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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Lageranordnung in einem Gehäuse zur Lagerung einer Welle in einer ersten Lagerstelle mit einem ersten Lager und in einer axial von der ersten Lagerstelle beabstandeten zweiten Lagerstelle mit einem zweiten Lager.
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Lageranordnungen mit zwei Lagerstellen werden in vielfältiger Weise in der Technik verwendet. Beispielsweise ist aus der Druckschrift
WO 2011/012456 A1 eine Lageranordnung bekannt, bei der Buchsen aus elastischen Materialien zum Einsatz kommen. Diese Anordnung erlaubt einen Schutz gegen einen Stromdurchgang und erlaubt eine Schwingungsdämpfung in radialer Richtung. Nachteilig daran ist jedoch, dass die Einstellung der axialen Vorspannung unter Berücksichtigung des Federwegs zum Toleranzausgleich des Lagers auf der Loslagerseite nur über den Elastizitätsmodul der Buchse aus elastischem Material möglich ist. Berücksichtigt man zusätzlich die thermische Belastung am Loslager, so ergeben sich aufgrund der Materialauswahl nur sehr eingeschränkte Möglichkeiten dieser Lageranordnung.
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Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Lageranordnung zu schaffen, die den genannten Nachteil überwindet, mit der also zuverlässig eine benötigte axiale Vorspannung erzielt wird, um z. B. einen schlupffreien Betrieb und damit eine Erhöhung der Lagerlebensdauer sicherzustellen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Lageranordnung nach Anspruch 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
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Eine Lageranordnung in einem Gehäuse zur Lagerung einer Welle in einer ersten Lagerstelle mit einem ersten Lager bzw. Festlager und in einer axial von der ersten Lagerstelle beabstandeten zweiten Lagerstelle mit einem zweiten Lager bzw. Loslager, wobei das zweite Lager bzw. Loslager in eine Loslagerbuchse eingesetzt ist, weist an der Loslagerbuchse eine Innenhülse auf, die auf dem zweiten Lager angeordnet ist. Außerdem ist ein die Innenhülse umschließendes und mit der Innenhülse verbundenes ringförmiges Element aus einem elastischen Werkstoff vorgesehen. Das ringförmige Element weist auf mindestens einer Außenoberfläche und bzw. oder in seinem Inneren eine Profilierung auf.
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Durch die Profilierung, also durch das Hinzufügen von zusätzlichen unbelasteten Oberflächen bzw. ein Ändern eines Verhältnisses von belasteter Oberfläche zu unbelasteter Oberfläche des ringförmigen, also als Hohlzylinder ausgebildeten Elements wird eine geringere Schubsteifigkeit erreicht und somit axiale Federeigenschaften der Loslagerbuchse verbessert. Wenn die belastete Oberfläche im Verhältnis zu der unbelasteten Oberfläche eines derartigen Elements sehr groß ist, entsteht ein großes Elastizitätsmodul und eine sehr kleine Deformation. Durch Veränderung des Verhältnisses von belasteter Oberfläche zu unbelasteter Oberfläche des elastischen Elements kann gezielt auf das elastische Verhalten des elastischen Elements Einfluss genommen werden. Dadurch sind die Vorgaben für die axiale Vorspannung des zweiten Lagers bzw. Loslagers im jeweiligen Anwendungsfall, der durch Federweg, Federkraft und Temperatur gekennzeichnet ist, möglich.
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Vorzugsweise ist das ringförmige Element auf mindestens zwei gegenüberliegenden Außenseiten mit der Profilierung versehen, um eine effiziente Einstellung der gewünschten Eigenschaften zu erreichen. Es kann aber natürlich auch vorgesehen sein, die Profilierung auf mehr als zwei der Außenseiten vorzusehen, typischerweise auf allen Außenoberflächen des ringförmigen Elements.
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Es kann auch vorgesehen sein, dass der elastische Werkstoff des ringförmigen Elements in seinem inneren Aufbau die Profilierung aufweist. Es können also Veränderungen des Verhältnisses von belasteter zu unbelasteter Oberfläche sowohl an einem Außenumfang als auch im Inneren des ringförmigen Elements zur Profilierung vorgenommen werden. Durch Verwendung eines von sich aus bereits mit einem charakteristischen Innenprofil versehenen Werkstoffs statt eines räumlich homogenen Materials kann die gewünschte Anpassung über die Profilierung bereits ohne weitere Maßnahmen an der Oberflächenkontur schnell und effizient erreicht werden.
