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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Welle-Nabe-Anordnung zum Fixieren eines Wellensicherungsringes auf einer Welle gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und ein Verfahren zum Herstellen einer Welle-Nabe-Anordnung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 6.
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Zur Übertragung von Drehmomenten und Leistungen werden üblicherweise Welle-Nabe-Verbindungen eingesetzt. In ihrer einfachsten Ausführung ist die Welle stabförmig und die Nabe als gebohrtes Werkstück gegebenenfalls mit Übermaßpassung ausgestaltet. Die Nabe sitzt im verbauten Zustand auf der Welle, um Drehmomente übertragen zu können. Die geschaffene Anordnung zwischen Nabe und Welle wird als Welle-Nabe-Verbindung bezeichnet. In vielen Anwendungen muss die Nabe und somit die Verbindung zwischen Nabe und Welle sehr hohe axiale Kräfte aufnehmen. Aus diesem Grund ist eine spielfreie Fixierung der Nabe auf der Welle von großer Bedeutung, wobei als Spiel der Nabe der Bewegungsfreiraum der Welle-Nabe-Verbindung in axialer Richtung bezeichnet wird. Spielfrei bedeutet einen möglichst geringen axialen Bewegungsfreiraum der Nabe. Ein bekanntes Beispiel für eine axiale Fixierung einer Nabe auf einer Welle ist das Nutzen einer Vorspannung. Hierbei wird die zur Vorspannung benötigte Vorspannkraft über die Gewindepaarung Welle und Wellenmutter erzeugt. Die Vorspannung dient zur Aufrechterhaltung der axialen Spielfreiheit selbst in Folge von Setz-, Alterungs- oder Temperatureinflüssen auf die Welle-Nabe-Verbindung.
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Als weiteres Sicherungselement ist der Wellensicherungsring bekannt. Mittels Formschluss wird durch den Wellensicherungsring eine axiale Fixierung einer Welle-Nabe-Anordnung erreicht, jedoch keine Vorspannung zur Kompensation von Axialkräften aufgebaut.
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Die in der
DE 31 32 442 A1 dargestellten Anordnung dient dem Sichern eines ringförmigen ersten Maschinenelements gegenüber axialer Verschiebung eines ringförmigen, zweiten Maschinenelements. Ein Fügeelement wird durch Druck derart verformt in einen ringförmigen Hohlraum eingebracht, dass ein Teil des Fügeelements in das zweite Maschinenelement eingreift.
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Die
DE 10 2015 113 174 A1 zeigt ein unlösbares Verbindungselement einer Welle-Nabe-Verbindung, das bei einem Fügevorgang in einen Hohlraum gepresst wird. Der Hohlraum wird aus Ausnehmungen der Welle und der Nabe gebildet. Durch das Fügeelement im Formschluss ist die Nabe auf der Welle fixiert.
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Der aufgeführte Stand der Technik zeigt kein Verbindungselement, das eine langlebige, unlösbare Sicherung der Nabe auf der Welle durch axiale Fixierung mittels Vorspannung realisiert und dennoch keine hohen Fertigungskosten und -aufwendungen bedarf. Der aufgeführte Stand der Technik offenbart Sicherungselemente, die nur eine geringe Vorspannung auf eine Nabe ausüben und daher die Welle-Nabe-Verbindung axial nicht spielfrei halten können. Die Anordnungen des aufgeführten Stands der Technik sind damit praxisuntauglicher.
