DE102006012031A1

DE102006012031A1 - Verfahren zur Herstellung einer Gelenkanbindung und Gelenkanbindung

Info

Publication number: DE102006012031A1
Application number: DE102006012031A
Authority: DE
Inventors: Werner Jacob; Mathias Dr. Lutz; Manfred NIEDERHÜFNER
Original assignee: Shaft Form Engineering GmbH
Current assignee: Ifa Holding De GmbH; Shaft Form Engineering GmbH; Neumayer Tekfor Engineering GmbH
Priority date: 2005-03-15
Filing date: 2006-03-14
Publication date: 2006-09-21

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Gelenkanbindung zur drehmomentübertragenden Verbindung eines Bauteils, das eine Stirnverzahnung aufweist, mit einem Gleichlaufgelenk, das mit einer korrespondierenden Stirnverzahnung versehen ist, wobei die Stirnverzahnungen über Mittel zum Aufbringen einer axialen Vorspannung miteinander in Eingriff bringbar sind und jeweils aneinander anliegende Flanken als Funktionsflächen aufweisen. Weiter betrifft die Erfindung eine derartige Gelenkanbindung.

Description

Um ein Gelenk drehmomentübertragend und lösbar mit einem beliebigen weiteren Bauteil, bspw. einer Welle, zu verbinden, sind Flanschverbindungen bekannt, die jedoch für einige Anwendungsfälle einen zu großen Bauraum erfordern.

Weiter ist es auch bekannt, eine Vielkeilwelle in eine entsprechend konturierte Bohrung des Gelenks zur Herstellung einer drehmomentübertragenden Verbindung einzustecken. Diese Anbindung erfordert jedoch einen vergleichsweise großen Montageverschiebeweg in axialer Richtung.

Es werden daher in der DE 36 36 243 C2 , der DE 43 10 007 C1 und der DE 43 10 008 C2 Gelenkanbindungen vorgeschlagen, bei denen die Außennabe eines Gelenks mit einer Stirnverzahnung versehen ist, die mit einer an einem weiteren Bauteil vorgesehenen korrespondierenden Stirnverzahnung zur Drehmomentübertragung in Eingriff bringbar ist.

Auch aus der DE 197 51 855 C1 , der DE 199 58 674 C2 und der DE 101 27 458 C2 ist eine Verbindungsanordnung bekannt, bei welcher die Außennabe eines Gelenks mittels einer Stirnverzahnung mit einem Anschlusselement verbindbar ist. Diese Stirnverzahnungen lassen sich weitgehend durch spanlose Umformung erzeugen. Die Herstellung dieser Stirnverzahnungen erscheint jedoch sowohl hinsichtlich der Herstellungskosten als auch hinsichtlich der Fertigungsgenauigkeit der Stirnverzahnung verbesserungsfähig.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren der eingangs genannten Art sowie eine entsprechende Gelenkanbindung zu schaffen, die sich durch eine hohe Fertigungspräzision bei gleichzeitig geringen Herstellungskosten auszeichnet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß im Wesentlichen dadurch gelöst, dass die Stirnverzahnungen in einem oder mehreren Bearbeitungsschritt(en) vorgeformt werden und danach durch spanlose Umformung nur der Funktionsflächen auf Endmaß gefertigt werden. Die Stirnverzahnungen können dabei z.B. durch eine Warmformung oder durch eine Halbwarmformung vorgeformt werden und anschließend durch eine Prägung nur der Funktionsflächen auf Endmaß gefertigt werden.

Es wird bevorzugt, wenn zumindest in dem letzten spanlosen Bearbeitungsschritt nur die Funktionsflächen auf Verdrängung geprägt werden. Im Vergleich zu einer spanlosen Bearbeitung der gesamten Stirnverzahnung, bei welcher Leibungsdruck entsteht und folglich hohe Umformkräfte erforderlich sind, kann durch eine Bearbeitung nur der Funktionsflächen mit vergleichsweise geringem Energieaufwand die erforderliche Umformung durch Verdrängung erfolgen. Durch die Prägung der Funktionsflächen können diese mit sehr hoher reproduzierbarer Genauigkeit auf Endmaß gefertigt werden.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens vergrößern sich die Funktionsflächen durch das spanlose Fertigen auf Endmaß.

