DE102005021868A1

DE102005021868A1 - Variatorverschraubung

Info

Publication number: DE102005021868A1
Application number: DE102005021868A
Authority: DE
Inventors: Matthias Dipl.-Ing. List; Linus Dipl.-Ing. Eschenbeck; Uwe Dipl.-Ing. Firzlaff
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2005-05-11
Filing date: 2005-05-11
Publication date: 2006-12-07

Abstract

Es wird eine Welle-Nabe-Verbindung mit einer Wellenmutter vorgeschlagen, welche ein plastisch verformbares Element (12, 16, 18) mit definiertem Querschnitt in axialer Richtung, definierter axialer Erstreckung und definierter Festigkeit umfasst, das in den Schraubverband integrierbar ist und sich beim Anziehen der Verschraubung plastisch verformt, bis die zu verspannenden Teile miteinander in Kontakt kommen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine kraftschlüssige Welle-Nabe Verbindung mit einer Wellenmutter, bei der eine definierte Vorspannkraft einstellbar ist, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Des weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Einstellung einer definierten Vorspannkraft für durch eine Wellenmutter erzeugte kraftschlüssige Welle-Nabe Verbindung, insbesondere unter Verwendung der erfindungsgemäßen Welle-Nabe Verbindung.
Eine derartige Welle-Nabe Verbindung kann beispielsweise eine durch eine Wellenmutter erzeugte kraftschlüssige Welle-Nabe Verbindung der Primär- und Sekundärwelle eines Variators in einem stufenlosen Umschlingungsgetriebe sein.
Ein stufenloses Umschlingungsgetriebe besteht üblicherweise u.a. aus einer Anfahreinheit, einer Vorwärts/Rückwärtsfahreinheit bzw. einem Wendesatz, einer Zwischenwelle, einem Differential, aus hydraulischen und elektronischen Steuereinrichtungen sowie aus einem Variator.

Der Variator umfasst nach dem Stand der Technik bei derartigen Getrieben eine Primär- und eine Sekundärseite, wobei beide Seiten aus paarweise angeordneten Kegelscheiben gebildet sind. Des weiteren ist ein Variator mit einem momentenübertragenden Umschlingungselement versehen, das zwischen den beiden Kegelscheibenpaaren umläuft. Hierbei wird die aktuelle Übersetzung durch den Laufradius des Umschlingungselementes definiert, der wiederum eine Funktion der axialen Position der Kegelscheiben ist. Die Kegelscheiben der Primärseite sind auf der Primärwelle und diejenigen der Sekundärseite auf der Sekundarwelle angeordnet.

Hierbei werden die Kräfte zum axialen Verschieben der Kegelscheiben zum Zweck der Variatorverstellung üblicherweise hydraulisch erzeugt, wobei die hydraulischen Gegenkräfte durch Zylinder oder Kolben aufgenommen und über Ringe oder Wellenmuttern abgestützt werden. Die Kolbendrückräume an der Primär- und Sekundärseite des Variators werden durch kraftschlüssige Welle-Nabe Verbindungen verspannt bzw. gegen Verdrehen gesichert und abgedichtet, wobei der Kraftschluss durch eine Wellenmutter erzeugt werden kann.

Um einen ausreichenden Kraftschluss zum Sichern der Bauteile gegen Abheben und Verdrehen zu gewährleisten, wird einerseits eine hohe Axial- bzw. Vorspannkraft benötigt. Diese resultiert in vorteilhafter Weise auch darin, dass ohne zusätzliche Dichtungen Leckagen vermieden werden. Andererseits wird bei hoher Axialkraft durch die ungünstige Kerbform des Gewindes die Lebensdauer der Variatorwellen erheblich reduziert; dieser Effekt wird in nachteiliger Weise durch weitere Belastungen wie Biegung und Torsion verstärkt, so dass die Vorspannkraft eine definierte Schwelle nicht überschreiten sollte.

