DE102019203167A1

DE102019203167A1 - Festlager, insbesondere für eine elektrische Maschine

Info

Publication number: DE102019203167A1
Application number: DE102019203167.6A
Authority: DE
Inventors: Rami Deichelbohrer
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2019-03-08
Filing date: 2019-03-08
Publication date: 2020-09-10

Abstract

Ein Festlager weist ein Kugellager mit Innenring und Außenring und einen gehäuseseitigen Lagersitz auf, der das Kugellager umgreift. Am Außenring des Kugellagers ist ein radial nach außen ragender Flansch angeordnet, wobei ein axialer Formschluss zwischen dem Flansch am Außenring des Kugellagers und dem Lagersitz gebildet ist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Festlager, insbesondere für eine elektrische Maschine, mit einem Kugellager mit einem Innenring und einem Außenring, wobei der Außenring sich in einem gehäuseseitigen Lagersitz, der das Kugellager umgreift, axial abstützt und in axialer Gegenrichtung formschlüssig am Lagersitz gehalten ist.
Stand der Technik
Bekannt sind Festlager in elektrischen Maschinen wie beispielsweise permanenterregten Synchronmotoren, deren Rotorwelle üblicherweise in einem Festlager und in einem Loslager drehbar aufgenommen ist. Das Festlager umfasst ein Kugellager mit Innen- und Außenring, wobei der Innenring die Rotorwelle aufnimmt und der Außenring sich in einem gehäuseseitigen Lagersitz befindet. Der Außenring des Kugellagers wird in dem Lagersitz, beispielsweise einem Lagerschild oder einem Gehäuse der elektrischen Maschine, mittels Verstemmen fixiert. Um den Verstemmvorgang durchführen zu können, überragt der Lagersitz das Kugellager axial, wobei der axial hinausragende Abschnitt des Lagersitzes einen Überstand darstellt, der zum Verstemmen in der Weise verformt wird, dass die Stirnseite des Außenrings vom Material des Lagersitzes teilweise überdeckt wird.
Offenbarung der Erfindung
Das erfindungsgemäße Festlager dient zum Aufnehmen eines rotierenden Bauteils in einem Gehäuse, beispielsweise zur Lagerung der Rotorwelle einer elektrischen Maschine. Das Festlager umfasst ein Kugellager mit Innenring und Außenring, wobei der Außenring gehäuseseitig abgestützt ist und der Innenring das rotierende Bauteil aufnimmt. Der Außenring ist in einem gehäuseseitigen Lagersitz des Festlagers axial abgestützt, wobei der Lagersitz das Kugellager umgreift, so dass die radial außenliegenden Außenwände des Kugellagers von dem Lagersitz teilweise umgriffen sind.
Die Achsrichtung bezieht sich hierbei auf die Längs- oder Rotationsachse des Festlagers. Dementsprechend erstreckt sich die Radialrichtung orthogonal zur Längs- bzw. Rotationsachse.
Der Außenring des Kugellagers ist axial in beide Richtungen am Lagersitz fest gehalten, so dass in Achsrichtung nach dem Zusammenbau des Festlagers keine axiale Bewegungsmöglichkeit des Kugellagers relativ zum Lagersitz möglich ist. Hierzu stützt sich der Außenring des Kugellagers in eine Achsrichtung am Lagersitz ab und ist in der axialen Gegenrichtung formschlüssig am Lagersitz gehalten. Der Formschluss besteht zwischen einem Flansch am Außenring, der radial nach außen gerichtet ist und die zylindrische Außenseite des Außenrings radial überragt, und dem Lagersitz.
Diese Ausführung hat den Vorteil, dass der Formschluss nicht wie Ausführungen im Stand der Technik zwischen der freien Stirnseite des Außenrings und dem Lagersitz, sondern vielmehr zwischen dem Flansch und dem Lagersitz gebildet ist. Dementsprechend ist die freie Stirnseite des Außenrings, die der sich am Lagersitz abstützenden Stirnseite axial gegenüberliegt, frei von Abstützeinrichtungen. Die freie Stirnseite des Außenrings nimmt nicht an der axialen Halterung im Lagersitz teil.
Ein weiterer Vorteil ergibt sich dadurch, dass die axiale Gesamtlänge des Festlagers und im Fall eines Einbaus in einer elektrischen Maschine auch die axiale Gesamtlänge der elektrischen Maschine reduziert werden kann. Es ist nicht erforderlich, dass der gehäuseseitige Lagersitz, der die Außenseite des Außenrings umgreift, axial über die freie Stirnseite des Kugellagers hinausragt. Vielmehr kann es vorteilhaft sein, dass die offene Seite des Kugellagers axial zumindest auf gleicher Höhe wie die offene Seite des Lagersitzes liegt oder, gemäß bevorzugter Ausführung, dass das Kugellager axial aus dem Lagersitz herausragt. Dementsprechend wird die axiale Gesamtlänge des Festlagers nur durch die axiale Erstreckung des Kugellagers sowie desjenigen Teils des Lagersitzes, insbesondere des Bodens des Lagersitzes bestimmt, an dem sich eine Stirnseite des Außenrings axial abstützt.
