DE102006061698A1

DE102006061698A1 - Wellen-Bauteil-Fixierung, sowie Verfahren zum Fixieren eines Bauteils auf einer Welle

Info

Publication number: DE102006061698A1
Application number: DE102006061698A
Authority: DE
Inventors: Michael Speth; Gerd Walter
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2006-12-28
Filing date: 2006-12-28
Publication date: 2008-07-03
Also published as: WO2008080719A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Wellen-Bauteil-Fixierung (10) mit einer Welle (12) sowie ein Verfahren zur Herstellung einer solchen, insbesondere einer Ankerwelle (12) eines elektromotorischen Antriebs (10), und einem die Welle (12) umgreifenden Bauteil (32, 21, 22), das mit einer Stirnseite (36) an einem auf der Welle (12) angeformten axialen Anschlag (30) anliegt, wobei unmittelbar axial vor dem Anschlag (30) im Bereich des Bauteils (32) eine radiale Aussparung (41) an der Welle (12) ausgeformt ist, die sich über deren gesamten Umfang erstreckt.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft eine Wellen-Bauteil-Fixierung sowie ein Verfahren zum Fixierieren eines Bauteils auf einer Welle nach der Gattung der unabhängigen Ansprüche.
Mit der DE 102 44 788 A1 ist eine Wellen-Naben-Verbindung bekannt geworden, bei der ein Nabenteil eines Lagers mittels einer plastischen Materialumformung auf einer Welle fixiert wird. Dabei wird ein erster axialer Anschlag auf der Welle durch eine Rollierwulst gebildet, an der das zu fixierierende Bauteil mit einer ersten Seitenfläche axial anliegt. An der gegenüberliegenden Seitenfläche des Bauteils wird anschließend das Material der Welle an deren axialen Endfläche radial nach außen geformt, so dass die Endfläche der Welle mit der Seitenfläche des Bauteils näherungsweise eine Ebene bildet. Als problematisch erweist sich bei diesem Fertigungsverfahren die große axiale Montagetoleranz aufgrund des durch die Rollierwulst gebildeten Anschlags. Die Rollierwulst bildet keine definierte Anschlagsfläche, sondern ist als undefinierter Konus aufgebildet, so dass die axiale Positionierung des Bauteils nicht eindeutig festgelegt ist. Wird zum Ausgleich der Axialtoleranz das Bauteil mit Kraft axial gegen den Rolierwulst gepresst, erfährt die Nabe des Bauteils eine Durchmesseraufweitung, die insbesondere bei einem Wälzlager zu einer unerwünschter Spielreduzierung der Wälzkörper führt. Dadurch wird die Lebensdauer eines solchen Wälzlagers deutlich reduziert.
Offenbarung der Erfindung
Vorteile der Erfindung
Die erfindungsgemäße Vorrichtung mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass durch die Ausbildung einer radialen Aussparung unmittelbar vor dem axialen Anschlag eine Durchmesseraufweitung an der Nabe des Bauteils verhindert wird. Ist die radiale Aussparung als umlaufende, sich über den gesamten Umfang erstreckende Nut ausgebildet, liegt das Bauteil mit seiner Stirnseite an einer definierten Anschlagsfläche an, wodurch die axiale Montagetoleranz des Bauteil deutlich reduziert wird.
Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen der Vorrichtung nach Anspruch 1 möglich. Weist der Wellenbereich an der radialen Aussparung einen geringeren Durchmesser auf als im Bereich des Lagersitzes in der Welle, wird beim Anpressen des Bauteils gegen den axialen Anschlag keine Radialkraft erzeugt, die den Nabendurchmesser des Bauteils aufweiten kann. Der Anschlag weist einen größeren Durchmesser als der Lagersitz auf, an der die Stirnseite des Bauteils aniegt, ohne dass eine mechanische Beanspruchung des Bauteils in radialer Richtung auftritt. Dadurch können insbesondere Wälzlager zuverlässig axial exakt positioniert werden, ohne dass das radiale Lagerspiel der Wälzkörper negativ beeinflusst wird.
