DE102006036820B4 - Sicherungselement zur axialen Sicherung eines Lagers auf einer Welle - Google Patents
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Abstract
Sicherungselement
(1) zur Sicherung einer Axialposition eines Lagers (2) auf einer
Welle (3), wobei das Sicherungselement eine zentrale Öffnung (4)
aufweist, mit der es auf die Welle (3) aufschiebbar ist, und wobei
das Sicherungselement durch eine kraftschlüssige Verbindung an der Welle
(3) anbringbar ist, sodass es ein in Axialrichtung fest positioniertes
Widerlager für
das Lager (2) bildet, dadurch gekennzeichnet, dass das Sicherungselement
ringförmig
ausgebildet ist und in einem entlasteten Zustand eine ovale Form
aufweist, sodass die zentrale Öffnung
(4) eine lange (5) und eine kurze Halbachse (6) aufweist, wobei
die kurze Halbachse (6) kürzer
und die lange Halbachse (5) länger
ist als der Außenradius
(r) der Welle (3), und wobei die Halbachsen (5, 6) zueinander so
dimensioniert sind, dass das Sicherungselement durch in Richtung
der langen Halbachse (5) wirkende, einander entgegengesetzte Kräfte derart
elastisch verformbar ist, dass beide Halbachsen (5, 6) im elastisch
verformten Zustand länger
sind als der...
Description
- Die Erfindung betrifft ein Sicherungselement zur Sicherung einer Axialposition eines Lagers auf einer Welle, wobei das Sicherungselement eine zentrale Öffnung aufweist, mit der es auf die Welle aufschiebbar ist, und wobei das Sicherungselement durch eine kraftschlüssige Verbindung an der Welle anbringbar ist, sodass es ein in Axialrichtung fest positioniertes Widerlager für das Lager bildet. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Montage einer Welle mit mindestens einem auf der Welle angeordneten, in axialer Richtung gesicherten Lager, wobei ein Sicherungselement mit seiner zentralen Öffnung auf die Welle aufgeschoben und dann an einer bestimmten Axialposition mit der Welle kraftschlüssig verbunden wird, sodass es ein in Axialrichtung fest positioniertes Widerlager für das Lager bildet.
- Ein derartiges Sicherungselement und auch ein derartiges Verfahren sind aus der
EP 1 593 880 A1 bekannt. In dieser Druckschrift wird eine Verstellwelle eines hubvariablen Ventiltriebs vorgestellt, die aus einem Wellenkörper, Exzenternocken und einem Antriebsbauteil besteht, wobei die Komponenten als separate Einzelteile getrennt voneinander gefertigt sind und zur Bildung der Verstellwelle am Wellenkörper angeordnet sind. Weiter umfasst die Verstellwelle Wellenlager, die durch Distanzhalter am Wellenkörper positioniert sind. In derEP 1 593 880 A1 ist erwähnt, dass die Distanzhalter kraftschlüssig in Form einer Presspassung am Wellenkörper angebracht sein können. Gleichzeitig kann jedoch auch die Welle zumindest an den Lagerstellen vor der Montage fertig bearbeitet sein. Sind, wie dies allgemein üblich ist, bei derartigen Wellen mehrere Lagerstellen vorhanden, die in axialer Richtung voneinander beabstandet angeordnet sind, so ist es erforderlich, die Distanzhalter über zumindest einige bereits fertig bearbeitete Oberflächenbereiche der Welle hinweg an ihre vorbestimmte Axialposition zu bringen und dort die Presspassung auszubilden. DerEP 1 593 880 A1 sind keine Hinweise zu entnehmen, wie die erwähnten Distanzhalter ausgebildet werden können bzw. werden müssen, um insbesondere sicherzustellen, dass beim Aufbringen der Distanzhalter die fertig bearbeiteten Bereiche der Welle nicht beschädigt werden. - In der
US 5,795,258 wird ein washer für ein Planetenrad eines Planetenradgetriebes vorgestellt, der aus einem im Wesentlichen flachen Stahlring besteht, der eine zentrale Öffnung und einen kreisförmigen Außenumfang aufweist. Als Schmiernuten sind an der Seitenfläche sehnenförmig verlaufende Vertiefungen ausgebildet. Die Montage eines derartigen Ringes erfolgt durch Presssitz auf die Welle. Die Pressung muss entsprechend stark ausgebildet sein, um das Planetenrad in seiner Axialposition zu halten. Es ist jedoch nicht möglich, diesen washer über einen fertig bearbeiteten Oberflächenabschnitt der Welle, wie z.B. eine Lagerstelle, hinwegzuschieben, ohne die Welle im Lagerabschnitt zu beschädigen. - Weiter sind aus dem Stand der Technik (z.B.
