DE19633030C1 - Spannhülse - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Spannhülse zum Ausgleich von axialem Spiel zwischen Maschinenelementen, die zwischen axialen Endabschnitten einen Verformungsbereich mit wenig­ stens einer radialen Ausbauchung vorbestimmter Wandstärke hat.

Bevorzugte Anwendung finden derartige, auch als Distanzhül­ sen bezeichnete, Spannhülsen zwischen paarweise angeordne­ ten Wälzlagern, insbesondere Kegelrollenlagern und Schräg­ kugellagern, mit einstellbarem Lagerspiel. Ihre Funk­ tionsweise und Vorteile sind von R. Hübener in dem Aufsatz "Verformbare Distanzhülsen für paarweise angeordnete ein­ stellbare Wälzlager" in der Zeitschrift "Konstruktion", 16. Jahrg. (1964), Heft 4, S. 143-145 dargestellt.

Die Qualität einer Spannhülse kommt in ihrem Kraft-Verfor­ mungs-Diagramm zum Ausdruck. Die Kurve der Kraft steigt mit zunehmender axialer Kompression einer rohrförmigen Spann­ hülse zunächst steil an und fällt nach Überschreiten eines Höhepunkts unter zunehmend weiterer radialer Ausbiegung wieder ab. Angestrebt wird ein möglichst flacher Abfall, d. h. eine möglichst gleichmäßige Kraft über einen bestimmten Verformungsbereich von z. B. etwa 1-1,5 mm Länge. Grund­ sätzlich näherte man sich bisher diesem Ziel durch eine be­ reits bei der Fertigung vorgenommene plastische Verformung, bei der durch radialen oder axialen Druck an der Spannhülse eine Ausbauchung vorgeformt wurde.

In Gebrauch sind zur Zeit zwei Arten von Spannhülsen. Die kostengünstigere, aber in der Kraft-Verformungs-Charakteri­ stik ungünstigere, besteht aus einem Rohrabschnitt, der in der Mitte durch radiales Drücken ausgebaucht ist. Bessere Ergebnisse werden mit vorgeformten Hülsen erreicht, die, ausgehend von einem rohrförmigen Ausgangsmaterial, zunächst zwischen axialen Endabschnitten auf eine bestimmte, gleich­ mäßige Wandstärke eingedreht und dann in einem zweiten Ar­ beitsgang durch axiale Stauchung radial ausgebaucht sind. In beiden Fällen ergeben sich in der Fertigung durch die plastische Verformung beim Ausbauchen verhältnismäßig große qualitative Unterschiede innerhalb einer Serie, d. h. star­ ke Schwankungen der individuellen Kraft-Verformungs-Dia­ gramme.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Spannhülse der eingangs genannten Art zu schaffen, die über einen be­ stimmten Verformungsbereich einen gleichmäßigeren Kraftver­ lauf bietet und sich mit geringeren qualitativen Schwankun­ gen kostengünstiger herstellen läßt als die bekannten, durch Drehen und Stauchen gefertigten Spannhülsen.

Vorstehende Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Spann­ hülse gelöst, bei der sich in axialer Richtung die Wand­ stärke wenigstens über den größten Teil des Verformungsbe­ reichs ständig ändert, wobei die Differenz zwischen der kleinsten und der größten Wandstärke mindestens 20% der kleinsten Wandstärke beträgt und sich zwischen zwei dünnen Bereichen wenigstens ein dickerer Bereich befindet.

Die gleichmäßigere Verformungskraft im Spannbereich der neuen Spannhülse dürfte darauf zurückzuführen sein, daß die dünneren Wandbereiche das anfängliche Ausbiegen radial nach außen etwas erleichtern, aber dann die dickeren Zonen im Verformungsbereich der weiteren Verformung größeren Wider­ stand entgegensetzen, d. h. einen flacheren Abfall der Kraftkurve ergeben als bei einer Spannhülse mit im Verfor­ mungsbereich durchgehend gleicher Wandstärke.

