DE102017110017A1

DE102017110017A1 - Vorrichtung und Verfahren zur zentrierten Befestigung zwischen Welle und Nabe

Info

Publication number: DE102017110017A1
Application number: DE102017110017.2A
Authority: DE
Inventors: Carsten Tuch
Original assignee: Jenoptik Industrial Metrology Germany GmbH
Current assignee: Jenoptik Industrial Metrology Germany GmbH
Priority date: 2017-05-10
Filing date: 2017-05-10
Publication date: 2018-11-15

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur zentrierten kraftschlüssigen Verbindung zwischen einer Welle und einer Nabe.
Die Aufgabe, eine neue Möglichkeit für eine hochpräzise zentrierte Presspassung einer Nabe auf einer Welle zu finden, die keine hochgenauen Passflächen erfordert und zerstörungsfrei lösbar ist, wird erfindungsgemäß gelöst, indem ein einstellbarer Spannsatz zur Erzeugung einer Übermaßpassung in einem Ringspalt zwischen Welle und Nabe mit einer Vielzahl elastisch verformbarer Spannkugeln ausgerüstet ist, die gegenüber der Breite des Ringspaltes ein Übermaß aufweisen, der Spannsatz eine Positionierhilfe zur Halterung der Vielzahl der Kugeln enthält, wobei die Positionierhilfe eine auf einem Zylindermantel aufgewickelte Abstandsmatrix darstellt, zwischen Welle und Nabe ein Spiel aufweist, und Spannmittel zum axialen Einpressen der Kugeln in den Ringspalt vorhanden sind, die an der hülsenförmigen Positionierhilfe axial angreifen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur zentrierten kraftschlüssigen Verbindung zwischen einer Welle und einer Nabe, bei dem ein einstellbarer Spannsatz zur Erzeugung einer Übermaßpassung in einem Ringspalt zwischen Welle und Nabe vorhanden ist.
Als Nabe im Sinne der vorliegenden Erfindung soll ein Maschinenelement bezeichnet sein, das auf eine Welle, eine Achse oder einen Zapfen geschoben wird. Sie besteht aus einem gebohrten Werkstück, in das je nach Anwendung

- ein Lager oder
- ein Mitnehmerelement (Passfeder, Keil, Pressverband, Schrumpfscheibe oder Spannsatz) eingelassen wird oder
- die zugehörige Welle, Achse oder der zugehörige Zapfen mittels einer Übermaßpassung dauerhaft und starr verbunden wird.

