Verfahren zum Verbinden einer Nabe mit einer Welle
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbinden einer Nabe mit einer Welle nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 sowie die Nabe und die Welle selbst.
Es ist allgemein bekannt, eine Welle und eine Nabe durch Schrumpfen drehfest miteinander zu verbinden. Dabei wird die Passung der Teile mit einem Übermaß hergestellt. Vor der Montage der beiden Teile wird die Nabe erwärmt und die Welle, sofern es erforderlich ist, abgekühlt. So entsteht nach der Montage bei normaler Umgebungstemperatur ein Preßsitz. Entsprechend den zu erwartenden Belastungen muß das Übermaß der Passung und damit die Pressung ausgelegt werden, was zu hohen Restspannungen vor allem in der Nabe führt. Diese werden durch Spannungen unter Last überlagert, so daß bei Zahnrädern die zulässigen Werte für die Zahnfußspannungen überschritten werden können. Durch elastische oder plastische Verformung der beiden Teile unter Überlastung, wie sie bei Schwingungen und Temperatureinflüssen auftreten können, oder durch Alterung der Werkstoffe kann sich der Schrumpfverband kurzfristig lösen, und es entsteht ein sogenannter Mikroschlupf, bei dem sich die Nabe gering- fügig vor allem in Umfangsrichtung gegenüber der Welle verschiebt.
Ist die genaue Position der Nabe zur Welle besonders wichtig, kann ein solcher Mikroschlupf nicht toleriert wer- den. Zum Beispiel müssen die Zahnräder bei Getrieben mit mehreren Vorgelegewellen sehr genau positioniert werden, damit sich die Last gleichmäßig auf die Leistungszweige verteilt. Formschlüssige Verbindungen, z. B. Nut und Feder,
Poligonwellen, Keilwellen usw., vermeiden sowohl den Mikroschlupf als auch die Restspannungen. Sie können aber bei der geforderten hohen Präzision nur mit großem Aufwand hergestellt werden. Ferner beeinflussen sie den Kerb- und Formfaktor der Bauteile ungünstig.
Aus der DE-Al 42 04 814 ist es bekannt, ein Zahnrad mit einer Welle mit einem Schiebesitz, einem Haftsitz oder einem Festsitz zusammenzufügen und dabei mit einem Ein- oder Zweikomponentenkleber zu verkleben. Die Klebeverbindung läßt ein reduziertes Übermaß mit geringeren Restspannungen zu und verhindert gleichzeitig den Mikroschlupf. Allerdings ist es schwierig, das Klebemittel in den Spalt einzubringen, da es bei der Montage der Nabe wieder von der Welle abgestreift wird. Außerdem verbleibt nur wenig Zeit, um die Teile zueinander auszurichten, da das Klebemittel infolge der erhöhten Temperatur der Nabe schnell aushärtet.
Aus der WO 97/44598 AI ist eine Befestigung eines Zahnrads auf einer Welle bekannt, bei der eine Schrumpfverbindung mit einer formschlüssigen Verbindung kombiniert ist. Dadurch wird sicher vermieden, daß sich die Bauteile zueinander durch Mikrowandern verdrehen. Als Formschlußverbindung dient vorzugsweise ein Stift, der quer zu den Füge- flächen der Welle bzw. des Zahnrads angeordnet ist und in diese Bauteile eindringt bzw. sie durchdringt. Die zusätzlichen Formschlußteile sind aufwendig herzustellen und zu montieren. Ferner wird die Festigkeit der Bauteile durch die Kerbeinflüsse der Formschlußelemente reduziert.
In der WO 97/44598 AI ist ferner auf eine nicht stoffschlüssige kombinierte Welle-Nabe-Verbindung in Form einer Preß-Rändel-Verbindung oder Preßpunktschweiß-Verbindung
hingewiesen. Hierbei wird beim Zusammenfügen der Bauteile zusätzlich zum Schrumpfsitz ein Mikroformschluß hergestellt.
