DE102023201192A1 - Lagereinheit mit optimierter Spannvorrichtung - Google Patents

Abstract

Lagereinheit (30), die ausgebildet ist, um auf einer Maschinenwelle (5) festgezogen zu werden, wobei die Lagereinheit folgendes aufweist- einen radial äußeren Ring (31), der feststehend ist;- einen radial inneren Ring (33), der drehbar ist;- eine Reihe von Wälzkörpern (32), die zwischen dem radialen Außenring (31) und dem radialen Innenring (33) eingefügt sind;- eine Klemmvorrichtung (40), die mit einer Ringmutter (45) und einer Klemmhülse (50) versehen ist, die radial zwischen dem radial inneren Ring (33) und der Welle (5) eingefügt ist, wobei- die Ringmutter (45) ausgebildet ist, um im Gebrauch auf einen Gewindeflanschabschnitt (52) der Spannhülse (50) geschraubt zu werden und eine axiale Kraft (F) auf den radial inneren Ring (33) auszuüben;- der radiale Innenring (33) unter der Wirkung der axialen Kraft (F) ausgebildet ist, um im Gebrauch mit der Spannhülse (50) mittels der Kompression in Eingriff zu kommen, die von einer radialen Innenfläche (33a) des radialen Innenrings (33) auf eine radiale Außenfläche (52) der Spannhülse (50) ausgeübt wird; und- die Klemmhülse (50) mit einem umfänglichen Schlitz (53) versehen ist und daher ausgebildet ist, um sich im Gebrauch um die Maschinenwelle (5) herum zu verformen und festzuziehen.

