DE69104016T3

DE69104016T3 - Maschinenelement mit mindestens einem mit Druck auf einer Welle befestigten Verbindungsteil.

Info

Publication number: DE69104016T3
Application number: DE69104016T
Authority: DE
Inventors: Tamio Sakurai; Koji Umezawa
Original assignee: Nippon Piston Ring Co Ltd
Current assignee: Nippon Piston Ring Co Ltd
Priority date: 1990-11-19
Filing date: 1991-11-06
Publication date: 1999-09-02
Anticipated expiration: 2011-11-07
Also published as: DE69104016D1; EP0486876B1; EP0486876A2; EP0486876B2; EP0486876A3; US5419217A; US5598631A; DE69104016T2

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Maschinenelement von dem Typ, bei dem zumindest ein Montierelement auf eine Welle preßgepaßt ist, wie z. B. einer Nockenwelle zur Verwendung in Verbrennungskraftmaschinen, ein wellengetragenes Getriebe und ein wellengetragener Rotor. Das Montierelement hat eine Bohrung, um die Welle aufzunehmen, die exzentrisch gegenüber dem Zentrum des Montierelementes zur Verwendung bei der Kurbelwelle oder ähnlichem ist und konzentrisch bei dem wellengetragenen Getriebe oder ähnlichem. Zumindest ein Abschnitt des Bereiches der Welle, in dem das Montierelement bereitgestellt werden soll, hat einen Durchmesser der größer als die übrigen Bereiche der Welle sind. Die Bohrung hat zumindest einen engen Abschnitt, der einen Abstand definiert, der im Durchmesser kleiner als der Abschnitt mit erhöhten Durchmesser der Welle ist. Das Montierglied wird auf den Abschnitt der Welle mit vergrößertem Durchmesser gezwungen, wobei der enge Abschnitt der Bohrung den Abschnitt mit vergrößertem Durchmesser schneidet und/oder deformiert. Die vorliegende Erfindung bezieht sich auch auf ein Verfahren zum Herstellen des oben beschriebenen Maschinenelementes.
Es sind Maschinenelemente bekannt, bei denen die Montierelemente und die Wellen, die getrennt hergestellt werden, durch einen Preßpassungs-Arbeitsschritt zusammengefügt werden, der einen spanentfernenden Arbeitsschritt begleitet. Die DE-OS 37 17 190, die das Dokument des nächsten Standes des Technik ist, beschreibt eine Nockenwelle, die eine Welle und zumindest einen Nocken aufweist, der auf die Welle geschoben ist und mit der Welle in einem Bereich der Welle verbunden ist. Der Nocken definiert eine Bohrung, um die Welle aufzunehmen. Die Bohrung hat zumindest einen radial nach innen gerichteten Vorsprung. Zumindest ein Abschnitt des Bereiches der Welle hat einen Durchmesser der größer als die restlichen Bereiche der Welle sind. Der Abschnitt der Welle mit vergrößertem Durchmesser ist eine wulstähnliche Materialverschiebung, die sich im Umfang auf der Welle erstreckt und durch Wälzen hergestellt wird. Der Nocken wird auf den Abschnitt mit vergrößertem Durchmesser auf die Welle gezwungen, wobei ein Vorsprung in der Bohrung des Nockens in einem spanentfernenden Arbeitsschritt eine Nut in den Abschnitt mit erhöhtem Durchmesser formt.
Der Vorsprung ist so als eine schneidende Kante mit einem winkligen Querschnitt vollendet, um die Nut in der äußeren Oberfläche der Welle zu bilden. Es ist auch erforderlich, daß das Montierelement härter als die Welle ist, da das Montierelement mit seinem Vorsprung die Nut in die Welle schneiden muß. Es ist jedoch nicht einfach, den sich axial erstreckenden winkligen Vorsprung als eine schneidende Kante innerhalb der Bohrung des Montierelementes bereitzustellen. Die Herstellungskosten der Nockenwelle steigen beträchlich an, wenn das Montierglied aus einem härteren Material zum Verbinden mit der relativ harten Welle hergestellt ist.