Besonders vorteilhaft kann die radiale Aussparung mittels einer Kaltumformung ausgebildet werden, wobei das durch die radiale Aussparung verdrängte Wellenmaterial in den radial überstehenden Anschlag umgeformt wird. Dadurch ist gewährleistet, dass die radiale Aussparung immer axial unmittelbar vor dem Anschlag ausgebildet wird.
Wird das Wellenmaterial mittels eines Rollierverfahrens umgeformt, wird am Anschlag eine verschleißfeste Oberfläche gebildet und ein Auftreten von Schnittkanten durch spanende Bearbeitung an der Wellenoberfläche verhindert.
Wird der axiale Anschlag mittels plastischer Materialumformung ausgebildet, wird günstigerweise Wellenmaterial auf beiden Seiten des Anschlags aus der Vollwelle in den Anschlag umgeformt, um eine genügende Materialstärke des Anschlags zu erzielen. Dabei werden auf beiden axialen Seiten des Anschlags Ringnuten ausgeformt, die einen geringeren Durchmesser aufweisen als der Lagersitz.
Um eine radiale Aufweitung der Nabe des Bauteils zu vermeiden, ist es von Vorteil, wenn die Anschlagsfläche des Anschlags näherungsweise senkrecht zur Wellenachse angeordnet ist, beziehungsweise mit einer Ebene senkrecht zur Wellenachse einen Winkel von 0 bis max. 20° bildet. Dabei erstreckt sich diese ebene ringförmige Anschlagsfläche in radialer Richtung bis zum Durchmesser des Lagersitzes.
Die radiale Aussparung weist günstigerweise einen abgerundeten Querschnitt auf, so dass die Oberfläche der Welle in axialer Richtung kontinuierlich vom Lagersitz in die radiale Aussparung geringeren Durchmessers übergeht, ebenso ist der Übergang von der radialen Aussparung zur Anschlagsfläche (quer zur Wellensenkrechten) kontinuierlich ausgebildet. Durch dieses abgerundet Profil der radialen Aussparung kann die Scherbelastung des Anschlags deutlich erhöht werden.
Besonders vorteilhaft ist die Wellen-Bauteil-Fixierung für die Befestigung eines Wälzlagers, dessen Innenring axial am Anschlag anliegt, wobei durch die Anformung der radialen Aussparung eine radiale Aufweitung des Innenrings weitestgehend vermieden wird.
Durch das Anformen der radialen Aussparung können Bauteile, die fertigungsbedingt einen großen Toleranzbereich des Kanten-Radius der Stirnfläche aufweisen, axial gegen den Anschlag gepresst werden, ohne dass sich dadurch die axiale Position des Bauteils wesentlich verändert. Beispielsweise kann hier bei einem Wellenradius in der Größenordnung von 10 mm der Kanten-Radius des Bauteils im Bereich zwischen 0,1 bis 1,0 mm liegen.
Das erfindungsgemäße Befestigungsverfahren für ein Bauteil auf einer Welle kann besonders günstig durch eine Kaltumformung des Wellenmaterials realisiert werden, wobei Wellenmaterial axial unmittelbar vor dem Anschlag derart eingedrückt wird, dass sich daraus der radial überstehende Anschlag bildet.
Zur Radialumformung eignet sich besonder ein Rollierwerkzeug, das radial eine Ringnut in die Wellenoberfläche eindrückt und gleichzeitig einen radialen Aufwurf für den Anschlag anformt. Dabei dringt das Rollierwerkzeug bzw. dessen Umformfläche radial in die Wellenoberfläche ein und wird optional gleichzeitig axial verstellt.
Zweckmäßigerweise kann der axiale Anschlag und die radiale Aussparung in einem einzigen Arbeitsprozeß angeformt werden. Optional kann gleichzeitig auch der Lagersitz mittels Glattwalzen geglättet werden, damit durch das Anformen der radialen Aussparung der Lagersitz nicht verformt wird. Bevorzugt können diese gleichzeitigen Rollierprozesse mittels eines einzigen Rollierwerkzeugs vorgenommen werden, wobei gleichzeitig auch am Ende der Welle der Wellendurchmesser mittels Umformung reduziert werden kann.
