Wellenanordnung eines elektromotorischen Hilfsantriebes, Verfahren zum Sichern eines Funktionselementes auf einer Welle sowie Spreizring

Die Erfindung bezieht sich auf eine Wellenanordnung eines elektromotorischen Hilfsantriebes für Fahrzeuge, mit wenigstens einer Welle und mit einem auf dieser Welle durch axiales Verspannen gesicherten Funktionselement gemäß Oberbegriff Patentanspruch 1.

Weiterhin bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zum axialen Sichern wenigstens eines Funktionselementes auf einer Welle eines elektromotorischen Hilfsantriebs für Fahrzeuge gemäß Oberbegriff Patentanspruch 15 sowie auf einen Spreizring gemäß Oberbegriff Patentanspruch 22.

Insbesondere bei Kleinmotoren elektrischer Hilfsantriebe für Fahrzeuge ist es üblich und notwendig, Funktionselemente, d.h. z.B. Lagerelemente, beispielsweise die auf einer Welle, z.B. Ankerwelle vorgesehenen inneren Lagerringe von Kugellagern axial und spielfrei auf der Welle zu sichern. Hierfür ist es bei Ankerwellen für Kleinmotoren für Fahrzeughilfsantriebe in der Praxis üblich, zusätzlich zu einer beispielsweise von einem Halterring oder C-Clip gebildete axiale Abstützung, gegen die der Lagerring mit einer Stirnseite anliegt, eine Metallbuchse zu verwenden, die gegen die andere Stirnseite des Lagerringes angepresst und unter hoher radialer Krafteinwirkung an einer in der Welle vorgesehenen Nut durch Vercrimpen oder Verquetschen verankert wird. Nachteilig hierbei ist u.a., dass es durch

die hohe, für das Vercrimpen notwendige radiale Krafteinwirkung zu einem Verbiegen der Welle kommen kann.

Zur axialen Sicherung eines Lagerringes auf der Ankerwelle eines elektrischen Kleinmotors ist auch bekannt (DE 40 39 453 Al), auf der Ankerwelle ein axial wirkendes Spannelement in Form einer die Ankerwelle umschließenden Druckfeder vorzusehen, die sich mit einem Ende an der Ankerwelle abstützt und mit ihrem anderen Ende gegen das Lagerelement anliegt, sodass dieses zwischen der Druckfeder und einer auf der Ankerwelle vorgesehenen und sich an dieser Ankerwelle axial abstützenden Buchse eingespannt ist. Diese bekannte axiale Sicherung des inneren Lagerringes eines Kugellagers ist aber konstruktiv und hinsichtlich der Montage sehr aufwendig.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Wellenanordnung aufzuzeigen, die bei reduziertem, konstruktivem Aufwand eine zuverlässige und insbesondere auch dauerhafte axiale Fixierung eines Funktionselementes auf einer Welle sicherstellt. Zur Lösung dieser Aufgabe ist eine Wellenanordnung entsprechend dem Patentanspruch 1 ausgebildet.

Ein Verfahren zum Sichern eines Funktionselementes auf einer Welle ist erfindungsgemäße entsprechend dem Patentanspruch 15 ausgebildet. Ein Spreizring zur Verwendung bei der erfindungsgemäßen Anordnung sowie bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist Gegenstand des Patentanspruchs 22.

Bei der Erfindung erfolgt die axiale Sicherung des jeweiligen Funktionselementes, welches beispielsweise ein Lagerelement, z.B. der innere Lagerring eines Kugel- oder Nadellagers ist, in besonders einfacher Weise durch Aufsetzen des Spreizringes auf die Welle, durch axiales Sichern des Spreizringes an der Welle und durch anschließendes bleibendes Verformen des wenigstens einen, die Welle umschließenden und

Wandabschnitts des Spreizringes in eine taillierte Form. Hierbei erfolgen eine Vergrößerung der axialen Abmessung des Spreizringes und damit ein axiales Spreizen dieses Ringes, und zwar für das spielfreie axiale Sichern bzw. Verspannen des jeweiligen Funktionselementes auf der Welle. Die Welle ist dabei beispielsweise die Ankerwelle des Kleinmotors des elektrischen Hilfsantriebs für Fahrzeuge oder aber eine andere Welle eines derartigen Hilfsantriebs. Der elektrische Hilfsantrieb ist z.B. ein

Scheibenwischerantrieb, ein Antrieb für eine elektrischer Sitzverstellung, ein Antrieb eines elektrischen Fensterhebers usw.

