DE10028011A1

DE10028011A1 - Welle-Nabe-Verbindung

Info

Publication number: DE10028011A1
Application number: DE2000128011
Authority: DE
Inventors: Willi Klumpp; Uwe Pfister
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2000-06-06
Filing date: 2000-06-06
Publication date: 2001-08-30

Abstract

Die Erfindung betrifft eine lösbare Welle-Nabe-Verbindung, eine sogenannte Kreiskeilverbindung, bei welcher die Umfangsfläche der Welle und die Innenfläche der Nabe mit einer Mehrzahl flacher keilförmiger Erhebungen bzw. Ausnehmungen versehen ist. Bei hohen Axial- und/oder Schrägbelastungen einer solchen Verbindung kann ein unerwünschter Schlupf der Nabe gegenüber der Welle in Axialrichtung auftreten. Um ein unbeabsichtigtes axiales Wandern der Nabe gegenüber der Welle, insbesondere während des Betriebs, zu unterbinden, wird derjenige Verbindungspartner (Welle oder Nabe), der die höhere Oberflächenhärte aufweist, mit einer in Radialrichtung abkragenden Erhebung versehen. Werden Welle und Nabe miteinander verbunden, so gräbt sich diese Erhebung in die ihr gegenüberliegende Keilfläche des Verbindungspartners ein und verhindert somit den axialen Schlupf der Nabe gegenüber der Welle.

Description

Die Erfindung geht aus von einer Welle-Nabe-Verbindung nach dem Oberbegriff von Anspruch 1, wie sie beispielsweise aus der DE 42 09 153 C2 als bekannt hervorgeht.

Die DE 42 09 153 C2 beschreibt eine lösbare Welle-Nabe- Verbindung, eine sogenannte Kreiskeilverbindung, bei welcher die Umfangsfläche der. Welle und die Innenfläche der Nabe mit einer Mehrzahl keilförmiger Erhebungen bzw. Ausnehmungen verse hen ist, wobei die Steigung der Keilflächen im wesentlichen dem Verlauf einer flachen logarithmischen Spirale folgt. Die auf diese Weise zwischen Welle und Nabe gebildete Verbindung ist in radialer Beanspruchungsrichtung kraftformschlüssig, während sie in axialer Beanspruchungsrichtung kraftschlüssig ist. Eine sol che Kreiskeilverbindung ist beliebig oft montierbar und demon tierbar, ermöglicht eine beliebige axiale Positionierung der Nabe auf der Welle und gestattet die Übertragung von statischen und dynamischen Momenten in Montage- und Demontagerichtung.

Allerdings kann bei einer Axial- und/oder Schrägbelastung der Verbindung, insbesondere bei dynamischen Belastungen, ein uner wünschter Schlupf der Nabe in axialer Richtung auf der Welle auftreten. So kann z. B. eine hohe Momentenbelastung auf ein schrägverzahntes Zahnrad, welches mit einer Keilwellenverbin dung an einer Getriebewelle befestigt ist, aufgrund der im Be reich der Verbindung wirkenden Biegemomente zu einem axialen Wandern des Zahnrads auf der Getriebewelle führen. Mit diesem axialen Wandern geht die - im Regelfall hochgenaue - Positio nierung der Nabe (bzw. des Zahnrads) auf der Welle verloren, was - je nach Einsatzfall - eine stark eingeschränkte Funktio nalität oder einen vollständigen Ausfall des Bauteils zur Folge haben kann.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Kreiskeil verbindung zwischen einer Welle und einer Nabe so weiterzubil den, daß ein unbeabsichtigtes axiales Wandern der Nabe gegen über der Welle, insbesondere während des Betriebs, unterbunden wird.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des An spruchs 1 gelöst.

