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Die Erfindung betrifft eine Anordnung einer Welle und einer Nabe, die über eine Welle-Nabe-Verbindung miteinander verbunden sind, und die Welle axial von der Nabe umschlossen ist, wodurch die Zähne der Welle mit den Zähnen der Nabe im Eingriff sind und Drehmomente übertragbar sind, wobei die Welle oder die Nabe erste Zähne aufweist, deren Zahnflanken geradlinig verlaufen, und die Nabe oder die Welle zweite Zähne aufweist, deren Zahnflanken um einen Helixwinkel auf der Oberfläche des Elements verdreht sind
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In Verbindungen zweier drehmomentübertragender Elemente, die über Längsverzahnungen miteinander im Eingriff stehen, kann zwischen der Innenverzahnung einer Welle und der Außenverzahnung einer Nabe ein Spiel entstehen. Dieses entsteht aufgrund feiner Toleranzschwankungen im Fertigungsprozess oder wird absichtlich durch gezielte Dimensionierung hervorgerufen um die beiden Elemente unter Aufwendung niedriger Fügekräfte miteinander verbinden zu können.
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Wird nun die spielbehaftete Verbindung mit wechselnden Drehmomenten beaufschlagt, kommt es zu einer Relativbewegung der beiden Elemente zueinander. Dies kann dazu führen, dass die Zahnflanken der Innen- und Außenverzahnung aneinander anschlagen, was zu akustischen Beeinträchtigungen führen kann und gleichzeitig die Lebensdauer der Verbindung negativ beeinflussen kann.
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Insbesondere an Hinterachsgetrieben in automobilen Anwendungen können störende Geräusche auftreten, die beim Drehrichtungswechsel der Welle-Nabe-Verbindung entstehen, wie es beispielsweise beim Rangieren oder bei Lastwechseln im Fahrbetrieb der Fall ist. Dies ist hauptsächlich auf die oben beschriebene Relativbewegung der Welle zur Nabe zurückzuführen.
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Während einer solchen Relativbewegung erfolgt die Momentenübertragung zuerst durch einen Reibschluss von Welle und Nabe. Hierbei werden die Welle und die Nabe tordiert, wodurch sie Energie speichern. Beim Überschreiten des durch den Reibschluss übertragbaren Drehmoments löst sich der Reibschluss und die gespeicherte Energie wird wieder freigesetzt. Die Welle führt dann gegenüber der Nabe eine schlagartige Relativbewegung aus, die durch den Anschlag der Zahnflanken der Innen- und Außenverzahnung aneinander beendet wird. Diese komfortbeeinträchtigenden Schläge können durch Eingriffe in die Steifigkeit der Elemente, die Position der Krafteinleitung oder durch das Spiel in der Verzahnung der Welle und der Nabe beeinflusst werden.
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Hierzu offenbart die
DE 10 2005 035 706 B4 verschiedene Ausgestaltungen der Zahnkonturen der Innen- und Außenverzahnung der Welle, bzw. der Nabe sowie Schrägstellung der Zähne. Unter anderem offenbart die
DE 10 2005 035 706 B4 das Zusammenführen eines geradlinigen Zahnes mit einer Zahnlücke kleineren Durchmessers, eine Schrägstellung eines Zahnes, so dass dieser breiter ist als die Zahnlücke, und andere Ausführungsformen, die jeweils darauf basieren, das zwischen den Zähnen des ersten Elements und den Zähnen des zweiten Elements eine räumliche Überdeckung im unmontierten Zustand entsteht.
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Die beiden Elemente werden daher beim Zusammenstecken ineinander eingepresst, wobei das Spiel zwischen den Zahnflanken eliminiert wird. Vorteilhaft wird hier insbesondere hervorgehoben, dass ein ungleicher Verlauf der Pressung während des Fügevorgangs zu bevorzugen ist. Zu Beginn des Fügevorgangs ist eine niedrigere Pressung aus fertigungstechnischer Sicht vorteilhaft.