Hierbei kann es von Vorteil sein, wenn bei der Vorformung der Stirnverzahnung die Zahnform so ausgebildet wird, dass während des spanlosen Fertigens auf Endmaß ein freier Materialfluss an den an die Funktionsflächen angrenzenden Flächen der Zähne gewährleistet ist. Dies kann insbesondere dadurch erreicht werden, dass bei der Vorformung der Stirnverzahnungen bspw. am Kopfbereich und/oder am Fußbereich jedes Zahnes ein Freiraum zur Aufnahme von während des spanlosen Fertigens auf Endmaß verdrängtem Material ausgebildet wird. Hierdurch wird erreicht, dass nur möglichst wenig Material verdrängt werden muss und gleichzeitig an möglichst wenig Stellen Leibungsdruck auftritt.

Wenn die Stirnverzahnungen und ggf. auch die an diese angrenzenden Bauteile vergütet oder einsatzgehärtet sind, können sich die Funktionsflächen der Stirnverzahnungen bspw. beim Aufbringen der axialen Vorspannung und/oder bei Übertragung eines Drehmoments setzen. Da die Stirnverzahnungen statisch überbestimmt sind, ist ein minimales Setzen der Funktionsflächen während der Montage oder im Einsatz der Gelenkanbindung notwendig und gewünscht. Hierzu ist es vorteilhaft, wenn der Kern der Bauteile vergleichsweise weich ist, um das Setzen zu erleichtern, während die Randschichten hart und widerstandsfähig sind.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird darüber hinaus durch eine vorzugsweise nach dem oben beschriebenen Verfahren hergestellte Gelenkanbindung gelöst.

Um das Bauteil und das Gleichlaufgelenk zueinander zu zentrieren, müssen die Stirnverzahnungen zumindest einen kleinen Keilwinkel aufweisen. Vorzugsweise liegt dieser in der Nähe der Selbsthemmung. Damit bei der erfindungsgemäßen Gelenkanbindung jedoch nur möglichst geringe axiale Kräfte bei der Drehmomentübertragung auftreten, ist der Keilwinkel der Stirnverzahnung vorzugs weise zwischen etwa 1° und etwa 15°, insbesondere etwa zwischen 1,5° und etwa 5° gewählt.

Alternativ oder zusätzlich hierzu sind nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung an dem Bauteil und an dem (Gleichlauf-)Gelenk Eingriffsmittel zur Verbindung mit einer Überwurf- bzw. Sicherungsmutter derart vorgesehen, dass Stirnverzahnungen durch die Sicherungsmutter unter axialer Vorspannung ineinandergreifend fixiert sind. Hierzu kann die Gelenkanbindung eine Innennabe aufweisen, an deren einem Ende die Stirnverzahnung vorgesehen ist. Die Außennabe des Gleichlaufgelenks kann dabei in an sich bekannter Weise mit einer Rohrwelle verbunden werden.

Wenn die Innennabe einen zylindrischen Abschnitt aufweist, an dessen einem Ende die Stirnverzahnung vorgesehen ist, kann die Außenfläche dieses zylindrischen Abschnittes Mittel zur Fixierung der Sicherungsmutter, die zum Aufbringen einer axialen Vorspannung dient, aufweisen. In gleicher Weise kann das durch die Gelenkanbindung mit dem Gelenk zu verbindende Bauteil ebenfalls einen zylindrischen Abschnitt aufweisen, an dessen einem Ende die Stirnverzahnung vorgesehen ist, und dessen Außenfläche Mittel zur Fixierung der Sicherungsmutter aufweist. Die Sicherungsmutter kann dabei bspw. mittels eines Sprengrings, der in die Nut eines der beiden zylindrischen Abschnitte und einer entsprechenden Nut in der Sicherungsmutter eingreift, gehalten werden und mit dem anderen zylindrischen Abschnitt verschraubt werden. Hierdurch lässt sich eine definierte axiale Vorspannung aufbringen, um die beiden Stirnverzahnungen miteinander in Eingriff zu bringen.

Nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist es auch möglich, dass das Bauteil und die Innennabe des Gleichlaufgelenks jeweils eine Bohrung aufweisen, von denen wenigstens eine mit einem Innengewinde versehen ist, so dass durch einen Gewindebolzen bzw. eine Schraube, die das Bauteil und die Innennabe miteinander verbindet, eine definierte axiale Vorspannung aufgebracht werden kann. Insbesondere, wenn die Außennabe des Gleichlaufgelenks mit einer Welle verbunden ist, wird es bevorzugt, dass die Schraube durch eine Bohrung in dem Bauteil durchgeführt und in die Innennabe eingeschraubt wird.

Bei dem Gleichlaufgelenk handelt es sich vorzugsweise um ein Gegenbahngelenk, insbesondere um ein bspw. aus der DE 102 09 933 A1 bekanntes Gegenbahngelenk.

