DE2912033C2

DE2912033C2 - Drehfeste Preßfüge-Verbindung zweier mit radialem Spalt ineinander angeordneter Bauteile

Info

Publication number: DE2912033C2
Application number: DE2912033A
Authority: DE
Inventors: Hisanobu Kanamaru; Moisei Okabe; Hideo Tatsumi; Akira Ibaraki Tohkairin
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1978-03-27
Filing date: 1979-03-27
Publication date: 1984-12-13
Also published as: SE439130B; US4249298A; JPS5548895B2; GB2016979A; SE7901999L; DE2912033A1; CA1097040A; JPS54126660A; AU4540479A; GB2016979B; AU522720B2

Description

Die Erfindung betrifft eine drehfeste Preßfüge-Verbindung zweier mit radialem Spalt ineinander angeordneter Bauteile der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Gattung.

Aus der US-PS 35 59 946 ist eine derartige Preßfüge-Verbindung bei einem elektromagnetisch betätigbaren Stellglied für ein Ventil bekannt, das in hochtoxischen und korrosiven Fluidsystemen eingesetzt wird. Ein flexibles Rohr ist mit seinem oberen Ende an einer Platte und mit seinem unteren Ende am Ventilgehäuse durch je eine Preßfüge-Verbindung fluiddicht befestigt. Die beiden jeweils zu verbindenden Teile weisen einen Ringspalt sowie in ihrer jeweiligen Verbindungsfläche eine umlaufende Ringnut von rechteckigem Querschnitt auf. Ein in diesen Ringspalt eingesetztes Verbindungselement aus einem plastisch verformbaren Werkstoff wird über ein entsprechend ausgebildetes Preßwerkzeug bis über seine Fließgrenze mit Druck beaufschlagt, so daß es den Spalt sowie die beiden angrenzenden Ringnuten unter Kaltverformung ausfüllt und zumindest auf bestimmte Spalt- bzw. Nutflächen nach der Verformung eine Restkraft ausübt. Diese nahezu vollständige Füllung des Spalts und der Nuten gewährleistet eine ausreichend hohe Sicherheit gegen Leckagen und bietet den bei derartigen Ventilen besonderen Vorteil, daß korrodierte bzw. verschlissene Verbindungselemente ausgebaut und durch neue ersetzt werden können, ohne das Ventil incl. seines Antriebes zu beschädigen. Hohe Drehmomente sollen und können mit dieser Preßfügeverbindung jedoch nicht übertragen werden, weil durch die glatte Ausbildung der ringförmigen Nuten in Umfangsrichtung lediglich Haftreibung zwischen dem Werkstoff des Verbindungselementes und dem angrenzenrien Bauteil vorhanden ist. Darüber hinaus kann auf grund der rechteckigen Querschnitte der Nuten eine vollständige Füllung des Spalts und der gegenüberliegend angeordneten Nuten nur mit sehr hohen Preßkräften erzielt werden, was die Möglichkeit einer uncr-

wünschten Verformung der beiden Bauteile selbst einschließt.

Aus der DE-OS 26 41 879 ist eine Preßfüge-Verbindung bekannt, bei welcher in den Verbindungsflächen der beiden Bauteile aufeinander senkrechtstehende keilförmige Profile eingearbeitet sind. Beispielsweise kann die Sitzfläche des inneren Teils nebeneinanderliegende Umfangszähne mit keilförmigem gewindeähnlichem. Querschnitt tragen und die Profile an der Sitzfläche des äußeren Teils können eine achsparallel verlau-

fende Keilnabenverzahnung sein. Durch eine Axialpressung werden diese beiden Teile zusammengefügt, wobei sich das eine Profil in das andere eingräbt, um einen Formschluß zu erzielen. Aufgrund dieses axialen Einpreßvorganges ist jedoch nicht sichergestellt, daß die in

