DE102005062522A1

DE102005062522A1 - Verfahren zur kraftschlüssigen Verbindung der Stirnflächen zweier Maschinenbauteile zur Übertragung hoher Drehmomente oder Querkräfte

Info

Publication number: DE102005062522A1
Application number: DE102005062522A
Authority: DE
Inventors: Tobias Dr. Abeln; Ulrich Dipl.-Ing. Klink (Fh)
Original assignee: Gehring GmbH and Co KG
Current assignee: Gehring Technologies GmbH and Co KG
Priority date: 2005-12-19
Filing date: 2005-12-19
Publication date: 2007-06-21
Anticipated expiration: 2025-12-20
Also published as: US20070140785A1; DE102005062522B4; US7472467B2; DE102005062522C5

Abstract

Verfahren zur kraftschlüssigen Verbindung der Stirnflächen zweier Maschinenbauteile (1', 2''; 2', 3''; 3', 4'') zur Übertragung hoher Drehmomente oder Querkräfte, bei dem auf eine (1', 2', 3') der miteinander zu verbindenden Flächen (1', 2''; 2', 3''; 3', 4'') Erhebungen (20) aufgebracht sind, die härter sind als das Material der anderen Fläche.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur kraftschlüssigen Verbindung der Stirnflächen zweier Maschinebauteile zur Übertragung hoher Drehmomente oder Querkräfte, sowie eine gemäß diesem Verfahren hergestellte aus diesen Maschinenbauteilen gebildete Baugruppe.
Kraftschlüssige Verbindungen zweier Flächen von Maschinenbauteilen werden in vielen Bereichen des Maschinenbaus zur Übertragung von Querkräften oder Drehmomenten eingesetzt. Die übertragbare Kraft wird dabei im Wesentlichen durch die Flächenpressung und die dadurch herbeigeführte Reibung zwischen den miteinander verbundenen Flächen bewirkt. Solche Verbindungen sind vor allem in der Antriebstechnik, zum Beispiel zum Antrieb von Hilfsaggregaten, von Bedeutung. Die übertragbare Leistung ist oft durch die Kraft begrenzt, die über den Kontakt der beiden aneinander anliegenden Flächen übertragen werden kann.
Meist werden solche Verbindungen über einen Kraft-/Reibschluss als Welle/Nabe-Verbindungen ausgeführt. Je nach der Geometrie der Wirkflächen handelt es sich dabei um Stirn-, Kegel- oder zylindrische Pressverbindungen sowie damit verwandte Reibschlusspaarungen (Flansche, Spannelemente, Schraubenköpfe). All diese Verbindungen basieren auf einem Flächenkontakt. Die sich einstellende Reibungskraft hängt von verschiedenen Einflüssen, zum Beispiel von der Art des Fügens, der Oberflächenrauheit und der Flächenpressung, die vorzugsweise senkrecht zu den Flächen erfolgt, ab.

Es ist bekannt, zum Zwecke der Erhöhung der Reibung harte Partikel zwischen die beiden miteinander verbindenden Flächen einzubringen. Im Bereich des Eindringens der harten Partikel in das Material der zu verbindenden weicheren Flächen erfolgt ein Mikroformschluss. Die Reibungserhöhung folgt aus dem Widerstand des Materials der Flächen gegenüber einer Furchung durch die harten Partikel. Derartige Verbindungen sind zum Beispiel aus der DE 31 49 596 A1 , der DE 101 48 831 , der DE 18 16 854 A1 und der DE 23 46 275 C2 bekannt. Ferner sind federelastische Folien (Diamantfolien) bekannt, in die Partikel aus Hartmaterial (Diamant) eingebettet sind ( EP 0 961 038 B1 , EP 1 564 418 A1 ). Sie werden zwischen die miteinander zu verbindenden Flächen gelegt.

Die Herstellung dieser Folien, insbesondere der in die Folie eingebetteten Partikel aus Diamant, ist teuer. Außerdem ist der verfahrensmäßige Aufwand bei der Herstellung derartiger Verbindungen und die konstruktive Berücksichtigung aufwändig.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung von kraftschlüssigen Verbindungen der Stirnflächen zweier Maschinenelemente zur Übertragung hoher Drehmomente zu schaffen, das erheblich einfacher ist als die seither bekannten Verfahren. Damit sollen auch Baugruppen aus zwei Maschinenelementen zur Übertragung hoher Drehmomente geschaffen werden, die erheblich einfacher und kostengünstiger herstellbar sind als seither bekannt.

