DE202005022109U1

DE202005022109U1 - Kraftschlüssige Verbindung der Stirnflächen zweier Maschinenteile

Info

Publication number: DE202005022109U1
Application number: DE202005022109.0U
Authority: DE
Original assignee: Gehring Technologies GmbH and Co KG
Current assignee: Gehring Technologies GmbH and Co KG
Priority date: 2005-12-19
Filing date: 2005-12-19
Publication date: 2014-01-09
Anticipated expiration: 2015-12-20

Abstract

Baugruppe aus Maschinenteilen, deren Stirnflächen (1, 1', 2, 2', 3, 3', 4'') durch Anpressdruck ausübende Mittel (15) aneinander gedrückt sind, bestehend aus mindestens zwei miteinander zu verbindenden Teilen, die mit Flächen aneinander anliegen, auf die in senkrechter Richtung eine Kraft oder Kraftkomponente einwirkt, so dass ein Mikroformschluss entsteht, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens auf einer (1', 2', 3') oder der aneinander gepressten Flächen Erhebungen (20) aufgebracht sind, die sich in die Fläche des anderen Maschinenteils eingraben.

Description

Die Erfindung betrifft eine kraftschlüssige Verbindung der Stirnflächen zweier Maschinebauteile zur Übertragung hoher Drehmomente oder Querkräfte.
Kraftschlüssige Verbindungen zweier Flächen von Maschinenteilen werden in vielen Bereichen des Maschinenbaus zur Übertragung von Querkräften oder Drehmomenten eingesetzt. Die übertragbare Kraft wird dabei im Wesentlichen durch die Flächenpressung und die dadurch herbeigeführte Reibung zwischen den miteinander verbundenen Flächen bewirkt. Solche Verbindungen sind vor allem in der Antriebstechnik, zum Beispiel zum Antrieb von Hilfsaggregaten, von Bedeutung. Die übertragbare Leistung ist oft durch die Kraft begrenzt, die über den Kontakt der beiden aneinander anliegenden Flächen übertragen werden kann.
Meist werden solche Verbindungen über einen Kraft-/Reibschluss als Welle/Nabe-Verbindungen ausgeführt. Je nach der Geometrie der Wirkflächen handelt es sich dabei um Stirn-, Kegel- oder zylindrische Pressverbindungen sowie damit verwandte Reibschlusspaarungen (Flansche, Spannelemente, Schraubenköpfe). All diese Verbindungen basieren auf einem Flächenkontakt. Die sich einstellende Reibungskraft hängt von verschiedenen Einflüssen, zum Beispiel von der Art des Fügens, der Oberflächenrauheit und der Flächenpressung, die vorzugsweise senkrecht zu den Flächen erfolgt, ab.
Es ist bekannt, zum Zwecke der Erhöhung der Reibung harte Partikel zwischen die beiden miteinander verbindenden Flächen einzubringen. Im Bereich des Eindringens der harten Partikel in das Material der zu verbindenden weicheren Flächen erfolgt ein Mikroformschluss. Die Reibungserhöhung folgt aus dem Widerstand des Materials der Flächen gegenüber einer Furchung durch die harten Partikel. Derartige Verbindungen sind zum Beispiel aus der DE 195 31 077 A1 , der DE 31 49 596 A1 , der DE 101 48 831 , der DE 18 16 854 A1 und der DE 23 46 275 C2 bekannt. Ferner sind federelastische Folien (Diamantfolien) bekannt, in die Partikel aus Hartmaterial (Diamant) eingebettet sind ( EP 0 961 038 B1 , EP 1 564 418 A1 ). Sie werden zwischen die miteinander zu verbindenden Flächen gelegt.
Die Herstellung dieser Folien, insbesondere der in die Folie eingebetteten Partikel aus Diamant, ist teuer. Außerdem sind der verfahrensmäßige Aufwand bei der Herstellung derartiger Verbindungen und die konstruktive Berücksichtigung aufwändig.
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine Baugruppe aus zwei oder mehr Maschinenelementen zur Übertragung hoher Drehmomente zu schaffen, die erheblich einfacher und kostengünstiger herstellbar sind als seither bekannt.
Erfindungsgemäß wird dies durch die im Schutzanspruch 1 angegebenen Merkmale gelost. Die Erfindung betrifft ferner vorteilhafte Weiterbildungen.
Die erfindungsgemäßem Erhebungen können durch geeignete Laserstrahlsysteme erzeugt werden. Hinsichtlich der dabei eingesetzten Geräte wird auf die DE 20 2005 011 772 U , DE 20 2005 005 905 U , EP 0 565 742 B1 ; DE 43 16 012 C2 ; DE 295 06 005 U ; EP 1 275 864 B1 , vgl. auch U. Klink und G. Flores, Laser-Strukturieren von Zylinderlaufbahnen, 9. Internationales Feinbearbeitungskolloquium, 12.–14.10.1999, Braunschweig; Vulkan-Verlag, Essen (1999), ISBN 3-8027-8644-0; T. Abeln und U. Klink, Laserstrukturieren zur Verbesserung der tribologischen Eigenschaften von Oberflächen, in: Dausinger, F. et al., Stuttgarter Lasertage, 2001, S. 61–64) hingewiesen.
Es hat sich gezeigt, dass die erfindungsgemäße Baugruppe bei ansonsten gleicher Anpressfläche und gleichem Anpressdruck sehr viel höhere Drehmomente als nach dem Stande der Technik übertragen kann. Auch Querkräfte zwischen ebenen nicht drehenden und nicht rotationssymmetrischen Flächen können auf diese Weise übertragen werden. Damit geht die Erfindung weit über die bekannte Verbesserung der Haftfestigkeit von Lagerschalen in Pleuelaugen hinaus, wie es aus der EP 1 420 177 bekannt ist.
