-
Stand der Technik
-
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Feder zum Vorspannen eines Wälzlagers, die einen Elastomerkern umfasst. Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin eine Baugruppe mit der Feder und dem Wälzlager.
-
Zum Vorspannen von Wälzlagern werden üblicherweise Federn aus einem elastomeren Material, insbesondere aus Gummi, genutzt. Solche Elastomerfedern weisen neben guten Federeigenschaften auch gute Dämpfungseigenschaften auf. Sie bewirken eine gute Vibrations- und Geräuschdämpfung.
-
Jedoch verteilt sich eine auf eine Elastomerfeder wirkende Kraft in der Regel nicht gleichmäßig über den gesamten Querschnitt. Dadurch ist die Formstabilität der Feder vermindert, und die Feder deformiert sich unter Belastung. Eine solche Deformation lässt sich nur schwer oder gar nicht kontrollieren. Dadurch besteht ein erhöhtes Risiko, dass die Elastomerfeder ein Lagerschild eines Wälzlagers oder andere rotierende Teile einer Baugruppe unter Belastung berührt. Nachteilig ist zudem, dass die Federkurve aufgrund des Deformationsverhaltens der Elastomerfeder nichtlinear ist.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Feder zum Vorspannen eines Wälzlagers zu schaffen, die sich kontrollierbar und/oder vorhersehbar deformiert, so dass sie unter Belastung keine rotierenden Teile berührt, und die außerdem gute Dämpfungseigenschaften aufweist, so dass sie eine gute Vibrations- und Geräuschdämpfung bewirkt.
-
Die Aufgabe wird gelöst mit einer Feder mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1, einer Baugruppe mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 12, und einer elektrischen Maschine mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 16. Vorteilhafte Ausführungsformen sind den abhängigen Ansprüchen entnehmbar.
-
Die Aufgabe wird gelöst mit einer Feder zum Vorspannen eines Wälzlagers, die einen Elastomerkern, insbesondere einen Gummikern, umfasst.
-
Die Feder zeichnet sich dadurch aus, dass am Elastomerkern ein Stützmantel aus einem aushärtbaren Material stoffschlüssig angeordnet ist, der weniger elastisch als der Elastomerkern ausgebildet ist.
-
Da der Stützmantel aus einem aushärtbaren Material gefertigt ist, das im Vergleich zum Elastomerkern weniger elastisch ist, ist er in Bezug auf mechanische Belastungen formbeständiger. Durch Anpassung der Ausmaße, der Form und/oder des verwendeten Materials des Stützmantels ist dieser so dimensionierbar, dass er sich unter anwendungsspezifischer mechanischer Belastung nahezu nicht oder gar nicht deformiert.
-
Der Elastomerkern ist bevorzugt aus einem zweiten, vorzugsweise ebenfalls aushärtbaren, Material gebildet. Besonders bevorzugt ist er aus einem natürlichen oder synthetischen Elastomer, insbesondere aus Gummi, gebildet.
-
Der Stützmantel ist zur Anlage an ein Lager, insbesondere ein Wälzlager, einer Baugruppe vorgesehen. In einer bevorzugten Ausführungsform ist er hartelastisch ausgebildet. Da die in eine Baugruppe eingebaute Feder mit ihrem Stützmantel am Lager anliegt, und sich unter anwendungsspezifischer mechanischer Belastung nahezu nicht oder gar nicht deformiert, besteht nicht die Gefahr, dass die Feder bewegliche Bauteile im Umfeld des Stützmantels, insbesondere rotierende Bauteile wie beispielsweise ein Lagerschild eines Wälzlagers, unter Belastung berührt.
-
In einer bevorzugten Ausführungsform ist das aushärtbare Material ein Kunststoff. Weiterhin bevorzugt umfasst das aushärtbare Material ein Metall oder eine Metalllegierung. Der Stützmantel ist aus dem Kunststoff, oder dem Kunststoff- gebundenen Metall gebildet. Für den Kunststoff wird bevorzugt ein Granulat verwendet. Es ist aber auch ein Harz verwendbar.
-
Das Metall wird dem Kunststoff bevorzugt in Form von Partikeln oder in Form eines Pulvers zugefügt.
