DE102006060550A1

DE102006060550A1 - Lageranordnung für eine schnell drehende Elektromaschine

Info

Publication number: DE102006060550A1
Application number: DE102006060550A
Authority: DE
Inventors: Rainer Dipl.-Ing. Eidloth (FH); Peter Dipl.-Ing. Schaaf (FH)
Original assignee: Schaeffler KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2006-12-21
Filing date: 2006-12-21
Publication date: 2008-06-26
Also published as: WO2008077692A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Lageranordnung für eine schnell drehende Elektromaschine (2), umfassend je ein in Achsrichtung vor und hinter dem Läufer (8) der Elektromaschine angeordnetes Wälzlager. Erfindungsgemäß sind die Wälzlager vorzugsweise als Kugelrollenlager (10, 12, 36) ausgebildet, deren Wälzkörper (15, 46) gegenüber der Kugelform seitlich abgeflachte, zueinander parallele Stirnflächen aufweisen. Der durch den Wegfall der Kugelkappen (32, 34) gewonnene Raum kann zur Vergrößerung des Schmierfettdepots, zur Verstärkung der dem Lager zugeordneten, das Schmierfettdepot nach außen abdichtenden Dichtringe (42, 44), zur axialen Verkürzung des Lagers oder bei gleicher axialer Lagerbreite (b) zur Vergrößerung des Kugelrollendurchmessers verwendet werden.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Lageranordnung für eine schnell drehende Elektromaschine, umfassend je ein in Achsrichtung vor und hinter dem Läufer der Elektromaschine angeordnetes Wälzlager.
Hintergrund der Erfindung
Derartige Lageranordnungen werden beispielsweise für Elektromaschinen von Kraftfahrzeugen, also beispielsweise für Lichtmaschinen, Startermotoren, Startergeneratoren, Motoren für den Antrieb von Nebenaggregaten des Antriebsmotors usw. eingesetzt. Die Lager derartiger Elektromaschinen sind im Allgemeinen mit einer Dauerschmierung ausgestattet, wobei die Lager mit Schmierfett gefüllt und nach außen durch Lagerdichtungen abgedichtet sind. Eine Erneuerung des Schmierfett-Depots während der Auslegungslebensdauer der Lager ist nicht vorgesehen.
Die Anforderungen, die an derartige Lageranordnungen gestellt werden, sind ganz allgemein eine gute Abdichtung gegenüber einem Fettaustritt bzw. einem Eintritt von Schmutzpartikeln, Wasser und dergleichen, eine kompakte Bauweise und geringe Laufgeräusche. Die Lagerdichtungen sollen demnach einerseits den Austritt von Schmierfett verhindern, so dass das vorgesehene Schmierfettdepot für die gesamte Auslegungslebensdauer erhalten bleibt. Sie sollen andererseits aber auch einen Eintritt von Schmutzpartikeln oder dergleichen verhindern, die die Lebensdauer der Lageranordnung ebenfalls beeinträchtigen könnten.
Die Leistung von Elektromaschinen steigt mit zunehmender Drehzahl an. Um bei vorgegebener Leistung eine möglichst kompakte Bauweise zu erzielen, drehen diese im Allgemeinen mit sehr hohen Drehzahlen. Die Drehzahl moderner Generatoren liegt beispielsweise bei 20000 U/min. Dabei werden Temperaturen von 150°C erreicht. Um trotz der hohen Drehzahlen geringe Laufgeräusche zu gewährleisten, werden Präzisionslager mit optimierten Käfigen und mit für die oben genannten Anwendungsfälle optimierten Werkstoffen sowie Wärmebehandlungsverfahren genutzt, die eine geringe Rauhigkeit der Laufbahnen und der Wälzkörper gewährleisten.