Danach weist die Kreiskeilverbindung ein zusätzliches Verbin dungselement auf, durch das auch in Axialrichtung eine kraft formschlüssige Verbindung gegeben ist: Auf dem Kreiskeilprofil des einen Verbindungspartners ist eine in Richtung des anderen Verbindungspartners abkragende Erhebung vorgesehen. Die maxima le Höhe dieser Erhebung ist hierbei so gering, so daß die Nabe zum Fügen der beiden Verbindungspartner ungehindert über die Welle gestreift werden kann. Wird zum Aufbau der kraftform schlüssigen Verbindung in radialer Beanspruchungsrichtung die Nabe anschließend gegenüber der Welle verdreht, so gräbt sich die auf der Kontaktfläche des einen Verbindungspartners vorge sehene Erhebung in die ihr gegenüberliegende Kontaktfläche des anderen Verbindungspartners ein. Dadurch wird in auch in axia ler Richtung ein Kraftformschluß der beiden Verbindungspartner erreicht, durch den ein axiales Wandern der Nabe gegenüber der Welle bei dynamischer Axialbelastung, bei Torsionsbeanspruchun gen etc. vermieden wird.

Um sicherzustellen, daß sich die Erhebung während des Fügens der Verbindungspartner in die gegenüberliegende Fläche ein gräbt, muß die lokale Oberflächenhärte des mit der Erhebung versehenen Verbindungspartners größer sein als die lokale Ober flächenhärte des Fügepartners. Um eine kraftformschlüssige Ver bindung der beiden Partner zu gewährleisten, muß weiterhin das durch die Erhebung gebildete zusätzliche Volumen so gering sein, daß die während des Fügens durch die Erhebung verdrängte Werkstoffmenge auf dem gegenüberliegenden Verbindungspartner vernachlässigbar klein ist, so daß durch Verdrehen der Nabe ge genüber der Welle nach wie vor im gesamten Fügebereich eine flächenhafte Verbindung der beiden Verbindungspartner gebildet werden kann.

Überschreitet das durch die Erhebung gebildete zusätzliche Volu men auf dem härteren Verbindungspartner einen bestimmten Wert, so ist es vorteilhaft, in unmittelbarer Nachbarschaft zur Erhe bung eine Vertiefung vorzusehen, die den Werkstoff, der beim Fügen der beiden Verbindungspartner auf dem weicheren Verbin dungspartner aufgrund der in ihn eindringenden Erhebung ver drängt wird, aufnehmen kann (siehe Anspruch 4). Befindet sich die Vertiefung in Axialrichtung direkt neben der Erhebung, so bildet der in diese Vertiefung hineingedrängte Werkstoff einen Wulst, der Axialverschiebungen von Nabe und Welle einen zusätz lichen Widerstand entgegenstellt.

Zweckmäßigerweise wird die radial abkragende Erhebung durch ein umlaufendes Ringprofil gebildet, welches über den gesamten Um fang des härteren Verbindungspartners eine näherungsweise kon stante Höhe hat (siehe Anspruch 2). Die Höhe des Ringprofils muß dabei geringer sein als das Fügespiel der Verbindungspart ner, damit die Nabe zu Beginn des Fügeprozesses widerstandsfrei über die Welle gestreift werden kann. Bei vorgegebener Höhe des Ringprofiles wird ein besonders geringes Volumen des Ringpro fils (und somit eine besonders geringe zu verdrängende Werk stoffmenge beim Fügen mit dem weicheren Verbindungspartner) dann erreicht, wenn das Ringprofil einen näherungsweise drei ecksförmigen Querschnitt aufweist (siehe Anspruch 3). Ist die zu verdrängende Werkstoffmenge zu groß, um ein kraftschlüssiges der Verbindungsflächen von Welle, und Nabe zu erreichen, so emp fiehlt es sich, direkt neben dem Ringprofil eine Ringnut vorzu sehen, die den beim Fügen verdrängten Werkstoff des weicheren Verbindungspartners aufnimmt (siehe Anspruch 5).

