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Die
Erfindung betrifft eine Wellenverbindung, die zwei zu kuppelnde
Wellen zum Übertragen
eines Drehmoments verbindet, wobei ein Wellenende zumindest eine
Ausnehmung und/oder einen Vorsprung und ein anderes Wellenende zumindest
einen Vorsprung und/oder eine Ausnehmung aufweist.
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Wellenverbindungen
der eingangs genannten Art sind z.B. aus der US-3222772 A bekannt.
Sie werden beispielsweise dadurch gebildet, daß an einem Wellenende, insbesondere
an dessen Stirnseite eine Leiste hervorsteht, die in eine entsprechende Nut
an der Stirnseite der anderen Welle eingreift. Durch einen derartigen
Formschluß werden
Drehmomente von einer antreibenden Welle auf eine anzutreibende
Welle übertragen.
Jedoch arbeiten diese Wellenverbindungen nur dann fehlerfrei, wenn
die beiden Wellen einwandfrei fluchten. Dies hat man bisher zu erreichen
versucht, indem an die die Wellen aufnehmenden Gehäuseteilen
Zentrierstifte und Bohrungen angebracht wurden. Dadurch wird jedoch lediglich
erreicht, daß die
Gehäuseteile
zueinander ausgerichtet sind. Beispielsweise wird dieses Prinzip in
der Kraftfahrzeugtechnik verwendet. Hierbei werden Vakuumpumpen
mit Hilfe von Zentrierstiften am Zylinderkopf beziehungsweise am
Motorblock einer Brennkraftmaschine ausgerichtet. Treten aufgrund von
Montagefehlern und/oder Toleranzen zwischen Welle und Gehäuse Fehlstellungen
(Achsversatz) auf, so wird die Wellenverbindung sehr rasch beschädigt oder
zerstört.
Dies geschieht dadurch, daß die
Leiste der einen Welle, die in die Nut der anderen Welle eingreift,
sich verklemmt. Dadurch kann der Antrieb der Pumpe blockieren. Dies
hat man dadurch versucht zu verhindern, daß ein bestimmtes Spiel zwischen
den Leisten und den entsprechenden Nuten zugelassen wurde. Ein derartiges
Spiel begünstigt
jedoch bei einer Fehlstellung der Wellen das sogenannte Kantentragen.
Es kommt zu unzulässig
hohen Flächenbelastungen
beziehungsweise Kantenpressungen, die die Wellenverbindung rasch
verschleißen
oder sogar zerstören.
Um dem entgegenzuwirken, werden die tragenden Flächen der Leisten und der Nuten
ballig ausgeführt.
Bei balligen Flächen erfolgt
unter Einwirkung von Druckkräften
eine Abplattung der Berührungsstellen.
Dieser als "Hertzsche
Pressung" bekannte
Effekt führt
bei überhöhten Druckkräften dazu,
daß die
Abplattung zu einer plastischen Verformung der Leiste beziehungsweise
Nut führt.
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Weiterhin
wurde im Stand der Technik bereits vorgeschlagen, einen Achsversatz
beziehungsweise eine Winkelverlagerung der Wellen dadurch auszugleichen,
daß eine
gelenkige Kupplung zwischengeschaltet wurde. Eine derartige Kupplung wird
durch elastische Gelenkwellen, Kardangelenke oder durch eine allgemein
bekannte Oldham-Kupplung realisiert. Die Herstellung derartiger
Kupplungen hat sich jedoch als kostenintensiv herausgestellt. Weiterhin
werden durch eine Kupplung, die auf die Wellenenden aufgesetzt ist,
die Baulänge
und das Gewicht der Gesamtanordnung vergrößert. Ferner ist hierbei nachteilig,
daß bei
modernen Kraftfahrzeugmotoren, ins besondere an der Nockenwelle höhere Drehwinkelbeschleunigungen
auftreten, die eine extreme Belastung der von der Nockenwelle angetriebenen
Nebenaggregate bewirken. Durch das Spiel der Kupplung werden die
Drehwinkelbeschleunigungen, die auf die Wellen der Nebenaggregate
wirken, sogar noch um den Faktor 2 bis 4 erhöht.
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Sämtliche
im Stand der Technik bekannten Maßnahmen zielen nicht darauf
ab Fehlstellungen der Wellen zu vermeiden, sondern lediglich deren Auftreten
auszugleichen. Dies führt
zu den bereits eingangs genannten Nachteilen.