Das axiale Sichern des Spreizringes auf der jeweiligen Welle sowie auch das anschließende Spreizen bzw. Verformen des Spreizringes erfolgen durch eine gleichmäßig am Umfang des Spreizringes verteilte radiale Kraftbeaufschlagung. Hierbei ist es nicht erforderlich, dass radiale Kräfte direkt auf die Welle eingeleitet werden, womit u.a. auch die Gefahr eines Verbiegens der Welle vermieden ist.

Das für den Spreizring verwendete Material ist so ausgewählt, dass der Spreizring beim Spreizen bleibend verformt wird und eine permanente Einspannkraft auf das jeweilige Funktionselement mittelbar oder unmittelbar ausübt, sodass auch während eines längeren Betriebes beispielsweise durch Temperaturwechsel bedingte Längenänderungen von dem gespreizten Spreizring ausgeglichen werden, d.h. die angestrebte spielfreie axiale Sicherung des jeweiligen Funktionselementes in allen Betriebsbedingungen auch nach längerer Betriebsdauer besteht. Als Material für den Spreizring eignet sich insbesondere ein metallischer Werkstoff, vorzugsweise Stahl.

Mit der erfindungsgemäßen Ausbildung werden weiterhin in besonders einfacher Weise beim Spreizen des Spreizringes Toleranzen u.a. der Welle und/oder des jeweiligen Funktionselementes ausgeglichen.

Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche. Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 in Teildarstellung die Ankerwelle eines Kleinmotors eines elektromotorischen Hilfsantriebs, zusammen mit einem auf die Ankerwelle aufgesetzten Spreizring zum Fixieren eines Kugellagers bzw. des inneren Lagerringes, vor dem Spreizen des Spreizringes;

Fig. 2 einen Schnitt entsprechend der Linie I - I der Figur 1;

Fig. 3 u. 4 Darstellungen wie Figuren 1 und 2, jedoch nach dem

Fixieren des Kugellagers auf der Ankerwelle bzw. nach dem Spreizen des Spreizringes;

Fig. 5 in Positionen a - c den Spreizring in Seitenansicht und in verschiedenen Zuständen während der Montage;

Fig. 6 in Positionen a - c den Spreizring jeweils im Schnitt, und zwar in den Positionen a - c der Figur 5 entsprechenden Zuständen während der Montage;

Fig. 7 u. 8 Darstellungen wie Figuren 1 und 3 bei einer weiteren

Ausführungsform der Erfindung.

In den Figuren ist 1 die Ankerwelle eines elektrischen Kleinmotors, der Bestandteil eines elektromotorischen Hilfsantriebs für Fahrzeuge ist. Auf der Ankerwelle 1 sind u.a. der Rotor 2 bestehend aus dem Blechpaket und der Ankerwicklung sowie bei der in den Figuren 1 - 4 dargestellten Ausführungsform auch ein Kugellager 3 vorgesehen, welches Bestandteil einer nicht weiter dargestellten Lageranordnung für die Ankerwelle 1 ist.

Das Kugellager 3 besteht in bekannter weise aus einem inneren Lagerring 4, aus einem äußeren Lagering 5 und aus den zwischen diesen angeordneten Kugeln 6. Mit dem inneren Lagerring 4 ist das Kugellager 3 passend und spielfrei auf die Ankerwelle 1 montiert. Zur axialen und spielfreien Sicherung des Kugellagers 3 liegt der innere Lagerring 4 mit einer Stirnseite