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Die
US 5503494 , sowie die
US 7972078 B2 offenbaren ebenfalls unterschiedliche Ausgestaltungen der Zahnkonturen. Auch hier wird das Verpressen der beiden Elemente als Fügeverfahren herangezogen. Ebenfalls ist hier ein ungleichmäßiger Verlauf der Pressung offenbart.
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Die
DE 195 12 195 A1 offenbart eine Schrägverzahnung der Welle und der Nabe um das Spiel zu eliminieren. Die Kontaktfläche zwischen den Zähnen der Welle und der Nabe ist hierbei klein, da die Flanken der Zähne nicht über ihre volle Länge im Formschluss mit dem Zahnflanken der jeweils anderen Verzahnung sind.
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Nachteilig am Stand der Technik sind insbesondere das Spiel bei gradverzahnten Verbindungen und die teilweise geringen Kontaktflächen von alternativen Ausgestaltungen der Zähne, wie zum Beispiel der Schrägverzahnung.
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Daher ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine konstruktive Gestaltung einer Welle-Nabe-Verbindung zur Verbindung einer Welle mit einer Nabe bereitzustellen, die eine hinsichtlich des Spiels optimierte Verbindung ermöglicht und darüber hinaus vorteilhafte akustische Eigenschaften aufweist.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird durch eine Welle-Nabe-Verbindung zur Verbindung einer Welle mit einer Nabe mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1 gelöst, wonach die Anordnung einer Welle und einer Nabe geschaffen wird, die über eine Welle-Nabe-Verbindung miteinander verbunden sind, und die Welle axial von der Nabe umschlossen ist, wodurch die Zähne der Welle mit den Zähnen der Nabe im Eingriff sind und Drehmomente übertragbar sind, wobei die Welle oder die Nabe erste Zähne aufweist, deren Zahnflanken geradlinig verlaufen, und die Nabe oder die Welle zweite Zähne aufweist, deren Zahnflanken um einen Helixwinkel auf der Oberfläche des Elements verdreht sind, wobei die zweiten Zähne eine mindestens einseitige Balligkeit entlang ihrer Zahnflanken aufweisen.
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Weiterhin vorteilhaft ist es, wenn die Zähne der Welle und die Zähne der Nabe im unmontierten Zustand eine räumliche Überdeckung aufweisen, so dass im montierten Zustand eine Pressung entsteht. Dies bewirkt vorteilhaft den weitgehenden Ausschluss von störenden Geräuschen
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Außerdem ist es vorteilhaft, wenn die ersten Zähne parallel zur Drehachse der Anordnung verlaufen. Dies bevorzugt die Fertigung und den Montageprozess.
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Auch ist es zu bevorzugen, wenn die zweiten Zähne eine beidseitige Balligkeit entlang ihrer Zahnflanken aufweisen. Weil hierdurch eine vergrößerte Kontaktfläche zwischen den ersten und den zweiten Zähnen entsteht im Vergleich zu schräg gestellten Zähnen ohne Balligkeit. Dies begünstigt unter anderem die Kraftübertragung.
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Weiterhin vorteilhaft ist es, wenn die Zahnflanken der ersten und der zweiten Zähne nicht über die gesamte Länge der Zahnflanken in formschlüssigen Kontakt miteinander stehen. Hierdurch ist eine einfachere Fügung der beiden Elemente möglich.
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Weiterhin ist es zu bevorzugen, wenn die Nabe die ersten Zähne aufweist und die Welle die zweiten Zähne aufweist. Dies ist aus fertigungstechnischer Sicht als vorteilhaft anzusehen, da es in der Regel einfacher ist, eine komplexe Zahngestaltung auf der Außenfläche der Welle zu realisieren.
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Außerdem ist es vorteilhaft, wenn die Welle die ersten Zähne aufweist und die Nabe die zweiten Zähne aufweist. Zwar ist diese Konfiguration aus fertigungstechnischer Sicht schwerer zu realisieren, trotzdem kann sie für bestimmte Anwendungsgebiete eine vorteilhafte Ausführung darstellen.
