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Die Erfindung betrifft ein unlösbares Verbindungselement zur insbesondere axialen und auch tangentialen, spielfreien Verbindung von Naben auf Wellen, wobei das Verbindungselement bei der Montage zwangsweise durch Fügeflächen an der Welle und an der Nabe definiert verformt wird und als formschlüssiges Verbindungselement fungiert.
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Der Stand der Technik bezieht sich auf Welle-Nabe-Verbindungen, die auf einer formschlüssigen Verbindung durch plastische Deformation beruhen und eine spielfreie Verbindung und eine Vorspannung gewährleisten.
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Beispielsweise müssen die Wälzlager insbesondere bei Fahrzeugradnaben sehr hohe axiale Lagerkräfte aufnehmen. Insbesondere die Radnaben an den gelenkten und angetriebenen Rädern von Personenkraftwagen sind mit vorgespannten, zweireihigen Schrägkugellagern in O-Anordnung ausgestattet. Die Innenringe der Lager sind auf der Radnabe, die meistens als innenverzahnte Hohlwelle ausgebildet ist, angeordnet und müssen axial fixiert und unbedingt vorgespannt werden. Dies erfolgt teilweise mit einer sehr leistungsfähigen und sehr schweren, zentralen Schraubverbindung oder in zunehmender Weise durch plastisches Bördeln der Radnabe gegen den Innenring der Lager, dem sogenannten Wälznieten.
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Wie in diversen Anmeldungen, z.B.
DE 10 2005 043 436 A1 ,
DE 10 2012 207 039 A1 ,
DE 10 2013 210 317 A1 , und
DE 10 2013 210 318 A1 ersichtlich wird, ergeben sich durch das Wälznieten erhebliche Einschränkungen bei der Materialwahl der Radnabe und nicht unerhebliche Beeinflussungen der Lagerinnenringe durch erhöhte Spannungen infolge der massiven Umformung. Besonders nachteilig ist es, dass prinzipiell das Wälznieten nur unmittelbar am Ende einer Welle realisierbar ist. Bei den bis hier dargestellten vorgespannten Lagerungen kommt es wesentlich nur auf eine axiale Fixierung einer Nabe auf einer Welle an und es geht nicht um eine Übertragung von Drehmomenten.
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Übliche Welle-Nabe-Verbindungen werden jedoch überwiegend für die Übertragung von Drehmomenten eingesetzt. Es gibt eine Vielzahl von technischen Lösungen, welche die elastische Deformation für eine kraftschlüssige Übertragung von Drehmomenten nutzen, so die Kegelverbindungen, die Spannsätze, Schrumpfscheiben usw. Ebenso gibt es nach
DE 33 07 987 A1 Welle-Nabe-Verbindungen, die axial gefügt werden und beim Fügen mit einer gezielten plastischen Deformation gesichert werden, um eine Spielfreiheit der Welle-Nabe-Verbindung zu erreichen. Auch bei den Welle-Nabe-Verbindungen zur Übertragung von Drehmomenten soll die plastische Verformung eines Verbindungselementes als vorteilhaftes Instrument zur Erzeugung einer formschlüssigen Verbindung benutzt werden. Der veröffentlichte Stand der Technik zeigt keine vergleichbare Lösung einer formschlüssigen Welle-Nabe-Verbindung zur Übertragung von Drehmomenten mit einem plastisch deformierten Verbindungselement.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht deshalb darin, für den Anwendungsfall der vorgespannten Lagerung ein leistungsfähiges, hochbelastbares Verbindungselement zu schaffen, welches neben der axialen Fixierung auch eine axiale Vorspannung erzeugt.
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Derartige Anwendungsfälle gibt es immer dann, wenn Wälzlager fixiert und vorgespannt werden müssen. Es gibt Lagerringe, die nicht an einem Wellenende sitzen oder aber es sind Wellenwerkstoffe erforderlich, welche nicht durch Nieten verformt werden können. Um eine ungestörte Geometrie zu erhalten, ist häufig am Wellenende eine Deformation durch Nieten nicht möglich.
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So gilt es, ein Verbindungselement zu schaffen, welches hohe axiale Kräfte übertragen kann, bei der Montage eine gezielte Lagervorspannung erzeugen kann, die Vorspannung dauerhaft erhalten kann und nicht nur an einem Wellenende, sondern beliebig entlang einer Welle angeordnet werden kann. Dabei kann das Verbindungselement eine unlösbare Verbindung darstellen.