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Es
ist daher Aufgabe der Erfindung eine Wellenverbindung zu schaffen,
bei der die Wellen so ausgerichtet sind, daß sie fluchten.
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Diese
Aufgabe wird mit Hilfe einer Wellenverbindung gelöst, die
die in Anspruch 1 genannten Merkmale zeigt. Dadurch, daß zumindest
an einem Wellenende eine Zentriereinrichtung vorgesehen ist, die
mit zumindest einer an dem anderen Wellenende angeordneten Gegenzentriereinrichtung
zusammenwirkt, wird eine Ausrichtung direkt von Welle zu Welle erreicht.
Dadurch wird vermieden, daß Fehlstellungen,
insbesondere ein Achsversatz, auftreten. Mit dieser Wellenverbindung
lassen sich also nicht nur die Baulänge und das Gewicht einer Pumpeneinheit verringern,
sondern auch die Herstellungskosten werden reduziert. Die Zentriereinrichtung
und die Gegenzentriereinrichtung weisen zumindest bereichsweise
einen Materialauftrag oder mindestens einen Vorsprung auf. Der Materialauftrag
wird durch eine Oberflächenbehandlung
oder ein Aufsteckteil realisiert. Dadurch wird in vorteilhafter
Weise erreicht, daß bei
der Montage der Wellen diese fluchtend ausgerichtet werden können, jedoch läßt der Materialauftrag
im Betrieb der Pumpe ein geringfügiges
Spiel zwischen den Wellen zu, da der Materialauftrag oder der Vorsprung
unter Einwirkung von Druckkräften und/oder
Temperatur verformt oder abgetragen werden können. Dadurch ist es in besonders
vorteilhafter Weise möglich,
daß zwar
bei der Montage eine sehr genaue Ausrichtung der Wellen zueinander
erfolgt, im Betrieb ein durch Wärmeverzug
auftretendes Spiel zwischen den Wellen dennoch sicher zwischen den
Ausnehmungen beziehungsweise Vorsprüngen an den Wellenenden ausgeglichen
wird.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
ist vorgesehen, daß die
Zentriereinrichtung als Vorsprung und die Gegenzentriereinrichtung
als eine den Vorsprung aufnehmende Ausnehmung ausgebildet sind.
Dadurch kann eine Pumpenwelle formschlüssig und im wesentlichen spielfrei
bei der Montage in die Antriebswelle (Nockenwelle eines Verbrennungsmotors)
gesteckt werden. Bevorzugt wird eine kreiszylindrische Ausführung der
Ausnehmung und des Vorsprungs.
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In
einer Ausführungsvariante
kann vorgesehen sein, daß sowohl
die Zentriereinrichtung als auch die Gegenzentriereinrichtung als
kreiszylindrische Ausnehmung ausgeführt sind. Eine Verbindung der beiden
Wellen wird dabei durch ein Verbindungselement realisiert, das die
Wellen miteinander koppelt.
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In
bevorzugter Ausführungsform
ist das Verbindungselement als Stift ausgeführt. Alternativ kann vorgesehen
sein, anstatt des Stiftes eine Hülse
zu verwenden. Jedoch sind dann die Zentriereinrichtung und die Gegenzentriereinrichtung
vorzugsweise als kreiszylindrischer Vorsprung auszuführen.
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In
einer weiteren Ausführungsform
ist vorgesehen, daß der
Stift keinen Materialauftrag aufweist, sondern spielfrei in die
Gegenzentriereinrichtung und die Zentriereinrichtung eingesteckt
ist, so daß vorzugsweise
eine geringe Pressung vorliegt. Bei einer derartigen Ausführung des
Verbindungselements weist dieses jedoch insbesondere eine Sollbruchstelle
auf, die bei einem entsprechenden Achsversatz oder Fluchtungsfehler
bricht. Dadurch wird ebenfalls in vorteilhafter Weise gewährleistet,
daß die
Welle der Pumpe bei der Montage fluchtend mit der antreibenden Welle
ausgerichtet ist, jedoch im Betrieb der Pumpe ein Achsversatz wiederum
durch die Ausnehmung beziehungsweise den Vorsprung an den Wellenenden
ausgeglichen werden kann.
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Weitere
Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen Unteransprüchen.
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Die
Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Es
zeigen:
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1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer Wellenverbindung,
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2 ein weiteres Ausführungsbeispiel der Wellenverbindung,
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3 ein drittes Ausführungsbeispiel der Wellenverbindung,
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4 eine
Seitenansicht der Wellenverbindung gemäß 2,
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5 ein
viertes Ausführungsbeispiel
der Wellenverbindung,
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6 eine
Teilansicht der in 5 dargestellten Wellenverbindung
und
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7 ein
weiteres Ausführungsbeispiel
der Wellenverbindung.
