DE102019206520A1

DE102019206520A1 - Welle-Nabe-Verbindung sowie Verfahren zur Herstellung einer solchen Welle-Nabe-Verbindung

Info

Publication number: DE102019206520A1
Application number: DE102019206520.1A
Authority: DE
Inventors: Ernst-Wilhelm Krüger; Alexander Lahr
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2019-05-07
Filing date: 2019-05-07
Publication date: 2020-11-12

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Welle-Nabe-Verbindung, mit einer radial inneren Welle (1) und einer radial äußeren Nabe (4), die miteinander momentenübertragend verbunden sind, und mit zumindest einem Sicherungsmittel (23), das zur Sicherung der Verbindung zwischen der Welle (1) und der Nabe (4) in Axialrichtung in Axialanschlag mit einer, dem Sicherungsmittel (23) zugewandten Naben-Stirnseite (29) bringbar ist. Erfindungsgemäß ist das Sicherungsmittel (23) eine Formschwelle ist, die durch plastische Verformung in den Wellenaußenumfang eingeprägt ist. Die Formschwelle (23) ist materialeinheitlich und einstückig mit der Welle (1) ausgebildet.

Description

Die Erfindung betrifft eine Welle-Nabe-Verbindung nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 sowie ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Welle-Nabe-Verbindung nach dem Anspruch 9.
Zahlreiche Getriebe enthalten zur Darstellung der Parkfunktion ein Parksperrenrad, welches mit einer entsprechenden Klinke drehfest mit dem Gehäuse zur Blockierung des Radsatzes verbunden werden kann. In diesem Fall wird die Welle-Nabe-Verbindung häufig mit einer Steckverzahnung zwischen Getriebewelle und Parksperrenrad realisiert. Die Steckverzahnung weist in der Regel keinen ausreichenden Reibschluss in axialer Richtung auf, so dass zur Sicherung in dieser Richtung ein Sicherungsring, eine Wellenmutter oder ein ähnlich geeignetes Bauteil erforderlich ist.
In einer gattungsgemäßen Welle-Nabe-Verbindung sind eine radial innere Welle und eine radial äußere Nabe miteinander momentenübertragend verbunden. Zur axialen Sicherung der Verbindung zwischen der Welle und der Nabe ist zumindest ein Sicherungsmittel bereitgestellt, das in Axialanschlag mit einer, dem Sicherungsmittel zugewandten Naben-Stirnseite bringbar ist.
Im Stand der Technik wird ein solches Sicherungsmittel meist als Sprengring realisiert, der in einer Ringnut der Welle eingesetzt ist. Eine solche axiale Sicherung ist mit Fertigungsaufwand sowie Bauteilaufwand verbunden. Zudem entsteht hierdurch ein axialer Bauraumbedarf für den Sprengring.
Aus der DE 195 13 992 C2 ist eine axiale Fixierung einer Welle-Nabe-Verbindung bekannt.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Welle-Nabe-Verbindung sowie ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Verbindung bereitzustellen, bei der die axiale Sicherung der Nabe auf der Welle im Vergleich zum Stand der Technik mit reduziertem Fertigungsaufwand sowie reduziertem Bauteilaufwand und reduziertem Bauraumbedarf erfolgen kann.
Die Aufgabe ist durch die Merkmale des Anspruches 1 oder des Anspruches 9 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen offenbart.
Gemäß dem kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 wird zur axialen Sicherung der Nabe auf der Welle auf einen separaten Sprengring verzichtet. Anstelle dessen wird die axiale Sicherung mittels einer Formschwelle realisiert, die durch plastische Verformung in den Wellenaußenumfang eingeprägt ist. Die Formschwelle ist also materialeinheitlich und einstückig mit der Welle ausgebildet.