Um ein Setzen der Funktionsflächen der Stirnflächen zu ermöglichen, wird es bevorzugt, wenn die Innennabe des Gleichlaufgelenks einsatzgehärtet ist, während das mit dem Gleichlaufgelenk zu verbindende Bauteil oder zumindest dessen mit der Stirnverzahnung versehene Abschnitt vergütet oder ebenfalls einsatzgehärtet sein kann.

Weiterbildungen, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich auch aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen und der Zeichnung. Dabei bilden alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung, unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Ansprüchen oder deren Rückbeziehung.
Es zeigen schematisch:
1 eine Schnittansicht einer Gelenkanbindung nach einer ersten Ausführungsform der Erfindung,
2 eine Schnittansicht einer Gelenkanbindung nach einer zweiten Ausführungsform der Erfindung,
3 eine Schnittansicht einer Gelenkanbindung nach einer dritten Ausführungsform der Erfindung, und
4 einen Zahn einer erfindungsgemäßen Gelenkanbindung in verschiedenen Stadien der Herstellung.
Die in den 1 bis 3 dargestellten Gelenkanbindungen zeigen in der oberen Bildhälfte jeweils ein mit einem Bauteil 1 verbundenes Gleichlaufgelenk 2, während in der unteren Bildhälfte das Bauteil 1 noch nicht mit dem Gleichlaufgelenk 2 verbunden ist. Gleiche Bauteile werden in den 1 bis 3 mit den selben Bezugsziffern bezeichnet.
Das Gleichlaufgelenk 2 ist in den dargestellten Ausführungsformen ein Gegenbahngelenk, wie es bspw. aus der DE 102 09 933 A1 bekannt ist.
Das Gleichlaufgelenk 2 weist eine Außennabe 3 mit an der Innenseite der Außennabe 3 angeordneten Laufbahnen 3a, eine Innennabe 4 mit an deren Außenseite angeordneten Innenlaufbahnen 4a, einen zwischen der Innennabe 4 und der Außennabe 3 angeordneten und in der Außennabe 3 geführten Käfig 5 sowie Kugeln 6 auf, die in den Laufbahnen 3a und 4a geführt sind. Die Außennabe 3 ist von einem Aufnahmeteil 7 aus Blech umgriffen und drehfest mit diesem verbunden. Das Aufnahmeteil 7 ist bspw. über eine Schweißverbindung 8 mit einer Rohrwelle 9 verbunden.
Das mit dem Gleichlaufgelenk 2 zu verbindende Bauteil 1 kann ein beliebiges anderes Bauteil sein, bspw. eine Welle, ein Radflansch, ein weiteres Gelenk oder dgl.. Die Innennabe 4 des Gleichlaufgelenks 2 weist einen in den dargestellten Ausführungsformen hülsenartigen, zylindrischen Abschnitt 10 auf, der sich in Richtung auf das Bauteil 1 erstreckt und an dessen dem Bauteil 1 zugewandten Ende eine Stirnverzahnung 11 vorgesehen ist.
In gleicher Weise weist auch das Bauteil 1 einen zylindrischen Abschnitt 12 auf, an dessen dem Gleichlaufgelenk 2 zugewandten Ende eine Stirnverzahnung 13 ausgebildet ist. Die Stirnverzahnungen 11 und 13 sind dabei so aneinander angepasst, dass diese, wie jeweils auf den oberen Bildhälften der 1 bis 3 dargestellt, zur Übertragung eines Drehmoments ineinander greifen können.
Der zylindrische Abschnitt 12 des Bauteils 1 kann, wie in 3 dargestellt, einstückig mit diesem ausgebildet sein. Alternativ hierzu ist es auch möglich, dass der zylindrische Abschnitt 12, wie in den 1 und 2 gezeigt, ein separates Element ist, welches mit dem Bauteil 1 drehfest verbindbar ist. In den Ausführungsformen gemäß den 1 und 2 ist der zylindrische Abschnitt 12 als eine Hülse ausgebildet, die mittels einer zumindest bereichsweise auf deren Innenfläche vorgesehenen Längsverzahnung mit einer bereichsweise auf der Außenfläche des Bauteils 1 vorgesehenen korrespondierenden Längsverzahnung 14 drehfest verbindbar ist.
