DE102016003139A1

DE102016003139A1 - Connecting element for a positive shaft-hub connection

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Publication number: DE102016003139A1
Application number: DE102016003139.5A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2016-03-15
Filing date: 2016-03-15
Publication date: 2017-09-21

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verbindungselement (1) für eine mittelbare, formschlüssige Welle-Nabe-Verbindung. Das Verbindungselement (1) ist eine axial geschlitzte offene Hülse, die aus einem Blechband gerollt werden kann. Die äußere und die innere Mantelfläche sind in axialer Richtung vorzugsweise durch Rändeln verzahnt. Das Verbindungselement fungiert beim Fügevorgang als Umformwerkzeug für die Welle (2) und für die Nabe (3) und besteht vorzugsweise aus einem gehärteten Stahl.The invention relates to a connecting element (1) for an indirect, positive shaft-hub connection. The connecting element (1) is an axially slotted open sleeve, which can be rolled out of a sheet metal strip. The outer and inner lateral surfaces are preferably toothed in the axial direction by knurling. The connecting element acts during the joining process as a forming tool for the shaft (2) and for the hub (3) and is preferably made of a hardened steel.

Description

Die Erfindung betrifft eine mittelbare Welle-Nabe-Verbindung mit einem separaten, axial gefügten Verbindungselement als Zwischenglied. Die Verbindung erfolgt durch Formschluss infolge einer plastischen Verformung der Welle und der Nabe durch das Verbindungselement.The invention relates to an indirect shaft-hub connection with a separate, axially joined connecting element as an intermediate member. The connection is made by a positive connection due to a plastic deformation of the shaft and the hub through the connecting element.

DER STAND DER TECHNIKTHE PRIOR ART

Man unterscheidet mittelbare und unmittelbare Welle-Nabe-Verbindungen. Bei den unmittelbaren Welle-Nabe-Verbindungen stehen die Welle und die Nabe in direktem Wirkkontakt. Der Stand der Technik bezieht sich hier auf die mittelbaren Welle-Nabe-Verbindungen, bei denen ein separates Verbindungselement eine formschlüssige Drehmomentübertragung zwischen der Welle und dem Verbindungselement und zwischen dem Verbindungselement und der Nabe bewirkt. Hier werden nur die Welle-Nabe-Verbindungen betrachtet bei denen das Verbindungselement Verzahnungen aufweist, die einerseits die glatte Welle und andererseits die glatte Nabe zum Zwecke des Formschlusses wesentlich plastisch verformen und furchen. Der verzahnte Partner fungiert als Umformwerkzeug und es ergibt sich ein perfektes Tragbild der Verzahnung. Gerade für die modernen, hochdynamischen Antriebe können so absolut spielfreie, formschlüssige Welle-Nabe-Verbindungen realisiert werden.A distinction is made between direct and indirect shaft-hub connections. In the direct shaft-hub connections, the shaft and the hub are in direct operative contact. The prior art refers here to the indirect shaft-hub connections in which a separate connecting element causes a positive torque transmission between the shaft and the connecting element and between the connecting element and the hub. Here, only the shaft-hub connections are considered in which the connecting element has teeth, the one hand, the smooth shaft and on the other hand, the smooth hub for the purpose of positive engagement significantly plastically deform and furrow. The toothed partner acts as a forming tool and it results in a perfect contact pattern of the teeth. Especially for the modern, highly dynamic drives so absolutely backlash-free, positive shaft-hub connections can be realized.

Aktuelle Forschungen über unmittelbare Welle-Nabe-Verbindungen am IWP der TU Chemnitz und am IMW der TU Clausthal greifen die Rändelpressverbände (RPV) auf und liefern wissenschaftliche Ergebnisse und bestätigen die Wirksamkeit einer Rändelung. Es werden jedoch nur gerändelte Wellen und glatte Naben behandelt und offenbart.Current research on direct shaft-hub connections at the IWP of the TU Chemnitz and at the IMW of the TU Clausthal takes up the knurling press dressings (RPV) and delivers scientific results and confirms the effectiveness of knurling. However, only knurled shafts and smooth hubs are treated and disclosed.

