DE2925058A1

DE2925058A1 - Verbindung zwischen metallteilen und verfahren zu ihrer herstellung

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Publication number: DE2925058A1
Application number: DE19792925058
Authority: DE
Inventors: Hisanobu Kanamaru; Moisei Okabe; Hideo Tatsumi; Akira Tohkairin
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1978-06-21
Filing date: 1979-06-21
Publication date: 1980-01-31
Also published as: JPS6251694B2; GB2029300A; DE2925058C2; JPS551924A; US4376333A; GB2029300B

Description

Verbindung zwischen Metallteilen und Verfahren zu ihrer Herstellung

Die Erfindung bezieht sich auf eine Verbind".ng zwischen ;ie ■ tail teilen und ein Verfahren zum Verbinden -.an Hat α :. ί te Li .£'.·, in^^-sondere einer Welle und eines Drehkopf, x.'s öl;ε :^::Χλ:.1 dui-i-h tinpre&seri der Welle in den Drehkörp;. derart, s ■'- i... Teil',.-Ii des Drehkörpers ein Fließen von üetj ί s ta ;;ΐ; "Ι.ί -.it ·: zum Herstellen von Abschnitten sehr engen K ud:·:^ z;> 1.-^ n»iibet'len Teilen; ferner bezieht sich die Cr f j .n!·..; ■■--.-j λ'-\? ein ν.;χ- fahren zum Herstellen einer solchen Verbiru·.."■;;,

Bei einer bekannten Verbindung wird eine V..-, U, dl·:: .iüirii -jrolirfi eines Rändel- oder Kordelwerkzeuy s ^:i:.:i' ihre .^eirU;:, yer an (Je 11 oder gekordelt ist} durcii Pressen _:,;i eine glatte Zyiiiidurbohrung eines Metallteils eingepaßt. Diese \ si-ui^u -.:η-_:, ist in bezug auf die Festlegung der Welle :i. Aeiv. zwo !!"■;■ a T-:.ii sehv-a^h, und das übertragbare Drehmoment ί :'. Klein, .ia JLe dui'i'ii Abrollen des Rändelvverkzeugs <iuf der λ·.; iienobtr f il-i ;:ic tjebl I. ■.( e ten Vorsprünge oder Riffelungen in ¹Ji-. -ray aui^! :. hr ."> in das zweite Teil einschneidende Masse klein ι L:iü und .ür £iafji'i ff'.-.winkel der Vorsprünge groß ist. Im '»ej.jleich i;.._ c eine? herkömmlichen Verbindung durch Gleit- oder Preßpassuiä c L'u-i-Evoivjnteri-Keilwelle oder einer Kerbzaimweiie beträyu da.-i

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übertragbare Drehmoment der Verbindung mit der gerändelten oder gekordelten Welle nur den dritten Teil des mit einer Evolventen-Keilwelle oder einer Kerbzahnwelle übertragbaren Drehmoments. Bei der Verbindung der gerändelten Welle mit dem eine Bohrung aufweisenden zweiten Teil ist die Masse der Vorsprünge, die in eine Innenfläche der Bohrung, in die die Welle einzusetzen ist, einschneiden, um den Weilenumfang ungleichmäßig» Daher kann eine hohe Konzentrizität zwischen der IVsIIe und der Bohrung nicht erhalten werden. Während des Händeins oder Kordeins wird die V/eile selbst geringfügig gebogen» und beim Einpressen wird sie noch stärker gebogen. Insbesondere wird die gebogene Welle an dem zweiten Teil so befestigt, daß sie zur Achse der Bohrung des zweiten Teils geneigt verläuft oder noch weiter gebogen wird.

In der 3A-Patentveröffentlichung Nr. 4-8-13894 (1973) ist ein verfeinden zum Einsetzen einer Welle aus einer Titanlegierung in Bohrungen von Äluminiumplatten angegeben, wobei die Welle zur Verbindung mit den Aluminiumplatten mit Druck beaufschlagt wire». Dabei weist die Welle eine Mehrzahl Vorsprünge auf, deren jeder- axial verläuft und die auf dem Wellenumfang gleichbeabstandet angeordnet sind. Die Vorsprünge weisen gewölbte Buckel und gewölbte Vertiefungen auf, die abwechselnd aufeinanderfolgen und eine kontinuierliche Fläche bilden. Die Puckel und Vertiefungen sind voneinander in radialer Richtung von einem theoretischen Nenndurchmesser ausgehend in im '.vesentlichen gleichen Abständen getrennt. Die Vorsprünge, die dui-ch Walzen hergestellt werden, stehen mit den Aluminiumplatten in gleichmäßigem Kontakt, so daß sie diese gleichmäßig -'crspnnnen. Die Alumlniumpiatten sind mittels einer ]'\~'it' ■-:: "estgeler-X , die durch Ausnutzung von Restspannungen ~-.r i'-~ P Lochen infolge einer spezifischen Druckbeanspruehisng«, :':'-': - ί- ■''-'--'- AJ u--?-iumbleche vorgespannt sind, verschraubt Ist₀

f»E ψ. I / 0 [i/. fi

Bei diesem Verfahren ist Jedoch kein großes übertragbares Drehmoment zu erwarten, da der Eingriffswinkel groß und die Masse der in die Aluminiumbleche einschneidenden Vorsprünge klein ist. Ferner ist es schwierig, eine Verbindung mit hoher Konzentrizität zwischen der Welle und der Achse der Bohrungen der Aluminiumplatten zu erzielen, da die Abmessungen und Formen der Vorsprünge die in die Aluminiumplatten einschneidende Vorsprungs-Masse stark beeinflussen. Daher eignet sich die Verbindung nicht zum Verbinden einer Welle mit einem Drehkörper.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer Verbindung zwischen Metallteilen sowie eines entsprechenden Verbindungsverfahrens, wobei eine mechanisch feste Sicherung zwischen Metallteilen nur durch Ineinanderpressen der beiden Teile erreicht wird; dabei soll ein hohes übertragbares Drehmoment zwischen den beiden Metallteilen erzielt werden, indem das eine Metallteil in das andere aufgrund eines Fließens von Metall des einen Metallteils mit minimaler Biegung fest eingepaßt wird.

