DE102012007329B4 - Shaft-hub-connection - Google Patents
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Abstract
Welle-Nabe-Verbindung, umfassend: ein erstes Bauteil mit einer axialen Anlageschulter (110) und einer umlaufenden Ringnut (103), ein zweites Bauteil mit einer Wälzkörperlaufbahn (116), das an dem ersten Bauteil angeordnet und an der axialen Anlageschulter (103) abgestützt ist, und einen Befestigungsring (104), der sich mit einer ersten Anlagefläche (114) an einer Flanke (107) des ersten Bauteils und mit einer zweiten Anlagefläche (115) an dem zweiten Bauteil abstützt, um das zweite Bauteil mit der axialen Anlageschulter (110) des ersten Bauteils zu verspannen, wobei entweder das erste Bauteil eine Welle (101) und das zweite Bauteil eine Nabe (102) oder aber das erste Bauteil eine Nabe und das zweite Bauteil eine Welle ist, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und zweite Anlagefläche (114, 115) des Befestigungsrings (104) einen Winkel im Bereich von 5° bis 50° miteinander einschließen, dadurch gekennzeichnet, dass der Befestigungsring (104), welcher ein Wälzlager als zweites Bauteil an einer Kugelgewindemutter als erstes Bauteil festlegt, einen zylindrischen Abschnitt (118) aufweist, welcher an einen die zweite Anlagefläche (115) aufweisenden radialen Flansch (117) anschließt, wobei die Wälzkörperlaufbahn (116) radial einen Abstand h0 zum Sitz (106) des zweiten Bauteils an dem ersten Bauteil aufweist und die Wanddicke h3 des zylindrischen Abschnitts (118), kleiner oder gleich h0 ist.A shaft-hub connection comprising: a first component having an axial abutment shoulder (110) and a circumferential annular groove (103), a second component having a rolling body raceway (116) disposed on the first component and secured to the axial abutment shoulder (103) is supported, and a fastening ring (104) which is supported with a first contact surface (114) on a flank (107) of the first component and with a second abutment surface (115) on the second component to the second component with the axial abutment shoulder (110) of the first component, wherein either the first component is a shaft (101) and the second component is a hub (102) or the first component is a hub and the second component is a shaft, characterized in that the first and second abutment surface (114, 115) of the mounting ring (104) enclose an angle in the range of 5 ° to 50 ° with each other, characterized in that the fastening ring (104), which a rolling bearing as the second s defines a component on a ball screw nut as a first component, has a cylindrical section (118) which adjoins a radial flange (117) having the second contact surface (115), wherein the rolling element track (116) extends radially a distance h0 from the seat (106) of the second component on the first component and the wall thickness h3 of the cylindrical portion (118) is less than or equal to h0.
Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Welle-Nabe-Verbindung nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1. Weiterhin bezieht sich die Erfindung auf eine Kugelgewindemutter mit einem Wälzlager, die mittels einer solchen Welle-Nabe-Verbindung verbunden sind, sowie schließlich auf eine elektromechanische Lenkung mit Kugelgewindetrieb.The invention relates to a shaft-hub connection according to the preamble of
Dem Fachmann ist allgemein bekannt, Wälzlager mittels Sicherungsringen, Muttern oder dergleichen an Wellen oder Naben axial festzulegen. Ferner ist bekannt, eine Fixierung und Zentrierung mittels eines Pressverbands vorzunehmen.The person skilled in the art is generally aware of fixing rolling bearings axially by means of retaining rings, nuts or the like on shafts or hubs. Furthermore, it is known to perform a fixation and centering by means of a press fit.
In bestimmten Einbausituationen, wie beispielsweise der Befestigung eines Hauptlagers an einer Kugelgewindemutter in einer elektromechanischen Fahrzeuglenkung (vgl. z. B.
Herkömmliche Wellensicherungsringe sind ungeeignet, da diese nicht in der Lage sind, große Axialkräfte abzustützen. Zudem weisen derartige Sicherungsringe in der Regal Axialspiel auf.Conventional shaft retaining rings are unsuitable because they are unable to support large axial forces. In addition, such retaining rings on the shelf axial play on.
