DE102014006144A1 - Welle-Nabe-Vorrichtung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung beschreibt eine Welle-Nabe-Vorrichtung (10), umfassend ein erstes drehmomentübertragendes Bauteil (18) und ein zweites drehmomentübertragendes Bauteil (22), welche miteinander drehfest verbunden sind, und mindestens eine Klammervorrichtung (52) mit einem ersten Abschnitt (54), der ein radialelastisches Federelement (60) und mindestens eine Hakenflanke (70) aufweist, wobei die Hakenflanke (70) wenigstens teilweise an einer Bauteilflanke (28) des zweiten drehmomentübertragenden Bauteils (22) anliegt. Erfindungsgemäß weist die Klammervorrichtung einen zweiten Abschnitt (58) auf, der mit dem ersten drehmomentübertragenden Bauteil (18) fest verbunden ist.

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft eine Welle-Nabe-Vorrichtung für ein Kraftfahrzeug, welche eine Welle-Nabe-Verbindung und eine axiale Fixierung dieser Welle-Nabe-Verbindung aufweist.
• Welle-Nabe-Verbindungen sind aus zahlreichen Anwendungen im Kraftfahrzeug bekannt, wie z. B. bei Längsantriebswellen, Seitenwellen und Gleichlaufgelenken, bei welchen oftmals eine komplementäre Innen- und Außenverzahnung in Eingriff gebracht werden. Für eine zuverlässige Drehmomentübertragung kommt dabei der axialen Fixierung der Welle-Nabe-Verbindung eine zentrale Funktion zu. So werden für die axiale Fixierung unterschiedliche Lösungen vorgeschlagen, z. B. mit Sicherungsringen, Schnappringen oder Sprengringen.
• Aus der gattungsgemäßen Schrift DE 10020975 A1 ist beispielsweise eine Welle-Nabe-Vorrichtung mit einer Hohlwelle, einem Steckzapfen und einem hülsenförmigen elastischen Sicherungselement bekannt. Offenbart wird eine relative axiale Fixierung durch das Zusammenwirken zweier axialer Sicherungen in jeweils entgegengesetzter axialer Richtung. In die eine Richtung erfolgt die axiale Sicherung durch einen gemeinsamen Anschlag von Welle und Nabe und in die zweite Richtung durch das elastische Sicherungselement. Dieses Sicherungselement weist an beiden Enden radialelastische Finger auf, die eine formschlüssige Verbindung sowohl mit der Welle, als auch mit der Nabe, herstellen.
• Bei dieser Ausführung des Sicherungselements wirkt es sich nachteilig aus, dass die radialelastischen Finger an den axialen Enden bei der Montage formschlüssig in jeweils komplementär ausgestaltete Nutformationen einrasten müssen, woraus sich hohe Anforderungen an eine Fertigungsgenauigkeit ergeben.
• Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Welle-Nabe-Vorrichtung hinsichtlich Toleranzausgleich, Robustheit und Kosten zu verbessern. Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch eine Welle-Nabe-Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind durch die abhängigen Ansprüche beschrieben.
• Die Welle-Nabe-Vorrichtung zeichnet sich aus durch ein erstes und ein zweites drehmomentübertragendes Bauteil und mindestens eine Klammervorrichtung. Die drehmomentübertragenden Bauteile können eine Welle und eine Nabe sein, die teilweise ineinandergesteckt sein können, wobei unter einer Welle beispielsweise auch eine Hohlwelle und unter einer Nabe beispielsweise auch ein Steckzapfen verstanden werden kann. Dabei sind die drehmomentübertragenden Bauteile drehfest und entlang einer gemeinsamen Achse trennbar miteinander verbunden. Die drehfeste Verbindung kann beispielsweise durch ein Ineinandergreifen von einer entsprechenden Innen- und Außenverzahnungen hergestellt werden, welche die Oberflächen der drehmomentübertragenden Bauteile mindestens teilweise im Bereich der Welle-Nabe-Verbindung aufweisen. Bei einem Kraftfahrzeug kann es sich bei den drehmomentübertragenden Bauteilen um eine axial fixierte Nabe, z. B. an einem Ende eines Zweimassenschwungrades und einer axial zu fixierenden Welle, z. B. der Eingangswelle eines Anfahrelements oder eines Getriebes, handeln.
• Bei einer auf diese Art hergestellten Welle-Nabe-Verbindung kann eine axiale Relativbewegung zwischen den zwei drehmomentübertragenden Bauteilen auftreten. Eine solche axiale Relativbewegung wird durch eine axiale Fixierung gehemmt, die aus Sicherungen in jeweils eine axiale Richtung besteht. Für die axiale Sicherung in eine erste axiale Richtung weist die Welle-Nabe-Vorrichtung einen gemeinsamen Anschlag des ersten und des zweiten drehmomentübertragenden Bauteils auf, und für die axiale Sicherung in eine zweite axiale Richtung eine Klammervorrichtung.
• An dem gemeinsamen Anschlag stützen sich die zwei drehmomentübertragenden Bauteile gegenseitig in die erste axiale Richtung ab und weisen dazu je mindestens eine Anschlagfläche auf. Als Anschlagfläche kann jede in radialer Richtung nach außen verlaufende Fläche der Welle-Nabe-Vorrichtung dienen. Diese kann sich beispielsweise an einem axialen Ende von einem der teilweise ineinandergesteckten drehmomentübertragenden Bauteile befinden, oder von diesem Ende axial und/oder radial beabstandet sein.