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Ausgehend vom vorstehend beschriebenen Stand der Technik ist es nun die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Welle-Nabe-Verbindung bereitzustellen, bei der eine Nabe weitestgehend spielfrei auf einer Welle zuverlässig durch einen Wellensicherungsring fixiert und verspannt ist. Dabei sollen eine hohe dynamische Festigkeit, minimaler Raumbedarf und eine kostengünstige Fertigung auf Grund geringerer Fertigungszeiten gewährleistet werden.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Welle-Nabe-Anordnung nach Anspruch 1 und ein Verfahren zum Herstellen einer Welle-Nabe-Anordnung gemäß Anspruch 6 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen und zweckmäßige Ausgestaltungsformen sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Die vorgenannte Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Welle-Nabe-Anordnung gelöst, die aus einer Welle, einer Nabe, einem Wellensicherungsring und einem Fügeelement besteht. Die Nabe umschließt die Welle und ist an einer ersten Seite abgestützt. Damit die Nabe auf der Welle fixiert ist, umfasst der Wellensicherungsring die Welle und liegt zumindest teilweise an einer zweiten Seite der Nabe an. Die erste Seite der Nabe ist die vom Wellensicherungsring abgewandte und die zweite Seite der Nabe die zum Wellensicherungsring zugewandte Seite. Sowohl der Wellensicherungsring als auch die Welle bilden einen Hohlraum. Dieser Hohlraum kann durch Ausnehmungen an der Oberfläche des Wellensicherungsringes und/oder der Welle realisiert sein. In dem Hohlraum ist ein Fügeelement einfügbar. Der Wellensicherungsring weist weiterhin ein Federelement auf.
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Mit dem Fügen des Fügeelements in den Hohlraum ist der Wellensicherungsring über Formschluss auf der Welle fixiert und wird durch das gespannte Federelement an die Nabe gepresst. Die Nabe ist somit auch mit der Welle fixiert. Neben der Fixierung des Wellensicherungsringes wird durch das Federelement auch eine Vorspannung zwischen Nabe und Wellensicherungsring erzeugt, so dass die Nabe unter Betriebseinflüssen und bei schwankenden axialen Kräften auf der Welle spielfrei sitzt. Zur Erzeugung der Spannkraft muss die Nabe auf der ersten Seite abgestützt sein, z. B. durch einen Wellenabsatz oder ein weiteres Maschinenelement.
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Das Federelement ist in bevorzugter Weise Bestandteil des Wellensicherungsringes und baut durch elastische Verformung eine Federkraft auf. Diese Federkraft verspannt die Nabe auf der Welle.
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Fügen kann ein Umformen des Fügeelements bedeuten. Dabei ändert sich die Geometrie des Fügeelements im Hohlraum durch den Fügevorgang derart, dass eine dauerhafte Verbindung des Fügeelements mit der Welle und dem Wellensicherungsring durch Formschluss gewährleistet wird. Weitere Arten zum Fügen des Fügeelements, insbesondere Fügen durch Einpressen, Löten oder Urformen, sind vorstellbar.
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Es ist bevorzugt, dass nach dem Fügevorgang das Fügeelement vollständig den Hohlraum ausfüllt. Dadurch wird der erzielte Formschluss mittels des gefügten Fügeelements maximiert und ein Verrutschen des Fügeelementes innerhalb des Hohlraums ist weitestgehend ausgeschlossen.
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In einer Ausgestaltung ist das Fügeelement einteilig aufgebaut. Von Vorteil ist dies, weil so ein Verrutschen der einzelnen Teile des Fügeelements sowohl beim Fügen in den Hohlraum als auch bei der späteren Anwendung in der Welle-Nabe-Anordnung vermieden werden.
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Allerdings kann auch eine Ausgestaltung des Fügeelementes in mehrteiliger Form vorteilhaft sein, um die aufzubringenden Fügekräfte zu minimieren. Einzelne Teile des Fügeelementes lassen sich auf diese Weise mit kleineren Fügekräften in den Hohlraum einpressen.
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Es ist ebenso zu bevorzugen, dass der Hohlraum einen bogenförmigen Querschnitt aufweist. Dadurch ist es möglich, ein entsprechend der Wellen- und Wellensicherungsringgeometrie angepasstes, großes Hohlraumvolumen zu bilden, in den entsprechend große Fügeelemente eingebracht werden. Dabei erzeugen größere Fügeelement üblicherweise einen größeren Formschluss.
