DE102011005408B4

DE102011005408B4 - Verfahren zur Herstellung einer Fügeverbindung in einer Pumpe oder eines Nockenwellen-Phasenstellers

Info

Publication number: DE102011005408B4
Application number: DE102011005408.1A
Authority: DE
Inventors: Jürgen Bohner; Michael Ehringer
Original assignee: Schwaebische Huettenwerke Automotive GmbH
Current assignee: Schwaebische Huettenwerke Automotive GmbH
Priority date: 2011-03-11
Filing date: 2011-03-11
Publication date: 2014-02-13
Anticipated expiration: 2031-03-12
Also published as: DE102011005408A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung einer Fügeverbindung (1, 2), die Bestandteil einer Pumpe, die der Versorgung eines Aggregats eines Kraftfahrzeugs mit einem Fluid oder einem Unterdruck dient, oder eines Nockenwellen-Phasenstellers ist, wobei bei dem Verfahren a) ein erstes Fügeteil (1) mit einer ersten Fügefläche (3, 13, 17) und ein zweites Fügeteil (2) mit einer zweiten Fügefläche (4, 14, 18) bereitgestellt werden, b) wenigstens eine der Fügeflächen (3, 4; 13, 14; 17, 18) metallisch ist und zumindest teilweise mittels eines Laser-Bearbeitungsverfahrens so bearbeitet wird, dass eine Änderung ihrer Oberflächenbeschaffenheit hervorgerufen wird, c) und die Fügeteile (1, 2) mit den Fügeflächen (3, 4; 13, 14; 17, 18) gegeneinander gepresst und dadurch kraftschlüssig miteinander gefügt werden, d) wobei das Laser-Bearbeitungsverfahren in einer von Luft abweichenden Umgebungsatmosphäre, nämlich in einer Stickstoff-Kohlenwasserstoff-Mischung, durchgeführt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Fügeverbindung, insbesondere einem Pressverbund und einem Schraubverbund von wenigstens zwei Fügeteilen. Die Erfindung kommt bei Pumpen und Nockenwellen-Phasenstellern von Kraftfahrzeugen zum Einsatz.
Das Fügen von Teilen mit einem Pressvorgang schafft haltbare, rüttelsichere Verbindungen, die große und insbesondere auch wechselnde oder schlagartig einsetzende Kräfte übertragen können. Hauptsächlich werden umlaufende Teile, wie Laufräder, Antriebsräder, Turbinenläufer, Förderräder, Gebläseräder und dergleichen auf oder axial gegen Achsen oder Wellen gepresst. Neben Pressverbunden aus Welle und Nabe oder Welle an Welle, die der Übertragung eines Drehmoments dienen, können Pressverbunde auch der Übertragung nur von Schubkräften, d. h. von Axial- oder Querkräften, dienen. Die Erfindung betrifft zwar in erster Linie Pressverbunde für die Übertragung von Drehmomenten, ist aber auch auf Pressverbunde zur Übertragung von nur linear wirkenden Kräften zwischen den Fügeteilen des jeweiligen Pressverbunds gerichtet. Das übertragbare Drehmoment oder die übertragbare Kraft hängt von der Flächenpressung in der Verbindungsfuge der Fügeteile, der Größe der einander kontaktierenden Flächen der Fügeteile und den Reibwerten ab. Diese Größen können allerdings nicht beliebig vergrößert werden, da beispielsweise mit einer Vergrößerung der im Reibschluss befindlichen Fügeflächen auch die Größe der Fügeteile zunimmt oder durch materialabtragende Bearbeitung eine Schwächung bei wenigstens einem der Fügeteile bewirkt wird oder die Fügeflächen geometrisch komplex geformt, aus speziellen Materialien gefertigt oder die Oberflächen aufwändig bearbeitet werden müssen, was die Herstellungskosten erhöht.
Aus der DE 10 2010 003 574 der Anmelderin ist ein Pressverbund mit einem ersten Fügeteil und einem zweite Fügeteil bekannt, wobei das zweite Fügeteil über eine Fuge mit dem ersten Fügeteil mittels Presskraft verbunden ist. In der Fuge ist eine Hartstoffpartikel in einer nachgiebigen Trägermasse enthaltende Mischung angeordnet.
In der DE 10 2005 062 522 A1 wird ein Verfahren zur kraftschlüssigen Verbindung der Stirnflächen zweier Maschinenbauteile zur Übertragung hoher Drehmomente oder Querkräfte beschrieben. Die gehärteten Erhebungen an der Stirnfläche werden durch Laserstrukturieren, d. h. durch hochenergetische gebündelte und auf die zu bearbeitende Fläche fokusssierte Laserstrahlen, hergestellt.
Die DE 10 2010 005 076 A1 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung von Quer- oder Längspressverbindungen, bei denen eines der Bauteile aus einem MMC-Material hergestellt ist. Das MMC-Material weist ein metallisches Grundmaterial auf, in das Hartstoffpartikel eingelagert sind, die durch chemische Behandlung so freigelegt werden, dass sie aus der verbleibenden Metallmatrix vorstehen.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren anzugeben, welches eine kostengünstige Herstellung einer Fügeverbindung erlaubt.
Die Aufgabe wird mit dem Verfahren nach Anspruch 1 gelöst.
Die Erfindung hat eine Fügeverbindung, wie z. B. einen Pressverbund oder Schraubverbund, mit einem ersten Fügeteil mit mindestens einer ersten Fügefläche und wenigstens einem zweiten Fügeteil mit mindestens einer zweiten Fügefläche zum Gegenstand, die mittels Presskraft, welche die Fügeflächen gegeneinander drückt, reibschlüssig miteinander verbunden sind. Mindestens ein Teilbereich der ersten Fügefläche und/oder mindestens ein Teilbereich der zweiten Fügefläche sind mit einem die jeweilige Fügeoberfläche oder Oberflächenbeschaffenheit verändernden, wie z. B. einem die Oberfläche aufrauenden oder bevorzugt vorstehende und vorteilhaft harte Oberflächenpartikel ausbildenden Verfahren behandelt worden. Hierdurch wird der Reibungskoeffizient für zumindest die Haftreibung zwischen der ersten Fügefläche und der zweiten Fügefläche bezogen auf eine Reibpaarung, bei der die erste und zweite Fügefläche nicht mit dem die Oberflächenbeschaffenheit verändernden Verfahren behandelt worden wären, vergrößert. Das Verfahren bewirkt insbesondere, dass eine in ihrer Oberflächenbeschaffenheit veränderten oder nicht glatte Oberfläche an mindestens einer der Fügeflächen vorliegt, welche auf die korrespondierende nicht mit dem Verfahren behandelte oder glatte oder ebenfalls mit dem Verfahren behandelte oder raue Gegenfügefläche gedrückt werden kann, wobei auf Grund der veränderten Oberflächenbeschaffenheit oder Rauheit oder Unebenheit mindestens einer Fügefläche an dieser Fügefläche vorstehende Erhebungen, vorzugsweise gehärtete Fügeflächenpartikel oder/und Schlackepartikel, vorhanden sind, welche sich zum Beispiel beim Verpressen oder Verschrauben der Fügeteile, d. h. beim Aufeinanderpressen der ersten und zweiten Fügeflächen in die Gegenfügefläche eingraben oder eindrücken, um vorzugsweise den Reibwert zwischen den Fügeflächen zu erhöhen.
Vorzugsweise ist mindestens eine Fügefläche so ausgebildet oder zum Beispiel durch Laserbestrahlung behandelt worden, dass vorstehende Partikel, insbesondere Hartstoffpartikel in großer Zahl über die Fügefläche oder einen Teilbereich davon fein verteilt sind, wobei je nach Art der Oberflächenbehandlung die Partikel die gleiche Härte wie die Fügeteile haben können oder vorteilhaft auch härter als die Fügeteile oder deren Oberflächenmaterial ausgebildet sein können.
Durch die erfindungemäße Fügeverbindung können die vom Press- oder Schraubverbund übertragbaren Kräfte oder Drehmomente erheblich gesteigert werden. Umgekehrt kann bei vorgegebenem maximalen Drehmoment oder vorgegebener maximaler Kraft die Flächenpressung oder die Fügeflächen der Fügeteile verringert werden oder eine größere Freiheit bei der Materialwahl erzielt werden. Vorzugsweise ist zumindest eine Mehrzahl der von der Fügefläche vorstehenden oder Hartstoffpartikel in mindestens eine oder beide Fügeflächen eingegraben oder eingedrückt. Die Verformung der Oberfläche der mindestens einen ersten Fügefläche und/oder der mindestens einen zweiten Fügefläche oder die Ausbildung von Hartstoffpartikel oder Schlackepartikeln auf dieser Oberfläche erfolgt mittels eines Laser-Bearbeitungsverfahrens, welches mittels Strahlungsenergie auf die Oberfläche oder Teilbereiche oder einzelne Punkte der Oberfläche einwirkt, vorzugsweise nur an solchen Stellen, an welchen anschließend auch eine oder mehrere Unebenheiten oder Partikel vorliegen sollen. Das Verfahren zur Behandlung oder Aufrauung der Fügeflächenoberfläche kann die Einwirkung mittels eines Laserstahls oder Laserstrahlen sein, wie dies auf dem Gebiet der Laserbeschriftung bekannt ist. Dabei wird ein Objekt mit Hilfe eines zum Beispiel intensiven oder hochenergetischen Laserstrahls angestrahlt und das so bearbeitete oder beschriftete Material wird selbst verändert, also zum Beispiel an der Oberfläche verformt, so dass beispielsweise ohne zusätzlichen Materialauftrag gleichzeitig eine kleine Vertiefung oder Kuhle und eine Erhöhung oder ein Partikel, welcher neben der Vertiefung liegen kann, ausgebildet wird.
