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Die Erfindung betrifft eine Verbindungsanordnung eines Wellenteils mit einem Nabenteil der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art.
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Die
DE 10 2006 048 653 A1 offenbart eine Kopplungseinrichtung zur Übertragung eines Drehmoments zwischen einem Antriebselement und einer Kupplung mit einer ersten Welle und einer diese umgebenden zweiten Welle, wobei die beiden Wellen mittels einer in Umfangsrichtung formschlüssigen Verbindung miteinander gekoppelt sind. Dabei ist ein elastisches Element zur Erzeugung einer Vorspannung in der formschlüssigen Verbindung vorgesehen. Es hat sich gezeigt, dass bei dieser Art der Verbindung der beiden Wellen Probleme auftreten können.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Verbindungsanordnung eines Wellenteils mit einem Nabenteil bereitzustellen, bei welcher das Wellenteil und das Nabenteil auf verbesserte Weise miteinander gekoppelt sind.
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Diese Aufgabe wird durch eine Verbindungsanordnung eines Wellenteils mit einem Nabenteil mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nicht-trivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.
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Bei einer solchen Verbindungsanordnung eines Wellenteils mit einem Nabenteil sind das Wellenteil und das Nabenteil in Umfangsrichtung über einen Außenumfangsbereich des Wellenteils und einen Innenumfangsbereich des Nabenteils zumindest formschlüssig miteinander verbunden.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das Wellenteil und das Nabenteil unter Vermittlung wenigstens eines Paares zumindest in Umfangsrichtung elastischer Kraftübertragungselemente miteinander zum Übertragen von Drehmomenten verbunden sind. Mittels der Kraftübertragungselemente ist unter elastischer Verformung der Kraftübertragungselemente eine Relativverdrehung zwischen dem Wellenteil und dem Nabenteil ermöglicht. Durch die erfindungsgemäße Verbindungsanordnung, bei welcher das Wellenteil und das Nabenteil insbesondere ausschließlich über das wenigstens eine Paar elastischer Kraftübertragungselemente miteinander verbunden sind, ist eine Welle-Nabe-Verbindung geschaffen, welche infolge der elastischen Ausbildung der Kraftübertragungselemente drehelastisch ist. Darüber hinaus gestattet sie einen Ausgleich radialer Fluchtungsfehler und von Winkelfehlern zwischen Welle und Nabe.
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So können bei der erfindungsgemäßen Verbindungsanordnung zwischen dem Nabenteil und dem Wellenteil Drehmomente übertragen werden, jedoch sind das Wellenteil und das Nabenteil im Rahmen der elastischen Verformbarkeit der Kraftübertragungselemente relativ zueinander verdrehbar und dadurch voneinander zumindest im Wesentlichen bewegungs- und insbesondere schwingungsentkoppelt. Mit anderen Worten ist durch die elastische Ausbildung des Kraftübertragungsteils insbesondere eine Schwingungsentkopplung zwischen dem Wellenteil und dem Nabenteil geschaffen, so dass schwellende und/oder wechselnde Drehmomente bei Übertragung dieser zwischen dem Wellenteil und dem Nabenteil zumindest im Wesentlichen gedämpft werden. Dadurch kann die Belastung der Verbindung des Wellenteils mit dem Nabenteil gering gehalten werden. Die erfindungsgemäße Verbindungsanordnung ermöglicht somit eine verbesserte Verbindung des Wellenteils und des Nebenteils, bei welcher eine Verbindung zum Übertragen von hohen Drehmomenten zwischen dem Wellenteil und dem Nabenteil auch über eine hohe Lebensdauer hinweg gewährleistet ist.
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Dadurch, dass das Wellenteil und das Nabenteil in dem Außenumfangsbereich und in dem Innenumfangsbereich nicht zumindest im Wesentlichen direkt, sondern insbesondere ausschließlich über die Kraftübertragungselemente, das heißt unter Vermittlung dieser, und unter gegenseitiger, radialer Beabstandung miteinander zum Übertragen von Drehmomenten in Umfangsrichtung verbunden sind, ermöglicht die erfindungsgemäße Verbindungsanordnung auch einen Ausgleich von einem radialen Versatz und/oder von einem Achsversatz des Wellenteils und des Nebenteils.
