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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Welle-Nabe-Fügeverbindung gemäß der Merkmalskombination des Patentanspruchs 1 der Erfindung sowie eine Welle-Nabe-Fügeverbindung gemäß Patentanspruch 5 der Erfindung.
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Welle-Nabe-Fügeverbindungen sind seit langem in den unterschiedlichsten Ausführungsformen bekannt. Diese teilt man im Wesentlichen in kraftschlüssige, formschlüssige, kraft- und formschlüssige sowie stoffschlüssige Fügeverbindungen ein. So ist aus der Praxis eine Welle-Nabe-Fügeverbindung zur Verbindung einer Kardanwelle mit einer Hinterachsgetriebeeingangswelle (Triebwelle) im Antriebsstrang eines Fahrzeugs bekannt, wobei diese mittels Passverzahnung untereinander formschlüssig verbunden werden/sind. Infolge eines aus nicht zu vermeidenden Toleranzen resultierenden Spiels der Passverzahnung kann es zu unangenehmen Geräuschen im besagten Antriebsstrang in Form eines sogenannten Anfahr- oder Lastwechselklacken kommen. Herkömmlich wird diesem nachteiligen Umstand durch folgende Maßnahmen begegnet:
- – Reduzierung des Spiels durch Einschränkung der Bauteiletoleranzen infolge Einsatzes zusätzlicher und demgemäß kostenaufwendiger Fertigungsverfahren, wie z.B. Harträumen, oder infolge Verbaues von klassierten Teilen;
- – Eliminierung des Spiels durch Überbestimmung, z.B. durch zusätzliche zylindrische Zentriersitze oder durch Kopf- und Flankenzentrierung der Passverzahnung;
- – Eliminierung des Spiels durch Schrägstellung der Passverzahnung;
- – Eliminierung des Spiels durch irreversibles und demgemäß nicht wartungsfreundliches Kleben.
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Des Weiteren ist aus der
DE 103 02 072 B3 eine formschlüssige Welle-Nabe-Fügeverbindung bekannt, bei der eine Welle mit einem verzahnten oder gerändelten Bereich materialverformend und/oder spanbildend in eine Bohrung einer hier als Aufnahmeteil bezeichneten Nabe eingeführt wird. Die Welle und/oder zumindest die Bohrung des besagten Aufnahmeteils sind dabei zur Erzeugung eines Übermaßes der Bohrung beschichtet ausgebildet. Ferner beschreibt die
DE 10 2007 000 659 A1 eine formschlüssige Welle-Nabe-Fügeverbindung mit zwei Bauteilen, welche mit einer Verzahnung ausgebildet sind, wobei die Verzahnungen ineinander greifen. Die Verzahnung des einen Bauteils ist als Schneidverzahnung ausgeführt und schneidet sich beim Herstellen der Verbindung in das andere Bauteil ein, wodurch die Verzahnung im anderen Bauteil hergestellt wird. Die Schneidverzahnung weist eine sogenannte Spankammer auf, in welcher sich die Späne beim Herstellen der Verzahnung sammeln. Die
DE 10 2008 040 321 B4 beschreibt eine Welle-Nabe-Fügeverbindung in Form einer Ritzelbefestigung, welche ihrerseits ein Ritzel aufweist, das mit einem Wellenstumpf versehen ist. Der Wellenstumpf gliedert sich im Wesentlichen in einen verzahnten Bereich, der sich an das Ritzel anschließt und einen weiteren, sich an den verzahnten Bereich anschließenden unverzahnten Bereich. Zwischen dem unverzahnten Bereich und dem verzahnten Bereich ist eine Ringnut vorgesehen. Eine weitere Ringnut ist zwischen dem verzahnten Bereich und dem Ritzel angeordnet. Durch diese Ringnuten soll erreicht werden, dass beim Einpressen der Verzahnung in eine Hohlwelle Material in die Ringnuten verlagert werden kann und somit die Verzahnung und einen erwünschten Kraftschluss nicht beeinträchtigt. Eine Spanbildung soll dadurch weitestgehend vermieden werden. All den vorgenannten Lösungen ist gemein, dass kostenaufwendige Maßnahmen vorgesehen werden müssen, um eine Spanaufnahme infolge Spanbildung und/oder eine Materialverlagerung durch Fließen desselben zu gewährleisten. Hier setzt die nachfolgend beschriebene Erfindung an.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung einer Welle-Nabe-Fügeverbindung anzugeben, vermittels dessen die vorgenannten Maßnahmen, die insbesondere zusätzlich Spankammern und/oder Ringnuten favorisieren, weitestgehend vermieden, zumindest jedoch maßgeblich minimiert sind. Weiterhin ist es Aufgabe der Erfindung, eine nach dem Verfahren hergestellte Welle-Nabe Fügeverbindung bereitzustellen.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer Welle-Nabe-Fügeverbindung zeichnet sich im Wesentlichen durch folgende Schritte aus:
