Lageranordnung zur Lagerung eines Wellenabschnitts, insbesondere bei einem

Innenläufermotor

Beschreibung

Gebiet der Erfindung Die Erfindung betrifft eine Lageranordnung zur zweiseitigen Lagerung eines Wellenabschnitts nach den oberbegriffsbildenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 , und sie ist insbesondere vorteilhaft bei einem Innenläufermotor realisierbar. Hintergrund der Erfindung

Aus der WO 03/012959 A2 ist ein Elektromotor bekannt, der einen Innenläufer aufweist welcher auf einem Wellenabschnitt sitzt. Der Wellenabschnitt ist in einem Rillenkugellager gelagert, das mit seinem Außenring in einer entspre- chenden Bohrung eines Gehäuseelements sitzt. In diesem Gehäuseelement ist der Außenring über eine Ringschulter des Gehäuseelements axial festgelegt, an welcher der Außenring mit einer Stirnseite ansteht. Zudem ist der Lageraußenring auf seiner der Ringschulter abgewandten Seite über einen Axialsicherungsring gesichert, die in einer Ringnut in jenem Gehäuseelement sitzt.

Aufgabe der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Lageranordnung für einen E- lektromotor zu schaffen, die sich durch einen kostengünstigen Aufbau und ein vorteilhaftes mechanisches Betriebsverhalten auszeichnet. Beschreibung der Erfindung

Die vorangehend genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Lageranordnung zur beidseitigen Lagerung eines Wellenabschnitts, mit:

- einem ersten Wälzlager, das einen ersten Lagerinnenring und einen ersten Lageraußenring aufweist,

- einem zweiten Wälzlager, das von dem ersten Wälzlager axial beabstandet ist und einen zweiten Lagerinnenring und einen zweiten Lageraußenring aufweist,

- einem Wellenabschnitt der in dem ersten Lagering und dem zweiten Lagering sitzt,

- einem ersten Gehäuseelement, in welchem der erste Lageraußenring sitzt, und

- einem zweiten Gehäuseelement in welchem der zweite Lageraußenring sitzt, wobei:

- sowohl der erste Lagerinnenring, als auch der zweite Lagerinnenring gegenüber dem Wellenabschnitt zumindest in eine Axialrichtung axial festgelegt sind,

- sowohl der erste Lageraußenring als auch der zweite Lageraußenring in dem jeweiligen Gehäuseelement axial verschiebbar geführt sind, und

- sowohl am ersten Lageraußenring als auch am zweiten Lageraußenring jeweils eine Tellerfeder axial verankert ist, die den jeweiligen Lageraußenring in Axialrichtung federnd an dem jeweiligen Gehäuseelement abstützt und das jeweilige Wälzlager vorspannt.

Dadurch wird es auf vorteilhafte Weise möglich, bei einem Elektromotor mit einem als Innenläufer ausgeführten Rotor beide Lager axial vorzuspannen, wobei je nach Richtung einer am Rotor angreifenden Axiallast jeweils das in Schubrichtung vorne liegende Lager als Festlager wirkt und auch das sich hier- bei zum Loslager wandelnde hintere Lager nicht vollständig axial entlastet wird. Durch dieses Konzept wird bei moderatem Bauaufwand ein schlupffreier Lauf der Wälzkörper des„ in Lastrichtung hinteren Lagers" und damit eine vorteilhafte Laufcharakteristik erreicht. Auch bei fortgeschrittenem Lagerverschleiß wird auf vorteilhafte Weise noch über einen langen Bet ebszeitraum das Lagerspiel kompensiert und einer unerwünschten Laufgeräuschemission vorgebeugt. Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die beiden Wälzlager als Rillenkugellager ausgeführt. Diese Wälzlager können als dauergeschmierte, abgedichtete Lager ausgeführt sein. Je nach Richtung einer ggf. an dem Wellenabschnitt angreifenden Axiallast wirkt das in Schubrichtung vorne liegenden Wälzlager als Festlager, das andere Wälzlager steht unter der durch seine Tellerfeder aufrecht erhaltenen Restspannung.