Umfangsrichtung verlaufenden Rillen vollständig mit dem weicheren Material gefüllt werden. Zwar ermöglicht der durch die Keilnabenverzahnung verursachte Formschluß die Übertragung größerer Drehmomente als bei glatten Sitzflächen, die Gesamtfestigkeit der Verbindung ist jedoch aufgrund des nur teilweisen direkten Kontaktes beider Bauteile begrenzt.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine besonders starre Preßfüge-Verbindung der eingangs genannten Gattung zu schaffen, die bei verringerten Preßkräften größeren statischen und Wechselbeanspruchungen standhalten kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Die Ausbildung von regelmäßigen Vertiefungen und Erhebungen mit schrägen axialen Seitenflächen ergibt einen Formschluß zwischen dem in die Nuten und in die Verticfurigen eingepreßten Verbindungselement, wodurch gegenüber Nuten mit glattem Boden höhere Drehmomente übertragen werden können. Dieser Ef fekt wird durch die spezifische Formgebung der Vertie fungen und Erhebungen verstärkt, weil aufgrund der gewählten Scheitelwinkel der Werkstoff des Verbindungselemenles bereits bei relativ geringem Preßdruck bis in den Grund der Vertiefungen einfließt und eine ständig wirksame Restkraft auf praktisch alle Seitenflächen der Erhebungen ausübt, die auch nach dem Preßvorgang erhalten bleibt. Durch die Neigung der oberen und unteren Endflächen der Nuten werden hinterschnittene Räume vermieden, so daß der Werkstoff des Verbindungselementes bereits bei relativ geringem Preßdruck in die beiden Nuten einfließen und ihre freien Innenräume vollständig ausfüllen kann. Die beanspruchten Maßnahmen ergeben insgesamt den Vorteil einer um ein Mehrfaches gesteigerten Festigkeit der Preßfüge-Verbindung, was die Übertragung hoher Drehmomente sowie größere axiale Stoßbelastungen ermöglicht.

Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der IJnteransprüchc.

Im folgenden werden Ausiührungsbeispicle der Erfindung anhand der Zeichnung im einzelnen erläutert. Es zeigt

F i g. 1 die Anordnung der zu verbindenden Bauteile

3 4

und darunter ein Verbindungselement; toren sind folgende:

F ig. 2 einen Schnitt II-II in Fig. 1; F i g. 3 ein ringförmiges Verbindungselement in Per- (1) Der Neigungswinkel öder Seitenwände des

spektivdarstellung; Preßabschnitts 24 der oberen Werkzeughälfle 22;

F i g. 4 einen Axialschnitt der zu verbindenden Bautei- 5 (I I) die Lage der in den Verbindungsflächen 6,8 der Ie und des Verbindungselementes vor dem Pressen; Bauteile 2,4 ausgebildeten Nuten 12,13; Fig.5 das Herstellen einer Preßfüge-Verbindung (Hl) die mittlere Tiefe Λ₎₀ der Nuten 12,14;

während des Preßvorganges; (I V) die Neigungswinkel ce_h A₂ der oberen und un-

F i g. 6 eine fertige Preßfüge-Verbindung; teren Endwand der Nuten 12,14; F i g. 7 die Anwendung der Preßfüge-Verbindung bei io (V) die Beziehung zwischen der Höhe Wi des Ver-

einem Schwungrad-Magnetzünder; bindungsstücks 18 und der Höhe H₀ der Bauteile 2,

Fig. 8,9 die Nabe bzw. das Schwungrad des Magnet- 4; Zünders nach Fi g. 7; (VI) die Höhe Λιι der in den Nuten 12,14 ausgebil- Fig. 10, 11 weitere Anwendungsbeispiele für die deten Erhebungen 16; Preßfüge-Verbindung. 15 (VI I) der Winkel β zwischen den Seitenwänden der

Gemäß F i g. 1 sollen zwei Stahlscheiben 2, 4 durch Erhebungen 16. eine Preßfüge-Verbindung starr miteinander verbunden

werden. Ein Ringspalt 10 mit einer Breite 71i und einer (I) Bedeutung des Neigungswinkels θ der Seitenwände

