DE2721571A1

DE2721571A1 - Wellenkupplung mit ineinandergreifenden keilnuten

Info

Publication number: DE2721571A1
Application number: DE19772721571
Authority: DE
Inventors: Michel Orain
Original assignee: Glaenzer Spicer SA
Current assignee: Glaenzer Spicer SA
Priority date: 1976-05-17
Filing date: 1977-05-13
Publication date: 1977-11-24
Also published as: ES458849A1; JPS52140744A; AR212769A1; FR2352209A1; BR7703152A; GB1579962A; US4115022A; FR2352209B1; MX144173A

Description

der Firma GLAENZER SPICER, 10, rue J.-P. Timbaud, F - 78301 Poissy

betreffend:

"Wellenkupplung mit ineinandergreifenden Keilnuten*

Die Erfindung betrifft eine Wellenkupplung mit ineinandergreifenden Keilnuten, die zueinander gleitbeweglich sind, wie sie insbesondere vorgesehen sind bei Momentübertragungen mit homokinetischen Gelenken oder quasi homokinetischen Gelenken in Kraftfahrzeugen.

Man kann bei den Wellenkupplungen mit gleitbeweglichen Keilnuten von konventionellem Aufbau, die unter Momentenbelastung arbeiten müssen, feststellen, daß sich ein Verschleiß, der bis zum Fressen führen kann, immer lokalisiert an den Enden der im Eingriff stehenden Keilnuten ergibt. Dies beruht auf der Tatsache, daß die Drücke, die unter Momentenbelastung im Kontaktbereich der Keilnuten auftreten, maximal sind nahe den Enden dieser Keilnuten und Null auf einem erheblichen Längenabschnitt des mittleren Teils. Dies ist hauptsächlich auf die Tatsache zurückzuführen, daß die beiden im Eingriff stehenden Elernente,nachstehend als Schaftelement bzw. Hülsenelement bezeichnet, nicht auf ihrer gesamten Länge konstante Torsionskapazität aufweisen, welche Deformationskapazität unter Torsion maximal ist im Bereich desjenigen

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-X-

Endes jedes Elementes, das am weitesten von der Welle abliegt, mit der das Element verbunden ist. Es wurde bereits vorgeschlagen, um diese sehr erheblichen Druckspitzen zu verringern, die an den Enden der im Eingriff stehenden Keilnuten auftreten, die Keilnuten mit plastischen Massen zu beschichten, wie Polyamiden oder Nylon, die nicht nur vorteilhafte Einflüsse bezüglich der Druckverteilung haben, sondern auch zu einer Verringerung des Reibungskoeffizienten führen. Selbst bei Verwendung solcher Beschichtungen jedoch verbleiben immer noch erhebliche Druckspitzen an den Enden der im Eingriff stehenden Zonen, während der zentrale Bereich der tragenden Keilnutenflanken überhaupt keinen nützlichen Druck übertragen. Nach kürzerer oder längerer Zeit ergibt sich deshalb in gleicher Weise wieder ein Verschleiß und eventuell sogar ein Pressen.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Wellenkupplung mit den im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 genannten Merkmalen zu schaffen, die diesen Nachteil nicht aufweist, und bei der demgemäß mit einer höheren Lebensdauer und verbesserten Stabilität zu rechnen ist, weil der Verschleiß in den Endzonen der Keilnuten verringert wird.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß mindestens eines der Elemente Keile aufweist, deren Breite in Umfangsrichtung im axial mittleren Abschnitt maximal bemessen ist und sich zu den axialen Enden hin verringert, wobei das Profil derart bemessen ist, daß bei einem vorgegebenen, zwischen den Kupplungselementen übertragenen Drehmoment der Kontaktdruck in den drehmomentübertragenden Zonen mindestens annähernd auf der ganzen Eingriffslänge der Keilnuten konstant ist.

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Vorzugsweise wird die Modifikation des Keilnutenprofils nur auf einem der beiden Elemente vorgesehen, bei dem es sich wiederum vorzugsweise um das Element mit den kürzeren Keilnuten handelt.

Gegenstand der Erfindung ist auch ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Elements bzw. einer solchen Wellenkupplung. Das Verfahren besteht darin, daß ein Rohling des Elements nach irgendeinem der klassischen verfahren hergestellt wird, also spanabhebend, Kaltziehen, Rollen, daß dieser Rohling aus einem Metall gefertigt wird, das hinBächende Verformbarkeit aufweist, beispielsweise im angelassenen Zustand, wonach man den Rohling ein Eingriff bringt mit einem Werkzeug, dessen Härte erheblich höher ist, und das im wesentlichen die Form des komplementären Elementes der Wellenkupplung aufweist. Man läßt dann zwischen den beiden Elementen (Rohling und Werkzeug) ein so hohes Moment wirken, daß die gewünschte Deformation des Rohlings bewirkt wird, wobei dieses Moment zunächst in der einen und dann in der anderen Drehrichtung zur Wirkung gebracht werden kann, damit man die Verformung auf beiden Flanken der Keilnuten erzielt.