Aufgrund von Bauraumvorgaben (insbesondere wenn das Getriebe quer eingebaut werden soll) sind nur kurze Klemmlängen für den Schraubverband realisierbar, was in geringen Längenänderungen resultiert. In Kombination mit Setzvorgängen, die zwischen den Bauteilen auftreten können, können große Axialkraftverluste entstehen; bei dynamischer Beanspruchung vergrößert sich die Spannungsamplitude, wodurch die Lebensdauer weiter verringert wird.

Des weiteren kann ein definierter Vorspann- bzw. Axialkraftbereich nur durch eine gute Schmierung, d.h. durch niedriges Reibwertniveau und Reibwertdelta an den zu verschraubenden Bauteilen sowie durch ein sehr präzises Anzugsverfahren erreicht werden. Zudem sollen die Reibwerte im Gewinde und zwischen den Bauteilen eine geringe Streuung aufweisen.

Neben der beschriebenen Welle-Nabe Verbindung existiert in der Automobiltechnik eine Vielzahl von Welle-Nabe Verbindungen, bei denen die Einstellung einer definierten Vorspannkraft erforderlich bzw. vorteilhaft ist.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine kraftschlüssige Weile-Nabe Verbindung mit einer Wellenmutter anzugeben, bei der eine definierte Vorspannkraft einstellbar ist. Die erfindungsgemäße Welle-Nabe Verbindung soll beispielsweise als Welle-Nabe Verbindung der Primär- und Sekundärwelle eines Variators zum Abdichten und Sichern der Kolbendrückräume gegen Verdrehen sowie zur axialen Sicherung und Verspannung der Bauteile in einem stufenlosen Umschlingungsgetriebe einsetzbar sein. Insbesondere soll eine vorgegebene Vorspannkraft exakt erreicht werden können. Zudem sollen Gewinde- und Unterkopfreibwerte keinen Einfluss auf die Vorspannkraftstreuung haben. Des weiteren soll durch die erfindungsgemäße Verbindung eine Überdimensionierung der Bauteile vermieden werden. Außerdem sollen durch die Verwendung des Gegenstandes der Erfindung die Herstellungs- und Montagekosten reduziert werden.

Im Rahmen der Erfindung soll auch ein Verfahren zur Einstellung einer definierten Vorspannkraft für durch eine Wellenmutter erzeugte kraftschlüssige Welle-Nabe Verbindung, insbesondere unter Verwendung der erfindungsgemäßen Welle-Nabe Verbindung angegeben werden.

Diese Aufgabe wird für eine Welle-Nabe Verbindung durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Ein Verfahren zur Einstellung einer definierten Vorspannkraft für durch eine Wellenmutter erzeugte kraftschlüssige Welle-Nabe Verbindung ist Gegenstand des Patentanspruchs 12. Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen gehen aus den entsprechenden Unteransprüchen hervor.

Demnach wird eine kraftschlüssige Welle-Nabe Verbindung mit einer Wellenmutter vorgeschlagen, welche ein plastisch verformbares Element mit definiertem Querschnitt in axialer Richtung, definierter axialer Erstreckung und definierter Festigkeit umfasst, das in den Schraubverband integrierbar ist und sich beim Anziehen der Verschraubung plastisch verformt, bis die Hauptanlagefläche anliegt.

Das erzielbare Vorspannkraftniveau ist als Funktion der Querschnittgröße und der Materialfestigkeit einstellbar, wobei die axiale Erstreckung des Elementes derart ausgelegt ist, dass eine plastische Verformung ermöglicht wird, bevor die zu verspannenden Teile miteinander in Kontakt kommen.

Gemäß der Erfindung kann das Element mit definiertem Querschnitt entweder in vorhandene Bauteile, beispielsweise als Ring bzw. Ringvorsprung, Wulst, in Form von Durchstellungen, etc. integriert sein oder als separates Bauteil ausgeführt sein. Des weiteren kann des Element aus mehreren Einzelelementen bestehen, die beispielsweise radial betrachtet in definierten Winkelabständen angeordnet sind (beispielsweise Ringsegmente).

