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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Formteils
zur direkten oder indirekten Aufnahme wenigstens eines Lagerrings.
Weiterhin betrifft die Erfindung eine Lageranordnung.
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Ein
derartiges Formteil ist beispielsweise aus der
DE 198 05 237 A1 bekannt.
Dort ist ein aus Blech geformtes Lagerschild für die Aufnahme von mindestens
zwei nebeneinander angeordneten Wälzlagern offenbart. Das Lagerschild
weist wenigstens zwei durch Tiefziehen hergestellte, zylindrische
Sitzflächen
für die
Wälzlager
auf. Zwischen den benachbarten Sitzflächen verbleibt ein Stegabschnitt,
der im wesentlichen axial aus den Sitzflächen herausgezogen ist und
beiderseits stetig axial breiter werdend in die Gesamtbreite der
Sitzfläche
einläuft.
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Das
bekannte Lagerschild hat sich sehr gut bewährt und ist bei vielen Anwendungen
einsetzbar. Allerdings kann der Bereich von Anwendungen, bei denen
extrem hohe Belastungen insbesondere in Axialrichtung auftreten,
mit dem bekannten Lagerschild nicht abgedeckt werden.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zur Herstellung
eines hochbelastbaren Formteils zur direkten oder indirekten Aufnahme
wenigstens eines Lagerrings anzugeben.
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Diese
Aufgabe wird durch die in Anspruch 1 angegebene Merkmalskombination
des erfindungsgemäßen Verfahrens
gelöst.
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Beim
erfindungsgemäßen Verfahren
zur Herstellung eines Formteils zur direkten oder indirekten Aufnahme
wenigstens eines Lagerrings wird das Formteil als ein plattenförmiges Blechteil
ausgebildet und mit wenigstens einer Lochung versehen. Die Besonderheit
des erfindungsgemäßen Verfahrens
besteht darin, dass in einem die Lochung umgebenden Randstreifen
auf einer ersten Seite des Formteils eine Stufe eingeprägt wird
und dabei das Formteil auf einer der ersten Seite gegenüberliegenden
zweiten Seite von einer Matrize mit einer konischen Matrizenfläche derart
unterstützt
wird, dass das Formteil auf seiner zweiten Seite bereichsweise die
Form der konischen Matrizenfläche
annimmt und anschließend durch
weitere Umformung ein die Lochung umschließender Kragen ausgebildet wird,
der aus der zweiten Seite des Formteils herausragt.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
hat den Vorteil, dass damit auf kostengünstige Weise ein Formteil zur
Aufnahme eines Lagerrings herstellbar ist. Besonders vorteilhaft
ist es dabei, dass Formteile, die eine vergleichsweise große Materialstärke aufweisen
und damit hoch belastbar sind, ohne allzu große Schädigungen des Gefüges hergestellt
werden können.
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In
einem bevorzugten Ausführungsbeispiel schließt die konische
Matrizenfläche
mit der Axialebene der Matrize einen Winkel zwischen 10 Grad und 40
Grad ein. Durch eine Wahl eines Winkels aus diesem Bereich besteht
eine gute Ausgangsposition für die
weitere Umformung des Formteils. Dabei ist es insbesondere auch
vorteilhaft, wenn zwischen der konischen Matrizenfläche und
einem radial außerhalb
angeordneten ebenen Bereich der Stirnfläche der Matrize eine abgerundete Übergangszone
ausgebildet ist. Dadurch kann eine Rissbildung während des Umformvorgangs verhindert
werden.
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Die
Stufe wird vorzugsweise mit einer Stufenhöhe zwischen 10 % und 50 % der
Ausgangsmaterialstärke
des Formteils eingeprägt.
Mit diesen Werten lässt
sich erreichen, dass zum einen eine effiziente Umformung möglich ist
und zum anderen eine unzulässige
Beanspruchung des Gefüges
des Formteils vermieden wird. Weiterhin wird die Stufe vorzugsweise
mittels eines Prägestempels
eingeprägt,
der auf seiner Stirnfläche
eine konische Prägefläche aufweist,
durch die die Stirnfläche
eine konkave Formgebung erhält.
