ThyssenKrupp Automotive AG 06540

44793 Bochum

Sicherungselement zur axialen Sicherung eines Lagers auf einer Welle

Beschreibung

Die Erfindung betrifft ein Sicherungselement zur Sicherung einer Axialposition eines Lagers auf einer Welle, wobei das Sicherungselement eine zentrale öffnung aufweist, mit der es auf die Welle aufschiebbar ist, und wobei das Sicherungselement durch eine kraftschlüssige Verbindung an der Welle anbringbar ist, sodass es ein in Axialrichtung fest positioniertes Widerlager für das Lager bildet. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Montage einer Welle mit mindestens einem auf der Welle angeordneten, in axialer Richtung gesicherten Lager, wobei ein Sicherungselement mit seiner zentralen öffnung auf die Welle aufgeschoben und dann an einer bestimmten Axialposition mit der Welle kraftschlüssig verbunden wird, sodass es ein in Axialrichtung fest positioniertes Widerlager für das Lager bildet.

Ein derartiges Sicherungselement und auch ein derartiges Verfahren sind aus der EP 1 593 880 A1 bekannt. In dieser Druckschrift wird eine Verstellwelle eines hubvariablen Ventiltriebs vorgestellt, die aus einem Wellenkörper, Exzenternocken und einem Antriebsbauteil besteht, wobei die Komponenten als separate Einzelteile getrennt voneinander gefertigt sind und zur Bildung der Verstellwelle am Wellenkörper angeordnet sind. Weiter umfasst die Verstellwelle Wellenlager, die durch Distanzhalter am Wellenkörper positioniert sind. In der EP 1 593 880 A1 ist erwähnt, dass die Distanzhalter kraftschlüssig in Form einer Presspassung am Wellenkörper angebracht sein können. Gleichzeitig kann jedoch auch die Welle zumindest an den Lagerstellen vor der Montage fertig bearbeitet sein. Sind, wie

dies allgemein üblich ist, bei derartigen Wellen mehrere Lagerstellen vorhanden, die in axialer Richtung voneinander beabstandet angeordnet sind, so ist es erforderlich, die Distanzhalter über zumindest einige bereits fertig bearbeitete Oberflächenbereiche der Welle hinweg an ihre vorbestimmte Axialposition zu bringen und dort die Presspassung auszubilden. Der EP 1 593 880 A1 sind keine Hinweise zu entnehmen, wie die erwähnten Distanzhalter ausgebildet werden können bzw. werden müssen, um insbesondere sicherzustellen, dass beim Aufbringen der Distanzhalter die fertig bearbeiteten Bereiche der Welle nicht beschädigt werden.

In der US 5,795,258 wird ein washer für ein Planetenrad eines Planetenradgetrie- bes vorgestellt, der aus einem im Wesentlichen flachen Stahlring besteht, der eine zentrale öffnung und einen kreisförmigen Außenumfang aufweist. Als Schmiernuten sind an der Seitenfläche sehnenförmig verlaufende Vertiefungen ausgebildet. Die Montage eines derartigen Ringes erfolgt durch Presssitz auf die Welle. Die Pressung muss entsprechend stark ausgebildet sein, um das Planetenrad in seiner Axialposition zu halten. Es ist jedoch nicht möglich, diesen washer über einen fertig bearbeiteten Oberflächenabschnitt der Welle, wie z.B. eine Lagerstelle, hinwegzuschieben, ohne die Welle im Lagerabschnitt zu beschädigen.

Weiter sind aus dem Stand der Technik (z.B. US 3,701 ,303) Sicherungsringe bekannt, die mit Spezialwerkzeug geöffnet gehalten werden und in umlaufende Nuten an der Welle eingesetzt werden. Diese Verfahrensweise gestattet zwar, Beschädigungen an Lagerabschnitten der Welle zu vermeiden. Allerdings sind Nuten in der Welle erforderlich. Nuten müssen in separaten Fertigungsoperationen in die Welle eingebracht werden und schwächen die Welle. Bei entsprechenden Belastungen geht die Schwächung aufgrund der Kerbwirkung weit über die einfache Reduktion der Wandstärke hinaus.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein einfaches und kostengünstiges Sicherungselement zur Sicherung der Axialposition eines Lagers auf einer Welle zur Verfügung zu stellen, welches an beliebigen Axialpositionen einer Welle kraft-

schlüssig mit dieser verbunden werden kann, ohne dass bereits fertig bearbeitete Oberflächenbereiche der Welle beschädigt werden.

Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Sicherungselement mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.

Der Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Montage einer Welle mit mindestens einem auf der Welle angeordneten, in axialer Richtung gesicherten Lager anzugeben, bei dem ein kraftschlüssig mit der Welle zu verbindendes Sicherungselement an einer beliebigen Axialposition der Welle kraftschlüssig mit dieser verbunden werden kann, ohne dass bereits fertig bearbeitete Oberflächenbereiche der Welle beschädigt werden.

Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren gemäß Patentanspruch 4. Vorteilhafte Weiterbildungen des Verfahrens sind in den entsprechenden Unteransprüchen angegeben.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass ein ringförmig ausgebildetes Sicherungselement mit einer bestimmten ovalen Form ausgebildet werden kann, sodass im entlasteten Zustand des Sicherungselementes dessen zentrale öffnung eine lange und eine kurze Halbachse aufweist, und dass die beiden Halbachsen so zueinander dimensioniert werden können, dass die kurze Halbachse im entlasteten Zustand kürzer und die lange Halbachse im entlasteten Zustand länger ist als der Außenradius der Welle, auf der das Sicherungselement zu befestigen ist, wobei gleichzeitig durch die Dimensionierung der Form des Sicherungselementes sichergestellt ist, dass das Sicherungselement durch in Richtung der langen Halbachse wirkende, einander entgegengesetzt gerichtete Kräfte derart elastisch verformt werden kann, dass beide Halbachsen im elastisch verformten Zustand länger sind als der Außenradius der Welle. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass in dem auf diese Weise erzeugten, elastisch verformten Zustand des Sicherungs-

elementes dessen zentrale öffnung stets größer ist als der Außenradius der Welle, sodass das Sicherungselement mit Spiel über die Welle geschoben werden kann, ohne diese zu berühren. Auf diese Weise kann das Sicherungselement an einer beliebigen Axialposition der Welle positioniert werden, ohne dass eine Berührung des Sicherungselementes mit der Welle erfolgt. Wird das Sicherungselement an der vorbestimmten Axialposition entlastet, d.h. werden die die elastische Verformung des Sicherungselementes bewirkenden Kräfte zurückgenommen, so bildet das Sicherungselement mit der Welle an dieser Axialposition aufgrund der elastischen Rückfederung des Materials des Sicherungselementes eine kraftschlüssige Verbindung aus.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist gut automatisierbar und kostengünstig. Mit dem erfindungsgemäßen Sicherungselement und dem erfindungsgemäßen Verfahren kann eine Sicherung der Axialposition eines Lagers an beliebigen Axialpositionen der Welle erfolgen. Die Erfindung ist dabei für beliebige Lager (z.B. Nadellager, Wälzlager, Gleitlager) anwendbar.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Im Einzelnen zeigen

Fig. 1 ein Sicherungselement in isometrischer Ansicht; Fig. 2 das Sicherungselement gemäß Fig. 1 in Seitenansicht; Fig. 3 das Sicherungselement gemäß Fig. 2 im axialen Halbschnitt gemäß Linie

A-A in Fig. 2; Fig. 4 einen Wellenabschnitt mit montierten Sicherungselementen zur Sicherung eines Lagers; Fig. 5 einen Wellenabschnitt mit montierten Sicherungselementen zur axialen

Sicherung eines Lagers im axialen Halbschnitt; Fig. 6 ein Sicherungselement gemäß Fig. 1 und 2 im belasteten Zustand während des Aufschiebens auf eine Welle; Fig. 7 das Sicherungselement gemäß Fig. 6 im entlasteten Zustand;

Fig. 8 eine Verstellwelle für hubvariable Ventiltriebe mit darauf montierten Sicherungselementen und Lagern sowie darauf montierten Verstellnocken in perspektivischer Ansicht.

In Fig. 1 ist ein erfindungsgemäßes Sicherungselement 1 in isometrischer Darstellung gezeigt. Man erkennt die ovale Form des ringförmigen Sicherungselementes 1 mit seiner zentralen öffnung 4.