Des weiteren kann zum zusätzlichen Schutz der Bauteile vorgesehen sein, dass als eine Hauptanlagefläche ein weiteres in den Schraubverband integrierbares Element mit definiertem Querschnitt und definierter Festigkeit, beispielsweise ein Ring, dient, dessen axiale Erstreckung kleiner ist als die des plastisch verformbaren Elementes, derart, dass zu Beginn der elastischen Verformung des weiteren Elementes der Anziehvorgang der Wellenmutter beendet wird.

Im Rahmen des Verfahrens zur Einstellung einer definierten Vorspannkraft ist vorgesehen, den Anziehvorgang der Wellenmutter zu beenden, wenn die zu verspannenden Teile miteinander in Kontakt kommen. Dies kann in vorteilhafter Weise durch Auswertung der Differenzenquotient-Kennlinie (ΔDrehmoment/ΔDrehwinkel) ermittelt werden, die vor Erreichen der plastischen Verformung im Wesentlichen konstant verläuft (elastische Verformung), beim Erreichen der plastischen Verformung steil abfällt und nach Beenden der plastischen Verformung des Querschnitts, wenn die zu verspannenden Teile miteinander in Kontakt kommen, sprunghaft ansteigt.

Durch die erfindungsgemäße Konzeption wird mit einem einfachen und kostengünstigen Aufbau gewährleistet, dass eine vorgegebene Vorspannkraft weitgehend exakt einstellbar ist.

Dadurch, dass das Element mit definiertem Querschnitt als Überlastschutz wirkt, werden die im Schraubverband befindlichen Teile vor einem Ausfall während der Montage geschützt. Des weiteren hängt die Vorspannkraftstreuung nur von den Querschnitttoleranzen und der Festigkeitstoleranz des verwendeten Materials des Elementes mit definiertem Querschnitt ab, so dass bei kleinen Querschnitts- und Festigkeitstoleranzen die Streuung der Vorspannkraft erheblich reduziert wird. In vorteilhafter Weise wird eine Überdimensionierung der Bauteile vermieden, da keine Vorspannkraftstreuungen kompensiert werden müssen, welche durch Reibwertschwankungen und Einflüsse des Anzugverfahrens verursacht werden, wie es nach dem Stand der Technik der Fall ist.

Die Verwendung der erfindungsgemäßen Welle-Nabe Verbindung ermöglicht eine uneingeschränkte Wiederholmontage, da lediglich ein neues Element mit definiertem Querschnitt benötigt wird. Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass sie in jeden Bauraum integriert werden kann.