Dabei schließt
die konische Prägefläche mit
der Axialebene des Prägestempels insbesondere
einen Winkel zwischen 4 Grad und 10 Grad ein. Die konische Prägefläche begünstigt den Materialfluss
radial nach innen und somit in einen Bereich, indem das Material
für die
weitere Umformung des Formteils benötigt wird. Während des
Einprägens
der Stufe in das Formteil ist es von Vorteil, wenn die konische
Matrizenfläche
und die konische Prägefläche zu wenigstens
50 % der Materialstärke überlappen.
Durch diese Geometrie wird die gewünschte Formgebung, insbesondere
auch der Materialfluss radial nach innen, unterstützt.
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Der
Kragen kann mittels einer Durchhalsoperation ausgebildet werden.
Anschließend
kann die axiale Ausdehnung des Kragens mittels wenigstens einer
Abstreckoperation vergrößert werden.
Mit diesen Umformoperationen kann der Kragen in den gewünschten
Endmaßen
präzise
und kostengünstig hergestellt
werden. Beispielsweise kann der Kragen in Form einer Acht ausgebildet
werden.
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Die
erfindungsgemäße Lageranordnung weist
wenigstens ein Lager und einen umformtechnisch aus Blech hergestellten
Lagerträger
zur Aufnahme des Lagers auf. Die Besonderheit der erfindungsgemäßen Lageranordnung
besteht dabei darin, dass der Lagerträger mit dem Lager in einem Formteil
aus Blech angeordnet ist.
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Die
erfindungsgemäße Lageranordnung
hat den Vorteil, dass damit eine bewährte Standardbefestigung eines
Lagers mittels eines Lagerträgers auch
für Bereiche
sehr hoher Belastung einsetzbar wird. Der dazu erforderliche Zusatzaufwand
besteht lediglich in der Bereitstellung des Formteils.
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Um
eine zuverlässige
und hoch belastbare Befestigung des Lagers zu erreichen, wird der
Lagerträger
vorzugsweise stoffschlüssig
im Formteil fixiert.
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Die
Erfindung wird nachstehend anhand des in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispiels näher erläutert.
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Es
zeigen:
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1 ein Formteil nach Durchführung eines Bearbeitungsschritts
des erfindungsgemäßen Verfahrens
in Schnittdarstellung,
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2 das Formteil während der
Durchführung
eines weiteren Bearbeitungsschritts des erfindungsgemäßen Verfahrens
in Schnittdarstellung,
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3 eine Darstellung der geometrischen Verhältnisse,
die für
den in 2 dargestellten
Bearbeitungsschritt gewählt
werden,
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4, 5 des Formteils nach der Durchführung weiterer
Bearbeitungsschritte des erfindungsgemäßen Verfahrens in Schnittdarstellung,
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6 das fertig bearbeitete
Formteil mit zwei eingesetzten Rillenkugellagern in Schnittdarstellung und
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7 das fertig bearbeitete
Formteil mit den beiden Rillenkugellagern in Aufsicht.
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1 zeigt ein Formteil 1 nach
Durchführung
eines Bearbeitungsschritts des erfindungsgemäßen Verfahrens in Schnittdarstellung.
In diesem Bearbeitungsschritt wird das Formteil 1, das
im Rohzustand als ein plattenförmiges
Blechteil ausgebildet ist, mit einer Lochung 2 versehen.
Die Lochung 2 wird beispielsweise durch Ausstanzen hergestellt.
Die Form der Lochung 2 hängt davon ab, wie viele Lagerringe
von dem fertigen Formteil aufgenommen werden sollen. Für einen
Lagerring wird in der Regel eine kreisrunde Lochung 2 hergestellt.
Bei dem im folgenden noch näheren
beschriebenen Ausführungsbeispiel
des Formteils, das für
die Aufnahme von zwei dicht nebeneinander angeordneten Lagerringen
vorgesehen ist, wird eine Lochung 2 mit einer Außenkontur
in Form einer Acht hergestellt. Nach dem Stanzen wird das Formteil 1 einer
Prägeoperation
unterzogen, die in 2 dargestellt
ist.
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2 zeigt das Formteil 1 während der Durchführung der
Prägeoperation
in Schnittdarstellung. Wegen seiner großen Bedeutung für das erfindungsgemäße Verfahren,
sind die bei diesem Verfahrensschritt eingesetzten Werkzeuge schematisch eingezeichnet.
Bei den Werkzeugen handelt es sich um einen Prägestempel 3 und eine
Matrize 4. Der Prägestempel 3 ist
zylindrisch geformt und weist an seiner dem Formteil 1 zugewandten
Stirnfläche
eine konische Prägefläche 5 auf.
