DE10053938A1 - Welle- und Welle-Nabe-Verbindung zur Übertragung von Drehmomenten - Google Patents

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Welle (10) zur Übertragung von Drehmomenten, wobei ein Ende (13) der Welle (10) in eine Ausnehmung (23) einer Nabe (22) einsetzbar ist. Erfindungsgemäß weist dieses Ende (13) eine Verdickung (14) auf, die mit einem oder mehreren Schlitzen (15, 16, 17) versehen ist. Durch diese Schlitze wird eine elastische Verformung des Endes (13) ermöglicht. Bei einer erfindungsgemäßen Welle-Nabe-Verbindung ist der Durchmesser (D) des Endes (13) der Welles (10) größer als der Durchmesser (d) einer Ausnehmung (23) der Nabe. Das Ende (13) ist daher elastisch verformt. Die herrschenden Rückstellkräfte stellen eine in Umfangsrichtung spielfreie Verbindung zwischen der Welle (10) und der Nabe (22) bereit.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Welle zur Übertragung von Drehmomenten, wobei ein Ende der Welle in eine Ausnehmung einer Nabe einsetzbar ist. Sie betrifft weiter eine Welle-Nabe-Verbindung, bei der ein Ende der Welle in eine Ausnehmung der Nabe eingesetzt ist.

Derartige Wellen sowie die Verbindung zwischen der Welle und der Nabe sind in vielfältigen Ausgestaltungen bekannt geworden. Wellen­ enden für elektrisch-mechanische Bauteile sind in der DIN 41591 dar­ gestellt. Es können runde oder abgeflachte Wellenenden, gegebenen­ falls mit einer Hohlbohrung oder einem Schraubendreherschlitz vorge­ sehen werden. Welle-Nabe-Verbindungen sind beispielsweise in W. Beitz, K-H. Küttner (Hrsg.), "Dubbel, Taschenbuch für den Maschinen­ bau", 16. Auflage 1987, Springer Verlag, Seiten G 59 bis 6 63 darge­ stellt. Nachteilig bei den bekannten Welle-Nabe-Verbindungen ist, daß sich eine in Drehrichtung spielfreie Verbindung, die gleichzeitig einen Toleranzausgleich aufweist, nicht erreichen läßt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Welle sowie eine Welle-Nabe-Verbindung bereitzustellen, die eine spielfreie Übertragung von Drehmomenten ermöglichen und gleichzeitig einen Toleranzaus­ gleich gewährleisten.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei einer Welle der eingangs ge­ nannten Art dadurch gelöst, daß dieses Ende eine Verdickung auf­ weist, die mit einem oder mehreren Schlitzen versehen ist. Bei der er­ findungsgemäßen Welle-Nabe-Verbindung ist zur Lösung vorgesehen, daß das Ende elastisch verformbar ist und in unbelastetem Zustand einen Durchmesser aufweist, der größer ist als der Durchmesser der Ausnehmung.

Die Erfindung sieht erstmals vor, das in die Nabe eingesetzte Ende der Welle beim Einsetzen elastisch zu verformen, insbesondere zusammen­ zudrücken. Durch die elastische Rückstellkraft wird die Außenseite des Endes mit einer gewissen Kraft gegen die Innenseite der Ausnehmung der Nabe gedrückt. Durch diese Kraft entsteht eine Drehsicherung zwi­ schen Welle und Nabe, die eine spielfreie Verbindung in Umfangsrich­ tung gewährleistet. Das übertragbare Drehmoment hängt hierbei von der Anpreßkraft und dem Reibungsbeiwert zwischen Welle und Nabe ab.

Auf Grund der elastischen Verformung ist ein Ausgleich von Toleran­ zen bezüglich des Durchmessers automatisch gewährleistet. Auch ein Ausgleich in Längsrichtung der Welle läßt sich ohne weiteres erreichen. Bis zu einem gewissen Umfang kann auch ein Versatz der Achsen von Welle und Nabe durch die elastische Verformung des Wellenendes ausgeglichen werden.

Weiter ergibt sich eine einfache Montage. Das Ende der Welle wird ein­ fach in die Ausnehmung der Nabe eingesetzt. Das Anbringen zusätzli­ cher Spann- oder Verbindungselemente ist nicht erforderlich.

