DE4302726C2

DE4302726C2 - Zahnwellenverbindung und Verfahren zur Herstellung einer Zahnwellenverbindung

Info

Publication number: DE4302726C2
Application number: DE4302726A
Authority: DE
Inventors: Alfred Hasselmeyer
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 1992-02-11
Filing date: 1993-02-01
Publication date: 2002-02-07
Anticipated expiration: 2013-02-02
Also published as: DE4302726A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Zahnwellenverbindung zwischen einer Antriebswelle und einer Nabe nach dem Oberbegriff vom Patentanspruch 1 sowie ein Verfahren zur Herstellung einer Zahnwellenverbindung nach dem Oberbegriff vom Patentanspruch 5.

Zahnwellenverbindungen mit Längsverzahnungen, das heißt mit einer Vielzahl sich axial erstreckender, formschlüssig ineinander greifender Zähne und Zahnlücken bzw. Gegenzähne und Gegenzahnlücken werden auf den verschiedensten technischen Gebieten eingesetzt, um Drehmomente von einem rotierenden Bauteil auf ein anderes rotierendes Bauteil zu übertragen, z. B. von einer antreibenden Welle auf eine Nabe, ein Zahnrad o. ä.

Solche Zahnwellenverbindungen werden u. a. im Kraftfahrzeugbau eingesetzt, um das motorisch erzeugte Antriebsmoment über Antriebswellen bzw. über von diesen angetriebene Achszapfen auf die angetriebenen Fahrzeugräder bzw. deren Radnaben zu übertragen.

Aus der DE-PS 14 25 231 ist eine derartige Zahnwellenverbindung für die drehfeste Verbindung der Achswelle eines Kraftfahrzeugs mit einem Antriebszahnrad bekannt, die über die axiale Erstreckung der Zahnwellenverbindung hinweg ein sich stetig vergrößerndes Zahnflankenspiel aufweist. Dazu wurden die Zahnlücken der Längsverzahnung entweder der Welle oder Nabe längs der Welle stetig erweitert, wozu bei der Herstellung der Welle bzw. der Nabe die Vorschubrichtung des zur Herstellung dieser Zahnlücken verwendeten Werkzeugs schräg zur Wellenachse ausgerichtet wurde. Die Herstellung einer derartigen Zahnwellenverbindung ist fertigungstechnisch aufwendig und zumindest bei Massenfertigung wirtschaftlich kaum vertretbar.

Um die Nachteile dieser bekannten Zahnwellenverbindung auszuräumen, wurde in der DE-OS 26 56 946 eine Zahnwellenverbindung vorgeschlagen, bei der die Zähne und Gegenzähne wenigstens auf einem kleinen Bruchteil - Zentrierlänge - der axialen Erstreckung der Zahnwellenverbindung wenigstens annähernd gleichmäßig spielfrei (d. h. mit Übergangspassung oder Überdeckung) ineinandergreifen und auf dem verbleibenden Teil der axialen Erstreckung mit einem sich in Richtung auf das der Kraftflußrichtung entgegenweisende stirnseitige Ende der Zahnwellenverbindung erweiternden Zahnflankenspiel ausgebildet sind, wobei die Erweiterung des Zahnflankenspiels nach einer ganz bestimmten Bemessungsregel erfolgt. Bei dieser bekannten Zahnwellenverbindung sind die Zähne und Zahnlücken der Längsverzahnung der Nabe über die ganze Länge der Zahnwellenverbindung streng prismatisch, d. h. gleich dick bzw. gleich weit bleibend ausgebildet. Die Zähne der längsverzahnten Welle sind dagegen nur in einem an der außenseitigen Stirnseite der Nabe beginnenden ersten Teil - Zentrierlänge - der Längsverzahnung gleichbleibend dick und werden anschließend zur anderen Nabenseite hin nach der oben erwähnten Gesetzmäßigkeit zunehmend schmaler.