Beim dargestellten Ausführungsbeispiel
erstreckt sich die konische Prägefläche 5 ausgehend
vom Außendurchmesser
des Prägestempels 3 über einen
Teilbereich der Stirnfläche
und ist so orientiert, dass es bei einer Annäherung des Prägestempels 3 an
das Formteil 1 zuerst in der Nähe des Außendurchmessers des Prägestempels 3 zu
einem berührenden
Kontakt mit dem Formteil 1 kommt, d. h. durch die konische
Prägefläche 5 ist
die Stirnfläche
des Prägestempels 3 insgesamt konkav
ausgebildet. Die Matrize 4 ist ebenfalls zylindrisch geformt
und weist im Bereich ihrer dem Formteil 1 zugewandten Stirnfläche eine
konische Matrizenfläche 6 auf,
die radial zwischen einem äußeren ebenen
Bereich 6 und einem inneren ebenen Bereich 7 der
Stirnfläche
der Matrize 4 angeordnet ist. Dabei ist die konische Matrizenfläche 6 so
orientiert, dass die Stirnfläche
der Matrize 4 insgesamt konkav ausgebildet ist.
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Im
Rahmen der Prägeoperation
wird der Prägestempel 3 in
der Darstellung der 2 von
oben gegen das Formteil 1 gepresst. Dabei wird das Formteil 1 durch
die Matrize 4 unterstützt.
Die Seite des Formteils 1, gegen die der Prägestempel 3 gepresst wird,
wird im folgenden als Vorderseite 9 des Formteils 1 bezeichnet.
Die von der Matrize 4 unterstützte Seite des Formteils 1 wird
als Rückseite 10 bezeichnet.
Unter der Einwirkung des Prägestempels 3 wird das
Formteil 1 innerhalb eines die Lochung 2 umschließenden Randstreifens 11 verformt.
Zur Verdeutlichung der Verformung ist die Kontur des Formteils 1 vor
der Prägeoperation
in 2 als gestrichelte
Linie eingezeichnet. Durch die Einwirkung des Prägestempels wird eine ringförmig umlaufende
Stufe 12 im Bereich des Randstreifens 11 des Formteils 1 ausgebildet.
Gleichzeitig wird der Randstreifen 11 des Formteils 1 durch
den Prägestempel 3 derart
umgelegt, dass er an der konischen Matrizenfläche 6 anliegt. Dabei
kommt es auch zu einem Fließen
des Materials des Formteils 1 im Bereich des Randstreifens 11,
das durch die konische Prägefläche 5 und die
konische Matrizenfläche 6 begünstigt wird
und zu einer Verlagerung des Materials zu kleineren Radien hin führt. Da
die bei der Prägeoperation
eingesetzte Geometrie für
das erfindungsgemäße Verfahren
von wesentlicher Bedeutung ist, wird diese nochmals im einzelnen
anhand von 3 erläutert.
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3 zeigt eine Darstellung
der geometrischen Verhältnisse
während
der in 2 dargestellten
Prägeoperation.
Dabei sind jeweils die Konturen der in 2 geschnitten dargestellten Komponenten ausschnittsweise
abgebildet. Die Darstellung bezieht sich auf einem Zeitpunkt während des
erfindungsgemäßen Fertigungsverfahrens,
zu dem der Prägestempel 3 seine
Endposition erreicht hat. In dieser Endposition erreicht die Höhe H der
in das Formteil 1 eingeprägten Stufe 12 beim vorliegenden
Ausführungsbeispiel
50 % der Ausgangsmaterialstärke
D. Der Wert von 50 % für
die auf die Ausgangsmaterialstärke
D bezogenen Stufenhöhe
H stellt zugleich einen Grenzwert dar, der bei der Anwendung des
erfindungsgemäßen Verfahrens
nicht wesentlich überschritten
werden sollte. Als minimaler Wert für die Stufenhöhe H sind
ca. 10 % der Ausgangsmaterialstärke
D anzusetzen. Dabei beträgt
der absolute Zahlenwert für
die Ausgangsmaterialstärke
D wenigstens 3 mm, d. h. das erfindungsgemäße Verfahren wird bei relativ
dicken Blechen angewendet. Das vorliegende Ausführungsbeispiel bezieht sich
auf eine Ausgangsmaterialstärke
D von 6 mm. Die konische Prägefläche 5 schließt mit der
Axialebene des Prägestempels 3 einen
Winkel α ein.
