DE102015108821B3

DE102015108821B3 - Verbindungselement

Info

Publication number: DE102015108821B3
Application number: DE102015108821.5A
Authority: DE
Inventors: Patentinhaber gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2015-06-03
Filing date: 2015-06-03
Publication date: 2016-12-08
Anticipated expiration: 2035-06-04
Also published as: DE202016102887U1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verbindungselement (3) für eine drehmomentfeste Welle-Nabe-Verbindung, insbesondere für die Verbindung von Rohren aus faserverstärktem Kunststoff, umfassend einen hülsenförmigen Grundkörper (4) mit einer Innenseite (5) und einer Außenseite (6), welche in Längsrichtung des Verbindungselements (3) durch eine erste Stirnseite (7) und eine zweite Stirnseite (8) begrenzt sind. Um eine schonende und einfache Verbindung der Welle mit der Nabe zu ermöglichen, ist an der Innenseite (5) des hülsenförmigen Grundkörpers (4) zwischen der ersten Stirnseite (7) und der zweiten Stirnseite (8) eine nach innen gerichtete Auswölbung (9) vorgesehen, welche in Längsrichtung des Verbindungselements (3) zwischen den Stirnseiten (7; 8) einen konvexen Verlauf aufweist, so dass die Auswölbung (9) bei einem Einschieben einer Welle (1) in das Verbindungselement (3) nach außen gedrückt wird und damit einen sicheren Pressverband mit einer Nabe (2) ermöglicht.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verbindungselement für eine Welle-Nabe-Verbindung, insbesondere für die Verbindung von Rohren aus faserverstärktem Kunststoff und Wellen aus gleichen oder anderen, z.B. metallischen Werkstoffen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Welle-Nabe-Verbindungen gelten als häufig verwendetes Maschinenelement, sie übertragen Momente, sowie Zug- und Druckkräfte von Nabe zu Welle und umgekehrt mittels Form-, Kraft- oder Stoffschluss. Kombinationen von Schlussarten sind möglich, z.B. die Kombination einer Verzahnung (Formschluss) mit einer Klebung (Stoffschluss). Der Pressverband stellt eine jahrzehntelang erforschte, gängige und einfach herzustellende Verbindung dar. Wie folgende, der DIN 7190-1 entnommene, Formel zeigt, hat eine Steigerung des Fugendrucks p_F eine Steigerung des übertragbaren Drehmoments T zur Folge.
Der Fugendruck p_F wird meist durch ein Übermaß zwischen Welle und Nabe hergestellt. Je größer dieses Übermaß ist, umso größer wird der Fugendruck, aber auch die zwischen den Fügepartnern zu übertragenden Schubspannungen während des Einpressvorgangs. Sollen z.B. eine metallische Welle mit einer Nabe aus faserverstärktem Kunststoff als Längspressverband gefügt werden, kann eine Schädigung der Fügefläche des faserverstärkten Kunststoffs durch das Abgleiten des metallischen Fügepartners entstehen. Dabei kann sich eine moderate Schädigung z.B. bei einem Drehrichtungswechsel oder temporärer Überlast (Durchrutschen) drehmomentsteigernd, weil selbstverstärkend auswirken. Problematisch ist dieser Zusammenhang zu sehen, wenn eine hohe Momentenübertragung gefordert und deshalb das Übermaß vergrößert wird. Die Fügefläche des Fügepartners aus faserverstärktem Kunststoff wird dann durch die Fügefläche des metallischen Fügepartners abgeschabt.
Bei der Krafteinleitung über die Fügefläche des Fügepartners aus faserverstärktem Kunststoff muss die im Vergleich zu den Fasern nachgiebige und niederfeste Matrix, welche die Fügefläche bildet, die Last an die in Beanspruchungsrichtung orientierten Fasern weiterleiten und an alle Einzelfasern verteilen. Diese Matrix muss die Weiterleitung alleinig bewerkstelligen und versagt deshalb weit unter kritischem Lastkollektiv des Verbundes aus Matrix und Faser. Wird die Fügefläche abgeschabt, entstehen Zwischenfaserbrüche aus denen wiederum Faserbrüche aufgrund von lokaler Überlastung erwachsen.
Zwischenfaserbrüche und Faserbrüche führen zu Delaminationen, diese können schließlich zum Versagen des Bauteils und einem Unvermögen zur Drehmomentübertragung führen. Die Verwendung eines sog. Stützrings verstärkt diesen nachteiligen Effekt. Ein solcher Stützring wird von außen auf die faserverstärkte Kunststoffnabe aufgesetzt und meist mit Untermaß gefügt. Die durch den Stützring bewirkte Verschiebung der Fügeflächen des faserverstärkten Kunststoffs nach innen verkleinert das Innenmaß der Fügefläche die in Kontakt mit der metallischen Welle steht und erhöht dadurch den Fugendruck, zudem wirkt er sich positiv auf den Fugendruckverlust über der Zeit aus. Bei langen Bauteilen muss der Stützring vor dem Fügen von Welle und Nabe auf die Nabe aufgebracht werden und erhöht dadurch auch die bereits beschriebene Schädigung. Ein Aufpressen des Stützrings auf die Nabe nach dem Fügen von Welle und Nabe wäre wesentlich weniger schädigend.