Description

• Technischer Bereich der Erfindung
• Die vorliegende Erfindung betrifft eine Lagereinheit, die mit einer Vorrichtung zum optimierten Spannen auf einer rotierenden Welle einer Maschine für Anwendungen in der Fertigungsindustrie versehen ist.
• Insbesondere umfasst die Lagereinheit ein Lager mit einer einzigen Reihe von Kugeln, d.h. ein sogenanntes „Rillenkugellager“, das gegenüber der äußeren Umgebung abgedichtet ist und in einer Bohrung eines äußeren Gehäuses untergebracht ist.
• Stand der Technik
• Es sind Lagereinheiten bekannt, die mit Wälzkörpern versehen sind, wobei diese Wälzkörper bekanntermaßen dazu dienen, die Relativbewegung einer Komponente oder Gruppe gegenüber einer anderen Komponente oder Gruppe zu ermöglichen. Die Lagereinheit hat im Allgemeinen eine erste Komponente, zum Beispiel einen radial äußeren Ring, der an einem feststehenden Element befestigt ist, und eine zweite Komponente, zum Beispiel einen radial inneren Ring, der an einem rotierenden Element befestigt ist. In jedem Fall wird bei Wälzlagern die Drehung des einen Rings gegenüber dem anderen Ring durch mehrere Wälzkörper ermöglicht, die zwischen der zylindrischen Oberfläche der einen Komponente und der zylindrischen Oberfläche der zweiten Komponente, die normalerweise als Laufbahnen bezeichnet werden, angeordnet sind. Bei den Wälzkörpern kann es sich um Kugeln, Zylinder- oder Kegelrollen, Nadelrollen oder ähnliche Wälzkörper handeln.
• Je nach Anwendungsfall, für den das Lager verwendet werden soll, wurden verschiedene Vorrichtungen zum Aufspannen des Lagers auf eine Maschinenwelle definiert, zum Beispiel eine Schulter mit Anschlagschraube, eine Hülse und eine Kupplung mit geeignetem Presssitz.
• Im Bereich der verarbeitenden Industrie hat die Anmelderin eine Lösung für die Lagereinheit (Europäisches Patent EP 0,967,404 B1 ) des sogenannten „konzentrischen“ Typs patentiert, bei der die Vorrichtung zum Festklemmen der Lagereinheit auf der Maschinenwelle sowohl mit der Lagereinheit als auch mit der Welle konzentrisch ist und ein konzentrisches System zur Befestigung des radialen Innenrings auf einer Maschinenwelle bildet. Diese Lösung bietet sehr gute Leistungsergebnisse in Bezug auf die zulässige axiale Last, die keine Verschiebung des radialen Innenrings und damit der Lagereinheit gegenüber der Maschinenwelle verursacht, auch im Vergleich zu ähnlichen konzentrischen Lösungen, die ebenfalls Teil des Standes der Technik bilden.
• Die Spannvorrichtung dieser konzentrischen Lösung ist mit drei Schrauben versehen, die in einem Winkel von 120° entlang des Umfangs angeordnet sind und die so angezogen werden, dass sie eine Hülse einspannen, die die Arretierung des radial inneren Rings auf der Welle gewährleistet. Dieser zusammenbauvorgang dauert jedoch zu lange und nimmt sogar mehrere Minuten in Anspruch. Dies erklärt, warum diese konzentrische Lösung, obwohl sie mit hervorragenden Leistungen versehen ist, bisher nicht den kommerziellen Erfolg hatte, den sie verdient. Darüber hinaus verhindern die geringen Stückzahlen eine angemessene Größenordnung, was sich weiter negativ auf die Endkosten des Produkts auswirkt.
• Es gibt andere Lagereinheiten - zum Beispiel Lagereinheiten mit konischer Bohrung -, die mit einfacheren Spannvorrichtungen versehen sind, da sie nur eine Mutter verwenden und entsprechende Zusammenbauzeiten von weniger als einer Minute haben. Diese Lagereinheiten schaffen es jedoch nicht, die Leistung zu gewährleisten, die von der konzentrischen Lagereinheit bereitgestellt wird.
• Es besteht daher die Notwendigkeit, eine Lagereinheit des konzentrischen Typs zu definieren, die mit einer Spannvorrichtung versehen ist, die die oben genannten Nachteile nicht aufweist.
• Zusammenfassung der Erfindung
• Aufgabe der Erfindung ist es, eine Lagereinheit bereitzustellen, die mit einer Vorrichtung zum sicheren, einfachen und zuverlässigen Festklemmen auf der Maschinenwelle versehen ist. Dies wird dadurch erreicht, dass eine Lagereinheit des konzentrischen Typs definiert wird, die mit einer Spannvorrichtung versehen ist, die nur eine Ringmutter und eine Spannhülse verwendet und die hinsichtlich ihrer hohen zulässigen axialen Last und einer kürzeren Zeit für die Anordnung innovativ ist.
• Daher ist gemäß der vorliegenden Erfindung eine Lagereinheit bereitgestellt, die eine optimierte Spannvorrichtung umfasst, welche die in den beigefügten Ansprüchen dargestellten Merkmale aufweist.
• Figurenliste
• Die Erfindung wird nun mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, die nicht einschränkende Ausführungsbeispiele des Gehäuseelements zeigen, in denen:
• 1 einen Querschnitt einer Lagereinheit zeigt, die gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit einer Spannvorrichtung versehen ist;
• 2 eine Seitenansicht (2a) und eine Längsschnittansicht (2b) einer Hülse der in 1 gezeigten Spannvorrichtung zeigt; und
• 3 ein vergrößertes Detail der in 1 gezeigten Spannvorrichtung ist.
• Ausführliche Beschreibung
• Mit Bezug auf die vorgenannten Figuren wird im Folgenden eine Ausführungsform einer Lagereinheit gemäß der vorliegenden Erfindung rein beispielhaft beschrieben.
• Mit besonderem Bezug auf 1 umfasst die Lagereinheit 30 für Anwendungen im Lebensmittelbereich:
• - einen radial inneren Ring 31, der vorzugsweise, beispielsweise auf Rollen, um eine zentrale Drehachse X der Lagereinheit 30 drehbar ist;
• - einen radial inneren Ring 33, der vorzugsweise feststehend ist;
• - eine Reihe von Wälzkörpern 32, in diesem Beispiel Kugeln, die zwischen dem radialen Außenring 31 und dem radialen Innenring 33 eingefügt sind;