- a) Bereitstellung eines ersten Fügepartners in Form einer Zahnwelle mit einer axial verlaufenden und alternierend aus Zähnen und Zahnlücken bestehenden ersten Verzahnung auf der Außenmantelfläche der Zahnwelle sowie Bereitstellung eines zweiten Fügepartners in Form einer Zahnnabe mit einer axial verlaufenden und alternierend aus Zähnen und Zahnlücken bestehenden und mit der ersten Verzahnung korrespondierenden zweiten Verzahnung in der Bohrung der Zahnnabe,
- aa) wobei Toleranzen der Verzahnungen der zu fügenden Fügepartner im Hinblick auf eine Übermaßpassung gewählt oder eingestellt sind, und
- ab) wobei einer der Fügepartner oder zumindest dessen Verzahnung im Verhältnis zum anderen Fügepartner oder zumindest dessen Verzahnung „härter“ ausgebildet wird/ist,
- b) axiales Einstecken der Zahnwelle in die Bohrung der Zahnnabe, und
- c) gleichzeitiges Kalibrieren der „weichen“ Verzahnung mittels der in die Zahnlücken der „weichen“ Verzahnung unter Spanabtrag an den Zähnen derselben eindringenden Zähne der im Verhältnis dazu „härteren“ Verzahnung.
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Dies hat den Vorteil, dass bei äußerst minimalem Spanabtrag und Vermeidung, zumindest jedoch Minimierung einer Spankammer die Zähne der Fügepartner lediglich durch Kalibrieren derselben exakt im Eingriff gebracht werden, wodurch alle Zahnflanken in die Drehmomentenübertragung einbezogen werden bzw. unmittelbar aneinander anliegen und somit ein Spiel zwischen den Fügepartnern vermieden ist. Unter „Kalibrieren“ wird dabei verstanden, dass die Fügepartner resultierend aus der gewählten Übermaßpassung, bei der das Mindestmaß der Verzahnung der Welle größer dem Höchstmaß der Verzahnung der Bohrung der Nabe ist oder umgekehrt, durch minimalem Spanabtrag ein äußerst genaues Maß der Fügepartner im Bereich ihrer Verzahnungen bewirkt wird bzw., wie vorstehend bereits ausgeführt, die benachbarten Zahnflanken der im Eingriff gebrachten Zähne unmittelbar aneinander anliegen. Des Weiteren ist der Begriff „Härte“ allgemein als der Widerstand eines Werkstoffs gegen das Eindringen eines härteren Körpers definiert. Daraus resultieren im Verhältnis zueinander „härtere“ und „weichere“ Werkstoffe.
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Die Unteransprüche beschreiben bevorzugte Weiterbildungen oder Ausgestaltungen der Erfindung.
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Danach ist gemäß einer ersten vorteilhaften Ausführungsvariante des Verfahrens vorgesehen, dass sowohl für den „härteren“ Fügepartner als auch für den im Verhältnis dazu „weicheren“ Fügepartner ein metallener Werkstoff verwendet wird, wobei der „härtere“ Fügepartner vollumfänglich oder nur im Bereich der Verzahnung „härter“ ausgebildet ist als der „weichere“ Fügepartner. Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsvariante ist vorgesehen, dass für den „härteren“ Fügepartner ein metallener Werkstoff und für den „weicheren“ Fügepartner ein Kunststoff oder faserverstärkter Kunststoff verwendet wird. Insbesondere Fügepartner aus Kunststoff lassen sich äußerst kostengünstig nach einem Kunststoff-Spritzgießverfahren herstellen. In umfangreichen Versuchen hat sich im Hinblick auf die Erzielung besonders guter Ergebnisse bzgl. eines exakten, spielfreien Eingriffs der Zähne der Fügepartner herausgestellt, den „härteren“ Fügepartner bevorzugt um mindestens 5 HRC (HRC = Rockwellhärte) härter auszubilden als den im Verhältnis zu diesem „weicheren“ Fügepartner. Die besagte Rockwellhärte (HRC) ergibt sich aus einer sogenannte Rockwellhärteprüfung nach der Norm ISO 2039-2 sowie ASTM D 785.