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Zusätzlich zur im Rahmen der elastischen Verformbarkeit des Entkopplungselements drehelastischen Verbindung des Wellenteils und des Nebenteils ist es bei der erfindungsgemäßen Verbindungsanordnung möglich, bei Bedarf eine Spielfreiheit zwischen dem Wellenteil und dem Nabenteil bzw. einerseits zwischen dem Wellenteil und den Kraftübertragungselementen und andererseits zwischen den Kraftübertragungselementen und dem Nabenteil darzustellen. So kann beispielsweise die Entstehung von unerwünschten Geräuschen beispielsweise infolge eines Zahnflankenwechsels vermieden werden.
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Ein weiterer Vorteil ist, dass die geschilderten Vorteile der Verbindungsanordnung auf einfache und damit kostengünstige Weise realisiert sind. Die erfindungsgemäße Verbindungsanordnung ermöglicht mit relativ einfachen und damit kostengünstigen Mitteln die Darstellung einer drehelastischen, Spiel ausgleichenden sowie bei Bedarf spielfreien Verbindung des Nabenteils mit dem Wellenteil. Dabei kann vorgesehen sein, dass das Nabenteil und/oder das Wellenteil und/oder insbesondere die Kraftübertragungselemente aus Kunststoff ausgebildet sind. Dies hält das Gewicht der erfindungsgemäßen Verbindungsanordnung gering. Ebenso kann vorgesehen sein, dass das Nabenteil und/oder das Wellenteil und/oder insbesondere die Kraftübertragungselemente aus Stahl ausgebildet sind. Dadurch weist die erfindungsgemäße Verbindungsanordnung eine besonders hohe Robustheit auf und gewährleistet auch bei rauen Umgebungsbedingungen eine sichere Verbindung des Wellenteils mit dem Nabenteil.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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Die Zeichnung zeigt in:
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1 eine schematische Perspektivansicht einer Welle-Nabe-Verbindung, bei welcher ein Wellenteil und ein Zahnrad als Nabenteil über einen Außenumfangsbereich des Wellenteils und einen Innenumfangsbereich des Zahnrads zur Übertragung von Drehmomenten in Umfangsrichtung formschlüssig und drehelastisch miteinander verbunden sind;
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2 eine schematische Perspektivansicht der Welle-Nabe-Verbindung gemäß 1 mit einer Spannscheibe und einer Spannschraube zum gegenseitigen Verspannen des Wellenteils und des Zahnrads;
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3 eine schematische Vorderansicht einer Federscheibe der Welle-Nabe-Verbindung gemäß den 1 und 2;
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4 eine schematische Schnittansicht entlang der Schnittlinie A-A der Federscheibe gemäß 3;
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5 eine schematische Perspektivansicht des Wellenteils der Welle-Nabe-Verbindung gemäß den 1 und 2;
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6 eine schematische Perspektivansicht des Wellenteils gemäß 5, auf welchem eine Mehrzahl von Federscheiben gemäß den 3 und 4 angeordnet ist;
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7 eine schematische Perspektivansicht der Spannscheibe der Welle-Nabe-Verbindung gemäß den 1 und 2;
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8 ausschnittsweise eine schematische Perspektivansicht des Wellenteils mit den Federscheiben gemäß 6;
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9 ausschnittsweise eine schematische Längsschnittansicht der Welle-Nabe-Verbindung gemäß 2; und
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10 eine schematische Seitenansicht des Wellenteils gemäß 6 mit der Spannscheibe gemäß 7 und der Spannschraube gemäß 2.
