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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Welle mit einem darauf angeordneten Funktionselement und zumindest einem Axialring zur Sicherung des Funktionselements in Axialrichtung, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Gattungsgemäße Wellen, beispielsweise Exzenterwellen zum Einstellen eines Ventilhubes, werden üblicherweise über Wälzlager gelagert, wobei diese Wälzlager schon vor dem eigentlichen Einbau der Exzenterwelle in eine Brennkraftmaschine auf der Exzenterwelle befestigt werden. Um dabei die Lager bzw. Wälzlager nicht nur für den Transport, sondern auch im Betrieb hinsichtlich ihrer Axialposition zu fixieren, können sogenannte Axialringe vorgesehen sein, die in Axialrichtung benachbart auf der Welle/Exzenterwelle fest angeordnet sind und dadurch eine Axialverstellung des Lagers verhindern. Hierdurch soll insbesondere ein Funktionsverlust bzw. ggf. auch ein Motorschaden durch ein unerwünschtes Verschieben des Lagers verhindert werden.
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Üblicherweise werden dabei die Axialringe auf die Welle aufgeschrumpft, das heißt mittels eines thermischen Fügesitzes fest auf der Welle fixiert. Dies erfordert jedoch ein Kühlen der Welle und/oder ein Erwärmen des Axialrings und damit ein energieintensives Fügen, sondern auch einen erhöhten Fertigungsaufwand. Werden darüber hinaus Axialringe aus Aluminium eingesetzt, die im Vergleich zu der aus Stahl ausgebildeten Welle einen unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen, wird durch die unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten eine schlechtere Klemmung und damit ein schlechterer Festsitz des Axialrings auf der Welle erreicht. Bei aus Metall gefertigten Axialringen ist es zudem oft unvermeidbar, dass es bei der Montage der Axialringe auf der Welle zu einem Reiben bzw. Kratzen und damit zu einer Beschädigung einer Außenmantelfläche der Welle kommt.
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Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich daher mit dem Problem, für eine Welle der gattungsgemäßen Art eine verbesserte oder zumindest eine alternative Ausführungsform anzugeben, mit der insbesondere die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile überwunden werden können.
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Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, einen Axialring zur Sicherung eines Funktionselements auf einer Welle, beispielsweise eines Lagers auf einer Exzenterwelle, nicht mehr mittels eines thermischen Fügesitzes auf der Welle zu fixieren, sondern über einen zusätzlichen Sicherungsring, der sich einerseits in einer an einer Außenmantelfläche der Welle angeordneten Nut und andererseits an dem Axialring abstützt und dadurch ein unerwünschtes axiales Verschieben des Axialrings und damit auch ein unerwünschtes axiales Verschieben des Funktionselements, beispielsweise des Lagers, unterbindet. Die erfindungsgemäße Welle besitzt zumindest ein darauf angeordnetes Funktionselement, beispielsweise ein Lager, und zumindest einen Axialring zur Sicherung des Funktionselements in eine der beiden Axialrichtungen. Erfindungsgemäß ist nun auf der Welle eine umlaufende Nut angeordnet, das heißt an der Außenmantelfläche der Welle, wobei zusätzlich ein Sicherungsring vorgesehen ist, der in eingebautem Zustand in die Nut eingreift, insbesondere sogar formschlüssig, und den Axialring und darüber das Funktionselement in eine Axialrichtung fixiert. Der Axialring selbst muss somit nicht mehr mittels eines unter Umständen fehleranfälligen und aufwendigen thermischen Fügesitzes auf der Welle fixiert werden, wobei zugleich über den Sicherungsring eine zuverlässige Axialfixierung des Funktionselements, beispielsweise des Lagers, erreicht werden kann. Es entfällt somit der zeitintensive, energieintensive und teure Prozess des Aufschrumpfens des Axialrings. Zugleich bietet die erfindungsgemäße Welle den großen Vorteil, dass der Sicherungsring sowie der Axialring nachträglich montiert werden können, so dass beispielsweise für einen Folgeprozess nach dem Fügen des Lagers neben diesem noch Platz für beispielsweise eine Bearbeitung oder für das Handling der Welle zur Verfügung steht und erst nach dem Folgeprozess der Axialring sowie der Sicherungsring in seine endgültige Axialposition gebracht werden können.