Aus der DE 199 64 105 C1 ist ein Verbindungselement in Form einer Presshülse für eine Welle-Nabe-Verbindung bekannt. Die Presshülse hat einen hülsenförmigen Grundkörper mit einer Innenseite und einer Außenseite, welche in Längsrichtung der Presshülse durch zwei Stirnseiten begrenzt sind. Um besonders hohe Torsions- und Biegemomente sowie Axialkräfte zwischen der Welle und der Nabe übertragen zu können, wird eine reibwerterhöhende Beschichtung an der Innen- und Außenseite der Presshülse vorgeschlagen. Wie bereits beschrieben wurde, kann eine derartige Presshülse jedoch beim Einpressen in eine Nabe, die beispielsweise als Rohr aus faserverstärktem Kunststoff ausgebildet sein kann, zu einer Beschädigung des Rohrs, insbesondere der Fasern führen, wodurch die Belastbarkeit der Welle-Nabe-Verbindung deutlich herabgesetzt wird.
Aus der DE 200 22 295 U1 ist eine Kupplung mit einem Verbindungselement in Form eines Elastomerrings bekannt. Der Elastormerring umfasst einen ringförmigen Grundkörper mit einer Innenseite und einer Außenseite, welcher in Längsrichtung des Verbindungselements durch eine erste Stirnseite und eine zweite Stirnseite begrenzt ist. An der Innenseite des Grundkörpers ist zwischen der ersten Stirnseite und der zweiten Stirnseite eine nach innen gerichtete Auswölbung vorgesehen, welche in Längsrichtung des Verbindungselements zwischen den Stirnseiten einen konvexen Verlauf aufweist, so dass die Auswölbung bei einem Einschieben der Welle in das Verbindungselement nach außen gedrückt wird. Der Elastomerring ermöglicht aufgrund seiner guten elastischen Verformbarkeit eine Schwingungsdämpfung und zudem ein besonders leichtes Zusammenfügen der Kupplung.
Aus DE 10 2005 037 135 B4 ist eine Zentrierhülse einer Gelenkwelle zur Aufnahme eines Getriebezapfens bekannt, welche aus einem Rohr und einem in dem Rohr angeordneten Gummikörper besteht. Durch den Gummikörper wird eine Schwingungsentkoppelung erreicht, wobei durch die spezielle Anordnung einer Verbindungsstelle mit erhöhter radialer Steifigkeit im Bereich des Gummikörpers die Federsteifigkeit der Zentrierhülse angepasst werden kann.
Aus der DE 20 2008 015 827 U1 ist eine Rohrverbindung bekannt, bei welcher ein Zapfen mittels einer Steckhülse mit einem Rohr verbunden wird. Die Steckhülse weist dabei eine exzentrische Aufnahme und zwei Pressplatten auf. Durch den ebenfalls exzentrischen Zapfen werden die Pressplatten nach außen gegen das Rohr vorgespannt und damit eine reibschlüssige Rohrverbindung geschaffen.
Aus der DE 694 14 730 T2 ist eine Befestigungsanordnung zum Schutz des Endbereichs eines flexiblen Rohrs und zum Befestigen des Endbereichs an einem steiferen Leitungsende bekannt.
Aus der DE 60204995 T2 ist eine elastische Wellenkupplung mit einer elastischen Buchse zum Übertragen von Drehmoment zwischen einem Joch und einer Welle bekannt.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verbindungselement für eine drehmomentfeste Welle-Nabe-Verbindung für die Verbindung von Rohren aus faserverstärktem Kunststoff zu schaffen, welches eine schonende und einfache Verbindung der Welle mit der Nabe ermöglicht. Zudem soll auch ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen Welle-Nabe-Verbindung unter Verwendung des Verbindungselements geschaffen werden.
Diese Aufgabe wird durch ein Verbindungselement mit den Merkmalen des Anspruchs 1, eine Welle-Nabe-Verbindung mit den Merkmalen des Anspruchs 10 sowie ein Verfahren zur Bildung einer derartigen Welle-Nabe-Verbindung mit den Merkmalen des Anspruchs 13 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Das erfindungsgemäße Verbindungselement zeichnet sich dadurch aus, dass das Verbindungselement aus einem Metall besteht. Über eine derartige Welle-Nabe-Verbindung können besonders hohe Momente sowie Zug- und Druckkräfte und Winkelbewegungen übertragen werden. Diese Welle-Nabe-Verbindung wird durch Längseinpressen gefügt und ist dabei einem gewöhnlichen Längspressverband sehr ähnlich.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist der hülsenförmige Grundkörper an der ersten Stirnseite ein zu dem hülsenförmigen Grundkörper koaxiales Sackloch auf, durch das eine ringförmige Stufe zur formschlüssigen Halterung des Verbindungselements an der Nabe gebildet wird. Hierdurch kann bei der Herstellung der Welle-Nabe-Verbindung zuerst das Verbindungselement provisorisch mit der Welle verbunden werden und anschließend das Verbindungselement über die Welle in die Nabe eingepresst werden. Durch diese Vormontage ergibt sich eine einfache Positionierung der einzelnen Komponenten und damit eine besonders einfache Herstellung der Welle-Nabe-Verbindung.
