DE4423588C1 - Verfahren zur Herstellung eines Achslager-Lagergehäuse-Verbunds - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Achslager-Lagergehäuse-Verbunds nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, wie er beispielsweise zur Lagerung der Pumpenwelle einer Kraftfahrzeug-Kühlwasserpumpe verwendet wird.

Ein Lagergehäuse für einen derartigen Verbund ist beispielswei­ se in der Offenlegungsschrift DE 38 33 331 A1 beschrieben. Es besteht aus Kunststoff, wobei auch metallische Lagergehäuse be­ kannt sind. Das Lagergehäuse besitzt einen Lagerzylinder zur Aufnahme eines Achslagers, der bis auf diverse Aussparungen, z. B. zur Positionierung von Sicherungselementen und Dichtungen, einen konstanten Durchmesser besitzt. Zur Halterung des Achsla­ gers im Lagerzylinder ist letzterer mit einer geeigneten Sitz­ aufnahme zu versehen, und es ist ein separates Axialsicherungs­ teil einzusetzen. Die Sitzaufnahme muß ebenso wie der Lagerzy­ linderinnendurchmesser ausreichend genau gefertigt werden, wenn eine bestimmte Lagegenauigkeit und Spielfreiheit für das einzu­ setzende Lager gefordert ist.

In der Offenlegungsschrift JP 54-84157 ist ein Verfahren zum Einpressen einer Lagerhülse mit konstantem Außendurchmesser in eine Aufnahmebohrung mit ebenfalls konstantem Durchmesser of­ fenbart, bei dem zunächst die Lagerhülse konisch eingedrückt wird, um leichter an die Aufnahmebohrung angesetzt werden zu können, wobei die Lagerhülse bei weiterem. Einpressen in die Aufnahmebohrung wieder ihre zylindrische Gestalt mit konstantem Durchmesser erhält.

Aus der Patentschrift US 2.779.641 ist es bekannt, die Aufnah­ mebohrung eines Lagergehäuses konisch und die Außenfläche eines in die Bohrung einzusetzenden Kugellageraußenrings mit einem sich nicht erweiternden Durchmesser, jedoch mit in Axialrich­ tung sägezahnförmigem Verlauf zu fertigen, wobei sich beim Ein­ pressen des Kugellagerringes in die Bohrung die Sägezahnrillen in die umgebende Bohrungswand eindrücken.

Des weiteren sind Wellenlagerungen bekannt, bei denen eine auf der Welle angeordnete Lagerbuchse mit konischer Außenfläche und eine die Buchse aufnehmende Bohrung mit dazu korrespondierender konischer Gestalt gefertigt sind, wobei die Lagerbuchse ela­ stisch gegen die Aufnahmebohrung gedrückt gehalten wird. Ein Beispiel einer solchen Lagerung ist in der Patentschrift DE 39 34 125 C2 gezeigt.

Der Erfindung liegt als technisches Problem die Bereitstellung eines Verfahrens zur Herstellung eines Achslager-Lagergehäuse- Verbunds zugrunde, das möglichst wenig Arbeitsschritte und Ar­ beitsaufwand erfordert und eine gegen Lösen und Lageveränderung gesicherte Halterung des Achslagers im Lagergehäuse ohne zu­ sätzliche Hilfsmittel ermöglicht.

Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Die Verbindung zwischen Achslagerau­ ßenring und Lagergehäuse wird durch Schrumpfen der konischen Innenflächen der Lageraufnahmehülse auf die konische Außenfläche des Achslageraußenrings unter Abkühlung des betreffenden Lagergehäusebereichs erreicht. Achs­ lageraußenringfläche und Lagergehäuseinnenringfläche sind dadurch im anschließenden Einsatz gegenüber einer Relativbewegung ge­ sichert verbunden, ohne daß hierzu zusätzliche Hilfsmaßnahmen, wie Sicherungsringe, Stifte, Klebstoffe oder Materialdeforma­ tionen, erforderlich sind, da entsprechende herkömmliche Ver­ fahrensschritte, wie Einpressen, Einschrumpfen oder Einkleben mit zusätzlicher Positions- und Lagesicherung entfallen können. Durch die korrespondierende konische Gestaltung der miteinander zu verbindenden Flächen entfällt die Notwendigkeit einer zer­ spanenden Erzeugung der Aufnahmebohrung, für die bei konstantem Durchmesser Formgenauigkeiten im Bereich von ca. 0,005 mm gefor­ dert sein können. Außerdem läßt sich damit das Achslager leicht in die Aufnahmebohrung einsetzen, wobei eventuelle Ungenauig­ keiten im Konusdurchmesser in einfacher Weise durch axiale To­ leranzen bei der Montage ausgeglichen werden können, ohne daß die Festigkeit des späteren Verbunds leidet. Die konische Ge­ staltung der zusammenwirkenden Flächen von Achslager und Lager­ gehäuse ist des weiteren dann von besonderem Vorteil, wenn, wie beispielsweise im Fall einer Lagerung der Pumpenwelle für eine Kraftfahrzeug-Kühlwasserpumpe, eine axiale Hauptbeanspruchungsrichtung vorliegt, wobei die Konizität in diesem Fall so gewählt wird, daß sich der ko­ nische Verlauf in der Hauptbeanspruchungsrichtung verjüngt. Mit diesem Verfahren wird folglich mit sehr einfachen Mitteln und geringem Aufwand eine selbstsichernde Achslagerung realisiert.