Ein davon abgeleiteter Spezialfall ist die nachfolgend näher betrachtete Übermaßpassung (häufig auch: Presspassung) eines radialen Wälzlagers auf einer Welle, Achse oder einem Zapfen.
Wälzlager, die in der Regel aus innerem und äußerem Lagerring und dazwischen befindlichen Wälzkörpern bestehen, sind Maschinenelemente, die mit hoher Präzision gefertigt werden. Um die hohe Präzision auch auf die rotierbar zu lagernden Maschinenelemente zu übertragen, sollte bei der Montage eines Lagers und bei der Gestaltung eines Lagersitzes besondere Sorgfalt aufgewendet werden. Die Maß- und Formhaltigkeit des Lagersitzes muss innerhalb vorgegebener Toleranzgrenzen liegen, wobei die Toleranzen stets an die Konstruktion und Betriebsverhältnisse der zu lagernden Maschinenelemente angepasst sind.
Bei Lagern mit zylindrischen Mantelflächen, die mit Übermaßpassung montiert sind, ist in der Regel zumindest einer der Lagerringe mittels einer kraftschlüssigen Presspassung fest mit dem Lagersitz des Maschinenelements verbunden. Das Ein- oder Aufpressen des Lagerrings erfolgt im einfachsten Fall mechanisch, indem der äußere oder innere Lagerring mit einem Spannwerkzeug oder einer Presse in oder auf den Lagersitz des Maschinenelements geschoben wird. Das maximale Übermaß der Presspassung wird vom Wälzlager begrenzt, da es durch das Übermaß des Innenteils der Presspassung zu einer Verformung (Aufweitung des inneren Lagerings bzw. Einschnürung des äußeren Lagerrings) kommt, welche die Funktion des Wälzlagers negativ beeinflussen kann und deshalb genau limitiert ist.
Durch thermische Behandlung kann das Ein- oder Aufpressen der Lagerringe unterstützt werden. Je nach Lagersitz wird das Wälzlager und das zu lagernde Maschinenelement gegeneinander abgekühlt bzw. aufgeheizt, sodass die Schrumpfung bzw. Dehnung eine leichtere Montage ermöglicht. Das Ein- oder Aufpressen, insbesondere mittels des thermischen Verfahrens, weist den Nachteil auf, das sich diese Verbindungen nur sehr schwer bzw. nicht zerstörungsfrei wieder lösen lässt. Ein Austausch des Wälzlagers ist deshalb kaum möglich. Wird das Übermaß in Hinsicht auf eine leichtere Montage oder einen leichteren Austausch gering gehalten, besteht die Gefahr, dass sich die Lagerung lockern kann und Spiel bekommt. Dadurch leidet die Präzision der Lagerung und das Wälzlager bzw. das Maschinenelement kann beschädigt werden.
Das Ein- oder Aufpressen der Lagerringe kann auch mittels eines hydraulischen Verfahrens erfolgen. Dabei wird Öl in Kanäle innerhalb der Spannhülse gepresst, sodass sich zwischen Lagerring und Maschinenelement ein Öldrucksystem ausbildet, mit dem der Lagerring zentriert gelagert wird. Diese hydraulische Lagerung, wie sie z.B. in der DE 10125154 A1 beschrieben ist, erfordert jedoch enorm hohen Aufwand, da am Maschinenelement ein Anschluss für einen Druckerzeuger sowie Zuführungskanäle sowie Ölnuten im Lagersitz vorzusehen sind.
Eine weitere aus dem Stand der Technik bekannte Methode zum kraftschlüssigen Verbinden der Lagerringe mit dem Maschinenelement ist die Verwendung sogenannter Spann- oder Abziehhülsen, nachfolgend kurz: als Spannhülsen bezeichnet. Die Spannhülsen werden am Lagersitz zwischen dem Maschinenelement und dem Lagerring eingesetzt und sind zu einer Passfläche entweder des Maschinenelements oder des Lagerrings gegenläufig kegelförmig geformt. Das Wälzlager wird unter axialer Kraftbeaufschlagung der Spannhülse durch Keilwirkung an den kegelförmigen Passflächen zylindrisch auf dem Maschinenelement aufgespannt. Diese Spannhülsen kommen mit ihrer Zentrierpräzision nicht in den einstelligen Mikrometerbereich und führen somit zu größeren Zentrierfehlern.
In der Patentschrift DE 355 441 A ist eine Spannhülse zur Befestigung auf bzw. zum Abziehen eines Wälzlagers von einer Welle offenbart, bei der die äußere Mantelfläche der Spannhülse komplementär kegelförmig zur Mantelfläche des inneren Lagerrings des Wälzlagers ausgebildet ist. An einer axialen Verlängerung am kleineren Außendurchmesser der Spannhülse weist diese ein Außengewinde auf, an dem ein Spannwerkzeug aufgeschraubt wird, das beim Festziehen zunächst mittels einer Ringfeder das Lager gegen die aufsteigende Kegelfläche der Spannhülse presst und mit der wirkenden Federkraft ein selbsttätiges Nachziehen der Spannhülse ermöglicht.
Eine in der Gebrauchsmusterschrift DE 18 16 298 U offenbarte Spannhülse ermöglicht das lösbare Befestigen eines Wälzlagers auf einer Welle. Auch hier sind äußere Mantelfläche der Spannhülse und Innenfläche des Lagerring komplementär kegelförmig ausgebildet. Das an einer axialen Verlängerung am größeren Außendurchmesser der Spannhülse angreifende Spannwerkzeug wird durch zwei konzentrische aneinanderliegende Ringe gebildet. Zum Einpressen der Spannhülse in einen zwischen Welle und Lagerring bestehenden Ringspalt liegt der dem Wälzlager zugewandte Ring auf der Stirnfläche der Spannhülse auf und der dem Wälzlager abgewandte Ring stützt sich an einem an der Welle befestigten Sprengring ab. Die Kraftwirkung wird durch zwei parallele Kegelstifte erzeugt, die zwischen die zwei aneinanderliegenden Ringe getrieben werden. Beim Lösen der Spannhülse liegt der dem Wälzlager zugewandte Ring am Innenring des Wälzlagers an und der dem Wälzlager abgewandte Ring ist mit dem Außengewinde der Spannhülse verschraubt, sodass die Spannhülse beim Eintreiben der Kegelstifte aus dem Wälzlager gezogen wird.
Eine andere aus dem Stand der Technik bekannte Möglichkeit für kraftschlüssige Verbindungen von Wälzlagern an Maschinenelementen ist die Verwendung von Spannsätzen, die zwischen zylindrischen Lagerflächen und Lagersitz der Welle eingesetzt werden und aus mindestens zwei ineinandergesetzten, mit jeweils gegenläufig geneigten Kegelflächen versehenen Ringen oder Hülsen bestehen. So ist in der Patentschrift DE 101 12 473 C1 ein Spannsatz beschrieben, der aus einer Innen- und einer Außenhülse mit jeweils gegenläufig geneigten Kegelflächen besteht. Der Spannsatz als Ganzes hat dadurch konzentrische zylindrische Außenflächen. An der Außenhülse ist einseitig ein Außengewinde angebracht, auf das ein Deckel aufgeschraubt ist, der sich an der Stirnfläche der Innenhülse abstützt. Beim Aufschrauben des Deckels wird eine axiale Spannkraft auf die Innenhülse ausgeübt. Durch die Keilwirkung an den Kegelflächen wird eine radiale Spannkraft zum kraftschlüssigen Verbinden des Wälzlagers am Maschinenelement erzeugt.
In der Patentschrift DE 42 23 100 C2 ist ein Spannsatz mit einem Innenring und zwei Außenringen offenbart. Der Innenring weist an der äußeren Mantelfläche zwei von den Stirnflächen zur Ringmitte hin ansteigende Kegelflächen auf, während die zwei Außenringe jeweils an der inneren Mantelfläche mit einer zum Innenring gegenläufigen Kegelfläche versehen sind. Zum Verspannen weist einer der Außenringe axiale und gleichmäßig am Umfang verteilte Durchgangsbohrungen und der andere Außenring Gewindebohrungen auf. Mit in den Bohrungen eingeschraubten Spannschrauben werden die Außenringe aufeinander zu bewegt, wobei sie auf den Kegelflächen des Innenrings gleiten und durch die axiale Keilwirkung eine radiale Spannkraft erzeugen, mit der die an den Zylinderflächen von Innen- und Außenring anliegenden Maschinenelemente zentriert und kraftschlüssig verbunden werden.
Den zuvor beschriebenen Spannhülsen und Spannsätzen ist gemeinsam, dass die zylindrischen und kegeligen Mantelflächen, über die das Wälzlager mit dem Maschinenelement in einer Presspassung verspannt wird, relativ große Flächenpaare sind, die zueinander bezüglich der Größen Durchmesser und Kegelwinkel angepasst und präzisionsgefertigt werden müssen. In Abhängigkeit von den Betriebsbedingungen, denen das Maschinenelement in seiner Laufzeit ausgesetzt ist, können zwischen diesen Flächen Phänomene, wie Korrosion oder Kaltverschweißen, dazu führen, dass die Verbindung - trotz der grundsätzlich möglichen Lösbarkeit der Presspassung - nicht mehr zerstörungsfrei gelöst werden kann. Weiterhin müssen bei der Fertigung von Spannhülsen und Spannsätzen sehr geringe Fertigungstoleranzen der konischen Komplementärflächen eingehalten werden, um einen präzisen und taumelfreien Rundlauf zu erreichen und das Wälzlager nicht ungleichmäßig zu verspannen.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine neue Möglichkeit für eine hochpräzise zentrierte Presspassung einer Nabe, insbesondere eines Wälzlagers, auf einer Welle oder einem anderen Maschinenelement zu finden, die keine hochgenau aufeinander abgestimmten Passflächen erfordert und trotzdem zerstörungsfrei lösbar ist. Als erweiterte Aufgabe soll die Wälzlageraufnahme flexibel an die Gegebenheiten der Maschinenelemente, insbesondere an Fertigungstoleranzen der Welle oder der Nabenbohrung (oder speziell Lagerinnenring) anpassbar sein, ohne dass dadurch Verringerungen der Spannkraft für den Passsitz der Wälzlagerringe eintreten müssen.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei einer Vorrichtung zur kraftschlüssig zentrierten Verbindung zwischen einer Welle und einer Nabe, bei der ein einstellbarer Spannsatz zur Erzeugung einer Übermaßpassung in einem Ringspalt zwischen Welle und Nabe vorhanden ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Spannsatz mit einer Vielzahl elastisch verformbarer Spannkugeln ausgerüstet ist, die gegenüber der Breite des Ringspaltes ein Übermaß aufweisen, dass der Spannsatz eine Positionierhilfe zur Halterung der Vielzahl der Kugeln in mindestens zwei Querschnittsebenen jeweils gleichverteilt um die Symmetrieachse der Welle enthält, wobei die Positionierhilfe eine auf einem Zylindermantel aufgewickelte Abstandsmatrix darstellt, einen inneren Durchmesser größer als der Durchmesser der Welle und einen äußeren Durchmesser kleiner als der Innendurchmesser der Nabe aufweist, und dass Spannmittel zum axialen Einpressen der Kugeln in den Ringspalt zwischen Welle und Nabe vorhanden sind, die an der hülsenförmigen Positionierhilfe axial angreifen.
Vorteilhaft sind die Spannkugeln als Präzisionsstahlkugeln ausgebildet. Dabei sind die Spannkugeln zweckmäßig nach Nenngröße und realer Toleranz sortiert und für eine spezielle Paarung von Welle und Nabe zusammengestellt.
Vorzugsweise sind die Spannkugeln durch Wahl von Nenngröße oder sortierte Toleranzgrößen für eine spezielle Einstellung von Übermaß der Spannkugeln zum Ringspalt und der Kraft der Presspassung vorgesehen.
Die Positionierhilfe als Abstandsmatrix für die Spannkugeln ist vorteilhaft als ein metallisches Drahtgeflecht ausgebildet, in das die Spannkugeln in Maschen oder Löcher eingepresst sind.
In einer weiteren Variante ist die Positionierhilfe zweckmäßig als ein Metalldrahtgitter ausgebildet, bei dem die Kugeln jeweils auf tangentialen Gitterdrähten axial rotierbar aufgesteckt sind.
In einer weiteren Ausführung kann die Positionierhilfe als Abstandsmatrix für die Spannkugeln als eine Kunststoffhülse ausgebildet sein. Dabei kann die Kunststoffhülse aus einem Material der Gruppe Polyethylen, Polyamid, Polystyrol, Polyoxymethylen, Polyvinylchlorid und Polytetrafluorethylen hergestellt sein.
Die Kunststoffhülse wird zweckmäßig durch ein mechanisches, thermisches oder drucktechnisches Formgebungsverfahren hergestellt.
Die Aufgabe wird des Weiteren durch ein Verfahren zur kraftschlüssig zentrierten Verbindung zwischen einer Welle und einer Nabe, bei dem ein Spannsatz zur Herstellung einer einstellbaren Übermaßpassung verwendet wird, durch folgende Schritte gelöst:

