DE4415033C1

DE4415033C1 - Verbindung zur harmonischen Übertragung von Drehmoment

Info

Publication number: DE4415033C1
Application number: DE4415033A
Authority: DE
Inventors: Peter Dipl Ing Schwaerzler; Friedhelm Dipl Ing John
Original assignee: Loehr and Bromkamp GmbH
Current assignee: GKN Driveline Deutschland GmbH
Priority date: 1994-04-29
Filing date: 1994-04-29
Publication date: 1995-08-10
Anticipated expiration: 2014-04-30
Also published as: JPH07301304A; US5660494A

Description

Die Erfindung betrifft eine Verbindung zur Übertragung von Dreh moment zwischen einer innenverzahnten Nabe und einer in die Nabe einsteckbaren außenverzahnten Welle, die einen glatten Wellen schaft und eine anschließende Wellenverzahnung aufweist, bei der die Innenverzahnung der Nabe und die Wellenverzahnung der Welle mit unterschiedlichen Zahnflankenprofilen versehen sind, derart, daß die Zahnflanken der Wellenverzahnung an den Zahnflanken der Innenverzahnung auf dem Teilkreisdurchmesser D_T anliegen und im übrigen zwischen den Zahnflanken ein Spiel in Umfangsrichtung vorhanden ist.

Aus der DE-AS 26 36 382 sind solche Verbindungen mit einem Li nienkontakt zwischen den Zahnflanken der Wellenverzahnung und den Zahnflanken der Innenverzahnung unter Drehmomenteinleitung in verschiedenen Ausführungen bekannt und dargestellt.

Die Drehmomentübertragung über eine derartige Verbindung bewirkt eine Torsionsspannung, bzw. eine Scherspannung in der Welle, welche in dem Übergangsquerschnitt der Welle am zum Wellenschaft liegende Nabenende maximal ist und sich im weiteren axialen Verlauf der Welle innerhalb der Nabe reduziert. Dieser Über gangsquerschnitt bildet bei herkömmlichen Konstruktionen eine Schwachstelle, an der es zur Beschädigung der Zahnprofile oder zum Abscheren der Welle kommen kann.

Aus der US 4 115 022 ist eine Verbindung zwischen einer Nabe und einer eingesteckten Welle bekannt, bei der die Innenverzahnung der Nabe und Wellenverzahnung der Welle jeweils mit geraden Flanken und damit mit einander ähnlichem Profil ausgebildet sind. Die Zahnform der Wellenverzahnung ist dabei derart gestal tet, daß sich die Zahndicke axial verändert und dabei in einem axial mittleren Bereich der Verzahnung maximale Stärke aufweist und jeweils am freien Wellenende und in dem Übergangsquerschnitt des Wellenschafts am Nabenende minimal ist. Diese Zahnform er möglicht eine Torsion der Welle über den Übergangsquerschnitt hinaus innerhalb der Nabe, so daß eine verbesserte gleichmäßige Torsionsbelastung der Welle und eine gleichmäßige Belastung der Zahnflanken zustandekommt. Die Gefahr der Beschädigung der Zahn profile und des Abscherens der Welle im Übergangsquerschnitt wird hierdurch vermindert.

Ein derartiges sich längs der Wellenachse in der Dicke verän derndes Wellenverzahnungsprofil muß jedoch in einem aufwendigen Arbeitsgang hergestellt werden. Desweiteren ist ein Wellenprofil mit geraden Zahnflanken weniger günstig herzustellen als ein Wellenprofil, das sich aus Abwälzvorgängen von Werkzeug und Werkstück bei der Herstellung ergibt. Die zum freien Ende der Welle liegende Hälfte der axialen Länge des Wellenverzahnungs profils bleibt hierbei belastungsfrei und damit ungenutzt.

Hiervon ausgehend stellt sich die Aufgabe, eine Verbindung mit Verzahnungen zu schaffen, die sowohl leicht herzustellen sind als auch den Anforderungen einer harmonischen Einleitung von Drehmomenten in die Welle genügen, wobei die Verzahnungslänge möglichst vollständig zur Drehmomentübertragung genutzt werden soll.