Um einen besonders guten Pressverband zwischen dem Verbindungselement und der Nabe zu erreichen, kann die Außenseite des hülsenförmigen Grundkörpers in Längsrichtung des Verbindungselements konisch ausgebildet sein. Hierdurch wird zum einen ein einfaches Einpressen des Verbindungselements in die Nabe erreicht, da die Verformung und damit die Einpresskraft erst gegen Ende des Einpressvorgangs signifikant ansteigen. Zum anderen erleichtert eine konische Ausgestaltung der Außenseite die Verwendung eines Klebstoffs, welcher zusätzlich zum Pressverband eine stoffschlüssige Verbindung zwischen dem Verbindungselement und der Nabe ausbildet. Durch die konische Ausgestaltung des Verbindungselements, welche bevorzugt so ausgebildet ist, dass sich die Außenseite des hülsenförmigen Grundkörpers in Längsrichtung des Verbindungselements von der äußeren ersten Stirnseite zu der inneren zweiten Stirnseite der Welle-Nabe-Verbindung verjüngt, wird beim Einpressvorgang des Verbindungselements in die Nabe ein in der Nabe eingebrachter Klebstoff weniger abgestreift, wodurch sich eine gleichmäßige Benetzung der Kontaktflächen zwischen dem Verbindungselement und der Nabe ergibt. Es ist jedoch auch möglich, die Außenseite des hülsenförmigen Grundkörpers zylindrisch auszubilden.
Bevorzugt kann an der zweiten Stirnseite des hülsenförmigen Grundkörpers ein radial nach innen geneigter Boden vorgesehen sein, welcher zusätzlich in Richtung eines Innenraums des hülsenförmigen Grundkörpers gewölbt ist. Beim Einpressvorgang kann dieser Boden durch die Welle nach außen verformt werden, wodurch sich eine zusätzliche radial nach außen gerichtete Kraft des Verbindungselements gegenüber der Nabe im Bereich der zweiten Stirnseite ergibt. Durch die konstruktive Ausgestaltung dieses Bodens kann die zusätzliche Normalkraft für die Reibschlussverbindung zwischen dem Verbindungselement und der Nabe gezielt beeinflusst und eingestellt werden.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung kann an der ersten Stirnseite des hülsenförmigen Grundkörpers ein radial nach außen gerichteter Ringbund zur Anlage an einer beispielsweise rohrförmigen Nabe angeordnet sein. Dieser Ringbund kommt bei dem Einpressvorgang zur Anlage an der Nabe und begrenzt damit die Einpresstiefe des Verbindungselements in der Nabe. Zusätzlich kann an dem radial äußeren Ende des Ringbunds ein Stützring vorgesehen sein, welcher koaxial mit dem hülsenförmigen Grundkörper ausgebildet ist und den hülsenförmigen Grundkörper zumindest teilweise umschließt. Dieser Stützring ist insbesondere vorteilhaft, wenn die Nabe als Rohr ausgebildet ist und der Stützring zumindest teilweise mit einer Innenfläche an der Außenfläche des Rohrs aufliegt. Der Durchmesser der Innenfläche des Stützrings kann dabei geringfügig kleiner sein, als der Außendurchmesser des Rohrs oder diesem entsprechen, so dass radiale nach außen auf das Rohr wirkende Kräfte, welche aufgrund der Welle-Nabe-Verbindung entstehen, durch den Stützring abgestützt werden. Hierdurch steigt zwar die Anstrengung des entsprechenden Rohres, aber auch der Fugendruck zwischen der Welle und dem Verbindungselement und dem Verbindungselement und der Nabe. Darüber hinaus nimmt insbesondere bei Rohren aus faserverstärktem Kunststoff, der Fugendruckverlust über der Zeit ab.
Der Stützring kann sich über die gesamte Länge des hülsenförmigen Grundkörpers erstrecken und diesen umschließen, so dass die entsprechende als Rohr ausgebildete Nabe über die gesamte Länge des Verbindungselements abgestützt wird. Um das Rohr zusätzlich zu stützen, kann sich der Stützring zudem aber auch über die zweite Stirnseite hinaus erstrecken.
In einer fertigungstechnisch einfachen Ausführungsform erstreckt sich die Auswölbung gleichförmig über den gesamten Umfang der Innenseite des hülsenförmigen Grundkörpers. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass die Auswölbung in Umfangsrichtung versetzte Aussparrungen aufweist, in welche das Material der Auswölbung bei der Verformung beim Einpressvorgang fließen kann. Hierdurch kann gezielt die Größe der radialen Kraft und auch die Kraftverteilung in Umfangsrichtung eingestellt werden.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung kann der als Quer- und/oder Längspressverband wirkende Kraftschluss zwischen der Welle, dem Verbindungselement und der Nabe mit einem Formschluss und falls nötig auch einem Stoffschluss kombiniert werden. Dazu kann an der Innen- und/oder Außenseite des hülsenförmigen Grundkörpers und/oder einer Innenseite des Stützrings eine Mikroverzahnung in Form von in Längsrichtung des hülsenförmigen Verbindungselements gerichteter Rillen oder Rippen vorgesehen sein. Diese Mikroverzahnung ermöglicht einerseits durch Einpressen in die entsprechenden Kontaktflächen der Nabe bzw. der Welle einen zusätzlichen Formschluss und andererseits bietet sie eine gute Haftgrundlage bei der Verwendung eines Klebstoffs. Da die Verbindung sehr kompakt ist und eine hohe Drehmomentübertragung erreicht werden kann, bietet sie hohes Leichtbaupotenzial. Ein weiterer Vorteil ist die Verwendung als Maschinenelement, das standardisiert in Normzahlen oder Renard-Serien nach geometrischen Folgen als Kaufteil verfügbar ist.
