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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur axialen Fixierung eines Wälzkörperlagers, mit einem Spannringelement.
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Ferner betrifft die Erfindung eine Lagervorrichtung zur drehbaren Lagerung eines Bauteils in einem Gehäuse, mit einer Welle, einem Gehäuse und einem Wälzkörperlager, wobei ein Innenring des Wälzkörperlagers auf der Welle kraftschlüssig axial gehalten ist und ein Außenring des Wälzkörperlagers an einem Axialanschlag des Gehäuses anliegt und auf der dem Axialanschlag gegenüberliegenden Seite des Wälzkörpers durch eine wie oben stehend beschriebene Vorrichtung axial gehalten ist. Weiterhin betrifft die Erfindung eine elektrische Maschine mit einer entsprechenden Lagervorrichtung.
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Stand der Technik
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Vorrichtungen, Lagervorrichtungen und elektrische Maschinen der Eingangs genannten Art sind aus dem Stand der Technik bekannt. In heutigen elektrischen Maschinen werden Lager, insbesondere Wälzkörperlager, wie beispielsweise Kugellager, Nadellager oder Kegelrollenlager, für die drehbare Lagerung drehender Bauteile eingesetzt. So ist beispielsweise der auf einer Welle drehfest angeordnete Rotor einer elektrischen Maschine durch die drehbare Lagerung der Welle in einem Gehäuse gehalten. Üblicherweise wird die Drehlagerung einer Welle durch ein Festlager und ein Loslager gebildet, wobei das Festlager axial fest sowohl an der Welle als auch an dem Gehäuse gehalten ist. Die axiale Fixierung des Festlagers ist dabei üblicherweise durch Verpressen in dem Gehäuse auf der Welle, durch geometrische Anschläge in dem Gehäuse oder an der Welle, durch Verprägen, Verkleben, Verschweißen, oder dergleichen, realisiert. Die bisher bekannten Möglichkeiten sind in Bezug auf einzuhaltende Toleranzen konstruktiv und herstellungstechnisch aufwendig und bei der Montage zeitaufwendig. Eine weitere bekannte Methode zum axialen Festlegen des Wälzkörperlagers ist das Vorsehen eines Spannringelementes, das als unterbrochenes Ringelement ausgebildet ist, so dass durch ein radiales elastisches Verformen sein Durchmesser veränderbar ist, um es in eine Nut in der Welle oder in dem Gehäuse einzusetzen, und dadurch das Wälzkörperlager formschlüssig axial festzulegen.
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Offenbarung der Erfindung
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass eine Vorrichtung zur Verfügung gestellt wird, die eine axiale Fixierung eines Wälzkörperlagers in einem Gehäuse oder auf einer Welle auf einfache und kostengünstige Art und Weise ermöglicht.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass das Spannringelement eine durchgehende Mantelwand, deren Durchmesser zum Bilden einer radialen Presspassung gewählt ist, und wenigstens ein axial vorstehendes und elastisch verformbares Federelement zur Anlage an einer Stirnseite des Wälzkörperlagers aufweist. Das Spannringelement ist somit als Ringelement mit einer durchgehenden Mantelwand ausgebildet. Das bedeutet, dass im Gegensatz zu herkömmlichen Spannringelementen das erfindungsgemäße Spannringelement nicht durch elastische radiale Verformung in seinem Durchmesser veränderbar ist. Das erfindungsgemäße Spannringelement ist stattdessen bevorzugt als unterbrechungsfreies Kreisringelement ausgebildet. Das Kreisringelement wird wie üblich von einer durchgehenden Mantelaußenwand und einer durchgehenden Mantelinnenwand radial begrenzt. Der Durchmesser zumindest einer dieser Mantelwände ist zum Bilden der radialen Presspassung gewählt, so dass es beim Aufschieben auf eine Welle oder beim Einsetzen in ein Gehäuse radial verpresst und dadurch kraftschlüssig gehalten wird. Dadurch ergibt sich ein einfaches Aufschieben beziehungsweise Einschieben des Spannringelements auf die Welle beziehungsweise in das Gehäuse, um dieses dort festzulegen. Das wenigstens eine axiale und elastisch vorstehende Federelement zum Anlegen an die Stirnseite des Wälzkörperlagers ist somit an einer Stirnseite des Spannringelements angeordnet. Durch die elastische Verformbarkeit und das axiale Vorstehen des Federelementes von der Stirnseite wird gewährleistet, dass beim Aufschieben des Spannringelementes gegen das Wälzkörperlager eine axiale Vorspannkraft auf das Wälzkörperlager aufgebracht wird. Bei der Montage wird somit die Vorrichtung beziehungsweise das Spannringelement beispielsweise in eine Lageraufnahme eines Gehäuses derart weit eingeschoben, bis das Federelement gegen das Wälzkörperlager trifft und elastisch verformt wird. Durch die Vorspannung wird das Wälzkörperlager sicher in der gewünschten Axialposition arretiert.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Federelement als freigeschnittene Federzunge ausgebildet ist. Die frei geschnittene Federzunge ist an einem Ende einstückig mit dem Spannringelement ausgebildet und aus der Hauptebene des Spannringelementes herausgebogen, so dass es axial vorsteht und durch Anlage an dem Wälzkörperlager elastisch verformt werden kann. Das Vorsehen der freigeschnittenen Federzunge ist eine besonders einfache und kostengünstige Möglichkeit, das Federelement auszubilden.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass mehrere Federelemente über den Umfang des Spannrings insbesondere gleichmäßig verteilt angeordnet sind. Dadurch wird eine gleichmäßige Kraftbeaufschlagung auf das Wälzkörperlager gewährleistet.
