DE102005061103A1

DE102005061103A1 - Wälzlager mit verbesserter Bordgeometrie

Info

Publication number: DE102005061103A1
Application number: DE102005061103A
Authority: DE
Inventors: Jan de Mul
Original assignee: Schaeffler KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2005-12-21
Filing date: 2005-12-21
Publication date: 2007-07-05
Also published as: CN101365889B; JP2009520934A; CN101365889A; WO2007071229A1; US20080310788A1; US8033737B2

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Wälzlager mit wenigstens einem Lagerring (2) und einer Vielzahl von Wälzkörpern (5), wobei der Lagerring (2) eine Laufbahn (4a) für die Wälzkörper (5) aufweist und wenigstens einen seitlichen Bord (6) zur axialen Führung der Wälzkörper, wobei der Wälzkörper (5) eine dem Bord (6) zugewandte Stirnfläche (11) und der Bord (6) eine dem Wälzkörper (5) zugewandte Bordlauffläche (6a) aufweist und wenigstens die Stirnfläche (11) oder die Bordlauffläche (6a) wenigstens abschnittsweise in Richtung der Bordlauffläche (6a) oder der Stirnfläche (11) torusförmig konvex gekrümmt ist.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung bezieht sich auf ein Wälzlager. Die vorliegende Erfindung wird unter Bezugnahme auf Kegelrollenlager beschrieben, es wird jedoch darauf hingewiesen, dass die Erfindung auch bei anderen Lagertypen wie Zylinderrollenlagern oder Pendelrollenlagern Anwendung finden kann. Aus dem Stand der Technik sind Rollenlager bekannt, welche bezüglich einer Laufbahn seitliche Borde aufweisen, um axiale Belastungskomponenten aufzunehmen. Dabei sind aus dem Stand der Technik Zylinderrollenlager mit ebenen Rollenstirnflächen und ebenen Bordflächen bekannt. Diese Lager führen zu einem Kantenlauf des Wälzkörpers gegenüber dem Bord. Die Folge eines derartigen Kantenlaufs ist eine verminderte Lebensdauer des Wälzlagers.

Daneben sind aus dem Stand der Technik Zylinderrollenlager bekannt, wobei die Stirnseite der Wälzkörper eine kugelkalottenartige Form aufweist. Bei diesen Wälzkörpern ist ein Zentralbereich der Stirnflächen nicht kugelförmig sondern eben bzw. mit einer Mulde ausgebildet. Damit wird die Kontaktfläche bei diesen Wälzkörpern wenigstens an der Bordschulter gewissermaßen abgeschnitten, wodurch sich im Bordkontakt eine begrenzte axiale Belastbarkeit ergibt.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Wälzlager zur Verfügung zu stellen, welches gegenüber dem Stand der Technik höhere axiale Belastungen aufnehmen kann. Ein spezieller Anwendungsbereich derartiger Kegel- oder Zylinderrollenlager sind beispielsweise Windkraftgetriebe.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Wälzlager nach Anspruch 1 erreicht.

Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.

Das erfindungsgemäße Wälzlager weist wenigstens einen Lagerring und eine Vielzahl von Wälzkörpern auf, wobei der Lagerring eine Laufbahn für die Wälzkörper aufweist und wenigstens einen seitlichen Bord zur axialen Führung der Wälzkörper. Erfindungsgemäß weist der Wälzkörper eine dem Bord zugewandte Stirnfläche und der Bord eine dem Wälzkörper zugewandte Bordlauffläche auf. Dabei ist wenigstens die Stirnfläche oder die Bordlauffläche wenigstens abschnittsweise in Richtung der Bordlauffläche oder der Stirnfläche torusförmig konvex gekrümmt.

Bei dem Lagerring kann es sich um einen Lageraußenring oder einen Lagerinnenring handeln. Unter der Stirnfläche des Wälzkörpers wird im Gegensatz zur Mantelfläche dessen Endfläche verstanden, wobei der Wälzkörper über seine Mantelfläche an der Laufbahn des Lagerrings abrollt.

Vorzugsweise weist das Wälzlager einen zweiten Lagerring auf und die Wälzkörper sind zwischen dem ersten und dem zweiten Lagerring angeordnet. An dem zweiten Lagerring ist bevorzugt ebenfalls ein seitlicher Bord angeordnet und zwar besonders bevorzugt an der dem ersten Bord gegenüberliegenden Seite des Wälzlagers.

