DE19929207A1 - Anordnung zur verdrehsicheren Verbindung einer Welle mit einer Nabe - Google Patents

Abstract

Anordnung zur verdrehsicheren Verbindung einer Welle (2) mit einer Nabe (1), mit einer in der Mantelfläche der Welle (2) angeordneten und im wesentlichen axial verlaufenden ersten Nut (4), einer in der Nabe (1) angeordneten und im wesentlichen axial verlaufenden Bohrung zur Aufnahme der Welle (2), einer in der Innenwandung der Bohrung angeordneten und im wesentlichen axial verlaufenden zweiten Nut (3), einem in den beiden Nuten (3, 4) angeordneten Verbindungselement (5), das die Welle (2) und die Nabe (1) formschlüssig und verdrehsicher miteinander verbindet, wobei das Verbindungselement (5) und die beiden Nuten (3, 4) jeweils einen runden Querschnitt aufweisen, um die mechanische Belastbarkeit und das maximal übertragbare Drehmoment zu erhöhen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur verdrehsicheren Verbindung einer Welle mit einer Nabe gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Aus der Deutschen Industrienorm DIN 6885 sind Paßfedern be­ kannt, die zur verdrehsicheren Verbindung einer Welle mit ei­ ner Nabe verwendet werden. Hierbei sind in der Mantelfläche der Welle und in der Innenwandung einer in der Nabe befindli­ chen Bohrung jeweils axial verlaufende Nuten angeordnet, die im montierten Zustand übereinander liegen und die Paßfeder aufnehmen, so daß ein Verdrehen von Welle und Nabe verhindert wird.

Aus der Deutschen Industrienorm DIN 6888 sind weiterhin Scheibenfedern bekannt, die ebenfalls zur verdrehsicheren Verbindung einer Welle mit einer Nabe verwendet werden. Die DINgemäßen Scheibenfedern können beispielsweise in einem axialen Längsschnitt eine halbkreisförmige Außenkontur auf­ weisen, so daß ein geringfügiges Verkanten der Welle relativ zu der Nabe nicht zu einer mechanischen Verspannung der Scheibenfeder führt. Aufgrund der Querschnittsform der Paß- oder Scheibenfeder treten bei Belastung hohe Spannungen in diesem Bereich auf.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine Anord­ nung zur verdrehsicheren Verbindung einer Welle mit einer Na­ be zu schaffen, welche die Übertragung eines Drehmoments bei geringen Spannungen erlaubt.

Die Erfindung wird, ausgehend von den eingangs beschriebenen bekannten Anordnungen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Die Erfindung umfaßt die allgemeine technische Lehre, zur verdrehsicheren Verbindung einer Welle und einer Nabe anstel­ le einer Paßfeder mit einem eckigen Querschnitt ein Verbin­ dungselement mit einem runden Querschnitt und entsprechend abgerundete Nuten zu verwenden, um die mechanische Belastbar­ keit der Verbindung zu erhöhen.

Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß die mechanische Belastbarkeit der Verbindung bei runden Nuten bzw. Verbin­ dungselementen erhöht wird, da keine einspringenden Kanten mit entsprechend großen Kerbkräften auftreten. Darüber hinaus ist die mechanische Spannungsverteilung bei einem Verbin­ dungselement mit rundem Querschnitt verbessert.

In einer weiteren Variante der Erfindung nimmt der Quer­ schnitt der Nuten in Welle und/oder Nabe mindestens zu einem Ende hin ab, wodurch der axiale Spielraum des Verbindungsele­ ments in den Nuten durch einen axialen Anschlag begrenzt wird. Der Übergang vom Nutboden zur Mantelfläche der Bohrung bzw. der Welle erfolgt hierbei erfindungsgemäß nicht in einer Stufe, wie beispielsweise bei den eingangs beschriebenen DIN­ gemäßen Paßfedern, sondern in mehreren Stufen oder kontinu­ ierlich.