Die vorliegende Erfindung, so wie sie beansprucht ist, soll dem abhelfen. Sie stellt ein Maschinenelement bereit, bei dem zumindest ein Montierelement auf den Abschnitt mit vergrößertem Durchmesser einer Welle preßgepaßt ist, wobei zumindest ein innerer Wandabschnitt des Montierelementes die äußere Oberfläche der Welle für eine enge Verbindung zwischen ihnen schabt und/oder deformiert, während das Montierelement einfach bei relativ niedrigen Kosten hergestellt wird.
In der DE-A-23 36 241 ist ein Nockenwellenaufbau offenbart, worin ein Nocken eine hexagonale Bohrung zum Einpassen mit einer hexagonalen Welle hat. Die EP A 190841 offenbart einen Nockenwellenaufbau, bei dem der Nocken mit einer hexagonalen Bohrung gebildet ist, damit er auf eine röhrenförmige Welle durch radiale Ausdehnung dieser hohlen Welle montiert werden kann.
In Übereinstimmung mit dieser Erfindung wird ein Maschinenelement, wie es in Anspruch definiert ist, bereitgestellt. Bevorzugte Ausführungsbeispiele sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
In Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung hat die Welle vorspringende Teile auf ihrer äußeren Oberfläche in dem Bereich der Welle, in dem das Montierglied montiert werden soll. Die vorspringende Teile haben einen Durchmesser, der größer als die restlichen Bereiche der Welle ist. Die vorspringenden Teile erstrecken sich kontinuierlich oder diskret und axial, peripher oder spiralförmig auf der Welle und sind auf bekannte Weise gebildet, wie z. B. durch Polstern, Schneiden, Walzen und Rändeln. Das Montierelement hat eine Bohrung, die konzentrisch oder exzentrisch zu dem Zentrum des Montiergliedes ist, um die Welle aufzunehmen. Die Bohrung ist mit zumindest einer sehnenförmigen inneren Oberfläche als einem inneren Abschnitt gebildet, der den Raum definiert, der im Durchmesser kleiner als die vorspringenden Teile ist. Die sehnenförmige Oberfläche hat eine derartige Senkrechte von dem Zentrum der Bohrung, die geeignet kleiner als der Radius der vorspringenden Teile ist. Die Bohrung in dem Montierglied besteht aus abwechselnd verbundenen kreisförmigen und sehnenförmigen Oberflächen, wobei der innere Durchmesser der kreisförmigen Oberfläche leicht größer als der äußere Durchmesser der vorstehenden Teile ist. Sie ist auch aus einer Vielzahl von sehnenförmigen Oberflächen in der Form eines Poly gons zusammengesetzt. Es ist nicht immer erforderlich, daß das Montierglied härter als die Welle oder deren vorspringende Teile ist. Es kann ähnlich in der Härte verglichen mit dem Schaft oder dessen vorspringenden Teile sein.
Das Montierglied wird auf die vorspringenden Teile der Welle gezwungen, wobei die innere sehnenförmige Oberfläche des Montiergliedes in einem schabenden und/oder deformierenden Arbeitsschritt eine äußere sehnenförmige Oberfläche auf die vorspringenden Teile formt, um eine enge Verbindung zwischen dem Montierglied und der Welle zu erhalten. Bei dem Verfahren des Preßpassens des Schaftes in die Bohrung des Montiergliedes ist die sehnenförmige Oberfläche der Bohrung mit ihrem zentralen Abschnitt versehen, um in schabenden Eingriff mit den vorspringenden Teilen der Welle zu kommen, wenn das Montierglied härter als die Welle ist, oder um in plastisch verformenden Eingriff mit den vorspringenden Teilen der Welle zu kommen, wenn das Montierglied ähnlich in der Härte verglichen mit der Welle ist. Die beiden Seitenabschnitte benachbart zu dem zentralen Abschnitt der Bohrung zwingen die vorstehenden Teile dazu, sich teilweise plastisch, teilweise elastisch zu verformen, so daß die innere sehnenförmige Oberfläche der Bohrung an einer entsprechenden äußeren Oberfläche, die in die vorspringenden Teile durch einen schabenden und/oder deformierenden Betriebsschritt gebildet wird, befestigt ist. Diese Verbindung ist im wesentlichem gleich einer winkelförmigen Verbindung. Sie gewährleistet, daß bei dem so zusammengebauten Maschinenelement bei praktischen Arbeitsbedingungen keine relative Bewegung zwischen der Welle und dem Montierglied auftritt.
