-
Die Erfindung betrifft Welle-Nabe-Verbindungen für Fahrzeuge oder für den Einsatz in der Antriebstechnik mit einem zylindrischen Wellenbauteil, welches auf der Mantelfläche über Erhebungen oder Vertiefungen verfügt und einem Nabenbauteil mit einer Bohrung, welches innerhalb der Bohrung ebenfalls über Erhebungen oder Vertiefungen verfügt.
-
Stand der Technik
-
Kettenantriebe sind seit den letzten 100 Jahren aus dem Bereich der Kraftübertragung an Zweiräder nicht mehr wegzudenken. Ebenso finden sie in der Antriebstechnik an zahlreichen Maschinen Verwendung. Sehr oft sind die Kettenräder über eine formschlüssige Welle-Nabe Verbindung mit einer Welle verbunden. Beispielhaft sind hier Passfederverbindungen nach DIN 6885 oder Keilwellenverbindungen nach ISO 14 zu nennen. Diese und auch andere Verbindungen arbeiten im allgemeinen mit lokalen Materialerhebungen und Vertiefungen in Bezug auf eine zylinderförmige Verbindungsfläche. Diese lokalen Materialerhebungen und Vertiefungen werden in der Fachsprache auch oft Nuten und Federn oder Mitnehmerzahn genannt. Wichtig für die einwandfreie Funktion von diesen Verbindungen ist jedoch ein spielfreie Passung als Zentrierung zwischen der Welle und der Nabe. Falls die Toleranzen zwischen der Welle und der Nabe zu groß werden, so führt dieses unter Belastungen zu Taumelbewegungen zwischen den beiden Bauteilen. Dieses sind als negativ für die Funktion zu bewerten. Im allgemeinen sind hochwertige Passungen relativ teuer mit spanenden Verfahren herstellbar. Dieses ist als Nachteil zu werten, falls man preisgünstige Massenprodukte herstellen muß.
-
Die im folgenden zu beschreibende Neuheit ist in vielen Produktzweigen einsetzbar und besonders in Bezug auf die preisgünstige Fertigungsfähigkeit geeignet für den Einsatz in Antriebssystemen die innerhalb von Konsumgütern, Fahrrädern oder Motorrädern. Die Funktionsbeschreibung des Welle-Nabe-Verbindungselementes mit elastischen Zentrierelementen soll aus diesem Grunde beispielhaft an einem Fahrrad vorgenommen werden.
-
In den vergangenen vierzig Jahren hat sich bei Fahrrädern der Kettenantrieb mit einer Schaltmöglichkeit an der Hinterradachse durchgesetzt. In dieser Ausführung unterscheidet man die Kettenschaltung und die Nabenschaltung. Der Aufbau beider Systeme ist dem Fachmann bekannt und beispielsweise auch in der
DE 10 2004 045 364 B4 mit den Vor- und Nachteilen beschrieben.
-
Bei den bekannten Welle-Nabe-Verbindungen an preisgünstigen Fahrrädern mit einer Nabenschaltung ist das Kettenritzel meist dünn. Dieses zwei bis drei Millimeter breite Bauteil ist meist ein gestanztes Bauteil aus Stahl und besitzt drei oder mehr Mitnehmernocken oder Zähne, die in Nuten, die sich an der Eingangswelle der Nabenschaltung befinden, eingreifen. Die Passung zwischen diesen zwei Bauteilen ist meist als Spielpassung ausgebildet. Dieses ist notwendig, um preisgünstige Fertigungsmethoden wie zum Beispiel Sintern, Gießen oder Stanzen zum Einsatz bringen zu können. Damit das Kettenritzel nicht axial auf der Eingangwelle wandern kann, wird es meist mit Hilfe eines Federrings in der Position gehalten. Hinterradnaben in dieser bekannten Ausführung sind beispielsweise in
DE 20 2009 005 904 U1 oder
DE000060224919T2 oder
EP000002008927B1 dargestellt.