In DE 1010335 und beispielsweise in DE 10 2013 204 617 sind Toleranzringe offenbart, die gehärtet sind und eine Oberflächenstruktur an den Kontaktbereichen zwischen der Welle und der Nabe aufweisen zum Zwecke der Reibwerterhöhung und zur Erzielung eines Formschlusses. Die Toleranzringe sind für höhere Drehmomente nicht geeignet und werden, wie in DE 10 2013 204 617 offenbart, in jüngster Zeit insbesondere zur Drehmomentbegrenzung als Überlastungsschutz eingesetzt. Das geringe übertragbare Drehmoment ergibt aus der elastischen Verformbarkeit der Toleranzringes in Wanddickenrichtung und aus der damit verbundenen geringen Spannkraft zwischen der Welle und der Nabe. Für angemessen hohe Drehmomente ist der Toleranzring nicht geeignet.In DE 1010335 and for example in DE 10 2013 204 617 are tolerance rings disclosed that are hardened and have a surface structure at the contact areas between the shaft and the hub for the purpose of Reibwerterhöhung and to achieve a positive connection. The tolerance rings are not suitable for higher torques and are, as disclosed in DE 10 2013 204 617, recently used in particular for torque limiting as overload protection. The low transmissible torque results from the elastic deformability of the tolerance ring in the wall thickness direction and the associated low clamping force between the shaft and the hub. For appropriate high torques, the tolerance ring is not suitable.

In DE 1105669 ist ein außen und innen leicht konischer, geschlossener Ring offenbart, der in den konischen Bereichen verzahnt ist. Beim Fügevorgang werden die zylindrische Nabe und die zylindrische Welle durch die Verzahnungen plastisch umgeformt. Die Drehmomentübertragung erfolgt formschlüssig. Die konischen Bereiche bewirken das erforderliche Übermaß für die plastische Verformung der Welle und der Nabe. Sehr nachteilig ist hier, dass die Welle, zwecks Zuführung des Rings zur Fügestelle, abgesetzt werden muss, da der Ring gegenüber der Welle ein deutliches Untermaß besitzen muss. Dies gilt in gleichem Maße auch für die unmittelbaren Welle-Nabe-Verbindungen als Pressverbund mit einer Rändelung (RPV). Der Fertigungsaufwand eines geschlossenen Rings nach DE1105669 erscheint sehr hoch, was ihn als kostengünstiges Standardelement unwirtschaftlich macht.In DE 1105669 is an externally and internally slightly conical, closed ring revealed, which is interlocked in the conical regions. During the joining process, the cylindrical hub and the cylindrical shaft are plastically deformed by the teeth. The torque transmission is positive. The conical areas cause the required excess for the plastic deformation of the shaft and the hub. It is very disadvantageous here that the shaft, for the purpose of supplying the ring to the joint, must be discontinued, since the ring must have a significant undersize relative to the shaft. This applies to the same extent also for the direct shaft-hub connections as a press connection with a knurling (RPV). The production cost of a closed ring according to DE1105669 appears very high, which makes it uneconomical as a low-cost standard element.

