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Die Erfindung betrifft eine Fügeverbindung zwischen einem im Wesentlichen hohlzylindrischen Fügeteil und einem im Wesentlichen zylindrischen Fügeteil mittels eines Presssitzes, wobei ein Kraftschluß des Presssitzes durch ein maximal zwischen den Fügeteilen übertragbares Drehmoment definiert ist. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Maschine, insbesondere einen Generator oder Motor, bevorzugt einen Elektromotor mit einer Fügeverbindung zwischen einer Welle und einer Nabe oder einem Rotor.
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Fügeverbindungen finden im Maschinenbau einen breiten Einsatz, wenn es gilt, drehbare Bauteile miteinander zu verbinden. Hierbei kommen eine ganze Variationsbreite von Wellen infrage, wie zum Beispiel Motorwellen, Antriebswellen, Getriebewellen, Schaltwellen oder dergleichen, die ein Drehmoment auf weitere Bauelemente, beispielsweise in einem Antriebsstrang, übertragen sollen.
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Die grundsätzliche Problematik, die sich dabei stellt, ist eine Fügeverbindung, die eine koaxiale Anordnung der beiden Fügeteile ermöglicht, sodass beide um die gleiche Drehachse drehen können ohne eine Unwucht zu generieren. Normalerweise werden hierfür Kalibrierwerkzeuge eingesetzt, die die Aufnahme in einen hohlzylindrischen Fügeteil oder die Mantelfläche einer Welle dahingehend bearbeiten, dass die Mittenachse der Aufnahme, beziehungsweise der Mantelfläche einer Welle, mit der Drehachse zusammenfällt. Leider entsteht somit ein zusätzlicher Herstellungsschritt, der vor dem eigentlichen Fügevorgang stattfindet, nämlich das Kalibrieren.
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Aus dem Stand der Technik ist eine Lehre bekannt, die es erlaubt, reibschlüssige Verbindungsarten zwischen einer Innenkontur und einer Außenkontur herzustellen. Im Wesentlichen zylindrische, insbesondere elliptische Fügeteile, werden in einer Montagestellung ineinander geschoben, wobei die Fügeverbindung eine Drehmomentübertragung gewährleistet. Leicht elliptische Konturen führen in der Fügeverbindung zu zwei Kontaktbereichen. Gleichzeitig werden zwischen den Fügeteilen zwei Spalte gebildet.
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Aus
DE 10 2010 047 445 A1 ist eine Wellen-Naben-Verbindung bekannt, die zur Verbindung eines Flansches eines Zweimassenschwungrades mit einem Kupplungsgehäuse einer Kupplung verwendet wird. Die Fügeverbindung gewährleistet die feste Position der beiden Fügeteile zueinander, indem eine Selbsthemmung der Kontaktfläche zwischen beiden Fügeteilen hervorgerufen wird, um auch hohen Drehmomenten Herr zu werden.
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Daher ist es Aufgabe der Erfindung, für eine gattungsgemäße Anordnung eine Fügeverbindung vorzuschlagen, insbesondere für eine Wellen-Naben-Verbindung, die leicht zu montieren und zu fertigen ist.
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Die Aufgabe wird bei einer Fügeverbindung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass am im Wesentlichen hohlzylindrischen Fügeteil oder am im Wesentlichen zylindrischen Fügeteil eine radiale, im Wesentlichen ringförmige Erhebung ausgebildet ist, wobei die Erhebung im gefügten Zustand unbelastet ist und im gefügten Zustand in Radialrichtung eine Verformung verursacht. Eine Kalibrierung wird gewährleistet, indem die radiale, im Wesentlichen ringförmige Erhebung gleichmäßig in vielen oder in allen Radialrichtungen eine Klemmkraft zwischen den beiden Fügeteilen erzeugt, wobei diese Klemmkraft in Wirkverbindung mit dem Presssitz zu einer Zentrierung des im Wesentlichen zylindrischen Fügeteils und des im Wesentlichen hohlzylindrischen Fügeteils führt.
