DE102010051907A1

DE102010051907A1 - Verfahren zur Erzeugung einer spielfreien Verbindung zweier koaxial zueinander anzuordnender Bauteile, insbesondere einer Nabe und eines scheibenförmigen Elementes

Info

Publication number: DE102010051907A1
Application number: DE102010051907A
Authority: DE
Inventors: Stefan 76534 Maienschein; Hubert 77836 Friedmann; David 77815 Schnädelbach; Eugen 77815 Kombowski
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2009-11-26
Filing date: 2010-11-18
Publication date: 2011-08-25
Anticipated expiration: 2030-11-19
Also published as: DE102010051907B4

Abstract

Ein Verfahren zur Erzeugung einer spielfreien Verbindung zweier koaxial zueinander anzuordnender und radiale Fügeflächen zur Ausbildung eines Fügebereichs aufweisender Bauteile in Form einer Nabe und einem weiteren auf die Nabe aufbringbaren Bauteil, ist erfindungsgemäß durch die folgenden Verfahrensschritte gekennzeichnet: – Bereitstellung der Nabe und des mit dieser zu verbindenden Bauteiles, die derart ausgebildet und dimensioniert sind, das zumindest ein Teilbereich von deren Fügeflächen im ungefügten Zustand eine Spielpassung zueinander aufweisen; – Zentrierung von Nabe und dem mit dieser zu verbindenden Bauteil zueinander unter Aufrechterhaltung eines durch die Spielpassung charakterisierten Fügespiels; – Einleitung externer Kräfte im Bereich zumindest einer der Fügeflächen der beiden miteinander zu fügenden Bauteile zur Erzeugung einer plastischen Verformung in radialer Richtung dieser unter Aufhebung des Fügespiels.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung einer spielfreien Verbindung zweier koaxial zueinander anzuordnender und radiale Fügeflächen zur Ausbildung eines Fügebereichs aufweisender Bauteile in Form einer Nabe und einem weiteren auf die Nabe aufbringbaren Bauteil.
Bei Kraftübertragungsvorrichtungen für den Einsatz in Kraftfahrzeugen als kombinierte Anfahr- und Überbrückungseinheit mit einer, einer hydrodynamischen Komponente und einer schaltbaren Kupplungseinrichtung im Kraftfluss nachgeordneten Vorrichtung zur Dämpfung von Schwingungen ist es in Abhängigkeit der Ausführung der Vorrichtung zur Dämpfung von Schwingungen erforderlich, den Ausgang der hydrodynamischen Komponente, insbesondere ein Turbinenrad mit dem Eingangsteil, insbesondere einer Mitnehmerscheibe der Vorrichtung zur Dämpfung von Schwingungen drehfest zu verbinden. Diese Verbindung wird in der Regel über ein Zwischenelement in Form einer Turbinenradnabe realisiert. Dabei erfolgt die Zentrierung zwischen der Turbinenradnabe und einem scheibenförmigen Element in Form der Mitnehmerscheibe in der Regel erst bei Ausbildung der drehfesten Verbindung dieser. Beide Bauteile sind dabei vor der Befestigung gegeneinander spielbehaftet bewegbar. Daraus ergibt sich eine ungenügende Positionsgenauigkeit der Lage der beiden miteinander zu fügenden Bauteile zueinander. Die Montage des Turbinenrades an einer Mitnehmerscheibe der Vorrichtung zur Dämpfung von Schwingungen erfolgt dabei durch Stoff- und/oder Formschluss unlösbar miteinander, insbesondere Verschweißen oder Vernieten.
Eine Verbindung zweier Bauteile mittels eines stoffschlüssig mit einem der zu verbindenden Bauteile verbundenen Verbindungselementes in Form eines Bolzens und dessen plastischer Verformung ist aus der Druckschrift WO 2006/084609 vorbekannt.
Eine Verbindung eines Eingangsteils der Vorrichtung zur Dämpfung von Schwingungen mit einer Turbine, bei welcher die Zentrierung durch die eigentliche Befestigung erfolgt, ist in der Druckschrift WO 2007/147464 beschrieben. Das Eingangsteil der Vorrichtung zur Dämpfung von Schwingungen und das Turbinenrad werden auf einer Nabe spielbehaftet vorzentriert und anschließend durch einem kombinierten Schweiß-Nietprozess miteinander einschließlich der Nabe verbunden. Gegenüber diesem auch als Pressnieten bezeichneten Verfahren kann die Position des Eingangsteils der Vorrichtung zur Dämpfung von Schwingungen zum Turbinenrad nicht ausreichend genau durch die Nietverbindung selbst erzeugt werden. Aufgrund der eingeschränkten Verbindungsfestigkeit bei Versatz der Nietlöcher zueinander ist eine aufwendige Vorzentrierung der Bauteile erforderlich. Zur Einschränkung des Spiels zwischen dem Dämpfereingangsteil und der Nabe muss das Dämpfereingangsteil daher bisher kostenaufwendig am Innendurchmesser bearbeitet werden. Dies verbessert zwar das Spiel, nicht jedoch oder nur bedingt die Positionsgenauigkeit des Innendurchmessers zum Nietlochbild, was zur Einschränkung der Festigkeit der Verbindung führen kann.
Der Nachteil der genannten Ausführungen besteht im Wesentlichen im erhöhten Fertigungs- und/oder Bearbeitungsaufwand für die Fügeflächen. Bei Positionsabweichungen ergeben sich durch die stoff- und/oder formschlüssigen Verbindungen ferner Verzüge an den Bauteilen. Auch gestaltet sich die Montage zur Einhaltung der erforderlichen Positionsgenauigkeit sehr aufwendig.
