DE19911118A1 - Metallwelle zur Aufnahme eines aufzuspritzenden oder aufzusteckenden Teils - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Metallwelle, beispielsweise eine zylindrische Welle, mit einem einen Kragen bildenden Bereich vergrößerten Durchmessers zur Aufnahme eines aufzuspritzen­ den Teils, z. B. eines Kunststoffrades, das zusammen mit der Metallwelle ein Element einer kinematischen Kette bilden kann. Die Erfindung betrifft auch eine Anordnung aus dieser Welle und dem auf diese aufgespritzten oder aufgesteckten Teil.

Bekanntlich ist das einfachste Mittel zur Verankerung eines gespritzten Materials auf einer zylindrischen Welle die Schaffung von auf dem Wellenumfang verteilten Befestigungs­ bereichen durch Schleifen oder Fräsen. Die Form und die Abmessungen der Ausnehmungen oder anderer Befestigungsbe­ reiche sind abhängig von dem zu übertragenden Moment und dem Anwendungsfall. Eine solche Verankerung ist aber nicht sehr stabil. Bei sehr hoher Belastung des Rads und der Welle kann die Verbindung zwischen Welle und Rad an der Verankerungs­ stelle brechen.

Das einzige Mittel zur widerstandsfähigen Befestigung bei sehr hoher Belastung besteht in einer Durchmesserver­ größerung des Befestigungsbereichs.

Mehrere Lösungen sind denkbar:

• - Eine erste Lösung bestünde in der Vergrößerung des Durchmessers der Welle insgesamt. Dies ist häufig nicht möglich, weil die von der Welle angetriebene Vorrichtung eine Durchmesservergrößerung nicht zuläßt. Zudem würde diese Lösung die Gesamtkosten der Anord­ nung erhöhen.
• - Eine zweite Lösung bestünde darin, die Welle aus dem Vollen zu drehen, so daß ein Kragen größeren Durchmes­ sers im Befestigungsbereich für das aufzuspritzende Ritzel stehen bleibt. Dies ist aber für eine indu­ strielle Serienproduktion schwer vorstellbar, einer­ seits, weil sehr viel Material abgedreht werden müßte, und andererseits, weil das abschließende Feinschleifen dann nicht in einem Zug durchgeführt werden könnte, beispielsweise mittels des sogenannten spitzenlosen Feinschleifverfahrens, sondern beidseits des Bereichs größeren Durchmessers zwischen Spitzen.
• - Eine dritte Lösung wäre das Aufpressen eines Rings auf einen in Höhe des aufzuspritzenden Kunststoffritzels liegenden Bereich der Welle. Hierfür müßte dieser Be­ reich der Welle einen etwas größeren Durchmesser als die Welle selbst haben und an dieser Stelle gerieft sein, um den Ring auf der Welle durch die Riefung festzusetzen. Wegen des gerieften Bereichs etwas grö­ ßeren Durchmessers könnte das Feinschleifen wiederum nicht in einem Zug durchgeführt werden. Auch wäre es nicht möglich, den gerieften Bereich mit konventionel­ len, mit einer Serienproduktion kompatiblen Mitteln nach dem Feinschleifen herzustellen, denn die Wellen werden vor dem Feinschleifen gehärtet.

Zur Beseitigung dieser Nachteile wird in der FR-A-2 747 602 ein Verfahren zum Herstellen einer Metallwelle mit einem Kragen zur Aufnahme eines aufzuspritzenden Teils vorgeschla­ gen, bei dem

• - der Durchmesser des Wellenrohlings vor dem Feinschlei­ fen in dem der Aufnahme dienenden Bereich auf einen kleineren Durchmesser verringert wird,
• - die Welle, wenn sie aus Stahl ist, nach einem etwaigen Abschrecken bevorzugt in einem Zug feingeschliffen wird,
• - ein ringförmiger metallischer Einsatz, der beispiels­ weise gedreht ist und aus einem kleinen Ring und einem an diesen koaxial anschließenden, mit diesem über einen dünnen Metallsteg verbundenen großen Ring be­ steht, wobei
  • a) der kleine Ring einen Innendurchmesser hat, der das Aufschieben des kleinen Rings auf die Welle ermöglicht, und an mindestens einer Stelle mit einem Längsschlitz versehen ist und
  • b) der große Ring einen Innendurchmesser hat, der um die Dicke des die zwei Ringe verbindenden dünnen Metallstegs kleiner als der Außendurchmesser des kleinen Rings ist,
  auf die feingeschliffene Welle aufgeschoben wird, bis der große Ring in Höhe des Bereiches verringerten Durchmessers liegt, und dann der kleine Ring unter Bruch des Verbindungssteges in den großen Ring einge­ preßt wird, bis die zwei Ringe unter Verringerung des Innendurchmessers des kleinen Rings koplanar liegen.

