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Die
Erfindung betrifft eine axial abdichtende Fügesonde zum Befestigen von
Bauteilen auf einer Hohlwelle nach dem Innenhochdruckfügeverfahren.
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Mit
dem Innenhochdruckfügeverfahren
(IHF) lassen sich auf rohrförmige
Bauteile, wie Hohlwellen oder dergleichen als Innenteil und Naben,
z. B. Nocken oder andere dem Fügeverfahren
hinsichtlich ihrer Geometrie angepasste Bauelemente, als Außenteil
aufbringen und starr miteinander verbinden. Im ungefügten Zustand
weisen diese Fügeteile
noch ein gewisses Spiel zueinander auf, sodass deren Positionierung
in axialer und tangentialer Richtung in einfacher Weise erfolgen
und so im Fertigungsergebnis eine lagegenaue und feste Fügeverbindung
erzielt werden kann. Zur Herstellung der Fügeverbindung bringt man in
die Hohlwelle ein mit Axial- und Radialbohrungen versehenes Fügewerkzeug
(Fügesonde) ein
und führt über diese
Bohrungen anschließend
ein mit externen Druckerzeugungsmitteln hergestelltes Wirkfluid
dem zu beaufschlagenden Fügebereich
von Innen- und Außenteil
zu. Bei druckfester Abdichtung des Fügebereichs wird durch den dort
herrschenden Hochdruck das zunächst
noch vorhandene Spiel zwischen der Hohlwelle als dem Innenteil und
bspw. einer Nabe als dem Außenteil
beseitigt, da der zwischen beiden Bauteilen vorhandene Spalt durch
deren Aufweitung überbrückt wird
und sich die Welle an die Innenkontur der Nabe anlegt. Bei geeigneter
Abstimmung der Streckgrenzen von Welle und Nabe erfolgt eine plastische
Verformung der Welle derart, dass diese auch nach Rücknahme
des Fluiddruckes nicht mehr in ihre Ausgangslage zurückfedert,
sondern mit der Nabe in einer festen, zumeist kraftschlüssigen Pressverbindung
verbleibt.
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Das
Innenhochdruckfügen
beschreibt beispielsweise die Druckschrift
DE 19802484 C2 , welche
als Anwendungsbeispiel ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung
von gebauten Nockenwellen aufzeigt. Dabei erfolgt der Aufbau des
Innenhochdruckes im Fügebereich
einer Hohlwelle und den darauf aufgeschobenen Nocken mittels einer lanzenartigen
Fügesonde
mit Druckkanälen,
welche in entsprechend vorgewählter
Lage positioniert sind. Damit das Aufweiten der Bauteile nur abschnittsweise
und ausschließlich
innerhalb des Fügebereiches von
Nocken und Hohlwellen sowie einer Lagerstelle der Hohlwelle erfolgen
kann, sind beiderseis der Austrittsöffnungen von Radialbohrungen
ringförmig
am Sondenumfang angeordnete, axial beabstandete Radialdichtungen
vorgesehen, welche ein Entstehen des Innenhochdruckes ausschließlich im
Aufweitraum zwischen diesen Radialdichtungen zulassen. Die technische
Lehre nach
DE 19802484
C2 soll so helfen, die mechanische Beanspruchbarkeit der Hohlwelle-Nockenverbindung
zu erhöhen
und somit auch deren Betriebssicherheit in jedem Motorbetrieb zuverlässig zu
verbessern.
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Die
im Ergebnis auch als Welle-Nabe-Verbindung bekannten Verfahren zum
Innenhochdruckfügen
sind heute ein grundlegendes Element im Maschinenbau und finden
zur Kraft- bzw. Leistungsübertragung
zwischen einem mechanischen Innen- und einem Außenteil eine millionenfache
Anwendung, insbesondere auch in der Antriebstechnik. Dabei ist die
Gestaltung der Fügesonde
bis heute stets so ausgerichtet, dass sich die beiden, den unter
Hochdruck stehenden Fügeraum
seitlich abdichtenden Dichtungen an der Fügesonde und der Innenwand der
Hohlwelle radial abstützen.
Dazu ist es erforderlich, dass die Hohlwelle oder das Rohr in axialer
Richtung beidseitig mit einer sogenannten Mindestüberstandslänge über die
Nabe hinausstehen. Wenn also der Anwender aus Platzgründen Hohlwelle
und Nabe bündig
abschließen
lassen möchte,
so muss die Welle nach dem Fügen
durch ein geeignetes Abtrennverfahren, z. B. durch Sägen oder
Drehen, gekürzt
werden. Dadurch wird aber die Fertigung aufwendiger und das Produkt
verteuert sich.
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Es
ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Fügesonde
zum hochgenauen Fügen
eines hohlzylindrischen Innenteils, z. B. einer Hohlwelle, mit einem
darauf aufgeschobenem Außenteil,
z. B. einer Nabe, nach dem Innenhochdruckfügeverfahren zu schaffen, mit
der sich die aus den Erfordernis der Mindestüberstandslänge der Hohlwelle über die
Nabe bekannten Nachteile beim Pressfügen auf ein Minimum reduzieren
lassen.
