DE10003923A1

DE10003923A1 - Method of connecting a hub to a shaft

Info

Publication number: DE10003923A1
Application number: DE2000103923
Authority: DE
Inventors: Karl Jauch; Rudolf Hoerburger
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2000-01-29
Filing date: 2000-01-29
Publication date: 2001-08-02
Also published as: EP1250535A1; WO2001055609A1

Abstract

The invention relates to a method for linking a hub (10, 11) with a shaft (1, 20) by means of joining or shrinking (longitudinally or transversally compressing). According to the invention, associated joining surfaces (12 to 15) of the hub (10, 11) and/or the shaft (1, 20) are provided with a defined surface microstructure and are displaced relative to one another by a certain amount during and/or after joining under the influence of a predetermined load. The invention provides a method for quickly and lastingly, by simple means, fixating the hub (10, 11) and the shaft (1, 20) in a precise position relative to each other.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbinden einer Nabe mit einer Welle nach dem Oberbegriff von An spruch 1.The invention relates to a method for connecting a hub with a shaft according to the preamble of An saying 1.

Es ist allgemein bekannt, eine Welle und eine Nabe durch Schrumpfen drehfest miteinander zu verbinden. Dabei wird die Passung der Teile mit einem Übermaß hergestellt. Vor der Montage der beiden Teile wird die Nabe erwärmt und die Welle, sofern es erforderlich ist, abgekühlt. So ent steht nach der Montage bei normaler Umgebungstemperatur ein Preßsitz. Entsprechend den zu erwartenden Belastungen muß das Übermaß der Passung und damit die Pressung ausgelegt werden, was zu hohen Restspannungen vor allem in der Nabe führt. Diese werden durch Spannungen unter Last überlagert, so daß bei Zahnrädern die zulässigen Werte für die Zahnfuß spannungen überschritten werden können. Durch elastische oder plastische Verformung der beiden Teile unter Überla stung, wie sie bei Schwingungen und Temperatureinflüssen auftreten können, oder durch Alterung der Werkstoffe kann sich der Schrumpfverband kurzfristig lösen, und es entsteht ein sogenannter Mikroschlupf, bei dem sich die Nahe gering fügig vor allem in Umfangsrichtung gegenüber der Welle ver schiebt.It is well known, a shaft and a hub can be connected to one another in a rotationally fixed manner by shrinking. there the parts fit with an oversize. Before assembling the two parts, the hub is warmed up and the shaft cooled if necessary. So ent is available after assembly at normal ambient temperature Press fit. According to the expected loads the excess of the fit and thus the pressure become, resulting in high residual stresses especially in the hub leads. These are overlaid by stresses under load, so that with gears the permissible values for the tooth base voltages can be exceeded. Through elastic or plastic deformation of the two parts under overload as with vibration and temperature influences can occur or due to aging of the materials the shrink bandage loosens briefly and it arises a so-called micro slip, in which the proximity is low viable especially in the circumferential direction with respect to the shaft pushes.

Ist die genaue Position der Nabe zur Welle besonders wichtig, kann ein solcher Mikroschlupf nicht toleriert wer den. Zum Beispiel müssen die Zahnräder bei. Getrieben mit mehreren Vorgelegewellen sehr genau positioniert werden, damit sich die Last gleichmäßig auf die Leistungszweige verteilt. Formschlüssige Verbindungen, z. B. Nut und Feder, Poligonwellen, Keilwellen usw., vermeiden sowohl den Mikro schlupf als auch die Restspannungen. Sie können aber bei der geforderten hohen Präzision nur mit großem Aufwand her gestellt werden. Ferner beeinflussen sie den Kerb- und Formfaktor der Bauteile ungünstig.The exact position of the hub to the shaft is special importantly, such a micro slip cannot be tolerated by anyone the. For example, the gears need to. Driven with several countershafts are positioned very precisely, so that the load is evenly distributed across the power branches distributed. Positive connections, e.g. B. tongue and groove, Poligon waves, spline waves, etc., both avoid the micro slip as well as the residual tensions. But you can at the required high precision only with great effort be put. They also influence the notch and Form factor of the components unfavorable.

