DE102020107580A1

DE102020107580A1 - Baueinheit mit einer Welle und einem Radialkugellager

Info

Publication number: DE102020107580A1
Application number: DE102020107580.4A
Authority: DE
Inventors: Jürgen Schmid
Original assignee: Nidec Motors and Actuators Germany GmbH
Current assignee: Nidec Motors and Actuators Germany GmbH
Priority date: 2020-03-19
Filing date: 2020-03-19
Publication date: 2021-09-23
Also published as: CN113494536A; CN113494536B; US11486438B2; US20210293272A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Baueinheit (15) aufweisend eine Welle (1) und ein einen Lagerinnenring (7) aufweisendes Radialkugellager (21,5), wobei die Welle (1) einen Wellenendbereich (2) mit einem eine einseitige Schulter aufweisenden Lagersitz (7) aufweist, auf dem der Lagerinnenring (6) des Radialkugellagers (5,21) zur Lagerung der drehbaren Welle (1) sitzt, wobei der Lagersitz in Längsrichtung gegenüber dem Radialkugellager (21,5) verkürzt ist, wobei der Lagersitz sich bis zu einer Höhe des Radialkugellagers erstreckt, die in einem Abstand (L) zu einer orthogonalen Projektion von den lagerinnersten Punkten der am schulterfernen Ende des Lagersitzes angeordneten Kugelreihe auf die Lagersitzoberfläche liegt, und wobei folgender Zusammenhang gilt:L= k*D, wobei D der Kugeldurchmesser ist und k in einem Bereich zwischen 0,7 und 0,5 liegt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Baueinheit mit einer Welle und einem Radialkugellager mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 und ein Verfahren zur Herstellung einer Welle mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 12.
Wellen können beispielsweise in einem Radialkugellager drehbar gelagert sein. Gattungsgemäße Radialkugellager sind im Stand der Technik hinlänglich bekannt. Radialkugellager sind beispielsweise Rillenkugellager oder Schrägkugellager und dergleichen, die sowohl ein- oder auch zweireihig ausgebildet sein können. Schrägkugellager haben in Richtung der Lagerachse gegeneinander versetzt angeordnete Laufbahnen im Innen- und Außenring. Sie sind für Lagerungen konzipiert, die kombinierte Belastungen wie etwa gleichzeitig wirkende Radial- und Axialbelastungen aufnehmen müssen. Die Verbindung zwischen dem Radialkugellager und der Welle erfolgt über eine Kombination aus Form- und Reibschluss. Der Formschluss wird dabei zwischen einem Absatz auf der Welle und einer Schulter des Innenrings hergestellt. Ziel dessen ist es bei kleiner Überdeckung des Wellenaußendurchmessers und des Lagerinnenrings relativ hohe Kräfte in Axialrichtung übertragen zu können. Der Reibschluss stellt hingegen sicher, dass ein Drehmoment, das sich z. B. im Kaltanlauf des Wälzlagers aufbaut, von der Welle auf den Innenring übertragen werden kann.
Durch Bauteiltoleranzen kann es dabei vorkommen, dass der Formschluss zwischen Welle und Lager nicht vollkommen hergestellt werden kann. Dies kann dazu führen, dass sich die Verbindung unter Last bzw. im Betrieb setzt.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung eine Baueinheit mit einer Welle und einem Radialkugellager vorzuschlagen, bei der der Formschluss vollständig erreicht wird.
Diese Aufgabe wird von einer Baueinheit mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und einem Herstellungsverfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 12 gelöst.
Demnach ist eine Baueinheit aufweisend eine Welle und ein einen Lagerinnenring aufweisendes Radialkugellager vorgesehen, wobei die Welle einen Wellenendbereich mit einem eine einseitige Schulter aufweisenden Lagersitz aufweist, auf dem der Lagerinnenring des Radialkugellagers zur Lagerung der drehbaren Welle sitzt. Der Lagersitz ist in Längsrichtung gegenüber dem Radialkugellager verkürzt, wobei der Lagersitz sich bis zu einer Höhe des Radialkugellagers erstreckt, die in einem Abstand L (entlang des Lagersitzes) zu einer orthogonalen Projektion von dem jeweils lagerinnersten Punkt der am schulterfernen Ende des Lagersitzes angeordneten Kugelreihe auf die Lagersitzoberfläche liegt, und wobei folgender Zusammenhang gilt:

L= k*D, wobei D der Kugeldurchmesser ist und k in einem Bereich zwischen 0,7 und 0,5 liegt.

