DE3940516C2 - Preßsitzverbindung eines ringförmigen Bauteils und einer Welle - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Preßsitzverbindung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie auf ein Verfahren zur Herstellung einer Preßsitzverbindung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 9.

Eine gattungsgemäße Preßsitzverbindung ist aus der DE-PS 559 779 bekannt. Die Welle einer derartigen Verbindung ist mit Längsriefen bzw. -rillen versehen. Bei der Ausführung der Schrumpfverbindung wird der mit der Bohrung versehene Maschinenteil soweit erwärmt, daß die kalte Welle ohne Anstrengung in die Bohrung eingeführt werden kann. Beim Abkühlen der Verbindung legt sich das Material des Maschinenteils dicht auf die Welle und dringt in die Rillen derselben ein, so daß ein Preßsitz entsteht. Die Herstellung dieser Verbindung ist umständlich, weil der die Bohrung aufweisende Maschinenteil erwärmt werden muß, so daß der dabei entstehende Verzug Ungenauigkeiten bei der Ausrichtung des Maschinenteils um die Achse der Welle hervorruft.

Bei einer anderen Verbindungsstruktur gemäß der DE 3 813 272 A1 wird eine mit einer gerillten Struktur versehene Welle mit Preßpassung in die Durchgangsbohrung eines Rotors eingeschoben, wobei dieses Preßpassen sowohl bei erhöhter Temperatur als auch ohne Erwärmung durchgeführt werden kann. Durch das unter Druck vor sich gehende Einschieben der gerillten Struktur der Welle in die Bohrung wird die Innenumfangsfläche der Durchgangsbohrung entsprechend der Ausbildung der Rillen an der Welle verformt, so daß durch die erzeugten Verformungen eine feste Verbindung entsteht.

Aus den Druckschriften US 21 19 334 und DE 29 39 037 A1 sind Preßsitzverbindungen bekannt, bei denen die Welle mit Spiralnuten und Vorsprüngen versehen ist. Dabei entsteht zwischen der Welle und dem diese aufnehmenden Bauteil eine doppelt formschlüssige Verbindung - einmal durch die Einschneidung der Vorsprünge in die Bohrungswand und einmal durch die infolge der Einschneidung erfolgende Verdrängung von Bohrungsmaterial in die Spiralnuten.

Aus der DD 01 52 972 ist es bekannt, verschiedene Arten von Schmierstoffen zur Verhinderung von Passungsrostbildung einzusetzen. Es wird festgestellt, daß die Anwendung von Ölen bei Preßverbindungen nachteilig ist, weil sich zwischen den Paßflächen ein Schmierpolster bildet.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Preßsitzverbindung mit hoher Verbindungsfestigkeit zu schaffen, bei der der Montagevorgang leicht und unter Vermeidung einer Fehlausrichtung der zu verbindenden Teile zueinander ausgeführt werden kann.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 gelöst. Gemäß diesen Merkmalen sind die Rillen unter einer Winkelneigung zur Achse der Welle ausgebildet und ein ein Fressen während der Preßsitzmontage verhindernder Ölfilm ist an den zusammenzufügenden Flächen zwischen dem ringförmigen Bauteil und der Welle beibehalten.

Die Aufgabe wird des weiteren durch ein Verfahren zur Herstellung einer Preßsitzverbindung gemäß dem Patentanspruch 9 gelöst.

Gemäß der Erfindung schreitet die Preßsitzmontage der Welle in das ringförmige Bauteil unter einer elastischen Verformung der Innenumfangsfläche des ringförmigen Bauteils, das im Ver­ gleich zu der Welle aus einem weicheren Material gefertigt ist, fort, was auf den unzusammenhängenden oder getrennten Rillen an der Welle beruht, wobei das Material des ringförmi­ gen Bauteils, d. h. das Material der nachgiebig zu verformen­ den Teile, in die Rillen der Welle eingepreßt wird und in diese verzahnend eingreift.

