DE102005017589B3

DE102005017589B3 - Lageranordnung

Info

Publication number: DE102005017589B3
Application number: DE200510017589
Authority: DE
Inventors: Jesko-Henning Tanke; Hans-Gerd Weber; Rico Dittmar
Original assignee: SKF AB
Current assignee: SKF AB
Priority date: 2005-04-16
Filing date: 2005-04-16
Publication date: 2006-08-24
Anticipated expiration: 2025-04-17

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Lageranordnung, bestehend aus mindestens zwei Lagern (1, 2), die eine Welle (3) aus einem Material mit einem ersten Wärmeausdehnungskoeffizienten (alpha¶1¶) drehbar lagert, wobei die Lager (1, 2) in einem Gehäuse (4) aus einem Material mit einem zweiten Wärmeausdehnungskoeffizienten (alpha¶2¶) im axialen Abstand (a) zueinander angeordnet sind. Um auch bei starker Erwärmung der Lageranordnung keine Verschlechterung des Laufverhaltens der Lager hinnehmen zu müssen, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass eines der Lager (1) in einem Abschnitt (5) des Gehäuses (4) angeordnet ist, an dem dieses an einem Anschlussbauteil (6) festgelegt ist, wobei das Anschlussbauteil (6) aus einem Material besteht, das im wesentlichen einen dem ersten Wärmeausdehungskoeffizienten (alpha¶1¶) entsprechenden Wärmeausdehungskoeffizienten (alpha¶3¶) hat, und dass das andere Lager (2) in einem Abschnitt (7) des Gehäuses (4) angeordnet ist, in dem das Gehäuse (4) einen Spannring (8) aufweist, der zumindest einen Lagersitz (9) für das andere Lager (2) umfasst, wobei der Spannring (8) aus einem Material mit dem ersten Wärmeausdehnungskoeffizienten (alpha¶1¶) besteht.

Description

Die Erfindung betrifft eine Lageranordnung, bestehend aus mindestens zwei Lagern, die eine Welle aus einem Material mit einem ersten Wärmeausdehnungskoeffizienten drehbar lagert, wobei die Lager in einem Gehäuse aus einem Material mit einem zweiten Wärmeausdehnungskoeffizienten im axialen Abstand zueinander angeordnet sind.

Lageranordnungen dieser Art sind im Stand der Technik bekannt. Insbesondere im Kraftfahrzeugbau werden oft Leichtmetallgehäuse eingesetzt, in denen Wellen aus Stahl drehbar angeordnet werden müssen. Problematisch ist hierbei, dass das Material des Gehäuses einerseits und das Material der Welle andererseits stark unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen. Während beispielsweise Aluminium einen Wärmeausdehnungskoeffizienten von ca. 24 × 10^–6 K^–1 aufweist, hat Stahl einen Wert von ca. 13 × 10^–6 K^–1. Stahl dehnt sich bei Erwärmung also wesentlich weniger als Aluminium aus.

Im Motorenbau ist dies sehr nachteilig. Daher ist es bekannt geworden, Bauteile mit Leichtmetall mit Armierungen aus Stahl zu versehen, um die hohe Wärmeausdehnung des Leichtmetalls zu unterbinden.

In der DE 43 26 177 A1 ist eine Lageranordnung für eine Ein- oder Ausgangswelle eines Kraftfahrzeuggetriebes beschrieben, bei der in einer Lagerbuchse, insbesondere aus einer Aluminiumlegierung, ein Lager gehalten wird, wobei über die Lagerbuchse ein Stützring aufgepresst ist, um störende temperaturbedingte radiale Aufweitungen der Lagerbuchse zu verhindern. Dabei besteht der Stützring aus einem Werkstoff, dessen Wärmeausdehnungskoeffizient etwa dem des Lagerwerkstoffs entspricht.

Die DE 36 05 443 A1 offenbart eine Lüfterkupplung zum Antrieb von Lüfterrädern in Kühlsystemen von Brennkraftmaschinen, bei der eine Welle über eine Wälzlagerung in einem Aluminiumgehäuse gelagert ist. Dabei ist im Bereich der Wälzlagerung um das Aluminiumgehäuse herum ein zylindrischer Spannring angeordnet, der gegenüber dem Aluminium einen kleineren Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist.

Aus der DE 1 725 127 U1 ist ferner bekannt, beim Einbau von Wälzlagern in Leichtmetallgehäuse das Leichtmetallgehäuse mit einem über den Lagersitz aufgezogenen bzw. aufgeschrumpften Stahlring zu versehen, so dass die eingestellte Passung des Wälzlagers im Gehäuse auch bei Temperaturveränderungen erhalten bleibt.