Es ist einfach die flache sehnenförmige Oberfläche in der Bohrung zu bilden und zu vervollständigen, um die vorspringenden Teile der Welle abzuschaben und/oder zu deformieren, verglichen mit dem bekannten Vorsprung in der Form einer winkligen Schneidekante zum Bilden einer Nut in der äußeren Welle. Ein anderer Vorteil der Erfindung ist der, daß es nicht erforderlich ist, daß das Montierelement härter als die Welle ist. Daher kann das Maschinenelement gemäß der vorliegenden Erfindung einfach bei niedrigeren Kosten als bei dem Stand der Technik gestellt werden.
Die vorliegende Erfindung wird besser aus der detaillierten Beschreibung, die hiernach gegeben wird, und den begleitenden Zeichnungen verstanden werden, die nur beispielhaft veranschaulichend gegeben sind, und demgemäß nicht beschränkend für die folgende Erfindung sind.
Fig. 1 ist eine teilweise longitudinale Schnittansicht der Nockenwelle gemäß der folgenden Erfindung;
Fig. 2 ist eine Querschnittsansicht, die gemäß der Linie 11-11 der Fig. 1 genommen ist;
Fig. 3 ist eine teilweise longitudinale Ansicht der Welle mit spiralförmigen, sich kontinuierlich erstreckenden vorspringenden Teilen;
Fig. 4 ist eine Querschnittsansicht der Welle mit peripher oder spiralförmig, diskret sich erstreckenden vorspringenden Teilen;
Fig. 5 ist eine teilweise longitudinale Schnittansicht der Nockenwelle, bei der das Nockenteil auf die vorspringende Teile der Welle geschoben wird;
Fig. 6 ist eine Ansicht ähnlich der von Fig. 5. die aber ein Nockenteil zeigt, das an dem vorderem Teil der Bohrung abgeschrägt ist;
Fig. 7 ist eine Querschnittsansicht des wellengetragenen Rotors zur Verwendung in einem Rotationskompressor;
Fig. 8 ist eine Ansicht des wellengetragenen Stirnradgetriebes;
Fig. 9 ist ein Graph, der die Beziehung zwischen dem Typ von vorspringenden Teilen, der Preßpassungsbelastung und der Verbindungsfestigkeit zwischen dem Montierglied und der Welle veranschaulicht;
Fig. 10 ist ein Graph, der die Beziehung zwischen der Winkelanzahl der polygonalen Bohrungen in den Montiergliedern und die Verbindungsfestigkeit zwischen dem Montierglied und der Welle veranschaulicht. Wie man aus den Fig. 1 und 2 ersehen kann, hat die Welle 10 einen Montierbereich A auf dem das Nockenteil 20 montiert ist. Der Bereich ist auf ihrem äußeren Umfang mit einer Vielzahl vorn peripher sich erstreckenden vorspringenden Teilen 12 in der Form einer ringnutförmigen Rändelung bereitgestellt. Die vorspringenden Teile sind zuvor durch Walzen für ein passendes Eingreifen mit der sehnenförmigen inneren Oberfläche 22 geformt, die in der Bohrung 25 des Nockenteiles 20 gebildet ist, um das Nockenteil und die Welle zu einer Nockenwelle zusammenzubauen. Die peripheren oder spiralförmigen vorspringenden Teile in der Form einer ringnutförmigen oder spiralnutförmigen Rändelung können mit Hilfe von Druckdeformationen, z. B. durch Walzen, gebildet sein. Die vorspringenden Teile erstrecken sich kontinuierlich peripher in der Form einer ringnutförmigen Rändelung, wie es aus der Fig. 1 ersehen werden kann. Die vorspringenden Teile erstrecken sich kontinuierlich, spiralförmig in der Form einer spiralnutförmigen Rändelung wie es aus der Fig. 3 ersehen werden kann. Die vorspringenden Teile erstrecken sich diskret, peripher oder spiralförmig in der Form einer kreuzweisen- oder diamantförmigen Rändelung, wie es aus Fig. 4 ersehen werden kann. Die vorstehenden Teile in der Form einer groben kreuzweisen oder diamantförmigen Rändelung sind durch Rändeln geformt. Die gerändelten und gewalzten vorspringenden Teile bedeuten vorzugsweise eine Effizienz bei der Herstellung.