US 3,701,303 ) Sicherungsringe bekannt, die mit Spezialwerkzeug geöffnet gehalten werden und in umlaufende Nuten an der Welle eingesetzt werden. Diese Verfahrensweise gestattet zwar, Beschädigungen an Lagerabschnitten der Welle zu vermeiden. Allerdings sind Nuten in der Welle erforderlich. Nuten müssen in separaten Fertigungsoperationen in die Welle eingebracht werden und schwächen die Welle. Bei entsprechenden Belastungen geht die Schwächung aufgrund der Kerbwirkung weit über die einfache Reduktion der Wandstärke hinaus. - Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein einfaches und kostengünstiges Sicherungselement zur Sicherung der Axialposition eines Lagers auf einer Welle zur Verfügung zu stellen, welches an beliebigen Axialpositionen einer Welle kraft schlüssig mit dieser verbunden werden kann, ohne dass bereits fertig bearbeitete Oberflächenbereiche der Welle beschädigt werden.
- Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Sicherungselement mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
- Der Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Montage einer Welle mit mindestens einem auf der Welle angeordneten, in axialer Richtung gesicherten Lager anzugeben, bei dem ein kraftschlüssig mit der Welle zu verbindendes Sicherungselement an einer beliebigen Axialposition der Welle kraftschlüssig mit dieser verbunden werden kann, ohne dass bereits fertig bearbeitete Oberflächenbereiche der Welle beschädigt werden.
- Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren gemäß Patentanspruch 4. Vorteilhafte Weiterbildungen des Verfahrens sind in den entsprechenden Unteransprüchen angegeben.
- Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass ein ringförmig ausgebildetes Sicherungselement mit einer bestimmten ovalen Form ausgebildet werden kann, sodass im entlasteten Zustand des Sicherungselementes dessen zentrale Öffnung eine lange und eine kurze Halbachse aufweist, und dass die beiden Halbachsen so zueinander dimensioniert werden können, dass die kurze Halbachse im entlasteten Zustand kürzer und die lange Halbachse im entlasteten Zustand länger ist als der Außenradius der Welle, auf der das Sicherungselement zu befestigen ist, wobei gleichzeitig durch die Dimensionierung der Form des Sicherungselementes sichergestellt ist, dass das Sicherungselement durch in Richtung der langen Halbachse wirkende, einander entgegengesetzt gerichtete Kräfte derart elastisch verformt werden kann, dass beide Halbachsen im elastisch verformten Zustand länger sind als der Außenradius der Welle. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass in dem auf diese Weise erzeugten, elastisch verformten Zustand des Sicherungs elementes dessen zentrale Öffnung stets größer ist als der Außenradius der Welle, sodass das Sicherungselement mit Spiel über die Welle geschoben werden kann, ohne diese zu berühren. Auf diese Weise kann das Sicherungselement an einer beliebigen Axialposition der Welle positioniert werden, ohne dass eine Berührung des Sicherungselementes mit der Welle erfolgt. Wird das Sicherungselement an der vorbestimmten Axialposition entlastet, d.h. werden die die elastische Verformung des Sicherungselementes bewirkenden Kräfte zurückgenommen, so bildet das Sicherungselement mit der Welle an dieser Axialposition aufgrund der elastischen Rückfederung des Materials des Sicherungselementes eine kraftschlüssige Verbindung aus.
- Das erfindungsgemäße Verfahren ist gut automatisierbar und kostengünstig. Mit dem erfindungsgemäßen Sicherungselement und dem erfindungsgemäßen Verfahren kann eine Sicherung der Axialposition eines Lagers an beliebigen Axialpositionen der Welle erfolgen. Die Erfindung ist dabei für beliebige Lager (z.B. Nadellager, Wälzlager, Gleitlager) anwendbar.
