DE102005058150A1

DE102005058150A1 - Schrägrollenlager

Info

Publication number: DE102005058150A1
Application number: DE102005058150A
Authority: DE
Inventors: Gottfried Ruoff; Christian Hecker; Peter Niebling; Raphael Dr. Fischer
Original assignee: Schaeffler KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2005-12-06
Filing date: 2005-12-06
Publication date: 2007-07-05
Also published as: WO2007065401A1

Abstract

Ein Wälzlager mit einem Innenring (2), einem Außenring (3) und einer Vielzahl von zwischen dem Innenring (2) und dem Außenring (3) angeordneten Wälzkörpern (5), wobei der Innenring (2) eine kegelstumpfförmige Außenoberfläche (7) aufweist, die gegenüber einer geometrischen Längsrichtung (L) des Wälzlagers um einen vorgegebenen Winkel (alpha) geneigt ist. Erfindungsgemäß weist der Außenring (3) eine kegelstumpfförmige Innenoberfläche (8) auf, die wenigstens abschnittsweise im Wesentlichen parallel zu der kegelstumpfförmigen Außenoberfläche (7) des Innenrings (2) verläuft.

Description

Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Wälzlager und insbesondere ein Wälzlager, das einen Innenring mit einer schrägen Laufbahn aufweist. Derartige Wälzlager sind im Stand der Technik als Kegelrollenlager bekannt und weisen einen Innenring mit einer gegenüber einer Lagerachse geneigten Laufbahn auf. Um den Innenring ist ein Außenring angeordnet und zwischen dem Innenring und dem Außenring eine Vielzahl von Wälzkörpern. Auch der Außenring weist bei den aus dem Stand der Technik bekannten Ausführungsformen eine geneigte Laufbahn auf.

Die einzelnen Wälzkörper, die zwischen dem Innenring und dem Außenring angeordnet sind, weisen eine kegelstumpfförmige Manteloberfläche auf. Aufgrund dieser kegelstumpfförmigen Manteloberfläche ist bei den im Stand der Technik bekannten Wälzlagern bzw. Kegelrollenlagern am Innenring ein Bord vorgesehen und damit kommt es zu einem Bordanlauf der einzelnen Wälzkörper. Dieser Bordanlauf erzeugt ungewollte zusätzliche Reibung des gesamten Lagers. Daneben müssen aufgrund des Bordanlaufs Wälzkörper mit bearbeiteten Stirnflächen eingesetzt werden, was wiederum den Wälzkörper in seiner Gesamtheit verteuert.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Wälzlager mit verbesserten Reibungseigenschaften zur Verfügung zu stellen sowie die Herstellungskosten zu vermindern.

Dies wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs 1 erreicht. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche. Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass nicht alle erfindungsgemäßen Vorteile zwangsläufig durch die Gegenstände aller Unteransprüche erreicht werden.

Das erfindungsgemäße Wälzlager weist einen Innenring auf, einen Außenring und eine Vielzahl von zwischen dem Innenring und dem Außenring angeordneten Wälzkörpern. Dabei weist der Innenring eine kegelstumpfförmige Außenoberfläche auf, die gegenüber einer geometrischen Längsrichtung des Wälzlagers um einen vorgegebenen Winkel geneigt ist. Erfindungsgemäß weist der Außenring eine kegelstumpfförmige Innenoberfläche auf, die wenigstens abschnittsweise im wesentlichem parallel zu der kegelstumpfförmigen Außenoberfläche des Innenrings verläuft.

Bevorzugt sind die kegelstumpfförmige Innenoberfläche des Außenrings und die kegelstumpfförmige Außenoberfläche des Innenrings im Wesentlichen parallel zu einander.

Unter einer kegelstumpfförmigen Außenoberfläche wird verstanden, dass der Innenring eine im Wesentlichen rotationssymmetrische Außenfläche mit einem kegelsegmentförmigen bzw. kegelstumpfförmigen Profil aufweist. Dies bedeutet, dass die Außenoberfläche einen sich in Längsrichtung des Lagers erweiternden im Wesentlichen kreisförmigen Querschnitt aufweist. Diese Außenoberfläche ist die Laufbahn bzw. Lauffläche des Innenrings für die Wälzkörper.

