DE19836259C2

DE19836259C2 - Drehfeste Welle-Nabe-Verbindung

Info

Publication number: DE19836259C2
Application number: DE19836259A
Authority: DE
Inventors: Christoph Puls
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1998-08-11
Filing date: 1998-08-11
Publication date: 2001-02-01
Anticipated expiration: 2018-08-12
Also published as: DE19836259A1

Description

Die Erfindung betrifft eine drehfeste Welle-Nabe-Verbin dung, also eine Konstruktionseinheit, durch die eine um eine Drehachse rotierbare Welle mit einer zu der Welle koaxialen, die Welle umschließenden Nabe derartig verbun den wird, daß die Verbindung ein Drehmoment übertragen kann. Der Begriff Nabe ist dabei allgemein im Sinne eines die Welle hülsenförmig umschließenden Bauteils zu verste hen. Er umfaßt also nicht nur eine Nabe im engeren Sinne (als Mittelstück eines Rades), sondern beispielsweise auch den die Welle umschließenden Teil einer weiteren Welle oder eines Rohres.

Welle-Nabe-Verbindungen werden im Maschinenbau in viel fältiger Weise zur Übertragung von Drehmomenten zwischen der Welle und der Nabe eingesetzt. Sie müssen zahlreiche Anforderungen erfüllen. Insbesondere soll die Verbindung möglichst hohe Drehmomente übertragen können. Sie soll leicht und ohne umfangreiche Einstell- und Nachstellar beiten montierbar sein, wobei es günstig ist, wenn sie selbstzentrierende Eigenschaften hat. Schließlich soll sie möglichst einfach zusammengefügt und wieder gelöst werden können.

Entsprechend diesen vielfältigen Anforderungen sind zahl reiche unterschiedliche Konstruktionen bekannt.

In der EP 0339380 A1 wird beispielsweise eine Welle-Nabe- Verbindung beschrieben, bei der sich in axialer Richtung ein glatter (zylindrischer) und ein verzahnter Abschnitt der Welle aneinander anschließen. Der glatte Abschnitt dient zur Zentrierung, der verzahnte Abschnitt zur Über tragung des Drehmomentes. Zur axialen Fixierung kann zu sätzlich ein Querstift vorgesehen sein, der in eine ent sprechende Bohrung der Nabe eingeschraubt wird und in eine mit der Bohrung fluchtende Nut der Welle eindringt. Eine ähnliche Konstruktion, insbesondere für den Anschluß an der Zapfwelle eines Traktors, ist Gegenstand der DE 40 06 475 A1, wobei hier angestrebt wird, durch eine be sondere Formgebung des als "Verschlußschraube" bezeichne ten Querstiftes und einer korrespondierenden Ausnehmung der Zapfwelle eine möglichst spielfreie Verbindung zu er reichen.

Weit verbreitet sind Spannsatzverbindungen, bei denen zwischen der Welle und der Nabe ein Spannsatz angeordnet ist, der mindestens ein Element aufweist, das so ver stellt werden kann, daß sich der Ringquerschnitt des Spannsatzes vergrößert. Dadurch wird der Spannsatz einer seits gegen die Mantelfläche der Welle und andererseits gegen die Innenfläche der Nabenbohrung gedrückt und eine Spannwirkung zwischen Welle und Nabe erzeugt. Die DE 36 36 393 A1 sowie einige darin zitierte Literaturstel len beschreiben Spannsätze, die beidseitig formschlüssig in Nabe und Welle eingreifen, wobei der Formschluß da durch erreicht wird, daß sowohl die Welle als auch die Bohrung der Nabe mit einer Längsverzahnung versehen sind und der Spannsatz innenseitig sowie außenseitig eine hierzu jeweils entsprechende Längsverzahnung aufweist.

Dabei wird insbesondere angestrebt, im Vergleich zu den im einleitenden Teil der Druckschrift erwähnten früheren Spannsatzkonstruktionen eine gleichmäßigere Verteilung der Spannkräfte und damit eine gleichmäßige Verspannung über die Länge des Spannsatzes zu erreichen. Ein anderer Spannsatz, der einen Längsschlitz mit einem darin gleit fähigen Keil aufweist, ist in der DE-A-29 30 245 beschrie ben.

