DE102006060883A1

DE102006060883A1 - Verspannungssystem zum axialen Verspannen von Maschinenelementen auf einer Welle oder in einem Gehäuse

Info

Publication number: DE102006060883A1
Application number: DE102006060883A
Authority: DE
Inventors: Gerhard Mittendorf
Original assignee: Schaeffler KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2006-12-22
Filing date: 2006-12-22
Publication date: 2008-06-26
Also published as: WO2008077367A3; WO2008077367A2

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verspannungssystem zum axialen Verspannen von Maschinenelementen mit einer ringförmigen Vorspannfeder (01) und einem Trägerelement (05), auf welchen bzw. in welchem das Maschinenelement verspannt wird. Das Verspannungssystem zeichnet sich dadurch aus, dass die Vorspannfeder (01) in ihrem inneren Umfang mehrere radial verlaufende Schlitze (02) und durch diese Schlitze (02) beabstandete, sich radial erstreckende Stege (03) aufweist, wobei der vom äußeren zum inneren Radius verlaufende Bereich der Vorspannfeder einen kurvenförmigen Verlauf mit einem Anstieg in axialer Richtung aufweist. In das Trägerelement (05) ist eine umlaufende Haltenut (06) zur Aufnahme der Stege (03) der Vorspannfeder (01) eingebracht, wobei der Radius der Haltenut (06) größer als der Innenradius der Vorspannfeder (01) im ungespannten Zustand ist.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Verspannungssystem zum axialen Verspannen von Maschinenelementen mit einer Vorspannfeder in Ringform und einem Trägerelement, auf welchem bzw. in welchem das Maschinenelement verspannt wird. Vorspannfedern kommen beispielsweise beim Verspannen von Lagersätzen zum Einsatz.
Der DE 38 08 556 A1 kann ein Schrägwälzlager entnommen werden, bei dem am Innenring eine den Außenring mit einem radialen Vorsprung hintergreifende Kunststoffbüchse angebracht ist und an deren größerer Seite weitere Ringe mit verschiedenen Funktionen, beispielsweise eine Stützscheibe, eine Feder und ein Klemmring, angeordnet sind. Die Kunststoffbüchse besitzt mindestens zwei diametral gegenüberliegende, axial gerichtete Haltebereiche, die die Funktionsringe umgreifen und mit einem radialen Vorsprung hintergreifen.
Die axialen Haltebereiche bewirken eine radiale Fixierung der Ringe, während der radiale Vorsprung, der den Außenring hintergreift, ein axiales Herausfallen aus dem Lager verhindert. Ein Nachteil dieser Lösung ist in der relativ aufwendigen Ausführung der Kunststoffbüchse zu sehen.
Aus der DE 198 97 514 A1 ist ein spielfreies Radialkugellager mit einem in axialer Richtung zweiteiligen Lagerring bekannt. Wenigstens einer der beiden Lagerringteile des zweiteiligen Lagerrings wird von einem beispielsweise als Wellfeder ausgeführten Federelement in axialer Richtung mit Druck beaufschlagt, so dass die Lagerkugeln unter Vorspannung gehalten sind. Ziel ist bei einer Schiefstellung der gelagerten Welle eine Beeinträchtigung der Spielfreiheit zu vermeiden. Beispielweise bei einer Kippbewegung der Welle kann die Federspannung zu sehr ansteigen und damit zu hohe Reibmomente im Lager hervorrufen. Hierzu wird der Innenring zweiteilig ausgeführt, wobei wenigstens einer der beiden Lagerringteile in radialer und in axialer Richtung verschiebbar ist. Der Außenring weist dabei eine Laufbahn auf, deren Radius deutlich größer als der Radius der Lagerkugeln ist. Durch die im Vergleich zu den Lagerkugeln deutlich größere Schmiegung der Außenlaufbahn soll im Zusammenspiel mit dem zweiteiligen beweglichen Innenring ein begrenztes Verkippen der Welle bei gleichzeitiger Lagerspielfreiheit ermöglicht werden.