Die Änderung der Wandstärke im Verformungsbereich erfolgt vorzugsweise stetig, es können aber auch ein oder mehrere stufenförmige Durchmesseränderungen oder z. B. stumpfwink­ lige umlaufende Kanten in der Mantelfläche vorhanden sein.

Ein wesentlicher Vorteil der neuen Spannhülse ist somit die größere Vielfalt der Einflußmöglichkeiten auf die Kraft- Verformungs-Charakteristik. Das ist wichtig, weil die Spannhülsen normalerweise keine Standardelemente sind, son­ dern für bestimmte Anwendungsfälle entwickelt und speziell ausgelegt werden. Dabei sind die Länge und der Durchmesser normalerweise vorgegeben. Deshalb war bisher die Einfluß­ möglichkeit auf die Wahl des Materials und einer bestimmten Wandstärke sowie das Ausmaß der plastischen Vorverformung beschränkt. In allen Fällen ergab sich jedoch ein verhält­ nismäßig steiler Abfall der über der Verformung aufgetrage­ nen Kurve der Spannkraft nach Überschreiten der Höchst­ kraft. Bei der erfindungsgemäßen Spannhülse ist nicht nur der Abfall flacher, sondern sie kann in ihren elastischen und plastischen Verformungseigenschaften auch besser "maß­ geschneidert" werden, weil zusätzlich zu den bereits ge­ nannten Einflußfaktoren die Wanddickenänderung im Verfor­ mungsbereich theoretisch unendlich viele Änderungsmöglich­ keiten bietet, um das Kraft-Verformungs-Diagramm einer Spannhülse bestimmten Durchmessers und bestimmter Länge zu beeinflussen.

Die erfindungsgemäße Spannhülse bietet auch Vorteile, wenn sie in herkömmlicher Weise zunächst spangebend bearbeitet und dann durch axiale Stauchung oder ggf. durch radiales Drücken bis zu einem gewissen Grade plastisch verformt wird. Durch die vorgeschlagene Änderung der Wanddicke im Verformungsbereich läßt sich auch bei im übrigen herkömmli­ cher Fertigung zumindest ein flacherer Abfall der zur Ver­ formung notwendigen axialen Kraft und eine bessere Anpas­ sung an bestimmte Verhältnisse im Einzelfall erreichen. Die Schwankungsbreite der Ergebnisse innerhalb einer Serie kann durch einen geringeren plastischen Verformungsgrad verbes­ sert werden. Die besten Ergebnisse lassen sich jedoch nach bisheriger Erfahrung erzielen, wenn in bevorzugter Ausge­ staltung der Erfindung die äußere Form der Spannhülse al­ lein durch spangebende Bearbeitung erzeugt ist.

Man schaltet durch den Wegfall der plastischen Vorverfor­ mung grundsätzlich alle dadurch verursachten Ungleichmäßig­ keiten aus, die insbesondere deshalb zustande kommen, weil sich Inhomogenitäten des Materials bei starker plastischer Verformung sehr unterschiedlich auswirken. Darüber hinaus ergibt sich ein beträchtlicher Kostenvorteil gegenüber den bisher zunächst spangebend und dann spanlos durch plasti­ sche Verformung vorgeformten Spannhülsen durch den Fortfall des zuletzt genannten Arbeitsvorgangs.

Die mit den neuen Spannhülsen erzielten Ergebnisse sind in­ sofern überraschend, als vorangegangene Versuche gezeigt hatten, daß Spannhülsen, die allein durch spangebende Bear­ beitung mit einer Ausbauchung mit gleichmäßiger Wandstärke hergestellt wurden, einen stärkeren Abfall der Kraft-Ver­ formungs-Charakteristik zeigten als solche, die durch pla­ stische Verformung vorgeformt worden waren.