- Auswahl einer Paarung von Welle und Nabe, bei der ein definierter Ringspalt zur Aufnahme des Spannsatzes zwischen Welle und Nabe freigehalten wird,
- Auswahl von elastisch deformierbaren Spannkugeln als Spannelemente des Spannsatzes in Form von Präzisionsstahlkugeln, deren Durchmesser gegenüber dem definierten Ringspalt ein Übermaß aufweisen,
- Komplettierung des Spannsatzes durch Einsetzen der Spannkugeln in eine Positionierhilfe, die durch eine auf einem Zylindermantel aufgewickelte Abstandsmatrix gebildet und als eine Positionierhilfe so gefertigt wird, dass deren mittlerer Durchmesser an den mittleren Durchmesser des Ringspaltes angeglichen wird und der innere Durchmesser der Positionierhilfe größer als der Durchmesser der Welle und der äußere Durchmesser der Positionierhilfe kleiner als der Innendurchmesser der Nabe sind, wobei die Positionierhilfe ein um die Symmetrieachse der Welle gleichverteiltes Raster von Kugelhalterungen bereitstellt, in denen die Spannkugeln positionsgetreu und nicht zwingend drehbar gehalten werden, und
- Einschieben der Spannkugeln mit der Positionierhülse zwischen Welle und Nabe, indem die Positionierhilfe entweder mit der Welle gegen die Nabe oder mit der Nabe gegen die Welle mit Hilfe eines Spannmittels axial in den Ringspalt eingeschoben wird.

Vorteilhaft wird die Positionierhilfe aus einem zu einem hohlzylinderförmig ausgebildeten Drahtgeflecht hergestellt, wobei die Spannkugeln in eingearbeitete Löcher oder Maschen eingepresst werden.
Die Positionierhilfe kann in einer anderen Variante aus einem Kunststoff zu einer hohlzylinderförmigen Kunststoffhülse gefräst werden, wobei die Spannkugeln in konisch oder sphärische eingefräste Durchbrüche eingesetzt werden.
In einer weiteren Ausführung des Verfahrens wird die Positionierhilfe vorteilhaft aus einem Kunststoff zu einer hohlzylinderförmigen Kunststoffhülse gefräst, wobei die Spannkugeln in konisch oder sphärische eingefräste Löcher eingepresst oder eingeclipst werden. Des Weiteren kann die Positionierhilfe aus einem Kunststoff zu einer hohlzylinderförmigen Kunststoffhülse durch thermische Formgebung hergestellt werden, wobei die Spannkugeln in Durchbrüche oder Perforationen mit einem stoffgleichen oder stofffremden Hilfsmaterial eingeklebt werden.
Ferner ergibt sich die vorteilhafte Möglichkeit, die Positionierhilfe aus einem zu einer zylindrischen Positionierhülse Kunststoff durch einen 3D-Druckprozess herzustellen, wobei die Spannkugeln freigelassene sphärische oder tonnenförmige Löcher eingeclipst werden.
Es erweist sich als vorteilhaft, dass das Einpressen der Spannkugeln positioniert in der Positionierhilfe durch Aufschrauben einer Mutter auf ein Gewinde auf der Welle erfolgt, indem die Positionierhilfe zusammen mit der Nabe gegen einen Bund der Welle geschoben wird.
In einer anderen zweckmäßigen Ausführung erfolgt das Einpressen der Spannkugeln positioniert in einem Drahtgeflecht als Positionierhilfe durch Befestigen des Drahtgeflechts mit den Spannkugeln auf der Welle und anschließendes Aufschieben der Nabe auf die Welle.
Ferner ist es vorteilhaft, wenn das Einpressen der Spannkugeln, wenn diese in einem Drahtgeflecht auf einem Ring aufgefädelt sind, durch Aufschieben der Nabe mit der durch axial in der Positionierhilfe rollende Spannkugeln durch ein Rollen des Spannsatzes auf die Welle erfolgt.
Die Erfindung geht von der Überlegung aus, dass bei Übermaßpassungen zwischen Welle und Nabe - selbst wenn mit Spannsätzen mit gegenläufig kegeligen Spannringen gearbeitet wird - die Kegelflächen sehr präzise im selben Winkel über relativ großen Flächenbereiche gefertigt werden müssen und bei thermischer, mechanischer und/oder chemischer Belastung einer Lagerpresspassung die konischen Spannhülsen zu Korrosion, Kaltverschweißen und mechanischer Riefelung neigen, die das Lösen der Presspassung häufig nicht zerstörungsfrei ermöglichen. Des Weiteren sind selbst bei hochgenau gefertigten Konusflächen von herkömmlichen Spannsätzen kaum Zentriergenauigkeiten im zwei- oder einstelligen Mikrometerbereich zu erreichen,
Die Erfindung versucht diese Nachteile durch Spannkugeln mit verringerter Flächenpressung zu beseitigen. Dabei ersetzt sie die axial verkeilten konischen Spannhülsen durch einheitliche Spannkugeln, für die eine Gleichverteilung um die Symmetrieachse der Welle in mehreren Querschnittsebenen durch eine Positionierhilfe, die als eine auf einem Zylindermantel aufgewickelte Abstandsmatrix für die Spannkugeln definiert ist, im Ringspalt zwischen Welle und Nabe gewährleistet wird. Damit geht die Erfindung zu einer symmetrischen Punktlagerung über, die zudem durch elastische Kugelverformung sehr genau einstellbar ist. Da Präzisionsstahlkugeln aus der Kugellagerbranche mit hochgenauer Sortierung nach Größen und Toleranzen verfügbar sind, kann mit einer derartigen Presspassung auch flexibel auf Toleranzen von Welle und/oder Nabe (im konkreten Fall: Wälzlager) reagiert werden und/oder mittels Wahl der Größe des Übermaßes der Kugeln im Verhältnis zum Ringspalt zwischen Welle und Nabe die Kraft der Presspassung eingestellt werden. Infolge der Verwendung von Spannkugeln, die nicht einmal rollbar sein müssen, wird die Flächenpressung stark verringert und damit eine deutlich leichtere Lösung der Presspassung ermöglicht.
Mit der Erfindung ist eine hochpräzise zentrierte Presspassung einer Nabe, insbesondere eines Wälzlagers, auf einer Welle oder einem anderen Maschinenelement möglich, die keine hochgenau aufeinander abgestimmten Passflächen erfordert und trotzdem zerstörungsfrei lösbar ist. Dabei ist die Presspassung flexibel an die Gegebenheiten der Maschinenelemente, insbesondere an Fertigungstoleranzen der Welle oder der Nabenbohrung (oder speziell Lagerinnenring) anpassbar, ohne dass dadurch Verringerungen der Spannkraft für Presspassung der Wälzlagerringe eintreten müssen.
Die Erfindung soll nachstehen anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Die Zeichnungen zeigen:

1: eine Prinzipdarstellung eines erfindungsgemäßen Vorrichtung zur zentrierten Befestigung einer Nabe auf einer Welle mittels eines elastischen Spannsatzes mit Spannelementen in Form von Spannkugeln in einem Ringspalt zwischen Welle und Nabe,
2: eine Darstellung einer konkreten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur zentrierten Befestigung eines Wälzlagers auf einer Welle mittels Spannkugeln in einem Ringspalt zwischen einer Welle und einem Radialwälzlager,
3: eine erste Ausführung des Spannsatzes mit regelmäßig geordneten Spannkugeln für den Ringspalt, die als Kugelnetz mittels eines Drahtgeflechts zwischen Welle und Nabe/Wälzlager gleichmäßig verteilt axial rollbar gehaltert sind,
4 eine zweite Ausführung des Spannsatzes mit regelmäßig geordneten Spannkugeln für den Ringspalt, die mittels eines Kugelmaschengitters in einem verwobenen Drahtgeflecht zwischen Welle und Nabe/Wälzlager gleichmäßig verteilt gehalten werden,
5 eine dritte Ausführung des Spannsatzes mit regelmäßig geordneten Spannkugeln für den Ringspalt, die mittels einer durch Formgebungsverfahren erzeugten Kunststoffhülse zwischen Welle und Nabe/Wälzlager gleichmäßig verteilt fest, aber überstehend eingebracht sind, wobei kugelflächig geformte Ausnehmungen entweder gegossen, gedruckt oder ausgefräst sind,
6 eine vierte Ausführung des Spannsatzes mit regelmäßig geordneten Spannkugeln für den Ringspalt, die mittels eines gebohrten oder gefrästen Lochblechs zwischen Welle und Nabe/Wälzlager gleichmäßig verteilt angeordnet werden, wobei die Spannkugeln in beidseitig offene Durchbrüche eingeklebt werden.