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Mit dem erfindungsgemäß mit dem Axialring zusammenwirkenden Sicherungsring kann der Axialring insgesamt auch deutlich kleiner und damit leichter ausgebildet werden, da die bislang für die Axialfixierung über den thermischen Fügesitz erforderliche große Kontaktfläche zwischen dem Axialring und der Welle nun nicht mehr erforderlich ist. Mit dem erfindungsgemäßen Axialring und dem Sicherungsring lassen sich somit erhebliche Gewichts- und auch Bauraumvorteile erzielen. Rein theoretisch kann der Axialring nicht nur gleich breit sein wie das Funktionselement, sondern auch deutlich schmäler als dasselbe. Auch kann ein Außendurchmesser des Axialringes kleiner oder gleich groß wie das Funktionselement sein, wodurch es insgesamt möglich ist, den Axialring bauraumoptimiert, das heißt klein und zudem leicht auszubilden.
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Dabei ist selbstverständlich klar, dass axial benachbart zu dem in Axialrichtung zu sichernden Funktionselement nur ein solcher Axialring und ein zugehöriger Sicherungsring angeordnet sein können, wobei selbstverständlich auch klar ist, dass zwei derartige Axialringe mit jeweils einem zugehörigen Sicherungsring vorgesehen werden, zwischen denen das Funktionselement in Axialrichtung fixiert wird.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung ist die Welle als Exzenterwelle ausgebildet. Exzenterwellen werden in Brennkraftmaschinen eingesetzt, um beispielsweise mittels eines Elektromotors einen Ventilhub schnell und individuell beeinflussen zu können. Rein theoretisch können der erfindungsgemäße Axialring und der Sicherungsring selbstverständlich aber auch an anderen Wellen, beispielsweise an Nockenwellen, eingesetzt werden, um beispielsweise Radiallager und/oder Axiallager einer solchen Nockenwelle in Axialrichtung zu fixieren.
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Zweckmäßig ist das Funktionselement als Lager ausgebildet. Über ein derartiges Lager, welches beispielsweise als Nadellager oder generell als Wälzlager ausgebildet sein kann, erfolgt eine Lagerung der Welle, beispielsweise der Exzenterwelle, an der Brennkraftmaschine, insbesondere an einem Zylinderkopf bzw. einer Zylinderkopfhaube der Brennkraftmaschine.
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Zweckmäßig ist der Axialring aus Metall, beispielsweise aus Aluminium, ausgebildet. Über einen derartigen aus Metall ausgebildeten Axialring wird eine zuverlässige Fixierung des Funktionselements, beispielsweise des Lagers, erreicht, wobei sich der Axialring an einer Lagerinnenschale des Lagers oder an einer Lageraußenschale des Lagers abstützen kann. Bei einer Abstützung an einer Lageraußenschale kann der Axialring an seiner mit der Lageraußenschale in Kontakt tretenden Fläche eine reibungsreduzierende Beschichtung aufweisen, welche insbesondere dazu beiträgt, die Reibung und damit den Verschleiß zu reduzieren. Bei einem Kontakt mit einer Lagerinnenschale ist dies nicht erforderlich, da diese zusammen mit dem Axialring fest auf der Welle montiert ist.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung ist der Axialring über einen thermischen Fügesitz oder eine Verklebung auf der Welle fixiert. Ein derartiger thermischer Fügesitz stellt dabei eine rein theoretische weitere und zusätzliche Befestigungsmöglichkeit des Axialrings auf der Welle dar, welche jedoch aufgrund des Sicherungsrings ausdrücklich nicht erforderlich ist, sondern nur zusätzlich vorgesehen werden kann. Auch eine Verklebung des Axialrings mit der Welle ist nicht erforderlich, kann jedoch beispielsweise zur Vorfixierung eingesetzt werden.
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Alternativ hierzu ist denkbar, dass der Axialring aus Kunststoff ausgebildet ist. Ein derartiger, aus Kunststoff ausgebildeter Axialring ermöglicht ein deutlich verbessertes Gleitreibungsverhalten zum Funktionselement, beispielsweise zum Lager, wodurch dessen Sicherung in Axialrichtung ebenso zuverlässig erfüllt werden kann, wie auch ein geringer Gleitreibungswiderstand, der bei einer Brennkraftmaschine dazu beiträgt, Kraftstoff einzusparen.