Die Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert, die sich auf ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel beziehen.

Fig. 1 zeigt schematisch eine Wellenkupplung

gemäß der Erfindung in Seitenansicht, wobei das Hülsenelement aufgeschnitten ist,

Fig. 2 ist ein Querschnitt durch die Wellenkupplung nach Linie 2-2 der Fig. 1, und

Fig. 3 ist ein Diagramm zur Darstellung der Unterschiede zwischen den bisher bekannten und der erELndungsgemäßen Lösung.

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Man erkennt in Fig. 1 und 2 eine Wellenkupplung mit Keilnuten mit einem Schaftelement 1, starr verbunden mit einer Welle 2 und einem Hülsenelement 3, verbunden mit einer zweiten Welle 4. Es sei angenommen, daß die Welle die antreibende Welle ist, was zur Folge hat, daß die Keilnuten 5, die mit dieser Welle verbunden sind, eine geringere Länge haben als die Keilnuten 6, verbunden mit der anderen Welle.

In der dargestellten Ausführungsform sind die Keilnuten des Hülsenelementes geradlinig, wogegen die Keilnuten 5 des Schaftelementes gemäß der Erfindung derart profiliert sind, daß man eine Verteilung der Drücke etwa gleichförmig auf der gesamten Länge der im Eingriff stehenden Keilnuten erzielt. Diese Keilnuten 5 besitzen eine maximale Breite 5a in ihrem mittleren Abschnitt, welche Breite sich progressiv bis zu den beiden Enden 5b verringert. Es versteht sich, daß die Größe dieser Breitenverringerung in den Zeichnungen nicht maßstabsgetreu, sondern erheblich übertrieben dargestellt ist.

Der Wert des Maßes m, das die Profilkorrektur relativ zu einem geradlinigen und ebenen Profil längs der Mittellinie einer Keilnutenflanke repräsentiert, in Abhängigkeit von dem Abstand X von einem Ende der Keilnuten ist vorzugsweise durch die folgende Formel gegeben:

I² _ 2

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- 4

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oder, wenn man setzt U = _f +1
ergibt sich: a

Für den Fall, daß I = 1^, vereinfacht sich die Gleichung (1) zu:

m = ( X - \ )² . Cr (3)

² 07ΠΪ

Die Größe von m wird berechnet, ausgehend von einer Formel, die den Wert von () enthält, der Deformation der Keilnut an dem betrachteten Punkt unter einem Nenndrehmoment C.

^xf *_f

?) _ _ Cr
max Gl

I-

2I_f ( -γ + 1) (6)

In diesen Formeln bedeuten:

r den Belastungsradisus oder den Abstand zwischen der Mittellinie der Keilnutenflanke und der Achse der entsprechenden Welle,

G den Torsionselastizitätsmodul des Elements in dem betrachteten Querschnitt,

1 die Länge der im Eingriff stehenden Keilnuten

709847/1083 ' ⁶ ~

I das polare Trägheitsmoment des Querschnitts für

das Schaftelement,

I- das polare Trägheitsmoment des Querschnitts für das Hülsenelement.

Diese verschiedenen charakteristischen Größen sind dem Fachmann vertraut und brauchen daher nicht weiter im einzelnen definiert zu werden.

Wenn die Wellenkupplung mit in der obigen Weise berechneten Flankenprofilen der Keilnuten mit dem Nenndrehmoment belastet wird, führt die differentielle Torsion der Elemente 1 und 3 in ihren verschiedenen Querschnitten dazu, daß in Höhe der KoIitaktflächen zwischen den Flanken der Keilnuten ein Druck vorliegt, der mindestens annährernd auf der gesamten Länge 1 der im Eingriff stehenden Keilnuten konstant ist. Bei sich änderndem Drehmoment ist natürlich dieser Druck nicht mehr konstant, doch bleibt seine entsprechende Änderung gering, vergleichen mit den Druckspitzen, die man bei den Keilnuten mit dem bisher üblichen Profil beobachtet. In jedem Falle ist bei einem dem maximalen Drehmoment entsprechenden Nenndrehmoment der Druck höher in der mittleren Zonse der Keilnuten und die Druckverteilung günstiger als bei den bekannten Konstruktionen.

