DE2937244A1

DE2937244A1 - Wellen-naben-verbindung

Info

Publication number: DE2937244A1
Application number: DE19792937244
Authority: DE
Inventors: Leonard Stanley Snell
Original assignee: Rolls Royce PLC
Current assignee: Rolls Royce PLC
Priority date: 1978-09-19
Filing date: 1979-09-14
Publication date: 1980-03-27
Also published as: JPS5597527A; US4292001A; FR2436909A1

Description

DIPL. iNo. B. HOLZEB PHILIPPINE-WKLSEB-STRABeB M

6900 AUGSBl)UQ

TBLEFOlT 810475

castes fzici d

R.1036

Augsburg, den 12. September 1979

Rolls-Royce Limited, 65 Buckingham Gate, London SWlE 6AT, England

Wellen-Naben-Verbindung

Die Erfindung betrifft eine Wellen-Naben-Verbindung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Es ist bekannt, zur Verbindung einer Nabe mit einer Welle diese mit ineinandergreifenden geraden Kei!verzahnungen zu versehen, deren Flanken das Drehmoment zwischen Welle und Nabe übertragen, und zur axialen Festlegung der Nabe auf der Welle eine Wellenschulter vorzusehen, gegen welche die Nabe mittels einer auf das Wellenende aufgeschraubten Mutter axial gespannt wird.

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Bei derartigen bekannten Wellen-Naben-Verbindungen tritt das Problem auf, daß es nicht immer möglich ist, eine straffe gegenseitige Anlage zwischen den miteinander zusammenwirkenden, drehmomentübertragenden Flanken der ineinandergreifenden Keilverzahnungen herzustellen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Wellen-Naben-Verbindung in dieser Hinsicht zu verbessern.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebene Anordnung gelöst.

Die Weiterbildung der Erfindung gemäß Anspruch 2 bringt außerdem den Vorteil, daß die gegenseitige axiale Verspannung von Nabe und Welle im Gegensatz zu Wellen-Naben-Verbindungen der bekannten Bauart in der Nabe eine Zugspannung und in der Welle eine Druckspannung erzeugt.

Bei WeIlen-Naben-Verbindungen der bekannten Bauart, bei welchen die Nabe mittels einer auf das Wellenende aufgeschraubten Mutter axial gegen eine Wellenschulter gespannt und folglich die Welle unter Zugspannung und die Nabe unter Druckspannung gesetzt wird, führt nämlich die durch die Zugspannung in der Welle eintretende Dehnung nach dem Poisson¹sehen Gesetz zu einer entsprechenden Querkontraktion, d.h. Reduzierung des

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Wellendurchmessers, was die Entstehung eines Radialspiels zwischen Nabe und Welle zur Folge haben kann. Sind die Flanken der an Welle und Nabe gebildeten Keilverzahnungen zur Radialrichtung geneigt, hat das sich ergebende Radialspiel auch die Entstehung eines umfangsmäßigen Spiels zv/ischen den Flanken der Keilverzahnungen zur Folge, wodurch das obengenannte Problem der Erzielung einer straffen Anlage zwischen den drehmomentübertragenden Flanken sich noch verstärkt. Die auf das Wellenende aufgeschraubte Kutter muß natürlich mit hohem Drehmoment angezogen werden, um Sicherheit gegen umbeabsichtigtes Lockern zu bieten, und je höher das Anzugsdrehmoment der Mutter ist, um so größer ist auch das dadurch bedingte Flankenspiel. Durch die erfindungsgemäße Konstruktion werden diese Schwierigkeiten beseitigt.