Auch wenn die Tatsache, daß die Welle in einem Zug feinge­ schliffen werden kann, die Kosten senkt, hat dieser Vor­ schlag den Nachteil, daß der Metalleinsatz größeren Durch­ messers absolut fest auf der Metallwelle verankert werden muß. Dies bedeutet, daß die mit der Befestigung des auf die Metallwelle aufgespritzten Kunststoffbereichs verbundenen Probleme sich auf die Verbindung zwischen dem Metalleinsatz und der ebenfalls aus Metall bestehenden Welle verlagern, was die Sache keineswegs erleichtert.

Zudem geht gegenüber den gebräuchlichsten Verfahren ein be­ deutender Vorteil verloren. Dieser besteht nämlich in der Schaffung von Verankerungsprofilen direkt auf der Welle. Wenn stark schwankende Kräfte auf die Zähne des aufgespritz­ ten Kunststoffrads einwirken, werden diese Kräfte teilweise durch die Elastizität der Verbindung zwischen dem Kunst­ stoffrad und der Metallwelle aufgefangen, und zwar an der Stelle, an der sich die Verankerungsprofile befinden: so­ lange die Elastizitätsgrenze des Kunststoffs nicht über­ schritten wird, verformt sich dieser unter der Belastung und absorbiert damit Lastspitzen beschädigungsfrei. Dies ist bei der in der vorgenannten FR-A-2 747 602 beschriebenen An­ ordnung nicht der Fall, denn die Verankerung des Kunststoffs auf dem Einsatz größeren Durchmessers weist praktisch kei­ nerlei Elastizität auf. Das gleiche gilt für die Metall/­ Metall-Verbindung zwischen dem Einsatz und der Welle.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese Nachteile zu beseitigen.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß durch eine Metallwelle zur Aufnahme eines aufzuspritzenden oder aufzusteckenden Teils gelöst, umfassend einen Kragen zur Aufnahme und Verankerung des aufzuspritzenden oder aufzusteckenden Teils, wobei

• - die Welle und der Verankerungskragen nach einem Kaltstauchverfahren aus einem Stück gefertigt sind
• - und der Kragen zumindest auf einer Seite Verankerungs­ profile aufweist.

Vorteilhaft sind die Verankerungsprofile Vertiefungen, deren zu ihrer radialen Achse rechtwinkliger Querschnitt die Form einer Wanne mit trichterartig aufgeweiteten oder gegebenen­ falls senkrechten Flanken hat.

Ein Ausführungsbeispiel der Welle nach der Erfindung ist in der Zeichnung schematisch vereinfacht dargestellt. Es zeigt:

Fig. 1 eine Aufsicht der Vorrichtung zur Herstel­ lung der Metallwelle durch Kaltstauchen;

Fig. 2 den am Einlaß der Maschine gewonnenen Me­ tallrohling nach dessen Ablängen;

Fig. 3 bis 8 die aufeinanderfolgenden Schritte zur Her­ stellung der Welle durch Kaltstauchen;

Fig. 9 eine perspektivische Ansicht der Matrize nach Fig. 8, mit der das Kaltstauchwerkzeug versehen ist, sowie eine fertige Welle;

Fig. 10 einen Schnitt, der das Zusammenwirken der Verankerungsbereiche und des in diesen Be­ reichen anschließend aufgespritzen Kunst­ stoffs darstellt;

Fig. 11 einen Teilschnitt eines nach dem Aufspritzen eines Kunststoffs auf die Welle nach Fig. 9 erhaltenen Ritzels;

Fig. 12 eine vergrößerte Detailansicht des Ritzels nach Fig. 11;

Fig. 13 einen Schnitt entlang VIII-VIII in Fig. 12 zusammen mit einer Spritzform, in die Kunst­ stoff eingespritzt ist;

Fig. 14 einen Längsschnitt einer Abwandlung, mit einem nicht auf die Welle aufgespritzten sondern aufgesteckten Ritzel.

Die in Fig. 1 dargestellte Kaltstauchmaschine ist eine her­ kömmliche, horizontal arbeitende Presse, die aus einem ortsfesten Matrizenblock 13 und einem in den zwei angegebe­ nen Richtungen horizontal beweglichen Schlitten 14 mit Loch­ stempeln besteht.

