DE102004039845B4

DE102004039845B4 - Axial-Kegelrollenlager

Info

Publication number: DE102004039845B4
Application number: DE102004039845A
Authority: DE
Inventors: Dr.-Ing. Morawski Diethmar; Erwin Treu
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2004-08-18
Filing date: 2004-08-18
Publication date: 2013-04-11
Anticipated expiration: 2024-08-19
Also published as: US20060039641A1; US7572062B2; DE102004039845A1

Abstract

Axial-Kegelrollenlager, welches aus einer oberen Druckscheibe (2) und einer unteren Druckscheibe (3) sowie aus einer Anzahl zwischen den Druckscheiben (2, 3) angeordneter Kegelrollen (4) besteht, die durch einen Scheibenkäfig (5) in Umfangsrichtung in gleichmäßigen Abständen zueinander gehalten werden, wobei die Innenfläche der einen Druckscheibe (3) als radial schräg nach außen verlaufende Kreislaufbahn (6) für die Kegelrollen (4) ausgebildet ist und einen umlaufenden Außenbord (7) aufweist, der mit seiner den Kegelrollen (4) zugewandten Ringfläche (8) mit den äußeren Stirnflächen (9) der Kegelrollen (4) in radialem Stützkontakt steht, während die Innenfläche der anderen Druckscheibe (2) als ebene Gegenkreislaufbahn (10) für die Kegelrollen (4) ausgebildet ist, wobei das Kegelrollenlager (1) durch die Ausbildung der den Kegelrollen (4) zugewandten Ringfläche (8) des Außenbordes (7) der einen Druckscheibe (3) mit einer konkaven Krümmung sowie durch die gleichzeitige Ausbildung der äußeren Stirnflächen (9) der Kegelrollen (4) mit einer konvexen Krümmung zwischen den Kegelrollen (4) und dem...

