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Die Erfindung betrifft eine allgemein in der Praxis lang bekannte Lageranordnung zur Lagerung einer drehenden Welle an einem gehäusefesten Lagerträger mittels einem Wälzlager, welches zwischen der Welle und dem Lagerträger angeordnet ist und welches einen ersten Lagerring, einen zweiten Lagerring und zwischen den Lagerringen angeordnete Wälzköper umfasst.
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Dabei ist es üblich, wie das zum Beispiel unter https://www.kugellager-panta.de/waelzlager-infos beschrieben ist, den ersten, rotierenden Lagerring mittels eines Festsitzes an der Welle festzulegen und mit dieser in Drehmitnahme zu bringen und den zweiten, stehenden Lagerring mittels eines Lossitzes an dem Lagerträger anzuordnen. Der Festsitz kann dabei fachüblich mittels einer Übermaßpassung der Verbindungspartner durch Aufpressen oder Aufschrumpfen und der Lossitz mittels einer Spiel- bis Übergangspassung realisiert werden.
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Bei einer derartigen Lageranordnung, welche beispielsweise an elektrischen Maschinen vorgesehen sein kann, dient der Lossitz zum Ausgleich von thermisch induzierten und betragsmäßig unterschiedlichen axialen Längenänderungen der Welle gegenüber dem Lagerträger, welche durch eine Verlagerung des stehenden Lagerrings am Lagerträger aufgenommen werden können.
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Ein grundsätzliches Problem einer solchen Lagerung besteht darin, dass sich aufgrund des Lossitzes bei einer Drehbewegung der Welle dennoch auch über die Wälzkörper ein Drehmoment auf den stehenden Lagerring übertragen werden kann, so dass sich dieser am Lagerträger mit einer gegenüber dem drehenden Lagerring reduzierten Drehzahl unerwünscht mit dreht. Des Weiteren tritt innerhalb eines Wälzlagers stets gewisses axiales Lagerspiel auf, welche eine gegenseitige Axialbewegung der Lagerringe und der Wälzkörper zulässt. Bei vergleichsweise hohen Drehmomenten und Drehzahlen von elektrischen Maschinen, Getrieben oder sonstigen drehmomentübertragenden Komponenten können vor diesem Hintergrund vorhandene Lagerstellen durch die damit ermöglichten Freiheitsgrade auf Dauer übermäßig belastet und auch geschädigt werden. Zudem können damit auch störende Lagergeräusche verbunden sein.
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Die Erfindung stellt sich davon ausgehend die Aufgabe, eine verbesserte Lageranordnung bereitzustellen, bei welcher die unerwünschten Freiheitsgrade bei Wahrung der Funktionalität reduziert sind.
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Die vorstehend genannte Aufgabe wird gemäß einem ersten Aspekt mit einer Lageranordnung mit den im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmalen und gemäß einem weiteren Aspekt mit einer elektrischen Maschine, bei welcher eine erfindungsgemäße Lageranordnung vorgesehen ist, gelöst.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den abhängigen Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung und den Figuren entnehmbar.
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Gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung wird eine Lageranordnung vorgeschlagen umfassend,
- - eine Welle und einen gehäusefesten Lagerträger,
- - ein Wälzlager, welches zwischen der Welle und dem Lagerträger angeordnet ist mit einem ersten Lagerring, einem zweiten Lagerring und zwischen den Lagerringen angeordnete Wälzköper; wobei
- - der erste Lagerring mittels eines Festsitzes an der Welle festgelegt ist und mit der Welle in Drehmitnahme steht und wobei
- - der zweite Lagerring mittels eines Lossitzes an dem Lagerträger angeordnet ist.
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Bei der Lageranordnung ist vorgesehen, zwischen dem zweiten Lagerring und dem Lagerträger elastische Vorspannabstützmittel anzuordnen mittels denen der zweite Lagerring axial gegenüber dem ersten Lagerring vorgespannt wird. Dabei sind die Vorspannabstützmittel so ausgebildet, dass diese den zweiten Lagerring gegenüber einem auf diesen wirkenden Drehmoment abzustützen.