Der Lagersitz überragt dabei den lagerinnersten Punkt der am schulterfernen Ende des Lagersitzes angeordneten Kugelreihe in Richtung des freien Endes.
Der Lagersitz überdeckt somit nur einen Teil der Innenseite des Lagerinnenrings. Der Einpressweg wird dadurch verkürzt, so dass ein vollständiger Formschluss des Lagerinnenrings mit der Welle möglich ist. Zudem wird Material eingespart. Für den Fall, dass das Lager einreihig ist, ist die am schulterfernen Ende des Lagersitzes angeordnete Reihe die einzige Reihe des Lagers.
Es ist vorteilhaft, wenn k weniger als 0,65, insbesondere etwa 0,6 ist.
Der Lagerinnenring weist bevorzugt über die gesamte Höhe einen konstanten Innendurchmesser auf.
Es ist vorteilhaft, wenn die Welle im Wellenendbereich, anschließend an den Lagersitz, zum Wellenende hin, einen Absatz aufweist, wobei der Außendurchmesser des Absatzes kleiner als der Innendurchmesser des Lagerinnenrings ist. Dieses Wellenende kann als Spannzapfen bei der spanenden Bearbeitung der Welle dienen.
Vorzugsweise ist der Lagersitz durch einen Absatz auf der Welle ausgebildet, der eine ringförmige Anlagefläche für den Lagerinnenring ausbildet, die konzentrisch zur Längsachse der Welle angeordnet ist. Der Lagerinnenring kann somit mit der ringförmigen Anlagefläche in Formschluss gebracht werden, um Axialkräfte zu übertragen.
Es ist bevorzugt vorgesehen, dass die Welle zumindest bereichsweise hohl ist und im Inneren eine Innenverzahnung aufweist.
Die Welle weist vorzugsweise auf der Innenseite ebenfalls einen Absatz auf, der den Innendurchmesser zum Wellenende hin verjüngt.
Bevorzugt schließt sich an den Absatz auf der Innenseite, zum Wellenende hin, die Innenverzahnung an, wobei der Innendurchmesser des auf den Absatz folgenden Bereichs größer ist als der Durchmesser der Innenverzahnung.
In einer Ausführungsform ist die Welle an dem Wellenende geschlossen, was die Bearbeitung vereinfacht.
Weiterhin ist es bevorzugt, wenn der Lagerinnenring des Radialkugellagers auf dem Lagersitz des Wellenendbereichs mit Reibschluss sitzt. Vorzugsweise liegt die Schulter des Lagerinnenrings in Anlage mit der ringförmigen Anlagefläche der Welle, so dass sich ein Formschluss ausbildet.
In einer vorteilhaften Ausführungsform stützt sich der Lageraußenring an seiner absatzfernen Schulter in Axialrichtung an einem weiteren Bauteil ab. Die Axialkräfte können somit von der Welle auf dieses weitere Bauteil und vice versa übertragen werden.
Das Radialkugellager ist bevorzugt ein einreihiges Schrägkugellager. Der Berührungswinkel des Lagers beträgt dann vorzugsweise etwa 90°. Die Verbindungslinien der beiden Berührungspunkte treffen sich dabei bevorzugt im Bereich der Welle, außerhalb des Wellenendbereichs. Der Schnittpunkt liegt vorzugsweise auf der Längsachse der Welle.
Weiterhin ist ein Verfahren zur Herstellung einer zuvor beschriebenen Welle mit einem Wellenendbereich aufweisend einen Lagersitz für ein Radialkugellager vorgesehen, wobei das Verfahren in chronologischer Reihenfolge die folgenden Schritte umfasst:

a) Herstellen eines zylindrischen Zwischenrohlings;
b) Kaltumformung des zylindrischen Zwischenrohlings in einer Presse derart, dass der resultierende Rohling zumindest bereichsweise hohl ist und in dem Wellenendbereich eine Innenverzahnung aufweist, die konzentrisch zur Längsachse der Welle ausgebildet ist,
c) Bearbeiten des Rohlings spanend in einer Drehmaschine zur Ausbildung des Lagersitzes auf der Außenseite des Rohlings.