Höhe W₀ ist zwischen den Verbindungsflärhen 6,8 der des Preßabschnitts 24 der Werkzeughäifte 22

beiden Stahlscheiben 2,4 ausgebildet. 20

In den Verbindungsflächen 6,8 sind Ringnuten 12,14 Wie aus F i g. 5 ersichtlich, sind die Seitenwände des

eingearbeitet, in deren Grund axiale Erhebungen 16 Preßabschnitts 24 um einen Winkel θ von ca. 3 bis 15°

ausgeformt sind. zur Einführrichtung geneigt. Ein zu kleiner Winkel θ

Nach F i g. 2 beträgt die mittlere Tiefe Λιο von einer erschwert das Herausziehen der Werkzeughälfte 22 Verbindungsfläche 6 bzw. 8 zur neutralen Faser m—m 25 nach dem Pressen und bei zu großem Winkel θ kann der Erhebungen 16 bevorzugt 0,2—1,0 mm, insbesonde- Werkstoff des Verbindungselements 18 entgegen der re 0,2—0,5 mm. Die Höhe h_u der Erhebungen 16 beträgt Einführrichtung der Werkzeughälfte 22 aus dem Ringebenfalls bevorzugt 0,2—1,0 mm, insbesondere spalt 10 herausgedrückt werden. Ferner kann bei zu 0,2—0,5 mm. Diese bevorzugten Werte für ftio und Λπ großem Winkel ödie Werkzeughälfte 22 nicht tief gesind von der Größe der zu verbindenden Bauteile prak- 30 nug in den Ringspalt 10 eingetrieben werden, so daß tisch unabhängig. kein ausreichend großer Preßdruck auf das Verbin-

Ein Verbindungselement 18 besteht aus einem Metall, dungselement ausgeübt wird und die Festigkeit der Verdas einen geringeren Verformungswiderstand als die bindung den Anforderungen nicht genügt. Bauteile 2,4 hat. Aluminium, Messing, Kupfer, Weicheisen od. dgl. sind geeignete Werkstoffe für das Verbin- 35 (II) Bedeutung der Lage der Nuten 12,14 dungselement 18. Da das Verbindungselement 18 eine in den Verbindungsflächen 6,8 bestimmte mechanische Festigkeit haben soll, wird

Weicheisen bevorzugt. Die Höhe Wi und die Breite T_t Bei vollständig in den Ringspalt IO eingedrücktem des Verbindungselementes 18 sind etwa gleich der Höhe Preßabschnitt 24 soll der Abstand S zwischen der wirk-W₀ bzw. der Breite T₀ des Ringspalts 10. Auch wenn die 40 samen Stirnfläche der Werkzeughälfte 22 und der Ober-Höhe Wi größer als die Höhe W₀ ist, wird die Höhendif- kante der Nuten 12,14 so klein wie möglich sein, d, h. die ferenz ΔΗ so klein wie möglich, z. B. 0,2 bis 0, 3 mm, wirksame Stirnfläche der Werkzeughälfte 22 soll sich gewählt. Das Verbindungselement 18 kann kreisrunden, möglichst nahe an den Nuten 12,14 befinden, wie dies in ovalen, vieleckigen oder einen anderen einfachen Quer- Fi g. 5 dargestellt ist. Der Abstand S kennzeichnet die schnitt haben, wobei seine Form nicht durch die Form 45 Länge einer Reibungsfläche zwischen den Teilen 2, 4 des Ringspaltes 10 beschränkt ist. Das Verbindungscle- und dem Verbindungselement 18 beim Preßvorgang. Je ment 18 kann ein zu einem Ring gebogener Draht mit kleiner dieser Abstand 5 ist, desto geringer ist der Reieiner Stoßfuge oder ein gesinterter Vollnng gemäß bungsverlust. Andererseits muß die Eindringtiefe der F i g. 3 sein. Werkzeughälfte 22 ausreichend groß sein, um die Nuten

