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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung einer Press-Presslöt-Verbindung zwischen einer Welle und einer Nabe nach den Oberbegriffen des 1. und 7. Patentanspruchs.
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Von einer Press-Presslöt-Verbindung spricht man dann, wenn an einer Pressverbindung zwischen den Bauteilen in der Verbindungsfuge ein Zusatzwerkstoff beteiligt ist.
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Aus
DD 0152 977 ist eine Wellen-Naben-Verbindung, insbesondere Pressverbindung, mit beschichteten Passflächen bekannt, mit welcher eine Erhöhung der übertragbaren Kräfte und Momente erzielt werden soll. Dabei sollen die nachteiligen Auswirkungen des örtlichen Gleitens beseitigt und der Haftreibwert zwischen den Passflächen erhöht werden. Dazu werden die Passflächen der Wellen-Naben-Verbindung mit, aus einer chemischen Verbindung des Grundwerkstoffes bestehenden, nichtmetallisch-anorganischen Schichten versehen. Bei dieser Lösung entsteht jedoch zwischen den Fügeteilen keine adhäsive Verbindung, wodurch die Steigerung der Übertragungsfähigkeit begrenzt ist.
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Ein Verfahren zur Verbesserung der Eigenschaften von Fügeverbindungen, vorzugsweise von lotbeschichteten Pressverbindungen, wird in
DD 219 410 A1 beschrieben. Die mit einer Lotschicht versehene Fügeverbindung wird dabei einer definierten dynamischen Belastung in axialer und/oder radialer Richtung unterworfen. Die Verbesserung der Eigenschaften ist dabei vom Anteil der stoffschlüssigen Fügeverbindungen abhängig, der während der dynamischen Belastung zunimmt. Bei einem bestimmten Anteil der stoffschlüssigen Fügeverbindungen kann kein örtliches Gleiten mehr auftreten.
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Eine Pressverbindung mit erhöhter Übertragungsfähigkeit durch zusätzlichen Stoffschluss wird in
DE 197 18 307 A1 beschrieben, wobei die Verbindung bei dynamischer Belastung nicht durch Tribokorrosion geschädigt oder zerstört werden soll. Zu diesem Zweck wird die Pressfläche der Welle und/oder Nabe einer Längspressverbindung oder einer Querpressverbindung mit einer Metallschicht hoher Adhäsionsneigung versehen oder Welle und Nabe bestehen teilweise oder vollständig aus Werkstoffen hoher Adhäsionsneigung, die bei örtlichen oder vollständigen Relativverschiebungen zwischen den Pressflächen von Welle und Nabe und bei Pressung zur Bildung lokaler oder vollständiger Stoffschlussverbindungen in der Pressfuge in Form von Kaltpresslötverbindungen oder Kaltpressschweißverbindungen führen.
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In
DE 199 64 105 C1 wird eine Presshülse in Form eines Maschinenelementes zur Übertragung hochdynamischer Torsions- und Biegemomente sowie Axialkräfte im Welle-Nabe-Verbund beschrieben, welche aus einem Rohrabschnitt besteht und zwischen Welle und Nabe angeordnet ist. Die Presshülse weist je eine Beschichtung auf dem Innenmantel als auch auf dem Außenmantel auf, welche sowohl als verbundstabile Konversionsschichten als auch als Metallschichten hoher Adhäsionsneigung oder aus anderen Werkstoffen hoher Adhäsionsneigung ausgebildet sein können. Nachteilig sind hierbei die Verwendung eines zusätzlichen Bauteils in Form der Presshülse und der erhöhte fertigungstechnische Aufwand.
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Aus
DE 197 03 533 A1 ist ein Antrieb mit einer drehfesten Verbindung einer Welle mit einer Nabe bekannt, wobei die Verbindung das Drehmoment des Antriebs begrenzt. Zur Sicherung des Antriebsstranges gegen Überlast sind Welle und Nabe mit Übermaß gefügt und wenigstens eine der Fügeflächen ist mit einem Lot beschichtet. Bei Überlast bricht die Verbindung auf, wodurch die Drehmomentspitze abgebaut wird. Nach Abklingen der Drehmomentspitze stellt sich die Verbindung selbsttätig wieder her. Für Verbindungen, bei denen hohe Drehmomente ohne Relativbewegung zwischen Welle und Nabe übertragen werden sollen, ist diese Verbindung nicht geeignet.