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Erfindungsgemäß wird die
Aufgabe mit einer Fügesonde
gemäß Anspruch
1 gelöst.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung
sind der Gegenstand von mehreren Unteransprüchen.
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Die
Erfindung soll nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels und in Verbindung
mit drei schematischen Zeichnungen näher erläutert werden.
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In
den Zeichnungen zeigen
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die 1 beispielhaft
und in an sich bekannter Weise im Längsaxialschnitt eine Hohlwelle-Nabe-Verbindung
mit einem in die Hohlwelle eingeführten Sondenwerkzeug während des
Innenhochdruckfügens,
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die 2 in
vereinfachter Darstellung die einzelnen Phasen des Innenhochdruckfügens von Pressverbindungen
und
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die 3 in
schematischer Schnittdarstellung ein Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung mit
einer in die aufzuweitende Hohlwelle eingeführten erfindungsgemäßen Fügesonde
und bei minimaler Überstandslänge der
Welle.
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In 1 sind
zum Fügen über eine
Hohlwelle 1 Naben 2 als Außenteil geschoben und in vorgegebener
Lage positioniert. Zur Herstellung einer kraftschlüssigen Verbindung
zwischen der Hohlwelle und den Naben wird zum Aufweiten in die Hohlwelle ein
Sondenwerkzeug 3 mit einer Axialbohrung 4 und Radialbohrungen 5 eingebracht.
Durch diese Bohrungen gelangt das unter hohem Druck p stehende Druckmittel
aus einem hier nicht dargestellten Druckmittelerzeuger in einen
durch Ringdichtungen 6 begrenzten, abgedichteten Druckraum 7 innerhalb
der Hohlwelle. Dadurch werden die Hohlwelle 1 und die Nabe 2 in
dem durch den Aufweitraum festgelegten Fügebereich in radialer Richtung
aufgeweitet und Pressverbindungen zwischen diesen Bauelementen hergestellt.
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Die
einzelnen Phasen des Fügevorganges verdeutlicht
die 2. In der Phase 1 der Positionierung der Hohlwelle 1 und
der Nabe 2 ist im noch ungefügten Zustand ein radialer Spalt 8 zwischen
beiden Bauteilen vorhanden, wodurch sich deren Positionierung zueinander
sowohl in axialer als auch in radialer Richtung erheblich einfacher
gestaltet. Im Aufweitvorgang gemäß Phase
2 wird das durch den Spalt 8 hervorgerufene Spiel aufgehoben,
weil sich die Hohlwelle 1 unter der Wirkung des inzwischen vorhandenen
Innenhochdruckes radial aufzuweiten beginnt und dabei gegen die
Nabe als Außenteil presst.
Zwischen Innen- und Außenteil
bildet sich so ein Presssitz aus. Die Phase 3 schließlich verdeutlicht
den Vorgang des Zurückfederns
des aus elastischem Material bestehenden Außenteils bei Druckentspannung,
wodurch sich die im Ergebnis des Aufweitungsprozesses kraftschlüssige Verbindung
dem Außen-
und dem Innenteil noch weiter stabilisiert.
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In 3 wird
beispielhaft eine Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Fügesonde 3 dargestellt,
mit der eine feste Fügeverbindung
zwischen der Hohlwelle 1 und der darauf aufgeschobenen Nabe 2 erreicht
werden soll. Der Fügebereich
bestimmt sich dabei im Wesentlichen durch die Dicke der auf eine
vorgegebene Position aufgebrachten Nabe. Zur Herstellung der kraftschlüssigen Verbindung
wird die hohlzylindrische Fügesonde 3 mit
ihrem äußeren hohlzylindrischen
Fügeteil 9,
welches ein darin eingeschobenes, aus einem Vollmaterial bestehendes
zylindrisches Innenteil 10 enthält, mit seinem abgesetzten
Ende bis zu einem durch eine Anschlagfläche 11 am Fügeteil 9 definierten
Anschlag in die aufzuweitende Hohlwelle 1 eingeführt. Das
Fügeteil 9 besitzt
eine über
seinen Umfang verlaufende und an der Innenwand der Hohlwelle anliegende
Ringdichtung 12. Eine weitere Ringdichtung 13 ist
hingegen umfänglich
in die Anschlagfläche 11 des
Fügeteils 9 eingearbeitet
und liegt an der Stirnfläche
der Hohlwelle abdichtend an. Beide Ringdichtungen 12, 13 begrenzen
den Druckraum 7 und schließen diesen druckdicht ab. Während jedoch
die Ringdichtung 12 die Hohlwelle radial an der Innenwand berührt und
mit zur Abdichtung des Druckraumes 16 beiträgt, bewirkt
die Ringdichtung 13 eine axiale Abdichtung dieses Druckraumes
durch eine druckdichte Verbindung zwischen dem Fügeteil 9 und der Stirnfläche der
Hohlwelle 1, wobei die zu fügenden Bauteile von Hohlwelle
und Nabe nahezu bündig
zueinander abschließen
können,
ohne dass dabei die bei den bisherigen Verfahren notwendige Mindestüberstandslänge der
Hohlwelle beachtet werden müsste.
