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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Herstellung einer Press-Presslot-Verbindung
zwischen einer Welle und einer Nabe nach dem Oberbegriff des ersten
Schutzanspruchs.
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Von
einer Press-Presslot-Verbindung spricht man dann, wenn an einer
Pressverbindung zwischen den Bauteilen in der Verbindungsfuge ein
Zusatzwerkstoff beteiligt ist.
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Aus
DD 0152 977 ist eine Wellen-Naben-Verbindung,
insbesondere Pressverbindung, mit beschichteten Passflächen
bekannt, mit welcher eine Erhöhung der übertragbaren
Kräfte und Momente erzielt werden soll. Dabei sollen die
nachteiligen Auswirkungen des örtlichen Gleitens beseitigt
und der Haftreibwert zwischen den Passflächen erhöht
werden. Dazu werden die Passflächen der Wellen-Naben-Verbindung
mit, aus einer chemischen Verbindung des Grundwerkstoffes bestehenden,
nichtmetallisch-anorganischen Schichten versehen. Bei dieser Lösung
entsteht jedoch zwischen den Fügeteilen keine adhäsive
Verbindung, wodurch die Steigerung der Übertragungsfähigkeit
begrenzt ist.
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Ein
Verfahren zur Verbesserung der Eigenschaften von Fügeverbindungen,
vorzugsweise von lotbeschichteten Pressverbindungen, wird in
DD 219 410 A1 beschrieben.
Die mit einer Lotschicht versehene Fügeverbindung wird
dabei einer definierten dynamischen Belastung in axialer und/oder
radialer Richtung unterworfen. Die Verbesserung der Eigenschaften
ist dabei vom Anteil der stoffschlüssigen Fügeverbindungen
abhängig, der während der dynamischen Belastung
zunimmt. Bei einem bestimmten Anteil der stoffschlüssigen
Fügeverbindungen kann kein örtliches Gleiten mehr
auftreten.
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Eine
Pressverbindung mit erhöhter Übertragungsfähigkeit
durch zusätzlichen Stoffschluss wird in
DE 197 10 307 A1 beschrieben,
wobei die Verbindung bei dynamischer Belastung nicht durch Tribokorrosion
geschädigt oder zerstört werden soll. Zu diesem
Zweck wird die Pressfläche der Welle und/oder Nabe einer
Längspressverbindung oder einer Querpressverbindung mit
einer Metallschicht hoher Adhäsionsneigung versehen oder
Welle und Nabe bestehen teilweise oder vollständig aus
Werkstoffen hoher Adhäsionsneigung, die bei örtlichen oder
vollständigen 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.
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In
DE 199 64 105 C1 wird
eine Presshülse in Form eines Maschinenelementes zur Übertragung hochdynamischer
Torsinns- und Biegemomente sowie Axialkräfte im Welle-Nabe-Verbund
beschrieben, welche aus einem Rohrabschnitt besteht und zwischen
Welle und Nabe angeordnet ist. Die Presshülse weist je
eine Beschichtung auf dem Innenmantel als auch auf dem Außenmantel
auf, welche sowohl als verbundstabile Konversionsschichten als auch als
Metallschichten hoher Adhäsionsneigung oder aus anderen
Werkstoffen hoher Adhäsionsneigung ausgebildet sein können.
Nachteilig sind hierbei die Verwendung eines zusätzlichen
Bauteils in Form der Presshülse und der erhöhte
fertigungstechnische Aufwand.
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Aus
DE 197 03 533 A1 ist
ein Antrieb mit einer drehfesten Verbindung einer Welle mit einer Nabe
bekannt, wobei die Verbindung das Drehmoment des Antriebs begrenzt.
Zur Sicherung des Antriebsstranges gegen Überlast sind
Welle und Nabe mit Übermaß gefügt und
wenigstens eine der Fügeflächen ist mit einem
Lot beschichtet. Bei Überlast bricht die Verbindung auf,
wodurch die Drehmomentspitze abgebaut wird. Nach Abklingen der Drehmomentspitze
stellt sich die Verbindung selbsttätig wieder her. Für
Verbindungen, bei denen hohe Drehmomente ohne Relativbewegung zwischen
Welle und Nabe übertragen werden sollen, ist diese Verbindung
nicht geeignet.
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Ein
Verfahren zur Verbindung einer Wellenkomponente mit einer Nabenkomponente
und Welle-Nabe-Zusammenbau ist aus
DE 10 2005 026 713 A1 bekannt.
