DE19934855C1 - Reibgeschweißtes Welle-Scheibe-Verbundwerkstück und Verfahren zu seiner Herstellung - Google Patents
Reibgeschweißtes Welle-Scheibe-Verbundwerkstück und Verfahren zu seiner HerstellungInfo
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Welle-Scheibe-Verbindungsstück, das aus einer Scheibe mit Durchgangsloch und einer Welle mittels Reibschweißen gefügt ist. Die Außenwand der Welle weist im Verbindungsbereich mit der Scheibe mehrere Stufen auf, wobei der Radius der Stufen sich in einer Richtung der Achse vergrößert. Das Durchgangsloch der Scheibe ist mit Stegen versehen, deren Radius sich ebenfalls in einer Richtung der Achse vergrößert und zwischen denen ringförmige Aussparungen vorliegen. Die zu verbindenden Stege und Stufen überlappen in Radialrichtung, so daß beim Verschweißen von Welle und Scheibe im Bereich der Stege und Stufen ringförmige Verbindungsabschnitte entstehen, zwischen denen ringförmige Hohlräume gebildet werden. Die Hohlräume bedeuten eine Gewichtsersparnis gegenüber Welle-Scheibe-Verbundstücken aus Vollmaterial und können weiterhin als Teile von Medienkanälen genutzt werden.
Description
Die Erfindung betrifft ein Welle-Scheibe-Verbundwerkstück, das durch Reibschweißen gefügt ist,
sowie ein Verfahren zu seiner Herstellung.
Im Fahrzeug- und Maschinenbau werden in zahlreichen Anwendungen Verbundwerkstücke ein
gesetzt, die aus einer Welle und einer im wesentlichen rotationssymmetrischen Scheibe zu
sammengesetzt sind. Beispiele solcher Scheiben sind Getriebe- und Kupplungsteile oder auch
scheibenförmige Rohlinge, die noch mechanisch bearbeitet werden müssen.
Aus der EP 372 663 A1 ist ein Verfahren bekannt, mit Hilfe dessen eine Welle und eine Scheibe
in einem Verbindungsbereich durch Reibschweißen verbunden werden können. Hierzu wird die
Welle im Verbindungsbereich mit einer konischen bzw. gestuften Außenfläche versehen, wäh
rend die Scheibe mit einem dem Verbindungsbereich auf der Welle entsprechenden konischen
bzw. gestuften Durchgangsloch versehen wird. Diese Gestaltung des Verbindungsbereiches be
wirkt eine Zentrierung der Welle gegenüber der Scheibe während des Reibschweißvorgangs.
Beim Verschweißen der Welle mit der Scheibe treffen entweder zwei näherungsweise formnega
tive konische Einzelflächen aufeinander, so daß das reibgeschweißte Bauteil eine zusammen
hängende konische Verbindungsfläche aufweist; oder es treffen mehrere radial benachbarte, in
Axialrichtung versetzte ebene Ringflächen aufeinander, so daß eine aus mehreren ebenen Stu
fen zusammengesetzte Verbindungsfläche entsteht. In beiden Fällen entsteht ein großflächiger
Verbindungsbereich, der näherungsweise frei von Hohlräumen ist.
Im Interesse der Gewichtsersparnis in Motoren, Getrieben etc. ist es vorteilhaft, Welle-Scheibe-
Verbundwerkstücke einzusetzen, deren Wellen als Hohlwellen ausgeführt sind. Das in der EP
372 663 A1 beschriebene Verfahren, bei dem die Stufen bzw. der Konus im Verbindungsbe
reich dem Zentrieren der Welle relativ zur Scheibe dient und bei dem ein großflächiger Verbin
dungsbereich zwischen Welle und Scheibe entsteht, kann jedoch insbesondere bei dünnwandi
gen Hohlwellen nicht angewandt werden, da die Wandung der Hohlwelle durch die großflächige
Erwärmung beim Reibschweißen so stark erweicht wird, daß beim Aufdrücken der Scheibe eine
Verformung der Wellenwandung einsetzt; in dem Verfahren der EP 372 663 A1 kann daher die
Hohlwelle der Scheibe im Verbindungsbereich keinen zur Schweißung ausreichenden Druckwi
derstand entgegensetzen, und die Scheibe läßt sich über den Verbindungsbereich hinüber
streifen, anstatt eine ortsfeste steife Verbindung mit der Hohlwelle einzugehen.