• Die Klammervorrichtung weist einen ersten Abschnitt und erfindungsgemäß einen zweiten Abschnitt auf, wobei der erste Abschnitt ein radialelastisches Federelement und mindestens eine Hakenflanke aufweist. Eine radialelastische Federwirkung des Federelements kommt durch einen Biegeradius zwischen dem ersten und zweiten Abschnitt der Klammervorrichtung, den Materialeigenschaften und geometrischen Verhältnissen, wie einer Materialdicke, einer Breite und einer Länge des Federelements, zustande. Daraus resultiert eine Federkonstante der Klammervorrichtung. Diese Federkonstante ist vorteilhaft so ausgelegt, dass bei einem Montagevorgang der Welle-Nabe-Verbindung keine bleibende plastische Verformung des ersten Abschnitts durch ein radiales Aufbiegen nach außen auftritt und in einer nominellen Montageendposition das Federelement eine radial nach innen gerichtete Federkraft ausübt. Diese Federkraft übt durch die Hakenflanke, die wenigstens teilweise an einer Bauteilflanke des zweiten drehmomentübertragenden Bauteils anliegt, und der gemeinsamen Berührfläche von Hakenflanke und Bauteilflanke des zweiten drehmomentübertragenden Bauteils, Druck auf das zu sichernde zweite drehmomentübertragende Bauteil aus. Auf diese Weise wird eine kraftschlüssige Verbindung zwischen der Klammervorrichtung und dem zweiten drehmomentübertragenden Bauteil hergestellt, die den großen Vorteil eines Toleranzausgleichs aufweist. Dadurch können unter Beibehalten einer axialen Sicherung beispielsweise herstellungsbedingte Bauteiltoleranzen oder temperaturbedingte Schwankungen in der Ausdehnung der drehmomentübertragenden Bauteile ausgeglichen werden. Eine auf die Bauteilflanke wirkende axiale Kraftkomponente der Federkraft bewirkt die axiale Sicherung in die zweite axiale Richtung und stellt zusammen mit der ersten axialen Sicherung, die durch den gemeinsamen Anschlag erfolgt, die relative axiale Fixierung der Welle-Nabe-Verbindung her. Der Betrag der axialen Kraftkomponente zur axialen Sicherung hängt dabei von einem Haltewinkel ρ ab, genauer ist er der mit der trigonometrischen Kotangens-Funktion des Haltewinkels ρ multiplizierte Betrag der Federkraft. Der Haltewinkel ρ gibt den Winkel der Bauteilflanke des zweiten drehmomentübertragenden Bauteils bezüglich der Achse an. Durch ein Verändern der Geometrie der Hakenflanke kann die Berührfläche an der Bauteilflanke verändert werden, wodurch der Anteil von einer kraftschlüssigen zu einer formschlüssigen Verbindung variiert wird. Die Geometrie der Hakenflanke wird beispielsweise bestimmt durch einen Hakenwinkel α bezüglich der Achse und einen Klammerkonturradius, wenn die Hakenflanke nicht flach ist, sondern in Richtung der Bauteilflanke des zweiten drehmomentübertragenden Bauteils eine Wölbung aufweist.
• Alle bei einem Montagevorgang der drehfesten Welle-Nabe-Vorrichtung möglicherweise aufeinandertreffenden Kanten des ersten und zweiten drehmomentübertragenden Bauteils können eine Fase aufweisen. Damit wird ein Auffinden und Hineingleiten in eine nominelle Montageendposition bei der Montage, z. B. einem Ineinanderstecken des ersten und zweiten drehmomentübertragenden Bauteils, erleichtert, besonders bei einer Blindmontage (d. h. ein Montagevorgang bei einer verdeckten Sicht auf die Welle-Nabe-Verbindung). Die Fase am radial äußeren Ende des zweiten drehmomentübertragenden Bauteils, die bei einem Montagevorgang die Klammervorrichtung reversibel aufbiegt, kann in axialer Richtung zu einer Anlaufschräge verlängert sein. Die Anlaufschräge kann sich maximal bis zum radial äußeren Ende der Bauteilflanke des zweiten drehmomentübertragenden Bauteils erstrecken und weist einen Winkel γ bezüglich der Achse auf. Durch die Anlaufschräge erfolgt das radiale Aufbiegen der Klammervorrichtung bei einem Montagevorgang besonders schonend und verhindert eine dauerhaft bleibende plastische Verformung des ersten Abschnitts der Klammervorrichtung nach außen. An die Hakenflanke am Ende des ersten Abschnitts kann sich eine Montageflanke anschließen, die unter einem Klammerkonturwinkel β radial nach außen gerichtet ist. Ein Zusammenwirken der Montageflanke mit der Fase am radial äußeren Ende des zweiten drehmomentübertragenden Bauteils, oder der Ausgestaltung als eine Anlaufschräge, verbessert und/oder erleichtert den Montagevorgang bzw. das axiale Ineinanderstecken des ersten und zweiten drehmomentübertragenden Bauteils. In der nominellen Montageendposition verbleibt die Klammervorrichtung in einem vorgespannten Zustand, um so die relativ axial fixierte, und somit spielfreie, Welle-Nabe-Verbindung mittels der radial nach innen gerichteten Federkraft des Federelements, herzustellen. Die radial nach innen gerichtete Ausdehnung der Hakenflanke bezüglich des Federelements, wird als eine Hakenkonturtiefe bezeichnet.