- Im Folgenden wird die Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Im Einzelnen zeigen
-
1 ein Sicherungselement in isometrischer Ansicht; -
2 das Sicherungselement gemäß1 in Seitenansicht; -
3 das Sicherungselement gemäß2 im axialen Halbschnitt gemäß Linie A-A in2 ; -
4 einen Wellenabschnitt mit montierten Sicherungselementen zur Sicherung eines Lagers; -
5 einen Wellenabschnitt mit montierten Sicherungselementen zur axialen Sicherung eines Lagers im axialen Halbschnitt; -
6 ein Sicherungselement gemäß1 und2 im belasteten Zustand während des Aufschiebens auf eine Welle; -
7 das Sicherungselement gemäß6 im entlasteten Zustand; -
8 eine Verstellwelle für hubvariable Ventiltriebe mit darauf montierten Sicherungselementen und Lagern sowie darauf montierten Verstellnocken in perspektivischer Ansicht. - In
1 ist ein erfindungsgemäßes Sicherungselement1 in isometrischer Darstellung gezeigt. Man erkennt die ovale Form des ringförmigen Sicherungselementes1 mit seiner zentralen Öffnung4 . - In der in
2 dargestellten Seitenansicht wird die ovale Form des nicht durch äußere Kräfte belasteten Sicherungselementes1 noch deutlicher. Hier ist gut zu erkennen, dass die zentrale Öffnung4 des Sicherungselementes1 zwei Halbachsen5 ,6 aufweist, wobei die Halbachse5 länger ist als die Halbachse6 . Die doppelte Länge der Halbachse6 legt den Durchmesser D1 des Sicherungselementes fest. Der Durchmesser D2, der größer ist als der Durchmesser D1, wird durch die doppelte Länge der Halbachse5 festgelegt. In2 ist durch die Linie A-A die Schnittebene angegeben, die in3 dargestellt ist. Wie in3 dargestellt, weist das ringförmige Sicherungselement eine Breite B und eine Dicke s auf. Wie in2 zu erkennen, ist die Dicke s des ringförmigen Sicherungselementes über den Umfang des Sicherungselementes im Wesentlichen konstant. - In
4 ist ein Lager2 dargestellt, das mit beidseitig des Lagers2 angeordneten Sicherungselementen1 axial gesichert ist. Die Sicherungselemente1 sind kraftschlüssig mit der Welle3 verbunden und bilden Widerlager, die Kräfte in Axialrichtung aufnehmen können. Auf diese Weise stützt sich das Lager2 an den Sicherungselementen1 ab, wenn Axialkräfte auf das Lager2 einwirken, und wird dadurch in der vorgesehenen Axialposition gehalten. - In
5 ist ein axialer Halbschnitt einer Welle3 mit darauf montierten Sicherungselementen1 und einem zwischen diesen angeordneten Lager2 dargestellt. Das Lager2 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel als Nadellager ausgebildet. - Es versteht sich, dass das Lager
2 z.B. auch als Gleitlager oder als Wälzlager mit beliebigen Wälzkörpern ausgebildet sein kann. - Die Sicherungselemente
1 werden durch eine kraftschlüssige Verbindung mit der Welle3 auf dieser in einer vorbestimmten Axialposition fixiert. Die Welle3 schwächende Nuten sind nicht erforderlich, um die Sicherungselemente1 in ihrer Axialposition zu halten. - In
6 ist der belastete Zustand des Sicherungselementes1 dargestellt. Hier ist das ringförmige Sicherungselement1 durch zwei entgegengesetzt gerichtete und in Richtung der langen Halbachse5 wirkende Kräfte F belastet. Durch die Belastung durch die entgegengesetzt gerichteten Kräfte F ist das Sicherungselement1 in dem in6 dargestellten Zustand elastisch verformt. Im dargestellten Zustand hat das Sicherungselement1 aufgrund der elastischen Verformung eine etwa kreisringförmige Form angenommen. Durch diese elastische Verformung haben sich die Halbachsen des Sicherungselementes verändert. Die im unverformten Zustand des Sicherungselementes1 lange Halbachse5 hat sich verkürzt und bildet nun die Halbachse5' im elastisch verformten Zustand des Sicherungselementes1 . Gleichzeitig hat sich die im entlasteten Zustand kurze Halbachse6 verlängert und bildet nun die Halbachse6' des Sicherungselementes1 im elastisch verformten Zustand. In dem in6 dargestellten Fall sind die Halbachsen5' und6' in etwa gleich lang, sodass das Sicherungselement1 in etwa kreisringförmig ist. Die Halbachse5' und die Halbachse6' sind beide um die Länge h länger als der Radius r der Welle3 . Der doppelte Radius r legt den Durchmesser d der Welle3 fest. - Wegen der elastischen Verformung des Sicherungselementes
