DE102004011308A1

DE102004011308A1 - Lagerung zur Aufnahme axialer Belastungen

Info

Publication number: DE102004011308A1
Application number: DE102004011308A
Authority: DE
Inventors: Gabriel Dambaugh; Jim Sugarland Ingerslew
Original assignee: INA Schaeffler KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2003-09-08
Filing date: 2004-03-09
Publication date: 2005-03-31
Also published as: WO2005028888A1; CA2537524A1; US7708468B2; US20070071384A1; CA2537524C; DE112004001711D2

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Lagerung zur Aufnahme axialer Belastungen, bestehend aus mehreren hintereinander angeordneten Axialwälzlagern mit jeweils einer Gehäusescheibe (1.1, 1.2, 1.3), einer Wellenscheibe (2.1, 2.2) und zwischen diesen Laufscheiben angeordneten Wälzkörpersätzen (3.1, 3.2, 3.3, 3.4), wobei die Wellenscheiben (2.1, 2.2) und die Gehäusescheiben (1.1, 1.2, 1.3) über jeweils zwischen ihnen angeordnete Abstandsringe (5.1, 4.1, 4.2) axia abgestützt sind. DOLLAR A Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß die Gehäusescheiben (1.1, 1.2, 1.3) und die Wellenscheiben (2.1, 2.2) im Bereich der Wälzkörpersätze (3.1, 3.2, 3.3, 3.4) über ihre gesamte radiale Ausdehnung eine gleiche axiale Stärke aufweisen und wenigstens eine der Wellenscheiben (2.1, 2.2) an ihrem Innenumfang mit einer kreisringförmigen, in radialer Richtung nach außen offenen Freistellung (6) versehen ist.

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Lagerung zur Aufnahme axialer Belastungen, bestehend aus mehreren hintereinander angeordneten Wälzlagern mit jeweils einer Gehäusescheibe, einer Wellenscheibe und zwischen diesen Laufscheiben angeordneten Wälzkörpersätzen, wobei die Wellenscheiben und die Gehäusescheiben über jeweils zwischen ihnen angeordnete Abstandsringe axial abgestützt sind.
Hintergrund der Erfindung
Zur Erhöhung der Tragfähigkeit von Axiallagerungen werden mehrere Axiallager räumlich hintereinander eingebaut. Dabei sind Maßnahmen erforderlich, durch die die Gesamtbelastung der Lagerung möglichst gleichmäßig auf die einzelnen Axiallager verteilt wird.

Eine bekannte Bauart für eine Lagerung zur Aufnahme axialer Belastungen wird als „Tandemlager" bezeichnet. Mehrere, zumeist zwei bis vier Axiallager sind zu einer Einheit verbunden, bei der die auf der Welle sitzenden Scheiben (Wellenscheiben) und die im Gehäuse sitzenden Scheiben (Gehäusescheiben) durch jeweils zwischen ihnen angeordnete Abstandsringe abgestützt sind. Eine gleichmäßige Belastung sämtlicher Wälzkörpersätze wird dadurch erreicht, daß die Laufscheiben und die Käfige sämtlich voneinander verschiedenausgeführt werden im Sinne einer gleichmäßigen Durchfederung.

Es ist auch bekannt, die Laufscheiben und Käfige gleich auszubilden und die Laufscheiben über unterschiedlich ausgebildete federnde Element axial abzustützen.

So ist es üblich, innerhalb einer Lagerung zur Aufnahme axialer Belastungen die Wellenlaufscheiben und die Gehäuselaufscheiben mit aufeinander abgestimmten Federkonstanten zu versehen. Dies wird dadurch erreicht, indem die Laufscheiben einen nicht rechteckförmigen Querschnitt aufweisen, so daß sie sich bei Axialbelastung durchbiegen können. Eine derartige Lageranordnung geht aus der deutschen Gebrauchsmusteranmeldung DE 71 40 687 hervor. Eine solche Lageranordnung ist jedoch aufgrund der nicht rechteckförmigen Gestaltung der Laufscheiben in ihrer Herstellung sehr aufwendig.