Zur Montage des Bauteils wird nach dem Anformen des Anschlags mit der Ringnut das Bauteil auf die Welle geschoben und gegen den Anschlag gepresst. Danach wird das Bauteil an der gegenüberliegenden Stirnseite axial fixiert. Dabei wird ebenfalls vorzugsweise eine Materialumformung mittels Taumeln, Drehpressen, Nieten oder Ringverstemmen angewendet.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen
1 eine erfindungsgemäße Wellen-Bauteil-Fixierung und
2 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Rollierprozesses.
In 1 ist eine Wellen-Bauteil-Verbindung 10 dargestellt, die als Teil eines Elektromotors 16 ausgebildet ist. Dabei ist auf einer als Ankerwelle ausgebildeten Welle 12 ein Ankerpaket 18 angeordnet, das durch ein Magnetfeld in Drehung versetzt wird. Die Welle 12 ist über ein als Wälzlager 20 ausgebildetes Bauteil 32 in einem Gehäuse 14 des Elektromotors 16 gelagert. Das Bauteil 32 ist in diesem Fall als Kugellager 21 ausgebildet, das mit einem Innenring 22 an der Welle 12 anliegt und mit einem Außenring 24 an dem Gehäuse 14 befestigt ist. Zwischen dem Innenring 22 und dem Außenring 24 sind Wälzkörper 26 angeordnet, die sich mit einem voreingestellten Radialspiel zwischen dem Innenring 22 und dem Außenring 24 abrollen. Zur Befestigung des Bauteils 32 auf der Welle 12 ist auf dieser ein Lagersitz 28 angeformt, auf dem der Innenring 22 aufgeschoben ist. Auf der Weile 12 ist ein axialer Anschlag 30 für das Bauteil 32 angeformt, der radial über den Durchmesser 29 des Lagersitzes ragt, so dass der Durchmesser 31 des Anschlags 32 größer ist als der Durchmesser 29. Der Anschlag 30 weist eine Ringfläche 33 auf, die zumindest im Bereich radial außerhalb des Lagersitz-Durchmessers 29 als näherungsweise ebene Fläche ausgebildet ist. Die näherungsweise ebene Ringfläche 33 bildet mit einer Ebene 36 senkrecht zur Achse 13 der Welle 12 einen Winkel 38 von 0° bis 20°, vorzugsweise etwa 10°. Unmittelbar benachbart zur ebenen Anschlagsfläche 33 ist eine radiale Aussparung 41 ausgebildet, die als umlaufende Ringnut 43 ausgeformt ist. Der Durchmesser 45 im Bereich der radialen Aussparung 41 ist kleiner als der Durchmesser 29 des Lagersitzes 28. Die radiale Aussparung 41 weist ein Querschnittsprofil 51 auf, das abgerundet ist. So geht die Oberfläche 11 der Welle 12 entlang der Wellenachse 13 kontinuierlich in die radiale Aussparung 41 über und die radiale Aussparung 41 weist wiederum einen kontinuierlichen Übergang zur näherungsweise ebenen Anschlagsfläche 33 auf.
Im Ausführungsbeispiel ist auf beiden Seiten des Anschlags 30 eine radiale Aussparung 41 angeformt, wodurch eine höhere Materialdicke 35 des Anschlags 30 erzielt wird. Das Bauelement 32 liegt mit einer ersten Stirnseite 53 an der Anschlagsfläche 30 an. Zum Bereich des Lagersitzes 28 hin weist das Bauteil 32 einen Kanten-Radius 57 auf, der einer gewissen Fertigungstoleranz unterliegt. Dieser Kanten-Radius liegt beispielsweise für eine Welle mit einem Lagersitz-Durchmesser 29 von 4 bis 12 mm im Bereich von 0,1 bis 1,0 mm. Durch die ebene Ausbildung der Anschlagsfläche 33 und deren relativ kleinen Winkel 38 zur Ebene 36 senkrecht zur Ankerwelle 13 (beispielsweise 1° bis 20°) ändert sich die Position des Bauteils 32 beim Anpressen gegen den Anschlag 30 nur unwesentlich.