Aus
Wellenmuttern ermöglichen zwar eine stabilere spielfreie axiale Festlegung, benötigen jedoch einen verhältnismäßig großen Bauraum und führen zu einer Verspannung des Lagerrings, welche eine gewisse Verformung der Wälzkörperlaufbahn verursacht, wenn der Lagerring nicht sehr massiv ausgeführt wird. Zudem ist der Herstellung sehr aufwändig, da an der Welle ein Gewinde geschnitten werden muss. Dies gilt insbesondere dann, wenn die Welle eine Kugelgewindemutter aus Wälzlagerstahl ist.Although shaft nuts allow a more stable backlash-free axial attachment, but require a relatively large amount of space and lead to a tension of the bearing ring, which causes a certain deformation of the rolling body raceway when the bearing ring is not made very solid. In addition, the production is very complicated, since a thread must be cut on the shaft. This applies in particular when the shaft is a ball screw nut made of bearing steel.
Es ist daher bereits versucht worden, den Lagerinnenring eines Hauptlagers einer Kugelgewindemutter unmittelbar in die Kugelgewindemutter zu integrieren (vgl. z. B.
Eine Welle-Nabe-Verbindung nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 ist aus
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Alternativen zur herkömmlichen Hauptlagerbefestigung aufzuzeigen. Insbesondere zielt die Erfindung darauf ab, eine Welle-Nabe-Verbindung zu schaffen, welche eine hohe axiale Tragfähigkeit aufweist, einen geringen Bauraumbedarf besitzt, radial und axial spielfrei ist und Verformungen nabenseitiger Wälzkörperlaufbahnen vermeidet.The invention has for its object to provide alternatives to conventional main bearing attachment. In particular, the invention aims to provide a shaft-hub connection, which has a high axial load capacity, has a low space requirement, is free of radial and axial clearance and avoids deformations hub side Wälzkörperlaufbahnen.
Diese Aufgabe wird durch eine Welle-Nabe-Verbindung gemäß Patentanspruch 1 gelöst.This object is achieved by a shaft-hub connection according to
Die erfindungsgemäße Lösung ermöglicht bei spielfreier axialer Verspannung der beiden Bauteile eine hohe axiale Tragfähigkeit der Verbindung. Vorzugsweise wird der Befestigungsring durch ein axial und radial auf denselben einwirkendes Werkzeug zwischen der Ringnut und der Nabe verpresst. Durch die Verformung des Befestigungsrings können etwaige Fertigungstoleranzen problemlos ausgeglichen werden. Hierdurch lässt sich die Schnittstelle zwischen Welle und Nabe mit geringer Genauigkeit und damit kostengünstig fertigen. Der Befestigungsring ist ein in seiner Form einfaches und kostengünstig herstellbares Bauteil.The inventive solution allows for backlash-free axial clamping of the two components high axial load capacity of the compound. Preferably, the mounting ring is pressed by an axially and radially acting on the same tool between the annular groove and the hub. Due to the deformation of the mounting ring any manufacturing tolerances can be easily compensated. As a result, the interface between shaft and hub with low accuracy and thus can manufacture cost. The fastening ring is a simple and inexpensive to produce in its form component.
Aufgrund der speziellen Ausgestaltung der Anlageflächen wird einerseits eine gute Abstützung in der Ringnut ermöglicht. Andererseits ergibt sich auf Seiten des zweiten Bauteils eine günstige Krafteinleitung. Der Kraftfluss in dem zweiten Bauteil kann so im Wesentlichen parallel zur Längsachse des zweiten Bauteils und damit an einer an diesem vorhandenen Wälzkörperlaufbahn vorbeigeführt werden.Due to the special design of the contact surfaces, a good support in the annular groove is made possible on the one hand. On the other hand results in a favorable force on the part of the second component. The force flow in the second component can thus be guided substantially parallel to the longitudinal axis of the second component and thus past a rolling body raceway present thereon.