Einige Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend mit Bezug auf die anliegenden Zeichnungen mehr im einzelnen beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Seitenansicht einer

erfindungsgemäßen Wellen-Naben-Verbindung in einem Gasturbinentriebwerk,

Fig. 2 einen vergrößerten Schnitt durch die

in Fig. 1 gezeigte Wellen-Naben-Verbindung,

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— ο —

Fig. 3 einen abgewickelten Radialschnitt

längs der Linie III-III in Fig. 2,

Fig. H einen weiter vergrößerten Querschnitt

in der Ebene IV-IV in Fig. 2,

Fig. 5 einen Axialschnitt ähnlich Fig. 2 einer

weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Wellen-Naben-Verbindung,

Fig. 6 einen abgewickelten Radialschnitt längs

der Linie VI-VI in Fig. 5,

Fig. 7 einen Axialschnitt ähnlich Fig. 2 einer

noch weiteren Ausführungsform der Wellen-Naben-Verbindung nach der Erfindung,

Fig. 8 einen abgewickelten Radialschnitt längs

der Linie VIII-VIII in Fig. 7,

Fig. 9 einen abgewickelten Radialschnitt längs

der Linie IX-IX in Fig. 7,

Fig. 10 einen Querschnitt in der Ebene X-X in

Fig. 7, und

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Die Fig. 11 abgewickelte Radialschnitte ähnlich und 12 den Fig. 8 und 9, die eine Abwandlungs

möglichkeit zeigen.

Gemäß Fig. 1 ist in einem Gasturbinentriebwerk 7 die Nabe eines Gebläses 8 mittels einer Wellen-Naben-Verbindung 9 mit einer Antriebswelle 11 verbunden.

Wie die die Wellen-Naben-Verbindung 9 mehr im einzelnen darstellenden Fig. 2 bis 4 zeigen, weist die Nabe 10 eine Innen-Schrägkeilverzahnung 12 auf, die in eine an der Welle 11 gebildete Außen-Schrägkeilverzahnung 13 eingreift. Die schrägen Flankenflächen 12A und 13A der Keilverzahnungen 12 und 13 bilden eine erste Gruppe von miteinander zusammenwirkenden Flächen zwischen Nabe und Welle. Diese Flächen 12A und 13A liegen unmittelbar aneinander an und übertragen das Drehmoment von der Welle 11 auf die Nabe 10. Mit der gemeinsamen Achse 16 von Nabe und Welle bilden die Flächen 12A und I3A einen Schränkungswinkel °< .

Außerdem sind mindestens drei zylindrische Zwischenelemente in Form von Stiften I¹I in achsparallelen Bohrungen 15 angeordnet, welche die Keilverzahnungen 12 und 13 schneiden. Die in den Keilverzahnungen 12 und 13 liegenden Bohrungswandflächen 12B und 13B dieser Bohrungen 15 bilden eine zweite Gruppe von Flächen

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zwischen Nabe und Welle. Diese Flächen 12B und 13B der zweiten Gruppe sind umfangsmäßig gegen die Flächen 12A und 13A der ersten Gruppe versetzt angeordnet und natürlich durch die dazwischenliegenden Stifte 14 voneinander getrennt.

Zur axialen gegenseitigen Verspannung von Nabe und Welle dient eine Mutter 21, die in ein Innengewinde 22 der Nabe 10 eingeschraubt ist und sich mit einer Stirnfläche an der Stirnfläche 2k der Welle 11 abstützt, so daß die Mutter, wenn sie festgezogen wird, eine Axialkraft Fl auf die Welle und eine entgegengesetzte Axialkraft F2 auf die Nabe 10 ausübt, so daß die Nabe axial in Richtung zum Wellenende gespannt wird. Aufgrund der unterschiedlichen Schränkungswinkel der Flächen 12A, 13A der ersten Gruppe und der Flächen 12B, 13B der zweiten Gruppe (der Schränkungswinkel der Flächen 12B, 13B der zweiten Gruppe ist natürlich Null) mit Bezug auf die Achse 16 bewirken die einander entgegengerichteten Axialkräfte Fl und F2 im gegenseitigen Zusammenwirken eine die Nabe gegen Axialverschiebung sichernde Verkeilung auf der Welle. Durch diese Verkeilung entsteht eine Umfangskraft F3, welche die Flächen 12A der Nabe gegen die Fläche 13A der Welle spannt, und eine dazu entgegengerichtete Umfangskraft F4, die über die Stifte 14 zwischen den miteinander zusammenwirkenden Flächen 12B und 13B wirkt. Diese beiden Um-

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fangskräfte F3 und P^ schließen jegliches Urafangsspiel zwischen den Kei!verzahnungen 12 und 13, insbesondere zwischen den drehmomentübertragenden Flankenflächen 12A und 13A aus.