Zudem wird auch eine Welle-Nabe-Verbindung umfassend eine Welle mit einem Außendurchmesser, eine Nabe mit einem Innendurchmesser und dem vorgenannten Verbindungselement zur drehmomentfesten Verbindung der Welle und der Nabe beansprucht. Dabei ist der Außendurchmesser der Welle größer als der fertigungsgemäße kleinste Innendurchmesser der Auswölbung an der Innenseite des hülsenförmigen Grundkörpers des Verbindungselements, so dass die Auswölbung radial nach außen gegen den Innendurchmesser der Nabe verformt ist. Durch die konstruktive Ausgestaltung der konvexen Auswölbung des unverformten Verbindungselements kann der Grad der Verformung über die Länge des hülsenförmigen Grundkörpers und damit der Fugendruck eingestellt werden. Hierdurch kann der Fugendruckverlauf an den jeweiligen maximal zulässigen Fugendruck auf die Nabe und die Welle angepasst werden, so dass damit eine maximale Kraft- und Momentenübertragung erreicht wird. Die Nabe kann dabei auch so ausgebildet sein, dass sie eine über ihre Länge unterschiedliche Ringsteifigkeit aufweist, was beispielsweise durch eine unterschiedliche Querschnittsgeometrie bzw. Materialpaarung erreicht werden kann. An diesen vorteilhaften Ringsteifigkeitsverlauf der Nabe kann der Fugendruckverlauf durch das Verbindungselement angepasst werden, um eine optimal einstellbare und maximal belastbare Welle-Nabe-Verbindung zu ermöglichen.
Die Nabe ist in einer bevorzugten Ausführungsform als Rohr aus faserverstärktem Kunststoff ausgebildet. Dies ist insbesondere von Vorteil, da durch die optimale Einstellbarkeit des Fugendruckverlaufs durch das Verbindungselement die Leistungsfähigkeit des faserverstärkten Kunststoffs besonders vorteilhaft ausgenutzt werden kann, ohne dass die Gefahr bestünde, durch eine lokale Überlastung die Faser oder die Matrix des faserverstärkten Kunststoffs zu schädigen.
Besonders vorteilhaft kann der an der ersten Stirnseite des hülsenförmigen Grundkörpers angeordnete Stützring einen fertigungsgemäßen Innendurchmesser aufweisen, welcher kleiner oder gleich einem Außendurchmesser der Nabe ist, um diese radial nach außen abzustützen bzw. durch nach innen wirkenden Druck den Fugendruck zwischen der Nabe und dem Verbindungselement sowie zwischen der Welle und dem Verbindungselement zu erhöhen.
Eine besonders schonend herzustellende Welle-Nabe-Verbindung wird durch die vorgenannte geometrische Ausbildung zusammen mit der während des Fügevorgangs erfolgenden Verformung und durch das stufenweise Einpressen erreicht. Daher wird auch das Verfahren zur Bildung einer Welle-Nabe-Verbindung zwischen einer Welle und einer Nabe mittels des vorgenannten Verbindungselements beansprucht, welches die nachfolgenden Schritte umfasst. Zuerst wird die Welle in das Sackloch des hülsenförmigen Grundkörpers des Verbindungselements bis zur positionsgenauen Anlage der Welle an der ringförmigen Stufe eingeschoben. Anschließend wird das Verbindungselement mit der Welle koaxial zu der Nabe positioniert und, nach gegebenenfalls erfolgtem Klebstoffauftrag auf das Verbindungselement bzw. die Nabe, das Verbindungselement in die Nabe durch Beaufschlagung der Welle mit Druckkraft in Richtung der Nabe eingepresst. Abschließend wird auch die Welle, nachdem auch auf die Welle bzw. das Verbindungselement gegebenenfalls Klebstoff aufgetragen wurde, in das Verbindungselement durch fortgesetzte Beaufschlagung der Welle mit der Druckkraft eingepresst, wodurch die nach innen gerichtete Auswölbung an dem hülsenförmigen Grundkörper nach außen verformt und ein Pressverband erreicht wird. Ein derartiger Fügevorgang reduziert die Gefahr, insbesondere die Nabe beim Einpressvorgang zu beschädigen, da beim Einpressvorgang des Verbindungselements in die Nabe der radial wirkende Fugendruck auf die Nabe noch äußerst gering ist. Der für die Welle-Nabe-Verbindung notwendige radial wirkende Fugendruck entsteht zum Großteil erst bei dem Einpressen der Welle in das Verbindungselement, wobei hierbei keine Relativbewegung zwischen dem Verbindungselement und der Nabe stattfindet und das Verbindungselement schützend zwischen der Welle und der Nabe angeordnet ist. Hierdurch wird die Nabe, welche vorteilhaft als Rohr aus faserverstärktem Kunststoff ausgebildet ist, besonders zuverlässig geschützt.
