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Die Erfindung betrifft eine Wellen-Bauteil-Fixierung
sowie ein Verfahren zum Fixieren eines Bauteils auf einer Welle
nach der Gattung der unabhängigen
Ansprüche.
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Mit der WO 99/30049 ist eine Wellen-Naben-Verbindung
bekannt geworden, bei der ein Nabenteil eines Lagers durch zwei
an der Welle angeformten Erhebungen axial fixiert wird. Die Erhebungen
werden dabei auf beiden Seiten des Nabenteils durch das Anrollen
einer Ringnut erzeugt, so dass der plastisch verformte Werkstoff
an den beiden axialen Flächen
der Nabe anliegt. Zur plastischen Verformung wird das Rollwerkzeug
unter einem Winkel von Null bis 45 Grad zur Senkrechten der Welle
geführt,
so dass die Mantelfläche
der Welle verformt wird. Dies setzt voraus, dass sich die Welle
auf beiden Seiten des Nabenbauteils zumindest so weit erstreckt,
dass daran jeweils eine Ringnut angeformt werden kann. Bei der Anwendung
für eine
Lagerbefestigung auf einer Ankerwelle muss durch diesen Wellenüberstand
zusätzlicher
Bauraum zur Verfügung
gestellt werden, durch den der Poltopf des Motorgehäuses verlängert wird.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung mit den Merkmalen
des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass auf Grund der Kaltumformung
der Stirnseite der Welle ein radialer Aufwurf erzeugt wird, der
das Bauteil zuverlässig
axial am Ende der Welle fixiert, ohne dass die Welle wesentlich über die
axiale Endseite des Bauteils rausragt. Dadurch verkürzt sich
die Baulänge
beispielsweise eines Elektromotors, da der Poltopf kürzer gefertigt
werden kann. Zudem wird das Werkzeug für das Poltopfziehen weniger
aufwändig, da
auf eine zusätzliche
Ziehstufe für
den Wellenüberstand
verzichtet werden kann. Das Bauteil kann somit extrem weit außen am Wellenende
der Welle positioniert werden. Durch das kostengünstige Kaltumformverfahren,
das besonders günstig
in eine Fertigungslinie der Ankerwelle integrierbar ist, ist keine spanende
Bearbeitung zur Fixierung des Bauteils am Ende der Welle notwendig
und es sind keine zusätzlichen
Bauteile erforderlich, wie dies beispielsweise beim Anschrauben
eines Bauteils der Fall wäre.
Dadurch, dass die axiale Fläche
des Aufwurfs mit der korrespondierenden Fläche des Bauteils überlappt, ist
eine formschlüssige
Verbindung zwischen Welle und Bauteil geschaffen, die das Bauteil
auch bei hoher Schüttelbelastung,
bzw. bei hoher Axiallast zuverlässig
auf der Welle fixiert. Bei der Fertigung der Passung zwischen Welle
und Bauteil können
größere Toleranzbereiche
akzeptiert werden, was die Fertigungskosten deutlich reduziert,
da durch den Formschluss keine exakte Presspassung zwischen Welle und
Bauteil notwendig ist.
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Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Massnahmen
sind vorteilhafte Weiterbildungen der Vorrichtung nach Anspruch
1 möglich. So
ergibt sich eine besonders sichere Fixierung, wenn der Aufwurf den
gesamten Umfang der Welle umfasst, wie dieser sehr einfach mittels
eines Verfahrens mit rotierender Welle oder rotierendem Umformwerkzeug
hergestellt werden kann.
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Alternativ kann der Aufwurf sich
lediglich teilweise über
den Umfang der Welle erstrecken, was prozesstechnisch sehr günstig mittels
eines Stempel- oder Prägeverfahren
zu realisieren ist.
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Wird vor dem Umform-Prozess an der
zylindermantelförmigen
Innenseite des Bauteils ein Freiraum geschaffen, beispielsweise
durch das Anbringen einer Phase oder eines Radiuses, so kann in
diesen Freiraum das Material der Stirnseite der Welle fließen. Dadurch
kann bei dieser Bauteil-Fixierung die Ankerwelle noch kürzer gefertigt
werden, so dass die Stirnseite der Welle nicht über die axiale Stirnseite des
Bauteils ragt.
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Für
eine optimale Aufnahme der Kräfte über das
Bauteil bei gleichzeitiger Minimierung der axialen Baulänge ist
es besonders günstig,
wenn die Stirnfläche
der Welle in etwa der gleichen Ebene liegt, wie die axiale Stirnfläche des
Bauteils.