Die Verankerung der jeweiligen Tellerfeder an dem zugeordneten Lageraußenring erfolgt gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung über eine Umfangsnut die in dem jeweiligen Lageraußenring in Form ei- nes schmalen Einstichs ausgebildet ist. Die Breite des Einstichs ist geringfügig größer als die Blechdicke der Tellerfeder, so dass die in die Umfangsnut eingreifenden Innenkrallen der Tellerfeder in der Nut eine gewisse Kippbewegung ausführen können. Die Außenkanten der Umfangsnut können leicht gebrochen, d.h. angefast ausgeführt werden um die lokale Flächenpressung in den ent- sprechenden Kontaktzonen mit den Innenkrallen zu reduzieren. Auch die am Nutboden der Umfangsnut ggf. anstehenden Innenumfangskanten der Innenkrallen können leicht gerundet ausgebildet werden um ein sanftes Kippen der Innenkrallen in der Umfangsnut zu ermöglichen. Der axiale Verschiebeweg des jeweiligen Lageraußenringes wird vorzugsweise durch eine integral mit dem jeweiligen Gehäuseelement gebildete Anschlagstruktur begrenzt. Die Anschlagstruktur kann dabei durch eine Ringschulter gebildet sein, welche sich an den Sitzbereich des Lageraußenringes anschließt und eine Anlagefläche bildet, mit welcher die Stirnseite des entsprechenden Lageraußenringes zur Anlage gebracht werden kann. Diese Ringschulter kann eine Bohrungsstirnwand bilden die sich unter Belassung eines Laufspaltes bis an die Außenwandung des Wellenabschnitts erstreckt. Die Ringschulter kann auch so ausgebildet sein, dass diese nur eine für die Realisierung der An- schlagwirkung erforderliche Bordhöhe aufweist. Weiterhin kann die Ringschulter auch eine Bohrung für einen Wellendichtring begrenzen. Anstelle einer als Anschlag fungierenden, mit dem jeweiligen Gehäuseelement integralen Struktur ist es auch möglich den Axialanschlag durch angebaute Strukturen, oder insbesondere durch einen Wellensicherungsring zu bewerkstelligen.

Die zur Begrenzung des axialen Verschiebweges vorgesehene, vorzugsweise als Ringschulter ausgebildete Anschlagstruktur kann an wenigstens einem, vorzugsweise an jedem Gehäuseelement ausgebildet werden. Das erfin- dungsgemäße Konzept macht es grundsätzlich auch möglich, über die in die jeweilige Umfangsnut eingesetzte Tellerfeder eine Anschlagstruktur zu realisieren, so dass an sich auch auf die Ausbildung einer Anschlagstruktur an dem Gehäuseelement verzichtet werden kann. Der konstruktiv vorgesehene Verschiebeweg des jeweiligen Lageraußenringes in dem Gehäuseelement ist vorzugsweise kleiner als der Federweg der an dem Gehäuseelement angreifenden Tellerfeder. Hierdurch wird vermieden, dass im Zuge der axialen Verlagerung eine Tellerfeder vollständig axial entlastet und der erfindungsgemäß vorgesehene Effekt der Aufrechterhaltung der axialen Vorspannung aufgehoben wird.

Das erfindungsgemäße Konzept wird insbesondere bei der Lagerung des Rotors eines Motors so umgesetzt, dass die Tellerfedern derart an den Lageraußenringen angreifen, dass diese die Lageraußenringe axial aufeinander zu drängen, d.h. jedes Lager durch axialen Federkraftangriff am Außenring axial zum Rotor hin gedrängt wird. Insgesamt wird die Lageranordnung vorzugsweise so aufgebaut, dass die Wälzlager über die Tellerfedern zumindest zunächst eine gleichmäßige, auch bei Erreichen der Endlagen sich niemals vollständig aufhebende Vorspannung erhalten.

Die zumindest einseitige axiale Festlegung der Lagerinnenringe an dem Wellenabschnitt erfolgt vorzugsweise durch Sicherungsringe die in Nuten sitzen die in den Wellenabschnitt eingeformt sind. Es ist auch möglich, die axiale Ab- Stützung durch Buchsen oder Ringe zu bewerkstelligen die auf den Wellenabschnitt aufgeschoben sind und sich beispielsweise am Rotor axial stützen.