• Erfindungsgemäß weist die Klammervorrichtung einen zweiten Abschnitt auf, der mit dem ersten drehmomentübertragenden Bauteil fest verbunden ist. Unter einer festen Verbindung ist eine lösbar feste oder eine nichtlösbar feste Verbindung zu verstehen, wobei eine lösbar feste Verbindung beispielsweise mit Schrauben als Befestigungsmittel hergestellt werden kann, hingegen eine nichtlösbare feste Verbindung beispielsweise durch Nietverbindungen, Schweißen, oder andere stoffschlüssige Verbindungsmethoden entsteht. Im Vergleich zur Verwendung einer formschlüssigen Verbindung und den dazu notwendigen passgenauen Strukturen im Stand der Technik, kann mit einer festen Verbindung der Aufwand zum Herstellen der Verbindung verringert werden. Eine radiale Positionierung des zweiten Abschnitts der Klammervorrichtung am ersten drehmomentübertagenden Bauteil erfolgt besonders vorteilhaft so, dass nach dem Erreichen der nominellen Montageendposition ein Innenradius des ersten Abschnitts der Klammervorrichtung größer ist als ein Außenradius des zweiten drehmomentübertragenden Bauteils, wobei die Differenz der genannten Radien kleiner als die Hakenkonturtiefe ist.
• In einer vorteilhaften Weiterentwicklung der Erfindung ist die Bauteilflanke eine Flanke einer nutförmigen Vertiefung in der radial nach außen gerichteten Oberfläche des zweiten drehmomentübertragenden Bauteils. Die nutförmige Vertiefung ist vorteilhafter Weise im Wesentlichen radial umlaufend ausgerichtet, d. h. sie verläuft mit konstantem Radius, und ist daher leicht anzubringen. Die nutförmige Vertiefung weist besonders vorteilhaft eine Länge in radialer Umlaufrichtung auf, die mindestens der Projektion der Breite des Federelements auf den Umfangsradius entspricht, weist eine Tiefe in radialer innerer Richtung auf, die mindestens der Hakenkonturtiefe entspricht, und weist eine axiale Breite auf, so dass die Hakenflanke, bzw. die Anordnung aus Hakenflanke und Montageflanke, in diejenige axiale Richtung nicht anliegt, in die keine Sicherungsfunktion bewirkt werden soll. Durch diese vorteilhafte Ausgestaltung der Welle-Nabe-Verbindung wird der erfindungsgemäße axiale Toleranzausgleich durch Kraftschluss besonders effizient gewährleistet.
• Vorteilhafter Weise ist der Winkel zwischen dem erste Abschnitt und dem zweiten Abschnitt der Klammervorrichtung radial nach außen gerichtet und im Wesentlichen ein rechter Winkel. Ein im Wesentlichen rechter Winkel meint einen Winkel von (90 ± 5)°. Dieser ist für einen vorgegebenen Biegeradius und einer zu erzielenden Federkonstante des Federelements des ersten Abschnitts besonders leicht und kostengünstig herzustellen. Ein weiterer Vorteil ist das erleichterte Herstellen der festen Verbindung des Klammerelements am ersten drehmomentübertragenden Bauteil, sintemal zur Montage eine radial nach außen verlaufende Fläche besonders einfach aus axialer Richtung mit einem Werkzeug erreicht werden kann.
• Um die resultierende Federkonstante des Federelements zu erhöhen und damit auch die axiale Kraft zur Sicherung der Welle-Nabe-Verbindung, können auf vorteilhafte Weise mehrere Klammervorrichtungen zur Sicherung der Welle-Nabe-Verbindung in eine axiale Richtung bei der Welle-Nabe-Vorrichtung zum Einsatz kommen. Dabei können die Klammervorrichtungen durchaus unterschiedliche Federkonstanten aufweisen, was durch eine Variation der einhergehenden Kenngrößen und Parameter erreicht wird. Nach dem Superpositionsprinzip addieren sich die Federkräfte vektoriell und die skalaren Federkonstanten parallelgeschalteter Federn in eine gemeinsame Richtung skalar zu einer Ersatzfederkonstante. In einer besonders vorteilhaften Weiterentwicklung der Erfindung werden beim Einsatz mehrere Klammervorrichtungen zur Erhöhung der Ersatzfederkonstanten, deren zweite Abschnitte miteinander fest verbunden. Unter fest verbunden kann ein festes Verbinden z. B. durch ein stoffschlüssiges Verbinden begriffen werden, oder auch ein durch einen Herstellungsprozess in einem Stück bedingtes, immer schon verbunden sein. Wenn die zweiten Abschnitte von mehreren Klammervorrichtungen miteinander fest verbunden sind, sei es nachträglich oder durch den Herstellungsprozess, ergibt sich als Vorteil, dass nunmehr nicht jeder einzelne zweite Abschnitt einer jeden Klammervorrichtung mit dem ersten drehmomentübertragenden Bauteil fest verbunden werden muss, sondern gemeinsam fest verbunden werden können. Damit reduzieren sich der Aufwand und die Kosten beispielsweise an Befestigungsmitteln oder Schweißpunkten.
