DE10238968A1

DE10238968A1 - Wellenverbindungsverzahnung mit einem geradlinigen Zahnprofil

Info

Publication number: DE10238968A1
Application number: DE10238968A
Authority: DE
Inventors: Maciej Glowacki; Walter Joseph Golembiewski
Original assignee: Visteon Global Technologies Inc
Current assignee: Automotive Components Holdings LLC
Priority date: 2001-08-27
Filing date: 2002-08-20
Publication date: 2003-04-03
Also published as: GB0217343D0; GB2380240A; US20030040371A1; US6705949B2

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Wellenstück (150), das für eine Verbindung mit einer anderen Welle ausgelegt ist, sodass ein Drehmoment übertragen werden kann. Das Wellenstück (150) weist auf ein Rohrstück (152), das einen Außendurchmesser hat und eine Verzahnung (156) mit einer Vielzahl von Zähnen (158), die einstückig vom Rohrstück (152) ausgebildet sind. Dabei hat jeder Zahn (158) eine Außenfläche (160) mit mindestens einem Punkt, der auf dem äußeren Durchmesser liegt und eine erste Flanke (162) und eine zweite Flanke (164). Diese Flanken (162, 164) haben jeweils einen geradlinigen Bereich (166, 168), der sich jeweils zwischen einem oberen Übergangsbereich (1709, 174) und einem unteren Übergangsbereich (172, 176) befindet, wobei die Länge jedes geradlinigen Bereichs (166, 168) zwischen dem 0,6- bis 0,9-fachen der Gesamtlänge der Flanke (162, 164) liegt.