Auch diese vorbekannte Zahnwellenverbindung erfordert einen nicht geringen Aufwand sowohl bei der Herstellung der Längsverzahnung, nämlich insbesondere der Längsverzahnung der Welle, als auch beim Zusammenbau der Anordnung, nämlich beim Einführen des längsverzahnten Wellenendes in die längsverzahnte Nabe.

Eine Zahnwellenverbindung der eingangs genannten Art ist weiterhin aus EP-B1-0 318 266 bekannt. Allerdings sind dort entweder die Zahnflanken an der Nabe oder an der Welle sinusförmig gewellt, um ein Verklemmen zu ermöglichen. Auch die Herstellung der sinusförmigen Wellung ist jedoch aufwendig.

Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine bezüglich Herstellung und Montierbarkeit verbesserte Zahnwellenverbindung der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 genannten Art zu schaffen, die sich sowohl durch eine gute Betriebsfestigkeit, d. h. gute Lebensdauer, als auch dadurch auszeichnet, daß sie für einen automatisierten Zusammenbau geeignet ist.

Diese Aufgabe wird durch eine Zahnwellenverbindung mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst. Weiterhin wird ein Herstellungsverfahren mit den Merkmalen von Patentanspruch 5 vorgeschlagen.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die erfindungsgemäße Zahnwellenverbindung zeichnet sich insbesondere dadurch aus, daß einerseits das längsverzahnte Ende bei einer automatisierten Montage vergleichsweise einfach und ohne besonderen Zentrieraufwand - weil spielbehaftet - in die längsverzahnte Nabe einführbar ist und daß andererseits bei fertig montierter Zahnwellenverbindung auf einem Teil der axialen Erstreckung der Längsverzahnung, aber eben nur auf einem Teil, die Zähne und Gegenzähne nach einer gewissen plastischen Verformung spielfrei ineinandergreifen, nämlich in dem Teil der Längserstreckung, der an der außenliegenden, d. h. an der der Kraftflußrichtung entgegenweisenden Stirnseite der Nabe beginnt.

Anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles wird die Erfindung nachstehend näher erläutert.

In der Zeichnung zeigen in schematisierter und zum Teil geschnittener Darstellung

Fig. 1 die Radaufhängung eines angetriebenen Kfz-Rades mit einer zur Übertragung des Antriebsmoments eingesetzten erfindungsgemäßen Zahnwellenverbindung,

Fig. 2 einen Längsschnitt durch die Nabe einer erfindungsgemäßen und erfindungsgemäß gefertigten Zahnwellenverbindung,

Fig. 3 das freie Ende einer Längsverzahnten Antriebswelle bzw. eines mit dieser verbundenen Bauteils einer erfindungsgemäßen Zahnwellenverbindung, und

Fig. 4 einen zweigeteilten Querschnitt einer erfindungsgemäßen Zahnwellenverbindung.

Fig. 1 zeigt in teilgeschnittener Darstellung eine in der Praxis übliche Einzelradaufhängung eines angetriebenen Kfz-Rades 1, dessen Radträger 2 einerseits über ein nur angedeutetes Dämpfer- oder Federbein 3 und andererseits über einen ebenfalls nur angedeuteten unteren üblichen Querlenker 4 schwenkbar am nicht weiter dargestellten Fahrzeugaufbau angelenkt ist. Die mittels eines Radlagers 5 drehbar im Radträger 2 gelagerte Radnabe 6 ist drehmomentenschlüssig mit dem längsverzahnten Ende 9 eines von einer Antriebswelle 7 angetriebenen Achszapfens 8 verbunden, wobei Radnabe 6, Radlager 5 und Achszapfen 8 mittels einer Mutter 10 axial fest miteinander verspannt sind. Die drehmomentenschlüssige Verbindung zwischen Radnabe 6 und Antriebswelle 7 bzw. dem Ende 9 des Achszapfens 8 erfolgt durch eine Zahnwellenverbindung, d. h. mittels einerseits auf dem Ende 9 des Achszapfens und andererseits in der Radnabe 6 angeordneter Längsverzahnungen 91 bzw. 61, die in den Schnittdarstellungen der Fig. 2 bis 4 erkennbar sind. Es ist also eine Vielzahl sich axial erstreckender, formschlüssig ineinander greifender Zähne und Zahnlücken auf dem Wellenende 9 bzw. Gegenzähne und Gegenzahnlücken in der Radnabe 6 vorgesehen.

