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Die
Erfindung befasst sich mit einem Achsbolzen mit einem Gewinde, einem
Schraubenkopf und einer dazwischen ausgebildeten Lagerstelle und einem
Lagerring, sowie mit einer Lageranordnung für rotatorische und/oder oszillierend
rotatorische Bewegungen mit einem Achsbolzen, einem Lagerring, einer
Mutter und mindestens zwei Hebeln. Darüber hinaus befasst sich die
Erfindung mit einem Verfahren zum Fügen einer solchen Lageranordnung.
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Es
sind Lageranordnungen für
rotatorische und oszillierend rotatorische Bewegungen bekannt, bei
denen ein fester Hebel mit einem beweglichen Hebel über einen
Achsbolzen verbunden sind. Der Achsbolzen ist aus Metall, und weist
einen Schraubenkopf auf, an dem sich für jeden Hebel eine Lagerstelle
anschließt
und der in einem Gewinde mündet, auf
das zum Festlegen der Lageranordnung eine Mutter aufgeschraubt wird.
Solche gefügten
Lageranordnungen sind spielbehaftet in Abhängigkeit von den Toleranzfeldern
der Einzelkomponenten. Je stärker
die Toleranzen eingeschränkt
werden, um so stärker – sogar überproportional
stark – steigen
die Fertigungskosten. Um das entstehende Axialspiel zu reduzieren,
wurden Halbzeuge – wie
Spaltbänder oder
Bleche mit eingeschränkter
Dickentoleranz – verwendet.
Da solche Lageranordnungen insbesondere im Automobereich jedoch
nicht nur statischen sondern auch dynamischen Belastungen ausgesetzt sind,
haben die vorgenannten Lageranordnungen trotz eingeschränkten Toleranzkollektiven
häufig
das Problem, dass störende
Geräusche – teilweise
sogar Klappern – erzeugt
wird. Bei nichtbelasteten Sitzkonstruktionen – z.B. Fahrernebensitze in
Abhängigkeit von
der Eigenfrequenz der jeweiligen Tragstruktur – wurden bislang an gefähr deten
Lagerstellen Kunststoffbuchsen zur Abkopplung eingebracht. Diese
Zusatzteile verlängern
aber ihrerseits die Toleranzkette. Um eine axiale Spielreduzierung
bzw. Geräuschvermeidung
zu erzielen, wurden Federelemente – sog. Well scheiben – eingesetzt.
Dies ist jedoch aufwendig, da mehrere einzelne Teile vorhanden sein
müssen,
um der Geräuschbildung
entgegenzuwirken.
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Aus
der AT 366 800 ist eine Befestigungseinheit zur Befestigung eines
mit einem Loch versehenen, zum Kaltfluss oder zum Kriechen neigenden Werkstücks auf
einer Unterlage mit einer Schraube, die einen Kopf und einen Schaft
aufweist, der ein im Abstand vom Kopf beginnendes Gewinde besitzt,
bekannt. Die Befestigungseinheit weist eine Abdeckscheibe auf, die
aus einem vorzugsweise kegelstumpfförmigen Flansch und einem hülsenartigen Teil
besteht, wobei der letztere eine annähernd konstante Wandstärke aufweist
und länger
ist als der gewindefreie Teil des Schraubenschaftes sowie länger als
die axiale Höhe
des kegelstumpfförmigen
Teils der Abdeckscheibe. Der Schraubenschaft ist mit einer, einen
größeren Durchmesser
als das Gewinde aufweisenden, die Abdeckscheibe zurückhaltenden Ringrippe
versehen. Der hülsenartige
Teil weist einen Innendurchmesser auf, der größer ist als der Durchmesser
des Gewindes der Schraube. Der kegelstumpfförmige Flansch der Abdeckscheibe
ist vom kopfseitigen Ende des hülsenförmigen Teils
ausgehend mit diesem einstückig
ausgebildet. Die Ringrippe ist am Schaft der Schraube zwischen dem
gewindefreien Teil des Schaftes und dem Gewinde angeordnet. Der
hülsenartige
Teil weist an seinem, dem Kopf der Schraube benachbarten Ende einen
oder mehrere radial nach innen ragende Vorsprünge auf, wobei die lichte Weite
des hülsenartigen
Teils im Bereich des Vorsprungs kleiner ist als der Durchmesser der
Ringrippe und größer ist
als der Durchmesser des Gewindes der Schraube. Die Länge des
gewindefreien Teils des Schaftes zwi schen dem Kopf der Schraube
und der Ringrippe ist vorzugsweise gleich der axialen Ausdehnung
des Vorsprungs am hülsenartigen
Teil.