Im Vergleich zu
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in weiteren Patentansprüchen angegeben.Advantageous embodiments of the invention are specified in further claims.
Vorzugsweise weist der Befestigungsring einen abgewinkelten Profilquerschnitt auf, wodurch sich der Anstellwinkel zwischen der ersten und zweiten Anlagefläche besonders einfach realisieren lässt. Grundsätzlich kann jedoch die Ausgestaltung des Befestigungsrings zwischen den Anlageflächen beliebig an die jeweilige Einbausituation angepasst sein. So ist beispielsweise anstatt einer Abwinkelung auch ein bogenförmiger Übergang möglich.Preferably, the attachment ring has an angled profile cross-section, whereby the angle of attack between the first and second contact surface can be realized particularly easily. In principle, however, the configuration of the fastening ring between the contact surfaces can be adapted as desired to the respective installation situation. Thus, for example, instead of a bend and a curved transition possible.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist der Befestigungsring einen Abschnitt mit konstantem Innendurchmesser und einen axial daran anschließenden Abschnitt mit sich verjüngendem Innendurchmesser auf. Dabei ist die mit der Flanke der Ringnut in Eingriff stehende erste Anlagefläche an dem Abschnitt mit sich verjüngendem Innendurchmesser angeordnet und die mit der Nabe in Eingriff stehende zweite Anlagefläche an dem Abschnitt mit konstantem Innendurchmesser angeordnet. Dies ermöglicht auf einfache Art und Weise eine besonders günstige Krafteinleitung in die Nabe mit im Wesentlichen achsparallelem Kraftfluss sowohl in dem Abschnitt mit konstantem Innendurchmesser als auch in der angrenzenden Nabe.According to a further advantageous embodiment, the fastening ring has a section with a constant inner diameter and an axially adjoining section with a tapering inner diameter. At this time, the first abutment surface engaging with the flank of the annular groove is disposed at the tapered inner diameter portion, and the second abutment surface engaging with the hub is disposed at the constant inner diameter portion. This allows in a simple manner a particularly favorable introduction of force into the hub with a substantially axis-parallel force flow both in the section with a constant inner diameter and in the adjacent hub.
Für den Fall, dass das erste Bauteil eine Nabe und das zweite Bauteil eine Welle ist, gilt dies analog. Der Befestigungsring weist in diesem Fall einen Abschnitt mit konstantem Außendurchmesser und einen axial daran anschließenden Abschnitt mit sich vergrößerndem Außendurchmesser auf, wobei die mit der Flanke der Ringnut in Eingriff stehende erste Anlagefläche an dem Abschnitt mit sich vergrößerndem Außendurchmesser angeordnet ist und die mit der Welle in Eingriff stehende zweite Anlagefläche an dem Abschnitt mit konstantem Außendurchmesser angeordnet ist.In the event that the first component is a hub and the second component is a shaft, this applies analogously. The fastening ring in this case has a section with a constant outer diameter and an axially adjoining section with an enlarging outer diameter, wherein the flank of the annular groove engaging first contact surface is arranged on the section with increasing outer diameter and the shaft with in Engaging second abutment surface is disposed on the portion of constant outer diameter.
Bevorzugt ist der Befestigungsring mit der Ringnut verpresst, wodurch sich eine spielfreie Festlegung ohne großen Aufwand verwirklichen lässt.Preferably, the fastening ring is pressed with the annular groove, whereby a play-free determination can be realized without much effort.
Vorzugsweise füllt der Befestigungsring im verformten Zustand die Ringnut aus. Dies begünstigt eine hohe axiale Tragfähigkeit der Verbindung.Preferably, the fastening ring fills out the annular groove in the deformed state. This promotes a high axial load capacity of the connection.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung liegt die zweite Anlagefläche des Befestigungsrings in einer Ebene flächig an dem zweiten Bauteil an. Dies ermöglicht eine gute Reproduzierbarkeit der Krafteinleitung in das zweite Bauteil sowie des Kraftflusses in demselben.According to a further advantageous embodiment, the second contact surface of the fastening ring in a plane is flat against the second component. This allows a good reproducibility of the introduction of force into the second component and of the force flow in the same.
