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Stand der
Technik
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Aus
der deutschen Gebrauchsmusterschrift
DE 298 18 190 U1 ist eine Vorrichtung zur
Befestigung eines Wälzlagers
in einem Gehäuseteil
eines Drehstromgenerators bekannt. Das Gehäuseteil ist im Wesentlichen
plattenförmig
und weist zu seiner Mitte hin eine Öffnung auf, die von einem Rand
umgeben ist und eine Nabe bildet. Diese Nabe dient zur Aufnahme
eines Wälzlagers,
in dem ein Rotor des Drehstromgenerators drehbar gelagert ist. Während einerseits
in der Nabe am Gehäuseteil
ein nach innen ragender Bund angeformt ist, der die Beweglichkeit des
Wälzlagers
zumindest in eine Seite beschränkt, ist
auf der anderen Seite des Wälzlagers
bzw. dessen Außenring
eine Halteplatte befestigt, die über
den Rand der Nabe hinwegreicht und dadurch den Außenring
des Wälzlagers
in die andere Richtung an einer Bewegung hindert. Somit ist gewährleistet,
dass das Wälzlager
sich nicht in axialer Richtung bewegen kann.
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Die
Halteplatte weist um eine zentrale Öffnung, die für den Durchtritt
der Rotorwelle vorgesehen ist, mehrere angesenkte Bohrungen auf,
die eine Befestigung der Halteplatte mittels sogenannter Senkkopfschrauben
am Gehäuseteil
ermöglichen. Diese
angesenkten Bohrungen sind. wie auch die entsprechenden Schraubenköpfe, kegelförmig. Bei dieser
Ausführung
ist nachteilig, dass die in Bolzenrichtung der Schraube wirkenden
Haltekräfte
nicht nur die Halteplatte verbiegen, sondern gleichzeitig durch
eine eindeutig definierte Lage zwischen Schraubenkopf und konischer
Senkung in der Halteplatte, der Schraubenkopf gemäß der Lageänderung der
gesenkten Bohrung in der Halteplatte nachgeführt wird. Dies führt dazu,
dass in dem ohnehin bereits schwachen bzw. geschwächten Bereich
im Übergang
vom Schraubenkopf zum Schraubenschaft nicht nur Zugkräfte wirken,
sondern zugleich Biegekräfte.
Diese Aggregation zweier verschiedener Belastungen führt zu einem
komplexen mechanischen Spannungszustand im Übergangsbereich vom Schraubenkopf
zum Schraubenschaft und somit zu einer schwer zu definierenden Belastung,
die zudem besonders hoch ist.
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Vorteile der
Erfindung
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
zur Befestigung eines Wälzlagers
mit den Merkmalen des Hauptanspruchs hat den Vorteil, dass durch
die Formgebung des Bolzenkopfs bzw. dessen Fläche, die am Anschlagteil anliegt,
die Biegebelastung der Schraube bzw. des Bolzens erheblich reduziert
werden kann. Beim Anziehen bzw. Befestigen des Bolzenelements biegt
sich das Anschlagteil entsprechend einer Schraubenklemmkraft, wobei
sich die Gegenfläche
im Anschlagteil neigt. Durch das Kugelgelenkprinzip kann der Bolzenkopf
im Anschlagteil gleiten, so dass der Bolzenkopf nicht der Neigung
des Anschlagteils folgt. Da somit bei einem komplexen Spannungszustand
aus Zugkraft und Biegemoment die Komponente des Biegemoments erheblich
abnimmt, kann der Querschnitt des Bolzens bzw. Bolzenelements in
Bolzenrichtung deutlich höher
beansprucht werden. Dies hat den praktischen Vorteil, dass hinsichtlich
des Bolzendurchmessers Bolzenelemente mit kleinerem Durchmesser
verwendet werden können.
Abgesehen davon, dass die Bolzenelemente in der Herstellung billiger
werden, hat die Verkeinerung des Bolzenelements den Vorteil, dass
bei einer Nabe als aufnehmendes Gehäuseteil diese und auch die
Halteplatte in ihrem Außendurchmesser verringert
werden können.
Da gleichzeitig auch die Halteplatte geringer belastet wird, kann
diese in ihrer Materialstärke
verringert werden. Ebenso kann die axiale Erstreckung des Bolzenkopfs
verkleinert werden, so dass sich insgesamt eine in axialer Richtung kleiner
bauende Befestigungsvorrichtung ergibt.