In der DE 199 46 383 A1 ist ein Regler zur Konstanthaltung der axialen Lagervorspannung durch Zwangspositionierung der Außenringe von axial verspannten Lagern mittels Linearaktor beschrieben. Zur Erzeugung der axialen Vorspannung sind die Außenringe der Lager entgegengesetzt zueinander angeordnet. Die Außenringe sind zwischen einem Aktor, vorzugsweise einem Hydraulikkolben, und einer stark vorgespannten Feder eingespannt. Durch diese Anordnung ist die vorliegende axiale Vorspannung im wesentlichen von der Höhe der Kraft die der Aktor abgibt abhängig. Die von den Außenringen selbst erzeugt Vorspannung und die Reibung zwischen den Außenringen der Lager und dem Gehäuse bzw. zwischen Kolben und Gehäuse hat nur noch einen geringen Einfluss. Ein Nachteil der beschriebenen Anordnung besteht darin, dass sie ziemlich aufwendig in der Realisierung ist und damit auch hohe Kosten mit sich bringt.
Die US 6,003,229 A beinhaltet eine Vorrichtung zum präzisen Vorspannen eines Lagers auf einer Welle mit einer Grundplatte und einem an der Grundplatte befestigten Halter, der sich von dieser nach oben erstreckt und eine Welle aufnimmt. Die Welle umfasst einen Absatz, eine daran angrenzende konische Oberfläche, an die sich ein Gewindeabschnitt anschließt. Auf der Welle befindet sich eine an den Absatz angrenzende Passscheibe, neben welcher sich ein Lager befindet. Das Lager wird auf der Welle mittels einer auf den Gewindeabschnitt geschraubten Kontermutter vorgespannt. Auf der Grundplatte ist ein Motor angeordnet, dessen Abtriebswelle axial zu den Lageraußenringen ausgerichtet ist und mit diesen verbunden ist. Am Motor befindet sich ein Kraftsensor zum Messen des Drehmoments, welches zum Rotieren des Außenrings in einer vorgegebenen Geschwindigkeit benötigt wird. Die Messergebnisse werden auf einer Anzeigeeinheit dargestellt. In dem Fall, dass die gemessenen Drehmomente mit vorgegebenen Drehmomentwerten übereinstimmen, ist das Lager präzise vorgespannt. Die beschriebene Vorrichtung ist sehr aufwendig und bedingt einen hohen Montageaufwand, was letztlich zu hohen Kosten führt.
Die DE 196 07 336 A1 beinhaltet eine Vorrichtung zum Einstellen der Position oder des Spiels bzw. der Vorspannung eines Lagers, die sich bei Verstellung axial verbreitert und somit Teile des Lagers relativ zueinander oder das ganze Lager verschiebt. Hierzu werden mehrere radial angeordnete Hebelarme oder ein Bauteil mit integrierten Hebelarmen durch die Verstellung einer Schraube gegen eine Auflagefläche bewegt. Die Hebelarme können durch eine Scheibe gebildet werden, die von außen radial eingeschlitzt ist. Der innere Teil der Scheibe übernimmt dabei die Aufgabe einer Rückstellfeder, die bei der Zustellung der Schraube in Richtung der Auflagefläche der Zustellung entgegenwirkt. Auf diese Weise soll ein Verstellung in beide Rich tungen ermöglicht werden, indem die Rückstellfeder die Hebel mit der Bewegung der Schraube mitführt. Die Vorrichtung kann sich beispielsweise auf einer Welle befinden und zwei Lagerringe eines Wälzlagers in O-Anordnung relativ zueinander verstellen. Zur Rückstellung der Lagerringe kann eine Feder verwendet werden. Die hier realisierte Lagerverspannung benötigt mehrere Elemente und ist relativ aufwendig in der Ausführung, insbesondere hinsichtlich der Verspannung mittels Schraube.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, ein Verspannungssystem zur axialen Verspannung eines Maschinenelements zur Verfügung zu stellen, welche ein zuverlässiges Verspannen ohne zusätzliche Sicherungselemente ermöglicht. Gleichzeitig soll das Verspannungssystem preiswert gefertigt und montiert werden können.
Zur Lösung dieser Aufgabe dient eine ringförmige Vorspannfeder und ein Trägerelement, auf welchen bzw. in welchem das Maschinenelement verspannt wird. Die Vorspannfeder besitzt in ihrem inneren Umfang mehrere radial verlaufende Schlitze und durch diese Schlitze beabstandete, sich radial erstreckende Stege. Weiterhin weist der vom äußeren zum inneren Radius verlaufender Bereich der Vorspannfeder einen kurvenförmigen Verlauf mit einem Anstieg in axialer Richtung auf. In das Trägerelement ist eine umlaufende Haltenut zur Aufnahme der Stege der Vorspannfeder eingebracht, wobei der Radius der Haltenut größer als der Innenradius der Vorspannfeder ist.
