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Stand der Technik
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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
DE2134988A , die
FR2580349 A1 , die
DE4240131 A1 und die
DE 1112673 A zeigen Wellen-Bauteil-Verbindungen, bei denen die Wand einer Hohlwelle radial nach außen umgebogen wird, um das auf der Welle gelagerte Bauteil zu fixieren. Mit der
DE19532519A1 ist ein Rollierverfahren bekannt geworden, bei dem ein Bauteil mittels eines Rollierwulstes gegen einen axialen Anschlag gepresst wird. Eine Wellen-Naben-Verbindung gemäß der
DE19513992A1 offenbart ein Stempel-Verfahren, bei dem Material eines Zahnrads an dessen innerer Nabe in einen Holraum an der Umfangsfläche einer Welle gedrückt wird.
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Vorteile der Erfindung
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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. Eine erindungsgemäße 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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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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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.
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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 dem erfindungsgemäßen 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. Mit dem erfindungsgemäßen 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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Zeichnung
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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 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 Erfindung 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.