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Eine
Aufgabe der Erfindung ist es, Mittel für Lageranordnungen zur Verfügung zu
stellen, mit denen – unter
Umständen
in Verbindung mit weiteren damit zusammenwirkenden Mitteln – eine Geräuschbildung
der Lageranordnung vermieden wird. Eine weitere Aufgabe ist es,
ein Verfahren zum Fügen
einer solchen Lageranordnung zur Verfügung zu stellen.
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Die
Aufgabe wird durch einen Achsbolzen mit den Merkmalen des Anspruchs
1 gelöst.
In die umlaufende Nut am Lageransatz ist ein Lagerring eingebracht,
der eine Durchbrechung aufweist und mit dem sowohl eine spielfreie
Axiallagerung als auch eine spielfreie Radiallagerung im gefügten Zustand erreicht
wird. Insbesondere ist der Lagerring gemäß den Merkmalen des Anspruchs
3 ausgebildet. Dadurch, dass die umlaufende Nut kreisbogenförmig ausgebildet
ist, kann im Fügeprozess
eine Rotations- und Stülpbewegung
im Lagerring vorgenommen werden. Dadurch wird in einfacher Art und
Weise zuerst eine spielfreie Radiallagerung erreicht und im Anschluss
daran auch noch eine spielfreie Axiallagerung. Dies wird dadurch
erreicht, dass ein Formschluss zwischen dem Lagerbereich des Lagerrings und
der umlaufenden Nut gegeben ist, so dass die Rotations- und Stülpbewegung
entlang der Wandfläche
der umlaufenden Nut geführt
wird. Die Position der elastischen Verformung des Lagerrings wird
mit der anschließenden
plastischen Verformung stabilisiert. Ein erfindungsgemäßes Lager
für eine
rotatorische und/oder oszillierend rotatorische Bewegung mit einem
Achsbolzen und einem Lagerring mit den vorstehenden Merkmalen sowie
einer Mutter und mindestens zwei Hebeln löst ebenfalls die Aufgabe.
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Bevorzugt
weist der Lagerring einen Radiallagerbereich auf, der von der umlaufenden
Nut wegweist und insbesondere zylindermantelförmig ausgebildet ist. Dadurch
wird beim Beginn des Fügeprozesses
auf Grund der Rotations- und Stülpbewegung
im Lagerring ein flächiges
Anliegen des Radiallagerbereichs des Lagerrings an der Lagerfläche des
ersten Hebels erreicht.
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Bevorzugt
weist der Lagerring einen Verformungsbereich auf, der vom Schraubenkopf
wegweist, insbesondere ist dieser Verformungsbereich zum Radiallagerbereich
hin abgerundet ausgebildet. Dadurch wird im Fügungsprozess der Beginn der
Rotations- und Stülpbewegung
des Lagerrings unterstützt,
da zuerst ohne Verformung des Lagerrings diese Bewegung entlang
der Berührungsfläche zwischen
dem Verformungsbereich und dem ersten Hebel eingeleitet werden kann.
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Bevorzugt
sind die Maße
des Lagerrings so, dass ein radiales Spiel zwischen ihm und der
Lagerfläche
des ersten Hebels vorhanden ist, solange der Verformungsbereich
nicht am ersten Hebel anliegt. Dadurch wird beim Einführen des
Achsbolzens mit dem in der umlaufenden Nut eingelegten Lagerring ein
Werkstoffabtrag am Lagerring vermieden.
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Bevorzugt
liegt nach einem Fügeprozess
der Radiallagerbereich kraft- oder formschlüssig an der Lagerfläche des
ersten Hebels an. Dadurch wird eine koaxiale, zentrierte spielfreie
Radiallagerung erreicht.
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Bevorzugt
ist nach dem elastischen Anteil im Fügeprozess der Verformungsbereich
plastisch verformt und dient als Axiallager, insbesondere ist der Verformungsbereich
als Lagerscheibe ausgebildet. Dadurch wird eine hervorragende spielfreie
Axiallagerung erreicht, da durch die plastische Verformung eine
Lagerscheibe am Lagerring ausgebildet wurde.
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Darüber hinaus
wird die Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs
13 gelöst.
Mit den einzelnen aufgeführten
Verfahrensschritten werden die vorstehend genannten Vorteile erreicht.