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In der Druckschrift
DE 197 18 307 A1 wird eine Pressverbindung beschrieben, bei welcher Welle oder Nabe mit einer Metallschicht hoher Adhäsionsneigung versehen sind, so dass bei Relativverschiebung zwischen den Pressflächen von Welle und Nabe lokale oder vollständige Stoffschlussverbindungen in der Pressfuge in Form von Kaltpresslöt- oder Kaltpressschweißverbindungen entstehen. Diese Bewegung kann in einer oder wechselnder Richtung erfolgen und wird beendet, wenn die geforderte Drehfestigkeit erreicht ist. Jedoch wird das Drehmoment nicht vorgegeben und das Drehmoment somit während des Trainierens nicht erfasst/überwacht. Weiterhin wird die Lage der Bauteile zueinander nicht bestimmt bzw. überwacht, so dass es vorkommen kann, dass diese nicht lagegerecht gefügt werden.
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In der Druckschrift
DE 198 40 466 A1 wird eine Lösung zur Herstellung einer steckbaren Antriebswelle beschrieben, bei welcher das Fügen eines Endstücks und eines Wellenabschnitts beispielsweise durch ein Hochtrainieren erfolgt, wobei eine kombinierte Fügeverbindung in der Art einer Pressverbindung und einer stoffschlüssigen Verbindung ohne Verwendung eines Lotes erzeugt wird. Weiterhin werden wie bei der vorgenannt beschriebenen Lösung das Drehmoment und der Drehwinkel während des Trainierens nicht erfasst/überwacht.
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Nach der Druckschrift
DE 101 53653 B4 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zum festen Verbinden zweier Konstruktionselemente mit einer Abschalteinrichtung zum Anhalten und/oder Unterbrechen der Antriebe für die Halteeinrichtungen der Fügepartner bekannt. Diese Abschaltvorrichtung ist in Abhängigkeit von einem Verbindungs-Festigkeitswert bei Erreichen eines vorgegebenen Drehmoment-Wertes oder eines Verschiebekraft-Wertes betätigbar. Wird nach Erreichen des vorgegebenen Drehmoment-Wertes oder des Verschiebekraft-Wertes die Abschalteinrichtung betätigt, kann es sein, dass sich die Fügepartner nicht in der zueinander geforderten Lage befinden und die Fügeverbindung damit nicht qualitätsgerecht ist.
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Ein Verfahren zur Verbindung einer Wellenkomponente mit einer Nabenkomponente und Welle-Nabe-Zusammenbau ist aus
DE 10 2005 026 713 A1 bekannt.
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Dabei sind die Durchmesser der Umfangsfügeflächen für einen Presssitz ausgelegt und befinden sich im gehärteten Zustand. Mindestens eines der Bauteile, d. h. die Wellenkomponente und/oder die Nabenkomponente, weist wenigstens im Bereich der Umfangsfügeflächen eine Lotschicht oder Lotbeschichtung, wie beispielsweise mit Kupfer und/oder Zink auf. Die Nabenkomponente kann mittels Querpressen oder mittels Längspressen gefügt werden. Gemäß einer Variante dieser Lösung kann nach dem axialen Fügen ein Trainieren der Wellenkomponente und der Nabenkomponente durchgeführt werden. In Weiterbildung dazu können folgende Maßnahmen jeweils alleine oder in Kombinationen vorgesehen sein: der Verbund aus der Wellenkomponente und der Nabenkomponente wird während des Trainierens mit einer axialen Kraft beaufschlagt; das Trainieren wird frei von einer linearen oder schraubenförmigen axialen Vorschubbewegung der Wellenkomponente und der Nabenkomponente relativ zueinander durchgeführt; der Trainiereffekt erfolgt zumindest im Wesentlichen und/oder gezielt nur an den Umfangsfügeflächen; und/oder ein gezieltes Trainieren an axialen Anschlagflächen der Wellenkomponente und der Nabenkomponente wird vermieden.
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Nachteil der vorgenannten Lösungen ist, dass bisher kein prozesssicheres Herstellen von Press-Presslötverbindungen möglich ist, welches gewährleistet, dass die Verbindung zwischen einer Welle und einer Nabe ab einem vorgegebenen Drehmoment verbundstabil ist.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung einer Press-Presslöt-Verbindung zwischen einer Welle und einer Nabe zu entwickeln, die es gestatten, die Welle-Nabe-Verbindung unter Verwendung eines Lotwerkstoffes prozesssicher und lagedefiniert zu fügen, wobei gewährleistet wird, dass die Verbindung ab einem vorgegebenen Mindest-Drehmoment verdrehsicher ist.