Dabei sind die Durchmesser der Umfangsfügeflächen
für einen Presssitz ausgelegt und befinden sich im gehärteten
Zustand. Mindestens eines der Bauteile, d. h. die Wellenkomponente und/oder
die Nabenkomponente, weist wenigstens im Bereich der Umfangsfügeflächen
eine Lotschicht oder Lotbeschichtung, wie beispielsweise mit Kupfer und/oder
Zink auf. Die Nabenkomponente kann mittels Querpressen oder mittels
Längspressen gefügt werden. Gemäß einer
Variante dieser Lösung kann nach dem axialen Fügen
ein Trainieren der Wellenkomponente und der Nabenkomponente durchgeführt
werden. In Weiterbildung dazu können folgende Maßnahmen
jeweils alleine oder in Kombinationen vorgesehen sein: der Verbund
aus der Wellenkomponente und der Nabenkomponente wird während
des Trainierens mit einer axialen Kraft beaufschlagt; das Trainieren
wird frei von einer linearen oder schraubenförmigen axialen
Vorschubbewegung der Wellenkomponente und der Nabenkomponente relativ
zueinander durchgeführt; der Trainiereffekt erfolgt zumindest
im Wesentlichen und/oder gezielt nur an den Umfangsfügeflächen;
und/oder ein gezieltes Trainieren an axialen Anschlagflächen
der Wellenkomponente und der Nabenkomponente wird vermieden.
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Nachteil
der vorgenannten Lösungen ist, dass bisher kein prozesssicheres
Herstellen von Press-Presslötverbindungen möglich
ist, welches gewährleistet, dass die Verbindung zwischen
einer Welle und einer Nabe ab einem vorgegebenen Drehmoment verbundstabil
ist.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur Herstellung einer Press-Presslot-Verbindung
zwischen einer Welle und einer Nabe zu entwickeln, die es gestattet,
die Welle-Nabe-Verbindung unter Verwendung eines Lotwerkstoffes
prozesssicher und lagedefiniert zu fügen, wobei gewährleistet wird,
dass die Verbindung ab einem vorgegebenen Mindest-Drehmoment verdrehsicher
ist.
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Diese
Aufgabe wird mit den kennzeichnenden Merkmalen des ersten Schutzanspruchs
gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Die
Vorrichtung zur Herstellung einer Press-Presslöt-Verbindung
zwischen einer Welle und einer Nabe, wobei zwischen Welle und Nabe
ein Übermaß besteht und die Welle und/oder die
Nabe im Verbindungsbereich mit einer Lotschicht versehen ist/sind,
weist erfindungsgemäß eine erste Aufnahmevorrichtung
für die Welle und eine zweite Aufnahmevorrichtung für
die Nabe auf, wobei die erste Aufnahmevorrichtung der Welle und/oder
die zweite Aufnahmevorrichtung der Nabe zueinander drehbar und/oder
in axialer Richtung relativ zueinander bewegbar sind und wenigstens
eine Einrichtung zur Drehmoment- und/oder Drehwinkelmessung und/oder
eine Einrichtung zur Weg- und/oder Kraftmessung integriert ist.
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Die
erste Aufnahmeeinrichtung für die Welle ist bevorzugt in
Form einer Spanneinrichtung ausgebildet und kann zusätzlich
mit der Welle korrespondierende ineinander greifende Formelemente
aufweisen. Es ist möglich, auch die zweite Aufnahmeeinrichtung
für die Nabe in Form einer Spanneinrichtung auszubilden.
Auch in diesem Fall sollten ineinander greifende Formelemente vorhanden
sein. Alternativ kann die Aufnahmeeinrichtung auch nur in der Art
einer Form ausgebildet sein, in die die Nabe einlegbar ist.
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In
die Vorrichtung ist eine Steuerung integriert, die nach Erreichen
des geforderten Drehmomentes an eine Anzeigeeinrichtung das Signal
weiterleitet, dass die Press-Pressverbindung erzeugt ist.
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Bei
Nichterreichen des geforderten Drehmomentes leitet die Steuerung
an einen Antrieb der Welle und/oder der Nabe ein Signal zur Durchführung
einer vorgegebenen Relativbewegung weiter.
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Die
Pressverbindung kann in Form einer Querpressverbindung oder einer
Längspressverbindung ausgebildet sein, wobei vorteilhafter
Weise eine Kraft-Weg-Überwachung erfolgt. Weiterhin wird
beim Herstellen der Längspressverbindung eine von der axialen
Verschieberichtung in Richtung zur Verbindungsposition abweichende
zusätzliche (dynamische) Relativbewegung erzeugt, die allgemein
als Trainiervorgang bezeichnet wird.
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Die
zusätzlichen Relativbewegungen des Trainiervorganges werden
insbesondere in wechselnde Richtungen erzeugt, wobei es auch möglich ist,
während des Herstellens der Verbindung einen Trainiervorgang
durchzuführen.