Aus der DE-A1 42 04 814 ist es bekannt, ein Zahnrad mit einer Welle mit einem Schiebesitz, einem Haftsitz oder einem Festsitz zusammenzufügen und dabei mit einem Ein- oder Zweikomponentenkleber zu verkleben. Die Klebeverbin dung läßt ein reduziertes Übermaß mit geringeren Restspan nungen zu und verhindert gleichzeitig den Mikroschlupf. Allerdings ist es schwierig, das Klebemittel in den Spalt einzubringen, da es bei der Montage der Nabe wieder von der Welle abgestreift wird. Außerdem verbleibt nur wenig Zeit, um die Teile zueinander auszurichten, da das Klebemittel infolge der erhöhten Temperatur der Nabe schnell aushärtet.From DE-A1 42 04 814 it is known a gear with a shaft with a sliding seat, an adhesive seat or assemble a tight fit and thereby with a or two-component adhesive. The adhesive bond dung leaves a reduced excess with less residual chip increases and at the same time prevents micro-slippage. However, it is difficult to put the adhesive in the gap to bring in, since it is from the Shaft is stripped. In addition, there is little time left to align the parts to each other because the adhesive hardens quickly due to the increased temperature of the hub.

Aus der WO 97/44598 A1 ist eine Befestigung eines Zahnrads auf einer Welle bekannt, bei der eine Schrumpfver bindung mit einer formschlüssigen Verbindung kombiniert ist. Dadurch wird sicher vermieden, daß sich die Bauteile zueinander durch Mikrowandern verdrehen. Als Formschlußver bindung dient vorzugsweise ein Stift, der quer zu den Füge flächen der Welle bzw. des Zahnrads angeordnet ist und in diese Bauteile eindringt bzw. sie durchdringt. Die zusätz lichen Formschlußteile sind aufwendig herzustellen und zu montieren. Ferner wird die Festigkeit der Bauteile durch die Kerbeinflüsse der Formschlußelemente reduziert.From WO 97/44598 A1 is an attachment of a Gear on a shaft known in which a shrink ver bond combined with a positive connection is. This will surely avoid that the components twist to each other by micro walking. As a form closure Binding is preferably a pin that is perpendicular to the joint surfaces of the shaft or gear is arranged and in penetrates these components or penetrates them. The additional Lichen form-fitting parts are expensive to manufacture and assemble. Furthermore, the strength of the components is determined by reduces the notch effects of the form-locking elements.

In der WO 97/44598 A1 ist ferner auf eine nicht stoff schlüssige kombinierte Welle-Nabe-Verbindung in Form einer Preß-Rändel-Verbindung oder Preßpunktschweiß-Verbindung hingewiesen. Hierbei wird beim Zusammenfügen der Bauteile zusätzlich zum Schrumpfsitz ein Mikroformschluß herge stellt.In WO 97/44598 A1 is also a non-substance coherent combined shaft-hub connection in the form of a Press-knurled connection or press-point welding connection pointed out. This is when assembling the components in addition to the shrink fit a micro form closure poses.

Eine ähnliche Verbindung von Welle und Nabe ist aus G. Niemann, Maschinenelemente Band 1, Springer Verlag 1963 Seite 278 und 284 bekannt, bei der die Fügeflächen vor dem Schrumpfen mit Karborundpulver oder Siliciumkarbid einge rieben wurden. Ferner ist darauf hingewiesen, daß die Haft- und Rutschkräfte sich durch Verzundern der Fläche erheblich steigern lassen. Es ist allerdings äußerst schwierig, defi nierte Mengen der reibungserhöhenden Mittel in die Fügeflä chen einzubringen, um definierte Übertragungsverhältnisse zu erreichen. Diese Verfahren werden daher in der Praxis kaum angewendet.A similar connection of shaft and hub is known from G. Niemann, Maschinenelemente Band 1 , Springer Verlag 1963 pages 278 and 284, in which the joining surfaces were rubbed with carborundum powder or silicon carbide before shrinking. It is also pointed out that the adhesive and slip forces can be increased considerably by scaling the surface. However, it is extremely difficult to introduce defined quantities of the friction-increasing agents into the joining surfaces in order to achieve defined transmission ratios. These methods are therefore rarely used in practice.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Welle und eine Nabe mit einfachen Mitteln dauerhaft mit einer präzisen Position zueinander zusammenzufügen. Sie wird ge mäß der Erfindung durch die Merkmale des Anspruchs 1 ge löst. Weitere Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteran sprüchen.The invention has for its object a shaft and a hub with simple means permanently with one precise position to each other. It will be ge according to the invention by the features of claim 1 ge solves. Further refinements can be found in the lower sub sayings.