Das Material selbst wird chemisch verändert. Das Verfahren wird in einer Umgebungsgasatmosphäre durchgeführt werden, die bewirkt, dass bei der Laserbehandlung ein Bestandteil des Umgebungsgases sich chemisch mit dem Material verbindet oder in das Material eingelagert wird.
Die Umgebungsgasatmosphäre ist eine Stickstoff-Kohlenwasserstoff-Mischung, wie z. B. eine Stickstoff-Argon-Methan-Mischungen. Der chemisch und insbesondere auch physikalisch veränderte oder umgeformte Teilbereich der Fügefläche oder die neu ausgebildeten von der Oberfläche vorzugsweise etwas vorstehenden Partikel sind vorzugsweise härter als das Ausgangsmaterial, aus welchem die Fügefläche besteht. Bevorzugt sind diese Partikel nach der Behandlung oder Bestrahlung fest mit der Fügefläche verbunden, zum Beispiel auf diese auf- oder in diese eingeschmolzen.
Geeignete Metalle oder Metalllegierungen für die Oberflächenbearbeitung sind solche, bei denen durch Laserbestrahlung oder Wärmeeintrag gehärtete Bereiche und/oder harte Schlackepartikel, insbesondere in Verbindung mit einer der hierin genannten Atomsphären ausbilden. Nur Beispielhaft lassen sich hier Stahllegierungen, Aluminiumlegierungen oder Chrom-Nickellegierungen erwähnen. Bevorzugt werden Nitrid- und/oder Carbidbildner oder Metalle oder Legierungen verwendet, bei denen sich Martensitgefüge ausbilden kann.
Vorteilhaft sind die ausgebildeten Unebenheiten oder Partikel einer Fügefläche härter als die zum Beispiel unbehandelten Bereiche der Gegenfügefläche, so dass sich diese bei einem Fügevorgang in die Gegenfügefläche zur Erhöhung des Reibwerts eingraben eindrücken können.
Die Verformung oder Aufrauung der so bearbeiteten Fügefläche ist vorzugsweise dauerhaft und folglich auch wasser- und wischfest. Eine solche Verformung kann lokal begrenzt, schnell, automatisiert und individuell zum Beispiel anhand eines vorgegebenen Bebilderungs- oder Beschriftungsmusters erzeugt werden. Es ist auch möglich eine zum Beispiel maschinenlesbare Kennzeichnung auf der so bearbeiteten Fügefläche anzubringen, welche vorteilhaft gleichzeitig der Erhöhung des Reibwerts im zusammengefügten Zustand dienen kann.
Der hierin verwendete Begriff „Laserbeschriftung” ist als Laser-Oberflächenbearbeitung zu verstehen, ohne dass dabei Schriftzeichen oder eine Beschriftung ausgebildet werden müssen.
Ergänzend kann mindestens eine Fügefläche auch auf die in der oben erwähnten DE 10 2010 003 574 beschriebenen Art durch Aufbringen einer Hartstoffpartikel in einer nachgiebigen Trägermasse enthaltenden Mischung behandelt oder bearbeitet werden. Die Lehre der DE 10 2010 003 574 bezüglich eines Pressverbunds, der Ausbildung der Hartstoffpartikel und der Trägermasse und bezüglich des Verfahrens zur Herstellung eines Pressverbundes wird in diese Anmeldung voll umfänglich aufgenommen und kann mit der hierin beschriebenen Lehre kombiniert werden.
Die Unebenheiten oder Partikel, welche an einer bearbeiteten Fügefläche zum Beispiel durch Laserbestrahlung ausgebildet sind, haben gemäß einer bevorzugten Ausführungsform eine Größe mit einer größten Erstreckung über alle drei Raumrichtungen von höchstens 300 Mikrometer. Vorzugsweise beträgt die Erstreckung in wenigstens einer Raumrichtung mindestens 5 Mikrometer. Hartstoffpartikel, die auf die Oberfläche aufgeschmolzen oder in diese eingeschmolzen sein können, oder von der Fügefläche vorstehende Erhebungen werden mit einer Erstreckung von mindestens 30 Mikrometer und höchstens 80 Mikrometer besonders bevorzugt
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines Fügeverbundes werden die Fügeteile mit ihren jeweiligen Fügeflächen oder ihren jeweils mehreren Fügeflächen geformt. Mindestens eine der Fügeflächen wird wie oben beschrieben bearbeitet oder behandelt, nämlich in Form von Laserstrahlen, vorzugsweise zur Aufrauung oder lokalen Ausbildung von Partikeln oder Unebenheiten. Dabei kann eine an sich glatte oder ebene Oberfläche lokal oder an vorgegebenen Flächen oder Bereichen verändert, insbesondere verformt oder aufgeraut werden. Die Veränderung oder Aufrauung kann zum Beispiel durch Erhitzen und lokales Umschmelzen erfolgen, wobei kein Material von der Fügefläche abgeführt oder zur Fügefläche hinzugeführt wird. Ebenso kann die Aufrauung der Fügefläche oder die Erzeugung von Unebenheiten an oder auf der Fügefläche durch lokalen Materialabtrag und/oder lokalen Materialauftrag erfolgen, wobei die in dieser Beschreibung erwähnten Verfahren auch in Kombination gleichzeitig oder zum Beispiel zeitlich versetzt hintereinander durchgeführt werden können. Anschließend werden die erste Fügefläche des ersten Fügeteils und die zweite Fügefläche des zweiten Fügeteils, d. h. die Fügeteile mit deren Fügeflächen gegeneinander gepresst. Die Pressung kann beispielsweise über ein vom ersten und zweiten Fügeteil separates Teil, wie z. B. eine Schraube oder eine Mutter oder allgemein ein Spannelement, über einen Pressverband, mit dem das zweite Fügeteil auf dem ersten Fügeteil aufgepresst (Längspressverband) oder aufgeschrumpft (Querpressverband) ist, oder einen Kegelsitz zwischen ersten um zweiten Fügeteil erfolgen.
Somit kann erfindungsgemäß auf ein die Reibkraft zwischen zwei Elementen erhöhendes Zwischenelement, zum Beispiel eine Diamantscheibe, verzichtet werden. Die erfindungsgemäße Bearbeitung, insbesondere Aufrauung der Oberfläche(n) von Fügeflächen kann bei einem vorgegebenen Montageprozess taktzeitneutral und kostengünstig integriert werden. Des Weiteren können problemlos bereits vorhandene Teile oder Fertigungsprozesse auch bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendet werden. Insbesondere ist es nicht erforderlich, dass, wie bei anderen Verfahren zur Aufrauung einer Oberfläche, ein Schüttgutbehälter vorgesehen werden muss.
Die Fügeteile können im Füge- oder Pressverbund insbesondere mittels eines oder mehrerer Verbindungsmittel(s) im Bereich der Fügeflächen gegeneinander gespannt, d. h. aufeinander zu gepresst sein. Das einzige oder die mehreren Verbindungsmittel bzw. Spannmittel kann oder können insbesondere Niet- oder Schraubmittel sein. Die Aufrauung mindestens einer Fügefläche oder die Ausbildung von Hartstoffpartikeln verstärkt die Niet- oder Schraub- oder andersartige Primärverbindung der Fügeteile oder ermöglicht eine schwächere Dimensionierung der Niet- oder Schraubverbindung oder einer gegebenenfalls anderen Art einer die Fügeteile im Bereich der Fügeflächen gegeneinander spannenden primären Verbindung. Hierdurch können zusätzlich Materialeinsparungen und Gewichtsreduzierungen erreicht werden.
In bevorzugten ersten Ausführungen bilden die Fügeteile die Fuge mit Stirnflächen. Die im Füge- oder Pressverbund gegeneinander gepressten Stirnflächen bilden die Fügeflächen. Typische Vertreter derartiger Füge- oder Pressverbindungen sind Flanschverbindungen. Die Fügeteile können zum Herstellen der Füge- oder Pressverbindung jeweils einen Verbindungsflansch aufweisen, extra für die Füge- oder Pressverbindung. Bei einem oder bei beiden der Fügeteile kann eine Fügefläche auch mittels einer Schulter gebildet sein, über die das jeweilige Fügeteil sich in einem Durchmesser verringert, also von einer Umfangsfläche auf eine andere Umfangsfläche abfällt. Ferner kann auch eine stirnseitige Endfläche bei einem der Fügeteile oder bei beiden Fügeteilen dessen Fügefläche bilden. In jedem Falle liegen sich die Fügeflächen der Fügeteile über die Fuge axial zugewandt gegenüber. Vorzugsweise kontaktieren sie einander unmittelbar. Falls die Fuge einen Spalt bildet, ist dieser jedenfalls kleiner als eine größte Abmessung des überwiegenden Teils der Vorsprünge oder Erhebungen oder Hartstoffpartikel der Fügefläche. Einer Pressung der Fügeflächen direkt gegeneinander wird demgegenüber jedoch der Vorzug gegeben.
