DE102008047296A1

DE102008047296A1 - Wellenverbindung mit formschlüssigen Spiralflächen

Info

Publication number: DE102008047296A1
Application number: DE102008047296A
Authority: DE
Inventors: Erich Schuermann
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2008-09-16
Filing date: 2008-09-16
Publication date: 2010-04-15

Abstract

Die Erfindung betrifft eine fertigungstechnisch einfache, formschlüssige Verbindung zur lösbaren, stirnseitigen Verbindung insbesondere zweier Wellen zur Drehmoment- und Querkraftübertragung. Um eine einfache Herstellung der Stirnverzahnung auf einer entsprechenden Drehmaschine zu ermöglichen, verlaufen die Wirkflächen erfindungsgemäß entlang einer vorzugsweise archimedischen Spirale. Mehrere Spiralen sind am Umfang verteilt und haben die gleiche Steigung, den gleichen Drehsinn und die gleiche Spiralachse. Die entlang der Spiralen sich erstreckenden Wirkflächen tauchen axial ineinander und ergeben eine formschlüssige Verbindung. Figur 1 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Wellenverbindung mit dem bevorzugten, trapezförmigen Verzahnungsquerschnitt. Die Wellenverbindung besteht aus zwei Teilen (1) und (2), die an ihren Wirkflächen formschlüssig ineinander passen. Die Wirkflächen bilden einerseits die Seitenlinien (3) des trapezförmigen Querschnitts (4) der Verzahnungselemente und andererseits verlaufen die Wirkflächen entlang einer ebenen archimedischen Spirale (5). Im Zentrum der Wellenverbindung (6) ist Raum für eine Schraubverbindung zur axialen Verspannung der Wellenverbindung.