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Die Erfindung betrifft auch eine Welle-Nabe-Fügeverbindung, hergestellt nach dem vorbeschriebenen Verfahren, wobei die miteinander in Eingriff stehenden Verzahnungen der Zahnwelle und der Zahnnabe sowohl Verzahnungen mit Kerbflanken als auch Verzahnungen mit Evolventenflanken oder Keilflanken sein können. Die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Welle-Nabe-Fügeverbindung ist besonders vorteilhaft zur Verbindung einer Kardanwelle mit einer Triebwelle, insbesondere Hinterachsgetriebeeingangswelle, im Antriebsstrang eines Fahrzeugs, insbesondere Kraftfahrzeugs, einsetzbar. Nachteilige Geräusche, wie sie bisher gelegentlich zu verzeichnen sind, sind nunmehr wirkungsvoll vermieden.
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Nachstehend wird die Erfindung anhand eines in den Zeichnungen schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Sie ist jedoch nicht auf dieses beschränkt, sondern erfasst alle durch die Patentansprüche definierten Ausgestaltungen. Es zeigen:
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1 eine Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Welle-Nabe-Fügeverbindung beispielgebend anhand einer im Antriebsstrang eines Fahrzeugs, insbesondere Kraftfahrzeugs, angeordneten Kardanwelle, welche zumindest formschlüssig mit einer Triebwelle in Form einer Hinterachsgetriebeeingangswelle verbunden bzw. verbindbar ist, und
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2 den Schnitt „I-I“ nach 1 (nicht maßstabsgerecht).
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So sind in den 1 und 2 als erster Fügepartner einer Welle-Nabe-Fügeverbindung eine Zahnwelle 1 mit einer axial verlaufenden und alternierend aus Zähnen 2a und Zahnlücken 2b bestehenden ersten Verzahnung 2 auf der Außenmantelfläche 3 der Zahnwelle 1 und als zweiter Fügepartner eine Zahnnabe 4 mit einer axial verlaufenden und ebenfalls alternierend aus Zähnen 5a und Zahnlücken 5b bestehenden und mit der ersten Verzahnung 2 korrespondierenden zweiten Verzahnung 5 in der Bohrung 6 der Zahnnabe 4 gezeigt. Die Zahnnabe 4 ist vorliegend durch einen Axialabschnitt eines Anschlusselementes 7 für eine nicht zeichnerisch dargestellte Kardanwelle des Antriebsstrangs eines Fahrzeugs, insbesondere Kraftfahrzeugs, gebildet, wobei der Axialabschnitt in einen Flanschabschnitt 8 zur Anbindung der besagten Kardanwelle übergeht. Die in die Zahnnabe 2 gesteckte Zahnwelle 1 ist gemäß diesem Ausführungsbeispiel von einer in einem Lagergehäuse 9 mittels Radiallager 10 drehgelagerten Hinterachsgetriebeeingangswelle respektive Triebwelle gebildet.
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Die axial ausgerichteten Verzahnungen 2, 5 sind demnach nach Art einer Steckverzahnung, worunter im Allgemeinen eine sogenannte Vielfach-Mitnehmerverbindung verstanden wird, untereinander wirkverbunden, wobei das Drehmoment von den Zahnflanken der Zähne 2a, 5a übertragen wird. Da die Verbindung nicht statisch bestimmt ist, wird herkömmlich eine hohe Fertigungsgenauigkeit verlangt, damit möglichst alle Zahnflanken an der Drehmomentübertragung beteiligt sind.
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Um den Fertigungsaufwand zur Herstellung der Verzahnungen 2, 5 zu minimieren und dennoch einen qualitativ hochwertigen Steckverbund zu gewährleisten, bei dem alle Zahnflanken an der Drehmomentenübertragung beteiligt sind, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass Toleranzen der Verzahnungen 2, 5 der zu fügenden Fügepartner im Hinblick auf eine Übermaßpassung gewählt oder eingestellt sind. Unter einer Übermaßpassung versteht der Fachmann eine Passung, bei der das Mindestmaß der Verzahnung 2 der Zahnwelle 1 größer dem Höchstmaß der Verzahnung 5 der Bohrung 6 der Zahnnabe 2 (vgl. 2) ist oder umgekehrt (nicht zeichnerisch dargestellt). Des Weiteren ist vorgesehen, dass einer der Fügepartner, gemäß diesem Ausführungsbeispiel die Zahnwelle 1 oder zumindest deren Verzahnung 2, im Verhältnis zum anderen Fügepartner, demgemäß der Zahnnabe 4 oder zumindest deren Verzahnung 5 „härter“ ausgebildet ist.