Während der Preßsitzmontage wird eine geringe Menge des Öls durch die Kanten der an der Welle ausgebildeten Rillen abge­ schabt, jedoch wird, da zwischen benachbarten Rillen eine glatte Fläche vorhanden ist, ein durchgehender Ölfilm auf den gesamten zusammenzufügenden Flächen belassen, so daß die Herstellung der Preßsitzverbindung glatt und störungsfrei im Zustand einer Grenzreibung abläuft.

Obgleich der Ölfilm an den zusammenzufügenden Flächen belas­ sen wird, wird der Widerstand gegen eine Bewegung zwischen der Welle und dem ringförmigen Bauteil sowohl in der Achs- als auch Drehrichtung auf Grund dessen, daß das ringförmige Bauteil in die Rillen verzahnend eingreift, erhöht.

Die unzusammenhängende und getrennte Anordnung der Rillen gewährleistet das Zurückhalten des dünnen Ölfilms in einer ausreichenden Menge, so daß das Fressen oder Einkerben verhin­ dert werden kann, d. h., eine Grenzreibung bewerkstelligt wird. Der Begriff "Grenzreibung" wird dadurch bestimmt, daß zwei reine Flächen der festen Körper mit einer adsorbierten Schicht von flüssigen Molekülen, die zwischen den Körpern vorhanden ist, im Reibungszustand sind. Die Rillen werden zumindest teilweise innerhalb der zusammenzufügenden Flächen der beiden Bauteile ausgebildet. Gemäß der Erfindung wird Rostschutzöl wirksam als das Öl verwendet, das ein Fressen verhindert, was darüber hinaus von großem Vorteil ist insofern, als die­ ses Öl die zusätzliche Anwendung eines unterschiedlichen Öls neben dem Rostschutzöl, wie es üblicherweise verwendet wird, unnötig macht. Vorzugsweise erstrecken sich die Rillen über eine Länge von einem Viertel bis einem Drittel der gesamten axialen Länge der zusammenzufügenden Fläche der Welle. Der Neigungswinkel ist größer als 0° und kleiner als 90° mit Be­ zug zur Achse der Welle, und er wird in geeigneter Weise in Abhängigkeit von den verschiedenen Anforderungen an die Verbindungskonstruktion bestimmt. Vorzugsweise liegt der Neigungswinkel zwischen 30 und 60°, und in mehr bevorzugter Weise beträgt er 45° mit Bezug zur Achse der Welle.

Für die Rillen wird eine Breite von 0,1 bis 0,4 mm und eine Tiefe von etwa 0,05 bis 0,2 mm bevorzugt. Jedoch unterlie­ gen diese Abmessungen der Rillen entsprechend den Größen so­ wie den Materialien der Welle und des ringförmigen Bauteils Änderungen.

Aus dem Obigen und der folgenden detaillierten Beschreibung wird insgesamt deutlich, daß durch die Erfindung eine Anord­ nung geschaffen wird, wonach das an der Außenumfangsfläche der Welle aufgebrachte Beschichtungsöl im wesentlichen im gesamten Preßsitzbereich erhalten bleibt, so daß die Preß­ sitzmontage unter den Bedingungen einer Grenzreibung fort­ schreiten kann, wodurch ein glatter und von einem Fressen oder Einkerben freier Preßsitz erlangt werden kann. Darüber hinaus wird der Widerstand der Welle sowie des ringförmigen Bauteils sowohl in der Achs- als auch in der Drehrichtung durch das verzahnende Eingreifen des ringförmigen Bauteils in die an der Welle ausgebildeten Rillen verstärkt, so daß nachteilige Wirkungen der Rest-Ölschicht an den zusammenzufü­ genden Flächen minimiert und folglich die beiden Bauteile sehr fest miteinander verbunden werden können. Auf diese Weise wird eine Verbindungskonstruktion zwischen einem ring­ förmigen Bauteil und einer Welle geschaffen, wobei nicht nur die Präzision im Preßsitz, d. h. eine verbesserte axiale Aus­ richtung, gewährleistet wird, sondern auch die beiden Bauteile stabil und zuverlässig sowohl in der Achs- als auch Drehrich­ tung verbunden werden können.

Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Patent­ ansprüchen 2 bis 8 und 10 und 11 definiert.

Der Erfindungsgegenstand wird im folgenden unter Bezugnahme auf die bei­ gefügten Zeichnungen erläutert.

Es zeigt

Fig. 1 einen Längsschnitt einer Wasserpumpe eines Kraft­ fahrzeugs, bei dem der Erfindungsgegenstand zur Anwendung kommt;

Fig. 2 teils einen Längsschnitt, teils eine Ansicht des Lagerungsteils von Fig. 1 in vergrößertem Maßstab;

Fig. 3 den Querschnitt nach der Linie III-III in der Fig. 1;

Fig. 4 eine vergrößerte schematische Darstellung der Rillen und der eingreifenden Teile von Fig. 3;

Fig. 5 eine schematische Darstellung des Zustandes der Öl­ strömung im Verlauf der Preßsitzmontage eines Riemen­ scheibensitzes;

Fig. 6 eine schematische Darstellung des Ölfilms bei Beendigung der Preßsitzmontage des Riemenscheiben­ sitzes.

Bei der in Fig. 1 gezeigten Wasserpumpe ist ein Pumpengehäu­ se 1 an einem (nicht dargestellten) Motorblock befestigt. Ein Außenring einer Lagereinheit 2 ist in eine Bohrung des Pumpengehäuses 1 eingepaßt. Eine als Innenring der Lagerein­ heit verwendete Pumpenwelle 3 wird durch diese Lagereinheit 2 gelagert. Durch Preßsitz sind ein Pumpenrad 4 und ein Rie­ menscheibensitz 5 auf dem einen (rechten) und dem anderen (linken) Ende der Pumpenwelle 3 befestigt. Zwischen das Pum­ penrad 4 und die Pumpenwelle 3 ist eine mechanische Dichtung 6 eingefügt, während am Riemenscheibensitz 5 die treibende Riemenscheibe 7 für ein (nicht dargestelltes) Kühlgebläse befestigt ist.

Wie die Fig. 2 zeigt, besteht die Lagereinheit 2 aus einem hohlzylindrischen Außenringmantel 8, einer Mehrzahl von zwi­ schen dem einen Ende des Ringmantels 8 und der Pumpenwelle 3 angeordneten Kugeln 10, die durch einen Käfig 9 in glei­ chen Winkelabständen am Umfang der Lagereinheit gehalten werden, einer Mehrzahl von zylindrischen Rollen 12, die zwi­ schen dem anderen Ende des Ringmantels 8 sowie der Pumpen­ welle 3 angeordnet sind und durch einen Käfig 11 in gleichen Winkelabständen am Umfang der Lagereinheit gehalten werden, sowie aus Dichtungen 13 und 14, die an beiden Enden des Ring­ mantels 8 befestigt sind und das Innere der Lagereinheit ab­ dichten.

Bei dieser Wasserpumpe ist die Pumpenwelle 3, die in den An­ sprüchen lediglich als Welle bezeichnet wird, aus einem Lager­ stahl, wie SUJ2, gebildet, während der Riemenscheibensitz 5, der in den Ansprüchen als das ringförmige Bauteil bezeich­ net wird, aus einem Feinkornstahl, wie S25C, welcher weicher als das Material der Pumpenwelle ist, gefertigt ist. Der Rie­ menscheibensitz 5 hat eine Bohrung 5a, die im Durchmesser beispielsweise in der Größenordnung von µm (vorzugsweise 50-70 µm) kleiner ist als der Durchmesser der Pumpenwelle 3, um einen geeigneten, angemessenen Preßsitzeingriff hervor­ zurufen. Die Pumpenwelle 3 kann bis zum Kern oder lediglich an der Oberfläche durch eine Aufkohlungsbehandlung in bekann­ ter Weise gehärtet sein.