Die DE 197 37 045 A1 zeigt eine Lageranordnung für einen Elektromotor, einen Generator oder eine Lichtmaschine für ein Kraftfahrzeug. Die beiden vor und hinter dem Läufer angeordneten Lager sind als Kugellager mit vollkugeligen Wälzkörpern ausgebildet. Um im Sinne einer kompakten Bauweise die axiale Breite der Lager gering zu halten, werden in den vorhandenen Bauraum üblicherweise sehr schmale Dichtungen eingebaut, die den hohen Ansprüchen über eine längere Lebensdauer kaum gerecht werden. Durch den von den kugelförmigen Wälzkörpern eingenommenen Raum zwischen dem inneren und dem äußeren Lagerring sowie den axialen Dichtungen ist das Schmierfettvolumen im Kugellager beschränkt, so dass auch dadurch die vom Schmierfettvolumen unmittelbar abhängige Lebensdauer eingeschränkt ist.
Aufgabe der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Lageranordnung der im Ober begriff des Anspruchs 1 genannten Art zu schaffen, die im Vergleich zu der bekannten Lageranordnung eine höhere Lebensdauer gewährleistet und eine kompaktere Bauweise der Elektromaschine ermöglicht.
Zusammenfassung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die nicht tragenden Bereiche der kugelförmigen Wälzlager zur Funktion des Lagers nichts beitragen, sondern vielmehr nur das Volumen zur Aufnahme des Schmierfettdepots verringern und die axialen Abmessungen des Lagers vergrößern.
Die Erfindung geht daher aus von einer Lageranordnung für eine schnell drehende Elektromaschine, umfassend je ein in Achsrichtung vor und hinter dem Läufer der Elektromaschine angeordnetes Wälzlager. Dabei ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass zumindest eines der Wälzlager als Kugelrollenlager ausgebildet ist, dessen Wälzkörper gegenüber der Kugelform seitlich, also in den nicht tragenden Bereichen, abgeflachte und zueinander parallele Stirnflächen aufweisen.
Durch diese Ausgestaltung bleiben die tragenden Bereiche der Wälzkörper und damit die Funktion des Lagers in vollem Umfang erhalten. Der durch den Wegfall der seitlichen Kugelkappen gewonnene Raum kann in unterschiedlicher Weise vorteilhaft genutzt werden, wie weiter unten im Einzelnen beschrieben wird. Um diese Vorteile zu erreichen, ist zumindest eines der Wälzlager als Kugelrollenlager ausgebildet. Falls die konstruktiven Vorgaben dies erlauben, sind jedoch gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung beide Wälzlager als Kugelrollenlager ausgebildet, womit sich der Gesamtvorteil erhöht.
Da bei Elektromaschinen für Kraftfahrzeuge im Allgemeinen keine oder nur geringe Axialkräfte auf die Lager wirken, sind diese jeweils als Kugelrollenlager mit zur Läuferachse parallelen Kugelrollenachsen ausgebildet. Diese Kugelrollenlager sind vorwiegend für die Aufnahme von Radiallasten ausgelegt, können jedoch auch die bei Elektromaschinen in bestimmten Anwendungsfällen zu erwartenden geringen Axiallasten aufnehmen.
Wie bereits weiter vorne angedeutet wurde, kann der durch den Wegfall der seitlichen Kugelkappen der Wälzkörper gewonnene Raum zwischen dem äußeren und dem inneren Lagerring in unterschiedlicher Weise genutzt werden. Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass dieser Raum zur Vergrößerung des Volumens für die Aufnahme eines Schmierfettdepots genutzt wird. Die Vergrößerung des Volumens entspricht im Wesentlichen dem Volumen der weggefallenen Kugelkappen.
Eine andere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der durch den Wegfall der seitlichen Kugelkappen der Wälzkörper gewonnene Raum zwischen dem äußeren und dem inneren Lagerring zur axialen Vergrößerung von diesen Raum axial abschließenden Dichtringen genutzt wird. Da die bei herkömmlichen bei Kugellagern verbaubaren Dichtringe üblicherweise sehr schmal sind, sind sie gelegentlich den hohen Ansprüchen an die Dichthaltung der Lager kaum gewachsen. Der gewonnene Raum ermöglicht es, die Dichtringe stärker auszubilden und ihre Dichtwirkung dauerhaft zu verbessern.