Erfindungsgemäß wird dies durch die sich in Patentanspruch 1 beziehungsweise 4 angebenden Merkmale gelöst. Die Erfindung betrifft ferner vorteilhafte Weiterbildungen.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist äußerst einfach, zumal es bereits bekannt ist, in metallische Oberflächen durch geeignete Laserstrahlsysteme Vertiefungen (Mikroformtaschen) und damit auch sie umgebende Erhebungen anzubringen, wenngleich die Erhebungen anschließend durch Honen wieder beseitigt werden. Durch die dabei in den Oberflächen verbleibenden Mikrotaschen ergeben sich verbesserte tribologische Eigenschaften, also eine Herabsetzung der Reibung (vgl. DE 20 2005 011 772 U , DE 20 2005 005 905 U , EP 0 565 742 B1 ; DE 43 16 012 C2 ; DE 295 06 005 U ; EP 1 275 864 B1 , vgl. auch U. Klink und G. Flores, Laser-Strukturieren von Zylinderlaufbahnen, 9. Internationales Feinbearbeitungskolloquium, 12.–14.10.1999, Braunschweig; Vulkan-Verlag, Essen (1999), ISBN 3-8027-8644-0; T. Abeln und U. Klink, Laserstrukturieren zur Verbesserung der tribologischen Eigenschaften von Oberflächen, in: Dausinger, F. et al., Stuttgarter Lasertage, 2001, S. 61–64). Gleichwohl kann auf diese Technologie der Laserstrukturierung zur Ergänzung der vorliegenden Beschreibung hinsichtlich der verwendeten Geräte verwiesen werden.

Es hat sich gezeigt, dass durch das einfache Verfahren gemäß der Erfindung bei ansonsten gleicher Anpressfläche und gleichem Anpressdruck sehr viel höhere Drehmomente als nach dem Stande der Technik übertragen lassen. Auch Querkräfte zwischen ebenen nicht drehenden und nicht rotationssymmetrischen Flächen können auf diese Weise übertragen werden. Damit geht das Verfahren in seinem erfinderischen Gehalt und seiner Qualität weit über die bekannte Verbesserung der Haftfestigkeit von Lagerschalen in Pleuelaugen hinaus, wie es aus der EP 1 420 177 bekannt ist.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung und ihrer vorteilhaften Weiterbildungen wird im Folgenden anhand der beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Es stellen dar:
1 eine mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Verbindung einer Kurbelwelle und einer Riemenscheibe;
2 das in 1 mit II bezeichnete Detail in vergrößerter Darstellung;
3 die Stirnfläche 1' der Kurbelwelle 1 nach 2 in weiter vergrößerter Darstellung;
4 eine Draufsicht auf die Stirnfläche 1' in Richtung der Pfeile IV-IV in 3;
5 die Verbindung der Stirnfläche 1' der Kurbelwelle 1 mit der Stirnfläche 2'' der Stirnfläche 2 in einer 3 entsprechenden Vergrößerung;
6 mehrere Geometrien für die Anordnung der Erhebungen auf einer Stirnfläche.
Die 1 und 2 zeigen die Verbindung des Endes einer Kurbelwelle 1 (erstes Maschinenbauteil), zweier Ritzel 2 und 3 und einer Riemenscheibe 4 (weitere Maschinenbauteile) miteinander zu einer Baugruppe. Die Stirnfläche 1' der Kurbelwelle 1, die Stirnfläche 2' des Ritzels 2 und die Stirnfläche 3' des Ritzels 3 sind, wie aus 2 und 3 zu ersehen, mit Erhebungen 20 versehen. Werden nun die Kurbelwelle 1, die Ritzel 2, 3 und die Riemenscheibe 4, wie in 1 gezeigt, durch eine Innensechskantschraube 15, die sich durch eine Bohrung 16 in dem Axialfortsatz der Riemenscheibe 4 hindurch erstreckt und in ein Gewinde 17 in der Kurbelwelle 1 eingreift, senkrecht zu den genannten Flächen aneinander gezogen, so graben sich die gehärteten Erhebungen 20 in die glatte nicht gehärtete Stirnfläche 2'' des Ritzels 2, die glatte nicht gehärtete Stirnfläche 3'' des Ritzels 3 und in die glatte nicht gehärtete Stirnfläche 4'' der Riemenscheibe 4 ein und bilden damit jeweils einen Mikroformschluss, der die Übertragung von Drehmomenten möglich macht, die wesentlich größer sind als dies bei Aneinanderpressung glatter Oberflächen mit derselben Kraft der Fall wäre.
Das Anbringen der gehärteten Erhebungen 20 zum Beispiel an der Stirnfläche 1' nach 3 erfolgt durch Laserstrukturieren, das heißt durch hochenergetische gebündelte und auf die zu bearbeitenden Fläche fokussierte Laserstrahlen. Es handelt sich dabei zum Beispiel um einen YAG-Laser (Ytrium-Aluminium-Granat-Laser) (vergleiche zum Beispiel die schematische Darstellung eines solchen Lasers bei Popraw, R., Lasertechnik für die Fertigung, Springer-Verlag Berlin/Heidelberg 2005, S. 232' sowie die eingangs gegebenen Hinweise auf die Patentliteratur). Man kann eine Fläche 1' mit einem solchen Laser zum Beispiel so beaufschlagen, dass längliche Taschen 21 entstehen (vgl. 3, 4). Das Einbringen solcher Strukturen kann in verschiedenen Mustern erfolgen, zum Beispiel auch punktförmig. Dann sind die Taschen 22 rund. Diese runden oder länglichen Taschen können nun ihrerseits linienförmig (z. B. als Riefen 23) oder kreisförmig in verschiedene Geometrien aufgebracht sein, wie das aus 6 hervorgeht.
Beim Einbringen der Erhebungen 20 mittels Laserstrahlen entstehen die Erhebungen durch punktuelles Schmelzen des Materials der Flächen, das sich an den Rändern aufwirft, anschließend sich durch Erkalten verfestigt und dabei aushärtet. Die hohe Konzentration der Energie im Fokus des Laserstrahls bewirkt das Aufschmelzen und Aushärten der Erhebungen des Materials in der ansonsten weicheren und glatten Oberfläche.
Dies führt dazu, dass sich diese aufgeschmolzenen und gehärteten Erhebungen 20 der Flächen 1', 2', 3' beim Aneinanderpressen wie nach 1 in die glatten nicht gehärteten, somit weicheren und als Partner bei der Bildung von Baugruppen dienenden Flächen 2'', 3'', 4'' eingraben und damit eine drehmomentfeste beziehungsweise querkraftfeste Verbindung bilden. Diese Verbindung ist auch wieder lösbar.
Die Erfindung geht über das beschriebene bevorzugte Ausführungsbeispiel hinaus. Sie umfasst nicht nur durch Laserstrukturieren, d. h. im Prinzip durch ein punktuelles Aufschmelzen und Härten erzeugte Erhebungen, die sich in eine weichere Fläche graben sollen. Die Erhebungen können auch mittels eines Elektronen-Strahls oder mechanisch eingebracht sein. Wichtig ist, dass sie härter sind als die "weiche" Fläche des jeweils anderen Maschinenbauteils.