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Das ringförmige Element kann aus einem Elastomer sein, also formfest, aber elastisch verformbar und dennoch über einen weiten Temperaturbereich beständig in diesen Eigenschaften sein. Vorzugsweise ist das ringförmige Element aus Gummi, also vulkanisiertem Kautschuk oder einem Polyurethanschaumstoff ausgebildet. Die Verwendung eines Polyurethanschaumstoffs ist günstig aufgrund ausgezeichneter Elastizität, Öl- und Alterungsbeständigkeit. Außerdem werden hierdurch eine Schwingungsisolierung zu angrenzenden schwingungsempfindlichen Bauteilen und ein hoher elektrischer Isoliergrad erreicht. Die Shore-Härte der verwendeten Gummiwerkstoffe kann zwischen 30° und 90° liegen.
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Typischerweise ist die Profilierung durch mindestens eine Aussparung auf einer äußeren Oberfläche realisiert. Alternativ oder zusätzlich kann mindestens eine in dem Inneren des ringförmigen Elements angeordnete Hohlkammer einen Teil der Profilierung oder die gesamte Profilierung bilden. Hierdurch kann die Profilierung variiert werden, um die gewünschten mechanischen Eigenschaften des ringförmigen Elements zu erreichen. Es kann auch vorgesehen sein, mehrere nebeneinander gelagerte und voneinander beabstandete Ringe als ringförmiges Element zu verwenden.
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Das ringförmige Element kann alternativ oder zusätzlich durch eine Außenhülse umschlossen sein. Somit sind auf der Innenhülse radial übereinander das ringförmige Element und die Außenhülse angeordnet.
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Vorzugsweise sind die Innenhülse und das ringförmige Element formschlüssig und bzw. oder stoffschlüssig miteinander verbunden, um eine sichere Funktion der Lageranordnung zu gewährleisten. Es kann vorgesehen sein, dass die Innenhülse und das ringförmige Element durch Verkleben oder durch Vulkanisation miteinander verbunden sind. Falls die Außenhülse verwendet wird, ist diese typischerweise ebenfalls formschlüssig und bzw. oder stoffschlüssig mit dem ringförmigen Element verbunden. Dies kann ebenfalls durch Verkleben oder durch Vulkanisation erfolgen.
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Alternativ oder zusätzlich ist ein Wärmeausdehnungskoeffizient eines Werkstoffs der Außenhülse maximal 5 Prozent größer oder kleiner als ein Wärmeausdehnungskoeffizient des Werkstoffs des Gehäuses zu wählen. Dies ermöglicht eine Anpassung der beiden Hülsen an das sie in der Lageranordnung berührende Material. Ist der Wärmeausdehnungskoeffizient des Lagersitzes im Gehäuse zu groß, kann es zum Wandern der Außenhülse im Gehäusesitz kommen, was zu Fluchtungsfehlern und Verkippungen führen kann und somit einen Verschleiß erhöht.
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Typischerweise ist das Loslager in der Lageranordnung vorgespannt. Um einen ruhigen Lauf zu gewährleisten und um die Lebensdauer zu erhöhen, sollte die axiale Vorspannung ein bis zwei Prozent der dynamischen Lagertragzahl betragen. Bei Motoren, die starken Schwingungen ausgesetzt sind, sollte die Vorspannung auf drei bis vier Prozent der dynamischen Lagertragzahl angehoben werden.
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Eine elektrische Maschine, typischerweise mit einem Rotor und einem Stator, kann die beschriebene Lageranordnung aufweisen. Es kann hierbei vorgesehen sein, dass der Rotor eine Rotorwelle aufweist, die in Rotorlagern gelagert ist. Die elektrische Maschine findet typischerweise als Hybridantriebseinrichtung in einem Kraftfahrzeug Verwendung.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden nachfolgende anhand der 1 bis 10 erläutert.
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Es zeigen:
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1 eine Rotorlagerung elektrischer Maschinen in seitlicher Schnittdarstellung;
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2 eine vergrößerte Darstellung des in 1 gezeigten Loslagers;
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3 eine 2 entsprechende Ansicht eines weiteren Beispiels eines erfindungsgemäßen Loslagers;
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4 eine seitliche Ansicht einer Loslagerbuchse mit mehreren Hohlräumen im Inneren;
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5 eine 4 entsprechende Ansicht einer Loslagerbuchse mit mehreren Aussparungen auf Oberseite und Unterseite eines ringförmigen Elements;
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6 eine 4 entsprechende Ansicht einer Loslagerbuchse mit mehreren Aussparungen an der Unterseite eines ringförmigen Elements;
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7 eine seitliche Ansicht einer eingebauten Loslagerbuchse mit zick-zackförmig profiliertem ringförmigen Element;
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8 eine 7 entsprechende Ansicht mit einem ringförmigen Element aus Polyurethan;
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9 eine 7 entsprechende Ansicht mit einem ringförmigen Element in I-Profil und
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10 mehrere Beispiele für Profile des ringförmigen Elements mit unbelasteten und belasteten Flächen.
