DE19718307A1

DE19718307A1 - Preßverbindung mit erhöhter Übertragungsfähigkeit durch zusätzlichen Stoffschluß

Info

Publication number: DE19718307A1
Application number: DE1997118307
Authority: DE
Inventors: Herbert Dr Ing Gropp; Dietmar Dipl Ing Klose
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1997-04-30
Filing date: 1997-04-30
Publication date: 1998-11-05

Description

Die Erfindung betrifft eine Preßverbindung, die gegenüber den normalen konventionellen Preßverbindungen eine wesentlich höhere Übertragungsfähigkeit aufweist und bei dynami scher Belastung nicht durch Tribokorrosion geschädigt oder zerstört wird.

Die Erfindung bezieht sich nicht nur auf eine Preßverbindung in Form einer Welle-Nabe-Ver bindung, sondern generell auf alle kraftschlüssigen Verbindungen mit unter Pressung stehen den Fügeflächen, wie z. B. kraftschlüssige Scheibenkupplungen, Kegelkupplungen, Klemmver bindungen, Laschenverbindungen usw. Die Erfindung wird jedoch nachfolgend generell am Beispiel einer Preßverbindung in Form einer Welle-Nabe-Verbindung beschrieben, wobei aber auch hier unter dem Begriff "Preßverbindung" generell auch andere unter Pressung ste hende Verbindungen und unter den Begriffen "Welle" und "Nabe" generell die jeweils vorlie genden Fügepartner (z. B. Scheiben, Platten usw.) zu verstehen sind.

Um bei dynamischer Belastung mit örtlichem Gleiten in der Preßfuge Tribokorrosion und die damit verbundenen negativen Auswirkungen zu verhindern, müssen Längs- und Querpreßver bindungen mit geeigneten Schmierstoffen, speziell Molybdändisulfidölpaste oder Zinkdiphos phatpaste, gefügt werden. Durch die Schmierstoffanwendung ist allerdings die Übertragungs fähigkeit relativ niedrig, da als Haftbeiwert nur µ = 0,1 . . .0,12 anzusetzen ist. Zusätzlich kom men bei Querpreßverbindungen noch die negativen Auswirkungen der Schmierpolsterbildung hinzu. Bei trocken gefügten Preßverbindungen tritt bei dynamischem örtlichem Gleiten zerstö rende Tribokorrosion auf, und bei Längspreßverbindungen kommt es bereits schon beim Ein preßvorgang zu Zerstörungen durch Fressen. Die mit dem DDR-Wirtschaftspatent 0152972 geschützten Preßverbindungen mit verbundstabilen Konversionsschichten verhindern Tribo korrosion und erhöhen die Übertragungsfähigkeit. Da die anorganisch- nichtmetallischen Kon versionsschichten keine Adhäsionsneigung besitzen, ist aber auch hier die Übertragungsfähig keit mit dem Haftbeiwert µ ≧ 0,2 begrenzt. Bei den Preßklebverbindungen wird bei entspre chender dynamischer Belastung der Kleber zerstört, und es tritt Tribokorrosion auf.

Von diesem Stand der Technik ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Preßverbindung zu entwickeln, die durch zusätzlichen Stoffschluß eine wesentlich höhere Übertragungsfähigkeit bezüglich der vorstehend genannten und dem Stand der Technik reprä sentierenden Preßverbindungen bei gleichzeitiger Verhinderung von Tribokorrosion gewährlei stet.

Erfindungsgemaß wird diese Aufgabe nach dem kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 da durch gelöst, daß die Preßflächen der Welle und/oder der Nabe einer Längspreßverbindung oder einer Querpreßverbindung in der Ausführung als Schrumpf-, Dehn- und Schrumpf-Dehnverbindung mit einer Metallschicht hoher Adhäsionsneigung versehen sind oder die Wel len und/oder die Naben vollständig oder teilweise aus Werkstoffen hoher Adhäsionsneigung bestehen, die bei Relativverschiebungen zwischen den Preßflächen von Welle und Nabe und bei Pressung zur Bildung lokaler oder vollständiger Stoffschlußverbindungen in der Preßfuge in Form von Kaltpreßlötverbindungen oder Kaltpreßschweißverbindungen führen, ohne daß die beim trockenen Fügen bei der Werkstoffpaarung Stahl/Stahl in der Regel stattfindenden negativen Freßerscheinungen auftreten.