Eine durch die Welle übertragene Antriebsumfangskraft F5 zur Drehung des Gebläses kann daher spielfrei auf die Nabe übertragen werden.

Die auf das Gebläse 8 wirkende aerodynamische Kraft F6 wirkt im gleichen Richtungssinne wie die durch die Mutter 21 erzeugte Kraft F2 und verstärkt folglich deren Wirkung, d.h. sie trägt zur straffen Anlage zwischen den drehmomentübertragenden Flächen 12A und 13A bei. Dies bedeutet, daß die Mutter 21 nur mit einem verhältnismäßig schwachen Vorspannmoment zur Herstellung einer Anfangsvorspannung zwischen den Flächen 12A und 13A angezogen zu werden braucht. Dabei ist jedoch unter Berücksichtigung der von der Mutter 21 erzeugten Spannungen hervorzuheben, daß die Mutter in der Welle 11 eine Druckspannung und in der Nabe eine Zugspannung erzeugt. Dies bedeutet, daß der Wellendurchmesser sich zu vergrößern und der Innendurchmesser der Nabe sich zu verringern neigt, wodurch der gegenseitige Eingriff der Keilverzahnungen 12 und 13 noch verbessert wird, insbesondere was den Flankeneingriff dieser Keilverzahnungen betrifft, da die Flankenflächen 12A und 13A gemäß Fig. 4 unter einem Winkel(3 mit Bezug auf die Radialrichtung geneigt sind.

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Die Mutter 21 ist mittels üblicher Sicherungsmittel an der Nabe gesichert, um ein Lösen der Mutter aufgrund von Schwingungen zu verhindern. Sollte es jedoch im Betrieb trotzdem vorkommen, daß sich die Mutter unbeabsichtigt lockert, wird die Nabe trotzdem noch durch die Stifte 14 fest uf der Welle gehalten. Eine an der Nabe gebildete Schulter 19 und ein in die Nabe eingesetzter Federring 20 sichern die Stifte 14 gegen axiales Herausgleiten aus den Bohrungen 15. Beim Auseinanderbauen der Wellen-Naben-Verbindung kann die Nabe 10 nach Ausbau der Mutter 21, des Federringes 20 und der Stifte I¹I leicht über das Wellenende abgezogen werden. Der Zusammenbau erfolgt umgekehrt in entsprechender Weise.

Lediglich aus Gründen der deutlicheren Darstellung der Verhältnisse sind in den Zeichnungen diejenigen Flächenbereiche, zwischen denen keine Druckspannungen aufgrund der Kräfte Fl und F2 erzeugt werden, mit übertrieben großem Spiel dargestellt, beispielsweise bei 18 und 18A in Fig. 3.

Bei dem in den Fig. 5 und 6 gezeigten Ausführungsbeispiel einer Wellen-Naben-Verbindung 109 ist die Nabe 110 mit einer Innenkeilverzahnung 112 versehen, die in eine Außenkeilverzahnung 113 der Welle 111 eingreift. Die Zähne der Keilverzahnung weisen jeweils eine erste, schräge Flankenfläche 112A auf,

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die mit einer entsprechenden schrägen Flankenfläche 113A der Keilverzahnung 113 zusammenwirkt. Der Schränkungswinkel dieser schrägen Flankenflächen 112A und 113A ist wiederum mit <Λ bezeichnet.