Die Schlitze unterteilen das Ende in mindestens zwei elastisch ver­ formbare Abschnitte. Die insgesamt zur Verfügung stehende Verfor­ mung wird durch die Breite und die Anzahl sowie Anordnung der Schlitze festgelegt. Über die Länge der Schlitze kann die Rückstellkraft der einzelnen Abschnitte beeinflußt werden. Die Verdickung stellt si­ cher, daß stets eine definierte Kontaktfläche oder Kontaktlinie an der Außenseite des Wellenendes vorliegt. Sie ermöglicht die erfindungsge­ mäß vorgesehene elastische Verformung der Abschnitte nach Art von Biegebalken. Die Welle kann hierbei in Richtung ihrer Längsachse ge­ genüber der Nabe verschoben werden, ohne daß sich die Kontaktfläche und die elastische Verformung des Wellenendes verändern.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den abhängigen Ansprüchen hervor.

Vorteilhaft ist die Verdickung in Richtung parallel zur Längsachse der Welle bogenförmig ausgebildet. Diese bogenförmige Ausbildung er­ möglicht ein Verschwenken der Welle gegenüber der Nabe und somit zusätzlich den Ausgleich von Winkelfehlern.

In vorteilhafter Ausgestaltung ist zwischen der Verdickung und dem anderen Ende der Welle ein Bereich mit verringertem Durchmesser vor­ gesehen. Zur Herstellung der erfindungsgemäßen Welle kann daher ein­ fach in diesem Bereich Material abgetragen werden. Der Durchmesser der Verdickung wird dann vorteilhaft so groß wie der Durchmesser der Welle oder nur geringfügig kleiner gewählt. Es muß dann nur das zum Einsetzen in die Ausnehmung der Nabe vorgesehene Ende nachbearbei­ tet werden.

Nach einer vorteilhaften Weiterbildung erstrecken sich die Schlitze pa­ rallel zur Längsachse der Welle. Derartige Schlitze sind einfach herzu­ stellen und führen zu einer gleichmäßigen Verformung und Belastung.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung erstrecken sich die Schlitze über die Verdickung und gegebenenfalls durch den Bereich mit verrin­ gertem Durchmesser hindurch. Breite und Länge der Schlitze werden hierbei in Abhängigkeit von den Randbedingungen variiert. Die Berech­ nung der einzelnen, durch die Schlitze getrennten Abschnitte erfolgt in Analogie zum Biegebalken. Es können daher für unterschiedliche An­ wendungsfälle bereits vorab das Übermaß der Verdickung gegenüber der Ausnehmung der Nabe und die Breite, Länge, Anzahl und Anord­ nung der Schlitze rechnerisch ermittelt werden.

In vorteilhafter Weiterbildung ist am Ende jedes Schlitzes eine Quer­ bohrung vorgesehen. Der Durchmesser der Querbohrung kann nähe­ rungsweise der Breite des zugeordneten Schlitzes entsprechen. Durch die Querbohrung wird die Kerbwirkung verringert, so daß die Lebens­ dauer der Welle gesteigert wird.

Nach einer ersten vorteilhaften Ausgestaltung sind zwei Schlitze vor­ gesehen, die sich über den gesamten Durchmesser des Endes mit der Verdickung erstrecken. Die Schlitze können insbesondere rechtwinklig zueinander angeordnet werden. In zweiter vorteilhafter Ausgestaltung sind drei Schlitze vorgesehen, die sich von der Außenseite des Endes mit der Verdickung bis zur Mitte der Welle erstrecken. Diese Schlitze sind dann näherungsweise sternförmig angeordnet. Bei der ersten Aus­ gestaltung werden vier voneinander getrennte Abschnitte und bei der zweiten Ausgestaltung drei Abschnitte bereitgestellt. Hierdurch läßt sich eine gute Anpassung an die jeweils herrschenden Anforderungen erreichen.

Vorteilhaft weist das Ende eine Planfläche mit einem Vorsprung auf. Dieser Vorsprung ist vorteilhaft an der Verdickung angeordnet und er­ streckt sich über die gesamte Breite der Planfläche. Er liegt an einer zugeordneten Planfläche der Nut an. Vorteilhaft ist auch der Vorsprung in einer Richtung parallel zur Längsachse der Welle bogenförmig aus­ gebildet. Hierdurch wird zusätzlich zu der Reibungskraft noch eine formschlüssige Verbindung bereitgestellt. Diese formschlüssige Verbin­ dung ermöglicht eine Übertragung von Drehmomenten auch dann, wenn die Reibungskraft unerwartet absinkt, beispielsweise durch das Eindringen von Schmiermittel in die Ausnehmung der Nabe.