Besonders einfach läßt sich die erfindungsgemäße Erhebung in Form eines Ringprofils auf einer Welle realisieren (siehe An spruch 6): Da die Welle mit Hilfe einer Schleifscheibe feinbe arbeitet wird, kann das Kreiskeilprofil der Welle nämlich mit einer umlaufenden Erhebung versehen werden, indem die zugehöri ge Schleifscheibe mit einer umlaufenden Nut der entsprechenden Querschnittsform versehen wird. Somit ist es aus fertigungs technischen Gründen vorteilhaft, auf der Welle eine höhere Oberflächenhärte vorzusehen als auf der Nabe, und in die Welle im Zuge der Feinbearbeitung das Ringprofil einzuschleifen.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert; dabei zei gen:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer Keilwellen verbindung zwischen einer Welle und einer Nabe;

Fig. 2 die Einzelschritte beim Verbinden der Welle mit der Nabe in einer radialen Schnittdarstellung:

Fig. 2a Nabe wird über die Welle gestreift;

Fig. 2b Flächenhafte Berührung der Keilflächen;

Fig. 2c Endlage beim Verdrehen von Welle und Nabe (gewünschte Flächenpressung);

Fig. 3a eine axiale Schnittansicht einer Welle mit Ringprofil;

Fig. 3b eine Detaildarstellung des Ringprofils;

Fig. 3c eine Detaildarstellung eines alternativen Ringprofils.

Fig. 1 zeigt in perspektivischer Ansicht Ausschnitte zweier Verbindungspartner 1, 1', nämlich einer Welle 2 und einer Nabe 3, welche mit einer Kreiskeilverbindung verbunden werden. Hier zu ist die Innenfläche 4 der Nabe 3 und die Außenfläche 5 der Welle 2 im Verbindungsbereich mit je drei gleichen, vorsprin genden Keilen 6, 7 versehen, die mit flacher Steigung ansteigen und von ihrem höchsten Punkt steil zum tiefsten Punkt abfallen. Die ansteigenden Keilflächen 8, 9 folgen im Idealfall dem Ver lauf einer logarithmischen Kurve, d. h. ihre Steigung ist in al len Punkten entlang ihres Verlaufs gleich. Die Außenfläche 5 der Welle 2 hat - wie aus der Schnittansicht der Fig. 2a er sichtlich - ein radiales Fügespiel 10 gegenüber der Innenfläche 4 der Nabe 3, so daß die Nabe 3 reibungsfrei über die Welle 2 gestreift werden kann.

Im Verbindungsbereich weist einer der Verbindungspartner 1 eine höhere Oberflächenhärte auf als der andere Verbindungspartner 1'; der Verbindungspartner 1 mit der höheren Oberflächenhärte ist dabei entweder aus einem inhärent härteren Werkstoff gefer tigt als der andere Verbindungspartner 1', oder der härtere Verbindungspartner 1 ist im Verbindungsbereich - z. B. mittels Oberflächenhärtung - lokal gehärtet, um in diesem Bereich eine höhere Härte zu erreichen als die Kontaktfläche auf dem anderen Verbindungspartner 1'. Im vorliegenden Beispiel ist die Außen fläche 5 der Welle 2 härter als die Innenfläche 4 der Nabe 3. Weiterhin ist auf der Außenfläche 5 der Welle 2 eine radial ab ragende lokale Erhebung 11 angeordnet, welche im vorliegenden Ausführungsbeispiel als umlaufendes Ringprofil 12 mit nähe rungsweise konstanter Höhe 13 ausgestaltet ist. Die Höhe 13 des Ringprofils 12 ist - wie in Fig. 2a dargestellt, geringer als das radiale Fügespiel 10, so daß die Nabe 3 reibungsfrei über die Erhebung 11 der Welle 2 gestreift werden kann.