In zweiten Verfahrensführungen kann eines der Fügeteile zumindest im Bereich seiner Fügefläche oder Fügeflächen relativ zu dem anderen Fügeteil auf ein Übermaß gebracht werden, entweder durch Erwärmung des einen oder Abkühlung des anderen Fügeteils oder durch Erwärmung des einen und Abkühlung des anderen Fügeteils in Kombination. Die Aufrauung der Oberfläche zum Beispiel durch Laserbeschriftung ist vorzugsweise bei dem nicht erwärmten, gegebenenfalls durch Abkühlung im Volumen verringerten Fügeteil vorgesehen. Anschließend werden die Fügeteile relativ zueinander in der Position, die sie im späteren Pressverbund einnehmen sollen, positioniert, und schließlich wird das erwärmte Fügeteil auf das andere Fügeteile aufgeschrumpft oder das im Volumen verringerte Fügteil in das andere Fügeteil gedehnt, so dass eine Schrumpfpresspassung oder eine Dehnpresspassung oder beides in Kombination erhalten wird.
Anstelle oder ergänzend zu einer durch Schrumpfung oder Dehnung hergestellten Passung können Umfangsflächen der Fügeteile in Ausbildung der Fügeflächen auch eng aneinander angepasst sein, so dass sich ein Reibschluss auch bereits beim Überschieben dieser Umfangsflächen einstellt. In derartigen Ausführungen kann ergänzend zur Aufrauung zum Beispiel durch Laserbestrahlung auch in wenigstens einer dieser Umfangsflächen wenigstens eine Tasche geformt sein, die mit der aus der DE 10 2010 003 574 bekannten Mischung gefüllt ist. Nachdem die Fügeteile axial mit diesen Umfangsflächen aufeinandergeschoben worden sind, kann eine in der wenigstens einen Tasche befindliche optional vorgesehene Mischung durch eine relative Drehbewegung zwischen den Fügeteilen aus der Tasche in die Fuge zwischen den Umfangsflächen transportiert werden. Bei dieser Relativdrehbewegung graben sich sowohl die zum Beispiel mittels Laserbestrahlung ausgebildeten Partikel, als auch die optional vorgesehenen aus der Tasche geförderten Hartstoffpartikel in die beiden Umfangsflächen ein, so dass eine weitere relative Drehbewegung zwischen den Fügeteilen nicht mehr ausgeführt werden kann, sondern durch die in der Art von Widerhaken wirkenden Hartstoffpartikel verhindert wird. Ein Pressverbund zwischen Umfangsflächen eignet sich insbesondere zum Verbinden großer Strukturen, beispielsweise für eine Pressverbindung eines Drehkranzes eines Krans und einer Welle für den Drehkranz.
Die Fügeflächen können orthogonal oder zumindest im Wesentlichen orthogonal zu den miteinander verpressten Umfangsflächen weisen und bei Herstellung des Reibverbunds axial gegeneinander gespannt werden. Der Reibverbund der Umfangsflächen kann in derartigen Ausführungen sicherstellen, dass die Fügeflächen noch mit einer Spannkraft gegeneinander gespannt sind. Die Fügeteile sind in derartigen Ausführungen mittels einer Kombination aus Umfangsflächenpressung einerseits und einem Spannen der Fügeteile axial gegeneinander mittels eines oder mehrerer Spannmittel(s) andererseits zu dem Reibverbund gefügt.
Obgleich die zumindest partielle oder vollständige Aufrauung mindestens einer Fügefläche bevorzugt bereits vor dem Positionieren der Fügeteile auf das betreffende Fügeteil durchgeführt wird, ist für den Fügeprozess durchaus vorstellbar, dass die Aufrauung oder Fügeflächenbehandlung erst nach dem Positionieren der Fügeteile durchgeführt wird.
Die Fügeteile sind wenigstens an ihren Fügeflächen metallisch, bevorzugter sind die Fügeteile Metallteile. Sie können insbesondere Guss- oder Sinterteile sein, wobei beide Fügeteile Guss- oder Sinterteile oder eines der Fügeteile ein Gussteil und das andere ein Sinterteil sein können. Des Weiteren sind auch Kombinationen aus Metallfügeteilen und Kunststofffügeteilen möglich. Für metallene Fügeteile werden Legierungen auf Fe-Basis oder Al-Basis oder gegebenenfalls Mg-Basis bevorzugt. Die Fügeteile können insbesondere Stahlteile sein. Sie können eine gehärtete Oberfläche, im Falle von Stahlteilen beispielsweise eine einsatzgehärtete wie beispielsweise carbonitrierte Oberfläche aufweisen. Allerdings sollten die Hartstoffpartikel härter als die Fügeflächen sein, so dass nicht gehärteten Fügeflächen der Vorzug gegeben wird.
Je nach Art der verwendeten Aufrauung oder Materialien wird die Oberflächenbehandlung zur Ausbildung von Unebenheiten geeignet gewählt, also zum Beispiel die Laser-Leistung und Bestrahlungsdauer pro Oberfläche so eingestellt, dass die gewünschte (durchschnittliche) Parikelgröße, Partikelhärte oder Aufrauung erhalten wird.
Die Aufrauung der Partikelausbildung kann partiell oder auf dem gesamten Bereich einer oder aller Fügeflächen erfolgen. Zum Beispiel kann eine Bearbeitung, zum Beispiel Laserbestrahlung oder -beschriftung, je nach Ausbildung des Fügeteils oder der Fügefläche partiell oder über die gesamte Länge in Längs- oder Axialrichtung und/oder Quer- oder Umfangsrichtung, zum Beispiel linienförmig, ringförmig, ringabschnittsförmig, streifenförmig, spiralförmig, schraubenförmig oder rechteckig vorgesehen sein.
Der erfindungsgemäße Füge- oder Pressverbund wird in einem Kraftfahrzeug eingesetzt. Die Erfindung ist allerdings für jeden Füge- oder Pressverbund einer Welle mit einer Nabe oder generell zweier Wellen von Vorteil, grundsätzlich aber auch für Füge- oder Pressverbunde, die nur lineare Kräfte übertragen müssen. In drehmomentübertragenden Füge- oder Pressverbunden kann das erste Fügeteil die Welle und das zweite Fügeteil die Nabe bilden. Die Fügeteile können stattdessen auch je nur einen Verbindungsflansch aufweisen und mit ihrem Verbindungsflansch unter Bildung des Füge- oder Pressverbunds axial gegen den Verbindungsflansch des jeweils anderen Fügeteils gepresst werden. Die wenigstens zwei erfindungsgemäß miteinander verbundenen Fügeteile werden jeweils als eine Welle bezeichnet, falls zwischen den erfindungsgemäß gefügten Fügeteilen ein Drehmoment übertragbar ist und der Füge- oder Pressverbund für eine Drehmomentübertragung vorgesehen ist. Unter der Erfindung als Wellen bezeichnete Fügeteile können miteinander insbesondere in einer Welle-Nabe-Verbindung gefügt sein, vorzugsweise mit axial gegeneinander gepressten Stirnflächen.
Das zweite Fügeteil kann beispielsweise ein Antriebsrad für eine Nockenwelle oder insbesondere für eine Pumpe des Kraftfahrzeugs bilden. In einer Pumpe kann das zweite Fügeteil insbesondere auch ein Förderrad, beispielsweise ein Zahnrad einer Zahnradpumpe oder ein Flügelrad einer Flügelzellenpumpe oder Pendelschieberpumpe bilden. Das zweite Fügeteil kann auch ein Antriebsrad für eine Pumpe, beispielsweise des genannten Typs, sein. Schließlich kann die gleiche Welle auch mit mehreren zweiten Fügeteilen, beispielsweise einem Antriebsrad und einem Förderrad einer Pumpe, jeweils einen erfindungsgemäßen Füge- oder Pressverbund bilden. Die Pumpe kann insbesondere eine Schmierölpumpe sein, die einen Verbrennungsmotor des Kraftfahrzeugs mit Schmieröl versorgt, wie zum Beispiel eine Tandempumpe (Öl-/Vakuum). Die Pumpe kann beispielsweise auch eine Pumpe in einem Kühlkreislauf des Kraftfahrzeugs oder eine Kraftstoffpumpe sein oder eine Pumpe zur Erzeugung eines Hydraulikdrucks für ein Hydraulikaggregat des Kraftfahrzeugs, beispielsweise ein Automatikgetriebe. Ein weiteres bevorzugtes Anwendungsbeispiel ist eine Vakuumpumpe für ein Fahrzeug, beispielsweise für einen Bremskraftverstärker. Noch ein weiteres bevorzugtes Beispiel ist die Füge- oder Pressverbindung eines Stellrads, vorzugsweise Flügelrads, eines Nockenwellenphasenstellers an oder auf seiner Antriebs- oder Abtriebswelle, beispielsweise direkt an oder auf einer Nockenwelle. Die Erfindung kann mit Vorteil auch zur Montage von Zahnrädern oder Kettenrädern oder Riemenscheiben in Getrieben zur Anwendung gelangen. Die Erfindung ist nicht nur für Automobile, sondern auch für andere Fahrzeuge, beispielsweise Schiffe, Boote und Luftfahrzeuge von Vorteil, auch für Handwerksgeräte und für Trägerverbindungen außerhalb des Fahrzeugbaus, beispielsweise im Hoch- und Tiefbau, und generell überall dort, wo Einbauraum knapp ist.