Wie aus Fig. 2 ersehen werden kann, haben die vorspringenden Teile 12 einen äußeren Durchmesser D1, der größer als der äußere Durchmesser D der Welle 10 ist, außer in dem Montierbereich A, in dem der Fußpunkt zwischen zwei benachbarten vorspringenden Teilen 12 einen Durchmesser hat, der kleiner als D ist. Wie in Fig. 2 gesehen wird, besteht die Bohrung in dem Nockenteil 20 aus inneren bogenförmigen Oberflächen 21 und inneren sehnenförmigen Oberflächen 22, die abwechselnd auf dem Umfang miteinander verbunden sind. Die bogenförmige Oberfläche 21 hat eine Durchmesser D2, der größer als der Durchmesser D1 der vorspringenden Teile 12 ist. Die sehnenförmige Oberfläche 22 hat solch eine Senkrechte von dem Zentrum der Bohrung, die kleiner als der Radius der vorspringenden Teile 12, aber länger als der Radius des Fußpunktes zwischen den zwei benachbarten vorspringenden Teilen ist. Wenn der innere Durchmesser D2 kleiner als der, oder gleich dem, äußere(n) Durchmesser D1 wäre, würde ein sehr enges Passen erhalten werden. Es ist jedoch bevorzugt für ein effizientes Zusammenbauen des Nockenteiles und der Welle, daß der innere Durchmesser D2 der inneren bogenförmigen Oberfläche größer als der äußere Durchmesser D1 der vorspringenden Teile ist. Die Bohrung 25 in Fig. 2 besteht aus vier gleichen bogenförmigen Oberflächen 21 und vier gleichen sehnenförmigen Oberflächen 22. Sie kann aus jeder Anzahl von bogenförmigen oder sehnenförmigen Oberflächen bestehen. Beide oder jede der bogenförmigen und sehnenförmigen Oberflächen können in der Anzahl mehr oder weniger als vier sein. Zum Beispiel können eine bogenförmige Ober fläche und eine sehnenförmige Oberfläche die Bohrung bilden. Außerdem ist die Bohrung in der Form eines Polygons nur durch die sehnenförmigen Oberflächen gebildet. Die polygonale Bohrung ergibt ein enges Passen mit der Welle, so daß dort keine relative Bewegung zwischen dem Montierglied und der Welle auftritt. Die sehnenförmige Oberfläche ist leicht herzustellen und zu vervollständigen, da sie einfach und flach ist. Dies ergibt eine bemerkenswerte Reduzierung der Herstellungskosten der Nockenwelle verglichen mit der herkömmlichen Nockenwelle.
Wie durch den Pfeil B in Fig. 5 gesehen wird, ist das Nockenteil 20 axial auf den Montierbereich A von einem Ende der Welle 10 geschoben. Dann schabt der zentrale Abschnitt der sehnenförmigen Oberfläche 22 in der Bohrung 25 des Nockenteiles 20 teilweise die vorspringenden Teile 12, die beiden Seitenabschnitte, die angrenzend zu dem zentralen Abschnitt sind, deformieren dieselben plastisch und die beiden weiteren Seitenabschnitte deformieren dieselben elastisch, so daß das Nockenteil 20 eng auf den vorspringenden Teilen angepaßt ist.
Wie aus Fig. 6 gesehen wird, ist das Nockenteil 20 an dem vorderen Teil der Bohrung 25 abgeschrägt und mit einer konischen Oberfläche 23 gebildet. Wenn das Nockenteil 20 auf den Montierbereich A der Welle in der Richtung geschoben wird, die durch den Pfeil B gezeigt ist, erleichtert die konische Oberfläche 23 der inneren sehnenförmigen Oberfläche 22 die entsprechende äußere Oberfläche auf den vorspringenden Teilen 12 der Welle 10 in einem schabenden und/oder deformierenden Arbeitsschritt zu bilden. Die konische Oberfläche 23 dient auch als eine Stopeinrichtung, um die axiale Position des Nockenteiles auf der Welle zu bestimmen.
