DE3307987A1

DE3307987A1 - Verfahren zur axialen halterung einer nabe auf einer welle, vorrichtung zur durchfuehrung des verfahrens sowie wellen-naben-verbindung nach diesem verfahren

Info

Publication number: DE3307987A1
Application number: DE19833307987
Authority: DE
Inventors: Arthur B. Corinth Miss. Joyce
Original assignee: Dana Inc
Current assignee: Dana Inc
Priority date: 1982-03-18
Filing date: 1983-03-07
Publication date: 1983-09-29
Also published as: JPS58171225A; GB2116675B; GB8307597D0; US4462148A; FR2523490A1; GB2116675A; BR8301345A

Description

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Unser Zeichen: A 14 Lh/fi

DANA CORPORATION
4500 Dorr Street
Toledo, Ohio, U.S.A.

Verfahren zur axialen Halterung einer Nabe auf einer Welle, Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens sowie Wellen-Naben-Verbindung nach diesem Verfahren

A 14 632

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^Ί Dana Corporation

Beschreibung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur axialen Halterung einer Nabe, insbesondere eines Zahnrades auf einer Welle, insbesondere zur Verwendung bei Zahnradpumpen und anderen hohen Belastungen ausgesetzten ähnlichen Geräten.

Die Erfindung betrifft insbesondere ein Verfahren zur axialen Halterung von Zahnrädern auf Wellen in Fällen hoher Schwingungs- und Stoßbelastung in Axialrichtung des Zahnrad-Wellen-Systems.

Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens sowie die nach diesem Verfahren hergestellte Wellen-Naben-Verbindung.

Bekanntlich wird durch jegliche Entfernung von Metall bei einem Zahnrad oder bei einer Welle die Wahrscheinlichkeit eines Ermüdungsbruches des betreffenden Teiles erhöht. Aus diesem Grund wird zur Verbindung von Zahnrädern und Wellen allgemein der Innendurchmesser des Zahnrades etwas kleiner als der Außendurchmesser der Welle ausgeführt, das Zahnrad auf einige hundert Grad Celsius erhitzt, die Welle abgekühlt und dann in die Bohrung des Zahnrades eingesetzt. Wenn sich die Temperaturen ausgleichen, dehnt sich die Welle aus und das Zahnrad schrumpft, wodurch sich die beiden Elemente verbinden und Welle und Zahnrad in ihrem Berührungsbereich unter Druck stehen.

Mit dieser Methode wird in zufriedenstellender Weise eine radiale Halterung des Zahnrades auf der Welle erreicht, d.h. die auftretenden Torsionsbelastungen, die das Zahnrad relativ zur Welle zu drehen suchen, werden aufgenommen. Bei Zahnradpumpen und anderen axialen Belastungen ausgesetzten Geräten, neigen die axialen Kräfte jedoch dazu, das Zahnrad axial relativ zu der Welle zu verschieben, was zur Folge haben kann, daß sich die Wellen in Längsrichtung aus den Zahnrädern herausschieben.

Trotz der höheren Wahrscheinlichkeit eines Dauerbruches, werden zur axialen Halterung von Zahnrädern auf Wellen Keile, Stifte, Schnappringe und ähnliches verwendet, wobei in diesen Fällen die Welle oder das Zahnrad, oder beide spanabhebend bearbeitet werden müssen. Die Folge davon ist, daß die Dauerfestigkeit des Zahnrad-Wellen-Systems, das unter solchen axialen Belastungen verwendet wird, herabgesetzt wird.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, die es ermöglichen, die axiale Halterung einer Nabe, insbesondere eines Zahnrades, auf einer Welle zu verbessern und die Dauerfestigkeit des Zahnrad-Wellen-Systems zu verlängern.

Nach der Erfindung wird dies dadurch erreicht, daß Druckkräfte in einer Stärke, die ausreicht, eine plastische Verformung zu bewirken, auf die äußeren ringförmigen Grenzflächenbereiche des Zahnrades und der Welle ausgeübt werden, nachdem das Zahnrad zuvor radial auf der Welle befestigt worden ist.