Weiterhin besteht insbesondere bei schnell rotierenden Wellen, z. B. in Getrieben, die Notwen
digkeit, weitere Gewichtsersparnis und ein geringes Massenträgheitsmoment gegenüber der
Achse zu erreichen; somit besteht ein großer Bedarf an Welle-Scheibe-Verbundwerkstücken, die
insbesondere auch in achsenfernen Bereichen, also auch im Bereich der Scheibe, gewichtsre
duziert sind, wobei gleichzeitig eine hohe Gestaltfestigkeit der Welle-Scheibe-Verbindung ge
währleistet sein muß.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein gegenüber dem Stand der Technik ge
wichtsreduziertes Welle-Scheibe-Verbundwerkstück vorzuschlagen, das ein geringes Massen
trägheitsmoment gegenüber der Drehachse aufweist. Weiterhin liegt der Erfindung die Aufgabe
zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Verbundwerkstücks vorzuschlagen.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 10 gelöst.
Danach wird die Welle in einem Verbindungsbereich, in dem die Scheibe mit der Welle ver
schweißt werden soll, mit mehreren rotationssymmetrischen Stufen versehen, deren Durch
messer sich in einer Richtung der Achse zunehmend vergrößert. Andererseits wird die Scheibe
im Bereich der Rotationsachse mit einem Durchgangsloch versehen; das Durchgangsloch ist so
gestaltet, das es mehrere rotationssymmetrische Stege aufweist, die von der Scheibe zur Rota
tionsachse hin abragen. Die Innendurchmesser der Stege sind so gewählt, daß jeder Steg ein
Durchgangsloch bildet, dessen Innendurchmesser um einen Schweißüberlapp kleiner ist als die
diesem Steg in Zusammenbaulage gegenüberliegende Stufe im Verbindungsbereich der Welle.
Die Scheibe wird durch Reibschweißen mit der Welle gefügt. Dabei werden die Stege mit den
Stufen verbunden, und es entstehen im Bereich der Stege ringförmige Schweißnähte, die - in
Abhängigkeit von der Größe des Schweißüberlapps - mehr oder weniger stark konisch geformt
sind. Zwischen aufeinanderfolgenden Stegen entstehen dabei ringförmige Hohlräume.
Durch diese Hohlräume können erhebliche Gewichtseinsparungen gegenüber einem herkömm
lichen, gefüllten Verbindungsbereich erzielt werden. Insbesondere kann dadurch das Massen
trägheitsmoment des aus Welle und Scheibe aufgebauten Verbundwerkstücks stark reduziert
werden. Durch die parallel zueinander liegenden ringförmigen Schweißnähte wird eine hohe
Steifigkeit der Verbindung erreicht. Gute Schweißqualität ist gewährleistet, wenn der Schweiß
überlapp der Stege gegenüber den Stufen etwa 1 mm bis 3 mm beträgt (siehe Anspruch 2); die
in diesem Fall geformten Schweißnähte überdecken in Axialrichtung des Verbundstücks einen
Bereich von 5 mm bis 15 mm und sind in konischer Weise leicht gegenüber der Axialrichtung
des Verbundstücks gekippt.
Um eine größtmögliche Gewichtsersparnis des Verbundwerkstücks aus Welle und Scheibe zu
erreichen, ist es vorteilhaft, die Welle als Hohlwelle auszugestalten (siehe Anspruch 7). Um -
insbesondere bei Verwendung einer Hohlwelle mit geringer Wandstärke - während der Reib
schweißung eine radiale Verwölbung der Hohlwelle in Richtung der Achse zu vermeiden, wird
der Innenraum der Hohlwelle im Verbindungsbereich mit einem Stützelement versehen (siehe
Anspruch 8), durch das Verformungen der Hohlwelle verhindert werden.
