DE102016206673A1

DE102016206673A1 - Verfahren zum Herstellen einer Stopfen-Hohlwellen-Verbindung

Info

Publication number: DE102016206673A1
Application number: DE102016206673.0A
Authority: DE
Inventors: Mario Mohler; Harald Ogermann
Original assignee: Mahle International GmbH
Current assignee: Mahle International GmbH
Priority date: 2016-04-20
Filing date: 2016-04-20
Publication date: 2017-10-26

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Stopfen-Hohlwellen-Verbindung (1), mit den Schritten, – Bereitstellen eines Stopfens (3) mit einem an seinem freien Ende (4) angeordneten ersten Fügebereich (5) und mit einem sich daran anschließenden zweiten Fügebereich (6), wobei der erste Fügebereich (5) einen kreisförmigen Querschnitt aufweist, während der zweite Fügebereich (6) einen Vieleckquerschnitt oder einen Vielzahnquerschnitt aufweist und wobei einzelne Ecken (7) des Vieleckquerschnitts oder einzelne Zähne (7') des Vielzahnquerschnitts den ersten Fügebereich (5) radial nach außen überragen, – Bereitstellen einer Hohlwelle (2), – Einschieben des Stopfens (3) in die Hohlwelle (2) und Herstellen eines Querpressverbandes und/oder eines Längspressverbandes.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Stopf-Hohlwellen-Verbindung. Die Erfindung betrifft außerdem eine nach diesem Verfahren hergestellte Stopfen-Hohlwellen-Verbindung sowie einen Stopfen zum Herstellen einer solchen Stopfen-Hohlwellen-Verbindung.
Aus der DE 10 2015 007 470 A1 ist ein Verfahren zum Herstellen einer Welle-Nabe-Verbindung bekannt, mit den Schritten: Bereitstellen einer Welle mit einem ersten und einem zweiten Fügebereich, Bereitstellen einer Nabe mit einem ersten Fügebereich und einem zweiten Fügebereich, Herstellen einer Oberflächenstrukturierung an zumindest einem Fügebereich der Welle und/oder an zumindest einem Fügebereich der Nabe, Verbinden der Welle mit der Nabe mit Wesensmerkmalen eines Querpressverbands und/oder eines Längspressverbands. Hierdurch soll eine Welle-Nabe-Verbindung mit besonders guter Maßhaltigkeit und gleichzeitig hoher Drehmomentübertragbarkeit und möglichst geringem Herstellungsaufwand geschaffen werden können.
Bei aus dem Stand der Technik bekannten Nockenwellen wird üblicherweise längsendseitig ein Stopfen eingepresst, der einen Innenraum der Nockenwelle bzw. eines Nockenwellenrohrs von der Umgebung trennen soll. Diese Stopfen erfordern jedoch enge Toleranzen bezüglich Durchmesser und Rauheit, so dass in Kombination mit ebenfalls engen Toleranzen des Innendurchmessers des Nockenwellenrohrs eine hohe Überdeckung erreicht werden kann, die eine geforderte Drehmomentübertragung gewährleisten muss. Neben diesen zum Teil nur sehr schwer einzuhaltenden Toleranzen, können auch eine ungleichmäßige Konservierung der Stopfen, die Form eines Fügezapfens und Oberflächenfehler in Kombination mit der hohen Überdeckung eine negative Auswirkung auf ein Einpressverhalten oder eine Drehmomentübertragungsfähigkeit haben.
Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich daher mit dem Problem, eine Stopfen-Hohlwellen-Verbindung anzugeben, die einfach herzustellen ist und trotzdem eine hohe Drehmomentübertragungsfähigkeit aufweist.
Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, ein Verfahren zum Herstellen einer Stopfen-Hohlwellen-Verbindung anzugeben, bei welchem ein Stopfen mit einem ersten und einem zweiten Fügebereich verwendet wird und wobei der erste Fügebereich einen kreisförmigen Querschnitt aufweist, während der zweite Fügebereich einen Vieleckquerschnitt oder einen Vielzahnquerschnitt aufweist und die einzelnen Ecken dieses Vielecks bzw. die einzelnen Zähne des Vielzahns den ersten Fügebereich radial überragen. Hierdurch ist es möglich, den Kerndurchmesser des Stopfens zu reduzieren, wodurch kleinere Einpresskräfte erforderlich sind und insbesondere auch das Problem eines Aufwurfs reduziert werden kann. Hierdurch lässt sich insbesondere auch eine Reduzierung des Ausschusses erreichen. Zudem ist es möglich, die axiale Länge des Stopfens aufgrund der im Bereich des zweiten Fügebereichs erhöhten Drehmomentübertragungsfähigkeit zu verkürzen, wodurch eine Materialeinsparung und damit auch eine Kosteneinsparung erreicht werden kann. Zudem kann bei einem Einsatz einer Nockenwelle auch eine Ölbohrung entfallen, die im Montageprozess zu einer anderen Bohrung ausgerichtet werden muss, wobei als Folge zugleich auch die Nut entfallen kann, da diese nicht mehr erforderlich ist. Bei einem als Vakuumpumpenstopfen ausgebildeten Stopfen könnte sogar auf eine 100% Drehmomentprüfung verzichtet werden. Zugleich wird auch der Einfluss der Konservierung minimiert. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Herstellen der Stopfen-Hohlwellen-Verbindung wird somit zunächst der Stopfen bereitgestellt mit dem an seinem freien Ende angeordneten ersten Fügebereich und mit dem sich daran anschließenden zweiten Fügebereich, wobei der erste Fügebereich einen kreisförmigen Querschnitt aufweist, während der zweite Fügebereich einen Vieleckquerschnitt oder einen Vielzahnquerschnitt aufweist und wobei einzelne Ecken des Vielecks oder einzelne Zähne des Vielzahns den ersten Fügebereich radial nach außen überragen. Zugleich wird eine Hohlwelle, bspw. ein Nockenwellenrohr, bereitgestellt, woraufhin anschließend ein Einschieben des Stopfens in die Hohlwelle und ein Herstellen eines Querpressverbandes und/oder eines Längspressverbandes erfolgt. Ein Querpressverband kann bspw. durch ein thermisches Fügen erreicht werden, wobei vor dem Einschieben des Stopfens in die Hohlwelle der Stopfen gekühlt und/oder die Hohlwelle erwärmt werden. Bei einem reinen Längspressverband ist keine gesonderte Temperierung des Stopfens und/oder der Hohlwelle erforderlich. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren lässt sich somit eine Stopfen-Hohlwellen-Verbindung einfach, kostengünstig und zugleich mit hoher Drehmomentübertragungsfähigkeit herstellen, da die Zähne bzw. die Ecken des zweiten Fügebereichs durch Eingraben in eine Innenmantelfläche der Hohlwelle eine erhöhte Drehmomentübertragungsfähigkeit bewirken.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung weisen die beiden Fügebereiche unterschiedliche Außendurchmesser auf. Denkbar ist bspw., dass der erste Fügebereich einen deutlich kleineren Außendurchmesser aufweist, als der zweite Fügebereich, wobei als Sonderfall auch denkbar ist, dass ein Außendurchmesser des ersten Fügebereichs einem Innendurchmesser des zweiten Fügebereichs entspricht, so dass der zweite Fügebereich lediglich mit seinen Ecken bzw. Zähnen den Außendurchmesser des ersten Fügebereichs überragt. Der zweite Fügeberich kann dabei zwischen den Zähnen/Ecken ausgerundet sein, so dass die Zähne/Ecken über dazwischen liegende Kurven ineinander übergehen. Beim Einschieben des Stopfens in die Hohlwelle graben sich dabei die Zähne bzw. Ecken in die Innenmantelfläche der Hohlwelle ein und können zusätzlich oder alternativ durch ein thermisches Fügen noch fester mit der Hohlwelle verbunden werden.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung weist der erste Fügebereich eine axiale Länge L₁ auf, die 10 bis 30% der axialen Länge L₂ des zweiten Fügebereichs entspricht. Da für die Drehmomentübertragungsfähigkeit hauptsächlich die Zähne bzw. Ecken des zweiten Fügebereichs verantwortlich sind, ist es konsequent, diesen axial länger auszubilden als den ersten Fügebereich. Der erste Fügebereich mit seinem kreisförmigen Querschnitt dient dabei als Zentrierung und erleichtert somit ein gleichmäßiges Einschieben des Stopfens in die Hohlwelle.