Zur Montage der Kreiskeilverbindung werden die beiden Verbin dungspartner 1, 1' unter Ausnutzung des konstruktiv vorgehalte nen radialen Fügespiels 10 ineinandergeschoben. Dann wird die Welle 2, wie in Fig. 2b durch einen Pfeil angedeutet, im Uhr zeigersinn gegenüber der Nabe 3 gedreht. Dabei vermindert sich der Abstand zwischen der Keilfläche 9 der Welle 2 und der Keilfläche 8 der Nabe 3; gleichzeitig gräbt sich, wie in Fig. 2b gestrichelt dargestellt, das Ringprofil 12 der (härteren) Welle 2 in die (weichere) Innenfläche 4 der Nabe 3 ein. Die Welle 2 wird so weit gegenüber der Nabe 3 gedreht, bis alle Keilflächen 8, 9 jeweils paarweise aneinanderliegen. Der Winkel α₁, über den diese Drehung erfolgt, hängt vom Fügespiel 10 zwi schen den beiden Verbindungspartnern 1, 1' ab. Da die Keilflä chen 8, 9 die Form logarithmischer Spiralen haben, führt diese Drehung der Welle 2 gegenüber der Nabe 3 zu einer flächenhaften Berührung der Keilflächen 8, 9; bei weiterer Drehung tritt Reib schluß und eine rasch zunehmende, überall gleich hohe Flächen pressung zwischen den Keilflächen 8, 9 ein. Die Drehbewegung wird fortgesetzt, bis entweder das vorgesehene zu übertragende Moment oder die vorgesehene Winkelstellung (Winkel α₂) zwischen Welle 2 und Nabe 3 erreicht ist. Diese Endstellung ist in Fig. 2c dargestellt. Außer im Bereich der Hohlräume 14 ist das Ring profil 12 in dieser Winkelstellung vollkommen in die Innenwand 4 der Nabe 3 eingedrungen.

Sowohl das radiale Fügespiel 10 zwischen Welle 2 und Nabe 3 als auch die Höhe 13 des Ringprofils 12 sind in Fig. 1 und 2a bis 2c stark überhöht dargestellt. In der Praxis hat sich für Welle-Nabe-Verbindungen, deren Verbindungsbereich einen Durch messer 15 von etwa 40-50 mm hat, ein radiales Fügespiel 10 von etwa 0.03 mm als vorteilhaft herausgestellt; mit einem sol chen Fügespiel 10 läßt sich durch Verdrehung der Welle 2 gegen über der Nabe 3 um einen Drehwinkel von etwa 3° eine kraftform schlüssige Verbindung der beiden Verbindungspartner 1, 1' errei chen. Das Ringprofil 12 hat eine Höhe 13 von etwa 0.02 mm und eine Querschnittsform, die näherungsweise einem gleichseitigen Dreieck entspricht (siehe Fig. 3b). Wird eine mit einem sol chen Ringprofil 12 versehene Welle 2 um einen Drehwinkel α₂ ge genüber der Nabe 3 verdreht (wobei dieser Drehwinkel α₂ der kraftformschlüssigen Fixierung einer Welle-Nabe-Kreiskeil verbindung ohne Ringprofil 12 entspricht), so ist die mit Hilfe dieser Verbindung übertragbare axiale Kraft um 50% bis 100% hö her als bei Verbindungen ohne Ringprofil 12. Das Ringprofil 12 führt somit - trotz seiner geringen Höhe - zu einer erheblichen Verbesserung der axialen Fixierung der Nabe 3 auf der Welle 2. Auch bei hohen Axial- bzw. Schrägbelastungen der Verbindung, insbesondere bei dynamischen Belastungen, wird somit ein uner wünschter Schlupf der Nabe 3 in Axialrichtung gegenüber der Welle 2 wirkungsvoll unterbunden.