Der ortsfeste Block 13 hat sechs Matrizen 7 bis 12, denen jeweils ein Auswerfer 15 bis 20 zugeordnet ist, mittels dem nach jedem Stempelschlag der Rohling aus der jeweiligen Ma­ trize entnommen werden kann. Der Rohling wird mittels eines üblichen (nicht dargestellten) Zangensystems von einer Ma­ trize zu einer anderen überführt. Die Zangen greifen den Rohling beim Austritt aus einer Matrize und überführen ihn zur nächsten Matrize. Die Matrizen werden nachstehend anhand der Fig. 3 bis 8 ausführlich beschrieben.

Der Schlitten 14 hat sechs Stempel 1 bis 6, die jeweils einer der Matrizen 7 bis 12 zugeordnet sind, und kann mit­ tels einer (nicht dargestellten) Stange in horizontaler Richtung von hinten nach vorne und umgekehrt verschoben werden.

Am vorderen Totpunkt sind die Stempel einige zehntel Milli­ meter von der Stirnseite der jeweils zugeordneten Matrize entfernt, was die gewünschte Deformation des Rohlings er­ möglicht. Am hinteren Totpunkt sind die Stempel so weit von der Stirnfläche der jeweiligen Matrize entfernt, daß der Rohling ausgeworfen und mittels der Zangen zur nächsten Ma­ trize überführt werden kann.

Die Maschine ist zudem mit einer Vorrichtung 21 zum Heran­ führen und Ablängen von Rohmaterial durch Translation des Maschinenvorderendes ausgerüstet, wodurch ein Metallrohling gegebener Länge in Stücke mit zur Herstellung der Welle nach der Erfindung ausreichender Länge geschnitten wird.

Die verschiedenen Schritte zur Herstellung der Welle werden nun anhand der Fig. 2 bis 8 beschrieben.

Im ersten Schritt wird der in Fig. 2 dargestellte Metall­ rohling 22 mittels der Zufuhr- und Ablängvorrichtung 21 abgelängt.

Während der Schlitten 14 zurückgefährt, bringen die Zangen den Rohling 22 zur ersten Matrize 7. Der Rohling 22 wird dann durch Verfahren des Schlittens in dessen vordere Ex­ tremstellung durch die Schlagwirkung zwischen dem Stempel 1 und der zugeordneten Matrize 7 an seinen beiden Enden ver­ formt und auf ein geeignetes Maß gebracht. Die durch das Ablängen entstandenen Oberflächenunebenheiten werden so minimiert (Fig. 3).

Der Schlitten läuft dann zurück. Der Rohling 22 kann mit Hilfe des Auswerfers 15 der Matrize 7 entnommen werden, so daß ihn die Zangen greifen und zur nächsten Matrize 8 über­ führen können.

Wie Fig. 4 zu entnehmen ist, wird durch den dann erfol­ genden Schlag der Querschnitt eines Endes 220 des Rohlings 22 verringert, und zwar nach Art eines Strangpreßverfahrens. Damit wird dieser Bereich der Welle zum späteren Aufrollen eines Gewindes vorbereitet. Der Rohling wird dann, wie vor­ her, mittels des Auswerfers 16 entnommen und mittels der Zangen zur nächsten Schlagstelle 9, 3 überführt.

Wie Fig. 5 zu entnehmen ist, wird im nächsten Schritt der Kragen angestaucht. Da das aufzustauchende Volumen beträcht­ lich ist, sind zur Schaffung des Kragens mehrere Schläge erforderlich. Bei diesem Schritt liegt das für den fertigen Kragen bestimmte Materialvolumen 221 in dem Stempel 3.

Im nächsten Schritt (Fig. 6) wird durch Zusammenwirken der Matrize 10 und des Stempels 4 der Übergangskonus 222 zwi­ schen dem Ende 220 und dem Körper des Rohlings 22 fertig­ gestellt (der Konus 222 dient zur Aufnahme einer Riefung) und das Volumen 221 zur Bildung des Kragens ein zweites Mal aufgestaucht. So wird der Rohling annähernd in die endgül­ tige Form gebracht.

Im nächsten Schritt (Fig. 7) wird durch Zusammenwirken der Matrize 11 und des Stempels 5 die vorgenannte Riefung 23 auf dem Konus 222 hergestellt und die endgültige Dicke und der endgültige Außendurchmesser des Kragens 24 erzeugt.

Im letzten Schritt (Fig. 8) wird durch Zusammenwirken der Matrize 12 und des Stempels 6, deren Formen in den Fig. 8 und 9 deutlich erkennbar sind, der Befestigungskragen 24 durch Kalttiefziehen fertiggestellt. Der endgültige Kragen 24 ist an dem in Fig. 9 dargestellten Endprodukt 29 erkenn­ bar, das nach der Erfindung mit Verankerungsprofilen 25 versehen ist, die auf beiden Seiten 26 und 27 des Kragens und nicht wie nach dem Stand der Technik auf der Umfangs­ fläche 28 liegen. Das Gewinde 30 an dem Ende 222 des End­ produkts 29 ist natürlich nicht durch kaltes Schlagen er­ zeugt sondern nachträglich aufgerollt.