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Eine
vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass
während des
Anziehens der Schraubverbindung eine statisch ausgeglichene Krafteinleitung
in den Lagerring erfolgt. Dadurch wird eine sichere Zentrierung
des Achsbolzens in der Lagerbohrung und damit die Abkopplung der
Lagerelemente voneinander erreicht.
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Weitere
Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden anhand des in den
Figuren dargestellten Ausführungsbeispiels
erläutert.
Es zeigen:
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1 einen
Längsschnitt
durch eine gefügte Lageranordnung
gemäß dem Stand
der Technik,
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2 eine
Ansicht eines erfindungsgemäßen Achsbolzens
mit erfindungsgemäßem eingelegten
Lagerring,
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3 einen
Längsschnitt
durch eine erfindungsgemäße Lageranordnung
zu Beginn des Fügeprozesses,
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4 eine
vergrößerte Detailansicht
aus 3 im Bereich des Lagerrings,
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5 der
Detailausschnitt gemäß 4 zu einem
späteren
Zeitpunkt des Fügeprozesses,
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6 einen
Längsschnitt
durch die erfindungsgemäße Lageranordnung
gemäß 3 zum Ende
des Fügeprozesses
und
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7 eine
vergrößerte Detailansicht
aus 6 im Bereich des Lagerrings vergleichbar mit den 4 und 5.
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In 1 ist
ein Längsschnitt
durch eine herkömmliche
gefügte
Lageranordnung 1' dargestellt. Hierbei
sind ein erster Hebel 4 mit einem zweiten Hebel 5 mittels
eines Achsbolzens 2', der
jeweils durch eine Bohrung in jedem Hebel 4, 5 geführt ist,
verbunden. Der bekannte Achsbolzen 2 weist einen Schraubenkopf 7' auf, an den
sich zwei Lagerstellen 11, 11' für jeden der beiden Hebel 4, 5 anschließen. Der Achsbolzen 2 weist
darüber
hinaus ein Gewinde 12 auf, das mit einer Mutter 6 verschraubt
ist. Da gewisse Toleranzen eingehalten werden müssen, weist die dargestellte
Lagerstelle 1' sowohl
ein Radialspiel 22 als auch ein Axialspiel 23 auf.
Diese können
zwar durch die Einschränkungen
der vorgegebenen Toleranzen verringert werden, wodurch jedoch die
Fertigungskosten überproportional
gesteigert werden. Auf Grund des Spiels der Lageranordnung 1 kann
es zu Geräuschbildungen
kommen, die besonders im Automobiebereich störend für die Benutzer des Fahrzeugs
sind.
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In 2 ist
eine Darstellung eines erfindungsgemäßen Achsbolzens 2 mit
integriertem Lagerring 3 dargestellt. Mittels dieses Achsbolzens 2 kann
eine spielfreie Lageranordnung 1 erreicht werden, wie dies
unten zu den 3 bis 7 ausgeführt wird.
Der in 2 dargestellte erfindungsgemäße Achsbolzen 2 ist
gegenüber
dem aus 1 bekannten Achsbolzen 2' in seinem Lageransatz 8 zwischen
Schraubenkopf 7 und Lagerstelle 11 anders ausgebildet.
Er weist eine umlaufende Nut 9 (siehe 3 bis 7)
auf, in die ein Lagerring 3 eingesetzt ist. Der Lagerring 3 ist
aus einem Kunststoff hergestellt, der sowohl elastische als auch
plastische Eigenschaften aufweist. Hierfür kann beispielsweise ein Polyamid
verwendet werden. Es kann entweder als Montageteil aufgebracht werden
oder als Verbundwerkstück
im Spritzgussverfahren gefertigt werden. Der Lagerring 3 weist
eine Durchbrechung 17 auf, so dass er in seinem Durchmesser
vergrößert werden
kann und auf den Achsbolzen 2 montiert werden kann. Es
ist gut ersichtlich, dass der Lagerring 3 einen Radiallagerbereich 13 aufweist,
der kegelmantelförmig
ausgebildet ist, und einen Verformungsbereich 15, der wulstartig
von dem Schraubenkopf 7 wegweist. Die nähere Ausgestaltung des Lagerrings 3 wird
anhand der 3 bis 7 beschrieben.
Dort wird auch das erfin dungsgemäße Verfahren
zum Fügen
der Lageranordnung 1 näher
ausgeführt
und wie sich der erfindungsgemäße Lagerring 3 in
diesem Prozess verändert.