Je nach Anwendungsfall ist der Konuswinkel entsprechend dem Schrumpfungsverhalten des für das Lagergehäuse verwendeten Ma­ terials geeignet zu wählen. Typische, vorteilhafte Werte für den Konuswinkel betragen zwischen 1,9° und 2,1°. Der Wert für den Konuswinkel läßt sich insbesondere in Abhängigkeit von der gewünschten Axialtoleranz der Enden der durchgeführten Welle bzw. der Achslagerstirnseiten und bei Verwendung eines Gußteils für das Lagergehäuse auch entspre­ chend der Gießvorgabe wählen.

In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, das Lagergehäuse als Aluminium- oder Magnesium- Gießteil zu fertigen. Die Herstellung als Gießteil hat zur Fol­ ge, daß keine aufwendige zerspanende Erzeugung der Aufnahmeboh­ rung erforderlich ist. In Verbindung mit dieser Vorgehensweise ist es von Vorteil, das Montieren des Achsla­ gers direkt im Anschluß an einen Stanzentgratungsvorgang am Ende des Gießprozesses für das Lagergehäuse vorzunehmen. Damit läßt sich die nach dem Stanzentgraten noch vorhandene Restwärme für einen gezielten Abkühlvorgang zur Überdeckung des Achsla­ geraußenringes durch die Lagergehäuseinnenringfläche aufgrund der Schrumpfung der letzteren ausnutzen. Diese Maßnahme nutzt die Primärenergie aus dem Gießprozeß, was den Energiebedarf gering hält und außerdem den Rückkühlvorgang beschleunigt. Die Montage des Achslagers kann hierbei manuell bei Entnahme des Gußteiles oder automatisch im Gießzyklus in den Stanzentgratungsvorgang integriert werden.

Alternativ zu einer derartigen, in den Gießprozeß integrierten Achslagermontage ist es möglich, die Achsla­ germontage zeitlich von der Lagergehäusefertigung zu trennen, indem die Achslagermontage zu einem späteren Zeitpunkt nach Fertigung des Lagergehäuses montiert wird, wozu dann das Lager­ gehäuse gezielt über die spätere Einsatztemperatur hinaus er­ wärmt wird, um das nachfolgende Verbinden des Lagergehäuses mit dem Achslager durch Schrumpfung der Lagergehäuseinnenringfläche zu erreichen. Bei dieser Nacherwärmung des Gehäuses kann erforder­ lichenfalls die Aufnahmebohrung noch unabhängig vom vorherigen Gießort nachbearbeitet werden.

Zur Unterstützung der radialen Lagesicherung kann die Außenfläche des Achslagerrings mit einer gezielten Rauhheit versehen sein, z. B. in Form regelmäßiger Kordel- oder Rändelrillen, in die während des Schrumpfprozesses das Lagerge­ häuseinnenringmaterial eingreift.

Eine sehr vorteilhafte Dichtungsmaßnahme in Verbindung mit der Erfindung stellt die Anordnung einer Unitised-Axialgleitring­ dichtung dar, die handelsüblich ist und eine anvulkanisierte Elastomerdichtung auf Füge-Dia besitzt.

Eine vereinfachte und kostengünstige Variante der Dichtungsmaß­ nahme stellt die Anordnung eines Kompaktlagers mit integrierter Axialgleitringdichtung (sog. Inlager-Dichtung) dar. Derartige kombinierte und gedichtete Kompaktlager, bei deren Einsatz die zusätzliche Abdichtung des Lagergehäuses zum wasserführenden Raum entfällt, befinden sich in der Entwicklung und Erprobung.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist in der Fig. 1 dargestellt und wird nachfolgend beschrieben.

