DE4001659A1 - Kraftschluessige, kegelfoermige pressverbindung - Google Patents

Kraftschluessige, kegelfoermige pressverbindung

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Description

Die Erfindung betrifft eine kraftschlüssige, kegelförmige Preßverbindung metallischer Werkstoffe zwischen einer Welle, Achse oder einem Zapfen und einer Nabe, Scheibe, Rad oder dgl.
Eine derartige Verbindung ist durch das Handbuch "Maschinenelemente" von G. Niemann, Band 1, 2. Aufl., Seite 361 (Springer-Verlag) bekannt. Die Preßkraft zum Aufpressen der Nabe wird durch eine Mutter aufgebracht, die auf ein Gewinde der Welle geschraubt ist und störend vorsteht, so daß die Einsatzmöglichkeiten begrenzt sind. An die Präzision dieser Kegelverbindung werden große Anforderungen gestellt, damit das Drehmoment übertragen werden kann. Infolgedessen ist die Verbindung teuer und somit für viele Anwendungsfälle unwirtschaftlich. Axial nicht gesicherte Kegelpreßverbindungen neigen infolge von Mikroschwingungen (Mikroslips) bei hoher dynamischer schwellender oder wechselnder Belastung zu axialem Wandern und damit langfristig zum unbeabsichtigten Lockern der Verbindung.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine kraftschlüssige, kegelförmige Preßverbindung so zu gestalten, daß die Herstellkosten gesenkt und die Einsatzmöglichkeiten vielseitiger sein können, ein unbeabsichtigtes Lösen vermieden wird, wobei ohne besondere Präzisionsanforderungen die Belastbarkeit, d. h. die Dauerfestigkeit und das Rutschmoment, noch gesteigert werden. Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß ein Stoffschluß mit einem anaeroben Kleber in den verbleibenden Rauhigkeitszwischenräumen eines Fügespaltes über einen eingepreßten Kegelsitz mit einem Übermaß erfolgt.
Da, unabhängig von der Rauhtiefe, bei den kraftschlüssigen Verbindungen nur ca. 20 bis 30% der Oberfläche metallischen Kontakt haben, kann der flüssige Kleber die restlichen 70 bis 80% der Fügefläche ausfüllen und somit nach dem Aushärten eine Art Mikroformschluß (Stoffschluß) erzeugen, der die Dauer- und Spitzenbelastbarkeit der Wellen-Naben-Verbindung um ca. 30 bis 100% steigern kann. Bei dieser Verbindung wird in den Freiräumen, die mit dem Kleber gefüllt sind, durch die axiale Fügekraft ein hydrostatischer Druck im Kleber erzeugt, so daß der Kleber unter sehr hohem Druck eingeschlossen wird und aushärtet. Das bedeutet eine nochmalige Steigerung der Scherfestigkeit des Klebers über die in Datenblättern angegebene Scherfestigkeit bei normalem Luftdruck. Die Kegelpreßverbindung härtet mit Übermaß aus. Übermaß heißt, daß der Außendurchmesser der Welle an der betrachteten Stelle größer ist als der Innendurchmesser der nicht aufgepreßten und erst nach dem Aufpressen unter Spannung stehenden Nabe oder dgl. Die verwendeten anaeroben Kleber sind einkomponentige Produkte, die im Fügespalt unter Sauerstoffabschluß bei gleichzeitigem Metallkontakt aushärten. Die Aushärtung erfolgt bei den meisten Produkten in üblicher Weise bei Raumtemperatur, kann aber durch erhöhte Temperatur beschleunigt werden. Anaerobe Kleber haben die Eigenschaft, schon während der Fügeoperation teilweise auszuhärten, so daß die bisher verwendete Mutter oder eine andere Spannvorrichtung bzw. längeres Verweilen unter einer Presse nicht mehr erforderlich sind. Die Reaktionsgeschwindigkeit ist umgekehrt proportional zur Klebeschichtdicke, die infolge des aufgebauten hydrostatischen Druckes außerordentlich dünn ist. Ein ungewolltes Zurückspringen der Verbindung wird somit verhindert.
Ein weiterer wesentlicher Vorteil der Erfindung besteht darin, daß die Fügeteile durch preiswerte Bearbeitung mit relativ großer Oberflächenrauhigkeit und Winkeltoleranz gefertigt werden können, da der ausgehärtete Kleber Toleranzen im Zehntelmillimeterbereich ausgleichen kann. Zur Herstellung der kegeligen Fügepartner genügt die IT-Qualität 9.
Je nach verwendeter Klebstoffart erreicht die Scherfestigkeit des Klebers nach zehn Stunden bereits ca. 4500 bis 6000 N/cm2. Damit erreicht die Verbindung mit über 25 000 N/cm2 nahezu die Schwingfestigkeit Tw bei wechselnder Torsionsbeanspruchung bei ca. 3 · 106 Lastwechseln der vollen Welle, die z. B. bei 34 CrNiMo6 bei 30 000 N/cm2 liegt. Der kegelförmige, stoffschlüssige Längspreßverband überbietet in seiner Torsionsbelastbarkeit den herkömmlichen kegeligen Längspreßverband um ca. 30 bis 100%, bietet den Vorteil der kostengünstigeren Herstellung aufgrund der größeren zulässigen Bearbeitungstoleranzen und ist darüber hinaus radial bis zur Fließgrenze der metallischen Werkstoffe und axial bis zur Scherfestigkeit des Klebers belastbar.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung beträgt das Übermaß des kegelförmigen Längspreßverbandes, ohne Berücksichtigung des Klebefilmes, nach dem axialen Fügen 0,05 bis 5 Promille des mittleren Durchmessers. Die Steigung der Kegel von Nabe und Welle liegt innerhalb der Grenzen von 1 : 5 bis 1 : 100, vorzugsweise zwischen 1 : 20 und 1 : 50. Die Kegelsteigung von 1 : 20 ergibt bei einem mittleren Kegeldurchmesser von 40 mm einen Fügeweg von ca. 2 mm, der unter einer Presse in kurzer Zeit erreicht wird. Je kürzer die Fügezeit, desto geringer sind die Fügekräfte, da die Reaktion des anaeroben Klebers sofort einsetzt. Bei diesem Kegelwinkel wird auch eine angestrebte Durchmesserüberdeckung von 1 bis 2 Promille ohne übermäßigen Kraftaufwand erreicht. Bei Kegelsteigungen bis 1 : 100 besteht auch nicht die Gefahr des Kleberabstreifens während des Fügevorganges, so daß eine auch für Serienherstellung sichere Verbindung erzielt wird.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann mindestens eine der Klebeflächen durch Sand- oder Kugelstrahlung aufgerauht sein, wodurch sich die Haftung der Klebenester verbessern läßt und die Belastbarkeit nochmals gesteigert werden kann. Die axiale Sicherung der Kegelpreßverbindung gegen Lösen erfolgt überwiegend über den Stoffschluß. Ferner kann die Welle oder dgl. einen zur Klebefläche führenden Druckmittelkanal haben, durch den zum Lösen der Verbindung ein Öldruck in der Fuge aufgebaut werden kann. Es werden dann keine zusätzlichen Abziehvorrichtungen benötigt, da sich der Kegel bei entsprechendem Öldruck von selbst axial bewegt.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung im Maßstab 1 : 1 dargestellt. Die Kegelsteigung wurde überhöht mit 1 : 10 gezeichnet, da die gewählte Steigung des Kegels 1 : 50 beträgt und dies kaum zu erkennen ist.
Eine mit einer Außenverzahnung versehene Nabe 1 ist mit einer kegelförmigen Klebefläche 3 auf der Welle 2 befestigt, die einen zur Klebefläche 3 führenden Druckmittekanal 4 hat. Der Klebespalt ist vergrößert dargestellt und symbolisiert die ineinandergreifende Oberflächenrauhigkeit in Form von Erhöhungen und Vertiefungen mit eingelagerten Kleberteilen. Der Kleber wurde auf die zuvor gereinigten Klebeflächen satt aufgetragen, damit möglichst keine Lufteinschlüsse entstehen. Nach dem nur Sekundenbruchteile dauernden axialen Einpressen auf das vorgesehene Übermaß sind die Teile zu einer selbstsichernden Einheit verbunden, die nur noch mit Gewalt wieder gelöst werden kann.

