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Gebiet der
Erfindung
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Die
Erfindung betrifft ein Schrägscheiben-Schwenklager,
insbesondere für
eine hydraulische Axialkolbenmaschine, bei der zwischen einer hohlzylindrischen
Lagerfläche
für die
Schrägscheibe und
einer zylindrischen Lagerfläche
der Schrägscheibe
Wälzkörper angeordnet
sind.
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Hintergrund
der Erfindung
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Ein
Schrägscheiben-Schwenklager
für eine hydraulische
Axialkolbenmaschine ist beispielsweise aus der
DE 25 21 312 B1 bekannt,
wobei es sich bei der Axialkolbenmaschine um einen Hydraulikmotor oder
um eine Hydraulikpumpe handeln kann. In jedem Fall ist durch die
Schrägscheibe
das Hubvolumen verstellbar. Durch den in den Kolben des Motors bzw.
der Pumpe herrschenden Druck der Hydraulikflüssigkeit werden erhebliche
Kräfte
in das Schrägscheiben-Schwenklager eingeleitet.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Schrägscheiben-Schwenklager, insbesondere
für Hydraulikpumpen
und -motoren, anzugeben, welches eine besonders geringe Abhängigkeit
der mechanischen Eigenschaften vom Belastungszustand aufweist.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch
ein Schrägscheiben-Schwenklager mit
den Merkmalen des Anspruchs 1. Dieses Schwenklager, welches für einen
Hydraulikmotor ebenso wie für
eine Hydraulikpumpe geeignet ist, weist einen im wesentlichen bogenförmigen Lagerring
auf, dessen zur Lagerung der Schrägscheibe vorgesehene Lagerfläche axial
mindestens einseitig durch einen sich in Radialrichtung nach innen
erstreckenden, einstückig
aus dem Lagerring gebildeten Bord, auch als Randleiste bezeichnet,
begrenzt ist. Auf der Lagerfläche
des aus einem gebogenen Metallstreifen gefertigten Lagerrings sind
Wälzkörper angeordnet,
die auch eine zylindrische innere Lagerfläche der Schrägscheibe kontaktieren.
Der Führung
der Wälzkörper dient
ein zwischen der hohlzylindrischen äußeren Lagerfläche des
Lagerrings und der inneren Lagerfläche der Schrägscheibe
angeordneter bogenförmiger
Käfig mit
einer Anzahl an Taschen, wobei in den einzelnen Taschen jeweils
mehrere Wälzkörper axial
nebeneinander angeordnet sind.
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Das
Schrägscheiben-Schwenklager
nach Anspruch 1 weist zahlreiche Vorteile gegenüber dem Stand der Technik auf:
Die Begrenzung der Lagerfläche
des Lagerrings durch eine, vorzugsweise zwei, sich normal zur Lagerfläche nach
innen erstreckende Randleiste – beziehungsweise
Randleisten – begünstigt eine
präzise
Führung
der Wälzkörper. Vorzugsweise
ist der Übergang
zwischen der Lauffläche und
der beziehungsweise jeder Randleiste derart gestaltet, dass eine
erste Seite eines im Querschnitt rechteckigen Körpers vollständig an
der Lagerfläche und
eine zweite Seite vollständig
an der Randleiste anliegen kann. Mit anderen Worten: Eine ggf. zwischen
der Lagerfläche
und der Randleiste vorhandene Ausrundung ist derart gestaltet, dass
sie den verfügbaren
Einbau raum für
die Wälzkörper nicht
einengt. Derartige auch als Freistellungen bezeichnete Ausrundungen
an den Borden des Lagerrings gewährleisten,
dass die gesamte Breite zwischen den Randleisten für die Wälzkörper, auch
wenn diese am Übergang
zu den Stirnseiten nicht abgerundet sind, zur Verfügung steht.
Die Verwendung von zylindrischen Wälzkörpern ohne nennenswerte Kantenverrundung
ermöglicht
zum einen eine kostengünstige Fertigung
und gestattet zum anderen eine Konstruktion des Schrägscheiben-Schwenklagers
mit einer besonders günstigen
Relation zwischen Abmessungen und mechanischer Belastbarkeit.