• In einer vorteilhaften Weiterentwicklung werden die miteinander fest verbundenen zweiten Abschnitte mehrerer Klammervorrichtungen ringförmig zu einem Klammerring angeordnet. Die fest verbundenen zweiten Abschnitte bilden zusammen ein flanschartiges Ende des Klammerrings, während die nicht miteinander verbundenen ersten Abschnitte, jeweils mindestens ein Federelement und mindestens eine Hakenflanke aufweisen und so fingerartige Enden ausbilden die durch Schlitze getrennt sind. Das flanschartige Ende des Klammerrings weist vorteilhaft einen Flanschdurchmesser, einen Schlitzdurchmesser, eine Flanschbreite und eine Schlitzbreite auf. Analog zu den oben gemachten Ausführungen für den Fall mehrerer fest verbundener zweiter Abschnitte von Klammervorrichtungen ist die resultierende axiale Sicherungskraft und die Ersatzfederkonstante des gesamten Klammerrings durch Superposition bestimmt. Zusätzlich zu den oben bereits eingeführten Kenngrößen und Parametern der einzelnen Klammervorrichtung, gehen zur Bestimmung des Klammerrings weitere Größen ein. Durch die Breite der Federelemente und die Schlitzbreite zwischen den Federelementen ergibt sich eine resultierende Gesamtzahl von Federelementen des Klammerrings, die zusammen eine Ersatzfederkonstante aufweisen. Diese Ersatzfederkonstante ist für den entsprechenden Einsatz in der jeweiligen Welle-Nabe-Vorrichtung zu bestimmen und durch Abstimmen der Kenngrößen und Parameter zu realisieren. Ist dies durch eine Variation der genannten Kenngrößen und Parameter des Klemmrings bzw. der Klammervorrichtungen nicht möglich, kann die Ersatzfederkonstante besonders vorteilhaft durch mindestens ein zusätzliches Federelement variiert werden, wobei unter variieren dem Betrage nach vergrößern oder verkleinern zu verstehen ist.
• Für die Verwendung von zusätzlichen Federelementen bildet in vorteilhafter Weise die Hakenflanke zusammen mit der Montageflanke des ersten Abschnitts der Klammervorrichtung eine nach außen gerichtete Rille. Dabei weisen die Hakenflanke und die Montageflanke einen eingeschlossenen Winkel θ auf, der sich mit dem Hakenwinkel α und dem Klammerkonturwinkel β bestimmen lässt zu θ = 180° – α – β. Vorteilhafter Weise sind in den nach außen gerichteten Rillen mehrerer Klammervorrichtungen, deren zweite Abschnitte miteinander fest verbunden sein können und ggf. einen Klammerring bilden können, zusätzliche Federelemente radial angeordnet. Die zusätzlichen Federelemente können eine geschlossene oder eine offene Geometrie haben. Unter einer geschlossen Geometrie ist beispielsweise ein O-Ring oder eine kreisförmig geschlossene linksgängige oder rechtsgängige Helix oder Spiralfeder zu verstehen und unter einer offenen Geometrie beispielsweise ein Klemmring. Die geschlossene Struktur des zusätzlichen Federelements kann auch durch ein Verbinden mehrerer einzelner Federelemente hergestellt werden oder durch einen Klemmring, dessen Enden miteinander formschlüssig mit einem Befestigungsmittel verbunden werden.
• Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich anhand der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnungen, in welchen gleiche Elemente mit identischen Bezugszeichen versehen sind.
• Dabei zeigen
• 1 einen Axiallängsschnitt einer erfindungsgemäßen Welle-Nabe-Vorrichtung,
• 2 ein Ausführungsbeispiel einer Klammervorrichtung für die Welle-Nabe-Vorrichtung,
• 3 ein Ausführungsbeispiel einer Haltevorrichtung am zweiten drehmomentübertragenden Bauteil,
• 4a–4c einen Ablauf eines Montage- und Demontagevorgangs einer erfindungsgemäßen Welle-Nabe-Vorrichtung,
• 5a, 5b ein Ausführungsbeispiel der Klammervorrichtung als Klemmring in einer Schrägansicht (5a) und einer Frontansicht (5b),
• 6 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Welle-Nabe-Vorrichtung mit einem zusätzlichen Federelement,
• 7a, 7b Ausführungsbeispiele des zusätzlichen Federelements,
• 8 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Welle-Nabe-Vorrichtung, bei dem die Bauteilflanke eine Oberflächenflanke ist,
• 9 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Welle-Nabe-Vorrichtung mit mehreren Hakenflanken.
• 1 zeigt einen Axiallängsschnitt durch einen oberen Teil einer Welle-Nabe-Vorrichtung 10, die eine Welle-Nabe-Verbindung zwischen einem ersten drehmomentübertragenden Bauteil 18 und einem zweiten drehmomentübertragenden Bauteil 22 darstellt, sodass diese drehmomentübertragenden Bauteile drehfest und entlang einer gemeinsamen Achse 12 trennbar miteinander verbunden sind. Zur drehfesten Verbindung weisen das erste drehmomentübertragende Bauteil 18 und das zweite drehmomentübertragend Bauteil 22 jeweils eine Verzahnung 20, 24 auf, die durch einen Montagevorgang zumindest teilweise in Eingriff gebracht werden. Das erste drehmomentübertragende Bauteil 18 ist eine axial zu fixierende Welle und das zweite drehmomentübertragende Bauteil 22 eine axial fixierte Nabe. Bei einer auf diese Art hergestellten Welle-Nabe-Verbindung kann eine axiale Relativbewegung zwischen den zwei drehmomentübertragenden Bauteilen 18, 22 auftreten. Eine solche axiale Relativbewegung wird durch eine axiale Fixierung gehemmt, die aus zwei axialen Sicherungen in jeweils eine axiale Richtung 14, 16 besteht. Für die axiale Sicherung in die erste axiale Richtung 14 weist die erfindungsgemäße Welle-Nabe-Vorrichtung 10 einen gemeinsamen Anschlag 50 des ersten drehmomentübertragenden Bauteils 18 und des zweiten drehmomentübertragenden Bauteils 22 auf, und für die axiale Sicherung in die zweite axiale Richtung 16 eine Klammervorrichtung 52. An dem gemeinsamen Anschlag 50 stützen sich die zwei drehmomentübertragenden Bauteile 18, 22 gegenseitig in die erste axiale Richtung 14 ab und weisen dazu jeweils eine Anschlagfläche