Eine andere Möglichkeit, bei mehreren axial hintereinander angeordneten Axialwälzlagern eine Überlastung der Wälzkörper durch deren einseitige Belastung zu verhindern, liegt gemäß der DE 21 14 698 darin, daß die Gehäusescheiben an ihrer zylindrischen Umfangsfläche und die Wellenscheibe in ihrer Bohrung derart freigestellt sind, daß an der Welle bzw. am Gehäuse jeweils nur ringförmige Sitzflächen unmittelbar anliegen, deren axiale Höhe wesentlich kleiner ist als die Höhe der Laufscheiben in diesem Bereich. Bei dieser Lageranordnung ist von Nachteil, daß die Laufscheiben einerseits eine nicht rechteckigen Querschnitt aufweisen und andererseits die vorstehend beschriebenen Freistellungen erforderlich sind, die beide zu einer Verteuerung der Lageranordnung beitragen.

Das in der Wälzlagertechnik altbekannte Probleme des Kantentragens, bei dem die Wälzkörper nur noch über einen Teilbereich ihrer Länge Belastungen übertragen, spielt demnach auch beim mehreren hintereinander angeordneten Wälzlagern eine bedeutsame Rolle. Würde dieses nämlich nicht gelöst, führt dies zu einer Überbelastung sowohl an den Wälzkörpern als auch an den zu gehörigen Stellen der Laufbahnen, was zum vorzeitigen Ausfall der Gesamtwälzlageranordnung führen kann. Die vorstehend beschriebenen Versuche zur Lösung dieses Problemes bei mehreren in axialer Richtung hintereinander angeordneten Wälzlagern sind jedoch zu aufwendig.

Zusammenfassung der Erfindung

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einerseits Konstruktion und Fertigung einer Lagerung zur Aufnahme axialer Belastungen wesentlich zu vereinfachen und andererseits durch eine gleichmäßige Verteilung der Belastung auf die einzelnen Axialwälzlager die Lebensdauer und die Funktionssicherheit der Lagerung zu erhöhen.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe nach dem kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 in Verbindung mit dessen Oberbegriff dadurch gelöst, daß die Gehäusescheiben und die Wellenscheiben im Bereich der Wälzkörpersätze über ihre gesamte radiale Ausdehnung eine gleiche axiale Stärke aufweisen und wenigstens eine der Wellenscheiben an ihrem Innenumfang mit einer kreisringförmigen, in radialer Richtung nach innen offenen Freistellung versehen ist.

Der Vorteil dieser Freistellung liegt darin, daß die Wellenscheiben über ihren Querschnitt gesehen eine variable Steifigkeit aufweisen, so daß der von der Belastung herrührende Kraftlinienverlauf von einer der Laufscheiben in einen der Wälzkörpersätze auf direktem Wege in die Wälzkörper gelenkt wird. Die Wälzkörper übertragen somit Kräfte nicht mehr nur über einen Teilbereich ihrer axialen Länge, sondern nahezu über ihre gesamte axiale Länge. Auf diese Weise sind Überlastungsspitzen an Wälzkörpern und Laufbahnen vermieden, was sich wiederum positiv auf Funktion und Lebensdauer der Lageranordnung auswirkt.

Ein weiterer Vorteil der nach innen offenen Freistellung liegt darin, daß durch Herabsetzen der Steifigkeit der Wellenscheiben eine Federwirkung erreicht wird, die einen erhöhten Widerstand gegen Versagen unter stoßartigen Belas tungen der Lageranordnung bewirkt. Bei auftretenden großen Stoßbelastungen wird also die Wellenscheibe in axialer Richtung verformt und wirkt somit ausgleichend auf die gesamte Lageranordnung.