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Zweckmäßig ist der Sicherungsring als offener Runddrahtring aus Metall ausgebildet. Ein derartiger Runddrahtring lässt sich vergleichsweise einfach herstellen und besitzt vorzugsweise in entspanntem Zustand einen geringeren Innendurchmesser als der Außendurchmesser der Welle, wodurch er zum Aufschieben auf die Welle leicht aufgebogen werden muss, beim Erreichen der Nut jedoch in diese federnd einspringt. Durch die selbstklemmende Wirkung eines derartigen offenen Metallrings kann insbesondere die Gefahr eines unbeabsichtigten Sich-Lösens minimiert oder sogar ausgeschlossen werden. Alternativ ist selbstverständlich auch denkbar, dass der Sicherungsring als geschlossener Elastomerring ausgebildet ist. Ein derartiger geschlossener Elastomerring lässt sich radial und elastisch zum Aufschieben auf die Welle dehnen und springt beim Erreichen der Nut ebenso elastisch in dieselbe. Ein derartiger Elastomerring ist nicht nur kostengünstig, sondern zugleich auch leicht.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung ist die Nut teilkreisförmig oder eckig ausgebildet. Vorzugsweise ist dabei die Innenkontur der Nut komplementär zur Außenkontur des Sicherungsringes ausgebildet, wodurch der Sicherungsring formschlüssig in der Nut angeordnet werden kann. Hierdurch kann eine besonders zuverlässige Fixierung des Sicherungsringes in der Nut und damit des Axialrings erreicht werden. Rein theoretisch kann dabei ein Querschnitt der Nut halbrund, scharfkantig oder mit Kantenbruch ausgeführt sein, wobei insbesondere ein ausgerundeter Übergang oder eine halbrunde Ausbildung des Querschnitts dazu beitragen, eine Kerbwirkung zu reduzieren und dadurch die Lebensdauer der Welle zu erhöhen. Es ist aber selbstverständlich auch denkbar, dass die Nut einen eckigen Querschnitt aufweist, wobei in diesem Fall der Sicherungsring ebenfalls einen eckigen Querschnitt aufweist und vorzugsweise wiederum formschlüssig in die Nut eingreift.
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Zweckmäßig weist der Axialring eine innen liegende Fase auf, an der der Sicherungsring in eingebautem Zustand anliegt. Eine derartige Fase stellt eine keilförmige Ausnehmung an einem Übergang einer Stirnseite des Axialrings zu dessen Innenmantelfläche dar, sodass der Axialring bei einer Axialverschiebung den Sicherungsring in die Nut hineindrückt. Im Vergleich zu einem Anliegen des Sicherungsrings an einer Stirnseite des Axialrings lässt sich somit die Gefahr eines unbeabsichtigten Herausspringens des Sicherungsrings aus der Nut zusätzlich einschränken.
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Zusätzlich oder alternativ zu einer solchen Fase kann der Axialring auch eine innenliegende Ausnehmung oder Stufe aufweisen, die verhindert, dass der Sicherungsring aus seiner Nut herausspringen kann bzw. schränkt diesen hinsichtlich seiner radialen Bewegungsfreiheit derart ein, dass ein Verbleiben in der Nut gewährleistet werden kann.
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Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Komponenten beziehen.
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Es zeigen, jeweils schematisch
- 1 eine Schnittdarstellung durch eine erste mögliche Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Welle,
- 2 eine Darstellung wie in 1, jedoch mit zwei Axialringen und zwei Sicherungsringen,
- 3 eine Ansicht auf einen offenen metallischen Sicherungsring,
- 4 eine Ansicht auf einen als Elastomer ausgebildeten Sicherungsring,
- 5 eine Darstellung wie in 1, jedoch mit einem anderen Axialring,
- 6 eine Detaildarstellung A aus 5.
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Entsprechend den 1, 2 und 5, weist eine erfindungsgemäße Welle 1, welche beispielsweise als Exzenterwelle 2 ausgebildet sein kann, ein darauf angeordnetes Funktionselement 3 auf, welches beispielsweise als Lager ausgebildet sein kann. Um das Funktionselement 3 in Axialrichtung 4 (gemäß der 1 nach rechts) fixieren zu können, ist gemäß der 1 ein Axialring 5 vorgesehen, ebenso wie ein Sicherungsring 6, der in einer umlaufenden, das heißt an einer Außenmantelfläche der Welle 1 verlaufenden, Nut 7 angeordnet ist. Auf der linken Seite ist ein Bauelement 8 vorgesehen, sodass das in Axialrichtung 4 zu fixierende Funktionselement 3 zwischen dem Bauelement 8 und dem Axialring 5 angeordnet ist.
