Bund mit stirnseitigen Zähnen für eine antreibbare Radnabe

Beschreibung

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft einen Bund aus kalt plastisch verformten Material einer Nabe, mit dem wenigstens ein Innenring einer Radlagereinheit auf der Nabe axial fest gehalten ist und in den stirnseitig Zähne für den Eingriff in eine Gegenverzahnung eingeformt sind.

Hintergrund der Erfindung

Mit einem derartigen Bund befasst sich DE 36 36 243 A1. Mittels des Bundes ist die Radlagereinheit, in der Regel eine Schrägkugellager- oder Schrägrollenanordnung, spielfrei vorgespannt in sich gehalten. Der fertige Bund 3 nach Figur 1 wird wie in Figur 2a und Figur 3 dargestellt, aus einem einteilig mit einer Nabe 1 ausgebildeten hohlen Endstück 2 geformt. Beim Formen des Bundes 3 wird das Material des Endstückes 2 plastisch über die Kante 4 des Innenringes 5 radial nach außen umgelegt. Wenn der Bund 3, wie auch in Figur 2b dargestellt, eine Stirnverzahnung 6 mit Zähnen 7 für den Eingriff in eine nicht weiter dargestellte Gegenverzahnung aufweist,

werden die Zähne 7 entweder beim Umlegen des Endstückes 2 zum Bund 3 mit eingeformt oder die Zähne 7 werden mit einem gesonderten Verfahrensschritt in den fertigen Bund 3 eingebracht. Die Gegenverzahnung ist beispielsweise an einer Glocke einer Gelenkwelle ausgebildet.

Der Bund 3 wird mit einem Werkzeug aus dem Endstück 2 geformt. Dazu wird das zunächst im wesentlichen hohlzylindrische Endstück 2, wie in Figur 3 dargestellt, radial trichterförmig aufgeweitet und in der Endstellung nach Figur 2b zum Bund 3 geformt. Problematisch ist das Ausformen der Zähne 7. Das Material des Teils 8 des Endstückes 2 verjüngt sich beim Aufweiten und Umlegen und fließt radial nach außen. Der jeweilige Zahn 7 ist aufgrund des unkontrollierbaren Wegfließens des Materials nach außen nicht voll ausgeformt und der tragende Anteil, der insbesondere von dem Maß B bestimmt ist, ist gering. B ist eine Strecke zwischen den Punkten S und T. Der nicht ausgefüllte Anteil C und A - (B + C) ist gemessen am Gesamtanteil des Zahnes 7 über die Länge A gering.

Ein Anteil des Materials weicht unter Umständen auch unkontrolliert nach innen aus, so dass sich zwischen dem Innenring 5 und der Nabe 1 ein Ring- spalt 31 ausbildet, der sich nachteilig auf den Festsitz des Innenringes 5 auswirkt.

Dieses Problem versuchte die Fachwelt, wie in DE 36 36 243 A1 dargestellt, durch ein Werkzeug zu verhindern, das den Bund radial außen am Wegflie- ßen hindert. Der Prozess ist jedoch aufgrund von Toleranzen in den Abmessungen des Rohlings, wie Wandstärke und Durchmesser des Endstückes, in der Regel schwer in der erforderlichen Güte realisierbar.

Bei der Montage des Antriebselementes in die Radnabenanordnung zentrie- ren sich das Antriebselement und die Radnabe bezüglich der Rotationsachse aufgrund der Geometrie der Verzahnung zueinander. Eine hohe Rundlaufgenauigkeit an der Verbindung im Fahrbetrieb ist somit abgesichert. Die

Montage des Gelenkteils zur Nabe gestaltet sich einerseits aufgrund der Selbstzentrierung einfach, bedarf andererseits jedoch einer sehr hohen axialen Vorspannkraft.