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Diese Aufgabe wird mit den kennzeichnenden Merkmalen der Ansprüchen 1 und 7 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Verfahrensgemäß erfolgt die Herstellung einer Press-Presslöt-Verbindung zwischen einer Welle und einer Nabe, wobei zwischen Welle und Nabe ein Übermaß besteht und die Welle und/oder die Nabe im Verbindungsbereich mit einer Lötschicht versehen ist/sind, wobei erfindungsgemäß zuerst das Herstellen der Press-Presslöt-Verbindung zwischen der Wellen und der Nabe erfolgt, so dass die geförderte Fügeposition erreicht ist und während des Trainiervorgangs eine Drehmomentenüberwachung erfolgt und wobei während des Herstellens der Verbindung und/oder nach dem Erreichen der vorgegebenen Fügeposition die Verbindung mit einem vorgegebenen Drehmoment beaufschlagt wird, und bei Erreichen des vorgegebenen Drehmomentes der Fügevorgang beendet wird oder bei nicht Erreichen des vorgegebenen Drehmomentes (Durchrutschen) zwischen Welle und Nabe ein Trainiervorgang erfolgt, bis die Verdrehfestigkeit zwischen Welle und Nabe bei dem vorgegebenen Drehmoment erreicht ist und während des Trainiervorgangs eine Drehwinkelüberwachung erfolgt und nach der Herstellung einer Press-Presslöt-Verbindung zwischen der Welle und der Nabe bei einer nicht gewünschten Lageabweichung zwischen Welle und Nabe ein das vorgegebene Drehmoment überschreitendes Drehmoment zwischen Welle und Nabe erzeugt und diese relativ zueinander bis zum Erreichen der geforderten Lage bewegt/verdreht werden.
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Die Pressverbindung kann in Form einer Querpressverbindung oder einer Längspressverbindung ausgebildet sein, wobei vorteilhafter Weise eine Kraft-Weg-Überwachung erfolgt. Weiterhin wird beim Herstellen der Längspressverbindung eine von der axialen Verschieberichtung in Richtung zur Verbindungsposition abweichende zusätzliche (dynamische) Relativbewegung erzeugt, die allgemein als Trainiervorgang bezeichnet wird. Die zusätzlichen Relativbewegungen des Trainiervorganges werden insbesondere in wechselnde Richtungen erzeugt, wobei es auch möglich ist, während des Herstellens der Verbindung einen Trainiervorgang durchzuführen. Insbesondere wird der Trainiervorgang durch eine in wechselnde Richtungen durchgeführte Drehbewegung, eine in wechselnde Richtung durchgeführte Axialbewegung oder eine Überlagerung dieser beiden Bewegungsformen (z. B. schraubenförmige Bewegung) durchgeführt.
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Während des Trainiervorganges erfolgt vorteilhafter Weise eine Drehmomenten- und Drehwinkelüberwachung (bei rotierendem Trainiervorgang) oder eine Überwachung des Kraft-Weg-Verlaufes (bei axialem Trainiervorgang).
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Nach der Herstellung der Press-Presslöt-Verbindung zwischen der Welle und der Nabe erfolgt bei einer nicht gewünschten Lageabweichung zwischen Welle und Nabe ein Beaufschlagen mit einem das vorgegebene Drehmoment überschreitenden Drehmoment, so dass diese relativ zueinander bis zum Erreichen der geforderten Lage verdreht werden. Wurde eine axiale Trainierbewegung durchgeführt und es besteht nach Abschluss des Trainiervorganges noch eine axiale Lageabweichung der Welle und der Nabe zueinander, wird eine Axialkraft erzeugt, die die Press-Presslöt-Verbindung trennt und die beiden Bauteile bis zur gewünschten Lage zueinander verschiebt. Zur Bestimmung der Position der Bauteile zueinander wird der Drehwinkel oder der axiale Verschiebeweg genutzt.
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Beim Trainiervorgang werden bevorzugt die Welle und die Nabe alternierend bis zu einem Drehwinkel von 360° relativ zueinander verdreht.
