DE10359328A1

DE10359328A1 - Welle-Nabe-Verbindung

Info

Publication number: DE10359328A1
Application number: DE10359328A
Authority: DE
Inventors: Edgar Dipl.-Ing. Thelen; Rudolf Dipl.-Ing. Hörburger; Alfred Niete; Heike Dipl.-Ing. Freitag
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2003-12-17
Filing date: 2003-12-17
Publication date: 2005-07-21

Abstract

Eine Welle-Nabe-Verbindung, insbesondere für Getriebe von Kraftfahrzeugen, mit einer Welle und einer Nabe weist an der Oberfläche von Welle und/oder Nabe eine zusätzlich aufgebrachte Werkstoffschicht auf, die einen höheren Reibwert als eine Stahl-Stahl-Verbindung hat und die beim Fügen von Welle und Nabe eine stoffschlüssige Verbindung zwischen der Welle und der Nabe herstellt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Welle-Nabe-Verbindung nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art.
Welle-Nabe-Verbindungen zählen zu den wichtigsten Maschinenelementen. Einsatzgebiete sind in allen Bereichen des Maschinen- und Fahrzeugbaus zu finden. Dementsprechend ist eine Vielzahl von Ausführungsformen aus dem Stand der Technik bekannt. Danach können reib-, form- und stoffschlüssige Verbindungen sowie Kombinationen dieser Verbindungen unterschieden werden. Weit verbreitet sind Querpressverbindungen als Untergruppe der reibschlüssigen Verbindungen, da sie kostengünstig sind und zur Übertragung hoher dynamischer Momente geeignet sind.
Für viele Anwendungen, wie beispielsweise bei Getrieben von Kraftfahrzeugen, ist jedoch auch eine gute Momentenübertragungsfähigkeit herkömmlicher Pressverbindungen nicht mehr ausreichend. Wesentliche Verbesserungen sind dann durch Kombinationen von Verbindungsformen zu erreichen. Als Beispiel kann eine schrumpfgeklebte Welle-Nabe-Verbindung angeführt werden, bei der gegenüber normalen Querpressverbindungen eine deutlich höhere Tragfähigkeit, insbesondere auch bei Schwingungsbeanspruchung, nachgewiesen wurde. Diese Verbindung ist jedoch nicht geeignet, wenn höhere Temperaturen vorliegen oder wo eine hohe Torsionsschwingungsbeanspruchung mit einer Umlaufbiegung kombiniert ist. Dort versagt im allgemeinen die Welle unter dem Einfluß von Reibkorrosion und die Dauerbelastbarkeit sinkt erheblich ab. Des weiteren ist die Verbindung nach dem ersten Durchrutschen zerstört und wirkt wie eine Gleitschicht. Somit ist diese Verbindung in der aus dem Stand der Technik bekannten Form für Getriebe von Kraftfahrzeugen nicht geeignet.
Eine weitere Form von kombinierten Pressverbindungen stellen Press-Press-Löt-Verbindungen dar. Bei dieser Verbindungsart werden die Vorteile von Pressverbindungen, wie einfache Herstellung, Handhabung und gute Zentrierung, mit dem Vorteil der stoffschlüssigen Press-Löt-Verbindung kombiniert. Diese Verbindungen sind auch in höheren Temperaturbereichen einsetzbar.
Bei Press-Press-Löt-Verbindungen werden die Fügeflächen mit einer dünnen Lotschicht beschichtet und dann durch Querpressen gefügt. Während des Fügevorgangs bauen sich lokal stoffschlüssige Verbindungen im festen Zustand auf. Dieser Prozess setzt sich auch im Einsatz unter schwingender Beanspruchung fort. Dadurch erhöhen sich die übertragbaren Momente gegenüber der rein reibschlüssigen elementaren Pressverbindung beträchtlich.
Ein weiterer Vorteil der Press-Press-Löt-Verbindung ist, dass durch die unterschiedlichen Festigkeiten von Grundwerkstoff und aufgebrachter Schicht kein Verschweißen der Fügeflächen wie bei herkömmlichen Pressverbindungen stattfinden kann und dadurch die Oberflächen der zu fügenden Bauteile bei schwingender Belastung und bei Überlastung nicht beschädigt werden. Weiterhin besitzen Press-Press-Löt-Verbindungen adaptive Eigenschaften. Diese Wirkung, die auch Trainiereffekt genannt wird, ist insbesondere auf die durch Relativbewegungen eingebrachte Energie zurückzuführen.
Bei der Anwendung von Welle-Nabe-Verbindungen in Getrieben von Kraftfahrzeugen werden hohe Drehmomente übertragen. In diesem Fall ist es von enormer Wichtigkeit, dass in den Welle-Nabe-Verbindungen kein Gleiten auftritt. Die Folge hiervon könnte beispielsweise ein einseitiges Tragen einer Vorgelegewelle oder ein Verkeilen der Zahnräder sein, was unweigerlich zum Ausfall des Getriebes führen würde. Um ein Gleiten mit Sicherheit ausschließen zu können, werden deshalb hochbelastete Welle-Nabe-Verbindungen, beispielsweise durch einen Zylinderstift, zusätzlich gesichert. Der Nachteil dieser Verbindung ist allerdings der hohe Fertigungsaufwand und die damit verbundenen erhöhten Fertigungskosten. Zusätzlich kann die eingebrachte Bohrung als Kerbe wirken, durch welche die Leistungsfähigkeit der Bauteile deutlich herabgesetzt wird.
Weitere, aus dem Stand der Technik bekannte Welle-Nabe-Verbindungen können durch Verschweißen oder mit Hilfe von Mitnahmeverzahnungen höhere Drehmomente übertragen. Nachteilig ist hierbei jedoch der erhöhte Fertigungsaufwand und die daduch bedingten höheren Kosten.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Welle-Nabe-Verbindung darzustellen, welche eine erhöhte Festigkeit aufgrund einer Erhöhung des Reibwertes aufweist und die zugleich prozesssicher dargestellt werden kann.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird durch eine, auch die kennzeichnenden Merkmale des Hauptanspruchs aufweisende, gattungsgemässe Welle-Nabe-Verbindung gelöst. Durch Aufbringen einer zusätzlichen Werkstoffschicht auf den zu verbindenden Teilen, die einen höheren Reibwert als eine übliche Stahl-Stahl-Verbindung aufweist, ist es möglich, eine Welle-Nabe-Verbindung darzustellen, bei der auf eine zusätzliche Absicherung, z. B. in Form eines eingepressten Stifts, verzichtet werden kann. Durch die Reduzierung des Montageaufwandes kann die Welle-Nabe-Verbindung kostengünstiger hergestellt werden. Weiterhin können Welle-Nabe-Verbindungen in Getrieben von Kraftfahrzeugen kleiner dimensioniert und somit mit geringerem Aufwand gefertigt werden. Die zusätzlich aufgebrachte Schicht kann durch thermische Spritzverfahren oder galvanisch aufgetragen werden. Die zusätzliche Werkstoffschicht, die einen höheren Reibwert als eine Stahl-Stahl-Verbindung hat, stellt beim Fügen von Welle und Nabe eine stoffschlüssige Verbindung zwischen Welle und Nabe her. Um die Verbindungsfestigkeit der Welle-Nabe- Verbindung zu steigern, können die Welle und die Nabe kurz gegeneinander verdreht werden, wodurch sich die Festigkeit der Verbindung infolge Energieeintrag durch Reibung, hohe Temperaturen und/oder hohe Pressungen deutlich steigern lässt. In der Welle-Nabe-Verbindung kommt es zu einem Mikrogleiten an den Oberflächen, wodurch der Welle-Nabe-Verbindung Energie zugeführt wird und dadurch immer mehr örtliche stoffschlüssige Verbindungen entstehen.