Eine ähnliche Lösung geht aus der FR 2 199 372 A hervor, in der die Lagerung einer Übertragungswelle in einem Lastkraftwagen mit einem Wälzlager in einem Leichtmetallgehäuse beschrieben ist, wobei das Gehäuse im Bereich des Wälzlagers von einem Ring umschlossen ist.

Die vorbekannten Lösungen ermöglichen also die Paarung von Leichtmetallbauteilen mit solchen aus Stahl. In machen Anwendungen führt jedoch dieses Prinzip zu einer Lösung, die schwer bzw. nur unwirtschaftlich zu realisieren ist. Beispielsweise und insbesondere sei auf die Motorlüftereinheit eines Verbrennungsmotors, insbesondere eines LKW-Motors, hingewiesen. Dort ist es erforderlich, zwei sich im axialen Abstand zueinander befindliche Wälzlager so anzuordnen, dass auch bei Temperaturveränderungen die Lüfterwelle aus Stahl in ihrem Laufverhalten unbeeinflusst bleibt. Namentlich soll auch bei starker Erwärmung der Lageranordnung keine Verschlechterung des Laufverhaltens der Lager auftreten. Die Integration von Spannringen aus Stahl lässt sich dabei nicht wirtschaftlich für alle Lagerstellen bewerkstelligen.

Verzichtet man auf spezielle Maßnahmen, gewinnen die Lager – wenn sie für eine Grundtemperatur ausgelegt sind, bei der sie ordnungsgemäß laufen – bei Temperaturerhöhung radiales Spiel, so dass sie lose werden und Geräusche verursachen können. Wird die Toleranz indes für hohe Temperaturen ausgelegt, kann es bei niedrigeren Temperaturen zu hohen Spannungen im Lager kommen, was zu Schädigungen führen kann.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Lageranordnung der eingangs genannten Art so weiterzubilden, dass es in wirtschaftlicher Weise möglich ist, ein gutes Laufverhalten unabhängig von der Betriebstemperatur zu erreichen. Die Anordnung soll insbesondere für Verbrennungskraftmaschinen und deren Hilfsaggregate tauglich sein.

Die Lösung dieser Aufgabe durch die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass eines der Lager in einem Abschnitt des Gehäuses angeordnet ist, an dem dieses an einem Anschlussbauteil festgelegt ist, wobei das Anschlussbauteil aus einem Material besteht, das im wesentlichen einen dem ersten Wärmeausdehnungskoeffizienten entsprechenden Wärmeausdehnungskoeffizienten hat, und dass das andere Lager in einem Abschnitt des Gehäuses angeordnet ist, in dem das Gehäuse einen Spannring aufweist, der zumindest einen Lagersitz für das andere Lager umfasst, wobei der Spannring aus einem Material mit dem ersten Wärmeausdehnungskoeffizienten besteht.

Mit dieser Anordnung wird erreicht, dass unabhängig von der Temperatur der Bauteile stets dasselbe radiale Lagerspiel in beiden Lagern vorliegt. Im Nachbarbereich zum Anschlussbauteil wird dies dadurch erreicht, dass das Gehäuse durch feste Anbindung an das Anschlussbauteil an seiner radialen Aufweitung – über die durch den Wärmeausdehnungskoeffizienten des Anschlussbauteils bedingte Aufweitung hinaus – gehindert wird. Der Lagersitz für das andere Lager wird indes durch den Spannring eingefasst, so dass durch letzteren die radiale Aufweitung bestimmt ist.

Bevorzugt bestehen die Welle und der Spannring aus Stahl. Das Gehäuse ist vorzugsweise aus Leichtmetall gefertigt, insbesondere aus Aluminium oder Magnesium. Das Anschlussbauteil besteht bevorzugt aus Stahl oder aus Stahlguss, vorzugsweise aus Grauguss.

Eine besonders stabile Anbindung des Gehäuses an das Anschlussbauteil kann erreicht werden, wenn das Gehäuse zur Festlegung am Anschlussbauteil eine Anzahl sich radial nach außen erstreckende Fortsätze aufweist. Jeder Fortsatz kann dabei zumindest eine Bohrung für den Durchtritt eines Befestigungselements (Schraube) aufweisen. Ferner sind über den Umfang des Gehäuses bevorzugt mindestens sechs, insbesondere acht, Fortsätze angeordnet. Das Gehäuse ist am Anschlussbauteil bevorzugt angeschraubt.

Folgende Lagerung führt zu einem besonders günstigen Betriebsverhalten der Lageranordnung: Die beiden Außenringe der beiden Lager können in dem Gehäuse axial festgelegt werden. Der Innenring des einen Lagers kann dabei – um ein Festlager zu erhalten – auf der Welle axial festgelegt werden. Der Innenring des anderen Lagers wird hingegen bevorzugt auf der Welle mit axialem Verschiebesitz angeordnet. Durch den Spannring bleibt auch bei einer Temperaturveränderung das Spiel zwischen Lagerring und Lageraufnahme erhalten.