Aus der Druckschrift DE 600 27 651 T1 ist ein Verbindungsverfahren für eine Welle mit einer Nabe vorbekannt, bei welchem die Zentrierung von Welle zu Nabe durch Presspassen mit anschließendem plastischem Verformen erzeugt wird. Dabei bedarf es eines erhöhten Aufwandes, um die Lagezuordnung von Welle und Nabe mit der entsprechenden Genauigkeit vornehmen zu können.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Erzeugung einer spielfreien Verbindung zwischen zwei koaxial zueinander anzuordnenden Bauteilen, insbesondere einer Nabe und einem scheibenförmigen Element derart weiterzuentwickeln, dass eine spielfreie Zentrierung zwischen diesen gewährleistet ist und die Anforderungen an die Fertigungsgenauigkeit der zu fügenden Bauteile sowie der Bearbeitungsaufwand für die Fügeflächen gering gehalten werden können beziehungsweise auf eine aufwendige Nachbearbeitung der Fügeflächen verzichtet werden kann. Die erfindungsgemäße Lösung soll sich dabei durch einen geringen konstruktiven fertigungstechnischen Aufwand auszeichnen.
Die erfindungsgemäße Lösung ist durch die Merkmale des Anspruchs 1 charakterisiert. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Ein Verfahren zur Erzeugung einer spielfreien Verbindung zweier koaxial zueinander anzuordnender und radiale Fügeflächen zur Ausbildung eines Fügebereichs aufweisender Bauteile in Form einer Nabe und einem weiteren auf die Nabe aufbringbaren Bauteil, ist erfindungsgemäß durch die folgenden Verfahrensschritte gekennzeichnet:

– Bereitstellung der Nabe und des mit dieser zu verbindenden Bauteiles, die derart ausgebildet und dimensioniert sind, das zumindest ein Teilbereich von deren Fügeflächen im ungefügten Zustand eine Spielpassung zueinander aufweisen;
– Zentrierung von Nabe und dem mit dieser zu verbindenden Bauteil zueinander unter Aufrechterhaltung eines durch die Spielpassung charakterisierten Fügespiels;
– Einleitung einer externen Kraft/externer Kräfte im Bereich zumindest einer der Fügeflächen der beiden miteinander zu fügenden Bauteile zur Erzeugung einer plastischen Verformung in radialer Richtung dieser unter Aufhebung des Fügespiels.

Unter einem mit der Nabe zu verbindenden Bauteil werden dabei scheibenförmige Elemente, ringförmige Elemente oder scheiben- oder ringförmige Flansch- und Anschlussbereiche aufweisende Komponenten verstanden.
Die erfindungsgemäße Lösung ermöglicht aufgrund der Vorzentrierung durch die einander zumindest teilweise in axialer Richtung überlappende Anordnung und Ausrichtung der Fügeflächen zueinander unter Spiel vor der Erstellung der eigentlichen spielfreien Verbindung eine sehr hohe Positionsgenauigkeit der beiden miteinander zu fügenden Bauteile, wodurch gerade bei rotierbaren Bauteilen durch die Montage bedingte Unwuchten vermieden werden. Ferner sind an die Ausführung der Fügeflächen selbst im Fügespielbereich keine erhöhten Anforderungen gestellt, wodurch die Fertigung dieser einfacher und kostengünstiger erfolgen kann. Aufgrund der hohen Positionsgenauigkeit der Bauteile zueinander ist die Verbindung verzugsarm.
Die Zentrierung der Nabe und des mit dieser zu verbindenden Bauteiles zueinander kann direkt oder indirekt erfolgen. Bei der direkten Zentrierung der Nabe mit dem mit dieser zu verbindenden Bauteil zueinander erfolgt die Zentrierung im von der Spielpassung freien Bereich der Fügeflächen, wobei die Fügeflächen in diesem Bereich vorzugsweise durch eine Übergangspassung charakterisiert sind. Denkbar ist auch eine geringe Presspassung, die durch manuelles Ineinanderbewegen der beiden Bauteile frei von einer plastischen Verformung dieser erzeugbar ist. In diesem Fall erstreckt sich der Spielpassungsbereich nur über einen Teilbereich des gesamten Fügebereichs. Die Zentrierung wird an den miteinander spielfrei zu verbindenden Bauteilen selbst vorgenommen. Die Positionsgenauigkeit entspricht der Genauigkeit der Fügefläche im Zentrierbereich.
In einer vorteilhaften Weiterentwicklung ist vorgesehen, die Zentrierung zumindest teilweise, vorzugsweise vollständig indirekt vorzunehmen. Die indirekte Zentrierung kann gemäß einer ersten Ausführung an zumindest einer weiteren, an der Nabe und/oder dem mit dieser zu verbindenden Bauteil vorgesehenen Zentrierfläche erfolgen. Als Zentrierflächen kommen beispielsweise Durchmesser, Bohrungen und andere Flächenbereiche, insbesondere axiale und/oder radiale Flächenbereiche an den miteinander zu fügenden Bauteilen in Betracht. Die Zentrierung kann ferner gemäß einer weiteren Ausführung mittels zumindest eines Hilfswerkzeuges zur Positionierung von Nabe und/oder dem mit dieser zu verbindenden Bauteil zueinander vorgenommen werden. Beide Ausführungen bieten jeweils für sich allein oder in Kombination miteinander den Vorteil einer hohen Positionsgenauigkeit unabhängig von der Genauigkeit der Fügestellen. Dadurch ist die Herstellung/Fertigung der miteinander zu verbindenden Bauteile und Ausbildung der Fügeflächen nicht so hohen Anforderungen, wie bei der direkten Zentrierung unterworfen, und es kann bei dieser Ausführung auf eine aufwendige Nachbearbeitung der Fügeflächen verzichtet werden.
Jede dieser genannten Möglichkeiten zur direkten oder indirekten Zentrierung kann für sich allein oder in Kombination miteinander zum Einsatz gelangen.