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Die elastischen Vorspannabstützmittel liegen also axial bzw. stirnseitig an dem zweiten Lagerring und an einer Radialfläche, zum Beispiel einer Durchmesserstufe des Lagerträgers an und können sich in axialer Richtung elastisch verformen.
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Durch die vorgesehenen elastischen Vorspannabstützmittel werden unter Ausnutzung einer vorhandenen axialen Lagerluft beide Lagerringe permanent zueinander vorgespannt, so dass ein Axialspiel des Wälzlagers im verringert wird. Gleichzeitig wird durch die Wirkung der Vorspannabstützmittel der stehende Lagerring an einer induzierten Drehbewegung am Lagerträger gehindert. Dennoch bleibt die Möglichkeit für eine axiale Verlagerung des Lagers gegenüber dem Lagerträger aufgrund thermisch oder durch betriebsbedingte Biegeschwingungen der Welle induzierter Längenänderungen am Lossitz bestehen bzw. wird durch die Vorhandene Elastizität der Vorspannabstützmittel auch weiter ermöglicht. Die Vorspannabstützmittel können infolge der vorhandenen Elastizität auch dämpfend auf axiale Schwingungen der Welle wirken und bilden auf diese Weise gleichzeitig auch Dämpfungsmittel. Insgesamt kann durch diese vergleichsweise einfache Maßnahme ein sehr große vorteilhafte Wirkung erzielt werden. Die Vorspannabstützmittel können allgemein einteilig oder auch mehrteilig ausgeführt und zwischen dem Lagerring und dem Lagerträger eingelegt bzw. eingesetzt sein.
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Das Wälzlager der Lageranordnung kann als ein Radialkugellager mit einem Innenring und einem Außenring ausgebildet sein. Je nach Ausbildung der Lageranordnung kann demzufolge der Innenring oder der Außenring mit den Vorspannabstützmitteln zusammenwirken.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Lageranordnung können die Vorspannabstützmittel axial zumindest einseitig reibschlüssig an der vorgesehenen Position angeordnet sein, wobei der erzeugte Reibschluss bzw. die wirkende Haft- und Gleitreibung ein Mitdrehen des anliegenden Lagerrings verhindert. Das bedeutet, dass die Vorspannabstützmittel reibschlüssig zu dem benachbarten Lagerring und/oder zu dem benachbarten Lagerträger festgelegt sein können. Üblicherweise bestehen die Lagerringe und der Lagerträger aus einem metallischen Werkstoff, wie einem Stahl- und einem Aluminium- oder Eisengußwerkstoff. Eine günstige Reibpaarung kann durch eine entsprechende Werkstoffauswahl der Vorspannabstützmittel verwirklicht werden.
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Gemäß einer vorteilhaften Variante kann vorgesehen sein, das reibschlüssig mit den Vorspannabstützmitteln zusammenwirkende Element von Lagerring und Lagerträger mit einer erhöhten Oberflächenrauheit, insbesondere mit einer erhöhten Rautiefe, im Vergleich zu einer Sitzfläche des Lagerrings auszubilden. Ebenso können die Vorspannabstützmittel selbst mit einer solchen erhöhten Oberflächenrauheit ausgebildet sein.
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Zur Erhöhung des Reibschlusses können dazu die zusammenwirkenden Oberflächen der vorgenannten Anlagepartner so gefertigt oder nachbearbeitet werden, dass dadurch gezielt eine höhere Oberflächenrauheit erzeugt wird. Diese Reibwerterhöhung kann u.a. durch eine unbearbeitete Gussoberfläche, mittels Schleifen, Sandstrahlen, Ätzen oder ähnlichen Methoden erzeugt werden.
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Im Rahmen einer zweckmäßigen Ausführungsform können die Vorspannabstützmittel fest mit dem zweiten Lagerring oder dem Lagerträger verbunden sein. Das kann eine stoffschlüssige Verbindung durch Verkleben oder auch eine formschlüssige oder kraftschlüssige Verbindung mittels einer Rastverbindung oder ähnlichem sein. Die Vorspannabstützmittel können so auch bereits vor der Montage am Lagerring oder alternativ auch am Lagerträger festgelegt sein.