Ein Verfahren zur zentrierten kraftschlüssigen Verbindung zwischen einer Welle 1 und einer Nabe 2, bei dem ein Spannsatz 4 zur Herstellung einer einstellbaren Übermaßpassung in einem Ringspalt 3 zwischen Welle 1 und Nabe 2 verwendet wird, umfasst erfindungsgemäß die folgenden Verfahrensschritte:
In einem ersten Verfahrensschritt erfolgt die Auswahl einer Paarung von Welle 1 und Nabe 2 oder eines an deren Stelle gesetzten radialen Lagers. Als Lager wäre ein radiales Wälzlager 21 (nur in 2 gezeichnet) mit einem zylindrischen inneren Lagerring zu wählen. Die Auswahl kann aus dem Repertoire standardisierter Normteile geschehen, bei denen die Abmessungen und Toleranzen an sogenannten Passflächen von Wellen 1 und Naben 2 bzw. Wälzlagern 21 geschehen. Die Abmessungen und Toleranzen der Passflächen sind bestimmend für die weitere Gestaltung der Presspassung zwischen Nabe 2 und Welle 1, wobei letztere auch ein anderes Maschinenelement, wie beispielsweise ein zylindrischer Zapfen oder ein äußerer Radiallagerring sein kann.
In einem zweiten Verfahrensschritt wird ein Nabensitz 11 (bzw. Lagersitz 12) an einem die Nabe 2 aufnehmenden Maschinenelement, z.B. einer Welle 1 oder eines Lageraußenrings, geschaffen. Der Nabensitz 11 ist eine zylindrische Passfläche, die mit einem definierten tolerierten Durchmesser gefertigt wird. Die Tolerierung des Nabensitzes 11 erfolgt üblicherweise nach standardisierten Toleranz- und Passungssystemen für Wellen oder Lager. Der Durchmesser der Welle 1 wird so bemessen, dass zwischen dem Nabensitz 11 der Welle 1 und der Nabe 2 ein Ringspalt 3 bestehen bleibt, der zum Einbringen eines Spannsatzes 4 für die Presspassung vorgesehen ist. Der Spannsatz besteht gemäß der Erfindung aus einer Vielzahl von Spannkugeln 41 und einer dafür gestalteten Positionierhilfe 42. Die Positionierhilfe 42 stellt eine auf einer Zylindermantelfläche aufgewickelte Positioniermatrix dar, die innerhalb des Ringspaltes 3 eingebracht ist, um die Spannkugeln 41 in einem tangential und axial gleichverteilten Muster zwischen Nabensitz 11 und Nabe 2 (Nabenbohrung) zu halten.
Für die Breite des Ringspalts 3 wird ein Nennmaß gewählt, das einem Nenndurchmesser von im nachfolgenden Verfahrensschritt auszuwählenden Spannkugeln 41 entspricht. Die Breite und Toleranz des Ringspalts 3 ergibt sich aus der Differenz zwischen den Abmessungen der Passfläche an der Innenfläche der Nabe 2 (bzw. am innen Lagerring 22 eines Wälzlagers 21) und der Passfläche des Nabensitzes 11 (bzw. eines Lagersitzes 12) auf der Welle 1. Daraus wird ein Größtmaß und ein Kleinstmaß des Ringspalts 3 ermittelt.
Entsprechend der Breite des Ringspalts 3 werden im folgenden Verfahrensschritt Spannkugeln 41 ausgewählt. Der Durchmesser der Spannkugeln 41 wird angepasst an das Nennmaß der Breite des Ringspalts 3 gewählt und zwar mit einem Übermaß zur Realisierung einer Presspassung. Durch Auswahl bzw. Sortierung der Spannkugeln 41 nach deren Größensortierung (sortiert nach DIN 5401:2002-08) ist die Presspassung zwischen Nabe 2 und der Welle 1 einstellbar. Der Größenbereich der Spannkugeln 41 wird entsprechend dem Größt- und Kleinstmaß des Ringspalts 3 so gewählt, dass die Spannkugeln 41 stets ein gewünschtes Übermaß aufweisen, wodurch eine Presspassung als kraftschlüssige Verbindung einstellbar hergestellt werden kann. Dadurch wird die Welle 1 sehr präzise (d.h. konzentrisch mit einem Restfehler von weniger als 1 µm) zur Nabe 2 zentriert.
In einem weiteren Verfahrensschritt werden die Spannkugeln 41 in einer dem Ringspalt 3 entsprechenden regelmäßig geordneten Geometrie, d.h. in regelmäßigen Abständen und gleichmäßig verteilt um die Symmetrieachse 6 der Welle 1 angeordnet. Dazu wird die Positionierhilfe 42 als eine Art Positionierraster bzw. Positioniermatrix verwendet, in der die Spannkugeln 41 an regelmäßig geordneten Positionen aufgenommen und befestigt werden. Die Positionierhilfe 42 zur Aufnahme der Spannkugeln 41 kann auf verschiedene Weise ausgeführt werden. Wesentlich für die Art und Weise der Kugelpositionierung ist, dass die Spannkugeln 41 in einem regelmäßigen Raster gleichverteilt um die Welle 1, deren Symmetrieachse 6 zugleich die der Bohrung der Nabe 2 (bzw. die des Wälzlagers 21) sein soll, so gehalten werden, dass die Spannkugeln 41 zusammen mit der Positionierhilfe 42 in den Ringspalt 3 eingeschoben werden können. Zum Einschieben kann jedes geeignete und aus dem Stand der Technik bekannte Mittel verwendet werden, das axial zu Welle 1 und Nabe 2 die Spannkugeln 41 in den Ringspalt 3 befördern hilft, ohne deren vorgewähltes tangentiales und axiales Ordnungsmuster zu deformieren oder in Axialrichtung wesentlich zu verkürzen. Die Positionierhilfe 42 wird als zylindrische Gitter- oder Hülsenform ausgebildet, die als Spannkugelhalterung vorzugsweise mit einer Dicke von höchstens zwei Dritteln des Nennmaßes der ausgewählten Spannkugeln 41 und einem mittleren Hülsendurchmesser vom zweifachen mittleren Radius des Ringspaltes 3 gefertigt ist. Die unterschiedlichen Formen der Positionierhilfe 42 zur Fixierung der Spannkugeln 41 sind ausführlich bei der Beschreibung der Ausführungsformen des Spannsatzes 4 für die Presspassung beschrieben.
Die Positionierhilfe 42 als Spannkugelhalter wird ebenso wie die Spannkugeln 41 als eigentliche Spannelemente in den Ringspalt 3 eingeschoben und verbleibt darin, solange die Presspassung zwischen Welle 1 und Nabe 2 besteht. Sie hat die Funktion eines Aufnahmeelementes und Abstandhalters für die Spannkugeln 41 und wirkt selbst nicht als Passelement im Ringspalt 3, d.h. die Positionierhilfe 42 weist ein deutliches Spiel zu Welle 1 und Nabe 2 auf.
Ein vorletzter Schritt besteht in der Herstellung der zentrierten Presspassung durch Einschieben der Positionierhilfe 42 in axialer Richtung zwischen Nabensitz 11 der Wellel und Innenfläche des Innenrings der Nabe 2. Das kann in zwei Varianten erfolgen.