-
In den letzten Jahren wurden viele Kettenantriebe in der Fahrzeugtechnik und der allgemeinen Antriebstechnik durch Zahnriemenantriebe ersetzt. Als Vorteile sind hier ein geringeres Gewicht, längere Lebensdauer, weniger Geräusche und ein Betrieb ohne Schmiermittel zu nennen. Insbesondere im Bereich der Fahrräder mit Nabenschaltungen setzen sich Zahnriemenantriebe gemäß
EP000002289792A1 ,
CA000002749293A1 und
US000007854441 B2 immer weiter durch. Da ein funktionierender Zahnriementrieb eine definierte Vorspannung des Riemens benötigt, würde eine taumelnde Zahnriemenscheibe an der Hinterradnabe die Spannung nicht konstant halten können. Falls sich die Zahnriemenscheibe nicht zentriert und stramm fixiert auf der Hinterradnabe befindet, würde es zu Laufgeräuschen kommen, da die Bohrung der Zahnriemenscheibe kontinuierlich auf der Welle abrollen würde. Knarrende und knarzende Geräusche wären die Folge. Hinterradnaben mit Nabenschaltungen von allen wichtigen Herstellern haben einen Zentrierdurchmesser, der aufgrund von preisgünstigen Fertigungsmethoden Toleranzen von plus/minus 0,15 Millimetern im Bereich der Eingangswelle aufweist. Will man Zahnriemenscheiben preisgünstig ohne spanende Bearbeitung durch Sintern oder Feinguss herstellen, so bedingt der Fertigungsprozeß ebenfalls Bohrungstoleranzen im Bereich von plus/minus 0,15 Millimetern. Mit der Randbedingung der Montagefähigkeit können beide Bauteile somit nur mit einem gewissen Spiel zueinander zusammengefügt werden. Hierdurch sei die Problematik der mangelnden Zentrierung bei der Verwendung von Zahnriemenscheiben mit einem Keilwellenprofil in Kombination preisgünstig verfügbaren Nabenschaltungen aufgezeigt. Die Erfindung verbessert somit den zentrierten Sitz von einem Keilwellenprofil.
-
Aufgabenstellung:
-
Von dieser Problemstellung ausgehend sollen die eingangs beschriebenen Welle Nabe Verbindungen verbessert werden.
-
Zur Problemlösung ist eine gattungsgemäße Welle-Nabe-Verbindung dadurch gekennzeichnet, dass
- a) innerhalb der Bohrung des Nabenbauteils mindestens 2 Flächen so angeordnet sind, daß eine elastische Verformung dieser Flächen in radialer Richtung möglich ist und
- b) innerhalb der Bohrung des Nabenbauteils mindestens 2 Flächen so angeordnet sind, daß eine elastische Verformung dieser Flächen in radialer Richtung weniger möglich ist.
- c) Die elastisch verformbaren Flächen stoffschlüssig mit den elastisch weniger verformbaren Flächen verbunden sind.
-
Dadurch, daß innerhalb der Bohrung des Nabenbauteils mindestens 2 Flächen so angeordnet sind, daß eine elastische Verformung dieser Flächen in radialer Richtung möglich ist, kann sich die Nabe auch bei großen Fertigungstoleranzen an die Welle anschmiegen. Durch den Umstand, daß gleichzeit innerhalb der Bohrung des Nabenbauteils mindestens 2 Flächen so angeordnet sind, daß eine elastische Verformung dieser Flächen in radialer Richtung weniger möglich ist, wird eine gute formschlüssige Kraftübertragung erreicht. Wenn zusätzliche noch die elastisch verformbaren Flächen stoffschlüssig mit den elastisch weniger verformbaren Flächen verbunden sind, kann das Bauteil einfach gefertigt werden und verfügt über robuste Eigenschaften. Wenn die Welle-Nabe-Verbindungen dadurch gekennzeichnet sind dass die elastisch verformbaren Flächen einer Durchmesser bilden, der im unmontierten Zustand kleiner ist als der Wellendurchmesser, können die Zentriereigenschaften optimiert werden. Falls die Welle-Nabe-Verbindungen dadurch gekennzeichnet sind, dass die Summe der elastisch verformbaren Flächen und der elastisch weniger verformbaren Flächen, die die Welle an der zylinderförmigen Mantelfläche berühren, kleiner sind als die abgedeckte Mantelfläche der Welle selbst, dann kann die Zentrierfunktion auch bei relativ dünnen Naben und großen Toleranzen erreicht werden. Falls die neuartigen Welle-Nabe-Verbindungen dadurch gekennzeichnet sind, dass die elastische Verformbarkeit der Flächen durch Biegebalken erreicht wird, die so geformt sind, daß diese tangential zur Welle stehen, dann kann das Bauteil durch stanzen oder sintern preisgünstig gefertigt werden. Wenn der Profilumfang der Bohrung der Nabe größer ist als der Profilumfang der Welle, wird zusätzlich an dem Bauteil Gewicht gespart.