Die weitere Ausgestaltung der Erfindung enthalten die Ansprüche 2. bis 9.

Die im Anspruch 1 dargelegten erforderlichen Relativverschiebungen zur Erzeugung des zum Kraftschluß zusätzlichen Stoffschlusses können durch

- das Fügen als Längspreßverbindung,
- das örtliche Gleiten in der Preßfuge von Längs- und Querpreßverbindungen infolge statischer und/oder dynamischer Betriebsbelastung,
- einmalige oder mehrmalige statische Verdrehung und /oder Axialverschiebung der Welle in der Nahe von Längs- und Querpreßverbindungen in einer oder in wechselnder Richtung,
- gezielte definierte dynamische Belastung von Längs- und Querpreßverbindungen mit einer Wechselbelastungsamplitude, die einer statischen Belastung überlagert sein kann, wobei es sich um ein gezieltes Hochtrainiern der Übertragungsfähigkeit der Preßverbindung handelt, das durch Drehmoment-, Biegemoment-, Axialkraftbelastung oder durch Kombinationen aus diesen Belastungsarten erzeugt werden kann, erreicht werden.

Bei den Schichten nach Anspruch 1 muß es sich nicht um reine Metallschichten handeln, sondern es kann sich auch um Legierungen und Gemische von Metallen sowie auch um zu sätzliche Einlagerungen nichtmetallischer Stoffe handeln. Die Schichten können galvanisch, durch chemische Metallabscheidung, Plasmaspritzen oder andere geeignete Verfahren aufge bracht werden.

Wie im Anspruch 1 mit dargelegt ist, können auch Welle und/oder Nabe der Preßverbindung direkt aus Werkstoffen hoher Adhäsionsneigung sein, wodurch bei Relativverschiebungen der Preßflächen von Welle und Nabe ohne das zusätzliche Aufbringen von Beschichtungen stoff schlüssige Verbindungen gebildet werden.

Die Erfindung ist nicht nur auf die Merkmale ihrer Ansprüche beschränkt. Denkbar und vor gesehen sind auch Kombinationsmöglichkeiten einzelner Anspruchsmerkmale und Kombina tionsmöglichkeiten einzelner Anspruchsmerkmale mit dem in den Vorteilsangaben und zu den Ausgestaltungsbeispielen Offenbarten.

Nachfolgend sind 7 Ausführungsbeispiele der Erfindung als Zeichnung in Fig. 1 bis Fig. 7 dar gestellt und im folgenden näher beschrieben.

Es zeigen:

Fig. 1 die Befestigung eines Zahnkranzes auf einem Zahnradgrundkörper mittels Längspreß verbindung, wobei eine Preßfläche mit Kupfer und die andere mit Zink beschichtet ist.

Fig. 2 die Befestigung eines Kupplungsflansches auf einer Welle mittels Längspreßverbin dung, wobei beide Preßflächen mit Zink beschichtet sind.

Fig. 3 die Befestigung eines Zahnrades auf einer Hohlwelle mittels Längspreßverbindung, wo bei eine Preßfläche mit Zink beschichtet und die andere unbeschichtet ist.

Fig. 4 die Befestigung eines Schneckenradkranzes aus Bronze mittels Längspreßverbindung auf einem Schneckenradgrundkörper aus Stahlguß.

Fig. 5 die Befestigung eines Zahnkranzes auf einem Zahnradgrundkörper über einen Zwi schenring mittels Preßverbindungen.

Fig. 6 die Befestigung eines Steckritzels in einer Läuferwelle eines Getriebemotors mittels Längspreßverbindung, wobei die eine Preßfläche mit Zink (oder mit Kupfer) beschich tet ist.

Fig. 7 eine gebaute Nockenwelle, bei der alle Teile mittels Preßverbindungen mit metallbe schichteten Preßflächen eines oder beider Fügepartner gefügt sind.

Fig. 7a ein Teilstück einer gebauten Nockenwelle, bei der der Nocken mit seiner metallbe schichteten Preßfläche auf der metallbeschichteten Preßfläche des Rohres mittels Querpreßverbindung befestigt ist und durch Verdrehung um den Winkel Δϕ in die ge forderte Endposition gebracht wird, wobei lokale stoffschlüssige Verbindungen entste hen.