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In 3 ist
ein Schnitt – vergleichbar
mit demjenigen der 1 – durch eine erfindungsgemäße Lageranordnung 1 dargestellt.
Da lediglich der Achsbolzen 2 mit seinem Lagerring 3 anders
ausgebildet ist, als der in 1 dargestellte
Achsbolzen 2', werden
im Folgenden für
sämtliche
anderen Teile die selben Bezugszeichen verwendet wie jene in 1.
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In 3 ist
der Beginn eines Fügevorgangs der
Lageranordnung 1 dargestellt. Das Gewinde 12 des
Achsbolzens 2 ist schon durch die beiden Bohrungen 20 der
beiden Hebel 4, 5 durchgeführt und die Mutter 6 ist
schon auf dem Gewinde 12 so weit angezogen, dass der Lagerring 3 im
Bereich seines Verformungsbereichs 15 in axialer Richtung
am ersten Hebel 4 anliegt. Die Anordnung im Bereich des
Lagerrings 3 ist vergrößert in 4 dargestellt.
Hier ist gut zu erkennen, dass der Radiallagerbereich 13 des Lagerrings 3 der
Lagerfläche 24 des
ersten Hebels 4 gegenüberliegt,
diese jedoch nicht berührt.
Der Lagerring 3 hat somit Spiel gegenüber der Lagerfläche 24 des
ersten Hebels 4. Damit wird gewährleistet, dass beim Einführen des
Achsbolzens 2 in die Bohrung 20 kein Werkstoffabtrag
am Lagerring 3 erfolgt. Der Lagerring 3 liegt
formschlüssig
entlang seines Lagerbereichs 14 in der umlaufenden Nut 9 des
Lageransatzes 8, die im dargestellten Längsschnitt eine halbkreisförmige Wandfläche 10 aufweist.
Der Formschluss wird über
den gesamten Lagerbereich 14 des Lagerrings 3 in
der umlaufenden Nut 9 gewährleistet. Hierzu ist der Lagerbereich 14 ebenfalls
halbkreisförmig
ausgebildet, setzt sich jedoch in Richtung des Verformungsbereichs 15 auf
demselben Kreisbogen fort. Um den Formschluss zwischen Wandfläche 10 und
Lagerbereich 14 zu erreichen, muss eine Bearbeitung dieser
beiden Oberflächen
mit genau festgelegten Parametern erfolgen. Die Rundung 19 des Verformungsbereichs 15 schlägt zum dargestellten Zeitpunkt
in axialer Richtung am ersten Hebel 4 an. Wird die Mutter
weiter angezogen, erfolgt eine exzentrische Krafteinleitung in den
Lagerring 3, so dass dieser eine Rotations- und Stülpbewegung
entlang der durch einen Pfeil dargestellten Bewegungsrichtung 18 vornimmt.
Auf Grund der halbkreisförmigen Ausbildung
der Wandfläche 10 der
umlaufenden Nut 9 und des kreisbogenförmigen Lagerbereichs 14 des Lagerrings 3 wird
der Radiallagerbereich 13 in radialer Richtung der Lagerfläche 24 des
ersten Hebels 4 gedrückt.
Somit wird eine axiale Bewegung des Achsbolzens 2 in eine
radiale Bewegung des Radiallagerbereichs 13 des Lagerrings 3 umgewandelt.
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Dies
erfolgt solange, bis der in 5 dargestellte
Zeitpunkt – etwa
zur Halbzeit – des
Fügeprozesses
erreicht ist. Der erste Hebel 4 hat dabei den Verformungsbereich 15 entlang
der Rundung 19 so weit nach unten gedrückt, dass auf Grund der Rotations-
und Stülpbewegung,
die entlang der Wandfläche 10 der
umlaufenden Nut 9 erfolgt ist, der zylinderförmige Radiallagerbereich 13 über seine
gesamte radiale Anlagefläche 25 mit
der Lagerfläche 24 des ersten
Hebels 4 in Kontakt steht. Zwischen dieser radialen Anlagefläche 25 und
der Lagerfläche 24 des ersten
Hebels 4 kommt es regelmäßig zu einem Festsitz, also
einem Quasiformschluss auf Grund der Oberflächenrauigkeit der Lagerfläche 24,
die im Stanzprozess der Bohrung 20 erhalten wird. Auf Grund
der statisch ausgeglichenen Krafteinleitung wird eine sichere Zentrierung
des Achsbolzens 2 in der Bohrung 20 des ersten
Hebels 4 erreicht. Dadurch ergibt sich eine sichere Abkopplung
der Lagerelemente, da eine umlaufende Entkopplung der Metalllagerflächen erzielt
wurde. Bislang erfolgte lediglich eine elastische Verformung des
Lagerrings 3. Im weiteren Verlauf, wenn der Spannweg 21 verkürzt wird,
erfolgt eine plastische Verformung des Lagerrings 3 in
seinem Verformungsbereich 15.
