DE3834080C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Befestigung eines im wesentlichen scheibenförmigen, rotationssymmetrischen metallischen Formkörpers auf einer metallischen Welle mit kreisförmigem Querschnitt in definierter axialer Position durch Verschweißen von auf beiden Teilen angearbeiteten einander entsprechenden rotationssymmetrischen Fügeflächen nach einem Preßschweißverfahren.

Als Techniken zur Verbindung metallischer Formkörper sind seit Jahren das Kondensatorentladungsschweißen und das Reibschweißen bekannt.

Ein Schweißverfahren, daß der Gattung des im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Verfahren am nächsten kommt, ist durch die US-PS 46 59 005 bekannt. Die Fügeflächen der mit diesem Verfahren zu verbindenden Teile sind glatt ausgebildet und die Verschweißung dieser Teile beschränkt sich lediglich jeweils auf eine Stirnseite des scheibenförmigen Körpers.

Durch die US-PS 43 67 838 wird ein Reibschweißverfahren offenbart, das sich auf die Verbindung rohrförmiger Teile aus unterschiedlichen Materialien bezieht, wobei die Fügeflächen eine glatte konische Ausbildung aufweisen.

In der DE-AS 22 20 898 ist ein Reibschweißverfahren beschrieben, bei dem zwei zylindrische Vollprofile stirnseitig miteinander verschweißt werden.

Aus der DE-PS 21 23 634 ist ein weiteres Reibschweißverfahren entnehmbar, das für die Verschweißung von rotationssymmetrischen Hohlprofilen geeignet ist. Diese Hohlprofile werden ebenfalls an ihren Stirnseiten miteinander verbunden. Ferner ist aus der DE-PS 29 29 832 ein Reibschweißverfahren zur Verbindung von zwei Rohren bekannt, von denen das eine aus einem Werkstoff (z. B. Aluminium) mit einem deutlich geringeren Formänderungswiderstand als das andere (z. B. aus Eisen oder Kupfer) gefertigt wurde. Bei diesem Verfahren wird das "weichere" Rohr durch das "steifere" Rohr, dessen Ende im Bereich der vorgesehenen Fügestelle eine konische Abschrägung aufweist, beim Zusammenschieben der zu verbindenden Rohrenden etwa in Form einer Muffe aufgeweitet. Die Aufweitung wird durch ein um das Ende des "weicheren" Rohres gelegtes Außenwerkzeug begrenzt, so daß der zur Verschweißung zwischen den beiden Rohrenden erforderliche Anpreßdruck trotz des geringen Formänderungswiderstandes des "weicheren" Rohres aufgebracht werden kann.

Der grundsätzliche Bewegungsablauf im Hinblick auf die Annäherung der zu verschweißenden Werkstücke ist beim Kondensatorentladungsschweißen ähnlich wie beim Reibschweißen. Während bei letzterem die zur Verschweißung erforderliche Wärmeenergie als Reibungswärme durch relative Rotation zwischen den Werkstücken erzeugt wird, wird die erforderliche Temperaturerhöhung beim Kondensatorentladungsschweißen durch Widerstandserwärmung infolge eines impulsartigen elektrischen Entladevorgangs erreicht.

Die bisher bekannten Reib- und Kondensatorentladungsschweißverfahren haben sich für die stirnseitige Verbindung von rotationssymmetrischen Formkörpern im Sinne von Stumpfnahtschweißungen gut bewährt. Sie eignen sich jedoch nur bedingt zur Verbindung von im wesentlichen scheibenförmigen, rotationssymmetrischen Formkörpern mit einer dem Wellensitz entsprechenden Durchgangsbohrung auf dieser Welle. Derartige Formkörper können z. B. Zahnräder, Kupplungsteile oder auch scheibenförmige Rohlinge sein, die noch mechanisch bearbeitet werden müssen. Eine drehfeste Verbindung von z. B. Zahnrädern auf Wellen erfolgt insbesondere bei größeren Wellendurchmessern vielfach durch bekannte Mitnehmerverbindungen wie Paßfedern, Keilwellen, Kerbverzahnungen oder ähnliches. Auch das Aufschrumpfen von Radnaben auf einen Wellensitz ist gebräuchlich. Im kleinen Abmessungsbereich, beispielsweise bei Getriebewellen für Pkw-Getriebe, werden Wellen und Zahnräder üblicherweise einstückig aus dem Vollmaterial gefertigt, wobei als Rohlinge entsprechend vorgeformte Schmiedeteile eingesetzt werden. Es handelt sich hierbei um ein sehr aufwendiges Verfahren. Hinzu kommt, daß der Trend zur Gewichtsersparnis zu der Forderung führt, die Getriebewellen als Hohlwellen auszubilden. Das ist schmiedetechnisch praktisch nicht möglich. Ein nachträgliches Ausbohren der Wellen wäre zu aufwendig.

