Verfahren zum Festlegen eines Lagerrings an oder in einem Bauteil

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Festlegen eines Lagerrings an oder in einem Bauteil mittels einer Klebeverbindung.

In verschiedenen Fällen, z. B. beim Einsatz langer, gelagerter Wellen, sind bei der Montage von Wälzlagern die freie Positionierbarkeit und ein fester Sitz des Lagers auf dem zu lagernden Bauteil sehr wichtig. Natürlich spielen auch die wirtschaftlichen Aufwendungen zur Realisierung der Befestigung eine große Rolle.

Bekannt und üblich sind für die Festlegung zunächst mechanische Lösungen. Hier kommen Spannhülsen zum Einsatz, die über einen kegeligen Sitz eine kraftschlüssige Verbindung herstellen. Ferner sind Exzenterringe bekannt, mit denen ein fester Verbund zwischen Lager und zu lagerndem Bauteil hergestellt werden kann. Häufig werden auch Schraubverbindungen eingesetzt. Hierbei werden insbesondere Madenschrauben verwendet, die radial zur Welle in ein Verbindungsteil eingeschraubt werden, um das Lager auf dem insbesondere wellenförmigen Bauteil festzulegen.

Nachteilig bei der Befestigung mittels einer Spannhülse ist weiterhin, dass mindestens drei Bauteile zur Befestigung benötigt werden. Diese müssen eine relativ hohe Genauigkeit haben, was entsprechende Kosten verursacht. Neben dem Fertigungs-

und Kostenaufwand bedeuteten mehrere Bauteile auch eine Anhäufung von Fertigungstoleranzen. Je nach Lage der Istmaße können sich diese ungünstig addieren.

Ein weiteres Problem bei der Montage einer Spannhülse besteht darin, dass der Querschnitt der Hülse aus Festigkeitsgründen so groß gewählt werden muss, dass mit Ausnahme von inkorporierten Spannhülsen (Spezialhülsen) die jeweils nächst größere Lagerkennzahl gewählt werden muss, um auf der anderen Seite den Lagerring nicht zu stark zu schwächen. Diese Tatsache schränkt den Konstruktionsspielraum ein. In diesem Zusammenhang ist auch der Umstand zu nennen, dass gegebe- nenfalls auch Aussparungen für Dichtungselemente (z.B. O-Ringe) vorgesehen werden müssen, die in Ausnehmungen platziert werden, die eine entsprechende Bauteilschwächung hervorrufen.

So erfordert beispielsweise die änderung von einer Madenschraubenbefestigung hin zu einer Spannhülsenbefestigung auch eine Anpassung des Einbauraums. Gerade bei Leistungserhöhungen (z. B. bei höheren Drehzahlen) von Maschinen, die eine höhere Laufgenauigkeit erfordern, bedeutet dies, dass die Anwendung nicht mehr so kompakt konstruiert werden kann.

Ein spezielles Problem beim Einsatz von Spannhülsen besteht darin, dass sich die gewünschte Lage des Lagers bei der Montage über das Aufschieben nur schwer definieren lässt. Dies bedeutet in der Praxis, dass der Pressverband wiederholt aufgehoben werden muss, um eine neue Positionierung vornehmen zu können; alternativ müssen konstruktive Maßnahmen ergriffen werden, z. B. eine spezielle Montage- Vorrichtung geschaffen werden. Gerade die Positionierung des Festlagers erlaubt keine Abweichung von der vorgesehenen Position, da ansonsten die Lage der Welle zur Umgebungskonstruktion unter Umständen die Funktion einschränkt.

Beim Einsatz von Schraubverbindungen und Exzenterringen kommt es zu dem Problem, dass durch diese Befestigungsmöglichkeit eine Verkippung des Lager-

rings zu einem wellenförmigen Bauteil auftreten kann. Das führt zu einer reduzierten Laufruhe bzw. Laufgenauigkeit.

