DE10146130A1

DE10146130A1 - Reibschlüssige Verbindung einer Welle mit einem Bauteil

Info

Publication number: DE10146130A1
Application number: DE2001146130
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Burkhardt
Original assignee: MAN Nutzfahrzeuge AG
Current assignee: MAN Truck and Bus SE
Priority date: 2001-09-19
Filing date: 2001-09-19
Publication date: 2003-04-03

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine reibschlüssige Verbindung einer Welle mit einem Bauteil, bei welcher die sich gegenüberstehenden Trennflächen von Welle und Bauteil als Reibflächen ausgebildet sind und die Reibflächen zur Übertragung eines Drehmoments durch eine Vorspannung gegeneinander gepreßt werden. Bei Kupplungen mit Reibschluß und geringer radialer Ausdehnung sind enorme Vorspannkräfte für die Übertragung des Drehmoments erforderlich. Ein Beispiel für eine derartige Verbindung ist die Verbindung von Kurbelwelle und Schwungscheibe einer Brennkraftmaschine. Um die Vorspannkräfte in einem verträglichen Bereich zu halten, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, die sich gegenüberstehenden Reibflächen mit einer umlaufenden Verzahnung 4 bzw. einer umlaufenden Gegenverzahnung 5 zu versehen. Durch die Keilwirkung der Verzahnungen ergeben sich hohe Normalkräfte auf die Flanken. Bei einem Keilwinkel von alpha = 60 DEG ist der Verstärkungsfaktor für die Schraubenkraft K = 2. Es kann also bei gleicher Schraubenvorspannung das doppelte Drehmoment übertragen werden (Fig. 2).

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine reibschlüssige Verbindung von Welle und Bauteil gemäß dem Gattungsbegriff des Patentanspruches 1.
Bei der reibschlüssigen Verbindung einer Welle mit einem Bauteil, beispielsweise der Verbindung des freien Endes einer Kurbelwelle mit einem Schwungrad, besitzen die sich einander gegenüberstehenden Reibflächen von Welle und Bauteil eine geringe radiale Ausdehnung. Um unter dieser Vorgabe ein größeres Drehmoment übertragen zu können sind enorme Vorspannkräfte erforderlich. Die Unterbringung der für die Erzeugung der Vorspannkräfte erforderlichen Schrauben bereitet allerdings kaum lösbare Schwierigkeiten.
Eine Möglichkeit die Vorspannkräfte zu reduzieren besteht darin, das freie Wellenende konisch auszuführen und das Bauteil auf den Konus aufzupressen. Nachteil dieser Maßnahme ist die lange axiale Ausdehnung dieser reibschlüssigen Verbindung, die in vielen Fällen nicht darstellbar ist. Durch die Keilwirkung neigt die Nabe des Bauteils zum Bruch.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Welle und ein Bauteil reibschlüssig zu verbinden, ohne die erforderlichen Vorspannkräfte über Gebühr zu steigern, oder die axiale Länge der Verbindung wesentlich zu erhöhen.

Gelöst wird diese Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 1.

Durch die Verzahnung und die Gegenverzahnung tritt eine Keilwirkung ein, die um so größer ist, je kleiner der Keilwinkel gewählt wird. Durch die Keilwirkung wird bei konstantem Reibwert µ das übertragbare Drehmoment der Verbindung bei gleicher Schraubenvorspannung wesentlich erhöht. Im Gegensatz zu einem Konus ist bei Anwendung mehrerer Verzahnungen gemäß der Erfindung die Bruchgefahr nicht gegeben, da sich die Keilwirkung zwischen zwei Verzahnungen aufhebt.

Eine vorteilhafte Weiterbildung ist Anspruch 2 zu entnehmen.

Die koaxial umlaufende Verzahnung ist fertigungstechnisch durch einfache Dreharbeit unter Verwendung eines Formstahles, welcher der Zahngeometrie entspricht, herstellbar.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen 3 bis 5 zu entnehmen.

Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Verbindung sind an Hand von Zeichnungen dargestellt. Es zeigt:
Fig. 1 eine Ansicht auf das Bauteil in axialer Richtung mit Schrauben zur Erzeugung der Vorspannung
Fig. 2 einen Schnitt II-II mit Verzahnung und Gegenverzahnung an Welle und Bauteil
Fig. 3 eine Ansicht auf das Bauteil in axialer Richtung mit einer Zentral- Schraube zur Erzeugung der Vorspannkraft
Fig. 4 einen Schnitt IV-IV mit einer Zentralschraube zur Erzeugung der Vorspannkraft.
Fig. 1 stellt eine Ansicht in axialer Richtung auf ein Bauteil 1 dar, welches allein durch Reibschluß direkt mit einer Welle 2 (Fig. 2) verbunden wird. Die Aufbringung der für den Reibschluß erforderlichen Vorspannkraft erfolgt durch Schrauben 3, welche gleichmäßig über den Umfang verteilt sind.
Erfindungsgemäß erfolgt, wie in Fig. 2 dargestellt, die Übertragung des Drehmoments zwischen Welle 2 und Bauteil 1 mittels einer Verzahnung 4 in der Welle 2 und einer Gegenverzahnung 5 im Bauteil 1. Verzahnung 4 und Gegenverzahnung sind umlaufend und konzentrisch zur Wellenmitte. Die Verzahnung weist einen Keilwinkel α auf der variiert werden kann.
Die von den Schrauben 3 erzeugte Vorspannkraft wird durch die Keilwirkung der Verzahnungen 4, 5 verstärkt. Der Faktor K der Kraftverstärkung ergibt sich zu
Bei einem Keilwinkel α von beispielsweise 60° wie er in Fig. 2 dargestellt ist, beträgt dieser Verstärkungsfaktor K = 2. Bei einem Keilwinkel α von 60° läßt sich somit bei gleicher Schraubenvorspannung das doppelte Drehmoment übertragen.
Fig. 3 zeigt eine Ansicht auf das Bauteil 1 in axialer Richtung mit zentral angeordneter Schraube 3 zur Erzeugung der Vorspannkraft.
In Fig. 4 ist ein Schnitt IV-IV gezeigt. Das freie Ende der Welle 2 ist mit dem Bauteil 1 durch Verzahnung und Gegenverzahnung 4, 5 reibschlüssig verbunden. Durch die Kraftverstärkung kann es genügen nur eine Schraube 3 vorzusehen, die zentral angeordnet ist. Dadurch wird Bauraum gegenüber mehreren Schrauben 3 eingespart.
Bei dem Bauteil 1, bzw. der Welle 2 kann es sich um ein Schwungrad bzw. das freie Ende einer Kurbelwelle handeln. Bei einer derartigen Verbindung steht nur der Durchmesser am freien Ende der Kurbelwelle für die Übertragung des Drehmoments zur Verfügung. Bei dem geringen Hebelarm bedarf es einer großen Vorspannkraft, um das Drehmoment ausschließlich durch Reibkraft zu übertragen. Durch die erfindungsgemäße reibschlüssige Verbindung kann die erforderliche Vorspannkraft zur Übertragung des Drehmoments erheblich reduziert werden. Die Unterbringung der Schrauben zur Erzeugung der Vorspannung ist dann kein Problem. Wie Fig. 4 zeigt kann die Anordnung einer zentralen Schraube ausreichen.
Das Profil der Verzahnung und Gegenverzahnung 4, 5 (Fig. 2, 4) kann im Schnitt gesehen auch asymmetrisch sein. Auf eine explizite zeichnerische Darstellung soll verzichtet werden.
Wenn keine Winkelpositionierung zwischen Welle 2 und Bauteil 1 erforderlich ist kann Verzahnung und Gegenverzahnung auch spiralförmig umlaufend ausgebildet sein.
Im Fall, daß eine präzise Zentrierung erforderlich ist kann zur Behebung der geometrischen Überbestimmung zwischen Verzahnung und Gegenverzahnung eine verformbare Zwischenlage vorgesehen werden. Diese kann eine geringe, durch Herstellungsungenauigkeiten bedingte radiale Versetzung der Verzahnungen ausgleichen.
Es versteht sich, daß die Form der Verzahnung nicht auf die in den Fig. 1, 4, bzw. den Ansprüchen gezeigte Form beschränkt ist. Der allgemeine Erfindungsgedanke zielt auf die Erhöhung des übertragbaren Drehmoments bei gleicher Schraubenvorspannung und konstantem Reibwert µ ab.

Claims

1. Reibschlüssige Verbindung einer Welle mit einem Bauteil, bei welcher die sich gegenüberstehenden Trennflächen von Welle und Bauteil als Reibflächen ausgebildet sind und die Reibflächen zur Übertragung eines Drehmoments durch eine Vorspannung gegeneinander gepreßt werden, dadurch gekennzeichnet, daß eine der Welle (2) zugeordnete erste Reibfläche als mindestens eine umlaufende Verzahnung (4) und eine dem Bauteil (1) zugeordnete zweite Reibfläche als mindestens eine umlaufende Gegenverzahnung (5) ausgebildet ist.

2. Reibschlüssige Verbindung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Verzahnung (4) und Gegenverzahnung (5) konzentrisch ausgebildet sind.

3. Reibschlüssige Verbindung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Verzahnung (4) und Gegenverzahnung (5) spiralförmig verlaufend ausgebildet sind.

4. Reibschlüssige Verbindung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Verzahnung (4) und die Gegenverzahnung (5) im Querschnitt gesehen ein unsymmetrisches Profil aufweisen.

5. Reibschlüssige Verbindung nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Verwendung der Verbindung als Zentrierung infolge der geometrischen Überbestimmung zwischen der Verzahnung (4) und der Gegenverzahnung (5) eine verformbare Zwischenlage eingelegt wird.