auf, die senkrecht zur axialen Richtung verlaufen. Die Klammervorrichtung 52 zur axialen Sicherung in die zweite axiale Richtung 16 weist einen ersten Abschnitt 54 und einen zweiten Abschnitt 58 auf, wobei der Winkel zwischen dem erste Abschnitt 54 und dem zweiten Abschnitt 58 der Klammervorrichtung 52 radial nach außen gerichtet und im Wesentlichen ein rechter Winkel ist. Ein im Wesentlichen rechter Winkel meint einen Winkel von (90 ± 5)°. Der erste Abschnitt 54 weist ein radialelastisches Federelement 60, eine Hakenflanke 70 und eine Montageflanke 74 auf. Die Hakenflanke 70 des ersten Abschnitts 54 liegt an einer Bauteilflanke 28 (3) an, die Teil einer nutförmigen Vertiefung 30 einer Haltevorrichtung 38 des zweiten drehmomentübertragenden Bauteils 22 ist. Die Bauteilflanke 28 ist eine Flanke der nutförmigen Vertiefung 30 in der radial nach außen gerichteten Oberfläche des zweiten drehmomentübertragenden Bauteils 22. Die nutförmige Vertiefung 30 ist radial umlaufend ausgerichtet, d. h. sie verläuft mit einem konstanten Innenradius 32. Die nutförmige Vertiefung 30 weist in radialer Umlaufrichtung eine Länge auf, die mindestens der Projektion einer Breite 66a (5b) des radialelastischen Federelements 60 auf den Umfangsradius entspricht, und weist eine Tiefe in radialer innerer Richtung auf, die in 3 als eine Schulterhöhe 48 bezeichnet wird, und weist eine axiale Breite 34 auf, so dass die Klammervorrichtung 52 nicht an einer Bauteilflanke 36 anliegt. Der zweite Abschnitt 58 der Klammervorrichtung 52 ist mit dem ersten drehmomentübertragenden Bauteil 18 fest verbunden. Dies kann durch eine nichtlösbare feste Verbindung 98, die durch Schweißen oder andere stoffschlüssige Verbindungsmethoden entsteht, oder eine lösbar feste Verbindung erfolgen, die mit Befestigungsmitteln 100b (8) hergestellt werden kann. Die bei einem Montagevorgang der drehfesten Welle-Nabe-Vorrichtung 10 möglicherweise aufeinandertreffenden Kanten des ersten drehmomentübertragenden Bauteils 18 und des zweiten drehmomentübertragenden Bauteils 22 weisen eine Fase auf.
• 2 und 3 zeigen die Klammervorrichtung 52 und die Haltevorrichtung 38 für die Welle-Nabe-Vorrichtung 10 im Detail; die Klammervorrichtung 52 mit dem ersten Abschnitt 54 und dem zweiten Abschnitt 58, wobei der erste Abschnitt 54 das radialelastische Federelement 60, die Hakenflanke 70 und die Montageflanke 74 aufweist. Eine radialelastische Federwirkung des Federelementes 60 kommt durch einen Biegeradius 62 zwischen dem ersten Abschnitt 54 und dem zweiten Abschnitt 58 der Klammervorrichtung 52, den Materialeigenschaften und geometrischen Verhältnissen, wie einer Materialdicke 64, der Breite 66a (5b) und einer Länge 68 des Federelements, zustande. Daraus resultiert die Federkonstante k der Klammervorrichtung 52. Diese Federkonstante k ist so ausgelegt, dass bei einem Montagevorgang (4a) oder einem Demontagevorgang (4c) der Welle-Nabe-Vorrichtung 10, keine bleibende plastische Verformung des ersten Abschnitts 54 durch ein radiales Aufbiegen nach außen auftritt und in einer nominellen Montageendposition (4b) das Federelement 60 eine radial nach innen gerichtete Federkraft ausübt. Diese Federkraft übt durch die Hakenflanke 70, die wenigstens teilweise an der Bauteilflanke 28 des zweiten drehmomentübertragenden Bauteils 22 anliegt, und der gemeinsamen Berührfläche von der Hakenflanke 70 der Klammervorrichtung 52 und der Bauteilflanke 28 (3) des zweiten drehmomentübertragenden Bauteils 22, Druck auf das zu sichernde zweite drehmomentübertragende Bauteil 22 aus. Auf diese Weise wird eine kraftschlüssige Verbindung zwischen der Klammervorrichtung 52 und dem zweiten drehmomentübertragenden Bauteil 22 hergestellt, welche die Eigenschaft eines Toleranzausgleichs aufweist. Dadurch können unter Beibehalten der axialen Sicherung herstellungsbedingte Bauteiltoleranzen oder temperaturbedingte Schwankungen in der Ausdehnung der drehmomentübertragenden Bauteile 18, 22 ausgeglichen werden. Eine auf die Bauteilflanke 28 wirkende axiale Kraftkomponente der Federkraft bewirkt die axiale Sicherung in die zweite axiale Richtung 16 und stellt zusammen mit der ersten axialen Sicherung, die durch den gemeinsamen Anschlag 50 erfolgt, die relative axiale Fixierung der Welle-Nabe-Verbindung her. Der Betrag der axialen Kraftkomponente zur axialen Sicherung hängt dabei von einem Haltewinkel ρ 40 ab, genauer ist er der mit der trigonometrischen Kotangens-Funktion des Haltewinkels ρ 40 multiplizierte Betrag der Federkraft. Der Haltewinkel ρ 40 gibt den Winkel der Bauteilflanke 28 des zweiten drehmomentübertragenden Bauteils 22 bezüglich der Achse 12 an. Durch ein Verändern der Geometrie der Hakenflanke 70 kann die Berührfläche an der Bauteilflanke 28 verändert werden, wodurch der Anteil von einer kraftschlüssigen zu einer formschlüssigen Verbindung variiert wird. Die Geometrie der Hakenflanke 70 wird im Wesentlichen durch einen Hakenwinkel α 72 bezüglich der Achse 12 und einem Klammerkonturradius 78, wenn die Hakenflanke 70 nicht flach ist, sondern in Richtung der Bauteilflanke 28 des zweiten drehmomentübertragenden Bauteils 22 eine Wölbung aufweist, bestimmt. An die Hakenflanke 70 am Ende des ersten Abschnitts 54 schließt sich die Montageflanke 74 an, die unter einem Klammerkonturwinkel β 76 radial nach außen gerichtet ist, wodurch sich eine Rille 82 ergibt. Die Rille 82 wird somit von der Hakenflanke 70, der Montageflanke 74 und dem eingeschlossenen Klammerkonturradius 78 gebildet. Die in radialer Richtung nach innen, also auf die Achse 12 hin gerichtete Ausdehnung der Hakenflanke 70 bezüglich des Federelements, wird als eine Hakenkonturtiefe 80 bezeichnet.
