DE19513992C2

DE19513992C2 - Axiale Fixierung einer Welle-Nabe-Verbindung

Info

Publication number: DE19513992C2
Application number: DE1995113992
Authority: DE
Inventors: Rolf Dipl Ing Schroeder; Wolfgang Dipl Ing Niechoj; Olaf Dipl Ing Rindfleisch
Original assignee: Daimler Benz AG
Current assignee: Schroeder Rolf Dipl-Ing De
Priority date: 1995-04-13
Filing date: 1995-04-13
Publication date: 1998-12-24
Anticipated expiration: 2015-04-14
Also published as: DE19513992A1

Description

Die Erfindung betrifft eine axiale Fixierung einer form schlüssig gegen Verdrehen gesicherten Welle-Nabe-Verbindung.

Bekannte axiale Fixierungsmittel sind beispielsweise Sprengringe, die in Ringnuten der Welle eingesetzt werden, sowie Kombinationen aus einem Anschlagbund auf der Welle und einem Sprengring, wobei die Nabe zwischen dem Bund und dem Sprengring axial fixiert ist. Bei einem umfangsmäßigen Form schluß zwischen der Welle und der Nabe über eine Verzahnung kann eine axiale Fixierung der Nabe an dem geschlossenen Ver zahnungsende der Welle einerseits und an einem Sprengring an dem offenen Ende der Verzahnung andererseits erfolgen.

Diese bekannten axialen Fixierungsarten sind aufwendig und in verschiedenen Hinsichten funktionell unbefriedigend. Aufwen dig sind diese Fixierungsarten durch die Verwendung eines zu sätzlichen Teiles, nämlich mindestens eines Sicherungsringes. Funktionell unbefriedigend sind diese Fixierungsarten, weil sie keine absolute axiale Spielfreiheit gewährleisten. Wird die Nabe bei einer Verdrehsicherung durch einen Formschluß zwischen Nabe und Welle über eine Verzahnung gegeben und liegt die Nabe an dem verschlossenen Verzahnungsende der Wel le an, ergeben sich hieraus für die Welle einerseits fertig keitsmäßige Probleme durch die Anlage der Nabe an den Verzah nungsenden und zum anderen lassen Fertigungstoleranzen bei der Herstellung der Verzahnung keine spielfreie oder auch nur spielarme Axialfixierung in der Praxis zu.

Konkret bekannt sind beispielsweise folgende Ausführungen ei ner Fixierung.

DE-GM 17 26 599 zeigt ein in einem axial mittleren Bereich einer Welle aufgesetztes Zahnrad. Beim Aufsetzen des Zahnra des auf die Welle ist zunächst noch keine Verdrehsicherung durch einen Formschluß gegeben. Diese Verdrehsicherung er folgt erst bei einem radialen Einformen von Material des auf gesetzten Zahnrades. Für eine axial spielfreie Fixierung sind dort zwei axial voneinander entfernte Rändelbereiche der Wel le erforderlich, die jeweils im Bereich der Stirnseiten der aufzubringenden Nabe liegen. Damit setzt eine axiale Fixie rung dort ein an beiden Stirnseiten der Nabe erfolgendes Ein formen von Nabenmaterial in jeweils einem Rändelbereich auf der Nabe voraus.

Auch bei der Welle-Nabe-Verbindung nach DD 266 390 A1 ist ei ne zweiseitige Fixierung in Axialrichtung für eine axial spielfreie Verbindung notwendig. Konkret wird die Welle in nerhalb der Nabe dort auf einen Anschlag geschoben.

Eine axial zweiseitige Fixierung ist auch bei der Verbindung nach DD-PS 48 108 vorgesehen und notwendig. Gleiches gilt für eine Verbindung nach US 4 372 702.

Das der Erfindung zugrundeliegende Problem besteht darin, ei ne formschlüssig auf dem Ende einer Welle aufsitzende Nabe auf einfache Weise axial spielfrei zu fixieren. Dabei soll die Nabe an ihrer dem freien Ende der Welle abgewandten Stirnseite an keinem Anschlag der Welle anliegen müssen.

Eine grundsätzliche Lösung dieses Problems zeigt das kenn zeichnende Merkmal des Anspruches 1 auf.

Zweckmäßige Ausführungsformen einer solchen axialen Fixierung sowie hierfür besonders geeigneter Werkzeuge und Herstel lungsverfahren werden in den Unteransprüchen angegeben. Eine nähere Beschreibung hierzu wird nachfolgend anhand entspre chender Ausführungsbeispiele gegeben.