Description

Zunächst betrifft die Erfindung ein Konstruktionselement zur stirnseitigen Verbindung zweier Wellen. Es geht hier um eine fertigungstechnisch besonders vorteilhafte Gestaltung einer formschlüssigen Verbindung insbesondere für Wellen, Achsen und Flanschen mit Hilfe einer spiralförmigen, stirnseitigen Geometrie.
STAND DER TECHNIK
Die einfachste stirnseitige Verbindung von Wellen oder Bolzen ist die stirnseitige, zentrale Verschraubung mit einer zylindrischen Zentrierung gegen Querverschiebung und lediglich reibschlüssiger Drehmomentübertragung. Hier besteht die akute Gefahr des Lösens der Schraubverbindung. Bei zentrischen, axialen Schraubverbindungen ist es für eine sichere Wellenverbindung unbedingt erforderlich, eine formschlüssige Sicherung gegen Verdrehen vorzusehen. Es gibt eine Vielzahl von Verdrehsicherungen. Einerseits sind Stirnverzahnungen bekannt, deren Wirkflächen sich wesentlich radial und axial erstrecken. Zu dieser Gruppe der Stirnverzahnungen gehören die vielfältigen Klauenkupplungen und die Voith-Hirth-Verzahnungen. Typischer Nachteil dieser Wellenverbindungen mit ihren radialen Wirkflächen und tangentialen Kraftwirkungen sind die aufwändige Fertigung der stirnseitigen Konturen. Die Fertigung erfolgt üblicherweise nicht in einer Aufspannung und auf verschiedenen Werkzeugmaschinen. Andere Wellenverbindungen mit wesentlich tangential und axial verlaufenden Wirkflächen benötigen Naben und gehören zu der Gruppe der Welle-/Nabeverbindungen und benötigen somit einen größeren Bauraum als die Wellenverbindungen mit stirnseitigen Wirkflächen. Ein schwerwiegender Nachteil der formschlüssigen Wellenverbindungen mit stirnseitig angeordneten Wirkflächen gemäß dem Stand der Technik ist eine sehr aufwändige, üblicherweise mehrstufige Fertigung auf unterschiedlichen Werkzeugmaschinen.
BESCHREIBUNG
Das Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Lösung der Aufgabe, eine formschlüssige Wellenverbindung mit stirnseitigen Wirkflächen zu schaffen, die einen geringen Bauraum beansprucht und einen geringen Fertigungsaufwand erfordert. Die Aufgabe soll dadurch gelöst werden, dass die wesentlichen Bauteile auf einer Drehmaschine in einer Aufspannung hergestellt werden können. Die für eine stirnseitige, formschlüssig ineinander greifende Verzahnungskontur erforderliche Bearbeitung soll wesentlich mit dem Planvorschub einer Drehmaschine erfolgen, der mit dem Drehwinkel des Werkstücks gekoppelt ist. Die erfindungsgemäße Lösung ist eine Spirale. Die Verzahnung besteht aus Rippen und Nuten, die sich wesentlich spiralförmig erstrecken. Hier bietet sich zunächst die archimedische Spirale an, deren Radius linear mit dem Drehwinkel zunimmt, was einem konstanten Planvorschub pro Umdrehung der Drehmaschine entspricht. Der konstante Planvorschub ermöglicht weitgehend einen fast gleichbleibenden Abstand zwischen den Nuten und Rippen der Stirnverzahnung. Die formschlüssigen Wirkflächen der Wellenverbindung zur Kraftübertragung erstrecken sich damit entlang einer archimedischen Spirale. Die archimedische Spirale ist eine Kurve, die sich ergibt, wenn ein Radiusstrahl sich um eine Achse dreht und der Radius kontinuierlich anwächst mit einem zunehmenden Drehwinkel. Der Anstieg des Radius pro Umdrehung ist die Steigung der archimedischen Spirale. Bei einer archimedischen Spirale ist die Steigung konstant. Der Steigungswinkel oder auch Tangentenwinkel genannt, das ist der Winkel zwischen der Spirale und tangentialen Richtung in einem Punkt der Spirale, nimmt bei einer archimedischen Spirale mit zunehmendem Drehwinkel zu. Je größer der Steigungswinkel, desto größer ist der formschlüssige Effekt und desto geringer ist der reibschlüssige Effekt. Bei nur radial und axial sich erstreckenden, stirnseitigen Wirkflächen wirken die Umfangskräfte stets senkrecht auf die Wirkflächen und die Reibkräfte können in dieser Konstellation nicht für die Drehmomentübertragung genutzt werden. Erfindungsgemäß sollen jedoch die Reibkräfte, die sich mittelbar aus den Umfangskräften ergeben, für die Drehmomentübertragung genutzt werden. Die erfindungsgemäße Verbindung ist trotz der reibschlüssigen Effekte eindeutig eine formschlüssige Verbindung, die eine sehr vorteilhafte, zusätzliche reibschlüssige Wirkung zeigt, da eine Annäherung zweier spiralförmiger Kontaktflächen sich durch eine Verdrehung der spiralförmigen Kontaktflächen zueinander ergibt, was eine Gleitbewegung der Kontaktflächen bedingen würde, die durch die Reibung zwischen den Kontaktflächen der zu verbindenden Bauteile behindert wird. Insbesondere bei einer dynamischen Wechselbeanspruchung ist der Reibschlusseffekt der Kontaktflächen sehr vorteilhaft. Aus diesem Grunde kann eine zentral angeordnete Schraubverbindung ohne Lösegefahr angewendet werden. Um eine Verschiebung der Kontaktflächen durch Verdrehung der zu verbindenden Bauteile auch bei einer Extrembelastung zu vermeiden, ist ein möglichst großer Steigungswinkel der Spiralen vorzusehen, der