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Bei einem vorteilhaften Verfahren
zum Fixieren eines Bauteils am Ende einer Welle wird der Werkstoff
der Stirnseite der Welle durch plastische Verformung radial zum
Fließen
gebracht, so dass der verformte Werkstoff radial über den
Durchmesser der Welle im Inneren des Bauteils übersteht.
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Eine solche Materialumformung an
der Stirnseite der Welle kann günstigerweise
mit einem Umformwerkzeug erzielt werden, dessen Arbeitsfläche direkt
an der Stirnseite der Welle angreift. Hierbei wird das Umformwerkzeug
axial so lange gegen die Stirnfläche
gedrückt,
bis sich das Material der Stirnfläche der Welle radial über die
Stirnfläche
des Bauteils erstreckt.
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Besonders einfach lässt sich
das Material an der Stirnseite der Welle durch ein Nietverfahren
verformen, bei dem weder die Welle noch das Umformwerkzeug rotieren.
Einen gleichmäßigen, umlaufenden
Aufwurf kann man durch Drehpressen oder Ringverstemmen erzeugen,
bei dem der Aufwurf mittels einer axialen Ringnut an der Stirnseite
der Welle angeformt wird. Mit dem Taumelverfahren lässt sich
die gesamte Stirnfläche
der Welle gleichmäßig verformen,
bis das Material der Stirnfläche
radial über
das Bauteil fließt.
All diese Kaltumformverfahren haben den Vorteil, dass sich der Aufwurf
formgenau an die Axialfläche
des Bauteils anlegt. Gleichzeitig bewirkt die plastische Verformung
einen Durchmesserzuwachs der Welle im Bereich des Bauteils, so dass
der Festsitz auch bezüglich
einer Verdrehung des Bauteils verstärkt wird. Durch das Ringverstemmen (Stempeln)
wird ein Aufwurf erzeugt, der in sehr kurzen Taktzeiten angeformt
werden kann. Dieses Verfahren eignet sich daher besonders für Massenartikel.
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Besonders günstig ist es, wenn auch der
der Stirnseite der Welle abgewandte Anschlag durch das Rollen einer
umlaufenden Nut hergestellt wird, an deren Rändern sich dabei ein radialer
Aufwurf bildet. Hierbei kann auch zuerst ein radialer Aufwurf an
der Stirnseite der Welle angeformt werden und das Bauteil anschließend durch
das Anformen eines Anschlags mittels einer Rolliernut gegen den
stirnseitigen Aufwurf gepresst werden.
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In einem bevorzugten Verfahren wird
jedoch zuerst ein Anschlag im entsprechenden Abstand zur Stirnfläche der
Welle, vorzugsweise mittels plastischer Materialformung, hergestellt,
anschließend
das Bauteil gegen diesen Anschlag geschoben und mit einem Umformwerkzeug
danach axial auf die Stirnfläche
der Welle gedrückt,
um einen radialen Aufwurf anzuformen, der das Bauteil gegen ein
Verdrehen und ein axiales Verschieben sichert.
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In der Zeichnung sind mehrere Ausführungsbeispiele
der erfindungsgemäßen Wellen-Bauteil-Fixierung
sowie deren Herstellungsverfahren dargestellt und in der nachfolgenden
Beschreibung näher erläutert.
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Es zeigen
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1 als
Stand der Technik einen Elektromotor mit einer Wellen-Bauteil-Fixierung,
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2 und
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3 zwei
erfindungsgemäße Ausführungsbeispiele
einer Wellen-Bauteil-Fixierung
im Schnitt und
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4 ein
Schema für
zwei erfindungsgemäße Verfahren
zum Fixieren eines Bauteils.
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In 1 ist
ein bekannter Elektromotor 10 mit einer Ankerwelle 12 dargestellt,
die in einem Motorgehäuse 14 gelagert
ist. Im Motorgehäuse 14 sind Permanentmagnete 16 angeordnet,
die mit einem auf der Welle 12 befestigten Anker 18 Wechselwirken.
Auf der Welle 12 ist ein Wälzlager 22 durch Anformen
zweier Ringnuten 22 fixiert, das als Festlager im Motorgehäuse 14 befestigt
ist. Hierbei weist die Welle 12 einen Fortsatz 24 auf,
der über
das Wälzlager 22 ragt
und sich in eine abgesetzte Ziehstufe 26 des Motorgehäuses 14 erstreckt.
Bei der erfindungsgemäßen Lösung einer
Wellen-Bauteil-Fixierung kann
nun auf diesen Fortsatz 24 der Welle 12 und auf die
zusätzliche
Ausformung 26 des Motorgehäuses 14 verzichtet
werden.