Die DE-GM 72 33 583 befaßt sich mit einer Welle-Nabe- Verbindung in Form einer Vielkeilverbindung. Sie strebt an, das mit derartigen Vielkeilverbindungen verbundene Spiel und die damit verbundenen Schäden - insbesondere bei der Übertragung großer Drehmomente - zu vermeiden. Zu diesem Zweck wird gemäß der Gebrauchsmusterschrift die Wanddicke einer Flanschnabe und die radiale Breite einer Spannringscheibe so aufeinander abgestimmt, daß beim Spannen der Spannringscheibe gegen den Flansch eine elastische Verformung auftritt, wobei ein relativ dünner unterer Teil der Flanschnabe nach innen gebogen wird. Mit dieser Konstruktion läßt sich die gewünschte Spielfrei heit nur in eingeschränktem Umfang erreichen. Die Wirk samkeit der damit verbundenen auf Reibschluß basierenden Spielfreiheit ist in hohem Maße von dem Anpreßdruck und den Fertigungstoleranzen abhängig.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Welle- Nabe-Verbindung zur Verfügung zu stellen, die eine ver besserte tangential, radial und axial feste und spiel freie Kupplung der Welle und der Nabe ermöglicht.

Die Aufgabe wird durch eine Welle-Nabe-Verbindung nach Anspruch 1 gelöst.

Die Profile sind vorgefertigt, werden also nicht erst beim Zusammenfügen der Teile oder bei der Betätigung der Radial-Preßeinrichtung gebildet. Der Radialdruck der Preßeinrichtung ist umfangsverteilt gleichmäßig, d. h. aus allen radialen Richtungen wird ein gleich starker Druck ausgeübt.

Die erfindungsgemäße Konstruktion ermöglicht die Übertra gung sehr hoher Drehmomente und hat selbstzentrierende Eigenschaften. Zugleich wird eine stabile axiale Fixie rung in einem Arbeitsgang, also ohne daß eine zusätzliche Schraube (wie bei der EP 0339380 A1 und der DE 40 06 475 A1) an gezogen werden muß, erreicht. Im Gegensatz zu Formschluß- Spannsatzverbindungen der in der DE 36 36 393 A1 beschrie benen Bauart müssen nur zwei statt vier Längsprofilierun gen hergestellt werden. Im Hinblick auf die Festigkeits eigenschaften sind die Spannungsverhältnisse in der Nabe günstiger, so daß bei gleicher Dimensionierung eine hö here Festigkeit erreicht wird. Bei der Montage bleibt die axiale Relativposition von Welle und Nabe erhalten, es wirken also keine axialen Schiebekräfte auf die genannten Bauteile ein.

In Anbetracht dieser Vorteile ist es erstaunlich, daß die im nachhinein einfach erscheinende erfindungsgemäße Kon struktion noch nicht vorgeschlagen wurde. Beispielsweise werden in "Dubbel; Taschenbuch für den Maschinenbau", 19. Auflage, Springer-Verlag, in den Abschnitten G1.4 und G1.5 zahlreiche Reibschlußverbindungen und Formschlußver bindungen beschrieben, die sich als Welle-Nabe-Verbindung eignen. In dem Abschnitt 1.5.8 werden "vorgespannte Welle-Nabe-Verbindungen" diskutiert, die alle darauf ba sieren, zwischen der Welle und der Nabe ein keilförmiges Element einzufügen, durch dessen Verschiebung in Längs richtung ein radialer Druck einerseits auf die Bohrung der Nabe nach außen und andererseits auf die Mantelfläche der Welle in Richtung auf deren Achse ausgeübt wird. An diesen vorbekannten Verbindungen wird deren Neigung zur Exzentrizität kritisiert, ohne daß Wege zur Lösung dieses Problems aufgezeigt werden.

Vorzugsweise steht das Mitnehmerprofil der Welle und das Innenprofil der Nabe ohne ein dazwischenliegendes Bauele ment in unmittelbarem Kontakt zueinander. Beide Profile sind dabei so gefertigt, daß sie beim Zusammenfügen der Welle und der Nabe ineinandergreifen und mindestens mit einem Teil der korrespondierenden Flächen aufeinander gleiten.