Bevorzugt kann die Nabe formschlüssig, stoffschlüssig und/oder kraftschlüssig auf der Welle positioniert sein. Bei einer bevorzugten technischen Umsetzung der Erfindung sind die Welle und die Nabe formschlüssig über eine Steckverzahnung miteinander momentenübertragend verbunden. Bei der Steckverzahnung wirkt eine Wellen-Außenverzahnung mit einer Naben-Innenverzahnung zusammen. Die Zähne und Zahnlücken der Außen- und Innenverzahnungen erstrecken sich achsparallel zur Wellenachse. Erfindungsgemäß kann die Formschwelle unmittelbar in der Wellen-Außenverzahnung ausgebildet sein. Die Wellen-Außenverzahnung kann in der Umfangsrichtung Außenzähne mit zwischengeordneten Zahnlücken aufweisen. Jeder Außenzahn kann sich in Flucht zur Wellenachse über eine Außenverzahnungs-Länge erstrecken. Der jeweilige Außenzahn kann insbesondere in einer zur Wellenachse rechtwinkligen Schnittebene ein Zahnprofil-Querschnitt aufweisen, und zwar mit Zahnflanken, die an kopfseitigen Flankenkanten in einen flachen Zahnkopf übergehen. Der flache Zahnkopf kann in der Radialrichtung um eine Zahnhöhe vom Zahnfuß beabstandet sein. Alternativ dazu können die beiden Zahnflanken auch in einem spitzwinkligen Zahnkopf zusammenlaufen.
Zur Realisierung der Erfindung kann die Wellen-Außenverzahnung, über die Verzahnungslänge betrachtet, aufgeteilt sein in einen Zahneingriffs-Bereich, in dem die Wellen-Außenverzahnung in Zahneingriff mit der Naben-Innenverzahnung ist, und in einen, eine Naben-Stirnseite überragenden Überstand, in dem die Wellen-Außenverzahnung nach radial außen freigelegt ist. Die Formschwelle kann insbesondere in dem radial nach außen freigelegten Außenverzahnungs-Überstand ausgebildet sein.
Wie bereits oben erwähnt, kann die Formschwelle an zumindest einem der Außenzähne der Wellen-Außenverzahnung angeformt sein, und zwar unter Veränderung des Zahnprofil-Querschnitts des Außenzahns im Vergleich zu seinem Verlauf im Zahneingriffs-Bereich der Wellen-Außenverzahnung.
Die Veränderung des Zahnprofil-Querschnitts kann in einem Umformprozess in Wellen-Umfangsrichtung und/oder in Wellen-Radialrichtung erfolgen, und zwar insbesondere unter Erhöhung/Reduzierung einer Zahnbreite des Außenzahns und/oder unter Erhöhung/Reduzierung der Zahnhöhe des Außenzahns.
Alternativ dazu kann die Veränderung des Zahnprofil-Querschnitts auch wie folgt gestaltet sein: So kann der Außenzahn in seinem Axialverlauf am Übergang zwischen dem Zahneingriffs-Bereich und dem Überstand unter Bildung der Formschwelle einen stufenartigen Zahnversatz aufweisen, bei dem der Zahnprofil-Querschnitt um einen Umfangsversatz versetzt bzw. verschränkt ist.
Die erfindungsgemäße Welle-Nabe-Verbindung kann wie folgt hergestellt werden: So kann in einem ersten Verfahrensschritt die Nabe auf die Welle aufgesetzt werden, und zwar zum Beispiel durch Aufschieben oder durch Aufschrumpfen. Die Nabe wird in einer Endmontagestellung aufgesetzt, bei der zum Beispiel eine Naben-Stirnseite in Anlage mit zum Beispiel einem Anschlag und der Welle gebracht ist. Anschließend erfolgt in einem zweiten Verfahrensschritt ein Umformprozess, bei dem der von der Nabe freigelegte Wellen-Außenumfang, insbesondere die Wellen-Außenverzahnung, plastisch verformt wird, und zwar unter Bildung der Formschwelle, die als ein axiales Sicherungsmittel wirkt. Der Umformprozess kann mithilfe eines radial geführten Umformwerkzeugs, insbesondere ein Stempel, realisiert sein, der in der Radialrichtung auf den Wellen-Außenumfang einwirkt. In einer einfachen Ausführungsvariante kann der Umformstempel beispielhaft in eine Zahnlücke zwischen zwei Außenzähnen eingefahren werden, wodurch die Zahnlücken-Breite ausgeweitet wird, und zwar unter Änderung des Zahnprofil-Querschnitts der beiden angrenzenden Außenzähne. Auf diese Weise bilden die beiden Außenzähne unmittelbar an der zugewandten Naben-Stirnseite eine Formschwelle, die als Sicherungsmittel in Axialrichtung wirkt.
Nachfolgend sind Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der beigefügten Figuren beschrieben.
Es zeigen:

1 in einer perspektivischen Teilansicht eine Welle-Nabe-Verbindung;
2 und 3 jeweils Ansichten entsprechend der 1, die ein Verfahren zur Herstellung der Welle-Nabe-Verbindung veranschaulichen;
4 in einer Schnittdarstellung die Welle-Nabe-Verbindung in Axialrichtung betrachtet.

In der 1 ist eine fertiggestellte Welle-Nabe-Verbindung gezeigt, bei der beispielhaft eine radial innere Getriebewelle 1 mit einer radial äußeren Nabe 4 eines Parksperrenrads 3 momentenübertragend über eine Steckverzahnung 5 (3) verbunden ist. Bei der Steckverzahnung 5 wirkt eine Wellen-Außenverzahnung 7 mit einer Naben-Innenverzahnung 9 zusammen. Die Zähne und Zahnlücken der Außen- und Innenverzahnungen 7, 9 erstrecken sich achsparallel zur Wellenachse W. Die Wellen-Außenverzahnung 7 weist in Umfangsrichtung Außenzähne 11 mit zwischengeordneten Zahnlücken 13 auf. Jeder der Außenzähne 11 erstreckt sich in axialer Flucht zur Wellenachse W über eine Außenverzahnungslänge I (1). In einer zur Wellenachse W rechtwinkligen Schnittebene betrachtet weist in der 2 jeder Außenzahn 11 einen Zahnprofil-Querschnitt mit Zahnflanken 15 auf, die an kopfseitigen Flankenkanten 17 in einen flachen Zahnkopf 19 übergehen. Der flache Zahnkopf 19 ist in der Radialrichtung um eine Zahnhöhe Δh (2) vom Zahnfuß beabstandet. Zudem weist in der 2 jeder der Außenzähne 11 eine Zahnbreite s auf. In der 1 ist die Wellen-Außenverzahnung 7 über die Verzahnungslänge I aufgeteilt in einen Zahneingriffs-Bereich 20, in dem die Wellen-Außenverzahnung 7 in Zahneingriff mit der Naben-Innenverzahnung 9 ist, und in einen, eine Naben-Stirnseite 29 überragenden Überstand 21, in dem die Wellen-Außenverzahnung 7 nach radial außen freigelegt ist, um einen später beschriebenen Werkzeugzugang (für das Umformwerkzeug 31) zu ermöglichen.
Im freigelegten axialen Überstand 21 der Außenverzahnung 7 ist in der 1 eine Formschwelle 23 ausgebildet, die als axiales Sicherungsmittel wirkt und materialeinheitlich und einstückig in zwei benachbarten Außenzähnen 11 ausgebildet ist. Die Formschwelle 23 ist in der 1 im Axialverlauf der Außenzähne 11 am Übergang zwischen dem Zahneingriffs-Bereich 20 und dem Überstand 21 als Zahnstufe ausgebildet, bei der der Zahnprofil-Querschnitt um einen Umfangsversatz Δu (4) versetzt bzw. verschränkt ist. In der 4 laufen die Zähne der Naben-Innenverzahnung 9 an einer Stirnkante 33 mit der Naben-Stirnseite 29 zusammen. Die Formschwelle 23 bildet einen Inneneckbereich, der die jeweilige Stirnkante 33 der Zähne formschlüssig einfasst.
Im Hinblick auf ein einfacheres Verständnis ist in den 1 und 4 der Umfangsversatz Δu der Formschwelle 34 stark übertrieben dargestellt und insbesondere bei einem gehärteten Wellenmaterial nicht realisierbar. In diesem Fall würde, im Gegensatz zur 1 oder 4, bereits eine Verformung von wenigen Mikrometern ausreichend sein, damit die Formschwelle 23 ihre Funktion als Axialanschlag erfüllt.
Nachfolgend wird anhand der 2 und 3 ein Verfahren zur Herstellung der in der 1 gezeigten Welle-Nabe-Verbindung beschrieben: Demzufolge wird zunächst in einem ersten Verfahrensschritt das Parksperrenrad 3 mit seiner Nabe 4 bis Erreichen in der 2 gezeigten Endmontagestellung, das heißt bis Erreichen eines Anschlagbunds 27 der Getriebewelle 1, aufgeschoben. Anschließend erfolgt in einem zweiten Verfahrensschritt ein Umformprozess (3), bei dem der von der Nabe 4 freigelegte Überstand 21 unmittelbar an der Naben-Stirnseite 29 mit Hilfe eines Umformwerkzeugs 31 plastisch verformt wird, und zwar unter Bildung der als Sicherungsmittel wirkenden Formschwelle 23. Das Umformwerkzeug 31 ist in der 3 beispielhaft ein radial geführter Stempel, der bei Beaufschlagung einer Umformkraft F in die Zahnlücke 13 zwischen den beiden Außenzähnen 11 eingefahren wird. Auf diese Weise wird die Zahnlücke 13 in der Umfangsrichtung ausgeweitet, während die angrenzenden Außenzähne 11 unter Bildung der als Formschwelle 23 wirkenden Zahnstufen verformt werden.
Bevorzugt ist der Umformprozess so ausgelegt, dass zumindest ein Außenzahn 11 im Bereich seiner Flankenlinie und/oder seines Kopfkreises verformt wird.
Bezugszeichenliste