Zweckmäßig werden der Stopfen und/oder die Fügebereiche durch Kaltfließpressen oder durch Warmumformen hergestellt. Beim Kaltfließpressen lässt sich ein Stopfen mit hoher Maßgenauigkeit und zugleich hoher Oberflächengüte vergleichsweise kostengünstig herstellen. In ähnlicher Weise lassen sich derartig qualitativ hochwertige Bauteile auch mittels Halbwarmfließpressen oder Warmfließpressen kostengünstig herstellen.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung weist der Stopfen mehr als zwei Fügebereiche auf. Rein theoretisch ist es somit denkbar, dass der Stopfen auch zwei zweite Fügebereiche mit unterschiedlichen Durchmessern und/oder unterschiedlichen Vieleckquerschnitten bzw. Vielzahnquerschnitten aufweist. Da die Hohlwelle üblicherweise einen konstanten Innendurchmesser aufweist, ist die Abweichung der Außendurchmesser der einzelnen Fügebereiche voneinander nicht allzu groß.
Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Bauteile beziehen.
Dabei zeigen, jeweils schematisch,
1 eine Schnittdarstellung durch eine erfindungsgemäße Stopfen-Hohlwellen-Verbindung,
2 eine Ansicht von vorne auf einen erfindungsgemäßen Stopfen zur Herstellung einer Stopfen-Hohlwellen-Verbindung.
Entsprechend der 1, weist eine erfindungsgemäß hergestellte Stopfen-Hohlwellen-Verbindung 1 eine Hohlwelle 2 sowie einen Stopfen 3 auf. Die Hohlwelle 2 kann dabei bspw. als Nockenwelle bzw. Nockenwellenrohr ausgebildet sein. Betrachtet man den Stopfen 3 genauer, so kann man erkennen, dass dieser an seinem freien Ende 4 einen ersten Fügebereich 5 mit einem kreisförmigen Querschnitt aufweist (vgl. auch 2), während daran anschließend ein zweiter Fügebereich 6 angeordnet ist, wobei der zweite Fügebereich 6 einen Vieleckquerschnitt oder einen Vielzahnquerschnitt aufweist und wobei die einzelnen Ecken 7 des Vieleckquerschnitts oder einzelne Zähne 7‘ des Vielzahnquerschnitts den ersten Fügebereich 5 radial überragen (vgl. 2).
Hergestellt wird die erfindungsgemäße Stopfen-Hohlwellen-Verbindung 1 dabei wie folgt: Zunächst wird der Stopfen 3 mit seinem an seinem freien Ende 4 angeordneten ersten Fügebereich 5 und mit seinem sich daran anschließenden zweiten Fügebereich 6 bereitgestellt, ebenso wie die Hohlwelle 2. Anschließend erfolgt ein Einschieben des Stopfens 3 in die Hohlwelle 2 und ein Herstellen einer Querpressverbandes und/oder eines Längspressverbandes. Ein Querpressverband kann bspw. durch eine thermische Fügeverbindung realisiert werden, bei welcher der Stopfen 3 gekühlt und/oder die Hohlwelle 2 erwärmt wird. Ein Längspressverband hingegen wird üblicherweise durch die Ecken 7 bzw. die Zähne 7‘ des zweiten Fügebereichs 6 erreicht, die vorzugsweise im Außendurchmesser größer sind als ein Innendurchmesser der Hohlwelle 2 und dadurch sich beim Einschieben des Stopfens 3 in die Hohlwelle 2 in eine Innenmantelfläche der Hohlwelle 2 eingraben. Hierdurch kann eine besonders hohe Drehmomentübertragungsfähigkeit erreicht werden.