Bei dem Verfahren bleibt eine Rest-Druckbeanspruchung in den Grenzflächenbereichen zurück.

Vorzugsweise wird ein metallisches Zahnrad auf einer metallischen Welle befestigt, wobei das Zahnrad.eine Bohrung mit einem Durchmesser hat, die kleiner ist als der Durchmesser der Welle. Das Zahnrad wird erwärmt, die Welle gekühlt und dann in die Bohrung des Zahnrades eingesetzt, worauf die Temperatur von Zahnrad und Welle sich ausgleichen können. Danach wird zur Erhöhung der Halterung des Zahnrades in Längsrichtung der Welle eine Druckkraft aufgebracht, deren Größe ausreicht, plastische Verformungen in den äußeren ringförmigen Grenzbereichen von Zahnrad und Welle zu erzeugen.

Eine beispielsweise Ausführungsform der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung erläutert, in der

Fig. 1 eine teilweise geschnittene Ansicht einer Zahnradpumpe mit zwei ineinandergreifenden Zahnrädern zeigt.

Fig. 2 zeigt einen Schnitt längs der Linie 2-2 von Fig. 1.

Fig. 3 zeigt in Seitenansicht eine der beiden Wellen der Zahnradpumpe nach Fig. 1.

Fig. 4a,4b und 4c zeigen teilweise geschnittene Teilansichten der Zahnrad-Wellen-Verbindung, wobei die Grenzflächenbereiche zwischen Zahnrad und Welle, und insbesondere die Zone des zusammengepreßten Metalles im Grenzbereich dargestellt sind.

Fig. 5 und 6 zeigen eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens in zwei unterschiedlichen Stellungen.

Fig. 7 zeigt in Seitenansicht ein Preß-Rad, wie es in der Vorrichtung nach den Fig. 5 und 6 verwendet wird.

Die Zahnradpumpe 10 nach Fig. 1 umfaf3t ein treibendes und ein getriebenes Zahnrad 12, 14 aus Metall. Die Zahnräder 12 und 14 stehen konstant in Eingriff und rotieren, wie durch die Pfeile angezeigt, um ein Fluid, z.B. eine Flüssigkeit von einer Ansaugöffnung 16 zu einer Austragöffnung zu transportieren. Die Zahnräder 12, 14 drehen sich innerhalb interner fester Ausnehmungen 20 und 22, wobei die Flüssigkeit in sich bewegenden Taschen 24 gefördert wird, die durch die Wände 26 der Ausnehmungen 20 und die Lücken 27 zwischen den Zähnen 28 der Zahnräder gebildet sind.

Wie Fig. 2 zeigt, sind die Zahnräder 12 und 14 fest auf einer treibenden und einer getriebenen Welle 30, 32 aus Metall montiert, wobei jede Welle drehbar in Lagern 34 gelagert ist. Die Antriebswelle 30 hat ein kerbverzahntes Ende 35 zur Verbindung mit einer nicht-gezeigten Antriebsmaschine. (Anstelle der Kerbverzahnung können auch Keile oder andere Kupplungseinrichtungen vorgesehen sein).

Druckplatten 36 werden gegen die Seiten der Zahnräder 12 und 14 durch

Flüssigkeitsdruck angepreßt, wie an sich bekannt. Die Platten 36 bilden somit mit den Wänden 26 und den Lücken 27 der Zahnräder 28 die Begrenzungen für die obengenannten sich bewegenden Taschen 24, die das Fluid fördern. Dichtungen 38 verhindern eine Leckage am kerbverzahnten Ende 35 der Antriebswelle 30. Alle anderen Wellenenden liegen innerhalb des Gehäuses der Zahnradpumpe 10.