Weiterhin besteht das Problem, dass die Befestigungsart je nach der Belastung nicht ausreichend sein kann, um Mikrobewegungen vollständig zu vermeiden. Oft ist in der Passfuge solcher Lager Passungsrost mit entsprechenden Folgeschäden zu beobachten. Wird die Befestigung indes zu stark verspannt, können die Befestigungsmittel (insbesondere die Madenschraube) beschädigt werden.

Hinsichtlich der Festigkeit der Befestigung des Lagerrings auf dem Bauteil ist negativ, dass die übertragung von Axialkräften deutlich eingeschränkt sein kann. Vor allem beim Einsatz von Madenschrauben tritt durch ein zu starkes Anziehen der Schrauben auch eine Verformung des Lagerrings auf, was zu einem ungünstigen Laufverhalten und zu Verspannungen führt. Dies muss durch eine entsprechend große Lagerluft kompensiert werden. Eine erhöhte Lagerluft bringt jedoch wiederum Nachteile eines ungünstigen Traganteils im Lager mit sich. Ansonsten gilt, dass auch durch die Montage die radiale Lagerluft beeinflusst wird. Je nach Lagerart (z. B. insbesondere bei Rillenkugellagern) ist das Maß der Lagerluftreduzierung nur schwer zu kontrollieren. Das kann dazu führen, dass das Lager radial verspannt wird. Dies macht eine aufwändige überwachung der Montage erforderlich bzw. ergibt eine Lagerung mit reduzierter Lebensdauer.

Nachteilig ist ferner folgendes: Die Madenschraube erreicht ihre Festigkeit durch das Eingraben in den Werkstoff des Bauteils (Welle), d. h. durch Formschluss. Da dies auf der Welle zu einem Aufwurf führt, wird die Demontage des Lagers erschwert.

Ein spezifisches Problem des Exzenterrings ist, dass eine feste Verbindung nur durch Verdrehen zweier Ringe zueinander erreicht werden kann. Dies bedeutet al-

lerdings, dass bei schnellem Drehrichtungswechsel des Lagers ein Atmen der Passfuge auftreten und sich dadurch der Verband lösen kann.

Bekannt ist es auch, eine Klebeverbindung zur Befestigung eines Lagers an oder in einem Bauteil vorzusehen. Eine solche Lösung ist beispielsweise in der DE 22 03 664 Al beschrieben. Der Klebstoff wird dabei unmittelbar bei der Montage in die Passfuge zwischen den zu verbindenden Teilen eingebracht. Dieses Verfahren hat den Nachteil, dass sich das Einbringen eines Klebstoffs in Montagelinien schwierig gestaltet bzw. die Prozesssicherheit - insbesondere hinsichtlich der Menge an zuzu- führendem Klebstoff und hinsichtlich der Sauberkeit der Fügepartner - von den Gegebenheiten bei der Montage bzw. vom jeweiligen Montagearbeiter abhängt.

Des weiteren besteht bei der vorbekannten Lösung der Nachteil, dass bei manueller Einbringung des Klebstoffs Umgebungsbauteile, wie z. B. Dichtungen, mit Kleb- Stoff benetzt werden können. Hierdurch kann die Funktion derartiger Bauteil nachteilig beeinflusst werden.

Der Erfindung liegt daher die A u f g ab e zugrunde, ein Verfahren zum Festlegen eines Lagerrings an oder in einem Bauteil mittels einer Klebeverbindung so fortzu- bilden, dass die genannten Nachteile vermieden werden. Es soll insbesondere in einfacher und kostengünstiger Weise eine saubere Klebeverbindung erzielt werden, die nur an der benötigen Stelle wirkt und die einen zuverlässigen Verbund zwischen Lagerring und Bauteil herstellt.

Die L ö s u n g dieser Aufgabe durch die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren die Schritte aufweist:

a) Einbringen des Klebstoffs an oder in den Lagerring oder an oder in das Bauteil, wobei der Klebstoff noch keine adhäsive Eigenschaft aufweist;

b) Fügen des Lagerrings und des Bauteils in die gewünschte Relativposition;

c) Aktivieren des Klebstoffs derart, dass er einen adhäsiven Verbund zwischen dem Lagerring und dem Bauteil eingeht.