Die externe Kraft wird im Allgemeinen mittels eines Werkzeuges zur Krafteinleitung, insbesondere zur Ausübung von Druck im Bereich zumindest einer einzelnen Fügefläche an der Nabe und/oder dem drehfest mit diesem zu verbindenden Bauteil parallel zu dieser oder in einem Winkel eingeleitet. Die Krafteinleitung erfolgt in unmittelbarer Nähe zu den Fügeflächen und vorzugsweise im Bereich einer Fläche am jeweiligen Bauteil, welcher keine weitere Funktion zugeordnet ist. Zur Erzielung einer in Umfangsrichtung homogenen Krafteinleitung und Verformung am jeweiligen Bauteil wird diese vorzugsweise über zumindest eine in Umfangsrichtung geschlossene ringförmige Druckfläche des Werkzeuges zur Krafteinleitung an der Nabe und/oder dem drehfest mit diesem zu verbindenden Bauteil eingeleitet. Die Kraft kann dadurch insgesamt relativ gering gehalten werden.
In einer vorteilhaften Weiterentwicklung ist vorgesehen, die externe Kraft zur Vermeidung hoher Arbeitskräfte nur partiell in zumindest einem der miteinander zu verbindenden Bauteile einzutragen. Dies kann über eine Vielzahl von in Umfangsrichtung zueinander beabstandet angeordneten Teilflächen an der Nabe und/oder dem drehfest mit diesem zu verbindenden Bauteil erfolgen. Durch die partielle Einleitung wird das jeweilige Bauteil auch nur partiell umgeformt. Spannungen und Verformungen an beiden Bauteilen und der Bauteilverzug werden minimiert.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführung wird an einem der miteinander zu fügenden Bauteile in Krafteinleitungsrichtung hinter dem Krafteinleitungsbereich, vorzugsweise an dem Bauteil, in welches die externe Kraft eingeleitet wird, ein in Umfangsrichtung verlaufender Ausweichraum zur Verfügung gestellt. Dieser ermöglicht bei besonders geringem Fügespiel und/oder direkter Zentrierung an einer der Fügeflächen ein gerichtetes Ausweichen verformten Materials in Ausweichräume unter Vermeidung eines hohen Spannungseintrages oder unzulässiger Verformungen an den miteinander zu fügenden Bauteilen.
Die Einleitung der externen Kraft erfolgt in vorteilhafter Weise in die Nabe. Bei dieser handelt es sich in der Regel um das kompaktere Bauteil von beiden, so dass ungewünschte Verformungen, wie beispielsweise an einem dünnen Scheibenelement eher möglich, vermieden werden.
Die Größe der externen Kraft beziehungsweise die durch diese erzeugbaren Flächenpressungen wird als Funktion der gewünschten plastischen Verformung, der Temperatur der zu fügenden Bauteile, der geometrischen Ausbildung im Fügebereich und der Materialeigenschaften der miteinander zu fügenden Bauteile gewählt.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann sowohl zur Zentrierung vor der Herstellung der eigentlichen Verbindung durch Verlagerung der Zentrierung aus dem Kraftflussweg bei Drehmomentübertragung unter Verwendung einer weiteren Verbindung für diese Funktion oder aber auch zur Erzeugung einer drehfesten spielfreien Verbindung im Kraftfluss allein eingesetzt werden.
In einer weiteren Ausführungsform werden die miteinander zu fügenden Bauteile durch eine weitere Verbindung außerhalb des Fügebereichs miteinander verbunden.
In besonders vorteilhafter Ausführung findet die erfindungsgemäße Lösung zur Zentrierung, insbesondere Erzeugung einer spielfreien Verbindung einer Mitnehmerscheibe einer Vorrichtung zur Dämpfung von Schwingungen mit einer Turbinenradnabe Verwendung. Derartige Verbindungen sind in den verschiedensten Ausführungen von Kraftübertragungsvorrichtungen mit einer, einer hydrodynamischen Komponente nachgeordneten Vorrichtung zur Dämpfung von Schwingungen einsetzbar und ermöglichen mit relativ geringem Aufwand eine hohe Positioniergenauigkeit der im Kraftfluss liegenden Bauteile zueinander, wodurch Bauteilverzüge, Spannungen und hohe Lagerkräfte sowie die dadurch bedingten Schädigungen an der Kraftübertragungsvorrichtung und eine Beeinträchtigung der Betriebsweise nahezu vermieden werden können.
Die erfindungsgemäße Lösung wird nachfolgend anhand von Figuren erläutert. Darin ist im Einzelnen folgendes dargestellt:
1a bis 1c verdeutlichen anhand von Axialschnitten durch die miteinander zu fügenden Bauteile die einzelnen Verfahrensschritte des erfindungsgemäßen Verfahrens;
2 verdeutlicht anhand eines Signalfußbildes den Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens;
3a verdeutlicht eine Ausführung der Druckeinleitungsfläche als geschlossene Ringfläche;
3b verdeutlicht eine Ausführung der Druckeinleitungsfläche aus einer Vielzahl von Teilflächen;
4a verdeutlicht beispielhaft eine Ausführung mit indirekter Zentrierung;
4b verdeutlicht beispielhaft eine Ausführung mit direkter Zentrierung;
5a zeigt ein besonders vorteilhaftes Anwendungsbeispiel für das erfindungsgemäße Verfahren anhand eines Ausschnittes aus einem Axialschnitt einer Kraftübertragungsvorrichtung;
5b verdeutlicht die Vorpositionierung von Eingangsteil und Turbinenradnabe zur Erzeugung einer erfindungsgemäßen Verbindung gemäß 5a.
Die 1a bis 1c verdeutlichen beispielhaft anhand eines Ausschnittes aus einem Axialschnitt zweier koaxial zueinander anzuordnender Bauteile 2 und 3 ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Erzeugung einer spielfreien Verbindung 1. Die 2 verdeutlicht die in den 1a bis 1c dargestellten Verfahrensschritte anhand eines entsprechenden Signalflussbildes.