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Gemäß einer besonders günstig herzustellenden und leicht zu montierenden Variante können die Vorspannabstützmittel als ein Elastomerelement, insbesondere als ein Ringelement ausgebildet sein. Mögliche Werkstoffe können Silikon, FFKM Perfluoroelastomer, Nitril, Viton oder andere sein.
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Eine noch weitere Variante sieht vor, dass die Vorspannmittel als ein Metall-Elastomerelement ausgebildet sind, beispielsweise als eine mit einem Elastomer beschichtete oder von einem Elastomer umhüllte Metallfeder.
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Neben einer einteiligen Ausbildung der Vorspannabstützmittel können diese auch mehrteilig ausgebildet sein und ein Vorspannelement und ein Abstützelement umfassen. Das kann bedeuten, dass die Vorspannabstützmittel zumindest aus zunächst zwei separaten Elementen gebildet sind, welche am Montageort einzeln oder als ein vorgefertigter Elementverbund eingesetzt werden können. Auch kann zumindest eines von Vorspannelement und Abstützelement bereits vor dem Einsetzen des Lagers an diesem festgelegt und mit diesem verbunden sein. der Das Vorspannelement kann als ein metallisches Federelement, wie eine Wellfeder ausgeführt sein. Dieses Federelement kann bspw. durch Vulkanisieren mit einem als Polymer-Ring gebildeten Abstützelement verbunden sein.
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Bei getrennt vorliegenden Vorspannelement und Abstützelement kann die Drehmomentabstützung dabei wie bereits erwähnt reibschlüssig einerseits an einer gegenseitigen Anlagefläche von Vorspannelement und Abstützelement und andererseits an einer Anlagefläche des Abstützelements am Lagerträger erfolgen.
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Gemäß dem zweiten Aspekt wird eine elektrische Maschine mit einem Stator, einem drehbar zu diesem gelagerten Rotor und mit einem Gehäuse vorgeschlagen, wobei weiter eine Lageranordnung mit einem der vorstehend erläuterten Merkmale vorgesehen ist und wobei die Welle als eine Rotorwelle der Lagerträger gehäusefest ausgebildet sind.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand von in den Figuren dargestellten Ausführungsformen beispielhaft erläutert.
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Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung einer elektrischen Maschine mit einer Vorspannabstützmittel aufweisenden Lageranordnung in einer oberen Halbebene;
- 2 die Lageranordnung von 1 in einer ersten Ausführung von Vorspannabstützmitteln;
- 3 eine vormontierte bzw. vorkonfektionierte Baueinheit aus einem Wälzlager mit einem an einem Lagerring fest angeordneten Vorspannabstützmittel;
- 4 ein an einem Lagerträger fest angeordnetes Vorspannabstützmittel;
- 5 eine schematische Darstellung einer Lageranordnung mit einem als ein Metall-Elastomerelement ausgebildeten Vorspannabstützmittel;
- 6a-c verschiedene Ausführungsformen von mehrteiligen und teilweise vorkonfektionierten Vorspannabstützmitteln.
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Mit 1 ist schematisch eine elektrische Maschine 10 dargestellt, welche beispielsweise als ein Antriebsaggregat eines Hybrid- oder Elektrofahrzeuges dient und ein Drehmoment auf Fahrzeugräder übertragen kann. Die elektrische Maschine 10 ist vorliegend als eine Asynchronmaschine in Innenläuferbauart ausgebildet und umfasst en Gehäuse 12, einen daran festgelegten Stator 14 mit einer Statorwicklung 16 und einen um eine Mittelachse A drehbar zu dem Stator 14 gelagerten und hier als Käfigläufer ausgebildeten Rotor 18.
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Der Rotor 18 ist an einer Rotorwelle 20 festgelegt, welche mittels zwei axial voneinander beabstandeten Wälzlagern 22, 24, insbesondere Radialkugellagern an stirnseitigen gehäusefesten bzw. zu dem Gehäuse 12 gehörenden Lagerschilden bzw. Lagerträgern 26, 28 drehbar aufgenommen ist. Nachfolgend wird lediglich exemplarisch eine der so gebildeten Lageranordnungen 30, 32, nämlich auf die in 1 rechts dargestellte Lageranordnung 32 Bezug genommen, wobei die andere Lageranordnung 30 grundsätzlich identisch oder auch abweichend dazu aufgebaut sein kann.