Fig. 3 illustriert die obigen Ausführungen:

Die Gerade A repräsentiert den Wert des Kontaktdruckes der beiden Keilnutenflanken, die gemäß der Erfindung profiliert sind, während die Kurven B bzw. C die Werte dieser Drücke repräsentieren, im Falle des herkömmlichen Profils ohne (Kurve B) bzw. mit (Kurve C) einer Beschichtung aus einem reibungsmindernden Material. Bei den Kurven B und C sind die

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Druckspitzen an den Enden der Keilnuten deutlich sichtbar, während der Druck auf dem größeren Teil der Länge Null ist.

Es ist ferner festzuhalten, daß die Verbesserung gemäß der Erfindung deutlich zu unterscheiden ist von der unter der Bezeichnung "Crowning" bekannten Technik, die darin besteht, insbesondere bei der Herstellung von bestimmten miteinander im Eingriff stehenden Elementen auf einer kurzen Länge die Endzonen der Zähne abzufasen, um einem 3ruch in diesen Zonen unter der Wirkung der Hertz'sehen Drücke vorzubeugen. Die dort zu lösenden Probleme und die vorgesehenen Lösungen unterscheiden sich offensichtlich deutlich.

Die unten stehende Tabelle gibt als numerisches Beispiel die Vierte für m in Abhängigkeit von U und X an für eine Kupplung mit geraden Keilnuten.

Die gewählten numerischen Werte sind:

I_f = 671 421 mm⁴
r = 20 mm

1 = 150 mm

2
G = 8.OOO kg.mm

C = 400.000 mm kg
Tabelle

X	(mm)	O	0	O	0	O	0	30	50	75	150	150	150
U		5	3	2	5	3	2	5	3	2
~~m	(mm)	,o223	,o37	_fo55	0	0	0	o,357	o,149	o,o55

Man erkennt, daß in Abhängigkeit von der Größe U, d.h. in Abhängigkeit von dem Verhältnis I. die Abszisse des Punktes,für den m = 0, sich T~

Si

erheblich verändert.

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In den obigen Formeln wurde im übrigen angenommen, daß die polaren Trägheitsmomente I und I. der beiden Elemente konstant waren auf der gesamten Länge der im Eingriff stehenden Keilnuten. Wenn mindestens eines dieser Trägheitsmomente d'sich in Abhängigkeit von der Abszisse ändert, entweder linear oder nichtlinear, so genügt es selbstverständlich, dies in der Festlegung des Korrekturwertes m des Profils zu berücksichtigen.

Wenn die beiden Sätze von Keilnuten ein modifiziertes Profil haben, ist die Summe der Änderungen m. m_, welche

Cl L.

die Korrekturen bezüglich eines Ausgangsprofils des Schaftbzw. Hülsenelementes repräsentieren, gleich der Größe m, wie sie oben unter Benutzung der Formeln (1), (2) und (3) berechnet wurden.

Diese Korrektur ist anwendbar unabhängig von derForm der Keilnut, die plan sein kann oder auch nicht.

Ein bevorzugtes Verfahren zur Herstellung eines solchen mit Keilnuten versehenen Elementes ist das folgende: Man stellt zunächst aus einem Stahl relativ guter Verformbarkeit, beispielsweise im angelassenen Zustand, einen Rohling des genuteten Elementes her, wobei man sich eines der konventionellen Verfahren bedienen kann: Spanabhebende Bearbeitung, Kaltziehen oder z.B. Rollen. Im gewählten Beispiel ist dies das Schaftelement. Man fertigt ferner ein Werkzeug, dem man die Form des komplementären Elementes - hier des Hülsenelementes - gibt, und das aus einem Stahl besteht, der auf sehr hohe Oberflächenhärte gehärtet worden ist.

Der Rohling wird in das Werkzeug aus gehärtetem Stahl eingeführt, und diese Baugruppe wird zur Drehung angetrieben, während man Radialkräfte an einem bestimmten Abstand von

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dem keilgenuteten Axialbereich derart einwirken läßt, daß ein Flexionsmoment in dem Berührungsbereich der Keilnuten auftritt. Gleichzeitig läßt man auf die Welle des Rohlings ein Torsionsmoment derart einwirken, daß man das Nennmoment für den Betrieb erreicht. Die kombinierte Wirkung des Flexionsmomentes und des Drehmoments während der Drehung führt zu einer progressiven Umformung der Keilnuten und die Achse des Schaftelementes nimmt eine Fehlausfluchtung an, bis zu der Ausbildung eines Winkels fc mit der Achse des Verformungswerkzeuges, wobei dieser Winkel in der Größenordnung von einigen Minuten so bemessen wird, daß der berechnete Wert von m realisiert wird.

