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Die Erfindung betrifft eine Verbindungsanordnung der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art.
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Derartige Verbindungsanordnungen sind hinlänglich bekannt. Bei einer solchen Verbindungsanordnung, beispielsweise in Form einer Welle-Nabe-Verbindung, ist ein erster Körper mittels einer Pressverbindung mit einem zweiten Körper verbunden. Bei einer solchen Verbindungsanordnung kommt es häufig zu einer Bildung von Passungsrost, was ein Versagen der Verbindungsanordnung bewirken kann. Örtlich begrenztes Gleiten zwischen Welle und Nabe, insbesondere am Nabenanfang, am Wellenende oder an Stellen mit signifikantem Gradienten der Kontaktsteifigkeit, initiiert die so genannte Tribokorrosion, welche eine fortschreitende Zerstörung von Fügflächen der Körper zur Folge hat.
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Die
DE 10 2006 028 430 A1 offenbart eine Verbindung zwischen zwei Körpern, wobei zwischen den beiden Körpern im Bereich der Verbindung eine Pressung vorhanden ist oder erzeugt wird und im Bereich der Verbindung die Oberfläche zumindest eines Körpers mit einer die Tribokorrosion einschränkenden oder verhindernden und einen Kraftschluss und Mikroformschluss gewährleistenden Schicht versehen ist. Bei einer solchen Schicht handelt es sich beispielsweise um eine Phosphatschicht, was eine aufwändige Bearbeitung der entsprechenden Oberfläche erfordert. So ist ein Entfetten, ein Beizen, ein Aktivieren, ein Phosphatieren sowie ein Trocknen vonnöten, was die Zeit und damit die Kosten zur Herstellung der Verbindung drastisch ansteigen lässt. Des Weiteren stellt die Schicht ein Umweltverschmutzungspotential dar. Darüber hinaus ist eine solche Verbindung als kritisch einzustufen, falls sie in Verbindung mit speziellen Medien, wie zum Beispiel Getriebeöl, zum Einsatz kommt.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Verbindungsanordnung der eingangs genannten Art derart weiter zu entwickeln, dass eine Vermeidung oder zumindest eine Reduzierung der Passungsrostgefahr auf einfache Art und Weise ermöglicht ist.
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Diese Aufgabe wird durch eine Verbindungsanordnung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
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Eine erfindungsgemäße Verbindungsanordnung eines ersten unbeschichteten Körpers, insbesondere einer Welle, mit einem zweiten unbeschichteten Körper, insbesondere einer Nabe, bei welcher die Körper in einem jeweiligen Verbindungsbereich über jeweilige, aneinander anliegende Oberflächen miteinander verbunden sind, zeichnen sich dadurch aus, dass die Oberfläche zumindest eines der Körper in dem Verbindungsbereich ein einen Mikroverzahnungseffekt gewährleistendes Oberflächenprofil aufweist. Durch diese Bearbeitung der Oberfläche zumindest eines Körpers ist einerseits eine Reduzierung oder gar eine Vermeidung der Gefahr von Passungsrostbildung (Tribokorrosion), insbesondere bei Welle-Nabe-Verbindungen, geschaffen, was mit einer sehr langen Lebensdauer der erfindungsgemäßen Verbindungsanordnung einhergeht.
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Des Weiteren ist gegenüber herkömmlichen Pressverbindungen eine Erhöhung der Drehmomentenübertragungsfähigkeit zwischen den beiden Körpern gegeben, und zwar in Folge des Mikroverzahnungseffekts, der also eine Form eines Formschlusses zwischen den beiden Körpern darstellt.
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Des Weiteren ermöglicht die erfindungsgemäße Verbindungsanordnung den Entfall des sehr aufwändigen und umweltbedenklichen Prozesses des Beschichtens, insbesondere in Form eines Phosphatierens, was sowohl die Kosten der erfindungsgemäßen Verbindungsanordnung in einem sehr geringen Rahmen hält als auch die erfindungsgemäße Verbindungsanordnung umweltverträglich sein lässt.