Fig. 7b ein Teilstück einer gebauten Nockenwelle, bei der der Nocken mit seiner metallbe schichteten Preßfläche auf der metallbeschichteten Preßfläche des Rohres mittels Quer preßverbindung befestigt ist und durch Längsverschiebung um den Weg Δl in die ge forderte Endposition gebracht wird, wobei lokale stoffschlüssige Verbindungen ent stehen.

Fig. 1 zeigt ein Zahnrad, bei dem der dünnwandige Zahnkranz (1) bzw. die Zahnradbandage (1) mit einer Preßverbindung (3) erhöhter Übertragungsfähigkeit durch zusätzlichen Stoff schluß auf dem Zahnradgrundkörper (2) befestigt ist. Der Zahnradgrundkörper (2) besteht hier z. B. aus Baustahl und der Zahnkranz (1) bzw. die Zahnradbandage (1) z. B. aus Vergü tungsstahl. Auf der Preßfläche des Zahnradgrundkörpers (2) befindet sich eine Zinkschicht (5), und auf der Preßfläche des Zahnkranzes (1) befindet sich eine Kupferschicht (4). Der Zahnradgrundkörper hat auf einer Seite eine mit beschichtete Einpreßfase (6). Der Grundkör per wird mit einer Presse in den Zahnkranz eingepreßt. Durch die Relativverschiebung der Preßflächen unter der gleichzeitig wirkenden radialen Fugenpressung infolge des Übermaßes gibt es örtliche stoffschlüssige Verbindungen in Form von Kaltpreßlötverbindungen. Örtlich entsteht hier also Messing.

Fig. 2 zeigt eine mittels Längspreßverbindung (3) auf einer Welle (7) befestigte spezielle Kupplungsnabe (8). Der Preßfugendurchmesser beträgt 30 mm die Preßfugenlänge 12 mm. Die Preßfläche der Welle und die Preßfläche der Nabe sind mit einer Zinkschicht (5) versehen. Die Welle (7) hat eine Einpreßfase (6). Bereits beim Einpressen entstehen zusätzlich zur kraftschlüssigen Preßverbindung noch lokale stoffschlüssige Kaltpreßschweißverbindungen. Nach dem Fügen wurde die Welle (7) in der Nabe (8) 20 mal statisch in wechselnder Rich tung um einen definierten Winkel verdreht. Dabei stieg das übertragbare Drehmoment durch weitere gezielte, entscheidende lokale Stoffschlußbildung von 571 Nm auf 1183 Nm, also um das 2,07 fache. Bereits bei einem Drehmoment von 1007 Nm war die Torsionsfließgrenze der Welle (7) erreicht, und die Welle (7) wurde plastisch verformt. Damit ist die Übertragungs fähigkeit der Preßverbindung (3) trotz des sehr kleinen Verhältnisses l_F/D_F= 0,4 bereits so hoch, daß sie praktisch gar nicht mehr voll genutzt werden kann.

Fig. 3 zeigt ein mittels Längs- oder Querpreßverbindung (3) auf einer Hohlwelle (9) eines Re versiergetriebes befestigtes Zahnrad (10). Die Sitzfläche der Hohlwelle ist mit einer Zink schicht (5) versehen. Die Drehmomentbelastung ist rein wechselnd. Durch die Zahnkräfte wirkt zusätzliche Umlaufbiegebelastung. Die Belastungen sind so hoch, daß örtliche Relativ verschiebungen in der Preßfuge auftreten. Damit kommt es durch die Betriebsbelastung zur Ausbildung zusätzlich zum Kraftschluß der Preßverbindung wirkender lokaler stoffschlüssiger Kaltpreßlötverbindungen und damit zur Erhöhung der Übertragungsfähigkeit der Welle-Nabe-Verbindung. Erfolgt das Fügen als Längspreßverbindung, so entstehen bereits schon beim Einpreßvorgang stoffschlüssige Kaltpreßlötverbindungen, während das bei Querpreßverbin dungen nicht der Fall ist.

Fig. 4 zeigt einen mittels Längspreßverbindung (3) auf einen Zahnradgrundkörper (2) aus Stahlguß gepreßten Bronzezahnkranz (11) eines Schneckenrades. Hier wird keine spezielle Schicht auf die Preßflächen aufgebracht, da der Bronzezahnkranz bereits eine hohe Adhäsions neigung besitzt und beim Einpreßvorgang dadurch zur kraftschlüssigen Preßverbindung noch lokale stoffschlüssige Kaltpreßlötverbindungen entstehen. Analog hierzu ist das auch bei ver schiedenen anderen Werkstoffpaarungen möglich.