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Die 1 zeigt eine Welle-Nabe-Verbindung 10, bei welcher ein Wellenteil 12 sowie ein Zahnrad 14 als Nabenteil vorgesehen sind. Das Wellenteil 12 und das Zahnrad 14 sind dabei über einen Außenumfangsbereich 16 des Wellenteils 12 und über einen Innenumfangsbereich 18 des Zahnrads 14 in Umfangsrichtung zur Übertragung von Drehmomenten mittelbar formschlüssig miteinander verbunden.
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Wie in Zusammenschau insbesondere mit den 3, 4 und 6 erkennbar ist, ist zur mittelbaren formschlüssigen Verbindung des Wellenteils 12 mit dem Zahnrad 14 ein Federscheibenpaket 20 mit einer Mehrzahl von Federscheiben 22 vorgesehen. Die Federscheiben 22 sind zumindest im Wesentlichen ringförmig ausgebildet und weisen innenseitig Zähne 24 auf, welche in radialer Richtung der Welle-Nabe-Verbindung 10 gemäß einem Richtungspfeil 26 nach innen ragen. Die Zähne 24 sind dabei in Umfangsrichtung der Welle-Nabe-Verbindung 10 gemäß einem Richtungspfeil 28 zumindest im Wesentlichen gleichmäßig verteilt angeordnet.
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Außenseitig weisen die Federscheiben 22 zumindest im Wesentlichen fingerförmige, federnde, das heißt elastisch verformbare, Federfinger 30 auf, welche in Umfangsrichtung über dem Umfang der jeweiligen Federscheibe 22 zumindest im Wesentlichen gleichmäßig verteilt angeordnet sind. Verbunden sind die Zähne 24 und die Federfinger 30 mit einem jeweiligen Ringkörper 32 der Federscheiben 22. Dadurch können die Federscheiben 22 besonders einfach montiert werden.
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Wie insbesondere der 3 zu entnehmen ist, weisen die Federfinger 30 jeweils einen, zumindest im Wesentlichen in radialer Richtung verlaufenden Längenbereich 34 sowie einen schräg, insbesondere zumindest im Wesentlichen senkrecht, dazu verlaufenden Längenbereich 36 auf, welcher sich an den Längenbereich 34 anschließt. Ein Übergangsbereich zwischen den Längenbereichen 34 und 36 ist dabei zumindest im Wesentlichen bogenförmig ausgebildet. Wie der 3 zu entnehmen ist, sind die Federfinger 30 dadurch in Umfangsrichtung gekrümmt.
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Zum Verbinden des Wellenteils 12 und des Zahnrads 14 weist das Wellenteil 12 außenumfangsseitig eine Mehrzahl von Nuten 38 auf, welche in Umfangsrichtung über dem Umfangs des Wellenteils 12 zumindest im Wesentlichen gleichmäßig verteilt angeordnet sind. Wie insbesondere der 6 zu entnehmen ist, dienen die Nuten 38 dazu, die korrespondierenden Zähne 24 aufzunehmen.
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Analog dazu weist das Zahnrad 14 innenumfangsseitig Nuten 40 auf, welche in Umfangsrichtung innenumfangsseitig zumindest im Wesentlichen gleichmäßig verteilt angeordnet sind. Wie insbesondere den 1 und 2 zu entnehmen ist, dienen die Nuten 40 dazu, die Federfinger 30 zumindest bereichsweise aufzunehmen.
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Da die Federscheiben 22 und insbesondere die Federfinger 30 federnd (elastisch verformbar) ausgebildet sind, können dadurch das Wellenteil 12 und das Zahnrad 14 in Umfangsrichtung mittelbar über das Federscheibenpaket 20 formschlüssig miteinander verbunden werden, so dass zwischen ihnen Drehmomente übertragen werden können. Gleichzeitig ist dadurch zwischen dem Wellenteil 12 und dem Zahnrad 14 eine im Rahmen der elastischen Verformbarkeit der Federscheiben 22 drehelastische Verbindung zwischen dem Wellenteil und dem Nabenteil 14 geschaffen. So können Schwingungen, insbesondere Drehschwingungen, zwischen dem Wellenteil 12 und dem Zahnrad 14 gedämpft werden. Derartige Drehschwingungen resultieren beispielsweise insbesondere aus schwellenden und/oder wechselnden Drehmomenten, welche zwischen dem Wellenteil 12 und dem Zahnrad 14 zu übertragen sind.