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Ein ringförmiger Querschnitt des Hohlraums ist auch vorstellbar. In dieser Ausgestaltung ist neben dem größeren Formschluss auch die für die Herstellung und Montage optimierte Form von Vorteil. Der Arbeitsschritt zur Orientierung des Wellensicherungsrings gegenüber der Welle, um den Hohlraum zu bilden, ist bei einem ringförmigen Querschnitt des Hohlraums nicht notwendig.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Federelement des Wellensicherungsrings eine Tellerfeder. Diese Art Federn eignen sich für Konstruktionen mit kleinem Bauraum durch ihre, im Vergleich zu anderen Federarten, kompakte Bauweise. Zusätzlich können Tellerfedern hohe Spannkräfte aufbauen. Vorteilhafterweise ist die Tellerfeder in die Fläche des Wellensicherungsrings integriert, die an der zweiten Seite der Nabe anliegt.
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Vorstellbar sind Fügeelemente aus den verschiedensten Materialien, beispielsweise Metallen, jedoch ist die Verwendung von Kunststoffmaterialien für das Fügeelement von Vorteil, beispielsweise von Thermoplasten. Durch die leichte Verformbarkeit von Kunststoffen verringern sich die aufzuwendenden Kräfte beim Fügevorgang. Darüber hinaus sind Kunststoffe üblicherweise leicht und kostengünstig.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe weiterhin durch ein Verfahren zum Herstellen einer Welle-Nabe-Anordnung gelöst. In einem Verfahrensschritt wird eine Nabe auf eine Welle montiert. Das Aufschieben eines Wellensicherungsrings auf die Welle stellt einen weiteren Verfahrensschritt dar. Ein Hohlraum wird durch den Wellensicherungsring und der Welle gebildet. Durch Einfügen eines Fügeelements in diesen Hohlraum spannt das Federelement und es findet eine Fixierung des Wellensicherungsrings auf der Welle statt.
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Es ist vorstellbar, dass in einem weiteren Verfahrensschritt auf Kontaktflächen des Hohlraums und/oder des Fügeelements ein Beschichtungsstoff zur Verbesserung des Fügeprozesses aufgetragen wird. Kontaktflächen des Hohlraums sind die Oberflächen der Welle und des Wellensicherungsringes, die während und/oder nach dem Fügevorgang mit dem Fügeelement in Kontakt stehen. Zu den Kontaktflächen des Fügeelements zählen die Oberflächen des Fügelementes, die während und/oder nach dem Fügevorgang mit der Welle und/oder dem Wellensicherungsring in Kontakt stehen. Es ist vorstellbar, dass vor dem Auftragen des Beschichtungsstoffes eine Oberflächenbehandlung der Kontaktflächen erfolgt, wie z. B. Beizen. Bei dem Beschichtungsstoff handelt es sich um eine einzige oder um mehrere in sich zusammenhängende Schichten.
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Vorteilhaft ist der Einsatz von Silikonflüssigkeit oder Silikonfett als Beschichtungsstoff, da Silikon aufgrund seiner Schmierfähigkeit die aufzubringenden Fügekräfte verringert. Eine weitere Möglichkeit wäre die Verwendung eines Klebstoffes als Beschichtungsstoff, der aufgetragen wird und nach dem Fügen aushärtet. Durch das Kleben wird die Wirkung des Formschlusses des Fügeelements mit dem Wellensicherungsring und der Welle um die Adhäsion des Klebstoffs zu den Kontaktflächen ergänzt. So wird ein Verrutschen des Fügeelements und ein Spiel des Wellensicherungsrings und der Nabe weitestgehend verhindert.