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Axial-Kegelrollenlager nach den oberbegriffsbildenden Merkmalen des Patentanspruchs 1.
Hintergrund der Erfindung
Dem Fachmann in der Wälzlagertechnik ist es allgemein bekannt, dass Axial-Kegelrollenlager zur rotatorischen Übertragung von Axiallasten sowie zur Abstützung von durch Wellenbiegung bedingten radialen Kippmomenten dienen und beispielsweise als Pilotlager in Kraftfahrzeug-Getrieben eingesetzt werden. Derartige Axial-Kegelrollenlager bestehen, ähnlich wie das aus der JP 2000-110829 vorbekante Axial-Kegelrollenlager, im Wesentlichen aus einer oberen Druckscheibe und einer unteren Druckscheibe sowie aus einer Anzahl zwischen den Druckscheiben angeordneter Kegelrollen, die durch einen Scheibenkäfig in Umfangsrichtung in gleichmäßigen Abständen zueinander gehalten werden. Dabei ist die Innenfläche der oberen Druckscheibe als radial schräg nach außen verlaufende Kreislaufbahn für die Kegelrollen ausgebildet und mit einem umlaufenden Außenbord versehen, der mit seiner den Kegelrollen zugewandten Ringfläche mit den äußeren Stirnflächen der Kegelrollen in radialem Stützkontakt steht. Die Innenfläche der unteren Druckscheibe ist dagegen als ebene Gegenkreislaufbahn für die Kegelrollen ausgebildet und ausschließlich zur Abstützung axialer Lastkomponenten vorgesehen.
Die bei einem solchen Axial-Kegelrollenlager standardgemäße plan-konvexe Kontaktgeometrie zwischen den Kegelrollenstirnflächen und dem Außenbord der einen Druckscheibe des Lagers, bei der die den Kegelrollen zugewandten Ringfläche des Außenbordes als Planfläche ausgebildet ist und die äußeren Kegelrollenstirnflächen die Form einer Kugel aufweisen, hat es sich unter dauerhaften Lastbedingungen jedoch als ursächlich dafür erwiesen, dass sich durch den auftretenden Abrasivverschleiß der Außenbordfläche und der Kegelrollenstirnflächen die ursprünglich konvergente Spaltgeometrie zwischen den Kegelrollenstirnflächen und dem Außenbord in vertikaler Richtung in einen konstanten Abstand beziehungsweise in eine konstante Schmierspalthöhe einschleift. Dies verhindert jedoch die notwendige hydrodynamische Druckentwicklung in Vertikalrichtung, die für die Übertragung der aus der Lagerbelastung, aus der Höhe der Berührungspunktbahn sowie aus dem Außenbord- und Laufbahnwinkel resultierenden Kraftkomponente am Außenbord des Axial-Kegelrollenlagers Voraussetzung ist. Lediglich durch die Umfangskomponente der hydrodynamisch wirksamen Relativgeschwindigkeit der Kegelrollenstirnflächen ist es dabei noch möglich, einen geschlossenen tragfähigen Schmierfilm aufzubauen. Hierzu ist jedoch eine bestimmte Mindestdrehzahl des Lagers notwendig und gleichzeitig nimmt dabei die Pressung beziehungsweise der Spitzendruck im Schmierfilm ab, da sich durch den abrasiven Verschleiß eine größere eingeschliffene Kontaktfläche zwischen den Kegelrollenstirnflächen und dem Außenbord bildet. Darüber hinaus treffen bei abrasivem Verschleiß an der Kontaktfläche die Rauheitsspitzen der Kegelrollenstirnflächen und Außenbordfläche aufeinander, so dass diese abgeknickt oder abgeschert werden und lose Partikel das Schmiermittel verschmutzen. Die Deformationsenergie beziehungsweise die Energie durch das Abscheren der Rauheitsspitzen entspricht dabei der Reibungsenergie, die als Wärmeenergie das Schmiermittel und das gesamte Lager aufheizt. Die Wärme im Schmiermittel bewirkt wiederum eine niedrigere Viskosität des Schmiermittels, durch die zusätzlich die Schmierspalthöhe verringert wird, und verschlechtert zudem die chemische Stabilität des Schmiermittels mit der Folge, dass das Lager einer nicht mehr zulässigen Wärmebeanspruchung unterliegt und in seiner Funktionsweise eingeschränkt wird. Bei weiter steigender Belastung wird der tragende Schmierfilm dann immer dünner beziehungsweise nur noch unzureichend aufgebaut, so dass die Reibung zwischen den Kegelrollenstirnflächen und dem Außenbord immer höher wird, bis die entstehende Reibungswärme nicht mehr abgeführt werden kann und der Schmierfilm schließlich aufreißt. Dadurch reiben die Kegelrollenstirnflächen in direktem Kontakt auf der Außenbordfläche mit der Folge, dass das Schmiermittel verbrennt und das Lager sich letztlich „festfrisst”.