Um ein möglichst
optimales Fließverhalten
des Materials des Formteils 1 zu erreichen, sollte der
Winkel α maximal 10
Grad betragen. Dabei sollte ein minimaler Wert für den Winkel α von 4 Grad
nicht wesentlich unterschritten werden. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel beträgt der Wert
für den
Winkel α 5
Grad. Der Übergang
zwischen der Mantelfläche
und der konischen Prägefläche 5 des
Prägestempels 3 ist
nicht scharfkantig ausgebildet, sondern abgerundet, um die Materialschädigung beim
Formteil 1 während
der Prägeoperation
möglichst
gering zu halten.
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Das
wesentlichste Merkmal der Geometrie der Matrize 4 stellt
die konische Matrizenfläche 6 dar. Die
konische Matrizenfläche 6 schließt mit der
Axialebene der Matrize 4 einen Winkel β ein. Der Winkel β sollte maximal
40 Grad betragen, um eine optimale Umformung im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens
zu ermöglichen.
Der Minimalwert für
den Winkel β beträgt ca. 10
Grad betragen. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist für den Winkel β ein Wert von
35 Grad gewählt.
Von großer
Bedeutung für
das erfindungsgemäße Verfahren
ist es weiterhin, dass die konische Matrizenfläche 6 nicht scharfkantig
in den äußeren ebenen
Bereich 7 der Stirnfläche
der Matrize 4 übergeht.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel
folgt die Kontur der Matrize 4 in der Übergangszone zwischen der konischen
Matrizenfläche 6 und dem äußeren ebenen
Bereich 7 einem Kreisbogen mit dem Radius R, in den die
konische Matrizenfläche 6 und
der äußere ebene
Bereich 7 der Stirnfläche der
Matrize 4 tangential übergehen.
Durch diese Abrundung wird eine übermäßige Materialschädigung beim
Anlegen des Randstreifens 11 des Formteils 1 an
die konische Matrizenfläche 6 im
Rahmen der Prägeoperation
verhindert. Schließlich
ist noch die relative radiale Positionierung der konischen Matrizenfläche 6 zum
Randstreifen 11 des Formteils 1 von Bedeutung
für das
erfindungsgemäße Verfahren.
Um ein günstiges Umformverhalten
zu erzielen, sollte die konische Matrizenfläche 6 in Radialrichtung
wenigstens partiell mit dem Randstreifen 11 überlappen,
wobei ein Überlapp
von wenigstens 50 % der Ausgangsmaterialstärke D zu bevorzugen ist. Im
dargestellten Ausführungsbeispiel
wurde eine nahezu vollständige radiale Überlappung
gewählt.
Dabei wird für
die Ermittlung der Überlappung
stets die konische Matrizenfläche 6 ab
dem Übergangsbereich
zum äußeren ebenen
Bereich 7 der Stirnfläche
der Matrize 4 herangezogen.
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Die
vorstehend beschriebene Geometrie der Prägeoperation hat zur Folge,
dass die Materialstärke
des Formteils 1 in dem an die Lochung 2 angrenzenden
Bereich durch die Prägeoperation
nahezu unverändert
bleibt. Dies wirkt sich positiv auf die im folgenden beschriebenen
weiteren Umformschritte aus. Dabei schließt sich an die Prägeoperation
als nächster
Umformschritt eine Durchhalsoperation an.
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4 zeigt das Formteil 1 nach
der Durchführung
der Durchhalsoperation in Schnittdarstellung. Da die Durchhalsoperation
auf übliche
Art und Weise durchgeführt
wird, sind die dabei verwendeten Werkzeuge in 4 nicht eigens dargestellt, sondern es
ist lediglich die Ausbildung des Formteils 1 nach der Durchführung der
Durchhalsoperation abgebildet. Durch das Durchhalsen wird ein die
Lochung 2 umschließender
Kragen 13 ausgebildet, der senkrecht aus der Rückseite 10 des
Formteils 1 herausragt.
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An
die Durchhalsoperation schließen
sich ein oder mehrere Abstreckvorgänge an, bei denen der Kragen 13 in
Axialrichtung verlängert
wird und dessen Wandstärke
entsprechend verringert wird. Das Endergebnis der Abstreckvorgänge ist
in 5 dargestellt.