In Fig. 7 ist ein wellengetragener Rotor zur Verwendung in einem Rotationskompressor gezeigt, bei dem der Rotorkörper 22 in der Form einer Scheibe das Montierglied ist. Die Bohrung 25 ist exzentrisch gegenüber dem Zentrum des Rotorkörpers 20. Die Welle 10 hat die vorspringenden Teile 12, die auf der äußeren Oberfläche in dem Montierbereich der Welle mit Hilfe von Druckdeformation gebildet sind. Die Bohrung 25 ist aus vier inneren bogenförmigen Oberflächen 21 und vier inneren sehnenförmigen Oberflächen 22 zusammengesetzt, die abwechselnd miteinander verbunden sind. Der Durchmesser D1 der vorspringenden Teile 12 ist kleiner als der Durchmesser D2 der bogenförmigen Oberfläche 21, während der Radius der vorspringenden Teile 12 größer als die Senkrechte zu der sehnenförmigen Oberfläche 22 von dem Zentrum der Bohrung 25 ist. Der wellengetragene Rotor hat den gleichen Längsschnitt wie Fig. 1 gezeigt.
Ein wellengetragenes Getriebe ist in Fig. 8 gezeigt, bei dem das Zahnradgetriebe 20 das Montierglied ist. Die Bohrung 25 ist konzentrisch gegenüber dem Zentrum des Zahnrades 20. Es gibt die gleiche Beziehung zu dem Durchmesser D1 der vorspringenden Teile 12, dem Durchmesser D2 der inneren bogenförmigen Oberfläche 21 und der Senkrechten gegenüber der inneren sehnenförmigen Oberfläche 21 von dem Zentrum der Bohrung 25, wie in Fig. 7 gezeigt.
Drei Arten von vorspringenden Teilen wurden auf der äußeren Oberfläche der Wellen gebildet und durch Messen der Preßpassungsbelastung getestet, wenn sie in die hexagonale Bohrung der Montierglieder eingefügt worden waren, und die Verbindungsfestigkeit zwischen der Welle und dem Montierglied, nachdem die vorspringenden Teile in die Bohrung eingeführt worden waren. Die Montierglieder waren aus einer Fe-8%Cr- Legierung hergestellt und hatten eine axiale Länge von 11 Millimetern.
Die Wellen waren aus einem Stahl ähnlich wie SAE 1050 hergestellt. Die ersten vorspringenden Teile erstreckten sich kontinuierlich axial in der Form von einer axialnutförmigen Rändelung. Die zweiten vorspringenden Teile erstreckten sich diskret peripher oder spiralförmig in der Form einer kreuzförmigen oder diamantförmigen Rändelung. Die dritten vorspringenden Teile erstreckten sich kontinuierlich, peripher in der Form einer ringnutförmigen Rändelung. Die hexagonale Bohrung hatte einen eingeschriebenen Kreis, der im Radius um 0,8 Millimeter kleiner als die ursprünglichen Teile war, so daß es im Maximum eine radiale gegenseitige Beeinflußung von 0,8 Millimetern zwischen den Montiergliedern und den Wellen ab. Die Testergebnisse sind in Fig. 9 gezeigt, die veranschaulichen, daß die axialnutförmige Rändelung eine relativ kleine Verbindungsfestigkeit oder ein aufbringbares Moment auf das Maschinenelement ergibt, obwohl es die relativ kleine Preßpassungsbelastung benötigt, daß die kreuzweisen und ringnutförmigen Rändelungen vorteilhafterweise die relativ große Verbindungsfestigkeit oder das aufbringbare Moment auf das Maschinenelement ergeben, und daß die kreuzweise Rändelung die Preßpassungsbelastung benötigt, die kleiner als die der ringnutförmigen Rändelung ist.
Reguläre hexagonale, oktagonale, dekagonale und dodekagonale Bohrungen in den Montiergliedern wurden durch Messen der Verbindungsfestigkeit zwischen den Montiergliedern und den Wellen getestet, nachdem jede Bohrung auf die vorspringende Teile in der Form der kreuzweisen Rändelung auf die Welle gezwungen worden waren. Die polygonalen Bohrungen hatten den gleichen Kreisumfang, der im Radius um 0,8 Millimeter größer als die vorspringende Teile war, so daß es maximal eine radiale gegenseitige Beeinflußung zwischen dem Montierglied und den vorspringenden Teilen gab. Die Montierglieder und die Wellen waren aus den gleichen Materialen hergestellt, wie die in Fig. 9 ver anschaulichten. Die Testergebnisse sind in Fig. 10 gezeigt, worin der Graph die Beziehung zwischen der Winkelanzahl der regulären polygonalen Bohrungen und der Verbindungsfestigkeit zeigt. Aus Fig. 10 ist bekannt, daß die polygonalen Bohrungen mit einer Winkelanzahl von 8 bis 10 besser in der Verbindungsfestigkeit oder dem aufbringbaren Moment gegenüber den hexagonalen und dodekagonalen Bohrungen sind.