Während bei der aus dem Stand der Technik bekannten kugelkalottenartigen Krümmung die gesamte Stirnfläche des Wälzkörpers abschnittsweise die Gestalt einer Kugel hat, wobei der Radius dieser Kugel auf der Drehachse des Wälzkörpers liegt, wird die erfindungsgemäße torusförmige Krümmung der Stirnfläche nicht durch eine Kugel beschrieben deren Mittelpunkt auf der Drehachse des Wälzkörpers liegt, sondern durch beispielsweise Kreislinien oder Ellipsenlinien, deren Mittelpunkte von der Drehlachse versetzt sind. Genauer gesagt, sind bei einer bevorzugten Ausführungsform die Mittelpunkte der torusförmigen Krümmungen kreisförmig um die Drehachse des Wälzkörpers angeordnet.

Dabei muss es sich nicht notwendigerweise bei diesen Mittelpunkten um Mittelpunkte von Kreisen handeln, sondern es können auch Mittelpunkte von Ellipsen oder ähnlich geformten Körpern vorliegen. Durch die erfindungsgemäße torusförmige Krümmung wird erreicht, dass im äußeren Bereich des Wälzkörpers eine kreisförmige Krümmung vorliegt. Im Axialschnitt des Wälzkörpers schließt sich damit an einen äußeren Bereich mit einem vorgegebenen Krümmungsradius ein ebener Zentralbereich an und an diesen ebenen Zentralbereich ein zweiter gekrümmter Bereich mit dem vorgegebenen Krümmungsradius.

Dieser Sachverhalt wird unter Bezugnahme auf die Figuren noch genauer erläutert.

Vorzugsweise ist der Öffnungswinkel zwischen der Laufbahn und der Bordlauffläche größer als 90°. Im Falle gleichmäßig gekrümmter Flächen wird dabei bei der Ermittlung des Bordöffnungswinkels eine Gerade betrachtet, die in radialer Richtung des Wälzlagers durch den Anfangs- und den Endpunkt der Krümmung verläuft. Durch diese Ausführungsform ergibt sich anstelle einer Kontaktfläche zwischen der Stirnfläche des Wälzkörpers und der Bordlauffläche ein Kontaktpunkt mit einem sich nach außen progressiv öffnenden Spalt. Auf diese Weise wird ein tribologisch günstiger Kontakt fier gestellt, der einen günstigen Schmierstoffeinzug und damit eine geringere Reibung ermöglicht.

Daneben wird durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Bordlauffläche und der Stirnfläche des Wälzkörpers erreicht, dass in der Umgebung des Kontakts eine effektiv runde Geometrie vorliegt und damit eine hohe Toleranz gegenüber einem Kippen oder Schränken der Rolle bewirkt wird.

Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind sowohl die Stirnfläche als auch die Bordlauffläche wenigstens abschnittsweise gekrümmt. Besonders bevorzugt wird sowohl die Bordlauffläche als auch die Stirnfläche des Wälzkörpers ballig mit einem vorgegebenen Torusradius ausgeführt. Dieser Torusradius der beiden Krümmungen kann dabei gleich sein, die beiden Radien können jedoch auch untereinander variieren.

Bevorzugt sind sowohl die Stirnfläche, als auch die Bordlauffläche in Richtung der jeweils anderen Fläche konvex gekrümmt. Auf diese Weise kann ein besonders günstiger Schmiermitteleinzug erreicht werden. Es ist jedoch auch möglich, dass eine der beiden Flächen konkav gekrümmt ist, wobei in diesem Falle besonders bevorzugt der entsprechende konvexe Krümmungsradius kleiner ist als der konkave Krümmungsradius.

Bevorzugt liegt die Stirnfläche des Wälzkörpers wenigstens abstandsweise auf einer Kreislinie. Dies bedeutet, dass, wie oben erwähnt, die Krümmungen des Wälzkörpers im Axialschritt durch Kreislinien gebildet werden, wobei die Mittelpunkte dieser Kreislinien um einen vorgegebenen Abstand gegenüber der Drehachse des Wälzkörpers bevorzugt in Richtung der Krümmung versetzt sind.

Bevorzugt wird wenigstens eine Komponente des erfindungsgemäßen Wälzlagers durch ein Hartdrehverfahren hergestellt. Durch die Anwendung des Hartdrehverfahrens ist eine kostengünstige Herstellung der genannten Torusradien möglich.

Bevorzugt ist das Wälzlager aus einer Gruppe von Wälzlagern ausgewählt, welche Zylinderrollenlager, Kegelrollenlager, Pendelrollenlager, Radiallager, Axiallager und dergleichen enthält.

Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der Krümmungsradius wenigstens der Bordlauffläche oder der Stirnfläche dem Betrag nach wenigstens dreimal so groß wie der Durchmesser des Wälzkörpers. Durch diese Wahl des Krümmungsradius kann ein besonders leistungsfähiger Kontakt zwischen der Stirnfläche und der Bordlauffläche erreicht werden. Der Krümmungsradius einer der beiden Flächen kann jedoch auch unendlich sein, dass heißt, in diesem Falle kann die Krümmung durch eine gerade Linie dargestellt werden.

Genauer gesagt entsteht in dem Fall, in dem der Torusradius bei einer von beiden Flächen unendlich wird, im Axialschnitt anstelle eines ballenartigen Gebildes eine Gerade. Diese Gerade ist wiederum die Erzeugende eines Kegels der Bordlauffläche oder der Stirnfläche des Wälzkörpers, je nachdem ob die Gerade um die Symmetrieachse des Wälzkörpers oder um die Symmetrieachse des Wälzlagers in seiner Gesamtheit gedreht wird.

Es ist jedoch auch möglich, dass anstelle einer Kegelfläche eine Ebene vorgesehen ist, falls die Bordlauffläche senkrecht zur Lagerachse ist.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind die Krümmungen der Bordlauffläche und der Stirnfläche so beschaffen, dass zwischen der Bordlauffläche und der Stirnfläche im Wesentlichen nur ein Berührpunkt auftritt. Dabei ist besonders bevorzugt dieser Berührpunkt in radialer Richtung des Wälzkörpers wenigstens genau so weit von der Symmetrieachse des Wälzkörpers beabstandet wie der Mittelpunkt der Kreislinie, welche die Krümmung der Stirnfläche beschreibt.

Allgemein bedeutet dies, dass bevorzugt die Mittelpunkte der Kreislinien für unterschiedliche erfindungsgemäße Wälzkörper auf einer Torusmittelpunktslinie angeordnet sind, die parallel bezüglich der Symmetrieachse des Wälzkörpers verläuft. Bezüglich dieser Torusmittelmittelpunktsline liegt der Berührpunkt in radialer Richtung des Wälzkörpers außerhalb desselben. Das bedeutet, dass eine Berühr- oder Kontaktlinie gegenüber der Torusmittelpunktslinie um einen vorgegebenen Winkel geneigt ist. Dieser Neigungswinkel liegt zwischen 0° und 30° und bevorzugt zwischen 0° und 10°.