Unter einer zu der Außenoberfläche parallelen kegelstumpfförmigen Innenoberfläche wird verstanden, dass diese Oberfläche im wesentlichem den gleichen Kegelwinkel aufweist wie die kegelstumpfförmige Außenoberfläche des Innenrings. Zwischen der kegelstumpfförmigen Innenoberfläche des Außenrings und der kegelstumpfförmigen Außenoberfläche des Innenrings sind die Wälzkörper angeordnet. Da die genannten Innen- und Außenoberflächen parallel zueinander sind, werden die Wälzkörper nicht, wie im Stand der Technik, kegelstumpfförmig ausgeführt, sondern können als zylindrische Körper mit in Längsrichtung im Wesentlichen konstanten Durchmessern ausgeführt werden.

Vorzugsweise liegt der Winkel, um den die kegelstumpfförmige Außenoberfläche des Innenrings gegenüber der Längsrichtung des Wälzlagers geneigt ist, zwischen 2 ° und 50 ° und bevorzugt zwischen 5 ° und 30 °. Dieser Winkelbereich hat sich als besonders günstig bei der Optimierung der Reibungsverhältnisse herausgestellt.

Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist das Wälzlager einen Käfig auf, in dem die Wälzkörper angeordnet sind. Genauer weist vorzugsweise der Käfig zwei Borde auf sowie eine Vielzahl von Stegen, wodurch Taschen gebildet werden, in denen die Wälzkörper angeordnet sind. Vorzugsweise sind die einzelnen Stege des Käfigs ebenfalls um den Winkel α gegenüber der Längsrichtung des Wälzlagers geneigt.

Durch die Verwendung eines Käfigs als Abstandshalter zwischen den Wälzkörpern kann das Wälzlager bzw. Schrägrollenlager im Vergleich zu den im Stand der Technik bekannten Kegelrollenlagern als bordloses Lager ausgeführt werden. Bei dem erfindungsgemäßen Schrägrollenlager werden die bei einer Relativverschiebung von Innen- zu Außenring, beispielsweise einer Verkippung, entstehenden Radial- und Axialkräfte von den Laufbahnen der Wälzkörper und dem verwendeten Käfig aufgenommen.

Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist wenigstens ein Wälzkörper als Nadelrolle ausgeführt. Bevorzugt sind alle Wälzkörper als Nadelrollen ausgeführt. Durch den Entfall der Halteborde müssen stirnseitig von den Wälzkörpern keine Kräfte mehr übertragen werden. Aus diesem Grunde können bei dem erfindungsgemäßen Wälzlager Nadelrollen zum Einsatz kommen.

Vorzugsweise ist das Verhältnis zwischen dem Durchmesser der Nadelrollen und der Länge der Nadelrollen zwischen 1:1,5 und 1:20 und bevorzugt zwischen 1:2 und 1:10. Dieses Größenverhältnis der Nadelrollen hat sich ebenfalls als besonders günstig zur Reibungsminimierung erwiesen.

Alternativ zu Nadelrollen können als Wälzkörper auch Zylinderrollen eingesetzt werden. Vorzugsweise wird eine Vielzahl von Zylinderrollen eingesetzt. Vorzugsweise ist das Wälzlager entweder einheitlich mit Zylinderrollen oder einheitlich mit Nadelrollen bestückt. Bevorzugt liegt das Verhältnis zwischen dem Durchmesser der Zylinderrollen und der Länge der Zylinderrollen zwischen 1:0,8 und 1:4 und bevorzugt zwischen 1:1 und 1:2,5. Auch diese Größenverhältnisse der Zylinderrollen, welche die Gesamtgeometrie der Zylinderrollen bestimmen, haben sich besonders günstig erwiesen, um die Reibung zu minimieren.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weisen die Wälzkörper wenigstens eine unbearbeitete Stirnfläche auf. Vorzugsweise sind beide Stirnflächen wenigstens eines Wälzkörpers und vorzugsweise aller Wälzkörper unbearbeitet. Wie oben erwähnt, ist es bei den erfindungsgemäßen Wälzkörpern möglich, auf einen Bordanlauf mit dem Innen- bzw. Außenring zu verzichten. Damit ist es auch möglich, Wälzkörper mit unbearbeiteten Stirnflächen einzusetzen. Auf dieser Weise können die Herstellungskosten für die erfindungsgemäßen Schrägrollenlager herabgesetzt werden.

Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Breite des Innenrings wenigstens so groß wie die Länge der Wälzkörper. Bei dieser Ausführungsform können in Längsrichtung des Lagers die Wälzkörper im Wesentlichen vollständig durch den Innenring abgedeckt und damit vollständig zwischen dem Innenring und dem Außenring aufgenommen werden.

Vorzugsweise ist die Bauhöhe des Wälzlagers größer als die Summe aus der Breite des Innenrings und dem Produkt aus dem Durchmesser des Wälzkörpers und dem Sinus des vorgegebenen Winkels. Unter der Bauhöhe des Wälzlagers wird die Länge des vollständigen Wälzlagers unter Berücksichtigung sowohl des Innenrings als auch des Außenrings als auch der Wälzkörper in Längsrichtung des Lagers verstanden. Durch das Produkt aus dem Durchmesser des Wälzkörpers und des Sinus des vorgegebenen Winkels wird gleichzeitig der Versatz festgelegt, den der Außenring gegenüber dem Innenring aufweist. Die Bauhöhe muss mindestens so groß sein, wie die Summe dieses Versatzes und die Breite des Innenrings.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist wenigstens ein Wälzkörper sich in Längsrichtung des Wälzkörpers verjüngende Endbereiche auf.

Weitere Vorteile und Ausführungsformen ergeben sich aus den beigefügten Zeichnungen. Darin zeigen:
1. ein Kegelrollenlager nach dem Stand der Technik;
2. ein erfindungsgemäßes Schrägrollenlager;
3. eine Teildarstellung eines Wälzkörpers;
4. eine Teilansicht des Wälzkörpers aus 3.
1 zeigt ein Kegelrollenlager nach dem Stand der Technik. Dieses weist einen Innenring 2 auf, dessen Außenoberfläche 7 in einem vorgegeben Winkel gegenüber der Längsrichtung L des Wälzlagers geneigt ist. Ein Außenring 3 des Wälzkörpers weist eine Innenoberfläche 8 auf, die ebenfalls um einen weiteren Winkel gegenüber der Längsrichtung L geneigt ist. Dieser Winkel, um den die Außenoberfläche 7 des Innenrings 2 gegenüber der Längsrichtung geneigt ist und derjenige, um den die Innenoberfläche 8 des Außenrings 3 geneigt ist, sind unterschiedlich. Aus diesem Grunde ändert sich der Abstand zwischen der Außenoberfläche 7 und der Innenoberfläche 8 in Längsrichtung L des Wälzlagers. Daher muss der Wälzkörper 5 mit einer kegelstumpfförmigen Manteloberfläche ausgebildet werden. Dies Widerrum führt dazu, dass es nötig ist, den Innenring 2 mit Borden 2a und 2b zu versehen, um den Wälzköper 5 zu führen. Damit kommt es zu einem Bordanlauf der Wälzkörper und damit zu zusätzlichen ungewollten Reibungsverlusten.
2 zeigt ein erfindungsgemäßes Schrägrollenlager 1. Dieses Lager weist ebenfalls einen Innenring 2 und einen Außenring 3 auf, zwischen denen die Wälzkörper 5 angeordnet sind. Die Außenoberfläche 7 des Innenrings 2 ist mit einem vorgegebenen Winkel α gegenüber der Längsrichtung L geneigt. Die Innenoberfläche 8 des Außenrings 3 ist ebenfalls um den selbem Winkel α gegenüber der Längsrichtung L des Lagers geneigt. Bei der Betrachtung dieser Winkel bleiben etwaige leichte Krümmungen der Oberflächen 7, 8 unberücksichtigt bzw. es wird bei der Bestimmung des Winkels α ein Zentralbereich der Wälzkörper betrachtet, in dem dieser bei der in 2 gezeigten Ausführungsform im Wesentlichen eben ist.
Durch die gleichen Neigungen α der Innenoberfläche 8 und der Außenoberfläche 7 ist es möglich, dass die Wälzkörper 5 mit einem wesentlichen konstanten Durchmesser Dw ausgeführt werden. Das Bezugszeichen 4 bezieht sich auf einen Käfig, durch den die einzelnen Wälzkörper 5 in Abstand zu einander gehalten werden. Die Bezugszeichen 12 beziehen sich auf die Füh rungsnasen die an den jeweiligen Stegen 4a der Käfige angebracht sind. Wie in 2 gezeigt, ist der Steg des Käfigs 4 ebenfalls um den Winkel α gegenüber der Längsrichtung L des Wälzlagers 1 geneigt.