DIE AUFGABENSTELLUNGTHE TASK

Einerseits soll gegenüber dem Stand der Technik das übertragbare Drehmoment der Welle-Nabe-Verbindung derart erhöht werden, dass es deutlich höher liegt als bei einem konventionellen Pressverbund (PV) und etwa dem übertragbaren Drehmoment eines unmittelbaren Pressverbundes mit einer Rändelung (RPV) entspricht. Der Pressverbund mit Rändelung (RPV) benutzt in der Regel eine gerändelte Welle, die unbedingt deutlich härter sein muss als die zu verformende Nabe. Im vorliegenden Fall soll jedoch eine weiche Welle und eine weiche Nabe mit einem Pressverbund mit Rändelung verbindbar gemacht werden. Andererseits soll die Welle-Nabe-Verbindung so wirtschaftlich hergestellt werden können wie eine Welle-Nabe-Verbindung mit einem Toleranzring. Die Welle-Nabe-Verbindung soll kostengünstiger und flexibler einsetzbar sein als ein Pressverbund mit Rändelung (RPV). Besonderer Wert soll auf ein hohes übertragbares Drehmoment gelegt werden unter Verwendung von nicht gehärteten Wellen und Naben. Zur Reduzierung der Kosten soll auf eine hohe Oberflächengüte der Passflächen an der Welle und in der Nabe, wie sie bei einem Pressverbund (PV) unbedingt erforderlich ist, verzichtet werden können. Zudem soll das erfindungsgemäße Verbindungselement einen elastisch federnd veränderbaren Durchmesser besitzen, um eine einfache Zuführung des Verbindungselementes an den Fügeort auf einer Welle auch ohne Absätze zu ermöglichen und auf eine enge Tolerierung des Durchmessers des Verbindungselementes verzichten zu können.On the one hand, compared with the prior art, the transmittable torque of the shaft-hub connection is to be increased so that it is significantly higher than in a conventional pressing compound (PV) and corresponds approximately to the transmittable torque of an immediate pressing combination with a knurling (RPV). Knurling with knurling (RPV) usually uses a knurled shaft, which must be significantly harder than the hub to be deformed. In the present case, however, a soft shaft and a soft hub should be made connectable with a knurled kneading. On the other hand, the shaft-hub connection should be able to be produced as economically as a shaft-hub connection with a tolerance ring. The shaft-hub connection should be less expensive and more flexible than a press combination with knurling (RPV). Special emphasis should be placed on high transmittable torque using non-hardened shafts and hubs. In order to reduce costs, a high surface quality of the mating surfaces on the shaft and in the hub, which is absolutely necessary in a press assembly (PV), can be dispensed with. In addition, the connecting element according to the invention should have an elastically resiliently variable diameter to allow easy feeding of the connecting element to the joining location on a shaft without paragraphs and to be able to dispense with a close tolerance of the diameter of the connecting element.