Fig. 1 zeigt einen Längsschnitt durch einen Achslager-Lager­ gehäuse-Verbund für die Lagerung der Pumpenwelle einer Wasserpumpe eines Kühlmit­ telkreislaufes in einem Kraftfahrzeug und

Fig. 2 eine Ansicht eines Achslager-Lagergehäuse-Verbunds wie Fig. 1, jedoch mit einer alternativen Dichtungs­ anordnung.

Anhand der in den Figuren dargestellten Realisierungen eines Wasserpumpenachslager-Lagergehäuse-Verbunds wird nachfolgend das Verfahren zu deren Herstellung erläutert, wobei der Verbund nach Fig. 2 weitgehend demjenigen von Fig. 1 entspricht. Dabei sind funktionell gleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen, und die nachstehenden Ausführungen beziehen sich auf beide Ausführungen, soweit nicht jeweils speziell auf eine Bezug genommen ist.

Der gezeigte Wasserpumpenteil beinhaltet ein Lagergehäuse (1) mit angeformter Lageraufnahmehülse (2) und eine als Zwei-Enden- Zapfenwelle realisierte Pumpenwelle (6), die gleichzeitig den Innenring eines Kompaktachslagers (12), d. h. eines kombinierten Axial- und Radiallagers bildet. Auf das eine Ende der Pumpen­ welle (6) wird beim Verbund nach Fig. 1 lagefest eine Unitised- Axialgleitringdichtung (11) mit Elastomer-Dichtung (9) aufge­ preßt, wonach das Flügelrad (8) mit axialem Lagebezug zum La­ gergehäuse (1) verdrehfest montiert wird. An ihrem dem Flügelrad (8) entgegengesetzten Ende ist die Pumpenwelle (6) in nicht näher gezeigter, herkömmlicher Weise drehfest mit einem An­ triebsstück (7) verbunden, um die Pumpenwelle (6) in Rotation zu versetzen. Alternativ ist bei dem Verbund nach Fig. 2 schon bei der Kompaktlager-Vormontage eine geeignete Axial-Gleitring­ dichtung (11′) in ein Kompaktlager (13) als Inlager-Dichtung eingebracht. In diesem Fall wird die Dichtung ohne weiteren Ar­ beitsaufwand mit dem Kompaktlager (13) in das Lagergehäuse (1) eingebracht, und die Flügelrad-Montage erfolgt wieder wie oben angegeben.

Die Herstellung des Achslager-Lagergehäuse-Verbunds beginnt mit der Fertigung dem Lagergehäuses (1) und der Beistellung des Flügelrades (8) sowie im Fall des Verbunds von Fig. 1 des Kom­ paktlagers (12) und der aufgepreßten Unitised-Axialgleitring­ dichtung (11) bzw. im Fall des Verbunds von Fig. 2 der Kombi­ nation von Kompaktlager (13) und integrierter Inlager-Dichtung (11′). Die Fertigung des Lagergehäuses (1) erfolgt als Alumini­ umdruckgußteil, wobei alternativ auch ein anderes Gießmaterial z. B. Magnesium, verwendbar ist. Die Innenfläche (3) der Lageraufnahmehülse (2) wird durch Formung um einen konischen Vollkern in der dargestellten Weise konisch ausgebildet, wobei der Konus­ winkel (a) vorliegend 2° beträgt. Der von dieser konischen Innenfläche (3) umgrenzte Raum dient als Aufnahme­ bohrung für einen Achslageraußenring (4). Der Achslageraußen­ ring (4) wird dementsprechend mit einer zur konischen Innenfläche (3) korrespondierenden konischen Außenfläche (5) gefertigt, dessen Konuswinkel ebenfalls 2° beträgt. Durch die Herstellung des Lagergehäuses (1) als Gießteil sind keine aufwendigen zusätzli­ chen Fertigungsschritte, wie zerspanendes Herstellen der Auf­ nahmebohrung für das Achslager etc., erforderlich.