Fig. 5 zeigt ein mittels Längspreßverbindung (3) gefügtes, aus 3 Teilen bestehendes Zahnrad, wobei der Zwischenring (12) infolge seines speziellen Werkstoffes (12a) oder/und seiner Form (12b) als Ausgleichselement zwischen dem Zahnradgrundkörper (2) und dem Zahn kranz (1) dient, da die beiden Teile unterschiedliche Ausdehnungskoeffizenten besitzen und es ohne den Zwischenring (12) bei Temperaturänderungen zu einem Verlust bzw. zu einer Verminderung der Fugenpressung in der Preßfuge kommt bzw. kommen kann. Der Zwischen ring (12) kann dabei aus einem Material hoher Adhäsionsneigung sein, oder seine Preßflächen sind mit einer Schicht hoher Adhäsionsneigung versehen, wobei die Beschichtungen in Fig. 5 nicht dargestellt sind. In den beiden Preßflächen PF1 und PF2 entstehen beim Einpreßvor gang zusätzlich zum Kraftschluß lokale stoffschlüssige Verbindungen.

Fig. 6 zeigt ein in eine Läuferwelle (13) eines Getriebemotors eingepreßtes Steckritzel (14), dessen Preßfläche mit einer Metallschicht hoher Adhäsionsneigung, z. B. Zink (5) (oder Kup fer), versehen ist. Beim Einpressen entstehen zusätzlich zur normalen kraftschlüssigen Preß verbindung noch lokale stoffschlüssige Preßlötverbindungen, deren Anzahl bzw. Wirkung bei Betriebsbelastung infolge der durch die Umlaufbiegung bedingten örtlichen Gleitbewegungen in der Preßfuge noch erhöht wird.

Fig. 7 zeigt eine gebaute Nockenwelle. Das Rohr (15) ist vollständig oder partiell in den Preß flächenbereichen mit z. B. Zink (5) beschichtet. Die Nockenbohrungen sind mit einer Kupfer schicht (4) versehen. Das Fügen kann als Längspreßverbindung (3) erfolgen, wodurch der zur Kraftübertragung zusätzliche lokale Stoffschluß gebildet wird. Das Fügen kann auch als Querpreßverbindung (3) geschehen, wobei die Nocken (16) noch nicht ganz in ihre genaue Endposition gebracht werden. Das erfolgt dadurch, daß die Nocken (16) durch eine geeignete Vorrichtung (17) bzw. (18), wie es in Figur (7a) und (7b) schematisch dargestellt ist, festgehal ten werden. Dann erfolgt eine statische Verdrehung und/oder Axialverschiebung in die ge wünschten Endpositionen der Nocken, indem z. B. das Rohr so verdreht und/oder verscho ben wird, daß die geforderte Endposition der Nocken erreicht wird. Dabei entstehen die loka len stoffschlüssigen Verbindungen. Analog kann auch mit den gemäß Fig. 7 in das Rohr ein gepreßten Endstücken (19), (20) und auf das Rohr aufgepreßten Lagerringen (21) verfahren werden.