DIE LÖSUNGTHE SOLUTION

Die Aufgabe soll dadurch gelöst werden, indem ein separates, hülsenförmiges Verbindungselement verwendet wird, welches das Drehmoment zu übertragen hat und zwischen der Welle und der Nabe positioniert wird. Das Verbindungselement ist radial in Wanddickenrichtung durch das kompakte Material, ohne eine federnde Geometrie, äußerst steif. Das Übermaß des Verbindungselementes gegenüber der Welle und der Nabe soll wesentlich in eine plastische Umformung der Oberflächen der Welle und der Nabe und in eine elastische Verformung der Nabe und der Welle umgesetzt werden. Damit das Verbindungselement formstabil bleibt und die Welle und die Nabe umformen, beziehungsweise furchen kann, ist der Werkstoff vorzugsweise ein gehärteter Stahl. Das Verbindungselement fungiert als Umformwerkzeug, womit alle Winkelfehler ausgeschlossen werden und ein perfektes Tragbild der Verzahnung, auch bei groben Verzahnungstoleranzen, erreicht wird. Zur einfacheren Montage und Zuführung des Verbindungselementes zur Fügestelle auf der Welle muss das Verbindungselement einen vorzugsweise elastisch veränderbaren Durchmesser besitzen. Es werden eine offene Hülse oder zwei Halbschalen mit einem Biegegelenk vorgeschlagen. Zur Reduzierung der Herstellkosten soll das Verbindungselement aus einem Blechband gefertigt werden können, welches zu einem Kreis gerollt wird und die Form einer offenen, axial längs geschlitzten Hülse erhält, die innen und außen verzahnt ist und gegebenenfalls anschließend gehärtet wird. Die Rändelung des Verbindungselementes soll vorzugsweise während der Umformung des Blechbandes zu einer offenen Hülse mit entsprechend profilierten Rollen erfolgen. Die Rändelung wird vorzugsweise mit achsparallelen Riefen ausgeführt. Wegen des plastisch erzeugten Formschlusses erübrigt sich eine Feinbearbeitung der Welle und der Nabe. Tangentiale Riefen sind auf der Welle und in der Nabe vorteilhaft. Die Lösung ist eine offene Hülse aus einem gehärteten Stahl, die außen und innen verzahnt oder vorzugsweise gerändelt ist. Damit beim Fügevorgang eine Spanbildung unterdrückt werden kann, erhält das Verbindungselement geeignete Einführschrägen. Das erfindungsgemäße Verbindungselement ist wesentlich eine gehärtete, innen und außen gerändelte, nicht geschlossene Hülse, die vorzugsweise aus einem Blechband gebogen wurde. Es soll damit eine wirtschaftliche, spanlose Fertigung ermöglicht werden. Die Wanddicke der Hülse sollte im Interesse einer geringen radialen Bauhöhe und einer geringen Steifigkeit des Durchmessers so gering gehalten werden, dass gerade noch ein störungsfreier Fügevorgang ohne Instabilitäten gewährleistet werden kann. Dabei gilt es zu beachten, dass die Fügekräfte des gerändelten Verbindungselementes sowohl an der Welle als auch an der Nabe gleichzeitig auftreten können und damit können die Fügekräfte doppelt so hoch sein als bei einem unmittelbaren Pressverbund mit Rändelung (RPV). Die erhöhte Festigkeit des gehärteten Verbindungselementes ist hier sehr vorteilhaft und erlaubt eine geringe Wanddicke und ermöglicht die höheren Fügekräfte des vorgesehenen Verbindungselementes. Die Verdoppelung der Fügekräfte durch die beidseitige Verzahnung des Verbindungselementes kann vermieden werden, wenn der gesamte Fügevorgang schrittweise abwechselnd jeweils nur an einer Verzahnung des Verbindungselementes erfolgt. Wird jedoch das Verbindungselement beispielsweise vor dem eigentlichen Fügeprozess zuvor in eine Nut in der Welle positioniert, so treten nur die Fügekräfte aus dem Fügevorgang des Verbindungselementes mit der Nabe auf. Die Welle wird dann jedoch vom Verbindungselement mangels eines Fügeweges nicht gefurcht, sondern es wird das Verbindungelement nur radial gegen die Welle gepresst. Die plastische Verformung ist dabei deutlich geringer als durch einen Vorgang des spanlosen Furchens. Hier ist eine hohe Rauigkeit der Welle im Bereich des Verbindungselementes von Vorteil, weil diese wegen der punktuellen Berührung zwischen der Verzahnung des Verbindungselementes und der Topographie der Welle eine größere Tiefe der plastischen Verformung der Welle begünstigt. Bei der Verbindung von beispielsweise einer Stahlwelle und einer Aluminiumnabe können, im Interesse einer ausreichend hohen plastischen Verformung der höher festen Welle, die Topographien der Verzahnungen angepasst werden.The object is to be achieved by a separate, sleeve-shaped connecting element is used, which has to transmit the torque and is positioned between the shaft and the hub. The connecting element is radially in the wall thickness direction by the compact material, without a resilient geometry, extremely stiff. The Oversize of the connecting element relative to the shaft and the hub should be implemented substantially in a plastic deformation of the surfaces of the shaft and the hub and in an elastic deformation of the hub and the shaft. In order that the connecting element remains dimensionally stable and the shaft and the hub can reshape or furrow, the material is preferably a hardened steel. The connecting element acts as a forming tool, which excludes all angular errors and a perfect contact pattern of the teeth, even with coarse toothing tolerances, is achieved. For easier assembly and feeding of the connecting element to the joint on the shaft, the connecting element must have a preferably elastically variable diameter. There are proposed an open sleeve or two half-shells with a bending joint. To reduce the production costs, the connecting element should be made of a sheet metal strip, which is rolled into a circle and receives the form of an open, axially longitudinally slotted sleeve, which is internally and externally toothed and optionally subsequently cured. The knurling of the connecting element should preferably take place during the deformation of the sheet metal strip to an open sleeve with correspondingly profiled rollers. The knurling is preferably carried out with axially parallel grooves. Because of the plastically produced positive connection, a fine machining of the shaft and the hub is unnecessary. Tangential grooves are favorable on the shaft and in the hub. The solution is an open sleeve made of a hardened steel which is externally and internally toothed or preferably knurled. So that chip formation can be suppressed during the joining process, the connecting element receives suitable insertion bevels. The connecting element according to the invention is essentially a hardened, internally and externally knurled, non-closed sleeve, which has preferably been bent from a sheet-metal strip. It is intended to enable an economical, chipless production. The wall thickness of the sleeve should be kept so low in the interest of a low radial height and a low rigidity of the diameter that just a trouble-free joining process can be ensured without instabilities. It should be noted that the joining forces of the knurled connecting element can occur simultaneously on both the shaft and the hub, and thus the joining forces can be twice as high as in the case of an immediate pressing compound with knurling (RPV). The increased strength of the hardened connecting element is very advantageous here and allows a small wall thickness and allows the higher joining forces of the intended connecting element. The doubling of the joining forces by the two-sided toothing of the connecting element can be avoided if the entire joining process takes place stepwise alternately only on one toothing of the connecting element. However, if the connecting element is positioned in a groove in the shaft, for example, before the actual joining process, then only the joining forces from the joining process of the connecting element with the hub occur. However, the shaft is then not feared by the connecting element for lack of a Fügeweges, but it is the connecting element only pressed radially against the shaft. The plastic deformation is significantly lower than by a process of chipless furrow. Here is a high roughness of the shaft in the region of the connecting element of advantage, because this favors a greater depth of the plastic deformation of the shaft because of the punctual contact between the toothing of the connecting element and the topography of the shaft. When connecting, for example, a steel shaft and an aluminum hub, the topographies of the teeth can be adapted in the interests of a sufficiently high plastic deformation of the higher-strength shaft.