1: Kurbelwelle
1': mit Erhebungen 20 versehene Stirnfläche von 1
2: Ritzel
2': mit Erhebungen 20 versehene Stirnflächen von 2
2'': glatte Stirnfläche von 2
3: Ritzel
3': mit Erhebungen versehene Stirnfläche von 3
3'': glatte Stirnfläche von 3
4: Riemenscheibe
4'': mit Erhebungen 20 versehene glatte Stirnfläche von 4
15: Innensechskantschraube
16: Bohrungen
17: Gewinde
20: Erhebungen in 1', 2', 3'
21: längliche Taschen
22: runde Taschen
23: Riefen

Claims

Verfahren zur kraftschlüssigen Verbindung der Stirnflächen (1', 2''; 2', 3''; 3', 4'') zweier Maschinenbauteile zur Übertragung hoher Drehmomente oder Querkräfte, dadurch gekennzeichnet, dass auf eine (1', 2', 3') der miteinander zu verbindenden Flächen (1', 2''; 2', 3''; 3', 4'') Erhebungen (20) am einem Material aufgebracht werden, die härter sind als das Material der anderen Fläche.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Erhebungen (20) durch Aufschmelzen und Härten des Materials der Fläche (1', 2', 3') aufgebracht werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Flächen (1', 1'', 2', 2'', 3, 3'', 4'') ebene oder konische Flächen sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Erhebungen (20) durch punktuelle oder linienförmige Beaufschlagung mit einem fokussierten Laserstrahl (Laserstrukturierung) aufgebracht sind.
Baugruppe aus Maschinenbauteilen, deren Stirnflächen (1, 1', 2, 2', 3, 3', 4'') durch Anpressdruck ausübende Mittel (15) aneinander gedrückt sind, bestehend aus mindestens zwei miteinander zu verbindenden Teilen, die mit Flächen aneinander anliegen, auf die in senkrechter Richtung eine Kraft oder Kraftkomponente einwirkt, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils eine (1', 2', 3') oder beide der aneinander gepressten Flächen mit Erhebungen (20) versehen sind, die härter sich als das Material der anderen Fläche.
Baugruppe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei aneinander angepressten Flächen mit Erhebungen versehen sind, und dass das Aneinanderanliegen derart erfolgt, dass keine Erhebungen aufeinander treffen.
Baugruppe nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Stirnflächen der Maschinenelemente solche rotationssymmetrischer Bauteile sind.
Baugruppe nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Erhebungen (20) durch punktuelle oder linienförmige Beaufschlagung mit einem fokussierten Laserstrahl (Laserstrukturieren) aufgebracht sind.