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2 zeigt
ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel
einer Wellen-Bauteil-Fixierung,
bei dem auf der Welle 12 ein Anschlag 30 angeordnet
ist. Der Anschlag 30 kann in spanender Bearbeitung angefertigt
sein oder durch ein zusätzliches
Bauteil, wie beispielsweise ein Sicherungsring oder ein Speednut gebildet
werden. Auf der Welle 12 befindet sich als Bauteil 32 ein
Ringmagnet 34, der sich mit einer axialen Fläche 36 am
Anschlag 30 abstützt.
Am Ende 38 der Welle 12 ist an einer Stirnseite 40 der
Welle 12 ein radialer – umlaufend
oder partiell ausgebildeter – Aufwurf 42 angeformt,
der sich radial über
eine äußere axiale
Fläche 37 des
Bauteils 32 erstreckt. Der Aufwurf 42 weist einen
größeren Durchmesser 44 auf,
als der Durchmesser 46 der Welle 12 im Bereich innerhalb
des Bauteils 32. Durch das plastische Anformen des Aufwurfs 42 wird
das Bauteil 32 gegen den Anschlag 30 gepresst.
Dabei entsteht sowohl eine formschlüssige Verbindung, die ein axiales
Verschieben des Bauteils 32 verhindert, als auch eine kraftschlüssige Verbindung,
die das Bauteil 32 gegen Verdrehen sichert. Das Bauteil 32 kann
in einer Variation an dessen axialen Flächen 36 und 37 eine
axiale Struktur 35 aufweisen, die axial über die
axialen Flächen 36, 37 ragen
kann, die von dem Aufwurf 42 oder dem Anschlag 30 überdeckt
werden.
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In 3 ist
ein zweites Ausführungsbeispiel im
Schnitt dargestellt, bei dem ein Wälzlager 22 als Bauteil 32 auf
einer Welle 12 fixiert ist. Der von der Stirnseite 40 der
Welle 12 abgewandte Anschlag 30 ist hierbei durch
eine Ringnut 20 erzeugt, die mittels eines Rollwerkzeugs
angeformt wird. Das Rollwerkzeug drückt hierbei radial gegen die
Mantelfläche
der Welle 12, wodurch sich ein umlaufender Ringwulst bildet,
der als Anschlag 30 für
das Bauteil 32 dient. Das Bauteil 32 weist hierbei
an einer kreisförmigen Innenkante
zur Welle 12 hin zur äußeren axialen
Fläche 37 eine
Phase 48 auf, wie in der oberen Bildhälfte zu sehen ist. Alternativ
zur Phase 48 kann an der Innenkante 47 auch ein
Radius 49 angeformt sein, wie dies in der unteren Bildhälfte dargestellt
ist. Das Bauteil 32 weist eine Dicke 50 auf, die
in etwa einem Abstand 52 entspricht, in dem der Anschlag 30 von der
Stirnseite 40 der Welle 12 angeordnet ist. Dadurch
endet die Welle 12 in etwa bündig mit dem Bauteil 32,
so dass der Fortsatz 24 der Welle 12 komplett
entfällt.
Der radiale Aufwurf 42 erstreckt sich hierbei in einen
Freiraum 54, der durch die Phase 48 oder den Radius 49 gebildet
wird. Hierbei stellt die Phase 48 oder der Radius 49 eine
axiale Fläche
des Bauteils 32 dar, an dem der radiale Aufwurf 42 anliegt.
Auch hier ist der Außendurchmesser 44 des Aufwurfs 42 größer als
der Durchmesser 46 der Welle 12 im Inneren des
Bauteils 32. Der Aufwurf 42 ist durch plastische
Umformung der Stirnfläche 40 der Welle 12 gebildet,
wobei eine oder mehrere Vertiefungen 56 an der Stirnfläche 40 eingedrückt werden, die
ein radiales Fließen
des Werkstoffs über
den ursprünglichen
Durchmesser 46 der Welle hinaus bewirken.
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In 4 sind
zwei erfindungsgemäße Verfahren
zum plastischen Anformen eines Aufwurfs 42 dargestellt.
In einem ersten Verfahren wird auf einer Welle 12 zuerst
ein Anschlag 30 beispielsweise mittels Rollieren einer
Ringnut 20 angeformt und anschließend das Bauteil 32 auf
die Welle 12 aufgeschoben, bis es am Anschlag 30 anliegt.
Dabei können
die Fertigungstoleranzen zwischen Bauteil 32 und Welle 12 relativ
groß gewählt werden,
da das Bauteil 32 für
den nächsten
Verfahrenschritt nicht durch eine Presspassung fixiert sein muss.