AUSFÜHRUNGSBEISPIELEEMBODIMENTS

Die zuvor beschriebene, erfindungsgemäße Lösung soll an Beispielen erläutert werden.The solution according to the invention described above will be explained by way of examples.

In 1 ist eine Welle-Nabe-Verbindung mit einem Verbindungselement 1 dargestellt. Es ist zwischen der Welle 2 und der Nabe 3 angeordnet. Die Darstellung zeigt einen Schnitt entlang der Drehachse 4. Das Verbindungselement 1 ist sowohl innen als auch außen vorzugsweise in Richtung der Drehachse 4 verzahnt. Die innere Verzahnung 5 verformt die Welle 2 und äußere Verzahnung 6 verformt die Nabe 3 wesentlich plastisch und ergibt eine formschlüssige Verbindung. Eine Einlaufschräge 7 an der Nabe 3 und allseitige Schrägen 8 am Verbindungselement 1 sollen den Fügevorgang erleichtern und eine Spanbildung beim Fügen unterdrücken.In 1 is a shaft-hub connection with a connector 1 shown. It is between the wave 2 and the hub 3 arranged. The illustration shows a section along the axis of rotation 4 , The connecting element 1 is both inside and outside preferably in the direction of the axis of rotation 4 toothed. The internal gearing 5 deforms the shaft 2 and external teeth 6 deforms the hub 3 significantly plastic and results in a positive connection. An inlet slope 7 at the hub 3 and all-round slopes 8th on the connecting element 1 should facilitate the joining process and suppress chipping during joining.