Nach der Erfindung erhalten die Fügeflächen der Nabe und/oder der Welle eine definierte Oberflächenfeinstruktur und werden nach dem Fügen unter einer vorgegebenen Bela stung um einen bestimmten Betrag gegeneinander verschoben. Die Oberflächenfeinstruktur, die sehr präzise und reprodu zierbar hergestellt werden kann, erzeugt zunächst beim Fü gen einen Mikroformschluß zwischen der Welle und der Nabe. Wird die Welle und die Nabe anschließend gegeneinander un ter einer vorgegebenen Belastung um einen bestimmten Betrag gegeneinander verschoben, "verschweißen" ihre Fügeflächen partiell und es ergibt sich ein dauerhafter, nicht lösbarer Haftverband.According to the invention, the joining surfaces of the hub are obtained and / or the shaft a defined surface fine structure and after joining under a given bela shifted against each other by a certain amount. The surface fine structure, which is very precise and reproducible can be produced, first created at a micro-form fit between the shaft and the hub. Then the shaft and the hub against each other un ter a predetermined charge by a certain amount shifted against each other, "weld" their joining surfaces partial and there is a permanent, non-removable Haftverband.

Dabei ist es gleichgültig, ob die Nabe zur Welle in axialer Richtung oder in Umfangsrichtung verschoben wird. Wichtig ist vor allem, daß die Nabe auf der Welle am Ende des Verschiebewegs die exakte Position erreicht hat. Diese kann z. B. durch eine entsprechende Maschinensteuerung oder durch Endanschläge an den Werkstücken oder Aufnahmevorrich tungen festgelegt werden. Je nach dem durch welche Mittel der Verschiebeweg festgelegt ist, kann es vorteilhaft sein, daß die vorgegebene Belastung während des Einsatzes der Bauteile erreicht wird oder bereits während der Montage von Welle und Nabe aufgebracht wird.It does not matter whether the hub is in to the shaft is moved in the axial direction or in the circumferential direction. It is particularly important that the hub on the shaft at the end of the displacement path has reached the exact position. This can e.g. B. by an appropriate machine control or through end stops on the workpieces or receiving device be determined. Depending on which means the displacement is fixed, it can be advantageous that the predetermined load during use of the Components is reached or already during the assembly of Shaft and hub is applied.

Die Oberflächenfeinstruktur kann in einfacher Weise dadurch hergestellt werden, daß die Fügeflächen perforiert, rilliert oder mit Eindrücken oder Gewinderillen versehen werden, wobei die Gewinderillen der Nabe und der Welle in gleicher Richtung oder gegenläufig verlaufen können. Beson ders vorteilhaft ist es, wenn die Fügeflächen so gefertigt und/oder behandelt werden, daß sie eine auf das Verfahren abgestimmte Rauhtiefe aufweisen. Für diesen Zweck eignen sich u. a. funkenerrosive und chemische Behandlungsverfah ren, durch die die Fügeflächen eine geeignete Oberflächen struktur und Werkstoffeigenschaft erhalten. Ferner kann es zweckmäßig sein, daß die Fügeflächen eine induktive Anlaß zone aufweisen. Das in dieser Zone weichere Material begün stigt das partielle Verschweißen.The surface fine structure can be done in a simple manner be produced by perforating the joining surfaces, grooved or provided with indentations or thread grooves the thread grooves of the hub and the shaft in can run in the same direction or in opposite directions. Especially it is advantageous if the joining surfaces are made in this way and / or treated to be one on the process have a coordinated roughness depth. Suitable for this purpose yourself u. a. EDM and chemical treatment processes through which the joining surfaces have a suitable surface Preserve structure and material properties. Furthermore, it can be appropriate that the joining surfaces an inductive occasion zone. Begin the softer material in this zone increases the partial welding.

Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeich nungsbeschreibung. In der Zeichnung sind Ausführungsbei spiele der Erfindung dargestellt. Die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und ggf. zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.Further advantages result from the following drawing description. In the drawing are execution examples games of the invention shown. The description and the Claims contain numerous features in combination. The Those skilled in the art will expediently also individually consider and, if necessary, useful additional combinations sum up.

Es zeigen:Show it:

Fig. 1 eine Welle, auf der Zahnräder nach dem er findungsgemäßen Verfahren befestigt sind, Fig. 1 is a shaft on which gears are mounted after which he inventive method,

Fig. 2 einen Schnitt entsprechend der Linie II-II in Fig. 1, Fig. 2 shows a section according to the line II-II in Fig. 1,

Fig. 3 einen Längsschnitt durch ein Zahnrad mit vorbehandelten Bereichen einer Fügefläche und Fig. 3 shows a longitudinal section through a gear with pretreated areas of a joining surface and

Fig. 4 eine Welle mit chemisch vorbehandelten Be reichen einer Fügefläche. Fig. 4 is a wave with chemically pretreated Be a joining surface.