Die Erfindung ist auch nicht dadurch nahegelegt, dass es durch den Aufsatz von J. Steffen, Der Laser in der Fertigungstechnik, Technische Rundschau 37/88, S. 21 ff. bekannt ist (vgl. S. 27 und Bild 14), durch Materialbearbeitung mit Laserstrahlen größeren Flächen oder linienförmige Spuren zu umschmelzen und dabei Oberflächen zu erzeugen, die eine bestimmte charakteristische Rauhigkeit aufweisen. Sie wird auch ferner nicht naheglegt durch den Aufsatz von F. Henari und W. Blau, Applied Optics, Vol. 34 (1995), No. 3, S. 581 ff., aus dem es bekannt ist, die Rauigkeit von Flächen, die miteinander verklebt werden, und damit das Haften des Klebstoffs durch eine Laserbehandlung zu erhöhen.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung und ihrer vorteilhaften Weiterbildungen wird im Folgenden anhand der beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Es stellen dar:
1 eine mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Verbindung einer Kurbelwelle und einer Riemenscheibe;
2 das in 1 mit II bezeichnete Detail in vergrößerter Darstellung;
3 die Stirnfläche 1' der Kurbelwelle 1 nach 2 in weiter vergrößerter Darstellung;
4 eine Draufsicht auf die Stirnfläche 1' in Richtung der Pfeile IV-IV in 3;
5 die Verbindung der Stirnfläche 1' der Kurbelwelle 1 mit der Stirnfläche 2'' der Stirnfläche 2 in einer 3 entsprechenden Vergrößerung;
6 mehrere Geometrien für die Anordnung der Erhebungen auf einer Stirnfläche.
Die 1 und 2 zeigen die Verbindung des Endes einer Kurbelwelle 1 (erstes Maschinenteil), zweier Ritzel 2 und 3 und einer Riemenscheibe 4 (weitere Maschinenteile) miteinander zu einer Baugruppe. Die Stirnfläche 1' der Kurbelwelle 1, die Stirnfläche 2' des Ritzels 2 und die Stirnfläche 3' des Ritzels 3 sind, wie aus 2 und 3 zu ersehen, mit Erhebungen 20 versehen. Werden nun die Kurbelwelle 1, die Ritzel 2, 3 und die Riemenscheibe 4, wie in 1 gezeigt, durch eine Innensechskantschraube 15, die sich durch eine Bohrung 16 in dem Axialfortsatz der Riemenscheibe 4 hindurch erstreckt und in ein Gewinde 17 in der Kurbelwelle 1 eingreift, senkrecht zu den genannten Flächen aneinander gezogen, so graben sich die gehärteten Erhebungen 20 in die glatte nicht gehärtete Stirnfläche 2'' des Ritzels 2, die glatte nicht gehärtete Stirnfläche 3'' des Ritzels 3 und in die glatte nicht gehärtete Stirnfläche 4'' der Riemenscheibe 4 ein und bilden damit jeweils einen Mikroformschluss, der die Übertragung von Drehmomenten möglich macht, die wesentlich größer sind als dies bei Aneinanderpressung glatter Oberflächen mit derselben Kraft der Fall wäre.
Das Anbringen der gehärteten Erhebungen 20 zum Beispiel an der Stirnfläche 1' nach 3 erfolgt durch Laserstrukturieren, das heißt durch hochenergetische gebündelte und auf die zu bearbeitenden Fläche fokussierte Laserstrahlen. Es handelt sich dabei zum Beispiel um einen YAG-Laser (Ytrium-Aluminium-Granat-Laser) (vergleiche zum Beispiel die schematische Darstellung eines solchen Lasers bei Popraw, R., Lasertechnik für die Fertigung, Springer-Verlag Berlin/Heidelberg 2005, S. 232' sowie die eingangs gegebenen Hinweise auf die Patentliteratur). Man kann eine Fläche 1' mit einem solchen Laser zum Beispiel so beaufschlagen, dass längliche Taschen 21 entstehen (vgl. 3, 4). Das Einbringen solcher Strukturen kann in verschiedenen Mustern erfolgen, zum Beispiel auch punktförmig. Dann sind die Taschen 22 rund. Diese runden oder länglichen Taschen können nun ihrerseits linienförmig (z. B. als Riefen 23) oder kreisförmig in verschiedene Geometrien aufgebracht sein, wie das aus 6 hervorgeht.
Beim Einbringen der Erhebungen 20 mittels Laserstrahlen entstehen die Erhebungen durch punktuelles Schmelzen des Materials der Flächen, das sich an den Rändern aufwirft, anschließend sich durch Erkalten verfestigt und dabei aushärtet. Die hohe Konzentration der Energie im Fokus des Laserstrahls bewirkt das Aufschmelzen und Aushärten der Erhebungen des Materials in der ansonsten weicheren und glatten Oberfläche.
Dies führt dazu, dass sich diese aufgeschmolzenen und gehärteten Erhebungen 20 der Flächen 1', 2', 3' beim Aneinanderpressen wie nach 1 in die glatten nicht gehärteten, somit weicheren und als Partner bei der Bildung von Baugruppen dienenden Flächen 2'', 3'', 4'' eingraben und damit eine drehmomentfeste beziehungsweise querkraftfeste Verbindung bilden. Diese Verbindung ist auch wieder lösbar.
Die Erfindung geht über das beschriebene bevorzugte Ausführungsbeispiel hinaus. Sie umfasst nicht nur durch Laserstrukturieren, d. h. im Prinzip durch ein punktuelles Aufschmelzen und Härten erzeugte Erhebungen, die sich in eine weichere Fläche graben sollen. Die Erhebungen können auch mittels eines Elektronen-Strahls oder mechanisch eingebracht sein. Wichtig ist, dass sie härter sind als die ”weiche” Fläche des jeweils anderen Maschinenteils.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 19531077 A1 [0004]
DE 3149596 A1 [0004]
DE 10148831 [0004]
DE 1816854 A1 [0004]
DE 2346275 C2 [0004]
EP 0961038 B1 [0004]
EP 1564418 A1 [0004]
DE 202005011772 U [0008]
DE 202005005905 U [0008]
EP 0565742 B1 [0008]
DE 4316012 C2 [0008]
DE 29506005 U [0008]
EP 1275864 B1 [0008]
EP 1420177 [0009]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