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Für den vorangegangenen, beispielhaften Anwendungsfall der Welle-Nabe-Verbindung zur Drehmomentübertragung wäre es ebenso vorteilhaft, wenn es ein leistungsfähiges, hochbelastbares Verbindungselement geben würde. Bei üblichen Welle-Nabe-Verbindungen insbesondere unter dynamischen Belastungen erweitert sich die vorangegangene, beispielhafte Aufgabenstellung um die Übertragung von Drehmomenten. Das zu schaffende Verbindungselement soll neben den Axialkräften bei entsprechender Ausgestaltung insbesondere auch Drehmomente formschlüssig übertragen können.
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Die Lösung der Aufgabe ergibt sich durch ein Verbindungselement zur axialen Fixierung, welches durch die Wirkung von Umformkräften in Richtung der Vorspannung gebildet und gefügt wird. Der axiale Fügevorgang erzeugt wesentlich die Vorspannung der Lager. Der Fügevorgang ist wesentlich ein Umformvorgang eines Rohlings. Beim Umformen des Rohlings wird die Formänderung durch Fügeflächen der Nabe und der Welle begrenzt. Die Fügeflächen begrenzen einen Hohlraum, der von Ausnehmungen in der Nabe und in der Welle gebildet werden. Da der Hohlraum jeweils durch Ausnehmungen in der Welle und der Nabe gebildet wird, bleiben der Nabendurchmesser und der Wellendurchmesser erhalten. Die Nabe ist ohne das Verbindungselement auf der Welle frei verschiebbar. Die Nabe wird in die Montageposition gebracht und der Rohling wird beim Fügen zum Verbindungselement umgeformt. Die Montagekraft, die auf den Rohling wirkt und diesen zum Verbindungselement umformt, wirkt entlang der Wellenachse.
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Es ist eine Verformung des Verbindungselementes bei möglichst konstantem Volumen. Der Hohlraum ist derart gestaltet, dass beim Fügen des Verbindungselementes die Größe der jeweiligen Querschnittflächen des Verbindungselementes entlang des Fügeweges möglichst stets identisch bleibt. Das Verbindungselement füllt nach dem Fügen den Hohlraum möglichst vollständig aus. Strebt man geringe Fügekräfte an, so kann der Hohlraum vom Verbindungselement nur unvollständig ausgefüllt werden. Das umgeformte Verbindungselement stellt somit eine formschlüssige Verbindung zwischen der Nabe und der Welle in zumindest einer Richtung dar.
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Die axiale Lagerkraft, die das Verbindungselement im Betrieb belastet, erzeugt in dem Verbindungselement Schubspannungen und oder Biegespannungen. Die Belastung des Verbindungselementes durch Biegespannungen sollte im Interesse einer hohen Belastbarkeit des Verbindungselementes möglichst gering sein. Eine nennenswerte Biegebeanspruchung unter Belastung liegt insbesondere bei nur einseitiger Berührung des Verbindungselementes mit den Fügeflächen vor. Dabei wird der Hohlraum vom Verbindungselement nicht vollständig ausgefüllt. Die Fügeflächen an der Nabe und an der Welle bestimmen die Art der Umformung des Verbindungselementes. Liegt das Verbindungselement nur einseitig an den Fügeflächen an, so wird der Rohling wesentlich durch Biegung umgeformt. Liegt eine beidseitige Berührung des Verbindungselementes mit den Fügeflächen vor, so liegt in der Regel ein Fließpressvorgang vor, der jedoch einen möglichst geringen Umformgrad haben sollte. Die Fügeflächen sollten vorzugsweise derart gestaltet sein, dass sich die Wanddicken des Rohlings sich bei der Umformung zum Verbindungselement nur unwesentlich ändern, um die Fügekräfte beherrschbar zu halten. Sehr vorteilhaft ist, dass über den Kraftverlauf beim Fügen eine effektive Qualitätssicherung realisiert werden kann.
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Zur Reduzierung der Fügekräfte des Verbindungselementes kann der Rohling mehrteilig aufgebaut sein. Ohne Einschränkung der Wirksamkeit sind zwei Varianten der Mehrteiligkeit denkbar. Der einteilige Rohling wäre ein Rohrabschnitt. Schlitzt man diesen Rohabschnitt entlang der Zylinderachse so entstehen segmentartige Einzelstücke, die nacheinander oder teilweise gemeinsam gefügt werden können. Eine weitere Form eines mehrteiligen Rohlings sind radial in mehreren Schichten übereinander angeordnete, rohrförmige Rohlinge, die gemeinsam oder nacheinander gefügt werden können.