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Insbesondere
wird der Trainiervorgang durch eine in wechselnde Richtungen durchgeführte
Drehbewegung, eine in wechselnde Richtung durchgeführte
Axialbewegung oder eine Überlagerung dieser beiden Bewegungsformen
(z. B. schraubenförmige Bewegung) durchgeführt.
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Während
des Trainiervorganges erfolgt vorteilhafter Weise eine Drehmomenten-
und Drehwinkelüberwachung (bei rotierendem Trainiervorgang) oder
eine Überwachung des Kraft-Weg-Verlaufes (bei axialem Trainiervorgang).
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Nach
der Herstellung der Press-Presslöt-Verbindung zwischen
der Welle und der Nabe erfolgt bei einer nicht gewünschten
Lageabweichung zwischen Welle und Nabe ein Beaufschlagen mit einem
das vorgegebene Drehmoment überschreitenden Drehmoment,
so dass diese relativ zueinander bis zum Erreichen der geforderten
Lage verdreht werden. Wurde eine axiale Trainierbewegung durchgeführt
und es besteht nach Abschluss des Trainiervorganges noch eine axiale
Lageabweichung der Welle und der Nabe zueinander, wird eine Axialkraft erzeugt,
die die Press-Presslöt-Verbindung trennt und die beiden
Bauteile bis zur gewünschten Lage zueinander verschiebt.
Zur Bestimmung der Position der Bauteile zueinander wird der Drehwinkel
oder der axiale Verschiebeweg genutzt.
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Beim
Trainiervorgang werden bevorzugt die Welle und die Nabe alternierend
bis zu einem Drehwinkel von 360° relativ zueinander verdreht.
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Mittels
der Wegmesseinrichtung wird nach Abschluss des Trainiervorganges
die Lage der Welle und der Nabe zueinander bestimmt. Bei Abweichung von
der Solllage wird der Steuerung ein Signal über die Lageabweichung
bereitgestellt, Die Steuerung leitet an den Antrieb der Welle und/oder
der Nabe ein Signal zur Erzeugung einer Relativbewegung zum Ausgleich
der Lageabweichung weiter. Dabei ist sicherzustellen, dass der dabei
erzeugte Kraftaufwand die zwischen Welle und Nabe erzeugte Press-Presslot-Verbindung
wieder auftrennt. Bei Erreichen der geforderten Lage wird dann wieder
die Press-Presslöt-Verbindung zwischen Welle und Nabe hergestellt, mit
der wiederum das geforderte Drehmoment übertragbar ist.
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Mit
der erfindungsgemäßen Lösung wird es erstmalig
möglich, eine Welle-Nabe-Verbindung unter Verwendung. eines
Lotwerkstoffes in Form einer Press-Presslöt-Verbindung
prozesssicher und lagedefiniert herzustellen. Dabei wird gewährleistet
dass die Verbindung ab einem vorgegebenen Mindest-Drehmoment bis
zu einem die Verbindung noch gewährleistenden Drehmoment
verdrehsicher ist. Wird ein höherer Kraftaufwand erzeugt,
kann die Verbindung aufgetrennt werden, um z. B. eine andere Positionierung
vorzunehmen oder die Nabe von der Welle zu entfernen.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels
und zugehöriger Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
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1a:
dreidimensionale Prinzipdarstellung der Vorrichtung von oben,
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1b:
dreidimensionale Prinzipdarstellung der Vorrichtung von unten,
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2:
dreidimensionale Prinzipdarstellung der ersten Aufnahmeeinrichtung
für die Welle,
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3:
Prinzipdarstellung der zweiten Aufnahmeeinrichtung für
die Nabe in der Draufsicht,
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4:
prinzipieller Ablauf des Fügeverfahrens.
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In 1a ist
die dreidimensionale Prinzipdarstellung der Vorrichtung von oben,
und in 1b die dreidimensionale Prinzipdarstellung
der Vorrichtung aus einer Ansicht von unten dargestellt.
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Die
Vorrichtung 1 weist einen Tisch 2 auf, welcher
in einer Rahmenkonstruktion 3 angeordnet ist. Unter dem
Tisch 2 ist ein hydraulischer Drehantrieb 4 mit
einer nicht dargestellten Einrichtung zur Drehwinkelmessung und/oder
Drehmomentmessung angeordnet. Auf dem Tisch 2 sitzt die
zweite Aufnahmevorrichtung 5.2 für die Nabe N,
die hier in die zweite Aufnahmevorrichtung 5.2 eingespannt
wurde.
