DE102018206536A1

DE102018206536A1 - Verfahren zum Herstellen einer Welle-Nabeverbindung und Kraftfahrzeugwelle mit einer solchen Verbindung

Info

Publication number: DE102018206536A1
Application number: DE102018206536.5A
Authority: DE
Inventors: Heinrich Grünwald; Anton Mangold; Stefan Schmiedel; Armin Zeilner
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2018-04-27
Filing date: 2018-04-27
Publication date: 2019-10-31
Anticipated expiration: 2038-04-28
Also published as: CN111836973B; DE102018206536B4; US11525482B2; CN111836973A; WO2019206556A1; US20210164523A1

Abstract

Verfahren zum Herstellen einer Welle-Nabeverbindung für eine verbundenen Kraftfahrzeugwelle aus
einem Wellenbauteil (3) und einem Nabenbauteil (4),
bei diesem Herstellverfahren wird das Wellenbauteil (3) und das Nabenbauteil (4) aus einem ungefügten Zustand in einen gefügten Zustand, in welchem das Wellenbauteil (3) und das Nabenbauteil (4) eine reibformschlüssige Welle-Nabeverbindung ausbilden, überführt, dazu weist das Wellenbauteil (3) eine Verzahnungsbereich (1) mit Zähnen (1) mit einer Zahnhöhe H auf und das Nabenbauteil (4) weist einen im ungefügten Zustand wenigstens abschnittsweise oder vollständig hohlzylindrischen Verzahnungsgegenbereich (2) mit einem Gegenbereichinnendurchmesser d auf,
wobei das Nabenbauteil (4) zum Herstellen der reibformschlüssigen Welle-Nabeverbindung in einer Längsrichtung (7) auf das Wellenbauteil (3) aufgeschoben wird und sich dabei der Verzahnungsbereich (1) in den Verzahnungsgegenbereich (2) geometrisch abbildet,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Verzahnungsgegenbereich (2) beim Aufschieben des Nabenbauteils (4) auf das Wellenbauteil (3), bevor dieser den Verzahnungsbereich (1) kontaktiert,
einen zylindrischen Zentrierbereich (8) mit einem Zentrieraussendurchmesser D überstreicht, wobei der Zentrieraussendurchmesser D höchstens 0,2 mm und mindestens 0,005 mm kleiner ist, als der Gegenbereichinnendurchmesser d und
dass der Zentrierbereich (8) eine Längserstreckung L in der Längsrichtung (7) aufweist, welche größer ist als 1 mm.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Welle-Nabeverbindung mit einer kraft- und formschlüssigen, beziehungsweise reibformschlüssigen, Welle-Nabeverbindung und eine Kraftfahrzeugwelle mit einer solchen Welle-Nabeverbindung, sogenannte verbundene Kraftfahrzeugwelle. Aus der DE 10 2008 011 113 A1 ist eine Welle-Nabeverbindung gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 bekannt.
In Kraftfahrzeugen kommen häufig aus mehreren Teilwellen zusammengesetzte Wellen zur Drehmomentübertragung zum Einsatz oder in anderen Fällen wird ein Bauteil, vorzugsweise eine Kraftfahrzeugwelle, mit einem weiteren Bauteil dauerhaft zur Drehmomentübertragung verbunden, derartige verbundene Bauteile werden mittels sogenannten Welle-Nabeverbindungen verbunden und werden nachfolgend als verbundene Kraftfahrzeugwelle bezeichnet. Die DE 10 2008 011 113 A1 schlägt für eine verbundene Kraftfahrzeugwelle eine sogenannte Rändelpressverbindung vor, bei welcher zwei Bauteile mittels formschlüssiger, beziehungsweise reibformschlüssiger, Verbindung miteinander gefügt werden und dauerhaft verbunden bleiben.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Welle-Nabeverbindung mit hoher Tragfähigkeit anzugeben, sowie eine mit diesem Verfahren hergestellte verbundene Kraftfahrzeugwelle. Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Patentanspruch 1, beziehungsweise durch eine mit diesem Verfahren hergestellte Kraftfahrzeugwelle gemäß Patentanspruch 4, gelöst, zu bevorzugende Weiterbildungen dieser Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Eine Grundidee der Erfindung ist es insbesondere, ein Verfahren zur Herstellung einer kraft- und formschlüssige Welle-Nabeverbindung mit einer geringen oder ohne eine Spanbildung bei deren Herstellung anzugeben. In diesem Zusammenhang werden die Begriffe „reibformschlüssig“ beziehungsweise „kraft- und formschlüssig“ in Bezug auf Welle-Nabeverbindungen synonym gebraucht. Weiter ist die vorgeschlagene Welle-Nabeverbindung vorteilhaft bei drehmomentübertragenden und verbindungsstabilisierenden Bauteilen, insbesondere Kraftfahrzeugwellen und Stabilisatoren oder dergleichen, anwendbar. Weiter vorzugsweise ist die vorgeschlagene Welle-Nabeverbindung vorteilhaft bei drehmomentübertragenden und verbindungsstabilisierenden Bauteilen anwendbar, bei welchen ein Schweißverfahren zum Ausbilden der, insbesondere zur Drehmomentübertragung vorgesehenen, Verbindung nicht zielführend ist.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Welle-Nabeverbindung für eine verbundene Kraftfahrzeugwelle aus einem Wellenbauteil und einem Nabenbauteil. Bei diesem Herstellverfahren werden das Wellenbauteil und das Nabenbauteil aus einem ungefügten in einen gefügten Zustand überführt. In diesem ungefügten Zustand stehen das Wellenbauteil und das Nabenbauteil nicht in Kontakt miteinander und eine Drehmomentübertragung vom einen auf das andere der Bauteil ist somit nicht ermöglicht. In dem gefügten Zustand bilden das Wellenbauteil und das Nabenbauteil eine dauerhafte reibformschlüssige Welle-Nabeverbindung aus. Die vorgeschlagene Welle-Nabeverbindung eignet sich insbesondere für klassische Welle-Nabeverbindungen, bei welchen sowohl das Wellenbauteil wie auch das Nabenbauteil aus einem Stahl- oder Aluminiumwerkstoff bestehen. Weiter eignet sich die vorgeschlagene Welle-Nabeverbindung insbesondere auch für sogenannte Mischverbindungen bezüglich der Werkstoffe des Wellenbeziehungsweise Nabenbauteils.
In diesem Sinn ist unter einer solchen Mischverbindung eine Welle-Nabeverbindung zu verstehen, bei welcher das Wellen- und das Nabenbauteil aus unterschiedlichen Werkstoffen bestehen, insbesondere weist eines der beiden Bauteile (Wellenbauteil, Nabenbauteil) als einen Bestandteil einen Stahlwerkstoff auf oder besteht aus diesem und das andere Bauteil weist als einen Bestandteil einen Aluminiumwerkstoff auf oder besteht aus diesem oder eines der beiden Bauteile weist als einen Bestandteil einen Stahl- oder Aluminiumwerkstoff auf oder besteht aus diesem und das andere Bauteil weist als einen Bestandteil einen Kunststoff auf oder besteht aus diesem. Vorzugsweise ist dieser Kunststoff ein faserverstärkter Kunststoff, bevorzugt ein sogenannter Kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff (CFK). Derartige Mischverbindungen werden bei bekannten Welle-Nabeverbindung häufig durch ein Klebeverfahren gebildet.
Im Sinne der Erfindung ist unter einer reibformschlüssige Welle-Nabeverbindung eine Pressverbindung, insbesondere mit gerändelter Welle zu verstehen, deren Vorteile in einer hohen statischen Übertragungsfähigkeit, Temperaturbeständigkeit und der geringen Toleranzempfindlichkeit gegenüber Teilungsabweichungen bei gleichzeitig hoher Verdrehsicherheit liegen. Zur Herstellung der Verbindung wird das Wellenbauteil axial in das Nabenbauteil eingepresst (verschieben des Wellenbauteils oder des Nabenbauteils in einer Längsrichtung). Das Wellenbauteil ist insbesondere wenigstens im Wesentlichen als rotationssymmetrisches Bauteil ausgebildet und weist eine Symmetrie- beziehungsweise Rotationsachse auf, um welche dieses im planmäßigen Betrieb rotiert, beziehungsweise rotierbar ist.
Im Sinne der Erfindung ist unter der Längsrichtung eine Richtung entlang der Symmetrie- beziehungsweise Rotationsachse des Wellenbauteils zu verstehen.