Nachstehend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert, die in schematischer Weise in der Zeichnung dargestellt sind. Für gleiche oder funktionsidentische Bauteile werden durchge­ hend dieselben Bezugszeichen verwendet. Dabei zeigt:

Fig. 1 eine Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Welle in ers­ ter Ausgestaltung;

Fig. 2 eine Draufsicht auf das Ende der Welle gemäß Pfeilrich­ tung II in Fig. 1;

Fig. 3 eine Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Welle in zwei­ ter Ausgestaltung;

Fig. 4 eine Ansicht in Pfeilrichtung IV in Fig. 3;

Fig. 5 eine Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Welle in drit­ ter Ausgestaltung;

Fig. 6 eine Ansicht in Pfeilrichtung VI in Fig. 5;

Fig. 7 eine Darstellung der Welle-Nabe-Verbindung vor dem Ein­ setzen des Endes in die Ausnehmung der Nabe;

Fig. 8 eine vergrößerte Darstellung ähnlich Fig. 7 im Halb­ schnitt;

Fig. 9 einen Schnitt durch eine erste Ausgestaltung einer erfin­ dungsgemäßen Welle-Nabe-Verbindung; und

Fig. 10 einen Querschnitt durch eine zweite Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Welle-Nabe-Verbindung.

Die Fig. 1 und 2 zeigen eine erste Ausgestaltung einer erfindungs­ gemäßen Welle 10 mit einer Längsachse 11 und zwei Enden 12, 13. Das Ende 13 weist eine Verdickung 14 auf, die mit zwei Schlitzen 15, 16 versehen ist. Die Schlitze 15, 16 sind hierbei rechtwinkelig zuein­ ander angeordnet. Am Ende der Schlitze 15, 16 ist jeweils eine Quer­ bohrung 18, 19 vorgesehen. Die Länge L und die Breite B1, B2 der Schlitze 15, 16 wird in Abhängigkeit von den Randbedingungen fest­ gelegt.

Durch die Schlitze 15, 16 wird das Ende 13 in insgesamt vier Ab­ schnitte 30, 31, 32, 33 unterteilt. Die Schlitze 15, 16 sind hierbei gleichmäßig über den Umfang der Welle 10 verteilt und erstrecken sich parallel zur Längsachse 11 über den gesamten Durchmesser des Endes 13 der Welle 10. Die Abschnitte 30, 31, 32, 33 sind elastisch zuein­ ander beweglich.

Die Fig. 3 und 4 zeigen eine weitere Ausgestaltung einer erfin­ dungsgemäßen Welle 10. Bei dieser Ausgestaltung ist zwischen der Verdickung 14 und dem anderen Ende 12 der Welle 10 ein Bereich 21 mit verringertem Durchmesser vorgesehen. Der Durchmesser der Ver­ dickung 14 entspricht dem Durchmesser der Welle 10. Diese Ausges­ taltung ermöglicht eine vereinfachte Herstellung der Welle 10, da nur das Ende 13 mit der Verdickung 14 und dem Bereich 21 nachbearbei­ tet werden muß.

Es sind drei Schlitze 15, 16, 17 vorgesehen, die sich wiederum parallel zur Längsachse 11 der Welle 10 erstrecken und gleichmäßig über den Umfang verteilt sind. Die Länge L der Schlitze 15, 16, 17 entspricht hierbei der Länge der Verdickung 14 und des Bereichs 21 mit verringer­ ten Durchmesser. Auch hier ist am Ende jedes Schlitzes 15, 16, 17 eine Querbohrung 18, 19, 20 vorgesehen.

Die drei Schlitze 15, 16, 17 erstrecken sich von der Außenseite des Endes 13 bis zur Mitte der Welle 10. Sie sind gleichmäßig über den Umfang verteilt. Es bilden sich entsprechend drei Abschnitte 30, 31, 32, die wiederum elastisch gegeneinander verformbar sind.

In den Fig. 5 und 6 ist eine dritte Ausgestaltung einer erfindungs­ gemäßen Welle 10 dargestellt. Das Ende 13 weist bei dieser Ausges­ taltung eine Planfläche 25 mit einem Vorsprung 26 auf. Der Vorsprung 26 erstreckt sich über die gesamte Breite der Planfläche 25 und ist in Richtung parallel zur Längsachse 11 der Welle 10 bogenförmig. Er ist im Bereich der Verdickung 14 angeordnet. Im verbleibenden Umfangs­ bereich ist das Ende 13 wie bei den ersten beiden Ausführungen mit der Verdickung 14 versehen. Es sind zwei Schlitze 15, 16 mit Querbohrungen 18, 19 an ihren Enden vorgesehen, die das Ende 13 in ins­ gesamt vier Abschnitte 30, 31, 32, 33 unterteilen. Eine Erläuterung der Funktion der Planfläche 25 und des Vorsprungs 26 erfolgt an Hand von Fig. 10.