Es besteht daher ein Bedarf für eine geeignete Technik zur Verbindung von scheibenförmigen, rotationssymmetrischen Formkörpern wie z. B. Zahnrädern auf Hohlwellen. Die vorgenannten Verbindungstechniken sind hierfür technisch oder aus Kostengründen nicht geeignet. So kann beispielsweise das Aufschrumpfen nicht angewandt werden, da wegen der geringen Wanddicke der Hohlwelle der für eine sichere drehfeste Verbindung erforderliche Schrumpfdruck nicht gewährleistet werden kann. Wünschenswert wäre aber eine flächige Verschweißung der Nabe eines Zahnrades oder sonstigen Formkörpers auf dem Wellensitz.

Um z. B. eine Getriebewelle mit einem Zahnrad zu verschweißen, ist es prinzipiell möglich, die Getriebewelle geteilt auszuführen und in bekannter Weise jeweils stirnseitig stumpf mit dem Zahnrad zu verbinden. Ein solches Verfahren wirft jedoch erhebliche fertigungstechnische Probleme auf, da nicht nur die koaxiale Ausrichtung von Zahnrad und Welle genau sein muß, sondern darüberhinaus auch ein Achs- oder Winkelversatz zwischen den Wellenabschnitten vermieden werden muß. Außerdem sind für die Erzeugung einer Getriebewelle an jedem Zahnrad stets zwei Schweißvorgänge mit entsprechenden Umrüst- bzw. Umspannmaßnahmen erforderlich, was in kostenmäßiger und zeitlicher Hinsicht unerwünscht ist.

Eine lediglich stirnseitige Verschweißung der Nabe eines Zahnrades mit dem stirnseitigen Teil eines Wellenabsatzes einer einteiligen Welle nach der Reibschweiß- oder Kondensatorentladungsmethode kommt als Lösungsmöglichkeit grundsätzlich ebenfalls in Frage. Dies erfordert auf der Welle am Ort dieses Absatzes eine beträchtliche Materialanhäufung, die bei Vollwellen nach dem Schmiedeverfahren sicherlich realisierbar ist. Bei der Verwendung von Hohlwellen, bei der man zweckmäßigerweise von normalen Rohrabschnitten als Vormaterial ausgeht, sind einer entsprechenden Umformung des Rohres zur Erzeugung eines ausreichend hohen Absatzes jedoch Grenzen gesetzt, die eine solche Verbindung häufig von vornherein ausschließen.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein gattungsgemäßes Verfahren dahingehend weiterzuentwickeln, daß die Verschweißung der scheibenförmigen Formkörper auch in einem einzigen Schweißvorgang auf einteiligen Hohlwellen, die nach bekannten Verfahren aus Rohren hergestellt wurden, uneingeschränkt möglich ist. Die Verschweißung soll verzugsarm und mit hoher Genauigkeit hinsichtlich der Positionierung des Formkörpers auf der Welle erfolgen. Schließlich soll eine Kombination von Welle und Formkörper angegeben werden, die zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens angewendet werden kann.

Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, das durch die kennzeichnenden Merkmale der Unteransprüche 2 bis 7 in vorteilhafter Weise weiter ausgestaltet werden kann. Eine erfindungsgemäße Kombination Welle/Formkörper ist im Unteranspruch 8 gekennzeichnet und durch die kennzeichnenden Merkmale der Unteransprüche 9 bis 14 vorteilhaft weitergebildet.

Der grundsätzliche Lösungsgedanke der Erfindung ist zum einen darin zu sehen, daß Fügeflächen, d. h. die Bereiche auf der äußeren Wellenoberfläche bzw. auf der Innenoberfläche der Nabe des Formkörpers, die möglichst großflächig miteinander verschweißt werden sollen, nicht mehr in einer Ebene liegen, die senkrecht zur Rotationsachse steht, sondern daß diese Fügeflächen gleichsam über einen Abschnitt der Welle "gestreckt" werden. Dieses Strecken der Fügeflächen vermeidet die Notwendigkeit zu sehr großen sprunghaften Materialanhäufungen auf der Welle, d. h. zu entsprechenden sprunghaften Durchmessererweiterungen, die auf keinen Fall zu starke Schwächungen der Wanddicke mit sich bringen dürfen. Mit Vorteil erfolgt die Streckung der Fügeflächen so, daß sie als Mantelflächen eines Kegelstumpfes konisch verlaufen. Sie können auch stufenförmig als Zylinderabschnitte mit zunehmendem Außendurchmesser ausgebildet sein.