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Durch
die in den Unteransprüchen
aufgeführten
Maßnahmen
sind vorteilhafte Weiterbildungen der Vorrichtung zur Befestigung
eines Wälzlagers
nach dem Hauptanspruch möglich.
Entsprechend der zum Anschlagteil gerichteten Fläche des Bolzenkopfs ist vorgesehen,
dass die entsprechende Gegenfläche
des Anschlagteils derartig ausgeformt ist, dass diese einen sich
allgemein verjüngenden Hohlraum
bildet. Die bolzenelementschonendere Ausgestaltung kommt besonders
dann zum Tragen, wenn der Bolzenkopf mit einer entsprechend geformten
Gegenfläche
wechselwirkt. Ganz besonders ist dies der Fall, wenn die Gegenfläche des
Anschlagteils kugelmantelförmig ist,
so dass beide aufeinander liegenden Flächen insgesamt wie ein Kugelgelenk
wirken. Wie von Kugelgelenken bekannt, können die gelenkbildenden Elemente
gut gegeneinander gleiten, so dass die Belastung verringert ist.
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Zur
Vermeidung unnötiger
Querkräfte
ist vorgesehen, dass die Gegenfläche
im Anschlagteil einen größeren Radius,
als die Fläche
des Bolzenkopfs hat.
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Von
dem Prinzip, beide aneinander liegenden Flächen als Kugelmantelflächen auszubilden, kann
abgewichen werden, so dass die Gegenfläche durchaus auch als Kegelmantelfläche ausgebildet werden
kann. Dies hat den Vorteil, dass entsprechende Bohrwerkzeuge verhältnismäßig einfach
und in bekannter Art und Weise hergestellt werden können.
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Es
hat sich herausgestellt, dass für
die Belastung des Bolzenkopfs bestimmte Öffnungswinkel in der Gegenfläche wünschenswert
sind. So wird bevorzugt, dass der Öffnungswinkel der Gegenfläche zwischen
100° und
140° hat,
wobei ein Öffnungswinkel
von etwa 120° besonders
günstig
ist. Vorteilhafter Weise ist vorgesehen, dass das Anschlagteil in
unverspanntem Zustand frei über
das Wälzlager
kragt. Für
diesen Fall ist eine besonders kurze Nabe vorgesehen, wodurch gewisse
Gewichtsersparnis möglich ist.
In diesem Fall kommt die Kugelgelenkwirkung besonders vorteilhaft
zur Geltung, da gerade in diesem Fall besonders große Relativbewegungen
zwischen Bolzenkopf und Anschlagteil möglich sind.
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Zeichnungen
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In
den Zeichnungen sind Ausführungsbeispiele
einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
zur Befestigung eines Wälzlagers
dargestellt. Es zeigen:
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1 bis 4 ein
erstes Ausführungsbeispiel
einer entsprechenden Vorrichtung in verschiedenen Schnittdarstellungen
und Ansichten,
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5a und 5b in
zwei Teilschnittdarstellungen die Wirkungsweise des ersten Ausführungsbeispiels
und dessen prinzipielle Zusammenhänge,
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5c ein
drittes Ausführungsbeispiel
in unverspanntem Zustand.
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Beschreibung
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In 1 ist
ein Maschinenteil 10 dargestellt, das beispielsweise ein
Gehäuseteil
eines Drehstromgenerators ist. Dieses in einem Axialschnitt dargestellte
Maschinenteil 10 besteht aus einem Ringbund 13,
der einstückig über Rippen 16 mit
einem Stirnteil 19 verbunden ist. Das Stirnteil 19 erstreckt
sich nach radial innen und geht dabei in eine Nabe 22 über. Diese
Nabe 22 ist im Wesentlichen hohlzylindrisch ausgebildet
und weist einen zylindermantelförmigen Sitz 25 auf,
der in diesem Fall an seinem zur Außenseite des Maschinenteils 10 gerichteten
Ende 27 einen nach innen gerichteten Ringbund 30 aufweist, der
als Anschlag für
ein im Sitz 25 eingesetztes Wälzlager 33 dient.
In 1 ist von diesem Wälzlager 33 lediglich
ein Außenring 35 erkennbar.
