schneller ab als Bauteilbereiche, die dickwandiger sind. Dieser Effekt führt ebenfalls dazu, dass der Fügedurchmesser nicht mehr zylindrisch ist. Größere Verarbeitungszeiten verstärken die Effekte.
Die genannten Nachteile werden üblicherweise durch Vergrößerung der Temperaturdifferenz, Vergrößerung der Passungstoleranzen, Vergrößerung der Fügekraft oder spezielle Gleitmittel ausgeglichen. Alle 4 Maßnahmen haben Grenzen, die bei Überschreitung zu Qualitätseinbusen führen.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung einer Schrumpfverbindung zwischen wenigstens zwei Bauteilen zu entwickeln, mit welchen eine unerwünschte und zu schnelle Abkühlung von Bauteilen vermieden wird um eine qualitativ hochwertige Wellen-Naben-Verbindung zu gewährleisten.
Diese Aufgabe wird mit den kennzeichnenden Merkmalen des 1. und 5. Patentanspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Mit der erfindungsgemäßen Lösung erfolgt erstmalig ein sogenanntes Warmfügen, wobei bevorzugt die Welle/das Rohr bei Raumtemperatur oder gekühlt in der Aufnahmevorrichtung gehalten wird. Die erwärmten Bauteile werden in der Montagevorrichtung in Bauteilaufnahmevorrichtungen gehalten, die die gleiche Vorwärmtemperatur besitzen, wie die erwärmten ersten Bauteile. Damit erfolgt keine Wärmeabfuhr aus den Bauteilen. Nach dem Fügen der Welle/des Rohres mit den in der Montagevorrichtung in den Bauteilaufnahmevorrichtungen gehaltenen ersten Bauteilen, die eine entsprechende Bohrung aufweisen, erfolgt in der Montagevorrichtung die Erwärmung der Welle/des Rohres, so dass die Schrumpfverbindung entsteht, vorzugsweise bis auf eine Temperatur nahe oder gleich der Vorwärmtemperatur zur Minimierung der Temperaturdifferenz. Damit ist der Schrumpfungsprozess beendet.
Danach wird die Baugruppe aus der Montagevorrichtung entnommen und kann außerhalb der Station abkühlen.
Da es keinen beginnenden Schrumpfungsprozess der Bauteile und keine Abweichungen von der Zylinderform der Bauteilbohrungen gibt, kann mit geringerem Fügespalt oder geringerer Passungsüberdeckung gearbeitet werden. Da rotationssymmetrische Bauteile, wie die Welle (insbesondere Hohlwelle)/das Rohr in hoher Geschwindigkeit erwärmt werden können, ohne dass es zu Zylinderformfehlern kommt, können die Maschinentaktzeiten verkürzt werden.
Die Bauteilaufnahmevorrichtungen für die ersten Bauteile sind vor und während der gesamten Montagezeit und vorteilhafterweise während der gesamten Produktionszeit auf eine Temperatur gleich oder nahe der Vorwärmtemperatur für die Bauteile beheizt. Der Schrumpfungsprozess wird erstmalig durch das Aufheizen der Welle/des Rohres (zweites Bauteil) auf eine Temperatur gleich oder nahe der Vorwärmtemperatur für die ersten Bauteile erreicht. Die Abkühlung der bereits durch den Schrumpfprozess verbundenen Baugruppe erfolgt außerhalb der Montagevorrichtung. Die ersten Bauteile sind in Form von einem oder mehreren konzentrischen, exzentrischen oder frei geformten Teilen mit zylindrischen Bohrungen ausgebildet. Mit der erfindungsgemäßen Lösung kann beispielsweise eine gebaute Nockenwelle hergestellt werden, wobei dann die bereits auf Vorwärmtemperatur erwärmten Nocken die ersten Bauteile sind und in der Montagevorrichtung positioniert und auf Vorwärmtemperatur gehalten werden und das zweite Bauteil die Hohlwelle ist, welche mit den Nocken in der Montagevorrichtung gefügt wird und in dieser auf die Temperatur im Bereich der Vorwärmtemperatur erwärmt wird, wodurch zwischen Nocken und Welle eine Schrumpfverbindung entsteht. Die gebaute Nockenwelle wird dann aus der Montagevorrichtung entnommen und kühlt auf Raumtemperatur ab.