Die jeweilige Tellerfeder ist wie in Verbindung mit den Figuren noch weiter ver- deutlicht werden wird so aufgebaut, dass diese mehrere in Umfangsrichtung abfolgende, radial einwärts vordringende Federkrallen bildet, und dass diese Federkrallen in die Umfangsnut eingreifen. Die Tellerfeder ist dabei vorzugsweise auch so aufgebaut, dass die jeweilige Tellerfeder eine Deckfläche mit einem Kegelmantelring-artigen Verlauf aufweist.

Die Erfindung schafft letztlich eine Anordnung die eine axiale Vorspannung von Rillenkugellagern ermöglicht und eignet sich insbesondere für die Realisierung einer Rotorlagerung bei Elektromotoren. Die Anordnung der in Elektromotoren verbauten Rillenkugellager erfolgt bislang als sog. Fest- und Loslagerlösung. Durch das erfindungemäße Konzept wird ein besseres Laufverhalten der Lager (Geräusch, Lebensdauer) erreicht indem beide Lager axial vorgespannt werden. Dadurch wird es möglich, auch bei Auftreten von Axialkräften, z.B. Antriebsriemenreaktionskräften, Magnetkräften, Lüfterreaktionskräften, Gewichtskräften etc. am entlasteten Lager eine Restvorspannung aufrecht zu erhalten.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen. Da- bei zeigen:

Figur 1 eine vereinfachte Axialschnittdarstellung zur Veranschaulichung des Aufbaus einer erfindungsgemäßen Lageranordnung bei einem Elektromotor in einem axial ausgeglichen belasteten Zu- stand;

Figur 2 eine Detaildarstellung zur Veranschaulichung der axialen AbStützung eines Lagers der Lageranordnung nach Figur 1 ; Figur 3 eine Axialschnittdarstellung der Lageranordnung nach Figur 1 in einem axial nach rechts belasteten Zustand;

Figur 4 eine Detaildarstellung zur Veranschaulichung der axialen Abstüt- zung eines Lagers der erfindungsgemäßen Lageranordnung in axial belastetem Zustand;

Figur 5 eine perspektivische Darstellung eines mit einer Tellerfeder bestückten Rillenkugellagers;

Figur 6 eine weitere, nunmehr teilweise aufgebrochene perspektivische

Darstellung des mit einer Tellerfeder bestückten Rillenkugellagers nach Figur 5;

Figur 7a eine Darstellung einer ersten möglichen Querschnittsgestaltung des Federelementes;

Figur 7b eine Darstellung einer zweiten möglichen Querschnittsgestaltung des Federelementes;

Figur 7c eine Darstellung einer dritten möglichen Querschnittsgestaltung des Federelementes.

Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen

Die Darstellung nach Figur 1 zeigt eine erfindungsgemäße Lageranordnung zur beidseitigen Lagerung eines Wellenabschnitts 3. Die Lageranordnung um- fasst dabei ein erstes Wälzlager 1 , das einen ersten Lagerinnenring 1 a und einen ersten Lageraußenring 1 b aufweist. Weiterhin umfasst die Lageranordnung ein zweites Wälzlager 2, das vom ersten Wälzlager 1 axial beabstandet ist und einen zweiten Lagerinnenring 2a und einen zweiten Lageraußenring 2b aufweist. Diese beiden Wälzlager 1 , 2 lagern den schon genannten Wellenab- schnitt 3 indem dieser in dem ersten Lagerinnenring 1 a und dem zweiten Lagerinnenring 2a sitzt.

Die Lageranordnung umfasst weiterhin ein erstes Gehäuseelement 4 in wel- ehern der erste Lageraußenring 1 b sitzt, und ein zweites Gehäuseelement 5 in welchem der zweite Lageraußenring 2b sitzt. Die erfindungsgemäße Lageranordnung zeichnet sich dadurch aus, dass sowohl der erste Lagerinnenring 1 a, als auch der zweite Lagerinnenring 2a zumindest einseitig axial festgelegt sind, und zudem sowohl der erste Lageraußenring 1 a als auch der zweite Lagerau- ßenring 2a in dem jeweiligen Gehäuseelement 4, 5 hinreichend leichtgängig axial verschiebbar geführt sind, wobei sowohl am ersten Lageraußenring 1 b als auch am zweiten Lageraußenring 2b jeweils eine Tellerfeder 6, 7 verankert ist, die den jeweiligen Lageraußenring 1 b, 2b in Axialrichtung federnd an dem jeweiligen Gehäuseelement 4, 5 axial abstützt.