Unter Adhäsion wird vorliegend die Haftung zwischen dem Klebstoff und der Oberfläche des Lagerrings bzw. des Bauteils verstanden.

Das Fügen der Teile erfolgt also in einem Status des Klebstoffs, in der dieser noch nicht „klebt". Erst nach dem Erreichen der genauen Relativposition zwischen den zu verbindenden Bauteilen wird der Klebstoff „aktiviert", so dass der Klebeverbund hergestellt wird.

Das Einbringen des Klebstoffs gemäß obigem Schritt a) kann durch einen Spritz- gießvorgang erfolgen. Im Anschluss an das Spritzgießen des Klebstoffs wird sich dieser verfestigen und so dann wieder die Konsistenz erhalten, dass er nicht klebt und so vorteilhaft gefugt werden kann. Später erfolgt dann die Aktivierung und die Herstellung des Klebeverbundes.

Alternativ und bevorzugt kann vorgesehen sein, dass das Einbringen des Klebstoffs gemäß obigem Schritt a) durch Einsetzen eines aus Klebstoff bestehenden Festkörpers erfolgt. Bevorzugt erfolgt das Einbringen des Klebstoffs dabei durch

a') Einbringen einer ringförmigen Ausnehmung in den Lagerring oder in das Bau- teil, beispielsweise durch Eindrehen einer ringnutartigen Ausnehmung, und anschließendes

a") Einsetzen des aus Klebstoff bestehenden Festkörpers in die Ausnehmung.

Der aus Klebstoff bestehende Festkörper hat dabei bevorzugt eine hohlzylindrische Gestalt. Der Klebstoff kann besonders bevorzugt mit hohlzylindrischer Gestalt und einem Schlitz an einer Umfangsstelle ausgebildet sein. Der Schlitz kann dabei in axiale Richtung des hohlzylindrischen Klebstoffkörpers verlaufen.

Die Aktivierung des Klebstoffs gemäß obigem Schritt c) kann durch Erwärmung erfolgen, insbesondere durch Induktion.

Möglich ist es auch, dass die Aktivierung des Klebstoffs durch Beaufschlagung mit Ultraschall erfolgt.

Weiterhin sieht eine bevorzugte Ausfuhrungsform der Erfindung vor, dass die Aktivierung des Klebstoffs durch Zuführung einer zweiten Kleberkomponente erfolgt, die mit dem Klebstoff reagiert.

Der Fluss des Klebstoffs kann nach seiner Aktivierung in axiale Richtung zwischen Lagerring und Bauteil durch mindestens ein Barriereelement begrenzt werden. Als Barriereelement kommt einmal mindestens ein Dichtungsring in Frage, der bevorzugt als O-Ring ausgebildet ist. Andererseits kann es sich dabei auch um einen Ka- librierring handeln. Das Barriereelement ist dabei bevorzugt in einer Ringnut im Lagerring oder im Bauteil angeordnet.

Der Lagerring ist bevorzugt der Innenring eines Wälzlagers und das Bauteil dann eine Welle. Es ist aber auch genauso möglich, dass der Lagerring der Außenring ei- nes Wälzlagers und das Bauteil ein Gehäuse ist.

Die vorgeschlagene Verfahrensweise bietet den Vorteil, dass unterschiedliche Werkstoffe mit unterschiedlichen (Material-)Kennwerten problemlos miteinander verbunden werden können.

Weiterhin wird die Betriebssicherheit erhöht, da ein Lösen der Verbindung zwischen Lagering und Bauteil (insbesondere zwischen dem Lagerinnenring und einer Welle) ausgeschlossen werden kann.

Auch wird die Lagergenauigkeit (Schiefstellung) des Lagerrings relativ zum Bauteil durch die Klebung verbessert.

Mit der vorgeschlagenen Lösung kann auch erreicht werden, dass in einfacher Weise die Maßgenauigkeit und die Oberflächengüte des Verbundes verbessert werden kann, da fertigungsbedingte Toleranzen besser überbrückt werden können.