Zur Fixierierung des Bauteils 32 auf der Welle 12 wird nach dem Anformen des Anschlags 30 und der radialen Aussparung 41 das Bauteil 32 axial gegen die Anschlagsfläche 33 gedrückt und anschließend an der der ersten Stirnseite 53 gegenüberliegenden Stirnseite 55 axial fixiert. Hierzu wird beispielsweise Material am Ende 59 der Welle 12 radial nach außen umgeformt, derart, dass sich ein Aufwurf 42 gegen die zweite Stirnseite 55 bildet. Eine solche radiale Materialumformung kann beispielsweise durch Drehpressen, Taumeln, Ringverstemmen oder Nieten erfolgen, wobei ein Umformwerkzeug axial zur Wellenachse 13 zugestellt wird. Im Ausführungsbeispiel der 1 ist am Ende 59 der Welle 12 ein Bördelrand 60 angeformt, der mittels Kaltumformung leicht radial nach außen umgeformt werden kann. Alternativ kann das Bauteil 32 auch in einem mittleren Abschnitt der Welle 12 gegen ein erfindungsgemäßen Anschlag 30 gepresst werden und auf der gegenüberliegenden Stirnseite 55 des Bauteils axial gesichert werden. Dabei kann diese Sicherung sowohl durch Materialumformung als auch durch ein zusätzliches Fixierelement realisiert werden.
In 2 ist schematisch ein Herstellungsverfahren für eine erfindungsgemäße Wellen-Bauteil-Verbindung 10 dargestellt, wobei der Anschlag 30 und die radiale Aussparung 41 mittels eines Umformwerkzeugs 70 angeformt wird. Das Umformwerkzeug 70 ist als Rollierrolle 71 ausgebildet, die sich auf der drehbar gelagerten Welle 12 abrollt. Dabei wird das durch die Ausbildung der radialen Aussparung 41 verdrängte Wellenmaterial gleichzeitig zu dem Anschlag 30 umgeformt, so dass sich eine steile ebene Anschlagsfläche 33 ausbildet, an der sich unmittelbar die radiale Aussparung 41 mit geringerem Durchmesser 45 als der Lagersitz-Durchmesser 29 anschließt. Des Weiteren wird mit mittels Glattwalzen der Bereich des Lagersitzes 28 kalibriert, derart, dass sich keine Erhöhungen im Lagersitz über den vorgegebenen Lagersitz-Durchmesser 29 hinaus ergeben. Bei diesem Ausführungsbeispiel gemäß 2 wird gleichzeitig mit dem Umformwerkzeug 70 der Bördelrand 60 radial nach innen gedrückt, um die Einführung des Bauteils 32 auf die Welle 12 zu erleichtern. In der schematischen Darstellung gemäß 2 ist das Umformwerkzeug als einteilige Rollierrolle 71 ausgebildet. Jedoch können die unterschiedlichen Bereiche des Anschlags 30, der radialen Aussparung 41, des Lagersitzes 28 und des Bördelrands 60 auch durch separate Umformwerkzeuge 70 angeformt werden, die jedoch vorzugsweise zeitgleich gegen die Oberfläche 11 der Welle 12 gedrückt werden. Zur Ausbildung des Anschlags 30 können beispielsweise zwei separate Rollierrollen 71 mit ihren Formflächen 72 zusätzlichen zum radialen Eindrücken auch axial gegeneinander gedrückt werden. Um eine gute plastische Materialumformung zu ermöglichen, ist die Welle 12 aus Metall, vorzugsweise aus Stahl gefertigt, so dass das aus der radialen Aussparung 41 verdrängte Material näherungsweise von gleichem Volumen ist, wie das Volumen des Anschlags 30, das über den Lagersitz-Durchmesser 29 ragt.