• - einen Käfig 34 zur Aufnahme der Wälzkörper, um die Wälzkörper der Reihe von Wälzkörpern 32 in Position zu halten.
• In der gesamten vorliegenden Beschreibung und in den Ansprüchen sind die Begriffe und Ausdrücke, die Positionen und Ausrichtungen angeben, wie „radial“ und „axial“, so zu verstehen, dass sie sich auf die zentrale Drehachse X der Lagereinheit 30 beziehen.
• Der einfacheren grafischen Darstellung halber wird das Bezugszeichen 32 sowohl für die einzelnen Kugeln als auch für die Kugelreihe verwendet. Der Einfachheit halber wird in der vorliegenden Beschreibung und in den beigefügten Zeichnungen der Begriff „Kugel“ anstelle des allgemeineren Begriffs „Wälzkörper“ verwendet (und es werden ebenfalls dieselben Bezugszeichen verwendet). Einige Ausführungsbeispiele und die zugehörigen Zeichnungen können die Verwendung von anderen Wälzkörpern als Kugeln (z. B. Rollen) vorsehen, ohne dass dadurch vom Anwendungsbereich der vorliegenden Erfindung abgewichen wird.
• Die Lagereinheit 30 ist auch mit Dichtvorrichtungen (der bekannten Art und aus diesem Grund in den Figuren nicht dargestellt) zur Abdichtung der Lagereinheit gegenüber der äußeren Umgebung versehen.
• Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist die Lagereinheit 30 mit einer optimierten Spannvorrichtung 40 versehen, die eine einzige Ringmutter 45 zur Fixierung des radialen Innenrings 33 auf einer Spannhülse 50 umfasst, die ihrerseits auf einer Maschinenwelle 5 aufgespannt ist.
• In der dargestellten Ausführungsform hat der radiale Innenring 33 eine radiale Innenfläche 33a und die Spannhülse 50 eine radiale Außenfläche 51. Diese beiden Flächen 33a und 51 sind einander gegenüberliegend angeordnet und bilden die Flächen zum Zusammenspannen des radial inneren Rings und der Spannhülse 50. Diese Flächen sind beide mit Sägezahnprofilen im Längsschnitt ausgebildet, die so zusammenpassen, dass die Klemmflächen mit einer möglichst geringen radialen Erstreckung versehen sind, wodurch die radialen Abmessungen der gesamten Lagereinheit 30 auf ein Minimum reduziert werden.
• Mit Bezug auf 2 ist die Spannhülse 50 an einem Ende mit einem geflanschten Abschnitt 52 versehen, der mit der Ringmutter 45 in Eingriff steht. Ferner hat die Hülse 50 in einer seitlichen Ansicht einen Querschnitt in Form eines offenen Kreisrings, d.h. eines Rings mit einem umlaufenden Schlitz 53.
• Das Funktionsprinzip der Spannvorrichtung 40 besteht darin, dass die Ringmutter 45 auf den Gewindeflanschabschnitt 52 der Spannhülse 50 aufgeschraubt wird und mittels eines scheibenförmigen elastischen Elements 48, das axial zwischen der Ringmutter 45 und dem radialen Innenring 33 eingefügt ist, eine Kraft (in 1 mit „F“ und einem Pfeil gekennzeichnet) in axialer Richtung auf den radialen Innenring 33 ausübt. Die von der Ringmutter 45 auf den radialen Innenring 33 ausgeübte Kraft führt zu einem Kontakt zwischen der radialen Innenfläche 33a des radialen Innenrings 33 und der radialen Außenfläche 51 der Spannhülse 50. Folglich klemmt der radiale Innenring 33 die Hülse 50, die ihrerseits aufgrund des Schlitzes 53 verformt und um die Maschinenwelle 5 herum festgezogen werden kann. Auf diese Weise wird eine sogenannte „konzentrische“ Klemmung erreicht. Je größer die von der Ringmutter 45 ausgeübte Kraft ist, desto größer ist die Klemmkraft, die zwischen dem radialen Innenring 33 und der Hülse 50 sowie zwischen der Hülse 50 und der Welle 5 bereitgestellt wird, und desto größer ist folglich auch der Widerstand in Bezug auf die zulässige axiale Last.
• Um die Spannvorrichtung 40 zu optimieren, ist es vorteilhaft, einige Konstruktionsparameter festzulegen.
• Um die Widerstandsfähigkeit gegenüber axialen Lasten zu erhöhen und somit die axiale Kraft, die von der Ringmutter 45 ausgeübt werden kann, erhöhen zu können, kann die axiale Fläche 33b des radial inneren Rings 33, von der ein Teil in Kontakt mit dem elastischen Element 48 ist, im Vergleich zu den bekannten Ausführungsformen radial vergrößert werden. Aus Testergebnissen geht hervor, dass eine Vergrößerung zwischen 200 % und 300 % mehr als zufriedenstellend ist. In einer praktischen Anwendung kann beispielsweise die Höhe h in radialer Richtung der axialen Oberfläche 33b von 1,2 mm auf 2,95 mm geändert werden, was einer Erhöhung von etwa 250 % entspricht. Darüber hinaus und mit Bezug auf das Detail in 3 sollte zweckmäßigerweise die Höhe h1, wiederum in radialer Richtung, des axialen Oberflächenabschnitts 33c des radialen Innenrings 33 und des Oberflächenabschnitts 48a des elastischen Elements 48 - d.h. der eigentlichen Kontaktflächen des radialen Innenrings 33 und des elastischen Elements 48 - größer sein als die halbe radiale Höhe h der gesamten axialen Oberfläche 33b des radialen Innenrings 33. Mit anderen Worten: Diese Kontaktflächen müssen mehr als die halbe Dicke des radialen Innenrings 33 betragen.
• Zweckmäßigerweise hat die Spannhülse 50 in ihrem Hülsenabschnitt 52 eine radiale Dicke s1, die größer ist als die mittlere radiale Dicke s des übrigen Hülsenabschnitts, da der Hülsenabschnitt 52 das Gewinde enthalten muss, das in die Ringmutter 45 eingreift. Um den Flanschabschnitt 52 nicht übermäßig zu schwächen, muss vorteilhafterweise ein radial innerer Teil 52a des Flanschabschnitts 52, der kein Gewinde hat, eine radiale Dicke von mindestens 1/3 der gesamten radialen Dicke s1 des Flanschabschnitts 52 haben. Unter Verwendung der in 2 dargestellten Symbole erhält man die folgende Beziehung $$\text{s}2>1/3\times \text{s}1$$