Unsymmetrische Gestaltungen sind grundsätzlich möglich. Bevorzugt ist jedoch eine Konstruktion, bei der die Längsverzahnung aus auf dem Umfang der Welle verteilten Erhebungen und Vertiefungen besteht, wobei diese beson ders bevorzugt rotationssymmetrisch gestaltet sind. Ins besondere hat sich eine Gestaltung als gleichmäßige Längsverzahnung als vorteilhaft hinsichtlich optimaler Eigenschaften bezüglich der Montage und der Übertragung hoher Drehmomente erwiesen.

In den Zeichnungen sind Ausführungsbeispiele der erfin dungsgemäßen Welle-Nabe-Verbindung schematisch darge stellt; es zeigen:

Fig. 1 eine erste Ausführungsform im Längsschnitt,

Fig. 2 einen Querschnitt entlang der Linie II in Fig. 1,

Fig. 3 eine Detailskizze zu Fig. 2,

Fig. 4 eine weitere Ausführungsform im Längsschnitt,

Fig. 5 einen Querschnitt entlang der Linie V in Fig. 4.

Die Fig. 1 bis 3 zeigen eine erste Ausführungsform ei ner erfindungsgemäßen Welle-Nabe-Verbindung 1, durch die eine Welle 2 drehfest mit einer Nabe 3 verbunden wird. Ein als Mitnehmerabschnitt 4 bezeichneter Teilabschnitt der Welle 2 weist ein von der Kreisform abweichendes Querschnittsprofil auf, das als Mitnehmerprofil 5 be zeichnet wird. Die Bohrung 6 der Nabe 3 ist mit einem In nenprofil 7 versehen, das sich in axialer Richtung von einem Welleneingriffsende 8 der Nabe 3 über eine Länge erstreckt, die mindestens der Länge des gewünschten form schlüssigen Eingriffs zwischen dem Innenprofil 7 und dem Mitnehmerprofil 5 entspricht.

Die Profile 5 und 7 sind miteinander in dem Sinne kon gruent, daß ihre jeweiligen Erhebungen und Vertiefungen sowohl in Umfangsrichtung als auch in axialer Richtung fluchten und in wechselseitigem formschlüssigem Eingriff stehen, d. h. die Erhebungen des einen Profils dringen in entsprechende Vertiefungen des anderen Profils ein.

Das Mitnehmerprofil 5 und das Innenprofil 7 bilden eine Längsverzahnung. Einzelheiten einer bevorzugten Gestal tung der Längsverzahnung sind in Fig. 3 zu erkennen. Vorzugsweise stehen die Profile 5 und 7 in unmittelbarem Kontakt zueinander, berühren sich aber nicht vollflächig, sondern nur im Bereich definierter Teilflächen der Man telfläche 12 der Welle 2 bzw. Innenfläche 13 der Nabe 3. Diese definierten Teilflächen werden als Druckflächen 14 bezeichnet.

Bei einer Längsverzahnung resultiert der bevorzugte Kon takt im Bereich definierter Druckflächen 14 daraus, daß der Radius des Kopfkreises 15 der Längsverzahnung 10 kleiner ist als der Radius des Fußkreises 16 der Längs verzahnung 11 und daß der Radius des Kopfkreises 17 der Längsverzahnung 11 größer ist als der Radius des Fuß kreises 18 der Längsverzahnung 10, so daß sich die Ver zahnungen im Bereich ihrer Kopf- bzw. Fußkreise nicht be rühren. Bevorzugt wird eine mit Normwerkzeugen kosten günstig herstellbare Evolventenverzahnung verwendet.