• 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Haltevorrichtung 38 des zweiten drehmomentübertragenden Bauteils 22 für das Zusammenwirken mit der Klammervorrichtung 52. Die Fase am radial äußeren Ende des zweiten drehmomentübertragenden Bauteils 22, die bei einem Montagevorgang (4a) die Klammervorrichtung 52 reversibel aufbiegt, ist in axialer Richtung zu einer Anlaufschräge 42 verlängert. Diese Anlaufschräge 42 erstreckt sich bis zum radial äußeren Ende der Bauteilflanke des zweiten drehmomentübertragenden Bauteils 22 und weist einen Winkel γ 44 bezüglich der Achse 12 auf. Durch die Anlaufschräge 42 und die Bauteilflanke 28 wird eine Schulter 46 an der radial nach außen gerichteten Seite des zweiten drehmomentübertragenden Bauteils 22 begrenzt, die einen Außenradius 26 bezüglich der Achse 12 aufweist. Die Schulterhöhe 48, die sich aus der Länge der Bauteilflanke 28 multipliziert mit dem Funktionswert der trigonometrischen Sinusfunktion des Haltewinkels ρ 40 ergibt, muss größer als die Hakenkonturtiefe 80 (2) sein. Durch die Anlaufschräge 42 erfolgt das radiale Aufbiegen der Klammervorrichtung 52 bei einem Montagevorgang besonders schonend und verhindert eine dauerhaft bleibende plastische Verformung des ersten Abschnitts 54 der Klammervorrichtung 52 nach außen. Ein Zusammenwirken der Montageflanke 74 (2) mit der Anlaufschräge 42 des zweiten drehmomentübertragenden Bauteils 22 erleichtert den Montagevorgang (4a), d. h. das axiale Ineinanderstecken des ersten drehmomentübertragenden Bauteils 18 und des zweiten drehmomentübertragenden Bauteils 22. Die Bauteilflanke 28 ist eine Flanke der nutförmigen Vertiefung 30 in der radial nach außen gerichteten Oberfläche des zweiten drehmomentübertragenden Bauteils 22. Die nutförmige Vertiefung 30 ist radial umlaufend ausgerichtet, d. h. sie verläuft mit dem konstanten Innenradius 32. Die nutförmige Vertiefung 30, weist in radialer Umlaufrichtung eine Länge auf, die mindestens der Projektion der Breite 66a (5b) des radialelastischen Federelements 60 auf den Umfangsradius entspricht, weist eine Tiefe in radialer innerer Richtung auf, die als Schulterhöhe 48 bezeichnet wird, und weist die axiale Breite 34 auf, so dass die Montageflanke 74 (2) der Klammervorrichtung 52 nicht an der Bauteilflanke 36 anliegt.
• 4a–4c stellen einen Ablauf eines Montage-/Demontage-Vorgangs einer erfindungsgemäßen Welle-Nabe-Vorrichtung 10 dar. Der Montagevorgang (4a) erfolgt durch ein Bewegen des zu fixierenden drehmomentübertragenden Bauteils 18 in die zweite axiale Richtung 16 auf das fixierte drehmomentübertragende Bauteil 22 zu. Der Demontagevorgang (4c) erfolgt entsprechend umgekehrt, durch ein Bewegen des zu fixierenden drehmomentübertragenden Bauteils 18 in die erste axiale Richtung 14. In einer nominellen Montageendposition (4b) der Welle-Nabe-Vorrichtung 10, verbleibt die Klammervorrichtung 52 in einem vorgespannten Zustand, um so die relativ axial fixierte, und somit spielfreie, Welle-Nabe-Verbindung mittels der radial nach innen gerichteten Federkraft des radialelastischen Federelementes 60, herzustellen. Dazu erfolgt die radiale Positionierung des zweiten Abschnitts 58 der Klammervorrichtung 52 am ersten drehmomentübertagenden Bauteil 18 derart, dass nach dem Erreichen der nominellen Montageendposition ein Innenradius 56 des ersten Abschnitts 54 der Klammervorrichtung 52 größer ist als ein Außenradius 26 des zweiten drehmomentübertragenden Bauteils 22, wobei die Differenz der genannten Radien kleiner als die Hakenkonturtiefe 80 ist.
• In einer Ausgestaltung (ohne Figur) der erfindungsgemäßen Welle-Nabe-Vorrichtung 10 werden mehrere Klammervorrichtungen 52 für die axiale Sicherung in die zweite axiale Richtung 16 verwendet. Dabei können die Klammervorrichtungen 52 unterschiedliche Federkonstanten k aufweisen, was durch eine Variation der einhergehenden Kenngrößen und Parameter erreicht wird. Nach dem Superpositionsprinzip addieren sich die Federkräfte vektoriell und die skalaren Federkonstanten k parallelgeschalteter Federn in eine gemeinsame Richtung skalar zu einer resultierenden Ersatzfederkonstante K.