Die beiden Wälzlager 1 , 2 sind als Rillenkugellager ausgeführt, die Verankerung der jeweiligen Tellerfeder 6, 7 an dem zugeordneten Lageraußenring erfolgt über eine Umfangsnut 1 c, 2c die in dem jeweiligen Lageraußenring 1 b, 2b ausgebildet ist. Jedes Gehäuseelement bildet eine Anschlagstruktur 5a, 6a, die den axialen Verschiebeweg des jeweiligen Lageraußenringes 1 b, 2b begrenzt. Der konstruktiv vorgesehene Verschiebeweg des jeweiligen Lageraußenringes 1 b, 2b in dem Gehäuseelement 4, 5 ist kleiner als der durch den konstruktiven Aufbau der jeweiligen Tellerfeder 6, 7 jeweils realisierbare Federweg. Die Tellerfedern 6, 7 sind so an den jeweiligen Lageraußenring 1 b, 2b derart ange- setzt, dass diese radial nach außen über dessen Außenumfangsfläche überstehen. Die Tellerfedern 6, 7 greifen radial von außen her in die Umfangsnuten 1 c, 2c ein. Der Innendurchmesser der Tellerfedern ist also geringer als der Außendurchmesser der Außenumfangswandung der Lageraußenringe 1 b, 2b. Wie aus der Darstellung erkennbar, sind die Tellerfedern 6, 7 derart angeordnet, dass diese an den Lageraußenringen 1 b, 2b derart angreifen, dass diese die Lageraußenringe 1 b, 2b axial zu dem zwischen den Lagern 1 , 2 sitzenden Rotor 8 und damit aufeinander zu drängen. Wie weiter erkennbar ist die La- geranordnung so ausgelegt ist, dass die Wälzlager 1 , 2 zunächst beide als Loslager fungieren, die jedoch über die Tellerfedern 6, 7 eine Vorspannung erhalten. Die zumindest einseitige axiale Festlegung der Lagerinnenringe 1 a, 1 b erfolgt durch Sicherungsringe 9, 10 die in Umfangsnuten 1 1 , 12 sitzen, die in den Wellenabschnitt 3 eingeformt sind. Die jeweilige Tellerfeder 6, 7 bildet mehrere in Umfangsrichtung abfolgende, radial einwärts vordringende Federkrallen 6a, 7a, wobei diese Federkrallen 6a, 7a in jeweils eine Umfangsnut 1 c, 2c eingrei- fen die im jeweiligen Lageraußenring 1 b, 2b ausgebildet ist. Wie erkennbar weist die jeweilige Tellerfeder 6, 7 eine Deckfläche mit einem kegelmantelringartigen Verlauf auf. Bei der hier gezeigten Darstellung befinden sich beide Lager 1 , 2 in einer leicht von der jeweiligen Anschlagstruktur 4a, 5a abgehobenen „Loslager-Stellung".

Die Darstellung nach Figur 2 zeigt in Form einer Detaildarstellung das zweite Wälzlager 2 der Lageranordnung nach Figur 1 in einer Neutralstellung. Wie erkennbar ist das Wälzlager 2 als Rillenkugellager ausgeführt, wobei an dessen Lageraußenring 2b eine Tellerfeder 7 angebracht ist. Die Tellerfeder 7 hat am Innenbereich eine besondere Form (vgl. auch Figuren 5 und 6), wodurch diese Feder 7 deutlich elastischer wird und so über den Außendurchmesser des Lageraußenringes 2b montiert werden kann, bis die Krallen 7a in die Nut 2c einschnappen. Bei der Anordnung nach Figur 1 haben beide Lager 1 , 2 den hier gezeigten Aufbau und können damit jeweils für sich axial vorgespannt werden. Beide Lager 1 , 2 fungieren damit zunächst als Loslager .