Vorzugsweise werden die ersten Bauteile bereits außerhalb der Montagevorrichtung erwärmt und dann in der Montagevorrichtung auf der erforderlichen Temperatur warm gehalten.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels zur Herstellung einer gebauten Nockenwelle beschrieben. Es zeigen:
1 die Prinzipdarstellung der zu fügenden ersten Bauteile 1 in Form von hier 2 Nocken und einem Ring und eines zweiten Bauteiles in Form einer (Hohl-)Welle 2,
2 die in einer Aufnahmevorrichtung 3, 4 aufgenommene Welle 2 und die in einer Montagevorrichtung M in Bauteilaufnahmevorrichtungen 5 positionierten Nocken (ersten Bauteile 1),
3 die in der Montagevorrichtung mit den Nocken (ersten Bauteilen 1) gefügte Welle 2,
4 die gebaute Nockenwelle.
In 1 ist die Prinzipdarstellung der zu fügenden ersten Bauteile 1 in Form von hier drei Nocken mit nicht bezeichneten Innendurchmessern und eines zweiten Bauteiles in Form einer (Hohl-)Welle 2 mit nicht bezeichnetem Außendurchmesser, Gemäß 2 wurden die ersten Bauteile 1 in Form der Nocken in Bauteilaufnahmevorrichtungen 5 in der Montagevorrichtung M positioniert. Den Bauteilaufnahmevorrichtungen 5 sind erste Heizeinrichtungen 5,1 zugeordnet, wodurch diese und die ersten Bauteile 1 auf eine Vorwärmtemperatur T1 erwärmt wurden. Die Montagevorrichtung M weist weiterhin zweite Heizeinrichtungen 6 auf. Die Welle 2 wurde in einer Aufnahmevorrichtung 3, 4 aufgenommen, befindet sich noch außerhalb der Montagevorrichtung M und weist eine Temperatur T2 auf, die in etwa der Raumtemperatur entspricht oder geringer ist. Nun wird die Welle 2 durch die Aufnahmevorrichtung 3, 4 durch die Bohrungen der Nocken (ersten Bauteile 1) geschoben, was durch die Temperaturdifferenz zwischen T1 und T2 noch möglich ist. Sobald sich die Welle in der beheizten Montagevorrichtung befindet (3), erhöht sich deren Temperatur (ggf. durch die Heizeinrichtungen 5.1, 6 unterstützt) bis in den Bereich der Vorwärmtemperatur T1 und zwischen Nocken (ersten Bauteilen 1) und Welle 2 entsteht eine Schrumpfverbindung (Querpressverbindung), da sich das beim Fügen noch vorhandene Spiel in ein Übermaß abbaut. Nun wird die gefügte Nockenwelle aus erstem Bauteilen 1 (Nocken und Ring) und zweitem Bauteil 2 in Form einer Hohlwelle (4) aus der Montagevorrichtung entnommen und kühlt auf Raumtemperatur ab.
Mit dem neuartigen Warmfügen können in hoher Qualität Querpressverbindungen (Schrumpfverbindungen) hergestellt werden.