• Zur Erhöhung der resultierenden Ersatzfederkonstanten K zeigen 5a und 5b eine weitere Ausgestaltung der Welle-Nabe-Vorrichtung 10, bei der mehrere Klammervorrichtungen 52a zur axialen Sicherung in die zweite axiale Richtung 16 verwendet werden und deren zweite Abschnitte 58a miteinander fest verbunden sind. Unter fest verbunden kann ein festes Verbinden z. B. durch ein stoffschlüssiges Verbinden begriffen werden, oder auch ein durch einen Herstellungsprozess in einem Stück bedingtes, immer schon verbunden sein. Die miteinander fest verbundenen zweiten Abschnitte 58a mehrerer Klammervorrichtungen 52a sind ringförmig zu einem Klammerring 84 angeordnet. Die fest verbundenen zweiten Abschnitte 58a bilden zusammen ein flanschartiges Ende 86a des Klammerrings 84, während die nicht miteinander verbundenen ersten Abschnitte 54a, jeweils mindestens ein radialelastisches Federelement 60a und mindestens eine Hakenflanke 70a aufweisen und so fingerartige Enden ausbilden, die durch Schlitze 92a getrennt sind. Das flanschartige Ende 86a des Klammerrings 84 weist einen Flanschdurchmesser 88a, einen Schlitzdurchmesser 94a, eine Flanschbreite 90a und eine Schlitzbreite 96a auf. Wird für die Verbindung zwischen dem flanschartigen Ende 86a und dem ersten drehmomentübertragenden Bauteil 18 eine lösbar feste Verbindung gewählt, weist das flanschartige Ende 86a mindestens eine Aussparung 102a zur Durchführung eines Befestigungsmittels 100b (8) auf. Durch die Breite 66a der Federelemente 52a und der Schlitzbreite 96a zwischen den Federelementen 52a ergibt sich eine resultierende Gesamtzahl von Federelementen 52a des Klammerrings 84, die zusammen eine Ersatzfederkonstante K aufweisen. Diese Ersatzfederkonstante K ist für den entsprechenden Einsatz in der jeweiligen Welle-Nabe-Vorrichtung 10 zu bestimmen und durch Abstimmen der Kenngrößen und Parameter zu realisieren. Während 5a eine Schrägansicht des Klammerrings 84 darstellt, ist 5b die Frontansicht.
• Ist das Abstimmen der Ersatzfederkonstanten K für den entsprechenden Einsatz in der jeweiligen Welle-Nabe-Vorrichtung 10 durch eine Variation der genannten Kenngrößen und Parameter des Klammerrings 84 bzw. der Klammervorrichtungen 52, 52a nicht möglich, kann die Ersatzfederkonstante K durch mindestens ein zusätzliches Federelement 104, 104a variiert werden, wie in 6 dargestellt ist. Für die Verwendung von zusätzlichen Federelementen 104, 104a bilden die Hakenflanke 70 und die Montageflanke 74 des ersten Abschnitts 54 der Klammervorrichtung 52 die nach außen gerichtete Rille 82. Dabei weisen die Hakenflanke 70 und die Montageflanke 74 einen eingeschlossenen Winkel θ 106 auf, der sich mit dem Hakenwinkel α 72 und dem Klammerkonturwinkel β 76 bestimmen lässt zu θ = 180° – α – β. Die nach außen gerichteten Rillen 82 mehrerer Klammervorrichtungen 52, deren zweite Abschnitte 58 miteinander fest verbunden sein können und das flanschartige Ende 86a des Klammerrings 84 bilden können, bieten eine sichere Möglichkeit zusätzliche Federelemente 104 radial in diesen nach außen gerichteten Rillen 82 anzuordnen. 7a und 7b zeigen verschiedene Ausführungsbeispiele für zusätzliche Federelemente 104, 104a. Ein Federelement kann eine geschlossene Geometrie 104 oder eine offene Geometrie 104a aufweisen. Unter einer geschlossen Geometrie ist beispielsweise ein O-Ring (7a) oder eine kreisförmig geschlossene linksgängige oder rechtsgängige Helix oder eine Spiralfeder zu verstehen und unter einer offenen Geometrie beispielsweise ein Klemmring (7b). Die geschlossene Struktur des zusätzlichen Federelements kann auch durch ein Verbinden mehrerer einzelner Federelemente hergestellt werden oder durch einen Klemmring, dessen Enden miteinander formschlüssig mit einem Befestigungsmittel verbunden werden.
• 8 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäße Welle-Nabe-Vorrichtung 10b, bei dem die Bauteilflanke 28b eine Oberflächenflanke des zweiten drehmomentübertragenden Bauteils 22b ist, auf welche die Hakenflanke 70b des radialelastischen Federelements 60b eine Federkraft ausübt und deren Axialkomponente die axiale Sicherung in die zweite axiale Richtung 16 herstellt. Zum Herstellen einer lösbar festen Verbindung zwischen dem ersten drehmomentübertragenden Bauteils 18b und der Klammervorrichtung 52b weist der zweite Abschnitt 58b der Klammervorrichtung 52b mindestens eine Aussparung 102b zur Durchführung mindestens eines Befestigungsmittels 100b auf.
• 9 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäße Welle-Nabe-Vorrichtung 10c, bei der das zweite drehmomentübertragende Bauteil 22c mehrere Bauteilflanken 28c, 28c' aufweist, auf welche mehrere Hakenflanke 70c, 70c' des radialelastischen Federelements 60c eine Federkraft ausüben und deren Axialkomponenten die axiale Sicherung in die zweite axiale Richtung 16 herstellen. Die axiale Sicherung in die erste axiale Richtung 14 erfolgt durch einen gemeinsamen Anschlag 50c des ersten drehmomentübertragenden Bauteils 18c und des zweiten drehmomentübertragenden Bauteils 22c, der sich in diesem Ausführungsbeispiel an dem axialen Ende des zweiten drehmomentübertragenden Bauteils 22c befindet, das in die erste radiale Richtung 14 weist.
• Bezugszeichenliste