-
Ausführungsbeispiel:
-
Mt Hilfe einer Zeichnung sollen Ausführungsbeispiele der Erfindung nachfolgend näher erläutert werden. Es zeigt:
-
1.: Hinterradnabe eines Fahrrades ohne Speichen oder Felge.
-
2.: Hinterradnabe aus 1 im demontierten Zustand.
-
3.: Zahnriemenscheibe nach dem Stand der Technik in isometrischer Darstellung.
-
4.: Zahnriemenscheibe gemäß 3 in Seitenansicht.
-
5.: Zahnriemenscheibe gemäß der Neuheit in isometrischer Darstellung.
-
6.: Zahnriemenscheibe gemäß 5 in Seitenansicht.
-
Hierbei ist anzumerken, daß in allen Figuren das Welle-Nabe Verbindungselement mit elastischen Zentrierelementen beispielhaft innerhalb einer Zahnriemenscheibe angeordnet dargestellt ist.
-
1 zeigt die Hinterradnabe 1 eines Fahrrades ohne Speichen oder Felge. Die Drehmomente des Fahrers werden über die Tretkurbel in den Zahnriementrieb übertragen. Der Zahnriemen überträgt die Drehmomente auf die Zahnriemenscheibe 7, die wiederum die Eingangswelle der Nabenschaltung 2 antreibt. Hierbei werden die Drehmomente über eine Welle-Nabe-Verbindung 4 in die Nabenschaltung eingeleitet. Die nicht dargestellte Fahrradfelge mit Bereifung wird von der Hinterradnabe 1 über die Speichen, die innerhalb der Speichenlöcher 3 befestigt sind, angetrieben. Dieses ist der allgemein übliche Aufbau an einem Fahrrad. Man erkennt, daß die Zahnriemenscheibe 7 axial über einen Federring 5 auf der Eingangswelle der Nabenschaltung 2 gehalten wird und die Drehmomente über drei Nuten 5 übertragen kann. Die zylinderförmige Mantelfläche 16 sorgt für eine korrekte Zentrierung der Zahnriemenscheibe 7 auf der Eingangwelle 2. Eine korrekte Zentrierung ist jedoch nur möglich, wenn die Bohrung der Zahnriemenscheibe 7 ohne Spiel in Bezug auf der zylinderförmigen Mantelfläche 16 sitzt. Dieses wird innerhalb der Neuheit dadurch erreicht, daß in radialer Richtung elastisch bewegliche Biegebalken 14 die Bohrungsflächen immer einen Druck gegen die zylinderförmige Mantelfläche 16 ausüben drücken und auf diese Weise Fertigungstoleranzen überbrücken können.