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Gemäß der 2 ist das Bauteil 8 nicht vorgesehen, sodass in diesem Fall das Funktionselement 3 in Axialrichtung 4 zwischen zwei Axialringen 5 und zwei Sicherungsringen 6 angeordnet und über diese in beide Axialrichtungen 4 fixiert ist. In diesem Fall besitzt die Welle 1 zwei umlaufende Nuten 7, in welche jeweils ein zugehöriger Sicherungsring 6 eingreift.
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Bislang wurden die Axialringe 5 beispielsweise mittels eines thermischen Fügesitzes auf der Welle 1 fixiert und dadurch die Fixierung des Funktionselements 3 in Axialrichtung 4 gewährleistet. Ein derartiges thermisches Fügen erfordert jedoch nicht nur einen hohen Energieeinsatz, sondern auch eine vergleichsweise komplexe und aufwändige Fertigung, was die Herstellung der Welle 1 insgesamt verteuert. Bestehen darüber hinaus die Welle 1 und der Axialring 5 aus unterschiedlichen Materialien mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten, so kann sich die aufgrund des thermischen Fügesitzes hervorgerufene Klemmwirkung reduzieren und im ungünstigsten Fall kann der Axialring 5 seine fixierende Wirkung verlieren.
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Durch den erfindungsgemäßen Axialring 5 und den erfindungsgemäßen Sicherungsring 6 kann dies nicht passieren, sodass nicht nur der energetisch aufwändige und zudem komplexe Fertigungsvorgang des thermischen Fügens des Axialrings 5 auf der Welle 1 entfallen kann, sondern auch ein Risiko einer Reduzierung der durch den thermischen Fügesitz bedingten Klemmkraft zwischen Axialring 5 und Welle 1 reduziert werden. Ein weiterer großer Vorteil dabei ist, dass der Axialring 5 und der Sicherungsring 6 nach der Montage des Funktionselements 3 aufgebracht werden können. Auch eine Demontage des Sicherungsringes 6 und damit auch des Axialrings 5 ist möglich, wodurch beispielsweise ein Austausch eines als Lager ausgebildeten und defekten Funktionselements 3 erleichtert wird.
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Die Welle 1 kann dabei beispielsweise als Exzenterwelle 2 ausgebildet sein, wobei derartige Exzenterwellen 2 zum variablen Einstellen eines Ventilhubes bei einer Brennkraftmaschine eingesetzt werden. Rein theoretisch kann die Welle 1 aber selbstverständlich auch andere Funktionen, beispielsweise als Nockenwelle, erfüllen.
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Der Axialring 5 kann aus Metall, beispielsweise aus Aluminium, ausgebildet sein und aufgrund der nun nicht mehr zur Fixierung benötigten Kontaktfläche zur Welle 1 in Axialrichtung 4 dünner und radial kleiner ausgebildet werden, wodurch sich nicht nur Ressourcen einsparen lassen, sondern ebenso auch eine Reduzierung des Gewichts und des Bauraumbedarfs ermöglicht wird. Rein theoretisch ist es dabei denkbar, dass der Axialring 5 zusätzlich über einen thermischen Fügesitz oder eine Verklebung auf der Welle 1 fixiert wird, wobei dies zur Fixierung des Funktionselements 3 aufgrund des nun erfindungsgemäß vorgesehenen Sicherungsringes 6 nicht erforderlich ist. Alternativ ist auch denkbar, dass der Axialring 5 aus Kunststoff ausgebildet ist, wodurch eine verringerte Reibung zwischen dem Axialring 5 und dem Funktionselement 3, beispielsweise einer Lageraußenschale eines als Lager ausgebildeten Funktionselements 3, erreicht werden kann.