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Das Verbindungselement für Welle-Nabe-Verbindungen zur Drehmomentübertragung zeichnet sich durch Fügeflächen an der Welle und an der Nabe aus, die einen Formschluss nach dem Fügen in tangentialer Richtung gewährleisten. Die Fügeflächen sind so kombinierbar, dass mit einer Welle-Nabe-Verbindung neben den Drehmomenten auch axiale Kräfte formschlüssig übertragen werden können. Das Wesen der Fügeflächen zur Drehmomentübertragung ist die geometrische Abweichung von der Zylinderform der Trennfläche zwischen Welle und Nabe. Eine vorteilhafte Lösung ist z.B. eine Sechseckkontur in der Nabe und in der Welle, die sich in Achsrichtung erstreckt. Die Sechseckkonturen sind konzentrisch angeordnet und erzeugen einen Hohlraum, der durch die äußere Sechseckkontur und die äquidistante innere Sechseckkontur der Welle gebildet wird. Der Hohlraum wird nach dem Fügevorgang des Verbindungselementes von dem Verbindungselement ausgefüllt. Die Querschnittfläche des gefügten Verbindungselementes entspricht der Querschnittfläche des vorzugsweise rohrförmigen Rohlings. Der Rohling hat einen Innendurchmesser, der dem Wellendurchmesser entspricht. Die Länge des Rohlings entspricht etwa der axialen Länge des umgeformten Verbindungselementes, da die Querschnittfläche während der Umformung stets konstant geblieben ist. Die Wanddicke des rohrförmigen Rohlings ergibt sich aus der Größe der Wanddicke des umgeformten sechseckigen Verbindungselementes und dem mittleren Umfang des Sechsecks unter Beibehaltung der jeweiligen Querschnittflächen. Ein symmetrisches Vieleck ist die bevorzugte Ausführungsform der Fügeflächen, da eine derartige Geometrie sehr einfach auf Drehmaschinen im Rahmen der Wellen- und der Nabenherstellung hergestellt werden kann. Mit zunehmender Anzahl der Ecken sinkt die minimal mögliche Wanddicke des Verbindungselementes. Mit abnehmender Anzahl der Ecken steigt die Schwächung von Welle und Nabe und die erforderliche minimale Wanddicke des Verbindungselementes steigt an. Ab etwa sechs Ecken erhält man sinnvolle Lösungen. Es ist aber auch eine vom Vieleck abweichende Geometrie möglich und sinnvoll, so in Form einer beliebigen Verzahnung. Die hohen Fügekräfte führen stets zu hohen Reibkräften, die eine vorteilhafte kraftschlüssige Verbindung ergeben.
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Die Art der Fügeflächen führt zu unterschiedlichen, charakteristischen Verformungen und bildet die Unterschiede in den Ausführungsbeispielen.
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Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mehrerer Ausführungsbeispiele, die in den 1 bis 8 dargestellt sind.
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In 1 ist ein typischer Anwendungsfall zu erkennen. In den 2 bis 8 sind beispielhaft prinzipiell verschiedene Fügeflächen an einer Welle und einer Nabe dargestellt, die zu unterschiedlichen Funktionen und Eigenschaften der verschiedenen Verbindungselemente führen. Die erfindungsgemäßen Verbindungselemente sind in den Figuren in Form von Sicherungsringen zu erkennen.
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In den 1a und b ist eine Anwendung des erfindungsgemäßen Verbindungselementes in Form eines Sicherungsrings 6 gemäß 2a bis c an einer Getriebelagereinheit 1 dargestellt. Die gezeigte Getriebelagereinheit 1 besteht aus einer Getriebewelle 2 und einem äußeren Lagerring 3, der durch die Kugel 4 eines zweireihigen Kugellagers in O-Anordnung gelagert ist. Die gezeigte Getriebelagereinheit 1 besteht aus einem Lagersitz L im Getriebegehäuse 8, einem äußeren Lagerring 3, den Kugeln 4 als Wälzkörper in O-Anordnung, zwei Lagerinnenringen 5a und 5b, wobei der äußere Lagerinnenring 5b vom erfindungsgemäßen Verbindungselement 6 fixiert wird. Die erforderliche Vorspannung und die einseitige axiale Fixierung werden durch den äußeren Lagerinnenring 5b und durch den erfindungsgemäßen Sicherungsring 6 erzeugt.