Bei der zu erzeugenden spielfreien Verbindung 1 handelt es sich um eine Verbindung zweier koaxial zueinander anzuordnender Bauteile 2 und 3, wobei die Verbindung im Wesentlichen in radialer Richtung erzeugt wird. Dazu erfolgt gemäß 1a in einem ersten Verfahrensschritt die Bereitstellung der beiden miteinander zu fügenden Bauteile 2 und 3, wobei das Bauteil 2 als Nabe 4 und das Bauteil 3 als mit der Nabe 4 spielfrei zu verbindendes scheibenförmiges Element 5 ausgeführt ist. Unter einer Nabe 4 wird ein Maschinenelement verstanden, welches der Befestigung des mit diesem zu verbindenden Bauteiles 3 an einer Welle oder Achse im funktionalem Sinn dient.
Die Nabe 4 und das scheibenförmige Element 5 sind miteinander in einem Fügebereich 8 unter Erzeugung der spielfreien Verbindung 1 zu verbinden. Dazu sind an der Nabe 4 und dem scheibenförmigen Element 5 Fügeflächen 6 und 7 ausgebildet. Die Fügefläche 6 an der Nabe 4 ist hier an einem einen Außenumfang bildenden Teilbereich 9 der Nabe 4 angeordnet, während die Fügefläche 7 des scheibenförmigen Elementes 5 an einem Innenumfang bildenden Teilbereich 10 des scheibenförmigen Elementes 5 vorgesehen ist. Bei der Nabe 4 und dem scheibenförmigen Element 5 handelt es sich um bezüglich einer Drehachse R rotierbare Elemente, so dass die Fügeflächen 6, 7 jeweils von einer in radialer Richtung weisenden Ringfläche oder einer Mehrzahl von in axialer Richtung aneinander gereihten Teilringflächen gebildet wird. Die einzelne Ring- oder Teilringfläche ist vorzugsweise als in Umfangsrichtung verlaufende geschlossene Fläche ausgeführt. Die Zuordnung der Fügeflächen 6, 7 der miteinander zu verbindenden Bauteile 2, 3 zueinander, insbesondere deren in axialer Richtung erfolgende Überlappung bestimmt den Fügebereich 8. Die Auslegung und Dimensionierung von Nabe 4 und scheibenförmigem Element 5 erfolgt dabei derart, dass zumindest ein Teilbereich der jeweiligen Fügeflächen 6, 7 im ungefügten Zustand eine Spielpassung zueinander bilden. Im dargestellten Fall ist dazu die Fügefläche 6 an der Nabe 4 durch zumindest einen Außendurchmesser d_A charakterisiert der hinsichtlich seiner Abmessungen und Toleranzen derart gewählt ist, dass dieser zur Erzielung der Spielpassung im erforderlichen Toleranzbereich geringer ist als der zumindest einen Innendurchmesser d_I am Innenumfang bildenden Teilbereich 10, hier dem gesamten Innenumfang des scheibenförmigen Elementes 5. Dadurch ergibt sich im noch ungefügtem Zustand bei koaxialer Anordnung zueinander unter Umschließung der Nabe 4 durch das scheibenförmige Element 5 zwischen den zueinander weisenden Fügeflächen 6 und 7 ein Fügespiel 11, wie für die erfolgte Zentrierung durch Positionierung der miteinander zu fügenden Bauteile 2, 3 miteinander in 1b dargestellt.
Bezüglich der Zentrierung ergeben sich grundsätzlich zwei unterschiedliche Möglichkeiten. Dabei kann die zur Zentrierung vorgenommene Vorpositionierung direkt oder indirekt erfolgen. Bei indirekter Zentrierung erfolgt die mittige Ausrichtung von Nabe 4 und scheibenförmigen Element 5 zur Drehachse R mittels weiterer Hilfs- beziehungsweise Zentrierflächen 13 an der Nabe 4 und/oder dem scheibenförmigen Element 5, das heißt durch die geometrische Gestaltung der miteinander zu fügenden Bauteile 2 und 3 und/oder mittels zumindest einem externen Werkzeug 12. Die 1b verdeutlicht beide genannte Möglichkeiten der indirekten Zentrierung.
Dabei können grundsätzlich eine oder mehrere Hilfs- und Zentrierflächen 13 vorgesehen werden. Die Hilfs- und Zentrierfläche 13 ist im dargestellten Fall als sich in radialer Richtung erstreckende, in axialer Richtung weisende und in Umfangsrichtung umlaufende geschlossene Fläche ausgebildet. Durch das flächige Anliegen der Stirnseite 5.1 des scheibenförmigen Elementes 5 an dieser ist ein Verkippen des scheibenförmigen Elementes 5 ausgeschlossen. Die Lagezuordnung in radialer Richtung kann hier über mittels unterbrochener Linie angedeutete Werkzeuge 12.1 für die Nabe 4 und/oder 12.2 für das scheibenförmige Element 5 erfolgen. Denkbar ist auch die Zuordnung über ein gemeinsames Werkzeug 12. Dies ist in 1b durch die Kopplung zwischen den Einzelwerkzeugen 12.1, 12.2 verdeutlicht.
Nach erfolgter Zentrierung wird dann eines der beiden miteinander zu verbindenden Bauteile 2, 3, in besonders vorteilhafter Weise die Nabe 4 im Bereich der Fügefläche 7 in radialer Richtung unter Einleitung externer Kräfte gemäß 1c plastisch verformt, wobei die Verformung derart erfolgt, dass das Fügespiel 11 überwunden wird und die beiden Bauteile 2, 3 insbesondere Nabe 4 und scheibenförmiges Element 5, miteinander spielfrei verbunden sind. Unter spielfreier Verbindung wird dabei eine Spielfreiheit sowohl in Umfangsrichtung, radialer Richtung als auch in axialer Richtung verstanden. Der sich daraus ergebende Verbindungsbereich wird als Fügebereich 8 bezeichnet. Dieser kann den Abmessungen der jeweiligen Fügeflächen 6 oder 7 an der Nabe 4 und/oder dem scheibenförmigen Element 5 in axialer Richtung entsprechen.