Fig. 3 zeigt in Ansicht die Antriebswelle 30, die in der Zahnradpumpe 10 nach den Fig. 1 und 2 verwendet wird. Auf der Welle 30 ist das Antriebsrad 12 fest montiert. Eine bevorzugte Methode zum Befestigen des Zahnrades 12 auf der Welle 30 umfaßt separate bestimmte Verfahrensschritte zur Gewährleistung einer sicheren Halterung in Umfangsrichtung und in Axialrichtung. Die Halterung in Umfangsrichtung gewährleistet, daß das Zahnrad sich nicht um die Welle dreht, während die Halterung in Axialrichtung verhindert, daß das Zahnrad axial längs der Welle sich verschiebt.

Die erfindungsgemäße axiale Halterung ist neu und vorteilhaft, wenn separate Wellen und Zahnräder miteinander verbunden werden sollen. Zunächst wird das Zahnrad in Umfangsrichtung fest mit der Welle verbunden, wobei der Außendurchmesser der Welle größer ist als der Innen- oder Bohrungsdurchmesser des Zahnrades. Das Zahnrad wird erwärmt auf einige hundert Grad Celsius, vorzugsweise im Bereich von etwa 150-260⁰C, wodurch es sich erweitert. Gleichzeitig wird die Welle gekühlt, auf wenigstens etwa -100⁰C bis -13O⁰C. Die Welle wird dann in ihre Position in die Bohrung des Zahnrades eingesetzt und die Temperaturen können sich ausgleichen, wodurch sich die Welle ausdehnt und das Zahnrad schrumpft. Nach Beendigung dieses Vorganges entsteht eine starke mechanische Verbindung durch die verbleibenden Druckkräfte in den beiden Elementen, wodurch eine sichere Halterung des Zahnrades auf der Welle in Umfangsrichtung gewährleistet ist. Nach der Erfindung soll nun die Halterung in Axialrichtung des Zahnrades auf der Welle verbessert werden, da, wie bereits erwähnt, bei starken axialen Belastungen auf das Zahnrad dieses trotz der Halterung in Umfangsrichtung axial aus seiner Position auf der Welle verschoben werden kann.

Fig. 4a zeigt die getriebene Welle 32, vorzugsweise eine Stummeiwelle, wie dargestellt, auf der das getriebene Zahnrad 14 fest montiert ist, wie das treibende Zahnrad 12 auf der Welle 30 nach Fig. 3. Fig. 4c zeigt vergrößert und ausgeschnitten eine Zone 40 des Zahnrades 14 und der Welle 32, nachdem die beiden Teile in Umfangsrichtung, wie bereits beschrieben, und in Axial richtung, wie nachfolgend beschrieben wird, auf der Welle befestigt worden sind.

Zur axialen Halterung des Zahnrades auf der Welle ist eine physische Verformung vorgesehen, durch Ausübung eines Druckes auf das Metall in der Grenz-Zone 40 des Zahnrades 14 und der Welle 32. Die Zone 40 bildet einen extern sichtbaren Ring 42 auf jeder Seite des Zahnrades 14 in Fig. 4a. Fig. 4b zeigt in Ansicht einen der ringförmigen Bereiche 42 längs der Linien 4b-4b von Fig. 4a.

Die Ausübung einer ausreichenden Druckkraft führt, wie insbesondere Fig. 4c zeigt, zu einer plastischen Verformung der Welle und des Zahnrades im Grenzbereich 40. Der schattierte Bereich 44 ist ein Bereich, in welchem Druckbeanspruchungen im Metall verbleiben bzw. beibehalten werden, wobei diese Druckbeanspruchungen oder Spannungen Größen haben, die vorzugsweise

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wenigstens etwa 1700 kp/cm betragen. Der Kontaktbereich 46, der durch die zylindrische Kontaktfläche zwischen der Bohrung des Zahnrades und dem Umfang der Welle gebildet wird, wird ferner im Winkel verformt und bildet einen kegelstumpfförmigen übergang oder ein kegel stumpfförmiges Ende 48 im Bereich der Stirnenden 70, 71 des Zahnrades 14. Dies bewirkt eine außerordentlich gute axiale Sicherung und Halterung des Zahnrades auf der Welle.