Bezugszeichenliste

1

Zahnkranz bzw. Zahnradbandage

2

Zahnradgrundkörper

3

Preßverbindung mit zusätzlichem lokalem Stoffschluß

4

Kupferschicht

5

Zinkschicht

6

Fase

7

Welle

8

Kupplungsflansch

9

Hohlwelle

10

Zahnrad

11

Schneckenradkranz aus Bronze

12

Zwischenring

12

a aus speziellem Werkstoff

12

b mit spezieller Profilierung

13

Läuferwelle eines Getriebemotors

14

Steckritzel

15

Rohr

16

Nocken

17

Vorrichtung für Verdrehung

18

Vorrichtung für Axialverschiebung

19

Endstück

20

Endstück

21

Lagerring
F Axialkraft
M_t

Drehmoment
D_F

Preßfugendurchmesser
l_F

Preßfugenlänge
Δl axialer Verschiebeweg
Δϕ Verdrehwinkel

Claims

1. Preßverbindung dadurch gekennzeichnet, daß die Preßflächen der Welle und/oder der Na be einer Längspreßverbindung oder einer Querpreßverbindung in der Ausführung als Schrumpf-, Dehn- und Schrumpf-Dehnverbindung mit einer Metallschicht hoher Adhäsions neigung versehen sind oder die Wellen und/oder die Naben vollständig oder teilweise aus Werkstoffen hoher Adhäsionsneigung bestehen, die bei Relativverschiebungen zwischen den Preßflächen von Welle und Nabe und bei Pressung zur Bildung lokaler oder vollständiger Stoffschlußverbindungen in der Preßfuge in Form von Kaltpreßlötverbindungen oder Kalt preßschweißverbindungen führen, wodurch die Übertragungsfähigkeit solcher Verbindungen infolge gleichzeitiger Wirkung von Kraftschluß und zusätzlichem Stoffschluß um ein Mehr faches gegenüber konventionellen rein kraftschlüssigen Preßverbindungen gesteigert wird, ohne daß die beim trockenen Fügen der Werkstoffpaarung Stahl/Stahl in der Regel stattfin denden negativen Freßerscheinungen und die bei dynamischer Belastung mit örtlichem Glei ten stattfindenden zerstörenden Tribokorrosionserscheinungen auftreten.

2. Preßverbindung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Relativverschiebungen zwischen den Preßflächen von Welle und Nabe beim Fügen als Längspreßverbindung, also durch Einpressen der Welle in die Nabe, zwangläufig gegeben sind.

3. Preßverbindung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Relativverschiebungen zwischen den Preßflächen von Welle und Nabe als örtliches Gleiten in der Preßfuge von Längs - und Querpreßverbindungen infolge der Betriebsbelastung erzeugt werden, wobei die Betriebsbelastung statisch und/oder dynamisch sein kann.

4. Preßverbindung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Relativverschiebungen durch gezielte definierte einmalige oder mehrmalige statische Verdrehung oder/und Axial verschiebung der Welle in der Nabe von Längs- oder Querpreßverbindungen in einer oder in wechselnder Richtung erzeugt werden.

5. Preßverbindung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Relativverschiebungen durch gezielte definierte dynamische Belastung der Längs- oder Querpreßverbindungen mit einer Wechselbelastungsamplitude, die einer statischen Belastung überlagert sein kann, er zeugt werden, wobei es sich hier also um ein gezieltes Hochtrainieren der Übertragungsfä higkeit der Preßverbindung handelt, das durch Drehmoment-, Biegemoment -, Axialkraft belastung oder durch Kombinationen aus diesen Belastungsarten erzeugt werden kann.

6. Preßverbindung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei den Schichten nicht um reine Metallschichter,sondern auch um Legierungen und Gemische von Metallen sowie auch um zusätzliche Einlagerungen anderer, z. B. nichtmetallischer Stoffe und Be standteile handeln kann.

7. Preßverbindung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichten galvanisch, durch chemische Metallabscheidung, durch Plasmaspritzen oder andere geeignete Verfahren aufgebracht werden.

8. Preßverbindung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Welle und Nabe noch ein entsprechender Zwischenring aus speziellem Werkstoff und/oder mit spezieller Gestaltung angebracht ist, besonders dann zutreffend, wenn Welle und Nabe aus Werkstof fen hoher Adhäsionsneigung sind, um die Ausdehnungsverhältnisse aller Teile, besonders bei unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten von Welle und Nabe, so zugestalten, daß bei starken Temperaturänderungen keine maßgebende Beeinträchtigung der Übertragungs fähigkeit der Preßverbindung auftritt.

9. Preßverbindung nach Anspruch 1 und den Ansprüchen 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß es sich nicht nur um eine Preßverbindung in Form einer Welle-Nabe-Verbindung han deln muß, sondern daß es sich generell um eine kraftschlüssige Verbindung, wie z. B. kraft schlüssige Scheibenkupplung, Kegelkupplung, Klemmverbindung, Laschenverbindung usw., handelt, bei der zwei oder mehrere Fügeflächen der Fügepartner, bei denen es sich also nicht um Welle und Nabe handelt bzw. handeln muß, unter Pressung aneinander gedrückt sind und die in den Ansprüchen 1 und 2 bis 8 dargelegten Relativverschiebungen in analoger oder geeigneter Weise vorliegen bzw. aufgebracht werden und zur Bildung zusätzlicher lo kaler oder vollständiger stoffschlüssiger Verbindungen zur bereits vorhandenen kraftschlüs sigen Verbindung führen.