Eine besonders hohe Gewichtsersparnis und Reduktion des Massenträgheitsmoments wird er
reicht, wenn die Scheibe aus einem konischen Blechteller und einem Stützrahmen zusammen
gesetzt ist, wobei der Stützrahmen mehrere ringförmige Stützstege aufweist, an denen der
Blechteller befestigt ist (siehe Anspruch 4). Die Stützstege verleihen dem Blechteller Steifigkeit,
während durch die zwischen den Stützstegen liegenden Hohlräume das Gewicht der Scheibe
vermindert wird. Blechteller und Stützkonstruktion können dabei aus unterschiedlichen Werk
stoffen bestehen (siehe Anspruch 6): So kann der Blechteller aus einem Kohlenstoffstahl gefer
tigt sein, der höchste Druck- und Reibungskräfte zu ertragen in der Lage ist, während die Stütz
konstruktion aus einem geeigneten Leichtbauwerkstoff hergestellt ist. Zweckmäßigerweise wer
den die Stege des Stützrahmens mit der ihnen gegenüberliegenden Wan
dung des Blechtellers durch Reibschweißen verbunden (siehe Anspruch 5).
Die in Zusammenbaulage zwischen den Stegen und der Außenwand der Welle gebildeten Hohl
räume können zweckmäßigerweise zur Führung von flüssigen und gasförmigen Medien verwen
det werden; insbesondere dienen sie zur radialen (Um-)Verteilung von Schmieröl oder Drucköl,
das über Ölkanäle im Inneren der Welle geführt wird und an definierten Stellen in der Umge
bung der Scheibe an die Außenfläche der Welle geleitet wird. Der ringförmige Hohlraum ermög
licht dabei eine wesentliche Vereinfachung in der Geometrie und in der Herstellung der Ölka
näle (siehe Ansprüche 3 und 11). Die gegenüberliegend paarweise Anordnung der Bohrungen
vermindert Unwucht.
Das erfindungsgemäße Verfahren gestattet das Verbinden von Wellen mit Scheiben aus unter
schiedlichen Werkstoffen. Insbesondere ermöglicht es ein sicheres Fügen einer Scheibe aus ei
nem beliebigen reibschweißfähigen Werkstoff mit einer gehärteten Stahlwelle (siehe Anspruch
9). Somit können Scheibe und Welle separat fertigbearbeitet und je nach Bedarf gehärtet wer
den, bevor sie zu einem Verbundwerkstück zusammengefügt werden.
Im folgenden wird die Erfindung anhand mehrerer in den Zeichnungen dargestellter Ausfüh
rungsbeispiele näher erläutert; dabei zeigen:
Fig. 1a eine Ansicht einer Scheibe und einer Welle, die zu einem Welle-Scheibe-
Verbundwerkstück gefügt werden sollen;
Fig. 1b eine Ansicht des reibgeschweißten Welle-Scheibe-Verbundwerkstücks;
Fig. 1c eine Ansicht des reibgeschweißten Welle-Scheibe-Verbundwerkstücks, gegenüber der
Fig. 1b um 90 Grad um die Wellenachse gedreht;
Fig. 1d eine Detailansicht des in Fig. 1b markierten Bereichs Id;
Fig. 2a eine Ansicht eines Verbundwerkstücks aus einer Scheibe und einer im Schweißbereich
durch eine Kugel abgestützten Wandung der Hohlwelle;
Fig. 2b eine Detailansicht eines Verbundwerkstücks aus einer Scheibe und einer im Schweißbe
reich durch ein Zylinderstück abgestützten Hohlwelle, gemäß dem in Fig. 2a markierten
Ausschnitt IIb;
Fig. 3 eine Ansicht eines Verbundwerkstücks aus einer Scheibe und einer Hohlwelle mit rotie
render Welle im Inneren des Verbundwerkstücks;
Fig. 4 eine Ansicht eines Welle-Scheibe-Verbundwerkstücks mit gebauter Scheibe.
Fig. 1a zeigt eine rotationssymmetrische Scheibe 1 mit einem Durchgangsloch 2 und eine
Welle 3, die gemeinsam zu einem in Fig. 1b und 1c dargestellten Welle-Scheibe-
Verbundwerkstück 4 zusammengefügt werden sollen. Die Scheibe 1 weist im Bereich des
Durchgangslochs 2 zwei ringförmige, der Welle 3 zugewandte Stege 5, 5' auf, die eine ringförmi
ge Aussparung 6 einschließen. Die Welle 3 weist in einem Verbindungsbereich 7 zwei Stufen
8, 8' auf, die beim Zusammenbau von Welle 3 und Scheibe 1 mit den Stegen 5, 5' der Scheibe 1
so verbunden werden, daß die Stufe 8 mit dem Steg 5 und die Stufe 8' mit dem Steg 5' zu
sammentrifft.