1 durch die entgegengesetzt gerichteten Kräfte F entsteht somit ein Spiel h, durch das es möglich wird, das Sicherungselement1 in axialer Richtung über die Welle3 zu schieben, ohne dass das Sicherungselement1 die Welle3 berührt. Somit kann das Sicherungselement1 zu einer beliebigen Axialposition auf der Welle3 bewegt werden, ohne dass eine Berührung zwischen dem Sicherungselement1 und der Welle3 erfolgt. Etwaige fertig bearbeitete Oberflächenabschnitte der Welle3 können auf diese Weise nicht beschädigt werden, sodass das Sicherungselement1 an einer beliebigen axialen Position der Welle3 positioniert und dort fixiert werden kann, ohne dass eine Beschädigung der Oberfläche der Welle3 befürchtet werden muss. - In
7 ist der entlastete Zustand des Sicherungselementes1 dargestellt. Durch den Fortfall der Kräfte F, die die elastische Verformung des Sicherungselementes bewirkt hatten, ist das Sicherungselement1 bestrebt, durch elastische Rückfederung in die Form zurückzugelangen, die es im unbelasteten Zustand (siehe2 ) hatte. Die elastische Rückfederung in den unbelasteten Zustand wird jedoch durch die Welle3 verhindert. Somit legt sich das Sicherungselement1 unter Ausbildung einer kraftschlüssigen Verbindung an den Außenumfang der Welle3 an und ist dadurch axial auf der Welle3 fixiert. Die größten Axialkräfte können von dem auf der Welle3 montierten Sicherungselement1 dann aufgenommen werden, wenn dieses bis gerade an die Grenze zur plastischen Verformung elastisch verformt wurde, weil dann die maximale elastische Rückfederung ausgenutzt werden kann. Jegliche plastische Verformung sollte dabei vermieden werden. - In dem in
7 dargestellten montierten Zustand des Sicherungselementes1 weist das Sicherungselement1 eine lange Halbachse5'' und eine kurze Halbachse6'' auf. Die lange Halbachse5'' ist kürzer als die lange Halbachse5 im entlasteten Zustand, jedoch länger als die lange Halbachse5' im belasteten Zustand gemäß6 . Analoges gilt für die kurze Halbachse6'' , diese ist länger als die kurze Halbachse6 gemäß2 im unbelasteten Zustand und kürzer als die Halbachse6' im belasteten Zustand des Sicherungselementes1 . - Bei dem in
7 dargestellten Ausführungsbeispiel sind im Bereich des Endes der langen Halbachse5'' Hohlräume zwischen der Welle3 und dem Sicherungselement1 ausgebildet. Diese Hohlräume können zur Schmiermittelversorgung der Welle genutzt werden. Diese Hohlräume wirken dann als Kanäle, durch die Schmiermittel hindurchgeleitet werden kann. Auf diese Weise können die Sicherungselemente1 in die Schmiermittelversorgung der Welle integriert werden. - In
8 ist eine fertig zusammengebaute Verstellwelle dargestellt, wie sie z.B. als Verstelleinrichtung für einen hubvariablen Ventiltrieb bei einem Verbrennungsmotor verwendet wird. Auf der Welle3 sind ein Antriebselement7 , mehrere Verstellnocken8 , Lager2 sowie diese Lager in axialer Richtung sichernde Sicherungselemente1 angeordnet. - Die Breite B des Sicherungselementes kann je nach der Größe der abzustützenden Axialkraft und in Abhängigkeit von den Einbauverhältnissen angepasst werden.
- Als Werkstoff für das Sicherungselement wird bevorzugt Stahl verwendet. Je nach geforderten Axialkräften können jedoch auch Kunststoff, Aluminium, Messing oder andere Nichteisenmetalle geeignete Materialien für das Sicherungselement sein.