Ferner werden durch die Verwendung der erfindungsgemäßen Welle-Nabe Verbindung die Herstellungskosten u.a. dadurch gesenkt, dass das Wellengewinde nicht mehr einsatzfrei ausgeführt sein muss und dass der Lagerinnenring der Lagerung der Wellen symmetrisch gestaltet werden kann. Des weiteren entfällt die Notwendigkeit einer aufwändigen und kostenintensiven Gewinde- und Kopfschmierung an der Wellenmutter oder der Welle.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand der beigefügten Figuren am Beispiel einer Welle-Nabe Verbindung eines Variators bzw. einer Variatorverschraubung näher erläutert. In diesen stellen dar:
1 eine schematische Schnittansicht eines Variators eines stufenlosen Umschlingungsgetriebes mit drei unterschiedlichen Verschraubungen mittels einer Wellenmutter;
2 eine schematische Ansicht einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Einrichtung zur Einstellung einer definierten Vorspannkraft vor der Montage;
3 eine schematische Ansicht der Ausführungsform nach 2 nach der Montage;
4 eine schematische Ansicht einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Einrichtung zur Einstellung einer definierten Vorspannkraft vor der Montage;
5 eine schematische Ansicht der Ausführungsform nach 4 nach der Montage;
6 eine schematische Ansicht einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Einrichtung zur Einstellung einer definierten Vorspannkraft vor der Montage;
7 eine schematische Ansicht der Ausführungsform nach 6 nach der Montage; und
8 ein Drehwinkel-Anzugsmoment-Diagramm, welches den Verlauf des Anzugsmomentes als Funktion des Drehwinkels der Wellenmutter bzw. des Drehmomentschlüssels bei der Montage veranschaulicht.
In 1 ist der Variator eines stufenlosen Umschlingungsgetriebes schematisch dargestellt. Die Primärwelle ist mit 1, die Primärscheibe mit 2, die Sekundärwelle mit 3 und die Sekundärscheibe ist mit 4 bezeichnet. Bei dem gezeigten Beispiel ist der Kolbendrückraum der Primärseite durch eine mittels einer Wellenmutter 5 erzeugte kraftschlüssige Welle-Nabe Verbindung verspannt (die Verschraubung ist mit A bezeichnet). Der Kolben ist hierbei mit 6, der Zylinder mit 7 und das Lager der Primärwelle 1 ist mit 8 bezeichnet.
Bei der Sekundärseite sind zwei Verschraubungen B und C vorgesehen, welche ebenfalls eine Wellenmutter 9 bzw. 17 aufweisen. Das Lager der Sekundärwelle ist mit 10 bezeichnet; der Kolben des Kolbendrückraums ist mit 11 bezeichnet.
Im Folgenden werden drei unterschiedliche Ausführungsformen einer erfindungsgemäßen Einrichtung zur Einstellung einer definierten Vorspannkraft beschrieben, wobei die erste Ausführungsform anhand der Verschraubung A, die zweite anhand der Verschraubung B und die dritte anhand der Verschraubung C beispielhaft veranschaulicht wird.
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 2 und 3, was der Verschraubung A aus 1 entspricht, ist das Element mit definiertem Querschnitt, definierter axialer Erstreckung (im nichtmontierten Zustand) und definierter Festigkeit als Ring 12 ausgebildet, welcher axial betrachtet zwischen dem Kolben 6 und dem Lagerinnenring 13 angeordnet ist. Des weiteren ist zwischen dem Kolben 6 und dem Lagerinnenring 13 ein weiterer Ring 14 vorgesehen, der eine geringere axiale Erstreckung aufweist und nach der Montage, d.h. nach der plastischen Verformung des Ringes 12, mit der dem Kolben 6 zugewandten Seite des Lagerinnenringes 13 in Kontakt kommt, wie 3 zu entnehmen ist.