  

  wobei s2 die radiale Dicke des gewindelosen, radial inneren Teils 52a des geflanschten Abschnitts 52 ist. Für eine praktische Anwendung wird die Dicke s1 des Flanschabschnitts 52 größer als 3 mm sein und folglich wird die Dicke s2 zumindest größer als 1 mm sein.
• Wenn schließlich 1_f die axiale Länge des Gewindes der Spannhülse 50 angibt, muss diese Länge zumindest 90% der Summe der axialen Dicke s_e des elastischen Elements 48 und der axialen Dicke s_g der Ringmutter 45 betragen. Auf diese Weise kann während der Anordnung beim Aufschrauben der Ringmutter 45 auf die Hülse 50 vermieden werden, dass ein Endabschnitt 45a der Ringmutter 45 nicht in das Gewinde der Hülse 50 eingreift.
• Gleichzeitig sollte aber zweckmäßigerweise die axiale Länge des Gewindes der Spannhülse 50 100% der Summe aus der axialen Dicke s_e des elastischen Elements 48 und der axialen Dicke s_g der Ringmutter 45 nicht überschreiten, um die axialen Abmessungen der Spannvorrichtung 40 so weit wie möglich zu begrenzen.
• Dies wird durch die Formel ausgedrückt: $$90\text{\%}\times \left({\text{s}}_{\text{e}}+{\text{s}}_{\text{g}}\right)<{\text{I}}_{\text{f}}<100\text{\%}\times \left({\text{s}}_{\text{e}}+{\text{s}}_{\text{g}}\right)$$

  
• Gemäß den Grundsätzen der vorliegenden Erfindung ist das Lager also mit einer innovativen Vorrichtung zur Durchführung der Klemmung auf der Maschinenwelle versehen, die einfach und zuverlässig zugleich ist. Dadurch wird einerseits eine hervorragende Leistung in Bezug auf die zulässige axiale Last gewährleistet und andererseits eine erhebliche Reduzierung der Zeit für die Anordnung erreicht.
• Neben den oben beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung gibt es selbstverständlich noch zahlreiche weitere Varianten. Es muss auch klar sein, dass die genannten Ausführungsformen nur Beispiele sind und weder den Umfang der Erfindung, noch ihre Anwendungen, noch ihre möglichen Ausgestaltungen einschränken. Im Gegenteil, obwohl die vorstehend bereitgestellte Beschreibung es dem Fachmann ermöglicht, die vorliegende Erfindung zumindest in einem ihrer Ausführungsbeispiele zu verwirklichen, ist davon auszugehen, dass zahlreiche Variationen der beschriebenen Komponenten möglich sind, ohne dass dadurch vom Anwendungsbereich der Erfindung abgewichen wird, wie er in den beigefügten Ansprüchen definiert ist, die wörtlich und/oder in Übereinstimmung mit ihren gesetzlichen Entsprechungen ausgelegt werden.
• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
• Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
• Zitierte Patentliteratur
• EP 0967404 B1 [0005]