Zum Verbinden der beiden Bauteile 2, 4 wird das 50 12,14 vollständig mit dem Werkstoff des Verbindungs-Verbindungselement in dem Ringspalt 10 zwischen den elementes 18 auszufüllen und gleichzeitig die erwünsch-Teilen 2,4 angeordnet (vgl. F i g. 4). Danach werden die te Restkraft von dem plastisch verformten Verbin-Bauteile 2, 4 zusammen mit dem Verbindungselement dungselement 18 zu erhalten. 18 auf eine Werkzeughälfte 20 gelegt (vgl. Fig.5). Auf

das Verbindungselement 18 wird ein Druck durch den 55 (HI) Bedeutung der mittleren Tiefe Λιο Preßabschnitt 24 einer oberen Werkzeughälfte 22 aus- der Nuten 12,14 geübt, dessen Breite / kleiner als die Breite T_n des Ringspaltes 10 ist. Infolgedessen fließt Werkstoff des Verbin- Bei einer Tiefe Λ,ο von weniger als 0,2 mm kann unter dungselements 18 in die Nuten 12 und 14. Im Zustand Einwirkung einer starken axialen Belastung das Verbinnach F i g. 4 ist das Verbindungselement 18 nahezu voll- bo dungselement aus der entsprechenden Nut herausgeständig von den Verbindungsflächen 6,8 der Bauteile 2, drückt werden. Bei einer Nuttiefe Λιο von mehr als 4 umschlossen. Sein überstehender Abschnitt hat die 1,0 mm ist ein vollständiges Ausfüllen der Nuten 12,14 Höhe AH von etwa 0,2 bis 0,3 mm. durch den Werkstoff des Verbindungselementes 18 bei

Wie in F i g. 6 dargestellt, übt das kaltverformte Ver- praktikablen Preßkräften nicht gewährleistet, was eben-

bindungselement 18 eine starke innere Restkraft P auf μ falls zu einer ungenügenden Festigkeit der Verbindung

die Wandungen der Nuten 12, 14 und die Verbindungs- insbesondere gegenüber axial wirkenden Kräften führt, flächen 6,8 aus.

Die zum Erreichen dieser Wirkung wesentlichen Fak-

(IV) Bedeutung der Neigungswinkel «ι, /X₂ der oberen

und unteren Endwände der Nuten 12,14

Der Neigungswinkel <x\ der oberen Seitenwand beträgt zweckmäßig 45°, was der Fließrichtung des Verbindungselements 18 entspricht. Der Neigungswinkel a\ kann in einem Bereich von 20 bis 70° liegen. Die obere Seitenwand ist zweckmäßig eben oder auch bogenförmig gekrümmt, wobei in diesem Fall der Winkel »\ der Tangentiallinie kleiner 90° beträgt und der Winkel im Mittelabschnitt der Endfläche in einem Bereich von 20 bis 70° liegt.

Der Neigungswinkel oci der unteren Endwand soll nicht größer als 90° betragen und diese Seitenwand kann ebenfalls eben oder bogenförmig gekrümmt sein, wobei eine ebene Fläche bevorzugt wird.

(V) Bedeutung der Höhe H\ des Verbindungselementes

18 zu der Höhe H₀ des Ringspaltes 10

Das Volumen des Verbindungselementes 18 muß so gewählt werden, daß der Ringspalt 10 in einer vorbestimmten Höhe sowie die beiden Nuten 12,14 vollständig ausgefüllt werden. 1st die Höhe Wi des Verbindungselementes 18 jedoch wesentlich größer als die Höhe H₀ des Ringspalts 10. dann werden die vorstehenden Endabschnitte des Verbindungselementes 18 beim Preßvorgang außerhalb des Ringspaltes gequetscht, so daß im mittleren Teil des Verbindungselementes 18 keine ausreichend hohen Spannungen oberhalb der Fließgrenze erzeugt werden können und die Nuten 12,14 nicht vollständig gefüllt werden. Damit das Verbindungselement 18 beim Preßvorgang praktisch vollständig umschlossen ist, soll seine Höhe H₁ etwa gleich der Höhe H₀ des Ringspalts 10 sein.