Gemäß einer weiter bevorzugten Ausführungsform ist die Flanke der Ringnut, welche die erste Anlagefläche des Befestigungsrings abstützt, zur Radialrichtung des ersten Bauteils mit einem Anstellwinkel im Bereich von 5° bis 50° angewinkelt. Ferner weist das zweite Bauteil eine Stützfläche zur Abstützung der zweiten Anlagefläche des Befestigungsrings auf, wobei diese Stützfläche sich in Radialrichtung des ersten Bauteils erstreckt.According to a further preferred embodiment, the flank of the annular groove, which supports the first abutment surface of the fastening ring, is angled relative to the radial direction of the first component with an angle of attack in the range of 5 ° to 50 °. Furthermore, the second component has a support surface for supporting the second contact surface of the fastening ring, wherein this support surface extends in the radial direction of the first component.
Der Befestigungsring kann im einfachsten Fall als zylindrische Hülse ausgeführt sein, die abschnittsweise in die Ringnut gedrängt ist. Vorzugsweise bildet jedoch der Abschnitt mit konstantem Innen- bzw. Außendurchmesser an seinem zur Nabe weisenden Ende einen radial abstehenden Flansch aus, dessen Stirnseite die zweite Anlagefläche ist. Hierdurch wird eine weiter erhöhte Tragfähigkeit erzielt, da ein Absprengen des Befestigungsrings verhindert wird. Der Befestigungsring kann in diesem Fall mit einem L-förmigen Profilquerschnitt hergestellt werden, dessen hülsenförmiger Abschnitt jenseits des Flanschs wiederum zumindest abschnittsweise in die Ringnut gedrängt ist.The fastening ring can be designed in the simplest case as a cylindrical sleeve, which is partially pushed into the annular groove. Preferably, however, forms the portion with a constant inner or outer diameter at its end facing the hub a radially projecting flange, whose end face is the second bearing surface. As a result, a further increased load capacity is achieved since a break-off of the mounting ring is prevented. The mounting ring can be made in this case with an L-shaped profile cross-section, the sleeve-shaped portion beyond the flange is in turn at least partially urged into the annular groove.
Ferner kann die maximale radiale Höhe h2 des Kontakts der axialen Anlageschulter mit dem zweiten Bauteil mit h0 +/– 10% eingestellt werden, um den Kraftfluss weiter zu verbessern, nämlichdahingehend, um diesen im Wesentlichen an der Wälzkörperlaufbahn vorzuleiten und Verformungen der Wälzkörperlaufbahn nach dem axialen Festlegen des zweiten Bauteils gering zu halten. Aus der axialen Festlegung verbleiben allenfalls geringe, rein axiale Verformungen, welche sich in einer beherrschbaren Verminderung des Axialspiels des Wälzlagers niederschlagen. Da die Einspannverhältnisse sehr gut reproduzierbar sind, lässt sich die Verminderung des Axialspiels des Wälzlagers durch Auslegung des Lagers kompensieren.Further, the maximum radial height h 2 of the contact of the axial abutment shoulder with the second component can be adjusted with h 0 +/- 10% in order to further improve the force flow, namely to forward it substantially to the rolling element raceway and deformations of the rolling element track to keep the axial setting of the second component low. From the axial fixing remain at most low, purely axial deformations, which are reflected in a controllable reduction of the axial play of the bearing. Since the clamping conditions are very well reproducible, the reduction of the axial play of the rolling bearing can be compensated by designing the bearing.