Hergestellt werden kann der Stopfen 3 bspw. durch Kaltfließpressen oder durch Warmumformen, wodurch der Stopfen 3 nicht nur kostengünstig, sondern auch qualitativ äußerst hochwertig und insbesondere mit hochwertigen Oberflächen herstellbar ist. Bei dem zuvor beschriebenen Verfahren wird zwar üblicherweise davon gesprochen, dass der Stopfen 3 mit seinen Fügebereichen 5, 6 in die Hohlwelle 2 eingeschoben wird, wobei selbstverständlich auch klar ist, dass die Hohlwelle 2 auf die Fügebereiche 5, 6 des Stopfens 3 aufgeschoben werden kann. Zum besseren Einfahren des Stopfens 3 mit seinem ersten Fügebereich 5 in die Hohlwelle 2, kann am ersten Fügebereich 5 auch eine Fase 8 vorgesehen sein, wie dies gemäß der 1 mit unterbrochen gezeichneter Linie angedeutet ist. Die Fase 8 ist dabei jedoch nach Möglichkeit klein zu halten, um möglichst wenig vom ersten Fügebereich 5 für die Fase 8 verwenden zu müssen.
Betrachtet man die 1 weiter, so kann man erkennen, dass eine axiale Länge L₁ des ersten Fügebereichs 5 deutlich kleiner ist als die axiale Länge L₂ des zweiten Fügebereichs 6. Vorzugsweise ist denkbar, dass die axiale Länge L₁ des ersten Fügebereichs 5 lediglich ca. 10–30% der axialen Länge L₂ des zweiten Fügebereichs 6 entspricht. Rein theoretisch ist selbstverständlich auch ein davon abweichendes Maß von bis zum 50% denkbar, wobei zum Erreichen einer hohen Drehmomentübertragungsfähigkeit der zweite Fügebereich 6 möglichst lang sein sollte.
Mit der erfindungsgemäßen Stopfen-Hohlwellen-Verbindung 1 kann eine einerseits kostengünstige und andererseits hohe Drehmomente übertragende Verbindung geschaffen werden, wobei insbesondere durch das Herstellen des Stopfens 3 mittels Kaltfließpressen dieser vergleichsweise kostengünstig herstellbar ist. Zudem kann bei der erfindungsgemäßen Stopfen-Hohlwellen-Verbindung 1 ein Kerndurchmesser reduziert werden, wodurch kleinere Einpresskräfte erforderlich sind und hierdurch insbesondere das Problem von Aufwürfen reduziert werden kann. Hierdurch lässt sich somit insbesondere auch ein Ausschuss reduzieren. Zudem kann durch den als Vieleckquerschnitt bzw. Vielzahnquerschnitt ausgebildeten zweiten Fügebereich 6 der Stopfen 3 insgesamt hinsichtlich seiner axialen Länge verkürzt werden, woraus sich eine Materialeinsparung und damit auch eine Kosteneinsparung ergibt. Auch eine Ölbohrung kann entfallen, die im Montageprozess zu einer anderen Bohrung ausgerichtet werden muss. Als Folge hiervon kann auch die Nut entfallen, da diese nicht mehr benötigt wird. Das ist der Fall, wenn die Nut lediglich zur Positionierung des Stopfens dient (Bohrung Stopfen auf Bohrung Rohr).