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Während das
Wälzlager 33 in 1 nach links
hin durch den Ringbund 30 in seiner Lage bestimmt wird,
ist vorgesehen, dieses Wälzlager 33 zur rechten
Seite hin mittels eines zu montierenden Anschlagteils 40 in
seiner Lage nach rechts zu definieren. Auf das Anschlagteil 40 wird
später
noch näher eingegangen
werden, hier an dieser Stelle sei erwähnt, dass dieses Anschlagteil 40 insgesamt
eine Ringform aufweist, die mehrere Löcher aufweist, mittels derer
und speziell vorgesehener Bolzenelemente 43 dieses Anschlagteil 40 an
der Nabe 22 befestigbar ist.
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In 2 ist
der Befestigungsbereich des massiven Teils 10 separat dargestellt,
wobei die Darstellung in Bezug auf 1 einer
Seitenansicht von rechts entspricht. Vom ausschnittsweise dargestellten
Stirnteil 19 gehen vier Streben 46 nach radial
innen aus und enden in der Nabe 22. Wie deutlich zu erkennen
ist, ist das Anschlagteil 40 im Wesentlichen ringförmig und
weist nicht zwingend eine in etwa achteckförmige Kontur auf. An zwei sich
gegenüber liegenden
Stellen 49 des Anschlagteils 40 gehen axial in
etwa rechtwinklig abgebogene Laschen 52 aus, die dazu dienen,
in entsprechende Ausnehmungen 55 der Nabe 22 einzugreifen
und somit eine definierte Lage des Anschlagteils 40 relativ
zur Nabe 22 zu gewährleisten.
Das Anschlagteil 40 weist im Bereich der Streben 46 einen
in radialer Richtung verdickten Rand auf, um ausreichend Platz für Durchtrittslöcher aufweisen
zu können,
mittels derer das Anschlagteil 40 und entsprechend die
Bolzenelemente 43 an der Nabe 22 befestigt werden
können.
Die Bolzenelemente 43 sind in dieser Ansicht nur anhand
ihrer Bolzenköpfe 58 zu
erkennen. Die Bolzenköpfe 58 weisen
zur Übertragung
von Drehmomenten entsprechende Konturen 61 auf. Das Anschlagteil 40 überdeckt
größtenteils
einen Außenring 65 des
Wälzlagers 33.
In der zentrischen runden inneren Öffnung des Anschlagteils 40 ist
des weiteren eine Abdeckscheibe 67 und ein Innenring 70 zu
erkennen.
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3 zeigt
eine Ansicht der Nabe 22 von außen auf das Maschinenteil 10.
Die Nabe 22 bedeckt mit ihrem Ringbund 30 größtenteils
den Außenring 65,
an den nach radial innen hin der Innenring 70 angrenzt.
Wie zu erkennen ist, sind die Bolzenelemente 43 beispielhaft
in Durchgangslöchern 73 aufgenommen.
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4 zeigt
nunmehr eine stark vergrößerte Ansicht
des Bolzenelements 43 in der Nabe 22 aus 1.
Das Bolzenelement 43 ist als Schraube ausgebildet und besteht
aus dem Bolzenkopf 58, an den sich der eigentliche Bolzen 76 anschließt. Der
Bolzen 76 ist unterteilt in zwei Abschnitte, und zwar in
einen zylindrischen Abschnitt 78, der zwischen dem Bolzenkopf 58 und
dem zweiten Abschnitt, einem mit einem Außengewinde 80 ausgestatteten
Gewindeabschnitt 81, angeordnet ist. Der Bolzenkopf 58 ist
hinterschnittbildend und in einem Loch 84 des Anschlagteils 40 eingefügt. Der
Bolzenkopf 58 hat eine zum Anschlagteil 40 gerichtete
Fläche 86,
mit der der Bolzenkopf 58 im Loch 84 am Anschlagteil 40 anliegt. Die
Fläche 86 ist
kugelmantelförmig.
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Die
entsprechende Gegenfläche 88 im
Loch 84 des Anschlagteils 40 bildet einen sich
allgemein verjüngenden
Hohlraum. Gemäß dem ersten
Ausführungsbeispiel
ist vorgesehen, dass die Gegenfläche 88 ebenfalls
kugelmantelförmig
ist.