Ein Vorteil dieser Lösung ist in der sehr einfachen Realisierung zu sehen. Neben der preiswert produzierbaren Vorspannfeder wird lediglich eine Haltenut im Trägerelement benötigt. Die Montage ist damit wenig zeitaufwendig.
Vorzugsweise besteht die Vorspannfeder aus einem federelastischen Material, welches die radiale Aufweitung des Innenradius der Vorspannfeder durch Verbiegung der Stege gestattet.
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist das Trägerelement eine Welle. Die Vorspannfeder lässt sich bei dieser Ausführung aufgrund der Schlitze und der damit erzielten Verformbarkeit der Stege über einen Wellenabsatz bis zu der Haltenut der Welle verschieben, wobei die Stege durch die dabei auftretende axiale Kraft aufgebogen werden und somit ein Spannen der Vorspannfeder bewirkt wird. Auf diese Weise kann das Maschinenelement sicher verspannt werden. Die Verspannung kann erst wieder aufgehoben werden, wenn durch Aufbringen eines entsprechenden axialen Gegendrucks oder unter Zuhilfenahme eines speziellen Werkzeugs die Stege aus der Haltenut herausgehoben werden. Eine zusätzliche Sicherung, beispielsweise über einen Sicherungsring kann somit entfallen.
Eine weitere zweckmäßige Ausführung verwendet als Trägerelement einen Gehäusebereich. Die Vorspannfeder kann auch hier mittels der Schlitze in oder über den Gehäusebereich bis zur Haltenut verschoben werden, wobei ein Spannen der Vorspannfeder bewirkt wird.
Nach einer vorteilhaften Ausführung sind die Schlitze gleichmäßig über den Umfang verteilt in den geneigten Bereich der Vorspannfeder eingebracht. Bei einer weitergebildeten Ausführungsform hat es sich als zweckmäßig erwiesen, wenn die Tiefe der Schlitze etwa der halben Höhe der Vorspannfeder entspricht. Derartig ausgebildete Schlitze ermöglichen ein problemloses Aufschieben auf den Wellenabsatz bzw. in oder über den Gehäusebereich.
Der Abstand zwischen Haltenut und Maschinenelement ist so zu wählen, dass beim Eingriff der Stege der Vorspannfeder in die Haltenut die radialen äußeren Enden der Vorspannfeder eine axial wirkende Druckkraft auf das Maschinenelement ausüben und dabei eine axiale Verspannung des Maschinenelementes bewirkt wird. Auf diese Weise kann ein zuverlässiges Verspannen des Maschinenelementes erreicht werden.
Bei einem zu großen Abstand würde die Vorspannfeder keinen bzw. nur unzureichenden Druck auf das Maschinenelement ausüben, eine Spielfreiheit könnte nicht gewährleistet werden.
Eine bevorzugte Ausführung verwendet als Maschinenelement ein Wälzlager mit mindestens einem, vorzugsweise zwei Innenringen. Die Innenringe sind mittels Vorspannfeder axial verspannbar. Das Wälzlager kann als zweireihiges Schrägkugellager ausgeführt sein.
Nach einer weitergebildeten zweckmäßigen Ausführung ist die Welle als Ritzelwelle ausgeführt. Bei Lagerungen mit Ritzelwellen, die beispielsweise in Radlagern von Fahrzeugen zum Einsatz kommen, ist die Verspannung der beiden Innenringe zwingend erforderlich. Die Verspannung muss so ausgeführt sein, dass ein Auseinanderdrücken der Innenringe aufgrund der hohen Kräfte aus der Verzahnung wirksam vermieden werden kann. Gleichzeitig muss sie den erhöhten Beanspruchungen beim Fahren im Rückwärtsgang standhalten, wo die Gefahr besteht, dass das gesamte Lager aufgrund der hohen Kräfte aus der Verzahnung von der Ritzelwellen gezogen wird. Jede Lockerung der Verbindung zwischen den Innenringen und der Ritzelwelle würde zum Ausfall des Lagers bzw. des Getriebes führen. Durch Einsatz des erfindungsgemäßen Verspannungssystems wird eine zuverlässige Verspannung der Innenringe erreicht, wodurch die beschriebenen Probleme vermieden werden.