Am einen Endbereich der Pumpenwelle 3 sind zueinander paral­ lele Kehlen oder Rillen 20 in einer Mehrzahl ausgebildet. Diese Rillen 20 sind im Querschnitt allgemein V-förmig und mit Bezug zur Umfangsrichtung unzusammenhängend oder getrennt ausgestaltet, wobei sie eine Neigung unter einem Winkel R mit Bezug zur Achse 0 der Pumpenwelle 3 haben. Im einzelnen wird der Winkel R dieser Rillen so festgesetzt, daß 0° < R < 90° ist, wobei die Rillen bei Betrachtung von Fig. 2 von links oben nach rechts unten verlaufen.

Diese Rillen 20 sind in einem axial mittigen Teil des Riemen­ scheibensitzes 5, welcher Sitz der zusammenzufügenden Fläche entspricht, ausgebildet. Wie den Fig. 3 und 4 zu entnehmen ist, wird der Innenumfang des Riemenscheibensitzes 5 teilweise expandiert oder ausgewölbt, um einen eingreifenden Vorsprung 21 in einer Größenordnung zu bilden, die dem Preßsitzeingriff entspricht, so daß dieser Vorsprung in die Rillen 20 verzah­ nend eingreift. Die Rillen 20 können an einem Endabschnitt anstatt im mittigen Abschnitt des Riemenscheibensitzes 5 vor­ gesehen werden. Es ist jedoch zu bemerken, daß die erwähnte Expansion oder Auswölbung lediglich eine äußere Erscheinung ist, weil die zusammenzufügende Fläche nachgiebig expandiert wird und der Vorsprung zu seinem ursprünglichen Durchmesser hin sich bewahrt oder radial in einem relativ geringeren Ausmaß expandiert als die zusammenzufügende Fläche.

Das Verfahren zur Herstellung der Preßsitzverbindung, nämlich der Vorgang zum Anbringen des Riemenscheibensitzes 5 an der Pumpenwelle 3 wird im folgenden erläutert.

Ein geeignetes Rostschutzöl 30, das die im folgenden erwähn­ ten Eigenschaften hat, wie RL55, mit einer Viskosität von 2,6 cSt/40°C wird auf die Außenumfangsfläche der Pumpenwelle 3 aufgebracht. Das eine Ende der Pumpenwelle 3 wird an das eine Ende der Bohrung 5a des Riemenscheibensitzes 5 herange­ führt. Die Welle 3 wird in koaxialer Ausgestaltung zur Boh­ rung 5a in Anlage gebracht und längs des Pfeils A in der Fig. 5 wird auf den Sitz 5 ein Preßdruck ausgeübt. Obgleich das Rostschutzöl 30 teilweise mit dem Fortschreiten des Auf­ pressens abgeschabt wird, fließt das Öl an der glatten Fläche zwischen den einzelnen benachbarten Rillen 20, wie durch die Pfeile in Fig. 5 dargestellt ist, so daß ein ununterbroche­ ner Ölfilm 31 auf der gesamten glatten Fläche zwischen den Rillen 20 und an den front- sowie rückseitigen Bereichen der Rillen gehalten wird. Auf diese Weise geht die Preßsitzmontage unter den Bedingungen einer Grenzreibung vor sich. Wenn der Preßsitz des Riemenscheibensitzes 5 vervollständigt ist, wie in Fig. 6 gezeigt ist, wird der Ölfilm 31 an den einander angepaßten Flächen bzw. dem geringen Zwischenraum zwischen diesen zurückgehalten, ohne an den Rillen 20 unterbrochen zu werden. Andererseits wird der Innenumfang der Bohrung 5a des Riemenscheibensitzes 5 verformt und elastisch erweitert, um in die an der Pumpenwelle 3 ausgebildeten Rillen 20 ein­ zugreifen.