Die Verbindung besteht dabei aus einem ersten Metallteil mit mehreren Vorsprüngen, deren jeder axial verläuft und die von einem Grundkreis in Abständen vorspringen, und einem zweiten Metallteil, das leichter als das erste verformbar ist, wobei eines der Metallteile in das andere fest eingepaßt wird derart, daß ein Fließen von Metall des zweiten Metallteils erfolgt und ein sehr enger Kontakt zwischen den beiden Metallteilen an den Vorsprüngen und ihren angrenzenden Abschnitten des ersten Metallteils auf wenigstens einer Seite jedes Vorsprungs hergestellt wird» In den Abschnitten sehr engen Kontakts der beiden Metallteile wird eine Druckbeanspruchung zur Einwirkung gebracht, und in den beiden Metallteilen bei Drehmomentbeaufschlagung induzierte Scher- bzw. Querkräfte werden groß gemacht, so daß die beiden Metallteile sehr fest miteinander verbunden sind. Zwischen den Vorsprüngen des

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ersten Metallteils sind Bogenflächen oder eine Bogenwandung mit im wesentlichen dem gleichen Durchmesser wie das zweite Metallteil ausgebildet, so daß die Konzentrizität zwischen den beiden Metallteilen verbessert wird.

Durch die Erfindung wird also eine Verbindung aus einer Welle, die aus Metall besteht, und einer Scheibe od. dgl. aus einem Metall, das stärker als die Welle reduzierbar ist, angegeben. Die Welle hat Bogenwandungen, die von einem Grundkreis gebildet sind, und mehrere Vorsprünge, deren jeder von dem Grundkreis vorspringt und längs der Grundkreisachse verläuft. Die Vorsprünge sind voneinander beabstandet, so daß die Bogenwandungen sämtlich zwischen den Vorsprüngen liegen. Die Scheibe weist eine Bohrung mit gleichem Durchmesser wie der Grundkreis auf. Die Welle wird in die Bohrung der Scheibe eingepreßt, so daß die Vorsprünge in die Scheibe einschneiden und mit dieser fest verbunden werden, wobei zwischen Welle und Bohrung eine hohe Konzentrizität erreicht wird.

Anhand der Zeichnung wird die Erfindung beispielsweise näher erläutert Es zeigen:

Fig. 1 eine Schnittansicht einer Ausführungsform einer Verbindung aus einer Welle und einem Zahnrad; eine Perspektivansicht der Welle nach Fig. Ij eine größere Schnittansicht der Welle nach Fig. 2; eine größere Schnittansicht einer Projektion von Fig. 3;

eine Schnittansicht des Zahnrads nach Fig. 1; eine 50fach vergrößerte Fotografie, die einen

Teilschnitt der Verbindung nach Fig. 1 zeigt; Fig. 7 eine Schnittansicht der Verbindung nach Fig.

zur Erläuterung des Zustands derselben; Fig. 8 eine Grafik des übertragbaren Drehmoments; Fig. 9 eine Schnittansicht einer Verbindung zwischen einer Welle und einer Scheibe zur Erläuterung der Abmessungen;

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Fig.	2
Fig.	3
Fig.
Fig.	5
Fig.	6

Fig. 10 eine größere Schnittansicht der Welle nach Fig. 9;

Fig. 11 eine Grafik, in der die Beziehung zwischen der Verformung des Außendurchmessers einer Scheibe und dem Verhältnis zwischen dem Scheiben-Außendurchmesser und dem Wellen-Durchmesser aufgetragen ist; Fig. 12 eine Grafik, in der die Beziehung zwischen dem Projektionswinkel, dem Drehmoment und der Einpreßkraft aufgetragen ist}

Fig. 13 eine Grafik, in der die Beziehungen zwischen der Anzahl Vorsprünge, einem Verhältnis zwischen der Anzahl Vorsprünge und dem Grundkreisdurchmesser der Welle, dem Drehmoment und der Verformung des Scheiben-Außendurchmessers aufgetragen sind;

Fig. 14· eine Grafik, die die Beziehungen zwischen der Höhe der Vorsprünge und dem Drehmoment sowie der Außendurchmesser-Verformung angibt;

Fig. 15 eine Schnittansicht einer Welle sowie von Werkzeughälften nach einem weiteren Ausführungsbeispiel ;

Fig. 16 eine größere Schnittansicht der Welle nach Fig. 15;

Fig. 17 eine 50fach vergrößerte Fotografie eines Teilschnitts durch eine Verbindung unter Anwendung der Welle nach Fig. 15;

Fig. 18 eine Grafik, die die Beziehung zwischen dem Drehmoment und einem Winkel 0_d, unter dem die Werkzeughälften zu Beginn mit der Welle in Kontakt treten, wiedergibt;

Fig. 19 eine Grafik der Beziehung zwischen der Biegung der Welle und dem Winkel 9.;

Fig. 20 eine Grafik von vergleichbaren Wellenbiegungen nach dem Einpressen;

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Fig. 21 eine Grafik der Beziehung zwischen der Werkzeug-Standzeit und dem Werkzeugwinkel O( ; und

Fig. 22 eine Schnittansicht einer Ausführungsform der Verbindung zwischen einer Welle und einem Blechpaket.

Eine Ausführungsform einer Verbindung zwischen Metallteilen wird unter Bezugnahme auf die Fig. 1-7 erläutert.

Fig. 1 zeigt eine aus einer Welle 10 und einem Zahnrad 20 bestehende Baugruppe als Beispiel einer Verbindung.

Die Welle 10 ist eine Vollwelle und entsprechend den Fig. 2-4 ausgebildet. Nach Fig. 2 umfaßt sie einen ersten zylindrischen Abschnitt 101, einen Vorsprünge aufweisenden Abschnitt 102 und einen zweiten zylindrischen Abschnitt 103. Die Durchmesser des ersten bzw. des zweiten zylindrischen Abschnitts sind 12 mm bzw. 12,4 mm. Der Abschnitt 102 ist mit mehreren Vorsprüngen 11 ausgebildet. Oeder Vorsprung 11 springt von einer zylindrischen oder Bogenwandung 104 mit dem gleichen Durchmesser wie der erste zylindrische Abschnitt 101 vor und verläuft in axialer Richtung. Ein an dem die Vorsprünge aufweisenden Abschnitt 102 durch die zylindrische Wandung 104 gebildeter Kreis wird als Grundkreis der Vorsprünge 11 oder einfach als Grundkreis der Welle 10 bezeichnet.

