DE3831235A1 - Aufgebaute welle - Google Patents

Aufgebaute welle

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Description

Die Erfindung betrifft eine aufgebaute Welle mit Rohrstücken oder Hohlzapfen und darauf in Durchgangs­ öffnungen form- oder kraftschlüssig festgelegten Koppel-, Antriebs- oder Lagerelementen. Die Erfindung betrifft insbesondere eine Kurbelwelle oder eine ähnliche Welle, bei der Koppelelemente mit mehreren Durchgangsöffnungen vorgesehen sind, in die verschiedene Hohlzapfen oder Rohrstücke eingesetzt sind, um Kurbeln oder ähnliches zu bilden. Als Antriebselemente kommen Zahnräder oder Nocken in Betracht; als Lagerelemente können einfache Buchsen vorgesehen werden.
Eine Welle der genannten Art ist aus der nicht vorver­ öffentlichten deutschen Anmeldung P 37 38 808 der gleichen Anmelderin bekannt. Hierbei werden die Rohrstücke oder Hohlzapfen im Bereich der Koppelelemente oder dergleichen hydraulisch aufgeweitet, um eine kraftschlüssige Verbin­ dung zu schaffen. Aus der ebenfalls nicht vorveröffent­ lichten deutschen Anmeldung P 38 03 688, die ebenfalls auf die gleiche Anmelderin zurückgeht, ist es weiterhin bekannt, anstelle runder Querschnitte der Rohrstücke oder Hohlzapfen und der entsprechenden Durchgangsöffnungen im Querschnitt polygonförmige Fügebereiche vorzusehen, so daß anstelle eines Kraftschlusses ein Formschluß tritt.
In beiden Fällen ist das übertragbare Drehmoment abhängig von der Wandstärke der verwendeten Rohrstücke oder Hohlzapfen. Hierbei treten in den Verbindungsbereichen Belastungen auf, denen ein dünnwandiges Bauteil nicht gewachsen ist. Es kommt im Bereich der Verbindungsstellen zu Deformationen, die die aufgebaute Welle zerstören oder die Koppelelemente gegenüber den Rohrstücken verdrehen.
Aus der EP 02 12 577 ist eine aufgebaute Kurbelwelle bekannt, bei der als Kurbelzapfen ein massiver Bolzen in Öffnungen in den Kurbelwangen formschlüssig eingepreßt ist. Hiermit werden Vorteile bezüglich der Fertigungs­ kosten gegenüber geschmiedeten Teilen erzielt; das Gewicht ist jedoch das gleiche wie bei einer konventionellen massiven Kurbelwelle.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gewichtsgünstige Welle der eingangs genannten Art unter Verwendung von Hohlzapfen oder Rohrstücken bereitzu­ stellen, die gegenüber vorbeschriebenen Wellen im Bereich der Festlegung der Hohlzapfen oder Rohrstücke in den Koppel- oder Antriebselementen eine erhöhte Festigkeit aufweist. Die Lösung hierzu ist dadurch gegeben, daß zumindest ein dem Querschnitt der Durchgangsöffnung in einem Koppel- oder Antriebselement unter Berücksichtigung der Wandstärke des Rohrstückes oder Hohlzapfens angepaßter Stopfen in axialer Zuordnung zum Koppel- oder Antriebselement unter radialer Vorspannung eingesetzt ist. Es wird hiermit ein für hohe Drehmomentbelastungen geeigneter rein kraftschlüssiger oder gegebenenfalls auch formschlüssiger Preßverband hergestellt, der eine Reduzierung der Wandstärke der verwendeten Rohrstücke oder Hohlzapfen zur Gewichtsminderung ermöglicht. Hierbei sind keine Hinterdrehungen erforderlich, sondern die Rohrstücke oder Hohlzapfen können aus glattem gezogenem Rohr bestehen. Durch diese Art des Fügens ist es überhaupt nur möglich, hochvergütete Rohrstücke zu verwenden, da z.B. das hy­ draulische Aufweiten auf dem heutigen Stand der Technik in einem solchen Falle nicht zielführend ist.