Die Erfindung beruht generell auf dem Gedanken, Material aus der Nabe in eine Ringnut am Ende einer Welle einzuformen, und zwar durch ein Einstemmen oder Rollieren. Das Ausformen des Materials aus der Nabe erfolgt zweckmäßigerweise aus einer planen Stirnfläche der Nabe. Es kann aber auch aus einem am Innenumfang der Nabe vorgesehenen Ring und durch Verformen des Ringnutmaterials erfolgen.

Von besonderer Bedeutung für die erfindungsgemäße Lösung ist, daß es sich um eine Nabe handelt, die an ihrer dem Wellenende abgewandten Seite axial unfixiert auf der Welle aufliegt, d. h. nicht an einer axialen Anlage anliegt. Besteht der Form schluß zwischen Nabe und Welle aus einer Verzahnung, so reicht die Nabe mit ihrer innenliegenden Stirnseite nicht bis an die axial geschlossenen Enden der Verzahnung. Es bleibt hier vielmehr ein Freiraum, wodurch bei der Welle die Gefahr von Kerbrissen in diesem Bereich erheblich herabgesetzt ist. In die an dem Wellenende vorgesehene Umfangswelle kann von der am Wellenende liegenden Stirnseite der Nabe aus Material für einen formschlüssigen Verschluß eingebracht werden. Hier durch ist auf äußerst einfache Weise eine axial spielfreie Verbindung zwischen Nabe und Welle durch ausschließlich einen formschlüssigen Bereich der an dem Ende der Welle liegenden Ringnut möglich. Durch die Lage der Ringnut an dem äußeren Ende der Welle befindet sich die Axialfixierung in einem kraftmäßig entlasteten Bereich der Welle. Dies ist festig keitsmäßig für die Welle von großem Vorteil.

Ein bevorzugtes Anwendungsgebiet für die Erfindung ist eine axiale Sicherung der Nabe bei Gleichlaufgelenken von An triebsgelenkwellen, wie beispielsweise bei Fahrzeugenhinter achs- bzw. Vorderachsseitenwellen. Dabei ist insbesondere an homokinetische Gelenke auf der Welle gedacht. Bei solchen Wellen darf die Gelenkfunktion durch die axiale Nabe-Welle- Fixierung nicht beeinträchtigt werden.

Die herausragenden Vorteile der Erfindung lassen sich wie folgt zusammenfassen.

- Keine Sicherungsringe erforderlich,
- kein Axialspiel in der Verbindung,
- geringe Fertigungskosten,
- geringer Rohmaterialeinsatz (-Kosten),
- keine Verringerung der Wellenfestigkeit,
- Verstemmverfahren ist bei Voll- und Hohlwellen sowie auch bei einer axial aufgepreßten Verzahnung möglich,
- Verstemmvorgang ist leicht in bestehende Fertigungseinrich tungen zu integrieren (Aufpressen der Nabe und Verstemm vorgang erfolgen gleichzeitig).

Eine Auswahl verschiedener möglicher Ausführungsformen der Er findung ist in der Zeichnung dargestellt und wird anhand die ser Darstellungen nachfolgend näher erläutert werden.

In der Zeichnung zeigen bei einer jeweiligen Darstellung der Welle-Nabe-Verbindung im Schnitt

Fig. 1 ein zur Bearbeitung angesetztes Verstemmeißelwerk zeug,

Fig. 2 das Verstemmeißelwerkzeug nach Fig. 1 im Arbeits einsatz,

Fig. 3 geometrische Abmessungen eines Verstemmeißels sowie der Ringnut der Welle,

Fig. 4 ein Verstemmrollwerkzeug in Arbeitsbereitschaft,

Fig. 5 das Verstemmrollwerkzeug im Arbeitseinsatz,

Fig. 6 geometrische Abmessungen einer Verstemmrolle in vergrößerter Darstellung,

Fig. 7 ein Verstemmwerkzeug mit einer ringförmigen An griffsfläche in Arbeitsbereitschaft,

Fig. 8 den Angriffsbereich des Verstemmringes des Werk zeuges nach Fig. 7 in vergrößerter Darstellung,

Fig. 9 ein Verstemmwerkzeug mit einer ringförmigen An griffsfläche in einer von Fig. 7 abweichenden Aus führungsform,

Fig. 10 ein radial angreifendes Verstemmwerkzeug bei einer Nabe mit einem axialen Bund,

Fig. 11 eine Nabenausführung nach Fig. 10 mit einem radial angreifenden Verstemmrollwerkzeug.

Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 bis 3

Eine Welle 1 ist über eine in sie eingearbeitete Verzahnung verdrehfest in einer Nabe 2 fest gelagert. Im Endbereich der Welle 1 ist eine Ringnut 3 vorgesehen. Zur axialen Fixierung der Welle 1 in der Nabe 2 wird aus der Stirnfläche der Nabe 2 Material in die Ringnut 3 der Welle 1 eingeformt.

Dieses Einformen erfolgt mit einem Verstemmwerkzeug 4. In die sem Verstemmwerkzeug 4 sind auf einem kreisförmigen Umfang verteilt Stemmeißel 5 radial schwenkbar gelagert. Diese Ver stemmeißel 5 können auch als Verstemmnadeln bezeichnet werden.

Durch axiales Andrücken des Verstemmwerkzeuges 4 drücken sich die Stemmeißel 5 axial in das Material der Nabe 2 ein und pressen dort Materialabschnitte in die Ringnut 3 hinein, damit diese Ringnut an den betreffenden Stellen formschlüssig mit dem eingepreßten Nabenmaterial ausgefüllt ist.

Die Stemmeißel 5 sollen in dem Verstemmwerkzeug 4 möglichst zentrumsnahe in der Nähe der Welle 1 angesetzt werden, damit ein Verformungseinfluß auf den äußeren Teil der Nabe vermieden wird. Dies ist wichtig, wenn der äußere Teil der Nabe für andere Funktionen, wie beispielsweise eine Gelenkfunktion, be nötigt wird. Aus dem Grund, den Verformungseinfluß möglichst auf den inneren Bereich der Nabe zu beschränken, empfiehlt es sich, die Stemmeißel 5 in dem Verstemmwerkzeug 4 radial schwenkbar zu lagern. Auf diese Weise können die beweglichen Stemmeißel 5 beim Eintauchen in die Nabe 2 an der in Fig. 3 gezeigten Schräge B nach radial innen abgleiten. Auf diese Art und Weise wird das Nabenmaterial nur nach innen verformt und somit eine Beeinflussung der äußeren Nabengeometrie sicher vermieden.

Die optimalen Schneidwinkel alpha 1 und alpha 2 der Stemmeißel bzw. die Form der Schräge C der Flanke der Ringnut 3 sowie der Radius R für die Lage der Stemmeißel 5 können in Versuchen be stimmt werden. Ebenso sind die Stemmeißelbreite (Nabenbreite), die Verstemmtiefe, die Anzahl der Verstemmsicken in Versuchen zu ermitteln und auf den jeweiligen Anwendungsfall abzustim men. Der Querschnitt der Stemmeißel 5 kann eckig, rund oder von sonstiger Form sein.

Damit die Nabe 2 zerstörungsfrei von der Welle 1 abgepreßt werden kann, sollte die betreffende Flanke der Ringnut 3 einen stumpfen Winkel gegenüber dem Grund der Ringnut 3 aufweisen. Durch eine solche schräge Nutflanke wird das verformte Naben material beim Abpressen fast vollständig in seine ursprüng liche Lage zurückgedrückt. Die Nabe 2 kann zu einem späteren Zweck wieder aufgepreßt und an gleicher oder anderer Stelle erneut verstemmt werden.

Die optimalen Flankenwinkel der Ringnut 3 mit Bezug auf eine Sicherungsfunktion einerseits und eine Lösefunktion anderer seits können jeweils von Fall zu Fall empirisch festgestellt werden.

Die Ringnut 3 kann auch aus runden und schrägen Anteilen zu sammengesetzt sein.

Der Verstemmvorgang bei der in den Fig. 1-3 angegebenen Aus führungsform erfolgt mit axial zur Nabe geführten Verstemm meißeln bei in der Spitze radial beweglichen Meißelangriffs flächen.

Möglich ist es allerdings auch, die Verstemmeißel unter einem Winkel zur Achse der Nabe 2 zu führen und das Nabenmaterial unter dem entsprechenden Winkel in die Ringnut 3 der Welle 1 zu drücken. In diesem Fall ist das Verstemm-Grundwerkzeug unbeweglich und nur die Stemmeißel 5 werden in einer Führung bewegt.

Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 bis 6

Bei diesem Beispiel sind in dem Verstemmwerkzeug 4 Stemmrollen 6 um jeweils eine zur Achse der Nabe 2 radial verlaufende Ach se gelagert, mit denen die Nabenmaterialverformung durchge führt wird. Das gesamte Verstemmwerkzeug 4 rotiert bei diesem Beispiel, wobei die Arbeitsstellung dieses Werkzeuges aus Fig. 5 erkennbar ist. Bei dieser Stellung des Werkzeuges ist be reits Nabenmaterial auf dem Wege in die Ringnut 3 der Welle 1. Die Stemmrollen 6 sind radial beweglich gelagert, so daß sie bei Einformen des Nabenmaterials in die Ringnut 3 sich nach radial innen bewegen können und damit wie die schwenkbaren Stemmeißel 5 eine Verformung der Nabe auf den radialen Innen bereich beschränkt halten.

Die Stemmrollen 6 werden zum Verstemmen bis zur gewünschten Tiefe langsam axial in die Nabe 2 gepresst, wo gleichzeitig entweder das Werkstück oder das Verstemmwerkzeug rotieren muß. Auf Grund der Abrollbewegung der Stemmrollen auf der Nabe müssen die Stemmrollen 6 in dem Verstemmwerkzeug 4 drehbar ge lagert sein.

Durch ein Einrollen des Nabenmaterials in die Ringnut 3 über den gesamten Umfang wird eine besonders feste Verbindung zwi schen Nabe 2 und Welle 1 erreicht mit der Folge einer je nach Anwendungsfall sehr hohen Kraft für ein gewünschtes Auftrennen der Fixierung.

Es ist auch möglich, bei dieser Art der Nabenmaterialverfor mung die Stemmrollen 6 nicht axial, sondern unter einem be stimmten Winkel zur Achse der Nabe 2 zu führen. Die Stemmrol len 6 würden dann während des Einrollvorganges entsprechend unter diesem Winkel in die Nabe 2 eintauchen.

Ausführungsbeispiel nach Fig. 7 bis 9

Anstelle mit einzelnen Stemmeißeln 5 kann der Verstemmvorgang auch mit einem Ringwerkzeug 7 durchgeführt werden. Die Verfor mung wird durch axiales Einpressen einer ringförmigen Schneide 8 mit den Schneidwinkeln gamma 1 und gamma 2 in die Nabe 2 erreicht (Fig. 7, 8). Der Winkel gamma 2 wird möglichst klein gewählt, um einen Verformungseinfluß auf die äußere Nabengeo metrie zu minimieren. In den meisten Fällen kann der Winkel gamma 2 nicht zu Null werden, weil dadurch sehr große Kräfte in der Ring-Schneide 8 beim Verstemmen wirksam würden, die zur Zerstörung des Werkzeuges führen könnten.

Aus Festigkeitsgründen ist es sinnvoll, die Schneide 8 als ge schlossenen Ring auszubilden. Für andere Anwendungsfälle kön nen aber auch aus der Ringschneide 8 einzelne Segmente ausge spart sein.

Zur Verbesserung der Festigkeit und Standzeit des Verstemm werkzeuges 4 kann eine Abänderung der Werkzeuggeometrie nach Fig. 9 zweckmäßig sein. Der axiale Verstemmvorgang wird in diesem Fall nicht durch Schneiden, sondern durch einfaches Verformen mit der Schräge D erreicht. Um das Eintauchen des Angriffsringes 9 des Ringwerkzeuges 7 in die Nabe zu gestat ten, muß die Nabengeometrie durch entsprechende, in der vor liegenden Zeichnung nicht dargestellte, Bohrungen oder Sicken bei einem Segmentwerkzeug oder durch eine Ringnut 10 für ein Ringwerkzeug 7 angepaßt sein.

Ausführungsbeispiel nach Fig. 10 und 11

Hier besitzt die Nabe 2 einen axial hervorstehenden, an die Welle 1 angrenzenden Ringbund 11. Aus diesem werden einzelne Bereiche mit einem radial verstellbaren Stempel 12 in die Ringnut 3 der Welle 1 eingeformt, und zwar jeweils formschlüs sig in diese Ringnut 3, damit eine axiale Fixierung zwischen der Welle 1 und der Nabe 2 in beiden axialen Richtungen sicher gegeben ist.

Das abschnittsweise Einbringen des Ringbundes 11 in die Ring nut 3 der Welle 1 kann auch mit einem radial in Richtung auf die Nabenachse verstellbaren Rollwerkzeug 13 erfolgen.