In der ersten Variante wird zunächst die Positionierhilfe 42 mit den Spannkugeln 41 in den in die Nabe 2 eingelegt und anschließend die Welle 1 axial bis zum Nabensitz 11 in die in der Nabe 2 (bzw. im inneren Lagerring 22 des Wälzlagers 21) axial fixierte Positionierhilfe 42 eingeschoben. In der zweiten Variante wird die Positionierhilfe 42 auf der Welle 1 axial fixiert, z.B. durch einen Sprengring oder Bund 13, und anschließend die Nabe 2 (bzw. das Wälzlager 21) aufgepresst. In beiden Fällen kann das Einschieben mittels eines auf der Welle 1 schraubbaren Spannmittels 5, vorzugsweise durch eine auf die Welle 1 aufschraubbare Nutmutter oder auch durch Spannschrauben an einem Flanschaufsatz der Welle 1, geschehen. Ist die Positionierhülse 42 so beschaffen, dass die Spannkugeln 41 wenigstens axial drehbar sind, rollen die Spannkugeln 41 bei der axialen Relativbewegung der Welle 1 zur Nabe 2 in den Ringspalt 3 ohne großen Widerstand komfortabel ein.
Im letzten Verfahrensschritt wird die Nabe 2 mit einem Fixiermittel, z.B. mit Nutmutter oder axialer Druckplatte; axialen Druckschrauben, gegen eine Relativbewegung zwischen Nabe 2 und Welle 1 gesichert. Außerdem wird der rotatorische Kraftschluss zwischen Welle 1 und Nabe 2 durch axiale Kraftwirkung gesichert, während zuvor der Spannsatz 4 mittels der im Übermaß gewählten Spannkugeln 41 eine radiale kraftschlüssige Verspannung als hochgenaue Präzisionszentrierung im Submikrometerbereich herstellt.
Bei einer Vorrichtung zur zentrierten kraftschlüssigen Verbindung zwischen einer Welle 1 und einer Nabe 2, bei der ein einstellbarer Spannsatz 4 zur Erzeugung einer Übermaßpassung in einem Ringspalt 3 zwischen Welle 1 und Nabe 2 vorhanden ist, sind gemäß einer Grundvariante der Erfindung, wie in 1 gezeigt, Spannkugeln 41 als Distanzhalter und Spannelemente in dem Ringspalt 3 eingebracht, die mittels einer Positionierhilfe 42 in definierten Abständen gehalten werden.
Für die Aufbringung des Spannsatzes 4 weist die Welle 1 mindestens einen zylindrischen Nabensitz 11 auf, mit dem die Welle 1 die Nabe 2 aufnehmen soll. Der Nabensitz 11 ist von weiteren Abschnitten der Welle 1 abgesetzt, indem vorzugsweise - aber ohne Beschränkung der Allgemeinheit - ein Freistich 14 mit einem kleineren Durchmesser als der Nabensitz 11 zu beiden Seiten des Nabensitzes 11 angeordnet ist. Einseitig ist der Nabensitz 11 von einem Bund 13 begrenzt. Der Bund 13 weist einen Durchmesser auf, der größer als der Nabe 2 ist. Auf der gegenüberliegenden Seite des Nabensitzes 11 ist ein Außengewinde 15 angebracht, dessen Nenndurchmesser kleiner als ein Durchmesser des Nabensitzes 11 und der Innendurchmesser des Positionierhilfe 42 für die Spannkugeln 41 ist. Auf dem Außengewinde 15 ist ein Spannmittel 5 angeordnet mit dem die Nabe 2 gegen den Bund 13 axial spannbar ist.
Die Aufnahme und Zentrierung der Welle 1 in der Nabe 2 erfolgt über eine Anzahl gleichverteilter Spannkugeln 41. Die Spannkugeln 41 sind in einem verbleibenden Ringspalt 3 zwischen dem Nabensitz 11 der Welle 1 und einer Bohrung der Nabe 2 angeordnet. Mit den Spannkugeln 41 wird zwischen dem Nabensitz 11 und der Nabe 2 eine Übermaßpassung (Presspassung) hergestellt, wobei die Presspassung aufgrund der Spannkugeln 41 aus einer Vielzahl punktförmiger Auflageflächen besteht. Im Gegensatz zu flächigen Auflageflächen von keilförmigen Hülsen bekannter Spannsätze besitzen die punktförmigen Auflageflächen den Vorteil, dass sie auch bei Verschmutzung oder Korrosion noch zerstörungsfrei lösbar sind.
Zur Herstellung einer gleichmäßigen Verteilung der Spannkugeln 2, ist im Ringspalt 3 eine Positionierhilfe 42 angeordnet. In der Positionierhilfe 42 sind die Spannkugeln 41 an bestimmten Positionen aufgenommen und gehalten bzw. befestigt. Dabei gilt für die gleichmäßigen Verteilung zuerst eine Gleichverteilung von Spannkugeln 41 um die Symmetrieachse 6 und zwar in mindestens zwei Querschnittsebenen gleichverteilt über die axiale Länge des Nabensitzes 11, Durch diese gleichmäßige Verteilung möglichst vieler Spannkugeln im Ringspalt wird einer Verformung der Nabe 2, falls diese dünn ausgeführt oder als ein inneren Lagerring vorhanden ist, entgegengewirkt, die durch die Kräfte der Presspassung bei nur geringer Anzahl der punktförmigen Auflageflächen zu einer Beschädigung führen könnte.
Die Positionierhilfe 42 weist die Form eines Zylindermantels auf und stellt eine auf den Zylindermantel aufgewickelte Positioniermatrix dar, die eine definierte Abstandsrelation zwischen der Vielzahl der Spannkugeln 41 gewährleistet. Der Durchmesser der Positionierhilfe 42 ist größer als der Durchmesser des Nabensitzes11 und kleiner als der Innendurchmesser der Nabe 2, sodass sie, ohne mit dem Nabensitz 11 oder dem Innendurchmesser der Nabe 2 in Kontakt zu kommen, vollständig im Ringspalt 3 aufnehmbar ist. Auch in der axialen Länge ist die Positionierhilfe 42 so begrenzt, dass sie kleiner als die Länge des Nabensitzes 11 der Welle 1 bzw. der Länge der Bohrung der Nabe 2 ist.
Da die Spannkugeln 41 im Ringspalt 3 gleichmäßig verteilt angeordnet sind, wird die Vorspannung infolge der Übermaßes der Spannkugeln 41 gleichmäßig auf den Nabensitz 11 und den Innendurchmesser der Nabe 2 verteilt und eine hohe Zentriergenauigkeit erreicht.
Die Kraftwirkung der kraftschlüssig zentrierten Verbindung zwischen Welle 1 und Nabe 2 wird durch die elastische Verformung von hochgenau gefertigten Spannkugeln 41 mit geeignet angepasster Größensortierung erreicht und kann nach Feststellung der realen Größe des Ringspaltes 3 angesichts der tatsächlichen Toleranzabweichungen von Welle 1 und Nabe 2 sehr genau eingestellt werden, indem eine passende Kugelgrößensortierung gewählt und zum Einsatz in die Positionierhilfe 42 gebracht wird. die Auswahlgrundsätze werden anhand des nachfolgenden Ausführungsbeispieles unter Verwendung eines Wälzlagers 21 als konkrete Einbindung für eine drehbare Nabenverbindung genauer erläutert.
2 zeigt eine Ausführung der Erfindung, bei der ein spielfreies radiales Wälzlager 21 auf einer Welle 1 hochgenau (mit einem Restfehler von < 1 µm) zentriert befestigt werden soll. Wie in 2 gezeigt, weist die Welle 1 mindestens einen zylindrischen Lagersitz 12 auf, an dem die Welle 1 den inneren Lagerring 22 des Wälzlagers 21 aufnehmen soll. Der Lagersitz 12 ist zu von weiteren Abschnitten der Welle 1 abgesetzt, indem ein Freistich 15 mit einem kleineren Durchmesser als der Lagersitz 12 zu beiden Seiten des Lagersitzes 12 angeordnet ist. Einseitig ist der Lagersitz 12 von einem Bund 13 begrenzt. Der Bund 13 weist einen Durchmesser auf, der größer als ein Innendurchmesser des inneren Lagerrings 22 und kleiner als ein Innendurchmesser des äußeren Lagerrings 23 ist. Auf der gegenüberliegenden Seite des Lagersitzes 12 ist ein Außengewinde 15 angeordnet, dessen Nenndurchmesser kleiner als ein Durchmesser des Lagersitzes 12 und der Positionierhilfe 42 für die Spannkugeln 41 ist. Auf dem Außengewinde 15 ist ein Spannmittel 5 angeordnet, mit dem der innere Lagerring 22 des Wälzlagers 21 gegen den Bund 13 spannbar ist.