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Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass das Spannringelement im – Längsschnitt gesehen – an seiner zur Presspassung dienenden Mantelwand eine Krümmung aufweist, die entgegen der Richtung ausgerichtet ist, in welche das Federelemente/die Federelemente vorstehen. Beim Aufschieben auf die Welle oder Einsetzen in die Lageraufnahme wirkt die Krümmung der Federkraft des Federelementes/der Federelemente derart entgegen, dass wenn das Spannringelemente aufgrund der Federkraft der Federelemente und/oder einer Belastung des zu stützenden Wälzkörperlagers entgegen der Einsetzrichtung mit einer Kraft beaufschlagt wird, die Krümmung aufgrund des Reibschlusses mit dem Gehäuse und/oder der Welle sich aufweitet, wodurch der Reibschluss vergrößert und die Haltekraft erhöht wird. Dadurch wird gewährleistet, dass sich das Spannringelement nicht von selbst aus der gewünschten Position lösen kann. Die Krümmung erlaubt somit eine axiale elastische Verformung des Spannringelements, die zu einer Druckmessveränderung führen kann.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die mehreren Federelemente alle axial in die gleiche Richtung vorstehen. Damit wird sichergestellt, dass die Federelemente alle gegen das Wälzkörperlager bei der Montage gedrängt werden.
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Bevorzugt ist die Mantelwand eine Mantelaußenwand. Damit ist das Spannringelement dazu vorgesehen, in eine Gehäuseaufnahme eingeschoben zu werden und mit einer Innenseite der Gehäuseaufnahme zusammen eine Presspassung zu bilden. Besonders bevorzugt sind insbesondere in diesem Fall das eine oder die mehreren Federelemente auf Höhe eines Außenrings des Wälzkörperlagers angeordnet, so dass der Außenring des Wälzkörperlagers sicher durch die Vorrichtung axial arretierbar ist beziehungsweise arretiert sind.
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Gemäß einer alternativen Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass es sich bei der Mantelwand um die Mantelinnenwand handelt, und dass das eine oder die mehreren Federelemente auf Höhe eines Innenrings des Wälzkörperlagers angeordnet sind. In diesem Fall dient das Spannringelement somit zur axialen Fixierung des Innenrings des Wälzlagers, beispielsweise auf der zuvor genannten Welle.
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Vorzugsweise ist vorgesehen, dass das Spannringelement einen, insbesondere mehrere gleichmäßig über den Umfang verteilt angeordnete Axialanschläge, insbesondere in Form einer oder mehrerer Axialverprägungen, aufweist. Die Axialanschläge stehen vorzugsweise axial in die gleiche Richtung vor wie die Federelemente. Sie dienen zum definierten Axialanschlag an dem Wälzkörperlager, um eine Überbeanspruchung der Federelemente zu vermeiden, und um einen definierten Axialanschlag zur gewährleisten. Die Axialanschläge sind bevorzugt derart ausgebildet, dass bei der Montage nur eine elastische Verformung der Federelemente möglich ist.
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Die erfindungsgemäße Lagervorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 9 zeichnet sich durch eine Vorrichtung aus, wie sie zuvor beschrieben wurde. Dabei ist entweder die Mantelaußenwand zum Bilden einer Presspassung mit dem Gehäuse oder die Mantelinnenwand zur Bildung einer Presspassung mit der Welle ausgebildet, um das Wälzkörperlager entweder auf der Welle oder in dem Gehäuse axial kraftschlüssig festzulegen. Weitere Vorteile und Ausführungsformen ergeben sich aus dem zuvor Beschriebenen.