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Ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Rotorlagerung ist in 1 in einer seitlichen Schnittansicht dargestellt. In einem Motorgehäuse 1 ist ein Festlager 2 angeordnet und axial von dem Festlager 2 beabstandet ein Los-lager 3 in einem Lagerschild 5 vorgesehen. Durch das Festlager 2 und das Loslager 3 wird eine Welle 4 in dem Gehäuse 1 gelagert. In dem Loslager 3 ist eine relative Bewegung des Loslagers 3 in axialer Richtung möglich. Das Festlager 2 und das Loslager 3 sind als Wälzlager bzw. Rillenkugellager ausgeführt. Das Loslager 3 ist außerdem axial vorgespannt, um bei allen Betriebszuständen eine hinreichende Mindestbelastung bzw. Vorspannung in Achsrichtung sicherzustellen. Dazu ist das Loslager 3 ist mit dem Lagerschild über eine Loslagerbuchse 10 in Kontakt.
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Ein Aufbau der Loslagerbuchse 10 ist vergrößert in 2 gezeigt. Wiederkehrende Merkmale sind in dieser wie auch in den folgenden Figuren mit identischen Bezugszeichen versehen. Das Loslager 3 ist auf der Welle 4 angeordnet und über die Loslagerbuchse 10, die eine Innenhülse 13, ein formschlüssig und stoffschlüssig die Innenhülse 13 umschließendes ringförmiges Element 14 und eine das ringförmige Element 14 umschließende Außenhülse 15 umfasst, mit dem Lagerschild 5 in Kontakt. Durch die Loslagerbuchse 10 erfolgt die axiale Vorspannung, die ungefähr zwei Prozent einer dynamischen Lagertragzahl des Loslagers entspricht. Das Bezugszeichen 11 symbolisiert einen Toleranzausgleich bei Wärmedehnung. Das Bezugszeichen 12 symbolisiert eine Schwingungsdämpfung.
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Das ringförmige Element 14 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel aus Gummi. Die Innenhülse 13 und die Außenhülse 15 sind aus einem Metall, im vorliegenden Ausführungsbeispiel aus Stahl. Auf die Außenhülse 15 kann in weiteren Ausführungsbeispielen auch verzichtet werden. Die Innenhülse 13 ist ebenso wie die Außenhülse 15 durch Vulkanisation mit dem ringförmigen Element 14 formschlüssig und stoffschlüssig verbunden, kann in weiteren Ausführungsbeispielen aber auch verklebt sein.
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Das ringförmige Element 14 weist an einer Oberseite und einer Unterseite, die einander gegenüberliegen, vier Aussparungen 16 auf. Die Aussparungen 16 sind gegenüber einer Mittelachse des Loslagers 10 verkippt angeordnet.
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Eine weitere Ausführungsform des Loslagers 10 ist in 3 in einer 2 entsprechenden Ansicht dargestellt. Im Gegensatz zu dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel sind nun die Oberseite und die Unterseite des ringförmigen Elements 14 geschlossen, jedoch im Inneren des ringförmigen Elements 14 vier gleich große Hohlräume 17 vorgesehen.
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In den 4 bis 6 werden einige prinzipielle Beispiele zur Auslegung einer Loslagerbuchse gezeigt. 4 zeigt in einer seitlichen Schnittdarstellung die Loslagerbuchse 10 mit dem ringförmigen Element 14 und Hohlräumen 17 im Gummi. In 5 ist als weiteres Ausführungsbeispiel die Loslagerbuchse 10 mit auf der Oberseite und Unterseite angebrachten Aussparungen 16 gezeigt. Wie in 6 gezeigt, ist es in weiteren Ausführungsbeispielen auch möglich, die Aussparungen 16 nur einseitig, im gezeigten Beispiel nur auf der der Innenhülse 13 zugewandten Unterseite vorzusehen.
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In den 7 bis 9 sind Loslagerbuchsen 10 in verschiedenen Einbauvarianten in einer seitlichen Ansicht zu sehen. In 7 ist das ringförmige Element 14 zick-zack-förmig profiliert, d. h. dass versetzt zueinander auf der Oberseite und der Unterseite dreieckige Aussparungen angeordnet sind.