Dieser Arbeitsgang wird dann wiederholt mit einem gleichen Drehmoment, jedoch in umgekehrter Drehrichtung, um die anderen Flanken der Keilnuten nachzuformen. Danach kann gegebenenfalls die Welle mit dem Schaftteil gehärtet werden, bevor sie eingebaut wird oder einer anderen Nachbehandlung unterzogen werden, um ihr die nötige Festigkeit zu verleihen. Es kann im Falle der Herstellung eines Rohlings aus angelassenem Stahl wünschenswert sein, die Profilierung auf einem Rohling vorzunehmen, dessen Welle den gleichen Durchmesser hat wie der Außendurchmesser der Keilnuten, damit man ein hinreichend hohes Drehmoment aufbringen kann. Danach kann man den Durchmesser der Welle - falls notwendig - durch Abdrehen verringern.

Das gleiche Prinzip der Verformung kann offensichtlich auch für die Modifikation der inneren Keilnuten des Hülsenelernentes verwendet werden, falls die Kompensation auf den Keilnuten desselben vorzunehmen ist.

Es ist klar, daß das Keilnutenprofil festgelegt wird unter Berücksichtigung des erforderlichen Spiels für die Verschiebebewegung und unter Berücksichtigung der Tatsache, daß mindestens eines der beiden Elemente gegebenenfalls mit einer reibungsmindernden Beschichtung versehen wird.

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Schließlich kann man an dem freien Ende des Hülsenteils eine Kappe vorsehen, die eine perfekte Führung zwischen den beiden Elementen bewirkt, während zugleich die Abdichtung der Viellenkupplung hergestellt wird und verhindert wird, daß die Elemente unabsichtlich auöeinandergezogen werden.

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Claims

Patentansprüche

ί I)) Wellenkupplung mit einem äußeren Hülsenelement und einem inneren Schaftelement, die mit ineinandergreifenden Keilnuten versehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eines der Elemente (1) Keile aufweist, deren Breite in Umfangsrichtung im axial mittleren Abschnitt maximal bemessen ist und sich zu den axialen Enden hin verringert, wobei das Profil derart bemessen ist, daß bei einem vorgegebenen zwischen den Kupplungselementen übertragenen Drehmoment der Kontaktdruck in den drehmomentübertragenden Zonen mindestens annähernd auf der ganzen Eingriffslänge der Keilnuten konstant ist.
2) Wellenkupplung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Größe der Profilbreitenverringerung η in Abhängigkeit von dem Abstand χ zu einem Keilnutenende, gemessen in Höhe der Mittellinie einer Keilnutenflanke, gegeben ist durch

Cr

m =

GH.

I₁

γ- £f + 1) +Ix

m =

2G I

{■+■

mit:

C = vorgegebenes Drehmoment,

r = Belastungsradius,

G = Torsionselastizitätsmodul des Elements, ^{1 =} Ei_ngriffslänge der Keilnuten,

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ORIGINAL

,NSPECTEO

I = Polares Trägheitsmoment des Schaftelementquerschnitts, a

I_f = Polares Trägheitsmoment des Hülsenelements,

U = *f + 1
3) Wellenkupplung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß beide Elemente mit gleichem Trägheitsmoment ausgebildet sind und die Größe von m gegeben ist durch

m-

(3)
4) Wellenkupplung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß nur das Element mit den axial kürzeren Keilnuten diese mit modifiziertem Profil aufweist.
5) Wellenkupplung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Profile der Keilnuten beider Elemente modifiziert sind, wobei in jedem Querschnitt die Summe der

Änderungen m + m, im wesentlichen gleich der gesamten Profila χ

breitenverringerung m bemessen ist.
6) Wellenkupplung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine im Axialabstand von den im Eingriff stehenden Keilnuten angeordnete gleitbewegliche Radialabstützung der Elemente gegeneinander.
7) Verfahren zum Herstellen eines Kupplungselementes nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zunächst in konventioneller Weise durch spanabhebende Bearbeitung, Kaltverformung, Rollen oder dergleichen ein Rohling des Elements gefertigt wird, dessen Material (Metall) plastisch verformbar ist,

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beispielsweise durch Anlassen des Metalls, daß man den Rohling in Eingriff bringt mit einem Werkzeug in Form des komplementären Elementes, das jedoch eine erheblich höhere Härte aufweist, und daß man zwischen dem Rohling und dem Werkzeug ein Torsionsmoment wirken läßt, bis die gewünschte Deformation des Rohlings erzielt ist.
8) Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß man das R Torsionselement zuerst in der einen und dann in der anderen Drehrichtung wirken läßt.
9) Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Rohling und das Werkzeug in Drehung versetzt werden und daß auf Rohling oder Werkezeug ein Flexionsmoment zur Einwirkung gebracht wird, derart, daß die kombinierte Wirkung des Flexionsmomentes und des Torsionsmomentes eine Fehlausfluchtung der Achsen von Rohling und Werkzeug bewirkt.

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