DE3900797A1 - Vorrichtung zum befestigen einer nabe auf einer welle - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum kraftschlüssigen Verbinden eines mit einer zylindrischen Ausnehmung auf einer zylindrischen Stange angeordneten Teils mit der Stange, insbe­ sondere zum Befestigen einer Nabe auf einer Welle.

Die Verbindung Welle/Nabe unterlag im Laufe der Zeit mehrfacher Wandlung.

Aus der Vierkant-Welle zur Aufnahme und Verbindung von bzw. mit einer Radnabe wurde die Keil-Verbindung, die man heute noch, wenn auch selten, findet, und danach die Paßfeder in der Form von Feder und Nut als klassische Verbindung von Welle und Nabe.

Feder und Nut sind in der Herstellung aufwendig: Welle und Nabe müssen in von der übrigen Teilebearbeitung getrennten Arbeits­ gängen lohnintensiv und auf anderen Maschinen, ebenfalls ge­ trennt, gefertigt und ggf. noch in der Montage angepaßt werden. Die Schwächung von Welle und Nabe durch die Nut verlangt, beide Teile größer als es das zu übertragende Drehmoment an sich er­ fordert zu dimensionieren. Auch bei richtiger Dimensionierung bleibt das Risiko der Kerbwirkung. Unter pulsierenden Drehmoment­ spitzen treten über die Betriebsdauer Flankenspiele zwischen Feder und Nut auf, die sich laufend vergrößern.

Der Vierkant-Welle ähnlich ist das "K-Profil", eine Polygon­ Welle und Polygon-Nabenbohrung, welches sich wegen des hohen Fertigungsaufwandes und wegen der mangelnden Fixierung der Teile auf der Welle nur dort einführte, wo ein Schiebesitz, wie auf der Vielkeil-Welle, gerade erwünscht war.

Unter den Systemen, die diese Nachteile der bisher beschriebenen Paarungen vermeiden, finden sich die Schrumpfverfahren.

Beim konventionellen Warm-Auf-Schrumpfen, bei dem das Außenteil erwärmt, oder beim neueren Kalt-Ein-Schrumpfen, bei dem das Innenteil unterkühlt wird, entstehen zwar weder unnötiger Materialaufwand noch - bei richtiger Beachtung der Ein­ schnürung - Kerbwirkungen, jedoch sind beide Schrumpfarten nicht ohne Zerstörung oder nur mit großen Aufwand wieder lösbar, sind zudem schwierig in der werkstattmäßigen Handhabung und der Temperaturführung während des Schrumpfens. Häufig gehen Bau­ teile durch Toleranzfehler und Temperaturfehler bei zu lang­ samem Arbeitsablauf verloren, da sie steckenbleiben, bevor sie die vorgesehene Position auf der Welle erreicht haben.

Sicherer zu handhaben ist der hydraulische Schrumpfverband, bei welchem aber oft mangels zugehöriger Aufzieh-Hilfsmittel das Außenteil dennoch aufgewärmt werden muß und der Vorteil sich nur auf das hydraulische Abziehen beschränkt. Die Herstellung und Vorbereitung der Bauteile für die Anwendung dieses Systems sind wegen der Ölzuführungen mit Aufwand verbunden. Der hydrau­ lische Schrumpfverband ist aber lösbar.

Zu den Schrumpfverbindungen zählen ferner verschiedene Schrumpf­ ringsysteme. Diese sind durch die stets erforderlichen Schrauben, durch konische Sitzflächen beim Außen-Schrumpfen, durch Mehr­ fach-Konusringe und Zusatzbauteile, wie Druckringe, ebenfalls aufwendig. Bei hintereinander zu montierenden, konischen Spann­ ringen u.ä. trägt zudem nur der jeweils erste Ring voll, die Tragkraft der übrigen Ringe fällt exponentiell über der Sitz­ länge ab und Nabe und Wellensitz werden unnötig lang.

Schließlich zählt zu den Schrumpfverbindungen noch das hydrau­ lische Aufweiten, das bei Nockenwellen als Befestigung zwischen Hohlwelle und Nocken eingesetzt wird. Eine Schrumpfung ist in Grenzen möglich. Notwendig ist eine Innenbohrung. Die Einzel­ teile müssen sehr genau gefertigt werden. Die Schrumpfung ist irreversibel.