Die Fertigung des Lagers wird insbesondere durch die rechteckförmige Ausgestaltung der Laufscheiben vereinfacht und somit kostengünstiger. Aufwendige spanabhebende Bearbeitungsverfahren zur Herstellung von konisch verlaufenden Laufscheiben sind somit entbehrlich. Im Vergleich zu diesen nach den bisherigen Stand der Technik erforderlichen spanabhebenden Bearbeitungsverfahren spielt das Einbringen der nach innen offenen Freistellung in die Wellenscheibe nur eine kostenmäßig untergeordnete Rolle.

Die Form und die räumliche Ausdehnung der in der Wellenscheibe angeordneten Freistellung ist von untergeordneter Bedeutung. Diese Freistellung ist für jeden Lagerungsfall einzeln in Abhängigkeit von den herrschenden Größen-Belastungsverhältnissen neu auszulegen.

Vorteilhafte Weiterentwicklungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Danach soll gemäß Anspruch 2 die untere Wellenscheibe mit einer kreisringförmigen Freistellung versehen sein, während gemäß Anspruch 3 die obere Wellenscheibe diese Freistellung aufweisen soll.

Die Anordnung der Freistellung in der unteren Wellenscheibe ist der Normalfall, wenn man die auf die Lageranordnung einwirkende Kraft von oben nach unten, d.h., in Richtung Schwerkraft verlaufen läßt. Dies ist beispielsweise bei Tiefbohrgeräten der Fall, wenn die Kraft in Richtung Erdmittelpunkt von einem Motor ausgeht, der einen Bohrer in Richtung Erdmittelpunkt zu bewegen hat. Werden hingegen derartige Tandemlager in Getrieben für Schneckenextruder in der Gummi- oder Kunststoffindustrie eingesetzt, so wirkt die auf das Lager aufgebrachte Kraft in horizontaler Richtung. Als untere Wellenscheibe ist in diesem Fall jene Wellenscheibe zu betrachten, die am weitesten vom Angriffs punkt der Kraft entfernt liegt.

Die Ausstattung der oberen Wellenscheibe mit der kreisringförmigen Freistellung wird in vorteilhafter Weise immer dann vorgenommen werden, wenn, um beim Beispiel des Tiefbohrgerätes zu bleiben, zur von oben nach unten wirkenden Kraft des Motors eine von unten nach oben wirkende Gegenkraft ausgelöst wird. Dies ist beispielsweise dann der Fall, wenn der vom Motor angetriebene Bohrer sehr harte Gesteinsschichten durchdringen muß.

Ein weiteres wesentliches Merkmal der erfindungsgemäßen Lagerung ist in Anspruch 4 beschrieben. Danach ist vorgesehen, daß wenigstens in einer der Freistellungen ein Sicherheitsring angeordnet ist. Dieser Sicherheitsring verhindert ein zu starkes Deformieren bzw. sogar ein Brechen der Wellenscheibe, das ansonsten durch eine übermäßige Krafteinwirkung auf diese verursacht würde. Das System wird also wesentlich steifer, da der Sicherheitsring durch seine Verformung einen zusätzlichen Teil der wirkenden Kraft aufnehmen kann, ohne daß die Wellenscheibe Schaden nimmt. Ebenso wie bei der kreisringförmigen Ausnehmung ist beim Sicherheitsring zu beachten, daß dieser für jeden Anwendungsfall einzeln auszulegen ist. Dies betrifft beispielsweise das verwendete Material, das gemäß Anspruch 5 elastisch sein soll. Aber auch die Größe und die Querschnittsform des Sicherheitsringes haben Einfluß auf die Steifheit der Wellenscheibe.

Schließlich ist nach einem letzten Merkmal gemäß Anspruch 6 vorgesehen, daß der Sicherheitsring einen Schlitz aufweisen soll. Dieser ist in erster Linie zur Montageerleichterung erforderlich.