JP59-034018A zeigt ein Axial-Kegelrollenlager, das einen zur hydrodynamischen Druckentwicklung durch ein Schmiermittel geeigneten Schmierkeil mit konstanter Geometrie aufweist. Dieses Axial-Kegelrollenlager besteht aus einer oberen Druckscheibe und einer unteren Druckscheibe sowie aus einer Anzahl zwischen den Druckscheiben angeordneter Kegelrollen. Die Kegelrollen sind durch einen Scheibenkäfig in Umfangsrichtung in gleichmäßigen Abständen zueinander gehalten. Die Innenfläche der einen Druckscheibe ist als radial schräg nach außen verlaufende Kreislaufbahn für die Kegelrollen und die Innenfläche der anderen Druckscheibe ist als ebene Gegenkreislaufbahn für die Kegelrollen ausgebildet. Darüber hinaus weist die Druckscheibe mit der radial schräg nach außen verlaufenden Kreislaufbahn einen umlaufenden Außenbord auf, der mit seiner den Kegelrollen zugewandten Ringfläche mit den äußeren Stirnflächen der Kegelrollen in radialem Stützkontakt steht. Die den Kegelrollen zugewandten Ringfläche des Außenbordes ist mit einer konkaven Krümmung versehen. Die äußeren Stirnflächen der Kegelrollen sind mit einer konvexen Krümmung versehen, so dass zwischen den Kegelrollen und dem Außenbord sowohl in vertikaler als auch in Umfangsrichtung der zur hydrodynamischen Druckentwicklung durch ein Schmiermittel geeignete Schmierkeil mit konstanter Geometrie ausgebildet ist.
Aufgabe der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Axial-Kegelrollenlager zu konzipieren, in dem sich zwischen Ringfläche des Außenbordes und den äußeren Stirnflächen der Kegelrollen sowohl in vertikaler als auch in Umfangsrichtung jederzeit ein geschlossener tragfähiger Schmierfilm aufbauen kann.
Beschreibung der Erfindung
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem Axial-Kegelrollenlager nach Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Die Krümmung der konkaven Ringfläche des Außenbordes ist als Radius und die Krümmung der konvexen Stirnflächen der Kegelrollen ist als weiterer Radius ausgebildet, wobei der Radius der konkaven Ringfläche größer als der Radius der konvexen Stirnflächen ist und in einem definiertem Verhältnis zu diesem steht. Danach ist erfindungsgemäß in vertikaler Richtung der Radius der Ringfläche des Außenbordes zum Radius der Stirnflächen der Kegelrollen durch ein Verhältnis von bevorzugt Ψ_V = (R – r)/R = 0,26667 ± 10% definiert. Außerdem sind die Mittelpunkte der Radien der konkaven Ringfläche des Außenbordes und der konvexen Stirnflächen der Kegelrollen derart angeordnet, dass sich die kreisförmige Berührungspunktbahn zwischen den Stirnflächen der Kegelrollen und der Ringfläche des Außenbordes auf einer Höhe von etwa 1/3 der Höhe des Außenbordes befindet.
Dadurch entsteht eine vorteilhafte Kontaktgeometrie zwischen den Kegelrollenstirnflächen und dem Außenbord der einen Druckscheibe des Lagers, bei der die den Kegelrollen zugewandten Ringfläche des Außenbordes mit der Form eines größeren Torussegmentes ausgebildet ist, in dem die mit der Form einer Kugel ausgebildeten äußeren Kegelrollenstirnflächen in Umfangsrichtung relativ zueinander gleiten. Es steht bereits im Neuzustand des Axial-Kegelrollenlagers eine größere, hydrodynamisch wirksame Kontaktfläche in Ellipsenform zwischen der Ringfläche des Außenbordes und den Stirnflächen der Kegelrollen zur Verfügung, die dauerhaft erhalten bleibt, während diese bei bekannten Axial-Kegelrollenlagern erst durch Einlaufverschleiß entsteht.
Das sich die kreisförmige Berührungspunktbahn zwischen den Stirnflächen der Kegelrollen und der Ringfläche des Außenbordes auf einer Höhe von etwa 1/3 der Höhe des Außenbordes befindet, hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen, weil somit die verfügbare Bordhöhe optimal als Tragfläche für die hydrodynamische Druckentwicklung durch das Schmiermittel genutzt wird, so dass die Leistungsdichte des Axial-Kegelrollen-lagers erhöht wird beziehungsweise das Axial-Kegelrollenlager bei gleicher Baugröße eine höhere Tragzahl aufweist.
Die konstante Geometrie des Schmierkeils zwischen den Kegelrollen und dem Außenbord des Axial-Kegelrollenlagers wird schließlich in weiterer Ausgestaltung des erfindungsgemäß ausgebildeten Axial-Kegelrollenlagers dadurch erreicht, dass der Radius der Stirnflächen der Kegelrollen zum Radius des Außenbordes in Umfangsrichtung auf der Höhe der Berührungspunktbahn bevorzugt ein Verhältnis von Ψ_H = (R_A – r)/R_A = 0,04844 ± 10% aufweist,
