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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine drehfeste Verbindung zwischen
zwei Bauteilen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Allgemein
betrifft die Erfindung die Ausbildung einer drehfesten Verbindung
mittels Innenhochdruckumformens. Ein bekanntes Beispiel hierfür ist das
lagegenaue Befestigen von Nocken auf einer Hohlwelle. Über einen
in die Hohlwelle eingebrachten Innendruck wird diese zumindest in
der Nähe
eines Fügebereichs
zwischen dem an der Hohlwelle außen anliegenden Nocken und
der Hohlwelle radial aufgeweitet. Durch die Umfangsvergrößerung der Hohlwelle
bilden die Nocken auf der Oberfläche
der Hohlwelle einen Presssitz aus.
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Ein
solches Verfahren ist beispielsweise aus der
DE 19802484 C2 bekannt,
wobei der Innenhochdruck in die Hohlwelle nur in dem Bereich des
Fügens
mit einem Außenteil
bzw. Nocken gezielt aufgebracht wird, indem eine Sonde mit entsprechend
angeordneten Druckkanälen
in entsprechender Lage in der Hohlwelle positioniert wird.
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Eine
weitere Möglichkeit,
eine drehfeste Verbindung zwischen einem Außenteil und einer Hohlwelle
herzustellen, offenbart die
DE 10021901 C1 . Die darin gezeigte Welle-Nabe-Verbindung
wird bewerkstelligt, indem sowohl die das Innenteil bildende Hohlwelle
als auch die das Außenteil
bildende Nabe eine entsprechende Außen- bzw. Innenverzahnung aufweisen,
die ineinander greifen. Hierbei wird die Hohlwelle selbst aus zwei
se paraten Bauteilen hergestellt, nämlich aus einem die Außenverzahnung bildenden
Zahnkranz, welcher auf ein glattzylindrisches Rohr aufgesetzt wird.
Das Rohr wird zumindest an der Stelle des Zahnkranzes, das heißt im Fügebereich,
mit fluidischem Innenhochdruck beaufschlagt, was eine Aufweitung
des Rohres verursacht, die zu einem entsprechenden Presssitz des
Zahnkranzes führt.
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Ein
weiteres Verfahren zur Ausbildung einer drehfesten Verbindung zwischen
einem Außenteil und
einem Innenteil, bei welchen die Technik des Innenhochdruckumformens
zur Anwendung kommt, zeigt die deutsche Offenlegungsschrift
DE 10061635 A1 .
Mittels eines entsprechend ausgeformten Hilfsfügeteils, welches zwischen dem
Außenteil
und dem Innenteil in der Art einer Niete eingesetzt wird, lässt sich
ein Hinterschnitt beim Umformen des Innenteils ausbilden, der eine
drehfeste Verbindung zwischen diesen beiden Bauteilen ermöglicht.
Hierbei formt sich die Blechwand des Innenteils aufgrund des Öldrucks
um das Hilfsfügeteil
herum und bildet so den Hinterschnitt aus.
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Aus
der
DE 87 13 285 U1 wie
auch aus der
US 5,081,880 ist
eine hohle Antriebswelle entnehmbar, auf der mittels fluidischen
Innenhochdruckes Antriebselemente befestigt sind. Die Antriebselemente sind
durch dünnwandige
Hülsen
miteinander verbunden, wodurch die Dehnbarkeit erhöht wird.
Damit einhergehend wird die elastische Verformung herabgesetzt.
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Weiterhin
zeigt die
DE 41 07
222 C2 eine kraftschlüssige
Verbindung zwischen einer rohrförmigen
Welle aus einem Faserverbundwerkstoff und einem im Wellenende liegenden
Hohlzapfen eines metallischen Anschlusselementes zur Drehmomentübertragung
in Gelenkwellen. Hierzu wird der Hohlzapfen in die welle eingesteckt
und hydraulische aufgeweitet, wobei die Elastizitätsgrenze
des Zapfenmaterials überschritten
wird. Das Wellenende selbst wird elastisch aufgeweitet.