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Es
ist somit insgesamt eine Vorrichtung zur Befestigung eines Wälzlagers 38 an
einem Maschinenteil 10 vorgesehen, wobei das Maschinenteil 10 vorzugsweise
ein Gehäuseteil
mit einer Nabe 22 ist. Das Wälzlager 33 ist mittels
einem Lagerring an dem Maschinenteil 10 befestigt. Der
Lagerring selbst ist mittels einem Anschlagteil 40 einseitig
in seiner Lage bestimmt, wobei das Anschlagteil mit zumindest einem
Bolzenelement 43 am Maschinenteil 10 gehalten
ist. Das Bolzenelement 43 hat einen Hinterschnitt bildenden
und haltenden Bolzenkopf 58, der mittels einer zum Anschlagteil 40 gerichteten
Fläche 86 an diesem
Anschlagteil 40 anliegt. Das besondere Merkmal besteht
darin, dass der Bolzenkopf 58 eine Fläche 86 hat, die kugelmantelförmig ist.
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Des
weiteren ist vorgesehen, dass die Gegenfläche 88 einen größeren Radius
als die Fläche 86 des
Bolzenkopfs 58 hat.
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Die
Gegenfläche 88 soll
bei allen Ausführungsbeispielen
ein weiteres Merkmal aufweisen. Die Gegenfläche 88 weist in dem
Bereich, in dem der Bolzen 76 durch das Loch des Anschlagteils 40 hindurch
ragt, einen Öffnungswinkel
auf, der durch die beiden gedanklichen Schenkel beschreibbar ist,
die von der Gegenfläche 88 in
Richtung zum Bolzen 76 gerichtet sind. Beide Schenkel zusammen
genommen begrenzen den Öffnungswinkel.
Für diesen Öffnungswinkel α soll als
Bedingung gelten, dass dieser zwischen 100° und 40° sein soll. Als besonders vorteilhafter Öffnungswinkel α hat sich
eine Größe von in etwa
120° erwiesen,
wobei 120° davon
mitumfasst sind.
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4 zeigt
im übrigen
den noch unverspannten Zustand zwischen Anschlagteil 40 und Nabe 22.
Insofern ist das Anschlagteil 40 noch unbelastet und liegt
mehr oder weniger frei auf dem Außenring 65 des Wälzlagers 33 auf.
Wie in diesem Zusammenhang und in diesem Zustand erkennbar ist, ist
zwischen Anschlagteil 40 und der zum Anschlagteil 40 gerichteten
Fläche
der Nabe 22 ein Spalt 90 erkennbar. Im Gegensatz
zum eingangs zitierten Stand der Technik führt dieser Spalt 90 im
verspannten Zustand zu einer Biegung des Anschlagteils 40 vom Außenring 45 ausgehend
bis zum Außenrand des
Anschlagteils 40. Die entsprechenden Folgen für das Bolzenelement 43 sollen
erfindungsgemäß vermieden
werden. Im unverspannten Zustand kragt das Anschlagteil 40 frei über den
Rand des Wälzlagers 33.
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5a zeigt
die Radienverhältnisse
von Fläche 86 und
Gegenfläche 88.
Wie deutlich zu erkennen ist, ist der Radius RF der Gegenfläche 88 größer, als
der Radius RS der Fläche 86.
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5b zeigt
deutlich den Vorteil der erfindungsgemäßen Anordnung, wobei hier ein
Zustand nach dem Verspannen des Anschlagsteils 40 durch das
Bolzenelement 43 dargestellt ist. Der Kugelkopf bzw. der
Bolzenkopf 58 kann in der Mulde bzw. dem Loch im Anschlagteil 40 gleiten.
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Es
ist vorgesehen, zwischen den reibenden Flächen von Bolzenkopf 58 und
Gegenfläche 88 einen
Schmierstoff einzubringen. Als Schmierstoff empfiehlt sich hier
eine Gleitwachsbeschichtung.
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Für das Loch
im Anschlagteil 40 ist ein Durchmesser von 4,4 mm vorgesehen,
das Bolzenelement 43 soll einen Durchmesser von ca. 4mm
aufweisen. Mit anderen Worten, das Loch im Anschlagteil 40 hat
einen um ca. 10% größeren Durchmesser als
das Bolzenelement 43.
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5c zeigt
ein weiteres Ausführungsbeispiel
für eine
Ausbildung des Lochs 84 im Anschlagteil 40. Es sei an dieser
Stelle angemerkt, dass das Anschlagteil 40 des zweiten
Ausführungsbeispiels mit
dem Anschlagteil 40 des ersten Ausführungsbeispiels austauschbar
ist. Wie deutlich zu erkennen ist, ist die Gegenfläche 88 nicht
kugelmantelförmig
sondern kegelmantelförmig
ausgebildet.