In einer bevorzugten Ausführungsvariante dient die vorstehend erläuterte Welle-Nabe-Verbindung dazu, ein Wälzlager an einer Kugelgewindemutter axial festzulegen. In diesem Fall ist die Welle die Kugelgewindemutter und die Nabe ein Innenring des Wälzlagers. Jedoch sind auch andere Einsatzzwecke möglich, bei denen hohe Axialkräfte auftreten. Beispielsweise kann ein Ritzel in gleicher Art und Weise an einer Welle gesichert werden.In a preferred embodiment variant, the above-described shaft-hub connection serves to axially fix a roller bearing on a ball screw nut. In this case, the shaft is the ball screw nut and the hub is an inner ring of the rolling bearing. However, other purposes are possible in which high axial forces occur. For example, a pinion can be secured to a shaft in the same way.
Die vorstehend erläuterte Erfindung entstand im Kontext mit den besonderen Anforderungen an elektromechanische Lenkungen, welche im Übertragungsweg zwischen einer Motorwelle eines Elektromotors und einem Spindelabschnitt einer Zahnstange der Lenkung eine in einem Lenkgetriebegehäuse abgestützte Kugelgewindemutter umfassen.The above-described invention has arisen in the context of the particular requirements of electromechanical steering systems which comprise in the transmission path between a motor shaft of an electric motor and a spindle portion of a rack of the steering a ball screw nut supported in a steering gear housing.
Die Erfindung ermöglicht insbesondere eine elektromechanische Lenkung mit einem Kugelgewindetrieb, dessen Kugelgewindemutter über ein Wälzlager an einem Lenkgetriebegehäuse drehbar gelagert und axial festgelegt ist, wobei ein Innenring des Wälzlagers mittels einer Welle-Nabe-Verbindung der vorstehend erläuterten Art an einem Außenumfangsabschnitt der Kugelgewindemutter befestigt ist, derart, dass die Kugelgewindemutter die Welle und der Innenring die Nabe der Welle-Nabe-Verbindung darstellt.In particular, the invention provides an electromechanical steering having a ball screw whose ball screw nut is rotatably supported and axially fixed to a steering gear housing via a rolling bearing, an inner ring of the rolling bearing being fixed to an outer peripheral portion of the ball screw nut by means of a shaft-hub connection of the kind described above. such that the ball screw nut is the shaft and the inner ring is the hub of the shaft-hub connection.
Hierdurch wird mit geringem Aufwand eine axial spielfreie Befestigung des Wälzlagers an der Kugelgewindemutter erzielt, die sich durch eine hohe Tragfähigkeit und eine sehr geringe Beeinflussung des Lagerspiels des Wälzlagers auszeichnet. Dies konnte mit herkömmlichen Lösungen bisher nur sehr aufwändig realisiert werden. Eine solche spielfreie Befestigung ist jedoch für die Lebensdauer und das Betriebsverhalten einer elektromechanischen Lenkung von großer Bedeutung, so dass durch die erfindungsgemäße Lösung ein merklicher Fortschritt erzielt wird.As a result, with little effort, an axially play-free attachment of the rolling bearing is achieved on the ball screw nut, which is characterized by a high load capacity and a very small influence on the bearing clearance of the bearing. Up to now, this has only been possible to a great extent with conventional solutions. However, such a backlash-free attachment is for the life and performance of an electromechanical steering of great importance, so that a significant progress is achieved by the inventive solution.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die Zeichnung zeigt in:The invention will be explained in more detail with reference to an embodiment shown in the drawing. The drawing shows in:
Die Erfindung steht im Kontext mit einer in
Die Lenkung
Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel wird das Antriebsmoment des Elektromotors