In den 4 und 5 ist das Element mit definiertem Querschnitt, definierter axialer Erstreckung (im nichtmontierten Zustand) und definierter Festigkeit als ringförmiger Vorsprung 18 in die Wellenmutter 9 integriert und wird beim Anziehen der Wellenmutter 9 gegen die der Wellenmutter 9 zugewandte Seite des Lagerinnenrings 15 gedrückt und plastisch verformt, bis der Lagerinnenring 15 an der Wellenmutter 9 anliegt, wie in 5 gezeigt.
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß den 6 und 7 ist das Element mit definiertem Querschnitt, definierter axialer Erstreckung (im nichtmontierten Zustand) und definierter Festigkeit als ringförmiger Vorsprung 16 in den Kolben 11 integriert und wird beim Anziehen der Wellenmutter 17 plastisch verformt, bis der Kolben 11 an der Wellenmutter 17 anliegt.
In 8 ist der Verlauf des Anzugsmomentes als Funktion des Drehwinkels als durchgehende Linie D dargestellt; die Kurve E stellt die Differenzenquotient-Kennlinie (ΔDrehmoment/ΔDrehwinkel) dar, deren Auswertung zur Bestimmung des Zeitpunktes führt, wie im Folgenden erläutert wird. Vor der plastischen Verformung des Elementes mit definiertem Querschnitt, definierter axialer Erstreckung (im nichtmontierten Zustand) und definierter Festigkeit steigt das Anzugsmoment aufgrund der elastischen Verformung linear als Funktion des Drehwinkels. Ab dem Drehwinkel θ₁ beginnt die plastische Verformung, so dass ein geringeres Anzugsmoment pro Drehwinkel benötigt wird, als im Bereich elastischer Verformung. Seim Drehwinkel θ₂ liegt die gesamte Anlagefläche an, so dass der Widerstand beim Anziehen erhöht wird, d.h. das benötigte Anzugsmoment steigt. Hierbei wird die plastische Verformung beendet.
Der Verlauf der Differenzenquotient-Kennlinie (ΔDrehmoment/ΔDrehwinkel) wird gemäß der Erfindung herangezogen, um den Drehwinkel des Beendens des Anziehens der Wellenmutter bei der Montage zu bestimmen. Wie aus 8 ersichtlich, verläuft die Differenzenquotient-Kennlinie vor Erreichen der plastischen Verformung im Wesentlichen konstant, fällt beim Erreichen der plastischen Verformung steil ab und steigt nach Beenden der plastischen Verformung des Querschnitts beim Drehwinkel θ₂, also wenn die zu verspannenden Teile miteinander in Kontakt kommen, sprunghaft an.
Demnach ist im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Einstellung einer definierten Vorspannkraft vorgesehen, den Anziehvorgang der Wellenmutter zu beenden, wenn nach dem Beginn der plastischen Verformung die Differenzenquotient-Kennlinie sprunghaft steigt, da dies ein Zeichen ist, dass die zu verspannenden Teile miteinander in Kontakt gekommen sind.
Selbstverständlich fällt auch jede konstruktive Ausbildung, insbesondere jede räumliche Anordnung der für die Erfindung und deren Anwendung benötigten Bauteile an sich sowie zueinander und soweit technisch sinnvoll, unter den Schutzumfang der vorliegenden Ansprüche, ohne die Funktion der Welle-Nabe Verbindung, wie sie in den Ansprüchen angegeben ist, zu beeinflussen, auch wenn diese Ausbildungen nicht explizit in den Figuren oder in der Beschreibung dargestellt sind.