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Weiterhin vorteilhaft ist es, wenn die Welle das Drehmoment einleitet, und die Nabe auf die Welle aufgepresst ist, über eine Wellenmutter auf der Welle fixiert ist und einen Flansch aufweist, über welchen die Nabe mit weiteren Elementen verbindbar ist.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung detailliert erläutert. In der Zeichnung zeigen:
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1 zeigt einen Schnitt durch einen Teilkreis einer Längsverzahnung einer Welle-Nabe-Verbindung im unmontierten Zustand, mit Überdeckung zwischen den Zähnen der Innen- und Außenverzahnung, mit einer beidseitigen Balligkeit bei den Zähnen der Welle,
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2 zeigt einen Schnitt durch einen Teilkreis einer Längsverzahnung einer Welle-Nabe-Verbindung, wie in 1 bereits dargestellt ist, jedoch in montiertem Zustand ohne die Überdeckung,
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3 zeigt einen Schnitt durch einen Teilkreis einer Längsverzahnung einer Welle-Nabe-Verbindung im unmontierten Zustand, mit Überdeckung zwischen den Zähnen der Innen- und Außenverzahnung, mit einer einseitigen Balligkeit bei den Zähnen der Welle,
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4 zeigt einen Schnitt durch einen Teilkreis einer Längsverzahnung einer Welle-Nabe-Verbindung, wie in 3 bereits dargestellt ist, jedoch in montiertem Zustand ohne die Überdeckung, und
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5 zeigt einen Schnitt durch die Mittelebene einer Welle-Nabe-Verbindung.
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1 zeigt eine Abwicklung der Verzahnung einer Welle-Nabe-Verbindung 5. Hierbei ist eine Welle 14 mit einer Außenverzahnung 2 in eine Nabe 4 mit einer Innenverzahnung 1 eingesteckt. Die dargestellte 1 zeigt einen Schnitt in einem Teilkreis der Verzahnung der Welle-Nabe-Verbindung 5.
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Dargestellt sind zwei der Zähne 1 der Nabe 4 sowie die Zahnzwischenräume 3 der Nabe 4. In den Zahnzwischenräumen 3 ist ein Schnitt durch einen Zahn 2 der Welle 14 dargestellt. Während die Zähne 1 der Nabe 4 geradlinig ausgeführt sind, ist der Zahn 2 der Welle 14 in einem Helixwinkel 6 zur Drehachse der Welle-Nabe-Verbindung 5 ausgerichtet. Durch die Verdrehung um den Helixwinkel 6 ergibt sich eine Schrägstellung des Zahnes 2 innerhalb des Zahnzwischenraums 3.
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Der in 1 dargestellte Zahn 2 der Welle 14 weist an beiden Seiten eine Balligkeit 7a, 7b auf, die entlang der Zahnflanken 8a, 8b verläuft. Die gestrichelt dargestellten Konturen 9 zeigen einen einfachen schräggestellten Zahn ohne Balligkeit an den Zahnflanken.
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Die Zähne 1, 2 sind so dimensioniert, dass im unmontierten Zustand eine Überdeckung 10 der Zähne 1, 2 entsteht. Durch diese Überdeckung 10 entsteht im montierten Zustand, welcher in nachfolgender 2 dargestellt ist, eine Pressung zwischen den Zähnen 1 der Nabe 4 und dem Zahn 2 der Welle 14.
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2 zeigt ebenfalls einen Schnitt im Teilkreis der Verzahnung einer Welle-Nabe-Verbindung 5 wie er bereits in 1 beschrieben wurde. In 2 ist nun der montierte Zustand dargestellt.
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Durch die in 1 bereits beschriebene Überdeckung 10, ist es notwendig für das Einstecken der Welle 14 in die Nabe 4 eine Fügekraft aufzuwenden. Dies kann zum Beispiel durch Einpressen erfolgen.