Weitere Vorteile, Einzelheiten und Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen, unter Bezugnahme auf die Zeichnung. Es zeigen:
1 eine Vorspannfeder in einer perspektivischen Ansicht von oben;
2 eine Schnittdarstellung der Vorspannfeder;
3 ein vergrößerte Detailansicht der Vorspannfeder;
4 ein erfindungsgemäßes Verspannungssystems in einer Schnittdarstellung;
5 eine teilweise aufgeschnittene 3D-Darstellung eines verspannten zweireihigen Schrägkugellagers auf einer Ritzelwelle unter Verwendung des erfindungsgemäßen Verspannungssystem.
Die Beschreibung einer beim erfindungsgemäßen Verspannungssystem verwendeten Vorspannfeder 01 soll anhand der 1 bis 3 erfolgen. 1 zeigt die Vorspannfeder 01 in einer perspektivischen Ansicht von oben. In 2 ist eine Schnittdarstellung enthalten. 3 zeigt ein Detail der Vorspannfeder.
Die Vorspannfeder 01 ist ringförmig. In ihrem inneren Umfang besitzt sie mehrere Schlitze 02 und durch diese Schlitze 02 gebildete, voneinander vorzugsweise gleichmäßig beabstandete Stege 03. Ein vom äußeren zum inneren Radius verlaufender Bereich der Vorspannfeder 01 weist einen kurvenförmigen Verlauf mit einem Anstieg in axialer Richtung auf. Damit ist die äußere ringförmige Begrenzung der Vorspannfeder 01 von der inneren Begrenzung, an welcher die Stege 03 enden, nicht nur in radialer sondern auch in axialer Richtung beabstandet.
Die Schlitze 02 sind vorzugsweise gleichmäßig über den Umfang der Vorspannfeder 01 verteilt eingebracht. Günstig hat sich dabei eine Schlitztiefe von etwa der halben Höhe der Vorspannfeder erwiesen. Die Schlitze 02 können einen abgerundeten Endbereich 04 besitzen (siehe 3). Ausführungen mit 16 Schlitzen haben sich als besonders vorteilhaft erwiesen. Mit einer solchen Schlitzanzahl und der bevorzugten Schlitztiefe lässt sich die Vorspannfeder 01 besonders einfach beispielsweise über einen Wellenabsatz schieben.
4 zeigt ein erfindungsgemäßes Verspannungssystems in einer Schnittdarstellung. Das Verspannungssystem umfasst die Vorspannfeder 01 und ein Trägerelement, welches hier als Welle 05 ausgeführt ist. Die Welle 05 ist mit einer Haltenut 06 zur Aufnahme der Stege 03 der Vorspannfeder 01 versehen. Der Radius der Haltenut 06 ist größer als der Innenradius der Vorspannfeder 01 im entspannten Zustand. Die Haltenut 06 befindet sich axial hinter einem Wellenabsatz 07. Zu sehen ist die Vorspannfeder 01 zu einem Zeitpunkt in dem die Stege 03 noch nicht in die Haltenut 06 der Welle 01 eingreifen, die Vorspannfeder also noch nicht in ihre Endposition verbracht ist.
Beim Aufschieben der Vorspannfeder 01 über den Wellenabsatz 07 werden die Stege 03 radial aufgebogen. Dabei wird die gesamte Vorspannfeder 01 durch die entstehende axialen Kraftkomponente vorgespannt. Sobald die Stege 03 in die Haltenut 06 eingreifen ist der Vorspannvorgang beendet. Die Verspannung kann erst wieder aufgehoben werden, wenn ein entsprechender axialer Gegendruck ein Ausschnappen der Stege 03 aus der Haltenut 06 bewirkt. Um dies ggf. zu erleichtern, beispielsweise wenn Demontagevorgänge zu erwarten sind, können die freien Enden der Stege 03 eine Phase aufweisen und/oder eine Phase an der Stirnseite der Haltenut 06 vorgesehen sein.