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Bei
den im Betrieb auftretenden Belastungen des Schrägscheiben-Schwenklagers sind zumindest geringfügige Durchbiegungen
von Bauteilen nicht zu vermeiden. Um zu vermeiden, dass demzufolge Wälzkörper nicht
optimal an den Lagerflächen
anliegen, sind in den einzelnen Taschen des zwischen den Lagerflächen angeordneten
bogenförmigen
Käfigs
jeweils mehrere Wälzkörper geführt, deren
Stirnseiten einander unmittelbar benachbart sind. Es ist somit möglich, das
abhängig
vom Belastungszustand des Schrägscheiben-Schwenklagers die
Achsen verschiedener in einer Tasche angeordneter Wälzkörper nicht
vollständig übereinstimmen.
Weiter ist es möglich,
dass innerhalb einer Tasche verschiedene Wälzkörper mit zumindest minimal
unterschiedlicher Geschwindigkeit rotieren. Vorzugsweise befinden
sich in jeder Tasche des Käfigs
mindestens drei scheibenförmige
Wälzkörper. Der
Durchmesser eines jeden Wälzkörpers ist
bevorzugt größer als
dessen Höhe, d.h.
dessen Abmessung in Axialrichtung. Der die Taschen für die Wälzkörper bildende
Käfig ist,
wie prinzipiell aus der Wälzlagertechnik
bekannt, aus einem Polymer-Material, insbesondere einem faserverstärkten Kunststoff,
herstellbar.
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Nach
einer vorteilhaften Weiterbildung weist der Käfig einen in Axialrichtung über den
Lagerring hinaus ragenden Stützzapfen
auf. Ein derartiger Stützzapfen
in einem Schrägscheiben-Schwenklager ist
prinzipiell beispielsweise aus der
DE 199 25 834 A1 bekannt. Wie hierin beschrieben,
ist es von Vorteil, den Stützzapfen
zumindest teilweise mit Metall zu ummanteln. Nach einer weiteren
Ausgestaltung, die mit einer Metallummantelung des Stützzapfens kombinier bar
ist, weist der Stützzapfen
eine Lagerung auf, an der ein Steuerführungshebel schwenkbar gelagert
ist. Der Steuerführungshebel
kann sowohl Steuerzwecken dienen als auch die Montage des Schrägscheiben-Schwenklagers
erleichtern.
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Besonders
günstige
Lagerungseigenschaften sind gegeben, wenn der mindestens eine Bord des
Lagerrings eine in Radialrichtung gemessene Höhe aufweist, die von der Quadratwurzel
aus dem Produkt aus der Wandstärke
des Lagerrings an der äußeren Lagerfläche und
dem Durchmesser der Wälzkörper um
nicht mehr als 25%, insbesondere um nicht mehr als 15%, abweicht.
Mit dieser Relation zwischen verschiedenen Abmessungen des Lagerrings
und der Wälzkörper wird
ein sogenannter Teppicheffekt, das heißt eine unzulässige Verformung der
Lauffläche
in der Art des Zusammenschiebens eines Teppichs bei der Belastung
mit schweren bewegten Lasten, vermieden.
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Nach
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist der Lagerring eine
Wölbung
dergestalt auf, dass er im Randbereich, das heißt im Bereich der Borde, sofern
beidseitig Borde vorhanden sind, etwas nach außen gebogen ist. Ist der Lagerring
durch ein Bauteil mit glatter, zylindrischer Oberfläche abgestützt, so
ist also der zwischen den Borden liegende Bereich des Lagerrings
etwas von dem Bauteil abgehoben, woraus eine elastische Nachgiebigkeit
resultiert.
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Nachfolgend
werden mehrere Ausführungsbeispiele
der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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Es
zeigen:
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1 und 2 einen
Lagerring für
ein Schrägscheiben-Schwenklager in verschiedenen Gesamt-
und Detailansichten,
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3 und 4 ausschnittsweise
verschiedene Ausführungsbeispiele
eines Schrägscheiben-Schwenklagers,
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5 und 6 in
Querschnitten verschiedene Lagerringe für ein Schrägscheiben-Schwenklager,
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7 eine
Wälzkörperanordnung
für ein Schrägscheiben-Schwenklager nach 3 oder 4 im
Vergleich mit einer herkömmlichen
Wälzkörperanordnung.