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5 zeigt das Formteil nach
der Durchführung
wenigstens eines Abstreckvorgangs in Schnittdarstellung. Bei dem
derart umgeformten Formteil 1 ragt der Kragen 13 deutlich
weiter aus der Rückseite 9 des
Formteils 1 heraus als das in 4 der Fall ist. Die Wandstärke des
Kragens 13 ist über
dessen gesamte Erstreckung ungefähr
gleich. Dies wird insbesondere auch durch die bei der Prägeoperation
gewählte
Geometrie ermöglicht.
Im Übergangsbereich zwischen
der inneren Radialfläche
des Kragens 13 und dem Boden der Stufe 12, der
nach der Umformung noch in Resten vorhanden ist, ist ein relativ kleiner
Radius ausgebildet. Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel beträgt dieser
Radius ca. 1 mm. Der Radius wird deshalb möglichst klein gewählt, um
die innere Radialfläche
des Kragens 13 als Sitzfläche für die direkte oder indirekte
Aufnahme eines oder mehrerer Lager verwenden zu können. Unter
direkter Aufnahme ist dabei das Einpressen eines oder mehrerer Lager
in den Innenraum des Kragens 13 zu verstehen, so dass das
oder die Lager unmittelbar an der inneren Radialfläche des
Kragens 13 anliegen. Bei der indirekten Aufnahme ist zwischen
der inneren Radialfläche
des Kragens 13 und dem Lager noch wenigstens ein zusätzliches
Maschinenteil angeordnet. Letzteres ist in den 6 und 7 dargestellt.
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6 zeigt das erfindungsgemäß hergestellte
Formteil 1 mit zwei darin angeordneten Rillenkugellagern 14 in
Schnittdarstellung. Eine zugehörige Aufsicht
ist in 7 dargestellt.
Zusätzlich
zum vorstehend beschriebenen Kragen 13, weist das Formteil 1 noch
weitere Konstruktionsmerkmale wie beispielsweise Gewindebohrungen 15 auf,
deren Herstellung allerdings nicht als wesentliche Aspekte der Erfindung
anzusehen sind, so dass auf eine nähere Beschreibung verzichtet
wird. Die Rillenkugellager 14 weisen jeweils einen Innenring 16,
einen Außenring 17 und
einen Satz von Kugeln 18 auf. Die Außenringe 17 der beiden
Rillenkugellager 14 werden gemeinsam von einem Lagerträger 19 umschlossen, der
als ein Blechteil mit einer Außenkontur
in Form einer Acht ausgebildet ist. Die Außenringe 17 sind in Axialrichtung
zu einer Seite hin durch die Form des Lagerträgers 19 und zur anderen
Seite hin durch ein mit dem Lagerträger 19 verschweißtes Deckelelement 20,
das ebenfalls als eine Acht geformt ist, gesichert. Der Lagerträger 19 ist
inklusive der darin fixierten Rillenkugellager 14 in das
erfindungsgemäß hergestellte
Formteil 1 eingepresst und durch Laserschweißen stoffschlüssig mit
dem Formteil 1 verbunden. Dementsprechend weist der Kragen 13 ebenfalls
die Form einer Acht auf. Diese Formgebung lässt sich am einfachsten dadurch
erzielen, dass bereits die Lochung 2 mit einer in Form
einer Acht ausgebildeten Kontur hergestellt wird.
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Das
Formteil 1 kann beispielsweise dazu verwendet werden, die
beiden Rillenkugellager 14 in einem Getriebe eines Fahrzeugs
zu fixieren und wird zu diesem Zweck mit Hilfe der Gewindebohrungen 15 mit
dem Getriebeblock verschraubt.
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- 1
- Formteil
- 2
- Lochung
- 3
- Prägestempel
- 4
- Matrize
- 5
- konische
Prägefläche
- 6
- konische
Matrizenfläche
- 7
- äußere ebener
Bereich der Stirnfläche
der Matrize 4
- 8
- innere
ebener Bereich der Stirnfläche
der Matrize 4
- 9
- Vorderseite
- 10
- Rückseite
- 11
- Randstreifen
- 12
- Stufe
- 13
- Kragen
- 14
- Rillenkugellager
- 15
- Gewindebohrung
- 16
- Innenring
- 17
- Außenring
- 18
- Kugel
- 19
- Lagerträger
- 20
- Deckelelement