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In dem in 8 gezeigten Ausführungsbeispiel ist das ringförmige Element 14 aus Polyurethan. Statt eines kompakten Polyurethankörpers in Form eines Hohlzylinders oder Rings kann in weiteren Ausführungsbeispielen natürlich auch ein Polyurethankörper mit Aussparungen oder Hohlräumen verwendet werden. Das ringförmige Element 14 ist mit der Innenhülse 13 auf dem Lager aufsitzend, allerdings ist im Gegensatz zu dem in 7 gezeigten Beispiel auch die Außenhülse 15 vorgesehen und in direktem Kontakt mit dem Gehäuse 1.
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Bei dem in 9 in einer 7 entsprechenden seitlichen Schnittansicht gezeigten Ausführungsbeispiel ist das ringförmige Element 14 aus Gummi zwischen der Innenhülse 13 und der Außenhülse 15 angeordnet und mit diesem verbunden, weist nun jedoch ein sogenanntes I-förmiges Profil auf, bei dem beide nicht mit der Innenhülse 13 und der Außenhülse 15 in Verbindung stehenden Seiten eine kreisförmige Aussparungen aufweisen.
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10 zeigt schließlich mehrere Beispiele für verwendbare Profile des ringförmigen Elements 14. Um größere Federwege zu realisieren, wird ein Verhältnis von belasteten Oberflächen 7 zu unbelasteten Oberflächen 8 zu Gunsten der unbelasteten Oberfläche verändert. In 10a) ist ein im Querschnitt rechteckiges Profil mit einem mittig angeordneten Hohlraum 16 gezeigt, während 10b) ein reines Rechteckprofil zeigt. Die belasteten Oberflächen liegen in beiden gezeigten Ausführungsbeispielen jeweils auf der Oberseite und der Unterseite, während die Seiten unbelastete Oberflächen 8 darstellen. Bei dem in 10a) gezeigten Hohlraum 16 sind alle diesen Hohlraum 16 begrenzenden Seiten unbelastete Oberflächen 8. Das ringförmige Element 14 kann aber auch ein in 10c) gezeigtes parallelogrammartiges Profil haben oder trapezförmig sein, wie in 10d) gezeigt. Auch bei diesen beiden Ausführungsbeispielen befinden sich die belasteten Oberflächen 7 auf der Oberseite und der Unterseite, während die Seiten unbelastete Oberflächen 8 darstellen. So wird in 10d) zum Unterschied zu 10b) die Summe der belasteten Oberflächen verkleinert und die Summe der unbelasteten Oberflächen vergrößert.
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Schließlich kommt auch ein in 10e) gezeigtes T-förmiges Profil oder ein I-Profil (10f)) mit symmetrischen Aussparungen an jeder Seite, die nicht in Kontakt mit der Außenhülse 15 und bzw. oder der Innenhülse 13 steht, in Frage. Wie bei den bereits beschriebenen Ausführungsbeispielen sind die belasteten Oberflächen 7 wieder durch die Oberseite und die Unterseite gegeben, während an den Seiten nur unbelastete Oberflächen 8 vorliegen. Durch die Profilierung sind diese unbelasteten Oberflächen 8 gegenüber einem reinen Rechteckprofil vergrößert. Auch ein H-Profil, wie in 10g) gezeigt, bei dem eine Aussparung sowohl auf der Oberseite als auch der Unterseite angeordnet ist, oder das in 10h) gezeigte U-Profil mit einer Aussparung nur auf der Oberseite können verwendet werden. Die nun mit einem Profil versehenen Oberseiten und Unterseiten sind wiederum belastete Oberflächen 7, während die Seitenwände der Profilierung in der Oberseite bzw. der Unterseite unbelastete Oberflächen darstellen. Auch in diesen Beispielen wird die Summe der belasteten Oberflächen verkleinert und gleichzeitig die Summe der unbelasteten Oberflächen vergrößert und damit auf die mechanischen Eigenschaften der Loslagerbuchse 10 in Bezug auf die Federkraft und den Federweg Einfluss genommen.
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Die beschriebene Lageranordnung wird beispielsweise in einem Hybridantrieb eines Personenkraftfahrzeugs eingesetzt.
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Lediglich in den Ausführungsbeispielen offenbarte Merkmale der verschiedenen Ausführungsformen können miteinander kombiniert und einzeln beansprucht werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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