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Der Sicherungsring 6 kann als offener Runddrahtring aus Metall ausgebildet sein, wie dies beispielsweise gemäß der 3 dargestellt ist, wobei in diesem Fall der Sicherungsring 6 in entspanntem Zustand einen geringeren Innendurchmesser aufweist, als der Außendurchmesser der Welle 1 groß ist. Dies bewirkt, dass nach einem Aufbiegen des Sicherungsringes 6 zum Aufschieben auf die Welle 1 dieser beim Erreichen der Nut 7 in diese hineinspringt und aufgrund seiner federnden Kraft zuverlässig in dieser gehalten wird. Alternativ ist selbstverständlich auch denkbar, dass der Sicherungsring 6 als geschlossener Elastomerring ausgebildet ist, wie dies beispielsweise gemäß der 4 dargestellt ist. In diesem Fall ist auch ein radiales elastisches Dehnen des Sicherungsringes 6 zum Aufschieben auf die Welle 1 möglich, wobei auch in diesem Fall der Sicherungsring 6 bei Erreichen der Nut 7 federnd in diese einspringt.
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Eine Außenkontur des Sicherungsrings 6 ist dabei vorzugsweise komplementär zu einer Innenkontur der Nut 7 ausgebildet, wodurch ein formschlüssiges Eingreifen des Sicherungsringes 6 in die Nut 7 und dadurch eine optimierte Abstützung erreicht werden können. Dabei kann der Sicherungsring 6 eine kreisförmige Außenkontur aufweisen, wobei in diesem Fall die Innenkontur der Nut teilkreisförmig ausgebildet ist. Eine derartige teilkreisförmige Ausbildung bietet insbesondere Vorteile hinsichtlich eines Kerbverhaltens. Rein theoretisch sind aber selbstverständlich auch eckige Nuten 7 und eckige Sicherungsringe 6 denkbar, sodass auch in diesem Fall ein formschlüssiges Eingreifen des Sicherungsrings 6 in die Nut 7 ermöglicht wird. Bei eckigen Querschnitten der Nut 7 sind jedoch gewisse Nachteile bezüglich einer Kerbwirkung in Kauf zu nehmen. Die Nut 7 kann dabei durch Umformen, aber auch Schleifen oder eine spanende Bearbeitung in die Außenmantelfläche der Welle 1 eingebracht werden.
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Zweckmäßig weist der Axialring 5 eine innen liegende Fase 9 auf, an der der Sicherungsring 6 in eingebautem Zustand anliegt. Dies bietet den großen Vorteil, dass bei einem Axialverschieben des Axialrings 5 über die Nut 7 ein Eindrücken des Sicherungsringes 6 in die Nut 7 und dadurch ein Verklemmen des Axialringes 5 erfolgt. Zudem lassen sich mit einer derartigen Fase 9 Fertigungsungenauigkeiten kompensieren, sofern der Sicherungsring 6 beim Eindrücken in die Nut 7 gegen die Fase 9 des Axialrings 5 vorgespannt ist.
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Anstelle einer derartigen Fase 9 bzw. auf der gegenüberliegenden Seite des Axialrings 5, kann der Axialring 5 auch eine innenliegende Ausnehmung 10 oder Stufe 11 aufweisen, wie dies in den 5 und 6 dargestellt ist. Eine derartige Ausnehmung 10 oder Stufe 11 verhindert, dass der Sicherungsring 6 aus seiner Nut 7 herausspringen kann bzw. schränkt diesen hinsichtlich seiner radialen Bewegungsfreiheit a derart ein, dass ein Verbleiben in der Nut 7 gewährleistet werden kann. Wie dabei der 6 zu entnehmen ist, ist eine Tiefe b der Nut 7 in radialer Richtung größer als die radiale Bewegungsfreiheit a (b < a), wodurch ein ungewolltes Herausspringen des Sicherungsringes 6 aus der Nut 7 zuverlässig vermieden werden kann.
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Generell kann mit dem erfindungsgemäßen Axialring 5 und dem erfindungsgemäßen Sicherungsring 6 der Axialring 5 insgesamt in Axialrichtung 4 dünner und auch hinsichtlich seines Außendurchmessers kleiner ausgebildet werden, wodurch sich Bauraum- und Gewichtsvorteile ergeben. Gemäß den 1 und 2 ist dabei der Axialring 5 deutlich schmäler als beispielsweise das Funktionselement 3.
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Zusammenfassend lässt sich somit feststellen, dass mit der erfindungsgemäßen Welle 1 eine Axialfixierung von Funktionselementen 3 fertigungstechnisch einfacher, demontabel und zudem kostengünstiger möglich ist.