Das erfindungsgemäß ausgebildete Axial-Kegelrollenlager weist somit gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Axial-Kegelrollenlagern den Vorteil auf, dass es eine nach den Merkmalen des Anspruchs 1 definierte konkav-konvexe Kontaktgeometrie zwischen den äußeren Kegelrollenstirnflächen und dem Außenbord der einen Druckscheibe des Lagers aufweist, durch die ein konstanter konvergenter Schmierkeil entsteht, der auch unter dauerhaften Lastbedingungen jederzeit eine hydrodynamische Druckentwicklung durch ein Schmiermittel und damit den Aufbau eines geschlossenen tragfähigen Schmierfilms sowohl in vertikaler als auch in Umfangsrichtung ermöglicht. Dadurch wird der bei bekannten Axial-Kegelrollenlagern auftretende Abrasivverschleiß der Außenbordfläche und der Kegelrollenstirnflächen und die daraus resultierenden nachteiligen Wirkungen nahezu ausgeschlossen und gleichzeitig die Lebensdauer und die mögliche Traglast des Axial-Kegelrollenlagers wesentlich erhöht.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäß ausgebildeten Axial-Kegelrollenlagers wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen:
1 eine Draufsicht auf ein erfindungsgemäß ausgebildetes Axial-Kegelrollenlager in räumlicher Darstellung;
2 eine vergrößerte Darstellung des Ausschnittes X gemäß 1;
3 einen Querschnitt durch ein erfindungsgemäß ausgebildetes Axial-Kegelrollenlager;
4 eine vergrößerte Darstellung des Ausschnittes Z gemäß 3.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
Aus den 1 und 3 geht ein Axial-Kegelrollenlager 1 hervor, welches im Wesentlichen aus einer oberen Druckscheibe 2 und einer unteren Druckscheibe 3 sowie aus einer Anzahl zwischen den Druckscheiben 2, 3 angeordneter Kegelrollen 4 besteht, die durch einen Scheibenkäfig 5 in Umfangsrichtung in gleichmäßigen Abständen zueinander gehalten werden. Darüber hinaus ist in diesen Zeichnungen gezeigt, dass die Innenfläche der unteren Druckscheibe 3 als radial schräg nach außen verlaufende Kreislaufbahn 6 für die Kegelrollen 4 ausgebildet ist und einen umlaufenden Außenbord 7 aufweist, der mit seiner den Kegelrollen 4 zugewandten Ringfläche 8 mit den äußeren Stirnflächen 9 der Kegelrollen 4 in radialem Stützkontakt steht, während die Innenfläche der oberen Druckscheibe 2 als ebene Gegenkreislaufbahn 10 für die Kegelrollen 4 ausgebildet ist.
Durch die vergrößerten Darstellungen der 2 und 4 wird darüber hinaus deutlich, dass das Kegelrollenlager 1 durch die Ausbildung der den Kegelrollen 4 zugewandten Ringfläche 8 des Außenbordes 7 der unteren Druckscheibe 3 mit einer konkaven Krümmung sowie durch die gleichzeitige Ausbildung der äußeren Stirnflächen 9 der Kegelrollen 4 mit einer konvexen Krümmung erfindungsgemäß zwischen den Kegelrollen 4 und dem Außenbord 7 sowohl in vertikaler als auch in Umfangsrichtung einen zur hydrodynamischen Druckentwicklung durch ein Schmiermittel geeigneten Schmierkeil 11 mit konstanter Geometrie aufweist. Deutlich sichtbar ist dabei die Krümmung der konkaven Ringfläche 8 des Außenbordes 7 als Radius R und die Krümmung der konvexen Stirnflächen 9 der Kegelrollen 4 als weiterer Radius r ausgebildet, wobei der der Radius R der konkaven Ringfläche 8 größer als der Radius r der konvexen Stirnflächen 9 ist und in einem definiertem Verhältnis zu diesem steht.
In 4 ist des weiteren zu sehen, dass die Mittelpunkte der Radien R und r der konkaven Ringfläche 8 des Außenbordes 7 und der konvexen Stirnflächen 9 der Kegelrollen 4 derart angeordnet sind, dass sich die kreisförmige Berührungspunktbahn 12 zwischen den Stirnflächen 9 der Kegelrollen 4 und der Ringfläche 8 des Außenbordes 7 bevorzugt auf einer Höhe h_B von etwa 1/3 der Höhe des Außenbordes 7 befindet.
Lediglich andeutungsweise geht aus den 2 und 4 schließlich noch hervor, dass die konstante Geometrie des Schmierkeils 11 zwischen den Kegelrollen 4 und dem Außenbord 7 des Axial-Kegelrollenlagers 1 dadurch erreicht wird, dass der Radius r der Stirnflächen 9 der Kegelrollen 4 zum Radius R_A des Außenbordes 7 in Umfangsrichtung auf der Höhe der Berührungspunktbahn 12 ein Verhältnis von Ψ_H = (R_A – r)/R_A = 0,04844 ± 10% aufweist, während in vertikaler Richtung der Radius R der Ringfläche 8 des Außenbordes 7 zum Radius r der Stirnflächen 9 der Kegelrollen 9 durch ein Verhältnis von Ψ_V = (R – r)/R = 0,26667 ± 10% definiert ist.
Bezugszeichenliste