Claims (7)

1. Lagereinheit (30), die dazu ausgebildet ist, auf einer Maschinenwelle (5) aufspannbar zu sein, wobei die Lagereinheit umfasst: - einen radial äußeren Ring (31), der feststehend ist; - einen radial inneren Ring (33), der in Bezug auf eine Drehachse (X) drehbar ist; - eine Reihe von Wälzkörpern (32), die zwischen dem radialen Außenring (31) und dem radialen Innenring (33) eingefügt sind; - eine Klemmvorrichtung (40), die eine Ringmutter (45) und eine Klemmhülse (50) umfasst, die radial zwischen dem radial inneren Ring (33) und der Welle (5) eingefügt ist; wobei die Lagereinheit (30) dadurch gekennzeichnet ist, dass: - die Ringmutter (45) ausgebildet ist, um im Gebrauch auf einen Gewindeflanschabschnitt (52) der Spannhülse (50) geschraubt zu sein und eine axiale Kraft (F) auf den radialen Innenring (33) auszuüben; - der radiale Innenring (33) unter der Wirkung der axialen Kraft (F) ausgebildet ist, um im Gebrauch mit der Spannhülse (50) mittels der Kompression, die von einer radialen Innenfläche (33a) des radialen Innenrings (33) auf eine radiale Außenfläche (51) der Spannhülse (50) ausgeübt ist, in Eingriff zu kommen; und - die Klemmhülse (50) mit einem umfänglichen Schlitz (53) versehen ist und dazu ausgebildet ist, sich während des Gebrauchs um die Maschinenwelle (5) herum zu verformen und festzuziehen.
2. Lagereinheit (30) gemäß Anspruch 1, wobei die radial innere Oberfläche (33a) des radial inneren Rings (33) und die radial äußere Oberfläche (51) der Spannhülse (50) beide mit Längsschnitt-Sägezahnprofilen bereitgestellt sind, die zusammenpassen.
3. Lagereinheit (30) gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die Spannvorrichtung (40) mit einem scheibenförmigen elastischen Element (48) versehen ist, das axial zwischen der Ringmutter (45) und dem radial inneren Ring (33) eingefügt ist.
4. Lagereinheit (30) gemäß Anspruch 3, wobei ein axialer Oberflächenabschnitt (33c) des radial inneren Rings (33) und ein axialer Oberflächenabschnitt (48a) des elastischen Elements (48), d.h. die Kontaktflächen des radial inneren Rings (33) und des elastischen Elements (48), eine Höhe (h1) in radialer Richtung haben, die größer als die Hälfte einer Höhe (h) einer axialen Oberfläche (33b) des radial inneren Rings (33) ist.
5. Lagereinheit (30) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der geflanschte Abschnitt (52) der Spannhülse (50) eine radiale Dicke (s1) aufweist, die größer ist als eine mittlere radiale Dicke (s) der Spannhülse (50).
6. Lagereinheit (30) gemäß Anspruch 5, wobei eine radiale Dicke (s2) eines gewindelosen, radial innenliegenden Teils (52a) des Flanschabschnitts (52) nicht weniger als 1/3 der radialen Dicke (s1) des Flanschabschnitts (52) beträgt.
7. Lagereinheit (30) gemäß einem der Ansprüche 3 bis 6, wobei eine axiale Länge (l_f) des Gewindes der Spannhülse (50) zwischen 90% und 100% der Summe aus einer axialen Dicke (s_e) des elastischen Elements (48) und der axialen Dicke (s_g) der Ringmutter (45) beträgt.

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