5 zeigt eine 3D-Darstellung eines zweireihigen Schrägkugellagers auf einer Ritzelwelle, welches mittels erfindungsgemäßem Verspannungssystem axial verspannt ist. Auf einer Ritzelwelle 05 ist ein zweireihiges Schrägkugellager mit Innenringen 08 und Außenringen 09 angeordnet, zwischen denen sich Wälzkörper 10 befinden. Zum axialen Verspannen des Lagers auf der Welle 05 dient die Vorspannfeder 01 und die mit dieser zusammenwirkende Haltenut 06.
In 5 sind die beiden Innenringe 08 des Lagers bereits verspannt. Die Vorspannfeder 01 greift hierzu mit den Stegen 03 in die Haltenut 06 der Welle 05 ein. Das radial äußere Ende der Vorspannfeder 01 übt eine axial wirkende Druckkraft auf den angrenzenden Innenring des Kugellagers aus, so dass die gewünschte Verspannung erzielt wird.
Es sind auch weitere Ausführungen möglich, bei denen das Maschinenelement beispielsweise in einem als Gehäusebereich ausgeführten Trägerelement verspannt wird.

01: Vorspannfeder
02: Schlitze
03: Stege
04: abgerundeter Endbereich
05: Welle
06: Haltenut
07: Wellenabsatz
08: Innenringe des Wälzlagers
09: Außenringe des Wälzlagers
10: Wälzkörper

Claims

Verspannungssystem zum axialen Verspannen von Maschinenelementen mit einer ringförmigen Vorspannfeder (01) und einem Trägerelement (05), auf welchen bzw. in welchem das Maschinenelement verspannt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorspannfeder (01) in ihrem inneren Umfang mehrere radial verlaufende Schlitze (02) und durch diese Schlitze (02) beabstandete, sich radial erstreckende Stege (03) aufweist, wobei der vom äußeren zum inneren Radius verlaufende Bereich der Vorspannfeder einen kurvenförmigen Verlauf mit einem Anstieg in axialer Richtung aufweist, und dass in das Trägerelement (05) eine umlaufende Haltenut (06) zur Aufnahme der Stege (03) der Vorspannfeder (01) eingebracht ist, wobei der Radius der Haltenut (06) größer als der Innenradius der Vorspannfeder (01) im ungespannten Zustand ist.
Verspannungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorspannfeder (01) aus einem federelastischen Material besteht, welches die radiale Aufweitung des Innenradius der Vorspannfeder durch Verbiegung der Stege (03) gestattet.
Verspannungssystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägerelement eine Welle (05) ist, welche einen Wellenabsatz (07) vor der Haltenut (06) besitzt, wobei der Wellenabstaz (07) einen größeren Durchmesser als die Haltenut (06) aufweist, wobei die Vorspannfeder (01) über den Wellenabsatz (07) verschiebbar ist, wobei der Innendurchmesser der Vorspannfeder im Bereich der Stege (03) beim Verschieben über den Wellenabsatz (07) aufgeweitet wird, wobei diese Aufweitung beim Eingriff in die Haltenut (06) zumindest teilweise zurück gestellt wird, und wobei die Vorspannfeder (01) in dieser Eingrifssposition axial zwischen dem Maschinenelement und der Haltenut eingespannt ist.
Verspannungssystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägerelement (05) ein Gehäuseteil ist, in welchem die Haltenut (06) eingearbeitet ist.
Verspannungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Schlitze (02) gleichmäßig über den inneren Umfang der Vorspannfeder (01) verteilt eingebracht sind.
Verspannungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Tiefe der Schlitze (02) etwa der halben Höhe der Vorspannfeder (01) entspricht.
Verspannungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen Haltenut und Maschinenelement gewählt ist, dass beim Eingriff der Stege (03) der Vorspannfeder (01) in die Haltenut (06) die radialen äußeren Enden der Vorspannfeder (01) eine axial wirkende Druckkraft auf das Maschinenelement ausüben und dabei eine axiale Verspannung des Maschinenelementes bewirkt wird.
Verspannungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Maschinenelement ein Wälzlager ist und dass die Vorspannfeder (01) zum axialen Verspannen der Innenringe (08) dieses Wälzlagers dient.
Verspannungssystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Wälzlager ein zweireihiges Schrägkugellager ist.
Verspannungssystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Welle (05) eine Ritzelwelle ist.