Die Nabe 3 ist mittels einer Radial-Preßeinrichtung 25 in Richtung auf die Drehachse A derartig umfangsverteilt gleichmäßig zusammenpreßbar, daß sich das Innenprofil 7 der Nabe 3 in spielfreiem Eingriff mit dem Mitnehmerpro fil 5 der Welle 2 befindet. Bei der bevorzugten Ausfüh rungsform der Fig. 1 und 2 weist die Radial-Preßein richtung einen Stauchring 26 auf, der einen doppelkoni schen Außenmantel 27 mit Maximaldurchmesser zwischen zwei konischen Teilabschnitten hat. Zwei den Stauchring 26 um schließende Spannringen 28, 29 sind innenseitig entspre chend dem Außenmantel 27 des Stauchrings 26 konisch aus gebildet. Der Spannring 28 hat auf einem Kreis gleichmä ßig verteilte axiale Bohrungen 30, die mit entsprechenden Gewindebohrungen 31 des Spannrings 29 fluchten. In den Bohrungen 30 und Gewindebohrungen 31 sind Spannschrauben 32 eingesetzt. Durch Anziehen der Schrauben 32 werden die Spannringe 28 und 29 in axialer Richtung aufeinander zu bewegt und drücken mit ihren konischen Innenflächen den Stauchring 26 radial nach innen in Richtung auf die Achse A, so daß die Nabe 3 in dem Bereich ihres Innenprofils 7 allseitig gleichmäßig zusammengedrückt wird.

Die in Fig. 1 dargestellte Konstruktion einer Radial- Preßeinrichtung 25 entspricht einer für Reibschlußverbin dungen gebräuchlichen Gestaltung, die als Schrumpfschei ben-Verbindung bezeichnet wird. Sie eignet sich für die vorliegende Erfindung in besonderem Maße. Grundsätzlich sind jedoch auch andere Radial-Preßeinrichtungen einsetz bar. Insbesondere kann eine Konstruktion mit einem die Nabe umschließenden einfach konischen Stauchring und ei nem entsprechenden einfach konischen Spannring verwendet werden. Dabei ist der Spannring relativ zu dem Stauchring axial verstellbar, beispielsweise mittels einer Flansch scheibe, gegen die der Stauchring in axialer Richtung drückt und die mit Schraubenbohrungen des Spannrings zu sammenwirkende Schraubenbohrungen aufweist.

In besonderen Anwendungsfällen kann es auch zweckmäßig sein, einen Typ einer Radial-Preßeinrichtung zu verwen den, der sich besonders gut für eine maschinelle, vor zugsweise vollautomatische, Betätigung eignet. Hierzu ge hören insbesondere hydraulische Preßeinrichtungen.

In Fig. 3 ist deutlich zu erkennen, daß die Druckflächen 14, die durch die Zahnflanken 20 und 21 der Längsverzah nungen 10 und 11 gebildet werden, schräg zu einem sie schneidenden Radialstrahl S der Drehachse A verlaufen. Dadurch wird die durch das Zusammenpressen der Nabe 3 mittels der Radial-Preßeinrichtung 25 erzeugte radiale Preßkraft in eine tangentiale Preßkraft umgesetzt. Der Winkel α zwischen der Druckfläche 14 und dem sie schnei denden Radialstrahl S sollte bevorzugt kleiner als 60° sein, um bei gegebener Radialkraft eine hohe Tangen tialkraft zu bewirken. Durch die Erhöhung der Tangential kraft wird eine bessere axiale Fixierung erreicht. Außer dem ergibt sich eine Spannungsreduktion der durch das Drehmoment erzeugten Normalspannungen.

Die in Fig. 4 dargestellte weitere bevorzugte Ausfüh rungsform zeichnet sich dadurch aus, daß an der Mantel fläche 12 der Welle 2 und der Innenfläche 13 der Nabe 3 jeweils zusätzliche Zentrierflächen 42 bzw. 43 vorgesehen sind, die im montierten Zustand der Welle-Nabe-Verbindung in axialer Richtung miteinander fluchten. Ihre Durchmes ser sind so aufeinander abgestimmt, daß sie beim Zusam menfügen der Welle-Nabe-Verbindung satt aufeinander glei ten. Hierdurch wird die Zentrierung der erfindungsgemäßen Welle-Nabe-Verbindung zusätzlich verbessert.