Bei sämtlichen Ausgestaltungen ist die Verdickung 14 in einer Richtung parallel zur Längsachse 11 in der Welle 10 bogenförmig ausgebildet. Diese bogenförmige Ausbildung ermöglicht eine definierte Kontaktflä­ che beziehungsweise Kontaktlinie an der Verdickung 14.

Die Fig. 7 und 8 zeigen eine Darstellung der erfindungsgemäßen Welle-Nabe-Verbindung vor dem Einsetzen des Endes 13 der Welle 10 in eine Ausnehmung 23 einer Nabe 22. Der Durchmesser d der Aus­ nehmung 23 ist hierbei kleiner als der Durchmesser D der Verdickung 14. Beim Einsetzen des Endes 13 in die Ausnehmung 23 wird dieses elastisch zusammengedrückt. Die Abschnitte 30, 31, 32, 33 werden ähnlich Biegebalken verbogen. Auf Grund der Elastizität des Endes 13 drückt dann die Verdickung 14 gegen die Innenseite der Ausnehmung 23. Das übertragbare Drehmoment zwischen der Welle 10 und der Na­ be 22 hängt dann von der Anpreßkraft und dem Reibungsbeiwert ab. Solange das tatsächlich herrschende Drehmoment kleiner ist als das maximal übertragbare Drehmoment, ist eine in Umfangsrichtung spiel­ freie Verbindung zwischen der Welle 10 und der Nabe 22 gewährleis­ tet.

Die Bogenform der Verdickung 14 wird hierbei derart gewählt, daß auch bei einem Versatz Δ zwischen der Längsachse 11 der Welle 10 und der Längsachse 24 der Ausnehmung 23 ein zuverlässiges Einfüh­ ren in die Ausnehmung 23 gewährleistet ist. Dies ist schematisch in Fig. 8 dargestellt. Trotz des Versatzes Δ trifft die Umfangskante 28 der Ausnehmung 23 noch auf den bogenförmigen Bereich der Verdi­ ckung 14. Hierdurch wird das Einführen des Endes 13 in die Ausneh­ mung 23 wesentlich erleichtert. Weiter können eventuell vorhandene Montage- oder Fertigungstoleranzen ausgeglichen werden. Auf Grund der Elastizität des Endes 13 ist dennoch eine zuverlässige Verbindung gewährleistet.

Fig. 9 zeigt eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Welle-Nabe-Verbindung. Die Welle 10 ist mit ihrem Ende und in die Ausnehmung 23 der Nabe 22 eingesetzt. Wegen des Durchmesserun­ terschieds sind die Bereiche 30, 32 elastisch verformt. Die maximale Verformung wird durch die Breite B und die Länge L der Schlitze 15, 16, 17 beschränkt.

Die dargestellte Welle-Nabe-Verbindung leistet innerhalb der Längsab­ messungen der Ausnehmung 23 einen Ausgleich für einen Längenver­ satz x. Das Ende 13 der Welle liegt hierbei stets nur mit der Verdi­ ckung 14 an der Innenseite der Ausnehmung 23 an. Unabhängig von dem tatsächlichen Längenversatz liegt daher stets dieselbe Berührflä­ che an der Verdickung 14 vor. Die Verformung der Abschnitte 30, 32 ist daher unabhängig vom Längenversatz x.

In Fig. 9 ist weiter dargestellt, daß die erfindungsgemäße Welle-Nabe- Verbindung auch einen Winkelversatz α zwischen der Längsachse 11 der Welle 10 und der Längsachse 24 der Ausnehmung 23 ermöglicht. Auf Grund der bogenförmigen Ausbildung der Verdickung 14 kann die Welle 11 in einem gewissen Winkelbereich gegenüber der Nabe 22 verschwenkt werden. Die genaue Bogenform der Verdickung 14 kann hierbei vorab derart festgelegt werden, daß unabhängig von der Win­ kelposition stets dieselbe Verformung des Endes 13 und damit stets dieselbe Anpreßkraft vorliegen.