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Ausführliche
Beschreibung der Zeichnungen
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Die 1 und 2 zeigen
einen Lagerring 1 für
ein hier nicht weiter dargestelltes Schrägscheiben-Schwenklager einer
hydraulischen Axialkolbenmaschine, also eines Hydraulikmotors oder
einer Hydraulikpumpe. Der Lagerring 1 ist als gebogener
Metallstreifen gefertigt und weist eine hohlzylindrische äußere Lagerfläche 2 zur
Lagerung einer Schrägscheibe
auf. Eine Achse A gibt die Axialrichtung des Lagerrings 1 sowie
des gesamten Schrägscheiben-Schwenklagers
an. An die Längsseiten 3, 4 der Lagerfläche 2 schließen sich
radial nach innen gerichtete Randleisten 5, 6,
auch als Borde bezeichnet, an. Die beiden Randleisten 5, 6 weisen
die gleiche Form auf, so dass der Lagerring 1 insgesamt
symmetrisch bezüglich
einer normal zur Achse A angeordneten mittleren Ebene E ist. Die
symmetrische Form des Lagerrings 1 hat insbesondere den
Vorteil, dass ein Verzug beim Härten
vermieden wird. Der Lagerring 1 kann nach der Formgebung
einsatzgehärtet und
angelassen oder durchgehärtet
und angelassen sein.
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Das
Detail X in 1 zeigt den Übergang zwischen einem die äußere Lagerfläche 2 bildenden Bogenabschnitt 7 und
einem flachen, im dargestellten Ausführungsbeispiel sehr kurzen
Endstück 8 des Lagerrings 1.
Zwischen den genannten Abschnitten 7, 8 des Lagerrings 1 ist
eine hohle Eckausrundung 9 gebildet, so dass die Ecke frei
bleibt. In ähnlicher Weise
weist auch der Übergang
zwischen der Lagerfläche 2 und
den seitlichen Randleisten 5, 6 jeweils eine Eckausrundung 10 (s. 2),
auch als Freistellung bezeichnet, auf. Die Freistellungen 10 bewirken, dass
in den Übergangsbereichen
zwischen der Lagerfläche 2 und
den Randleisten 5, 6 beim Betrieb des Schrägscheiben-Schwenklagers keine
Kräfte
in undefinierter Weise in den Lagerring 1 eingeleitet werden.
Weiter hat die gegebene Querschnittsgeometrie des Lagerrings 1 den
Vorteil, dass die gesamte innere Lagerringbreite L, die zwischen
den Randleisten 5, 6 gebildet ist, für zylindrische
Wälzkörper, auch
ohne nennenswerte Kantenverrundung, zur Verfügung steht. Die symmetrische
Ausbildung der Randleisten 5, 6 ermöglicht auf
einfache Weise eine präzise
axiale Führung
der Wälzkörper. Der
Lagerring 1 ist insgesamt in einem nicht dargestellten
Gehäuse
der Axialkolbenmaschine mit verstellbarem Hubvolumen gelagert.
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In 2 ist
der Lagerring 1 mit Ausnahme des in der Darstellung rechten
Querschnitts in unfertigem Zustand, nämlich mit noch nicht umgebogenen Borden 5, 6,
gezeigt. Die Wandstärke
der Borde 5, 6 ist im Vergleich zur Wandstärke im Bereich
der Lagerfläche 2,
wie insbesondere aus dem in 2 links dargestellten
Querschnitt hervorgeht, reduziert. Dies ermöglicht auf sehr einfache Weise
eine Ausbildung der Freistellungen 10 beim Umbiegen der
Borde 5, 6.
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In 3 ist
in einem Querschnitt ausschnittsweise ein erstes Ausführungsbeispiel
eines Schrägscheiben-Schwenklagers 11 dargestellt,
welches zusätzlich
zum Lagerring 1 eine auch als Schwenkwiege bezeichnete
Schrägscheibe 12 mit
einer zylindrischen inneren Lagerfläche 13, einen Käfig 14 sowie eine
Anzahl Wälzkörper 15 umfasst.