Die Flanken aller Zähne der Stirnverzahnung stehen mit beiden Flanken aller Zähne der Gegenverzahnung im Eingriff. Die Verzahnungen sind mittels eines oder mehrerer Schraubelemente axial verspannt. Drehmomente werden durch den aus Flächenpressung erzeugten Kraft - Formschluss auf die Radnabe übertragen.

Die Verbindung des Gelenkteils mit einer Radnabe ist insbesondere dann von Vorteil, wenn hohe Momente vom Antrieb zum Rad oder u.U. auch im umgekehrten Momentenfluss übertragen werden sollen. Oft sind die üblicherweise eingesetzten Paarungen aus Innen- und Außenverzahnungen bauraumtechnisch und somit hinsichtlich der Festigkeit ausgereizt, so dass die Stirnverzahnung eine sichere und Bauraum sparende Alternative zu diesen ist. Die starre Auslegung zur Übertragung von hohen Drehmomenten zum Rad kann sich dann nachteilig auswirken, wenn im Falle von Überlast ein Bruch der Radnabe im ungünstigsten Fall zum Verlust des Fahrzeugra- des führt.

Zusammenfassung der Erfindung

Die Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Bund zu schaffen mit dessen Gestaltung die zuvor genannten Nachteile vermieden werden.

Diese Aufgabe ist durch die Merkmale des Anspruchs 1 und eines weiteren unabhängigen Anspruches gelöst. Der Bund ist aus plastisch verformten Material des Endstückes der Nabe gebildet, Das Material des hohlen Endstückes ist vorzugsweise kalt durch das so genannte Wälznieten, ein Pro- zess aus Aufweiten, Biegen und Prägen, radial nach außen über die radial

innen und axial außen liegende Kante des Innenringes geformt. Das einstückig mit der Nabe ausgebildete Endstück ist nach der Erfindung nicht im wesentlichen hohlzylindrisch ausgebildet, sondern weist eine Materialanhäufung auf. Die Materialanhäufung ist an dem Anteil des Endstückes ausgebil- det, der axial über die Innenkante des Innenringes hinaus steht. Aufgrund der Rotationssymmetrie des Endstückes ist die um die Rotationsachse umlaufende Materialanhäufung in der Regel eine in Umfangsrichtung geschlossene oder unterbrochene wulstförmige Verdickung.

Die Verdickung ist beliebig gestaltet und kann in beide radiale Richtungen, also radial nach außen von der Rotationsachse weg und/oder zur Rotationsachse hin, hervorstehen. Vorzugsweise steht die Verdickung vor dem Formen des Bundes radial nach innen in Richtung der Rotationsachse der Nabe aus dem Endstück hervor.

Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Verdickung an einem freien und von der Nabe weisenden axialen Ende des Endstückes ausgebildet ist.

Durch die Materialanhäufung an dem Endstück steht beim Formen der Verzahnung genug Material zum Füllen der Kavitäten für die Zähne im Formwerkzeug zur Verfügung. Der Zahn ist in seiner Kontur deutlich besser ausgefüllt und der tragenden Anteil ist somit deutlich erhöht. Gesonderte Maßnahmen zur Eingrenzung des radialen Materialflusses sind nicht notwendig.

Die Gestaltung des einzelnen Zahnes kann durch die Form und Querschnitt der Verdickung beeinflusst und optimiert werden. So ist vorgesehen, dass die Außenkontur der Verdickung zu der Stirnseite des Endstückes hin in Richtung der Rotationsachse abfällt.

Die Kontur der Zähne ist in jeweiligen durch den Zahnkopf längs der Rotationsachse verlaufenden Schnitten durch den Bund als zum Teil als eine Stre-

cke wiedergeben, wobei die Strecke den jeweiligen Zahnkopf stirnseitig begrenzt. Die Strecke beschreibt den geraden Verlauf der Zahnkopfkontur in dem Längsschnitt entlang der Rotationsachse.