gegen eine auf der Ankerwelle vorgesehene axiale Abstützung 7 an, welche bei der dargestellten Ausführungsform von einem in eine Umfangsnut der Ankerwelle 1 eingreifenden Sicherungsring oder C-Clip gebildet ist. Zur Sicherung des Kugellagers 3 auf der Ankerwelle 2 ist weiterhin ein Spreizring 8 vorgesehen, der gegen die der Abstützung 7 abgewandte Stirnseite des Lagerringes 4 anliegt und diesen gegen die Abstützung 7 axial, d.h. in Achsrichtung der Ankerwelle anpresst. Ebenso wie die Abstützung 7 ist auch der Spreizring 8 aus einem metallischen Werkstoff, vorzugsweise aus Stahl gefertigt, und zwar entsprechend den Figuren 5 und 6 mit einem vor der Montage zunächst offenen Ringkörper (öffnung 9), der beispielsweise durch Stanzen und Rollformen aus dem metallischen Flachmaterial einstückig gefertigt ist, und zwar mit einem bei noch nicht montiertem Spreizring 8 teilringförmigen, eine Spreizringachse SA umschließenden Wandabschnitt 8.1 und mit in Richtung zur Spreizringachse SA, d.h. radial nach innen gerichtete oder abgewinkelten und in Richtung der Achse SA voneinander beabstandeten Randbereiche 8.2 und 8.3. Bei noch nicht endgültig montiertem Spreizring 8 ist der Wandabschnitt 8.1 an seiner der Achse SA abgewandten Außenfläche im weitesten Sinne tonnenartig gewölbt, d.h. so geformt, dass dieser Wandabschnitt 8.1 in Schnittebenen, die die Spreizringachse SA oder die Achse der Welle 1 einschließen, an der Innenseite konkav und an der Außenseite konvex ausgebildet ist. Weiterhin sind bei der dargestellten Ausführungsform im Wandabschnitt 8.1 um die Achse SA verteilt mehrere sich in Richtung dieser Achse erstreckende schlitzförmige öffnungen 10 vorgesehen, sodass die Umfangswand 8.1 des Spreizringes 8 letztlich aus einer Vielzahl von zwischen den öffnungen oder Schlitzen 10 gebildeten Stegen 11 besteht.

Für den Spreizring 8 sind in der Ankerwelle 1 zwei am Umfang offene und die Ankerwellenachse konzentrisch umschließende Nuten 12 und 13 vorgesehen, die in Richtung der Ankerwellenachse einen axialen Abstand voneinander aufweisen, der gleich oder etwa gleich dem Abstand ist, den die Randbereiche 8.2 und 8.3 in Richtung der Spreizringachse SA

voneinander besitzen. Die Breite der Nut 12, die einen größeren axialen Abstand von der Abstützung 7 aufweist, ist bei der dargestellten Ausführungsform gleich oder geringfügig größer als die Materialdicke des für die Herstellung des Sperrringes 8 verwendeten Flachmaterials und damit gleich oder geringfügig größer als die Materialdicke des Spreizringes 8 im Bereich der Ränder 8.2 und 8.3.

Die der Abstützung 7 näher liegende Nut 13 besitzt bei der dargestellten Ausführungsform eine gegenüber der Nut 12 etwas größere Breite und darüber hinaus einen axialen Abstand von der Abstützung 7, der etwas kleiner ist als die axiale Abmessung des inneren Lagerring 4. Hierdurch ist erreicht, dass nach dem Aufschieben des Kugellagers 3 auf die Ankerwelle 1 der mit einer Stirnseite gegen die Abstützung 7 anliegenden Lagerring 4 mit der anderen Stirnseite die Nut 13 geringfügig überlappt, der von dem Lagerring 4 nicht abgedeckte Bereich der Nut 13 aber immer noch eine Breite aufweist, die wenigstens gleich, vorzugsweise aber etwas größer ist als die Materialdicke des Spreizringes 8.

Zur Sicherung des auf die Ankerwelle 1 aufgesetzten und mit dem Lagerring 4 sich gegen die Abstützung 7 abstützenden Kugellagers 3 wird der geöffnete Spreizring 8 (Position a der Figuren 5 und 6) z.B. axial auf die Ankerwelle 1 aufgesetzt, sodass ein Randbereich, beispielsweise der Randbereich 8.2 im Bereich der Nut 12 und der andere Randbereich, beispielsweise der Randbereich 8.3 im Bereich der Nut 13 zu liegen kommen. Mit einem den Spreizring 8 umschließenden Werkzeug wird dieser durch gleichmäßige radiale bzw. kreisförmige Krafteinwirkung (Pfeile K der Figur 2) zunächst zu einem geschlossenen Ring verformt. Die Flanken der öffnung 9, d.h. die die öffnung 9 begrenzenden Flächen kommen am Ende dieses Schließvorgangs gegeneinander zur Anlage und bewirken dadurch eine mechanische Begrenzung der Verformung beim Schließen und der damit einhergehenden Reduzierung des Innendurchmessers des Spreizringes 8, so dass sich beim Schließvorgang ein definierter