Für manche Anwendungen kann es auch vorteilhaft sein, zylindrische und konische Abschnitte der Fügeflächen abwechselnd hintereinander anzuordnen. In den beiden letztgenannten Ausführungsformen werden für die eigentliche Verschweißung jeweils die senkrecht zur Rotationsachse stehenden Ringflächen der Zylinderabschnitte bzw. die konischen Flächenteile benutzt; die als Zylindermantel ausgebildeten Flächenteile dienen zur genauen Zentrierung und Winkelausrichtung von Wellen- und Formkörperdrehachse.

Der andere wesentliche Teil des Lösungsgedankens besteht darin, daß zumindest auf einer der beiden Fügeflächen von Welle und Formkörper eine Profilierung aufgebracht wird, indem z. B. umlaufende Rillen in eine der konischen Führungsflächen eingedreht werden. Auch punktuelle Erhöhungen oder Vertiefungen in der Oberfläche sind möglich. Dadurch wird gewährleistet, daß bereits eine großflächige Erwärmung der Schweißzone stattfinden kann und dennoch wegen des freien Volumens zwischen den Profilierungen noch merkliche axiale Verschiebungen zwischen Formkörper und Welle möglich sind, so daß trotz Fertigungstoleranzen in der Gestaltung der Fügeflächen stets eine exakte Positionierung des Formkörpers auf der Welle erfolgt. Insbesondere bei konischen Fügeflächen könnte es ohne eine solche durch die Profilierung erzeugte "Weichheit" gegenüber Axialverschiebungen während des Schweißens zu Problemen kommen, wenn die Durchmesser der Fügeflächen des Formkörpers an der oberen und der Welle an der unteren Grenze des jeweiligen Toleranzfeldes liegen würden oder umgekehrt, weil sich dann die Fertigungsabweichungen addieren würden. In letzterem Fall könnte ein zusätzlicher Anschlag auf der Welle zur Fixierung der axialen Position Abhilfe schaffen.

Das erfindungsgemäße Verfahren läßt nicht nur die problemlose Verschweißung unterschiedlicher Werkstoffe zu, sondern ermöglicht auch die sichere Befestigung bereits vollständig fertigbearbeiteter Formkörper wie Zahnräder oder dergleichen auf einer Welle, die selbstverständlich auch aus Vollmaterial bestehen kann.

Mit besonderem Vorteil wird das Verfahren jedoch auf die Verbindung von Formkörpern mit Hohlwellen angewandt. Grundsätzlich gilt, daß das Verfahren eine verzugsarme Verbindung ermöglicht, da die zur sicheren Verschweißung erforderliche Energie gering gehalten und genauestens dosiert werden kann, so daß die Wärmeeinflußzone eng begrenzt bleibt. Dies gilt insbesondere für das Kondensatorentladungsschweißen.

Anhand der in den Fig. 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispiele wird die Erfindung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 einen axialen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Formkörper/Wellen-Verbindung mit konischen Fügeflächen,

Fig. 2 verschiedene Ausführungsformen von Fügeflächen.

In Fig. 1 ist eine erfindungsgemäße Verbindung zwischen einer Hohlwelle 1 und einem scheibenförmigen Rad 2 im axialen Längsschnitt dargestellt. Die Hohlwelle 1 weist eine Fügefläche 5 auf, die als Kegelstumpfmantel geformt ist. Das Rad 2, das in Fig. 1 zusätzlich in strichpunktierter Form in einer Position vor Beginn des Schweißens dargestellt ist, hat eine Ausnehmung 3, durch die die Hohlwelle 1 geführt ist. Die innere Oberfläche dieser Ausnehmung 3 ist als Fügefläche 4 bezeichnet und entspricht in ihrer Form der Fügefläche 5, d. h. beide ergänzen sich beim Zusammenschieben, welches durch die eingezeichneten Pfeile symbolisiert wird, in komplementärer Weise.

Die Fügefläche 4 ist mit umlaufenden Profilierungen 6 versehen, die schematisch in der strichpunktierten Darstellung des Rades 2 als geschwärzte Flächen angedeutet sind. Sobald die Oberfläche der Profilierungen 6 die Fügefläche 5 berührt hat, kann der Schweißvorgang beginnen. Beim Reibschweißen erfolgt also eine flächenhafte Erwärmung durch Reibung infolge der relativen Drehung zwischen Hohlwelle 1 und Rad 2, während diese beim Kondensatorentladungsschweißen durch elektrische Widerstandserwärmung vorgenommen wird.

Sobald die Schweißtemperatur erreicht ist, wird das Rad 2 in seine endgültige exakte Position auf der Hohlwelle 1 gedrückt, wobei die Profilierungen 6 verformt werden und eine innige großflächige Verbindung zwischen den Fügeflächen 4 und 5 von Rad 2 bzw. Hohlwelle 1 eintritt. Der Verschiebespielraum zwischen Rad 2 und Hohlwelle 1 läßt sich durch die Gestaltung der Profilierungen 6, d. h. durch die Größe der als Rillen geformten Hohlräume beeinflussen. In der Regel wird eine Profilierung einer der beiden Fügeflächen 4, 5 ausreichen; es können jedoch auch beide profiliert werden.