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Anstatt eines im Wesentlichen hohlzylindrischen Fügeteils und eines im Wesentlichen zylindrischen Fügeteils können auch ein hohlzylindrisches und ein zylindrisches Fügeteil verwendet werden. Leichte Abweichungen von der zylindrischen Form sind im Rahmen der Erfindung tolerierbar, solange eine Wechselwirkung zwischen der durch die im Wesentlichen ringförmige Erhebung hervorgerufene Klemmkraft eine Kalibrierung erfolgt. Es ist beispielsweise auch denkbar, dass das im Wesentlichen hohlzylindrische Fügeteil und/oder das im Wesentlichen zylindrische Fügeteil geringfügig elliptisch ausgebildet sind.
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Auch die im Wesentlichen ringförmige Erhebung ist eine ringförmige Erhebung, die beispielsweise in Umfangsrichtung regelmäßig oder unregelmäßig unterbrochen sein kann. Gegebenenfalls ist es auch denkbar, dass die im Wesentlichen ringförmige Erhebung nicht ausschließlich in Umfangsrichtung verläuft, sondern auch eine leicht axiale Tendenz hat, die beispielsweise durch eine zweite im Wesentlichen ringförmige Erhebung im Hinblick auf den zu erzielenden Zentrierungseffekt ergänzt wird.
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Die im Wesentlichen ringförmige Erhebung verursacht in Radialrichtung eine Verformung, die sowohl elastisch als auch plastisch sein kann. Unter einer plastischen Verformung wird eine irreversible Verformung verstanden und unter einer elastischen Verformung eine reversible Verformung. Denkbar ist auch eine Mischung aus einer elastischen und einer plastischen Verformung, wobei nur ein Teil der Verformung reversibel ist. In der Regel wird es vorteilhafter sein, wenn die radiale, im Wesentlichen ringförmige Erhebung an dem Fügeteil ausgebildet ist, welches eine höhere Härte aufweist. Diese Härte kann beispielsweise durch eine Wärmebehandlung oder eine Induktionshärtung erzeugt worden sein. Alternativ ist es auch denkbar, dass die radiale, im Wesentlichen ringförmige Erhebung zum weniger harten Fügeteil gehört, womit die plastische und/oder elastische Verformung hauptsächlich an der radialen, im Wesentlichen ringförmigen Erhebung verursacht wird.
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Der Presssitz ist durch das von dem einen Fügeteil zum anderen Fügeteil zu übertragende Drehmoment definiert, wobei der erforderliche Kraftschluss hervorgerufen werden muss.
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Die Erfindung kombiniert in vorteilhafter Weise zwei Montagevorgänge, nämlich das Kalibrieren und das Pressen der Fügeteile. Nun kann in Abhängigkeit von verschiedenen geometrischen Parametern, wie der Überdeckung, der Oberflächenbeschaffenheit, der Schmierung die Streuung der Montageparameter, insbesondere der Einpresskraft, in den meisten Fällen eingeschränkt werden. Damit können die hohen Anforderungen an den Presssitz leichter umgesetzt werden, womit der Bauteilpreis erheblich reduziert wird. Mit anderen Worten, es wird eines der beiden Fügeteile zu einem Kalibrierwerkzeug ausgebildet, sodass eine Kombination des Kalibrier- und des Einpressvorgangs in einen Montageschritt integriert ist.
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Bei einer vorteilhaften Ausführungsform ist die radiale, im Wesentlichen ringförmige Erhebung im gefügten Zustand auch in Axialrichtung verformt. Damit wirkt das Material der Erhebung als Puffer, im übertragenen Sinne als Knautschzone, sodass eine radiale Positionierung der beiden Fügeteile zueinander leicht möglich wird. In der Regel wird es jedoch vorteilhafter sein, die radiale, im Wesentlichen ringförmige Erhebung am härteren Fügeteil auszubilden, sodass die Verformungskräfte mehr beim weniger harten Fügeteil zum Tragen kommen. Auf diese Weise ist eine präzisere Fügung möglich, zumal sich die Fügung weniger auf die geometrischen Maße der gefügten Fügeteile auswirkt.