Kunststoffgefüllte, zylindrische Spannbüchsen, bestehend aus Innenmantel, Plastfüllung, Außenmantel und Ringkolben, sind wiederum nur mit Schrauben zu verspannen und daher teuer. Ihre Spannkraft läßt obendrein über die Gebrauchsdauer nach. Alle Systeme dieser Art erfordern großen Bauraum, sei es in der Nabe bei Innenspannung oder außen am Bauteil bei Außenspannung.

Spanndorne erfordern eine Innenbohrung zur Aufnahme der zuge­ hörigen Bauteile und bauen so lang, daß sie für den Welle-Nabe- Verbund ausscheiden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine die vorstehenden Nachteile weitgehend vermeidende, insbesondere kostengünstige und einfach und schnell zu montierende, Verbindung zu schaffen.

Gemäß der Erfindung erfüllt diesen Zweck eine Vorrichtung der eingangs genannten Art aus zwei in die zylindrische Ausnehmung und auf die Stange ein- bzw. aufzuschiebenden koaxialen Hülsen, bei denen die äußere Hülse einen dem Umfang der Ausnehmung an­ gepaßten Außenumfang und die innere Hülse einen dem Stangen­ umfang angepaßten Innenumfang aufweist und der Innenumfang der äußeren Hülse und der Außenumfang der inneren Hülse derart un­ rund sind, daß die beiden Hülsen in einer Winkelstellung zuein­ ander im wesentlichen locker ineinanderpassen und in einer anderen Winkelstellung zueinander unter Ausdehnung der äußeren Hülse und Zusammendrückung der inneren Hülse miteinander ver­ klemmt sind und das Teil mit der Stange verklemmen.

Diese Vorrichtung, deren Funktion sich aus den vorstehenden Merk­ malen von selbst ergibt, schafft eine Verbindung ähnlich der Schrumpfverbindung. Im Unterschied zu dieser ist die Klemmung je­ doch nicht über den Umfang gleichmäßig, sondern mehr stellenweise.

Die Verbindung kann sehr hohe Drehmomente, z.B. von oder auf Scheiben, Kurbeln oder Zahnräder, übertragen. Das Teil und die Welle werden zueinander zentriert. Die Abmessungen sind gering. Die Zahl der Einzelteile ist auf zwei begrenzt, Schrauben ent­ fallen. Die Positionierung des Teils auf der Welle ist unab­ hängig, z.B. von Wellenschultern. Baulängen von Maschinen können sich verkürzen. Ein nach oben gerichteter Ausbau von Zwischen­ wellen o.ä. allein nach Maßgabe des Abstandes zwischen den Wellen ist möglich. Die Vorrichtung ist billig.

Wesentlicher Vorteil ist auch gegenüber den Schrumpfverbindungen, daß die Verbindung wieder lösbar ist, wobei im übrigen die Vorrichtung nicht beschädigt wird und wiederverwendbar bleibt.

Die unrunde, d.h. von der Kreisform abweichende Ausbildung der Passung zwischen den beiden Hülsen wird man symmetrisch mit Be­ zug auf die Achse gestalten, so daß sich keine Unwucht ergibt.

Vorzugsweise sind der Innenumfang der äußeren Hülse und der Außenumfang der inneren Hülse oval oder zwei-, drei- oder vier­ fach ballig.

Zweckmäßigerweise sind dabei die betreffenden Umfangsformen der inneren und der äußeren Hülse mit Ausnahme des Größenunter­ schiedes etwa gleich, so daß in der erstgenannten Winkelstellung ringsum ein etwa gleich breiter Spalt möglich ist.

Beim Verdrehen teilt sich dieser Spalt dann an jedem Extrem des Umfangs der inneren Hülse, so daß zwei bzw. drei oder vier sichelförmige Spalte entstehen. Infolge des äußerst spitzen Be­ rührungswinkels zwischen den beiden Flächen - in der Größen­ ordnung von Winkelminuten - entsteht Selbsthemmung.