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Über
der zweiten Aufnahmeeinrichtung befindet sich die erste Aufnahmeeinrichtung 5.1 (Spannvorrichtung)
für die Welle W, diese sitzt an einer sich horizontal zwischen
zwei vertikalen Trägern 6 erstreckenden Platte 7,
welchem eine erste Aufnahmeeinrichtung 2 für die
Welle W angeordnet ist. Über der ersten Aufnahmeeinrichtung 5.1 ist
ein hydraulischer Presszylinder 8 angeordnet, der einen Pressstößel 8.1 aufweist,
der dazu dient, die Welle W durch eine Längspressverbindung
in die Nabe N einzupressen.
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Die
erste Aufnahmeeinrichtung 5.1 für die Welle W
ist mit einem ebenfalls hydraulischen Drehantrieb 9 versehen
und weist eine nicht näher dargestellte Einrichtung zur
Drehwinkelmessung auf.
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Die
dreidimensionale Prinzipdarstellung der ersten Aufnahmeeinrichtung 5.1 für
die Welle (hier nicht dargestellt) wird in 2 gezeigt.
Die erste Aufnahmeeinrichtung 5.1 weist eine Durchgangsbohrung 10 zur
Aufnahme der Welle auf. Es sind weiterhin zwei radial zustellbare
Backen 11 vorgesehen, die in entsprechende Ausnehmungen
der Welle eingreifen, so dass eine verdrehsichere formschlüssige, jedoch
längsverschiebbare Aufnahme der Welle in der ersten Aufnahmeeinrichtung 5.1 gewährleistet ist.
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Die
Prinzipdarstellung der zweiten Aufnahmeeinrichtung 5.2 für
die Nabe (nicht dargestellt) in der Draufsicht ist in 3 dargestellt.
Die zweite Aufnahmeeinrichtung 5.2 weist eine Aufnahmeöffnung 13 auf,
in welche die Nabe einlegbar ist. Zur verdrehgesicherten Aufnahme
der Nabe sind drei radial zustellbare Klemmbacken 14 vorgesehen,
die ebenfalls in entsprechende Ausnehmungen der Nabe eingreifbar
sind.
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Alternativ
kann auch die zweite Aufnahmeeinrichtung der äußeren
Form der Nabe angepasst sein (nicht dargestellt), so dass diese
nur in die Aufnahmeeinrichtung eingelegt werden muss und keine Klemmbacken
erforderlich sind. Auch hier sollte ein verdrehsicheres Einlegen
durch entsprechende Formelemente gewährleistet sein.
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In 4 ist
der prinzipielle Ablauf des Fügeverfahrens dargestellt.
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Bei
Verfahrensstufe 1 erfolgt das Spannen der Welle und der
Nabe (die zueinander am Außendurchmesser und am Innendurchmesser
ein Übermaß aufweisen) in der ersten und der zweiten
Aufnahmeeinrichtung 5.1, 5.2 (1),
wobei die Welle und/oder die Nabe vorher mit einem Lotwerkstoff
zumindest an der Fügeposition beschichtet wurden. In Verfahrensstufe 2 erfolgt
durch den Presszylinder 8 mit dessen Pressstößel 8.1 das
Längseinpressen der Welle in die Nabe bis zur gewünschten
Fügeposition.
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In
Verfahrensstufe 3 erfolgt das Messen des Drehmomentes mit
einer Drehmomentenmesseinrichtung.
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Wird
ein vorgegebenes Drehmoment gewährleistet, wird in Stufe 4.1 angezeigt,
dass der Fügevorgang beendet ist.
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Drehen
sich Welle und Nabe durch, wird in Stufe 4.2 entschieden,
dass in einer Stufe 5 ein Trainiervorgang erfolgen muss.
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Bei
dem Trainiervorgang erfolgt eine Relativdrehung zwischen Welle und
Nabe durch einen oder beide Drehantriebe. Dabei kann die Drehrichtung
reversierend geändert werden. Durch diese Relativbewegung
werden die Oxidschichten der Fügeflächen der Fügepartner
aufgerissen und die Fügeflächen aktiviert und
auf den Abstand des Wirkens atomarer Kräfte angenähert.
Der durch die Pressverbindung wirkende Druck und die beim Trainieren
entstehende Temperatur wirken als Diffusionskräfte und
verursachen die Ausbildung zusätzlicher Presslötverbindungen.
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Alternativ
ist auch ein Trainiervorgang durch anders gerichtete Relativbewegungen
und/oder nur durch Temperatureintrag möglich.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DD 0152977 [0003]
- - DD 219410 A1 [0004]
- - DE 19710307 A1 [0005]
- - DE 19964105 C1 [0006]
- - DE 19703533 A1 [0007]
- - DE 102005026713 A1 [0008]