Das Bezugszeichen 9 bezieht sich auf einen Vorsprung bzw. Kragen, der an dem Lagerkäfig 4 angeordnet ist. Dieser hier in Umfangsrichtung nach außen weisende Kragen 9 verhindert ein Auseinanderfallen des Schrägrollenlagers beispielsweise während der Montage. Bei der in 2 gezeigten Ausführungsform verlaufen die Stege 4a der Lagerkäfige unterhalb der Mittellinie bzw. Drehachse der Wälzkörper. Bei dieser Ausführungsform werden damit die Wälzkörper an dem Außenring 3 gehalten. Der Kragen 9 steht bevorzugt in formschlüssiger Verbindung mit dem Außenring 3.
Durch den Kragen 9 wird verhindert, dass der Käfig 4 mit den Wälzkörpern in 2 nach rechts herausgezogen werden kann. Ohne den Kragen könnten der Käfig 4 und die Wälzkörper nach rechts abgezogen werden und die Wälzkörper würden aus den durch die Stege 4a und die Borde des Käfigs gebildeten Taschen nach oben herausgleiten. Ein Abziehen des Käfigs nach links in 2 ist ebenfalls nicht möglich, da bei einer derartigen Bewegung die Wälzkörper tiefer in die Taschen gedrückt würden und auf diese Weise die Bewegung verhindert würde.
Anstelle der hier gezeigten Ausführungsform sind auch weitere Ausführungsformen denkbar, etwa solche, bei denen der Vorsprung auf der rechten Seite angeordnet ist, radial nach innen ragt und mit dem Innenring in formschlüssiger Verbindung steht. Der hier gezeigte Käfig ist bevorzugt aus Metall, kann aber aus Kunststoff gefertigt sein.
Die Innenringbreite IB ist vorzugsweise größer als die Länge Lw des Wälzkörpers 5 oder dieser gleich. Auf diese Weise kann in wesentlichen die vollständige Oberfläche- bzw. Mantelfläche des Wälzkörpers 5 in Kontakt mit der Außenoberfläche 7 des Innenrings treten. Das Verhältnis zwischen dem Durchmesser Dw des Wälzkörpers und der Länge des Lw Wälzkörpers liegt bei der in 2 gezeigten Ausführungsform bevorzugt zwischen 0,05 und 1,25. Für die Bauhöhe BH des Lagers gilt folgende Beziehung: BH ≥ Dw·sin(α) + IB,wobei IB auch hier die Innenringbreite ist. Durch das Produkt aus dem Wälzkörperdurchmesser Dw und dem Sinus des Winkels α wird die Verschiebung x bestimmt, die zwischen den Innenring 2 und den Außenring 3 auftritt.
3 zeigt eine Detaildarstellung eines Wälzkörpers. Dieser Wälzkörper 5 weist eine Mantelfläche 14 auf. Der Durchmesser Dw dieser Mantelfläche ist entlang der Längsrichtung Lw im wesentlichem konstant. Zu den Endbereichen hin nimmt der Durchmesser jedoch ab, wobei für diese Abnahme ein logarithmischer Zusammenhang gilt. Dieser Verlauf des Durchmessers verhindert, dass durch auftretende radiale Belastungen eine verstärkte Abnutzung des Lagers auftritt. Anstelle einer logarithmischen Abnahme wäre auch eine lineare Abnahme des Durchmessers möglich. Auch wären weitere funktionale Zusammenhänge für die Abnahme des Durchmessers möglich, wie etwa solche Zusammenhänge, die sich aus einem linearen und einem logarithmischen Anteil zusammensetzen.
An den links- und rechtsseitigen Enden weist der Wälzkörper jeweils eine Abschrägung 15 auf. Bei der in 3 gezeigten Ausführungsform verläuft die Abschrägung 15 in einem Winkel zwischen 30 und 60 Grad und bevorzugt zwischen 40 und 50 Grad gegenüber der Längsrichtung L.
4 zeigt eine Teildarstellung des Endbereichs eines Wälzkörpers 5. Man erkennt, dass der Durchmesser des Wälzkörpers nach außen hin zunächst geringfügig und dann im Endbereich 15 relativ steil abnimmt (logarithmischer Verlauf). Bevorzugt weist der Wälzkörper 15 bei der in 4 gezeigten Ausführungsform eine verstärkte Endprofilierung auf.
Die Endbereiche 15 weisen gekrümmte Oberflächen auf. Auch dadurch sollen starke Abnutzungen des Lagers durch einseitige Belastungen verhindert werden. Der Krümmungsradius R dieser Krümmungen liegt bevorzugt unter 1 mm.
Sämtliche der in den Anmeldungsunterlagen offenbarten Merkmale werden als erfindungswesentlich beansprucht, sofern sie einzeln oder in Kombination gegenüber dem Stand der Technik neu sind.