Die Herstellung wird dadurch deutlich vereinfacht und kostengünstiger.
Vorzugsweise wird im Verfahrensschritt b ein Absatz in den Wellenendbereich eingebracht, wobei der darauffolgende Bereich einen Außendurchmesser aufweist, der kleiner als der Außendurchmesser des Lagersitzes ist, so dass das Wellenende in Verfahrensschritt c als Spannzapfen verwendet werden kann.
Es ist bevorzugt vorgesehen, dass die Innenverzahnung konzentrisch zur Längsachse der Welle ausgebildet und in dem Bereich zwischen Wellenende und Lagersitz angeordnet ist.
Das Radialkugellager ist bevorzugt ein einreihiges Schrägkugellager.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Gleiche bzw. funktionsgleiche Bauteile sind dabei figurübergreifend mit denselben Bezugszeichen versehen. Es zeigen:

1: eine Baueinheit mit Welle und Schrägkugellager aus dem Stand der Technik,
2: eine erfindungsgemäße Baueinheit mit Welle und Schrägkugellager,
3: einen Längsschnitt durch die Baueinheit der 2, sowie
4: eine schematische Darstellung eines zweireihigen Rillenkugellagers.

In 1 ist eine bekannte kreiszylindrische Welle 1 dargestellt, die in einem Wellenendbereich 2 einen Absatz 3 aufweist, der eine ringförmige Anlagefläche 4 ausbildet, die konzentrisch zur Längsachse 100 der Welle 1 angeordnet ist. Die Welle ist Teil eines Rotors in einer elektrischen Maschine. Der Absatz 3 verjüngt die Welle 1 sprungartig im Außendurchmesser zum Wellenende 20 hin. Die Welle 1 ist in einem einreihigen Schrägkugellager 5 gelagert. Der Lagerinnenring 6 des Schrägkugellagers 5 sitzt auf dem Lagersitz 7 des Wellenendbereichs 2 mit Reibschluss. Die Innenumfangsfläche des Lagerinnenrings 6 liegt vollflächig an der Außenseite der Welle 1 an. Die Schulter 8 des Lagerinnenrings 6 liegt in Anlage mit der ringförmigen Anlagefläche 4 der Welle 1, so dass sich ein Formschluss ausbildet. Der Lageraußenring 9 stützt sich an seiner absatzfernen Schulter 10 in Axialrichtung an einem weiteren Bauteil 11 ab. Die Axialkräfte können somit von der Welle 1 auf dieses weitere Bauteil 11 und vice versa übertragen werden. Der Lageraußenring 9 ist umfangsseitig in einem Gehäuse 12 eingepresst. Der Berührungswinkel α beträgt etwa 90°. Die Verbindungslinien 13,14 der beiden Berührungspunkte treffen sich dabei im Bereich der Welle 1 außerhalb des Wellenendbereichs 2. Der Schnittpunkt liegt auf der Längsachse 100 der Welle 1.
Die 2 und 3 zeigen eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Baueinheit 15 aus Welle 1 und Schrägkugellager 5. Im Gegensatz zum Stand der Technik ist die Höhe des Lagersitzes h_L auf der Welle 1 deutlich kleiner als die Höhe des Lagerinnenrings h_I auf der Innenumfangsfläche. Ansonsten entspricht die Baueinheit 1 der Baueinheit der 1. Die Kontaktfläche für den Reibschluss ist somit deutlich reduziert gegenüber dem Stand der Technik. Der Lagerinnenring 6 weist auf seiner Innenseite über die gesamte Höhe h_I einen konstanten Durchmesser auf.