Description

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf Wellen, die geeignet und ausgelegt sind für eine Verbindung mit einer anderen Welle, wobei eine Drehbewegung übertragen werden kann. Im Spezielleren bezieht sich die Erfindung auf Wellenstücke, die eine Verzahnung aufweisen, um eine derartige Wellenverbindung realisieren zu können.
Es gibt viele Situation, in denen es wünschenswert ist, eine Rotationsbewegung von einem Wellenstück auf ein zweites, koaxiales Wellenstück zu übertragen. Beispielsweise können antreibende Wellen eine Vielzahl koaxialer Wellenstücke haben, die so miteinander verbunden sind, dass eine Drehbewegung von einem Wellenstück auf die anderen Wellenstücke übertragen werden kann. Häufig hat ein Wellenstück in einer derartigen Anordnung eine Verzahnung, die eine Vielzahl von Zähnen hat, welche so ausgebildet sind, dass sie mit Ausnehmungen in dem anderen Wellenstück zusammenwirken. Das Zusammenwirken zwischen den Zähnen und den Ausnehmungen ermöglicht die Übertragung der Rotationsbewegung zwischen den Wellenstücken.
Die Zähne der Verzahnung können eine Vielzahl von Profilformen aufweisen, es gibt eine Vielzahl von unterschiedliche Profilen im Stand der Technik. Unglücklicherweise habe die Zahnprofile nach dem Stand der Technik schlechte Passeigenschaften zwischen den Wellenstücken. Diese Probleme einer nicht geeigneten Passung können zu einer Verschlechterung der Eigenschaften hinsichtlich Lärm, Vibration und Härteverhalten führen, sie bewirken eine geringe Standzeit, einen hohen Eintauch- bzw. Kolbeneffekt unter einem Drehmoment und ein erhebliches Gewicht. Die meisten dieser Probleme lassen sich auf die relativ kleine Kontaktfläche zwischen den Verzahnungsteilen zurückführen, die aufgrund der Verwendung konventioneller Verzahnungsprofile bedingt ist. Häufig haben die Zähne der Verzahnungen in den Vorrichtung nach dem Stand der Technik gekrümmte Flankenverläufe, dies führt zu sehr hohen Druckkräften auf den Zähnen und zu den oben erwähnten unerwünschten Problemen der Passung.
Die Erfindung hat es sich zur Aufgabe gemacht, eine Wellenverbindung koaxialer Wellenstücke dahingehend zu verbessern, dass die Verbindungsbereiche einfacher herstellbar sind und größere Kontaktflächen als im Stand der Technik aufweisen.
Die vorliegende Erfindung löst diese Aufgabe durch ein Wellenstück, das eine Verzahnung aufweist, die eine Vielzahl von Zähnen hat, jeder Zahn hat ein optimiertes Zahnprofil. Das Zahnprofil umfasst einen gradlinigen Bereich in jeder der beiden Flanken des Zahns. Weiterhin sind die Dimensionen des Zahns optimiert in Hinblick auf eine Vielzahl von Merkmalen des Wellenstücks, wie die beispielsweise hinsichtlich des äußeren Durchmessers und der Wanddicke.
Gelöst wird die Aufgabe durch eine Wellenstück nach dem Anspruch 1. In einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung hat das Wellenstück ein Rohrstück mit einem äußeren Durchmesser und mit einer Verzahnung, die eine Vielzahl von einstückig mit dem Rohrstück ausgebildeten Zähnen aufweist. Jeder Zahn hat eine Außenfläche, auch freies Ende des Zahns genannt, die zumindest einen Punkt aufweist, der auf dem Außendurchmesser des Rohres liegt. Weiterhin hat jeder Zahn eine erste Flanke und eine zweite Flanke, die jeweils einen gradlinigen Bereich haben, der zwischen einem oberen Übergangsbereich und einem unteren Übergangsbereich angeordnet ist. Der obere Übergangsbereich ist vorzugsweise eine stetig gekrümmte Verbindung zwischen den gradlinigen Bereich und der Außenfläche des Zahn, der untere Übergangsbereich ist vorzugsweise eine stetig gekrümmte Verbindung zwischen dem gradlinigen Bereich und dem eigentlichen Körper des Rohres. Stetig gekrümmt bedeutet stetig differenzierbar, also einen Übergang von einem gradlinigen durch einen gekrümmten in wieder einen gradlinigen Bereich.
Die vorliegende Erfindung kann bei einer Vielzahl von unterschiedlichen Wellentypen Anwendung finden, einschließlich Antriebswellen und Halbwellen in einer Kraftfahrzeugachse. Antreibende Wellen, die einen geradlinigen Flankenverlauf ihres Zahnprofils nach der vorliegenden Erfindung aufweisen, haben deutlich verbesserte Eigenschaften gezeigt in all den problematischen Aspekten, die oben zusammengefasst sind.
Wenn auch die Erfindung durch die Patentansprüche definiert ist, wird ein zusätzliches Verständnis der vorliegenden Erfindung erreicht durch Bezugnahme auf die folgende detaillierte Beschreibung und die zugehörige Zeichnung. Die Zeichnung zeigt in
Fig. 1 einen Querschnitt durch eine Wellenverbindung nach dem Stand der Technik mit einem konventionellen Verzahnungsprofil,
Fig. 2 eine perspektivische Darstellung eines Wellenstücks nach einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung,
Fig. 3 ein Schnittbild durch ein Wellenstück gemäß Fig. 2 und entlang der Schnittlinie 3 und
Fig. 4 eine vergrößerte Seitenansicht des in Fig. 3 dargestellten Wellenstücks.
Die folgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele zeigt Beispiele der vorliegenden Erfindung. Die hier diskutierten Ausführungsbeispiele sind im wesentlichen exemplarischer Natur und sind nicht so zu verstehen, dass der Schutzbereich der Erfindung in irgendeiner Form eingegrenzt wird. Vielmehr soll die Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele dazu dienen, es einem Fachmann zu ermöglichen, die Erfindung auszuführen und anzuwenden.
Fig. 1 zeigt eine Wellenverbindung 10 nach dem Stand der Technik. Die Wellenverbindung hat ein inneres Rohr 12 und ein äußeres Rohr 14. Diese Rohre 12, 14 sind über eine kombinierte Wechselwirkung zwischen einer Serie von Zähnen 16 an dem inneren Rohr 12 und einer Serie von Ausnehmungen 18 am äußeren Rohr 14 verbunden. Wie in der Figur dargestellt ist, weisen die Zähne 16 typischerweise einen gekrümmten Verlauf ihrer Flanken 20 auf. Auf Grund insbesondere der Umstände bei der Herstellung führen die gekrümmten Verläufe der Flanken 20 zu einer unterbrochenen Wechselwirkung an den Rohrstücken 12, 14. Dieses führt als Folge zu einer Vielzahl von Freiräumen 22, die sich zwischen den Rohrstücken 12, 14 befinden. Diese Freiräume 22 sind Gebiete geringen Kontakts zwischen den Rohren 12, 14 und tragen zu den Problemen einer nicht ausreichenden Passung bei, die mit den Wellenstücken nach dem Stand der Technik einhergehen.