Die Aufnahme und Zentrierung der Welle 1 im Wälzlager 21 erfolgt über eine Anzahl gleichverteilter Spannkugeln 41. Die Spannkugeln 41 sind in einem verbleibenden Ringspalt 3 zwischen dem inneren Lagerring 22 und dem Lagersitz 12 angeordnet. Mit den Spannkugeln 41 wird zwischen dem Lagersitz 12 und dem inneren Lagerring 22 eine Presspassung hergestellt, wobei die Presspassung aufgrund der Spannkugeln 41 aus einer Vielzahl punktförmiger Auflageflächen besteht. Im Gegensatz zu flächigen Auflageflächen, besitzen die punktförmigen Auflageflächen den Vorteil, dass sie leichter in den Ringspalt 3 einschiebbar sind und auch bei Korrosion oder Verschmutzung noch zerstörungsfrei lösbar sind.
Zur Herstellung einer gleichmäßigen Verteilung der Spannkugeln 41, ist im Ringspalt 3 eine Positionierhilfe 42 angeordnet. In der Positionierhilfe 42 sind die Spannkugeln 41 an bestimmten Positionen aufgenommen und gehalten oder befestigt, letzteres bedeutet, dass die Spannkugeln 41 in der Positionierhilfe 42 frei rotierbar, nur axial rotierbar oder auch fest (z.B. eingegosssen oder eingeklebt) sein können. Durch die gleichmäßige Verteilung möglichst vieler Spannkugeln 41 im Ringspalt 3 wird einer Verformung des inneren Lagerrings 22 so entgegengewirkt, dass das Wälzlager 21 durch die punktuelle Presspassung nicht beschädigt wird, wobei durch die Kräfte der Presspassung durch elastische Verformung der Spannkugeln 41 erreicht wird.
Die Breite des Ringspalts 3 ergibt sich aus der halben Differenz zwischen dem Innendurchmesser des inneren Lagerrings 22 und dem Durchmesser des Lagersitzes 12 beispielsweise zu 2 mm [+0,002 / -0,003]. Da es sich bei dem Wälzlager 21 um ein wählbares standardisiertes Normteil handelt, sind die Nennmaße und Toleranzen des inneren Lagerrings mit Auswahl des Wälzlagers 21 abhängig von Toleranzklasse und Lagertyp vorgegeben, z.B. ø35 mm [-0,006]. Das Nennmaß des Lagersitzes 12 der Welle 1 wird entsprechend dem Nennmaß der später in den Ringspalt 3 einzusetzenden Spannkugeln 41, beispielsweise mit ø31 mm [-0,004], ausgewählt oder angefertigt.
Eine Einstellung der Presspassung erfolgt durch Auswahl des Durchmessers der Spannkugeln 41 und der entsprechenden Kugelsortierung. Der Lagersitz 12 kann dadurch auf einfache Weise nach den Standards üblicher Toleranz- und Passungssysteme für Wellen ausgewählt werden._Der Lagersitz 12 der Welle darf sogar eine höhere Durchmessertoleranz aufweisen und es kann trotzdem mit der Erfindung hochgenaue Welle-Nabe-Zentrierungen möglich Ein aufwändiges Anpassen des Lagersitzes 12 an das Wälzlager 21 durch Nachbearbeitung kann dadurch entfallen.
Als Spannkugeln 41 können hochgenau gefertigte Stahlkugeln für Kugellager verwendet werden, die in Abstufungen im Mikrometerbereich und nach genau angegebenen Unter- oder Übermaßen sortiert, beschafft werden können. Z.B. können Übermaß +1 µm bis +5 µm Untermaß 1 µm bis 5 µm in Stufung von 1 µm bei G5 nach DIN 5401:2002-08 gewählt werden (für andere Größenklassen ergeben sich andere Abstufungen). Entsprechend den Toleranzbereichen des inneren Lagerrings 22 und des Lagersitzes 12 werden die Spannkugeln 41 mit entsprechendem Unter- oder Übermaß so ausgewählt, dass auch bei einer größtmöglichen Breite des Ringspalts 3 eine gewünschte Presspassung mit einer ausreichenden Vorspannung herstellbar ist. Die verwendeten Kugeln haben eine sehr hohe Zentriergenauigkeit, die im schlechtesten Fall der maximalen Durchmesserabweichung der Spannkugeln 41 aus dem sortierten Los entspricht (z.B. 0,25 µm bei Kugeln G5). Die Zentriergenauigkeiten von Doppelkegel-Spannsätzen liegen eher bei minimal 10 µm.
Die Spannkugeln 41 sind im Ringspalt 3 gleichmäßig verteilt angeordnet. Dadurch wird die Vorspannung infolge der Übermaßes der Spannkugeln 41 gleichmäßig auf den inneren Lagerring 22 des Wälzlagers 21 verteilt und eine hohe Zentriergenauigkeit erreicht.
Die in 3 gezeigte Positionierhilfe 42 ist ein Drahtgeflecht 43 als Gitter aus stabilen Metalldraht, das die Form eines Zylindermantels aufweist. Der Durchmesser der Positionierhilfe 42 ist kleiner als der Durchmesser des inneren Lagerrings 22 und größer als der Durchmesser des Lagersitzes12 , sodass sie, ohne mit dem Nabensitz 11 bzw. dem Lagersitz 12 oder dem inneren Durchmesser der Nabe 2 (bzw. dem inneren Lagerring 22) in Kontakt zu kommen, vollständig im Ringspalt 3 aufnehmbar ist.
Das Gitter der Positionierhilfe 42 ist aus einer Anzahl horizontaler Ringe und vertikaler Abstandshalter zusammengesetzt. Auf die Ringe werden vor dem Schließen der Ringe durchbohrte Spannkugeln aufgefädelt. Die Ringe mit den „aufgefädelten“ Spannkugeln 41 sind senkrecht übereinander angeordnet und werden mit den regelmäßig am Umfang der Ringe angeordneten vertikalen Abstandshaltern fest verschweißt oder verlötet. Dabei sind die Spannkugeln 41 in einem regelmäßigen und gleichverteilten Muster im Gitter angeordnet. In jeder Querschnittsebene sind sie mit gleichem Winkelabstand um die Symmetrieachse 6 verteilt, innerhalb verschiedener Querschnittsebenen können sie jedoch versetzt sein, wie in 4 - bei anderer Geflechtstruktur - gezeigt. Die Spannkugeln 41 sind nach dem Fügen des Gitters der Positionierhilfe 42 um die horizontalen Ringdrähte beweglich aufgenommen, wodurch bei senkrechter Bewegung der Positionierhilfe 42 entlang der Symmetrieachse 6 des Wälzlagers 21 oder der Welle 1 ein leichteres Einbringen des Spannsatzes 4 in den Ringspalt 3 (siehe 2) ermöglicht wird.