Die Zustellbewegung des Stempels 12 bzw. des Rollwerkzeuges 13 muß nicht unbedingt direkt radial erfolgen. Der Zustellwinkel kann auch kleiner als 90 Grad gewählt werden.

Claims

1. Axiale Fixierung einer formschlüssig gegen Verdrehen gesi cherten Welle-Nabe-Verbindung, gekennzeichnet durch die Merkmale,

1. eine Nabe (2) ist auf ein erstes Ende einer Welle (1) auf gesetzt,
2. die Nabe (2) ist an ihrer dem ersten Ende der Welle (1) ab gewandten Stirnseite der Welle (1) gegenüber axial unfi xiert,
3. die Welle (1) besitzt an ihrem freien ersten Ende eine Ringnut (3),
4. die Nabe (2) übergreift an ihrer dem freien ersten Ende der Welle (1) zugewandten Stirnseite die Ringnut (3),
5. in die Ringnut (3) der Welle (1) ist Material der Nabe (2) eingeformt.

2. Welle-Nabe-Fixierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das in die Ringnut (3) der Welle (1) eingeformte Naben- Material aus einer ebenen Stirnseite der Nabe (2) ausgeformt ist.

3. Welle-Nabe-Fixierung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest die dem Ende der Welle (1) benachbarte Flanke der Wellen-Ringnut (3) gegenüber einem etwa ebenen Grund der Ringnut (3) einen stumpfen Winkel aufweist.

4. Welle-Nabe-Fixierung nach einem der vorhergehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellen-Ringnut (3) einen zumindest zum Ende der Welle (1) hin gerundeten Querschnitt aufweist.

5. Welle-Nabe-Fixierung nach einem der vorhergehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Nabenmaterial durch ein während der Bearbeitung in Umfangsrichtung der Nabe (2) stehendes Verstemmwerkzeug (4) in die Wellen-Ringnut (3) eingeformt ist.

6. Werkzeug zur Herstellung einer Welle-Nabe-Fixierung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das während der Bearbeitung in Umfangsrichtung der Nabe (2) stehende Verstemmwerkzeug (4) ein axial verstellbarer Stemmeißel (5) ist.

7. Werkzeug nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils mehrere kreisförmig verteilte Stemmeißel (5) ein zur Naben-Materialausformung axial verstellbares Gesamtstemm werkzeug (4) bilden,

8. Werkzeug nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Stemmeißel (5) in dem Verstemmgesamtwerkzeug (4) radial schwenkbar gelagert sind.

9. Werkzeug nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Verstemmwerkzeug ein Ringwerkzeug (7) mit einem auf den inneren Nabenumfangsbereich abgestimmten Stemmdurchmesser ist.

10. Werkzeug nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Angriffsfläche des Ringwerkzeuges (7) eine Schneide (8) zum Ausformen des Nabenmaterials aus einer planen Naben stirnfläche ist.

11. Werkzeug zur Herstellung einer Welle-Nabe-Fixierung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkzeug eine um eine zur Nabenachse radiale Achse drehbare axial an die Nabe (2) andrückbare zum Ausformen des Nabenmaterials über den Nabenumfang abrollende mindestens eine Stemmrolle (6) ist.

12. Werkzeug nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils mehrere Stemmrollen (6) in einem rotierbaren Ge samt-Verstemmwerkzeug (4) angeordnet sind.

13. Welle-Nabe-Fixierung nach einem der Ansprüche 1 oder 3 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß das in die Ringnut (3) der Welle (1) eingeformte Naben material aus einem der Welle (1) benachbarten axialen Ringbund (11) einer Stirnseite der Nabe (2) ausgeformt ist.

14. Werkzeug zur Herstellung einer Welle-Nabe-Fixierung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Angriffsfläche eine geneigte Ringfläche (D) ist, die einen im Innenumfangsbereich der Nabenstirnflächen vorgesehe nen axialen Ringbund (11) nach radial innen in die Ringnut (3) der Welle (1) einformt.

15. Welle-Nabe-Fixierung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Nabenmaterial mit Hilfe mindestens eines radial zu stellbaren Stempels (12) auf einzelne Umfangsabschnitte be schränkt radial in die Ringnut (3) der Welle (1) eingestemmt ist.

16. Welle-Nabe-Fixierung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Nabenmaterial mit Hilfe mindestens einer radial zustellbaren Stemmrolle eines Rollwerkzeuges (13) auf einzelne Umfangsabschnitte beschränkt radial in die Ringnut (3) der Welle (1) eingeformt ist.