Allgemein bevorzugte Weiterbildungen:
Bevorzugt ist die mindestens eine Fügefläche so mit dem Laser-Bearbeitungsverfahren bearbeitet oder bearbeitet worden, dass eine Änderung ihrer Oberflächenbeschaffenheit hervorgerufen wurde, insbesondere dass die mindestens eine Fügefläche aufgeraut oder uneben gemacht wurde oder ist und an ihrer Oberfläche vorstehende Erhebungen oder Partikel trägt.
Ferner wird bevorzugt, dass die Presskraft eine reibschlüssige Verbindung zwischen dem ersten Fügeteil und dem zweiten Fügeteil bewirkt, wodurch eine Verdrehung zwischen dem ersten Fügeteil und dem zweiten Fügeteil um eine Achse verhindert wird, wobei die erste Fügefläche und die zweite Fügefläche parallel oder quer, insbesondere in einem spitzen Winkel oder senkrecht in Bezug auf die Achse angeordnet sind. Die erste und/oder zweite Fügefläche kann in Bezug auf die Achse konisch, zylindrisch oder senkrecht sein.
Die Fügeverbindung wird bevorzugt an einer Welle-Nabe-Verbindung ausgebildet. Die Längsachse der Welle kann die Achse sein, um die eine Verdrehung zwischen dem ersten Fügeteil und dem zweiten Fügeteil verhindert wird.
Bei der Fügeverbindung kann ein Spannmittel, wie z. B. eine Mutter oder eine Schraube vorgesehen sein, welches ein Spann- oder die Presskraft bewirkt, mit der die erste und zweite Fügefläche aneinander gepresst werden. Die Spannkraft des Spannmittels wirkt bevorzugt in Richtung der Achse. Die Spannkraft kann die Presskraft oder ursächlich für die Presskraft sein.
Das zweite Fügeteil kann eine Nabe sein, welche das erste Fügeteil umgibt. Die Nabe kann in einem Klemmsitz, einem Presssitz, insbesondere einem Längspressverband oder einem Querpressverband, oder einem selbsthemmenden oder nicht-selbsthemmenden Kegelsitz auf dem ersten Fügeteil reibschlüssig angeordnet sein.
Vorteilhafte Merkmale der Erfindung werden auch in den Unteransprüchen und deren Kombinationen beschrieben.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von Figuren erläutert. An den Ausführungsbeispielen offenbar werdende Merkmale bilden je einzeln und in jeder Merkmalskombination die Gegenstände der Ansprüche und auch die vorstehend beschriebenen Ausgestaltungen vorteilhaft weiter. Es zeigen:
1 zum Fügen vorbereitete Fügeteile für ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Füge- oder Pressverbunds;
2 ein Detail der 1;
3 zum Fügen vorbereitete Fügeteile für ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Füge- oder Pressverbunds;
4 ein Detail der 3;
5 zum Fügen vorbereitete Fügeteile für ein drittes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Füge- oder Pressverbunds;
6 das Detail A der 5;
7A den Füge- oder Pressverbund des dritten Ausführungsbeispiels im gefügten Zustand;
7B den Füge- oder Pressverbund des dritten Ausführungsbeispiels in einem eingebauten Zustand;
7C eine perspektivische Ansicht des Füge- oder Pressverbunds;
7D eine Draufsicht auf den Füge- oder Pressverbund;
7E eine Draufsicht auf das Kettenrad mit eingesetzter Welle;
8 das Detail X der 7A;
9 eine Schmierölpumpe in einem Querschnitt;
10 die Pumpe in einem Längsschnitt;
11 ein viertes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Füge- oder Pressverbunds;
12 das vierte Ausführungsbeispiel vor dem Fügen;
13 den Schnitt A-A der 11;
14 das Detail Z der 13;
15 einen Winkelverband;
16 den Schnitt A-A der 15;
17 zum Fügen vorbereitete Fügeteile für ein fünftes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Füge- oder Pressverbunds;
18 den Füge- oder Pressverbund des fünften Ausführungsbeispiels;
19 den Schnitt A-A der 18;
20 das Detail Y der 19;
21 einen Nockenwellen-Phasensteller; und
22 einen Kegelsitz ausgestaltet mit einem erfindungemäßen Füge- oder Pressverbund.
1 zeigt ein erstes Fügeteil 1 und ein zweites Fügeteil 2, die miteinander zu einer als Pressverbund ausgestalteten Fügeverbindung gefügt werden sollen. Der Pressverbund dient der Übertragung eines Drehmoments. Das Fügeteil 1 ist eine Welle und das Fügeteil 2 eine Nabe des späteren Pressverbunds. Eingezeichnet ist eine Rotationsachse R des Pressverbunds. Die Fügeverbindung ist Teil einer Welle-Nabe-Verbindung.
An einem axialen Ende des Fügeteils 1 ist um die Rotationsachse R umlaufend eine zylindrische erste Fügefläche 3 geformt, wobei die Fügefläche 3 nicht notwendigerweise an dem Ende geformt sein muss. Die Fügefläche 3 ist eine Mantelaußenfläche des Fügeteils 1 und wird durch den zylindrischen Teil eines Wellenabsatzes gebildet. Das Fügeteil 1 weist an dem Stirnende des Wellenabsatzes eine Axialanschlagfläche auf, über die sie von einem größeren Durchmesser auf den kleineren Durchmesser der Fügefläche 3 abfällt. Die Axialanschlagfläche für das Fügeteil 2 ist in dem gezeigten Beispiel quer und im Speziellen senkrecht zu der Achse R angeordnet. Die Fügefläche 3 ist überall axial gerade und axial durchgehend glatt.
Das Fügeteil 2 weist eine in Bezug auf die Rotationsachse R zentrische zylindrische Durchgangsbohrung, welche eine zweite Fügefläche bildet, auf. Die Fügefläche 4 ist durchgehend axial gerade und glatt und vorläuft parallel zur Achse R. Die Fügefläche 4 bildet eine Mantelinnenfläche des Fügeteils 2 und ist zu der Fügefläche 3 kongruent.
Die Fügeteile 1 und 2 können mittels Längspressen zur Bildung eines Längspressverbunds oder mittels Querpressen zur Bildung eines Querpressverbunds gefügt werden. Beide Fügearten setzen voraus, dass zwischen Bohrung und zylindrischem Teil eine Übermaßpassung, beispielsweise gefertigt nach ISO 286, besteht, d. h. dass die Bohrung einen geringfügig kleineren Durchmesser aufweist als die zylindrische Fügefläche 3.
Die Fügeteile 1 und 2 werden durch Dehnen des Fügeteils 1 oder Schrumpfen des Fügeteils 2 oder beides in Kombination zu dem Pressverbund miteinander gefügt.
Für die Bildung des Längspressverbunds wird das zweite Fügeteil 2 auf das erste Fügeteil 1 entlang der Achse R bis zum Axialanschlag des Wellenabsatzes aufgeschoben. Dadurch dass der Durchmesser der Bohrung geringfügig kleiner ist als der Durchmesser der Fügefläche 3, weitet sich die Bohrung des zweiten Fügeteils 2 beim Aufschieben elastisch auf und die zweite Fügefläche 4 wird dadurch mit über ihren Umfang verteilten zur Achse R gerichteten Kräften gegen die erste Fügefläche 3 gepresst.
Für die Bildung des Querpresserbunds wird das Fügeteil 1 abgekühlt oder/und das Fügeteil 2 erwärmt, so dass, aufgrund der thermischen Schrumpfung des ersten Fügeteils 1 und der thermischen Ausdehnung des zweiten Fügeteils 2 und wie in 1 angedeutet, der Durchmesser der Fügefläche 4 im Vergleich zur Fügefläche 3 größer ist als der Durchmesser der Fügefläche 3. In diesem Zustand werden die Fügeteile 1 und 2 in Fügeposition positioniert, indem die Fügeflächen 3 und 4 axial zur Überlappung gebracht werden, wobei das zweite Fügeteil 2 vorzugsweise an den Axialanschlag des Wellenabsatzes anschlägt. Die in Fügeposition befindlichen Fügeteile 1 und 2 werden dann durch Temperaturausgleich miteinander gefügt, so dass der auf Schrumpfpresspassung oder Dehnpresspassung beruhende Querpressverbund entsteht. Da ein Querpressverbund im Allgemeinen höhere Drehmomente als ein Längspresserbund übertragen kann, ist ein Querpresserbund einem Längspressverbund vorzuziehen.