Weitere Versuche haben ergeben, daß die äußere Form der er­ findungsgemäßen Spannhülse auch durch Sintern, Fließpres­ sen, Schmieden oder Gießen sowie ggf. ähnliche Formgebungs­ verfahren ohne anschließende plastische Verformung herge­ stellt werden kann. Da jedoch für fast alle Anwendungsfälle ganz speziell geformte Spannhülsen gebraucht werden, haben normalerweise die spangebenden Bearbeitungsverfahren Drehen und Schleifen Kostenvorteile gegenüber spanlosen Verfahren, bei denen hohe Kosten für Formwerkzeuge anfallen. Hierbei ist auch zu berücksichtigen, daß normalerweise die optimale Gestaltung einer Spannhülse für einen speziellen Anwen­ dungsfall empirisch durch Versuche ermittelt werden muß. Die dazu notwendigen Veränderungen bei der Annäherung an die optimale Gestaltung lassen sich auf einer Drehbank oder Schleifmaschine sehr schnell und einfach vornehmen, während Änderungen an Formwerkzeugen wesentlich aufwendiger sind.

Bei Spannhülsen in den am häufigsten gebrauchten Durchmes­ ser- und Längenbereichen wird man normalerweise ebenso wie bei den bekannten, durch Drehen und Stauchen erzeugten Spannhülsen eine einzige Ausbauchung in der Mitte zwischen den axialen Endabschnitten der Spannhülse und symmetrischer Gestaltung mit Bezug auf eine mittlere Querebene vorsehen. In der Regel unterscheidet sich in diesem Fall die erfin­ dungsgemäße Spannhülse von der herkömmlichen dadurch, daß die Wandstärke in den an die axialen Endabschnitte angren­ zenden Zonen des Verformungsbereichs ein wenig dünner ist und dann von beiden Seiten zur Mitte der Ausbauchung hin stetig zunimmt, so daß sich in der Mitte des Verformungsbe­ reichs eine Wandstärke ergibt, die merklich größer ist als bei einer zum gleichen Zweck eingesetzten herkömmlichen Spannhülse. Die Differenz zwischen der kleinsten und der größten Wandstärke wird dabei meistens etwa 30-50% der kleinsten Wandstärke betragen.

Ebenfalls aus Kostengründen empfiehlt es sich, bei der spangebenden Bearbeitung der erfindungsgemäßen Spannhülse von einem rohrförmigen Ausgangsmaterial auszugehen, von dem innen und außen möglichst wenig abgedreht oder abgeschlif­ fen zu werden braucht. Auf die Bearbeitung der äußeren Um­ fangsflächen der axialen Endabschnitte kann dabei oft ver­ zichtet werden. Somit ergeben sich in aller Regel Spannhül­ sen, die mit ihren Umfangsflächen auf einer ebenen Unterla­ ge mit paralleler Mittellängsachse gerade aufliegen, wäh­ rend bei herkömmlichen, plastisch vorverformten Spannhülsen die Ausbauchung normalerweise radial über den Außenumfang der axialen Endabschnitte vorsteht, so daß die Spannhülsen, wenn man sie auf ihre Umfangsfläche legt, kippen und in Schräglage liegen bleiben, was ggf. besondere Maßnahmen in Förder- und Zuführeinrichtungen von Verpackungs- und Monta­ geautomaten erfordert.

Aus den vorstehenden Ausführungen ist ersichtlich, daß Ge­ genstand der Erfindung sowohl eine neue Spannhülse als auch ein neues Verfahren zur Herstellung einer solchen ist, wo­ bei, ausgehend von einem rohrförmigen Ausgangsmaterial, die äußere Form, d. h. sowohl die radial innere wie auch die radial äußere Kontur, allein durch eine spangebende Bear­ beitung erzeugt wird. Die Spannhülse kann im Einzelfall nach dieser Formgebung noch wärmebehandelt werden.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend an­ hand der beiliegenden Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine Spann­ hülse;

Fig. 2 das Profil der Spannhülse nach Fig. 1 in größerem Maßstab mit beispielhaft angegebenen Maßen für die sich ständig ändernde Wandstärke;

Fig. 3 ein Kraft-Verformungs-Diagramm, in wel­ chem die Charakteristik einer Spannhül­ se mit über den Verformungsbereich ver­ änderlicher Wandstärke der Charakteri­ stik einer vergleichbaren herkömmlichen Spannhülse gegenübergestellt ist.