Durch die Verkürzung der Welle 1 bzw. des Lagersitzes 7 wird der erwünschte, vollständige Formschluss einfacher erreicht, da die für den Reibschluss erforderliche Kraft reduziert wird. So steht beim Aufschieben des Lagerinnenrings 6 auf das Wellenende genügend Kraft für den Formschluss zur Verfügung. Durch die reduzierte Führungslänge kann zudem verhindert werden, dass der Lagerinnenring 6 gegenüber der Welle 1 verkippt und somit der Formschluss nicht vollständig hergestellt wird.
Da der Formschluss durch die verkürzte Überdeckung der Innenseite des Lagerinnenrings mit dem Wellenendbereich vollständig bei der Montage hergestellt werden kann, wird für eine sichere Übertragung des Drehmomentes kein Reibschluss über die gesamte Lagerhöhe benötigt, so dass hier durch die verkürzte Überdeckung keine Nachteile entstehen.
Bei der Herstellung der Welle 1 wird aus einem zylindrischen Zwischenrohling zunächst mittels Kaltumformung in einer Presse ein Rohling hergestellt, der bereits die in 3 dargestellte Innenverzahnung 16 aufweist. Die Innenverzahnung dient der Drehmomentübertragung auf einen in der Hohlwelle montierten Kugelgewindetrieb (nicht dargestellt). Der Rohling wird spanend in einer Drehmaschine bearbeitet. Dabei wird die rotationssymmetrische Außen- und Innengeometrie geformt.
Die in 3 dargestellte Welle 1 weist einen an den ersten Absatz 3 zum Wellenende 20 hin anschließenden zweiten Absatz 17 auf. Der Außendurchmesser des zweiten Absatzes 17 ist dabei kleiner als der Innendurchmesser des Lagerinnenrings 6. Die Innenverzahnung 16 ist konzentrisch zur Längsachse 100 der Welle 1 ausgebildet und liegt innerhalb der beiden Absätze 3,17, bevorzugt größtenteils innerhalb des ersten Absatzes 3 im Inneren der Welle 1. Die Welle 1 weist auf der Innenseite ebenfalls zur Längsachse rotationssymmetrische Absätze 18,19,20 auf, die den Innendurchmesser zum Wellenende 20 hin verjüngen. An den Absatz 20, der am nächsten zum Wellenende 20 hin liegt, schließt sich die Innenverzahnung 16 zum Wellenende 20 hin an. Der Innendurchmesser des Absatzes 20 ist dabei größer als der Durchmesser der Innenverzahnung 16. Die Welle 1 ist an diesem Wellenende 20 geschlossen ausgebildet.
Der zweite Absatz 17 auf der Außenseite der Welle 1, das Wellenende 20, dient als Spannzapfen für die Bearbeitung. Die Ebene in der das zu bearbeitende Bauteil (Rohling) gespannt wird, hat einen geringeren Abstand zu der über den Umformprozess hergestellten Innengeometrie wie aus dem Stand der Technik bekannt. Die (Rundlauf-)Abweichungen zur Innengeometrie werden daher geringer.
4 zeigt exemplarisch ein zweireihiges Rillenkugellager 21. Die Verkürzung des Lagersitzes ist durch den im Längsschnitt des Lagers abgebildeten Abstand L zwischen dem freien Ende des Lagersitzes 22 und einer Projektion von dem lagerinnersten Punkt der am Rande des Lagersitzes angeordneten Kugelreihe 23 auf die Lagersitzoberfläche 24 definiert. Die Kugeln 25 der Kugelreihe 23 weist einen Durchmesser D auf. Es gilt bevorzugt L= k*D, wobei k in einem Bereich zwischen 0,7 und 0,5 liegt, bevorzugt bei etwa 0,6. Der Lagersitz erstreckt sich bis zu der durch den Abstand L definierten Höhe des Lagers. Diese Definition ist ganz allgemein auf ein- und zweireihige Radialkugellager, insbesondere auf das Schrägkugellager der 1 bis 3, anwendbar.