Die Lösung besteht darin, daß die Wellenverzahnung der Welle an ihrem zum Wellenschaft gerichteten Ende einen Auslaufbereich mit über der Axialrichtung abnehmender Zahnhöhe h_Z aufweist und daß der Auslaufbereich der Wellenverzahnung in seiner Axialerstreckung im wesentlichen innerhalb der Innenverzahnung der Nabe liegt. Als Auslaufbereich ist hierbei der weniger als die Zahn höhe h_K des vollen Wellenverzahnungsprofils aufweisende Bereich bezeichnet.

Die Drehmomentbelastung in einer erfindungsgemäßen Verbindung bewirkt infolge des Spiels zwischen den Zahnflanken unterhalb des Teilkreisdurchmessers und der abnehmenden Zahnhöhe ein Ver drehen der Welle im Axialbereich innerhalb der Nabe maximal bis zum Ausgleich des Spiels und damit eine homogene Kraftübertra gung zwischen der Wellenverzahnung und der Innenverzahnung der Nabe.

Durch die so beschriebene Verbindung zwischen einer Welle und einer Nabe wird erreicht, daß sich im Auslaufbereich die sich zunächst mit Umfangsspiel gegenüberliegenden Zahnflankenbereiche infolge der Torsion der Welle bei Belastung auf über der Achs richtung abnehmender Zahnhöhe aneinander anlegen. Entscheidend für eine gleichmäßige Anlage von Innen- und Außenprofil ist dabei die Funktion des Profilauslaufbereiches über die Axial richtung, welche in Abhängigkeit der Parameter

- Funktion des Spiels zwischen den Verzahnungsflanken über der Radialrichtung
- Wellenquerschnitt
- Verzahnungsprofilbelastung

bestimmt werden kann.

Durch Variation der Profilauslauffunktion ist es möglich, entwe der eine allmähliche Zunahme der Anlage des Profils - mit Zunah me des Torsionsmomentes - zu erreichen oder eine zusätzliche, gleichmäßige Anlage einer gewissen Profillänge bei Erreichen eines bestimmten Torsionsmomentes.

Es ergibt sich eine längere wirksame, gleichmäßig belastete Verzahnungslänge. Die gleichmäßige Belastung über der Verzah nungslänge der Zähne vermindert die Scherspannung im Übergangs querschnitt am zum Wellenschaft gerichteten Nabenende. Die so erzeugte Charakteristik der Drehmomentaufnahme ist abhängig von dem Auslaufwinkel α zur Axialrichtung, mit dem die Zahnhöhe axial vom Kopfkreisdurchmesser auf den Zahnfußdurchmesser über geht.

Eine Ausführung der Welle, bei der der Fußkreisdurchmesser D_FW der Wellenverzahnung zumindest das gleiche Maß aufweist, wie der Wellendurchmesser D_W des anschließenden glatten Wellenschaftes, ist aufgrund einer verminderten Kerbwirkung am Ende des Auslauf bereichs bezüglich der Beanspruchbarkeit von Vorteil.

Die Tatsache, daß der Profilauslauf bis auf den Wellenfußkreis durchmesser geführt wird, hat neben den genannten Vorteilen auch einen positiven Einfluß auf die Kerbwirkung für den Übergangs querschnitt des Profils auf die Welle und erhöht somit auch die Beanspruchbarkeit in diesem Bereich. Dies gilt besonders für gezogene Profile, bei denen in der Regel der Profilauslauf di rekt im Wellenmaterial endet, wodurch die Kerbwirkung besonders groß wird. Zum Vorteil der verminderten Kerbwirkung kommt beim Profilziehen die Tatsache, daß das Ziehwerkzeug ins Freie gezo gen wird und damit das Profil über die gesamte Länge gleichen Querschnitt besitzt, was eine Nutzung des Profils über die volle Länge bedeutet (Entfall von Werkzeugeinführfasen).