Fig. 10 zeigt einen Querschnitt durch eine zweite Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Welle-Nabe-Verbindung. Es wird hierbei eine Welle 10 mit einem Ende 13 verwendet, das die Planfläche 25 mit dem Vor­ sprung 26 gemäß den Fig. 5 und 6 aufweist. Der Vorsprung 26 liegt hierbei an einer zugeordneten Planfläche 27 der Nabe 22 flächig an. Durch diese flächige Anlage wird eine in Umfangsrichtung form­ schlüssige Verbindung erreicht. Der erfindungsgemäß vorgesehene Ausgleich des Längenversatzes x ist unverändert gewährleistet.

Auch der Vorsprung 26 ist bogenförmig in Richtung parallel zur Längs­ achse 11 der Welle 10 ausgebildet. Es kann hierbei dieselbe Kontur wie bei der Verdickung 14 oder eine hiervon abweichende Kontur ge­ wählt werden. Auf Grund der bogenförmigen Ausbildung ist auch bei der Welle-Nabe-Verbindung gemäß Fig. 10 der Ausgleich eines Win­ kelversatzes α möglich. Die elastische Verformung des Wellenendes 13 ist auch bei dieser Ausgestaltung vorgesehen. Zur Vermeidung von Wiederholungen wird auf oben stehende Erläuterungen verwiesen.

Die erfindungsgemäße Welle 10 mit ihrem elastisch verformbaren Ende 13 ermöglicht eine spielfreie Übertragung von Drehmomenten. Gleich­ zeitig wird ein Toleranzausgleich sowohl in Längsrichtung als auch in Radialrichtung gewährleistet. Die erfindungsgemäße Welle-Nabe- Verbindung kann darüber hinaus einen Winkelversatz zwischen der Welle 10 und der Nabe 22 ausgleichen.

Claims (14)

1. Welle zur Übertragung von Drehmomenten, wobei ein Ende (13) der Welle (10) in eine Ausnehmung (23) einer Nabe (22) ein­ setzbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß dieses Ende (13) eine Verdickung (14) aufweist, die mit einem oder mehreren Schlitzen (15, 16, 17) versehen ist.

2. Welle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verdi­ ckung (14) in Richtung parallel zur Längsachse (11) der Welle (10) bogenförmig ausgebildet ist.

3. Welle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Verdickung (14) und dem anderen Ende (12) der Welle (10) ein Bereich (21) mit verringertem Durchmesser vorge­ sehen ist.

4. Welle nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeich­ net, daß sich die Schlitze (15, 16, 17) parallel zur Längsachse (11) der Welle (10) erstrecken.

5. Welle nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeich­ net, daß sich die Schlitze (15, 16, 17) über die Verdickung (14) und gegebenenfalls durch den Bereich (21) mit verringertem Durchmesser hindurch erstrecken.

6. Welle nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeich­ net, daß am Ende jedes Schlitzes (15; 16; 17) eine Querbohrung (18; 19; 20) vorgesehen ist.

7. Welle nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeich­ net, daß zwei Schlitze (15, 16) vorgesehen sind, die sich über den gesamten Durchmesser des Endes (13) mit der Verdickung (14) erstrecken.

8. Welle nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeich­ net, daß drei Schlitze (15, 16, 17) vorgesehen sind, die sich von der Außenseite des Endes (13) mit der Verdickung (14) bis zur Mitte der Welle (10) erstrecken.

9. Welle nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeich­ net, daß die Schlitze (15, 16, 17) gleichmäßig über den Umfang verteilt sind.

10. Welle nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeich­ net, daß das Ende (13) eine Planfläche (25) mit einem Vorsprung (26) aufweist.

11. Welle nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Vorsprung (26) über die gesamte Breite der Planfläche (25) er­ streckt.

12. Welle nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorsprung (26) in Richtung parallel zur Längsachse (11) der Weile (10) bogenförmig ausgebildet ist.

13. Welle-Nabe-Verbindung, insbesondere unter Verwendung einer Welle (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Ende (13) der Welle (10) in eine Ausnehmung (23) der Nabe (22) eingesetzt ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Ende (13) elastisch verformbar ist und in unbelastetem Zustand einen Durchmesser (D) aufweist, der größer ist als der Durchmesser (d) der Ausnehmung (23).

14. Welle-Nabe-Verbindung nach Anspruch 13, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Ende (13) zur Verdrehsicherung einen Vor­ sprung (26) aufweist, der sich über die gesamte Breite des En­ des (13) erstreckt und an einer zugeordneten Planfläche (27) der Nabe (22) anliegt.