Die optimale Größe der Strecke ist mit Ausgestaltungen der Erfindung vorgesehen. Der kürzeste radiale Abstand zwischen den Endpunkten der Strecke ist in einer axialen Projektion der Strecke betrachtet mindestens genauso groß wie die in einer axialen Projektion der Länge des Zahnes betrachtete Hälfte der größten dieser Länge des jeweiligen Zahnes in radialer Richtung. Durch ein derartiges Mindestmaß ist abgesichert, dass jeder einzelne tragende Zahn in axiale Richtung und in Umfangsrichtung ausgefüllt ist. Die Kontur des einzelnen tragenden Zahnes ist in einem Längsschnitt entlang der Rotationsachse der Nabe zunächst durch eine Einlaufkontur beschrieben, wobei die Einlaufkontur radial vom Zahnfuß nach außen zu der Strecke hin über der Rotationsachse ansteigend verläuft. Die Einlaufkontur ist beliebig konkav oder konvex gekrümmt oder ist eine Fase.

Die Einlaufkontur geht an dem radial innen gelegenen der Endpunkte in die Strecke über. Die Strecke geht an dem radial außen liegenden Endpunkt der Strecke aus zum Zahnfuß hin in eine Auslaufkontur über, wobei die Auslaufkontur von dem Endpunkt aus über der Rotationsachse ansteigend progressiv oder degressiv bzw. linear oder anders beliebig verläuft.

Die Einlaufkontur und die Auslaufkontur enden zahnfußseitig jeweils an ei- nem Schnittpunkt, an dem der Zahn in die Nabe übergeht. Der Schnittpunkt ist die Wurzel des Zahnes, an dem die Kontur des einzelnen Zahnes am Scheitel der Zahnlücke zum betreffenden Zahn in die massive Basis des Bundes übergeht.

Der Abstand zwischen dem radial außen liegenden Endpunkt am Ende der Strecke und dem radial äußeren der Schnittpunkte ist in der axialen Projektion höchstens so groß, wie ein in axialer Projektion betrachtetes Drittel der

größten Länge des jeweiligen Zahnes in radialer Richtung. Die Länge des jeweiligen Zahnes ist durch den Abstand zwischen den Schnittpunkten beschrieben.

Die Zähne sind so keilförmig ausgebildet, dass die geometrischen Linien der Stirnverzahnung zentral in einem gemeinsamen Punkt auf der Rotationsachse zusammentreffen. Die geometrischen Linien sind die Körperkanten des Zahnes unbeachtlich etwaiger Kantenradien, Fasen, Verrundungen usw..

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die für den Eingriff vorgesehenen Flanken der Zähne der Stirnverzahnung jeweils mit einem Flankenwinkel größer als 20° und kleiner als 30° geneigt sind. Der Flankenwinkel ist im Falle einer symmetrisch ausgebildeten Verzahnung die Hälfte des Zahnwinkels. Die Flanken sind mit dem Flankenwinkel zu einer gedach- ten und von der Rotationsachse abgehenden Teilungsebene E geneigt.

Den Abmessungen und Änderungen der Abmessungen von Stirnverzahnungen sind an Radlagerungen aus Bauraumgründen Grenzen gesetzt. Der Teilkreisdurchmesser (mittlerer Umfang der Stirnverzahnung um die Rotati- onsachse) der Verzahnung ist demnach in der Regel innerhalb sehr enger Grenzen festgeschrieben. Demnach kann das Verhalten der Verzahnung, beispielsweise gegen Belastungen aus den Antriebsdrehmomenten kaum oder nicht durch Änderungen des Teilkreises der Verzahnung beeinflusst werden. Mit der Erfindung wird die Geometrie der einzelnen Zähne der Ver- zahnung über den Flankenwinkel so beeinflusst, dass hinsichtlich Montage und hinsichtlich der Belastungen aus Drehmomenten eine optimale Anzahl von Zähnen auf vorgegebenem Umfang festgelegt werden kann. Der Flankenwinkel der spielfrei im Eingriff mit der Gegenverzahnung stehenden wirksamen Flanken beträgt vorzugsweise 22,5°. Durch diese Gestaltung sind die Vorspannkräfte bei der Montage wegen der relativ niedrigen Axialkraftkomponenten in der Verzahnung gering gehalten. Der Querschnitt jedes einzelnen Zahnes in der Zahnwurzel ist so ausgelegt, dass die Stirnverzahnung