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Im
folgenden wird rein beispielhaft davon ausgegangen, daß es sich
bei der angetriebenen Welle um die Welle einer Vakuumpumpe handelt.
Die die Pumpenwelle antreibende Welle ist beispielsweise die Nockenwelle
eines Kraftfahrzeugmotors.
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Die 1 zeigt eine Stirnseite 1 einer
Pumpenwelle 3 und eine Stirnseite 1' einer Antriebswelle 5,
die zwecks Drehmomentübertragung
verbunden wer den können.
Die Pumpenwelle 3 ist drehbar gelagert und ragt aus einem
Flansch 7 eines hier nicht näher dargestellten Pumpengehäuses einer
Vakuumpumpe heraus. Die Antriebswelle 5 ist beispielsweise die
Nockenwelle 9 eines hier nicht weiter dargestellten Motors
eines Kraftfahrzeugs und ist in einem Zylinderkopf 11 beziehungsweise
Motorblock drehbar gelagert.
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Die
Stirnseite 1 umfaßt
eine Ausnehmung 13, die sich aus einem abgeflachten Bereich 15 und einer
weiteren Ausnehmung 14 mit einem zylindrischen Bereich 17 zusammensetzt.
Die Ausnehmung 13 ist vorzugsweise randoffen ausgeführt. Der
Mittelpunkt der Ausnehmung 14 fällt mit der Mittelachse 19 der
Pumpenwelle 3 zusammen.
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Die
Stirnseite 1' weist
einen auch als Zweiflach bezeichneten Vorsprung 21 mit
einem abgeflachten Bereich 15' auf. Ein weiterer Vorsprung 22 bildet
einen zylindrischen Bereich 17'. Vorzugsweise ist die Breite des
abgeflachten Bereichs 15' des
Vorsprungs 21 geringfügig
kleiner als der abgeflachte Bereich 15 der Ausnehmung 13.
Entsprechendes gilt für
den zylindrischen Bereich 17',
der einen minimal geringeren Durchmesser aufweist als der zylindrische
Bereich 17. Auch fällt
ein Mittelpunkt des Vorsprungs 22 mit der Mittelachse 19' der Antriebswelle 5 zusammen.
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Die
Stirnseiten 1 und 1' sind
also so ausgeführt,
daß sie
ineinander gesteckt eine formschlüssige Wellenverbindung 2 bilden,
wobei die Ausnehmung 14 als Zentriereinrichtung 23 und
der Vorsprung 22 als Gegenzentriereinrichtung 24 dienen.
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Das
Ausführungsbeispiel
gemäß 2 zeigt in der 2a die
Pumpenwelle 3 mit ihrer Stirnseite 1'', wobei in Abweichung zu 1 lediglich der zylindrische Bereich 17 dieselbe
Breite b wie der abgeflachte Bereich 15 der Ausnehmung 13 aufweist.
Der zylindrische Bereich 17 wird hier durch eine Bohrung 26 gebildet,
die auf dem Boden 25 der Ausnehmung 13 mündet.
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Die
in der 2b dargestellte Antriebswelle 5 weist
an ihrer Stirnseite 1''' den Vorsprung 21 auf, von
dem vorzugsweise einstückig
der zylindrische Bereich 17' ausgeht.
Insbesondere ist die Breite b' des
Vorsprungs 21 geringfügig
kleiner als die Breite b der Ausnehmung 13. Entsprechendes
gilt für
die zylindrischen Bereiche 17 und 17'. Die Wellenverbindung 2 gemäß 2 findet beispielsweise dann Anwendung,
wenn höhere
Drehmomente übertragen werden
sollen. Dies wird dadurch ermöglicht,
daß die Fläche der
Seitenwände 27 beziehungsweise 27' der Ausnehmung 13 beziehungsweise
des Vorsprungs 21 größer ist,
wie die Seitenwände 27 beziehungsweise 27' der Ausnehmung 13 beziehungsweise
des Vorsprungs 21 gemäß dem Ausführungsbeispiel nach 1. Die Seitenwände 27 und 27' können auch
ballig ausgeführt
sein.