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Bei dieser drehweichen (drehelastischen) Verbindung des Wellenteils 12 und des Zahnrads 14 werden die in radialer Richtung zumindest bereichsweise zwischen dem Wellenteil 12 und dem Zahnrad 14 zwischen diesen angeordneten Federscheiben 22 durch gegenseitiges Verdrehen verspannt, so dass auch das Wellenteil 12 und das Zahnrad 14 gegenseitig verspannt sind. Dadurch ist eine Spielfreiheit zwischen dem Wellenteil 12 und dem Zahnrad 14 gegeben. Insbesondere infolge der gekrümmten Form der Federfinger 30 ist dadurch auch ein radialer Achsversatz zwischen dem Zahnrad 14 und dem Wellenteil 12 auszugleichen.
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Wie der 6 und insbesondere der 8 zu entnehmen ist, sind die Federscheiben 22 des Federscheibenpakets 20 in axialer Richtung der Welle-Nabe-Verbindung 10 gemäß einem Richtungspfeil 42 abwechselnd seitenverkehrt zu Paaren angeordnet. Mit anderen Worten, die Federscheiben 22 des Federscheibenpakets 20 sind alle zumindest im Wesentlichen gleich ausgebildet (abgesehen von fertigungsbedingten Toleranzen und die daraus resultierenden fertigungsbedingten Abweichungen). Die zumindest im Wesentlichen gleichen Federscheiben 22 sind nun derart abwechselnd und seitenverkehrt zu Paaren angeordnet, dass die Federfinger 30 einer ersten der Federscheiben 22 entgegengesetzt zu den Federfingern 30 einer zweiten, unmittelbar auf die erste Federscheibe folgenden zweiten der Federscheiben 22 verlaufen. Bezogen auf die Bildebene der 3 in Zusammenschau mit der 6 bedeutet dies, dass die Federfinger 30 der ersten der Federscheiben 22 links gekrümmt verlaufen, während die Federfinger 30 der zweiten der Federscheiben 22 rechts gekrümmt verlaufen. Die Federfinger 30 einer dritten, unmittelbar auf die zweite der Federscheiben 22 folgenden der Federscheiben 22 sind dabei wieder links gekrümmt und so weiter.
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Aufgrund dieses Aufbaus des Federscheibenpakets 20 können sich die Federfinger 30 voneinander unterschiedlich sowohl radial als auch axial verformen, so dass dadurch ein Winkelversatz auszugleichen ist. Dazu weisen die Federfinger 30, wie der 4 zu entnehmen ist, eine Erstreckung in axialer Richtung gemäß dem Richtungspfeil 42 auf, welche geringer ist als die axiale Erstreckung des Ringkörpers 32. Mit anderen Worten sind die Federfinger 30 in axialer Richtung um den Betrag s + s schmaler als der Ringkörper 32.
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Die geschilderte Verspannung erfolgt durch eine in der 7 dargestellte Spannscheibe 44, welche eine Mehrzahl von angespitzten Stiften 46 umfasst. Die Stifte 46 sind dabei in Umfangsrichtung zumindest im Wesentlichen gleichmäßig verteilt angeordnet und mit einem zumindest im Wesentlichen ringförmigen Ringkörper 48 verbunden. Zum Verspannen der Federscheiben 22 und damit des Wellenteils 12 und des Zahnrads 14 werden die Stifte 46 mittels einer Spannschraube 50 in jeweilige freie Querschnitte 52 zwischen den Zähnen 24 und den Nuten 38 eingetrieben.