Um eine zuverlässige Trennung der beiden Einpressvorgänge Verbindungselement/Nabe und Welle/Verbindungselement zu erreichen, kann als Zwischenschritt vorgesehen sein, die ringförmige Stufe des Verbindungselements, an welcher die Welle anliegt, durch fortgesetzte Beaufschlagung der Welle mit Druckkraft nach dem vollständigen Einpressen des Verbindungselement in die Nabe plastisch Abzuscheren. Durch die konstruktive Größe der Stufe kann dabei die notwendige Kraft für das Abscheren so gewählt werden, dass ein vollständiges Einpressen des Verbindungselements in die Nabe gewährleistet wird, das Verbindungselement, insbesondere der zur Anlage an der Nabe ausgebildete Ringbund des Verbindungselements, jedoch nicht beschädigt wird.
In einer vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens kann abschließend noch der Schritt vorgesehen sein, die Welle an den radial nach innen geneigten Boden des Verbindungselements anzudrücken, um die Wölbung des Bodens in Richtung des Innenraums des hülsenförmigen Grundkörpers zu reduzieren und damit die radiale Vorspannung des Verbindungselements im Bereich der zweiten Stirnseite zu erhöhen.
Weitere Besonderheiten und Vorzüge der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnung. Es zeigen:
1 eine schematische Schnittdarstellung durch eine Welle, eine Nabe und ein Verbindungselement vor der Montage der Welle-Nabe-Verbindung;
2 eine schematische Schnittdarstellung eines Zwischenschritts der Herstellung der Welle-Nabe-Verbindung und
3 einen schematische Schnittdarstellung der montierten Welle-Nabe-Verbindung.
In 1 ist eine Darstellung einer Welle 1, einer Nabe 2 und eines Verbindungselement 3 vor der Montage der Welle-Nabe-Verbindung im Längsschnitt gezeigt. Die Welle 1 besteht aus Metall und die Nabe 2 ist als zylindrisches Rohr aus faserverstärktem Kunststoff ausgebildet. Zur drehmomentfesten Verbindung der Welle 1 mit der Nabe 2 ist das Verbindungselement 3 vorgesehen. Das Verbindungselement 3 weist einen hülsenförmigen Grundkörper 4 mit einer Innenseite 5 und einer Außenseite 6 auf, welche in Längsrichtung des Verbindungselements 3 durch eine erste Stirnseite 7 und eine zweite Stirnseite 8 begrenzt sind. An der Innenseite 5 des hülsenförmigen Grundkörpers 4 ist eine nach innen gerichtete Auswölbung 9 vorgesehen, welche in Längsrichtung des Verbindungselements 3 zwischen den Stirnseiten 7 und 8 einen konvexen Verlauf aufweist. Im Bereich dieser Auswölbung 9 ist die Wandstärke des hülsenförmigen Grundkörpers 4 größer als beispielsweise im Bereich der Stirnseiten 7 und 8. Zudem hat die Auswölbung 9 insbesondere in Richtung der der Welle zugeneigten Stirnseite 7 eine stetige konvexe Krümmung, es sind an der Auswölbung 9 somit keine Sprünge und Stufen vorgesehen. Die Auswölbung 9 ist in Umfangsrichtung des hülsenförmigen Grundkörpers 4 gleichförmig, dass heißt rotationssymmetrisch, ausgebildet.
Der hülsenförmige Grundkörper weist an der ersten Stirnseite 7 ein Sackloch 10 auf, durch das eine ringförmige Stufe 11 an der Innenseite 5 des hülsenförmigen Grundkörpers 4 gebildet wird. Das Sackloch 10 weist einen Durchmesser auf, der im Wesentlichen dem Außendurchmesser der Welle 1 entspricht oder geringfügig kleiner ist. Durch die ringförmige Stufe 11 zusammen mit dem Sackloch 10 kann das Verbindungselement 3 auf die Welle 1 positionsgenau bis zur Anlage der Welle 1 an der ringförmigen Stufe 11 aufgeschoben und dort gehalten werden.
Das Verbindungselement 3 ist an der Außenseite 6 des hülsenförmigen Grundkörpers 4 konisch ausgebildet, wobei sich der hülsenförmige Grundkörper 4 von der ersten Stirnseite 7 zur zweiten Stirnseite 8 hin verjüngt. An der zweiten Stirnseite 8 weist der Grundkörper 4 einen radial nach innen geneigten Boden 12 auf, welcher zusätzlich in Richtung eines Innenraums 13 des hülsenförmigen Grundkörpers 4 gewölbt ist.
An der ersten Stirnseite 7 des hülsenförmigen Grundkörpers 4 ist ein radial nach außen gerichteter Ringbund 14 angeordnet, wobei an dem radial äußeren Ende des Ringbunds 14 ein Stützring 15 vorgesehen ist. Der Stützring 15 ist konisch mit dem hülsenförmigen Grundkörper 4 ausgebildet und umschließt den hülsenförmigen Grundkörper 4 teilweise.