Vorzugsweise laufen die Nuten an ihren Enden halbkugelförmig aus, was eine einfache Fertigung der Nuten durch einen Kugel­ kopffräser ermöglicht. Die stirnseitigen Enden des Verbin­ dungselements sind hierbei in ihrer Form so an die axialen Nutenden angepaßt, daß bei einer axialen Verschiebung des Verbindungselements innerhalb der axialen Anschlaggrenzen kein Verkanten des Verbindungselements auftritt. Dies ist vorteilhaft, da ein Verkanten des Verbindungselements in der Bohrung der Nabe zu lokalen Spannungsspitzen am Umfangsrand der Bohrung führt, was den mechanischen Verschleiß erhöht und die Standzeit der Anordnung verringert. Bei dem vorstehend beschriebenen halbkugelförmigen Auslaufen der Nuten sind die stirnseitigen Enden des Verbindungselements entsprechend halbkugelförmig geformt. Die Erfindung ist jedoch in dieser Variante nicht auf eine derartige halbkugelförmige Formgebung der Nuten bzw. des Verbindungselements beschränkt. Es ist vielmehr auch möglich, daß das Verbindungselement zu seinen Enden hin sphärisch ausgebildet ist, oder sich konisch ver­ jüngt, während die Tiefe der Nuten an den Enden entsprechend linear abnimmt.

Vorzugsweise dient die erfindungsgemäße Anordnung zur Verbin­ dung einer Motorwelle mit dem Rotor der Vorförderpumpe oder der Hochdruckmpumpe einer Einspritzanlage, wie beispielsweise einer Common-Rail-Einspritzanlage.

Andere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet bzw. werden nachstehend zusam­ men mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführung der Er­ findung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1a eine Anordnung zur verdrehsicheren Verbindung einer Welle und einer Nabe, mit einem Verbindungselement mit zylindrischem Querschnitt und halbkugelförmigen Enden in einem axialen Längsschnitt,

Fig. 1b die Anordnung aus Fig. 1a im Querschnitt entlang der Linie I-I,

Fig. 2a ein anderes Ausführungsbeispiel einer Anordnung zur verdrehsicheren Verbindung einer Welle mit einer Nabe, mit einem Verbindungselement mit zylindri­ schem Querschnitt und konisch zulaufenden Enden in einem axialen Längsschnitt, sowie

Fig. 2b die Anordnung aus Fig. 2a im Querschnitt entlang der Linie II-II.

Der Begriff Welle ist allgemein zu verstehen und nicht auf Antriebs- oder Abtriebswelle von Motoren oder Getrieben be­ schränkt. Vielmehr umfaßt der Begriff Welle alle Bauteile, die in eine Bohrung eines anderen Bauteils eingeführt werden, um ein Drehmoment zu übertragen. In gleicher Weise ist der Begriff Nabe nicht auf Radnaben beschränkt, sondern umfaßt alle Bauteile mit einer Bohrung zur Aufnahme einer Welle.

Die in den Fig. 1a und 1b dargestellte Anordnung dient vorzugsweise zur verdrehsicheren Verbindung einer Nabe 1 ei­ nes Rotors einer Flügelzellenpumpe mit einer Welle 2 eines Motors, wobei der Motor und die Flügelzellenpumpe zur Verein­ fachung nicht dargestellt sind. Eine derartige Flügelzellen­ pumpe wird vorzugsweise als Vorförderpumpe in einem Kraft­ stoffeinspritzsystem eingesetzt, wobei die Vorförderpumpe ei­ ner Verteilerpumpe vorgeschaltet ist und Kraftstoff aus einem Tank saugt. Die Flügelzellenpumpe wird insbesondere als Vor­ förderpumpe für eine Radialkolbenpumpe eingesetzt, die in Common-Rail Systemen arbeiten, da der Bauraum in diesen Sy­ stemen beschränkt und der Vorförderdruck am Ausgang der Vor­ förderpumpe einen Mindestkraftstoffdruck aufweisen muß.

In der Nabe 1 ist zur Aufnahme der Welle 2 eine Bohrung mit einem zylindrischen Querschnitt angeordnet, wobei die Welle 2 und die Nabe 1 eine Spielpassung bilden, um bei einem durch Fertigungstoleranzen bedingten leichten Verkanten der Welle 2 relativ zu der Nabe 1 mechanische Spannungen zu vermeiden.