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Dadurch, dass keine Beschichtung vonnöten ist, ist ein Einsatz der erfindungsgemäßen Verbindungsanordnung in Zusammenhang mit speziellen Medien möglich. So stellt beispielsweise Getriebeöl keine Gefahr dar, eine ohnehin nicht vorhandene Beschichtung aufzulösen und damit das Versagen der Verbindungsanordnung sowie eine Reduzierung der Drehmomentenübertragungsfähigkeit herbeizuführen.
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An dieser Stelle sei angemerkt, dass neben einer Übertragung von Drehmoment natürlich auch eine Übertragung von translatorischen Kräften zwischen den Körpern durch die erfindungsgemäße Verbindungsanordnung verbessert ist.
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Das erfindungsgemäße Oberflächenprofil und damit der Mikroverzahnungseffekt zwischen den Körpern ist vorteilhafter Weise an eine vorgegebene und/oder beispielsweise mittels einer Simulation berechnete Belastung der Verbindungsanordnung angepasst. Dadurch ist ein belastungsangepasstes Oberflächenprofil dargestellt, welches beispielsweise an Stellen besonders hoher Belastung, an welchen die Gefahr von Passungsrostbildung besonders groß ist, vorgesehen ist. Das Oberflächenprofil ist beispielsweise punktförmig ausgebildet. Ebenso möglich ist eine linienförmige Ausbildung des Oberflächenprofils. Darüber hinaus kann das Oberflächenprofil in axialer Richtung und/oder in Umfangsrichtung der Verbindungsanordnung beziehungsweise des Verbindungsbereichs variierend ausgebildet sein.
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Das bedeutet also, dass es Stellen gibt, an welchen das Oberflächenprofil eine größere radiale Erstreckung aufweist als an anderen Stellen. Ebenso möglich ist eine Ausbildung von Stellen unterschiedlicher Dichten von das Oberflächenprofil bildenden Konturen beziehungsweise Strukturen. Dies erlaubt eine besonders definierte und bedarfsgerechte Gestaltung der erfindungsgemäßen Verbindungsanordnung mit dem Oberflächenprofil, was einerseits der Lebensdauer der Verbindungsanordnung und andererseits geringen Kosten derselbigen zuträglich ist.
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Das besagte Oberflächenprofil ist dabei beispielsweise durch Urformen, Umformen, Ätzen, Rändeln und/oder durch eine Laserbearbeitung der entsprechenden Oberfläche ausgebildet. Ein zusätzlicher, zeit- und kostenaufwändiger Beschichtungsprozess ist dabei nicht vonnöten.
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Durch die erfindungsgemäße Verbindungsanordnung ist weiterhin eine besonders lastgerechte Dimensionierung der Körper gegeben, was Material, Gewicht und Kosten einspart. Auch ist die Möglichkeit geschaffen, exzentrische Pressverbindungen zu optimieren, da ein Verlust eines Fugendrucks zwischen den Körpern durch lokales Überschreiten der Streckgrenzen der Körper an der dünnsten Stelle, beispielsweise einer Nabenwandung, vermieden werden kann.
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Die Ausbildung des erwähnten Oberflächenprofils erfolgt vorteilhafter Weise an dem härteren der beiden Körper, wobei auch ein Elektronenstrahlstrukturieren oder eine Bearbeitung mit einem gepulsten elektrochemischen Verfahren (PECM – Pulsed Electrochemical Machining) zur Ausbildung des Oberflächenprofils ohne weiteres einsetzbar ist.
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Die erfindungsgemäße Verbindungsanordnung kann beispielsweise bei einer Bremsscheibe eingesetzt werden, wobei das erste Bauteil als Bremsentopf der Bremsscheibe und das zweite Bauteil als Reibring der Bremsscheibe ausgebildet sind, die durch eine Pressung auf die erfindungsgemäße Art und Weise miteinander verbunden sind.