-
Die Feder ist bevorzugt mit einem Mehrkomponentenspritzgussverfahren hergestellt. Dabei ist es bevorzugt, dass der Elastomerkern mit dem aushärtbaren Material des Stützmantels ummantelt, insbesondere umspritzt, ist (Overmolding). Es sind aber auch andere Mehrkomponentenspritzgussverfahren verwendbar. Oder ebenfalls bevorzugt ist das aushärtbare Material des Stützmantels mit dem Elastomerkern durch Vulkanisieren verbunden. Ebenfalls bevorzugt ist der Stützmantel am Elastomerkern angeklebt.
-
Es ist weiterhin bevorzugt, dass die Feder mehrere Stützmäntel aufweist, die eine Deformation des Elastomerkerns in definierte, die Feder umgebende Bereiche, insbesondere in rotierende Bauteile, behindern oder verhindern. Besonders bevorzugt ist an gegenüberliegenden Seiten des Elastomerkerns jeweils ein Stützmantel stoffschlüssig angeordnet, wobei die Stützmäntel voneinander beabstandet sind. Die beiden Stützmäntel sind bevorzugt in Hauptbelastungsrichtung der auf die Feder wirkenden Kraft angeordnet. Dabei ist es besonders bevorzugt, dass der weitere Stützmantel zur Anlage an eine Stützfläche, insbesondere eines Gehäusebauteils, vorgesehen ist, an der sich die, insbesondere in eine Baugruppe eingebaute, Feder abstützt. Auch dieser Stützmantel ist so dimensionierbar, dass er sich unter anwendungsspezifischer mechanischer Belastung nahezu nicht oder gar nicht deformiert. Dadurch besteht auch im Umfeld dieses Stützmantels nicht die Gefahr, dass die Feder ein bewegliches Teil der Baugruppe berührt.
-
Die mehreren Stützmäntel sind bevorzugt aus demselben aushärtbaren Material hergestellt. Anwendungsspezifisch ist aber ebenfalls die Nutzung verschiedener Kunststoffe und/oder Metalle für die oder für einen der Stützmäntel bevorzugt.
-
Da die Stützmäntel voneinander beabstandet sind, ist der Elastomerkern nicht vollumfänglich von ihnen umgeben. Sondern er weist zwischen dem ersten und dem zweiten Stützmantel eine nicht ummantelte Außenfläche auf. Dadurch bleibt der Elastomerkern im Bereich der nicht ummantelten Außenfläche deformierbar. Dabei ist es bevorzugt, dass die nicht von den Stützmänteln ummantelte Außenfläche des Elastomerkerns außerhalb einer Hauptbelastungsrichtung der Feder angeordnet ist. Dadurch beeinträchtigt die deformierte Außenfläche die Funktion der Baugruppe nicht. Aufgrund der Dämpfungseigenschaften des Elastomerkerns und seiner Deformierbarkeit erfüllt die Feder daher weiterhin die Funktion der Geräusch- und Vibrationsdämpfung.
-
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Feder als ein Federring ausgebildet, der sich konzentrisch um eine Achse erstreckt. In dieser Ausführungsform ist es weiterhin bevorzugt, dass der Elastomerkern als ein Elastomerring ausgebildet ist, der sich konzentrisch um die Achse erstreckt. Diese Ausführungsform der Feder eignet sich vor allem für Wälzlager.
-
Die Stützmäntel sind bei Ausbildung der Feder als Federring bevorzugt ebenfalls jeweils ringförmig ausgebildet und erstrecken sich konzentrisch um die Achse. Im Folgenden sind ringförmig ausgebildete Stützmäntel als Stützring bezeichnet. Besonders bevorzugt sind sie punktsymmetrisch zur Spiegelachse angeordnet. Bei dieser Ausführungsform verläuft die Spiegelachse in Umfangsrichtung zur Achse. Eine solche Feder weist besonders bevorzugt zwei einander gegenüberliegende, ringförmige Außenflächen auf. Durch die spiegelsymmetrische Ausbildung der Feder verteilt sich die in Hauptbelastungsrichtung wirkende Kraft möglichst gleichmäßig über die gesamte Feder.