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In
den 6 und 7 ist das Ergebnis im endgültig gefügten Zustand
der Lageranordnung 1 dargestellt. Auf Grund der plastischen
Verformung wurde der Verformungsbereich 15 zu einer scheibenförmigen,
toleranzausgleichenden Zwischenlage umgeformt. Damit wird die in 5 dargestellte
radiale Anlagefläche 25 als
Radiallager fixiert, die sich ansonsten bei Wegnahme der Kraft auf
Grund der elastischen, radialen Vorspannung wieder von der Lagerfläche 24 des
ersten Hebels 4 entfernt hätte. Der Verformungsbereich 15 wirkt
somit als Axiallager 16. Auf Grund der Axiallagerung und
der Radiallagerung werden die auftretenden Betriebslasten nur von
der elastisch vorgespannten Kunststofflagerung in Form des Lagerrings 3 übertragen.
Der Lagerring 3 und der erste Hebel 4 sind somit
nach Abschluss des Fügeprozesses
sowohl kraft- als auch formschlüssig
miteinander verbunden. Der Formschluss ist jedoch nicht bei allen
geometrischen Ausgestaltungen der Bohrung 20 und des Lagerrings 3 möglich; es
ist aber immer zumindest eine kraftschlüssige Verbindung gegeben. Die
Verformungsgeometrie muss angepasst werden und ist abzustimmen mit
dem Anzugsmoment des Achsbolzens 2 in der Mutter 6,
damit prozessbeeinflussende Überlagerungen
der Verformungskräfte
mit der Schraubenvorspannung vermieden werden. Axial werden die
Normalkräfte
der Verkehrslast immer durch den Lagerring 3 auf den Achsbolzen 2 übertragen.
Sollte noch ein weiterer Kraftanstieg erfolgen, beispielsweise bei
einem Zusammenstoß,
wenn die erfindungsgemäße Lageranordnung
1 im Automobiebereich eingesetzt wird, so wird eine weitere Verformung
des Lagerringes verursacht und die Lagerpartner – die regelmäßig aus
Stahl gefertigt sind – kommen
zur Anlage, so dass eine direkte zeitlich auf das Ereignis begrenzte
Kraftdurchleitung sofort auf den Schaft des Achsbolzens 2 erfolgt.
Die Kraftwirkung wird durch die eingebrachte Elastizität reduziert.
Nach einem solchen Kraftanstieg ist die Lageranordnung 1 gegebenenfalls
auszuwechseln.
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Zusammenfassend
kann gesagt werden, dass durch die erfindungsgemäße teilelastische plastische
Abkopplung der metallischen Lagerpartner mit Hilfe eines geeigneten
Lagerwerkstoffes sowohl das Axialspiel 23 als auch das
Radialspiel 22 gegenüber herkömmlichen
Lageranordnung 1' (siehe 1) beina he
beseitigt werden kann. Dies kann in sehr einfacher Art und Weise
anhand des erfindungsgemäßen Achsbolzens 2 mit
Lagerring 3 als ein integriertes Montageelement erzielt
werden, wobei eine toleranzkettenfreie Abkopplung der Lagerelemente
gewährleistet
ist.
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- 1,
1'
- Lageranordnung
- 2,
2'
- Achsbolzen
- 3
- Lagerring
- 4
- erster
Hebel
- 5
- zweiter
Hebel
- 6
- Mutter
- 7,
7'
- Schraubenkopf
- 8
- Lageransatz
- 9
- umlaufende
Nut
- 10
- Wandfläche
- 11,
11'
- Lagerstelle
- 12,
12'
- Gewinde
- 13
- Radiallagerbereich
- 14
- Lagerbereich
- 15
- Verformungsbereich
- 16
- Axiallager
- 17
- Durchbrechung
- 18
- Bewegungsrichtung
- 19
- Rundung
- 20
- Bohrung
- 21
- Spannweg
- 22
- Radialspiel
- 23
- Axialspiel
- 24
- Lagerfläche
- 25
- radiale
Anlagefläche