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Bei einer vorteilhaften Ausführungsform sind eine erste radiale, im Wesentlichen ringförmige Erhebung am hohlzylindrischen Fügeteil und eine zweite radiale, im Wesentlichen ringförmige Erhebung am zylindrischen Fügeteil ausgebildet. Damit besteht die Option, dass sowohl das hohlzylindrische Fügeteil, als auch das zylindrische Fügeteil das härtere der beiden Fügeteile bilden kann. Die zweite Erhebung bildet in Bezug auf die Mantelfläche des zylindrischen Fügeteils, die bei der Bildung des Presssitzes mitwirkt, eine radiale Überhöhung, die von der Drehachse weggerichtet ist. Im Falle des hohlzylindrischen Fügeteiles bildet die erste Erhebung eine radiale Überhöhung, die in die hohlzylindrische Aufnahme des Fügeteils, das heißt also zur Drehachse hin, gerichtet ist. Beide Fälle sind kombinierbar.
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Bei einer vorteilhaften Ausführungsform ist die radiale, im Wesentlichen ringförmige Erhebung am härteren der beiden Fügeteile ausgebildet. Das härtere der beiden Fügeteile übernimmt somit die Funktion eines Kalibrierwerkzeuges, welches nach der Kalibrierung Bestandteil der Fügeverbindung bleibt.
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Bei einer vorteilhaften Ausführungsform grenzt die radiale, im Wesentlichen ringförmige Erhebung axial einseitig oder beidseitig an ein konisches Teilstück an. Ein solches konisches Teilstück hat die Funktion einer Rampe, die zum einen das Einpressen während des Fügevorgangs unterstützt und ebenfalls zur Kalibrierwirkung beiträgt.
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Vorteilhafterweise ist am hohlzylindrischen Fügeteil und/oder am zylindrischen Fügeteil eine Einführhilfe ausgebildet. Damit ist es möglich, dass die Einpresskraft in ihrer Richtung durch die Einführhilfe derart unterstützt wird, dass die Einpresskraft kontrolliert weitergeleitet und die Aufnahme des hohlzylindrischen Fügeteils einfacher penetriert werden kann.
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Bei einer vorteilhaften Ausführungsform kann die radiale, im Wesentlichen ringförmige Erhebung dem Presssitz vor- oder nachgelagert sein. Solange die Wechselwirkung der besagten Erhebung mit dem Presssitz möglich ist, ist die Erhebung an einer der Anwendung einträglichen Position ausbildbar. Außerdem ist es denkbar, dass axial voneinander beabstandete Erhebungen, beispielsweise bei besonders langen Wellen, dem Presssitz vor- beziehungsweise nachgelagert sind.
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Bei einer vorteilhaften Ausführungsform ist das zylindrische Fügeteil eine Welle oder ein Achszapfen oder weist eine Welle oder einen Achszapfen auf. Grundsätzlich kann das zylindrische Fügeteil jedes Fügeteil sein, welches zur Drehmomentübertragung vorgesehen ist.
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Bei einer vorteilhaften Ausführungsform ist das hohlzylindrische Fügeteil eine Nabe, ein Rotor oder ein anderes Drehteil. Grundsätzlich ist jedes drehbare Bauteil als hohlzylindrisches Fügeteil ausführbar, sofern es eine hohlzylindrische Aufnahme aufweist.
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Die Aufgabe wird des Weiteren gelöst durch eine Maschine, insbesondere einen Generator oder einen Motor, bevorzugt einen Elektromotor mit einer erfindungsgemäßen Fügeverbindung zwischen drehenden Bauteilen. Insbesondere kann es sich bei dem Elektromotor um einen hydrostatischen Kupplungsaktuator (hydrostatic clutch actuator, HCA) handeln, dessen Rotor auf eine zylindrische Mantelfläche einer Welle aufgepresst wird.