Auf einer Welle 1, die an ihren Enden mittels Wälzla ger 2 in einem nicht näher dargestellten Gehäuse gelagert ist, sind mehrere Zahnräder 3, 4, 5, 6 angeordnet, von de nen die Zahnräder 5 und 6 unmittelbar auf der Welle 1 ange formt sind, während die Zahnräder 3 und 4 nach dem erfin dungsgemäßen Verfahren mit der Welle 1 verbunden sind. Das Zahnrad 3 besitzt einen Zahnkranz 7, der mit einer Nabe 10 verbunden ist, während das Zahnrad 4 zwei Zahnkränze 8 und 9 besitzt, die mit einer Nabe 11 verbunden sind.On a shaft 1 , which is mounted at its ends by Wälzla ger 2 in a housing, not shown, a plurality of gears 3 , 4 , 5 , 6 are arranged, from de NEN the gears 5 and 6 are formed directly on the shaft 1 , while the gears 3 and 4 are connected to the shaft 1 by the method according to the invention. The gear 3 has a ring gear 7 which is connected to a hub 10 , while the gear 4 has two ring gears 8 and 9 which are connected to a hub 11 .

Die Welle 1 besitzt im Bereich der Nabe 11 eine Füge fläche 12, die eine gewindeförmige Profilierung 22 auf weist. Eine Fügefläche 13 der Nabe 11 kann ähnlich gestal tet sein, ein gegenläufiges Gewinde aufweisen oder eine geeignete Rauhtiefe 21 (Fig. 2) haben. The shaft 1 has in the area of the hub 11 a joining surface 12 which has a thread-shaped profile 22 . A joining surface 13 of the hub 11 can be similarly designed, have an opposing thread or have a suitable roughness depth 21 ( FIG. 2).

Vor dem Zusammenfügen wird das Zahnrad 4 auf eine ge eignete Temperatur erhitzt, während die Welle 1 gegebenen falls gekühlt wird. Nach dem Schrumpfen, bei dem die Ober flächenstruktur der Fügeflächen 12 und 13 einen Mikroform schluß bilden, wird das Zahnrad 4 in axialer Richtung 23 oder in Umfangsrichtung 24 (Fig. 2) relativ zur Welle 1 um einen bestimmten Betrag verschoben, wobei die Fügeflä chen 12 und 13 partiell miteinander verschweißen. Zur Be grenzung des axialen Schiebewegs kann das Zahnrad 5 als Anschlag dienen. Andererseits können nicht näher darge stellte Anschläge in Umfangsrichtung die genaue Position des Zahnrads 4 in Umfangsrichtung definieren. Das Zusammen fügen kann auch bei Raumtemperatur erfolgen.Before assembly, the gear 4 is heated to a suitable temperature, while the shaft 1 is cooled if necessary. After shrinking, in which the upper surface structure of the joining surfaces 12 and 13 form a microform circuit, the gear 4 is displaced in the axial direction 23 or in the circumferential direction 24 ( FIG. 2) relative to the shaft 1 by a certain amount, the joining surfaces being Partially weld 12 and 13 together. To limit the axial sliding path, the gear 5 can serve as a stop. On the other hand, not shown Darge stops in the circumferential direction define the exact position of the gear 4 in the circumferential direction. The joining can also take place at room temperature.

In gleicher Weise wird das Zahnrad 3 montiert. In die sem Bereich weist die Welle 1 eine Fügefläche 14 auf, die durch Rillen 25 und Perforierungen 26 strukturiert ist. Grundsätzlich können die Strukturen der Fügeflächen 12 bis 15 beliebig ausgetauscht und miteinander kombiniert werden.The gear 3 is mounted in the same way. In this area, the shaft 1 has a joining surface 14 which is structured by grooves 25 and perforations 26 . In principle, the structures of the joining surfaces 12 to 15 can be exchanged and combined with one another as desired.