In der in Fig. 2 dargestellten Seitenansicht wird die ovale Form des nicht durch äußere Kräfte belasteten Sicherungselementes 1 noch deutlicher. Hier ist gut zu erkennen, dass die zentrale öffnung 4 des Sicherungselementes 1 zwei Halbachsen 5, 6 aufweist, wobei die Halbachse 5 länger ist als die Halbachse 6. Die doppelte Länge der Halbachse 6 legt den Durchmesser D1 des Sicherungselementes fest. Der Durchmesser D2, der größer ist als der Durchmesser D1 , wird durch die doppelte Länge der Halbachse 5 festgelegt. In Fig. 2 ist durch die Linie A-A die Schnittebene angegeben, die in Fig. 3 dargestellt ist. Wie in Fig. 3 dargestellt, weist das ringförmige Sicherungselement eine Breite B und eine Dicke s auf. Wie in Fig. 2 zu erkennen, ist die Dicke s des ringförmigen Sicherungselementes über den Umfang des Sicherungselementes im Wesentlichen konstant.

In Fig. 4 ist ein Lager 2 dargestellt, das mit beidseitig des Lagers 2 angeordneten Sicherungselementen 1 axial gesichert ist. Die Sicherungselemente 1 sind kraftschlüssig mit der Welle 3 verbunden und bilden Widerlager, die Kräfte in Axialrichtung aufnehmen können. Auf diese Weise stützt sich das Lager 2 an den Sicherungselementen 1 ab, wenn Axialkräfte auf das Lager 2 einwirken, und wird dadurch in der vorgesehenen Axialposition gehalten.

In Fig. 5 ist ein axialer Halbschnitt einer Welle 3 mit darauf montierten Sicherungselementen 1 und einem zwischen diesen angeordneten Lager 2 dargestellt. Das Lager 2 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel als Nadellager ausgebildet.

Es versteht sich, dass das Lager 2 z.B. auch als Gleitlager oder als Wälzlager mit beliebigen Wälzkörpern ausgebildet sein kann.

Die Sicherungselemente 1 werden durch eine kraftschlüssige Verbindung mit der Welle 3 auf dieser in einer vorbestimmten Axialposition fixiert. Die Welle 3 schwächende Nuten sind nicht erforderlich, um die Sicherungselemente 1 in ihrer Axialposition zu halten.

In Fig. 6 ist der belastete Zustand des Sicherungselementes 1 dargestellt. Hier ist das ringförmige Sicherungselement 1 durch zwei entgegengesetzt gerichtete und in Richtung der langen Halbachse 5 wirkende Kräfte F belastet. Durch die Belastung durch die entgegengesetzt gerichteten Kräfte F ist das Sicherungselement 1 in dem in Fig. 6 dargestellten Zustand elastisch verformt. Im dargestellten Zustand hat das Sicherungselement 1 aufgrund der elastischen Verformung eine etwa kreisringförmige Form angenommen. Durch diese elastische Verformung haben sich die Halbachsen des Sicherungselementes verändert. Die im unverformten Zustand des Sicherungselementes 1 lange Halbachse 5 hat sich verkürzt und bildet nun die Halbachse 5' im elastisch verformten Zustand des Sicherungselementes 1. Gleichzeitig hat sich die im entlasteten Zustand kurze Halbachse 6 verlängert und bildet nun die Halbachse 6' des Sicherungselementes 1 im elastisch verformten Zustand. In dem in Fig. 6 dargestellten Fall sind die Halbachsen 5' und 6' in etwa gleich lang, sodass das Sicherungselement 1 in etwa kreisringförmig ist. Die Halbachse 5' und die Halbachse 6' sind beide um die Länge h länger als der Radius r der Welle 3. Der doppelte Radius r legt den Durchmesser d der Welle 3 fest.

Wegen der elastischen Verformung des Sicherungselementes 1 durch die entgegengesetzt gerichteten Kräfte F entsteht somit ein Spiel h, durch das es möglich wird, das Sicherungselement 1 in axialer Richtung über die Welle 3 zu schieben, ohne dass das Sicherungselement 1 die Welle 3 berührt. Somit kann das Sicherungselement 1 zu einer beliebigen Axialposition auf der Welle 3 bewegt werden,

ohne dass eine Berührung zwischen dem Sicherungselement 1 und der Welle 3 erfolgt. Etwaige fertig bearbeitete Oberflächenabschnitte der Welle 3 können auf diese Weise nicht beschädigt werden, sodass das Sicherungselement 1 an einer beliebigen axialen Position der Welle 3 positioniert und dort fixiert werden kann, ohne dass eine Beschädigung der Oberfläche der Welle 3 befürchtet werden muss.