Die Erfindung wird an nachstehendem Ausführungsbeispiel näher erläutert.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Es zeigen:
1 einen Längsschnitt durch eine Axiallageranordnung nach den bisherigen Stand der Technik,
2 einen Längsschnitt durch eine Axiallageranordnung mit erfindungsgemäßer Freistellung,
3 den Verlauf der Kraftlinien durch eine erfindungsgemäß mit einer Freistellung versehene Wellenscheibe,
4 die Lastverteilung über einen Wälzkörper, dessen Wellenscheibe mit bzw. ohne erfindungsgemäßer Freistellung versehen ist,
5 einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Lageranordnung mit Freistellung und Sicherheitsring,
6 eine vergrößerte Darstellung des in 5 gekennzeichneten Ausschnittes und
7 eine Draufsicht auf einen geschlitzten Sicherheitsring.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
Die in 1 dargestellte Lagerung zur Aufnahme axialer Belastungen besteht aus vier hintereinander angeordneten Axialwälzlagern. Diese bestehen jeweils aus einer Gehäusescheibe 1.1, 1.2, 1.3, einer Wellenscheibe 2.1, 2.2 und zwischen diesen Laufscheiben anordneten Wälzkörpersätzen 3.1, 3.2, 3.3, 3.4. Diese setzen sich aus in Käfigen 3.1.1, 3.2.1, 3.3.1, 3.4.1 geführten zylindrischen Wälzkörpern 3.1.2, 3.2.2, 3.3.2, 3.4.2 zusammen. Die Gehäusescheiben 1.1, 1.2, 1.3 sind jeweils durch Abstandsringe 4.1, 4.2 und die Wellenscheiben 2.1, 2.2 durch den Abstandsring 5.1 axial abgestützt.
Wird nun, wie aus 1 weiter ersichtlich, auf die obere Wellenscheibe 2.2 eine mit F bezeichnete Kraft eingeleitet, so stellt sich der Kraftfluß wie folgt dar:
Die Kraft F wird in zwei Teilkräfte F1, F2 zerlegt, wobei ein Kraftfluß F1 über die obere Wellenscheibe 2.2, den Wälzkörpersatz 3.3, die Gehäusescheibe 1.2, den Abstandsring 4.1 bis hin zur Gehäusescheibe 1.1 erfolgt. Der zweite zugehörige Kraftfluß F2 geht ebenfalls von der oberen Wellenscheibe 2.2 aus, setzt sich über den Abstandsring 5.1 fort, erreicht die untere Wellenscheibe 2.1, bevor über den Wälzkörpersatz 3.1 wiederum die Gehäusescheibe 1.1 erreicht ist.
Wie 1 auch erkennen läßt, kann es durch fertigungsbedingte Ungenauigkeiten dazu kommen, daß beim Kraftfluß gemäß der Teilkraft F2 im Übergang zwischen der Wellenscheibe 2.1 und dem Wälzkörpersatz 3.1 Probleme auftreten. D.h., die von der Wellenscheibe 2.1 ausgehende axiale Last F2 wird von den Wälzkörpern 3.1.2 des Wälzkörpersatzes 3.1 nur noch über einen Teilbereich ihrer axialen Länge aufgenommen. Mit anderen Worten, es kommt im innenliegenden Bereich der Wälzkörper 3.1.2 zu Überlastungen, die sich negativ auf die gesamte Lageranordnung auswirken. Ein solch ungünstiger Verlauf der Flächenpressung über die axiale Länge der Wälzkörper 3.1.2 ist in 4 dargestellt. Es ist erkennbar, daß gemäß der Kurve a im innenliegenden Bereich der Wälzkörper 3.1.2 Lastspitzen von bis zu über 6.000 N/mm² auftreten können, während das radial außen liegende Ende der Wälzkörper 3.1.2 praktisch lastfrei ist. An diesem, in der Wälzlagertechnik auch als Kantentragen bezeichneten Problem setzt nun die Erfindung an.
Nach dem Ausführungsbeispiel gemäß 2 ist die untere Wellenscheibe 2.1 mit einer kreisringförmigen, in radialer Richtung nach innen offenen Freistellung 6 versehen. Wie aus 3 erkennbar, wird die Teilkraft F2, die vom Abstandsring 5.1 auf die untere Wellenscheibe 2.1 übertragen wird, durch die Freistellung 6 so umgelenkt, daß die Wälzkörper 3.1.2 des Wälzkörpersatzes 3.1 über ihre gesamte Längenausdehnung gleichmäßig mit der Kraft F2 beaufschlagt werden. Auf diese Weise ergibt sich der in 4 gemäß Kurve b gezeigte Kraftverlauf über die axiale Ausdehnung der Wälzkörper 3.1.2. Kurve b in 4 läßt erkennen, daß eine nahezu gleiche Flächenpressung von etwa 3.000 N pro mm² über die gesamte axiale Ausdehnung des oder der zylindrischen Wälzkörper 3.1.2 gegeben ist. Die Hauptspannungen im Bereich der nach innen offenen Freistellungen sind Druckspannungen. Dies bietet ein erhöhtes Maß an Sicherheit gegen Ermüdung im Vergleich zu Zugbeanspruchungen.
Schließlich ist in den 5, 6 und 7 eine erfindungsgemäße Lageranordnung zur Aufnahme axialer Belastungen gezeigt, bei der in der Freistellung 6 ein mit einem Schlitz 7.1 versehener Sicherheitsring 7 eingesetzt ist. Es ist zu erkennen, daß durch diesen Sicherheitsring 7 die Steifigkeit der Wellenscheibe 2.1 erhöht ist, da ein Zusammenfedern der Wellenscheibe 2.1 in axialer Richtung erschwert ist. Dieses Federn der Wellenscheibe 2.1 ist nur möglich, wenn erstens die Steifigkeit der Wellenscheibe 2.1 überwunden und zweitens zusätzlich der Sicherungsring 7 in axialer Richtung verformt, d.h., in seiner Form verändert wird.