Der Stempel 6 hat die gleiche Form wie die Matrize 12 nach Fig. 9. Er ist aber gegenüber der Matrize 12 um einen Winkel gedreht, der dem Winkel zwischen aufeinanderfolgenden Ver­ ankerungsprofilen 25 entspricht.

Das in Fig. 11 dargestellte Kunststoffritzel oder Zahnrad 31 wird anschließend nach einer üblichen Technik auf die Welle 29 aufgespritzt.

Die Verankerungsprofile 25 haben jeweils die gleiche Form und liegen bei diesem Ausführungsbeispiel abwechselnd auf der Seite 26 und der Seite 27 des Kragens 24. Der Vorteil dieser Anordnung wird anhand Fig. 10 erläutert.

Wie den Fig. 8 bis 11 zu entnehmen ist, haben die Veran­ kerungsprofile 25, betrachtet in dem in Fig. 10 dargestell­ ten Schnitt, rechtwinklig zu ihrer radialen Achse einen wan­ nenförmigen Querschnitt mit ebenem Boden 32 und trichterar­ tig aufgeweiteten Flanken 33 und 34.

Die Winkel α und β, die die Neigung der Flanken 33, 34 gegenüber dem Boden 32 der Wanne 25 beschreiben, sind hier gleich, können aber bei anderen Ausführungsformen, bei denen die Drehrichtung der Anordnung aus der Welle 29 und dem Ritzel 31 von Bedeutung ist, auch unterschiedlich sein.

Wenn die Welle 29 blockiert, während das Kunststoffzahnrad 31 in einer kinematischen Kette integriert ist, und durch letztere angetrieben ist, z. B. in Richtung des Pfeils F, kann der Kunststoff, der eine gewisse Elastizität aufweist, aufgrund der Neigung der Flanken 33, 34 sich deformieren und dabei auf den geneigten Flanken, z. B. der Flanke 33 des Be­ festigungsprofils 25, gleiten. Die gesamte Blockierkraft wird dann auf die Profile 25 übertragen und wirkt nicht auf die Zähne 35 (Fig. 11) des Rads. Infolge der Neigung α der Flanken 33, die in Drehrichtung liegen, profitiert man also von einer gewissen Elastizität.

Wenn das Rad 31 in der dem Pfeil F entgegengesetzten Rich­ tung angetrieben ist, sind die anderen Flanken 34 für die elastische Dämpfung verantwortlich; der Winkel β bestimmt dann die Dämpfung. Wenn sich die zwei Winkel α und β unter­ scheiden, sind auch die Dämpfungen in den beiden Drehrich­ tungen des Rads 31 verschieden.

Fig. 11 zeigt eine fertige Anordnung aus der Welle 29 und dem Ritzel 31 nach Aufspritzen des Kunststoffrads 31 auf die Welle 29. Diese Figur zeigt in Verbindung mit den Fig. 12 und 13 ein weiteres Merkmal nach der Erfindung, das auf den beschriebenen Fall beschränkt ist, bei dem das Zahnrad 31 durch Aufspritzen eines Kunststoffs aufgebracht ist.

Bekanntlich unterliegt Kunststoff nach dem Entformen aus einer Spritzform einer Schrumpfung. Die Schrumpfung ist zwar gering und wirft bei den meisten Anwendungen keine Probleme auf, kann aber manchmal, wie im vorliegenden Fall, dem durch die Erfindung erreichten Dämpfungseffekt entgegenwirken. Tatsächlich bewirkt die Schrumpfung, die auch in radialer Richtung erfolgt, einen dauerhaften radialen Schluß des Rads 31 und der Umfangsfläche 28 des Kragens 24. Wenn die Welle 29 blockiert, kann dann auf Höhe des Kragens 24 keine Bewe­ gung mehr stattfinden, so daß keine Dämpfung wirksam wird.

Um dies zu verhindern, können die beiden Spritzformteile 36, 37 (Boden und Deckel) mit wechselnder Form so ausgestaltet sein (Fig. 13), daß mindestens ein im wesentlichen leerer Zwischenraum 38 entsteht. So liegt unmittelbar über der Um­ fangsfläche 28 des Kragens 24 praktisch kein Kunststoff, mit Ausnahme kleiner radialer Kunststoffzapfen 39, die sich je­ weils an der Umfangsfläche 28 abstützen und bevorzugt im Bereich des ebenen Bodens des jeweiligen Profils 25 liegen.