Weitere Vorteile und Ausführungsformen ergeben sich aus den beigefügten Zeichnungen.
Darin zeigen:
1 eine Teildarstellung zur Veranschaulichung der grundlegenden Geometrien des Wälzlagers; und
2 eine weitere Teildarstellung des erfindungsgemäßen Wälzlagers.
1 zeigt eine schematische ausschnittsweise Darstellung eines erfindungsgemäßen Wälzlagers 1 zur Veranschaulichung der Geometrien. Dabei bezieht sich das Bezugszeichen 5 auf einen Wälzkörper für ein Kegelrollenlager, wobei jedoch lediglich ein Teil der Stirnfläche 11 dieses Wälzkörpers dargestellt ist.
Diese Stirnfläche 11 des Wälzkörpers 5 weist einen zentralen Abschnitt 11a, sowie einen Randbereich 11b auf. In dieser Ausführungsform verläuft der zentrale Abschnitt 11a im Wesentlichen geradlinig und der Randbereich 11b gekrümmt. Das Bezugszeichen 6 bezieht sich auf einen seitlichen Bord eines Lagerrings 2, der eine Bordlauffläche 6a aufweist, die der Stirnfläche 11 des Wälzkörpers 5 zugewandt ist.
Der zentrale Abschnitt 11a der Stirnfläche 11 läuft bei der in 1 gezeigten Ausführungsform nicht an der Bordlauffläche 6a des Bords 6 an. Daher kann der Zentralbereich 11a der Stirnfläche 11 anstelle des geradlinigen Verlaufs auch im Wesentlichen beliebige andere Verläufe annehmen, wie beispielsweise eine Mulde im Zentrum aufweisen.
Das Bezugszeichen L bezieht sich auf die Symmetrieachse des Wälzkörpers 5. Wie eingangs erwähnt, ist der Randbereich 11b der Stirnfläche 11 des Wälzkörpers 5 torusförmig gekrümmt. Bei der in 1 gezeigten Ausführungsform ist der Randbereich 11b der Stirnfläche 11 im Axialschnitt im Wesentlichen kreisförmig gekrümmt und weist einen Krümmungsradius ρ_s auf. Damit ist der Randbereich 11b bei der in 1 gezeigten Ausführungsform konvex in Richtung der Bordlauffläche 6a gekrümmt.
Der Bord 6 bzw. die Bordlauffläche 6a des Bords 6 ist ebenfalls torusförmig gekrümmt, wobei diese Krümmung einen Krümmungsradius ρ_f aufweist. Das Bezugszeichen 19 bezieht sich auf eine Kreislinie, auf der der Randbereich 11b der Stirnfläche 11 liegt. Der Mittelpunkt dieser Kreislinie liegt auf der Torusmittelpunktslinie 14. Der Abstand zwischen der Laufbahn 4a im Bereich der Stirnfläche 11 und der Torusmittelpunktslinie 14 entspricht etwa der Höhe h der Bords.
Diese Torusmittelpunktslinie 14 ist um den Abstand a gegenüber der Symmetrieachse L des Wälzkörpers beabstandet. Der in 1 gezeigte Wälzkörper weist in jeder beliebigen axialen Schnittdarstellung die in 1 gezeigten Geometrien auf. Dies bedeutet, dass die Kreislinie 19 ebenfalls um die Symmetrieachse L gedreht werden muss, um die Stirnfläche 11 in ihrer Gesamtheit zu beschreiben. In einem Übergangsbereich bzw. -punkt 3 gehen der kreisförmig gekrümmte Randbereich 11b und der geradlinig verlaufende zentrale Bereich 11a ineinander über. Da der Mittelpunkt der kreisförmigen Krümmung auf der Torusmittelpunktslinie 14 liegt, würde eine Tangente an die Kreislinie 19 im Punkt 3 genau auf dem zentralen Abschnitt 11a verlaufen. Damit entsteht auf der Stirnfläche 11 keine Kante.
Die Kreisradien ρ_f und ρ_s sind bevorzugt jeweils mindestens so groß wie der dreifache Durchmesser Dw des Wälzkörpers. Die die Radien ρ_f und ρ_s veranschaulichenden Pfeile legen gleichzeitig die Kontaktlinie 10 fest, die durch den Berührpunkt 8 verläuft. Diese Kontaktlinie 10 ist gegenüber der Richtung der Torusmittelpunktslinie 14 und damit auch der Richtung der Symmetrieachse L um einen Winkel μ geneigt. Durch die Wahl dieser Neigung kann damit die Lage des Berührpunktes auf der Stirnfläche im Wesentlichen frei gewählt werden. Bevorzugt liegt jedoch der Berührpunkt 8 in etwa auf der halben Höhe des Bords 6.
Das Bezugszeichen 4 kennzeichnet einen Zentralbereich des Lagerrings mit der (nicht im Detail gezeigten) Laufbahn 4a für die Wälzkörper.
2 zeigt eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Lagers. In diesem Falle wurde der Krümmungsradius der Bordlauffläche 6a unendlich gewählt, d. h. in der 2 gezeigten Darstellung verläuft die Bordlauffläche im Wesentlichen geradlinig. Wird diese Bordlauffläche 6a um eine (nicht gezeigte) Zentralachse des Lagers gedreht, so entsteht ein Kegel, da bei der in 2 gezeigten Ausführungsform die Bordlauffläche 6a gegenüber dem Zentralbereich 4 des Lagerrings um mehr als 90° geneigt ist. Der Winkel, um dem die Mantelfläche dieses Kegels gegenüber der Grundfläche dieses Kegels geneigt ist, ergibt sich dabei aus dem Bordöffnungswinkel α abzüglich 90°. Es ist jedoch auch möglich, den Bordöffnungswinkel bei 90° anzusetzen wobei in diesem Falle der Kegel geometrisch in eine Ebene übergeht. Das Bezugszeichen b bezieht sich auf den radialen Abstand zwischen dem Endpunkt der Stirnfläche 11 und dem Berührpunkt 8.
Wie eingangs erwähnt, könnte umgekehrt auch der Randbereich 11b bzw. die Stirnfläche 11 geradlinig ausgeführt sein und anstelle dessen die Bordlauffläche 6a konvex in Richtung der Stirnfläche 11 gekrümmt sein. Auch wäre es möglich, dass entweder der Randbereich 11a oder die Bordlauffläche 6a konkav d. h. nach innen gekrümmt sind wobei diese konkave Krümmung dann durch eine entsprechende stärkere konvexe Krümmung d. h. einen geringeren Krümmungsradius der jeweils anderen Fläche kompensiert werden müsste.
Durch eine geeignete Wahl der Geometrien der Stirnfläche 11 und der Bordlauffläche 6a kann die etwa Hertzsche Kontaktfläche so gewählt werden, dass deren große Achse in Umfangsrichtung des Wälzkörpers liegt. Auf diese Weise wird eine besonders günstige Ausbeute des Materialabschnitts zwischen der Stirnfläche 11 und der Bordlauffläche 6a erreicht.
In den 1 und 2 ist die Ausführungsform eines Kegelrollenlagers gezeigt, die vorliegende Erfindung ist jedoch entsprechend auch auf andere Lagertypen, wie Zylinderrollenlager oder Pendelrollenlager anwendbar. Bei Zylinderrollenlagern würde der Zentralbereich 4 des Lagerrings im Wesentlichen parallel zu der Symmetrieachse L des Wälzkörpers verlaufen.
Sämtliche in den Anmeldungsunterlagen offenbarten Merkmale werden als erfindungswesentlich beansprucht, sofern sie einzeln oder in Kombination gegenüber dem Stand der Technik neu sind.