-
Es ist bevorzugt, dass sich die Feder in axialer Richtung in einem Winkel zur Achse erstreckt. Die Stützmäntel sind bevorzugt in axialer und/oder radialer Richtung zur Achse versetzt zueinander angeordnet. Besonders bevorzugt sind sie in axialer und radialer Richtung zur Achse versetzt zueinander angeordnet. Dadurch verbleibt oberhalb und unterhalb der Feder jeweils ein Freiraum, der für die Deformation der Feder zur Verfügung steht, ohne die Feder umgebende Bauteile zu behindern.
-
Ganz besonders bevorzugt erstrecken sich die Stützmäntel zumindest teilweise parallel beweglicher Bauteile der Baugruppe. Zudem ist es bevorzugt, dass die Form der Stützmäntel gezielt an die Form der die Feder umgebenden, insbesondere beweglichen, Bauteile angepasst ist. Der Bereich der Deformation, sowie der Freiraum, in den sich die Feder hinein deformiert, sind daher durch die Form der Feder, insbesondere des Elastomerkerns und der Stützmäntel, und die Position der Stützmäntel am Elastomerkern gezielt einstellbar. Die Deformation ist daher kontrollierbar.
-
Dafür sind die Stützmäntel bevorzugt im Querschnitt plattenförmig, L-förmig oder U-förmig ausgebildet. Dabei sind ihre Schenkel vorzugsweise eben oder bogenförmig ausgebildet. Der Elastomerkern ist anwendungsspezifisch wählbar. Er ist bevorzugt an eine durch die Form und Anordnung der Stützmäntel vorgegebene Form angepasst. Besonders bevorzugt ist er eckig, insbesondere viereckig oder sechseckig, ausgebildet. Es ist aber auch eine gebogene, runde oder abgerundete Form bevorzugt. Zudem können der Elastomerkern und/oder die Stützmäntel auch eine andere, insbesondere unsymmetrische oder kurvige, Querschnittsform aufweisen. Dabei ist es besonders bevorzugt, dass die Stützmäntel gegenüberliegende Seiten des Elastomerkerns zumindest teilweise, vorzugsweise vollflächig, ummanteln.
-
Vorzugsweise sind die Stützmäntel im Querschnitt plattenförmig ausgebildet, wobei der Elastomerkern im unbelasteten Zustand im Querschnitt viereckig ausgebildet ist. Ebenfalls bevorzugt sind die Stützmäntel sind im Querschnitt L-förmig ausgebildet, wobei der Elastomerkern im unbelasteten Zustand im Querschnitt sechseckig ausgebildet ist. Besonders bevorzugt weist der Elastomerkern im unbelasteten Zustand im Querschnitt die Form eines Parallelogramms oder ungleichseitigen Sechsecks auf.
-
Die Aufgabe wird weiterhin gelöst mit einer Baugruppe, die ein Wälzlager und eine solche Feder umfasst. Da die Feder keine beweglichen, insbesondere rotierenden, Bauteile der Baugruppe berührt, behindert sie diese unter anwendungsspezifischer mechanischer Belastung nicht. Zudem entsteht kein Abrieb an der Feder und/oder diesen Bauteilen. Die Baugruppe weist daher eine hohe Lebensdauer auf.
-
Die Baugruppe weist bevorzugt eine um eine Achse angeordnete Welle auf. In dieser Ausführungsform ist die Feder bevorzugt als Federring ausgebildet. Dabei erstrecken sich bevorzugt die Feder und das Wälzlager konzentrisch um die Achse.
-
Ein Wälzlager im Sinne der Erfindung weist Kugel- oder Rollen- förmige Wälzkörper auf. Dabei sind die Form und/oder die Ausmaße des Wälzlagers bevorzugt an die Hauptbelastungsrichtung angepasst.
-
Vorzugsweise liegt der erste der beiden Stützmäntel an einem äußeren Ring des Wälzlagers an. Weiterhin bevorzugt stützt sich der zweite der beiden Stützmantel an einem Gehäusebauteil ab. Dabei ist es bevorzugt, dass der zweite Stützmantel von der Welle beabstandet ist.
-
Der Federring ist zudem bevorzugt symmetrisch zur Spiegelachse ausgebildet. Dadurch sind eine gleichmäßige Kräfteverteilung und eine kontrollierbare Deformation des Federrings erzielbar.