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Da die erfindungsgemäße Verbindungsanordnung den Einsatz von unterschiedlichen Materialien der Körper möglich macht, ist dabei beispielsweise der Reibring aus Gusseisen, insbesondere Grauguss, und der Bremsentopf im Wesentlichen aus Aluminium ausgebildet, wodurch eine Verbundbremsscheibe geschaffen ist.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mehrerer bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnungen. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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Die Zeichnungen zeigen in:
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1 eine schematische Ansicht eines Laserverfahrens zur Ausbildung eines Oberflächenprofils an einem Körper gemäß einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Verbindungsanordnung;
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2 eine schematische Ansicht des Wirkmechanismus eines Oberflächenprofils gemäß einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Verbindungsanordnung;
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3 eine schematische Ansicht einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Verbindungsanordnung;
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4 eine schematische Ansicht einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Verbindungsanordnung; und
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5 eine schematische Ansicht einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Verbindungsanordnung.
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Die 1 zeigt eine Bearbeitung einer Oberfläche 10 eines Körpers 12 einer Verbindungsanordnung 14 (2), bei welcher der erste unbeschichtete Körper 12 mit einem zweiten unbeschichteten Körper 16 in einem jeweiligen Verbindungsbereich 18 über jeweilige, aneinander anliegende Oberflächen 10 und 20 durch eine Pressverbindung miteinander verbunden sind.
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Durch die Bearbeitung der Oberfläche 10 des Körpers 12 mittels eines Laserverfahrens, in dessen Rahmen die Oberfläche 10 mit einem Laserstrahl bearbeitet wird, was durch einen Pfeil 30 angedeutet ist, wird in dem Verbindungsbereich 18 ein einen Mikroverzahnungseffekt gewährleistendes Oberflächenprofil 22 ausgebildet, das reibungserhöhend wirkt und einen Mikroformschluss zwischen den Körpern 16 und 12 erlaubt. Dies bewirkt zum einen eine Vermeidung von Passungsrostbildung (Tribokorrosion), was die Lebensdauer der Verbindungsanordnung 14 erhöht. Des Weiteren ist eine Kraft- und Momentenübertragungsfähigkeit zwischen den Körpern 12 und 16 verbessert, was durch Kraftpfeile 24, 26 und 28 angedeutet ist. Der Kraftpfeil 28 stellt dabei eine Normalkraft FN dar, die aus der Pressung zwischen den Körpern 12 und 16 resultiert und eine Kraftübertragung zwischen ihnen ermöglicht, was durch die Kraftpfeile 24 und 26 angedeutet ist.
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Die Bearbeitung der Oberfläche 10 mittels des Laserverfahrens ist dabei durch den Pfeil 30 angedeutet, mittels welchem die Oberfläche 10 sowie Schmelzablagerungen 32 bearbeitet werden zur Ausbildung des Oberflächenprofils 22.
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Das besagte Oberflächenprofil 22 kann dabei als Punktmatrix, Linien oder als kombinierte Laserstruktur ausgebildet sein. Neben der Bearbeitung mit einem Laser sind jedwede anderen Bearbeitungsverfahren zur Ausbildung des Oberflächenprofils 10 möglich.
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Die 3 bis 5 zeigen jeweils eine weitere Ausführungsform der Verbindungsanordnung 14, welche als Welle-Nabe-Verbindung ausgebildet ist, bei welchen der erste Körper 12 in Form einer Welle in den zweiten Körper 16 in Form einer Nabe in einem jeweiligen Verbindungsbereich 18 eingepresst ist.
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Wie vergrößert dargestellten Bereichen 34 und 34' zu entnehmen ist, ist in dem Verbindungsbereich 18 das Oberflächenprofil 22 der Welle 12 ausgebildet, dass an die Belastung der Verbindungsanordnung 14 angepasst ist und im Falle des Bereichs 34 in axialer Richtung der Welle 12 gemäß einem Richtungspfeil 36 variiert.