Der axiale Überstand des Kugellagers über die freie Stirnseite des Lagersitzes hinaus beträgt vorteilhafterweise zumindest 10 % der axialen Gesamtlänge des Kugellagers. Hierdurch ist eine signifikante Differenz der axialen Erstreckung gegeben, wodurch zusätzlich konstruktive Gestaltungsmöglichkeiten für das Festlager gegeben sind.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführung liegt der Flansch mit Abstand zur offenen Stirnseite des Kugellagers. Es kann beispielsweise zweckmäßig sein, dass sich der Flansch axial bis zu derjenigen Stirnseite des Kugellagers erstreckt, die sich an dem Lagersitz axial abstützt und der offenen Stirnseite gegenüberliegt. Der Flansch kann unmittelbar an der Stirnseite des Außenrings angeformt sein und ist insbesondere einteilig mit dem Außenring ausgebildet. Der Flansch bildet in weiterer bevorzugter Ausführung einen umlaufenden Kragen am Außenring, wobei der Außenring im Längsschnitt L-förmig ausgebildet ist und der lange L-Schenkel die Außenseite des Außenrings und der kurze L-Schenkel den radial hinausragenden, nach außen gerichteten Flansch bilden.
In Radialrichtung weist der Flansch vorteilhafterweise einen Überstand über die zylindrische Außenseite des Außenrings auf, der mindestens 30 %, mindestens 40 % oder mindestens 50 % der radialen Dicke des Außenrings beträgt.
Vorteilhafterweise ist der Flansch als umlaufender Kragen ausgebildet, der einen durchgehenden Ringflansch bildet, welcher über die radiale Außenseite des Außenrings hinausragt. Es kann gegebenenfalls aber auch zweckmäßig sein, keinen durchgehenden Ring, sondern nur einzelne, in Umfangsrichtung unterbrochene Abschnitte als Flansch vorzusehen, was im Prinzip genügt, um die gewünschte axiale Verbindung mit dem Lagersitz herzustellen.
Der Lagersitz ist vorzugsweise topfförmig ausgebildet und weist einen Boden sowie eine umlaufende Seitenwand auf, wobei sich am Boden die nicht-offene Stirnseite des Außenrings des Kugellagers abstützt und die Seitenwand des topfförmigen Lagersitzes die Außenwand des Außenrings umgreift. Bei einer geringeren axialen Erstreckung der Seitenwand im Vergleich zum Kugellager wird die Außenseite des Außenrings in Achsrichtung nur teilweise von der Seitenwand des Lagersitzes umgriffen.
Am Boden des Lagersitzes, an dem sich die nicht-offene Stirnseite des Außenrings abstützt, kann sich eine zentrische Ausnehmung befinden, die für den Durchtritt des vom Kugellager aufzunehmenden, rotierenden Bauteils dient, beispielsweise im Fall einer elektrischen Maschine zur Aufnahme der Rotorwelle.
Der Formschluss zwischen dem Flansch am Außenring und dem Lagersitz wird, gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführung, durch Verstemmen des Lagersitzes gebildet. Hierbei wirkt eine Kraft auf den Lagersitz ein, die zu einer plastischen Verformung eines Abschnittes des Lagersitzes führt, so dass Material des Lagersitzes den Flansch axial umgreift und auf diese Weise den Flansch in Achsrichtung formschlüssig sichert. Es wird insbesondere die Seitenwand des Lagersitzes durch eine von außen einwirkende Kraft verstemmt und verformt. Die Kraft zum Verstemmen kann axial auf die freie Stirnseite des Lagersitzes einwirken und/oder radial von außen nach innen, um die gewünschte Verformung herbeizuführen, über die der Außenring des Kugellagers von Material des Lagersitzes formschlüssig eingeschlossen wird.
Der Lagersitz kann Bestandteil eines Lagerschildes sein, der mit einem Gehäuse, insbesondere dem Gehäuse einer elektrischen Maschine verbunden ist. Der Lagersitz ist in diesem Fall separat von dem Gehäuse ausgebildet, jedoch fest mit dem Gehäuse verbunden.
Weitere Vorteile und zweckmäßige Ausführungen sind den weiteren Ansprüchen, der Figurenbeschreibung und den Zeichnungen zu entnehmen. Es zeigen:

1 einen Schnitt längs durch eine elektrische Maschine, deren Rotorwelle in einem Los- und in einem Festlager drehbar aufgenommen ist,
2 das Festlager im Schnitt in vergrößerter Darstellung.

In den Figuren sind gleiche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Bei der in 1 dargestellten elektrischen Maschine 1 handelt es sich um einen elektronisch kommutierten, permanenterregten Synchronmotor. Die elektrische Maschine 1 ist als Innenläufer ausgebildet und umfasst einen Stator 2 in einem Gehäuse 3 und einen im Stator 2 aufgenommenen Rotor 4. Der Stator 2 weist über den Umfang verteilt eine Reihe von bestrombaren Statorwicklungen 5 auf. Der Rotor 4 umfasst eine Rotorwelle 6 sowie ein Lamellenpaket 7, das auf der Rotorwelle 6 angeordnet ist und in welchem über den Umfang verteilt, mehrere Permanentmagnete 8 angeordnet sind. Die Rotorwelle 6 ist in einem Festlager 9 und axial hierzu beabstandet in einem Loslager 10 drehbar gelagert. Das Loslager 10 befindet sich am Boden des topfförmigen Gehäuses 3, wohingegen das Festlager 9 in einem Lagerschild 11 angeordnet ist, das fest mit dem Gehäuse 2 verbunden und axial zum Boden des Gehäuses 3 beabstandet ist.
Wie 1 in Verbindung mit der vergrößerten Darstellung gemäß 2 zu entnehmen, ist in den Lagerschild 11 ein Lagersitz 12 integriert, der topfförmig ausgebildet ist und eine zentrale Ausnehmung aufweist, durch die die Rotorwelle 6 hindurchragt. Der Lagersitz 12 ist topfförmig ausgebildet und weist einen Boden mit der Ausnehmung für die Rotorwelle 6 sowie eine ringförmig oder zylinderförmig umlaufende Seitenwand auf.
In dem Lagersitz 12 ist ein Kugellager 13 aufgenommen, das einen Innenring 14 und einen Außenring 15 umfasst. Der Innenring 14 nimmt die Rotorwelle 6 auf, der Außenring 15 ist mit dem gehäuseseitigen Lagersitz 12 fest verbunden. Eine axiale Stirnseite des Außenrings 15 stützt sich am Boden des Lagersitzes 12 ab. Die gegenüberliegende Stirnseite des Außenrings 15 liegt dagegen offen, sie ist nicht abgestützt.
Einteilig mit dem Außenring 15 ist ein Flansch 16 ausgebildet, der sich radial über die ringförmige bzw. zylindrische Außenseite des Außenrings 15 nach außen erstreckt und sich benachbart zu der Stirnseite befindet, die sich am Boden des Lagersitzes 12 abstützt. Der Flansch 16 ist an seiner der Stirnseite abgewandten Schulter an Material des Lagersitzes 12 abgestützt. Die Seitenwand des Lagersitzes 12 ist verstemmt, wobei ein Verstemmungsabschnitt 17 die Schulter an dem Flansch 16 hintergreift, so dass der Flansch 16 in beide Achsrichtungen formschlüssig am Lagersitz abgestützt ist. Der Verstemmungsabschnitt 17 wird dadurch hergestellt, dass bei der Montage eine axiale Kraft von außen auf den Lagersitz 12 einwirkt, so dass es im Bereich der Innenseite der Seitenwand des Lagersitzes 12 im Verstemmungsabschnitt 17 zu einer plastischen Materialverformung kommt und Material der Seitenwand des Lagersitzes 12 die Schulter am Flansch 16 formschlüssig hintergreift. Gegebenenfalls wirkt zusätzlich eine radiale Kraft von außen auf den Lagersitz 12 ein, um das Verstemmen zu begünstigen und die plastische Materialverformung in der Weise zu bewirken, dass die Schulter am Flansch 16 formschlüssig hintergriffen wird.
Beim Hintergreifen, das durch das Verstemmen bewirkt wird, bedeckt das verformte Material der Seitenwand des Lagersitzes 12 die zugewandte axiale Stirnfläche des Flansches 16. Die Stirnfläche des Flansches 16 kann vollständig mit dem Material der Seitenwand bedeckt sein. Gegebenenfalls genügt es, dass nur ein Teil der Stirnfläche des Flansches 16 mit dem Material der Seitenwand bedeckt ist.
Bei der Bedeckung der Stirnfläche des Flansches 16 mit dem Material der Seitenwand des Lagersitzes 12 kann eine axiale Kraft auf den Flansch 16 in Richtung des Bodens des Lagersitzes 12 ausgeübt werden, so dass der Flansch 16 und damit auch der Außenring 15 zwischen dem Boden des Lagersitzes 12 und dem verstemmten Material eingeklemmt ist. In alternativer Ausführung liegt das verstemmte Material des Lagersitzes nur lose am Flansch 16 an und übt keine Axialkraft auf den Flansch 16 aus.
Die gesamte axiale Höhe h des Festlagers 9 bestimmt sich nach der Dicke des Bodens des Lagersitzes 12 sowie der axialen Gesamthöhe des Kugellagers 13. Die freie Stirnseite des Kugellagers 13 ragt axial über den Lagersitz 12 hinaus. Der Lagersitz 12 weist an seiner freien Stirnseite einen radial nach außen umgebogenen Abschnitt auf, der axial weniger weit hinausragt als die freie Stirnseite des Kugellagers 13.
Insgesamt ergibt sich hierdurch im Vergleich zu Ausführungen aus dem Stand der Technik, bei denen das Kugellager 13 axial vollständig innerhalb des Lagersitzes 12 liegt, eine geringere axiale Gesamthöhe des Festlagers 9.