Jeder der mehreren Vorsprünge 11 verläuft parallel zur Achse der Welle 10, und die Vorsprünge sind voneinander gleichbeabstandet. Geder Vorsprung 11 entspricht im Schnitt Fig. 4, d. h. der Schnitt ist durch zwei schräge Flächen 14, 15 und eine obere Fläche 12, die gewölbt ist, gebildet. Die schrägen Flächen 14, 15 sind in bezug auf eine radial verlaufende Linie symmetrisch geneigt, so daß sie einander unter einem

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Winkel O schneiden, und der Abstand zwischen den schrägen
Flächen 14·, 15 wird vom Grund des Schnitts zur oberen Fläche 12 hin geringer. Am Eintrittsende jedes Vorsprungs 11 ist
eine schräge Fläche 13 ausgebildet, die unter einem Neigungswinkel γ geneigt verläuft. Die Abmessungen der Vorsprünge 11 sind wie folgt:

Einpreßlänge: 12 mm

untere Länge S zwischen Flächen IA-, 15: 0,4- mm

Höhe h des Vorsprungs: 0,2 mm

vertikaler Projektionswinkel θ (= 2ΘΗ) : 60°

Neigungswinkel "f : 30°.

Die Vorsprünge sind durch Strangpressen der Welle 10 ausgebildet.

Fig. 5 zeigt das Zahnrad 20. Dieses umfaßt Zähne 22 und eine mittige Bohrung 21. Die Bohrung 21 ist von einer kreisrunden und geraden Wandung 211 gebildet. Das Zahnrad 20 hat folgende Abmessungen:

Dicke H: 12 mm

Außendurchmesser D der Zähne: 50 mm.

Dabei wird der Durchmesser D. der Bohrung 21 als Grundkreis
des Zahnrads 20 bezeichnet, der ebenso groß oder ganz gering größer als der Grundkreis der Welle 10 ist.

Die Welle 10 besteht aus Konstruktionsstahl, und das Zahnrad 20 besteht aus einem weicheren oder nachgiebigeren Stahl als die Welle 10.

Nachstehend wird ein Verfahren zum Herstellen einer Verbindung zwischen der Welle 10 und dem Zahnrad 20 erläutert.

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Das Zahnrad 20 wird auf einer Einspannvorrichtung angeordnet, die eine kreisrunde Ausnehmung hat,, deren Durchmesser ca. 50 mm beträgt und gering größer als der Außendurchmesser des Zahnrads 20 ist. Ferner v/eist die Einspannvorrichtung eine Bohrung in der Mitte der kreisrunden Ausnehmung auf, deren Innendurchmesser mehr als 12 mm beträgt. Auf dieser Einspannvorrichtung wird das Zahnrad 20 so befestigt, daß es weder radial noch vertikal beweglich ist.

Die Welle 10 wird von Greifern einer Hydraulikvorrichtung mit einem Zylinder gegriffen und koaxial mit dem Zahnrad festgelegt. Die Welle 10 wird von der Hydraulikvorrichtung unter Beaufschlagung mit einer Druckkraft von 800 kg nach unten bewegt. Zuerst wird der erste zylindrische Abschnitt 101 der Welle 10 in die Bohrung 21 des Zahnrads 20 eingefügt. Dann werden die Eintrittsenden der Vorsprünge 11 durch Pressen eingefügt. Da jedes Eintrittsende unter einem Winkel von 30 geneigt ist, werden die Vorsprünge 11 zuerst leicht und glatt in die Bohrung 21 eingefügt;, so daß die Vorsprünge 11 in engen Kontakt mit der Seitenwandung 211 des Bohrung 21 treten. Die Konzentrizität zwischen Welle 10 und Zahnrad 20 wird durch das glatte Führen mittels der schrägen Flächen 13 der Vorsprünge 11 und dadurch., daß die Grundkreise von Welle und Zahnrad im wesentlichen gleich sind, verbessert« Mit der Weiterbewegung der Weile 10 nach unten schneiden die Eintrittsenden der Vorsprünge 11 in die Seitenwandung 211 der Bohrung ein, und schließlich gelangen die oberen Enden 12 der Vorsprünge 11 mit dem Zahnrad 20 in Kontakt und schneiden in das Zahnrad 20 ein. Teile des Zahnrads 20 nahe den Vorsprüngen 11 werden von den Vorsprüngen 11 aufgrund eines Fließens des Zahnradmetaiis verformt. Somit bewirkt die Welle 10 eine plastische Verformung des Zahnrads 2O₉ und die Welle 10 wird in das Zahnrad 20 eingepaßt, während die Vorsprünge 11 der Welle 10 und die benachbarten Abschnitte der Vorsprünge 11 mit dem Zahnrad in Kontakt treten.

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Wenn die Welle 10 eingefügt wird, wird zwischen den Vorsprüngen 11 liegender Werkstoff des Zahnrads 20 sehr gering nach außerhalb des Grundkreises verformt, d. h. er wird so verformt, daß der Grundkreis größer wird. Infolgedessen werden zwischen den Vorsprüngen zwischen der Welle 10 und dem Zahnrad 20 Spalte S von 0,02 mm gebildet.

Von dem Zeitpunkt an, in dem die Welle 10 und das Zahnrad eingespannt sind, wird der oben erläuterte Verbindungsvorgang innerhalb von ca. 1 s durchgeführt.

Unter Bezugnahme auf die Fig. 6 und 7 wird der Verbindungsabschnitt zwischen Welle 10 und Zahnrad 20 erläutert.