1: Primärwelle
2: Primärscheibe
3: Sekundärwelle
4: Sekundärscheibe
5: Wellenmutter
6: Kolben
7: Zylinder
8: Lager der Primärwelle
9: Wellenmutter
10: Lager der Sekundärwelle
11: Kolben
12: Ring
13: Lagerinnenring des Lagers der Primärwelle
14: Ring
15: Lagerinnenring des Lagers der Sekundärwelle
16: ringförmiger Vorsprung
17: Wellenmutter
18: ringförmiger Vorsprung
A: Verschraubung
B: Verschraubung
C: Verschraubung

Claims

Kraftschlüssige Welle-Nabe Verbindung mit einer Wellenmutter, dadurch gekennzeichnet, dass sie ein plastisch verformbares Element (12, 16, 18) mit definiertem Querschnitt in axialer Richtung, definierter axialer Erstreckung und definierter Festigkeit umfasst, das in den Schraubverband integrierbar ist und sich beim Anziehen der Verschraubung plastisch verformt, bis die zu verspannenden Teile miteinander in Kontakt kommen.
Kraftschlüssige Welle-Nabe Verbindung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erzielbare Vorspannkraftniveau als Funktion der Querschnittsgröße und der Materialfestigkeit des Elementes (12, 16, 18) einstellbar ist, wobei die axiale Erstreckung des Elementes (12, 16, 18) derart ausgelegt ist, dass eine plastische Verformung ermöglicht wird, bevor die zu verspannenden Teile miteinander in Kontakt kommen.
Kraftschlüssige Welle-Nabe Verbindung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Element (12, 16, 18) in vorhandene Bauteile integrierbar ist.
Kraftschlüssige Welle-Nabe Verbindung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Element (12, 16, 18) als Ring bzw. Ringvorsprung, Wulst ausgebildet ist oder in Form von Durchstellungen ausgeführt ist.
Kraftschlüssige Welle-Nabe Verbindung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Element (12, 16, 18) als separates Bauteil ausgeführt ist.
Kraftschlüssige Welle-Nabe Verbindung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Element (12, 16, 18) als Ring ausgebildet ist.
Kraftschlüssige Welle-Nabe Verbindung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Element (12, 16, 18) aus mehreren Einzelelementen besteht, die radial betrachtet in definierten Winkelabständen angeordnet sind.
Kraftschlüssige Welle-Nabe Verbindung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das als eine Hauptanlagefläche ein weiteres in den Schraubverband integrierbares Element (14) mit definiertem Querschnitt und definierter Festigkeit vorgesehen ist, dessen axiale Erstreckung kleiner ist als die des plastisch verformbaren Elementes (12, 16, 18), derart, dass zu Beginn der elastischen Verformung des weiteren Elementes beim Anziehen der Verschraubung das Element (12, 16, 18) bereits plastisch verformt ist.
Kraftschlüssige Welle-Nabe Verbindung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Element (12, 16, 18) als Ring ausgebildet ist und für den Fall einer Variatorverschraubung axial betrachtet zwischen dem Kolben (6) der Primärseite und dem Lagerinnenring (13) der Primärwelle angeordnet ist, wobei zwischen dem Kolben (6) und dem Lagerinnenring (13) ein weiterer Ring (14) vorgesehen ist, der eine geringere axiale Erstreckung aufweist und nach der Montage mit der dem Kolben (6) zugewandten Seite des Lagerinnenrings (13) in Kontakt kommt.
Kraftschlüssige Welle-Nabe Verbindung nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass für den Fall einer Variatorverschraubung das Element (12, 16, 18) als ringförmiger Vorsprung (18) in die Wellenmutter (9) integriert ist und beim Anziehen der Wellenmutter (9) gegen die der Wellenmutter (9) zugewandte Seite des Lagerinnenrings (15) der Sekundärwelle (3) plastisch verformbar ist, bis der Lagerinnenring (15) mit der Wellenmutter (9) in Kontakt kommt.
Kraftschlüssige Welle-Nabe Verbindung nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass für den Fall einer Variatorverschraubung das Element (12, 16, 18) als ringförmiger Vorsprung (16) in den Kolben (11) der Sekundärseite integriert ist und beim Anziehen der Wellenmutter (17) plastisch verformbar ist, bis der Kolben (11) an der Wellenmutter (17) anliegt.
Verfahren zur Einstellung einer definierten Vorspannkraft für durch eine Wellenmutter erzeugte kraftschlüssige Welle-Nabe Verbindung, insbesondere unter Verwendung einer Welle-Nabe Verbindung nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass ein plastisch verformbares Element (12, 16, 18) mit definiertem Querschnitt in axialer Richtung, definierter axialen Erstreckung und definierter Festigkeit verwendet wird, das in den Schraubverband integriert wird und sich beim Anziehen der Verschraubung plastisch verformt, bis die zu verspannenden Teile miteinander in Kontakt kommen.
Verfahren zur Einstellung einer definierten Vorspannkraft nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorspannkraft als Funktion der Querschnittsgröße und der Materialfestigkeit des Elementes (12, 16, 18) eingestellt wird, wobei die axiale Erstreckung des Elementes (12, 16, 18) derart ausgelegt ist, dass eine plastische Verformung ermöglicht wird, bevor die zu verspannenden Teile miteinander in Kontakt kommen.
Verfahren zur Einstellung einer definierten Vorspannkraft nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Anziehvorgang der Wellenmutter beendet wird, wenn die zu verspannenden Teile miteinander in Kontakt kommen.
Verfahren zur Einstellung einer definierten Vorspannkraft nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Anziehvorgang der Wellenmutter beendet wird, wenn nach dem Beginn der plastischen Verformung des Elementes (12, 16, 18) die Differenzenquotient-Kennlinie (ΔDrehmoment/ΔDrehwinkel) sprunghaft steigt.