Bevor die Fügeteile 1 und 2 relativ zueinander in der Fügeposition positioniert werden, wird wenigstens oder nur eine aus der ersten Fügefläche 3 und der zweiten Fügefläche 4 an ihrer Oberfläche zum Beispiel durch flächige vollständige oder partielle Bestrahlung mittels eines Lasers 7 bearbeitet, insbesondere so bearbeitet, dass eine Änderung ihrer Oberflächenbeschaffenheit hervorgerufen wird. Eine der Fügeflächen 3, 4 kann durch den Laser unbearbeitet bleiben. Insbesondere wird die Fügefläche 3 so aufgeraut oder uneben gemacht, insbesondere, um eine Laserbeschriftung 6 zu erzeugen oder vorzugsweise mehrere über die Fügefläche verteilte (vergrößert dargestellte) Erhebungen oder vorstehende vorzugsweise gegenüber seinem Fügeteil 1 härtere oder gehärtete Partikel 8 auszubilden, die auf die Oberfläche 3 aufgeschmolzen und/oder auch in die Oberfläche 3 zumindest partiell eingeschmolzen oder allgemeiner ausgedrückt stoffschlüssig mit seinem Fügeteil verbunden sein können. Die Aufrauung kann über die gesamte Umfangs- oder Fügefläche 3 umlaufend um die Rotationsachse R erfolgen oder auch nur partiell, zum Beispiel als partielle Laserbeschriftung, vorgesehen sein, wobei zum Beispiel nur ein Umfangsabschnitt der Fügefläche 3 laserbeschriftet wird und/oder die Laserbeschriftung oder Oberflächenaufrauung der Fügefläche 3 nicht über die gesamte axiale Länge d der Fügefläche 3, sondern nur über einen kleineren Bereich, wie zum Beispiel d/2 der Fügefläche, zum Beispiel im axial gesehenen mittleren Bereich der Fügefläche 3 oder in einem axial frontseitigen oder vorderen oder rückseitigen oder hinteren Bereich der Fügefläche 3 vorgesehen ist. Die Bearbeitung der zweiten Fügefläche 4 kann entsprechend der Bearbeitung der ersten Fügefläche 3 erfolgen.
2 zeigt ein Teil der Fügefläche 3 in vergrößerter Darstellung. Die Bearbeitung, insbesondere Aufrauung der Fügefläche 3 durch zumindest partielle Bestrahlung oder Bearbeitung der Fügefläche 3 mittels eines Lasers 7 rührt zur flächig verteilten Ausbildung von vergrößert dargestellten Unebenheiten oder Vorsprüngen oder Partikeln an der Oberfläche 3, welche in radialer Richtung der Welle 1 abstehen und mit dem Bezugszeichen 8 versehen sind.
Die Laserbearbeitung des zum Beispiel aus Metall, insbesondere Aluminium oder Stahl gefertigten Fügeteils 1 und/oder 2 erfolgt bei einer von Luft abweichenden Atmosphäre. Auf Grund der lokal begrenzten Erhitzung durch den Laserstrahl wird ein fast punktförmiger Bereich der Fügefläche 3 im Vergleich zum Umgebungsmaterial stark erhitzt. Durch die lokale Erhitzung kann das das Material selbst verändert werden. Zum Beispiel kann ein Atmosphärenbestandteil in dem Material eingelagert werden oder sich mit dem Material verbinden. Alternativ oder zusätzlich können durch die Erwärmung unabhängig von der Atmosphäre Gefügeänderungen hervorgerufen werden. Im Besonderen kann eine Oberflächenverformung und somit die Ausbildung eines Vorsprungs oder Partikels 8 resultieren, der nach Bestrahlungsende abkühlt und dabei bevorzugt aushärtet und in seiner vorstehenden Form verbleibt. Auf Grund der kurzfristig vorhanden hohen Temperatur reagiert das nur lokal geschmolzene Oberflächenmaterial des Fügeteils 1 und/oder 2 mit der Umgebungsatmosphäre und kann somit chemisch verändert werden, so dass der nach Abkühlung entstandene Vorsprung oder Partikel 8 zum Beispiel im Vergleich zum nicht bestrahlten Material ausgehärtet, also härter ist.
Durch den Schrumpf- oder Dehnprozess werden die Fügeteile 1 und 2 reibschlüssig miteinander verbunden, wobei die Fügeflächen 3 und 4 aufeinander gepresst werden. Durch das Aufeinanderpressen drückt sich die laserbehandelte Oberfläche in die Fügefläche 4 ein oder drücken oder graben sich die von der Fügefläche 3 vorstehenden Unebenheiten oder Partikel 8 in die Fügefläche 4 ein. Dadurch werden die Fügeteile 1 und 2 über die Partikel 8 mikroskopisch gesehen auch formschlüssig miteinander verbunden, wobei der Fachmann hierbei trotzdem eine reibschlüssige Verbindung zwischen den Fügeteilen 1 und 2 versteht. Jedenfalls wird aufgrund der Reibverbindung oder der eingegrabenen oder eingedrückten Partikel 8 das um die Achse R übertragbare Drehmoment signifikant gesteigert.
In einer nicht gezeigten Variante kann die Nabe oder das zweite Fügeteil 2 zur Bildung eines Klemmsitzes, statt eines Rings oder über den Umfang durchgehenden Teils, ein geteiltes oder geschlitztes Teil sein, so dass das erste Teil mit einem hinsichtlich seiner Längsrichtung quer, insbesondere windschief zur Achse R angeordneten Spannmittel, wie z. B. einer Schraube, welches den Schlitz vorzugsweise durchsetzt, geklemmt werden kann. Das Spannmittel wird angezogen, wodurch die zweite Fügefläche gegen die erste Fügefläche gepresst wird oder die erste Fügefläche von der zweiten Fügefläche eingeklemmt wird.
3 zeigt die für einen Füge- oder Pressverbund eines zweiten Ausführungsbeispiels vorbereiteten Fügeteile 1 und 2 in den gleichen Positionen wie in der 1. Das Fügeteil 2 entspricht dem Fügeteil 2 des ersten Ausführungsbeispiels. Das Fügeteil 1 ist gegenüber dem Fügeteil 1 des ersten Ausführungsbeispiels hinsichtlich seiner Fügefläche 13 modifiziert. Die Fügefläche 13 wird in diesem Ausführungsbeispiel nicht von der Umfangsfläche 3 geringeren Durchmessers, sondern von der Schulter, d. h. von der um die Rotationsachse R umlaufenden Schulterstirnfläche gebildet. Entsprechend ist die Fügefläche 14 eine der Fügefläche 13 axial zugewandte Stirnfläche des Fügeteils 2.
4 zeigt ein Detail der 3, wobei anders als im ersten Ausführungsbeispiel eine Laserbearbeitung oder Aufrauung nicht an der zylindrischen Oberfläche 3 des Fügeteils 1, sondern stattdessen an der stirnseitigen Fügefläche 13, welche von der Stirnseite des Wellenabsatzes gebildet wird und somit eine zweite Fügefläche bildet, vorgenommen wurde.
Es wird angemerkt, dass selbstverständlich das erste und das zweite Ausführungsbeispiel kombiniert werden können, das heißt eine Bearbeitung oder Aufrauung kann an beiden Fügeflächen 3 und 13 vorgenommen werden, also sowohl an einer umlaufenden Mantelfläche als auch an einer stirnseitig ausgebildeten Fläche. Der Vorgang des Füge- oder Pressverbindens kann dem anhand des ersten Ausführungsbeispiels erläuterten Prozess entsprechen. Die Fügeteile 1 und 2 des zweiten Ausführungsbeispiels werden bei dem Füge- oder Pressverbinden axial im Bereich der Fügeflächen 13 und 14 gegeneinander gespannt und durch den Reibverbund der gegeneinander verpressten Umfangsflächen 3 und 4 im gespannten Zustand gehalten, so dass die beim Fügen aufgebrachte axiale Spannkraft aufgrund des Reibschlusses der Umfangsflächen 3 und 4 erhalten bleibt.
In einer Abwandlung kann die Aufrauung zum Beispiel durch Laserbearbeitung einfach nur in einem Eckbereich, in dem die stirnseitige Fügefläche 13 in die zylindrische Umfangsfläche 3 übergeht, vorhanden sein.
Gemäß einer weiteren Abwandlung kann ergänzend auch eine Dichtmasse oder Trägermasse mit darin enthaltenen Hartstoffpartikeln gemäß der Lehre der DE 10 2010 003 574 an einer stirnseitigen Fügefläche 13 und/oder einer umlaufenden Fügefläche 3 und/oder einer in den 6 und 8 gezeigten Ausnehmung 5 vorgesehen sein, um den Reibwert zwischen den Fügeteilen 1 und 2 weiter zu erhöhen.