-
Die Aufgabe wird weiterhin gelöst mit einer elektrischen Maschine, die eine solche Baugruppe umfasst. Dabei ist es bevorzugt, dass das Wälzlager zum Lagern eines Rotors der elektrischen Maschine vorgesehen ist.
-
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Figuren beschrieben. Die Figuren sind lediglich beispielhaft und schränken den allgemeinen Erfindungsgedanken nicht ein. Es zeigen:
-
1 in (a) eine Baugruppe mit einer Feder, hier einem Federring, und in (b) und (c) jeweils einen Ausschnitt aus der Baugruppe der 1(a);
-
2 in (a) und (b) jeweils eine Ausführungsform einer Feder, hier eines Federrings; und
-
3 eine Federkennlinie des Federrings der 2(a), in (b) den Federring bei geringer Belastung, und in (c) den Federring bei starker Belastung.
-
Die Baugruppe 5 weist eine Welle 30 auf, die konzentrisch um eine Achse 3 angeordnet ist und sich in eine Längsrichtung 32 erstreckt. An der Welle 30 ist ein Wälzlager 2 konzentrisch zur Achse 3 angeordnet. Das hier gezeigte Wälzlager 2 weist Kugeln als Wälzkörper 24 auf. Im Folgenden werden die Begriffe Wälzkörper und Kugel synonym verwendet. Die Erfindung erstreckt sich aber auch auf Wälzlager 2 mit anderen, beispielsweise zylinderförmigen oder kegelförmigen, Wälzkörpern 24.
-
Die Kugeln 24 sind zwischen einem drehfest an der Welle 30 angeordneten inneren Ring 22 und einem an einem Gehäusebauteil 4 drehfest angeordneten äußeren Ring 21 angeordnet. Um eine Verschmutzung der Kugeln 24 sowie ein Herausfallen zu vermeiden, ist beidseitig der Kugeln 24 jeweils ein Lagerschild 23 vorgesehen, welches sich quer zur Welle 30 und zwischen dem inneren und dem äußeren Ring 21, 22 erstreckt. Die beidseitig der Kugeln 24 angeordneten Lagerschilde 23 sind gegenüber dem äußeren und dem inneren Ring 21, 22 nach innen, d. h. zu den Kugeln hin, versetzt angeordnet.
-
Das Gehäusebauteil 4 ist topfförmig ausgebildet. Es begrenzt einen Innenraum 40 und weist eine sich mantelförmig in eine axiale Längsrichtung 32 und konzentrisch um die Achse 3 erstreckende Außenwand 44 auf, sowie eine Querwand 42, die quer zur Achse 3 und an einem ersten Ende 41 des Gehäusebauteils 4 angeordnet ist. In der Querwand 42 ist eine Durchgangsbohrung 43 vorgesehen. Innenraumseitig bildet die Querwand 42 eine Stützfläche 420 für eine Feder 1. Die Feder 1 ist zum Vorspannen des Wälzlagers 2 gegenüber dem Gehäusebauteil 4 vorgesehen.
-
Die Welle 30 durchsetzt den Innenraum 40 des Gehäusebauteils 4 und die Durchgangsbohrung 43.
-
Der innere Ring 22 des Wälzlagers 2 ist drehfest an der Welle 30 angeordnet. Der äußere Ring 21 des Wälzlagers 2 liegt drehfest an einer innenseitigen Innenfläche 440 der Außenwand 44 an. Dabei sind der inneren Ring 22 und der äußere Ring 21 relativ zueinander drehbar. Da der innere Ring 22 des Wälzlagers 2 gegenüber dem äußeren Ring 21 des Wälzlagers 2 verdrehbar ist, ist die Welle 30 relativ zum Gehäusebauteil 4 drehbar.
-
Die Feder 1 ist ringförmig ausgebildet. Sie weist einen Elastomerkern 11 auf, der ebenfalls ringförmig ausgebildet ist. Zudem weist sie an gegenüberliegenden Seiten 111, 112 des Elastomerkerns 11 jeweils einen Stützmantel 12, 13 auf. Auch die Stützmäntel 12, 13 sind ringförmig ausgebildet. Feder 1, Elastomerkern 11 und Stützmäntel 12, 13 erstrecken sich konzentrisch zur Achse 3. Im Folgenden werden jeweils die Begriffe Feder 1 und Federring, die Begriffe Elastomerkern 11 und Elastomerring, sowie die Begriffe Stützmantel 12, 13 und Stützring synonym verwendet.