Das vom Gießprozeß noch über Umgebungstemperatur, welche in diesem Fall die spätere Einsatztemperatur darstellt, erwärmte Lagergehäuse (1) wird einem Stanzentgratungsvorgang unterzogen, wonach sofort anschließend die vormontierte Wellen-Achslager- Einheit mit dem konisch verjüngten Achslagerbereich voran von der konisch aufgeweiteten Seite der von der Lageraufnahmehülse (2) gebilde­ ten Aufnahmebohrung her in letztere eingeschoben wird, bis die korrespondierenden konischen Flächen (3, 5) am Achslageraußen­ ring (4) bzw. an der Lageraufnahmehülse (2) ganzflächig aneinanderliegen. Für die Festigkeit des späteren Achslager-Lagergehäuse-Verbunds kommt es hierbei nicht auf eine bestimmte Positionierung des Achslagers in der Lageraufnahmehülse (2) an, beispielsweise kann diese Lage innerhalb eines axialen Spiels von ca. 1,5 mm nach beiden Seiten um eine Soll-Lage schwanken, ohne daß dies später zu funktionsnachteiligen Folgen führt, so daß entsprechend gro­ ße Fertigungstoleranzen erlaubt sind. Das Einfügen des Achsla­ gers (12 bzw. 13) in die Lageraufnahmehülse (2) kann dabei manuell bei der Entnahme des Lagergehäuse-Gußteils (1) oder alternativ automa­ tisch im Druckgußzyklus erfolgen, wobei in jedem Fall kein Kraftaufwand und keine besonderen Positionierungsmaßnahmen er­ forderlich sind.

Nach diesem Einfügen des Achslagers (12 bzw. 13) in die Lageraufnahmehülse (2) des Lagergehäuses (1) sorgt der anschließende Ab­ kühlprozeß für das Lagergehäuse (1) dafür, daß die Lageraufnahme­ hülse (2) schrumpft und sich dadurch allmählich immer fester um die Außenfläche (5) des Achslageraußenrings (4) legt, bis nach Abkühlung des Lagergehäuses (1) auf Umgebungstemperatur ein derart fester Verbund von Achslageraußenring (4) und Lageraufnahme­ hülse (2) erreicht ist, daß die beiden Teile nicht mehr gegen­ einander bewegbar sind. Zur Unterstützung der radialen Lagesi­ cherung ist der Achslageraußenring (4) an seiner Außenfläche (5) in einem mittigen Bereich (10) mit einer aufgerauhten Ober­ fläche in Form einer regelmäßigen Riffelung versehen, in die das Aluminiummaterial der Lageraufnahmehülse (2) während des Schrumpfungs­ vorgangs lagesichernd eingreift. Durch die unmittelbar an den Gießvorgang anschließende Achslagermontage wird die Energie des Gießprozesses ausgenutzt, so daß kein zusätzlicher Energieauf­ wand zur Erwärmung des Lagergehäuses (1) erforderlich ist. Soll die Achslagermontage jedoch erst zu einem späteren Zeitpunkt erfolgen, ist es alternativ möglich, das gefertigte Aluminium- Lagergehäuse (1) zur Achslagermontage erneut über die beabsich­ tigte, spätere Einsatztemperatur hinaus zu erwärmen, dann das Achslager (12 bzw. 13) einzufügen und das Lagergehäuse (1) wieder unter Schrumpfung abzukühlen.

Im Verbund von Fig. 1 liegt in dem gezeigten, montierten Zu­ stand des Achslagers (12) im Lagergehäuse (1) der flügelradsei­ tige Gleitringdichtungsbereich (11) des Achslagers (12) dem sich aufweitenden Ende der Lageraufnahmehülse (2) abdichtend gegenüber, wo­ bei der Dichtungsbereich (11) aus der Unitised-Axialgleitring­ dichtung (11) mit anvulkanisierter Elastomerdichtung (9) auf Füge-Dia besteht, die durch axiales Aufpressen auf die Welle (6) und Einpressen in die Lageraufnahmehülse (2) den flügelradabgewandten Achslagerraum vom flügelradzugewandten Raum, in welchem das Kühlmittel strömt, trennt. Bei Einsatz des mit einer Axial­ gleitringdichtung kombinierten Achslagers (13) von Fig. 2 ist dieser Zustand schon mit der Lagermontage in das Lagergehäuse (1) gegeben, es entfällt die Montage der separaten Dichtung.