Eine ähnliche Verbindung von Welle und Nabe ist aus G. Niemann, Maschinenelemente Band 1, Springer Verlag 1963 Seite 278 und 284 bekannt, bei der die Fügeflächen vor dem Schrumpfen mit Karborundpulver oder Siliciumkarbid eingerieben wurden. Ferner ist darauf hingewiesen, daß die Haft- und Rutschkräfte sich durch Verzundern der Fläche erheblich steigern lassen. Es ist allerdings äußerst schwierig, definierte Mengen der reibungserhöhenden Mittel in die Fügeflächen einzubringen, um definierte Übertragungsverhältnisse zu erreichen. Diese Verfahren werden daher in der Praxis kaum angewendet.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Welle und eine Nabe mit einfachen Mitteln dauerhaft mit einer präzisen Position zueinander zusammenzufügen. Sie wird ge- maß der Erfindung o^urch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche 1 und 4 gelöst. Weitere Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Nach der Erfindung erhalten die Fügeflächen der Nabe und/oder der Welle eine definierte Oberflächenfeinstruktur und werden während und/oder nach dem Fügen unter einer vorgegebenen Belastung um einen bestimmten Betrag in axialer und/oder in radialer Richtung gegeneinander verschoben. Der Betrag der vorgegebenen Belastung entspricht etwa der Nenn- belastung der Wellen-Naben-Verbindung, bevorzugt jedoch ist die vorgegebene Belastung größer als die Nennbelastung. Die Oberflächenfeinstruktur, die sehr präzise und reproduzierbar hergestellt werden kann, erzeugt zunächst beim Fügen
einen Mikroformschluß zwischen der Welle und der Nabe. Wird die Welle und die Nabe anschließend unter einer vorgegebenen Belastung um einen bestimmten Betrag gegeneinander verschoben, „verschweißen" ihre Fügeflächen partiell und es ergibt sich ein dauerhafter, nicht lösbarer Haftverband.
Dabei kann die Nabe zur Welle in axialer Richtung oder in Umfangsrichtung verschoben werden. Wichtig ist vor allem, daß die Nabe auf der Welle am Ende des Verschiebewegs die exakte Position in axialer und/oder radialer Richtung erreicht hat. Diese kann z.B. durch eine entsprechende Maschinensteuerung oder durch Endanschläge an den Werkstücken oder Aufnahmevorrichtungen festgelegt werden. Je nach dem durch welche Mittel der Verschiebeweg festgelegt ist, kann es vorteilhaft sein, daß die vorgegebene Belastung während des Einsatzes der Bauteile erreicht wird oder bereits während der Montage von Welle und Nabe aufgebracht wird.
Die Oberflächenfeinstruktur kann in einfacher Weise dadurch hergestellt werden, daß die Fügeflächen perforiert, rilliert oder mit Eindrücken oder Gewinderillen versehen werden, wobei die Gewinderillen der Nabe und der Welle in gleicher Richtung oder gegenläufig verlaufen können. Die Oberflächenfeinstruktur kann auch derart ausgebildet sein, daß bei einer Drehbewegung zwischen Welle und Nabe eine axiale Kraftkomponente entsteht. Dies kann beispielsweise durch eine Sperrzahnstruktur erfolgen, welche eine Selbsthemmung zwischen den beiden Bauteilen erzeugt. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Fügeflächen so gefertigt und/oder behandelt werden, daß sie eine auf das Verfahren abgestimmte Rauhtiefe aufweisen, welche beispielsweise im Bereich zwischen 1 bis 300 μm liegt. Für diesen Zweck eignen sich u. a. funkenerrosive und chemische Behandlungsver-
fahren, durch die die Fügeflächen eine geeignete Oberflächenstruktur und Werkstoffeigenschaft erhalten. Ferner kann es zweckmäßig sein, daß die Fügeflächen unterschiedliche Härten aufweisen, welche beispielsweise durch spanabhebende Bearbeitung, durch partielles Einsatzhärten, durch induktives Anlassen o. ä. erzeugt werden. Das in dieser Zone weichere Material, welches bevorzugt in der Nabe vorgesehen ist, begünstigt das partielle Verschweißen.
Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung. In den Zeichnungen sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und ggf. zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen . Es zeigen:
Fig. 1 eine Welle, auf der Zahnräder nach dem er- findungsgemäßen Verfahren befestigt sind,
Fig. 2 einen Schnitt entsprechend der Linie II-II in Fig. 1, Fig. 3 einen Längsschnitt durch ein Zahnrad mit vorbehandelten Bereichen einer Fügefläche und
Fig. 4 eine Welle mit chemisch vorbehandelten Bereichen einer Fügefläche.