Der Klebstoff wird bevorzugt als Halbzeug (insbesondere in Form einer Hülse) in die Lagerbohrung eingebracht oder in dieselbe eingespritzt.

Je nach Anforderungen an die Lagegenauigkeit kann auch eine Kalibrierung des in der Bohrung eingebrachten Klebers oder das Verwenden kalibrierter Stützringe sinnvoll sein.

In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1 den Radialschnitt durch ein Kugellager zur Lagerung einer Welle,

Fig. 2 die zu Fig. 1 korrespondierende Seitenansicht,

Fig. 3 eine vergrößerte Darstellung des Kugellagers gemäß Fig. 1,

Fig. 4 eine erste alternative Ausgestaltung des Kugellagers nach Fig. 3 und

Fig. 5 eine zweite alternative Ausgestaltung des Kugellagers nach Fig. 3.

In den Figuren 1 bis 3 ist ein Kugellager 8 zu sehen, das aus einem Innenring 1 und einem Außenring 9 besteht, zwischen denen Wälzkörper in Form von Kugeln 10 angeordnet sind. Mit dem Lager 8 wird ein Bauteil 2 in Form einer Welle gelagert. Hierzu ist der Lagerinnenring 1 mit der Welle 2 verbunden. Nicht dargestellt ist die Festlegung des Lageraußenrings 9 in einem — nicht dargestellten — Gehäuse.

Damit es zu einem festen Verbund zwischen Lagerinnenring 1 und Welle 2 kommt, ist eine Klebeverbindung vorgesehen. Der zum Einsatz kommende Klebstoff 3 weist in dem Ausführungsbeispiel eine besondere Ausgestaltung auf. Zum Einsatz kommt nämlich ein Klebstoff, der bei typischen Umgebungstemperaturen (zwischen O ⁰ C und 50 ⁰ C) eine feste Konsistenz hat (Details hierzu und Beispiele sind weiter unten angegeben). Aus diesem Klebstoff kann ein bei üblicher Umgebungstemperatur mechanisch stabiles Teil hergestellt werden.

Vorliegend ist der Klebstoff 3 als hohlzylindrisches Teil mit dünner Wandung gefertigt. An einer Umfangsstelle (s. hierzu Fig. 2) weist dieses hülsenförmige Teil einen Schlitz 5 auf.

Der Lagerinnenring 1 hat indes an der der Welle 2 zugewandten Oberfläche eine ringnutförmige Eindrehung (s. am besten Fig. 3), deren Tiefe gleich groß oder etwas geringer ist als die Dicke des hohlzylindrischen Teils Klebstoff 3. Die Nut für das Klebstoffteil kann auch tiefer ausgebildet sein, was den Einsatz von Klebstoffen mit Volumenexpansion (Zusatz von Treibmitteln) begünstigt. Hierdurch können enge Spalte ausgefüllt werden.

Demgemäß ist es möglich, das hohlzylindrische Teil aus Klebstoff 3 in die Ausnehmung 4 einzuschieben. Infolge des Schlitzes 5 kann die Einbringung des Klebstoffs 3 in die Ausnehmung 4 nach Art einer Schnappverbindung erfolgen.

Der Klebstoff hat bei typischen Umgebungstemperaturen nicht nur eine feste Konsistenz, er weist auch keine adhäsive Eigenschaft auf. Demgemäß kann der Lagerring 1 und damit das gesamte Lager 8 nach der Montage des Klebstoffs 3 in die Ausnehmung 4 auf der Welle 2 problemlos in die benötigte Lage verschoben wer- den, in der die Teile 1 und 2 zu verbinden sind. Dies erfolgt auch, ohne dass es zu irgendeiner Verschmutzung von angrenzenden Bereichen mit Klebstoff kommt, da dieser noch keine adhäsive Wirkung hat.