Fig. 6 zeigt die Verbindung oder den Verbindungsabschnitt in einer 50fach vergrößerten Fotografie. Es ist ersichtlich, daß die Welle 10 in charakteristischer Weise mit dem Zahnrad 20 zusammengefügt ist. Die Charakteristika der Verbindungsabschnitte werden unter Bezugnahme auf Fig. 7 erläutert. Das Zahnrad 20 steht mit dem oberen Teil 12 der Vorsprünge 11, den schrägen Flächen 14·, 15 und Abschnitten 171 des Grundkreises unmittelbar anschließend an die Vorsprünge 11 der Welle 10 in sehr engem Kontakt. Die Welle 10 und das Zahnrad 20 sind voneinander um den Abschnitt 172 des Grundkreises zwischen den Vorsprüngen Il getrennt, wobei die vorgenannten Abschnitte 171 ausgenommen sind. Wie erwähnt, hat jeder Spalt ο eine Weite von 0,02 mm. Die Höhe h der Vorsprünge beträgt 0,2 mm und ändert sich nicht nach dem Fügen von Welle 10 und Zahnrad 20. Der Grund für die Bildung dieser besonderen Verbindung ist, daß die die Vorsprünge 11 aufweisende Welle 10 aus relativ hartem Metall besteht, während das Zahnrad 20, in das sie einzufügen ist, aus einem relativ nachgiebigen oder reduzierbaren Metall besteht; ein weiterer Grund ist, daß jeder Vorsprung 11 radiale Schrägflächen 1ή·, 15 sowie die schräge Fläche 13 am Eintrittsende jedes Vorsprungs 11 aufweist, und daß der Grundkreis der Welle 10 im wesentlichen gleich dem Grundkreis des Zahnrads 20 ist. Nach

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Fig. 7 wird der Vorsprung 11 der Welle 10 und der dem Vorsprung 11 benachbarte Abschnitt 171 von dem Zahnrad 20 druckbeansprucht, wenn die Welle 10 in das Zahnrad 20 eingefügt wird, und das Innere des Vorsprungs 11 wird mit hoher mechanischer Spannung beaufschlagt. Die hohe mechanische Spannung des Vorsprungs 11 wirkt auf das Zahnrad 20 an den Stellen desselben, die die Oberfläche 12, die schrägen Flächen 14-, 15 und den dem Vorsprung 11 auf dem Grundkreis benachbarten Abschnitt 171 kontaktieren, so daß das Zahnrad 20 stark expandiert. Wenn die Welle 10 mit einem Drehmoment beaufschlagt wird, wird zwischen der oberen Fläche 12 und den schrägen Flächen 14, 15 eine Quer raft wirksam, die durch eine vervielfachte Scherbeanspruchung erzeugt wird, die in den Vorsprüngen der Welle 10 durch den Scherbereich erzeugt wird, und das Zahnrad 20 steht mit der Oberfläche 12 und den schrägen Flächen 14, 15 in sehr engem Kontakt. Wenn eine solche große Druckbeanspruchung auf die Vorsprünge 11 einwirkt, wird die Querkraft sehr hoch.

Die vorstehend erläuterte Ausführungsform der Verbindung bzw. des Verbindungsverfahrens hat folgende Auswirkungen:

1) Die Verbindung hat eine hohe mechanische Festigkeit und ein besonder-s hohes übertragbares Drehmoment. Fig. 8 zeigt das übertragbare Drehmoment Y des vorstehend erläuterten Ausführungsbeispiels, verglichen mit einem übertragbaren Drehmoment X eines herkömmlichen Preßpassungsverfahrens zum Verbinden einer gerändelten Welle mit einer Bohrung eines Zahnrads. Bei dem herkömmlichen Preßpassungsverfahren wird das gleiche Zahnrad wie bei dem oben angegebenen Ausführungsbeispiel verwendet, und die gerändelte oder gekordelte Welle besteht aus dem gleichen Metall wie die Welle 10 und hat einen zum Einsetzen in die Zahnradbohrung geeigneten Durchmesser. Aus Fig. 8 ist ersichtlich, daß die Verbindung nach dem Ausführungsbeispiel ein übertragbares Drehmoment von 43 kg*m hat, während das übertragbare Drehmoment der herkömmlichen Verbindung 14 kg^#m beträgt; d. h. die Verbindung

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nach der Erfindung hat ein wenigstens dreimal so großes übertragbares Drehmoment wie die mit dem herkömmlichen Verfahren hergestellte Verbindung.

2) Da die Welle 10 die schräge Fläche 13 unter einem Winkel von 30 vom Ende des ersten zylindrischen Abschnitts 101 zum Vorsprung 11 aufweist, kann der Vorsprung 11 der Welle 10 die Seitenwandung 211 des Zahnrads 20 glatt und sehr eng kontaktieren. Aufgrund der schrägen Eintrittsfläche 13 wird die Konzentrizität zwischen Welle 10 und Zahnrad 20 so verbessert, daß eine Axialverschiebung der Welle 10 relativ zum Zahnrad 20 nicht möglich ist, wodurch die Standzeit der Verbindung erhöht wird.

3) Zu der Konzentrizität zwischen Welle 10 und Zahnrad 20 trägt ferner bei, daß der Grundkreis der Welle 10 im wesentlichen die gleiche Abmessung wie der Grundkreis des Zahnrads 20 hat, da die Konzentrizität durch die beiden Grundkreise der Welle und des Zahnrads ausreichend groß gehalten werden kann.

4·) Die Welle 10 wird durch die Druckbeanspruchung nicht stark beansprucht, da sie eine größere Härte als das Zahnrad 20 hat, Daher wird eine sehr genaue Verbindung erhalten.

5) Der Vorgang der Herstellung der Verbindung zwischen Welle 10 und Zahnrad 20 ist im wesentlichen derselbe wie beim Herstellen einer Preßpassung zwischen einer gerändelten oder gekordelten Welle und einem Zahnrad.

Um den am besten geeigneten Verbindungsaufbau bzw. das beste Verbindungsverfahren herauszufinden, wurden verschiedene Untersuchungen bezüglich der Art der zu verwendenden Metalle, der verschiedenen den Verbindungsaufbau betreffenden Abmessungen, der Anzahl Vorsprünge usw. von unterschiedlichen Gesichtspunkten aus durchgeführt, und die Ergebnisse sind wie folgt:

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Die Fig. 9 und 10 «eigen eine Welle und ein damit tu verbindendes Teil. Als Welle wird eine Welle A aus Konstruktionsstahl verwendet, und das damit zu verbindende Teil ist eine Scheibe B aus Flußstahl. Die Welle A weist η Vorsprünge P auf, die auf einem Grundkreis mit einem Durchmesser d ausgebildet und gleichbeabstandet sind* Verschiedene Abmessungen der Vorsprünge P sind wie folgt bezeichnet»

1 = Einpreßlänge des Vorsprungs,

h = Höhe des Vorsprungs,

Q = vertikaler Projektionswinkel! S = untere Länge des Vorsprungs·

Nach Flg. 9 sind der Außen- bzw» der Innendurchmesser der Scheibe B mit D_Q bzw» D^ bezeichnet. Wenn die Welle A in Preßpassung in die Bohrung der Scheibe B eingefügt wird» weitet sich die Scheibe B von einem Durchmesser D auf einen

Durchmesser D_D auf. Die Durchmesserdifferenz (D„ - Dl ist e e ο

eine Größe der Außendurchmesser-Verformung und wird mit D* bezeichnet.