Zur Herstellung dieser Verbindung kann das Rohrstück aufgeweitet werden und plastisch gegenüber dem elastisch nachgebenden Koppelelement verformt werden, indem der Stopfen eingetrieben wird. In einfacher Weise kann zwischen dem jeweiligen Koppelelement und dem eingesteckten Rohrstück noch eine Spiel- oder Übergangspassung bestehen, und das elastische oder plastische Verformen des Rohrstückes gegenüber dem elastisch nachgebenden Koppelelement ausschließlich durch das Einbringen des Stopfens erfolgt.
Als geeignetes Verfahren hierfür ist zum einen das Einpres­ sen des Stopfens in axialer Richtung zu nennen, zum anderen kann die Verbindung durch Schrumpfen des Koppel­ elementes in der Durchgangsöffnung oder Wachsen des Stop­ fens erfolgen, wobei die Teile thermisch vorgespannt sind und der Preßsitz durch Temperaturausgleich zustandekommt.
Eine besondere Vorgehensweise besteht auch darin, daß das Rohrstück in kaltem Zustand axial mit Übermaß in die Durch­ gangsöffnung des erwärmten Koppelelementes gedrückt wird, wonach das Rohrstück ebenfalls erwärmt wird. In diese Ver­ bindung wird dann axial ein unterkühlter Stopfen gedrückt, dessen Temperatur sich danach der Temperatur der bereits im ersten Schritt verbundenen Teile anpaßt.
Der Vorteil dieser Verbindungsart liegt darin, daß im ersten Schritt nach dem Angleich der Temperaturen des Rohr­ stückes und des Koppelelementes eine Druckvorspannung im Rohrstück im Bereich der Verbindungszone erzeugt wird, die im zweiten Schritt - dem Einpressen des unterkühlten Stop­ fens - reduziert oder in eine geringere Zugvorspannung des Rohrstückes gewandelt wird, was gegenüber den sehr großen Zugvorspannungen, wie sie grundsätzlich beim Aufweiten des Rohrstückes von innen auftreten, sowohl bei Biege- wie auch Torsionsbeanspruchungen sehr vorteilhaft ist. Darüber hinaus verringern sich durch dieses Schrumpf-Dehn-Pressen die erforderlichen Preßkräfte und somit die Belastungen der Elemente während des Verbindens.
In einfachster Gestaltung ist der Stopfen als Vollzapfen ausgebildet. Gleichfalls ist jedoch ein als Stahlpreßteil ausgeformter Stopfen, der gegebenenfalls einen Bodenbe­ reich aufweisen kann, für die Verbindung geeignet. Daneben ist ein aufgebohrter oder durchbohrter Zapfen als Stopfen verwendbar.
Ähnlich wie bei den oben genannten älteren Anmeldungen können die Durchgangsöffnungen in den Koppelelementen, die Rohrstücke oder Hohlzapfen und die Stopfen im Querschnitt rund sein. Daneben ist zur Ergänzung der kraftschlüssigen Verbindung ein Formschluß durch polygonförmige Gestaltung der Elemente möglich. Hierbei ist es insbesondere möglich, daß die Rohrstücke oder Hohlzapfen jeweils im Bereich zwischen den Koppelelementen rund und innerhalb der Durchgangsöffnungen in den Koppelementen polygonförmig vom eingebrachten Stopfen verformt sind. Die Übergänge vom einen zum anderen Querschnitt können dabei vielfältig sein.