Ist die gewünschte bzw. benötigte Relativposition zwischen dem Lagerring 1 und der Welle 2 erreicht, wird der Klebstoff 3 aktiviert, d. h. in einen Zustand versetzt, in dem er seine adhäsive Wirkung entfaltet. Die Folge ist die Herstellung einer permanenten Verbindung zwischen Lagerring 1 und Welle 2. Die adhäsive Wirkung wird dabei auch im benachbarten Bereich enger Passfugen bzw. Spalte entfaltet.

Die Aktivierung erfolgt in Abhängigkeit des gewählten Klebstoffs. Bei thermisch schmelzenden Klebstoffen (s. unten) kann die Aktivierung durch Wärmeeinwirkung erfolgen, insbesondere durch Induktion.

Alternativ kann auch eine Ultraschallbeschaufschlagung vorgesehen werden, um die adhäsive Eigenschaft des Klebstoffs 3 zu entfalten.

Eine weitere Alternative ist die Zugabe einer zweiten Komponente zu dem Klebstoff 3, so dass infolge der ausgelösten chemischen Reaktion der adhäsive Verbund zwischen den Teilen 1 und 2 hergestellt wird.

In den Figuren 4 und 5 sind Weiterbildungen der Lösung gemäß der Figuren 1 bis 3 zu sehen.

In Fig. 4 erfolgt ein Abdichten der Fügezone zwischen innerer Oberfläche des Innenrings 1 und äußerer Oberfläche der Welle 2 durch zwei Dichtungsringe 6 in Form von O-Ringen.

Bei der Lösung gemäß Fig. 5 kommen zwei Kalibrierringe 7 zum Einsatz, die eine entsprechende Stützfunktion haben.

Zu den einzusetzenden Klebstoffen sei folgendes angemerkt:

Es können zunächst Schmelzklebstoffe zum Einsatz kommen (auch als „Hotmelts" bezeichnet). Diese sind - was für die vorliegende Erfindung sehr vorteilhaft ist - bei Raumtemperatur fest. Sie werden durch Aufschmelzen verarbeitbar, d. h. sie entfalten bei Erwärmung ihre adhäsive Wirkung. Es erfolgt hier also eine Aktivierung durch Temperatur. Die heiße Klebstoffschmelze geht den adhäsiven Verbund ein. Unmittelbar nach dem Abkühlen und Erstarren des Klebstoffs ist die Verbindung fest. Dies ermöglicht in vorteilhafter Weise eine schnelle Montage.

Aus dem Schmelzklebstoff kann im festen Zustand in einfacher Weise eine Hülse gefertigt werden, die in eine Ausnehmung (Ausdrehung) beispielsweise im Sitz ei- nes Lagerrings eingesetzt werden kann.

Zum Einsatz kommen können auch Kontaktklebstoffe.

Ferner können chemisch härtende Klebstoffe eingesetzt werden. Bei diesen auch als Reaktionsklebstoffe bezeichneten Klebstoffen werden die einzelnen chemischen Bausteine für den Klebstoff im richtigen Verhältnis in die Klebefuge eingebracht. Die Verfestigung erfolgt dann durch eine chemische Reaktion der Bausteine miteinander. Gemäß der Erfindung kommen bevorzugt, jedoch nicht ausschließlich, zwei- (oder mehr-) komponentige Systeme zum Einsatz. Bei diesen besteht der Klebstoff aus getrennten Bestandteilen, A- und B-Teil oder Binder (auch Harz genannt) und

Härter genannt, die vor der Applikation im korrekten Verhältnis kontaktiert werden. Durch die Kontaktaufnahme startet die chemische Reaktion zwischen den zuvor separat vorliegenden Bausteinen zum Klebstoffpolymer.

5 In Frage kommen ferner anaerob härtende Klebstoffe. Diese Klebstoffe werden als einkomponentiges System eingesetzt. Die eingesetzten Monomere von (modifizierten) Acrylsäure-Estern härten nach einem Radikalketten-Mechanismus ähnlich den Methylmethacrylaten aus. Das Besondere dabei ist, dass die Härtereaktion nur unter Ausschluss von Sauerstoff, also anaerob, und in Anwesenheit von Metallionen star- l o tet, wenn der Klebstoff in einer engen metallischen Klebfuge von der Umgebungsluft abgeschlossen wird. Es können nur metallische Werkstoffe damit geklebt werden, was für die vorliegende Erfindung von Vorteil ist, da für die Aushärtung freie Metallionen als Reaktionspartner benötigt werden.