-
Mit dem einen der beiden Stützmäntel 12 liegt die Feder 1 am äußeren Ring 21 des Wälzlagers 2 sowie an der Innenfläche 440 der Außenwand 44 des Gehäusebauteils 4 an. Dieser Stützmantel 12 wird im Folgenden als erster Stützmantel 12 bezeichnet.
-
Mit dem anderen der beiden Stützmäntel 13 stützt sie sich an der Stützfläche 420 der Querwand 42 des Gehäusebauteils 4 ab. Dieser Stützmantel 13 wird im Folgenden als zweiter Stützmantel 13 bezeichnet.
-
Die Feder 1 ist daher im Innenraum 40 des Gehäusebauteils 4 angeordnet und erstreckt sich von der Querwand 42 zum Wälzlager 2.
-
Beide Stützmäntel 12, 13 sind im Querschnitt L-förmig ausgebildet. Sie weisen jeweils einen ersten Schenkel 121, 131 auf, der sich in axialer Richtung 32 erstreckt, sowie einen zweiten Schenkel 122, 132, der sich in radialer Richtung 33 erstreckt (s. 1(b), (c)).
-
Der Elastomerkern 11 weist hier im Querschnitt die Form eines ungleichseitigen Sechsecks auf. Die Stützmäntel 12, 13 ummanteln jeweils zwei Seiten dieses Sechsecks vollflächig. Zwischen den beiden Stützmänteln 12, 13 ist jeweils eine Seite des Sechsecks nicht ummantelt. Diese Seiten bilden jeweils eine nicht ummantelte Außenfläche 111 des Elastomerkerns 11. Der Elastomerkern 11 weist daher zwei gegenüberliegende Außenflächen 111 auf, die nicht ummantelt sind. In diesem Bereich ist der Elastomerkern 11 deformierbar. Da sich der Elastomerkern 11 konzentrisch um die Achse 3 erstreckt, erstrecken sich auch die Außenflächen 111 konzentrisch um die Achse 3.
-
Sichtbar ist, dass die Stützmäntel 12, 13 an in eine Belastungsrichtung 9 gegenüberliegenden Seiten 14, 15 des Elastomerkerns 11 angeordnet sind, während die nicht ummantelten Außenflächen 111 außerhalb der Belastungsrichtung 9 angeordnet sind. Eine Belastungsrichtung ist beispielhaft durch einen Pfeil 9 gezeigt.
-
Die Feder weist einen Winkel 90 zur Achse auf (s. 2(b)). Dadurch sind die Stützmäntel 12, 13 in radialer und in axialer Richtung 32, 33 voneinander beabstandet. Sie sind in radialer und in axialer Richtung 32, 33 zueinander versetzt angeordnet. Der Elastomerkern 11 erstreckt sich zwischen den Stützmänteln 12, 13. Durch diese Anordnung ist in radialer Richtung 33 oberhalb und unterhalb der Außenflächen 111 jeweils ein Freiraum 7 gebildet.
-
Unter Belastung verschiebt sich der erste Stützmantel 12 gegenüber dem zweiten Stützmantel 13 reversibel in axialer Richtung 32. Dadurch verändert sich ein Durchmesser A des Elastomerrings 11, wobei er sich deformiert. Da oberhalb und unterhalb der Feder 1 jeweils ein Freiraum 7 vorgesehen ist, kann die Feder 1 dabei in die Freiräume 7 hinein deformieren, wobei sich die Form der Außenflächen 111 reversibel ändert, ohne andere Bauteile 2, 30, 4 der Baugruppe 5 zu behindern.
-
Die Feder 1 ist ringförmig ausgebildet und punktsymmetrisch. Sie weist eine Symmetrieachse 34 auf, die sich konzentrisch um die Achse 3 erstreckt. Dadurch verteilen sich die in Belastungsrichtung 9 wirkenden Kräfte möglichst gleichmäßig über den Querschnitt der Feder 1.