Claims (7)

1. Kraftschlüssige, kegelförmige Preßverbindung metallischer Werkstoffe zwischen einer Welle, Achse oder einem Zapfen und einer Nabe, Scheibe, Rad oder dgl., dadurch gekennzeichnet, daß ein Stoffschluß mit einem anaeroben Kleber in den verbleibenden Rauhigkeitszwischenräumen eines Fügespaltes über einen eingepreßten Kegelsitz mit einem Übermaß erfolgt.
2. Kraftschlüssige, kegelförmige Preßverbindung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Übermaß des kegeligen Längspreßverbandes, ohne Berücksich­ tigung des Klebefilmes, vor dem axialen Fügen 0,05 bis 5 Promille des mittleren Durchmessers beträgt.
3. Kraftschlüssige, kegelförmige Preßverbindung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steigung der Kegel von Nabe (1) und Welle (2) innerhalb der Grenzen von 1 : 5 bis 1 : 100 liegt.
4. Kraftschlüssige, kegelförmige Preßverbindung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Steigung der Kegel von Nabe (1) und Welle (2) zwischen 1 : 20 und 1 : 50 liegt.
5. Kraftschlüssige, kegelförmige Preßverbindung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine der Kegelflächen durch Sand- oder Kugelstrahlung aufgerauht ist.
6. Kraftschlüssige, kegelförmige Preßverbindung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die axiale Sicherung der Kegelpreßverbindung gegen Lösen überwiegend über den Stoffschluß erfolgt.
7. Kraftschlüssige, kegelförmige Preßverbindung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Welle (2) einen zur Klebefläche (3) führenden Druckmittelkanal (4) hat.
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