Die Fig. 2 bis 4 zeigen ein Wellenstück, das ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung aufweist. Das Wellenstück 150 hat ein Rohrstück 152 mit einer Wanddicke 154 und es weist eine Verzahnung 156 auf.
Diese Verzahnung 156 hat eine Vielzahl von Zähnen 158, die sich axial über zumindest einen Bereich der Länge des Wellenstücks 150 erstrecken. Wie am besten in Fig. 4 ersichtlich ist, hat jeder Zahn 158 der Verzahnung 156 eine Außenfläche 160, auch Kopffläche genannt, und eine erste Flanke 162 und eine zweite Flanke 164, auch Seiten genannt. Die erste Flanke 162 umfasst einen ersten geradlinigen Bereich 166, der zwischen einem ersten oberen Übergangsbereich 170 und einem ersten unteren Übergangsbereich 172 angeordnet ist. In gleicher Weise hat die zweite Flanke einen zweiten geradlinigen Bereich 168, der zwischen einem zweiten oberen Übergangsbereich 174 und einem unteren Übergangsbereich 176 angeordnet ist. Die oberen Übergangsbereiche 170, 174 bewirken einen Übergang zwischen den gradlinigen Bereichen 166, 168 und der Außenfläche 160 bzw. Kopffläche. In gleicher Weise bewirken die unteren Übergangsbereiche 172, 176 einen Übergang zwischen den gradlinigen Bereichen 166, 168 und der Wand 153 des Rohrstückes 152. Vorzugsweise sind alle Übergangsbereiche 170, 172, 174 und 176 gekrümmt, insbesondere stetig gekrümmt, insbesondere stetig differenzierbar. Es kann aber auch in einer Alternative vorgesehen sein, dass dort rechte Winkel vorgesehen sind.
Die erste Flanke 162 hat einen ersten Mittelpunkt 178, ebenso hat die zweite Flanke 164 einen zweiten Mittelpunkt 180. Die Mittelpunkte 178, 180 repräsentieren einen Punkt auf der jeweiligen Flanke 162, 164, der gleichabständig ist von der Außenfläche 160 und der Wand 153 des Rohrstückes 152.
Wie am besten in Fig. 3 ersichtlich ist, hat das Wellenstück 150 einen Außendurchmesser 182, der sich vom geometrischen Mittelpunkt 181 der Querschnittsfläche des Wellenstücks 150 bis hin zu zumindest einem Punkt der Außenfläche 160 jedes Zahns erstreckt. Vorzugsweise endet dieser Außendurchmesser 182 in mehr als einem Punkt der Außenfläche 160 jedes Zahns 158. Zudem hat das Wellenstück 150 einen Teilungsdurchmesser 184, der sich erstreckt vom geometrischen Querschnittsmittelpunkt 181 des Wellenstücks 150 zu den Mittelpunkten 178, 180 jedes Zahns 158. Zudem hat, wie am besten aus Fig. 4 ersichtlich ist, jeder Zahn 158 eine Breite 186, die sich vom ersten Mittelpunkt 178 zum zweiten Mittelpunkt 180 erstreckt.
In einem bevorzugtem Ausführungsbeispiel ist die Länge jedes gradlinigen Bereichs 166, 168 etwa die 0,6 bis 0,9-fache Länge der zugehörigen Flanke 162, 164. Insbesondere ist es vorteilhaft die Länge des jeweiligen gradlinigen Bereichs 166, 168 zwischen etwa dem 0,7 bis 0,8-fachen der Länge der zugehörigen Flanke 162, 164 zu wählen. Ganz besonders vorteilhaft ist es, wenn die Länge des jeweiligen geradlinigen Bereichs 166, 168 etwa dem 0,75-fachen der Länge der zugehörigen Flanke 162, 164 entspricht.
Es ist auch vorteilhaft, wenn der Teilungsdurchmesser 184 zwischen dem 0,8 und 0,97-fachen des Außendurchmessers 182 liegt. Insbesondere vorteilhaft ist es, den Teilungsdurchmesser 184 zwischen etwa dem 0,85 bis 0,92-fachen des Außendurchmessers 182 zu legen.
Die Breite 186 des Zahns 158 kann optimiert werden basierend auf der Wanddicke des Rohrs 152. Vorteilhafterweise liegt die Wanddicke zwischen 5 und 10 mm. Die verwendete Wanddicke des Wellenstücks hängt von der letztendlichen Anwendung ab, für die das Wellenstück vorgesehen ist. Bei Anwendungen im Kraftfahrzeugbereich, wie beispielsweise antreibende Wellen und Halbwellen in Kraftfahrzeugachsen, ist eine Wanddicke zwischen 5 und 10 mm bevorzugt. Insbesondere bevorzugt ist eine Wanddicke zwischen etwa 7 und 8 mm. Unabhängig davon, wie die Wanddicke gewählt wird, liegt die Breite 186 des Zahns 158 vorzugsweise zwischen etwa dem 2- bis 5- fachen der Wanddicke 154.
Die Gesamtlänge der Flanken 162, 164, die die geradlinigen Bereiche 166, 168, die oberen Übergangsbereiche 170, 174 und die unteren Übergangsbereich 172, 174 umfasst, ist vorzugsweise das 0,3- bis 0,5-fache der Breite 186 des Zahns 158.
Schließlich haben die Erfinder herausgefunden, dass eine geradzahlige Anzahl von Zähnen 158 auf dem Wellenstück 150 einen besseren Flächenkontakt zwischen dem Rohrstück 150 und dem damit verbundenen zweiten Wellenstück ermöglicht. Daher ist die Anzahl der Zähne 158 der Vielzahl der Zähne, die die Verzahnung 156 hat, vorzugsweise eine gerade Zahl.
Rohrstücke nach der vorliegenden Erfindung werden vorzugsweise hergestellt durch Kaltformtechniken, die den Fachleuten bekannt sind. Vor einem Kaltformverfahren kann eine retrogressive Wärmebehandlung wie beispielsweise die in den US-Patenten 4,676,664 und 5,458,393 beschriebenen Verfahren, an dem verzahnten Bereich des Wellenstücks durchgeführt werden. Dies verbessert die Festigkeit des Verzahnungsbereichs. Schließlich können künstliche Alterung des Rohrstücke, wie beispielsweise verlängerte Einwirkung von erhöhten Ofentemperaturen, die Festigkeit des Wellenstücks verbessern.
Die oben stehende Offenbarung umfasst die beste Ausführung, wie sie von den Erfindern bei Durchführung ihrer Erfindung gesehen wird. Es ist jedoch verständlich; dass eine Vielzahl von Variationen und Änderungen von einem Fachmann ausgeführt werden können. Die oben stehende Offenbarung ist dazu bestimmt, einem Fachmann zu helfen, die Erfindung in die Realität umzusetzen, sie wird dadurch nicht begrenzt und sollte nicht so verstanden werden, sondern sollte verstanden werden unter Einschluss der erwähnten Abwandlungen und Veränderungen.