Das Verbindungselement 3 weist an den Kontaktflächen zu der Welle 1 und der Nabe 2, insbesondere an der Innenseite 5 und der Außenseite 6 des hülsenförmigen Grundkörpers, aber auch an der Innenseite des Stützrings 15 eine Mikroverzahnung in Form von in Längsrichtung des hülsenförmigen Verbindungselements 3 gerichteten Rillen oder Rippen auf. Diese Rillen bzw. Rippen ermöglichen eine geringfügige Deformation der entsprechenden Kontaktflächen an der Welle 1 bzw. der Nabe 2 bei der Montage der Welle-Nabe-Verbindung, wodurch sich eine formschlüssige Verbindung ergibt und das übertragbare Moment bzw. die übertragbaren Kräfte zusätzlich gesteigert werden. Die Mikroverzahnung hat insbesondere in Verbindung mit der Verwendung eines Klebstoffs den zusätzlichen Vorteil, dass der Klebstoff besser bei der Montage an den Rillen bzw. Rippen haften bleibt und somit eine gleichmäßigere Klebstoffverteilung zwischen den Kontaktflächen erreicht wird. Allgemein besitzt der Klebstoff eine Wirkung, welche die aufzubringende Einpresskraft reduziert und einer „Schmierwirkung“ ähnlich ist. Eine gleichmäßigere Klebstoffverteilung verstärkt diese Wirkung.
Zur Bildung der Welle-Nabe-Verbindung weist die Welle 1 einen Außendurchmesser auf, der größer ist als der fertigungsgemäß kleinste Innendurchmesser der Auswölbung 9, so dass bei einer Montage der Welle 1 in den hülsenförmigen Grundkörper 4 des Verbindungselements 3 die Auswölbung 9 durch die Welle 1 radial nach außen gedrückt wird. Ebenso ist auch der fertigungsgemäß größte Durchmesser der konischen Außenseite 6 des hülsenförmigen Grundkörpers 4 zumindest abschnittsweise größer als der Innendurchmesser der Nabe 2, so dass bei einem Einpressen des Verbindungselements 3 in die Nabe 2 der hülsenförmige Grundkörper 4 radial nach innen gedrückt wird. Als fertigungsgemäß sind die entsprechenden geometrischen Maße zu verstehen, wie sie vor einer Deformation bei der Montage der Welle-Nabe-Verbindung vorliegen.
Bei einer Montage der Welle-Nabe-Verbindung wird zuerst die Welle 1 in das Sackloch 10 des hülsenförmigen Grundkörpers 4 des Verbindungselements 3 eingeschoben, bis diese an der ringförmigen Stufe 11 anliegt. Hierdurch wird gewährleistet, dass die Welle 1 und das Verbindungselement 3 koaxial zueinander ausgerichtet sind, was die weitere Montage der Welle-Nabe-Verbindung vereinfacht. Um eine Halterung des Verbindungselements 3 an der Welle 1 zu ermöglichen, ist der Innendurchmesser des Sacklochs 10 geringfügig kleiner als der Außendurchmesser der Welle 1. Durch diese Übermaßpassung kann das Verbindungselement 3 nicht ohne Weiteres von der Welle 1 abrutschen.
In 2 ist eine schematische Schnittdarstellung eines nachfolgenden Zwischenschritts der Herstellung der Welle-Nabe-Verbindung gezeigt. In diesem Schritt wurde die Welle 1 mit dem daran befestigten Verbindungselement 3 koaxial zu der Nabe 2 positioniert und durch Beaufschlagung der Welle 1 mit Druckkraft in Richtung der Nabe 2 das Verbindungselement 3 in die Nabe 2 eingepresst bis der Ringbund 14 des Verbindungselements 3 an der Nabe 2 anliegt.
Bei dem in 2 gezeigten Zwischenschritt der Montage der Welle-Nabe-Verbindung hat die nicht dargestellte Mikroverzahnung an der Außenseite 6 des hülsenförmigen Grundkörpers 4 und der Innenseite des Stützrings 15 die entsprechenden Kontaktflächen an der Nabe 2, also die zylindrische Innenfläche 16 sowie die zylindrische Außenfläche 17 der Nabe 2, geringfügig verformt, wodurch ein Formschluss mit der Nabe erreicht wird. Zudem wird durch die mit Gleichmaß bzw. geringem Untermaß gefertigte Innenseite des Stützrings 15 die zylindrische Außenfläche 17 der Nabe radial nach innen gestützt bzw. vorgespannt, wodurch sich eine vorteilhafte radiale Stützung des für radiale Belastungen empfindlichen Randbereichs der Nabe 2 ergibt.
Wird nun bei dem in 2 gezeigten Zwischenschritt die Druckkraft auf die Welle 1 erhöht, schert das Material der ringförmigen Stufe 11 unter der Scherbeanspruchung ab und ein weiteres Einpressen der Welle 1 in den hülsenförmigen Grundkörper 4 des Verbindungselements 3 wird ermöglicht. Das Material und/oder die Geometrie der ringförmigen Stufe 11 wird dabei so gewählt, dass ein Abscheren erst bei einer Druckkraft eintritt, welche ein sicheres und vollständiges Einpressen des Verbindungselements 3 in die Nabe 2 gewährleistet.