10, 10b, 10c

Welle-Nabe-Vorrichtung

12

gemeinsame Achse

14

erste axiale Richtung

16

zweite axiale Richtung

18, 18b, 18c

erstes drehmomentübertragendes Bauteil

20

Verzahnung

22, 22b, 22c

zweites drehmomentübertragendes Bauteil

24

Verzahnung

26

Außenradius des zweiten drehmomentübertragenden Bauteils

28, 28b, 28c, 28c'

Bauteilflanke

30

nutförmige Vertiefung

32

Innenradius der nutförmigen Vertiefung

34

axiale Breite der nutförmigen Vertiefung

36

Bauteilflanke

38

Haltevorrichtung

40

Haltewinkel ρ

42

Anlaufschräge

44

Winkel γ

46

Schulter

48

Schulterhöhe

50, 50c

Anschlag

52, 52a, 52b

Klammervorrichtung

54, 54a

erster Abschnitt

56

Innenradius des ersten Abschnitts

58, 58a, 58b

zweiter Abschnitt

60, 60a, 60b, 60c

radialelastisches Federelement

62

Biegeradius des Federelementes

64

Materialdicke des Federelementes

66a

Breite des Federelementes

68

Länge des Federelementes

70, 70a, 70b, 70c, 70c'

Hakenflanke

72

Hakenwinkel α

74

Montageflanke

76

Klammerkonturwinkel β

78

Klammerkonturradius

80

Hakenkonturtiefe

82

Rille

84

Klammerring

86a

flanschartiges Ende

88a

Flanschdurchmesser

90a

Flanschbreite

92a

Schlitz

94a

Schlitzdurchmesser

96a

Schlitzbreite

98

nichtlösbare feste Verbindung

100b

Befestigungsmittel

102a, 102b

Aussparung

104, 104a

Federelement

106

Winkel θ

• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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• Zitierte Patentliteratur
• DE 10020975 A1 [0003]

Claims (7)

1. Welle-Nabe-Vorrichtung (10), umfassend ein erstes drehmomentübertragendes Bauteil (18) und ein zweites drehmomentübertragendes Bauteil (22), welche miteinander drehfest verbunden sind, und mindestens eine Klammervorrichtung (52) mit einem ersten Abschnitt (54), der ein radialelastisches Federelement (60) und mindestens eine Hakenflanke (70) aufweist, wobei die Hakenflanke (70) wenigstens teilweise an einer Bauteilflanke (28) des zweiten drehmomentübertragenden Bauteils (22) anliegt, dadurch gekennzeichnet, dass die Klammervorrichtung einen zweiten Abschnitt (58) aufweist der mit dem ersten drehmomentübertragenden Bauteil (18) fest verbunden ist.
2. Welle-Nabe-Vorrichtung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bauteilflanke (28) eine Flanke einer nutförmigen Vertiefung (30) in einer radial nach außen gerichteten Oberfläche des zweiten drehmomentübertragenden Bauteils (22) ist.
3. Welle-Nabe-Vorrichtung (10) nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Abschnitt (54) und der zweite Abschnitt (58) der Klammervorrichtung (52) einen radial nach außen gerichteten, im Wesentlichen rechten Winkel bilden.
4. Welle-Nabe-Vorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass die zweiten Abschnitte (58) mehrerer Klammervorrichtungen (52) miteinander verbunden sind.
5. Welle-Nabe-Vorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Klammervorrichtungen (52a) mit verbundenen zweiten Abschnitten (58a), ringförmig zu einem Klammerring (84) angeordnet sind.
6. Welle-Nabe-Vorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hakenflanke (70) und eine Montageflanke (74) des ersten Abschnitts (54) der Klammervorrichtung (52) einen Winkel von θ < 180° einschließen und eine radial nach außen gerichtete Rille (82) ausbilden.
7. Welle-Nabe-Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein zusätzliches Federelement (104, 104a) in der nach außen gerichteten Rille (82) radial angeordnet ist.

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