Claims

1. Maschinenelement, das zumindest ein Montierglied (20) aufweist, das auf eine Welle (10) preßgepaßt ist, wobei das Montierglied eine Bohrung (25) zum Aufnehmen der Welle hat, die Welle zumindest einen Bereich (A) hat, der mit vorspringenden Teilen (12) gebildet ist, auf denen das Montierglied montiert ist, wobei die vorspringenden Teile der Welle einen äußeren Durchmesser (D 1) haben, der größer als der äußere Durchmesser (D) der Welle ist, die Bohrung einen inneren engen Abschnitt (20) hat, der einen Raum definiert, der im Durchmesser kleiner als die vorspringenden Teile ist, die vorspringenden Teile (12) sich peripher auf der Welle (10) erstrecken, die Bohrung (25) zumindest eine innere Oberfläche (22) mit einer Senkrechten von dem Zentrum der Bohrung hat, die kürzer als der Radius der vorspringenden Teile ist, und wobei das Montierglied (20) so konfiguriert ist, daß es axial auf die vorspringende Teile der Welle gezwungen wird, wobei zumindest eine innere Oberfläche der Bohrung eine entsprechende äußere Oberfläche auf den vorspringenden Teilen (12) bildet, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest eine innere Oberfläche der Bohrung eine sehnenförmige Oberfläche ist.

2. Maschinenelement gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die vorspringenden Teile (12) sich kontinuierlich und axial auf der äußeren Oberfläche der Welle (10) erstrecken.

3. Maschinenelement gemäß Anspruch 1, wobei die vorspringenden Teile (12) der Welle (10) in der Form von kreuzförmigen, ringnutförmigen oder spiralnutförmigen Rändelungen sind.

4. Maschinenelement gemäß Anspruch 1, wobei die Bohrung (25) des Montiergliedes (20) in der Form eines regulären Polygons ist, dessen Winkelzahl im Bereich von 6 bis 12 liegt.

5. Maschinenelement gemäß Anspruch 1, wobei die Bohrung (25) des Montiergliedes (20) aus abwechselnd miteinander verbundenen inneren bogenförmigen (21) und sehnenförmigen (22) Oberflächen zusammengesetzt ist.

6. Maschinenelement gemäß Anspruch 1, wobei das Maschinenelement eine Nockenwelle mit einer Vielzahl von Nockenteilen (20) ist, die auf die Welle (10) montiert sind.

7. Maschinenelement gemäß Anspruch 1, wobei das Montierglied (20) härter als die vorspringenden Teile (12) ist.

8. Maschinenelement gemäß Anspruch 1, wobei das Montierelement (20) ähnlich in der Härte wie die vorspringenden Teile (12) ist.