nur begrenzt wird durch den maximal möglichen Vorschub je Umdrehung der Drehmaschine. Für eine Wellenverbindung sollte der Steigungswinkel der Spiralen einen Wert von etwa fünf Grad nicht unterschreiten. Deshalb werden erfindungsgemäß bevorzugt nur größere Steigungswinkel angewendet, die einen Spiralenverlauf zeigen, der deutlich von der Umfangsrichtung abweicht. Deshalb sind nur mehrgängige Spiralen für die erfindungsgemäße Wellenverbindung geeignet. Vor diesem Hintergrund ist eine logarithmische Spirale für die vorliegende Anwendung auch sehr gut geeignet, da hier der Steigungswinkel entlang der Spirale konstant bleibt. Allerdings nimmt bei einer logarithmischen Spirale der Radius mit dem Drehwinkel als Exponent zu. Der Planvorschub pro Umdrehung der Drehmaschine ist damit zur Erzeugung einer logarithmischen Spirale nicht konstant. Die archimedische und die logarithmische Spirale sind als Basis für die erfindungsgemäße Wellenverbindung geeignet. Die archimedische Spirale stellt deutlich geringere Anforderungen an die Steuerung und an die Programmierung der Drehmaschine und ergibt eine deutlich gleichmäßigere Verteilung der Nuten und der Rippen der Stirnverzahnung über dem Stirnquerschnitt der zu verbindenden Teile, da der radiale Abstand zwischen den Nuten und Rippen konstant ist.
Bei einer Beanspruchung durch Querkräfte liegt eine gleich hohe Belastbarkeit vor wie bei einer entsprechenden zylindrischen Zentrierung. Darüber hinaus bietet die erfindungsgemäße Verbindung mit mehrgängigen Spiralen unter einer Torsionsbelastung eine selbstzentrierende Wirkung der zu fügenden Elemente. Durch mehrere, gleichmäßig verteilte und somit mehrgängige Spiralen kann die gesamte Stirnfläche zur Kraftübertragung genutzt werden, was zu einer Wellenverbindung mit sehr geringem Raumbedarf führt.
Die fertigungstechnisch einfachste Lösung sind mehrgängige archimedische Spiralen. Mit einer Drehmaschine mit einem drehwinkelgesteuerten Planvorschub lässt sich die erfindungsgemäße, stirnseitige Spiralenkontur in einer Aufspannung des Werkstücks zusammen mit der übrigen zylindrischen Bearbeitung durchführen, da die Steigung einer archimedischen Spirale über dem Drehwinkel konstant ist. Die konventionellen Wellenverbindungen machen dagegen eine weitaus aufwändigere Bearbeitung auf zwei unterschiedlichen Werkzeugmaschinen, einer Drehmaschine und einer Fräsmaschine, erforderlich.
Eine vorteilhaft erweiterte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Wellenverbindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Wirkflächen sich einerseits entlang einer archimedischen oder logarithmischen Spirale erstrecken und die radiale Steigung von einer axialen Steigung überlagert wird. Aus der ebenen Spirale ist so eine räumliche Spirale entstanden.
1 zeigt eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Wellenverbindung mit einem trapezförmigen Verzahnungsquerschnitt. Die Wellenverbindung besteht aus zwei Teilen (1) und (2), die an ihren Wirkflächen formschlüssig ineinander passen. Die Wirkflächen bilden einerseits die Seitenlinien (3) des trapezförmigen Querschnitts (4) der Verzahnungselemente und andererseits verlaufen die Wirkflächen entlang einer ebenen archimedischen Spirale (5). Im Zentrum der Wellenverbindung (6) ist Platz für eine Schraubverbindung zur axialen Verspannung der Wellenverbindung.
2 zeigt eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Wellenverbindung wie in 1, jedoch mit mehreren, auf einem Kreis verteilten Schraubverbindungen (7) zur axialen Verspannung der zu verbindenden Flansche (8) und (9).
3 zeigt eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Wellenverbindung als Schraubenkopf und Schraubwerkzeug vorteilhaft mit einem rechteckigen Querschnitt der Verzahnungselemente. Der Schraubenkopf (10) hat Verzahnungselemente (11), die aus der Oberfläche (12) herausragen. Das Schraubwerkzeug (13), hier beispielhaft als Steckschlüssel dargestellt, hat Wirkflächen (14), die in die Oberfläche (15) hineinragen und die zur Zentrierung und zur Drehmomentübertragung die Verzahnungselemente (11) des Schraubenkopfs (10) formschlüssig aufnehmen können.
4 zeigt eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Wellenverbindung bei der sich die Wirkflächen entlang einer räumlichen Spirale erstrecken. Die Spirale wird gebildet durch eine radiale Steigung und eine axiale Steigung. Es wird dadurch eine Anordnung der Wirkflächen möglich, bei der nur bei einer Drehrichtung wirksame Wirkflächen entstehen. Diese Ausführungsform erlaubt bei Verwendung als Schraubenkopf nur eine Schraubbetätigung in einer Richtung.
Die im Hauptanspruch verwendete Formulierung, dass die Kurven parallel zu einer Spirale verlaufen, berücksichtigt nur den Umstand, dass die Bearbeitungswerkzeuge bei der Fertigung vorzugsweise auf die Werkzeugmitte programmiert werden und als Folge der Werkzeugbreite eine von der programmierten Spirale beabstandete, parallele Kurve entsteht, der die Wirkfläche folgt.