1: Getriebewelle
3: Parksperrenrad
4: Nabe
5: Steckverzahnung
7: Wellen-Außenverzahnung
9: Naben-Innenverzahnung
11: Außenzähne
13: Zahnlücke
15: Zahnflanken
17: Flankenkanten
19: Zahnkopf
20: Zahneingriffs-Bereich
21: Überstand
23: Formschwelle
27: Anschlagbund
29: Naben-Stirnseite
30: Zahnköpfe der Naben-Innenverzahnung
31: Umformwerkzeug
33: Stirnkante
W: Wellenachse
I: Außenverzahnungs-Länge
Δh: Zahnhöhe
s: Zahnbreite
Δu: Umfangsversatz
F: Umformkraft

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 19513992 C2 [0005]

Claims

Welle-Nabe-Verbindung, mit einer radial inneren Welle (1) und einer radial äußeren Nabe (4), die miteinander momentenübertragend verbunden sind, und mit zumindest einem Sicherungsmittel (23), das zur Sicherung der Verbindung zwischen der Welle (1) und der Nabe (4) in Axialrichtung in Axialanschlag mit einer, dem Sicherungsmittel (23) zugewandten Naben-Stirnseite (29) bringbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Sicherungsmittel (23) eine Formschwelle ist, die durch plastische Verformung in den Wellenaußenumfang eingeprägt ist, und dass die Formschwelle (23) materialeinheitlich und einstückig mit der Welle (1) ausgebildet ist.
Welle-Nabe-Verbindung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Welle (1) und die Nabe (4) über eine Steckverzahnung (5) miteinander momentenübertragend verbunden sind, bei welcher Steckverzahnung (5) eine Wellen-Außenverzahnung (7) mit einer Naben-Innenverzahnung (9) zusammenwirkt, und dass insbesondere die Zähne (11) und Zahnlücken (13) der Außen- und Innenverzahnungen (7, 9) sich achsparallel zur Wellenachse (W) erstrecken, und dass insbesondere die Formschwelle (23) in der Wellen-Außenverzahnung (7) ausgebildet ist.
Welle-Nabe-Verbindung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Wellen-Außenverzahnung (7) in Umfangsrichtung Außenzähne (11) mit zwischengeordneten Zahnlücken (13) aufweist, von dem sich jeder Außenzahn (11) in Flucht zur Wellenachse (W) über eine Außenverzahnungs-Länge (I) erstreckt, und dass der Außenzahn (11) insbesondere in einer zur Wellenachse (W) rechtwinkligen Schnittebene ein Zahnprofil-Querschnitt aufweist mit Zahnflanken (15), die an kopfseitigen Flankenkanten (17) in einen flachen Zahnkopf (19) übergehen, der in der Radialrichtung um eine Zahnhöhe (Δh) vom Zahnfuß beabstandet ist, oder in einen spitzwinkligen Zahnkopf (19) zusammenlaufen.