Da der Ölfilm auf der gesamten Preßsitzfläche der Pumpenwelle 3 aufrechterhalten wird, wird ein glatter, von einem Fressen oder Einkerben freier Preßsitz gewährleistet. Wenngleich man befürchten mag, daß die Verbindungskraft durch den an den einander angepaßten Flächen verbleibenden Ölfilm geschwächt wird, werden, da der Riemenscheibensitz 5 in die in der Pum­ penwelle 3 unter einem geeigneten Winkel ausgebildeten Rillen 20 verzahnend eingreift, die Wirkungen des verbleibenden Öl­ films 31 vermindert, so daß der Widerstand in der Dreh- sowie Achsrichtung erhöht wird und somit die beiden Teile fest und sicher miteinander verbunden sind.

Die Rillen 20 können in einer geeigneten Weise ausgebildet werden, vorzugsweise mit einem gleichen Winkelabstand, und zwar beispielsweise 9-23 geradlinige Rillen für z. B. eine Welle, die einen Durchmesser von 12-25,4 mm hat. Jedoch werden die Rillen in Abhängigkeit von unterschiedlichen Anfor­ derungen, Materialien und Abmessungen der beiden zu verbin­ denden Bauteile ausgestaltet.

Wenngleich die Erfindung unter Bezugnahme auf eine Wasser­ pumpe beschrieben worden ist, so sollte klar sein, daß sie auch auf verschiedene andere Vorrichtungen oder Ausrüstungen und nicht nur auf eine Wasserpumpe, wobei ein ringförmiges Bauteil und eine Welle zu verbinden sind, Anwendung finden kann.

Claims (11)

1. Preßsitzverbindung eines ringförmigen Bauteils und einer Welle, welche Welle härter als das ringförmige Bauteil ist, eine im wesentlichen zylindrische Oberfläche ohne Vorsprünge aufweist und mit im wesentlichen zueinander parallelen sowie in Umfangsrichtung ungeschlossenen Rillen versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß

• - die Rillen (20) unter einer Winkelneigung zur Achse der Welle (3) ausgebildet sind und
• - ein ein Fressen während der Preßsitzmontage verhindernder Ölfilm (31) an den zusammenzufügenden Flächen zwischen dem ringförmigen Bauteil (5) und der Welle (3) beibehalten ist.

2. Preßsitzverbindung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rillen (20) sich zumindest über einen Teil der axialen Länge der zusammenzufügenden Fläche der Welle (3) erstrecken.

3. Preßsitzverbindung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Rillen (20) sich lediglich innerhalb der axialen Länge der zusammenzufügenden Fläche der Welle (3) erstrecken.

4. Preßsitzverbindung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Rillen (20) sich über eine Länge von einem Viertel bis einem Drittel der axialen Länge der zusammenzufügenden Fläche der Welle (3) erstrecken.

5. Preßsitzverbindung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Neigungswinkel der Rillen (20) etwa 45° beträgt.

6. Preßsitzverbindung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Rillen (20) eine Breite von 0,1 bis 0,4 mm haben.

7. Preßsitzverbindung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Rillen (20) eine Tiefe von 0,05 bis 0,2 mm haben.

8. Preßsitzverbindung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Ölfilm (31) aus einem Rostschutzöl besteht.

9. Verfahren zur Herstellung einer Preßsitzverbindung zwischen einem mit einer Bohrung versehenen ringförmigen Bauteil und einer Welle, die eine im wesentlichen zylindrische Oberfläche ohne Vorsprünge aufweist, indem die Welle mit einem entlang ihres Umfangs ausgebreiteten Öl versehen wird, dadurch gekennzeichnet, daß

• - vor dem Aufbringen des Öls die Welle (3) mit im wesentlichen zueinander parallelen, unter einer Winkelneigung zur Achse der Welle (3) verlaufenden und in Umfangsrichtung ungeschlossenen Rillen (20) versehen wird und
• - nach dem Aufbringen des Öls an die Bohrung des ringförmigen Bauteils (5) ein Preßsitzdruck derart aufgebracht wird, daß die Innenumfangsfläche der Bohrung verzahnend in die Rillen (20) der Welle (3) hinein expandiert.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Rillen (20) zumindest teilweise innerhalb der mit dem ringförmigen Bauteil zusammenzufügenden Fläche der Welle (3) ausgebildet sind.

11. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Öl ein Rostschutzöl ist.