Außerdem weist jeder Zahn der Keilverzahnung 112 eine zweite, axial verlaufende Flankenfläche 112B auf, die einer entsprechenden, ebenfalls axial verlaufenden zweiten Flankenfläche 113B der Keilverzahnung 113 zugewandt ist und von dieser einen Umfangsabstand aufweist. Da die geraden Flankenflächen 112B und 113B axial verlaufen, beträgt ihr Schränkungswinkel Null. Die beiden jeweils miteinander zusammenwirkenden axialen Flankenflächen 112B und 113B sind durch ein ebenfalls axial verlaufendes Zwischenelement 114 voneinander getrennt, das erforderlich ist, um den Zusammenbau und Auseinanderbau der Anordnung zu ermöglichen. Die Zwischenelemente 114 sind einteilig mit einem Ring 117 ausgebildet, der an der Wellenstirnfläche 124 anliegt und mittels eines Federrings 120 in seiner Lage gesichert ist. Beim Anziehen einer in die Nabe eingeschraubten Mutter 121 gegen den Ring 117 wird die Nabe axial mit der Welle 111 verspannt und durch eine Axialkraft F2 in Richtung zum Wellenende hin gezogen. Die unterschiedlichen Schränkungswinkel der Flankenflächen 112A, 113A und 112B, 113B bewirken eine Verkeilung der Keilverzahnung 112 zwischen der Keilverzahnung 113 und den Zwischenelementen 114, Daraus

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resultiert eine Umfangskraft F3 welche die Flankenflächen 112A gegen die Flankenflächen 113A spannt, sowie eine dazu entgegengerichtete Umfangskraft F4, die über die Zwischenelemente zwischen den Flankenflächen 112B und 113B wirkt. Eine durch die Welle 111 übertragene Umfangskraft F5 zur Drehung des Gebläses 18 wird daher ohne Spiel zwischen den drehmomentübertragenden Flächen, d.h. zwischen den Flankenflächen 112A und 113A der Keilverzahnungen, auf die Nabe übertragen. Die auf das Gebläse 18 wirkende aerodynamische Kraft F6 wirkt im gleichen Richtungssinne wie die von der Mutter erzeugte Kraft F2 und unterstützt damit die Verkeilung zwischen Nabe und Welle und somit die straffe Anlage zwischen den Flankenflächen 112A und 113A.

Ebenso wie beim Ausführungsbeispiel nach den Fig. 2 bis 4 erzeugt die Mutter 121 in der Welle 111 eine Druckspannung und in der Nabe 110 eine Zugspannung, was die bereits erläuterten vorteilhaften Wirkungen ergibt.

Zum Abnehmen der Nabe 110 von der Welle 111 werden zunächst die Mutter 121 und der Federring 120 ausgebaut und anschließend wird der Ring 117 mit den damit einteilig ausgebildeten Zwischenelementen 114 herausgezogen. Danach läßt sich die Nabe 110 frei über das Wellenende abziehen.

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Wie aus den Zeichnungen hervorgeht, besitzt jeder Zahn der Keilverzahnung 112 eine Keilform mit einem breiten und einem schmalen axialen Ende 112W bzw. 112N, von denen das breite Ende 112W vom Wellenende entfernt und das schmale Ende 112N dem Wellenende zugewandt ist. Nach dem axialen Herausziehen der Zwischenelemente 114 können die breiten Enden 112W, wie strichpunktiert dargestellt ist, zwischen den verhältnismäßig schmalen Zwischenräumen zwischen den Zähnen 113 am Wellenende hindurchgleiten. Beim Zusammenbau der Anordnung sind die Zwischenelemente 114 zur Ausfüllung des Spielraums zwischen den Zähnen der Keilverzahnungen 112 und 113 erforderlich, wenn sich die Nabe in dem in Vollinien dargestellten eingebauten Zustand befindet.

Die Fig. 7 bis 10 zeigen als noch weiteres Ausführungsbeispiel eine Wellen-Naben-Verbindun^ 209, deren Nabe 210 eine Innen-Schrägkeilverzahnung 212 aufweist, die in eine entsprechende Außen-Schrägkeilverzahnung 213 der Welle 211 eingreift. Die Keilverzahnung 212 weist schräge Flankenflächen 212A auf, die mit entsprechenden schrägen Flankenflächen 213A der Keilverzahnung 213 zusammenwirken. Diese Flankenflächen 212A und 213A sind unter einem Schränkungswinkel cK bezüglich der Axialrichtung geschränkt.