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Die
EP 0 509 239 A1 betrifft
eine gebaute Nockenwelle, auf der mittels hydraulischen Aufweitens
Nocken befestigt werden. Von der Nockenbohrung ausgehend sind im
Bereich der Nockenspitze Schlitze ausgebildet, über die das Verformungsverhalten
des Nockens in diesem Bereich dem übrigen Bereich angepasst wird.
Somit tritt eine Vergleichmäßigung der
elastischen Verformung des Nockens über seinen Umfang hinweg auf.
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Die
DE 38 03 683 A1 wie
auch die
DE 37 38 809
A1 bezieht sich auf eine gebaute Welle, bei der die Antriebselemente,
wie beispielsweise Nocken auf dem Rohrkörper mittels hydraulischer
Aufweitung des Rohrkörpers
festgelegt werden. Die Antriebselemente weisen zur Gewichtsreduzierung
im Nockennasenbereich eine in sich geschlossene Ausnehmung auf,
durch die das Gewicht der Nockenwelle reduziert wird.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, eine drehfeste Verbindung aus
zwei Bauteilen zu schaffen, indem das Verfahren das Innenhochdruckumformens
zum Einsatz kommt, wobei die drehfeste Verbindung eine erhöhte Drehmoment- bzw.
Axialkraftübertragungsfähigkeit
aufweisen soll.
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Gelöst wird
diese Aufgabe mit den Alternativen des Anspruchs 1.
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Gemäß der Erfindung
weist in entsprechender Weise das Außenteil in dem Fügebereich
abschnittsweise eine Wandstärke
in radialer Erstreckung auf, die kleiner als die übrige Wandstärke des Außenteils über den
Umfang des Fügebereichs
ist. Die Fläche
des Außenteils,
welches in der Regel kreissymmetrisch ausgebildet ist, weist dabei
in sich geschlossen ausgebildete Ausnehmungen auf, die über den
Umfang des Außenteils
vorzugsweise zu mehreren gleichmäßig verteilt
sind. Die Ausnehmungen sind so angeordnet, dass sie sich in der
Nähe des
jeweiligen Fügebereichs
befinden, um so eine lokale Schwächung
in diesem Bereich vorzusehen, welche die radiale Aufweitung beim
Fügevorgang mittels
Innenhochdruckumformens erheblich erleichtert. Aufgrund dieser Tatsache
entsteht zusätzlich
zu der hohen Flächenpressung
ein Formschlussanteil, der die Drehmoment- bzw. Axialkraftübertragungsfähigkeit
erhöht.
Dieser Formschlussanteil ist dabei abhängig von der Art und der Anzahl
der in Umfangsrichtung angeordneten Ausnehmungen.
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Beim
Fügen wird
zur Ausbildung der drehfesten Verbindung das Außenteil zuerst auf das Innenteil aufgesetzt.
Hierbei ist ein entsprechendes Spiel aufgrund eines Durchmesserunterschieds
vorgesehen, sodass das Aufsetzen des Außenteils und dessen Positionierung
an der vorgesehenen Stelle ohne Kraftaufwand möglich ist. Durch Aufbringen,
vorzugsweise partiell im Bereich des Fügebereichs, eines fluidischen
Innenhochdrucks wird das Innenteil, welches selbstverständlich als
Hohlkörper
ausgebildet ist, plastisch verformt, wobei es sich aufweitet und
sich an das Außenteil
anlegt. Bei weiterer Aufbringung eines Fluiddrucks weiten sich dann
beide Bauteile gemeinsam radial auf.