Welle-Nabe-Verbindung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Wellen-Außenverzahnung (7) über die Verzahnungslänge (I) aufgeteilt ist in einen Zahneingriffs-Bereich (20), in dem die Wellen-Außenverzahnung (7) in Zahneingriff mit der Naben-Innenverzahnung (9) ist, und in einen, eine Naben-Stirnseite (29) überragenden Überstand (21), in dem die Wellen-Außenverzahnung (7) nach radial außen freigelegt ist, und dass insbesondere die Formschwelle (23) in dem Überstand (21) der Wellen-Außenverzahnung (7) ausgebildet ist.
Welle-Nabe-Verbindung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Formschwelle (23) an zumindest einem der Außenzähne (11) der Wellen-Außenverzahnung (7) ausgebildet ist, und zwar insbesondere unter Veränderung des Zahnprofil-Querschnitts des Außenzahns (11) im Vergleich zu seinem Verlauf im Zahneingriffs-Bereich (20) der Wellen-Außenverzahnung (7).
Welle-Nabe-Verbindung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Veränderung des Zahnprofil-Querschnitts in Umfangsrichtung und/oder in Radialrichtung erfolgt, und zwar insbesondere unter Erhöhung/Reduzierung einer Zahnbreite (s) des Außenzahns (11) und/oder unter Erhöhung/Reduzierung der Zahnhöhe (Δh) des Außenzahns (11).
Welle-Nabe-Verbindung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Außenzahn (11) in seinem Axialverlauf am Übergang zwischen dem Zahneingriffs-Bereich (20) und dem Überstand (21) unter Bildung der Formschwelle (23) eine Zahnstufe aufweist, bei dem der Zahnprofil-Querschnitt um einen Umfangsversatz (Δu) versetzt bzw. verschränkt ist, und/oder dass die Zähne und Zahnlücken der Naben-Innenverzahnung (9) an einer Stirnkante (33) mit der Naben-Stirnseite (29) zusammenlaufen, und dass insbesondere die Formschwelle (23) einen Inneneckbereich bildet, der die Stirnkante (33) einfasst.
Welle-Nabe-Verbindung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die der Formschwelle (23) zugewandte Naben-Stirnseite (29) eine sich komplett bis zu den Zahnköpfen (30) der Naben-Innenverzahnung (9) erstreckende, zur Wellenachse (30) rechtwinklige Anschlagfläche für die Formschwelle (23) bildet.
Verfahren zur Herstellung einer Welle-Nabe-Verbindung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem in einem ersten Verfahrensschritt, die Nabe auf die Welle (1) aufgesetzt, insbesondere aufgeschoben wird, und zwar bis Erreichen einer Endmontagestellung, insbesondere bis Erreichen eines Axialanschlags (27), und in einem zweiten Verfahrensschritt ein Umformprozess erfolgt, bei dem der von der Nabe (4) freigelegte Wellen-Außenumfang, insbesondere eine Wellen-Außenverzahnung (7), plastisch verformt wird unter Bildung einer als Sicherungsmittel wirkenden Formschwelle (23) in der Welle (1).
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Umformprozess ein radial geführtes Umformwerkzeug (31), insbesondere ein Stempel, mit einer Umformkraft (F) auf den Wellen-Außenumfang einwirkt.