Fig» 11 zeigt die Beziehung zwischen der Verformung D» dar Scheibe B und Verhältnissen des Scheiben-Außendurchmessers zum Wellen-Durchmesser D /d entsprechend der Anzahl η von Vorsprüngen P der Welle A, In diesem Fall sind die verschiedenen Dimensionen der Welle A und der Scheibe B wie folgt»

	12 mm
d =	12 mm
1 =	12 mm
h =	0,2 mm
α =	60°
S =	0.4 mm

und nur der Außendurchmesser D ändert sich»

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ORIGINAL INSPECTED

Dabei bezeichnen die Kurven X,, X- ^uno* ^3 die Beziehungen relativ zu der Anzahl von 8 bzw. 12 bzw. 16 Vorsprüngen.

Aus den in Fig. 11 angegebenen Ergebnissen geht hervor» daß die Außendurchmesser-Verformung D^ der Scheibe B mit steigender Anzahl η der VorsprUnge zunimmt»

Anschließend wird das Übertragene Drehmoment untersucht*

Zuerst wird eine Beziehung zwischen dem Übertragbaren Drehmoment T und einem Projektionswinkel 0 untersucht. Die experimentellen Ergebnisse sind aus Fig. 12 ersichtlich, wobei der Grundkreisdurchmesser der Welle A 12 mm, der Außen- und der Innendurchmesser D und D. der Scheibe B 24 mm und 12 mm, die Einpreßlänge 1 eines Vorsprungs 12 mm, die Anzahl η VorsprUnge 12, die Vorsprungshöhe h 0,2 mm und die untere Länge S des Vorsprungs der Welle A 0,4 mm betragen. In Fig. 12 bezeichnet die Kurve X^ eine Beziehung zwischen dem Projektionswinkel 0 und dem Übertragbaren Drehmoment T, während die Kurve X₅ eine Beziehung zwischen dem Projektionswinkel 0 und der Einpreßkraft P bezeichnet. Aus den» experimentellen Ergebnis ist ersichtlich, daß ein Projektionswinkel 0 von ca. 40-70^a insofern vorzuziehen ist, als mit einer relativ geringen Einpreßkraft ein beträchtliches übertragbares Drehmoment erzielt wird.

In Fig. 13 werden weitere Beziehungen zwischen der Anzahl η der VorsprUnge und dem übertragbaren Drehmoment T und der Außendurchmesser-Verformung D- bei der Welle A und der Scheibe B untersucht. Die Kurven X> und X₇ bezeichnen das übertragbare Drehmoment T bzw. die Außendurchmesser-Verformung D^, Die verschiedenen Dimensionen von Welle A und Scheibe B sind wie folgt> d = 12 mm, D = 18 matt D. = 12 mm, 1 = 12 mm, h = 0,2 mm» 0 = 60° und S = 0,4 mm.

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ORIGINAL INSPECTED

Dabei wird das übertragbare Drehmoment T konstant, denn wenn die Anzahl η der Vorsprünge mehr als 16 beträgt, erfolgt infolge des Drehmoments ein Brechen oder eine Verformung der Welle A. Daher sind mehr als 16 Vorsprünge der Welle nicht erforderlich, und bei dieser Anzahl nimmt die Verformung D- zu, und negative Einflüsse treten auf. Es ist zu beachten, daß vom Gesichtspunkt der Höhe des übertragbaren Drehmoments T und der zulässigen Außendurchmesser-Verformung D„ eine Anzahl η von 8-16 Vorsprüngen bevorzugt wird. In diesem Fall wird die Anzahl Vorsprünge η = 8-16 zu 2/3 d bis 1 1/3 d, was das Verhältnis zwischen der Anzahl η von Vorsprüngen zum Grundkreis-Durchmesser d (in mm) der Welle A bezeichnet.

Bezüglich der Höhe h der Vorsprünge der Welle A wurden Untersuchungen in bezug auf Drehmoment und Verformung der Scheibe B durchgeführt. Die experimentellen Ergebnisse sind in Fig. 14 wiedergegeben, wobei die Kurve X„ eine Beziehung zwischen der Vorsprüngshöhe h und dem übertragbaren Drehmoment T und die Kurve X_g die Beziehung zwischen der Vorsprungshöhe h und der Außendurchmesser-Verformung der Scheibe B bezeichnet. Die Dimensionen der hier verwendeten Welle A und Scheibe B sind wie folgt:

Grundkreisdurchmesser d der Welle A = 12 mm, Vorsprungs-Anzahl η = 8,
Einpreßlänge 1 eines Vorsprungs = 12 mm, Projektionswinkel 0 = 60°,
Vorsprungs-Grundlänge S = 1,5 h, Außendurchmesser D der Scheibe B = Zk mm, Innendurchmesser D. der Scheibe B = 12 mm.

Die Ergebnisse der Untersuchungen zeigen, daß bei einer Vorsprungshöhe h von mehr als 0,55 mm ein Bruch oder eine Verformung der Welle A auftritt, so daß diese nicht verwendbar ist. Ferner wird die Verformung D_f der Scheibe B bei einer mehr als 0,55 mm betragenden Vorsprungshöhe groß. Daher wird eine

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Vorsprungshöhe von weniger als 0,55 mm bevorzugt. Andererseits ist es im Hinblick auf das übertragbare Drehmoment erforderlich, daß die Vorsprungshöhe h mehr als 0,15 mm beträgt. Infolgedessen liegt h bevorzugt im Bereich von 0,15-0,55 mm.