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Die Erfindung erlaubt einen Kalibrier-Aufpress-Vorgang, der es ermöglicht, mit weniger stringenten Bauteiltoleranzen zu arbeiten, was wiederum Werkzeugnutzungsdauern, zum Beispiel von Wendeschneidplatten, steigert und einen kostengünstigeren Fertigungsprozeß, wie zum Beispiel das Hartdrehen statt Schleifen, ermöglicht.
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Vorteilhafte Ausbildungen und bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung werden in der Figurenbeschreibung und/oder in den Unteransprüchen beschrieben und erläutert.
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Es zeigen:
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1 einen Montageschritt einer Fügeverbindung zwischen einer Welle und einer Nabe,
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2 einen vergrößerten Ausschnitt S1 der Welle aus 1
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3 einen Montageschritt einer zweiten Fügeverbindung aus einer Welle und einer Nabe, und
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4 einen vergrößerten Ausschnitt S2 der Wellenaufnahme der Nabe aus 3.
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1 zeigt eine Welle 10 mit deren Mittenachse A, die auch die Drehachse A der Welle 10 und der Nabe 13 nach dem Fügevorgang bildet.
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Die Welle 10 weist eine Kalibrierhilfe 27 auf, die der Mantelfläche 28 (2) des Presssitzes vorgelagert ist und axial in Bezug zur Einpressrichtung R1 der Welle 10 hinter der Einführhilfe 11 angeordnet ist.
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Die Welle 10, eingeschlossen der Kalibrierhilfe 27, bildet das härtere Bauteil, womit nach dem Einpressen im Wesentlichen die Wellenaufnahme 14 in radialer Richtung elastisch beansprucht wird, um eine radiale Kalibrierung zu erzeugen.
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Die beiden Fügeteile 10, 13 werden mit den entgegengesetzten Einpressrichtungen R1 beziehungsweise R2 aufeinander zu bewegt, wobei die Einführhilfen 11, 12 für ein leichtes Aufsetzen und Eindringen der Welle 10 in die Wellenaufnahme 14 vorgesehen sind.
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2 zeigt mit dem vergrößerten Ausschnitt S1 aus 1, dass die Erhebung 33 zusammen mit den konischen Teilstücken 31, 32 die Kalibrierhilfe 27 ausbildet und radial über die Mantelfläche 28 herausragt. Die radiale Überhöhung H1 der radialen Erhebung 33 über den Radius der Mantelfläche 28 hinaus muss sorgfältig unter Berücksichtigung der unterschiedlichen Härten der beiden Fügeteile 10, 13 und deren Geometrie gewählt werden.
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Die Welle 10 ist in 2 nur teilweise abgebildet, soweit der Ausschnitt S1 aus 1 die Welle 10 erfasst.
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Das zylindrische Teilstück 26 kann gegebenenfalls verlängert werden, womit die Kalibrierhilfe 27 axial mittig zum Presssitz positioniert wird. Dies kann vorteilhaft sein, wenn die anfängliche Einpresskraft niedrig gehalten und erst in einer mittleren Phase des Einpressvorgangs auftreten soll.
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3 zeigt die beiden Fügeteile 20, 23, die mit der Einpressrichtung R1 beziehungsweise der entgegen gerichteten Einpressrichtung R2 aufeinander zu bewegt werden. Die Einführhilfen 22, 21 werden jeweils aus einem konischen Teilstück der Welle 20 beziehungsweise der Wellenaufnahme 24 gebildet. Jedoch können die Einführhilfen 22, 21 noch weitere Elemente aufweisen, die die konischen Teilstücke ergänzen und sie in Ihrer Funktion verbessern. Beispielsweise kann sich an das konische Teilstück 35 noch ein weiteres konisches Teilstück mit einem anderen Öffnungswinkel oder ein abgerundetes Teilstück anschließen. Dann bilden die letztgenannten Teilstücke zusammen mit dem konischen Teilstück 35 die Einführhilfe 21 aus.