Das Rillenkugellager 2 ist hier als abgedichtetes, dauergeschmiertes Lager ausgeführt. Die Abdichtung wird durch eine innere Dichtlippeneinrichtung 2d und eine äußere Dichtlippeneinrichtung 2e bewerkstelligt. Beide Dichtlippen- einrichtungen 2d, 2e sind am Lageraußenring 2b verankert. Die Umfangsnut 2c zur Abstützung der Tellerfeder 7 befindet sich in einem der vorderen Ringstirnseite 2f des Lageraußenringes 2b benachbarten Umfangsbereich. Zwischen einer der Ringstirnseite 2f des Lageraußenringes 2b abgewandten Ringstirn- seite 2g und einer Stirnfläche 5b des Axialanschlags 5a befindet sich in diesem Belastungszustand ein Ringspalt 12 dessen in Axialrichtung gemessene Weite in etwa dem halben Federweg entspricht über welchen die Tellerfeder 7 prinzipiell stauchbar ist. Die Tellerfeder 7 ist also in dem gezeigten Zustand „zur Hälfte" vorgespannt und ggf. nochmals um eine Strecke stauchbar die der Weite des Ringspalts 12 entspricht. Sobald also die Stirnfläche 2g an der Anschlagfläche 5b ansteht ist die Tellerfeder 7 annähernd maximal verspannt und steht als zylinderringscheibenartige flache Scheibe„gerade" in der Umfangsnut 2c und liegt zudem im wesentlichen flach an dem Gehäuseelement 5 an.

In Figur 3 ist die erfindungsgemäße Lageranordnung in einem Zustand dargestellt, in welchem an dem Wellenabschnitt 3 eine in der Darstellung nach rechts gerichtete Axialkraft angreift. Unter der Wirkung dieser Axialkraft wird hier beispielhaft das erste Wälzlager 1 in den Gehäusedeckel 4 bis auf An- schlag eingerückt und die erste Tellerfeder 6 weiter verspannt. Das erste Wälzlager 1 wird damit zum Festlager. Bei zweitem Lager 2 reduziert sich dagegen etwas die durch die zweite Tellerfeder 7 generierte axiale Vorspannung. Sie wird jedoch nicht vollständig aufgehoben und beseitigt damit weiterhin ein etwaiges Spiel der Wälzkörper W2.

Die Darstellung nach Figur 4 zeigt das erste Wälzlager 1 in einem Zustand in welchem der Lageraußenring 1 b bis auf Anschlag in das Gehäuseelement 4 axial eingeschoben ist. In dieser Stellung fungiert das erste Wälzlager 1 als sog. Festlager. Wie erkennbar ist die Anordnung so ausgelegt, dass die Teller- feder 6 zwar weit aufgerichtet ist, jedoch noch nicht völlig flach gestaucht ist. Prinzipiell ist es möglich, den axialen Einschubweg des Lageraußenringes 1 b in das Gehäuseelement 4 auch ausschließlich durch die Tellerfeder 1 zu begrenzen. Bei Erreichen der hier gezeigten Endstellung verbleibt zwischen der äußeren Stirnfläche 1 e des Lagerinnenringes 1 a noch ein axialer Laufspalt 13 gegenüber dem Gehäuseelement 4. Im Kontaktbereich zwischen dem Gehäuseelement 4 und der Tellerfeder 6 herrscht eine gewisse Pressung. Diese bewirkt einen Haftreibungskontakt der als solcher dem Wandern des LagerAu- ßenringes 1 b entgegen wirkt. Das Federelement 6 sitzt in einer axial geringfü- gig weiter als die Federdicke dimensionierten Nut 1 c. Die axiale Festlegung des Lagerinnenringes 1 a erfolgt einseitig über den Sicherungsring 9. Eine zweiseitige axiale Festlegung ist bei dieser Anordnung nicht erforderlich. Aus der perspektivischen Darstellung nach Figur 5 ist der Aufbau einer erfindungsgemäß eingesetzten Tellerfeder 6, 7 weiter ersichtlich. Die Tellerfeder 6, 7 ist aus einem Federstahlmaterial gefertigt und umfasst einen Ringmantelabschnitt 6b, 7b sowie mehrere in Umfangsrichtung abfolgende Federkrallen 6a, 7a. Bei dieser Ausführungsform sind die Federkrallen 6a, 7a so ausgebildet, dass zwischen abfolgenden Federkrallen größere Fensterabschnitte verbleiben. Durch die Abstimmung der Breite der Federkrallen 6a, 7a und der in Umfangsrichtung gemessene Weite der Fensterabschnitte kann in Verbindung mit weiteren Strukturmerkmalen die Federcharakteristik der jeweiligen Tellerfeder 6, 7 präzise abgestimmt werden. Grundsätzlich ist die jeweilige Tellerfeder 6, 7 jedoch so ausgelegt, dass diese axial auf den Lageraußenring 1 b, 2b aufgeschoben werden kann und dann mit ihren Federkrallen 6a, 7a in die Umfangs- nut 1 c, 2c einschnappt.