Aus Fig. 14- geht hervor, daß das übertragbare Drehmoment T durch die Vorsprungshöhe h stark beeinflußbar ist. Daher kann die Vorsprungshöhe h entsprechend einem erwünschten übertragbaren Drehmoment T gewählt werden. Wenn z. B, ein relativ niedriges übertragbares Drehmoment T erforderlich ist, wird als Vorsprungshöhe h eine Höhe zwischen 0,15 und 0,30 mm gewählt, während eine Höhe zwischen 0,30 und 0,55 mm gewählt werden kann, wenn ein relativ hohes übertragbares Drehmoment T gewünscht wird.

Wenn die Welle A mit den eine Höhe von 0,55 mm aufweisenden Vorsprüngen durch Pressen in die Scheibe B eingefügt wird, beträgt der zwischen der Welle A und der Scheibe B gebildete Spalt £ 0,04 mm.

Die Vorsprungs-Grundlänge S liegt bevorzugt im Bereich von 1,3-3 h, wobei h die Vorsprungshöhe ist.

Die Fig. 15 und 16 zeigen eine andere Ausführungsform der Verbindung.

Nach Fig. 15 hat eine Welle 10a mehrere Vorsprünge 11a und entspricht im wesentlichen der bereits erläuterten Welle Nach Fig. 16 sind die Vorsprünge 11a Jeweils durch eine Eingriffsfläche lila, die von einer in der Welle 10a ausgebildeten Vertiefung 113a ausgeht, und eine gering gewölbte Fläche 112a gebildet. Die Eingriffsfläche lila ist unter einem Winkel 0, zu einer Radiallinie geneigt, und die gewölbte Fläehe 112a ist unter einem Winkel 0„ zu der Radiallinie geneigt.

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Nach Fig. 15 ist jeweils einer der Vorsprünge 11a mit einem weiteren Vorsprung 11a zu einem Vorsprungspaar zusammengefaßt, und die beiden Vorsprünge 11a sind in bezug auf eine Radiallinie lld symmetrisch. Eine Mehrzahl der Vorsprungspaare ist von jeweils benachbarten Vorsprungspaaren gleichbeabstandet. Zwischen den Vorsprüngen sind gewölbte Wandungen oder Flächen 101a und 102a ausgebildet.

Die Vorsprünge 11a werden durch Werkzeughälften 4-1, 42, z. B. an einer Presse angeordnete Werkzeughälften, gebildet. Jede Werkzeughälfte 41, 4-2 weist einen durch eine Seitenfläche A-Il gebildeten Rand und eine Eingriffs- oder Arbeitsfläche 4-12 auf. Ein Werkzeugwinkel zwischen der Seitenfläche A-Il und der Eingriffsfläche 4-12 beträgt 90° + OC . Die obere und die untere Werkzeughälfte ή-1, 42 sind so eingestellt, daß die Kanten der Werkzeughälften 41, 42 mit der Oberfläche der Welle 10a unter einem Winkel 0 . zu der Radialllinie lld in Kontakt treten, wenn die Presse betätigt wird. Vier Vorsprünge 11a werden von der Presse mit den Werkzeughälften 41, 42 gleichzeitig geformt, so daß sie um ca. 0,2-0,25 mm vom Grundkreis vorspringen. Nach Bildung der vier Vorsprünge wird die Welle um 90° gedreht, und die vier weiteren Vorsprünge 11a werden von den Werkzeughälften 41, 42 geformt. Damit sind βμΐ der Oberfläche der Welle 10a die vier Vorsprungspaare in regelmäßigen Abständen ausgebildet.

Die Welle 10a wird in eine Bohrung 21 eines Zahnrads 20 entsprechend Fig. 5 in der angegebenen Weise eingepreßt.

Der Zustand der Verbindung zwischen der Welle 10a und dem Zahnrad 20 ist in Fig. 17 gezeigt, die eine 50fach vergrößerte Fotografie ist. Daraus ist ersichtlich, daß die Eingriffsfläche lila und die gewölbte Fläche 112a des Vorsprungs 11a und ein Teil der zylindrischen Fläche 101a unmittelbar angrenzend an die gewölbte Fläche 112a mit der Innenfläche der Bohrung 21 in engem Kontakt stehen und daß die anderen Teile

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der Welle 10a von der Innenfläche der Bohrung 21 getrennt sind und einen sehr kleinen Spalt bilden.

Die Festigkeit dieser Verbindung wird als übertragbares Drehmoment angegeben. Nach Fig. 16 kann die gewölbte Fläche 112a relativ leicht auf der Innenfläche der Bohrung 21 des Zahnrads 20 gleiten, wenn die Welle 10a mit einem Drehmoment im Uhrzeigersinn beaufschlagt wird, und die Eingriffsfläche lila kann eine diesem Drehmoment entsprechende Kraft sehr wohl aushalten, da die gewölbte Fläche 112a einen großen Winkel 9_f zu einer Radiallinie bildet und der Winkel 0 der Eingriffsfläche lila klein ist. Der Winkel 0_f beträgt ca. 60°, und für den Winkel 0 wird ein Wert zwischen 25 und 35 bevorzugt. Ferner dienen die gewölbten Flächen 101a, 102a zwischen den Vorsprüngen 11a dazu, die Querkraft der Verbindung auf der Zahnradseite zu erhöhen, da der Scherbereich des Zahnrads 20 durch den gewölbten Teil des Zahnrads 20 größer gemacht wird, als dies bei einer Verbindung mit einer gerändelten oder gekordelten Welle der Fall ist.

Das übertragbare Drehmoment der Verbindung wird stark durch den Winkel 0, beeinflußt, unter dem die Werkzeughälften 41, 4-2 mit der Oberfläche der Welle 10a zu Beginn in Kontakt treten. Fig. 18 zeigt die Beziehung zwischen dem übertragbaren Drehmoment und dem Winkel 0., wobei Wellen mit einem Durchmesser von 20 mm aus Konstruktionsstahl und Scheiben aus einem weicheren oder nachgiebigeren Stahl als die Wellen verwendet wurden. Unter einem Winkel Q. von weniger als 10° können die Vorsprünge nicht geformt werden. Für eine Welle mit einem Durchmesser von 20 mm muß das übertragbare Drehmoment oberhalb 30 kg»m liegen, wobei verschiedene Fertigungstoleranzen berücksichtigt sind. Daher sollte der Winkel 0 . bevorzugt zwischen 12 und 25 liegen.