Zur Unterdrückung von sich über der axialen Erstreckung sprungartig ändernden Belastungszuständen im Rohrmaterial der Rohrstücke oder Hohlzapfen zwischen den radial vor­ gespannten Verbindungsbereichen und den daran anschließ­ enden auf Torsion belasteten Wellenbereichen ist vor­ zuschlagen, daß der Stopfen zumindest an einem Ende kontinuierlich im Durchmesser abnimmt. Bevorzugt kann hierbei der Stopfen axial über das zugeordnete Antriebs- oder Koppelelement hinausreichen. Hierbei sind insbe­ sondere die über die axiale Erstreckung des zugeordneten Koppel- oder Antriebselementes hinausgehenden Abschnitte des Stopfens gegenüber einem mittleren gleichbleibenden Durchmesser zu reduzieren.
Um die Belastungszustände vom Verbindungsbereich zum an­ schließenden freien Wellenbereich bezüglich ihrer Radial­ spannung noch stetiger zu gestalten, ist es möglich, ent­ weder den Stopfen zumindest in den über die axiale Er­ streckung des zugeordneten Antriebs- oder Koppelelementes hinausgehenden Abschnitten hohl auszubilden oder in den Koppelelementen ringförmige Ausnehmungen mit Abstand zu den Durchgangsöffnungen an zumindest einer der Stirn­ flächen auszuformen. Hierbei werden sich axial kon­ tinuierlich verändernde Vorspannungen zwischen Zapfen, Rohrstück und Koppelelement erzeugt.
Soweit vorstehend jeweils von Durchmesser gesprochen wird, soll dies die Änderung polygonförmiger Querschnitte untereinander ähnlicher Form einschließen.
Eine bevorzugte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Welle ist in der Zeichnung dargestellt, wobei ausschließlich ein Verbindungsbereich zwischen Antriebselement, Rohrstück und Stopfen als Einzelheit gezeigt ist, die das Wesen der Er­ findung prägt.
Fig. 1 zeigt einen Verbindungsbereich im Längs­ schnitt.
Fig. 2 zeigt drei Stopfen in gegenüber Fig. 1 ab­ gewandelter Form.
In Fig. 1 ist ein Teil eines Rohrstückes 1 gezeigt, auf dem ein Antriebs- oder Koppelelement 2 im Bereich einer Durchgangsöffnung 3 mittels eines in das Rohrstück 1 ein­ gesetzten Stopfens 4 festgelegt ist.
Im Querschnitt können Durchgangsöffnung, Rohrstück und Zapfen rund oder polygonförmig sein. Mit Abstand zur Durchgangsöffnung 3 sind ringförmige Ausnehmungen 5, 6 im Koppelelement vorgesehen, die einen mittleren Fußbereich g und seitliche, nach außen zunehmend elastische Stütz­ bereiche 7, 8 ausbilden. Der Stopfen 4 hat gegenüber seinem mittleren Bereich 12 im Durchmesser stetig re­ duzierte Endbereiche 10, 11, die insbesondere über die Erstreckung des Koppelelements 2 axial hinausragen. Es ist nachvollziehbar, daß die radiale Vorspannung im Rohrstück 1 beidseitig gegenüber dem Fußbereich 6 bzw. dem Mittel­ abschnitt 12 kontinuierlich abnimmt, um Belastungssprünge zu vermeiden.
In Fig. 2 ist nach a ein zu einem Ende hin im Durchmesser abnehmender massiver Stopfen 14 gezeigt; nach b ist ein Stopfen 24 mit einer Bohrung 13 im Bereich abnehmenden Durchmessers dargestellt; nach c ist ein als Hohlpreßteil ausgebildeter Stopfen 34 dargestellt.
Durch gestrichelte Linien, von denen entgegengesetzte Pfeile ausgehen, ist ein mittlerer Bereich gekennzeichnet, in dem das Rohrstück 1 über die Grenze der Elastizität des Materials hinaus verformt ist, während die sich beidseitig anschließenden Bereiche zunehmend geringer verformt sind, wobei die Elastizitätsgrenze des Materials nicht erreicht wird.