Der Innendurchmesser 9 des Stegs 5 ist um einen Schweißüberlapp 10 kleiner als der Außen
durchmesser 11 der Stufe 8, und der Innendurchmesser 9' des Stegs 5' ist um einen Schweiß
überlapp 10' geringer als der Außendurchmesser der Stufe 8', so daß Welle 3 und Scheibe 1
vor dem Zusammenbau im Bereich dieser Stege 5, 5' bzw. Stufen 8, 8' radial überlappen.
Scheibe 1 und Welle 3 werden durch Reibschweißen miteinander verbunden. Dabei wird z. B.,
wie in Fig. 1a durch den Pfeil angedeutet, die Welle 3 in Rotation versetzt und axial so weit in
Richtung der (stationären) Scheibe 1 verschoben, bis die Stufen 8, 8' der Welle 3 mit den Ste
gen 5, 5' der Scheibe 1 in Berührung kommen und dabei eine lokale Aufheizung der Stege 5, 5'
und der Stufen 8, 8' in den gegenseitigen Berührungsbereichen bewirken. Hierbei erfolgt eine
Erweichung und Verformung der Stege 5, 5' und der Stufen 8, 8' in der Umgebung der gegensei
tigen Berührungsbereiche; dadurch entsteht eine Fügezone 12, die - wie in der Detaildarstel
lung der Fig. 1d schraffiert dargestellt - schräg zur Wellenachse verläuft. Beim Fügen der Welle
3 mit der Scheibe 1 entsteht eine feste, dichte Verbindung der Stege 5, 5' mit den Stufen 8, 8',
so daß durch die Aussparung 6 zwischen den Stegen 5, 5' ein geschlossener ringförmiger Hohl
raum 13 gebildet wird, der einerseits durch die Aussparung 6 der Scheibe 1, andererseits durch
die Außenwand 14 der Welle 3 begrenzt wird.
Für Anwendungen im Motoren- und Getriebebereich bestehen Welle 3 und Scheibe 1 typi
scherweise aus Stahlwerkstoffen. Das Reibschweißen gestattet jedoch auch das Fügen von
Werkstücken unterschiedlicher Materialien und insbesondere auch das Fügen gehärteter Füge
stellen. So kann können Welle 3 und Scheibe 1 aus unterschiedlichen Werkstoffen bestehen,
oder die Welle 3 kann im Verbindungsbereich 7 bereits vor dem Fügen gehärtet werden.
Fig. 1b und 1c zeigen das geschweißte Welle-Scheibe-Verbundwerkstück 4, wobei die An
sicht der Fig. 1c gegenüber der Ansicht der Fig. 1b um 90 Grad um die Wellenachse gedreht
ist. Die Welle 3 ist eine Vollwelle 15, die u. a. aus Gründen der Gewichtsersparnis mit zwei ge
bohrten Innenräumen 16, 16' versehen ist. Zwischen den Innenräumen 16, 16' befindet sich ein
Trennsteg 17, der die beiden Innenräume 16, 16' voneinander trennt und abstützt. Im vorlie
genden Beispiel ist der rechts des Trennstegs 17 gelegene Innenraum 16 über eine Aus
trittsöffnung 18 mit der Außenwand 14 der Welle 3 verbunden. Der links des Trennstegs 17
gelegene Innenraum 16' ist über eine Verbindungsbohrung 19 mit dem geschlossenen ringför
migen Hohlraum 13 verbunden, welcher seinerseits mit einer Austrittsöffnung 20 zur Außen
wand 14 der Welle 3 versehen ist. Die beiden Innenräume 16, 16,' bilden somit Teile zweier un
abhängiger, in Axialrichtung der Welle 3 überlappender Medienkanäle 21, 21', in denen z. B.
Drucköl geführt werden kann. Über diese Medienkanäle 21, 21' können an den Austrittsöffnun
gen 18, 20 unterschiedliche Drücke auf (in Fig. 1b und 1c nicht dargestellte) Anschlußele
mente ausgeübt werden, die mit der Welle 3 fest oder axial verschiebbar verbunden sind. Statt
zur Führung von Drucköl können die Medienkanäle 21, 21' auch zur Führung bzw. Verteilung be
liebiger anderer Medien wie z. B. Schmieröl, Druckluft, Kühlmedien etc. entlang des Welle-
Scheibe-Verbundwerkstücks 4 genutzt werden. Durch die symmetrische Anordung der Medien
kanäle 21, 21' in bezug auf die Drehachse können Unwuchten vermindert werden.