Bei den Lagern handelt es sich bevorzugt um Wälzlager, insbesondere um Kugellager. Die Lager können eine federvorgespannte integrierte Dichtung aufweisen. Alternativ kommt auch eine Labyrinthdichtung in Frage.

Die vorgeschlagene Lageranordnung ist bevorzugt als Bestandteil eines Lüfters einer Brennkraftmaschine vorgesehen. Die Brennkraftmaschine ist bevorzugt Bestandteil eines LKW.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Es zeigen:
1 einen Schnitt durch eine Lageranordnung, mit der das Lüfterrad eines Lüfters eines LKW-Motors gelagert wird, und
2 die perspektivische Darstellung der Lageranordnung gemäß 1, teilweise aufgeschnitten dargestellt.
In den Figuren ist eine Lageranordnung skizziert, mit der ein nicht dargestelltes Lüfterrad eines LKW-Verbrennungsmotors gelagert wird. Das Lüfterrad wird an einem Befestigungsflansch 16 festgeschraubt. Der Befestigungsflansch 16 wird von einer Welle 3 getragen und gedreht. Die Welle 3 ist in zwei Wälzlagern 1 und 2 gelagert, die in einem axialen Abstand a voneinander in einem Gehäuse 4 aus Aluminium-Spritzguß befestigt sind. Der Antrieb der Welle 3 erfolgt von der in 1 bzw. 2 dargestellten linken Seite aus mit nicht dargestellten Mitteln.
Die Welle 3 besteht aus Stahl, das einen ersten Wärmeausdehnungskoeffizienten α₁ aufweist. Dieser liegt bei etwa 13 × 10^–6 K^–1. Das Gehäuse ist aus Aluminium gefertigt, d. h. es hat einen Wärmeausdehnungskoeffizienten α₂, der bei etwa 23 × 10^–6 K^–1 liegt.
Das erste Lager 1 ist dabei in einem ersten Abschnitt 5 des Gehäuses 4 angeordnet, wozu das Gehäuse einen Lagersitz 17 aufweist, der eine zylindrische Bohrung hat, in die der Außenring 12 des Lagers 1 eingesetzt ist. Der Außenring 12 des Lagers 1 ist dabei mit üblichen Mitteln axial fixiert und ansonsten durch den Lagersitz 17 radial festgelegt.
Das Gehäuse 4 ist (links) an einem Anschlussbauteil 6 festgelegt. Es handelt sich dabei um einen Motorblock, dessen Material Grauguss ist und somit einen dritten Wärmeausdehnungskoeffizienten α₃ hat, der etwas kleiner als derjenige von Stahl ist. Man kann also sagen, dass der erste Wärmeausdehnungskoeffizienten α₁ der Welle und der dritte Wärmeausdehnungskoeffizient α₃ etwa gleich groß sind; indes ist der Wärmeausdehnungskoeffizient α₂ des Gehäuses 4 deutlich größer.
Das Gehäuse 4 weist an seinem einen (linken) Ende eine Anzahl sternförmig angeordneter Fortsätze 10 auf, die sich radial nach außen erstrecken. Jeder Fortsatz 10 weist eine Bohrung 11 auf, durch die eine Befestigungsschraube hindurchtreten kann, so dass das Gehäuse 4 am Anschlussbauteil 6 fixiert werden kann. Hierdurch ist es dem Gehäuse 4 bei dessen Erwärmung nicht möglich, sich stärker auszudehnen als das Anschlussbauteil 6. Damit wiederum wird auch der Lagersitz 17 für das Lager 1 im wesentlichen nur soweit ausgedehnt, wie es dem Material des Anschlussbauteils 6 entspricht. Namentlich dehnt es sich nicht so weit aus, wie es dem Wärmeausdehnungskoeffizienten α₂ von Aluminium entsprechen würde.
Im Abstand a zum ersten Lager 1 befindet sich das zweite Lager 2, dessen Außenring 13 ebenfalls von einem zylindrischen Lagersitz 9 aufgenommen wird. Der Lagersitz 9 bzw. das Lager 2 ist in einem Abschnitt 7 des Gehäuses 4 angeordnet. Damit bei Erwärmung des Gehäuses 4 nur eine thermisch bedingte Ausdehnung stattfindet, die derjenigen von Stahl entspricht (Wärmeausdehnungskoeffizienten α₁), ist der Lagersitz 9 des Gehäuses 4 von einem Spannring 8 aus Stahl nach Art eines Gürtels umgeben.
Beide Außenringe 12, 13 der beiden Lager 1, 2 sind im Gehäuse 4 axial (und radial) festgelegt. Dies ist vorteilhaft, weil sonst bei Temperaturänderungen die Passung zwischen Außenring und Gehäuse infolge der unterschiedlichen Materialien mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten nur schwer zu beherrschen ist. Die Gleitverhältnisse sind dann nur schwer zu kalkulieren.
Der Innenring 14 des einen (linken) Lagers 1 ist darüber hinaus auf der Welle 3 gleichermaßen axial festgelegt; dort liegt also ein Festlager relativ zur Welle 3 vor. Der Innenring 15 des anderen Lagers 2 sitzt indes mit Spielpassung auf der Welle 3, so dass eine axiale Verschiebung des Innenrings 14 relativ zur Welle 3 möglich ist; das Lager 2 ist also relativ zur Welle 3 als Loslager ausgebildet. Hierdurch können in axiale Richtung unterschiedlich starke temperaturbedingte Ausdehnungen ausgeglichen werden. Im vorliegenden Anwendungsfall der Lagerung einer Lüfterwelle sind die Kräfte relativ gering, so dass diese Lagerausgestaltung problemlos ist.
Die Lager 1 sind als fertig einsetzbare Lagerelemente mit integrierter federvorgespannter Dichtung ausgebildet. Möglich ist auch eine Labyrinthdichtung.