Die Tellerfeder 6, 7 bildet hier eine obere und eine untere Mantelfläche M1 , M2. Bei der hier gezeigten Ausführungsform erstrecken sich die Mantelflächen M1 , M2 auf zueinander parallelen Kegelflächen.

In der Darstellung nach Figur 6 ist der Aufbau der als Rillenkugellager ausgeführten und mit Federelementen 6, 7 bestückten Wälzlager 1 , 2 weiter veran- schaulicht. Wie erkennbar ist am Lageraußenring 1 b, 2b in einem der Stirnfläche 1 f, 2f benachbarten Umfangsbereich eine Nut 1 c, 2c ausgebildet. In dieser ist die Tellerfeder 6, 7 montiert, mit welcher eine axiale Vorspannung am Lager 1 , 2 erzeugt wird. In den Figuren 7a, 7b und 7c sind mögliche Querschnittsgestaltungen der Federelemente 6, 7 weiter veranschaulicht. Die Darstellung nach Figur 7a zeigt nochmals den Querschnitt eines Federelementes 6, 7 das in seinem Aufbau den bei dem Ausführungsbeispiel nach den Figuren 1 bis 6 verwendeten Fe- derelementen 6, 7 entspricht. Bei diesem Federelement 6,7 erstrecken sich der Ringmantelabschnitt 6b, 7b sowie die Federkrallen 6a, 7a jeweils auf Kegelmantelflächen. Bei dem Ausführungsbeispiel nach Figur 7b sind die Federkrallen 6a, 7a wie erkennbar gekröpft ausgebildet. Hierbei wird es möglich, die Innenenden der Federkrallen 6a, 7a im wesentlichen senkrecht in die Umfangsnut des zugeordneten Lagerringes einzuführen. Bei dem Ausführungsbeispiel nach Figur 7c sind sowohl die Federkrallen 6a, 7a als auch der Ringmantelabschnitt 6b, 7b im Axialschnitt wie erkennbar gekröpft ausgebildet. Hierbei wird es sowohl möglich, die Innenenden der Federkrallen 6a, 7a im wesentlichen senkrecht in die Umfangsnut des zugeordneten Lagerringes einzuführen als auch den Flächenverschleiß im Bereich der das Federelement 6, 7 axial stützenden Anlagefläche zu reduzieren.

Bezugszeichenliste

Wälzlager

a Lagerinnenring

1 b Lageraußenring

1 c Umfangsnut

Wälzlager

a Lagerinnenring

b Lageraußenring

c Umfangsnut

d Dichtlippeneinrichtung

e Dichtlippeneinrichtung

f Ringstirnseite

g Ringstirnseite

3 Wellenabschnitts

Gehäuseelement /-deckel

a Anschlagstruktur

5 Gehäuseelement /- deckel

5a Anschlagstruktur

5b Stirn- / Anschlagfläche

6 Tellerfeder

7 Tellerfeder

6a Federkrallen

7a Federkrallen

8 Rotor

9 Sicherungsring

10 Sicherungsring

12 Ringspalts

13 axialer Laufspalt

M1 Mantelfläche

M2 Mantelfläche

W2 Wälzkörper