Die Austrittsöffnungen 18, 20 und die Verbindungsbohrung 19 können - wie in Fig. 1a gezeigt
- bereits vor dem Fügen von Welle 3 und Scheibe 1 in die Welle 3 eingebracht werden. Durch
das Reibschweißen der Stufen 8, 8' auf der Welle 3 und der Stege 5, 5' auf der Scheibe 1 im
entsteht im Verbindungsbereich 7 der ringförmige Hohlraum 13, der zusammen mit der Aus
trittsöffnung 20, der Verbindungsbohrung 19 und dem Innenraum 16' den Medienkanal 21' bil
det.
Fig. 2a zeigt ein Welle-Scheibe-Verbundwerkstück 4, das aus einer als Hohlwelle 22 gestalte
ten Welle 3 und einer Scheibe 1 gebaut ist. Zur Befestigung der Scheibe 1 mittels Reibschwei
ßen wird - analog zu dem in Fig. 1a gezeigten Ausführungsbeispiel - die Außenwand 14 der
Hohlwelle 22 mit zwei Stufen 8, 8' versehen, mit denen die Stege 5, 5' der Scheibe 1 verbunden
werden. Die Stufen 8, 8' auf der Hohlwelle 22 können durch Querwalzen, Querfließpressen oder
durch spanende Bearbeitung der Hohlwelle 22 hergestellt werden.
Aus Gründen der Gewichtsersparnis ist es oft vorteilhaft, die Wandstärke der Hohlwelle 22 so
gering wie möglich zu wählen. Im Bereich der Stufe 8 mit dem kleineren Außendurchmesser 11
(siehe hierzu Fig. 1a) liegt dabei eine besonders kleine Wandstärke 23 der Hohlwelle 22 vor.
Zur Abstützung dieser Stufe 8 wird ein Stützelement 24 so im Innenraum 25 der Hohlwelle 22
positioniert, daß es der Stufe 8 - und somit der bezüglich des Reibschweißprozesses schwäch
sten Stelle der Hohlwelle 22 - gegenüberliegt. Das Stützelement 24 verhindert, daß die Hohl
welle 22 sich während des Reibschweißens im Bereich der Stufe 8 nach innen wölbt und stellt
somit sicher, daß auch bei dünnwandigen Hohlwellen 22 die benötigten Reibkräfte zum Ver
schweißen der Stufen 8, 8' auf der Welle 3 und der Stege 5, 5' auf der Scheibe 1 aufgebracht
werden können.
Fig. 2a zeigt ein Ausführungsbeispiel, in dem das Stützelement 24 als Kugel 26 ausgebildet ist,
die vor dem Reibschweißen in den der Stufe 8 gegenüberliegenden Bereich 27 des Innenraums
25 der Hohlwelle 22 gepreßt wird. Der Außendurchmesser 28 der Kugel 26 ist hierbei dem In
nendurchmesser 29 der Hohlwelle 22 angepaßt. Beim Reibschweißen des Stegs 5 mit der Stufe
8 entstehen durch die plastische Verformung der verhältnismäßig dünnwandigen Hohlwelle 8
ringförmige Wulste 30 in der Umgebung der eingepreßten Kugel 26, durch die nach dem Erkal
ten des Welle-Scheibe-Verbundstücks 4 ein fester, dichter Sitz der Kugel 26 im Innenraum 25
der Hohlwelle 22 bewirkt wird. Der Innenraum 25 der Hohlwelle 22 wird daher durch die Kugel
26 in zwei getrennte Innenbereiche 16 und 16' geteilt. Durch gebohrte Austrittsöffnungen 18
ist der links der Kugel 26 liegende Innenbereich 16' mit der Außenwand 14 der Hohlwelle 22
verbunden und bildet somit einen Medienkanal 21, der z. B. zur Zuführung von Schmier- oder
Drucköl an Lager oder Hohlräume verwendet werden kann, die die Außenwand 14 der Hohl
welle 22 im Bereich der Austrittsöffnungen 18 mit (in Fig. 2a nicht dargestellten) Gegenstüc
ken bildet. Der rechts der Kugel 26 liegende Innenbereich 16 ist durch die Kugel 26 gegenüber
dem links liegenden Innenbereich 16' getrennt. Der ringförmige Hohlraum 13 stellt Teil eines
weiteren Medienkanals 21' dar, der durch die Austrittsöffnung 20 mit der rechts der Scheibe 1
befindlichen Außenwand 14 der Hohlwelle 22 und durch die Einlaßöffnung 31 auf der Scheibe 1
mit dem links des Steges 5 befindlichen Außenbereich 32 der Scheibe 1 verbunden ist. Dieser
Medienkanal 21' bewirkt somit eine axiale Überbrückung der Scheibe 1 im Inneren des Welle-
Scheibe-Verbundwerkstücks 4.