Fig. 2 zeigt verschiedene Abwandlungen der Fügeflächen einer Hohlwelle in schematischer Form. Die Variante a entspricht mit ihrer konischen Fügefläche 5 dem Ausführungsbeispiel in Fig. 1, während die Variante b eine gestufte Fügefläche 5 aufweist, die aus aneinandergefügten Zylinderabschnitten besteht. Die Zylindermantelflächen sind mit 5 a und die ringförmigen Stirnflächen der erzeugten Stufen mit 5 b bezeichnet. Die Teilflächen 5 a dienen der Zentrierung eines mit der Hohlwelle 1 zu verbindenden Formkörpers, während die Verschweißung auf den Teilflächen 5 b erfolgen soll, die zu diesem Zweck auch mit den (nicht dargestellten) Profilierungen versehen sind.

Diese Profilierungen ermöglichen in dieser Variante ebenfalls den Ausgleich von Fertigungstoleranzen und zwar solchen, die sich auf die äußere Länge der Teilzylinder, also auf die Tiefe der einzelnen Stufen in der äußeren Kontur beziehen. Die in der Darstellung c gezeigte Variante weist abwechselnd zylindrische (5 a) und konische (5 c) Abschnitte der Fügefläche 5 auf. Die Teilflächen 5 a sind wiederum zur Zentrierung eines Formkörpers und die Teilflächen 5 c zur Verschweißung vorgesehen.

Claims (14)

1. Verfahren zur Befestigung eines im wesentlichen scheibenförmigen, rotationssymmetrischen metallischen Formkörpers auf einer metallischen Welle mit kreisförmigem Querschnitt in definierter axialer Position durch Verschweißen von auf beiden Teilen angearbeiteten einander entsprechenden rotationssymmetrischen Fügeflächen nach einem Preßschweißverfahren, dadurch gekennzeichnet,
daß eine einteilig ausgeführte Welle verwendet wird,
daß die Fügefläche in der Weise angearbeitet wird, daß sie sich über einen Teil der Längenausdehnung der Welle erstreckt, wobei sich der Durchmesser der Fügefläche in einer Richtung entlang der Achse vergrößert,
daß mindestens auf der Fügefläche eines der beiden Teile Profilierungen eingearbeitet werden und daß der Formkörper während der Verschweißung der beiden mit ihren Fügeflächen dicht aneinandergeschobenen Teile unter Deformation der Profilierungen in die definierte axiale Position auf der Welle gebracht wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fügeflächen konusförmig ausgebildet werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fügeflächen in Form gestufter Zylinder ausgebildet werden.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fügeflächen abschnittsweise abwechselnd konusförmig und als gestufte Zylinder ausgebildet werden.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Welle eine Hohlwelle verwendet wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß für die Welle und den Formkörper unterschiedliche Stahlwerkstoffe verwendet werden.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Welle und/oder Formkörper mechanisch fertigbearbeitete und ggf. wärmebehandelte und/oder oberflächenbeschichtete Teile verwendet werden.

8. Kombination eines im wesentlichen scheibenförmigen, rotationssymmetrischen metallischen Formkörpers mit einer durchgehenden Ausnehmung im Bereich der Rotationsachse und einer metallischen Welle mit kreisförmigem Querschnitt zur Verwendung in einem Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß auf der Welle (1) eine rotationssymmetrische Fügefläche (5) ausgebildet ist, die sich über einen Teil der Längenausdehnung der Welle (1) erstreckt und deren Durchmesser in einer Richtung entlang der Wellenachse zunimmt,
daß die Ausnehmung (3) des scheibenförmigen Formkörpers (2) als zur Fügefläche (5) komplementäre Fügefläche (4) ausgebildet ist
und daß mindestens eine der Fügeflächen (4, 5) mit einer Profilierung (6) versehen ist.

9. Kombination nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Welle (1) als Hohlwelle ausgebildet ist.

10. Kombination nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Fügeflächen (4, 5) konusförmig ausgebildet sind.

11. Kombination nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Welle (1) ein Anschlag zur Fixierung der axialen Position des Formkörpers (2) angeordnet ist.

12. Kombination nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Fügeflächen (4, 5) in Form gestufter Zylinder ausgebildet sind.

13. Kombination nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Fügeflächen (4, 5) abschnittsweise abwechselnd konusförmig bzw. als gestufte Zylinder ausgebildet sind.

14. Kombination nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Formkörper (2) ein fertigbearbeitetes Zahnrad ist.