Die drehmomentübertragende Verbindung zwischen dem Bauteil 1 und der Innennabe 4 des Gleichlaufgelenks 2 erfolgt, indem die beiden Stirnverzahnungen 11 und 13 unter axialer Vorspannung miteinander in Eingriff gebracht werden. Hierzu ist in den Ausführungsformen nach den 1 und 2 eine Sicherungsmutter 15 vorgesehen, die ein Innengewinde aufweist, welches auf ein Außengewinde 16 auf dem zylindrischen Abschnitt 12 aufschraubbar ist.
Auf dem zylindrischen Abschnitt 10 der Innennabe 4 ist in einer Nut ein Sicherungsring 17 gehalten, an welchem sich die Sicherungsmutter 15 mit einem dem Gleichlaufgelenk 2 zugewandten Vorsprung 18 abstützt. Auf diese Weise kann durch definiertes Anziehen der Sicherungsmutter 15 der zylindrische Abschnitt 12 des Bauteils 1 derart an den zylindrischen Abschnitt 10 der Innennabe 4 gezogen werden, dass die beiden Stirnverzahnungen 11 und 13 ineinander greifen.
Bei der in 3 dargestellten Ausführungsform ist dagegen das Bauteil 1 mit einer Bohrung 19 versehen. Zudem ist in der Innennabe 4 des Gleichlaufgelenks 2 eine Gewindebohrung 20 eingebracht. Somit lassen sich das Bauteil 1 und die Innennabe 4 mittels eines Gewindebolzens 21 derart aneinander festschrauben, dass die Stirnverzahnungen 11 und 13 drehmomentübertragend ineinander greifen.
Die Herstellung der Stirnverzahnungen 11 und 13 wird im Folgenden unter Bezugnahme auf 4 näher erläutert. Die Stirnverzahnungen 11 und 13 bestehen aus mehreren Zähnen, von denen ein Zahn 22 in 4 schematisch dargestellt ist.
Die Zähne 22 der Stirnverzahnungen werden zunächst vorgeformt, so dass sie bspw. die in 4 durch eine gestrichelte Linie angedeutete Kontur 23 aufweisen. Diese Vorformung kann z. B. spanlos mittels einer Warmumformung erfolgen. Darauffolgend werden die Zähne 22 spanlos auf Endmaß gefertigt, so dass sie ihre in 4 mit durchgezogenen Linien angedeutete Endkontur 24 erhalten.
Dieser spanlose Bearbeitungsschritt kann vorzugsweise durch einen oder mehrere Prägevorgänge erfolgen, wobei jedoch nur auf die Funktionsflächen 25 des Zahnes, d. h. auf die Bereiche der Zahnflanken, die im Betrieb an den Zahnflanken der korrespondierenden Stirnverzahnung anliegen, Verdrängungsdruck ausgeübt wird. Da nur die Funktionsflächen 25 dem Prägevorgang unterworfen werden, herrscht bei der spanlosen Bearbeitung kein Leibungsdruck, so dass die Funktionsflächen 25 mit geringem Kraftaufwand und hoher Präzision auf Endmaß gefertigt werden können.
Die Kontur 23 des vorgeformten Zahnes ist dabei so gewählt, dass bei dem Prägevorgang ein freier Materialfluss an den Flächen gewährleistet ist, die an die Funktionsflächen angrenzen. Hierzu kann bspw. ein Freiraum 26 vorgesehen sein, in welchen das durch die Umformung verdrängte Material fließen kann. Der in 4 dargestellte Freiraum 26 ist lediglich exemplarisch angedeutet und es können in Abhängigkeit der Endkontur 24 der Zähne 22 auch verschiedene Freiräume und/oder ein an einer anderen Stelle angeordneter Freiraum vorteilhaft sein.
Wenn die Stirnverzahnungen 11 und 13 vergütet und/oder einsatzgehärtet sind, weisen die Funktionsflächen 25 die erforderliche Härte zur Drehmomentübertragung auf. Der Kern der Zähne 22 ist jedoch ausreichend weich, so dass sich die Funktionsflächen 25 aufgrund der axialen Vorspannung, die durch die Sicherungsmutter 15 bzw. den Gewindebolzen 21 aufgebracht wird, oder aufgrund der durch die Drehmomentübertragung aufgebrachten Kräfte setzen können. Diese Setzungen sind bei statisch überbestimmten Stirnverzahnungen erforderlich, wenn möglichst alle Zähne 22 gleichmäßig ein Drehmoment übertragen sollen.