Alle zur Realisierung der Medienkanäle 21, 21' benötigten Einlaß- und Austrittsöffnungen
18, 20, 31 können vor dem Verschweißen auf der Scheibe 1 bzw. der Welle 3 angebracht wer
den, ohne daß dadurch beim Fügen auf eine genaue meridiale Zuordnung von Scheibe 1 und
Welle 3 geachtet werden braucht: Da der Hohlraum 13 eine radialsymmetrische Ringform hat,
ist es nämlich gleichgültig, an welcher meridialen Position gegenüber der Austrittsöffnung 20 auf
der Welle 3 die Einlaßöffnung 31 auf der Scheibe 1 positioniert ist, da unabhängig von der ge
genseitigen Positionierung von Welle 3 und Scheibe 1 immer ein durchgängiger Medienkanal
21' gebildet wird. Während dem Reibschweißvorgang kann - je nachdem, ob die Scheibe 1 ge
genüber der Welle 3 rotiert wird oder umgekehrt - die Austrittsöffnung 20 auf der Welle 3 oder
die Einlaßöffnung 31 auf der Scheibe 1 zur Zuleitung von Schutzgas verwendet werden.
In dem in Fig. 2b gezeigten Ausschnitt des Welle-Scheibe-Verbundwerkstücks 4 ist das Stüt
zelement 24 ein Zylinderstück 33 mit einem dem Innendurchmesser 29 der Hohlwelle 22 ange
paßten Außendurchmesser 34, das vor dem Reibschweißen in den der Stufe 8 gegenüberlie
genden Bereich 27 des Innenraums 25 der Hohlwelle 22 eingepreßt wird. Um im Bereich der
Stufe 8 den gesamten Reibschweißbereich abzudecken, entspricht die Dicke des Zylinderstücks
33 näherungsweise der Dicke des mit der Stufe 8 zu fügenden Stegs 5 auf der Scheibe 1. Die
Außenwand 35 des Zylinderstücks 33 ist mit einer umlaufenden ringförmigen Nut 36 versehen,
in die durch die plastische Verformung der Hohlwelle 22 während des Reibschweißprozesses
Hohlwellen-Werkstoff eindringt und einen festen Sitz des Zylinderstücks 33 im Innenraum 25
der Hohlwelle 22 nach dem Abkühlen sicherstellt. Eine weitere Gewichtseinsparung kann er
reicht werden, wenn das Zylinderstück 33 aus einem Leichtbau-Material, z. B. Aluminium, herge
stellt ist.
Fig. 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Welle-Scheibe-Verbundwerkstück 4, beste
hend aus einer Hohlwelle 22 und einer Scheibe 1. Durch den Innenraum 25 der Hohlwelle 22
ist eine rotierende Innenwelle 37 geführt, deren Außendurchmesser kleiner ist als der Innen
durchmesser der Hohlwelle 22, so daß die Innenwelle 37 gegenüber der Hohlwelle 22 berüh
rungsfrei rotieren kann. Analog zum Beispiel der Fig. 1b weist auch hier die Scheibe 1 zwei
Stege 5, 5' auf, im Bereich derer die Scheibe 1 mit den Stufen 8, 8' der Welle 3 verbunden ist.