5 zeigt die für eine Fügeverbindung eines dritten Ausführungsbeispiels vorbereiteten Fügeteile 1 und 2 und ein Spannmittel 10, mit welchem die Fügeteile 1 und 2 im Bereich ihrer Fügeflächen 13 und 14 gegeneinander spannbar oder pressbar sind, um die Fügeverbindung oder Schraubverbindung herzustellen. Der Wellenabsatz ist vergleichbar mit dem aus den 1 bis 4, weshalb darauf Bezug genommen wird. Das Fügeteil 1 ist wieder eine Welle. Die Fügeteile 1 und 2 werden axial längs der Rotationsachse R mit den Fügeflächen 13 und 14 aufeinander zu gespannt. Auf der Welle 1 sitzt drehsteif ein Zahnrad 11. Das eine Nabe bildende Fügeteil 2 ist zusätzlich zu dem Zahnrad 11 beispielhaft als ein Kettenrad dargestellt.
Das Fügeteil 1 fällt wieder über eine um die Rotationsachse R umlaufende und quer oder senkrecht dazu angeordnete Stirnfläche 13 auf eine zylindrische Umfangsfläche 3 kleineren Durchmessers ab. Die Stirnfläche bildet wie im zweiten Ausführungsbeispiel die erste Fügefläche 13, die der zweiten Fügefläche 14 des zweiten Fügeteils 2 in Richtung der Achse R zugewandt ist. Die Fügefläche 14 wird von einer quer oder senkrecht zu der Achse R stehenden Stirnfläche gebildet.
6 zeigt den Fügebereich des Fügeteils 1 in einer vergrößerten Darstellung (Detail A). Vor dem Fügen wird die umfangsseitige Oberfläche 3 oder bevorzugt die stirnseitige Oberfläche 13 durch Laserbearbeitung oder zum Beispiel partielle Laserbeschriftung bearbeitet oder aufgeraut, um Vorsprünge oder Partikel 8 an den Oberflächen 3 und 13 auszubilden, so dass diese Partikel 8 vorteilhaft zumindest einen überwiegenden Teil der Fügefläche 13 bedecken. Im Übergangsbereich der Fügeflächen 3 und 13 und der zylindrischen oder gegebenenfalls leicht konischen Umfangsfläche 3 ist optional eine Ausnehmung 5 eingearbeitet, die primär der einwandfreien Passung der Fügeteile 1 und 2 dient, die optional aber auch einen Aufnahmeraum für eine aus der DE 10 2010 003 574 bekannte Mischung 9 mit Hartstoffpartikeln 8a bilden kann. Insbesondere kann eine solche Mischung 9 beim Verpressen der Fügeteile 1 und 2 nach innen in die Ausnehmung 5 hinein ausweichen.
Die durch Laserbestrahlung erzeugten Partikel 8 und die in der Mischung 9 enthaltenen Partikel 8a können aus den gleichen oder unterschiedlichen Materialien bestehen.
Um die Fügeverbindung herzustellen, wird das Fügeteil 2 über den axial kurzen Endabschnitt geringeren Durchmessers auf das Fügeteil 1 bis gegen die Fügefläche 13 geschoben. Die zylindrische Umfangsfläche 3 dient in erster Linie der Zentrierung des Fügeteils 2. Die Fügeteile 1 und 2 werden anschließend mittels des Spannmittels 10, das in dem gezeigten Beispiel eine Schraube ist, axial gegeneinander gespannt. Beim Anziehen der Schraube wird eine entlang der Achse R gerichtete Presskraft erzeugt, mit der das die zweite Fügefläche 14 des zweiten Fügeteils 2 gegen die erste Fügefläche 13 gepresst wird. Die Längsrichtung des Spannmittels 10 erstreckt sich entlang oder sogar auf der Achse R. Dass die Fügeflächen 13 und 14 fest aufeinander zu gepresst werden, ist am besten in den 7 und 8 dargestellt. Das Spannmittel 10 ist ein Schraubbolzen, der in eine Innenbohrung des Fügeteils 1 eingeschraubt wird und mit seinem Spann- oder Schraubenkopf entlang der Achse R gegen das Fügeteil 2 pressend für den Anpressdruck auf die in der Fuge 5 der Fügeflächen 13 und 14 optional enthaltene Mischung 9 sorgt. Wie in allen anderen Ausführungsbeispielen wird durch die Laserbearbeitung der Fläche 13 oder/und der Fläche 14 der Reibungskoeffizient zwischen den Flächen 13 und 14 erhöht. Alternativ oder zusätzlich kann die Fläche 3 oder/und die Fläche 4 laserbearbeitet sein. 7A zeigt den Füge- oder Pressverbund des in 5 gezeigten dritten Ausführungsbeispiels in gefügtem Zustand und 7B in eingebautem Zustand, wobei mit P der Bereich axialer Verpressung dargestellt ist.
7C zeigt eine perspektivische Ansicht des Füge- oder Pressverbundes, wobei eine Laserbeschriftung 6 vorzugsweise auf der Fügefläche 3 im Bereich oder am Übergang zu einer Abflachung 3a und insbesondere einem Randbereich zu der Abflachung 3a der sonst umlaufend runden oder ringförmigen Fügefläche 3 vorgesehen ist.
Wie aus den 7D und 7E ersichtlich, kann eine Oberflächenbearbeitung oder Laserbeschriftung 6 vorzugsweise umlaufend stirnseitig an einer in 7D gezeigten Nabe und an einem in 7E gezeigten Kettenrad 2 bzw. deren Nabe vorgesehen sein. 8 zeigt eine vergrößerte Darstellung der Einzelheit „X” aus 7A.
9 zeigt eine Außenzahnradpumpe, an der die Erfindung verwirklicht ist, in einem Querschnitt. In einem Pumpengehäuse ist eine Förderkammer gebildet, in der zwei Förderräder 11 und 12 um parallele Drehachsen R₁ und R₂ drehbar gelagert sind. Das Förderrad 11 wird drehangetrieben. Die Förderräder 11 und 12 sind miteinander in einem Fördereingriff, so dass bei einem Drehantrieb des Förderrads 11 das damit im Fördereingriff befindliche Förderrad 12 ebenfalls drehangetrieben wird. In die Förderkammer münden auf einer Niederdruckseite ein Einlass 15 und auf einer Hochdruckseite ein Auslass 16 für ein zu förderndes Fluid. Das Gehäuse umschlingt die Förderräder 11 und 12 jeweils über einen Teil ihres Umfangs unter Ausbildung eines engen radialen Dichtspalts. Für das Förderrad 11 bildet das Gehäuse ferner an jeder axialen Stirnseite des Förderrads 11 eine axiale Dichtfläche. Dem Förderrad 12 ist an dessen beiden Stirnseiten axial zugewandt je eine weitere axiale Dichtfläche gebildet. Durch Drehantrieb der Förderräder 11 und 12 wird Fluid durch den Einlass 15 in die Förderkammer gesaugt und von den Förderrädern 11 und 12 längs der jeweiligen Umschlingung auf die Hochdruckseite und dort durch den Auslass 16 zu einem mit dem Fluid zu versorgenden Aggregat gefördert.
In 10 nimmt das Förderrad 12 eine axiale Position mit einer axialen Überdeckung, d. h. Eingriffslänge, ein, die im Vergleich zu der maximalen Eingriffslänge reduziert ist. Das Förderrad 12 ist Bestandteil einer Verstelleinheit. Beispiele für derartige Pumpen und deren Regelung werden in der DE 198 47 132 C2 und der DE 102 22 131 B4 beschrieben.
Die Pumpe kann insbesondere in einem Kraftfahrzeug eingebaut sein und dort als Schmierölpumpe verwendet werden, die einen Verbrennungsmotor des Kraftfahrzeugs mit Schmieröl versorgt und selbst von dem Verbrennungsmotor angetrieben wird. Der Antrieb erfolgt vom Verbrennungsmotor über ein Getriebe auf eine mit dem Förderrad 11 drehsteif verbundene Pumpenwelle. Die an den Ausführungsbeispielen offenbarten Erfindungsmerkmale können auch bei anderen Kraftfahrzeugpumpen oder im Antriebsstrang anderer Kraftfahrzeugpumpen oder drehender Kraftfahrzeugteile verwirklicht sein und im Übrigen auch in Anwendungen außerhalb des Kraftfahrzeugbaus, wenn es darum geht, eine Welle-Nabe-Verbindung oder generell eine Verbindung von Wellen zu schaffen, die ein Drehmoment übertragen. So können insbesondere auch zwei Wellen über eine Flanschverbindung mittels eines einzigen oder mehrerer Spannmittel(s) im Flanschbereich verbunden und zwischen den einander axial zugewandten Stirnflächen der Flansche erfindungsgemäß eine Oberflächenaufrauung zum Beispiel durch partielles Laserbeschriften vorliegen. Im Falle von Wellenverbindungen kann bei Schaffung einer erfindungsgemäßen Fügeverbindung auf zusätzliche, formschlüssig wirksame Verdrehsicherungen, wie beispielsweise Splinte oder Nut- und -Feder-Verbindungen verzichtet werden.