In 2 ist die Seitenansicht der 1 dargestellt und zeigt einen Blick in Richtung der Drehachse 4 und zeigt die, vorzugsweise durch Rändeln erzeugte, innere 5 und die äußere 6 Verzahnung im Schnitt. Das Verbindungselement 1 ist zwischen der Welle 2 und der Nabe 3 angeordnet. Die offene Hülsenkontur der geschlitzten, nicht geschlossenen Hülse ergibt einen Spalt 9 am Umfang des Verbindungselementes 1 und macht die Flexibilität des Durchmessers deutlich.In 2 is the side view of 1 shown and shows a view in the direction of the axis of rotation 4 and shows the interior, preferably produced by knurling 5 and the outer one 6 Gearing on average. The connecting element 1 is between the shaft 2 and the hub 3 arranged. The open sleeve contour of the slotted, not closed sleeve results in a gap 9 on the circumference of the connecting element 1 and makes the flexibility of the diameter clear.

In 3 ist eine Welle-Nabe-Verbindung mit einem Verbindungselement 1 dargestellt, welche die vorteilhafte Federung der offenen Hülse zeigt. Die Welle-Nabe-Verbindung ist entlang der Drehachse 4 geschnitten. Das Verbindungselement 1 ist in einer Nut 10 in der Welle 2 positioniert und in axialer Richtung fixiert. Die Welle 2 und die Nabe 3 sind insbesondere in tangentialer Richtung formschlüssig mit dem Verbindungselement 1 verbunden. Da das Verbindungselement 1 schmaler ist als die Nabe, kann die zusätzliche Nabenbreite als Zentrierung 11 zwischen der Welle 2 und der Nabe 3 genutzt werden. Vorzugsweise weist die Oberfläche des Nutgrundes 12 eine hohe Rauigkeit auf, weil damit die plastische Deformation dieser Oberfläche erleichtert wird.In 3 is a shaft-hub connection with a connector 1 shown, which shows the advantageous suspension of the open sleeve. The shaft-hub connection is along the axis of rotation 4 cut. The connecting element 1 is in a groove 10 in the wave 2 positioned and fixed in the axial direction. The wave 2 and the hub 3 are positively in particular in the tangential direction with the connecting element 1 connected. As the connecting element 1 Narrower than the hub, the additional hub width can be used as centering 11 between the wave 2 and the hub 3 be used. Preferably, the surface of the groove bottom 12 a high roughness, because it facilitates the plastic deformation of this surface.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11: Verbindungselementconnecting element
22: Wellewave
33: Nabehub
44: Drehachseaxis of rotation
55: Verzahnung innenToothing inside
66: Verzahnung außenToothing outside
77: Einlaufschräge an der NabeInlet bevel at the hub
88th: Schräge an dem VerbindungselementSloping on the connecting element
99: Spalt am Umfang des VerbindungselementesGap on the circumference of the connecting element
1010: Nut in der WelleGroove in the shaft
1111: Zentrierung zwischen der Welle und der NabeCentering between the shaft and the hub
1212: Nutgrundgroove base

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 1010335 [0004]
DE 102013204617 [0004]
DE 1105669 [0005]

Claims

Connecting element for a, in particular tangentially form-fitting, in the axial direction available, indirect shaft-hub connection, characterized in that the connecting element coaxially between the shaft ( 2 ) and the hub ( 3 ) is arranged, the connecting element ( 1 ) comprises at least one, at least one-piece, axially slotted, longitudinally open sleeve with a, in its wall thickness direction substantially compact wall, the connecting element has a coaxially arranged inner and outer lateral surface, the connecting element with at least one toothing ( 6 . 5 ) is provided on the outer and on the inner circumferential surface and the toothings ( 5 . 6 ) with preferably axially parallel surfaces, preferably in the axial direction ( 4 ) of the connecting element ( 1 ).

Connecting element according to claim 1, characterized in that the connecting element ( 1 ) Toothings ( 5 . 6 ) produced by knurling.

Connecting element according to claim 1, characterized in that the connecting element ( 1 ) is produced by bending from a sheet metal strip.

Connecting element according to Claims 1 to 3, characterized in that the connecting element ( 1 ) is produced by bending deformation of a sheet metal strip and the, the toothing ( 5 . 6 ), knurling during bending forming with knurling rolls.

Connecting element according to Claims 1 to 4, characterized in that the connecting element ( 1 ) consists of a hardened steel.