Claims

Verfahren zur Herstellung einer Gelenkanbindung zur drehmomentübertragenden Verbindung eines Bauteils, das eine Stirnverzahnung aufweist, mit einem Gleichlaufgelenk, das mit einer korrespondierenden Stirnverzahnung versehen ist, wobei die Stirnverzahnungen über Mittel zum Aufbringen einer axialen Vorspannung miteinander in Eingriff bringbar sind und jeweils aneinander anliegende Flanken als Funktionsflächen aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass die Stirnverzahnungen in einem oder mehreren Bearbeitungsschritt(en) vorgeformt werden und danach durch spanlose Umformung nur der Funktionsflächen auf Endmaß gefertigt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stirnverzahnungen durch Warmformung oder Halbwarmformung vorgeformt werden und danach durch Prägung nur der Funktionsflächen auf Endmaß gefertigt werden.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest in dem letzten spanlosen Bearbeitungsschritt nur die Funktionsflächen auf Verdrängung geprägt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Funktionsflächen durch das spanlose Fertigen auf Endmaß vergrößern.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Vorformung der Stirnverzahnungen die Zahnform so ausgebildet wird, dass während des spanlosen Fertigens auf Endmaß ein freier Materialfluss an den an die Funktionsflächen angrenzenden Flächen der Zähne gewährleistet ist.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Vorformung der Stirnverzahnungen am Kopfbereich und/oder am Fußbereich jedes Zahnes ein Freiraum zur Aufnahme von während des spanlosen Fertigens auf Endmaß verdrängtem Material ausgebildet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die Stirnverzahnungen derart vergütet und/oder einsatzgehärtet sind, dass sich die Funktionsflächen der Stirnverzahnungen bei Aufbringen einer axialen Vorspannung und/oder bei Übertragung eines Drehmoments setzen können.
Gelenkanbindung zur drehmomentübertragenden Verbindung eines Bauteils, das eine Stirnverzahnung aufweist, mit einem Gelenk, das mit einer korrespondierenden Stirnverzahnung versehen ist, die mit einem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche hergestellt ist.
Gelenkanbindung zur drehmomentübertragenden Verbindung eines Bauteils, das eine Stirnverzahnung aufweist, mit einem Gelenk, das mit einer korrespondierenden Stirnverzahnung versehen ist, wobei die Stirnverzahnungen über Mittel zum Aufbringen einer axialen Vorspannung miteinander in Eingriff bringbar sind und jeweils aneinander anliegende Flanken als Funktionsflächen aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Bauteil und an dem Gelenk Eingriffsmittel zur Verbindung mit einer Sicherungsmutter derart vorgesehen sind, dass Stirnverzahnungen durch die Sicherungsmutter unter axialer Vorspannung ineinandergreifend fixiert sind.
Gelenkanbindung zur drehmomentübertragenden Verbindung eines Bauteils, das eine Stirnverzahnung aufweist, mit einem Gelenk, das mit einer korrespondierenden Stirnverzahnung versehen ist, wobei die Stirnverzahnungen über Mittel zum Aufbringen einer axialen Vorspannung miteinander in Eingriff bringbar sind und jeweils aneinander anliegende Flanken als Funktionsflächen aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass die Funktionsflächen der Stirnverzahnung einen Keilwinkel in der Nähe der Selbsthemmung zwischen etwa 1° und etwa 15°, insbesondere zwischen etwa 1,5° und etwa 5°, aufweisen.
Gelenkanbindung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Gieichlaufgelenk eine Innennabe aufweist, an deren einem Ende die Stirnverzahnung vorgesehen ist.
Gelenkanbindung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Innennabe einen zylindrischen Abschnitt aufweist, an dessen einem Ende die Stirnverzahnung vorgesehen ist, und dessen Außenfläche Mittel zur Fixierung einer Sicherungsmutter als Mittel zum Aufbringen einer axialen Vorspannung aufweist.
Gelenkanbindung nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil einen zylindrischen Abschnitt aufweist, an dessen einem Ende die Stirnverzahnung vorgesehen ist, und dessen Außenfläche Mittel zur Fixierung einer Sicherungsmutter als Mittel zum Aufbringen einer axialen Vorspannung aufweist.
Gelenkanbindung nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil und die Innennabe des Gleichlaufgelenks jeweils eine Bohrung aufweisen, von denen wenigstens eine mit einem Innengewinde versehen ist, und durch die ein das Bauteil und die Innennabe verbindender Gewindebolzen als Mittel zum Aufbringen einer axialen Vorspannung eingeschraubt ist.
Gelenkanbindung nach einem der Ansprüche 8 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Gleichlaufgelenk ein Gegenbahngelenk ist.
Gelenkanbindung nach einem der Ansprüche 8 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Innennabe einsatzgehärtet ist und/oder zumindest der mit der Stirnverzahnung versehene Abschnitt des Bauteils vergütet ist.
Welle, insbesondere Längswelle für Kraftfahrzeuge, zur Übertragung eines Drehmoments mit wenigstens einer Gelenkanbindung nach einem der Ansprüche 8 bis 16.