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Die Vorrichtung zur Herstellung einer Press-Presslöt-Verbindung zwischen einer Welle und einer Nabe, wobei zwischen Welle und Nabe ein Übermaß besteht und die Welle und/oder die Nabe im Verbindungsbereich mit einer Lotschicht versehen ist/sind, weist erfindungsgemäß eine erste Aufnahmevorrichtung für die Welle und eine zweite Aufnahmevorrichtung für die Nabe auf, wobei die erste Aufnahmevorrichtung der Welle und/oder die zweite Aufnahmevorrichtung der Nabe zueinander drehbar und/oder in axialer Richtung relativ zueinander bewegbar sind und wenigstens eine Einrichtung zur Drehmoment- und/oder Drehwinkelmessung und/oder eine Einrichtung zur Weg- und/oder Kraftmessung integriert ist.
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Die erste Aufnahmeeinrichtung für die Welle ist bevorzugt in Form einer Spanneinrichtung ausgebildet und kann zusätzlich mit der Welle korrespondierende ineinander greifende Formelemente aufweisen.
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Es ist möglich, auch die zweite Aufnahmeeinrichtung für die Nabe in Form einer Spanneinrichtung auszubilden. Auch in diesem Fall sollten ineinander greifende Formelemente vorhanden sein. Alternativ kann die Aufnahmeeinrichtung auch nur in der Art einer Form ausgebildet sein, in die die Nabe einlegbar ist.
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In die Vorrichtung ist eine Steuerung integriert, die nach Erreichen des geforderten Drehmomentes an eine Anzeigeeinrichtung das Signal weiterleitet, dass die Press-Pressverbindung erzeugt ist.
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Bei Nichterreichen des geforderten Drehmomentes leitet die Steuerung an einen Antrieb der Welle und/oder der Nabe ein Signal zur Durchführung einer vorgegebenen Relativbewegung weiter.
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Mittels der Wegmesseinrichtung wird nach Abschluss des Trainiervorganges die Lage der Welle und der Nabe zueinander bestimmt. Bei Abweichung von der Solllage wird der Steuerung ein Signal über die Lageabweichung bereitgestellt, Die Steuerung leitet an den Antrieb der Welle und/oder der Nabe ein Signal zur Erzeugung einer Relativbewegung zum Ausgleich der Lageabweichung weiter. Dabei ist sicherzustellen, dass der dabei erzeugte Kraftaufwand die zwischen Welle und Nabe erzeugte Press-Presslöt-Verbindung wieder auftrennt. Bei Erreichen der geforderten Lage wird dann wieder die Press-Presslöt-Verbindung zwischen Welle und Nabe hergestellt, mit der wiederum das geforderte Drehmoment übertragbar ist.
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Mit der erfindungsgemäßen Lösung wird es erstmalig möglich, eine Welle-Nabe-Verbindung unter Verwendung eines Lotwerkstoffes in Form einer Press-Presslöt-Verbindung prozesssicher und lagedefiniert herzustellen. Dabei wird gewährleistet dass die Verbindung ab einem vorgegebenen Mindest-Drehmoment bis zu einem die Verbindung noch gewährleistenden Drehmoment verdrehsicher ist. Wird ein höherer Kraftaufwand erzeugt, kann die Verbindung aufgetrennt werden, um z. B. eine andere Positionierung vorzunehmen oder die Nabe von der Welle zu entfernen.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels und zugehöriger Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
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1a: dreidimensionale Prinzipdarstellung der Vorrichtung von oben,
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1b: dreidimensionale Prinzipdarstellung der Vorrichtung von unten,
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2: dreidimensionale Prinzipdarstellung der ersten Aufnahmeeinrichtung für die Welle,
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3: Prinzipdarstellung der zweiten Aufnahmeeinrichtung für die Nabe in der Draufsicht,
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4: prinzipieller Ablauf des Fügeverfahrens.
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In 1a ist die dreidimensionale Prinzipdarstellung der Vorrichtung von oben, und in 1b die dreidimensionale Prinzipdarstellung der Vorrichtung aus einer Ansicht von unten dargestellt.
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Die Vorrichtung 1 weist einen Tisch 2 auf, welcher in einer Rahmenkonstruktion 3 angeordnet ist. Unter dem Tisch 2 ist ein hydraulischer Drehantrieb 4 mit einer nicht dargestellten Einrichtung zur Drehwinkelmessung und/oder Drehmomentmessung angeordnet. Auf dem Tisch 2 sitzt die zweite Aufnahmevorrichtung 5.2 für die Nabe N, die hier in die zweite Aufnahmevorrichtung 5.2 eingespannt wurde.