Claims

Welle-Nabe-Verbindung, insbesondere für Getriebe von Kraftfahrzeugen, mit einer Welle und einer Nabe, dadurch gekennzeichnet, dass die Welle und/oder die Nabe an der Oberfläche eine zusätzlich aufgebrachte Werkstoffschicht aufweisen, die einen höheren Reibwert als eine Stahl-Stahl-Verbindung hat, und die beim Fügen von Welle und Nabe eine stoffschlüssige Verbindung zwischen der Welle und der Nabe herstellt.
Welle-Nabe-Verbindung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zusätzliche Werkstoffschicht nur an der Verbindungsstelle von Welle und Nabe aufgebracht ist.
Welle-Nabe-Verbindung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zusätzliche Werkstoffschicht durch thermische Spritzverfahren oder galvanisch aufgetragen wird.
Welle-Nabe-Verbindung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Fügen von Welle und Nabe die Verbindung mittels Energieeintrag durch Reibung, hohe Temperaturen und/oder hohe Pressung trainiert wird.
Welle-Nabe-Verbindung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zusätzlich aufgebrachte Werkstoffschicht aus Kupfer-, Aluminium- oder Zink-Basiswerkstoffen besteht.
Welle-Nabe-Verbindung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Oberflächen von Welle und Nabe gereinigt und dadurch aktiviert werden.
Welle-Nabe-Verbindung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Reinigung der Oberflächen von Welle und Nabe mechanisch, durch Strahlen, durch lokale Wärmequellen oder durch Kombinationen hiervon erfolgt.
Welle-Nabe-Verbindung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächen von Welle und Nabe aufgerauht werden.
Welle-Nabe-Verbindung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zusätzlich aufgebrachte Werkstoffschicht durch Rollen, Kalibrieren oder mechanisch geglättet wird.
Verfahren zur Herstellung einer Welle-Nabe-Verbindung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, gekennzeichnet durch folgende Arbeitsschritte: – Reinigen, Aktivieren und/oder Strahlen der Oberflächen, – Aufbringen der zusätzlichen Werkstoffschicht in fester, flüssiger oder gasförmiger Phase, – Anlagern bzw. Erstarren der zusätzlich aufgebrachten Werkstoffschicht unter Energieaustausch, – Glätten der zusätzlichen Werkstoffschicht und – Trainieren der Welle-Nabe-Verbindung zur Erzielung definierter Schichteigenschaften.
Verwendung einer Welle-Nabe-Verbindung nach einem der vorangegangenen Ansprüche für Komponenten der Antriebstechnik, wie beispielsweise Getriebe und Motoren.