Die Erfindung ist nicht auf die Fixierung von Lagern 20, 21 beschränkt, sondern umfasst alle Bauteile 32 beziehungsweise deren Naben, die auf einer Welle 12 fixiert werden sollen. So kann als Bauteil 32 beispielsweise auch ein Abtriebsritzel oder eine Gewindeschnecke oder ein Ringmagnet auf einer Ankerwelle befestigt werden. Das Bauteil 32 weist in den Ausführungsbeispielen eine Nabe auf, die die Welle 12 vollständig umschließt. Es sind aber auch Bauteile 32 denkbar, die die Welle 12 nicht vollständig umfassen, sondern bei denen ein Spalt oder ein Ringsegment im Umfang ausgespart ist. Des weiteren umfasst die Erfindung auch einzelne Merkmale der Ausführungsbeispiele oder eine beliebige Kombination der Merkmale von unterschiedlichen Ausführungsbeispielen. Bevorzugt wird dieses Verfahren zur Fixierung von Bauteilen 32 auf einer Ankerwelle eines Elektromotors 10 angewendet.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 10244788 A1 [0002]

Claims

Wellen-Bauteil-Fixierung (10) mit einer Welle (12), insbesondere einer Ankerwelle (12) eines elektromotorischen Antriebs (10), und einem die Welle (12) umgreifenden Bauteil (32, 21, 22), das mit einer Stirnseite (36) an einem auf der Welle (12) angeformten axialen Anschlag (30) anliegt, dadurch gekennzeichnet dass unmittelbar axial vor dem Anschlag (30) im Bereich des Bauteils (32) eine radiale Aussparung (41) an der Welle (12) ausgeformt ist, die sich über deren gesamten Umfang erstreckt.
Wellen-Bauteil-Fixierung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Welle (12) einen Lagersitz (28) für das Bauteil (32) bildet, wobei der Durchmesser (31) des Anschlags (30) größer, und der Durchmesser (45) im Bereich der radialen Aussparung (41) geringer ist, als der Durchmesser (29) des Lagersitzes (28).
Wellen-Bauteil-Fixierung (10) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Wellenmaterial aus der radialen Aussparung (41) mittels plastischer Materialumformung in den Anschlag (30) umgeformt ist.
Wellen-Bauteil-Fixierung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass unmittelbar an beiden axialen Seiten des Anschlags (30) eine radiale Aussparung (41) ausgeformt ist
Wellen-Bauteil-Fixierung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Anschlag (30) eine ebene ringförmige Anschlagsfläche (33) aufweist, die einen Winkel (38) von 1° bis 20° zu einer Fläche (36) senkrecht zur Welle (12) bildet.
Wellen-Bauteil-Fixierung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anschlagsfläche (33) kontinuerlich in die radiale Aussparung (41) übergeht, die näherungsweise ein abgerundetes Querschnittsprofil (51) aufweist.
Wellen-Bauteil-Fixierung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (32) als Wälzlager (20) mit einem Innenring (22) ausgebildet ist, der axial am Anschlag (30) und radial auf dem Lagersitz (28) anliegt.
Wellen-Bauteil-Fixierung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (32) an seiner Stirnseite (53) zu einer radialen Innenfläche (23) hin im Bereich des Anschlags (30) einen Kantenradius (57) von 0, 1 mm bis 1,0 mm aufweist.
Verfahren zum Fixieren eines Bauteils (32, 20, 21) auf einer Welle (12), insbesondere einer Ankerwelle (12) eines elektromotorischen Antriebs (16), wobei das Bauteil (32) die Welle (12) umgreift, insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass mittels plastischer Materialumformung der Welle (12) auf dieser ein Anschlag (30) derart angeformt wird, dass unmittelbar axial vor dem Anschlag (30) im Bereich des zu fixierenden Bauteils (32) eine radiale Ringnut (43) in die Welle (12) eingedrückt wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Anschlag (30) und die Ringnut (43) mittels eines Rollierwerzeugs (71) angeformt werden, dessen Formfläche (72) radial und/oder axial zur Welle (12) zugestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Anschlag (30) und die Ringnut (43) – und insbesondere eine Kalibrierung des Lagersitzes (28) – zusammen in einem Arbeitsgang insbesondere mittels eines einzigen Rollierwerzeugs (71) angeformt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Welle (12) zuerst der axiale Anschlag (30) und die Ringnut (43) angeformt, dann das Bauteil (32, 20, 21) auf die Welle (12) über die Ringnut (43) geschoben und mit seiner Stirnseite (53) gegen den Anschlag (30) gedrückt, und dann das Material der Welle (12) an der gegenüberliegenden Stirnseite (55) des Bauteils (32) plastisch radial zur axialen Fixierung verformt wird.