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Das härtere Bauteil bildet im zweiten Ausführungsbeispiel der 3 und 4 die Nabe 23, wobei eine Kalibrierhilfe 37 in der Nähe der Einführhilfe 21 ausgebildet ist.
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4 zeigt den vergrößerten Ausschnitt S2 aus 3. Die radiale Erhebung 43 bildet einen Bestandteil der Kalibrierhilfe 37 aus, deren Geometrie wählbar ist, jedoch in radialer Richtung kleiner als der Presssitzdurchmesser sein muss, um eine Kalibrierwirkung zu erzielen.
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Die konischen Teilstücke 41, 42 haben die entsprechende Funktion, wie auch die konischen Teilstücke 31, 32 aus 2, wobei die Geometrie der Erhebung 33, wie auch die Geometrie der Erhebung 43, in axialer Richtung wählbar ist. Jedoch ist dabei der Außendurchmesser der Erhebung 33 in radialer Richtung größer als der Presssitzdurchmesser und der Innendurchmesser der Erhebung 43 ist kleiner als der Presssitzdurchmesser, um jeweils eine Kalibrierwirkung zu erzielen.
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Es ist vorteilhaft im Hinblick auf die Gesamtkraft, die bei der Einpressung aufzubringen ist, die die Kalibrierhilfe 27, 37 in Form einer Kalibrierkontur axial dem Presssitz vorzulagern. Grundsätzlich kann jedoch die Kalibrierhilfe 27, 37 dem Presssitz vorgelagert, nachgelagert oder auch mittig auf dem Presssitz angeordnet sein.
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Zusammenfassend betrifft die Erfindung eine Fügeverbindung zwischen einem im Wesentlichen hohlzylindrischen Fügeteil 13, 23 und einem im Wesentlichen zylindrischen Fügeteil 10, 20 mittels eines Presssitzes, wobei ein Kraftschluß des Presssitzes durch ein maximal zwischen den Fügeteilen 10, 13, 20, 23 übertragbares Drehmoment definiert ist. Pressverbindungen stellen hohe Anforderungen an die Fügeteile. Durch das Gestalten eines Fügeteils 10, 23 als verfügbares Kalibrierwerkzeug, kann ein separater Fertigungsschritt, nämlich das Kalibrieren, mit dem Einpressen zusammenfallen. Vorteilhafterweise kann ferner die Kraftstreuung und/oder das Kraftniveau des Einpressvorgangs deutlich reduziert werden, indem eine radiale, im Wesentlichen ringförmige Erhebung 33, 43 verwendet wird, wobei die Erhebung 33, 43 im ungefügten Zustand unbelastet ist und im gefügten Zustand in Radialrichtung eine kalibrierende Verformung verursacht.
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Bezugszeichenliste
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- A
- Drehachse
- H1
- radiale Überhöhung
- H2
- radiale Überhöhung
- R1
- Einpressrichtung der Welle
- R2
- Einpressrichtung der Nabe
- S1
- Ausschnitt
- S2
- Ausschnitt
- 10
- Welle (zylindrisches Fügeteil)
- 11
- Einführhilfe
- 12
- konisches Teilstück
- 13
- Nabe (hohlzylindrisches Fügeteil)
- 14
- Wellenaufnahme
- 20
- Welle (zylindrisches Fügeteil)
- 21
- Einführhilfe
- 22
- Einführhilfe
- 23
- Nabe (hohlzylindrisches Fügeteil)
- 24
- Wellenaufnahme
- 25
- konisches Teilstück
- 26
- zylindrisches Teilstück
- 27
- Kalibrierhilfe
- 28
- zylindrische Mantelfläche
- 31
- konisches Teilstück
- 32
- konisches Teilstück
- 33
- ringförmige Erhebung
- 35
- konisches Teilstück
- 36
- zylindrisches Teilstück
- 37
- Kalibrierhilfe
- 38
- zylindrische Innenfläche
- 41
- konisches Teilstück
- 42
- konisches Teilstück
- 43
- ringförmige Erhebung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102010047445 A1 [0005]