Spreizringdurchmesser ergibt, der ein radiales Anliegen an der Welle 1 verhindert, jedoch sicher stellt, dass die Abschnitte 8.2 und 8.3 in die Nuten 12 und 13 in der erforderlichen Weise eintauchen. Die öffnung 9 bzw. das von dieser öffnung gebildete Kreissegment des geöffneten Spreizringes 8 sind so gewählt, dass beim Schließen des Spreizringes exakt der für den geschlossenen Spreizring gewünschte Durchmesser erreicht wird.

Nach diesem Schließen des Spreizringes 8 sind die Randbereiche 8.2 und 8.3 jeweils zu einem von der Umfangswand 8.1 radial nach innen stehenden, geschlossenen ringförmigen Abschnitt verformt, und zwar mit einem inneren Ringdurchmesser, der kleiner ist als der Außendurchmesser der Ankerwelle 1. Jeder so verformte Randbereich 8.2 bzw. 8.3 ist in einer Nut aufgenommen, und zwar der Randbereich 8.2 in der Nut 12 und der Randbereich 8.3 in der Nut 13, wobei es aber in keiner der beiden Nuten 12 und 13 zu einer radialen Anlage des betreffenden Randbereichs 8.2 bzw. 8.3 am Fußdurchmesser unter radialer Krafteinwirkung auf die Welle 1 kommt. In der Position b der Figuren 5 und 6 ist jeweils der zu einem geschlossenen Ring verformte Spreizring 8 dargestellt. Die Figuren 1 und 2 zeigen den Spreizring in diesem geschlossenen, aber noch nicht gespreizten Zustand auf der Ankerwelle 1.

In einem weiteren Verfahrensschritt wird nun die Umfangswand 8.1 des geschlossenen Spreizringes 8 dem den Spreizring 8 umschließenden Werkzeug durch gleichmäßige radiale bzw. kreisförmige Krafteinwirkung (Pfeile K der Figur 2) bleibend derart verformt, dass diese Umfangswand 8.1 an ihrer Außenfläche tailliert ist, die Tiefe bzw. das Maß dieser Taillierung aber kleiner ist als das Maß der Ausbauchung, das (Maß) der Wandabschnitt 8.1 bei geschlossenem, aber noch nicht überdrücktem Spreizring 8 aufweist. Das Maß der Taillierung oder der Ausbauchung ist dabei jeweils die Differenz der Radien, die der geschlossene Spreizring 8 etwa in der Mitte zwischen den Randbereichen 8.2 und 8.3 bzw. an diesen Randbereichen aufweist.

Durch die Verformung bzw. das überdrücken des Spreizringes 8 ergibt sich eine Vergrößerung des axialen Abstandes zwischen den ringförmigen Randbereichen 8.2 und 8.3 und damit eine Spreizwirkung in Achsrichtung der Ankerwelle 1 in der Form, dass der verformte, d.h. axial gespreizte Spreizring 8 mit seinem gegen den Lagerring 4 anliegenden Randbereich 8.3 diesen Lagerring zwischen sich und der Abstützung 7 durch Verspannen fixiert. Die Figuren 5 und 6 zeigen in der Position c den für das Spreizen verformten Spreizring nochmals in Einzeldarstellung.