Bei der Montage des Wälzlagers 21 auf der Welle 1 wird die Positionierhilfe 42 zusammen mit den Spannkugeln 41 in den Ringspalt 3 geschoben. Dazu können alle geeigneten und aus dem Stand der Technik bekannten Mittel verwendet werden. Durch das Übermaß der Spannkugeln 41 wird im Ringspalt 3 die Presspassung erreicht, wobei sich die Spannkugeln 41 verformen und abgeplattet werden. Durch die Verformung der Spannkugeln 41 wird eine bei herkömmlichen Presspassungen auftretende Aufweitung des inneren Lagerrings 22 weitestgehend vermieden. Außerdem wird durch die Verformung bereits ein geringfügiger Widerstand gegen eine Relativbewegung zwischen der Welle 1 und dem Wälzlager 21 erreicht. Eine Sicherung des Wälzlagers 21 gegen die Relativbewegung erfolgt mit dem Spannmittel 5, hier in Form einer Spannmutter gezeichnet. Das Spannmittel 5 ist auf das zum Lagersitz 12 benachbarte Außengewinde 15 aufgeschraubt und verspannt den inneren Lagerring 22 des Wälzlagers 21 in axialer Richtung gegen den Bund 13 der Welle 1 am gegenüberliegenden Ende des Lagersitzes 12. Es kann zuvor auch zum Einschieben der Positionierhilfe 42 mit den Spannkugeln 41 dienen.
Die mittels der Spannkugeln 41 hergestellte Presspassung ermöglicht eine einfache Montage bei gleichzeitig hochgenauer Zentrierung. Durch die im Mikrometerbereich abgestuften Durchmesser der Spannkugeln 41 mit geringen Toleranzen bestehen eine Vielzahl von Optionen bei der Anpassung der Presspassung an bestehende Toleranzen der Nabe 2 bzw. des Wälzlagers 21 oder des Nabensitzes 11 bzw. Lagersitzes 12 einer Welle 1 oder von anderen Maschinenelementen. Außerdem ermöglichen die Spannkugeln 41 einen einfachen und zerstörungsfreien Austausch von Wellen 1, Naben 2 oder Wälzlagern 21.
In einer zweiten, in 4 gezeigten Ausführung ist die Positionierhilfe 42 ein verwobenes Drahtgeflecht 43 aus Metalldrähten. Das verwobene Drahtgeflecht 43 beinhaltet ein Gitter aus waagerecht und senkrecht gekreuzten stabilen Metalldrähten, die durch weitere gegebenenfalls dünneren diagonal verwobenen Drähten unterstützt, regelmäßig angeordnete Maschen 431 aufweist, in denen die Spannkugeln 41 gehalten werden können. An Kreuzungspunkten der Metalldrähte sind diese mit Schweißstellen oder Lötstellen fest verbunden. Für die Dimensionierung von Durchmesser und Dicke der Positionierhilfe 42 in Form des Drahtgeflechts 43 gelten dieselben Bedingungen wie zu 3 erläutert.
In die regelmäßigen Maschen 431 des Drahtgeflechts 43 sind die Spannkugeln 41 in einem gleichmäßigen Muster jeweils innerhalb einer Querschnittsebene um die Symmetrieachse 6 gleichverteilt eingesetzt. Es sind mindestens zwei Querschnittsebenen entlang der Symmetrieachse 6 gleichmäßig über die Länge des Nabensitzes 11 bzw. Lagersitzes 12 verteilt angeordnet. Die Spannkugeln 41 können entweder durch mehrfach verwobene diagonale Drähte des Drahtgeflechts 43 oder zusätzlich durch Verkleben oder Vergießen mit einem Hilfsstoff 44, z.B. eines Klebers, in den Maschen 431 befestigt werden. Die Größe der Maschen 431 des Drahtgeflechts 43 ist als Abstandsmatrix auf das Nennmaß der Spannkugeln 41 so abgestimmt, um die Spannkugeln 41 zumindest teilweise durchtretend aufzunehmen und einzuklemmen und maximal so groß, dass die Spannkugeln 41 regelmäßig angeordnet im Drahtgeflecht 43 mittels eines Hilfsstoffs 44, z.B. eines Klebers oder aushärtbaren Kunstharzes, befestigt werden können.
In einer anderen, in 5 gezeigten Ausführung ist die Positionierhilfe 42 eine Kunststoffhülse 45 in Form eines Hohlzylinders, dessen Wandstärke wenigstens ein Drittel kleiner als der Durchmesser der Spannkugeln 41 ist. Genauer gesagt, ist die Mindestvoraussetzung für das Maß der Wandstärke bzw. der Außen- und Innendurchmesser, dass jeweils ein Spiel zwischen Welle 1 und Nabe 2 (bzw. Welle 1 und Wälzlager 21) vorhanden ist.. D.h. der innere Durchmesser der Kunststoffhülse 45 ist größer als der Durchmesser der Welle 1 und der äußere Durchmesser der Kunststoffhülse 45 ist kleiner als Innendurchmesser der Nabe 2 bzw. des inneren Lagerrings 22.
In die Wand der Kunststoffhülse 45 sind in regelmäßigen und gleichverteilten Abständen, wie in den vorherigen Ausführungen zu 3 und 4 angegeben, in der Ausführung von 5 kreisrunde Durchbrüche 451 eingefräst. Der Durchmesser und die Form der Durchbrüche 451 ist dem Durchmesser und der Form der Spannkugeln 41 angepasst. Am Umfang eines Durchbruchs ist, entsprechend der Form der Spannkugeln 41, eine Hinterschneidung eingefräst, deren Durchmesser dem der Spannkugeln 41 entspricht. Die zur inneren und äußeren Mantelfläche des Kunststoffhülse 45 weisenden Durchmesser der Durchbrüche 451 sind kleiner als der Durchmesser der Spannkugeln 41. Dadurch ist es einfach möglich, die Spannkugeln 41 gegen einen Widerstand in die Durchbrüche 451 der Positionierhilfe 42 einzupressen bzw. einzuclipsen, sodass diese formschlüssig im Material der Kunststoffhülse 45 gehalten werden. Die Spannkugeln 41 erhalten dadurch einen festen Sitz oder werden mindestens gegen das Herausfallen gesichert. Die Kunststoffhülse 45 ist ein Hohlzylinder aus wenigstens einem Kunststoff, wie z.B. PE (Polyethylen), PA (Polyamid), PS (Polystyrol), POM (Polyoxymethylen) und PVC (Polyvinylchlorid) hergestellt und kann auch aus PTFE (Polytetrafluorethylen) gefertigt sein.
In einem nicht speziell dargestellten weiteren Ausführungsbeispiel wird die zuvor beschriebene Positionierhilfe 42 aus Kunststoff mittels eines 3D-Druckverfahrens hergestellt. Dafür sind insbesondere Kunststoffe wie PA (Polyamid) und PS (Polystyrol) geeignet. Die regelmäßig angeordneten Durchbrüche in der Wand der Kunststoffhülse 45 und die zum Einrasten (Einclipsen) der Spannkugeln 41 erforderlichen Hinterschneidungen in den Innenwänden der Durchbrüche 451 werden dann direkt beim 3D-Druck eingearbeitet.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel ist die Positionierhilfe 42, wie in 6 gezeigt, ein zum Zylindermantel geformtes Lochblech 46 mit regelmäßigen Perforationen 461 in Form von Bohrungen, die auch durch Ausstanzungen erzeugt sein können. Die Form der Perforation 461 ist für die Funktion der Positionierhilfe 42 nicht ausschlaggebend. Die Perforation 461 ist hier kreisrund dargestellt, kann aber auch oval, dreieckig, rechteckig oder anderweitig geformt sein. In jedem Fall müssen die Spannkugeln 41 zumindest teilweise in Kontakt mit der Perforation 461 kommen, indem sie in einer Richtung mit dem Durchmesser der Spannkugeln 41 übereinstimmen und so in den Perforationen 461 befestigt werden können. Die Spannkugeln 41 können - wie in 6 dargestellt - in den Perforationen 461 zusätzlich durch Verkleben oder Vergießen mit einem Hilfsstoff 44 gegen ein Herausfallen gesichert werden.
Bezugszeichenliste