15 Weitere bevorzugte Klebstoffe, die vorteilhaft bei der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden können, sind strahlenhärtende Klebstoffe. Bei diesen Klebstoffen, die als einkomponentige Systeme eingesetzt werden, härten durch radikalische Polymerisation zu festen Polymeren, wobei die Bildung der Startradikale durch Bestrahlung mit UV-Licht (oder anderen Strahlenquellen, wie z. B. Elektronen) her- 0 vorgerufen wird. Die Wellenlänge des UV-Lichts muss dabei genau auf das eingesetzte Klebstoffsystem abgestimmt sein. Die Aushärtung erfolgt durch Bestrahlen mit UV-Licht.

Es sind hierbei mehrere Varianten möglich: 5

Zunächst sind UV-Acrylate bekannt. Im flüssigen Zustand besteht ein radikalisch vernetzender UV-Klebstoff überwiegend aus Monomeren und Photoinitiatoren. In diesem Zustand lässt sich der Klebstoff leicht dosieren. Durch die Einwirkung von UV-Strahlung werden die Photoinitiatoren in freie Radikale gespalten. Diese Radi-

kale leiten die Bildung von Polymerketten ein. Im ausgehärteten Zustand besteht der UV-Klebstoff aus vernetzten Polymerketten.

Weiterhin können kationische Epoxies (Epoxidharze-Klebstoffe) zum Kleben von nicht transparenten Substraten eingesetzt werden, was vorliegend vorteilhaft ist. Im Unterschied zu den radikalisch härtenden Acrylatklebstoffen können die kationisch härtenden Klebstoffsysteme nach einer ausreichenden Aktivierung mit UV- Strahlung im Dunklen weiterhärten. Kationische Epoxies können für Anwendungen mit einem UV-durchlässigen Bauteil ebenso eingesetzt werden, wie für Anwendun- gen bei nicht UV-durchlässigen Werkstoffen. Bei Letzteren muss der Klebstoff nach dem Dosieren, jedoch vor dem Fügen mit UV-Strahlung aktiviert werden. Nach der Aktivierung besitzt der Klebstoff eine begrenzte offene Zeit, in der die Bauteile zu fügen sind.

Dual härtende Produkte mit mehr als einem Härtungsmechanismus hingegen sind geeignet für Anwendungen mit echten Schattenbereichen, die keiner Strahlungsquelle zugänglich sind. Die Aushärtung im Schattenbereich erfolgt entweder unter Luftabschluss in Gegenwart von Metallen, durch Luftfeuchtigkeit oder durch Wärmezufuhr.

Bei den Phenol-Formaldehydharz-Klebstoffen sind die Basis-Bausteine Phenol (o- der Phenol-Derivate) und Formaldehyd, die zu einem Polymer kondensiert werden. In der Klebetechnik setzt man eine Mischung aus Phenol-Formaldehyd-Harz, das noch nicht hochmolekular polymerisiert ist, und einem Formaldehyd-Lieferanten ein. Dieses Gemisch bringt man als Lösung oder auch als Pulver in die Klebefuge ein und setzt die quasi unterbrochene Kondensationsreaktion durch Temperaturerhöhung auf ca. 160 bis 180 ⁰ C fort. Der resultierende Klebstoff hat eine gute Temperaturbeständigkeit, weshalb man dieses System besonders für temperaturbelastete Metall-Verklebungen nutzen kann.

Bezugszeichenliste

1 Lagerring (Innenring)

2 Bauteil (Welle, Gehäuse)

3 Klebstoff

4 Ausnehmung

5 Schlitz

6, 7 Barriereelement

6 Dichtungsring (O-Ring)

7 Kalibrierring

8 Lager (Wälzlager, Kugellager)

9 Lagerring (Außenring)

10 Wälzkörper (Kugel)