In Fig. 7 ist der entlastete Zustand des Sicherungselementes 1 dargestellt. Durch den Fortfall der Kräfte F, die die elastische Verformung des Sicherungselementes bewirkt hatten, ist das Sicherungselement 1 bestrebt, durch elastische Rückfederung in die Form zurückzugelangen, die es im unbelasteten Zustand (siehe Fig. 2) hatte. Die elastische Rückfederung in den unbelasteten Zustand wird jedoch durch die Welle 3 verhindert. Somit legt sich das Sicherungselement 1 unter Ausbildung einer kraftschlüssigen Verbindung an den Außenumfang der Welle 3 an und ist dadurch axial auf der Welle 3 fixiert. Die größten Axialkräfte können von dem auf der Welle 3 montierten Sicherungselement 1 dann aufgenommen werden, wenn dieses bis gerade an die Grenze zur plastischen Verformung elastisch verformt wurde, weil dann die maximale elastische Rückfederung ausgenutzt werden kann. Jegliche plastische Verformung sollte dabei vermieden werden.

In dem in Fig. 7 dargestellten montierten Zustand des Sicherungselementes 1 weist das Sicherungselement 1 eine lange Halbachse 5" und eine kurze Halbachse 6" auf. Die lange Halbachse 5" ist kürzer als die lange Halbachse 5 im entlasteten Zustand, jedoch länger als die lange Halbachse 5' im belasteten Zustand gemäß Fig. 6. Analoges gilt für die kurze Halbachse 6", diese ist länger als die kurze Halbachse 6 gemäß Fig. 2 im unbelasteten Zustand und kürzer als die Halbachse 6' im belasteten Zustand des Sicherungselementes 1.

Bei dem in Fig. 7 dargestellten Ausführungsbeispiel sind im Bereich des Endes der langen Halbachse 5" Hohlräume zwischen der Welle 3 und dem Sicherungselement 1 ausgebildet. Diese Hohlräume können zur Schmiermittelversorgung der

Welle genutzt werden. Diese Hohlräume wirken dann als Kanäle, durch die Schmiermittel hindurchgeleitet werden kann. Auf diese Weise können die Sicherungselemente 1 in die Schmiermittelversorgung der Welle integriert werden.

In Fig. 8 ist eine fertig zusammengebaute Verstellwelle dargestellt, wie sie z.B. als Verstelleinrichtung für einen hubvariablen Ventiltrieb bei einem Verbrennungsmotor verwendet wird. Auf der Welle 3 sind ein Antriebselement 7, mehrere Verstellnocken 8, Lager 2 sowie diese Lager in axialer Richtung sichernde Sicherungselemente 1 angeordnet.

Die Breite B des Sicherungselementes kann je nach der Größe der abzustützenden Axialkraft und in Abhängigkeit von den Einbauverhältnissen angepasst werden.

Als Werkstoff für das Sicherungselement wird bevorzugt Stahl verwendet. Je nach geforderten Axialkräften können jedoch auch Kunststoff, Aluminium, Messing oder andere Nichteisenmetalle geeignete Materialien für das Sicherungselement sein.

Für aus Stahl bestehende Sicherungselemente können folgende Dimensionie- rungsregeln beispielhaft angegeben werden: Die lange Halbachse 5 kann z.B. im Bereich von 5 bis 15 % länger sein als die kurze Halbachse 6. Brauchbare Ergebnisse wurden beispielsweise erhalten, wenn die lange Halbachse 10 % größer war als die kurze Halbachse 6 (jeweils im unbelasteten Zustand). Die kurze Halbachse 6 kann im Bereich von 2 bis 8 % länger sein als der Außenradius r der Welle. Brauchbare Ergebnisse wurden z.B. erhalten, wenn die kurze Halbachse 6 um 5 % länger war als der Außenradius r der Welle. Die Materialstärke s des Sicherungselementes kann bevorzugt 1/3 bis 2/3 der Breite B des Sicherungselementes 1 betragen. Brauchbare Ergebnisse wurden erhalten, wenn die Materialstärke s der halben Breite B des Sicherungselementes entsprach.

Bezugszeichenliste

1 Sicherungselement

2 Lager

3 Welle, Wellenkörper

4 öffnung

5 Halbachse

5' Halbachse

5" Halbachse

6 Halbachse

6' Halbachse

6" Halbachse

7 Antriebselement, Antriebsbauteil

8 Verstellnocken

D1 Durchmesser

D2 Durchmesser

B Breite

S Materialstärke h Länge, Spiel d Durchmesser r Radius

F Kraft