1: Wälzlager
2: Lagerring
3: Übergangsbereich
4: Zentralbereich des Lagerrings 2
4a: Laufbahn
5: Wälzkörper
6: seitlicher Bord
6a: Bordlauffläche
8: Berührpunkt
10: Kontaktlinie
11: Stirnfläche
11a: zentraler Abschnitt der Stirnfläche 11
11b: Randbereich der Stirnfläche 11
14: Torusmittelpunktslinie
19: Kreislinie
L: Symmetrieachse des Wälzkörpers
ρ_s, ρ_f: Krümmungsradius
a: Abstand zwischen Symmetrieachse des Wälzkörpers 5 und Torusmittelpunktslinie 14
h: Bordhöhe
b: radialer Abstand zwischen Berührpunkt 8 und Ende der Stirnfläche
Dw: Durchmesser des Wälzkörpers
μ: Winkel zwischen Symmetrieachse und Kontaktlinie 10
α: Bordöffnungswinkel

Claims

Wälzlager mit wenigstens einem Lagerring (2) und einer Vielzahl von Wälzkörpern (5), wobei der Lagerring (2) eine Laufbahn (4a) für die Wälzkörper (5) und wenigstens einen seitlichen Bord (6) zur axialen Führung der Wälzkörper (5) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Wälzkörper (5) eine dem Bord (6) zugewandte Stirnfläche (11) und der Bord (6) eine dem Wälzkörper (5) zugewandte Bordlauffläche (6a) aufweist und wenigstens die Stirnfläche (11) oder die Bordlauffläche (6a) wenigstens abschnittsweise in Richtung der Bordlauffläche (6a) oder der Stirnfläche (11) torusförmig konvex gekrümmt ist.
Wälzlager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Öffnungswinkel (α) zwischen der Laufbahn (4a) und der Bordlauffläche (6a) größer als 90° ist.
Wälzlager nach wenigstens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl die Stirnfläche (11) als auch die Bordlauffläche (6a) wenigstens abschnittsweise gekrümmt sind.
Wälzlager nach wenigstens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl die Stirnfläche (11) als auch die Bordlauffläche (6a) in Richtung der jeweils anderen Fläche konvex gekrümmt sind.
Wälzlager nach wenigstens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stirnfläche (11) des Wälzkörpers (5) wenigstens abschnittsweise auf einer Kreislinie (19) liegt.
Wälzlager nach Anspruch (6) dadurch gekennzeichnet, dass die Kreislinie einen geometrischen Mittelpunkt aufweist, der bezüglich der Symmetriesachse (L) des Wälzkörpers (5) bevorzugt in Richtung der Krümmung versetzt ist.
Wälzlager nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Wälzlager aus einer Gruppe von Wälzlagern ausgewählt ist, welche Zylinderrollenlager, Kegelrollenlager, Pendelrollenlager, Radiallager, Axiallager und dergleichen enthält.
Wälzlager nach wenigstens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Krümmungsradius wenigstens der Bordlauffläche (6a) oder der Stirnfläche dem Betrag nach wenigstens dreimal so groß ist wie der Durchmesser (Dw) des Wälzkörpers (5).
Wälzlager nach wenigstens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Krümmungen der Bordlauffläche (6a) und der Stirnfläche (11) so beschaffen sind, dass zwischen der Bordlauffläche (6a) und der Stirnfläche (11) im Wesentlichen nur ein Berührpunkt (8) auftritt.
Wälzlager nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Berührpunkt (8) in radialer Richtung des Wälzkörpers wenigstens genauso weit von der Symmetrieachse (L) des Wälzkörpers beabstandet ist wie der Mittelpunkt der Kreislinie (19).