Es versteht sich, daß der größte Außendurchmesser bzw. Außen­ radius der inneren Hülse immer den kleinsten Innendurchmesser bzw. Innenradius der äußeren Hülse übersteigen muß, und zwar, unter Berücksichtigung aller Toleranzen, um mehr als die Summe der beiden größten möglichen Spaltbreiten einerseits zwischen dem Umfang der Ausnehmung und dem Außenumfang der äußeren Hülse und andererseits zwischen dem lnnenumfang der inneren Hülse und dem Stangenumfang.

Ferner wird man mit den Bemessungen sicherstellen, daß die Klemmung nicht "überdreht" werden kann, d.h. der Klemmsitz bei ovalem oder zweifach balligem Umfang bei einer Verdrehung von deutlich weniger als 90° erreicht ist, bei einem dreifach balligen Umfang von weniger als 60° usw.

Will man z.B. bei Richtungswechseln gleiche Verhältnisse haben, kann man aber auch eine Verdrehung um 90° bzw. 60° usw. vor­ sehen, wofür dann die Toleranzfelder der vier beteiligten Durch­ messer entsprechend eng bemessen sein müssen.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung haben die beiden Hülsen an einem, aus der Ausnehmung heraus­ ragenden, Ende, vorzugsweise an derselben Seite, jeweils eine Profilierung für den Angriff eines Schlüssels, mit dem sie gegeneinander verdreht werden. Vorzugsweise ist die Profilierung ein Sechskant oder ein Nutmutterprofil. Beispielsweise in Be­ tracht kommt aber auch eine axiale Zahnung, die platzsparend noch innerhalb der genannten Ausnehmung liegen kann.

In der Regel wird zweckmäßigerweise die innere Hülse die genannte Profilierung an einem Bund aufweisen, der jedoch nicht den ge­ nannten Außenumfang der äußeren Hülse überragt, und die äußere Hülse wird die Profilierung innerhalb dieses Außenumfanges auf­ weisen, d.h. mit höchstens dessen Durchmesser.

So ist bei der Montage und Demontage jegliche relative Ver­ schiebung zwischen den Hülsen und dem auf der Stange zu be­ festigenden Teil möglich.

Um das Verklemmen zu erleichtern, kann man die Hülsen aus einem gleitfähigen Werkstoff oder einer gleitfähigen Werkstoff- Paarung von geringer Reibkorrosion oder mit einer solchen Be­ schichtung herstellen.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann dem gleichen Zweck in der Weise gedient werden, daß die innere und/oder die äußere Hülse, vorzugsweise in einem Bereich kleineren Durchmessers des Ovals bzw. zwischen den Ballen, längsgeschlitzt (18; 19) ist bzw. sind.

Dann läßt sich die innere Hülse leichter zusammendrücken und/ oder die äußere Hülse leichter aufweiten. Ersteres dürfte in der Regel die größere Erleichterung bedeuten.

Der Schlitz kann bzw. die Schlitze können achsparallel ver­ laufen. Neigt man den Schlitz bzw. die Schlitze etwas aus der Achsrichtung heraus, so kann das insofern vorteilhaft sein, als dann die durch den Schlitz bedingte Unstetigkeit in ver­ schiedenen Querschnitten an verschiedenen Stellen liegt und so verteilt wird. Schlitze in beiden Hülsen können gegenläufig ge­ neigt sein, um eine Verhakung zwischen ihnen auszuschließen.

Vorzugsweise erstreckt sich nur ein Schlitz in der bzw. jeder Hülse durch die gesamte Länge der Hülse. In dieser Gestaltung läßt sich die Hülse am leichtesten zusammendrücken bzw. auf­ weiten.

Es wäre aber auch schon in dieser Richtung wirksam, wenn die eine und/oder die andere Hülse einen Schlitz oder eine Mehrzahl von Schlitzen hätte der bzw. die sich nur bis zum einen Hülsenende erstreckt bzw. erstrecken oder in Abstand von beiden Hülsenenden endet bzw. enden.

Die Zeichnung gibt Ausführungsbeispiele der Erfindung wieder.