Das Wellenbauteil weist einen Verzahnungsbereich auf, welcher insbesondere mittels eines spanabhebenden oder spanlosen Fertigungsverfahrens und vorzugsweise durch sogenanntes Rändeln, auf das Wellenbauteil aufgebracht ist.
Das Wellenbauteil, welches vorzugsweise als einen Bestandteil Stahl aufweist oder aus diesem besteht, wird mit radialer Überdeckung in ein weicheres Nabenbauteil, z.B. aus Aluminium, Kunststoff oder „weichem“ Stahl in Längsrichtung eingepresst. Das Einpressen des Wellenbauteils in das Nabenbauteil führt dazu, dass ein Verzahnungsgegenbereich des Nabenbauteils, abhängig von der Geometrie des Verzahnungsbereichs des Wellenbauteils, durch einen schneidenden oder umformenden Fügeprozess verzahnt wird. Weiter ist die Festigkeit, insbesondere die Härte, des Wellenbauteils im Verzahnungsbereich größer, als die Festigkeit, insbesondere die Härte, des Nabenbauteils im Verzahnungsgegenbereich, um diesen Fügeprozess zu ermöglichen.
Da das Werkzeug zum Herstellen des Verzahnungsgegenbereichs, vorliegend in der Regel das Wellenbauteil, und das Fügeteil, welches mit diesem Verzahnungsgegenbereich die Welle-Nabeverbindung ausbildet, identisch sind, sind Teilungsabweichungen prinzipbedingt ausgeschlossen. Dies führt zu einem Traganteil von wenigstens nahezu 100% und einer dementsprechend hohen Übertragungsfähigkeit. Derartige reibformschlüssige Welle-Nabeverbindungen sind aus dem Stand der Technik als sogenannte Rändelpressverbindungen grundsätzlich bekannt.
Zum Ausbilden dieser reibformschlüssigen Welle-Nabeverbindung weist das Wellenbauteil den Verzahnungsbereich mit Zähnen mit einer Zahnhöhe H auf, diese Zähne erstrecken sich auf dem Wellenbauteil in radialer Richtung zwischen einem Zahnfußkreisdurchmesser Df und einem Zahnkopfkreisdurchmesser Da.
Das Nabenbauteil weist einen im ungefügten Zustand wenigstens abschnittsweise oder vollständig hohlzylindrischen Verzahnungsgegenbereich mit einem Gegenbereichinnendurchmesser d auf. Der Zahnkopfkreisdurchmesser Da des Verzahnungsbereichs ist größer, als dieser Gegenbereichinnendurchmesser d. Zum Ausbilden der reibformschlüssigen Welle-Nabeverbindung wird das Nabenbauteil in einer Längsrichtung, insbesondere als längs zu einer Symmetrieachse des Verzahnungsbereichs, auf das Wellenbauteil aufgeschoben. Bei diesem Aufschieben bildet sich der Verzahnungsbereich des Wellenbauteils in dem Verzahnungsgegenbereich des Nabenbauteils geometrisch ab, das Wellen- und das Nabenbauteil sind damit reibformschlüssig miteinander verbunden.
Untersuchungen haben gezeigt, dass es bei diesem Aufschieben bei bekannten Welle-Nabeverbindungen zum Ausbrechen von Zähnen auf dem Wellen- und/oder Nabenbauteile kommen kann, so dass die Tragfähigkeit, insbesondere also das übertragbare Drehmoment, mit dieser Welle-Nabeverbindung geringer ist, als bei einer Verbindung ohne ausgebrochene Zähne. Um dieses Ausbrechen der Zähne zu verringern oder vorzugsweise zu vermeiden, überstreicht der Verzahnungsgegenbereich beim Aufschieben des Nabenbauteils auf das Wellenbauteil, bevor dieser den Verzahnungsbereich kontaktiert, einen zylindrischen Zentrierbereich. Der zylindrische Zentrierbereich weist einen Zentrieraußendurchmesser D auf. Dieser Zentrieraußendurchmesser D ist derart gewählt, dass D höchstens 0,2 mm und mindestens 0,005 mm kleiner ist, als der Gegenbereichinnendurchmesser d. Weiter weist der Zentrierbereich eine Längserstreckung L in Längsrichtung auf, welche größer ist als 1 mm.
Weiter ist es ermöglicht, dass der Zentrierbereich auf mehrere Teilbereich aufgeteilt ist, welche vorzugsweise eine kumulierte Länge von 1 mm aufweisen oder welche wenigstens 1 mm voneinander beabstandet sind und so im Sinne der Erfindung eine Länge L von wenigstens 1 mm ergeben. Durch dieses Überstreichen des Zentrierbereichs sind eine bessere Ausformung der Zähne im Verzahnungsgegenbereich und damit eine höhere Tragfähigkeit der Welle-Nabeverbindung erreichbar.