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Das
Ausführungsbeispiel
gemäß 3 unterscheidet sich von dem Ausführungsbeispiel
gemäß 2 beziehungsweise 1 lediglich
dadurch, daß der
zylindrische Bereich 17 beziehungsweise 17' einen verringerten
Durchmesser aufweist. Insofern kann auf die Figurenbeschreibung
der 1 und 2 verwiesen
werden. Gleiche Teile sind mit gleichen Bezugsziffern versehen.
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Insbesondere
kann jedoch für
die Wellenverbindung 2 gemäß 3 auch
vorgesehen sein, daß der
zylindrische Bereich 17' des
Vorsprungs 22 durch ein in die Antriebswelle 5 eingesetztes
Verbindungselement 28, insbesondere einen Stift 29,
gebildet wird, das in eine Bohrung 31 eingesetzt ist. Die
Bohrung 31 ist zumindest in den Vorsprung 22 eingebracht,
deren Mittelpunkt ebenfalls mit der Mittelachse 19' der Antriebswelle 5 zusammenfällt.
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Die 4 zeigt
die Wellenverbindung 2 der 2a beziehungsweise 2b in
geschnittener Seitenansicht. Insofern wird, auf die Beschreibung für die 1 beziehungsweise 2 verwiesen.
Ferner sind gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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In 4 wird
deutlich, daß die
zylindrischen Bereiche 17 beziehungsweise 17' beim Zusammenstecken
der beiden Wellenenden als Zentriereinrichtung 23 beziehungsweise
Gegenzentriereinrichtung 24 wirken. Zur genauen Ausrichtung
der Wellen weist die Gegenzentriereinrichtung 24 einen
Materialauftrag 35 auf, der stegförmig in Richtung der Längserstrekkung
des zylindrischen Bereichs 17' auf dessen Oberfläche aufgebracht
ist. Der Materialauftrag 35 ist bereichsweise so auf die
Oberfläche
aufgebracht, daß vorzugsweise
drei Stege 37 gebildet werden, die auf der Oberfläche – in Umfangsrichtung
gesehen – jeweils
um 120° zueinander
versetzt angeordnet sind. Die Höhe
beziehungsweise Dicke des Materialauftrags 35 ist so bemessen,
daß die
Gegenzentriereinrichtung 24 im wesentlichen spielfrei in die
Zentriereinrichtung 23 eingreift. Jedoch kann der Materialauftrag 35 auch
in Form von Noppen realisiert sein oder durch einen einzelnen Steg
gebildet werden, der sich schraubenlinienartig auf der Umfangsfläche des zylindrischen
Bereichs 17' erstreckt.
Selbstverständlich
sind auch mehrere Stege 37 aufbringbar, die dann – vorzugsweise
jeweils um den gleichen Winkel – versetzt
zueinander angeordnet sind.
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Durch
den Materialauftrag 35, der vorzugsweise aus Kunststoff
besteht, wird bei der Montage der Pumpenwelle 3 auf der
Antriebswelle 5 eine optimale Ausrichtung der beiden wellen
erreicht, so daß diese
sehr genau fluchten. Jedoch ist der Materialauftrag 35 so
ausgelegt, daß er
im Betrieb der Pumpe, das heißt,
bei einer Drehmomentübertragung
von der Antriebswelle 5 auf die Pumpenwelle 3 durch
die Druckkräfte
beziehungsweise durch eine ansteigende Temperatur verformt oder
abgetragen werden kann.
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Dadurch
ergibt sich zwischen der Zentriereinrichtung 23 und der
Gegenzentriereinrichtung 24 ein geringfügiges Spiel (wenige Hundertstel
Millimeter), so daß bei
einem Achsversatz, hervorgerufen durch Wärmeausdehnung während des
Betriebs, durch elastische Verformungen der Wellen, insbesondere
der Nockenwelle und durch Lagerspiele und dergleichen, dennoch eine
optimale Drehmomentübertragung
erfolgen kann, wobei der Vorsprung 21 und die Ausnehmung 13 aufgrund
des Spieles leicht gegeneinander verschoben werden können. Dadurch,
daß der
Vorsprung 21 eine geringere Höhe h aufweist als die Tiefe
t der Ausnehmung 13 ergibt sich, daß die Wellenverbindung 2 eine
Längsverschiebung
der Wellen zueinander zuläßt.