Zur Ansteuerung des Elektromotors
Die Kugelgewindemutter
Das Wälzlager
Zur Festlegung des Außenrings
Die spielfreie Befestigung des Innenrings
Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel stellen die Kugelgewindemutter
Die Welle
Die Nabe
Die Ringnut
Die erste Flanke
Die zweite Flanke
Der zwischen der Stützfläche
Infolge des Verpressens ergibt sich an dem Befestigungsring
Für eine optimale Wirkung in Axialrichtung empfiehlt es sich ferner, die Abmessungen der Ringnut
Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel bildet die Welle
Die Krafteinleitung in die Nabe
In
Ferner beträgt die maximale radiale Höhe h2 des Kontakts der axialen Anlageschulter
Der Befestigungsring des ersten Ausführungsbeispiels bildet an seinem Abschnitt
An den Flansch
Der Befestigungsring
Die dargestellte Welle-Nabe-Verbindung, wie sie in den
Die Erfindung wurde vorstehend anhand eines Ausführungsbeispiels sowie weiterer Abwandlungen näher erläutert. Sie ist jedoch nicht hierauf beschränkt, sondern umfasst alle durch die Patentansprüche definierten Ausgestaltungen.The invention has been explained above with reference to an embodiment and further modifications. However, it is not limited thereto, but includes all the embodiments defined by the claims.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Lenkungsteering
- 22
- LenkgetriebegehäuseSteering gear housing
- 33
- Lenkstangehandlebars
- 44
- Lenkungsritzelsteering gear
- 55
- LenkungshandhabeSteering handle
- 66
- Fahrzeugradvehicle
- 77
- Elektromotorelectric motor
- 88th
- Getriebestufegear stage
- 99
- KugelgewindetriebBall Screw
- 1010
- KugelgewindemutterBall screw nut
- 1111
- LenkungssteuergerätSteering control unit
- 1212
- Drehmomentsensortorque sensor
- 1313
- Lenksäulesteering column
- 1717
- Riemenbelt
- 1818
- antreibendes Riemenraddriving pulley
- 1919
- Antriebswelledrive shaft
- 2020
- angetriebenes Riemenraddriven pulley
- 2121
- KugellaufrillenBall tracks
- 2222
- Wälzlagerroller bearing
- 2323
- Innenringinner ring
- 2424
- Außenringouter ring
- 2525
- LagerklemmscheibeBearing clamping disc
- 2626
- Spannbolzenclamping bolt
- 2727
- Befestigungsöffnungfastening opening
- 2828
- AußenumfangsabschnittOuter peripheral portion
- 101101
- Wellewave
- 102102
- Nabehub
- 103103
- Ringnutring groove
- 104104
- Befestigungsringfixing ring
- 105105
- Stützflächesupport surface
- 106106
- SitzSeat
- 107107
- erste Flankefirst flank
- 108108
- Krümmungcurvature
- 109109
- zweite Flankesecond flank
- 110110
- Anlageschultercontact shoulder
- 111111
- Kanteedge
- 112112
- Abschnitt mit in Axialrichtung konstantem InnendurchmesserSection with axially constant internal diameter
- 113113
- Abschnitt mit sich in Axialrichtung verjüngendem InnendurchmesserSection with axially tapering inner diameter
- 114114
- erste Anlageflächefirst contact surface
- 115115
- zweite Anlageflächesecond contact surface
- 116116
- Wälzkörperlaufbahnrolling body
- 117117
- Flanschflange
- 118118
- zylindrischer Abschnittcylindrical section
- 119119
- Krümmungcurvature
- h0 h 0
-
Höhe (radial) Wälzkörperlaufbahn
116 über Sitz106 Height (radial) rollingelement raceway 116 overseat 106 - h1 h 1
-
max. Höhe (radial) Flansch
117 über Sitz106 Max. Height (radial)flange 117 overseat 106 - h2 h 2
-
max. Höhe (radial) Kontaktfläche der Anlageschulter
110 über Sitz106 Max. Height (radial) contact surface of theabutment shoulder 110 overseat 106 - h3 h 3
- Wanddicke des zylindrischen AbschnittsWall thickness of the cylindrical section
- PP
- Presswerkzeugpress tool
- αα
-
Anstellwinkel der ersten Flanke
107 zur RadialrichtungAngle of attack of thefirst flank 107 to the radial direction - ββ
-
Anstellwinkel der zweiten Flanke
109 zur RadialrichtungIncident angle of thesecond flank 109 to the radial direction
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