In der Mantelfläche der Welle 2 und in der Innenwandung der Bohrung ist jeweils eine in axialer Richtung verlaufende Nut 3, 4 mit kreisförmigem Querschnitt angeordnet, die zur Auf­ nahme eines Verbindungselements 5 mit kreisförmigem Quer­ schnitt dienen. Im montierten Zustand befindet sind das Ver­ bindungselement 5 in den beiden Nuten 3, 4 und verhindert da­ durch eine Verdrehung der Nabe 1 relativ zu der Welle 2. Der Außenradius des Verbindungselements 5 ist deshalb im wesent­ lichen gleich dem Innenradius der beiden Nuten 3, 4, wobei das Verbindungselement 5 und die Nuten 3, 4 eine Spielpassung bilden, um bei einem durch Fertigungstoleranzen bedingten ge­ ringfügigen Verkanten der Welle 2 relativ zu der Nabe 1 keine übermäßigen mechanischen Spannungen entstehen zu lassen.

Die Nuten 3, 4 sind hierbei in axialer Richtung länger als das Verbindungselement 5, um ein geringfügiges axiales Spiel des Verbindungselements 5 zu ermöglichen. An den Enden nimmt die Tiefe der in der Mantelfläche der Welle 2 angeordneten Nut 4 jedoch linear bis auf Null ab, so daß die ansteigenden Nutflanken einen Anschlag bilden, der das axiale Spiel des Verbindungselements 5 in den Nuten 3, 4 begrenzt.

An den stirnseitigen Enden verjüngt sich das Verbindungsele­ ment 5 konisch, wobei der Konuswinkel der Enden des Verbin­ dungselements 5 gleich dem Anstiegswinkel der Nutflanken ist. Beim Anschlagen des Verbindungselements 5 an den Nutflanken entsteht also vorteilhaft ein flächige Verbindung ohne lokale mechanische Spannungsüberhöhungen. Darüber hinaus führt die Formanpassung der Nutenden und der Enden des Verbindungsele­ ments 5 beim axialen Anschlagen nicht zu einem Verkanten des Verbindungselements 5, sondern allenfalls zu einer radialen Verschiebung des Verbindungselements 5. Dies ist besonders vorteilhaft, da ein Verkanten des Verbindungselements 5 zu erheblichen mechanischen Spannungsüberhöhungen am Mündungs­ rand der Bohrung und damit zu einem entsprechend großen Ver­ schleiß führen kann.

Aus der in Fig. 1b gezeigten Querschnittsdarstellung ist er­ sichtlich, daß das Verbindungselement 5 und die Nuten 3, 4 einen kreisförmigen Querschnitt aufweisen, wodurch die mecha­ nische Belastbarkeit der Anordnung erhöht wird, da keine ein­ springenden Ecken bzw. Kanten vorhanden sind. Darüber hinaus führt der vorgesehene kreisförmige Querschnitt des Verbin­ dungselements 5 zu einer gleichmäßigen Verteilung der mecha­ nischen Spannungen in dem Verbindungselement 5.

Das in den Fig. 2a und 2b dargestellte Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Anordnung stimmt weitgehend mit dem vorstehend beschriebenen und in den Fig. 1a und 1b darge­ stellten Ausführungsbeispiel überein, so daß im folgenden dieselben Bezugszeichen verwendet werden und auf die vorste­ hende Beschreibung verwiesen wird.

Der Unterschied dieses Ausführungsbeispiels zu dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel besteht im wesentlichen darin, daß das Verbindungselement 5 halbkugelförmige Enden aufweist, wobei die Enden der Nuten 3, 4 ebenfalls sphärisch auslaufen. Der Krümmungsradius der halbkugelförmigen Enden des Verbindungselements 5 ist hierbei im wesentlichen gleich dem Krümmungsradius der sphärisch auslaufenden Nutenden, so daß das Verbindungselement 5 beim axialen Anschlagen an den sphärisch geformten Nutflanken einen flächigen Kontakt ohne lokale Spannungsüberhöhungen bildet. Ein weiterer Vorteil der sphärisch geformten Nutenden ist in der einfachen Fertigung zu sehen, da die Nuten 3, 4 durch einen herkömmlichen Kugel­ kopffräser hergestellt werden können. Der Außenradius des Ku­ gelkopffräsers muß hierbei gleich dem Krümmungsradius der sphärisch geformten Nutenden sein.

Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf die vorstehend angegebenen bevorzugten Ausführungsbeispiele. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche von der dargestellten Lösung auch bei grundsätzlich anders gear­ teten Ausführungen Gebrauch macht.