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Der
Materialauftrag 35 kann insbesondere aus einem elastischen
Werkstoff bestehen, der im Betrieb der Pumpe elastisch verformt
wird, also quasi wie ein federndes Element wirkt. Auch dadurch wird eine
einfache Montage der Wellen ermöglicht,
die sich durch eine optimale Ausrichtung der Wellen zueinander auszeichnet,
wobei jedoch ein Klemmen des Antriebs während des Betriebs verhindert
wird, da ein genügend
großes
Spiel innerhalb der Wellenverbindung 2 vorhanden ist, das
durch Verformung und/oder Abtrag des Materialauftrags 35 ermöglicht wird.
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Die 5 zeigt
in vergrößerter Darstellung die
Antriebswelle 5 mit dem Vorsprung 21 beziehungsweise 22 sowie
einem daran angeordneten zylindrischen Bereich 17', der in Abweichung
zur 4 eine Ringnut 39 aufweist, in der der
Materialauftrag 35 in Form eines ringförmigen Aufsteckteils 41 eingebracht
ist. Das Aufsteckteil 41 weist jeweils um 120° versetzt
zueinander angeordnete Vorsprünge 43 auf. Die
Vorsprünge 43 gewährleisten
bei der Montage der Pumpenwelle 3 auf der Antriebswelle 5,
daß die Wellen
so ausgerichtet sind, daß sie
fluchten. Vorzugsweise ist das Aufsteckteil 41 aus Kunststoff
gefertigt. Selbstverständlich
sind in den Vorsprung 22 auch mehrere Ringnuten 39 einbringbar,
die dann ebenfalls mit einem Aufsteckteil 41 ausgerüstet sind.
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Die 6 zeigt
vergrößert das
Aufsteckteil 41 mit den an ihm angebrachten Vorsprüngen 43. Der
Innendurchmesser d ist genau so groß oder etwas kleiner wie der
Durchmesser des Bodens (nicht dargestellt) der Ringnut 39,
so daß das
Aufsteckteil 41 zwar sicher auf dem Boden der Ringnut zu
liegen kommt, jedoch nicht verformt wird. Der Radius r des Umkreises
(gestrichelt dargestellt) des Aufsteckteils 41 ist im wesentlichen
genau so groß wie
der Radius der Bohrung 26, so daß die Gegenzentriereinrichtung 24 spielfrei
in der Zentriereinrichtung 23 geführt ist.
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Das
Ausführungsbeispiel
gemäß 7 zeigt eine
Wellenverbindung 2a, die bezüglich der Ausnehmung 13 und
des Vorsprungs 21 im wesentlichen dem Ausführungsbeispiel
gemäß 3 entspricht. Jedoch weist der Stift 29 eine
Verjüngung 45 auf,
die vorzugsweise als Sollbruchstelle 47 ausgeführt ist. Der
Stift 29 wirkt mit der Gegenzentriereinrichtung 24 und
mit der Zentriereinrichtung 23 zusammen, wobei die Gegenzentriereinrichtung 24 hier
durch eine Bohrung 49 gebildet wird, die vorzugsweise bis
in den Kern der Antriebswelle 5 reicht. Der Stift 29 wird
zur Montage in die Bohrung 49 der Antriebswelle 5 bis zum
Anschlag 51 eingesteckt. Anschließend wird die Pumpenwelle 3 mit
der Zentriereinrichtung 23, die auch hier durch eine Bohrung 26 gebildet
ist, aufgesteckt.
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Sollte
ein Fluchtungsfehler vorliegen, wird im Betrieb der Pumpe durch
die Verjüngung 45 gewährleistet,
daß die
Pumpenwelle 3 und die Antriebswelle 5 gegeneinander
ausgelenkt werden können.
Dabei kann sich die Verjüngung 45 entweder
elastisch verformen oder sie ist, wie bereits erwähnt, als
Sollbruchstelle 47 ausgeführt.
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Anstelle
der Anschläge 51 und 51' können auch
eine oder beide Bohrungen 49 und 26 konisch ausgeführt sein,
um bei der Montage ein möglichst spielfreies
Ausrichten der beiden Wellen zueinander zu gewährleisten. Alternativ ist es
auch möglich,
den Stift 29 an seinen Endbereichen 55 und 57 konisch auszubilden.
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Nach
alledem wird deutlich, daß die
erfindungsgemäße Wellenverbindung
bei dem Zusammenstecken der Wellenenden eine optimale Ausrichtung
ohne Fluchtungsfehler gewährleistet,
wobei anschließend
die die Wellen aufnehmenden Gehäuseteile
aneinander befestigt werden, jedoch im Betrieb ein beispielsweise
durch Wärmeausdehnung
entstehender Achsversatz dennoch sicher ausgeglichen werden kann.