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Ist
der vordefinierte Grad der Aufweitung erreicht, wird der Fluiddruck
zurückgenommen,
sodass beide Körper
radial nach innen federn. Durch die plastische Verformung des Innenteils
kann somit eine kraftschlüssige
Verbindung im Bereich des Kontaktes zwischen dem Innenteil und dem
Außenteil
ausgebildet werden, die eine Drehmoment- und/oder Kraftübertragung
in Axialrichtung ermöglicht.
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Gemäß der Erfindung
wird nunmehr durch eine entsprechende radiale Dünnwandigkeit des Außenteils
die durch den Innenhochdruck bewerkstelligte radiale Aufweitung
bzw. Verformung erheblich erleichtert. Hierdurch lässt sich
die sich zwischen den beiden Bauteilen nach dem Fügen einstellende
Pressung auf einem wesentlich höheren
Niveau ausbilden. Diese Pressung ist neben dem Reibwert die bestimmende
Größe für die Fähigkeit
einer Drehmoment- oder Axialkraftübertragung der drehfesten Verbindung.
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In
einer besonders bevorzugten Weiterbildung der Erfindung weist demzufolge
das Innenteil in dem Fügebereich
zwischen dem Innenteil und dem Außenteil eine Wandstärke in radialer
Erstreckung auf, die kleiner als die an den Fügebereich jeweils anschließende übrige Wandstärke des
Innenteils ist. Hierdurch wird die Flächenpressung zwischen beiden
Bauteilen noch weiter erhöht,
wobei durch die erzielte Dünnwandigkeit
des Innenteils die vom Innenhochdruck verursachte radiale Aufweitung
und Verformung zusätzlich
gesteigert wird.
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Die
Dünnwandigkeit
des Innenteils im Fügebereich
kann beispielsweise bei einer Hohlwelle durch Ausfräsen bewerkstelligt
werden.
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In
einer weiteren besonderen Ausgestaltung der drehfesten Verbindung
gemäß der Erfindung
sind die Ausnehmungen beim Außenteil
so gewählt,
dass sich Speichen ausbilden. Das Außenteil stellt quasi die Form
eines Speichenrads dar.
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Während das
Innenteil eine Hohlwelle ist, kann das Außenteil ein Nocken, ein gerad-
oder schrägverzahntes
Stirnrad, ein Kegelrad, ein Ketten- oder ein Riemenrad oder ein
sonstiger kreissymmetrischer Körper
sein. Denkbar ist auch die Ausbildung für einen Anschlussflansch am
Ende eines als Rohr ausgebildeten Innenteils.
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Mit
der Erfindung ist nicht nur der Vorteil einer wesentlich erhöhten Drehmoment-
bzw. Axialkraftübertragung
verbunden. Durch die Ausnehmungen lassen sich auch Gewicht und damit
Materialkosten bei der Fertigung des Naben- bzw. Zahnradkörpers einsparen.
Aufgrund der durch die Ausnehmungen ermöglichten verbesserten Verformungsfähigkeit ist
der zum Fügen
dann notwendige Fluiddruck geringer, sodass über dessen Absenkung eine Standzeiterhöhung des
Innenhochdruckwerkzeuges erzielt werden kann.
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Weitere
Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus
der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die beiliegenden
Zeichnungen. Es zeigen:
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1a eine
erste Ausführungsform
gemäß der Erfindung
vor dem Zusammenfügen
in Querschnittsdarstellung;
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1b die
Ausführungsform
aus 1a in Draufsicht;
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1c die
Ausführungsform
aus 1a nach dem Zusammenfügen;
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2a das
Außenteil
der Ausführungsform nach 1a in
alleiniger Darstellung;
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2b eine
weitere Ausführungsform
eines Außenteils
gemäß der Erfindung;
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3 eine
noch weitere Ausführungsform des
Außenteils
gemäß der Erfindung;
und
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4 eine
weitere Ausführungsform
gemäß der Erfindung
vor dem Zusammenfügen
in Querschnittsdarstellung.