Bei der Pumpe kann ein erfindungsgemäßer Fügeverbund insbesondere an zwei Stellen verwirklicht sein: Eines der Fügeteile 1 der Ausführungsbeispiele bildet die angetriebene Pumpenwelle, und das jeweilige Fügeteil 2 bildet das Abtriebsrad des Getriebes und gleichzeitig das Antriebsrad der Pumpenwelle. Zusätzlich oder stattdessen kann auch das Förderrad 11 mit der Pumpenwelle, d. h. dem Fügeteil 1, erfindungsgemäß verbunden sein. Die Pumpenwelle 1 bildet in derartigen Ausführungen mit dem Antriebsrad 2 einen ersten und mit dem Förderrad 11 einen zweiten Fügeverbund nach der Erfindung. In der Antriebsverbindung vom Verbrennungsmotor auf die Pumpe können weitere Reibschlussverbunde gemäß der Erfindung gebildet sein, beispielsweise um ein weiteres An- oder Abtriebsrad des Getriebes, beispielsweise Kettenrad eines Kettentriebs, mit einer weiteren Welle verdrehsteif zu verbinden. Anstatt eines Kettentriebs oder zusätzlich kann in der Antriebsverbindung eine Zahnradpaarung oder können mehrere Zahnradpaarungen enthalten sein, die mit ihrer jeweiligen Antriebs- oder Abtriebswelle je in erfindungsgemäßer Weise miteinander verbunden sind. Ein erfindungsgemäßer Fügeverbund für die Verbindung der Pumpenwelle 1 insbesondere mit dem Antriebsrad respektive Fügeteil 2 oder mit dem Förderrad 11 trägt zur Reduzierung der Baugröße bei, da die Pumpenwelle schlanker und die zentrale Bohrung des die Nabe bildenden Fügeteils 2 oder 11 kleiner sein können als im Falle einer herkömmlichen Verbindung.
Während die ersten drei Ausführungsbeispiele einen Füge- oder Pressverbund zur Übertragung einer Torsionskraft bzw. Drehmoments jeweils am Beispiel einer Wellenverbindung demonstrierten, zeigen die 11 bis 14 in einem vierten Ausführungsbeispiel eine Fügeverbindung für die Übertragung von Zugkräften F, gegebenenfalls auch Druckkräften parallel zur Fuge. Die Fügeteile 1 und 2 sind Zugstrukturen, im Ausführungsbeispiel Zugstäbe, die mittels Bolzen 10 miteinander verbunden sind. Die Fügeteile 1 und 2 sind in einem Überlappungsbereich, der die Fuge bildet und sich parallel zu der zu übertragenden Kraft erstreckt, mittels der Bolzen 10 quer zur Richtung der zu übertragenden Kraft gegeneinander gespannt. Die Bolzen 10 erstrecken sich im Bereich der Fuge durch die Fügeteile 1 und 2 und werden somit bei einer Zug- oder Druckbeanspruchung auf Scherung beansprucht. Die Bolzen bilden die Spannmittel 10 der Fügeverbindung. Im Ausführungsbeispiel handelt es sich um Schraubbolzen, die an einem Ende jeweils einen Spannkopf aufweisen und am anderen Ende ein Gewinde für einen Gewindeeingriff mit einer Mutter. Die Fügeteile 1 und 2 werden mittels dieser Schraubverbindungen quer zu der zu übertragenden Kraft F mit ihren Fügeflächen 17 und 18 gegeneinander gespannt, wie 11 und im Schnitt A-A die 13 zeigen.
12 zeigt die Fügeteile 1 und 2 vor dem Fügen. Im Überlappungsbereich wird wenigstens eine der Fügeflächen 17 und 18, im Ausführungsbeispiel die Fügefläche 18, erfindungsgemäß bearbeitet, insbesondere mittels eines die Oberfläche aufrauenden oder uneben machenden Verfahrens, wie zum Beispiel einer Laserbearbeitung oder Laserbeschriftung, bearbeitet, um Erhebungen oder Partikel 8 wie oben beschrieben auszubilden. Die Spannmittel 10 werden durch die im Bereich der Fügeflächen 17 und 18 vorgesehenen Bohrungen geführt und mit den Mutter verschraubt, so dass die Fügeflächen 17 und 18 fest gegeneinander gepresst werden, wodurch sich die Oberflächenerhebungen oder Partikel 8 oder zumindest ein Teil dieser Oberflächenerhebung oder Partikel 8 in die Fügefläche 17 eindrücken oder eingraben, wie dies im Detail Z der 14 dargestellt ist. Die harten Partikel 8 können sich auch beim Ausbilden oder erst beim Anziehen der Spannmittel 10 fest in der Oberfläche 18 verankert oder gedrückt oder eingegraben haben. Die Oberflächenerhebung oder Partikel 8 entlasten im Fügeverbund insbesondere die Spannmittel 10, wodurch die durch den Fügeverbund übertragbare Kraft F oder die Lebensdauer des Fügeverbunds vergrößert oder im Durchmesser kleinere Spannmittel 10 verwendet und dementsprechend in den Fügeteilen 1 und 2 die Bohrungen für die Spannmittel 10 verkleinert werden können. Von besonderem Vorteil ist, dass die Anzahl der Spannmittel 10 verringert werden kann.
Die 15 und 16 zeigen einen Winkelverband zweier Fügeteile 1 und 2, die beispielhaft ebenfalls stabförmig dargestellt sind. Der Winkelverband wird mittels einer Kraft F auf Biegung beansprucht. Die Fügeteile 1 und 2 stehen im Verband winkelförmig zueinander und sind im Überlappungsbereich, der Fuge, mittels vier Spannmitteln 10 fest miteinander verbunden. Die Spannmittel 10 sind im Überlappungs- bzw. Kreuzungsbereich der Fügeteile 1 und 2 so angeordnet, dass sie entsprechend dem rechten Winkel, den die Fügeteile 1 und 2 miteinander bilden, in den Ecken eines Rechtecks angeordnet sind.
17 zeigt die Fügeteile 1 und 2 für solch einen Winkelverband vor dem Fügen. Die Fügeteile 1 und 2 weisen im Überlappungs- bzw. Kreuzungsbereich ihre Fügeflächen 17 und 18 auf. Wenigstens eine der Fügeflächen 17 und 18, im Ausführungsbeispiel die Fügefläche 17, ist mittels einer Laserbestrahlung, bearbeitet worden, um vorstehende fest mit der Fügefläche 17 verbundene Unebenheiten oder Partikel 8 auszubilden. Die Fügeteile 1 und 2 werden im Bereich ihrer Fügeflächen 17 und 18 mittels der Spannmittel 10 vergleichbar dem vierten Ausführungsbeispiel gegeneinander gepresst. Die Spannmittel 10 entsprechen den Spannmitteln 10 des vierten Ausführungsbeispiels.
Durch das Fügen entsteht der Winkelpressverbund der 18 bis 20. Die Oberflächenerhebung oder Partikel 8 der Fügefläche 17 haben sich aufgrund der mittels der Spannmittel 10 ausgeübten Spannkräfte in die Fügefläche 18 eingegraben und übertragen im gefügten Zustand einen nicht unbeträchtlichen Anteil der Biegekraft F. Aufgrund der verpressten Oberflächenerhebung oder Partikel 8 kann mit weniger Spannmitteln 10 die gleiche Biegekraft F übertragen werden. 15 zeigt einen Winkelverband mit wie bereits erwähnt insgesamt vier Spannmitteln 10 im Bereich der Fuge. 18 zeigt den Winkelverband mit nur zwei Spannmitteln 10, die im Verbund mit der Oberflächenerhebung oder Partikel 8 eine vergleichbar große Kraft F wie der Winkelverband der 15 mit vier Spannmitteln 10 übertragen können. Das Zahlenbeispiel der vier Spannmittel 10 vs. zwei Spannmittel 10 ist nur beispielhaft zu verstehen. Jedenfalls kann bei gleich großer Kraft F bei Verwendung mindestens einer aufgerauten Fügefläche 17, 18 mit gehärteten Partikeln 8 entweder die Zahl der Spannmittel 10 reduziert oder es können die Spannmittel 10 schwächer dimensioniert und dementsprechend die hierfür vorgesehenen Bohrungen in den Fügeteilen 1 und 2 verkleinert werden. Umgekehrt kann bei gleich bleibender Anzahl der Spannmittel 10 die übertragbare Biegekraft F vergrößert werden.