Dabei sind in einzelnen Taschen 16 des aus einem Polymer-Werkstoff
gefertigten bogenförmigen
Käfigs 14 in
in 3 nicht erkennbarer Weise jeweils mehrere zylindrische Wälzkörper 15 in
axialer Richtung hintereinander angeordnet. Die in radialer Richtung
des Schrägscheiben-Schwenklagers 11 gemessene
Käfighöhe K füllt die
Spalthöhe
S zwischen der inneren Lagerfläche 13 und
der äußeren Lagerfläche 2 zu
mehr als 60%, insbesondere zu mehr als 80%, aus. Dies ermöglicht eine
besonders genaue achsparallele Führung
der einzelnen Wälzkörper 15.
In der Mitte des bogen förmigen
Käfigs 14 weist
dieser einen in axiale Richtung über
den Lagerring 1 hinausragenden Stützzapfen 17 auf, der
Teil einer Nachführeinrichtung
des Käfigs 14 ist.
Der Stützzapfen 17 ist über einen
Teil seiner Länge
von einem Metallring 18 umschlossen, welcher die Stabilität des Stützzapfens 17 sowie
dessen Lebensdauer erhöht.
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Das
Ausführungsbeispiel
nach 4 unterscheidet sich vom Ausführungsbeispiel nach 3 hauptsächlich dadurch,
dass der Metallring 18 eine formschlüssige Verbindung mit dem Kunststoffmaterial
des Stützzapfens 17,
welches auch in diesem Fall einstückig an den Käfig 14 angeformt
ist, aufweist.
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In
den 5 und 6 sind mögliche Ausgestaltungen des
Querschnitts des Lagerrings 1 dargestellt, wobei die Querschnittsform
nach 5 prinzipiell dem Ausführungsbeispiel nach den 1 und 2 entspricht.
Danach weist der Lagerring 1 im Bereich der Lagerfläche 2 eine
Wandstärke
d von beispielsweise 2,95 mm auf. Die in Radialrichtung des Schrägscheiben-Schwenklagers 11 gemessene Höhe h der
Borde 5, 6 beträgt im Fall eines Wälzkörperdurchmessers
von 5 mm beispielsweise 4,3 mm. Bei einem um 1 mm erhöhten Wälzkörperdurchmesser
sind um 0,2 mm höhere
Borde 5, 6 erforderlich. Bei einem Wälzkörperdurchmesser
von 10 mm ist somit eine Höhe
h der Borde 5, 6 von 5,3 mm zu wählen. Die
Wandstärke
d ist bei den Ausführungsformen mit
5 mm Wälzkörperdurchmesser
und mit 10 mm Wälzkörperdurchmesser
identisch.
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Im
Ausführungsbeispiel
nach 6 weist die Lagerfläche 2 des Lagerrings 1 eine
Wölbung
auf, wobei die Außenseite 19 des
Lagerrings 1 in entsprechender Weise gewölbt ist,
die Wandstärke
d also konstant ist. Die Wölbung
ist derart ausgebildet, dass sich der Lagerring 1 in seinen
axial äußeren Bereichen
an einem nur andeutungsweise dargestellten Bauteil 20 mit
zylindrischer Innenoberfläche
abstützt, während der
axial mittlere Bereich des Lagerrings 1 vom Bauteil 20 abgehoben
ist. In 6 ist die Wölbung des Lagerrings 1 überhöht dargestellt.
Hinsichtlich der Relationen zwischen der Wandstärke d, der Bordhöhe h und
dem Durchmesser der zugehörigen, auf
der Lagerfläche 2 abrollenden
Wälzkörper gelten die
Ausführungen
zu 5 entsprechend.
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Bevorzugt
beträgt
die in radialer Richtung gemessene Höhe h der Borde 5, 6 mindestens
das 1,3-fache und höchstens
das 3-fache, insbesondere höchstens
das Doppelte, der Wandstärke
d des Lagerrings 1 im Bereich dessen Lagerfläche 2.