Die beschriebene Herstellung des Relativbewegungen zwischen Achslager (12, 13) und Lagergehäuse (1) verhindernden Achsla­ ger-Lagergehäuse-Verbunds ist mit geringem Aufwand realisierbar und erfordert insbesondere keine zusätzlichen Hilfsstoffe und Hilfsmittel, wie Klebstoffe, Sicherungsringe, Stifte oder Mate­ rialdeformationen, um das Achslager gesichert im Lagergehäuse (1) zu positionieren. Anschließend wird das Flügelrad (8) und das Antriebsteil (7) an dem jeweiligen Wellenende befestigt, wonach die Anordnung im Bereich des Verbunds betriebsfertig ist. Bei Einstellen des Dichtspaltes zwischen Lagergehäuse (1) und Flügelrad (8) kann bei dem Verbund von Fig. 2 die Montage des Flügelrades (8) auf das kombinierte Achslager (13) schon vor dem Fügen des Verbundes in das Lagergehäuse (1) erfolgen. Für die gezeigte Lagerung der Pumpenwelle einer Wasserpumpe ergibt sich im Betrieb auf­ grund der Pumpwirkung eine axiale Hauptbelastungsrichtung, die in der Figur durch die Druckkraft (P) angedeutet ist. Der her­ gestellte Achslager-Lagergehäuse-Verbund trägt dieser Tatsache dadurch Rechnung, daß die Konusse der Außenfläche (5) des Achs­ lageraußenrings (4) und der Innenfläche (3) der Lageraufnahmehülse (2) sich in dieser Hauptbelastungsrichtung verjüngend ausgebildet sind, so daß diese Belastung besonders gut von dem Verbund aufgenommen werden kann. Es versteht sich, daß die Montage der übrigen, nicht erfindungswesentlichen Bauelemente der Wasserpumpe ohne Änderung in herkömmlicher Weise erfolgt.

Claims (8)

1. Verfahren zur Herstellung eines Achslager-Lagergehäuse-Ver­ bunds, insbesondere für eine Kraftfahrzeug-Kühlwasserpumpe, bei dem die Außenfläche (5) eines Achslageraußenrings (4) unbeweglich mit einer umgebenden Innenfläche (3) eines Lagergehäuses (1) verbunden ist, gekennzeichnet durch folgende Schritte:

• - Fertigen eines Achslagers (12, 13) mit einem Achslageraußenring (4) mit konischer Außenfläche (5),
• - Fertigen eines Lagergehäuses (1) mit einer Lageraufnahmehülse (2) mit zur konischen Außen­ fläche (5) des Achslageraußenrings (4) korrespondierender, koni­ scher Aufnahmebohrung, deren konische Innenfläche (3) aus einem bei Abkühlung schrumpfenden Material besteht,
• - Einfügen des Achslagers (12, 13) in die Aufnahmebohrung, wobei die konische Innenfläche (3) auf einer Temperatur größer als die spätere Einsatztemperatur gehalten wird, und
• - Abkühlen der konischen Innenfläche (3) zur unbeweglichen Verbindung, zwischen Achslageraußenring (4) und Lageraufnahmehülse (2) des Lagergehäuses (1).

2. Verfahren nach Anspruch 1, weiter dadurch gekennzeichnet, daß bei der Fertigung des Achslagers (12, 13) und des Lagergehäuses (1) ein Konuswinkel (a) der beiden korrespondierenden Flächen (3, 5) von 1,9° bis 2,1° eingehalten wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, weiter dadurch gekennzeichnet, daß das Lagergehäuse (1) mittels eines Aluminium- oder Magnesium- Gießprozesses gefertigt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, weiter dadurch gekennzeichnet, daß das Einfügen des Achslagers (12, 13) in die Aufnahmebohrung und das Abkühlen der konischen Innenfläche (3) in direkten Anschluß an einen Stanzentgratungsschritt des Gießprozesses erfolgen.

5. Verfahren nach Anspruch 3, weiter
dadurch gekennzeichnet, daß das Lagergehäuse (1) nach dem Gießprozeß zunächst auf Umge­ bungstemperatur abgekühlt und vor dem späteren Einfügen des Achslagers (12, 13) wieder erwärmt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, weiter dadurch gekennzeichnet, daß der Achslageraußenring (4) mit rauher konischer Außenfläche (5) gefertigt wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, weiter dadurch gekennzeichnet, daß eine Unitised-Axialgleitringdichtung (9) in dem Bereich des Achslagers (12) angebracht wird, der mit dem den weiteren Durchmesser aufweisenden Konusendbereich der konischen Innen­ fläche (3) zusammenwirkt.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, weiter dadurch gekennzeichnet, daß eine Kombination aus Achslager (13) und Axial-Gleitringdichtung (11′) in vormontiertem Zustand als Inlager-Dichtung ohne zu­ sätzlichen Dicht-Dia eingebracht wird.