Auf einer Welle 1, die an ihren Enden mittels Wälzla- ger 2 in einem nicht näher dargestellten Gehäuse gelagert ist, sind mehrere Zahnräder 3, 4, 5, β angeordnet, von denen die Zahnräder 5 und 6 unmittelbar auf der Welle 1 angeformt sind, während die Zahnräder 3 und 4 nach dem erfin-
dungsgemäßen Verfahren mit der Welle 1 verbunden sind. Das Zahnrad 3 besitzt einen Zahnkranz 7, der mit einer Nabe 10 verbunden ist, während das Zahnrad 4 zwei Zahnkränze 8 und 9 besitzt, die mit einer Nabe 11 verbunden sind.
Die Welle 1 besitzt im Bereich der Nabe 11 eine Fügefläche 12, die eine gewindeförmige Profilierung 22 aufweist. Eine Fügefläche 13 der Nabe 11 kann ähnlich gestaltet sein, ein gegenläufiges Gewinde aufweisen oder eine geeignete Rauhtiefe 21 (Fig. 2) haben.
Vor dem Zusammenfügen wird das Zahnrad 4 auf eine geeignete Temperatur erhitzt, während die Welle 1 gegebenenfalls gekühlt wird. Nach dem Schrumpfen, bei dem die Ober- flächenstruktur der Fügeflächen 12 und 13 einen Mikroformschluß bilden, wird das Zahnrad 4 in axialer Richtung 23 oder in Umfangsrichtung 24 (Fig. 2) relativ zur Welle 1 um einen bestimmten Betrag verschoben, wobei die Fügeflächen 12 und 13 partiell miteinander verschweißen. Zur Be- grenzung des axialen Schiebewegs kann das Zahnrad 5 als Anschlag dienen. Andererseits können nicht näher dargestellte Anschläge in Umfangsrichtung die genaue Position des Zahnrads 4 in Umfangsrichtung definieren. Das Zusammenfügen kann auch bei Raumtemperatur erfolgen.
In gleicher Weise wird das Zahnrad 3 montiert. In diesem Bereich weist die Welle 1 eine Fügefläche 14 auf, die durch Rillen 25 und Perforierungen 26 strukturiert ist. Grundsätzlich können die Strukturen der Fügeflächen 12 bis 15 beliebig ausgetauscht und miteinander kombiniert werden.
Fig. 3 zeigt ein Zahnrad 4 ohne Welle 1, so daß die Struktur der Fügefläche 13 zu sehen ist. Die Fügefläche 13 besitzt in diesem Ausführungsbeispiel Bereiche 16 und 17, die sich in Umfangsrichtung erstrecken und axial zueinander versetzt sind. Grundsätzlich kann die gesamte Fügefläche 13 aus einem Bereich 16 bestehen. Die Bereiche 16, 17 sind in bestimmter Weise vorbehandelt, z. B. durch induktives Anlassen oder Funkenerosion, auf chemischem oder mechanischem Wege .
Fig. 4 zeigt als Variante zu Fig. 1 eine Welle 20 mit einer Fügefläche 15, die axial verlaufende Bereiche 18 und 19 aufweist, die in Umfangsrichtung zueinander versetzt verlaufen. Die Bereiche 18 und 19 können in gleicher Weise behandelt werden wie die Bereiche 16 und 17 in Fig. 3. Die behandelten Bereiche können auch Zwischenpositionen zu den in Fig. 3 und Fig. 4 dargestellten Richtungen aufweisen, indem sie geneigt zu Mantellinien der Welle 20 bzw. der Nabe 11 angeordnet sind.
Bezugszeichen
1 Welle
2 Wälzlager
3 Zahnrad
4 Zahnrad
5 Zahnrad
6 Zahnrad
7 Zahnkranz
8 Zahnkranz
9 Zahnkranz
10 Nabe
11 Nabe
12 Fügefläche
13 Fügefläche
14 Fügefläche
15 Fügefläche
16 Bereich
17 Bereich
18 Bereich
19 Bereich
20 Welle
21 Rauhtiefe
22 gewindeförmige Profilierung
23 axiale Richtung
24 Umfangsrichtung
25 Rille
26 Perforierung