Fig. 1 zeigt eine Befestigung einer Nabe auf einer Welle, teils in axialem Schnitt und teils in Seitenansicht,

Fig. 2 zeigt die Nabe auf der Welle nach Fig. 1 in Ansicht ge­ mäß Fig. 1 von links,

Fig. 3 zeigt eine andere Befestigung einer Nabe auf einer Welle, teils in axialem Schnitt und teils in Seitenansicht,

Fig. 4 zeigt eine Ansicht der Nabe auf der Welle nach Fig. 3 gemäß Fig. 3 von links,

Fig. 5, Fig. 6 und Fig. 7 zeigen Querschnittsformen,

Fig. 8 zeigt ein Befestigungsmittel in Seitenansicht,

Fig. 9 zeigt das Befestigungsmittel in Ansicht gemäß Fig. 8 von links und

Fig. 10 zeigt eine Abwandlung des Befestigungsmittels nach Fig. 8 und 9 in Seitenansicht.

Nach Fig. 1 und 2 ist auf einer Welle 1 eine Nabe 2 befestigt mittels einer aus einer inneren Hülse 3 und einer äußeren Hülse 4 bestehenden Vorrichtung 5.

Die innere Hülse 3 weist an ihrem einen Ende einen Bund 6 auf, auf dem ein Sechskant 7 geformt ist.

An der äußeren Hülse 4 ist am gleichen Ende ein Sechskant 8 in die Hülsenwandung ausgebildet.

Grundsätzlich die gleichen und mit den gleichen Bezugszeichen 1 bis 6 versehenen Teile finden sich in Fig. 3 und 4. Hier ist lediglich statt des Sechskants auf dem Bund 6 der inneren Hülse 3 und auf der äußeren Hülse 4 jeweils ein Nutmutterprofil 9 bzw. 10 eingeschnitten.

Die Hülsen 3 und 4 sind durch Angreifen mittels je eines Schraubenschlüssels an ihren Sechskanten 7 bzw. 8 bzw. ihren Nutmutterprofilen 9 bzw. 10 gegeneinander verdreht und damit mit­ einander sowie mit der Welle 1 und der Nabe 2 verklemmt worden.

Die Verklemmung resultiert aus einer Querschnittsform der Hülsen 3 und 4, wie sie in Fig. 5, 6 oder 7 dargestellt ist.

Nach Fig. 5 berühren sich die Hülsen 3 und 4 mit ovalen Quer­ schnitten.

Der Außenumfang der inneren Hülse 2 trägt das Bezugszeichen 11 und ist strichpunktiert in zwei Winkelstellungen gezeichnet. Der lnnenumfang der äußeren Hülse 4 ist in einer durchgehenden Linie in einer Stellung gezeichnet; er trägt das Bezugs­ zeichen 12.

Für die Montage stecken die beiden Hülsen 3 und 4 locker zu­ sammen. Die gestrichelte und die durchgezogene Umfangslinie verlaufen mit einem schmalen Toleranzabstand parallel zuein­ ander. Werden dann, um die Befestigung hervorzubringen, die Hülse 3 und 4 gegeneinander verdreht, so will die strich­ punktierte Umfangslinie mit ihren beiden gegenüberliegenden Extrempunkten über die durchgezogene Umfangslinie hinaustreten, wie in der Zeichnung mit den beiden Buckeln 13 dargestellt. Da das nicht möglich ist, wird stattdessen die äußere Hülse 7 an der Stelle der Buckel ausgedehnt und die innere Hülse 3 zusammen­ gedrückt bis zu der erwähnten Verklemmung.

Die beiden Winkelstellungen unterscheiden sich in Fig. 5 um 90°. Tatsächlich ist die Verklemmung schon bei einer geringeren Verdrehung erreicht.

Nach Fig. 6 sind die Querschnitte ähnlich einem Oval, aber aus zwei Kreisabschnitten, etwas größer als Halbkreise, zusammen­ gesetzt.

Wiederum ist der Umfang der Außenumfang der inneren Hülse, hier mit 14 bezeichnet, strichpunktiert in zwei Winkelstellungen dar­ gestellt und der Innenumfang der äußeren Hülse 4, mit 15 be­ zeichnet, in nur einer Stellung und durchgezogen gezeichnet. Die Radien R ₁ des Innenumfangs der Außenhülse 4 und R ₂ des Außenumfangs der Innenhülse 3 sind eingezeichnet.

Nach Fig. 7 setzen sich die Querschnitte statt aus zwei Kreis­ abschnitten, wie in Fig. 6, aus drei Kreisabschnitten zusammen, so daß die beiden Querschnitte dreifach ballig sind.