In einer bevorzugt Ausführungsform der Erfindung überstreicht der Verzahnungsbereich beim Aufschieben des Nabenbauteils auf das Wellenbauteil die Längserstreckung L, wobei L größer oder gleich 2 mm ist. Insbesondere mit einer derartigen Längserstreckung L kann eine besonders gute Zentrierung des Nabenbauteils gegenüber dem Wellenbauteil erreicht werden und so ist die Tragfähigkeit der Welle-Nabeverbindung verbesserbar.
In einer bevorzugt Ausführungsform der Erfindung ist der Zentrieraußendurchmesser D derart gewählt dass gilt, D ist mindestens 0,005 mm und vorzugsweise mindestens 0,01 mm kleiner als der Gegenbereichinnendurchmesser d und höchsten ist D 0,25 mm kleiner als d und bevorzugt ist höchstens 0,1 mm kleiner als d. Insbesondere mit einer derartigen Wahl der Durchmesser D und d kann eine besonders gute Zentrierung des Nabenbauteils gegenüber dem Wellenbauteil erreicht werden und so ist die Tragfähigkeit der Welle-Nabeverbindung verbesserbar.
Weiter ist eine verbundene Kraftfahrzeugwelle vorgesehen, also ein aus mehreren Elementen zusammengesetztes Bauteil welches zur Drehmomentübertragung in einem Kraftfahrzeug vorgesehen ist, wobei diese verbundene Kraftfahrzeugwelle eine Welle-Nabeverbindung aufweist, welche mit einem Herstellverfahren der zuvor genannten Art gefertigt ist. Eine derartige verbundene Kraftfahrzeugwelle zeichnet sich dadurch aus, dass die Zähne im Verzahnungsgegenbereich spanlos oder nahezu spanlos durch den Verzahnungsbereich geformt sind und dass es weiter nicht oder nur in geringem Umfang zum Ausbrechen von Zähnen mit Verzahnungsbeziehungsweise Verzahnungsgegenbereich kommt.
In einer bevorzugt Ausführungsform der Erfindung weist das Nabenbauteil im Bereich des Verzahnungsgegenbereichs, eine Verzahnungswandstärke von 20 mal H oder weniger, vorzugsweise von 15 mal H oder weniger und besonders bevorzugt von 10 mal H oder weniger auf.
Im Sinne der Erfindung ist das Nabenbauteil im Bereich des Verzahnungsgegenbereichs, wenigstens abschnittsweise, als rohrförmiges Bauteil mit der sogenannten Verzahnungswandstärke als Wandstärke ausgebildet. Beim Formen der Zähne im Nabenbauteil im Verzahnungsgegenbereich können radiale Kräfte auftreten, welche zu einer, insbesondere radialen Deformation des Nabenbauteils in diesem Bereich führen können, insbesondere wenn die Wandstärke des Nabenbauteils im Verzahnungsgegenbereich gering ist, wobei gering im Sinne der Erfindung 20 mal H oder weniger ist.
Insbesondere um diese radiale Deformation, also eine Deformation orthogonal zur Längsrichtung, zu vermeiden oder wenigstens zu verringern, weist das Nabenbauteil im Verzahnungsgegenbereich radial Außen vorzugsweise einen Stützring auf, welcher den Verzahnungsgegenbereich in Längsrichtung vollständig oder teilweise überdeckt und auf diesen aufgebracht ist. Vorzugsweise ist der Stützring mittels einer Übergangs- oder einer Presspassung auf das Nabenbauteil aufgebracht. Insbesondere durch einen derartigen Stützring ist die Tragfähigkeit der reibschlüssigen Welle-Nabeverbindung verbesserbar.
In einer bevorzugt Ausführungsform der Erfindung weist der Verzahnungsbereich des Wellenbauteils einen Zahnfußdurchmesser Df auf, wobei Df kleiner ist, als der Zentrierdurchmesser D. Untersuchungen haben gezeigt, dass mit einer solchen Ausgestaltung eine besonders gute Ausformung der Zähne im Verzahnungsgegenbereich des Nabenbauteils erreichbar ist.
Nachfolgend sind einzelne Merkmale und Ausführungsformen der Erfindung anhand der Figur dargestellt, dabei zeigt:

1: eine Teilschnittdarstellung eines Wellen- und eines Nabenbauteils in ungefügtem Zustand.

In 1 ist das Wellenbauteil 3 im Teilschnitt dargestellt. Auf dem Wellenbauteil 3 ist der Verzahnungsbereich 1 angeordnet, welcher eine Vielzahl von Zähnen 10 aufweist. Diese Zähne 10 erstrecken sich in radialer Richtung 11, also jeweils orthogonal zur Symmetrieachse 6, zwischen dem Zahnfußkreisdurchmesser Df und dem Zahnkopfkreisdurchmesser Da und weisen die Zahnhöhe H auf. Das Wellenbauteil 3 ist im planmäßigen Betrieb um die Symmetrie- beziehungsweise Rotationsachse 6, insbesondere zur Drehmomentübertragung auf das Nabenbauteil 4, rotierbar.
Damit sich die Zähne 10 in dem zunächst hohlzylindrischen Verzahnungsgegenbereich 2 bei der Fertigung abbilden können, weist der Verzahnungsbereich 1, wenigstens im Bereich der Zähne 10, eine höhere Härte auf, als der Verzahnungsgegenbereich 2. Auf dem Nabenbauteil 4 ist radial Außen der Stützring 5 aufgebracht. Der Stützring 5 behindert eine radiale Deformation des Nabenbauteils 4 beim Ausformen der Zähne im Verzahnungsgegenbereich 2. Die Verzahnungswandstärke 9 ist in Bezug auf die Zahnhöhe H gering, daher wird das Nabenbauteil in diesem Bereich durch den Stützring 5 verstärkt.
Zum Ausbilden der reibformschlüssigen Welle-Nabeverbindung wird das Nabenbauteil 4 mit dem Stützring 5 in Längsrichtung 7 über den Zentrierbereich 8 mit der Länge L auf das Wellenbauteil 3 aufgeschoben. Dabei überstreicht das Nabenbauteil 4 mit den Gegenbereichinnendurchmesser d zunächst den Zentrierbereich 8 mit dem Zentrierdurchmesser D. Bei diesem Überstreichen des Zentrierbereichs 8 richtet sich das Nabenbauteil 4 auf das Wellenbauteil 3 aus. Beim Weiterschieben des Nabenbauteils 4 bilden sich die Zähne 1 im Verzahnungsgegenbereich 2 ab, das Wellenbauteil 3 stellt damit gleichermaßen das Werkzeug zum Herstellen der Verzahnung im Nabenbauteil 4, wie auch das mit dieser Verzahnung gefügte Fügeteil dar und insbesondere dadurch ist eine hohe Tragfähigkeit dieser Well-Nabeverbindung erreichbar.
Bezugszeichenliste