(Vl) Bedeutung der Höhe h\ ι der Erhebungen 16
am Boden der Nuten 12,14

Die mittlere Höhe Λ_Μ der Erhebungen kann etwa gleichgroß wie die Nuttiefe Λ,ο zwischen der jeweiligen Verbindungsfläche 6, 8 und der neutralen Faser m—m der Erhebungen sein, d.h. 0,2— 1,0mm, insbesondere 0,2—0,5 mm, betragen. Besonders wenn die etwa Dreieckquerschnitt aufweisenden Erhebungen 16 durch Rändeln hergestellt werden, hängt die innere Scherkraft des zwischen die Erhebungen 16 eingeflossenen Materials des Verbindungselementes vom Querschnitt im Bereich der Scheitel der Erhebungen ab. Bei einer Höhe hu der Erhebungen 16 unter 02 mm ist diese Scherkraft relativ klein, was bei der Übertragung größerer Drehmomente zur Zerstörung des Vcfbinüungseiemenies IS führen kann. Bei einer Höhe Λι, von mehr als 1,0 mm ist nicht gewährleistet, daß mit praktikablen Preßkräften, die noch nicht zur Beschädigung der Bauteile führen können, der Werkstoff des Verbindungsclementes bis in den Grund der von benachbarten Erhebungen 16 begrenzten Kerben eindringt.

(VII) Bedeutung der Flankenwinkel/?
der Erhebungen 16

Zweckmäßig beträgt der Flankenwinkel β der Erhebungen 16 60 bis 120°. Ein Winkel/von weniger als 60° erschwert das Einfließen des Verbindungselementes 18 in die Vertiefungen und bei einem Winkel von mehr als 120° wird das maximal übertragbare Drehmoment der Verbindung zu klein.

Die erfindungsgemäß miteinander verbundenen Teile 2 und 4 können hohe Drehmomente zuverlässig von einem auf das andere übertragen, da die axiale Schrägflächen aufweisenden Erhebungen 16 im Nutboden einen Formschluß in Umfangsrichtung ergeben. Die hohe Festigkeit der Verbindung ergibt sich ferner durch die vollständige Füllung der Nuten 12, 14 und der Räume zwischen den Erhebungen 16 am jeweiligen Nutgrund sowie durch eine innere Restkraft P, die auf die Verbindungsflächen 6,8 des Ringspaltes 10, sowie auf alle Flächen innerhalb der Nuten dauerhaft wirkt. Der Widerstand gegen axiale Belastungen ist ein Produkt der Scherfestigkeit des Werkstoffs des Verbindungselementes 18 und seines Scherquerschnitts. Da die beiden Teile 2,4 beim Einpressen des Verbindungselements 18 nicht verformt werden, weil ihr Werkstoff einen höheren Verformungswiderstand als der des Verbindungsclements 18 hat, können die beiden Bauteile 2, 4 bereits vor dem Verbinden bis auf ihre Endform fertigbearbeitet werden. Für die Bauteile 2,4 kann jeder Werkstoff verwendet werden, dessen Verformungswiderstand größer als der des Verbindungselementes 18 ist.

Im folgenden werden einige praktische Anwendungsbeispiele für Preßfüge-Verbindungen mit den genann-

2^r> ten Vorteilen angegeben.

Der in F i g. 7 dargestellte Schwungmagnetzünder hat eine von einer Brennkraftmaschine getriebene Welle 40 mit einem konischen Ende 42, auf dem eine Nabe 44 durch eine Mutter 46 befestigt ist. Ein Schwungrad trägt

ίο an der Innenseite seines napfförmigen Teils Magnete 50 und eine Wicklung 53 ist auf einer ortsfesten Platte 52 montiert. Das Schwungrad 48 ist am Außenumfang der Nabe 44 durch eine vorstehend beschriebene Preßfüge-Verbindung 55 befestigt. Da sich das von der Brennkraftmaschine erzeugte Drehmoment ständig ändert, muß die Preßfüge-Verbindung hohen intermittierend auftretenden Drehmomenten standhalten.