Die Erfindung bietet auch die Möglichkeit, den durch den Wegfall der seitlichen Kugelkappen der Wälzkörper gewonnenen Raum zur axialen Verkürzung des Kugellagers zu nutzen. Die mögliche Verkürzung des Lagers entspricht im Wesentlichen der zweifachen Höhe der weggefallenen Kugelkappen.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung wird auch darin gesehen, dass der durch den Wegfall seitlicher Kugelkappen der Wälzkörper gewonnene Raum bei gleich bleibender axialer Abmessung des Lagers zur Vergrößerung des Kugelrollendurchmessers und damit zur Verbesserung der Tragzahl des Lagers genutzt werden kann.
Selbstverständlich besteht auch die Möglichkeit, die vorne beschriebenen Merkmale miteinander zu kombinieren, indem beispielsweise der durch den Wegfall der Kugelkappen gewonnene Raum teilweise zur Verkürzung des Lagers und teilweise zur Vergrößerung des Schmierfettdepots genutzt wird.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Darin zeigen:
1 in einem Längsschnitt eine Elektromaschine mit einem in Achsrichtung vor und hinter dem Läufer angeordneten Lager, und
2 einen Ausschnitt einer Lageranordnung etwa gemäß 1 mit unterschiedlichen Wälzkörpern.
Detaillierte Beschreibung der Zeichnungen
Die in 1 gezeigte Elektromaschine 2, beispielsweise ein Generator oder ein Elektromotor eines Kraftfahrzeuges, umfasst eine über eine Riemenscheibe 4 drehangetriebene Welle 6, auf der ein Läufer 8 drehfest angeordnet ist. Die Welle 6 ist über ein in Richtung der Läuferachse 18 vor dem Läufer 8 angeordnetes erstes, größeres Kugelrollenlager 10 und ein hinter dem Läufer 8 angeordnetes zweites, kleineres Kugelrollenlager 12 drehbar in einem Gehäuse 14 gelagert. Die beiden Kugelrollenlager 10, 12 weisen jeweils einen drehfest im Gehäuse 14 befestigten äußeren Lagerring 11 und einen mit der drehbaren Welle 6 fest verbundenen inneren Lagerring 13 auf, zwischen denen in jeweils einem Käfig 17 gehaltene Kugelrollen 11 angeordnet sind. In dem Gehäuse 14 ist zudem ein mit dem Läufer 8 zusammenwirkender Stator 16 angeordnet und dort befestigt.
1 zeigt ein Beispiel dafür, dass der durch den Wegfall der seitlichen Kugelkappen der Wälzkörper 15 gewonnene Raum zwischen dem äußeren Lagerring 11 und dem inneren Lagerring 13 zur Vergrößerung des Volumens für die Aufnahme eins Schmierfettdepots genutzt wird, wobei die axialen Abmessungen des Lagers 10, 12 gegenüber einem Lager mit vollkugeligen Wälzkörpern unverändert sind.
Stattdessen besteht auch die Möglichkeit, die axiale Breite des Lagers 10, 12 um den Betrag der zweifachen Höhe der weggefallenen Kugelkappen axial zu kürzen, wie nicht näher dargestellt zu werden braucht. Eine andere Möglichkeit ist es, Kugelrollen mit einer dem Durchmesser der konventionell kugeligen Wälzkörper entsprechenden axialen Breite zu verwenden, die dann einen entsprechend größeren Kugelrollendurchmesser und damit eine verbesserte Tragzahl haben.