Das Verformen des Spreizringes 8 ist dadurch begrenzt, dass der Wandabschnitt 8.1 gegen die Ankerwelle 1 zwischen den beiden Nuten 12 und 13 zur Anlage kommt. Durch taillierte Form des gespreizten Spreizringes 8 sowie durch das Anliegen des Wandabschnitts 8.1 gegen die Ankerwelle 1 ist auch ein unerwünschtes Rückformen des Spreizringes 8 wirksam verhindert. Konstruktionsbedingt besteht also in mehrfacher Hinsicht eine Selbsthemmung. Diese besteht nicht nur in der Begrenzung der Verformung bzw. der Durchmesserreduzierung beim Schließen des Spreizringes 8, sondern verhindert auch, dass beim anschließenden Spreizen des Spreizringes 8 ein überdrücken des Wandabschnittes 8.1 über ein vordefiniertes Maß hinaus erfolgt, und/oder dass sich der gespreizte Spreizring 8 durch axiale Kräfte im Betrieb in unerwünschter Weise selbstständig entspannen kann.

Mit dem Spreizring 8 wird also nicht nur zuverlässig eine axiale und auch spielfreie Fixierung des Kugellagers 3 auf der Ankerwelle 1 erreicht, sondern die Verwendung des Spreizringes 8 hat auch weitere erhebliche Vorteile, insbesondere dahingehend, dass bei der Fixierung des Kugellagers 3 mit dem Spreizring 8 keine radialen Kräfte auf die Ankerwelle 1 eingeleitet werden und damit insbesondere auch ein eventuelles Verbiegen der Ankerwelle 1 vermieden ist. Beim Spreizen des Spreizringes 8 erfolgt ausschließlich eine axiale Krafteinleitung auf die Ankerwelle 1. Weiterhin

wird durch die Elastizität des gespreizten Spreizringes 8 eine permanente stirnseitige Kraft auf den Lagerring 4 aufgebaut.

Die Figuren 7 und 8 zeigen eine Ausführungsform, bei der auf der Ankerwelle 1 zwischen dem Spreizring 8 und dem Kugellager 3 weitere Funktionselemente vorgesehen sind, und zwar ein Magnetring 14 zur Ansteuerung wenigstens eines auf ein Magnetfeld ansprechenden Sensors einer elektrischen Steuerung sowie eine zwischen diesem Magnetring 14 und dem inneren Lagerring 4 des Kugellagers 3 vorgesehene Buchse 15. Bei dieser Ausfϋhrungsform werden somit der Magnetring 14, die Buchse 15 und der Lagerring 4 des Kugellagers 3 zwischen dem gespreizten Spreizring 8 und der Abstützung 7 axial auf der Ankerwelle 1 verspannt, und zwar in gleicher Weise, wie dies vorstehend im Zusammenhang mit den Figuren 1 - 6 beschrieben wurde.

Die Figur 7 zeigt den Zustand vor dem axialen Spreizen des Spreizringes 8 bzw. vor dem überdrücken der Umfangswand 8.1. Die Figur 8 zeigt den Zustand nach dem axialen Spreizen des Spreizringes 8. Die beiden Nuten 12 und 13 befinden sich bei dieser Ausführungsform an der Ankerwelle 11 wiederum dort, wo auch der Spreizring 8 bzw. dessen Randbereiche 8.2 und 8.3 vorgesehen sind.

Die Erfindung wurde voranstehend an einem Ausführungsbeispiel beschrieben. Es versteht sich, dass zahlreiche änderungen sowie Abwandlungen möglich sind, ohne das dadurch der der Erfindung zugrunde liegende Erfindungsgedanke verlassen wird.

Vorstehend wurde davon ausgegangen, dass der geöffnete Spreizring axial auf die Ankerwelle 1 aufgesetzt wird. Grundsätzlich besteht bei entsprechender Ausbildung der öffnung 9 auch die Möglichkeit, den Spreizring 8 mit dieser öffnung 9 seitlich bzw. radial auf die jeweilige Welle,

z.B. die Ankerwelle 1 aufzusetzen. In diesem Fall ist die Breite der öffnung 9 wenigstens gleich dem Außendurchmesser der Welle.

Bezugszeichenliste

1 Ankerwelle

2 Rotor

3 Kugellager

4 innerer Lagerring

5 äußerer Lagerring

6 Kugel

7 axiale Abstützung

8 Spreizring

8.1 Umfangswand des Ringkörpers

8.2, 8.3 Randbereich

9 öffnung des geöffneten Spreizringes 8

10 Schlitz

11 Steg

12, 13 Nut

14 Magnetring

15 Buchse

K radiale Kraft

SA Achse des Spreizringes 8