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Der vergrößerte Ausschnitt 7 zeigt den äußeren Lagerinnenring 5b und den erfindungsgemäßen Sicherungsring 6 mit der Getriebewelle 2. Die Abdichtung gegen Ölaustritt erfolgt mit den Dichtelementen 9. Das Verbindungselement 6 erfüllt die erforderliche Dichtungsfunktion.
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Die 2a, b und c zeigen einen Ausschnitt einer Welle-/Nabe-Verbindung und ein Verbindungselement in Form eines Sicherungsrings 6, der prinzipiell dem in den 1a und 1b dargestellten Sicherungsring 6 entspricht. Hier geht es um eine einseitige axiale Fixierung einer Nabe 12 auf einer Welle 14 und es liegt eine beidseitige Fügefläche am Sicherungsring 6 vor. Die Verformung des rohrförmigen Rohlings 10 erfolgt infolge der erzwungenen Verformung beim Fügen in axialer Richtung (s. Pfeil F). Die Fügeflächen zeigen in der Schnittdarstellung eine Hohlraumkontur mit einer inneren Mantelfläche 21 und einer äußeren Mantelfläche 22, welche die Form des Sicherungsringes 6 vorgibt, die beim Fügen des Rohlings 10 durch Umformung entsteht. Der teilverformte Sicherungsring 15 ist ein Zwischenschritt während des Fügevorgangs.
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In den 3a, b und c ist ein ähnlicher Ausschnitt wie in 2 dargestellt und dieser zeigt ein Verbindungselement in Form eines Sicherungsrings 6. Hier geht es, wie in 2, um eine einseitige axiale Fixierung einer Nabe 12 auf einer Welle 14 und es liegen ebenfalls einseitige Fügeflächen 11, 13 vor. Gegenüber der 2 ist hier der Rohling 10 mehrteilig aus dem ersten Rohling 16 und dem zweiten Rohling 17 aufgebaut, um die Fügekräfte zu reduzieren. Nach dem Fügevorgang liegt ein Sicherungsring 6, bestehend aus dem ersten Sicherungsring 18 und dem zweiten Sicherungsring 19 funktionsfähig vor.
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In den 4a, b und c ist der ähnliche Ausschnitt wie in 2 dargestellt und zeigt ein Verbindungselement in Form eines Sicherungsrings 6. Hier geht es, im Gegensatz zu 2, um eine beidseitige axiale Fixierung einer Nabe 12 auf einer Welle 14 und es liegt eine einseitige Fügefläche 11, 13 vor. Gegenüber der 2 sind hier in der Nabe 12 neben dem Kreisbogen 13 noch ein konvex angeordneter Kreisbogen 20 vorgesehen, der durch die Hinterschneidung die beidseitige axiale Fixierung der Nabe 12 auf der Welle 14 garantiert. Nach dem Fügevorgang liegt ein Sicherungsring 6 vor, der die Nabe 12 axial beidseitig auf der Welle 14 fixiert. Der teilverformte Sicherungsring 15 ist ein Zwischenschritt während des Fügevorgangs.
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Aus den 5a, b und c ist die Wirkungsweise des Sicherungsrings 6 ersichtlich. Dort ist der Ausschnitt einer Welle-Nabe-Verbindung als Schnitt entlang der Wellenachse W dargestellt und zeigt ein Verbindungselement in Form eines Sicherungsrings 6. Hier geht es um eine einseitige axiale Fixierung einer Nabe 12 auf einer Welle 14 und es liegen einseitige Fügeflächen 11, 13 vor. Die Verformung des rohrförmigen Rohlings 10 erfolgt infolge der erzwungenen Verformung beim Fügen in axialer Richtung (s. Pfeil F). Die Fügeflächen 11, 13 zeigen in der Schnittdarstellung jeweils eine Kreisbogenkontur. Der Kreisbogen 11 in der Nabe 12 und der Kreisbogen 13 in der Welle 14 geben die Form des Sicherungsringes 6 vor, die beim Fügen des Rohlings 10 durch Umformung entsteht. Der teilverformte Sicherungsring 15 ist ein Zwischenschritt beim Fügevorgang.