Die Erfindung ist nicht auf das beschriebende Ausführungs­ beispiel beschränkt.

Wie Fig. 14 zu entnehmen ist, muß das Zahnrad 31 nicht unbedingt ein auf die Welle 29 aufgespritztes Rad sein. Hier umfaßt das Rad 31 zu den Verankerungsprofilen 25 komplemen­ tär geformte Teile und ist axial aufgepreßt, so daß die komplementären Teile und die Profile 25 ineinandergreifen. Dazu hat das Zahnrad eine zentrale Öffnung 40, die gerade groß genug ist, um es auf die Welle 29 aufzuschieben. Eine elastische Scheibe/Feder 41, die durch einen Ring 42 gehal­ ten ist, gewährleistet einen hinreichenden elastischen Druck der komplementären Teile gegen die Verankerungsprofile 25.

Wenn die Welle 29 blockiert, ermöglichen die Winkel α oder β (je nach Drehrichtung) in Abhängigkeit vom elastischen Druck der Scheibe/Feder 41 auf die komplementären Teile des Rads 31 ein Gleiten des Rads über die Profile 25 der Welle 29. Wenn das Ende der Profile 25 erreicht ist, können die komplementären Teile nach Art einer Ratsche in dem jeweils nächsten Profil 25 einrasten.

Bei nicht dargestellten Ausführungsformen können die Winkel α und/oder β statt stumpfen Winkeln auch rechte Winkel sein.

Die Welle 29 kann auch mittels einer anderen Technik als dem Kaltstauchen, z. B. durch Drehen und/oder Spanabheben, er­ zeugt werden. Sie muß auch nicht einstückig sein. Bei einer weiteren Abwandlung können die Befestigungsprofile 25 nur auf einer Seite des Kragens 24 liegen. Sie können zusammen mit anderen Profilen vorliegen, die auf der Umfangsfläche 28 des Kragens 28 liegen.

Das anhand der Fig. 1 bis 8 beschriebene Verfahren zur Erzeugung der Welle durch Kaltstauchen kann je nach Geome­ trie der Welle variieren. Die Anzahl der Stempel und der korrespondierenden Matrizen kann je nach Bedarf schwanken und beeinflußt die Gestehungskosten.

Claims (8)

1. Metallwelle (29) zur Aufnahme eines aufzuspritzenden oder aufzusteckenden Teils (31), umfassend einen Kra­ gen (24) zur Aufnahme und Verankerung des aufzusprit­ zenden oder aufzusteckenden Teils, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Welle (29) und der Verankerungskra­ gen (24) nach einem Kaltstauchverfahren (1-23) aus einem Stück gefertigt sind und daß der Kragen (24) auf mindestens einer Seite (26, 27) Verankerungsprofile (25) hat.

2. Welle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verankerungsprofile (25) Vertiefungen sind, deren rechtwinklig zur Radialrichtung der Welle liegender Querschnitt wannenförmig ist.

3. Welle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wanne trichterförmig aufgeweitete Flanken (33, 34) hat.

4. Welle nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Winkel (α und β) zwischen dem Boden (32) und den Flan­ ken (33, 34) der Wanne gleich sind.

5. Welle nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Winkel (α und β) zwischen dem Boden (32) und den Flan­ ken (33, 34) der Wanne verschieden sind.

6. Welle nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß sie nur auf einer Seite des Kragens Verankerungsprofile (25) aufweist.

7. Anordnung aus einer Welle und einem Ritzel, mit einer Metallwelle (29) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Ritzel (31) aus auf die Welle (29) aufge­ spritztem Kunststoff besteht, gekennzeichnet durch mindestens einen im wesentlichen hohlen Zwischenraum (38), so daß außer kleinen radialen Kunststoffzapfen (29), die sich an der Umfangsfläche (28) abstützen, unmittelbar an die Umfangsfläche (28) des Veranke­ rungskragens (24) im wesentlichen kein Kunststoff an­ grenzt.

8. Anordnung aus Welle und Ritzel, mit einer Metallwelle (29) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Ritzel (31) axial auf die Welle (29) aufgesteckt ist, daß zwischen dem Ritzel (31) und dem Kragen (24) ein elastisches, sich axial abstützendes Mittel (41) zwischengelegt ist, und daß das Ritzel (31) Formen zum Abstützen an dem Kragen (24) aufweist, die zu den jeweils zugeordneten Verankerungsprofilen (25) komplementär ausgebildet sind.