-
1(b) zeigt, dass die Feder 1 sich mit dem zweiten Schenkel 132 des zweiten Stützmantels 13 an der Stützfläche 420 der Querwand 42 abstützt. Mit dem ersten Schenkel 131 des zweiten Stützmantels 13 ist sie von der Welle 30 um einen Abstand A2 beabstandet. Durch den ersten Schenkel 131 des zweiten Stützmantels 13 wird daher eine Deformation des Elastomerkerns 11 verhindert, durch die die Feder 1 die Welle 30 kontaktiert und die Bewegung der Welle 30 relativ zum Gehäusebauteil 4 behindert.
-
1(c) zeigt, dass die Feder 1 mit dem zweiten Schenkel 122 des ersten Stützmantels 12 am äußeren Ring 21 des Wälzlagers 2 anliegt. Mit dem ersten Schenkel 121 des ersten Stützmantels 12 liegt sie in axialer Richtung 32 verschiebbar an der Außenwand 44 des Gehäusebauteils 4 an. Da die Lagerschilde 23 des Wälzlagers 2 gegenüber dem inneren Ring 22 und dem äußeren Ring 21 jeweils zu den Wälzkörpern 24 hin versetzt angeordnet sind, ist der zweite Schenkel 122 des zweiten Stützmantels 12 von dem ihm benachbart angeordneten Lagerschild 23 um diesen Versatz A1 beabstandet. Der zweite Schenkel 122 des zweiten Stützmantels 12 verhindert daher, dass der Elastomerring 11 dieses Lagerschild 23 berührt.
-
2(a) zeigt die Federkennlinie 7 der Feder 1. Auf der Abszisse 72 ist die Deformation der Feder 1 in mm aufgetragen, auf der Ordinate 71 die Kraft in N. Bei geringer Kraft ist die Federkennlinie 7 nahezu linear. Mit steigender Kraft ist die Deformation weniger kontrollierbar, so dass die Federkennlinie 7 Schwankungen aufweist.
-
2(b) zeigt die Feder 1 der 1 im unbelasteten/kaum belasteten Zustand. Der Belastungszustand ist in der Federkennlinie 7 mit I gekennzeichnet. 2(c) zeigt die Feder 1 der 1 im belasteten Zustand. Der Belastungszustand ist in der Federkennlinie 7 mit II gekennzeichnet.
-
Im Vergleich der 2(b) und (c) sind die Deformation der Außenflächen 111 und die Verkürzung des Durchmessers A des Elastomerkerns 11 sichtbar.
-
3 zeigt eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Feder 1. Auch diese Feder 1 ist ringförmig ausgebildet und erstreckt sich konzentrisch um die Achse 3. Zudem ist sie ebenfalls punktsymmetrisch zu einer sich konzentrisch um die Achse 3 erstreckenden Symmetrieachse 34 ausgebildet. Sie weist als Elastomerkern 11 einen Elastomerring, und als Stützmäntel 12, 13 zwei Stützringe auf.
-
Im Gegensatz zur Feder 1 der 1 und 2 weist diese Feder 1 aber plattenförmig ausgebildete Stützmäntel 12, 13 auf, sowie einen parallelogrammförmigen Elastomerkern 11, der sich zwischen den Stützmänteln 12, 13 erstreckt. Die Stützmäntel 12, 13 sind in axialer und radialer Richtung 32, 33 voneinander beabstandet, so dass oberhalb und unterhalb der nicht ummantelten Außenflächen 111 des Elastomerkerns 11 jeweils ein Freiraum 7 vorgesehen ist. Die Freiräume 7 sind durch gepunktete Linien schematisch gezeigt. Unter mechanischer Belastung deformiert der Elastomerkern 11 in die Freiräume 7 hinein.
-
Die erfindungsgemäße Feder 1 wird beispielsweise durch Spritzguss, insbesondere durch Überspritzen, hergestellt. Dafür ist nur ein Werkzeug erforderlich. Im Gegensatz zu herkömmlichen Elastomerfedern ist sie aber so ausbildbar, dass auch unter mechanischer Belastung nicht die Gefahr eines Berührkontakts der Feder 1 mit sich bewegenden, insbesondere rotierenden, Bauteilen besteht.