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Mit anderen Worten, die Nuten 38 weisen in Umfangsrichtung eine größere Erstreckung auf als die dazu korrespondierenden Zähne 24. Sind die Zähne 24 in den Nuten 38 angeordnet, so sind zunächst zwischen den Zähnen 24 und die Nuten 38 begrenzenden Wandungen des Wellenteils 12 jeweilige Abstände bzw. Freiräume gegeben. In diese Abstände bzw. Freiräume werden die Stifte 46 eingetrieben. Um dieses Eintreiben und das damit einher gehende Verspannen auf einfache Weise zu realisieren und gleichzeitig eine gewisse Kraft zum Verspannen aufbringen zu können, dient die Spannschraube 50.
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Die Spannschraube 50 weist einen Schraubenschaft 54 auf, welcher zumindest bereichsweise mit einem Außengewinde 55 versehen ist. Die Spannschraube 50 umfasst ferner einen Schraubenkopf 56, welcher drehfest mit dem Schraubenschaft 54 verbunden ist. Zum Verspannen der Federscheiben 22 wird die Spannschraube 50 über ihr Außengewinde 55 in ein dazu korrespondierendes Innengewinde 58 eingeschraubt, während sich die Spannschraube 50 über ihren Schraubenkopf 56 an dem Ringkörper 48 der Spannscheibe 44 abstützt. Durch weiteres Einschrauben der Spannschraube 50 in das Innengewinde 58 bewegt sich die Spannschraube 50 in axialer Richtung gemäß dem Richtungspfeil 42 weiter in das Innengewinde 58 hinein. Dadurch wird die Spannscheibe 44 in Richtung des Wellenteils 12 und des Zahnrads 14 bewegt. Ferner werden dadurch die Federscheiben 22 einer ersten Orientierung, das heißt beispielsweise die Federscheiben mit den linksgekrümmten oder mit den rechtsgekrümmten Federfingern so verdreht, dass sie in Stützanlage mit jeweiligen, die Nuten 40 des Zahnrads 14 in Umfangsrichtung einerseits begrenzenden ersten Wandungen (Flanken) des Zahnrads 14 gelangen. Damit einher geht eine Verdrehung des Zahnrads 14, wodurch die Federscheiben 22 einer zweiten, zur ersten Orientierung entgegengesetzten Orientierung, das heißt die Federscheiben 22 mit den entsprechend anders gekrümmten Federfingern 30, in Stützanlage mit jeweiligen, den ersten Wandungen gegenüberliegenden und die Nuten 40 des Zahnrads 14 in Umfangsrichtung andererseits begrenzenden zweiten Wandungen des Zahnrads 14 kommen.
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Die Stifte 46 verdrehen die Federscheiben 22 jedoch noch weiter, so dass es zu einer Verspannung der Federscheiben 22 und damit des Wellenteils 12 und des Zahnrads 14 kommt. Dadurch ist eine in Umfangsrichtung spielfreie und formschlüssige Verbindung zwischen dem Wellenteil 12 und dem Zahnrad 14 realisiert, so dass Drehmomente zwischen dem Wellenteil 12 und dem Zahnrad 14 übertragen werden können und gleichzeitig in Umfangsrichtung eine drehweiche, das heißt drehelastische, Verbindung zwischen dem Wellenteil 12 und dem Zahnrad 14 geschaffen ist. Das Wellenteil 12 und das Zahnrad 14 können sich somit im Rahmen der elastischen Verformbarkeit der Federfinger 30 in Umfangsrichtung relativ zueinander drehen und zwischen dem Wellenteil 12 und dem Zahnrad 14 können Drehmomente übertragen werden.
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Da sich bei der Verspannung und bei einer Drehmomentenänderung auch der zumindest im Wesentlichen ringförmige Ringkörper 32 der Federscheiben 22 verformt, und zwar in dem Bereich, in welchem die Federscheiben 22 mittels der Spannscheibe 44 gegeneinander gedrückt werden, findet hier eine Dämpfung von Bewegungen und damit etwaiger Schwingungen durch Reibung statt.