Der gesamt Lagerring 1 einschließlich der Borde 5, 6 ist durch
spanlose Umformung gefertigt. Die maximale auf die Lagerfläche 2 einwirkende
Flächenpressung beim
Betrieb des Schrägscheiben-Schwenklagers 11 beträgt vorzugsweise
nicht mehr als 2600 N/mm2.
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Die 7 zeigt
in symbolisierter Weise eine Gegenüberstellung zwischen einer
erfindungsgemäßen Wälzkörperanordnung
(in der Darstellung oben) und einer herkömmlichen Wälzkörperanordnung (in der Darstellung
unten). In der oberen Hälfte
von 7 sind im Lagerring 1 fünf Wälzkörper 15 in
einer gemeinsamen Tasche 16 des hier nicht sichtbaren Käfigs 14 geführt. Ein
die Wälzkörper 15 kontaktierender
Rotationskörper 21 weist
in der übertriebenen Darstellung
eine ausgeprägte
Schrägstellung
gegenüber
dem Lagerring 1 auf. In prinzipiell vergleichbarer Weise
könnte
auch im Ausführungsbeispiel
nach 3 oder im Ausführungsbeispiel
nach 4 die Schrägscheibe 12 gegenüber dem
Lagerring 1, etwa aufgrund unsymmetrischer mechanischer
Belastungen, zumindest geringfügig
schräg
gestellt sein. Wie in 7 veranschaulicht, liegen die
Wälzkörper 15 dennoch
weitgehend an den Lagerflächen 2, 13 der Teile 1, 21 an.
Dies ist darauf zurückzuführen, dass die
einzelnen Wälzkörper 15 unabhängig voneinander
zumindest eine geringe Verschiebbarkeit innerhalb der Tasche 16 aufweisen.
Die in Achsrichtung gemessene Höhe
H eines jeden Wälzkörpers 15 unterschreitet
deutlich dessen Durchmesser D. Dagegen ist die Summe der Höhen H der
fünf Wälzkörper 15 größer als
der Wälzkörperdurchmesser
D. In analoger Weise sind in den Ausführungsbeispie-len nach den 3 und 4 in
jeder Tasche 16 mehrere scheibenförmige Wälzkörper 15 angeordnet.
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Die
in der unteren Hälfte
von 7 symbolisch dargestellte Anordnung veranschaulicht
die Lagerung eines Wälzkörpers 22,
dessen Querschnitt etwa dem zusammengesetzten Querschnitt der fünf einzelnen
Wälzkörper 15 entspricht.
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Wie
aus der Darstellung hervorgeht, hat der Wälzkörper 22 nur nahezu
punktuellen Kontakt zur äußeren Lagerfläche 2.
Somit ist die Anordnung mit dem einzelnen, sich nahezu über die
gesamte Breite der Lagerfläche 2 erstreckenden
Wälzkörper 22 wesentlich
empfindlicher gegenüber
Durchbiegungen oder geometrischen Toleranzen als die erfindungsgemäße Anordnung
mit mehreren axial unmittelbar nebeneinander angeordneten Wälzkörpern 15 innerhalb
einer Tasche 16 des Käfigs 14.
Die einzelnen scheibenförmigen
Wälzkörper 15 weisen
nicht notwendigerweise übereinstimmende
Höhen H
auf.
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- 1
- Lagerring
- 2
- äußere Lagerfläche
- 3
- Längsseite
- 4
- Längsseite
- 5
- Randleiste
- 6
- Randleiste
- 7
- Bogenabschnitt
- 8
- Endstück
- 9
- Eckausrundung
- 10
- Eckausrundung
- 11
- Schrägscheiben-Schwenklager
- 12
- Schrägscheibe
- 13
- innere
Lagerfläche
- 14
- Käfig
- 15
- Wälzkörper
- 16
- Tasche
- 17
- Stützzapfen
- 18
- Metallring
- 19
- Außenseite
- 20
- Bauteil
- 21
- Rotationskörper
- 22
- Wälzkörper
- A
- Achse
- d
- Wandstärke
- D
- Durchmesser
- E
- Ebene
- H
- Höhe
- K
- Käfighöhe
- L
- Lagerringbreite
- S
- Spalthöhe