Um eine homogene Flächenpressung der Keilflächen 8, 9 zu errei chen, muß das im Ringprofil 12 enthaltene Zusatzvolumen ver schwindend gering sein, da ansonsten der Werkstoff, der auf grund des Eindringens des Ringprofils 12 auf der Innenfläche 4 der Nabe 3 verdrängt wird, einen Wulst um das Ringprofil 12 bildet, und ein flächenhafter Kontakt der Keilflächen 8, 9 im gesamten Verbindungsbereich - wenn er überhaupt hergestellt werden kann - nur mit außerordentlich hohem Kraftaufwand er reichbar ist. Ein besonders kleines Volumen des Ringprofils 12 läßt sich - bei vorgegebener Höhe 13 und guter mechanischer Stabilität - erreichen, wenn das Ringprofil 12 einen näherungs weise dreiecksförmigen Querschnitt hat (siehe Fig. 3b, welche einen stark vergrößerten Ausschnitt der Welle 2 der Fig. 3a darstellt). Bei anderen Formen der axial abragenden Erhebung 11 kann es notwendig sein, in der Nachbarschaft der Erhebung 11 auf der Welle 2 eine (oder mehrere) Vertiefung 16 vorzusehen, die in Zusammenbaulage von Welle 2 und Nabe 3 den von der In nenfläche 4 der Nabe 3 verdrängten Werkstoff aufnimmt. Weist das Ringprofil 12' z. B. eine solche Querschnittsform oder eine so große Höhe 13' auf, daß der verdrängte Werkstoff die Ausbil dung eines flächenhaften Kontakts zwischen den Keilflächen 8, 9 im sonstigen Verbindungsbereich stört, so wird das Ringprofil 12' zweckmäßigerweise einseitig oder beidseitig mit einer be nachbarten Ringnut 17, 17' versehen, in die der verdrängte Werk stoff der Innenfläche 4 der Nabe 3 hineinfließen kann (siehe Fig. 3c). Grundsätzlich kann das Ringprofil neben der Drei ecksform auch andere Querschnitte (z. B. halbkreisförmig oder trapezförmig oder eine Mischform dieser Querschnitte) aufwei sen.

Zur Erzeugung von Kreiskeilprofilen können unterschiedliche spanende und spanlose Fertigungsverfahren zum Einsatz kommen. Zur Herstellung des Kreiskeilprofils auf der Welle 2 eignet sich insbesondere das Fließpressen oder das Ziehen, während das Profil auf der Nabe 3 insbesondere durch Räumen oder durch Tau melstoßen hergestellt werden kann. Die Feinbearbeitung der Keilfächen 9 auf der Welle 2 erfolgt mit Hilfe einer Schleif scheibe, die zweckmäßigerweise mit einer umlaufenden Ringnut versehen ist, deren Querschnittsform der Negativform des auf der Welle zu erzeugenden Ringprofils 12, 12' entspricht; auf diese Weise kann die Welle 2 im Zuge der Feinbearbeitung der Außenfläche mit dem Ringprofil 12, 12' versehen werden, ohne daß hierfür ein zusätzlicher Bearbeitungsschritt notwendig ist.

Neben dem in Fig. 3b gezeigten einfachen Ringprofil 13 kann die Welle 2 auch mehrere weitere Ringprofile 13" sowie weitere beliebig geformte Erhebungen 11 wie z. B. abragende Noppen 18, Ringabschnitte 19 etc. aufweisen; diese Beispiele für unter schiedliche Ausführungsformen der radial abragenden lokalen Er hebungen 11 sind in Fig. 3a gestrichelt dargestellt.

Die bisher sehr allgemein beschriebene "Nabe" 3 kann ein (Zahn-)Rad, ein Nocken, eine weitere Welle etc. sein. Weiterhin können Außen- bzw. Funktionsflächen der Nabe 3 eine beliebige (funktionsbedingte) Oberflächenhärte aufweisen, solange die In nenfläche 4 der Nabe 3 weicher ist als die ihr in Zusammenbau lage gegenüberliegende, das Ringprofil 12, 12' aufweisende, Au ßenfläche 5 der Welle 2.