1: Verzahnungsbereich
2: Verzahnungsgegenbereich
3: Wellenbauteil
4: Nabenbauteil
5: Stützring
6: Symmetrieachse des Wellen- und Nabenbauteils
7: Längsrichtung
8: Zentrierbereich
9: Verzahnungswandstärke
10: Zähne von 1
11: Radialrichtung
Df: Fußkreisdurchmesser von 1
Da: Kopfkreisdurchmesser von 1
D: Zentrieraußendurchmesser
d: Gegenbereichinnendurchmesser
L: Längserstreckung von 8

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102008011113 A1 [0001, 0002]

Claims

Verfahren zum Herstellen einer Welle-Nabeverbindung für eine verbundenen Kraftfahrzeugwelle aus einem Wellenbauteil (3) und einem Nabenbauteil (4), bei diesem Herstellverfahren wird das Wellenbauteil (3) und das Nabenbauteil (4) aus einem ungefügten Zustand in einen gefügten Zustand, in welchem das Wellenbauteil (3) und das Nabenbauteil (4) eine reibformschlüssige Welle-Nabeverbindung ausbilden, überführt, dazu weist das Wellenbauteil (3) eine Verzahnungsbereich (1) mit Zähnen (1) mit einer Zahnhöhe H auf und das Nabenbauteil (4) weist einen im ungefügten Zustand wenigstens abschnittsweise oder vollständig hohlzylindrischen Verzahnungsgegenbereich (2) mit einem Gegenbereichinnendurchmesser d auf, wobei das Nabenbauteil (4) zum Herstellen der reibformschlüssigen Welle-Nabeverbindung in einer Längsrichtung (7) auf das Wellenbauteil (3) aufgeschoben wird und sich dabei der Verzahnungsbereich (1) in den Verzahnungsgegenbereich (2) geometrisch abbildet, dadurch gekennzeichnet, dass der Verzahnungsgegenbereich (2) beim Aufschieben des Nabenbauteils (4) auf das Wellenbauteil (3), bevor dieser den Verzahnungsbereich (1) kontaktiert, einen zylindrischen Zentrierbereich (8) mit einem Zentrieraußendurchmesser D überstreicht, wobei der Zentrieraußendurchmesser D höchstens 0,2 mm und mindestens 0,005 mm kleiner ist, als der Gegenbereichinnendurchmesser d und dass der Zentrierbereich (8) eine Längserstreckung L in der Längsrichtung (7) aufweist, welche größer ist als 1 mm.
Verfahren zum Herstellen einer verbundenen Kraftfahrzeugwelle, dadurch gekennzeichnet, dass L größer oder gleich 2 mm ist.
Verfahren zum Herstellen einer verbundenen Kraftfahrzeugwelle, dadurch gekennzeichnet, dass D aus einem Bereich in Bezug auf den Gegenbereichinnendurchmesser d gewählt ist, so dass D mindestens 0,01 mm kleiner als d und höchsten ist D 0,1 mm kleiner als d.
Verbundene Kraftfahrzeugwelle hergestellt nach einem Verfahren gemäß einem der Patentansprüche 1 bis 4.
Verbundene Kraftfahrzeugwelle gemäß Anspruch 4 dadurch gekennzeichnet, dass das Nabenbauteil (4) im Bereich des Verzahnungsgegenbereichs (2), wenigstens abschnittsweise, eine Verzahnungswandstärke (9) von 20 mal H oder weniger aufweist und dass auf das Nabenbauteil (4) im Verzahnungsgegenbereich 2 radial Außen ein Stützring (5) aufgebracht ist, welcher den Verzahnungsgegenbereich (2) in Längsrichtung (7) vollständig oder teilweise überdeckt.
Verbunden Kraftfahrzeugwelle gemäß einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Verzahnungsbereich (1) einen Zahnfußdurchmesser Df aufweist und dass Df kleiner ist als der Zentrierdurchmesser D.