Ferner weist die Nabe 210 eine Innen-Geradkeilverzahnung auf, die in eine entsprechende Außen-Geradkeilverzahnung 231

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eines ringförmigen Zwischenglieds 214 eingreift, das seinerseits mit einer in eine Außen-Geradkeilverzahnung 233 der Welle 211 eingreifenden Innen-Geradkeilverzahnung 232 versehen ist. Die Geradkeilverzahnungen 230 und 231 sind bezüglich der Schrägkeilverzahnungen 212 und 213 axial versetzt angeordnet und v/eisen jeweils miteinander zusammenwirkende Flankenflächen 212B und 213B auf.

Eine in die Nabe 210 eingeschraubte Mutter 221 stützt sich an der Stirnfläche 224 der Welle 211 ab. Beim Anziehen der Mutter wird die Nabe 210 durch eine Kraft F2 axial zum Wellenende hin gespannt. Die verschiedenen Schränkungswinkel der miteinander zusammenwirkenden Flankenflächen 212A, 213A und 212B, 213B der verschiedenen, axial versetzten Keilverzahnungen verspannen die Nabe axial auf der Welle und erzeugen eine Umfangskraft F3, welche die Flächen 212A gegen die Flächen 213A spannt. Eine entsprechende entgegengerichtete Umfangskraft F4 spannt die Flächen 212B und 213B zusammen. Diese beiden Umfangskräfte F3 und F4 schließen jegliches Spiel zwischen den drehmomentübertragenden Flächen, d.h. den Flankenflächen 212A und 213A an Nabe und Welle aus. Das mit axialen Keilverzahnungen versehene Zwischenglied 214 läßt sich beim Zusammenbau oder Auseinanderbau der Anordnung leicht ein- bzw. ausbauen. Wirkungsmäßig bildet das Zwischenglied 214 einen Teil der Welle 211, wobei die sie verbindenden

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Keilverzahnungen 232 und 233 ein Einsetzen bzw. Herausnehmen des Zwischenglieds 214 zum Zwecke des Zusammenbaus bzw. des Auseinanderbaus ermöglichen. Diese Keilverzahnungen 232 und können auch durch jede andere zweckmäßige Maßnahme zur lösbaren Verbindung des Zwischenglieds 214 mit der Welle 211 ersetzt werden.

Obwohl das Zwischenglied 214 zwischen der Mutter 221 und der Wellenstirnflache angeordnet ist, ist es als zusätzliche Sicherheitsmaßnahme durch einen Federring 220 in seiner Lage gesichert.

Bei der in den Fig. 11 und 12 dargestellten Abwandlung sind die Schrägkeilverzahnungen 212, 213 der Fig. 7 bis 10 durch eine Geradkeilverzahnung 312, 313 und die Geradkeilverzahnung 230, 231 der Fig. 7 bis 10 durch eine Schrägkeilverzahnung 330, 331 ersetzt.

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Claims

Patentansprüche

/l.^ Wellen-Naben-Verbindung, wobei Nabe und Welle mit in Umfangsrichtung miteinander zusammenwirkenden drehmomentübertragenden Flächen versehen und Mittel zum gegenseitigen axialen Verspannen von Nabe und Welle angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die in Umfangsrichtung miteinander zusammenwirkenden Flächen an Welle (11) und Nabe (10) eine erste Gruppe von an Welle und Nabe angeordneten Flächen (12, 13; 112, 113; 212, 213) und eine zweite Gruppe von an Welle und Nabe angeordneten Flächen (12B, 13B; 112B, 113B; 212B, 213B) aufweisen und die Flächen der ersten Gruppe unter einem anderen Schränkungswinkel mit Bezug auf die Wellenachse (16) verlaufen als die Flächen der zweiten Gruppe, derart, daß die Flächen der ersten und zweiten Gruppe in gegenseitigem Zusammenwirken Nabe und Welle gegen eine gegenseitige Axialverschiebung sichern und einander entgegengerichtete Umfangskräfte in Nabe und Welle erzeugen, welche die miteinander zusammenwirkenden Flächen der ersten Gruppe und die miteinander zusammenwirkenden Flächen der zweiten Gruppe in gegenseitige Anlage drängen.
2. Wellen-Naben-Verbindung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel (21) zum gegenseitigen axialen Verspannen von Nabe (10) und Welle (11) in der Nabe eine Zugspannung und in der Welle eine Druckspannung erzeugen.