Bezugszeichenliste

1	Welle-Nabe-Verbindung
2	Welle
3	Nabe
4	Mitnehmerabschnitt
5	Mitnehmerprofil
6	Bohrung
7	Innenprofil
8	Welleneingriffsende
10	Längsverzahnung in 2
11	Längsverzahnung in 3
12	Mantelfläche von 2
13	Innenfläche von 3
14	Druckfläche
15	Kopfkreis von 10
16	Fußkreis von 11
17	Kopfkreis von 11
18	Fußkreis von 10
20	Zahnflanke von 10
21	Zahnflanke von 11
25	Radialpreßeinrichtung
26	Stauchring
27	doppelkonischer Außenmantel
28	Spannring
29	Spannring
30	Bohrung
31	Gewindebohrung
32	Spannschraube
35	Mitnehmerprofil
37	Innenprofil
42	Zentrierfläche rechts
43	Zentrierfläche links
A	Drehachse
S	Radialstrahl

Claims

1. Drehfeste Welle-Nabe-Verbindung zur Übertragung hoher Drehmomente mit einer um eine Drehachse rotierbaren Welle (2) und einer zu der Welle koaxialen, die Welle (2) umschließenden Nabe (3), bei welcher
die Welle (2) zumindest auf einem als Mitnehmerab schnitt (4) dienenden Teilabschnitt ihrer Länge ein von der Kreisform abweichendes vorgefertigtes Mitneh merprofil (5, 35) aufweist,
die Bohrung (6) der Nabe (3) ein mit dem Mitnehmer profil formschlüssig zusammenwirkendes vorgefertigtes Innenprofil (7, 37) aufweist und
die Nabe (3) mittels einer Radial-Preßeinrichtung (25) in Richtung auf die Drehachse (A) derartig zu sammenpreßbar ist, daß sich das Innenprofil (7, 37) der Nabe (3) in Eingriff mit dem Mitnehmerprofil (5) der Welle (2) befindet,
dadurch gekennzeichnet, daß
das Mitnehmerprofil (5, 35) als Längsverzahnung (10) ausgebildet ist, welche Druckflächen (14) aufweist, die unter einem Winkel α zu einem sie schneidenden Radialstrahl (S) der Drehachse (A) von weniger als 60° derartig schräg verlaufen, daß die durch das Zusammenpressen der Nabe (3) mittels der Radial- Preßvorrichtung (25) erzeugte radiale Preßkraft in eine tangentiale Preßkraft umgesetzt wird.

2. Welle-Nabe-Verbindung nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, daß die Längsverzahnung eine Evolven tenverzahnung ist.

3. Welle-Nabe-Verbindung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Mitnehmer profil (5, 35) der Welle (2) und das Innenprofil (7, 37) der Nabe (3) in unmittelbarem Kontakt zueinan der stehen.

4. Welle-Nabe-Verbindung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Längsver zahnung (10) der Welle (2) rotationssymmetrisch ist.

5. Welle-Nabe-Verbindung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Radial- Preßeinrichtung (25) einen die Nabe (3) umschließen den konischen Stauchring (26) und einen den Stauch ring (26) umschließenden innenseitig entsprechend konisch ausgebildeten Spannring (28) sowie mehrere gleichmäßig auf einem Kreis mit Schraubenbohrungen (30,31) verteilt angeordnete axial gerichtete Spann schrauben (32) aufweist, mittels der der Spannring (28) derartig axial spannbar ist, daß der Stauchring (26) radial nach innen gegen die Nabe (3) gedrückt wird.

6. Welle-Nabe-Verbindung nach Anspruch 5, dadurch ge kennzeichnet, daß der Stauchring (26) einen doppel konischen Außenmantel hat und zwei den Stauchring umschließende innenseitig entsprechend konisch ausge bildete Spannringe (28, 29) vorgesehen sind, wobei die Spannschrauben (32) die beiden Spannringe (28, 29) re lativ zueinander derartig bewegen, daß der Stauchring (26) radial nach innen gegen die Nabe (3) gedrückt wird.

7. Welle-Nabe-Verbindung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Welle (2) und die Nabe (3) jeweils axial versetzt zu dem Mit nehmerprofil (5, 35) bzw. dem Innenprofil (7, 37) Zen trierflächen (42, 43) aufweisen, die in axialer Rich tung miteinander fluchten und deren Durchmesser so aufeinander abgestimmt sind, daß sie beim Zusammenfü gen der Welle-Nabe-Verbindung aufeinander gleiten.