Claims

Stirnverzahnung an wenigstens einem Kupplungselement zur stirnseitigen, formschlüssigen, lösbaren Verbindung zweier, insbesondere rotationssymmetrischer Bauteile zur Übertragung von Drehmomenten und Querkräften, wobei die Stirnverzahnung axial formschlüssig in eine entsprechende Gegenverzahnung greift, gekennzeichnet dadurch, dass die formschlüssig sich berührenden Wirkflächen gekrümmt sind, jede der Wirkflächen eine geringe Ausdehnung und eine langgestreckte Ausdehnung besitzt, die langgestreckte Ausdehnung sich jeweils entlang einer Kurve erstreckt, die im Abstand von mindestens Null parallel zu einer Spirale in der gleichen Ebene liegt, wobei die Spiralen aller Wirkflächen die gleiche, vorzugsweise zentral angeordnete Spiralenachse besitzen, die Achsrichtung der Spiralen der Montagerichtung der zu verbindenden Bauteile entspricht, alle Spiralen der gleichen mathematischen Funktion gehorchen, der Steigungswinkel der Spiralen, gemessen zwischen der Spiralen und der Tangentenrichtung an jeder Stelle mindestens fünf Grad beträgt, die Drehrichtung der Spiralen an einem Bauteil der zu fügenden Bauteile dem Uhrzeigersinn entspricht und die Drehrichtung der Spiralen des anderen zu fügenden Bauteils dem Gegenuhrzeigersinn entspricht und die formschlüssigen Wirkflächen der beiden gefügten Bauteile eine deckungsgleiche Kontur aufweisen.
Stirnverzahnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass die Spiralen ebene archimedische Spiralen sind.
Stirnverzahnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass die Spiralen ebene logarithmische Spiralen sind.
Stirnverzahnung nach Anspruch 1 bis 3, gekennzeichnet dadurch, dass Schnittebenen, die sich senkrecht zur Spirale erstrecken, jeweils trapezförmige Profile der Verzahnung ergeben
Stirnverzahnung nach Anspruch 1 bis 4, gekennzeichnet dadurch, dass die zu verbindenden Bauteile vorzugsweise mit einer vorzugsweise in der Achse der Spiralen angeordneten, axialen Schraubverbindung gegeneinander gespannt werden (1).
Stirnverzahnung nach Anspruch 1 bis 4, gekennzeichnet dadurch, dass die zu verbindenden Bauteile mit mehreren Schraubverbindungen axial verspannt werden, die vorzugsweise auf einem, zur Spiralenachse konzentrischen Kreis angeordnet sind (2).
Stirnverzahnung nach Anspruch 1 bis 4, gekennzeichnet dadurch dass die erfindungsgemäßen Konturen einerseits an einem Schraubenkopf und andererseits an der Stirnseite des Schraubenbetätigungswerkzeugs angeordnet sind (3).
Stirnverzahnung nach Anspruch 1 bis 3, gekennzeichnet dadurch, dass die archimedischen Spiralen neben ihrer radialen Steigung auch eine axiale Steigung aufweisen (4).