Die eigentliche Verbindung erfolgt somit erst durch Aufbringen äußerer, vorzugsweise axialer Kräfte F unter Erzeugung einer Flächenpressung, nachdem die einzelnen miteinander zu fügenden Bauteile 2, 3 über das konstruktiv vorgegebene Radialspiel kraftarm vorpositioniert worden sind. Dabei wird eine Kraft F in einem sogenannten Krafteinleitungsbereich 14 auf zumindest eines der miteinander zu fügenden Bauteile – Nabe 4 und/oder das mit dieser zu verbindende Bauteil 3 – aufgebracht. Im dargestellten Fall erfolgt die Krafteinleitung mittels eines Werkzeuges 15 in die Nabe 4. Der Krafteinleitungsbereich 14 an der Nabe 4 ist in unmittelbarer Nähe zur Fügefläche 6 angeordnet. Die Krafteinleitung erfolgt vorzugsweise direkt und parallel zur Fügefläche 6. Denkbar ist jedoch auch eine Einleitung der zur plastischen Verformung erforderlichen Kräfte F in einem Winkel zur Fügefläche 6. Das Werkzeug 15 zur Krafteinleitung wirkt hier mit seiner Druckeinleitungsfläche 16 auf eine, vorzugsweise ringförmige Fläche 31 an der in dieser Funktionsstellung zum Werkzeug 15 gerichteten Stirnseite 4.2 der Nabe 4 ein. Die Verformung im Bereich des Fügebereichs 6 an der Nabe 4 erfolgt irreversibel, das heißt plastisch. 1c verdeutlicht dabei bereits eine Verformung innerhalb des Fügebereiches 8 an der Nabe 4 und damit einen Zustand während der Durchführung dieses Verfahrensschrittes.
Je nach Ausführung des Werkzeuges 15 kann die Druckeinleitungsfläche 16 gemäß 3a in einer Ansicht auf diese als eine geschlossene, in Umfangsrichtung umlaufend ausgebildete Ringfläche ausgeführt sein, so dass über diese eine in Umfangsrichtung an einer ringförmigen Fläche 31 der Nabe 4 gleichmäßige Flächenpressung erzeugt wird, wobei das im Flächenbereich der ringförmigen Fläche 31 und in Krafteinleitungsrichtung dahinter liegende Material gerichtet in axialer Richtung und radialer Richtung fließt.
Demgegenüber verdeutlicht die 3b eine Ausführung mit partieller Krafteinleitung und partiell in Umfangsrichtung an der Nabe 4 wirksamer Flächenpressung durch Teilflächen 16.1 bis 16.n am Werkzeug 15 zur Krafteinleitung. Die Teilflächen 16.1 bis 16.n werden von Ringsegmentflächen gebildet, die in Umfangsrichtung beabstandet am Werkzeug 15 zueinander vorgesehen sind und in ihrer Gesamtheit die Druckeinleitungsfläche 16 bilden. Die nur partielle Krafteinleitung erlaubt ein Fließen in axialer, radialer als auch in Umfangsrichtung und aufgrund der örtlichen Konzentration eine nur partielle Umformung am Bauteil, auf welche dieses einwirkt. Die Arbeitskräfte können bei dieser Ausführung insgesamt gering gehalten werden.
Die 2 verdeutlicht noch einmal anhand eines Signalflußbildes den Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens mit den in den 1a bis 1c dargestellten Verfahrensschritten. Dieses ist im Verfahrensschritt A durch die Bereitstellung der Nabe 4 und des mit dieser zu verbindenden Bauteiles 3 charakterisiert. Nabe 4 und das mit dieser zu verbindende Bauteil 3 in Form eines scheibenförmigen Elementes 5 sind derart ausgebildet und dimensioniert, das zumindest ein Teilbereich der Fügeflächen 6, 7 im ungefügten Zustand eine Spielpassung miteinander bilden. Der Verfahrensschritt B beinhaltet die Zentrierung, d. h. Positionierung und Ausrichtung der Nabe 4 und des mit dieser zu verbindendenden Bauteiles 3 zueinander unter Aufrechterhaltung eines durch die Spielpassung charakterisierten Fügespiels 11, während im Verfahrensschritt C durch die Einleitung zumindest einer externen Kraft F im Bereich zumindest einer der Fügeflächen 6, 7 der beiden miteinander zu fügenden Bauteile 2, 3, das heißt der Nabe 4 und des scheibenförmigen Elementes 5 zur Erzeugung einer plastischen Verformung in radialer Richtung das Fügespiels 11 aufgehoben wird.