Bei dem Einpressen der Welle 1 in die Nabe 2 wird die Auswölbung 9, welche auf der der Welle 1 zugeneigten Seite eine stetig konvexe Krümmung aufweist von der Welle 1 radial nach außen gedrückt. Dabei erhöht sich die radiale Anpresskraft bzw. der Fugendruck in Abhängigkeit von der Wandstärke der Auswölbung 9.
In 3 ist die fertig montierte Welle-Nabe-Verbindung in einer Schnittdarstellung gezeigt. Dabei ist die Welle 1 vollständig in das Verbindungselement 3 eingeschoben, so dass die ursprünglich nach innen gerichtete Auswölbung 9 nach außen verformt ist und einen Pressverband zwischen der Welle 1 und der Nabe 2 ermöglicht. Durch die fertigungsgemäße Ausgestaltung der Auswölbung 9 wird zwischen den Stirnseiten 7 und 8 des hülsenförmigen Grundkörpers 4 des Verbindungselements 3 die Anpresskraft bzw. der Fugendruck in Abhängigkeit von der Wandstärke der Auswölbung 9 erhöht, wodurch über die gesamte Länge ein einfach einstellbarer Fugendruckverlauf erzielt wird.
Die Welle 1 ist dabei so weit in das Verbindungselement 3 eingepresst, dass die Welle 1 an dem radial nach innen geneigten und fertigungsgemäß in Richtung des Innenraums 13 gewölbten Boden 12 ansteht und diesen zudem geringfügig nach außen drückt, wodurch die Wölbung des Bodens reduziert wird. Hierdurch steigt die radial nach außen gerichtete Vorspannung und damit die Anpresskraft bzw. der Fugendruck des Verbindungselements gegen die Nabe 2 im Bereich der zweiten Stirnseite 8 des hülsenförmigen Grundkörpers 4. In einer nicht dargestellten Ausführungsform kann die Welle 1 stirnseitig zusätzlich ein Konstruktionselement aufweisen, welches die Stirnseite zumindest teilweise verschließt und gegen den Boden 12 drückt.
Durch die konstruktive Auslegung der Auswölbung 9, insbesondere den konvexen Verlauf und die jeweilige Wandstärke, und des Bodens 12 kann in vorteilhafter Weise ein exakt an die jeweiligen zulässigen Belastungsgrenzen des aus faserverstärkten Kunststoffen gebildeten Rohrs angepasster Fugendruckverlauf erreicht werden, wodurch die über die Welle-Nabe-Verbindung übertragbaren Drehmomente und Kräfte maximiert werden.
Das Verbindungselement 3 besteht aus einem Metall, insbesondere rostfreie Metalle wie Edelstähle, Messing oder Kupfer. Ein Verbindungselement 3 aus Metall kann kostengünstig durch Tiefziehen hergestellt werden. Zudem kann das Verbindungselement 3 auch aus einer Kombination aus verschiedenen Materialien bestehen, so kann beispielsweise der hülsenförmige Grundkörper 4 aus einem elastischen Kunststoff und der Ringbund sowie der Stützring aus einem der genannten Metalle bestehen, um ein einfaches Einpressen und eine zuverlässige radiale Abstützung der Nabe 2 zu erreichen.
Bezugszeichenliste

1: Welle
2: Nabe
3: Verbindungselement
4: Hülsenförmiger Grundkörper
5: Innenseite des hülsenförmigen Grundkörpers
6: Außenseite des hülsenförmigen Grundkörpers
7: Erste Stirnseite des hülsenförmigen Grundkörpers
8: Zweite Stirnseite des hülsenförmigen Grundkörpers
9: Auswölbung
10: Sackloch
11: Ringförmige Stufe
12: Gewölbter Boden
13: Innenraum des hülsenförmigen Grundkörpers
14: Ringbund
15: Stützring
16: Zylindrische Innenfläche der Nabe
17: Zylindrische Außenfläche der Nabe

Claims

Verbindungselement (3) für eine drehmomentfeste Welle-Nabe-Verbindung, für die Verbindung von Rohren aus faserverstärktem Kunststoff, umfassend einen hülsenförmigen Grundkörper (4) mit einer Innenseite (5) und einer Außenseite (6), welche in Längsrichtung des Verbindungselements (3) durch eine erste Stirnseite (7) und eine zweite Stirnseite (8) begrenzt sind, wobei an der Innenseite (5) des hülsenförmigen Grundkörpers (4) zwischen der ersten Stirnseite (7) und der zweiten Stirnseite (8) eine nach innen gerichtete Auswölbung (9) vorgesehen ist, welche in Längsrichtung des Verbindungselements (3) zwischen den Stirnseiten (7; 8) einen konvexen Verlauf aufweist, so dass die Auswölbung (9) bei einem Einschieben einer Welle (1) in das Verbindungselement (3) nach außen gedrückt wird und damit einen sicheren Pressverband mit einer Nabe (2) ermöglicht, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungselement (3) aus einem Metall besteht.
Verbindungselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der hülsenförmiger Grundkörper (4) an der ersten Stirnseite (7) ein Sackloch (10) aufweist, durch das eine ringförmige Stufe (11) zur formschlüssigen Halterung des Verbindungselements (3) an der Welle (1) gebildet wird.
Verbindungselement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenseite (6) des hülsenförmigen Grundkörpers (4) in Längsrichtung des Verbindungselements (3) konisch ausgebildet ist.
Verbindungselement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Außenseite (6) von der ersten Stirnseite (7) zur zweiten Stirnseite (8) hin verjüngt.
Verbindungselement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an der zweiten Stirnseite (8) des hülsenförmigen Grundkörpers (4) ein radial nach innen geneigter Boden (12) vorgesehen ist, welcher zusätzlich in Richtung eines Innenraums (13) des hülsenförmigen Grundkörpers (4) gewölbt ist.
Verbindungselement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an der ersten Stirnseite (7) des hülsenförmigen Grundkörpers (4) ein radial nach außen gerichteter Ringbund (14) zur Anlage an einer rohrförmigen Nabe (2) angeordnet ist, wobei an dem radial äußeren Ende des Ringbunds (14) ein Stützring (15) vorgesehen ist, welcher koaxial mit dem hülsenförmigen Grundkörper (4) ausgebildet ist und den hülsenförmigen Grundkörper (4) zumindest teilweise umschließt.
Verbindungselement nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Stützring (15) den hülsenförmigen Grundkörper (4) über die gesamte Länge des hülsenförmigen Grundkörpers (4) umschließt.
Verbindungselement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Auswölbung (9) gleichförmig über den gesamten Umfang der Innenseite (5) des hülsenförmigen Grundkörpers (4) erstreckt.
Verbindungselement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an der Innenseite (5) und/oder Außenseite (6) des hülsenförmigen Grundkörpers (4) und/oder einer Innenseite des Stützrings (15) eine Mikroverzahnung in Form von in Längsrichtung des hülsenförmigen Verbindungselements gerichteter Rillen oder Rippen vorgesehen ist
Welle-Nabe-Verbindung umfassend eine Welle (1) mit einem Außendurchmesser, eine Nabe (2) mit einem Innendurchmesser und ein Verbindungselement (3) zur drehmomentfesten Verbindung der Welle (1) und der Nabe (2), dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungselement (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche ausgebildet ist und der Außendurchmesser der Welle (1) größer ist als der fertigungsgemäß kleinste Innendurchmesser der Auswölbung (9) an der Innenseite (5) des hülsenförmigen Grundkörpers (4) des Verbindungselements (3), so dass die Auswölbung (9) radial nach außen gegen den Innendurchmesser der Nabe (2) verformt ist, um einen über die Länge oder den Umfang der Welle-Nabe-Verbindung einstellbaren Fugendruckverlauf zu ermöglichen.
Welle-Nabe-Verbindung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Nabe (2) als Rohr aus faserverstärktem Kunststoff ausgebildet ist.
Welle-Nabe-Verbindung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungselement (3) zumindest nach Anspruch 6 ausgebildet ist und ein fertigungsgemäßer Innendurchmesser des Stützrings (15) kleiner oder gleich einem Außendurchmesser der Nabe (2) ist, um diese radial nach außen abzustützen.
Verfahren zur Bildung einer Welle-Nabe-Verbindung zwischen einer Welle (1) und einer Nabe (2) mittels eines Verbindungselements (3) nach einem der Ansprüche 2 bis 8 umfassend die Schritte: 1. Einschieben der Welle (1) in das Sackloch (10) des hülsenförmigen Grundkörpers (4) des Verbindungselements (3) bis zur positionsgenauen Anlage der Welle (1) an der ringförmigen Stufe (11); 2. Positionieren des Verbindungselements (3) mit der Welle (1) koaxial zu der Nabe (2) 3. Einpressen des Verbindungselements (3) in die Nabe (2) durch Beaufschlagung der Welle (1) mit Druckkraft in Richtung der Nabe (2); und 4. Einpressen der Welle (1) in das Verbindungselement (3) durch fortgesetzte Beaufschlagung der Welle (1) mit der Druckkraft, wodurch die nach innen gerichtete Auswölbung (9) an dem hülsenförmigen Grundkörper (4) nach außen verformt und ein Pressverband erreicht wird.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei zwischen Schritt 3 und Schritt 4 der weitere Schritt vorgesehen ist: 3a. Plastisches Abscheren der ringförmigen Stufe (11) durch fortgesetzte Beaufschlagung der Welle (1) mit Druckkraft nach dem vollständigen Einpressen des Verbindungselements (3) in die Nabe (2).
Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, wobei das Verbindungselement (3) zumindest nach Anspruch 5 ausgebildet ist und nach Schritt 4 der weitere Schritt vorgesehen ist: 5. Andrücken der Welle (1) an den radial nach innen geneigten Boden (12), um die Wölbung des Bodens (12) in Richtung des Innenraums (13) des hülsenförmigen Grundkörpers (4) zu reduzieren und damit die radiale Vorspannung des Verbindungselements (3) im Bereich der zweiten Stirnseite (8) zu erhöhen.