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In montiertem Zustand entstehen somit zwei Kontaktflächen 11a, 11b zwischen den Zähnen 1 der Nabe 4 und dem Zahn 2 der Welle 14. Die Kontaktflächen 11a, 11b erstrecken sich nicht über die gesamt Länge der Zahnflanken 7a, 7b. Es ergibt sich so im Vergleich zu einem einfachen schräggestellten Zahn ohne Balligkeit eine größere Kontaktfläche 11a, 11b.
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3 und 4 zeigen ebenfalls einen Schnitt im Teilkreis der Verzahnung einer Welle-Nabe-Verbindung 5, wie er bereits in 1 und 2 gezeigt wurde. Die Bezugszeichen der 3 und 4 stimmen mit denen der 1 und 2 überein. Im Unterschied zur 1 und 2 ist in den beiden 3 und 4 der Zahn 2 mit einer nur einseitigen Balligkeit dargestellt.
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Die 3 zeigt hier wieder, die sich zwischen den Zähnen 1 und dem Zahn 2 ergebende Überdeckung 10 im unmontierten Zustand. Die 4 zeigt den montierten Zustand. Durch die Überdeckung 10 ergibt sich im montierten Zustand eine Kontaktfläche 13a, 13b zwischen den Zähnen 1 und dem Zahn 2.
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Im Vergleich zur 2 und den darin dargestellten Kontaktflächen 11a, 11b sind die Kontaktflächen 13a, 13b in 4 durch die nur einseitig ausgeführte Balligkeit in Summe kleiner.
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In weiteren vorteilhaften Ausführungsformen ist es denkbar, dass die Welle die geradlinigen Zähne aufweist und die Nabe, die um den Helixwinkel auf der Oberfläche verdrehte, eine Balligkeit aufweisenden Zähne aufweist.
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5 zeigt einen Schnitt durch eine Welle-Nabe-Verbindung, einer Ritzelwelle in einem Getriebe 20, welche einen Zahneingriff analog der 1 und 2 aufweist. In der Figur dargestellt ist das Getriebe 20, welches nicht im Einzelnen beschrieben wird.
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Weiterhin gezeigt ist eine Welle 21 welche in eine Nabe 22 eingepresst ist. Zusätzlich zu der Einpressung der Welle 21 in die Nabe 22 ist die Welle 21 mit einer Wellenmutter 23 an der Nabe 22 gesichert. Die Welle 21 weist eine Außenverzahnung 24 auf. Die Nabe 22 weist eine Innenverzahnung 25 auf. Zusätzlich weist die Nabe 22 einen Flanschbereich 26 auf, welcher eine Verbindung mit weiteren Elementen ermöglicht. Beispielsweise kann hier eine Welle befestigt werden, welche Drehmoment in die Welle-Nabe-Verbindung einleitet.
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Die ebenfalls in der Zeichnung dargestellten Lagerungen der Welle sowie die Gehäuseteile werden an dieser Stelle nicht näher beschrieben, da sie nicht erfindungswesentlich sind.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Zahn der Nabe
- 2
- Zahn der Welle
- 3
- Zahnzwischenraum
- 4
- Nabe
- 5
- Welle-Nabe-Verbindung
- 6
- Helixwinkel
- 7a, 7b
- Balligkeit
- 8a, 8b
- Zahnflanken
- 9
- Konturen schräggestellter Zahn ohne Balligkeit
- 10
- Überdeckung
- 11a, 11b
- Kontaktflächen
- 12a, 12b
- Zahnflanken
- 13a, 13b
- Kontaktflächen
- 14
- Welle
- 20
- Hinterachsgetriebe
- 21
- Welle
- 22
- Nabe
- 23
- Wellenmutter
- 24
- Innenverzahnung
- 25
- Außenverzahnung
- 26
- Flansch
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102005035706 B4 [0006, 0006]
- US 5503494 [0008]
- US 7972078 B2 [0008]
- DE 19512195 A1 [0009]