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Im Falle des Bereichs 34 ist das Oberflächenprofil 22 derart strukturiert, dass die Strukturen nicht gleichmäßig über die Welle 12 verteilt, sondern an tribologische Gegebenheiten der Verbindungsanordnung 14 angepasst sind. Das bedeutet, dass in den Bereichen, in welchen eine besonders hohe Belastung vorliegt beziehungsweise die Gefahr der Bildung von Passungsrost sehr groß ist, höhere Strukturen eingebracht werden. Dies bedeutet also, dass die Erstreckungsrichtung in radialer Richtung der Welle 12 gemäß einem Richtungspfeil 38 in bestimmten Bereichen größer ist als in anderen, wie der 4 deutlich zu entnehmen ist.
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Des Weiteren ist die Dichte von Strukturen beziehungsweise Konturen des Oberflächenprofils 22 in diesen Bereichen größer. Durch diese Einbringung von Strukturen beziehungsweise durch diese Ausbildung des Oberflächenprofils 22 mit angepasster Anordnung und Ausprägung in den gefährdeten Bereichen ist die Passungsrostgefahr zumindest verringert, wenn nicht gar minimiert sowie eine schlanke, konstruktive Auslegung der Verbindungsanordnung 14 in Form der Welle-Nabe-Verbindung ermöglicht.
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Durch diese Bearbeitung der Oberfläche 10 beispielsweise mittels Elektronen- oder Laserstrahlung wird zusätzlich zu Verfahren wie zum Beispiel Ätzen und PECM eine Aufhärtung der überhöhten Bereiche der Oberfläche 10 erzielt. Dadurch kann die Wirksamkeit der Verringerung der Passungsrostgefahr gesteigert werden.
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Die harten, spitzen Strukturen des Oberflächenprofils 22 graben sich dabei besser in die entsprechende Oberfläche 20 des zweiten Körpers 16, welcher als Fügepartner des ersten Körpers 12 bezeichnet wird, ein, was insbesondere in Zusammenschau mit 2 deutlich wird. Dies führt zu einem Mikroformschluss und damit zu einer Ausbildung eines Mikroverzahnungseffekts.
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Die genannte radiale Erstreckung des Oberflächenprofils 22 beträgt dabei beispielsweise 1 bis 80 μm. Eine vorteilhafte Breite des Oberflächenprofils 22, also eine vorteilhafte axiale Erstreckung beträgt beispielsweise 30 bis 200 μm.
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Ein vorteilhafter Abstand zwischen punkt- und/oder linienförmigen Oberflächenprofilen 22 beträgt beispielsweise 0 bis 500 μm.
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Die in den 3 bis 5 gezeigten Verbindungsanordnungen 14 sind dabei ohne weiteres und analog auf anderweitige Anwendungsfälle übertragbar. So ist sie beispielsweise in Zusammenhang mit gebauten Nockenwellen, Getriebewellen, Pumpen oder dergleichen anwendbar. Auch eine Umsetzung als Verbundbremsscheibe mit einem Grauguss-Reibring und einem Aluminium-Bremsentopf ist möglich.
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Die Erfindung ist weiterhin nicht beschränkt auf die in den Ausführungsbeispielen dargestellte Pressverbindung zwischen den Körpern 12 und 16. Vielmehr kann die Verbindung der beiden Körper 12 und 16 an den Oberflächen 10 und 20 allgemein als eine mittels Übermaß gefügte Welle-Nabe-Verbindung ausgeführt werden. Neben der dargestellten Pressverbindung sind beispielsweise auch Verbindungen der beiden Körper 12, 16 durch Spannhülsen oder Zahnwellen im Verbindungsbereich 18 denkbar.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102006028430 A1 [0003]