-
2 zeigt die Hinterradnabe 1 eines Fahrrades im demontierten Zustand ohne Speichen oder Felge. Die Eingangswelle der Nabenschaltung 2 besitzt an einem Wellenbauteil 11 eine Welle-Nabe-Verbindung 4, die die Drehmomente der Zahnriemenscheibe 7 in die Nabe weiterleitet. Die Zahnriemenscheibe 7 ist hier in erfindungsgemäßer Ausgestaltung dargestellt. Der Federring 6 ist hier im demontierten Zustand dargestellt. Die Nuten 5 Innerhalb der Eingangswelle der Nabenschaltung 2 sind so geformt, daß die Erhebungen 10 innerhalb der Bohrung 9 der Zahnriemenscheibe 7 genau in diese eingreifen können. Die Neuheit hat in dieser Darstellung innerhalb der Bohrung 9 des Nabenbauteils drei Flächen 12 so angeordnet, daß eine elastische Verformung dieser Flächen in radialer Richtung möglich ist. Die Zahnriemenscheibe 7 bildet in dieser Ausgestaltung das Nabenbauteil. In dieser Ausgestaltung wird die elastische Verformbarkeit dieser drei Flächen durch drei Biegebalken 14 erreicht, die so geformt sind, daß durch sie die Bohrung 9 mit dem Durchmesser „d” gebildet werden. In einer vorteilhaften erfindungsgemäßen Ausgestaltung ist dieser Durchmesser „d” der demontierten Zahnriemenscheiben immer kleiner als der durch ein Toleranzfeld entstehende Wellendurchmesser „D” der Mantelfläche 8. In dieser Konstellation können sich die drei Flächen 12 der Zahnriemenscheibe 7 während der Montage elastisch verformen und eine präzise Zentrierung herstellen. Die Biegebalken 14 der Neuheit bilden somit eine stoffschlüssige Verbindung zwischen der Fläche 12, die sich elastisch radial verformen kann und der Fläche 13, die für die formschlüssige Drehmomentübertragung verantwortlich ist und sich elastisch radial nicht verformen kann. Die Biegebalken 14 mit den elastischen Flächen 12 bilden beispielhaft innerhalb der Neuheit die elastischen Zentrierelemente.
-
3 zeigt die Ausgestaltung einer Zahnriemenscheibe 7 in einer unvorteilhaften Ausgestaltung nach dem Stand der Technik in isometrischer Darstellung. Die Bohrung 9 ist mit einer Spielpassung gegenüber der Eingangwelle 2 aus 2 gefertigt. Die Flächen 13 sind in Bezug auf radiale Verformbarkeit in dieser Gestalt als steif und relativ unelastisch anzusehen. Auch die Bereiche 10 mit den drei Mitnehmerzähnen sind steif und unelastisch. Dieses Steifheit der Mitnehmererhebungen ist wichtig für eine gute formschlüssige Drehmomentübertragung.
-
4 zeigt Ausgestaltung einer Zahnriemenscheibe 7 in einer unvorteilhaften Ausgestaltung nach dem Stand der Technik in Seitenansicht. Die Bohrung 9 ist mit einer Spielpassung gegenüber der Eingangwelle 2 aus 2 gefertigt. Das Keilwellenprofil 15 ist hier mit einer gestrichelten Linie dargestellt. Die Flächen 13 sind in Bezug auf radiale Verformbarkeit in dieser Gestalt als steif und relativ unelastisch anzusehen. Die radiale Bewegungsrichtung der unelastischen Flächen 13 ist hier mit einem Pfeil „A” dargestellt. Auch die Bereiche 10 mit den drei Mitnehmerzähnen sind steif und unelastisch. Dieses Steifheit der Mitnehmererhebungen ist wichtig für eine gute formschlüssige Drehmomentübertragung. Die radiale Bewegungsrichtung der unelastischen Flächen 13 ist hier mit einem Pfeil „B” dargestellt.
-
Man erkennt deutlich, daß die Gesamtfläche der Bohrung 9 am Keilwellenprofil 15 der zylinderförmige Mantelfläche 16 mit den Nuten 5 aus 1 entspricht.