Bezugszeichenliste:
 1 Rohrstück
 2 Koppelelement
 3 Durchgangsbohrung
 4 Stopfen
 5 ringförmige Ausnehmung
 6 ringförmige Ausnehmung
 7 Hülsenbereich
 8 Hülsenbereich
 9 Fußbereich
10 Endabschnitt
11 Endabschnitt
12 Mittelabschnitt
13 Bohrung
14 Stopfen
24 Stopfen
34 Stopfen

Claims (16)

1. Aufgebaute Welle mit Rohrstücken oder Hohlzapfen und darauf in Durchgangsöffnungen form- oder kraft­ schlüssig festgelegten Koppel- , Antriebs- oder Lagerelementen, insbesondere Kurbelwelle, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein dem Querschnitt der Durchgangs­ öffnung (3) in einem Koppel- oder Antriebselement (2) unter Berücksichtigung der Wandstärke des Rohrstückes (1) oder Hohlzapfens angepaßter Stopfen (4, 14, 24, 34) in axialer Zuordnung zum Koppel- oder Antriebs­ element (2) unter radialer Vorspannung eingesetzt ist.
2. Welle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stopfen (4, 14) als Vollzapfen ausgebildet ist.
3. Welle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stopfen zumindest teilweise aufgebohrt ist (24).
4. Welle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stopfen (34) als präzisionsgeformter Stahl­ stopfen ausgebildet ist.
5. Welle nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Stopfen (4, 14, 24, 34) zumindest an einem Ende kontinuierlich im Durchmesser abnimmt.
6. Welle nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Stopfen (4, 14, 24, 34) axial über das zuge­ ordnete Antriebs- oder Koppelelement (2) hinaus geht.
7. Welle nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Stopfen (4) zumindest in seinen über die axiale Erstreckung des zugeordneten Antriebs- oder Koppelelements (3) hinausgehenden Endabschnitten (10, 11) im Durchmesser gegenüber einem Mittelabschnitt (12) reduziert ist.
8. Welle nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Stopfen (4) zumindest in seinen über die axiale Erstreckung des zugeordneten Antriebs- oder Koppelelementes (2) hinausgehenden Endabschnitten (10, 11) hohl ist.
9. Welle nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchgangsöffnung (3) im Antriebs- oder Koppelelement (2), das Rohrstück (1) oder der Hohl­ zapfen und der Stopfen (4, 14, 24, 34) im Querschnitt rund sind.
10. Welle nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchgangsöffnung (3) im Antriebs- oder Koppelelement (2), das Rohrstück (1) oder der Hohl­ zapfen und der Stopfen (4, 14, 24, 34) im Querschnitt polygonförmig sind.
11. Welle nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß ein Rohrstück (1) jeweils zwischen zwei Koppel­ elementen (2) rund ist und innerhalb der Durchgangs­ öffnungen (3) in den Koppelelementen (2) durch den jeweiligen Stopfen (4, 14, 24, 34) polygonförmig ver­ formt ist.
12. Welle nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß ein Koppelelement (2) ringförmige Ausnehmungen (5, 6) mit Abstand zu seiner Durchgangsöffnung (3) in zumindest einer Stirnfläche hat.
13. Welle nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohrstück (1) durch den Mittelabschnitt (9) des Stopfens (4, 14, 24, 34) über die Elastizitäts­ grenze hinaus und durch das zumindest eine Zapfenende (10, 11) zur rein elastischen Verformung übergehend verformt ist.
14. Welle nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohrstück (1) durch den Stopfen (4, 14, 24, 34) nicht über die Elastizitätsgrenze hinaus verformt ist.
15. Welle nach einem der Ansprüche 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Antriebs- oder Koppelelement (2) rein elas­ tisch durch das vom Stopfen (4, 14, 24, 34) aufge­ weitete Rohrstück (1) radial verformt ist.
16. Welle nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Antriebs- oder Koppelelement im erwärmten Zustand in einem Schritt vom eingepreßten kalten Rohrstück und einem weiteren Schritt über das Rohr­ stück durch den im gekühlten Zustand eingepreßten Stopfen radial elastisch verformt wird.
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