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Wird beim Zusammenbau die Zahnwelle 1 axial in die Bohrung 6 der Zahnnabe 4 gesteckt, ist im Unterschied zum Stand der Technik, nach dem mittels einer Schneidverzahnung am ersten Fügepartner bei erheblichem Spanab- und -austrag eine korrespondierende Verzahnung im zweiten Fügepartner geschaffen wird, lediglich eine Kalibrierung der „weichen“ Verzahnung 5, vorliegend der Verzahnung 5 der Zahnnabe 4, und somit ein weit geringerer Spanabtrag zu verzeichnen. Der Spanabtrag beschränkt sich somit im Wesentlichen auf das aus dem Übermaß der Übermaßpassung resultierende Material 11 der im Verhältnis zur Zahnwelle 1 oder zumindest deren Verzahnung 2 „weicheren“ Verzahnung 5 der Zahnnabe 4, welches Material 11 in 2 schematisch durch eine Kreuzschraffur gekennzeichnet ist.
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Bevorzugt bestehen beide Fügepartner aus einem Metall, beispielsweise aus einem Stahl, wobei der eine Fügepartner, gemäß diesem Ausführungsbeispiel die Zahnwelle 1 oder zumindest deren Verzahnung 2, beispielsweise durch Härten oder Oberflächenhärten „härter“ ausgebildet wird als der andere Fügepartner, vorliegend die Zahnnabe 4 oder zumindest deren Verzahnung 5. Als Verfahren zum Härten kann beispielsweise ein Einsatz- oder Induktionshärteverfahren Anwendung finden. Die Erfindung beschränkt sich jedoch nicht auf diese Härteverfahren, sondern erfasst alle geeigneten Verfahren, die insbesondere auch unter dem Begriff Vergüten subsumiert sind und im Wesentlichen das Härten, Abschrecken und Anlassen erfassen. Weiter bevorzugt kann auch einer der Fügepartner, insbesondere der „härtere“ Fügepartner aus einem Metall, insbesondere Stahl bestehen und der andere „weichere“ Fügepartner aus einem Kunststoff oder einem faserverstärkten Kunststoff. Demgegenüber können auch beide Fügepartner aus einem Kunststoff oder faserverstärkten Kunststoff unterschiedlicher Härte ausgebildet sein. Ebenso kann vorgesehen sein, dass eine der Verzahnungen 2, 5 oder beide Verzahnungen 2, 5 nicht einstückig mit dem besagten Fügepartner ausgebildet, sondern beispielsweise nach einem Spritzgießverfahren oder jedwedem anderen geeigneten Verfahren an dessen Oberfläche angebracht ist/sind. Durch diese Maßnahme ist eine „weichere“ oder „härtere“ Ausbildung der einen Verzahnung 2, 5 im Verhältnis zur anderen Verzahnung 5, 2 ebenfalls sehr einfach zu bewerkstelligen.
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Im Hinblick auf die Erzielung besonders guter Ergebnisse bzgl. eines exakten, spielfreien Eingriffs der Zähne 2a der Zahnwelle 1 in die zugeordneten Zahnlücken 5b der Zahnnabe 4, ist der „härtere“ Fügepartner respektive die Zahnwelle 1 oder zumindest deren Verzahnung 2 bevorzugt um mindestens 5 HRC (HRC = Rockwellhärte) härter ausgebildet als der im Verhältnis zu diesem „weichere“ Fügepartner in Form der Zahnnabe 4 oder zumindest deren Verzahnung 5.
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Wie insbesondere der 2 zu entnehmen ist, handelt sich bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel um eine Welle-Nabe-Fügeverbindung, die Verzahnungen 2, 5 mit Kerbflanken aufweist, bei denen die beiden ebenen Flanken eines jeden Zahns 2a, 5a spitz aufeinander zu laufen. Mit Vorteil ist die Erfindung jedoch auch für Welle-Nabe-Fügeverbindungen einsetzbar, deren Verzahnungen 2, 5 Zähne 2a, 5a mit Evolventenflanken oder Keilflanken aufweisen (nicht zeichnerisch dargestellt).
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Zahnwelle
- 2
- erste Verzahnung (Zahnwelle 1)
- 2a
- Zähne
- 2b
- Zahnlücken
- 3
- Außenmantelfläche (Zahnwelle 1)
- 4
- Zahnnabe
- 5
- zweite Verzahnung (Zahnnabe 4)
- 5a
- Zähne
- 5b
- Zahnlücken
- 6
- Bohrung (Zahnnabe 4)
- 7
- Anschlusselement
- 8
- Flanschabschnitt
- 9
- Lagergehäuse
- 10
- Radiallager
- 11
- Material (Übermaßpassung)
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10302072 B3 [0003]
- DE 102007000659 A1 [0003]
- DE 102008040321 B4 [0003]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Norm ISO 2039-2 [0008]
- ASTM D 785 [0008]