Die Fig. 5 und 6 zeigen eine bevorzugte Vorrichtung 54 zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Die Vorrichtung 54 umfaßt zwei diametral gegenüberliegende gehärtete Stahl räder 50 und b2, die auf Rollen oder Walzen 56 abgestützt sind, die ihrerseits an Kolben 58 befestigt sind, welche aus hydraulischen Zylindern 60 herausragen und aus diesen ausfahrbar sind. Die Wellen 30 bzw. 32, auf denen ein Zahnrad 12 bzw. 14 sitzt, und die nachfolgend als Zahnrad-Baugruppe 61 bezeichnet werden, ist fest an

einer Welle oder einem Dorn 62 abgestützt, während der plastischen Verformung durch Druck auf das Metall in der Grenz-Zone 40. Die Zylinder 60 sind auseinanderbewegt, um die Zahnradbaugruppe in die Welle 62 einsetzen zu können, wie Fig. 5 zeigt.

Nach dem Einsetzen der Welle werden die Zylinder 60 einwärts bewegt, worauf die beiden radial gegenüberliegenden gehärteten Räder 50 und 52 in Eingriff mit der oberen Grenz-Zone 40 der Zahnrad-Baugruppe 61 gebracht werden, wie Fig. 6 zeigt. Die Baugruppe 61, d.h, die Welle 32 und das Zahnrad 14 werden dann gedreht und führen mehrere Umdrehungen aus, z.B. mit Hilfe eines angetriebenen Zahnrads, das in das Zahnrad 14 eingreift, wobei die Welle 62 mitläuft, wobei während dieser Umläufe die Räder 50, 52 in Kontakt mit der Grenz-Zone 40 stehen und auf diese einen Druck von z.B. 2100 kp/cm oder mehr ausüben. Das Metall im Grenzbereich 40 wird dadurch plastisch verformt, was zu dem beschriebenen Bereich 44 (Fig. 4c) führt, in welchem Druckspannungen verbleiben. Die Welle wird dann angehalten, die hydraulischen Zylinder zurückgezogen und die Gruppe Zahnrad/Welle herausgenommen, um 180° gedreht und wieder eingesetzt. Das Verfahren wird dann auf der gegenüberliegenden Grenz-Zone 40 wiederholt, womit die axiale Befestigung des Zahnrades auf der Welle vollendet ist.

Fig. 7 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform der Räder 50, 52, wie sie zur plastischen Verformung der Grenz-Zonen 40 verwendet werden. Die Räder bestehen vorzugsweise aus gehärtetem Stahl, oder alternativ aus einem harten (aber nicht spröden) nicht-metallischen Material, z.B. Diamanten oder speziellen keramischen Werkstoffen. Die Räder haben eine Bohrung 64, über welche sie auf einer Rolle 56 abgestützt sind, wie die Fig. 5 und 6 zeigen. Die Kontakt- oder Arbeitskante 66 des Rades hat vorzugsweise einen Radius im Bereich von 0,37 bis 0,62 mm, um eine konkave Oberfläche in der Grenzzone 40 zu erzeugen.

Wie Fig. 4c zeigt, erstreckt sich der größere Anteil des Druckbereiches in die Welle hinein, der kleinere in das Zahnrad. Die Welle hat daher eine stärkere plastische Verformung erfahren als das Zahnrad. Dies wird gesteuert

• ' - Jh--

- 40-

durch die Lage der Arbeitskante 66 relativ zur Grenz-Zone 40. Vorzugsweise liegen die Räder 50, 52 in Ebenen, die die Längsachse der Welle schneiden, in einem Winkel größer als 45°. Die obengenannten kegel stumpfförmigen Enden 48, die durch die Verformung des Kontaktbereiches 46 gebildet werden, verlaufen normalerweise weg von dem Teil, das die größere Verformung erfahren hat. In der dargestellten Ausführungsform verlaufen daher die Enden 48 von der Welle aus im Winkel nach außen zum Zahnrad 14 hin. Alternativ kann aber auch das Zahnrad die größere Druckverformung erhalten, wobei dann die Enden 48 des Kontaktbereiches 46 einwärts in Richtung zur Welle verlaufen.