1: Schrägrollenlager
2: Innenring
2a, 2b: Bord des Innenrings (Stand der Technik)
3: Außenring
4: Lagerkäfig
4a: Steg des Lagerkäfis 4
5: Wälzkörper
7: Außenoberfläche des Innenrings 2
8: Innenoberfläche des Außenrings 3
9: Kragen
12: Führungsnase
13: in Längsrichtung äußerer Bereich des Wälzkörpers 5
14: Mantelfläche des Wälzkörpers 5
15: Endbereich des Wälzkörpers 5
15a: gekrümmte Oberfläche des Endbereichs
Dw: Durchmesser des Wälzkörpers 5
IB: Breite des Innenrings 2
Lw: Länge des Wälzkörpers 5
BH: Bauhöhe des Wälzlagers
α: Neigungswinkel der Wälzkörper
L: Längsrichtung des Wälzlagers
R: Krümmungsradius

Claims

Wälzlager mit einem Innenring (2), einem Außenring (3) und einer Vielzahl von zwischen dem Innenring (2) und dem Außenring (3) angeordneten Wälzkörpern (5), wobei der Innenring (2) eine kegelstumpfförmige Außenoberfläche (7) aufweist, die gegenüber einer geometrischen Längsrichtung des Wälzlagers um einen vorgegebenen Winkel (α) geneigt ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Außenring (3) eine kegelstumpfförmige Innenoberfläche (8) aufweist, die wenigstens abschnittsweise im Wesentlichen parallel zu der kegelstumpfförmigen Außenoberfläche (7) des Innenrings (2) verläuft.
Wälzlager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel (α) zwischen 2° und 50° und bevorzugt zwischen 5° und 30° liegt.
Wälzlager nach wenigstens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Wälzlager einen Käfig (4) aufweist, in dem die Wälzkörper (5) angeordnet sind.
Wälzlager nach wenigstens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Wälzkörper (5) eine Nadelrolle ist.
Wälzlager nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis zwischen dem Durchmesser (Dw) der Nadelrollen und der Länge (Lw) der Nadelrollen zwischen 1:1,5 und 1:20 und bevorzugt zwischen 1:2 und 1:10 liegt.
Wälzlager nach wenigstens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Wälzkörper (5) eine Zylinderrolle ist.
Wälzlager nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis zwischen dem Durchmesser (Dw) der Zylinderrollen und der Länge der Zylinderrollen (Lw) zwischen 1:0,8 und 1:4 und bevorzugt zwischen 1:1 und 1:2,5 liegt.
Wälzlager nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wälzkörper wenigstens eine unbearbeitete Stirnfläche (15) aufweisen.
Wälzlager nach wenigstens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das die Breite (IB) des Innenrings wenigstens so groß ist wie die Länge (Lw) der Wälzkörper.
Wälzlager nach wenigstens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bauhöhe (BH) des Wälzlagers größer ist als die Summe aus der Breite (IB) des Innenrings und dem Produkt aus dem Durchmesser (Dw) des Wälzkörpers (5) und dem Sinus des vorgegebenen Winkels (α).
Wälzlager nach wenigstens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens ein Wälzkörper (5) sich in der Längsrichtung des Wälzkörpers (5) verjüngende Endbereiche aufweist.