Zudem wird auch der Einfluss der Konservierung minimiert, da es sich bei dieser Verbindung um keine reine Pressverbindung handelt, weshalb der Einfluss des Konservierungsmittels nicht mehr so entscheidend ist. Für den zusätzlichen Formschluss hat die Konservierung wahrscheinlich keinen negativen Einfluss. Dies führt zu geringeren Prozessschwankungen.
Der Stopfen 3 weist an seinem dem freien Ende 4 abgewandten Ende einen Kopf 9 auf, der einen Axialanschlag für den Stopfen 3 beim Einschieben in die Hohlwelle 2 darstellt.
Selbstverständlich ist dabei denkbar, dass der Stopfen 3 auch mehr als die zwei genannten Fügebereiche 5, 6 aufweisen kann, insbesondere bspw. zwei zweite Fügebereiche 6, die einen unterschiedlichen Vieleckquerschnitt bzw. Vielzahnquerschnitt aufweisen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102015007470 A1 [0002]

Claims

Verfahren zum Herstellen einer Stopfen-Hohlwellen-Verbindung (1), mit den Schritten, – Bereitstellen eines Stopfens (3) mit einem an seinem freien Ende (4) angeordneten ersten Fügebereich (5) und einem sich daran anschließenden zweiten Fügebereich (6), wobei der erste Fügebereich (5) einen kreisförmigen Querschnitt aufweist, während der zweite Fügebereich (6) einen Vieleckquerschnitt oder einen Vielzahnquerschnitt aufweist und wobei einzelne Ecken (7) des Vieleckquerschnitts oder einzelne Zähne (7') des Vielzahnquerschnitts den ersten Fügebereich (5) nach außen radial überragen, – Bereitstellen einer Hohlwelle (2), – Einschieben des Stopfens (3) in die Hohlwelle (2) und Herstellen eines Querpressverbandes und/oder eines Längspressverbandes.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Einschieben des Stopfens (3) in die Hohlwelle (2) der Stopfen (3) gekühlt und/oder die Hohlwelle (2) erwärmt werden/wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Außendurchmesser D_A5 des ersten Fügebereichs (5) einem Innendurchmesser D_i6 des zweiten Fügebereichs (6) entspricht.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Fügebereich (5) eine axiale Länge L₁ aufweist, die 10 bis 50%, vorzugsweise 10 bis 30%, der axialen Länge L₂ des zweiten Fügebereichs (6) entspricht.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stopfen (3) und die Fügebereiche (5, 6) durch Kaltfließpressen oder durch Warmumformen hergestellt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stopfen (3) mehr als zwei Fügebereiche (5, 6) aufweist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die einzelnen Ecken (7) des Vieleckquerschnitts oder die einzelnen Zähne (7') des Vielzahnquerschnitts beim Einschieben des zweiten Fügebereichs (6) in die Hohlwelle (2) in eine Innenmantelfläche der Hohlwelle (2) eingraben.
Stopfen-Hohlwellen-Verbindung, dadurch gekennzeichnet, dass diese nach einem der Ansprüche 1 bis 7 hergestellt wurde.
Stopfen-Hohlwellen-Verbindung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlwelle (2) als Nockenwellenrohr ausgebildet ist.
Stopfen (3) für eine Stopfen-Hohlwellen-Verbindung (1) nach Anspruch 8 oder 9, mit einem an seinem freien Ende (4) angeordneten ersten Fügebereich (5) und mit einem sich daran anschließenden zweiten Fügebereich (6), wobei der erste Fügebereich (5) einen kreisförmigen Querschnitt aufweist, während der zweite Fügebereich (6) einen Vieleckquerschnitt oder einen Vielzahnquerschnitt aufweist und wobei einzelne Ecken (7) des Vieleckquerschnitts oder einzelne Zähne (7') des Vielzahnquerschnitts den ersten Fügebereich (5) radial nach außen überragen.