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Wie in 2 erkennbar, ist das Wälzlager 24 radial zwischen der Rotorwelle 20 und dem Lagerträger 28 angeordnet und weist einen ersten, hier radial inneren Lagerring 242, einen zweiten, hier radial äußeren Lagerring 244 und zwischen den Lagerringen angeordnete und in einem Lagerkäfig 246 gehaltene Wälzköper 248 auf. Dabei ist der erste Lagerring 242 zur Realisierung eines Festsitzes mittels einer Übermaßpassung an einer Durchmesserstufe 202 der Rotorwelle 20 festgelegt und steht mit dieser in Drehmitnahme. Eine axiale Verlagerung des Wälzlagers 24 in Richtung des an der anderen Stirnseite befindlichen Wälzlagers 26 wird durch die Anlage des inneren Lagerrings 242 an einer Anschlagfläche 204 der Durchmesserstufe 202 vermieden. Der der zweite Lagerring 244 ist mittels einer Spiel- oder Übergangspassung und mit einem Lossitz an dem Lagerträger 28 angeordnet. Das bedeutet, dass der zweite Lagerring 244 begrenzt axial verlagerbar an dessen Aufnahmefläche gehalten ist. An dem Lagerträger 28 bzw. dem Lagerschild ist gleichfalls eine Durchmesserstufe 282 ausgebildet, wobei der äußere Lagerring 244 mittels der Wirkung von nachfolgend noch genauer beschriebenen elastischen Vorspannabstützmitteln 34 an einer unbegrenzten axialen Verlagerung in Richtung der dort befindlichen Stirnseite der Maschine 10 gehindert ist.
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Die Vorspannabstützmittel 34 sind axial zwischen dem zweiten Lagerring 244 und einer Anschlagfläche 284 der Durchmesserstufe 282 eingesetzt. Im montierten Zustand des Wälzlagers 24 ist dieses somit durch die vorhandenen beiden Anschlagflächen 204, 284 bzw. Anschläge an deren Position gesichert. Die Vorspannabstützmittel 34 weisen eine Elastizität in axialer Richtung auf, wodurch der zweite Lagerring 244 axial gegenüber dem ersten Lagerring 242 vorgespannt ist und wodurch im montierten Zustand ein innerhalb des Wälzlagers 24 vorhandenes Axialspiel überwunden wird und somit nicht wirksam ist. Die hier vorgeschlagenen elastischen Vorspannabstützmittel 34 sind gleichzeitig ausgebildet, den zweiten Lagerring 244 gegenüber einem von dem ersten Lagerring 242 induzierten wirkenden Drehmoment abzustützen.
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Gemäß einer ersten Ausführung sind die Vorspannabstützmittel 34 als ein ring- oder auch scheibenförmiges Elastomerelement 34a ausgebildet, welches an der in 2 gezeigten Position eingefügt ist. Das Vorspannabstützmittel 34 ist hier insbesondere als ein O-Ring aus einem Nitril-Werkstoff, zum Beispiel NBR gebildet. Die Vorspannabstützmittel 34 sind dabei axial beidseitig reibschlüssig zu dem äußeren Lagerring 244 einerseits und zu der Anschlagfläche 284 angeordnet. Es sind somit zwei Reibflächenpaare 36, 38 vorhanden, wobei das Reibflächenpaar 36 zwischen dem zweiten Lagerring 244 und den Vorspannabstützmitteln 34 und das Reibflächenpaar 38 zwischen den Vorspannabstützmitteln 34 und der Anschlagfläche 284 ausgebildet ist.