hohe Drehmomente im Nennbetrieb überträgt, jedoch bei einem vorgeschriebenen Bruchmoment nachgibt.

Beschreibung der Zeichnungen

Die Figuren 1 bis 6 zeigen Längsschnitte oder Details von Längsschnitten entlang der Rotationsachse 1a einer Radlageranordnung 9 in verschiedenen Modifikationen von Ausführungsbeispielen der Erfindung.

Die Figuren 1 , 3, 5 zeigen eine Radlageranordnung 9 mit einer Nabe 1 , zwei Reihen Wälzkörper 10 und einem Fahrzeugflansch 11. Die Nabe 1 weist einen Flansch 12 zur Befestigung eines nicht dargestellten Fahrzeugrades auf und ist über die Wälzkörper 10 um die Rotationsachse 1a drehbar zum fahrzeugfesten Fahrzeugflansch 11 gelagert. Auf der Nabe 1 sitzt ein Innenring 5 auf dem eine Reihe der Wälzkörper 10 abläuft. In den Darstellungen nach den Figuren 4 und 5 ist der einteilig mit der Nabe 1 verbundene Endstück 14, 15 oder 17 in der Ausgangsstellung vor dem Wälznieten. Der Innenring 5 ist, wie in einem vergrößerten Detail nach Figur 6b dargestellt, mittels eines aus den Endstücken 14, 15 oder 17 hervorgegangenen Bundes

16 axial auf der Nabe 1 gehalten. Dazu ist das hohle Endstück 14, 15 oder

17 radial nach außen über eine Kante 4 des Innenringes 5 geformt. Außerdem ist die Schrägkugellageranordnung mittels des Bundes 16 vorgespannt. In dem Bund 16 ist eine Stirnverzahnung 13 ausgebildet.

Die hohlen Endstücke 14, 15 oder 17 weisen vor dem Formen des Bundes

16 im Ausgangszustand in axiale Richtung und stehen dabei axial über die mit einem Radius R verrundete Kante 4 hinaus. Die Endstücke 14, 15 oder

17 weisen zumindest an dem Teil 8, an dem sie axial über die Kante 4 hin- aus stehen eine Anhäufung des Materials in Form einer radialen Verdickung

18, 19 oder 20 auf.

Die in Figur 4 dargestellte rotationssymmetrische Verdickung 18 an dem Endstück 14 weist mittig die größte radiale Abmessung X auf und steht radial in Richtung der Rotationsachse 1 a und radial nach außen aus dem Endstück 14 hervor.. Beim axialen Formen des Bundes 16 und der Stirnverzahnung 13 wird das Material in beide radiale Richtungen verteilt.

Die in Figur 5 dargestellte Verdickung 19 steht radial in Richtung der Rotationsachse 1a hervor und ist an dem freien in axiale Richtung weisenden Ende des Endstückes 15 am dicksten. Beim Formen der Stirnverzahnung 13 wird eine derartige Materialanhäufung insbesondere in dem Bereich C (Figur 6) wirksam, so dass weniger Material nach außen fließt und so im Bereich B zum Auffüllen der Kavitäten der Zähne 7 zur Verfügung steht.

Die in Figur 6a dargestellte Verdickung 20 steht radial in Richtung der Rota- tionsachse 1a hervor. Die Außenkontur 29 der Verdickung 20 fällt zu der Stirnseite 21 des Endstückes 17 hin in Richtung der Rotationsachse 1a ab. Mit einer derartigen Ausgestaltung der Erfindung ist der Fluss und die Verteilung des Materials beim Umformen optimiert.