Die Herstellung der Profilauslaufkontur kann zum einen durch Einstichschleifen nach der Profilfertigstellung geschehen. Sie ist zum anderen aber auch durch Drehen, Schmieden oder Umformen einer entsprechenden Vorkontur vor der Profilfertigung und an schließendes Profilwalzen oder Profilziehen zu erzeugen.

In einer bevorzugten Ausführung ist die Form der Zahnflanken der Innenverzahnung der Nabe eine Geradverzahnung und die Form der Zahnflanken der Wellenverzahnung der Welle eine Evolventenver zahnung. Hierbei entsteht zwischen den Zahnflankenflächen ein genügend großes Spiel, wodurch die Welle eine dementsprechend große Torsion aufnehmen kann. Daneben ist diese Kombination von Verzahnungsprofilen fertigungstechnisch günstig herstellbar.

Eine günstige Ausführung weist eine Wellenverzahnung der Welle auf, deren Zahnhöhe in dem Auslaufbereich im Bereich des Zahn abschnittes unterhalb des Teilkreisdurchmessers unter einem Auslaufwinkel α von maximal 10° in den Zahnformkreisdurchmesser bzw. in den Wellenschaft übergeht. Dies garantiert eine optimale Kraftaufnahme in dem Übergangsbereich, wodurch die Kerbwirkung gering bleibt und Spitzen der Scherspannungen vermieden werden. In bevorzugter Ausführung wird der Auslaufwinkel α nicht größer als maximal 3-4° gewählt.

Eine darüber hinaus günstige Ausführung sieht vor, daß die Au ßenverzahnung der Welle im gesamten Auslaufbereich beginnend mit der Zahnhöhe, die sich am Kopfkreisdurchmesser des vollen Pro fils befindet, unter einem sich stetig ändernden Auslaufwinkel α in den Zahnformkreisdurchmesser bzw. in den Wellenschaft über geht. Hiermit läßt sich die Auslauffunktion der Wellenverzahnung fertigungstechnisch leicht darstellen.

Eine bevorzugte Ausführung einer erfindungsgemäßen Verbindung ist in der Zeichnung erläutert.

Fig. 1 zeigt einen Längshalbschnitt durch eine erfindungs gemäße Verbindung;

Fig. 2 zeigt einen Teilquerschnitt durch einen Zahn einer erfindungsgemäßen Verbindung;

Fig. 3 stellt ein Funktionsbeispiel für die Bemessung des Auslaufbereiches der erfindungsgemäßen Wellenverzah nung dar.

In Fig. 1 ist eine Verbindung zwischen einer außenverzahnten Welle 1 und einer Nabe 2 dargestellt. Die Wellenverzahnung 5 ist mit einem Auslaufbereich 3 am zum Wellenschaft 9 gerichteten Verzahnungsende versehen, der eine über der Achsrichtung stetig abnehmende Zahnhöhe h_Z bei gleichbleibendem Zahnquerschnitt innerhalb der Innenverzahnung 8 der Nabe 2 aufweist. Die Wellen verzahnung 5 hat bezüglich der Wellenachse A einen Kopfkreis durchmesser D_KW, einen Teilkreisdurchmesser D_T und einen Fuß kreisdurchmesser D_FW. Der Fußkreisdurchmesser D_FW ist dabei gleichgroß wie der Wellendurchmesser D_W des glatten Wellenschaf tes 9. Weiter ist der freie Innendurchmesser D_KN der Nabe 2 gezeigt. Mit h_ZK ist die Zahnhöhe des vollen Wellenverzahnungs profils bezeichnet, die durch den Kopfkreisdurchmesser D_KW be stimmt ist, mit h_ZT die Zahnhöhe, die durch den Teilkreisdurch messer D_T definiert ist, und mit h_Z die Zahnhöhe des Auslaufbe reichs 3 allgemein.