1: erstes Lager
2: zweites Lager
3: Welle
4: Gehäuse
5: Abschnitt des Gehäuses
6: Anschlussbauteil
7: Abschnitt des Gehäuses
8: Spannring
9: Lagersitz
10: Fortsatz
11: Bohrung
12: Außenring
13: Außenring
14: Innenring
15: Innenring
16: Befestigungsflansch
17: Lagersitz
a: Abstand
α₁: erster Wärmeausdehnungskoeffizient
α₂: zweiter Wärmeausdehnungskoeffizient
α₃: dritter Wärmeausdehnungskoeffizient

Claims

Lageranordnung, bestehend aus mindestens zwei Lagern (1, 2), die eine Welle (3) aus einem Material mit einem ersten Wärmeausdehnungskoeffizienten (α₁) drehbar lagert, wobei die Lager (1, 2) in einem Gehäuse (4) aus einem Material mit einem zweiten Wärmeausdehnungskoeffizienten (α₂) im axialen Abstand (a) zueinander angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass eines der Lager (1) in einem Abschnitt (5) des Gehäuses (4) angeordnet ist, an dem dieses an einem Anschlussbauteil (6) festgelegt ist, wobei das Anschlussbauteil (6) aus einem Material besteht, das im wesentlichen einen dem ersten Wärmeausdehnungskoeffizienten (α₁) entsprechenden Wärmeausdehnungskoeffizienten (α₃) hat, und dass das andere Lager (2) in einem Abschnitt (7) des Gehäuses (4) angeordnet ist, in dem das Gehäuse (4) einen Spannring (8) aufweist, der zumindest einen Lagersitz (9) für das andere Lager (2) umfasst, wobei der Spannring (8) aus einem Material mit dem ersten Wärmeausdehnungskoeffizienten (α₁) besteht.
Lageranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Welle (3) und der Spannring (8) aus Stahl bestehen.
Lageranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (4) aus Leichtmetall besteht.
Lageranordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Leichtmetall Aluminium ist.
Lageranordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Leichtmetall Magnesium ist.
Lageranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Anschlussbauteil (6) aus Stahl oder Stahlguss besteht.
Lageranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Anschlussbauteil (6) aus Grauguss besteht.
Lageranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (4) zur Festlegung am Anschlussbauteil (6) eine Anzahl sich radial nach außen erstreckende Fortsätze (10) aufweist.
Lageranordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Fortsatz (10) zumindest eine Bohrung (11) für den Durchtritt eines Befestigungselements aufweist.
Lageranordnung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass über den Umfang des Gehäuses (4) mindestens sechs, vorzugsweise acht, Fortsätze angeordnet sind.
Lageranordnung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (4) am Anschlussbauteil (6) angeschraubt ist.
Lageranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Lager (1, 2) jeweils einen Außenring (12, 13) und einen Innenring (14, 15) aufweisen und dass die beiden Außenringe (12, 13) der beiden Lager (1, 2) im Gehäuse (4) axial festgelegt sind.
Lageranordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenring (14) des einen Lagers (1) auf der Welle (3) axial festgelegt ist.
Lageranordnung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenring (15) des anderen Lagers (2) auf der Welle (3) mit axialem Verschiebesitz angeordnet ist.
Lageranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Lager (1, 2) Wälzlager sind.
Lageranordnung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Wälzlager (1, 2) Kugellager sind.
Lageranordnung nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Wälzlager (1, 2) eine federvorgespannte integrierte Dichtung aufweisen.
Lageranordnung nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Wälzlager (1, 2) eine Labyrinthdichtung aufweisen.
Lageranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass sie Bestandteil eines Lüfters in einer Brennkraftmaschine ist.
Lageranordnung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkraftmaschine Bestandteil eines LKW ist.