Die 4a und 4b verdeutlichen anhand zweier Ausführungsbeispiele einer Nabe 4 und eines scheibenförmigen Elementes 5 in einem Ausschnitt aus einem Axialschnitt zueinander den Verfahrensschritt B der Zentrierung gemäß 1b. Dabei sind die miteinander zu verfügenden Bauteile 2 und 3, insbesondere die Nabe 4 und das scheibenförmige Element, zur Vermeidung ungünstiger hoher Fügekräfte sowie unzulässig hoher, in den Bauteilen 2 und 3 verbleibende Spannungen in den damit verbundenen möglichen Verformungen hinsichtlich ihrer Geometrie besonders vorteilhaft ausgebildet. Das scheibenförmige Element 5 ist dabei beispielhaft durch Stanzen gefertigt und weist durch das Herstellungsverfahren eine besonders kostengünstig hergestellte Fügefläche 7 auf. Das Nabenelement 4 ist vorzugsweise als Drehteil ausgebildet und weist an einen Außenumfang bildenden Teilbereich 9 eine durch Drehbearbeitung hergestellte Fügefläche 6 auf. Die Fügeflächen 6 und 7 sind in radialer Richtung nach Vorpositionierung von Nabe 4 und scheibenförmigem Element 5 zueinander weisend ausgerichtet. Die Vorpositionierung erfolgt hier beispielhaft über an der Nabe 4 vorgesehene Zentrierhilfen in Form von Hilfs- und Zentrierflächen 13, die vorzugsweise ringförmig in Umfangsrichtung verlaufen und an dem mit der Nabe 4 zu verbindenden scheibenförmigen Element 5 bei der Vorpositionierung zur Anlage gelangen. Zur Zentrierung in radialer Richtung kann ein durch unterbrochene Linie angedeutetes externes Werkzeug 12 vorgesehen werden, das die Nabe 4 und das scheibenförmige Element 5 unter Ausbildung eines in Umfangsrichtung gleichmäßigen Fügespiels 11 zueinander vorpositioniert. Denkbar ist es auch, die Vorpositionierung indirekt über andere Durchmesser, Bohrungen etc. an den zu fügenden Bauteilen vorzunehmen. Zur Erzeugung der Verbindung 1 wird vorzugsweise auf eines der beiden Bauteile 2, 3, hier vorzugsweise der Nabe 4, in axialer Richtung mittels des Werkzeuges 15 zur Krafteinleitung eine vorzugsweise axiale Kraft F beziehungsweise eine Kraft mit größerer Axialkraftkomponente im Krafteinleitungsbereich 14 aufgebracht, so dass das Material der Nabe 4 radial in den durch das Fügespiel 11 bedingten ringförmigen Spalt zwischen den miteinander zu fügenden Bauteilen 2, 3 fließt. Das Fügespiel 11 wird dadurch zumindest teilweise, vorzugsweise vollständig überbrückt.
Die Dimensionierung von Nabe 4 und scheibenförmigen Element 5 erfolgt derart, dass die Fügeflächen 6, 7 bei überlappender Anordnung nur ein geringes Fügespiel 11 aufweisen. Um eine sichere Verbindung zu gewährleisten und gleichzeitig einen übermäßigen Spannungseintrag in die miteinander zu verbindenden Bauteile 2, 3 zu vermeiden sowie die Hilfs- und Zentrierfläche 13 auszubilden, ist ein Freistich 17 in axialer Richtung hinter dem Fügebereich 8 vorgesehen.
Der Krafteinleitungsbereich 14 wird hierbei an einer in axialer Richtung ausgerichteten und in Umfangsrichtung verlaufenden ringförmigen Fläche 31 gebildet, die in einem Winkel, vorzugsweise senkrecht zur Fügefläche 6 der Nabe 4 ausgerichtet ist. An dieser Fläche 31 greift die Druckeinwirkfläche 16 des Werkzeuges 15 an, die vorzugsweise, wie bereits ausgeführt, aus einer Vielzahl von einzelnen in Umfangsrichtung zueinander beabstandeten Teilflächen 16.1 bis 16.n ausgebildet ist.
Die 4b verdeutlicht eine besonders vorteilhafte Weiterentwicklung einer Ausführung gemäß 4a. Bei dieser erfolgt die Zentrierung zwischen Nabe 4 und scheibenförmigen Element 5 direkt an einem Teilbereich der einzelnen Fügefläche 6, der miteinander zu fügenden Bauteile 2, 3. Zur Vermeidung hoher Arbeitskräfte, Spannungen und Verformungen ist in der Nabe 4 axial hinter dem Krafteinleitungsbereich 14 in Kraftwirkungsrichtung eine in Umfangsrichtung umlaufende Nut 18 vorgesehen. Da aufgrund des sich bei der direkten Zentrierung im Bereich der Teilfläche 6.3 der Fügefläche 6 vorhandenen sehr geringen oder gar keinem Fügespiel 11.3 die Arbeitskräfte, Spannungen und Verformungen in beiden zu fügenden Teilen stark ansteigen würden, weil dem verformten Material weniger Raum zur Verfügung steht, wird durch die Nut 18 als Ausweichraum für das bei kleinem Spiel hauptsächlich axial verformte Nabenmaterial verwendet. Die umlaufende Nut 18 kann dabei verschiedenartig ausgeführt sein, vorzugsweise finden einfache Rillen Anwendung. Bei dieser Ausführung weist die Fügefläche 6 an der Nabe 4 Teilflächen 6.1 bis 6.3 auf, wobei die Teilfläche 6.3 der Fügefläche 6 und die Fügefläche 7 des scheibenförmigen Elementes 5 derart dimensioniert und ausgebildet sind, dass der durch diese beschreibbare Teilbereich 8.3 des Fügebereichs 8 durch ein geringeres Fügespiel 11.3 als in den restlichen Bereichen 6.1 und 8.2 charakterisiert ist, wobei das im Fügespiel 11.3 vorzugsweise derart bemessen ist, dass in diesem Bereich eine radiale Zentrierung gegeben ist. Das Fügespiel 11.1 durch die Differenz der Abmessungen von Innen- und Außendurchmesser d_A-3, d_I-3 von scheibenförmigen Element 5 und Nabe 4 charakterisiert. Die Teilfläche 6.2 wird durch die Nut 18 beschrieben und die Teilfläche 6.1 durch den restlichen verbleibenden Bereich. Das Fügespiel 11.2 wird durch den durch die Nut 18 erzeugten Ausweichraum bestimmt, das Fügespiel 11.1 durch die Differenz der Abmessungen von Innen- und Außendurchmesser d_A-1, d_I-1 von scheibenförmigen Element 5 und Nabe 4. Ferner ist auch hier eine Hilfs- und Zentrierfläche 13 in Analogie zur 4a vorgesehen.
Bei beiden Ausführungen erfolgt durch Einwirkung des Werkzeuges 15 durch Einleitung einer Kraft mit einer hohen Axialkraftkomponente in den Fügebereich 8 eine plastische Verformung dessen.