Im nächsten
Arbeitsschritt wird die Stirnfläche 40 der
Welle 12 plastisch verformt, so dass der Werkstoff konzentrisch
radial nach außen
gegen das Bauteil 32 fließt. Hierzu wird ein Umformwerkzeug 58 axial
gegen die Stirnfläche 40 der
Welle 12 gedrückt.
Beim Taumelverfahren kreist das Umformwerkzeug 58 unter
einem Winkel 60, vorzugsweise etwa 5 Grad, um die Längsachse 62 der
Welle 12 und übt
durch die axiale Zustellung des Umformwerkzeugs 58 eine
Kraft auf die Stirnfläche 40 aus,
die den Werkstoff plastisch verformt. Die Welle 12 ist
bei diesem Verfahren axial und radial fixiert. Das Ausmaß des somit
erzeugten radialen Aufwurfs 42 wird durch die Zustellkraft 64 geregelt.
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Beim Drehpressen liegt die Wellenlängsachse 62 deckungsgleich
mit der Längsachse 66 des Umformwerkzeugs 58 das
an einer Stirnfläche
eine ringförmige
Ausformung 68 aufweist. Das rotierende Umformwerkzeug 58 wird
wieder mit einer Zustellkraft 64 axial auf die Stirnfläche 40 der
Welle 12 gedrückt,
so dass die ringförmige
Ausformung 68 des Umformwerkzeugs 58 eine ringförmige Vertiefung 56 an
der Stirnfläche 40 ausformt.
Dabei wird der Werkstoff der Stirnfläche radial nach außen gedrückt, so dass
sich ein Aufwurf bildet, der sich an die axiale Außenfläche 37 des
Bauteils 32 anlegt.
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Für
Anwendungen, bei denen das Bauteil 32 und die Welle 12 höhere Kräfte aufnehmen
können, kann
auch mittels Ringverstemmen ein Aufwurf 42 an der Stirnseite 40 der
Welle 12 angeformt werden. Beim Ringverstemmen wird im
Prinzip das gleiche Umformwerkzeug 58 wie beim Drehpressen
verwendet, aber ohne Rotation axial auf die Stirnfläche 40 der
Welle 12 gedrückt.
In einer Variation kann die ringförmige Ausformung 68 auch
als mehrere partielle Ausformungen 68 ausgebildet sein,
mit denen eine partielle Verstemmung ausgeführt wird. Bei einem solchen
Stempelverfahren kann die Ausformung 68 auch abweichend
von einer Ringform beliebige Formen und Anordnungen von partiellen
Stempeln annehmen. Eine weitere Alternative stellt das Nietverfahren
dar, bei dem durch das Umformwerkzeug 58 am äußeren Rand
der Stirnfläche 48 eine
axiale Kraft ausgeübt
wird, die den Werkstoff in diesem Bereich radial nach außen fließen lässt, so
dass der erzeugte Aufwurf 42 den Durchmesser 46 der
Welle 12 überragt.
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In einer weiteren Variation ist es
möglich, auch
zuerst einen Aufwurf 42 mittels eines plastischen Umformverfahrens
der Stirnfläche 40 der
Welle 12 anzuformen, dann das Bauteil 32 von der
anderen Seite der Welle 12 aufzuschieben und dann einen Anschlag 30,
beispielsweise mittels Rollieren, anzuformen, der das Bauteil 32 gegen
den Aufwurf 42 presst.
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Die Endung ist nicht auf die Fixierung
von Lagern 22 oder Magneten 34 beschränkt, sondern
umfasst alle Bauteile 32, beziehungsweise deren Naben,
die am Ende 38 einer Welle 12 fixiert werden sollen.
So kann als Bauteil 32 beispielsweise auch ein Abtriebsritzel
oder eine Gewindeschnecke am anderen Ende 39 einer Ankerwelle 12 befestigt
werden. Das Bauteil 32 weist in den Ausführungsbeispielen
eine Nabe auf, die die Welle 12 vollständig umschließt. Es sind
aber auch Bauteile 32 denkbar, die die Welle 12 nicht
vollständig
umfassen, sondern bei denen ein Spalt oder ein Ringsegment im Umfang ausgespart
ist. Des weiteren umfasst die Erfindung auch einzelne Merkmale der
Ausführungsbeispiele oder
eine beliebige Kombination der Merkmale von unterschiedlichen Ausführungsbeispielen.
Bevorzugt wird dieses Verfahren zur Fixierung von Bauteilen 32 auf
einer Ankerwelle 12 eines Elektromotors 10 angewendet.