Die oben beschriebene Ausführungsform einer Welle 2 mit Ring profil 12, 12', welche mit einer Nabe 3 gefügt wird, deren In nenwand 4 weicher ist als die Außenwand 5 der Welle 2, ist fer tigungstechnisch besonders günstig, da das Ringprofil 12, 12' während der Feinbearbeitung der Welle 2 ohne Zusatzaufwand in die Außenwand 5 eingeschliffen werden kann. Alternativ kann je doch auch die Innenwand der Nabe 3 die größere Oberflächenhärte aufweisen und mit einer radial abragenden Erhebung 11 versehen sein, welche sich beim drehenden Verbinden der Nabe 3 mit der Welle 2 in die weichere Außenfläche der Welle 2 eingräbt. Selbstverständlich ist die Erfindung nicht nur auf Kreiskeil verbindungen mit drei Keilen, sondern auch auf Kreiskeilverbin dungen beliebiger Zähligkeit anwendbar.

Die erfindungsgemäße Axialfixierung der Keilwellenverbindung mit Hilfe radial abragender lokaler Erhebungen 11 ist überall dort anwendbar, wo Welle-Nabe-Verbindungen starken axialen Be lastungen ausgesetzt sind, insbesondere bei Verbindungen schrägverzahnter Zahnräder und Kegelräder mit einer Welle, in Getrieben (z. B. Vorlegewelle), an Pumpenrädern, an Riemenschei ben von Zahnriemen etc.

Claims

1. Welle-Nabe-Verbindung,

- bei welcher auf der Umfangsfläche der Welle eine Mehrzahl keilförmiger Erhebungen und auf der Innenfläche der Nabe die gleiche Anzahl entsprechender keilförmiger Ausnehmun gen angeordnet ist,
- wobei die Steigung der Keilflächen im wesentlichen dem Verlauf einer logarithmischen Spirale folgt und so flach ist, daß in Abhängigkeit von Material und Beschaffenheit der Oberflächen der Keilflächen Selbsthemmung gegeben ist

dadurch gekennzeichnet,

- daß die beiden Verbindungspartner (1, 1') in ihren gegen seitigen Berührungsbereichen unterschiedliche Oberflächen härten aufweisen,
- und daß der Verbindungspartner (1) mit der größeren Ober flächenhärte im Verbindungsbereich mit einer radial in Richtung des weicheren Verbindungspartners (1') abragenden lokalen Erhebung (11) versehen ist, welche den Umfang des härteren Verbindungspartners (1) abschnittsweise über spannt,
- wobei die Maximalhöhe (13) der Erhebung (11) so klein ist, daß die beiden Verbindungspartner (1, 1') übereinanderge streift werden können.

2. Welle-Nabe-Verbindung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

- daß die radial abragende lokale Erhebung (11) durch ein umlaufendes Ringprofil (12, 12') gebildet ist, welches über seinen gesamten Umfang eine näherungsweise konstante Höhe (13, 13') gegenüber der restlichen Umfangsfläche des härte ren Verbindungspartners (1) hat,
- wobei die Höhe (13, 13') des Ringprofils (12, 12') kleiner ist als das radiale Fügespiel (10) der Verbindungspartner (1, 1').

3. Welle-Nabe-Verbindung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Ringprofil (12) einen näherungsweise dreiecksförmi gen Querschnitt aufweist.

4. Welle-Nabe-Verbindung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbindungspartner (1) mit der größeren Oberflächen härte im Verbindungsbereich eine Vertiefung (15) aufweist, die der Erhebung (11) in Axialrichtung unmittelbar benach bart ist.

5. Welle-Nabe-Verbindung nach Ansprüchen 2 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Vertiefung (15) durch eine umlaufende Ringnut (16, 16') gebildet ist, welche in unmittelbarer Nachbarschaft des Ringprofils (12') angeordnet ist.

6. Welle-Nabe-Verbindung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbindungspartner (1), der die der größere Oberflä chenhärte aufweist und mit der abkragenden Erhebung (11) versehen ist, die Welle (2) ist.