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Auch vorstellbar ist der Einsatz einer zusätzlichen Wärmequelle vor oder beim Fügevorgang. Insbesondere bei Fügeelementen aus Thermoplast erhöht sich deren Elastizität nach dem Erwärmen. Dadurch müssen geringere Fügekräfte beim Fügevorgang aufgebracht werden. Nach dem Abkühlen des Fügeelements ist es wieder unelastisch und bietet einen großen Formschluss.
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In den nachfolgenden Zeichnungen und den zugehörigen Beschreibungen wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels beschrieben, wobei gleichbleibende Bezugszeichen sich auf identische Komponenten beziehen.
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Es zeigen
- 1 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Welle-Nabe-Anordnung vor dem Fügevorgang,
- 2 das Ausführungsbeispiel der 1 während des Fügevorgangs,
- 3 das Ausführungsbeispiel der 1 nach dem Fügevorgang.
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In 1, 2 und 3 ist eine erfindungsgemäße Welle-Nabe-Anordnung in unterschiedlichen Fügestadien dargestellt. Bei dieser Anordnung umschließt eine Nabe 2 eine Welle 1 und liegt mit einer ersten Seite 2a an einem Absatz 8 der Welle 1 an. Darüber hinaus umfasst ein Wellensicherungsring 3 die Welle 1 und liegt teilweise an der zweiten Seite 2b der Nabe 2 an. So wird die Nabe 2 auf der Welle 1 einseitig gesichert. Die erste Seite der Nabe 2 ist entsprechend die dem Wellensicherungsring 3 abgewandte Seite 2a und die zweite Seite 2b die dem Wellensicherungsring 3 zugewandte Seite.
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Sowohl der Wellensicherungsring 3 als auch die Welle 1 bilden durch Ausnehmungen einen gemeinsamen Hohlraum 7, der bei einem Schnitt senkrecht zur Achse A ringförmig ist. Die Achse A verläuft entlang der Längsachse der Welle 1. Ein Fügeelement 4 ist einteilig, besteht aus Polypropylen und hat die Form eines Volltorus mit einer begradigten Außenseite. Die Geometrie des Fügeelements 4 und des Hohlraums 7 unterscheiden sich voneinander. Der Wellensicherungsring 3 besitzt nabenseitig ein Federelement 5 in Form einer Tellerfeder.
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1 zeigt das noch nicht gefügte Fügeelement 4 und die entspannte Tellerfeder 5. In diesem Zustand der Tellerfeder 5 wird durch die Krümmung der Tellerfeder 5 ein Spalt 6 zwischen Wellensicherungselement 3 und Nabe 2 ausgebildet. Das Fügeelement 4 ist erwärmt und damit elastisch. Durch mechanischen Druck wird das Fügeelement in den Hohlraum 7 gepresst, siehe 2. Dadurch passt sich die Form des Fügeelements 4 an die des Hohlraums 7 an, siehe 3. Durch das Einpassen des Fügeelements 4 und das Verschränken der Bauteile entsteht ein Formschluss, der das gewünschte Ziel erfüllt, den Wellensicherungsring 3 auf der Welle 1 zu fixieren. Gleichzeitig wird das Tellerfeder 5 durch den Fügevorgang gespannt, wodurch der Spalt 6 verschwindet und der Wellensicherungsring 3 vollflächig an der zweiten Seite 2b der Nabe 2 anliegt. Die entstehende Spannkraft drückt den Wellensicherungsring 3 an die Nabe 2 und die wiederum an den Absatz 8 der Welle 1. Durch die Vorspannung der Tellerfeder 5 ist das axiale Spiel der Nabe 2 minimiert.
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Bezugszeichenliste
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- A
- Achse
- 1
- Welle
- 2
- Nabe
- 2a
- erste Seite der Nabe
- 2b
- zweite Seite der Nabe
- 3
- Wellensicherungsring
- 4
- Fügeelement
- 5
- Federelement / Tellerfeder
- 6
- Spalt
- 7
- Hohlraum
- 8
- Absatz der Welle