U. Klink und G. Flores, Laser-Strukturieren von Zylinderlaufbahnen, 9. Internationales Feinbearbeitungskolloquium, 12.–14.10.1999, Braunschweig; Vulkan-Verlag, Essen (1999), ISBN 3-8027-8644-0 [0008]
T. Abeln und U. Klink, Laserstrukturieren zur Verbesserung der tribologischen Eigenschaften von Oberflächen, in: Dausinger, F. et al., Stuttgarter Lasertage, 2001, S. 61–64 [0008]
J. Steffen, Der Laser in der Fertigungstechnik, Technische Rundschau 37/88, S. 21 ff. bekannt ist (vgl. S. 27 und Bild 14) [0010]
F. Henari und W. Blau, Applied Optics, Vol. 34 (1995), No. 3, S. 581 ff. [0010]
Popraw, R., Lasertechnik für die Fertigung, Springer-Verlag Berlin/Heidelberg 2005, S. 232' [0019]

Claims

Baugruppe aus Maschinenteilen, deren Stirnflächen (1, 1', 2, 2', 3, 3', 4'') durch Anpressdruck ausübende Mittel (15) aneinander gedrückt sind, bestehend aus mindestens zwei miteinander zu verbindenden Teilen, die mit Flächen aneinander anliegen, auf die in senkrechter Richtung eine Kraft oder Kraftkomponente einwirkt, so dass ein Mikroformschluss entsteht, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens auf einer (1', 2', 3') oder der aneinander gepressten Flächen Erhebungen (20) aufgebracht sind, die sich in die Fläche des anderen Maschinenteils eingraben.
Baugruppe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Erhebungen härter sind als das Material der Fläche d und dass bei der Verbindung der Flächen die gehärteten Erhebungen (20) der einen Fläche sich in die nicht gehärtete Fläche des anderen Maschinenteils eingraben.
Baugruppe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Stirnflächen der Maschinenteile solche rotationssymmetrischer Bauteile sind.
Baugruppe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Erhebungen (20) durch punktuelle oder linienförmige Beaufschlagung mit einem fokussierten Laserstrahl (Laserstrukturieren) oder Elektronenstrahl aufgebracht sind.
Baugruppe nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Erhebungen (20) durch Aufschmelzen des Materials der Fläche entstehen.
Baugruppe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Erhebungen (20) mechanisch eingebracht sind.
Baugruppe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei aneinander liegenden Flächen mit Erhebungen versehen sind, die beim Aneinanderliegen der Flächen nicht aufeinandertreffen.