Die Längsverzahnungen sind dabei derart ausgebildet, daß Zähne und Gegenzähne - ausgehend von der außenliegenden, d. h. von der der Kraftflußrichtung entgegenweisenden Stirnseite 68 der Radnabe 6 - nur auf einem ersten Teil der axialen Erstreckung der Zahnwellenverbindung spielfrei ineinandergreifen, während sie im übrigen mit Zahnflankenspiel behaftet sind. Auf diese Weise ist der Achszapfen 8 bzw. sein längsverzahntes Ende 9 einerseits im außenliegenden Bereich der Radnabe 6 fixiert, was sowohl für den Festsitz der Mutter 10 als auch gegen Geräusche günstig ist, und andererseits im übrigen Axialbereich der Radnabe mit Zahnflankenspiel eingesetzt, so daß die Momenteneinleitung von der Antriebswelle 7 bzw. dem Achszapfen 8 in die Radnabe 6 nahezu stetig über die Verzahnungslänge erfolgt, da sich Zähne und Gegenzähne mit wachsendem Moment zunehmend über die ganze Verzahnungslänge aneinander anlegen. Dieser an sich bekannte Effekt ist hinsichtlich der Betriebsfestigkeit von Vorteil.

Die Zähne und Zahnlücken der in Fig. 3 nur schematisch angedeuteten Längsverzahnung 91 der Antriebswelle 7 bzw. des Wellenendes 9 des Achszapfens 8 sind über ihre ganze Länge prismatisch ausgebildet und gehärtet, vorzugsweise induktiv- oder einsatzgehärtet. Zahnbreite und Lückenweite der Zähne bzw. Zahnlücken der Längsverzahnung 91 sind also über die ganze Länge l der Längsverzahnung zumindest annähernd konstant, was fertigungstechnisch von großem Vorteil ist.

Zahnbreite und Lückenweite der Gegenzähne bzw. Gegenzahnlücken der Längsverzahnung 61 der Radnabe sind im Gegensatz dazu nicht über die ganze Länge l der Längsverzahnung konstant bemessen.

Wie in der Schnittdarstellung der Fig. 2 prinzipienhaft und schematisiert angedeutet ist, sind in einem von der außenliegenden, d. h. von der der Kraftflußrichtung entgegenweisenden Stirnseite 68 der Radnabe 6 ausgehenden ersten Teil l1 der Naben- Längsverzahnung 61 die Gegenzähne 64 derart bemessen, daß ihre Zahnbreite b2 größer ist als die relevante lichte Weite der Zahnlücken der Wellen-Längsverzahnung 91, während in dem daran anschließenden übrigen Teil l2 der Längsverzahnung 61 die Gegenzähne 62 derart bemessen sind, daß ihre Zahnbreite b1 entsprechend der gewählten Spielpassung geringer ist, als die relevante lichte Weite der Zahnlücken der Wellen-Längsverzahnung 91.

Entsprechend ist die lichte Weite b3 der Gegenzahnlücken 65 im ersten Teil l1 der Längsverzahnung 61 kleiner und die lichte Weite b4 der Gegenzahnlücken 63 im anschließenden Teil l2 der Längsverzahnung entsprechend der gewählten Spielpassung größer bemessen als die relevante Zahnbreite der Wellen-Längsverzahnung 91. Zumindest über die zahnflankenspielbehaftete Länge l2 sind dabei die Gegenzähne 62 und Gegenzahnlücken 63 ebenfalls prismatisch ausgebildet, d. h. Zahnbreite und Zahnlückenweite sind über diese Länge zumindest annähernd konstant.