Die in Fig. 1 und 2 gezeigte Spannhülse besteht aus Stahl, könnte aber auch aus einem anderen Metall, einer Metalle­ gierung oder ggf. sogar einem nichtmetallischen Werkstoff, wie z. B. Kunststoff, gefertigt sein. Die gezeigte Form, d. h. die Kontur der radial inneren und der radial äußeren Mantelflächen, ist allein durch Drehen, im Beispielsfall aus einem Rohr ST 35 BK mit 35,4 mm Außendurchmesser, er­ zeugt worden. Eine plastische Verformung durch axiales Stauchen ist nicht erfolgt. Die Spannhülse kommt in der dargestellten Form mit den angegebenen Maßen zum Einbau, z. B. zur Distanzierung paarweise angeordneter Kegelrollenla­ ger.

Die gezeigte Spannhülse gliedert sich in zwei axiale Endab­ schnitte 10, 12 und einen dazwischen angeordneten Verfor­ mungsbereich 14. Die axialen Endabschnitte haben eine gleichmäßige Wandstärke, die aus den in der Zeichnung ange­ gebenen Maßen hervorgeht. Sie brauchen auf ihren äußeren Umfangsflächen nicht bearbeitet zu sein, so daß sich die Dreh- und/oder Schleifbearbeitung auf die innere Umfangs­ fläche sowie radial außen nur den Verformungsbereich 14 be­ schränkt.

Gemäß Fig. 2 schließt sich radial außen an die Endab­ schnitte 10 und 12 jeweils eine umlaufende, ausgerundete Einsenkung 16 bzw. 18 an, während sich die zylindrische in­ nere Umfangswand der Endabschnitte 10 und 12 mit unverän­ dertem Durchmesser über die Endabschnitte hinaus noch wei­ ter zur axialen Mitte der Spannhülse hin erstreckt, so daß es infolge der äußeren gerundeten Einsenkungen 16, 18 zu einer Verringerung der Wandstärke bis auf ein bestimmtes Mindestmaß kommt, welches sich aus den in Fig. 2 einge­ zeichneten Maßen ergibt.

Im weiteren axialen Verlauf von den Enden zur Mitte der Spannhülse hin folgt von beiden Seiten auf die genannten Einsenkungen 16, 18 eine radiale Ausbauchung 20, die aber nicht über den Außendurchmesser der axialen Endabschnitte 10, 12 hinausgeht. Die Ausbauchung der Außenkontur wird be­ gleitet durch eine Einsenkung 22 bzw. konkave radiale Aus­ bauchung der inneren Umfangsfläche der Spannhülse. Im Längsschnitt sind die äußeren Einsenkungen 16, 18 und die äußere Ausbauchung 20 durch Radien gebildet, deren Kreisbo­ gen an Wendepunkten stetig ineinander übergehen, und auch die innere Einsenkung 22 geht über Wendepunkte und An­ schlußradien stetig in die zylindrischen Umfangsflächen der Endabschnitte 10, 12 über. Der größte Teil der äußeren Aus­ bauchung 20 und der inneren Einsenkung 22 sind jeweils durch einen einzigen Radius erzeugt. Die Mittelpunkte bei­ der Kreisbögen liegen in derselben, in Fig. 2 strichpunk­ tiert angegebenen Querebene in der Mitte zwischen den axia­ len Enden der Spannhülse. Wie angegeben, ist der die äußere Ausbauchung 20 erzeugende Radius wesentlich kleiner als der die innere Einsenkung 22 definierende Radius. Dadurch er­ gibt sich von den Stellen minimaler Wandstärke in den äuße­ ren Einsenkungen 16, 18 aus zur axialen Mitte der Ausbau­ chung 20 hin eine stetige Zunahme der Wandstärke der Spann­ hülse.