Claims

Baueinheit (15) aufweisend eine Welle (1) und ein einen Lagerinnenring (7) aufweisendes Radialkugellager (21,5), wobei die Welle (1) einen Wellenendbereich (2) mit einem eine einseitige Schulter aufweisenden Lagersitz (7) aufweist, auf dem der Lagerinnenring (6) des Radialkugellagers (5,21) zur Lagerung der drehbaren Welle (1) sitzt, dadurch gekennzeichnet, dass der Lagersitz in Längsrichtung gegenüber dem Radialkugellager (21,5) verkürzt ist, wobei der Lagersitz sich bis zu einer Höhe des Radialkugellagers erstreckt, die in einem Abstand (L) zu einer orthogonalen Projektion von den lagerinnersten Punkten der am schulterfernen Ende des Lagersitzes angeordneten Kugelreihe (23) auf die Lagersitzoberfläche liegt, und wobei folgender Zusammenhang gilt: L= k*D, wobei D der Durchmesser der Kugeln der Kugelreihe ist und k in einem Bereich zwischen 0,7 und 0,5 liegt.
Baueinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass k weniger als 0,65 ist.
Baueinheit nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass k etwa 0,6 ist.
Baueinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Lagerinnenring (6) über die gesamte Höhe einen konstanten Innendurchmesser aufweist.
Baueinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Welle (1) im Wellenendbereich (2), anschließend an den Lagersitz (7), zum Wellenende (20) hin, einen Absatz (17) aufweist, wobei der Außendurchmesser hinter dem Absatz (17), zum Wellenende (20) hin, kleiner als der Innendurchmesser des Lagerinnenrings (6) ist.
Baueinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Lagersitz (7) durch einen Absatz (3) auf der Welle (1) ausgebildet ist, der eine ringförmige Anlagefläche (4) für den Lagerinnenring (6) ausbildet, die konzentrisch zur Längsachse (100) der Welle (1) angeordnet ist.
Baueinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Welle (1) zumindest bereichsweise hohl ist und im Inneren eine Innenverzahnung (16) aufweist.
Baueinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenseite der Welle (1) ebenfalls einen Absatz (19) aufweist, der den Innendurchmesser zum Wellenende (20) hin verjüngt.
Baueinheit nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass sich an den Absatz (19) auf der Innenseite, zum Wellenende hin, die Innenverzahnung (16) anschließt, wobei der Innendurchmesser des an den Absatz (19) anschließenden Bereichs größer ist als der Durchmesser der Innenverzahnung (16).
Baueinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Welle (1) an dem Wellenende (20) geschlossen ist.
Baueinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Radialkugellager ein einreihiges Schrägkugellager (5) ist.
Verfahren zur Herstellung einer Welle (1) mit einem Wellenendbereich (2) aufweisend einen Lagersitz (7) für ein Radialkugellager (5,21), dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: a) Herstellen eines zylindrischen Zwischenrohlings; b) Kaltumformung des zylindrischen Zwischenrohlings in einer Presse derart, dass der resultierende Rohling zumindest bereichsweise hohl ist und in dem Wellenendbereich (2) eine Innenverzahnung (16) aufweist, die konzentrisch zur Längsachse (100) der Welle (1) ausgebildet ist, c) Bearbeiten des Rohlings spanend in einer Drehmaschine zur Ausbildung des Lagersitzes (7) auf der Außenseite des Rohlings.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem Verfahrensschritt b ein zusätzlicher Absatz (17) in den Wellenendbereich eingebracht wird, wobei der Außendurchmesser hinter dem Absatz (17), zum Wellenende (20) hin, kleiner als der Außendurchmesser des Lagersitzes (7) ist, so dass das Wellenende (20) in Verfahrensschritt c als Spannzapfen verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenverzahnung (16) konzentrisch zur Längsachse (100) der Welle (1) ausgebildet und in dem Bereich zwischen Wellenende (20) und Lagersitz (7) angeordnet ist.