Die derart gestaltete Längsverzahnung 61 der Radnabe 6, deren der Radbefestigung dienender Nabenflansch mit 66 und deren das Radlager 5 tragende Nabenhülse mit 67 beziffert sind, ist fertigungstechnisch sehr einfach herzustellen. Zunächst wird die Radnabe genau wie die Antriebswelle 7 bzw. das freie Ende 9 des Achszapfens 8 über die ganze axiale Erstreckung 1 mit einer mit Spielpassung gefertigten prismatischen Längsverzahnung versehen, die mit der prismatischen Längsverzahnung 91 der Antriebswelle korrespondiert. Danach wird diese Längsverzahnung der Radnabe 6 von der außenliegenden, d. h. von der der Kraftflußrichtung entgegenweisenden Stirnseite 68 her über nur einen ersten Teil l1 ihrer axialen Erstreckung 1 kopfseitig derart gestaucht, daß in diesem ersten Teil l1 die dort mit 65 bezifferten Gegenzahnlücken der Längsverzahnung 61 eine geringere Breite aufweisen als die relevante Zahnbreite der Zähne der Wellen-Längsverzahnung 91.

Dieses kopfseitige Stauchen der Längsverzahnung 61 der Radnabe 6 kann - wie in Fig. 2 angedeutet - in einfacher Weise mit Hilfe einer Prägekugel 11 vorgenommen werden, welche axial in die zuvor mit Spielpassung gefertigte und zumindest in diesem Bereich (erster Teil l1) ungehärtete Längsverzahnung 61 der Radnabe eingedrückt wird, und zwar vorzugsweise um weniger als die Hälfte der Längserstreckung l. Der Durchmesser dp der Prägekugel 11 ist um so viel größer als der Kopfdurchmesser dk, der mit Spielpassung gefertigten Längsverzahnung 61 gewählt, daß die Gegenzähne 64 im Prägebereich (erster Teil l1) im gewünschten bzw. im erforderlichen Maße gestaucht werden.

Auch die Montage der Zahnwellenverbindung, d. h. das Ineinanderfügen von Wellenende 9 und Radnabe 6 ist sehr einfach durchzuführen. Da die Längsverzahnung 91 des Wellenendes 9 und die Längsverzahnung 61 der Radnabe 6 im nicht gestauchten Bereich 12 mit Spielpassung gefertigt sind, läßt sich das längsverzahnte Wellenende 9 ohne besonderen Zentrieraufwand leicht axial in die Längsverzahnung 61 der Radnabe 6 einführen und zunächst bis zum gestauchten Bereich (erster Teil l1) der Längsverzahnung 61 einschieben. Dieses leichte Einführenkönnen macht diese Zahnwellenverbindung besonders geeignet für automatisierte Montageeinrichtungen.

In den nicht gehärteten gestauchten Bereich (erster Teil l1) der Längsverzahnung 61, in dem die Gegenzähne 64 und Gegenzahnlücken 65 auch nach Stauchung im Regelfall ebenfalls zumindest annähernd prismatisch ausgebildet sind, wird dann die gehärtete Längsverzahnung 91 des Wellenendes 9 unter plastischer und elastischer Verformung der Gegenzähne 14 axial eingepreßt, so daß sich hier ein zentrierter spielfreier Sitz der Radnabe 6 auf dem Wellenende 9 ergibt. Durch diese Plastifizierung wird in vorteilhafter Weise erreicht, daß alle Zähne/Gegenzähne in gleichem Maße an der Drehmomentenübertragung beteiligt werden.