Zwischen den Stegen 5, 5' weist die Scheibe eine ringförmige Aussparung 6 auf, durch die -
nach dem Verschweißen von Welle 3 und Scheibe 1 - ein ringförmiger Hohlraum 13 zwischen
Scheibe 1 und Außenwand 14 der Hohlwelle 22 gebildet wird. Das Welle-Scheibe-
Verbundwerkstück 4 weist einen Medienkanal 21' auf, der analog zum Ausführungsbeispiel der
Fig. 2a gestaltet ist und somit die Einlaßöffnung 31 auf der Scheibe 1, den ringförmigen Hohl
raum 13 und die Austrittsöffnung 20 auf der Hohlwelle 3 umfaßt. Wird der Innenraum 25 der
Hohlwelle 22 nicht zur Führung einer Innenwelle 37 benötigt, so kann der Innenraum 25 auch
als weiterer Medienkanal 21 verwendet werden, durch den z. B. Schmieröl entlang der Hohlwelle
22 geführt bzw. verteilt wird.
Fig. 4 schließlich zeigt ein Welle-Scheibe-Verbundwerkstück 4 aus einer Welle 3 und einer
Scheibe 1, wobei die hier dargestellte Scheibe 1' aus einem konischen Blechteller 38 und ei
nem Stützrahmen 39 besteht. Der Stützrahmen 39 umfaßt einen rotationssymmetrischen
scheibenförmigen Teller 40, von dem mehrere ringförmige Stützstege 41 näherungsweise in
Axialrichtung abragen und durch Reibschweißen mit der ihnen gegenüberliegenden Rückwand
42 des Blechtellers 38 verbunden sind. Durch die Stützstege 41 entstehen zwischen der Rück
wand 42 des Blechtellers 38 und dem Teller 40 des Stützrahmens 39 ringförmige Hohlräume
43, die eine erhebliche Gewichtseinsparung und Reduktion des Massenträgheitsmoments der
hier dargestellten Scheibe 1' gegenüber den in den Fig. 1 bis 3 dargestellten Scheiben 1
aus Vollmaterial darstellen. Zum Einsatz des Welle-Scheibe-Verbundwerkstücks 4 in einem Ge
triebe besteht der Blechteller 38 aus einem hochfesten Material, das unempfindlich gegenüber
abrasiven Kräften ist, z. B. aus einem Kohlenstoffstahl. Der Stützrahmen 39 mit den Stützstegen
41, an denen der Blechteller 38 in unterschiedlichen Abständen von der Rotationsachse radial
umlaufend befestigt ist, verhindert eine Verformung des Blechtellers 38 unter den hohen auf ihn
wirkenden Druck- und Schubkräften. Da durch Reibschweißen unterschiedliche Werkstoffe mit
einander verbunden werden können, kann der Stützrahmen 39 zur weiteren Gewichtsersparnis
aus einem Leichtbau-Werkstoff, z. B. Aluminium, gefertigt sein. Die so aus Blechteller 38 und
Stützrahmen 39 gefügte Scheibe 1' weist in dem der Rotationsachse der Welle 3 zugewandten
Bereich zwei ringförmige Stege 5, 5' auf, wobei der eine Steg 5 Teil des Stützrahmens 39 ist,
während der andere Steg 5' durch den achsennahen Bereich des Blechtellers 38 gebildet ist.
Zwischen den beiden Stegen 5, 5' liegt eine ringförmige Aussparung 6 vor. Die Welle 3 ist mit
zwei Stufen 8, 8' versehen, mit denen die Stege 5, 5' der Scheibe 1 - analog zu den oben be
schriebenen Ausführungsbeispielen - durch Reibschweißen mit den Stufen 8, 8' der Welle 3
verbunden werden, wobei schräge Fügezonen 12 gebildet werden.
Während in den gezeigten Ausführungsbeispielen die Verbindung zwischen Welle 3 und Scheibe
1 durch die Verbindung zweier Stege 5, 5' mit zwei Stufen 8, 8' gebildet wird, so daß zwischen
den Stegen 5, 5' und Stufen 8, 8' ein einziger ringförmiger Hohlraum 13 entsteht, können im All
gemeinfall die Welle 3 und die Scheibe 1 im Verbindungsbereich 7 noch weitere Steg-Stufe-
Verbindungen aufweisen. Dadurch entstehen weitere ringförmige Hohlräume 13, die zwischen
der Scheibe 1 und der Außenwand der Welle 3 liegen.