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3. Wellen-Naben-Verbindung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Schränkungswinkel der Flächen (12A, 13A bzw. 12B, 13B) einer der beiden Gruppen bezüglich der Wellenachse (16) Null ist.
4. Wellen-Naben-Verbindung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Flächen (12A, 13A) der ersten Gruppe und die Flächen (12B, 13B) der zweiten Gruppe umfangsmäßig gegeneinander versetzt angeordnet sind (Fig. bis 4; Fig. 5 und 6).
5. Wellen-Naben-Verbindung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Flächen (212A, 213A) der ersten Gruppe und die Flächen (212B, 213B) der zweiten Gruppe axial gegeneinander versetzt angeordnet sind (Fig. 7 bis 10; Fig. 11 und 12).
6. Wellen-Naben-Verbindung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die an Nabe und Welle gebildeten Flächen der zweiten Gruppe jeweils mittelbar über ein dazwischen angeordnetes Zwischenelement (I²I; 114; 214) miteinander zusammenwirken.
7. Wellen-Naben-Verbindung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß Nabe (110) und Welle (111) mit ineinandergreifenden Innen- bzw. Außenkeilverzahnungen (112, 113)

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versehen sind und daß die Flächen (112A, 113A) der einen Gruppe durch jeweils in gegenseitiger Anlage befindliche schräge Flankenflächen der beiden Kei!verzahnungen und die Flächen (112B, 113B) der zweiten Gruppe durch bezüglich der ersteren Flankenflächen umfangsversetzt angeordnete weitere, jedoch axial und mit gegenseitigem Umfangsabstand verlaufende Flankenflächen der beiden Kei!verzahnungen gebildet sind, wobei die axialen Flankenflächen der Keilverzahnungen die Zwischenelemente (11*1) zwischen sich aufnehmen (Fig. 5 und 6).
8. Wellen-Naben-Verbindung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Flächen (12A, 13A) der ersten Gruppe jeweils durch die Flankenflächen von ineinandergreifenden, an Nabe (10) und Welle (11) gebildeten Innen- bzw. Außen-Schrägkeilverzahnungen und die Flächen (12B, 13B) der zweiten Gruppe durch die einander zugewandten Seitenflächen mindestens einer axial verlaufenden, die Schrägkeilverzahnungen schneidenden und das bzw. ein Zwischenelement (14) aufnehmenden Öffnung (15) gebildet sind (Fig. 2 bis 4).
9. Wellen-Naben-Verbindung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Zwischenglied (214) lösbar und drehfest auf der Welle (212) angeordnet und die Flächen (212B, 213B) der zweiten Gruppe an der Welle und an dem Zwischenglied angeordnet sind (Fi.g 7 bis 10).

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10. Wellen-Naben-Verbindung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß Nabe (210) und Welle (211) mit ineinandergreifenden ersten Keilverzahnungen (212, 213), welche die Flächen (212A, 213A) der ersten Gruppe bilden, und Nabe (210) und Zwischenglied (21¹I) mit bezüglich dieser Kei!verzahnungen axial versetzten zweiten ineinandergreifenden Keilverzahnungen (230, 23D versehen sind, welche die Flächen (212B, 213B) der zweiten Gruppe bilden.
11. Wellen-Naben-Verbindung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Zwischenglied (21¹O und die Welle (211) durch daran angeordnete, ineinandergreifende Keilverzahnungen (232, 233) lösbar und drehfest miteinander verbunden sind.

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