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In 1a ist
eine erste Ausführungsform
gemäß der Erfindung
gezeigt, jedoch bevor ein Innenhochdruck p im Inneren des Innenteils 1 aufgebracht wird.
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Die
drehfeste Verbindung soll zwischen einer Hohlwelle 1 und
einem diese umschließenden
Zahnrad 2 ausgebildet werden. Hierbei ist ein Fügebereich 3 vorgesehen,
der sich im Wesentlichen über
die Dicke des Zahnrads 2 erstreckt und vor dem Zusammenfügen noch
mit einem gewissen Spalt gekennzeichnet ist, der ein Spiel bereitstellt,
sodass das Zahnrad 2 ohne Probleme auf die Hohlwelle 1 aufgeschoben
werden kann.
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Dann
wird die Hohlwelle 1 mit dem Innenhochdruck p beaufschlagt,
sodass sich die Hohlwelle 1 radial aufweitet und dadurch
unter Ausbildung eines Presssitzes mit dem Zahnrad 2 eine
drehfeste Verbindung ermöglicht,
wie dies in 1c dargestellt ist.
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Das
Zahnrad 2 weist in dieser Ausführungsform Ausnehmungen 4 in
der Form von kreiszylindrischen Löchern auf, welche, wie die 1b zeigt,
vorzugsweise in gleichen Abständen über den
Umfang des Zahnrads 2 verteilt sind.
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Die
Ausnehmungen sind radial nach innen versetzt derart, dass diese
sich in der Nähe
des Fügebereichs 3 befinden.
Es ist zu erkennen, dass die Wandstärke WAF im
Bereich der Ausnehmungen 4 wesentlich kleiner als die Wandstärke WA im übrigen Bereich
des Zahnrads 2 ist.
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Wie
die 2a zeigt, bildet sich dadurch ein dünnwandiger
Bereich zwischen der Ausnehmung 4 und der für die Aufnahme
der Hohlwelle 1 vorgesehenen mittigen Ausnehmung des Zahnrads 2 aus,
welcher sich beim radialen Aufweiten beider Körper entsprechend leichter
verformen lässt,
wie dies die gestrichelten Linien in 2a, oder
auch in 3, exemplarisch wiedergeben.
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Die
lokalen Schwächungen
im Fügebereich 3 lassen
sich durch Ausnehmungen in der unterschiedlichsten Form verwirklichen,
wie beispielhaft die 2b und 3 zeigen.
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So
können
beispielsweise nierenförmige Ausnehmungen 5 vorgesehen
werden, die gleichmäßig über den
Umfang des Zahnrads 2 verteilt sind und in ihrer Kontur
der mittigen Ausnehmung des Zahnrads 2 folgen.
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In
einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung sind die Ausnehmungen 6 derart
gewählt,
dass sich letztendlich Speichen 7 ausbilden, sodass das Zahnrad 2 quasi
die Form eines Speichenrads hat.
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Gemäß der Erfindung
ist es nicht nur möglich,
das Außenteil 2 mit
entsprechenden lokalen Schwächungen,
das heißt
Wandstärkenreduzierungen,
zu versehen. In einer weiteren Ausführungsform ist es auch möglich, die
Hohlwelle 1 bereits selbst in der Nähe des Fügebereichs mit einer entsprechenden
Wandstärkenreduzierung
auszubilden. So weist die Hohlwelle 1, wie die 4 zeigt,
im Fügebereich 3 eine
Wandstärke
WIF auf, welche kleiner ist als die sonstige
Wandstärke
WI der Hohlwelle 1. Derartige Wandstärkenreduzierungen
lassen sich beispielsweise durch spanende Verfahren bewerkstelligen.
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Der
Fachmann erkennt, dass die Ausführung des
Innenteils 1 nach 4 auch mit
den Ausführungen
des Außenteils 2 gemäß den 1 bis 3 kombiniert
werden kann, um eine noch bessere Verformbarkeit im Fügebereich 3 zu
erzielen.