Die 5a verdeutlicht eine besonders vorteilhafte Anwendung einer erfindungsgemäßen spielfreien Verbindung 1 für den Einsatz in einer Kraftübertragungsvorrichtung 19 zur Anwendung in Fahrzeugen zur Kopplung einer Vorrichtung 21 zur Dämpfung von Schwingungen mit einer Nabe 4, welche beispielhaft von einer Turbinenradnabe 25 einer hydrodynamischen Komponente 20, insbesondere in Form eines hydrodynamischen Drehzahl-/Drehmomentwandlers gebildet wird.
Die Kraftübertragungsvorrichtung 19 umfasst zumindest einen hier nicht dargestellten Eingang und einen Ausgang, wobei zwischen diesen im Kraftfluss in der dargestellten Ausführung zumindest ein Anfahrelement in Form einer hydrodynamischen Komponente 20 vorgesehen ist und eine Einrichtung zur zumindest teilweisen Überbrückung des Kraftflusses über die hydrodynamische Komponente in Form einer schaltbaren Kupplungseinrichtung, wobei von dieser lediglich der Kupplungsausgang 28 in Form eines Lamellenträgers angedeutet ist.
Die hydrodynamische Komponente 20 der Kraftübertragungsvorrichtung 1 ist beispielhaft als hydrodynamischer Drehzahl-/Drehmomentwandler ausgeführt, umfassend ein hier nicht dargestelltes Pumpenrad, welches wenigstens mittelbar drehfest mit dem Eingang der Kraftübertragungsvorrichtung 19 oder einem drehfest mit diesem gekoppelten Element verbunden ist, und ein Turbinenrad T, das mit dem Pumpenrad den Arbeitsraum bildet. Ferner vorgesehen ist bei hydrodynamischen Drehzahl-/Drehmomentwandlern zumindest ein Reaktionsglied in Form eines Leitrades L.
Im Kraftfluss ist die Vorrichtung 21 zur Dämpfung von Schwingungen der zwischen Eingang und Ausgang der Kraftübertragungsvorrichtung 19 angeordneten Kupplungseinrichtung und hydrodynamischen Komponente 20 nachgeordnet. Die Vorrichtung 21 kann verschiedenartig ausgeführt sein und umfasst zumindest zwei miteinander über Mittel zur Drehmomentübertragung und Mittel zur Dämpfungskopplung miteinander gekoppelte Dämpferteile, ein Eingangsteil 22 und ein Ausgangsteil 23, die in Umfangsrichtung relativ zueinander begrenzt verdrehbar sind. Das Eingangsteil 21 umfasst zwei in axialer Richtung beabstandet zueinander angeordnete und drehfest verbundene Mitnehmerscheiben 22.1, 22.2, wobei die Mitnehmerscheibe 22.1 drehfest mit dem Turbinenrad T der hydrodynamischen Komponente 20 verbunden ist, während die Mitnehmerscheibe 22.2 drehfest mit dem Kupplungsausgang 28 verbunden ist. Das Ausgangsteil 23 der Vorrichtung 21 zur Dämpfung von Schwingungen wird von einem in axialer Richtung zwischen den Mitnehmerscheiben 22.1, 22.2 angeordneten Dämpferflansch gebildet, welcher mit einer mit dem Ausgang der Kraftübertragungsvorrichtung 19, insbesondere einer hier nicht dargestellten Getriebeeingangswelle drehfest verbundenen Dämpfernabe 26 verbunden ist.
Die Verbindung zwischen Turbinenrad T, insbesondere dem ringscheibenförmigen Verbindungsbereich in Form einer Turbinenradscheibe 24 und dem Eingangsteil 22, insbesondere der Mitnehmerscheibe 22.1 der Vorrichtung 20 erfolgt mittels formschlüssiger Verbindungselemente 27, insbesondere Nieten.
In der in 5a dargestellten Ausführung erfolgt beispielhaft die Verbindung 1 der Mitnehmerscheibe 22.1 als scheibenförmiges Element 5 mit der Turbinenradnabe 25 entsprechend dem in den 1 bis 4 beschrieben erfindungsgemäßen Verfahren.
Die 5b verdeutlicht dabei für eine derartige Verbindung 1 die Ausführung die Möglichkeit der indirekten Zentrierung der miteinander zu koppelnden Bauteile 2 und 3, das heißt der Nabe 4 in Form der Turbinenradnabe 25 und des scheibenförmigen Elementes 5 in Form der Mitnehmerscheibe 22.1 zueinander mittels eines Werkzeuges 12. Dabei wird das scheibenförmige Element 5, insbesondere die Mitnehmerscheibe 22.1 zum Werkzeug 12 über Stifte 29 positioniert, wobei die Stifte 29 beispielsweise in Durchgangsöffnungen für die Verbindungselemente 27 zwischen Mitnehmerscheibe 22.1 und Turbinenradscheibe 24 geführt sind.
Die Zentrierung des Werkzeuges 12 zur Turbinenradnabe 25 erfolgt über Zentrierflächen 32 am Werkzeug 12, welche vorzugsweise eine ringförmige Fläche zur Anlage an de Turbinenradnabe 25 bilden.
Die Turbinenradnabe 25 wird zum Beispiel über ein zylindrisches Element in Form der Dämpfernabe 26 zentriert. Dadurch sind die zu verbindenden Bauteile indirekt zueinander zentriert. Die Positionsgenauigkeit des Werkzeuges 12 sowie der Dämpfernabe 26 und der Durchgangsöffnungen in der Mitnehmerscheibe 22.1 ist in diesem Fall höher als die Herstellgenauigkeit des Fügedurchmessers des scheibenförmigen Elementes 5 in Form der Mitnehmerscheibe 22.1. Aus diesem Grund wird trotz längerer Toleranzkette eine bessere Zentrierung bei geringeren Kosten erzielt.