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Wie der 9 zu entnehmen ist, umfasst das Wellenteil 12 einen Anlaufbund 60, welcher zur Abstützung des Federscheibenpakets 20 in axialer Richtung dient. In axialer Richtung zwischen dem Federscheibenpaket 20 und dem Anlaufbund 60 ist eine Füllscheibe 62 vorgesehen, welche einerseits an der letzten der Federscheiben 22 des Federscheibenpakets 20 und andererseits an dem Anlaufbund 60 anliegt.
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Die Welle-Nabe-Verbindung 10 ermöglicht somit die drehelastische und bei Bedarf spielfreie Verbindung zum Übertragen von Drehmomenten und/oder Drehzahlen zwischen dem Wellenteil 12 und dem Zahnrad 14, und das auf besonders kostengünstige Weise. Insbesondere können die Anforderungen an der Herstellgenauigkeit der Nuten 38 und 40 gering gehalten werden, was mit besonders geringen Herstellkosten für die Welle-Nabe-Verbindung 10 einher geht.
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Bevorzugt sind die Federfinger 30, die Zähne 24 und der Ringkörper 32 einstückig miteinander ausgebildet. Ebenso sind bevorzugt die Stifte 46 und der Ringkörper 48 einstückig miteinander ausgebildet. Dabei kann vorgesehen sein, dass die Federscheiben 22 und/oder die Spannscheibe 44 und/oder das Wellenteil 12 und/oder das Zahnrad 14 und/oder die Füllscheibe 62 zumindest im Wesentlichen aus einem Kunststoff ausgebildet sind. Ebenso möglich ist die entsprechende Ausbildung aus einem Stahl, was mit einer besonders hohen Robustheit der Welle-Nabe-Verbindung 10 einher geht. Die Federscheiben 22 können sowohl einstückig als auch mehrteilig als Federpakete ausgeführt sein.
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Wie den 1 bis 10 zu entnehmen ist, sind das Wellenteil 12 und das Zahnrad 14 zumindest in dem Außenumfangsbereich 16 bzw. in dem Innenumfangsbereich 18 in radialer Richtung voneinander beabstandet und ausschließlich über das Federscheibenpaket 20 mit den Federscheiben 22 in Umfangsrichtung formschlüssig miteinander verbunden bzw. gekoppelt, so dass zwischen ihnen Drehmomenten übertragen werden können. Durch diese ausschließliche Verbindung über das Federscheibenpaket 20 sind das Wellenteil 12 und das Zahnrad 14 insbesondere in Umfangsrichtung und im Rahmen der elastischen Verformbarkeit der Federfinger 30 voneinander schwingungsentkoppelt miteinander verbunden. Dadurch können insbesondere Drehschwingungen aufgrund von schwellenden und/oder wechselnden Drehmomenten gedämpft werden, wobei die Federscheiben 22 als Kraftübertragungselemente zum Übertragen von Drehmomenten zwischen dem Wellenteil 12 und dem Zahnrad 14 fungieren.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Welle-Nabe-Verbindung
- 12
- Wellenteil
- 14
- Zahnrad
- 16
- Außenumfangsbereich
- 18
- Innenumfangsbereich
- 20
- Federscheibenpaket
- 22
- Federscheibe
- 24
- Zahn
- 26
- Richtungspfeil
- 28
- Richtungspfeil
- 30
- Federfinger
- 32
- Ringkörper
- 34
- Längenbereich
- 36
- Längenbereich
- 38
- Nuten
- 40
- Nuten
- 42
- Richtungspfeil
- 44
- Spannscheibe
- 46
- Stift
- 48
- Ringkörper
- 50
- Spannschraube
- 52
- Querschnitt
- 54
- Schraubenschaft
- 55
- Außengewinde
- 56
- Schraubenkopf
- 58
- Innengewinde
- 60
- Anlaufbund
- 62
- Füllscheibe
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102006048653 A1 [0002]