Die Biegung der Welle 10a muß innerhalb einer Grnze von z. B. 10 um liegen. Die in der Welle 10a beim Formen der Vorsprünge auftretende Biegung ist entsprechend dem Winkel 0, änderbar.

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Fig. 19 zeigt die Beziehung zwischen der Wellen-Biegung und dem Winkel 0.. Es ist ersichtlich, daß bei einem Winkel 0. zwischen 10 und 25° die Biegung der Welle 10a einen kleineren Absolutwert und eine geringere Änderung bezüglich des Winkels 0. hat, als wenn der Winkel 0. größer als 25 ist. Daher ist vom Gesichtspunkt der Wellen-Biegung ein Winkel 0 . von weniger als 25° vorzuziehen. Die Wellen-Biegung nach dem Verbinden der Welle 10a mit dem Zahnrad 20 ist in Fig. verdeutlicht. Es ist ersichtlich, daß die Biegung X. der Welle 10a zwischen 0,01 mm und 0,002 mm liegt, wogegen die Biegung X einer gleiche Abmessungen aufweisenden gerändelten oder gekordelten Welle im Bereich zwischen ca. 0,025 mm und 0,06 mm liegt.

Die Standzeit der Werkzeughälften 41, 42 ist von besonderer Bedeutung. Entsprechend den experimentellen Ergebnissen nach Fig. 21 wird die Standzeit stark durch den Werkzeugwinkel OC beeinflußt. Es ist ersichtlich, daß der Winkel 0ζ am besten zwischen 10 und 20 liegt, und ein Werkzeugwinkel OC von 10-25° wird bevorzugt. Die Werkzeughälften 41, 42, die aus SKD 11-Werkstoff bestehen, können während ihrer Standzeit mehr als 30 000 Wellen 10a herstellen.

Bei diesem Verfahren des Formens der Vorsprünge 11a ist die Reduktion der Welle 10a beim Formen relativ gering, so daß die Vorsprünge 11a nach dem Härten geformt werden können, ohne daß die Welle 10a stark gebogen wird.

Unter Bezugnahme auf Fig. 22 wird eine weitere Ausführungsform der Verbindung erläutert.

Fig. 22 zeigt eine Verbindung zwischen einem Blechpaket 52 und einer Welle 51. Das Blechpaket 52 weist eine mittige Öffnung auf, und die Welle 51 hat mehrere Vorsprünge entsprechend den bereits erläuterten Vorsprüngen. Das Blechpaket

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52 besteht aus einem Metall, das nachgiebiger oder stärker reduzierbar als das Metall der Welle 51 ist, und die Welle 51 wird in die Bohrung des Blechpakets 52 durch Fließen von Metall eingepaßt. Das Fließen des Metalls erfolgt an Stellen des Blechpakets entsprechend den Vorsprüngen der Welle und unmittelbar angrenzend an Abschnitte der Welle 51. Wenn die Welle 51 mit einem Drehmoment beaufschlagt wird, treten in der Welle Querkräfte und Druckbeanspruchungen auf, so daß das Drehmoment auf das Blechpaket 52 übertragbar ist. Die unter Kompressions- oder Druckbeanspruchung auftretende Querkraft ist sehr hoch im Vergleich zu der Querkraft, die auftritt, wenn keine Druckbeanspruchung erfolgt.

Nach dem Verbinden bildet das Blechpaket 52 eine ebene Zylinderfläche, da die Welle 51 mit sehr hoher Konzentrizität in das Blechpaket eingepreßt ist.

Bevorzugt liegt eine Durchmesserdifferenz zwischen den Wellen 10, 10a, 51 und dem Zahnrad 20, 20a bzw. der Scheibe zwischen 0 und 0,1 mm.

Vorsprünge entsprechend den hier erläuterten Vorsprüngen können auch an einer Innenfläche einer in einer Scheibe ausgebildeten Bohrung vorgesehen sein, und es kann in die Scheibe eine Welle aus einem weicheren Werkstoff als die Scheibe eingefügt werden, so daß ein Fließen von Metall der Welle stattfindet und die Vorsprünge in die Welle einschneiden.

Wenn die Welle 10, 10a aus Konstruktionsstahl besteht, eignet sich als Metall für die Scheibe oder das Zahnrad 20 z. B. Aluminium, Messing, Kupfer, Flußstahl usw.

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Leerseite

Claims

Ansprüche

.j Verbindung zwischen Metallteilen, gekennzeichnet durch

ein erstes Metallteil (10; 10a; 51) mit durch einen Grundkreis gebildeten Bogenwandungen und mit einer Mehrzahl Vorsprünge (11; lla), deren jeder vom Grundkreis vorspringt und längs der Grundkreisachse verläuft, wobei die Vorsprünge (115 lla) auf dem Umfang des ersten Metallteils (10; 10a; 51) in Abständen so angeordnet sind, daß eine (104) der Bogenwandungen vollständig zwischen ihnen liegt; und

ein zweites Metallteil (20; 20a; 52) aus einem stärker als das erste Metallteil (10; 10a; 51) reduzierbaren Metall, das mit dem ersten Metallteil (10; 10a; 51) zusammengefügt ist und Abschnitte (171) sehr engen Kontakts aufweist, deren jeder durch Fließen von Metall des zweiten Metallteils (20; 20a; 52), das eine zylindrische Wandung mit im wesentlichen dem gleichen Durchmesser wie der Grundkreis des ersten Metallteils (10; lüa; 51) aufweist, infolge des Ineinanderpassens der beiden Metallteile derart, daß die Wandung mit einem der Vorsprünge (11; lla) des ersten Metallteils (10; 10a; 51) und mit der Bogenwandung (104) desselben unmittelbar angrenzend an den Vorsprung (11; lla) auf wenigstens einer Seite des kontaktierten Vorsprungs (11; lla) in Kontakt steht, gebildet ist.

y ü 9 8 8 B / 0 6 4 8

2. Verbindung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,

daß das erste Metallteil eine Welle (10; 10a; 51) ist, die auf ihrem Umfang mit der Mehrzahl Vorsprünge (11; lla) ausgebildet ist.

3. Verbindung nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,

daß jeder Vorsprung (11; lla) wenigstens eine längs der Wellenachse verlaufende schräge Fläche (14- bzw. 15) aufweist, die in bezug auf eine Radialrichtung unter einem Neigungswinkel von höchstens 35° verläuft.