Die Fig. 2 stellt einen Teilquerschnitt durch eine Verbindung dar, mit einem Zahn einer Wellenverzahnung 5, der in einer Zahn lücke einer Innenverzahnung 8 einsitzt. Die Wellenverzahnung 5 ist eine Evolventenverzahnung und die Innenverzahnung 8 ist eine Geradverzahnung. Im Teilkreisdurchmesser D_T berühren sich die Zahnflankenflächen 10, 7. Dabei entsteht ein Spiel S = f (r) jeweils beidseitig zwischen den Zahnflankenflächen 10, 7.

In Fig. 3 ist über der Axialrichtung der Verlauf der Zahnhöhe h_Z der Wellenverzahnung beginnend mit dem Kopfkreisdurchmesser D_KW über den Teilkreisdurchmesser D_T bis zum Formkreisdurchmesser D_FF dargestellt. Mit ihren Radien sind Kopfkreisdurchmesser D_KW, Teilkreisdurchmesser D_T und Formkreisdurchmesser D_FF eingezeich net. Die Abmessungen sind in mm angegeben. Der Profilauslauf 3 bildet mit seiner Kante dabei einen Winkel α mit Axialrichtung.

Es ist eine Profilauslauffunktion für ein SAE-Profil der Aus führung 32/64, 34 Zähne, 45° Druckwinkel, Evolventenverzahnung auf einer MB-Rohrwelle mit 16,0 mm Innenbohrung dargestellt, wobei das Innenprofil unter 45° geradverzahnt ist. Die abgebil dete Funktion ist so definiert, daß sich ab einem Belastungs moment von 1000 Nm ein zusätzlicher Profilbereich gleichmäßig an die Verzahnung anlegt und somit zusätzlich an der Momentenüber tragung beteiligt. Wie die Funktion zeigt, verläuft der vorteil hafte Funktionsanstiegswinkel unter ca. 3°-4°.

Claims

1. Verbindung zur Übertragung von Drehmoment zwischen einer innenverzahnten Nabe (2) und einer in die Nabe (2) ein steckbaren außenverzahnten Welle (1), bei der die Innenver zahnung (8) der Nabe (2) und die Wellenverzahnung (5) der Welle (1) mit unterschiedlichen Zahnflankenprofilen ver sehen sind, derart, daß die Zahnflanken (7) der Wellenver zahnung (5) an den Zahnflanken (10) der Innenverzahnung (8) auf dem Teilkreisdurchmesser D_T anliegen und im übrigen zwischen den Zahnflanken (7, 10) ein Spiel in Umfangsrich tung vorhanden ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellenverzahnung (5) der Welle (1) an ihrem zum Wellenschaft (9) gerichteten Ende einen Auslaufbereich (3) mit über der Axialrichtung abnehmender Zahnhöhe h_Z auf weist, und daß der Auslaufbereich (3) der Wellenverzahnung (5) in seiner Axialerstreckung im wesentlichen innerhalb der Innenverzahnung (5) der Nabe (2) liegt.

2. Verbindung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenverzahnung (8) der Nabe (2) als Geradverzah nung und die Außenverzahnung (5) der Welle (1) als Evolven tenverzahnung ausgebildet ist.

3. Verbindung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Auslaufbereich (3) von einer Zahnhöhe h_ZT, die durch den Teilkreisdurchmesser D_T des vollen Wellenverzahnungs profils begrenzt ist, unter einem Auslaufwinkel α von maxi mal 10° zur Wellenachse A auf minimal den Zahnformkreis durchmesser D_FF übergeht.

4. Verbindung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Auslaufbereich (3) beginnend mit einer Zahnhöhe h_ZK, die durch den Kopfkreisdurchmesser D_KW des vollen Wellenver zahnungsprofils begrenzt ist, unter einem sich stetig än dernden Auslaufwinkel α zur Wellenachse A auf minimal den Zahnformkreisdurchmesser D_FF übergeht.

5. Verbindung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellenverzahnung (5) der Welle (1) einen Fußkreis durchmesser D_FW aufweist, der gleich groß oder größer ist als der Wellendurchmesser D_W des anschließenden glatten Wellenschaftes (9).