Wenn das in üblicher Weise am freien Ende 9 der Antriebswelle 7 bzw. dessen Achszapfens 8 angeordnete Schraubgewinde 94 für die die Radnabe 6, das Radlager 5 und die Antriebswelle 7 bzw. den Achszapfen 8 axial zusammenspannende Mutter 10 in ihrer Länge zumindest um einige Gewindegänge größer bemessen ist, als die Länge l1 des gestauchten, spielfreien ersten Teils der Längsverzahnung 61, dann kann das Einpressen bzw. das Durchziehen der Längsverzahnung 91 durch den gestauchten Bereich (erster Teil l1) der Längsverzahnung 61 in einfacher Weise in einem Zug beim - z. B. ebenfalls im Rahmen eines automatisierten Vorganges - Aufschrauben der Mutter 10 auf das Schraubgewinde 94 erfolgen, so daß für diesen Einpreßvorgang keine besonderen Vorrichtungen erforderlich werden.

In Fig. 4, die entsprechend einer in Fig. 2 angedeuteten Schnittführung IV zwei verschiedene Querschnittbereiche der zusammengebauten Zahnwellenverbindung zeigt, ist in der oberen Hälfte der Figur gut zu erkennen, daß aufgrund der gewählten Spielpassung die Zahnlücken 93 und die Gegenzahnlücken 63 jeweils um so viel größer bemessen sind, als die relevanten Zahnbreiten der Gegenzähne 62 bzw. der Zähne 92, daß das dadurch bedingte Zahnflankenspiel einerseits bei der Montage ein leichtes axiales Ineinanderführen der beiden Teile ermöglicht und andererseits in Umfangsrichtung ein gewisses Drehspiel um den Winkel e zuläßt.

Im unteren Teil der Fig. 4 ist dagegen gut erkennbar, daß durch das kopfseitige Stauchen der Längsverzahnung 61 in diesem ersten Bereich (erster Teil l1) in der Längsverzahnung 61 Verhältnisse geschaffen wurden, aufgrund derer Zähne 92 und Gegenzähne 64 spielfrei ineinandergreifen bzw. aneinander anliegen.

Die im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 4 - im oberen Teil - dargestellte spitze Zahnkontur ist für die erfindungsgemäße Zahnwellenverbindung nicht zwingend. Es können grundsätzlich auch andere geeignete Konturen gewählt werden; bei spitzen Zahnkonturen von Innenverzahnungen läßt sich das kopfseitige Stauchen jedoch besonders einfach und wirkungsvoll durchführen.

Erwähnt sei noch, daß in Fig. 2 keine realen Zahnkonturen o. ä. dargestellt sind und daß die angegebenen Zahnbreiten b1, b2 der Gegenzähne bzw. die angegebenen Lichten Weiten b3, b4 der Gegenzahnlücken der Längsverzahnung 61 lediglich prinzipienhaften Charakter für eine willkürlich gewählte Teilhöhe der Längsverzahnung besitzen.

Claims

1. Zahnwellenverbindung zwischen einer Antriebswelle (7) und einer Nabe (6), vorzugsweise zwischen Achszapfen (8, 9) und Radnabe eines angetriebenen Kfz- Rades (1), mit einer Vielzahl sich axial erstreckender, formschlüssig ineinandergreifender Zähne (92) und Zahnlücken (93) bzw. Gegenzähne (62, 64) und Gegenzahnlücken (63, 65), wobei Zähne (92) und Gegenzähne (62, 64) - ausgehend von der außenliegenden, d. h. von der der Kraftflußrichtung entgegenweisenden Stirnseite (68) der Nabe (6) - nur auf einem ersten Teil (l1) der axialen Erstreckung (l) der Zahnwellenverbindung spielfrei ineinander eingreifen, während sie im übrigen mit Zahnflankenspiel behaftet sind, wobei die Zähne (92) und Zahnlücken (93) der Längsverzahnung (91) der Antriebswelle (7 bzw. 8, 9) über ihre ganze Länge und die Gegenzähne (62) und Gegenzahnlücken (63) der Nabe (6) zumindest über die zahnflankenspielbehaftete Länge (l2) der Längsverzahnung (61) prismatisch ausgebildet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Längsverzahnung (61) der Nabe (6) von der außenliegenden, d. h. von der der Kraftflußrichtung entgegenweisenden Stirnseite (68) her über nur den ersten Teil (l1) ihrer axialen Erstreckung (l), vorzugsweise über weniger als der halben Erstreckung (l), gestaucht ist, und daß in diesem ersten Teil (l1) die Zähne (92) der Antriebswelle (7 bzw. 8, 9) in die Gegenzahnlücken (65) der Nabe (6) eingepreßt sind.