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Die elektrische Maschine mit den Merkmalen des Anspruchs 10 zeichnet sich durch eine Lagervorrichtung wie sie zuvor beschrieben wurde aus. Es ergeben sich hierdurch die bereits genannten Vorteile.
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Im Folgenden soll die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert werden. Dazu zeigen:
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1 eine Vorrichtung zur axialen Fixierung eines Wälzkörperlager in einer Draufsicht,
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2 die Vorrichtung in einer perspektivischen Darstellung,
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3 die Vorrichtung in einer Längsschnittdarstellung und
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4 eine elektrische Maschine mit einem Wälzkörperlager und der Vorrichtung.
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1 zeigt in einer Draufsicht eine Vorrichtung 1 zur axialen Fixierung eines Wälzkörperlagers. Die Vorrichtung 1 weist ein Spannringelement 2 auf, das einen kreisringförmigen Grundkörper aufweist. Das Spannringelement 2 weist somit eine durchgehende Mantelaußenwand 3 sowie eine durchgehende Mantelinnenwand 4 auf. Das Spannringelement 2 ist als Stanz-Präge-Bauteil, insbesondere aus einem vormals flachen Blechkörper gefertigt.
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Das Spannringelement 2 weist mehrere gleichmäßig über den Umfang verteilt angeordnete Federelemente 5 auf, die als freigeschnittene Federzungen ausgebildet sind. Dazu ist für jedes Federelement 5 jeweils ein kreisringsegmentförmiger Blechstreifen aus dem Spannringelement 2 an drei Seiten frei geschnitten, und an einer verbleibenden vierten Seite einstückig mit dem Spannringelement 2 ausgebildet.
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Wie insbesondere aus 2 ersichtlich, die eine perspektivische Darstellung des Spannringelements 2 beziehungsweise der Vorrichtung 1 zeigt, ragen die Federelemente 5 axial von dem Spannringelement 2 vor. Dabei ragen sie von einer ersten Stirnseite 6 vor, die bei der Montage dem Wälzkörperlager zugeordnet wird. Insgesamt sind gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel drei derartige Federelemente 5 vorgesehen. Selbstverständlich können aber auch mehr oder weniger der Federelemente 5 vorgesehen sein. Zwischen benachbarten Federelementen 5 ist jeweils ein Axialanschlag 6 vorgesehen, der sich ebenfalls jeweils kreisringsegmentförmig erstreckt. Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel sind drei dieser Axialanschläge 7 vorgesehen. Die Anzahl der Axialanschläge 7 variiert zweckmäßigerweise mit der Anzahl der Federelemente 5, so dass stets zwischen zwei benachbarten Federelementen 5 ein entsprechender Axialanschlag 7 vorgesehen ist. Damit sind auch die Axialanschläge 7 gleichmäßig über den Umfang des Spannringelementes 2 verteilt angeordnet. Die Axialanschläge 7 sind als Axialverprägung in dem Spannringelement 2 ausgebildet. Sie sind entsprechend wannenförmig ausgebildet, wobei sie in die gleiche Richtung von der Stirnplatte 6 vorstehen, in welche auch die Federelemente 5 vorstehend ausgerichtet sind.
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3 zeigt eine Längsschnittdarstellung durch das Spannringelement 2. Wie aus 3 ersichtlich, weist das Spannringelement 2 im Längsschnitt eine durch Mantelinnenwand 4 und Mantelaußenwand 3 gebildete C-förmige Kontur auf, wozu die Mantelaußenwand 3 und die Mantelinnenwand 4 jeweils eine Krümmung aufweisen. Dabei sind die Mantelaußenwand 3 und die Mantelinnenwand 4 in Richtung der der Stirnseite 6 abgewandten Stirnseite 8 des Spannringelementes 2 gekrümmt. Sie weisen in die entgegengesetzte Richtung, in die die Axialanschläge 7 sowie die Federelemente 5 vorstehen. Die Mantelinnenwand 4 ist dabei derart weit gekrümmt, dass sie annähernd senkrecht zu dem Spannringelement 2, einen hülsenförmigen Abschnitt bildend, ausgerichtet ist. Die Mantelaußenwand 3 ist etwa in einem Winkel von 45° gekrümmt.