Die Wirksamkeit des Verfahrens ist besser, wenn die Enden 48 verformt werden, d.h. sich z.B. nach außen erweitern, als wenn die beiden Teile gleichmäßig gepreßt werden. Die verformten Enden 48 führen zu einer ringförmigen mechanischen Verankerung, die durch das Metall des einen Teiles gebildet wird, durch welches das Metall des anderen Teiles infolge der ausgeübten Preßkraft verschoben oder versetzt wird.

Das vorbeschriebene Verfahren und die Vorrichtung eignen sich nicht nur zur Befestigung von Zahnrädern auf Wellen, sondern auch zur Halterung von anderen ringförmigen Elementen auf Wellen, wie z.B. Rollen, Walzen, Nocken und dgl..

Claims

- A 14 632 Dana Corporation

Patentansprüche

\1·/ Verfahren zur axialen Halterung eines ringförmigen Elementes, insbesondere eines Zahnrades aus Metall auf einer Welle aus Metall, wobei das Zahnrad eine Bohrung hat, durch welche sich die Welle erstreckt, dadurch gekennzeichnet, daß auf einen ringförmigen Grenzbereich zwischen dem Zahnrad und der Welle eine Druckkraft ausgeübt wird, die ausreichend stark ist, unreine plastische Verformung des Metalles von Zahnrad und Welle innerhalb dieses Grenzbereiches zu erzeugen.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Zahnrad eine Bohrung mit einem kleineren Durchmesser als dem Durchmesser der Welle hat, daß das Zahnrad erwärmt, die Welle gekühlt und in die Bohrung des Zahnrades eingesetzt wird, und daß dann die Temperaturen von Zahnrad und Welle sich ausgleichen, ehe die Druckkraft aufgebracht wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckkraft durch ein Rad aufgebracht wird, das relativ zu den Grenzflächen von Zahnrad und Welle bewegbar ist.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn-

2 zeichnet, daß die aufgebrachten Druckkräfte wenigstens 1400 kp/cm betragen.
5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Rad zum Aufbringen der Druckkraft eine Arbeitskante mit einem Radius von wenigstens 0,37 mm aufweist.
6. Verahren nach Anspruch 3, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens zwei Räder zum Aufbringen der Druckkräfte verwendet werden, welche Räder in gleichen Abstanden um die äußeren ringförmigen Grenzflachen von Zahnrad und Welle angeordnet sind.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Räder zum Aufbringen der Druckkräfte in Ebenen liegen, die die Längsachse der Welle in einem Winkel schneiden, der größer als 45° ist, und daß einer der beiden Teile,Zahnrad oder Welle,stärker plastisch verformt wird als der andere Teil.
8. Baugruppe, bestehend aus einem ringförmigen Element, insbesondere einem Zahnrad und einer Welle, hergestellt nach dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1-7, wobei das Zahnrad auf der Welle befestigt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die axialen Endbereiche der Berührungsfläche zwischen Zahnrad und Welle sich radial auswärts erweitern oder einwärts verjüngen.
9. Baugruppe nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß sie zwei gegenüberliegende ringförmige Grenzbereiche aufweist, die durch die äußeren Übergänge zwischen Zahnrad und Welle gebildet sind, und daß jeder Grenzbereich eine ringförmige konkave Einwölbung umfaßt, die sich radial über beide Teile der Baugruppe erstreckt.
10. Baugruppe nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß jede dieser ringförmigen konkaven Einwölbungen gebildet ist durch plastische Verformung des Zahnrades und der Welle innerhalb dieser Bereiche mittels eines rollenden Elementes, das gegen diese Bereiche angepreßt worden ist.
11. Baugruppe nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß

die ringförmigen Grenzbereiche zwischen Zahnrad und Welle plastisch veformte Metallflächen sind mit bleibenden Druckspannungen von wenigstens 1700-1800 kp/cni².