In dem Diagramm nach Fig. 3 ist auf der Abszisse die Ver­ kürzung der Spannhülse in Millimeter und auf der Ordinate die axiale Belastung in KN aufgetragen. Der schraffierte Bereich ist ein für einen bestimmten Anwendungsfall vorge­ gebener Toleranzbereich, in welchem die Kennlinien der ver­ messenen Spannhülsen liegen sollen. Die mit A bezeichnete Kurve kennzeichnet eine in herkömmlicher Weise durch Drehen und axiales Stauchen hergestellte Spannhülse, während die mit B bezeichnete Kurve den über der Längenänderung aufge­ tragenen Kraftverlauf einer für denselben Anwendungsfall vorgesehenen erfindungsgemäßen Spannhülse mit über den Ver­ formungsbereich veränderlicher Wandstärke darstellt. Beide Kurven liegen zwar in dem im Beispielsfall zugelassenen, schraffierten Toleranzfeld, man erkennt aber, daß der Ab­ fall der Kraft nach Überschreiten des Höhepunkts mit zuneh­ mender Verformung bei der erfindungsgemäßen Spannhülse we­ sentlich flacher, d. h. die Kraft entsprechend gleichmäßi­ ger ist als bei der herkömmlichen Spannhülse. Da auch die Reproduzierbarkeit des Ergebnisses innerhalb einer Serie erfindungsgemäßer Spannhülsen infolge des Wegfalls des Ar­ beitsvorgangs der plastischen Vorverformung besser ist, kann in Zukunft der schraffierte Toleranzbereich eingeengt werden, und zwar sogar bei gleichzeitiger Senkung der Her­ stellungskosten.

Claims (12)

1. Spannhülse zum Ausgleich von axialem Spiel zwischen Ma­ schinenelementen, die zwischen axialen Endabschnitten (10, 12) einen Verformungsbereich (14) mit wenigstens einer radialen Ausbauchung (20) vorbestimmter Wandstär­ ke hat, dadurch gekennzeichnet, daß sich in axialer Richtung die Wandstärke wenigstens über den größten Teil des Verformungsbereichs (14) ständig ändert, wobei die Differenz zwischen der kleinsten und der größten Wandstärke mindestens 20% der kleinsten Wandstärke beträgt und sich zwischen zwei dünnen Bereichen (16, 18) wenigstens ein dickerer Bereich (20, 22) befindet.

2. Spannhülse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ihre äußere Form allein durch spanende Bearbeitung er­ zeugt ist.

3. Spannhülse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ihre äußere Form durch Sintern, Fließpressen, Schmieden oder Gießen erzeugt ist.

4. Spannhülse nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Differenz zwischen der klein­ sten und der größten Wandstärke etwa 30-50% der kleinsten Wandstärke beträgt.

5. Spannhülse nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus Metall, insbesondere aus Stahl, besteht.

6. Spannhülse nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß sich an jeden Endabschnitt (10, 12) jeweils ein dünner Bereich (16, 18) anschließt und sich zwischen diesen ein zur Mitte hin zunehmend dickerer, die Ausbauchung bildender Bereich (20, 22) befindet.

7. Spannhülse nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen mit Bezug auf eine mitt­ lere Querebene symmetrischen Querschnitt hat.

8. Spannhülse nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandstärke der axialen Endab­ schnitte (10, 12) größer ist als die dünnste Wandstär­ ke.

9. Spannhülse nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der größte Außendurchmesser der Ausbauchung (20) etwa so groß ist wie der Außendurch­ messer der Endabschnitte (10, 12).

10. Spannhülse nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausbauchung (20, 22) im axialen Längsschnitt durch einen äußeren Kreisbogen mit relativ kleinerem Radius und einen inneren Kreisbogen mit rela­ tiv größerem Radius gebildet ist, wobei die Mittelpunk­ te auf derselben Querlinie liegen.

11. Verfahren zur Herstellung einer Spannhülse nach An­ spruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß, ausgehend von einem rohrförmigen Ausgangsmaterial, die äußere Form allein durch eine spangebende Bearbeitung erzeugt wird.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannhülse nach der Formgebung wärmebehandelt wird.