Claims

1. Ein Wellenstück (150), das für eine Verbindung mit einer anderen Welle ausgelegt ist, sodass ein Drehmoment übertragen werden kann, das Wellenstück (150) weißt auf
1 ein Rohrstück (152), das einen Außendurchmesser hat,
eine Verzahnung (156) mit einer Vielzahl von Zähnen (158), die einstückig vom Rohrstück (152) ausgebildet sind, dabei hat jeder Zahn (158) eine Außenfläche (160) mit mindestens einem Punkt, der auf dem äußeren Durchmesser liegt, und eine erste Flanke (162) und eine zweite Flanke (164), diese Flanken (162, 164) haben jeweils einen geradlinigen Bereich (166, 168), der sich jeweils zwischen einem oberen Übergangsbereich (170, 174) und einem unteren Übergangsbereich (172, 176) befindet,
wobei die Länge jedes geradlinigen Bereichs (166, 168) zwischen dem 0,6- bis 0,9-fachen der Gesamtlänge der Flanke (162, 164) liegt.

2. Wellenstück (150) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge jedes geradlinigen Bereichs (166, 168) zwischen etwa dem 0,7 bis 0,8-fachem der Länge der Flanke (162, 164) liegt.

3. Wellenstück (150) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge jedes geradlinigen Bereichs (166, 168) etwa dem 0,75-fachen der Länge der Flanke (162, 164) entspricht.

4. Wellenstück (150) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohr einen Teilungsdurchmesser hat, der an einem Mittelpunkt (178, 180) der ersten Flanken (162) und der zweiten Flanke (164) jedes Zahns (158) der Vielzahl von Zähnen endet und dass der Teilungsdurchmesser zwischen dem 0,8 und 0,97-fachen des Außendurchmessers liegt.

5. Wellenstück (150) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Teilungsdurchmesser etwa zwischen dem 0,85- und dem 0,92-fachem des Außendurchmessers liegt.

6. Wellenstück (150) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Zahn (158) der Vielzahl von Zähnen eine Breite hat, die sich zwischen den Mittelpunkten (178, 180) der ersten Flanke (162) und der zweiten Flanke (164) erstreckt, dass das Rohrstück eine Wanddicke hat, und dass die Zahnbreite zwischen etwa dem 2- bis 5-fachen der Wanddicke liegt.

7. Wellenstück (150) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Wanddicke zwischen etwa 5 und 10 mm liegt.

8. Wellenstück (150) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandstärke etwa zwischen 7 und 8 mm liegt.

9. Wellenstück (150) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Zahn (158) der Vielzahl von Zähnen eine Zahnbreite hat, die sich zwischen den Mittelpunkten der ersten Flanke (162) und der zweiten Flanke (164) erstreckt und dass die Länge jeder Flanke etwa zwischen dem 0,3 bis 0,5-fachen dieser Zahnbreite liegt.