-
5 zeigt die Ausgestaltung einer Zahnriemenscheibe 7 in einer vorteilhaften Ausgestaltung gemäß der Neuheit in isometrischer Darstellung. Die Bohrung 9 berührt nur mit den Flächen 12 und den Flächen 13 zylinderförmige Mantelfläche 16 mit den Nuten 5 aus 1. Ausschließlich diese Erhebungen 10 mit ihrer Fläche 13 sind mit einer Spielpassung gegenüber der Eingangwelle 2 aus 2 gefertigt. Die Flächen 12 sind in Bezug auf radiale Verformbarkeit in dieser Gestalt als elastisch anzusehen, da sie über einen Biegebalken 14 mit dem steifen Restkörper der Zahnriemenscheibe 7 verbunden sind. Abstrakt formuliert sind elastisch verformbare Flächen 12 einer Bohrung 9 stoffschlüssig mit elastisch nicht verformbaren Flächen 13 verbunden. Da jeder Körper unter Krafteinwirkung eine gewisse elastische Verformung aufweist, kann man auch wiefolgt formulieren: Abstrakt formuliert sind elastisch verformbare Flächen 12 einer Bohrung 9 stoffschlüssig mit elastisch weniger verformbaren Flächen 13 verbunden. Weiterhin kann man der Neuheit mit folgender Eigenschaft beschreiben: Die Summe der elastisch verformbare Flächen 12 und der elastisch weniger verformbaren Flächen 13, die die Eingangwelle 2 an der zylinderförmigen Mantelfläche berühren, sind immer kleiner als die Mantelfläche 16 aus 1 selbst.
-
6 zeigt Ausgestaltung einer Zahnriemenscheibe 7 in einer beispielhaften erfindungsgemäßen Ausgestaltung in Seitenansicht. Die Flächen 13 der Bohrung 9 sind als Mitnehmerzahn 10 ausgeführt und mit einer Spielpassung gegenüber den Nuten 5 der Eingangswelle 2 aus 1 oder 2 gefertigt. Das Keilwellenprofil 15 ist hier mit einer gestrichelten Linie dargestellt. Vergleicht man die gestrichelten Linien aus 6 mit der gestrichelten Linie aus 4, so erkennt man deutlich, daß das Keilwellenprofil der Neuheit einen längeren Profilumfang besitzt. Nicht die gesamte Fläche der Bohrung 9 berührt die zylinderförmige Mantelfläche 16 aus 2. Quantifiziert man diesen Umstand der Neuheit, so kommt man zu der Aussage, daß der Profilumfang der Bohrung mindestens 25% länger ist als die Fläche der Welle, die von dem Bohrungsprofil überdeckt wird. Die Flächen 13 sind auch hier in Bezug auf radiale Verformbarkeit in dieser Gestalt als steif und relativ unelastisch anzusehen. Die radiale Bewegungsrichtung der unelastischen Flächen 13 ist hier mit einem Pfeil „B” dargestellt. Die Flächen 12 sind in Bezug auf radiale Verformbarkeit in dieser Gestalt als elastisch anzusehen, da sie über einen Biegebalken 14 mit dem steifen Restkörper der Zahnriemenscheibe 7 verbunden sind. Die radiale Bewegungsrichtung der elastischen Flächen 12 ist hier mit einem Pfeil „C” dargestellt. In anderer Ausgestaltung können die Vorteile der Neuheit auch über doppelt abgestützte Biegebalken erreicht werden.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Hinterradnabe
- 2
- Eingangswelle Nabenschaltung
- 3
- Speichenlöcher
- 4
- Welle-Nabe-Verbindung
- 5
- Nuten, Vertiefungen
- 6
- Federring
- 7
- Zahnriemenscheibe
- 8
- Mantelfläche
- 9
- Bohrung
- 10
- Erhebung, Mitnehmerzahn
- 11
- Wellenbauteil
- 12
- Fläche, elastisch verformbar
- 13
- Fläche, elastisch nicht verformbar
- 14
- Biegebalken
- 15
- Keilwellenprofil
- 16
- Zylinderförmige Mantelfläche
-
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
-
- DE 102004045364 B4 [0004]
- DE 202009005904 U1 [0005]
- DE 000060224919 T2 [0005]
- EP 000002008927 B1 [0005]
- EP 000002289792 A1 [0006]
- CA 000002749293 A1 [0006]
- US 000007854441 B2 [0006]
-
Zitierte Nicht-Patentliteratur
-
- DIN 6885 [0002]
- ISO 14 [0002]