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Die Funktion und Vorteile der Vorrichtung 1 werden in Bezug auf 4, die einen Anwendungsfall in einer elektrischen Maschine 9 zeigt, näher erläutert. 4 zeigt die elektrische Maschine 9 in einer Längsschnittdarstellung. Sie weist ein Gehäuse 10 auf, in welchem ein Stator 11 ortsfest und ein Rotor 12 drehbar gelagert angeordnet sind. Zur Lagerung des Rotors 12 ist eine Lagervorrichtung 13 vorgesehen, die neben der Vorrichtung 1 das Gehäuse 10 und eine Welle 14 aufweist, auf welcher der Rotor 12 drehfest gehalten ist. Weiterhin weist die Lagervorrichtung 13 ein Wälzkörperlager 15 auf, das vorliegend als Kugelrollenlager ausgebildet ist und ein Festlager der elektrischen Maschine 9 darstellt.
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Das Gehäuse 10 weist eine Lageraufnahme 16 auf, deren Innendurchmesser zumindest im Wesentlichen dem Außendurchmesser eines Außenrings 17 des Wälzkörperlagers entspricht. Ein Innenring 18 des Wälzkörperlagers 15 ist per Presspassung auf der Welle 14 fixiert. Dazu ist der Innendurchmesser des Innenrings 18 geringfügig kleiner ausgebildet als der Außendurchmesser der Welle 14 in dem das Wälzkörperlager 15 tragenden Abschnitt. Die Lageraufnahme 16 weist weiterhin eine Axialanlage 19 auf, gegen welche der Außenring 17 des Wälzkörperlagers 15 bei der Montage schiebbar ist. Zur axialen Fixierung des Wälzkörperlagers 15 in dem Gehäuse 10 ist die Vorrichtung 1 beziehungsweise das Spannringelement 2 auf der dem Axialanschlag 19 gegenüberliegenden Seite des Wälzkörperlagers 15 vorgesehen.
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Die Lageraufnahme 16 weist eine Durchmesservergrößerung 20 auf der dem Axialanschlag 19 gegenüberliegenden Seite des Wälzkörperlagers 15 auf. Das Spannringelement 2 weist an seiner Mantelaußenseite 3 einen Durchmesser auf, der größer ist als der Außendurchmesser des Wälzkörperlagers 15 und auch größer als der Innendurchmesser der Lageraufnahme 16 im Bereich der Durchmesservergrößerung 20, um dort eine Presspassung mit dem Gehäuse 10 zu bilden. Dabei wird das Spannringelement 2 mit der Stirnseite 6 voran in die Lageraufnahme 16 und gegen das Wälzkörperlager 15 geschoben. Aufgrund der vorteilhaften Krümmung an der Mantelaußenwand 3 lässt sich das Spannringelement 2 in diesem Bereich zur Durchmesseranpassung axial elastisch verformen, so dass das Einpressen in die Lageraufnahme 16 besonders einfach und mit geringen Kräften möglich ist. Das Spannringelement 2 wird derart weit in die Lageraufnahme 16 eingeschoben, bis es mit den Axialanschlägen 7 gegen den Außenring 17 des Wälzkörperlagers 15 stößt. Bis dahin sind die Federelemente 5 elastisch verformt, so dass sie eine Vorspannung auf den Außenring des Wälzkörperlagers 15 ausüben. Durch diese Vorspannung wird das Wälzkörperlagers 15 sicher an der gewünschten Stelle axial in dem Gehäuse 10 arretiert. Durch die Krümmung an der Mantelaußenseite 3 wird erreicht, dass die Kräfte, die entgegen der Einschiebrichtung wirken, zu einer Aufweitung des Außendurchmessers der Mantelaußenwand führen, wodurch die Presspassung und der dadurch gewährleistete Reibschluss/Kaftschluss zwischen Spannringelement 2 und Gehäuse 10 verstärkt wird. Ein selbstständiges Lösen der Vorrichtung 1 wird somit sicher verhindert.
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Durch die kostengünstige Ausbildung des Spannringelements 2 aus einem Blech durch einen Stanz-Präge-Prozess, wird auf kostengünstige Art und Weise eine besonders einfache und belastbare Möglichkeit geboten, das Wälzkörperlager 15 in dem Gehäuse 10 axial zu arretieren. Natürlich ist auch eine entsprechende Ausbildung des Spannrings 2 derart denkbar, dass er eine Presspassung mit seiner Mantelinnenseite 4 auf der Welle 14 bildet und mit den Axialanschlägen 7 und dem Federelement 5 gegen den Innenring 18 gedrängt wird. Dazu müssten dann lediglich die Federelemente 5 und die Axialanschläge 7 radial auf der Höhe des Innenrings 18 statt wie bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel auf Höhe des Außenrings 17 angeordnet sein.