Die Darstellung ist im übrigen die gleiche wie in Fig. 6. Der Außenumfang der inneren Hülse 3 trägt das Bezugszeichen 16, der Innenumfang der äußeren Hülse 4 das Bezugszeichen 17, die Radien sind wieder mit R ₁ und R ₂ bezeichnet.

Die Sechskante oder Nutmutterprofile könnten auch für sich her­ gestellt und an den Hülsen 3 und 4 angeschweißt o.ä. werden. Die Hülsen können aus Stahl hergestellt werden, z.B. St 50, oder z.B. auch aus Sintermetall. Als Beschichtung kommen eine galvanische Hartverchromung, eine chemische Vernickelung o.ä. näher in Betracht.

Die Stange und die Welle sind unabhängig von der Längener­ streckung zu verstehen; auch kürzere Zapfen fallen darunter.

Fig. 8 und 9 lassen eine innere Hülse 3 mit einem einen Sechs­ kant 7 aufweisenden Bund 6 erkennen, die einschließlich des Bundes 6 einen durchgehenden, achsparallelen Schlitz 18 auf­ weist.

Nach Fig. 10 ist statt des achsparallelen Schlitzes 18 ein zu der Achsparallele etwas geneigter Schlitz 19 vorgesehen.

Claims (8)

1. Vorrichtung zum kraftschlüssigen Verbinden eines mit einer zylindrischen Ausnehmung auf einer zylindrischen Stange (1) angeordneten Teils (2) mit der Stange (1), insbesondere zum Befestigen einer Nabe (2) auf einer Welle (1), gekennzeichnet durch zwei in die zylindrische Ausnehmung und auf die Stange (1) ein- bzw. aufzuschiebende koaxiale Hülsen (4 bzw. 3), bei denen die äußere Hülse (4) einen dem Umfang der Ausnehmung angepaßten Außenumfang und die innere Hülse (3) einen dem Stangenumfang angepaßten Innenumfang aufweist und der Innen­ umfang (12; 15; 17) der äußeren Hülse (4) und der Außenumfang (11; 14; 16) der inneren Hülse (3) derart unrund sind, daß die beiden Hülsen (4; 3) in einer Winkelstellung zueinander im wesentlichen locker ineinanderpassen und in einer anderen Winkelstellung zueinander unter Ausdehnung der äußeren Hülse (4) und Zusammendrückung der inneren Hülse (3) miteinander verklemmt sind und das Teil (2) mit der Stange (1) verklemmen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Innenumfang (12; 15; 17) der äußeren Hülse (4) und der Außenumfang (11; 14; 16) der inneren Hülse (3) oval (12 bzw. 11) oder mehrfach ballig sind, vorzugsweise zwei (15; 14) oder dreifach (17; 16).

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Hülsen (3; 4) an einem, aus der Ausnehmung herausragenden, Ende, vorzugsweise an derselben Seite, je­ weils eine Profilierung (7; 8; 9; 10) für den Angriff eines Schlüssels haben, vorzugsweise einen Sechskant (7; 8) oder ein Nutmutterprofil (9; 10).

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die innere Hülse (3) die genannte Profilierung an einem Bund (6) aufweist, der jedoch nicht den genannten Außenum­ fang der äußeren Hülse (4) überragt, und die äußere Hülse (4) die Profilierung innerhalb dieses Außenumfanges aufweist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülsen (3; 4) aus gleitfähigem Werkstoff oder einer gleitfähigen Werkstoff-Paarung von geringer Reibkorrosion bestehen oder eine solche Beschichtung aufweisen.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die innere (3) und/oder die äußere Hülse, vorzugsweise in einem Bereich kleineren Durchmessers des Ovals bzw. zwischen den Ballen, längsgeschlitzt (18; 19) ist bzw. sind.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Schlitz (19) bzw. die Schlitze leicht aus der Achs­ richtung geneigt ist bzw. sind, im Falle von Schlitzen in beiden Hülsen vorzugsweise gegenläufig.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß nur ein Schlitz (18; 19) in der (3) bzw. jeder Hülse sich durch die gesamte Länge der Hülse (3) einschließlich der ggf. vorhandenen Profilierung erstreckt.