Gemäß F i g. 8 weist die Nabe 44 eine Umfangsnut 54 mit feinen axialen Erhebungen 56 bzw. entsprechenden Vertiefungen in ihrer Grundfläche auf, die durch Rändeln oder durch eine spanende Bearbeitung geformt werden.

Belastungsversuche haben gezeigt, daß durch Vorsehen der Erhebungen 16 im Nutgrund um das dreifach höhere Drehmomente gegenüber Verbindungen mit jeweils glatten Nutflächen übertragen werden konnten. Die Festigkeit der Preßfüge-Verbindung bei wechselnden Drehmoment-Beanspruchungen war nochmals um ein Mehrfaches besser als bei herkömmlichen Verbindüngen.

Zur weiteren Steigerung der Verbindungsfestigkeit

könncü die beideii oäütciic äUCn uUfCii Zwei rrcuiügc-Verbindungen 78, 80 gemäß Fig. 10 miteinander verbunden werden, die axial beabstandet sind.

Wie in F i g. 11 dargestellt, können ferner auch Zahnräder 82 mit einer Welle 84 drehfest verbunden werden. Dabei entspricht die Bohrung des Zahnrads 82 dem Außendurchmesser der Welle 84. In der Bohrungswand sind eine Nut von bestimmter Tiefe und Erhebungen bzw. Vertiefungen im Nutgrund ausgebildet Auch die Welle 84 weist eine Ringnut mit axialen Erhebungen bzw. Vertiefungen 86 im Nutgrund auf. In den Spalt zwischen den beiden Ringnuten wird ein Verbindungselement 88 kalt eingepreßt Diese Preßfüge-Verbindung kann hohe Drehmomente übertragen und besitzt eine hohe Festigkeit gegenüber axialen Schlagbeanspruchungen. Weiterhin kann die vorstehend beschriebene Preßfüge-Verbindung zur Befestigung von Zylindern

oder Platten an Wellen sowie zum Verbinden von Scheiben, Zylindern, Wellen, Ständern, Platten, Stuben usw. eingesetzt werden.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

15

2»

25

ii)

J5

40

45

50

55

65

Claims

Patentansprüche:

1. Drehfeste Preßfüge-Verbindung zweier mit radialem Spalt ineinander angeordneter Bauteile, bestehend aus einer in der Verbindungsfläche jedes Bauteils angeordneten Nut und aus einem Verbindungselement aus plastisch verformbarem Metall, das unter Kaltverformung in den Spalt und in die Nuten eingepreßt ist, wobei die Breite des Verbindungselements vor dem Preßvorgang etwa der Breite des radialen Spalts zwischen beiden Bauteilen entspricht, dadurch gekennzeichnet, daß im Boden jeder Nut (12,14) Vertiefungen und Erhebungen (16) ausgebildet sind, deren axiale Seitenflächen Scheitelwinkel iß) am Grund der Vertiefungen zwischen 60 und 120° bilden, und

daß die oberen und unteren Endflächen der Nuten (12,14) unter einem spitzen Winkel αί ix-> zur Achsrichtung geneigt sind.

2. Preßfüge-Verbindung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Tiefe (Λιο) der Nuten (12,14) bis zur neutralen Faser (m—m) und die Höhe (hi\) der Erhebungen (16) jeweils 0,2 bis 1,0 mm betragen.

3. Verbindung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Höhe (Hi) des unverformten Verbindungselementes (18) etwa gleich der Höhe (Ho) des radialen Spaltes (10) zwischen den beiden Bauteilen (2,4) ist.

4. Preßfüge-Verbindung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand (S) zwischen der Oberfläche des verformten Verbindungselementes (18) und der oberen Kante der Nuten (12,14) nahe Null ist