Claims

Verfahren zur Herstellung einer Schrumpfverbindung zwischen wenigstens zwei Bauteilen wobei wenigstens eines einen Innendurchmesser und wenigstens eines einen Außendurchmesser aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass – wenigstens ein erstes Bauteil (1) auf eine Vorwärmtemperatur (T1) eingestellt wird, – das wenigstens eine erste Bauteil (1) in einer Bauteilaufnahmevorrichtung (5) gehalten wird, deren Temperatur gleich oder nahe der Vorwärmtemperatur (T1) ist, – wenigstens ein damit zu fügendes zweites Bauteil (2) auf eine Temperatur (T2) eingestellt wird, die geringer ist, als die Vorwärmtemperatur (T1), – wobei durch die Temperaturdifferenz zwischen der Vorwärmtemperatur (T1) und der zweiten Temperatur (T2) ein Fügen (Aufeinanderschieben) der Bauteile möglich ist, – dass nach dem Fügen (Aufeinanderschieben) der wenigstens zwei Bauteile das wenigstens eine zweite Bauteil (2) erwärmt und dadurch die Schrumpfverbindung zwischen den Bauteilen (1, 2) hergestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein erstes Bauteil (1) eine Bohrung aufweist und wenigstens ein zweites Bauteil eine Welle (2) ist und dass das/die ersten Bauteile (1) außerhalb einer Montagevorrichtung auf die Vorwärmtemperatur erwärmt und in einer Montagevorrichtung, welche eine oder mehrere Bauteilaufnahmevorrichtungen (5) aufweist, auf der Vorwärmtemperatur (T1) gehalten wird/werden, dass die Welle (2) auf Raumtemperatur oder eine geringere zweite Temperatur (T2) eingestellt und mittels einer Aufnahmevorrichtung (3, 4) mit dem/den in der Vorrichtung befindlichen ersten Bauteil/en (1) gefügt wird, dass die Welle (2) in der Montagevorrichtung erwärmt wird, so dass die Schrumpfverbindung zwischen dem/den ersten Bauteil/en (1) und der Welle (2) entsteht und anschließend die durch den Schrumpfprozess hergestellte Baugruppe aus erstem/n Bauteil/en (1) und Welle (2) aus der Montagevorrichtung entnommen wird und abkühlt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das/die zweite/n Bauteil/e (Welle) (2) in der Montagevorrichtung von ihrer Temperatur (T2) auf eine Temperatur erwärmt werden, die im Wesentlichen gleich oder nahe der Vorwärmtemperatur (T1) ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die in der Montagevorrichtung durch den Schrumpfprozess/die Schrumpfverbindung hergestellte Baugruppe aus zweitem/n Bauteil/en (1) und Welle (2) nach dem Entnehmen aus der Montagevorrichtung auf Raumtemperatur abkühlt.
Vorrichtung zur Herstellung einer Schrumpfverbindung zwischen wenigstens zwei Bauteilen, dadurch gekennzeichnet, dass diese ein oder mehrere Heizeinrichtungen aufweist, durch welche zumindest ein erstes Bauteil (1) auf eine Vorwärmtemperatur (T1) einstellbar ist, und weitere, durch welche nach dem Fügen mit wenigstens einem zweiten Bauteil (2) die Temperatur des zweiten Bauteils (2) auf eine Temperatur gleich oder nahe der Vorwärmtemperatur (T1) erhöht wird.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein oder mehrere Heizeinrichtungen zur Erzeugung einer Vorwärmtemperatur (T1) in einer Montagevorrichtung (M) angeordnet sind, und dass die Montagevorrichtung (M) eine oder mehrere Bauteilaufnahmevorrichtungen (5) für die ersten Bauteile (1) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Bauteilaufnahmevorrichtungen (5), welche das/die erste/n Bauteile (1) aufnehmen, mittels erster Heizeinrichtungen (5.1) beheizt sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass in der Montagevorrichtung (M) ein oder mehrere zusätzliche zweite Heizeinrichtungen (6) zur Erwärmung des wenigstens einen zweiten Bauteils (2) angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass diese eine Aufnahmevorrichtung (3, 4) für das wenigstens eine zweite Bauteil (2) aufweist, mittels welcher dieses in die Montagevorrichtung (M) bringbar und mit dem/den in der Vorrichtung befindlichen ersten Bauteil/en (1) fügbar ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die in der Montagevorrichtung (M) gefügte Baugruppe aus wenigstens einem ersten und einem zweiten Bauteil (1, 2) mittels der Aufnahmevorrichtung (3, 4) aus der Montagevorrichtung (M) entnehmbar ist.