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Über der zweiten Aufnahmeeinrichtung befindet sich die erste Aufnahmeeinrichtung 5.1 (Spannvorrichtung) für die Welle W, diese sitzt an einer sich horizontal zwischen zwei vertikalen Trägern 6 erstreckenden Platte 7, welchem eine erste Aufnahmeeinrichtung 2 für die Welle W angeordnet ist.
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Über der ersten Aufnahmeeinrichtung 5.1 ist ein hydraulischer Presszylinder 8 angeordnet, der einen Pressstößel 8.1 aufweist, der dazu dient, die Welle W durch eine Längspressverbindung in die Nabe N einzupressen.
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Die erste Aufnahmeeinrichtung 5.1 für die Welle W ist mit einem ebenfalls hydraulischen Drehantrieb 9 versehen und weist eine nicht näher dargestellte Einrichtung zur Drehwinkelmessung auf.
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Die dreidimensionale Prinzipdarstellung der ersten Aufnahmeeinrichtung 5.1 für die Welle (hier nicht dargestellt) wird in 2 gezeigt. Die erste Aufnahmeeinrichtung 5.1 weist eine Durchgangsbohrung 10 zur Aufnahme der Welle auf. Es sind weiterhin zwei radial zustellbare Backen 11 vorgesehen, die in entsprechende Ausnehmungen der Welle eingreifen, so dass eine verdrehsichere formschlüssige, jedoch längsverschiebbare Aufnahme der Welle in der ersten Aufnahmeeinrichtung 5.1 gewährleistet ist.
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Die Prinzipdarstellung der zweiten Aufnahmeeinrichtung 5.2 für die Nabe (nicht dargestellt) in der Draufsicht ist in 3 dargestellt. Die zweite Aufnahmeeinrichtung 5.2 weist eine Aufnahmeöffnung 13 auf, in welche die Nabe einlegbar ist. Zur verdrehgesicherten Aufnahme der Nabe sind drei radial zustellbare Klemmbacken 14 vorgesehen, die ebenfalls in entsprechende Ausnehmungen der Nabe eingreifbar sind.
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Alternativ kann auch die zweite Aufnahmeeinrichtung der äußeren Form der Nabe angepasst sein (nicht dargestellt), so dass diese nur in die Aufnahmeeinrichtung eingelegt werden muss und keine Klemmbacken erforderlich sind. Auch hier sollte ein verdrehsicheres Einlegen durch entsprechende Formelemente gewährleistet sein.
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In 4 ist der prinzipielle Ablauf des Fügeverfahrens dargestellt.
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Bei Verfahrensstufe 1 erfolgt das Spannen der Welle und der Nabe (die zueinander am Außendurchmesser und am Innendurchmesser ein Übermaß aufweisen) in der ersten und der zweiten Aufnahmeeinrichtung 5.1, 5.2 (1), wobei die Welle und/oder die Nabe vorher mit einem Lotwerkstoff zumindest an der Fügeposition beschichtet wurden. In Verfahrensstufe 2 erfolgt durch den Presszylinder 8 mit dessen Pressstößel 8.1 das Längseinpressen der Welle in die Nabe bis zur gewünschten Fügeposition.
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In Verfahrensstufe 3 erfolgt das Messen des Drehmomentes mit einer Drehmomentenmesseinrichtung.
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Wird ein vorgegebenes Drehmoment gewährleistet, wird in Stufe 4.1 angezeigt, dass der Fügevorgang beendet ist.
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Drehen sich Welle und Nabe durch, wird in Stufe 4.2 entschieden, dass in einer Stufe 5 ein Trainiervorgang erfolgen muss.
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Bei dem Trainiervorgang erfolgt eine Relativdrehung zwischen Welle und Nabe durch einen oder beide Drehantriebe. Dabei kann die Drehrichtung reversierend geändert werden. Durch diese Relativbewegung werden die Oxidschichten der Fügeflächen der Fügepartner aufgerissen und die Fügeflächen aktiviert und auf den Abstand des Wirkens atomarer Kräfte angenähert. Der durch die Pressverbindung wirkende Druck und die beim Trainieren entstehende Temperatur wirken als Diffusionskräfte und verursachen die Ausbildung zusätzlicher Presslötverbindungen.
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Alternativ ist auch ein Trainiervorgang durch anders gerichtete Relativbewegungen und/oder nur durch Temperatureintrag möglich.