- Für aus Stahl bestehende Sicherungselemente können folgende Dimensionierungsregeln beispielhaft angegeben werden: Die lange Halbachse
5 kann z.B. im Bereich von 5 bis 15% länger sein als die kurze Halbachse6 . Brauchbare Ergebnisse wurden beispielsweise erhalten, wenn die lange Halbachse 10% größer war. als die kurze Halbachse6 (jeweils im unbelasteten Zustand). Die kurze Halbachse6 kann im Bereich von 2 bis 8% länger sein als der Außenradius r der Welle. Brauchbare Ergebnisse wurden z.B. erhalten, wenn die kurze Halbachse6 um 5% länger war als der Außenradius r der Welle. Die Materialstärke s des Sicherungselementes kann bevorzugt 1/3 bis 2/3 der Breite B des Sicherungselementes1 betragen. Brauchbare Ergebnisse wurden erhalten, wenn die Materialstärke s der halben Breite B des Sicherungselementes entsprach. -
- 1
- Sicherungselement
- 2
- Lager
- 3
- Welle, Wellenkörper
- 4
- Öffnung
- 5
- Halbachse
- 5'
- Halbachse
- 5''
- Halbachse
- 6
- Halbachse
- 6'
- Halbachse
- 6''
- Halbachse
- 7
- Antriebselement, Antriebsbauteil
- 8
- Verstellnocken
- D1
- Durchmesser
- D2
- Durchmesser
- B
- Breite
- s
- Materialstärke
- h
- Länge, Spiel
- d
- Durchmesser
- r
- Radius
- F
- Kraft
Claims (8)
- Sicherungselement (
1 ) zur Sicherung einer Axialposition eines Lagers (2 ) auf einer Welle (3 ), wobei das Sicherungselement eine zentrale Öffnung (4 ) aufweist, mit der es auf die Welle (3 ) aufschiebbar ist, und wobei das Sicherungselement durch eine kraftschlüssige Verbindung an der Welle (3 ) anbringbar ist, sodass es ein in Axialrichtung fest positioniertes Widerlager für das Lager (2 ) bildet, dadurch gekennzeichnet, dass das Sicherungselement ringförmig ausgebildet ist und in einem entlasteten Zustand eine ovale Form aufweist, sodass die zentrale Öffnung (4 ) eine lange (5 ) und eine kurze Halbachse (6 ) aufweist, wobei die kurze Halbachse (6 ) kürzer und die lange Halbachse (5 ) länger ist als der Außenradius (r) der Welle (3 ), und wobei die Halbachsen (5 ,6 ) zueinander so dimensioniert sind, dass das Sicherungselement durch in Richtung der langen Halbachse (5 ) wirkende, einander entgegengesetzte Kräfte derart elastisch verformbar ist, dass beide Halbachsen (5 ,6 ) im elastisch verformten Zustand länger sind als der Außenradius (r) der Welle (3 ). - Sicherungselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es eine in Umfangsrichtung im Wesentlichen konstante Wandstärke (s) aufweist.
- Sicherungselement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die lange Halbachse (
5 ) so dimensioniert ist, dass im montierten Zustand des Sicherungselementes (1 ) ein Hohlraum zwischen der Innenwandung des Sicherungselementes (1 ) und der Oberfläche der Welle (3 ) ausgebildet ist. - Verfahren zur Montage einer Welle (
3 ) mit mindestens einem auf der Welle (3 ) angeordneten, in axialer Richtung gesicherten Lager (2 ), wobei ein Sicherungselement mit seiner zentralen Öffnung (4 ) auf die Welle (3 ) aufge schoben und dann an einer bestimmten Axialposition mit der Welle (3 ) kraftschlüssig verbunden wird, sodass es ein in Axialrichtung fest positioniertes Widerlager für das Lager (2 ) bildet, dadurch gekennzeichnet, dass ein ringförmig ausgebildetes Sicherungselement verwendet wird, welches in einem entlasteten Zustand eine ovale Form aufweist, sodass die zentrale Öffnung (4 ) eine lange (5 ) und eine kurze Halbachse (6 ) aufweist, wobei die kurze Halbachse (6 ) kürzer und die lange Halbachse (5 ) länger ist als der Außenradius (r) der Welle (3 ), dass das Sicherungselement (1 ) durch in Richtung der langen Halbachse (5 ) wirkende, einander entgegengesetzte Kräfte (F) belastet und dadurch derart elastisch verformt wird, dass beide Halbachsen (5 ,6 ) im elastisch verformten Zustand länger sind als der Außenradius (r) der Welle (3 ), und dass das Sicherungselement (1 ) im elastisch verformten Zustand mit Spiel (h) über die Welle (3 ) geschoben und an der vorbestimmten Axialposition entlastet wird. - Verfahren nach Anspruch dadurch gekennzeichnet, dass die die elastische Verformung bewirkenden Kräfte (F) bei der Montage durch eine Spannvorrichtung aufgebracht werden.
- Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannvorrichtung in die Montagevorrichtung für den Zusammenbau der Welle (
3 ) integriert ist. - Verstellwelle für einen hubvariablen Ventiltrieb mit einem Wellenkörper (
3 ), Exzenternocken (8 ), einem Antriebsrad (7 ) und mindestens einem auf dem Wellenkörper (3 ) angeordnetem Lager (2 ), dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Lager (2 ) durch zwei beidseitig des Lagers (2 ) angeordnete Sicherungselemente (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 3 axial gesichert ist. - Verstellwelle nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Lager (
2 ) ein nicht geteiltes Lager ist.
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