Die erfindungsgemäße Lösung ist nicht auf die in den Figuren dargestellten Ausführungen beschränkt, sondern ist zur Realisierung jeglicher spielfreien Verbindung 1 zwischen zwei koaxial zueinander anzuordnender Bauteile 2, 3 einsetzbar.
Bezugszeichenliste

1: spielfreie Verbindung
2: Bauteil
3: Bauteil
4: Nabe
4.2: Stirnseite
5: scheibenförmiges Element
5.1, 5.2: Stirnseite
6: Fügefläche an der Nabe
6.1–6.3: Teilflächen
7: Fügefläche am scheibenförmigen Elementes
8: Fügebereich
8.1–8.3: Teilbereich des Fügebereichs
9: Innenumfang bildender Teilbereich
10: Außenumfang bildender Teilbereich
11: Fügespiel
11.1–11.3: Fügespiel in den einzelnen Teilbereichen des Fügebereichs
12: Werkzeug
12.1: Werkzeug
12.2: Werkzeug
13: Hilfs- beziehungsweise Zentrierfläche
14: Krafteinleitungsbereich
15: Werkzeug zur Krafteinleitung
16: Druckeinleitungsfläche
16.1–16.n: Teilfläche
17: Freistich
18: Nut
19: Kraftübertragungsvorrichtung
20: hydrodynamische Komponente, insbesondere hydrodynamischer Drehzahl-/Drehmomentwandler
21: Vorrichtung zur Dämpfung von Schwingungen
22: Eingangsteil
22.1, 22.2: Mitnehmerscheibe
23: Ausgangsteil
24: Turbinenradscheibe
25: Turbinenradnabe
26: Dämpfernabe
27: Verbindungselement, Niet
28: Kupplungsausgang
29: Stift
30: weitere Dämpferteile
31: ringförmige Fläche
32: Zentrierfläche am Werkzeug
A, B, C: Verfahrensschritte
dA: Außendurchmesser
dA-1, dA-3: Außendurchmesser
dI: Innendurchmesser
dI-1, dI-3: Innendurchmesser
F: Kraft
R: Drehachse

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

WO 2006/084609 [0003]
WO 2007/147464 [0004]
DE 60027651 T1 [0006]

Claims

Verfahren zur Erzeugung einer spielfreien Verbindung (1) zweier koaxial zueinander anzuordnender und radiale Fügeflächen (6, 7) zur Ausbildung eines Fügebereichs (8) aufweisender Bauteile (2, 3) in Form einer Nabe (4) und einem weiteren auf die Nabe (4) aufbringbaren, zumindest einen scheibenförmigen Bereich aufweisenden Bauteil (5), gekennzeichnet durch die folgenden Verfahrensschritte: – Bereitstellung der Nabe (4) und des mit dieser zu verbindenden Bauteiles (5), die derart ausgebildet und dimensioniert sind, das zumindest ein Teilbereich (6, 6.1, 6.2, 7) von deren Fügeflächen (6, 7) im ungefügten Zustand eine Spielpassung zueinander aufweisen; – Zentrierung von Nabe (4) und dem mit dieser zu verbindenden Bauteil (5) zueinander unter Aufrechterhaltung eines durch die Spielpassung charakterisierten Fügespiels (11, 11.1, 11.2); – Einleitung einer externen Kraft/externer Kräfte (F) im Bereich zumindest einer der Fügeflächen (6, 7) der beiden miteinander zu fügenden Bauteile (2, 3) zur Erzeugung einer plastischen Verformung in radialer Richtung dieser unter Aufhebung des Fügespiels (11, 11.1, 11.2).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zentrierung von Nabe (4) und dem mit dieser zu verbindenden Bauteil (5) zueinander direkt in einem von der Spielpassung freien Bereich der Fügeflächen (6, 7) erfolgt, wobei die diesen Bereich bildenden einzelnen Teilflächen (6.3, 7) derart dimensioniert sind, dass diese eine Übergangs- oder Presspassung zueinander bilden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Zentrierung von Nabe (4) und dem mit dieser zu verbindenden Bauteil (5) zueinander indirekt an zumindest einer weiteren an der Nabe (4) und/oder dem mit dieser zu verbindenden Bauteil (5) vorgesehenen Hilfs- beziehungsweise Zentrierfläche (13) erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die externe Kraft (F) über eine in Umfangsrichtung geschlossene ringförmige Druckeinleitungsfläche (16) eines Werkzeuges (15) zur Krafteinleitung an der Nabe (4) und/oder dem drehfest mit diesem zu verbindenden Bauteil (5) eingeleitet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die externe Kraft (F) über eine Vielzahl von in Umfangsrichtung zueinander beabstandet angeordneten Teilflächen (16.1-16.3) an der Nabe (4) und/oder dem drehfest mit diesem zu verbindenden Bauteil (5) eingeleitet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die externe Kraft (5) im Fügebereich (8) parallel zu zumindest einer der Fügeflächen (6, 7) oder in einem Winkel zu dieser an der Nabe (4) und/oder dem drehfest mit diesem zu verbindenden Bauteil (5) eingeleitet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Bauteil (2, 3), in welches die externe Kraft (F) eingeleitet wird, in Krafteinleitungsrichtung ein in Umfangsrichtung verlaufender Ausweichraum (18) für verformbares Material zur Verfügung gestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die externe Kraft (F) in die Nabe (4) eingeleitet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die externe Kraft (F) als Funktion der gewünschten plastischen Verformung, der Temperatur der zu fügenden Bauteile, der Geometrie im Fügebereich und der Materialeigenschaften der miteinander zu fügenden Bauteile gewählt ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9 zur Verbindung einer Mitnehmerscheibe (22.1) einer Vorrichtung (21) zur Dämpfung von Schwingungen mit einer Turbinenradnabe (25).