Die Figuren 7a und 7b zeigen in stark vereinfachter Form die Gesamtansicht einer möglichen Gestaltungsform der Stirnverzahnung 13. Die Zähne 7 sind um die Rotationsachse 1a umfangsseitig zueinander benachbart und der Länge A nach radial ausgerichtet. Die Figuren 7a und 7b zeigen wie die Geometrie ohne Verrundung der einzelne keilförmig ausgebildete Zahn 7 köpf-, fuß- und flankenseitig durch radial ausgerichtete geometrische Linien 21 , 22, 23 beschrieben ist, die sich in dem Schnittpunkt P treffen. Der Schnittpunkt P ist der gemeinsame Schnittpunkt für alle radial verlaufenden geometrischen Linien 21 , 22, 23 des Zahnkranzes. Der Zahnwinkel ß zwischen den Flanken 30 ist das Zweifache des Zahnflankenwinkels α und ist dabei über die ge- samte radiale Erstreckung jedes einzelnen Zahnes 7 konstant.

Die Kontur der Zähne 7 ist in jeweiligen durch den Zahnkopf 25 längs der

Rotationsachse 1a verlaufenden Schnitten durch den Bund 16 als eine Strecke 24 wiedergeben, wobei die Strecke 24 den jeweiligen Zahnkopf 25 stirnseitig begrenzt, Der kürzeste radiale Abstand B zwischen den Endpunkten S und T der Strecke 24 ist in einer axialen Projektion B der Strecke 24 betrach- tet mindestens genauso groß wie die in einer axialen Projektion A betrachtete Hälfte der größten Länge A des jeweiligen Zahnes 7 in radialer Richtung. Die Kontur des jeweiligen Zahnes 7 ist in dem Längsschnitt zunächst durch eine Einlaufkontur 26 beschrieben. Die Einlaufkontur 26 verläuft radial vom Zahnfuß 27 aus nach außen zu der Strecke 24 hin über der Rotationsachse progressiv ansteigend und geht an dem radial innen gelegenen der Endpunkte S in die Strecke 24 über. Radial außen geht die Strecke 24 in eine von dem außen liegenden Endpunkt T aus zum Zahnfuß 27 hin verlaufende Auslaufkontur 28 über. Die Auslaufkontur 28 verläuft von dem Endpunkt T aus über der Rotationsachse 1a degressiv ansteigend. Die Einlaufkontur 26 und die Auslauf kontur 28 gehen zahnfußseitig jeweils an einem Schnittpunkt

Y bzw. Z in die Nabe 1 über.

Der radiale Abstand C zwischen dem radial außen gelegenen Endpunkt T und dem radial äußeren der Schnittpunkte Y der axialen Projektion C höchs- tens so groß ist, wie ein in axialer Projektion A betrachtetes Drittel der größten Länge A des jeweiligen Zahnes 7 in radialer Richtung, wobei die Länge A des jeweiligen Zahnes A durch den Abstand A zwischen den Schnittpunkten

Y und Z beschrieben ist.

Bezugszeichen

1 Nabe 16 Bund

1a Rotationsachse 17 Endstück

2 Endstück 18 Verdickung

3 Bund 19 Verdickung

4 Kante 20 Verdickung

5 Innenring 21 geometrische Linie

6 Stirnverzahnung 22 geometrische Linie

7 Zahn 23 geometrische Linie

8 Teil 24 Strecke

9 Radlageranordnung 25 Zahnkopf

10 Wälzkörper 26 Einlaufkontur

11 Fahrzeugflansch 27 Zahnfuß

12 Flansch 28 Auslaufkontur

13 Stirnverzahnung 29 Außenkontur

14 Endstück 30 Flanke

15 Endstück 31 Ringspalt