2. Zahnwellenverbindung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zähne (92) und Zahnlücken (93) der Längsverzahnung (91) der Antriebswelle (7 bzw. 8, 9) über ihre ganze Länge gehärtet, vorzugsweise induktiv- oder einsatzgehärtet sind, daß die Gegenzähne (62) und Gegenzahnlücken (63) der Nabe (6) zumindest über die an die zahnflankenspielbehaftete Länge (l2) anschließende spielfreie Länge (l1) nicht gehärtet sind, und daß das gehärtete längsverzahnte Ende (9) der Antriebswelle (7 bzw. 8) in den nicht gehärteten spielfreien Teil (l1) der Längsverzahnung (61) der Nabe (6) unter plastischer Verformung der Gegenzähne (64) eingepreßt ist.

3. Zahnwellenverbindung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das freie Ende (9) der Antriebswelle (7 bzw. 8) ein Schraubgewinde (94) für eine die Nabe (6) mit der Antriebswelle (7 bzw. 8, 9) axial zusammenspannende Mutter (10) trägt, wobei die Länge (l3) des Schraubgewindes (94) zumindest um einige Gewindegänge größer ist als die Länge (l1) des spielfreien ersten Teils der Längsverzahnung.

4. Zahnwellenverbindung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das freie Ende (9) der Antriebswelle (7 bzw. 8) ein Innenschraubgewinde für eine die Nabe (6) mit der Antriebswelle (7 bzw. 8) axial zusammenspannende Schraube trägt, wobei die Länge der Schraube zumindest etwas größer ist als die Länge (l1) des spielfreien ersten Teils der Längsverzahnung (61).

5. Verfahren zur Herstellung einer Zahnwellenverbindung zwischen einer Antriebswelle (7) und einer Nabe (6), vorzugsweise zwischen Achszapfen (8, 9) und Radnabe eines angetriebenen Kfz-Rades (1), mit einer Vielzahl sich axial erstreckender, formschlüssig ineinander greifender Zähne (92) und Zahnlücken (93) bzw. Gegenzähne (62, 64) und Gegenzahnlücken (63, 65), wobei Zähne (92) und Gegenzähne (93) nur auf einem ersten Teil (l1) der axialen Erstreckung (l) der Zahnwellenverbindung spielfrei ineinander eingreifen, während sie im übrigen mit Zahnflankenspiel behaftet sind, dadurch gekennzeichnet, daß Antriebswelle (7 bzw. 8, 9) und Nabe (6) zunächst über die ganze axiale Erstreckung (l) der Zahnwellenverbindung mit einer mit Spielpassung gefertigten korrespondierenden prismatischen Längsverzahnung (91, 61) versehen werden, daß danach die Längsverzahnung (61) der Nabe (6) von der außenliegenden, d. h. von der der Kraftflußrichtung entgegenweisenden Stirnseite (68) her über nur einen ersten Teil (l1) ihrer axialen Erstreckung (l), vorzugsweise über weniger als der halben Erstreckung, kopfseitig derart gestaucht wird, daß die Gegenzahnlücken (65) der Nabe (6) in diesem ersten Teil (l1) eine geringere Breite aufweisen als die Zähne (92) der Antriebswelle (7 bzw. 8, 9), und daß das längsverzahnte Ende der Antriebswelle (7 bzw. 8, 9) danach von der nichtgestauchten Seite her in die längsverzahnte Nabe (6) eingeführt und schließlich in deren ersten Teil (l1) axial eingepreßt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zum kopfseitigen Stauchen der Längsverzahnung (61) der Nabe (6) eine Prägekugel (11) in die mit Spielpassung gefertigte Längsverzahnung (61) der Nabe (6) eingedrückt wird.