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Auch in den 6a, b und c ist der Ausschnitt einer Welle-/Nabe-Verbindung dargestellt und zusätzlich ein Verbindungselement in Form eines Sicherungsrings 6. Hier geht es um eine beidseitige axiale Fixierung einer Nabe 12 auf einer Welle 14 und es liegt eine beidseitige Fügefläche vor. Die Verformung des rohrförmigen Rohlings 10 erfolgt infolge der erzwungenen Verformung beim Fügen in axialer Richtung. Die Fügeflächen zeigen in der Schnittdarstellung eine, mit wesentlich durch mehrere Kreisbögen begrenzte, Querschnittfläche, welche die Form des Sicherungsringes 6 vorgibt, die beim Fügen des Rohlings 10 durch Umformung entsteht. Der teilverformte Sicherungsring 15 ist ein Zwischenschritt während des Fügevorgangs.
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In den 7a, b und c ist ein weiterer Ausschnitt einer Welle-/Nabe-Verbindung dargestellt und zusätzlich ein Verbindungselement in Form eines Sicherungsrings 6. Auch hier erfolgt eine einseitige axiale Fixierung einer Nabe 3, 12 auf einer Welle 2, 14 und es liegen beidseitige Fügeflächen 11 und 13 vor. Eine Drehmomentübertragung wird durch eine Kontur erreicht, die von einem Kreisquerschnitt abweicht und durch Vertiefungen in der Nabe und in der Welle erzeugt wird. Beispielhaft ist eine Sechskantkontur gewählt. Die Verformung des rohrförmigen Rohlings 10 erfolgt infolge der erzwungenen Biegebelastung beim Fügen in axialer Richtung. Die Fügeflächen zeigen in der Schnittdarstellung eine Hohlkontur, welche die Form des Sicherungsringes 6 vorgibt, die beim Fügen des Rohlings durch Umformung entsteht.
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Auch in den 8a, b und c ist ein Ausschnitt einer Welle-/Nabe-Verbindung dargestellt und darüber hinaus ist ein Verbindungselement in Form eines Sicherungsrings 6 zu erkennen. Es ist eine beidseitige axiale Fixierung einer Nabe 12 auf einer Welle 2, 14 festzustellen und es liegen beidseitige Fügeflächen 11 und 13 vor. Eine Drehmomentübertragung wird durch eine Kontur, die von einem Kreisquerschnitt abweicht und durch Vertiefungen in der Nabe und in der Welle erzeugt wird. Die Verformung des rohrförmigen Rohlings 10 erfolgt infolge der erzwungenen Verformung beim Fügen in axialer Richtung. Die Fügeflächen zeigen in der Schnittdarstellung eine Hohlkontur, welche die Form des Sicherungsringes 6 vorgibt, die beim Fügen des Rohlings 10 durch Umformung entsteht. Zur Drehmomentübertragung ist hier beispielhaft ein Sechskantprofil dargestellt. Der teilverformte Sicherungsring 14 ist ein Zwischenschritt während des Fügevorgangs.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Getriebelagereinheit
- 2
- Getriebewelle
- 3
- äußerer Lagerring
- 4
- Kugel
- 5
- a Innerer Lagerinnenring, b äußerer Lagerinnenring
- 6
- Sicherungsring = erfindungsgemäßes Verbindungselement
- 7
- Ausschnitt
- 8
- Getriebegehäuse
- 9
- Dichtelemente
- 10
- Rohling des Sicherungsrings
- 11
- Fügefläche in der Nabe
- 12
- Nabe
- 13
- Fügefläche in der Welle
- 14
- Welle
- 15
- Teilverformter Rohling des Sicherungsrings
- 16
- Erster Teilrohling
- 17
- Zweiter Teilrohling
- 18
- Erster Sicherungsring
- 19
- Zweiter Sicherungsring
- 20
- Kreisbogen konvex
- 21
- Innere Mantelfläche
- 22
- Äußere Mantelfläche
- W
- Wellenachse
- F
- Kraftrichtung (axial)
- L
- Lagersitz
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102005043436 A1 [0004]
- DE 102012207039 A1 [0004]
- DE 102013210317 A1 [0004]
- DE 102013210318 A1 [0004]
- DE 3307987 A1 [0005]