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Ein an dem Lagerring 244 wirkendes Drehmoment kann also durch die an diesem wirkende Haft- und Gleitreibkraft abgestützt werden, so dass sich der Lagerring 244 nicht oder mit zumindest einer stark reduzierten Drehzahl mit dem ersten Lagerring 242 mitdrehen kann. Eine Verstärkung der wirkenden Reibkräfte kann erzielt werden, indem die an dem Vorspannabstützmittel 34 anliegenden metallischen Flächen von Lagerring 244 und/oder Lagerträger 28 mit einer erhöhten Rauheit ausgebildet werden, wie das durch Schleifen, Ätzen, Sandstrahlen oder ähnlichen Maßnahmen möglich ist. Alterativ oder gleichzeitig kann die Rauheit, d.h. eine Rautiefe der Vorspannabstützmittel 34 durch geeignete Maßnahmen erhöht werden. Es kann also die Oberflächenrauheit der genannten Flächen im Vergleich zu einer Sitzfläche des Lagerrings 244 erhöht ausgebildet sein. In den Figuren ist diese Sitzfläche durch die innere Umfangsfläche des Lagerträgers 28 gebildet, welche am Lagerring 244 anliegt.
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Anstelle von zwei Reibflächenpaaren 36, 38 können die Vorspannabstützmittel 34 alternativ insbesondere drehfest mit dem zweiten Lagerring 244 oder gegebenenfalls mit dem Lagerträger 28 verbunden sein, so dass lediglich eines der vorgenannten Reibflächenpaare 36, 38 vorliegt, wie das in den 3 und 4 anhand eines Montagezwischenschrittes und einem scheibenförmigen Vorspannabstützmittel 34a dargestellt ist. Die feste Verbindung 40 kann in diesen Fällen beispielhaft durch Verkleben der Partner, durch eine Rastverbindung oder eine Halteklammer realisiert sein. In 3 bilden die hier scheibenförmigen Vorspannabstützmittel 34a gemeinsam mit dem Wälzlager 24 eine vormontierte Einheit zur Montage bzw. zum Zusammenfügen mit dem Lagerträger 28. In 4 bilden die hier scheibenförmigen Vorspannabstützmittel 34a gemeinsam mit Lagerträger 28 eine vormontierte Einheit mit einer festen Verbindung 40, in welche das Wälzlager 24 eingesetzt wird.
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5 zeigt schematisch eine Lageranordnung 32 mit einem als Metall-Elastomerelement 42 ausgebildeten Vorspannabstützmittel 34b, welches als eine mit einem Elastomer 44 beschichtete oder von einem Elastomer 44 umhüllte Metallfeder 46, wie einer Spiralfeder, einer Wellfeder oder einer Tellerfeder ausgebildet ist.
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Weiter sind schematisch mit den 6a-c mehrteilig ausgebildete Vorspannabstützmittel 34c, d dargestellt, welche ein als Metallfeder vorliegendes Vorspannelement 342 und ein ringförmiges Abstützelement 344 aus einem Elastomer umfassen.
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Die Vorspannabstützmittel 34c sind in 6a aus zwei separaten, das heißt axial aneinander anliegenden Elementen gebildet. Das Vorspannelement 342 und das Abstützelement 344 können alternativ auch bereits vor deren Montage, zum Beispiel mittels Vulkanisieren, fest miteinander verbunden sein und so Vorspannabstützmittel 34d bilden (6b). Weitergehend können die Vorspannabstützmittel 34, insbesondere 34d auch im Verbund mit dem Wälzlager 24 unter Vorhandensein einer festen Verbindung 40, insbesondere mit dessen äußeren Lagerring 244 am Lagerträger 28 eingesetzt werden, wie das mit 6c angedeutet ist.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- elektrische Maschine
- 12
- Gehäuse
- 14
- Stator
- 16
- Statorwicklung
- 18
- Rotor
- 20
- Rotorwelle
- 202
- Durchmesserstufe
- 204
- Anschlagfläche
- 22
- Wälzlager
- 24
- Wälzlager
- 242
- innerer Lagerring
- 244
- äußerer Lagerring
- 246
- Lagerkäfig
- 248
- Wälzkörper
- 26
- Lagerträger
- 28
- Lagerträger
- 282
- Durchmesserstufe
- 284
- Anschlagfläche
- 30
- Lageranordnung
- 32
- Lageranordnung
- 34
- Vorspannabstützmittel
- 342
- Vorspannelement
- 344
- Abstützelement
- 36
- Reibflächenpaar
- 38
- Reibflächenpaar
- 40
- Verbindung
- 42
- Metall-Elastomerelement
- 44
- Elastomer
- 46
- Metallfeder
- A
- Mittelachse