Claims (11)
1. Welle-Scheibe-Verbundwerkstück
- - bestehend aus einer metallischen Welle mit kreisförmigem Querschnitt, deren Außen wand in einem Verbindungsbereich mehrere Stufen aufweist, wobei der Durchmesser der Stufen sich in einer Richtung der Achse vergrößert,
- - und einer im wesentlichen rotationssymmetrischen Scheibe mit einem Durchgangsloch im Bereich der Rotationsachse, das in Zusammenbaulage von Scheibe und Welle den Verbindungsbereich der Welle in Axialrichtung überdeckt,
- - wobei Welle und Scheibe durch Reibschweißen miteinander verbunden sind,
- - daß das Durchgangsloch (2) der Scheibe (1, 1') mehrere rotationssymmetrische Stege (5, 5') aufweist, deren Innendurchmesser (9, 9') vor dem Verschweißen von Welle (3) und Scheibe (1, 1') die Außendurchmesser (11, 11') der ihnen in Zusammenbaulage gegen überliegenden Stufen (8, 8') auf der Welle (3) um einen Schweißüberlapp (10, 10') unter schreiten,
- - und daß die Stege (5, 5') der Scheibe (1, 1') mit den Stufen (8, 8') der Welle (3) durch Reibschweißen verbunden sind, wodurch zwischen zwei benachbarten Stegen (5, 5') ein ringförmiger Hohlraum (13) entsteht.
2. Verbundwerkstück nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Schweißüberlapp (10) zwischen 1 mm und 6 mm beträgt.
3. Verbundwerkstück nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Welle (3) mit Austrittsöffnungen (20) und/oder Verbindungsbohrungen (19)
und/oder die Scheibe (1, 1') mit Einlaßöffnungen (31) versehen ist, die in den ringförmigen
Hohlraum (13) münden.
4. Verbundwerkstück nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Scheibe (1') aus einem konischen Blechteller (38) und einem Stützrahmen (39) be
steht, wobei der Stützrahmen (29) mehrere ringförmige, näherungsweise in Axialrichtung
abragende Stützstege (41) aufweist, an welchen der Blechteller (38) befestigt ist.
5. Verbundwerkstück nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß Blechteller (38) und Stützrahmen (39) durch Reibschweißen verbunden sind.
6. Verbundwerkstück nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß Blechteller (38) und Stützkonstruktion (39) aus unterschiedlichen Werkstoffen beste
hen.
7. Verbundwerkstück nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Welle (3) eine Hohlwelle (22) ist.
8. Verbundwerkstück nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Innenraum (25) der Hohlwelle (22) im Verbindungsbereich (7) durch ein Stützele
ment (24) verschlossen ist.
9. Verbundwerkstück nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Welle (3) aus Stahl besteht und im Verbindungsbereich (7) gehärtet ist.
10. Verfahren zur Herstellung eines Welle-Scheibe-Verbundwerkstücks,
- - bestehend aus einer metallischen Welle mit kreisförmigem Querschnitt, deren Außen wand in einem in definierter axialer Position befindlichen Verbindungsbereich mit meh reren Stufen versehen wird, deren Durchmesser sich in einer Richtung der Achse ver größert,
- - und einer im wesentlichen rotationssymmetrischen Scheibe mit einem Durchgangsloch im Bereich der Rotationsachse,
- - wobei die Scheibe durch Reibschweißen auf der Welle befestigt wird,
- - daß die Scheibe (1, 1') im Bereich des Durchgangslochs (2) mit mehreren rotationssym metrischen Stegen (5, 5') versehen wird, deren Innendurchmesser (9, 9') die Außen durchmesser (11, 11') der ihnen im Verbindungsbereich (7) gegenüberliegenden Stufen (8, 8') auf der Welle (3) um einen Schweißüberlapp (10, 10') unterschreiten,
- - und daß die Scheibe (1, 1') während der Verschweißung unter Deformation der Stege (5, 5') und der ihnen gegenüberliegenden Stufen (8, 8') in der definierten axialen Position auf der Welle (3) befestigt wird.
11. Verfahren nach Anspruch 10,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Welle (3) und die Scheibe (1, 1') vor dem Verschweißen mit Einlaß- und/oder Aus
trittsöffnungen (18, 20, 31) für Medienkanäle (21, 21') versehen wird, die in die Außenwand
(14) der Welle (3) oder der Scheibe (1, 1') münden.
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