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Mit
Hilfe eines auf dem Fügeteil 9 angeordneten
Stellgliedes 14 (Stellmutter) lässt sich die Ringdichtung 12 ortsfest
positionieren. Über
Druckkanäle 15 wird
der im Fügebereich
zwischen der Außenseite des
Fügeteils 9 und
der Innenwand der Hohlwelle gelegene Druckraum 16 mit einem
Druckmittel eines externen Druckmittelerzeugers beaufschlagt. Unter der
Wirkung des dadurch im Druckraum vorhandenen Innenhochdruckes werden
in dem durch den Druckraum festgelegten Aufweitbereich die Hohlwelle
sowie die Nabe aufgeweitet und auf diese Weise eine Pressverbindung
zwischen diesen Bauteilen hergestellt. Die zum Abdichten des Druckraumes 16 durch
die Ringdichtung 13 notwendige Axialkraft wird dabei von
der Fügesonde
selber geliefert. Dazu wird das Druckmittel über die Druckkanäle 15 einem
in der Fügesonde
angeordneten weiteren Druckraum 16' zugeführt. Der dort aufgebaute Druck
beaufschlagt über
eine diesen Druckraum 16' begrenzende
und endseitig über
den Umfang des Fügeteils
verlaufende Ringdichtung 17 das Innen teil 10 mit
seinem Kopplungselement 18 in axialer Richtung. Eine dadurch
mögliche
Axialverschiebung des vollzylindrischen Innenteils 10 wird
aber unterbunden, weil sein stabförmiges und durch die Innenbohrung
von Fügeteil
und Hohlwelle hindurchgreifendes Kopplungselement 18 über einen
sich am freien Ende der Hohlwelle 1 abstützenden
Gegenhalter 19 eine Gegenkraft aufbaut, welche ein Verschieben
des Innenteils 10 verhindert.
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Das
Endstück 21 des
in der Fügesonde
innenliegenden Kopplungselements 18 besitzt eine V-förmige Kontur
und ist entsprechend 3 über ein im Berührbereich
eine übereinstimmender
Geometrie aufweisendes Verbindungsstück 20 mit dem Gegenhalter 19 verbunden.
Diese Verbindungsstelle kann aber auch durch eine Schraubverbindung
realisiert werden.
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Damit
das Innenteil 10 mit seinem Kopplungselement 18 nach
dem Fügevorgang
aus der Hohlwelle 1 herausgezogen werden kann, ist das Verbindungsstück 20 so
ausgeführt,
dass es in Umfangsrichtung, um 90 Grad gegenüber der V-Kontur versetzt,
zwei Nuten so großem
Außenmaßes aufweist,
sodass beim Drehen des Innenteils 10 um 90 Grad dessen
Herausziehen aus der Innenbohrung der Hohlwelle möglich wird.
Vor diesem 90-Grad-Drehvorgang
muss aber das Innenteil 10 zunächst um einen geringen Betrag
in entgegengesetzter Richtung axial verschoben werden, um so die Entkopplung
der kegeligen Kontur zwischen dem Verbindungsstück 20 und den Endstück 21 des Kopplungselements 18 zu
ermöglichen.
Diese Axialverschiebung kann durch eine am Innenteil 10 vorgesehene
Ausdrehung 22 sichergestellt werden.
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Die
Positionierung der Fügesonde 3 mit
ihrem Fügeteil 9 und
Innenteil 10 mit Kopplungselement 18 ist zu Beginn
des Fügeprozesses
in umgekehrter Reihenfolge vorzunehmen. Vorteilhafterweise können die
Berührungsflächen zwischen
dem Verbindungsstück 20 und
dem Gegenhalter 19 kegelförmig ausgebildet sein.
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Zur
weitgehenden Vermeidung von Oberflächenbeschädigungen aufgrund der notwendigerweise
zueinander erfolgenden Relativbewegungen sind an den Fügesondenteilen
außerdem
mehrere O-Ringe 23 vorgesehen,
welche in radialer Richtung eine elastische Abstützung der Einzelkomponenten
der Fügesonde
ermöglichen.
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Möglich sind
aber auch noch andere konstruktive Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Fügesonde.
Das für
die Erfindung kennzeichnende Merkmal besteht jedoch vor allem in
der Schaffung einer axialen Abdichtung für das Fügewerkzeug, wodurch die Mindestüberstandslänge A zwischen
der Stirnfläche
des zu fügenden
Außenteils
und dem Wellenende so weit verringert werden kann, dass die mit
einem Wellenüberstand
zusammenhängenden Schwierigkeiten
nicht erst durch ein fertigungstechnisch aufwendiges Kürzen der
Hohlwelle beseitigt werden müssen.