21 zeigt eine erfindungsgemäße Fügeverbindung (oder auch Fügeverbund) am Ausführungsbeispiel eines Nockenwellen-Phasenstellers. Der Nockenwellen-Phasensteller ist beispielhaft als Schwenkmotor ausgeführt. Die Nockenwelle, die im Fügeverbund das Fügeteil 1 bildet, wird über den Nockenwellen-Phasensteller von der Kurbelwelle des Verbrennungsmotors drehangetrieben. Der Nockenwellen-Phasensteller umfasst einen Stator 20 mit einem Antriebsrad 21, das von der Kurbelwelle drehangetrieben wird, beispielsweise im Rahmen eines Kettentriebs oder Zahnriementriebs. Der Nockenwellen-Phasensteller umfasst ferner einen Rotor 2, der mit dem Fügeteil 2, respektive Nockenwelle 2, drehmomentfest erfindungsgemäß verbunden ist. Das Fügeteil 1, respektive Rotor 1, ist relativ zu dem Stator 20 über einen bestimmten Drehwinkelbereich um die Drehachse R der Nockenwelle 1 drehbar und in Bezug auf seine relative Drehwinkelposition, der Phasenlage, relativ zum Stator 20 hydraulisch verstellbar, um die Drehwinkelposition der Nockenwelle 1 relativ zur Kurbelwelle und somit die Schließ- oder Öffnungszeiten der von der Nockenwelle 1 gesteuerten Ventile verstellen zu können. Der Rotor 2 sitzt am stirnseitigen Ende der Nockenwelle 1 auf einer Umfangsfläche 3 der Nockenwelle 1 und wird mittels eines als Zentralschraube ausgeführten zentralen Spannmittels 10 axial gegen eine Stirnfläche 13 der Nockenwelle 1, respektive des Fügeteils 1, gepresst. Die Fügeverbindung der Fügeteile 1 und 2 kann gemäß des ersten Ausführungsbeispiels oder des zweiten Ausführungsbeispiels oder des dritten Ausführungsbeispiels oder auch einer Kombination aus zweien dieser Ausführungsbeispiele oder aller drei Ausführungsbeispiele oder in einer durch wenigstens einen der Ansprüche oder die Beschreibung insgesamt offenbarten Weise gebildet sein. Die für die Bildung einer erfindungsgemäßen Fügeverbindung zur Verfügung stehenden Fügeflächen sind wie in den vorherigen Ausführungsbeispielen mit den Bezugszeichen 3 und 4 für die Umfangsflächen und 13 und 14 für die Stirnflächen bezeichnet. Zum Spannmittel 10 sei noch nachgetragen, dass das Spannmittel 10 vorteilhafterweise ein zentrales Steuerventil zur Steuerung der Drehwinkelposition des Rotors 2 relativ zum Stator 20 bilden kann und in derartigen Ausführungen vorzugsweise wie angedeutet über die Nockenwelle 1 mit dem hydraulischen Druckfluid, vorzugsweise Motoröl, beaufschlagt werden kann. In vereinfachten Ausführungen kann das Spannmittel 10 aber auch nur die Funktion eines Spannmittels für den Rotor 2 erfüllen.
22 offenbart eine Fügeverbindung in der Gestalt eines Kegelsitzes. Eine Welle 1 weist eine konische oder kegelstumpfförmige Außenfläche 3 auf, die einer ersten Fügefläche entspricht. Auf der Fläche 3 ist eine ein zweites Fügeteil bildende Nabe 2 angeordnet, welche eine konische oder kegelstumpfförmige Innenfläche 4, welche einer zweiten Fügefläche entspricht, bildet. Die Fügeflächen 3 und 4 sind somit quer, insbesondere mit einem spitzen Winkel zu der Achse R angeordnet. Die Achse R entspricht der Wellenlängsachse und auch der Kegel- oder Konuslängsachse. Die Konus- oder Kegelwinkel der Flächen 3 und 4 korrespondieren miteinander. Auf der verjüngten Seite der Fläche 3 ist ein Spannmittel 10, das in der Gestalt einer Mutter gebildet ist, aber auch als Schraube, wie beispielsweise in den 5, 7A und 21, ausgebildet sein könnte, angeordnet. Die Mutter 10 ist mit einem Gewindeabschnitt der Welle 1 in einem Gewindeeingriff. Durch Anziehen der Mutter 10 übt diese eine in Richtung der Achse R gerichtete Presskraft auf die Nabe 2 aus, wodurch die Fläche 4 gegen die Fläche 3 gepresst wird. Dabei presst die Fläche 4 mit einer im Wesentlichen vom Kegelwinkel und der Anziehkraft, aber einer im Vergleich zur Anziehkraft verstärkten Kraft gegen die Fläche 3, wodurch eine reibschlüssige Verbindung hergestellt wird. Der Kegelwinkel kann so gewählt werden, dass zwischen dem ersten Fügeteil 1 und dem zweiten Fügeteil 2 Selbsthemmung besteht, d. h. dass beim Lösen der Mutter 10 die reibschlüssige Verbindung bestehen bleibt, oder keine Selbsthemmung besteht, d. h. dass beim Lösen der Mutter 10 auch die reibschlüssige Verbindung gelöst wird.
Durch die erfindungsgemäße Bearbeitung und Veränderung der Oberflächenbeschaffenheit oder -struktur der Flächen 3 oder/und 4 durch einen Laser lässt sich der Reibungskoeffizient, insbesondere der Haftreibungskoeffizient zwischen den Flächen 3 und 4 erhöhen. Hierdurch kann vorteilhaft:

– bei einem vorgegebenen Anziehmoment des Spannmittels 10 und einem vorgegebenen Kegelwinkel das über die Fügeverbindung übertragbare Drehmoment erhöht werden, oder
– bei einem vorgegebenen Anziehmoment des Spannmittels 10 und einem vorgegebenen zu übertragenen Drehmoment der Kegelwinkel verändert, d. h. vergrößert werden (der Kegel wird steiler), oder
– bei einem vorgegebenen zu übertragenden Drehmoments und einem vorgegebenen Kegelwinkel das Anziehmoment des Spannmittels verringert werden, wodurch das Spannmittel geringer dimensioniert werden kann, oder der Kegelwinkel, bis zu dem Selbsthemmung auftritt, gesteigert werden (Kegel wird steiler).

Die Ausführungen, bei denen der Reibschluss zwischen Stirnflächen oder Kegelflächen erzeugt wird, lässt sich die Fügeverbindung auch auf einfache Weise trennen und wieder montieren, d. h. die Fügeverbindung ist mehrfach montierbar.
Bezugszeichenliste

1: Fügeteil
2: Fügeteil
3: Fügefläche, Umfangsfläche
3a: Abflachung, Fügefläche
4: Fügefläche, Umfangsfläche
5: Ausnehmung
6: Laserbeschriftung
7: Laser
8: Vorsprung/Unebenheit/Hartstoffpartikel
8a: Hartstoffpartikel
9: Mischung
10: Spannmittel
11: Förderrad, Zahnrad
12: Förderrad, Zahnrad
13: Fügefläche, Stirnfläche
14: Fügefläche, Stirnfläche
15: Pumpeneinlass
16: Pumpenauslass
17: Fügefläche
18: Fügefläche
19
20: Stator
21: Antriebsrad
P: Bereich axialer Verpressung
R: Rotationsachse

Claims

Verfahren zur Herstellung einer Fügeverbindung (1, 2), die Bestandteil einer Pumpe, die der Versorgung eines Aggregats eines Kraftfahrzeugs mit einem Fluid oder einem Unterdruck dient, oder eines Nockenwellen-Phasenstellers ist, wobei bei dem Verfahren a) ein erstes Fügeteil (1) mit einer ersten Fügefläche (3, 13, 17) und ein zweites Fügeteil (2) mit einer zweiten Fügefläche (4, 14, 18) bereitgestellt werden, b) wenigstens eine der Fügeflächen (3, 4; 13, 14; 17, 18) metallisch ist und zumindest teilweise mittels eines Laser-Bearbeitungsverfahrens so bearbeitet wird, dass eine Änderung ihrer Oberflächenbeschaffenheit hervorgerufen wird, c) und die Fügeteile (1, 2) mit den Fügeflächen (3, 4; 13, 14; 17, 18) gegeneinander gepresst und dadurch kraftschlüssig miteinander gefügt werden, d) wobei das Laser-Bearbeitungsverfahren in einer von Luft abweichenden Umgebungsatmosphäre, nämlich in einer Stickstoff-Kohlenwasserstoff-Mischung, durchgeführt wird.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass an der Oberfläche mindestens einer der Fügeflächen (3, 13, 17; 4, 14, 18) Erhebungen oder Partikel (8) ausgebildet werden, die zumindest zum Teil von der Oberfläche der Fügeteile (1, 2) vorstehen und eine größere Härte haben als das an der Oberfläche der unbehandelten oder unbestrahlten Bereiche der Fügefläche (3, 13, 17; 4, 14, 18) vorhandene Material.
Verfahren nach einem der zwei vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Trägermasse (9), vorzugsweise ein Elastomer oder Naturkautschuk, und in der Trägermasse (9) verteilte Hartstoffpartikel (8a) zumindest auf einer der Fügeflächen (3, 4; 13, 14; 17, 18) vor dem gegeneinander Pressen der Fügeteile (1, 2) aufgebracht werden.
Verfahren nach einem der drei vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Fügeteil (2) erwärmt und bei dem Fügen durch Verringerung seiner Temperatur in den Reibschluss mit dem ersten Fügeteil (1) geschrumpft oder das erste Fügeteil (1) abgekühlt und bei dem Fügen durch Erhöhung seiner Temperatur in den Reibschluss mit dem zweiten Fügeteil (2) gedehnt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Fügeteile (2) mittels wenigstens eines Spannmittels (10) im Bereich der Fügeflächen (3, 4; 13, 14; 17, 18) aufeinander zu gepresst werden, vorzugsweise so fest, dass sich zumindest ein größerer, vorzugsweise der überwiegende Teil der Erhebungen oder Hartstoffpartikel (8, 8a) in wenigstens eine der Fügeflächen (3, 4; 13, 14; 17, 18), bevorzugt jeweils in beide Fügeflächen, eingräbt oder eindrückt.