1.1: Gehäusescheibe
1.2: Gehäusescheibe
1.3: Gehäusescheibe
2.1: Wellenscheibe
2.2: Wellenscheibe
3.1: Wälzkörpersatz
3.2: Wälzkörpersatz
3.3: Wälzkörpersatz
3.4: Wälzkörpersatz
3.1.1: Käfig
3.2.1: Käfig
3.3.1: Käfig
3.4.1: Käfig
3.1.2: Wälzkörper
3.2.2: Wälzkörper
3.3.2: Wälzkörper
3.4.2: Wälzkörper
4.1: Abstandsring
4.2.: Abstandsring
5.1: Abstandsring
6: Freistellung
7: Sicherungsring
7.1: Schlitz

Claims

Lagerung zur Aufnahme axialer Belastungen, bestehend aus mehreren hinereinander angeordneten Axialwälzlagern mit jeweils einer Gehäusescheibe (1.1, 1.2, 1.3), einer Wellenscheibe (2.1, 2.2) und zwischen diesen Laufscheiben angeordneten Wälzkörpersätzen (3.1, 3.2, 3.3, 3.4), wobei die Wellenscheiben (2.1, 2.2) und die Gehäusescheiben (1.1, 1.2, 1.3) über jeweils zwischen ihnen angeordnete Abstandsringe (5.1, 4.1, 4.2) axial abgestützt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Gehäusescheiben (1.1, 1.2, 1.3) und die Wellenscheiben (2.1, 2.2) im Bereich der Wälzkörpersätze (3.1, 3.2, 3.3, 3.4) über ihre gesamte radiale Ausdehnung eine gleiche axiale Stärke aufweisen und wenigstens eine der Wellenscheiben (2.1, 2.2) an ihrem Innenumfang mit einer kreisringförmigen, in radialer Richtung nach innen offenen Freistellung (6) versehen ist.
Lagerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die untere Wellenscheibe (2.1) mit der kreisringförmigen Freistellung (6) versehen ist.
Lagerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die obere Wellenscheibe (2.2) mit der kreisringförmigen Freistellung (6) versehen ist.
Lagerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens in einer der Freistellungen (6) ein Sicherheitsring (7) angeordnet ist.
Lagerung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Sicherheitsring (7) aus einem elastischen Material besteht.
Lagerung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Sicherheitsring (7) einen Schlitz (7.1) aufweist.