2 zeigt einen Vergleich zwischen einem herkömmlichen Kugellager und einem Kugelrollenlager gleicher axialer Lagerbreite b. Das im unteren Teil der 2 dargestellte Lager 20 ist mit vollkugelig ausgebildeten Wälzkörpern 22 ausgestattet. Wie zu erkennen ist, ist der zwischen den Lagerringen 24 und 26 befindliche, durch die Dichtungen 28 und 30 axial abgedichtete Raum und damit das Volumen des darin unterbringbaren Schmierfettdepots relativ klein, so dass sich eine entsprechend geringe Auslegungslebensdauer dieses Lagers ergibt.
Lässt man die in der 2, unten schraffiert dargestellten Kugelkappen 32 und 34 wegfallen, so ergibt sich das in 2 oben dargestellte Kugelrollenlager 36, dessen zwischen den Lagerringen 38 und 40 befindlicher, durch die Dichtringe 42 und 44 nach außen abgedichteter Raum erheblich größer ist, so dass dieser ein entsprechend größeres Schmierfettdepot aufnehmen kann. Wie bereits weiter vorne beschrieben wurde, kann der durch den Wegfall der Kugelkappen 32, 34 gewonnene Raum auch zur Verstärkung der Dichtringe 42 und 44, zur axialen Verkürzung des Lagers oder zur Vergrößerung des Durchmessers der Kugelrollen 46 und damit zur Verbesserung der Tragzahl genutzt werden.

2: Elektromaschine
4: Riemenscheibe
6: Welle
8: Läufer
10: Kugelrollenlager
11: Lagerring
12: Kugelrollenlager
13: Lagerring
14: Gehäuse
15: Kugelrolle
16: Stator
17: Käfig
18: Läuferachse
20: Unteres Lager
22: Wälzkörper
24: Lagerring
26: Lagerring
28: Dichtung
30: Dichtung
32: Kugelkappe
34: Kugelkappe
36: Kugelrollenlager
38: Lagerring
40: Lagerring
42: Dichtring
44: Dichtring
46: Kugelrolle
b: Lagerbreite

Claims

Lageranordnung für eine schnell drehende Elektromaschine (2), umfassend je ein in Achsrichtung vor und hinter dem Läufer (8) der Elektromaschine angeordnetes Wälzlager (10, 12, 36), dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eines der Wälzlager als Kugelrollenlager (10, 12, 36) ausgebildet ist, dessen Wälzkörper (15, 46) gegenüber der Kugelform seitlich abgeflachte, zueinander parallele Stirnflächen aufweisen.
Lageranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass beide Wälzlager als Kugelrollenlager (10, 12, 36) ausgebildet sind.
Lageranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass jedes der Kugelrollenlager (10, 12, 36) als Kugelrollenlager mit zur Läuferachse (18) parallelen Kugelrollenachsen ausgebildet ist.
Lageranordnung nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der durch den Wegfall der seitlichen Kugelkappen (32, 34) der konventionellen Wälzkörper (22) gewonnene Raum zwischen dem äußeren und dem inneren Lagerring (24, 26; 38, 40) ein vergrößertes Volumen zur Aufnahme eines Schmierfettdepots bildet.
Lageranordnung nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der durch den Wegfall der seitlichen Kugelkappen (32, 34) der konventionellen Wälzkörper (22) gewonnene Raum zwischen dem äußeren und dem inneren Lagerring (24, 26; 38, 40) zur Aufnahme von diesen Raum abschließenden, axial vergrößerten Dichtringen (42, 44) nutzbar ist.
Lageranordnung nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der durch den Wegfall der seitlichen Kugelkappen (32, 34) der konventionellen Wälzkörper (22) gewonnene Raum zwischen dem äußeren und dem inneren Lagerring (24, 26; 38, 40) zur axialen Verkürzung des Kugellagers (10, 12, 36) nutzbar ist.
Lageranordnung nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der durch den Wegfall der seitlichen Kugelkappen (32, 34) der konventionellen Wälzkörper (22) gewonnene Raum zwischen dem äußeren und dem inneren Lagerring (24, 26; 38, 40) zur Vergrößerung des Kugelrollendurchmessers nutzbar ist.