Fig. 3 zeigt ein Zahnrad 4 ohne Welle 1, so daß die Struktur der Fügefläche 13 zu sehen ist. Die Fügefläche 13 besitzt in diesem Ausführungsbeispiel Bereiche 16 und 17, die sich in Umfangsrichtung erstrecken und axial zueinander versetzt sind. Grundsätzlich kann die gesamte Fügefläche 13 aus einem Bereich 16 bestehen. Die Bereiche 16, 17 sind in bestimmter Weise vorbehandelt, z. B. durch induktives An lassen oder Funkenerosion, auf chemischem oder mechanischem Wege. Fig. 3 shows a gear 4 without shaft 1 , so that the structure of the joining surface 13 can be seen. In this exemplary embodiment, the joining surface 13 has regions 16 and 17 which extend in the circumferential direction and are axially offset from one another. In principle, the entire joining surface 13 can consist of an area 16 . The areas 16 , 17 are pretreated in a certain way, for. B. by inductive on or spark erosion, by chemical or mechanical means.

Fig. 4 zeigt als Variante zu Fig. 1 eine Welle 20 mit einer Fügefläche 15, die axial verlaufende Bereiche 18 und 19 aufweist, die in Umfangsrichtung zueinander versetzt verlaufen. Die Bereiche 18 und 19 können in gleicher Weise behandelt werden wie die Bereiche 16 und 17 in Fig. 3. Die behandelten Bereiche können auch Zwischenpositionen zu den in Fig. 3 und Fig. 4 dargestellten Richtungen aufweisen, indem sie geneigt zu Mantellinien der Welle 20 bzw. der Nabe 11 angeordnet sind. FIG. 4 shows, as a variant of FIG. 1, a shaft 20 with a joining surface 15 which has axially extending regions 18 and 19 which are offset with respect to one another in the circumferential direction. The areas 18 and 19 can be treated as the regions 16 and 17 in Figure in the same manner. 3. The treated areas can also intermediate positions to those shown in Fig. 3 and Fig. 4 directions comprise by inclined to surface lines of the shaft 20 or the hub 11 are arranged.

reference numeral

11

Welle
wave

22

Wälzlager
roller bearing

33rd

Zahnrad
gear

44

Zahnrad
gear

55

Zahnrad
gear

66

Zahnrad
gear

77

Zahnkranz
Sprocket

88th

Zahnkranz
Sprocket

99

Zahnkranz
Sprocket

1010th

Nabe
hub

1111

Nabe
hub

1212th

Fügefläche
Joining surface

1313

Fügefläche
Joining surface

1414

Fügefläche
Joining surface

1515

Fügefläche
Joining surface

1616

Bereich
Area

1717th

Bereich
Area

1818th

Bereich
Area

1919th

Bereich
Area

2020th

Welle
wave

2121

Rauhtiefe
Roughness

2222

gewindeförmige Profilierung
thread-shaped profiling

2323

axiale Richtung
axial direction

2424th

Umfangsrichtung
Circumferential direction

2525th

Rille
groove

2626

Perforierung
Perforation

Claims

1. A method of connecting a hub ( 10 , 11 ) to a shaft ( 1 , 20 ) by means of joining (longitudinal pressing) or shrinking (transverse pressing) in the cold or warm state, characterized in that mutually associated joining surfaces ( 12 to 15 ) Hub ( 10 , 11 ) and / or shaft ( 1 , 20 ) receive a defined surface fine structure and after joining under a predetermined load by a certain amount, depending on the required position accuracy, shifted against each other.

2. The method according to claim 1, characterized in that the predetermined load is reached during the use of the components ( 1 , 20 , 3 , 4 , 5 ).

3. The method according to claim 1, characterized in that the predetermined load is applied during the assembly of the shaft ( 1 , 20 ) and hub ( 10 , 11 ).

4. hub ( 10 , 11 ) and shaft ( 1 , 20 ) for performing the method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that at least one of the joining surfaces ( 12 , 14 ) is perforated, grooved and / or a press or Has thread grooves.

5. hub ( 10 , 11 ) and shaft ( 1 , 20 ) for performing the method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that at least one of the joining surfaces ( 13 , 15 ) has an optimized roughness depth ( 21 ) having.

6. hub ( 10 , 11 ) and shaft ( 1 , 20 ) for performing the method according to one of claims 1 to 3, characterized in that at least one of the joining surfaces ( 13 ) has an inductive tempering zone.

7. hub ( 10 , 11 ) and shaft ( 1 , 20 ) for performing the method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that at least one of the joining surfaces ( 15 ) is at least partially treated with electrical discharge.

8. hub ( 10 , 11 ) and shaft ( 1 , 20 ) for performing the method one of claims 1 to 3, characterized in that at least one of the joining surfaces ( 15 ) is at least partially chemically treated.