In einer weiteren Ausführungsform ist der Querschnitt des Verbindungselements 5 elliptisch oder oval ausgebildet, wobei der Krümmungsradius des ovalen Verbindungselements für jede Nut 3, 4 unterschiedlich sein kann. Vorzugweise sollte der Querschnitt der Nuten 3, 4 in der Welle 2 bzw. der Nabe 1 an den Querschnitt des Verbindungselements 5 angepaßt sein. Bei hohen Anforderungen an die Winkelstellgenauigkeit sollten die Nuten 3, 4 in Welle 2 bzw. Nabe 1 und das Verbindungselement 5 vorzugsweise eine Preß- oder Übergangspassung bilden, damit keine Winkelstellfehler auftreten. Es kann jedoch auch vor­ teilhaft sein, eine Spielpassung zwischen den Nuten 3, 4 in Welle 2 bzw. Nabe 1 und dem Verbindungselement 5 vorzusehen, um bei einem geringfügigen Verkanten von Welle und Nabe rela­ tiv zueinander mechanische Spannungen zu vermeiden.

Claims (14)

1. Anordnung zur verdrehsicheren Verbindung einer Welle (2) mit einer Nabe (1), mit
einer in der Mantelfläche der Welle (2) angeordneten und im wesentlichen axial verlaufenden ersten Nut (4),
einer in der Nabe (1) angeordneten und im wesentlichen axial verlaufenden Bohrung zur Aufnahme der Welle (2),
einer in der Innenwandung der Bohrung angeordneten und im we­ sentlichen axial verlaufenden zweiten Nut (3),
einem in den beiden Nuten (3, 4) angeordneten Verbindungsele­ ment (5), das die Welle (2) und die Nabe (1) formschlüssig und verdrehsicher miteinander verbindet,
dadurch gekennzeichnet, daß das Verbindungselement (5) und die beiden Nuten (3, 4) jeweils einen runden Querschnitt aufweisen.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Nuten (3, 4) und das Verbindungselement (5) einen kreisförmigen Querschnitt aufweisen.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß der Querschnitt der ersten Nut (4) und/oder der zweiten Nut (3) an mindestens einem Ende abnimmt, um eine axiale Ver­ schiebung des Verbindungselements 5 zu begrenzen, und
daß der axiale Querschnittsverlauf des Verbindungselements (5) an mindestens einem Ende derart an den axialen Quer­ schnittsverlauf der ersten Nut (4) und/oder der zweiten Nut (3) angepaßt ist, daß bei einer axialen Verschiebung des Ver­ bindungselements (5) innerhalb der axialen Anschlaggrenzen annähernd kein Verkanten des Verbindungselements (5) auf­ tritt.

4. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sich das Verbindungselement (5) zu mindestens einem Ende hin verjüngt.

5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß sich das Verbindungselement (5) zu mindestens einem Ende hin konisch verjüngt.

6. Anordnung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Höhe des Verbindungselements (5) in radiale Richtung an mindestens einem Ende linear abnimmt.

7. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß sich das Verbindungselement (5) zu mindestens einem Ende hin keilförmig verjüngt.

8. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Ende des Verbindungselements (5) halbku­ gelförmig ist.

9. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Tiefe der ersten Nut (4) und/oder der zweiten Nut (3) an mindestens einem Ende linear abnimmt.

10. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Nut (4) und/oder die zweite Nut (3) in einem axialen Längsschnitt an mindestens einem Ende einen kreisför­ migen Verlauf aufweist, um eine einfache Herstellung durch einen Kugelkopffräser zu ermöglichen.

11. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Welle (2) und die Nabe (1) eine Spielpassung bilden, um für einen Toleranzausgleich ein Kippen der Welle (2) rela­ tiv zu der Nabe (1) zu ermöglichen.

12. Anordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Nuten (3, 4) einerseits und das Verbindungs­ element (5) andererseits eine Spielpassung bilden, um für ei­ nen Toleranzausgleich ein Kippen der Welle (2) relativ zu der Nabe (1) zu ermöglichen.

13. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Welle (2) eine Motorwelle ist und die Nabe (1) Be­ standteil eines Rotors einer Vorförderpumpe oder einer Hoch­ druckpumpe einer Einspritzanlage ist.

14. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung für eine Flügelzellenpumpe eingesetzt wird.