4·. Verbindung nach Anspruch 3,

dadurch gekennzeichnet,

daß wenigstens acht Vorsprünge (11; lla) vorgesehen sind, und daß die schräge Fläche (14- bzw. 15) jedes Vorsprungs (11; lla) mit wenigstens einer weiteren schrägen Fläche (15 bzw. IA-) in bezug auf die Radialrichtung symmetrisch ist.

5. Verbindung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,

daß jeder Vorsprung (11; lla) des ersten Metallteils (10; 10a; 51) im wesentlichen symmetrische schrage Flächen Ii^, 15) aufweist, die längs einer Achse des ersten Metallteils verlaufen, und daß die Vorsprünge (11; lla) so dimensioniert sind, daß ihre Anzahl (n) gleich einer ganzen Zahl zwischen 2Ii D und 1 1/3 D ist, wobei D = Durchmesser des Grundkreises des ersten Metallteils (10; 10a; 51), daß der durch die schrägen Seitenflächen (14, 15) jedes Vorsprungs (11; lld) gebildete F^Jrojektionswinke 1 θ im Bereich von 4-0-70 liegt, dal» die Höhe h der Vorsprünge (11; lla) im Dereich von 0,15-0,55 mm liegt, und daß die untere Ldruje S zwischen de-η schragen Flächen (14-, 15) jedes Vorsprung- (11; lla) I, J -3 h beträgt.

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6. Verbindung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Vorsprung (lla) eine erste Fläche (112a), die von einer Stelle auf dem Grundkreis unter einem Winkel (Θ.) zu einer Radiallinie (lld) senkrecht verläuft, und eine zweite Fläche (lila), die vom Endpunkt der ersten Fläche (112a) nach außen unter einem Winkel (OC) zu der Radiallinie (lld) verläuft, aufweist (Fig. 15, 16).

7. Verbindung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,

daß der Winkel 0_d im Bereich von 12-25° liegt.

8. Verbindung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet,

daß der Winkel OC im Bereich von 10-25° liegt.

9. Verbindung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Mehrzahl Vorsprünge (Ha) eine Mehrzahl Paare von Vorsprüngen umfassen, die im wesentlichen gleiche Winkelabstände voneinander haben und zueinander symmetrisch sind.

10. Verfahren zum Verbinden von Metallteilen durch Preßpassung ,

gekennzeichnet durch

Vorbereiten eines ersten Metallteils;

Ausbilden eines zylindrischen Abschnitts am ersten Metallteil;

Reduzieren des zylindrischen Abschnitts des ersten Metallteils zur Bildung einer Mehrzahl Vorsprünge, deren jeder von einem Grundkreis vorspringt und längs der Grundkreisachse verläuft, wobei die Vorsprünge voneinander so beabstandet sind, daß eine der durch den Grundkreis gebildeten Bogenflächen vollständig zwischen den Vorsprüngen liegt;

909885/0648 ORIGINAL. INSPECTED

Vorbereiten eines zweiten Metallteils, das stärker als das erste Metallteil reduzierbar ist;

Ausbilden einer zylindrischen Fläche in dem zweiten Metail-

teil, die durch einen Grundkreis mit im wesentlichen dem

gleichen Durchmesser wie der Grundkreis des ersten Metallteile gebildet ist; und

Preßfügen der beiden Metallteile derart, daß im zweiten Metallteil ein Fließen von Metall erfolgt zur Bildung von engem Kontakt des zweiten Metallteils mit jedem Vorsprung und mit jeder der Bogenflachen des ersten Metallteils unmittelbar angrenzend an die Vorsprünge auf wenigstens einer Seite jedes Vorsprungs,

11. Verfahren nach Anspruch 10,
dadurch gekennzeichnet,

daß das erste Metallteil eine Welle ist und das Reduzieren durch Strangpressen der Welle durchgeführt wird.

12. Verfahren nach Anspruch 11,
dadurch gekennzeichnet;,

daß beim Reduzieren jeder Vorsprung der Welle so ausgebildet wird, daß er im wesentlichen symmetrische geneigte Flächen aufweist, die längs einer Achse des ersten Metallteils verlaufen, und daß die Vorsprünge solche Abmessungen haben, dafi die Anzahl (n) der Vorsprünge gleich einer ganzen Zahl zwischen 2/3 D bis 1 1/3 D ist, wobei D = Durchmesser des Grundkreises der Welle, daß der durch die schrägen Flächen jedes Vorsprungs gebildete Projektionswinkel (Q) 40-70° beträgt, daß die Höhe (h) der Vorsprünge 0,15-0,55 mm beträgt, und daß die Grundlänge zwischen den schrägen Fialen jedes Vorsprungs 1,3-3 h ist.

J 3, Verfahren nach Anspruch 10, wobei d:;' · ^:- ''..i.ilJu-i ei Iie Vn-J h- i st.

ti a d is r c- h · [ e k < - π η 7 e i H · ι ti ,

daß beim Reduzieren die Vorspränge gebildet werden, indem die Welle von einem Werkzeug mit Druck beaufschlagt wird, das eine durch zwei Werkzeug flächen_s die sich unter einem Winkel von (^O +IX)⁰ schneiden, gebildete Kante aufweist, so daß die eine Werkzeugfläche mit dem Umfang der Welle unter einem Winkel 9. zu einer Radiallinie in Kontakt tritt

IA. Verfahren nach Anspruch 13,

dadurch gekennzeichnet,

daß der- Winkel 9, ins Bereich von 12-25° gewählt wird.

15« Verfahren nach Anspruch 13₉

dadurch gekennzeichnet,

daß der Winkel H zwischen 10 und 25 gewählt wird»

Iö. Verfahren nach Anspruch 13₅

dadurch gekennzeichnet,

daß beiis Reduziere.ι wenigstens vier der Mehrzahl Voi'sprünge gleichzeitig geformt werden, und daß zwei der vier Vorsprünge in bezug auf die Radiallinie symmetrisch zueinander sind.,

17., Verfahren nach Anspruch 11 oder 13, dadurch gekenazeichnet,

ds ;i dia Welle aus Stahl und das zweite Metallteil aus einem stärker als Stahl reduzierbaren Metall "wio Aluminium_f Kupfer, Flußstahls Messing etc» hergestellt wird*

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