1: Axial Kegelrollenlager
2: obere Druckscheibe
3: untere Druckscheibe
4: Kegelrollen
5: Scheibenkäfig
6: Kreislaufbahn
7: Außenbord
8: Ringfläche
9: Stirnflächen
10: Gegenkreislaufbahn
11: Schmierkeil
12: Berührungspunktbahn
R: Radius von 8
r: Radius von 9
h_B: Höhe von 12

Claims

Axial-Kegelrollenlager, welches aus einer oberen Druckscheibe (2) und einer unteren Druckscheibe (3) sowie aus einer Anzahl zwischen den Druckscheiben (2, 3) angeordneter Kegelrollen (4) besteht, die durch einen Scheibenkäfig (5) in Umfangsrichtung in gleichmäßigen Abständen zueinander gehalten werden, wobei die Innenfläche der einen Druckscheibe (3) als radial schräg nach außen verlaufende Kreislaufbahn (6) für die Kegelrollen (4) ausgebildet ist und einen umlaufenden Außenbord (7) aufweist, der mit seiner den Kegelrollen (4) zugewandten Ringfläche (8) mit den äußeren Stirnflächen (9) der Kegelrollen (4) in radialem Stützkontakt steht, während die Innenfläche der anderen Druckscheibe (2) als ebene Gegenkreislaufbahn (10) für die Kegelrollen (4) ausgebildet ist, wobei das Kegelrollenlager (1) durch die Ausbildung der den Kegelrollen (4) zugewandten Ringfläche (8) des Außenbordes (7) der einen Druckscheibe (3) mit einer konkaven Krümmung sowie durch die gleichzeitige Ausbildung der äußeren Stirnflächen (9) der Kegelrollen (4) mit einer konvexen Krümmung zwischen den Kegelrollen (4) und dem Außenbord (7) sowohl in vertikaler als auch in Umfangsrichtung einen zur hydrodynamischen Druckentwicklung durch ein Schmiermittel geeigneten Schmierkeil (11) mit konstanter Geometrie aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die konstante Geometrie des Schmierkeils (11) zwischen den Kegelrollen (4) und dem Außenbord (7) des Axial-Kegelrollenlagers (1) in vertikaler Richtung durch ein Verhältnis eines Radius R, mit welchem die konkaven Krümmung der Ringfläche (8) des Außenbordes (7) ausgebildet ist, zum einem Radius (r), mit welchem die konvexe Krümmung der Stirnflächen (9) der Kegelrollen (4) ausgebildet ist, von Ψ_V = (R – r)/R = 0,26667 ± 10% definiert ist und dass die Mittelpunkte des Radius (R) und des Radius (r) derart angeordnet sind, dass sich eine kreisförmige Berührungspunktbahn (12) zwischen den Stirnflächen (9) der Kegelrollen (4) und der Ringfläche (8) des Außenbordes (7) auf einer Höhe (h_B) von 1/3 der Höhe des Außenbordes (7) befindet.
Axial-Kegelrollenlager nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass die konstante Geometrie des Schmierkeils (11) zwischen den Kegelrollen (4) und dem Außenbord (7) des Axial-Kegelrollenlagers (1) in Umfangsrichtung auf der Höhe (h_B) der Berührungspunktbahn (12) durch ein Verhältnis des Radius (r) der Krümmung der Stirnflächen (9) der Kegelrollen (4) zum Radius (R_A) der Krümmung des Außenbordes (7) von bevorzugt Ψ_H = (R_A – r)/R_A = 0,04844 ± 10% definiert ist.