1: Welle
11: Nabensitz
12: Lagersitz
13: Bund
14: Freistich
15: Außengewinde
2: Nabe
21: Wälzlager
22: innerer Lagerring
23: äußerer Lagerring
24: Wälzkörper
3: Ringspalt (zwischen Welle und Nabe)
4: Spannsatz
41: Spannkugeln
42: Positionierhilfe
43: Drahtgeflecht
431: Masche
44: Hilfsstoff (Kleber)
45: Kunststoffhülse
451: Durchbruch
46: Lochblech
461: Perforation
5: Spannmittel
6: Symmetrieachse

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10125154 A1 [0007]
DE 355441 A [0009]
DE 1816298 U [0010]
DE 10112473 C1 [0011]
DE 4223100 C2 [0012]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

DIN 5401:2002-08 [0037, 0055]

Claims

Vorrichtung zur kraftschlüssig zentrierten Verbindung zwischen einer Welle und einer Nabe, bei der ein einstellbarer Spannsatz zur Erzeugung einer Übermaßpassung in einem Ringspalt zwischen Welle und Nabe vorhanden ist, dadurch gekennzeichnet, dass - der Spannsatz mit einer Vielzahl elastisch verformbarer Spannkugeln ausgerüstet ist, die gegenüber der Breite des Ringspaltes ein Übermaß aufweisen, - der Spannsatz eine Positionierhilfe zur Halterung der Vielzahl der Kugeln in mindestens zwei Querschnittsebenen jeweils gleichverteilt um die Symmetrieachse der Welle enthält, wobei die Positionierhilfe eine auf einem Zylindermantel aufgewickelte Abstandsmatrix darstellt, einen inneren Durchmesser größer als der Durchmesser der Welle und einen äußeren Durchmesser kleiner als der Innendurchmesser der Nabe aufweist, und - Spannmittel zum axialen Einpressen der Kugeln in den Ringspalt zwischen Welle und Nabe vorhanden sind, die an der hülsenförmigen Positionierhilfe axial angreifen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannkugeln als Präzisionsstahlkugeln ausgebildet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannkugeln nach Nenngröße und realer Toleranz sortiert und für eine spezielle Paarung von Welle und Nabe zusammengestellt sind.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannkugeln durch Wahl von Nenngröße oder sortierte Toleranzgrößen für eine spezielle Einstellung von Übermaß der Kugeln zum Ringspalt und der Kraft der Presspassung vorgesehen sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Positionierhilfe als Abstandsmatrix für die Spannkugeln als ein metallisches Drahtgeflecht ausgebildet ist, in das die Spannkugeln in Poren oder Löcher eingepresst sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Positionierhilfe als Abstandsmatrix für die Spannkugeln als ein Metalldrahtgitter ausgebildet ist, bei dem die Kugeln jeweils auf tangentialen Gitterdrähten axial rotierbar aufgesteckt sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Positionierhilfe als Abstandsmatrix für die Spannkugeln als eine Kunststoffhülse ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Kunststoffhülse aus einem Material der Gruppe Polyethylen, Polyamid, Polystyrol, Polyoxymethylen, Polyvinylchlorid und Polytetrafluorethylen ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Kunststoffhülse durch ein mechanisches, thermisches oder drucktechnisches Formgebungsverfahren hergestellt ist.
Verfahren zur kraftschlüssig zentrierten Verbindung zwischen einer Welle und einer Nabe, bei dem ein Spannsatz zur Herstellung einer einstellbaren Übermaßpassung verwendet wird, enthaltend die Schritte: - Auswahl einer Paarung von Welle und Nabe, bei der ein definierter Ringspalt zur Aufnahme des Spannsatzes zwischen Welle und Nabe freigehalten wird, - Auswahl von elastisch deformierbaren Spannkugeln als Spannelemente des Spannsatzes in Form von Präzisionsstahlkugeln, deren Durchmesser gegenüber dem definierten Ringspalt ein Übermaß aufweisen, - Komplettierung des Spannsatzes durch Einsetzen der Spannkugeln in eine Positionierhilfe, die durch eine auf einem Zylindermantel aufgewickelte Abstandsmatrix gebildet und als eine Positionierhilfe so gefertigt wird, dass deren mittlerer Durchmesser an den mittleren Durchmesser des Ringspaltes angeglichen wird und der innere Durchmesser der Positionierhilfe größer als der Durchmesser der Welle und der äußere Durchmesser der Positionierhilfe kleiner als der Innendurchmesser der Nabe sind, wobei die Positionierhilfe ein um die Symmetrieachse der Welle gleichverteiltes Raster von Kugelhalterungen bereitstellt, in denen die Spannkugeln positionsgetreu und nicht zwingend drehbar gehalten werden, und - Einschieben der Spannkugeln mit der Positionierhülse zwischen Welle und Nabe, indem die Positionierhilfe entweder mit der Welle gegen die Nabe oder mit der Nabe gegen die Welle mit Hilfe eines Spannmittels axial in den Ringspalt eingeschoben wird.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Positionierhilfe aus einem zu einem hohlzylinderförmig ausgebildeten Drahtgeflecht hergestellt wird, wobei die Spannkugeln in eingearbeitete Löcher oder Maschen eingepresst werden.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Positionierhilfe aus einem Kunststoff zu einer hohlzylinderförmigen Kunststoffhülse gefräst wird, wobei die Spannkugeln in konisch oder sphärische eingefräste Durchbrüche eingesetzt werden.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Positionierhilfe aus einem Kunststoff zu einer hohlzylinderförmigen Kunststoffhülse gefräst wird, wobei die Spannkugeln in konisch oder sphärische eingefräste Löcher eingepresst oder eingeclipst werden.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Positionierhilfe aus einem Kunststoff zu einer hohlzylinderförmigen Kunststoffhülse durch thermische Formgebung hergestellt wird, wobei die Spannkugeln in Durchbrüche oder Perforationen mit einem stoffgleichen oder stofffremden Hilfsmaterial eingeklebt werden.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Positionierhilfe aus einem zu einer zylindrischen Positionierhülse Kunststoff durch einen 3D-Druckprozess hergestellt wird, wobei die Spannkugeln freigelassene sphärische oder tonnenförmige Löcher eingeclipst werden.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Einpressen der Spannkugeln positioniert in der Positionierhilfe durch Aufschrauben einer Mutter auf ein Gewinde auf der Welle erfolgt, indem die Positionierhilfe zusammen mit der Nabe gegen einen Bund der Welle geschoben wird.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Einpressen der Spannkugeln positioniert in einem Drahtgeflecht als Positionierhilfe durch Befestigen des Drahtgeflechts mit den Spannkugeln auf der Welle und anschließendes Aufschieben der Nabe auf die Welle erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Einpressen der Spannkugeln, wenn diese in einem Drahtgeflecht auf einem Ring aufgefädelt sind, durch Aufschieben der Nabe mit der durch axial in der Positionierhilfe rollende Spannkugeln durch ein Rollen des Spannsatzes auf die Welle erfolgt.