Claims

Festlager, insbesondere für eine elektrische Maschine (1), mit einem Kugellager (13) mit einem Innenring (14) und einem Außenring (15), wobei der Außenring (15) sich in einem gehäuseseitigen Lagersitz (12), der das Kugellager (13) umgreift, axial abstützt und in axialer Gegenrichtung formschlüssig am Lagersitz (12) gehalten ist, dadurch gekennzeichnet, dass am Außenring (15) des Kugellagers (13) ein radial nach außen ragender Flansch (16) angeordnet ist, wobei der axiale Formschluss zwischen dem Flansch (16) am Außenring (15) des Kugellagers (13) und dem Lagersitz (12) gebildet ist.
Festlager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die offene Stirnseite des Kugellagers (13) axial zumindest auf gleicher Höhe wie die offene Seite des Lagersitzes (12) liegt.
Festlager nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Kugellager (13) axial aus dem Lagersitz (12) herausragt.
Festlager nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der axiale Überstand des Kugellagers (13) über die freie Stirnseite des Lagersitzes (12) hinaus mindestens 10 % der axialen Gesamtlänge des Kugellagers (13) beträgt.
Festlager nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Flansch (16) mit Abstand zur offenen Stirnseite des Kugellagers (13) liegt.
Festlager nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Flansch (16) sich bis zu derjenigen Stirnseite des Kugellagers (13) erstreckt, die der offenen Stirnseite gegenüberliegt.
Festlager nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Flansch (16) als umlaufender Kragen ausgebildet ist.
Festlager nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der axiale Formschluss zwischen dem Flansch (16) am Außenring (15) des Kugellagers (13) und dem Lagersitz (12) durch Verstemmen des Lagersitzes (12) gebildet ist.
Festlager nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Lagersitz (12) topfförmig ausgebildet ist und an seiner freien Stirnseite einen radial nach außen umgebogenen Abschnitt aufweist.
Elektrische Maschine (1) mit einem Festlager (9) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei der Innenring (14) eine Rotorwelle (6) der elektrischen Maschine (1) aufnimmt.
Elektrische Maschine (1) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Lagersitz (12) an einem Lagerschild (11) ausgeformt ist, das als Tiefziehteil aus Blech gefertigt ist - und vorzugsweise das Lagerschild (11) in ein zylindrisches Gehäuse (3) der elektrischen Maschine (1) axial eingepresst ist.