DE102007001918A1

DE102007001918A1 - Wälzlagereinrichtung umfassend ein unter radialer Vorspannung betriebenes Wälzlager mit einem Außenring

Info

Publication number: DE102007001918A1
Application number: DE102007001918A
Authority: DE
Inventors: Gordana Dr. Michos
Original assignee: Schaeffler KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2007-01-12
Filing date: 2007-01-12
Publication date: 2008-07-17
Also published as: WO2008083651A1

Abstract

Wälzlagereinrichtung, umfassend ein unter radialer Vorspannung betriebenes Wälzlager mit einem Außenring, wobei eine Einrichtung (11) zum Ausgleich thermisch bedingter Änderungen der radialen Vorspannung, umfassend einen auf dem Außenring (4) des Wälzlagers (2) axial verschiebbaren, über ein Spannelement (18) axial vorgespannten, aufweitbaren Keilring (12), der mit seiner Keilfläche (14) auf einer weiteren ringförmigen Keilfläche (15) läuft, vorgesehen ist.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Wälzlagereinrichtung umfassend ein unter radialer Vorspannung betriebenes Wälzlager mit einem Außenring.
Hintergrund der Erfindung
Eine solche Wälzlagereinrichtung kommt beispielsweise dort zum Einsatz, wo eine Welle drehbar bezüglich eines Gehäuses zu lagern ist. Dabei kommt es häufig zu einer beachtlichen Temperaturdifferenz zwischen der Welle und dem im Betrieb häufig gekühlten Gehäuse, wobei sich dieser Temperaturgradient auch auf die Temperaturen des Innen- und des Außenrings auswirkt, zwischen denen also ebenfalls eine Temperaturdifferenz gegeben ist. Bei Wälzlagereinrichtungen der in Rede stehenden Art mit radialer Vorspannung des Wälzlagers führt diese Temperaturdifferenz zu einer Änderung der eingestellten Lagervorspannung, das heißt, die Lagervorspannung nimmt im Betrieb zu bzw. bei einer Abkühlung der Wälzlagereinheit wieder ab. Die Vorspannung der Wälzlager ist durch den Betriebszustand begrenzt.
Aus DE 1 813 409 A1 ist eine Einrichtung zur Aufrechterhaltung des axialen Lagerspiels bei Wälzlagereinrichtungen bekannt, umfassend zwei Keilringe aus unterschiedlichen Materialien, die verschiedene Ausdehnungskoeffizienten aufweisen, mithin also ein unterschiedliches Temperaturverhalten besitzen. Die beiden Keilringe sind im Bereich des Außenrings angeordnet. Über den unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten ergibt sich bei entsprechender Temperatur ein unterschiedliches Ausdehnungsverhalten, das aufgrund der Keilringanordnung in einer axialen Bewegung resultiert, woraus eine axiale Belastung des Außenrings ermöglicht wird. Hier können also lediglich axiale Lagerspiele variiert werden.
Zusammenfassung der Erfindung
Der Erfindung liegt damit das Problem zugrunde, eine Wälzlagereinrichtung anzugeben, die die Möglichkeit einer Kompensation thermisch bedingter Spannungsänderungen bei radial vorgespannten bzw. radial belasteten Lagern bietet.
Zur Lösung dieses Problem ist bei einer Wälzlagereinrichtung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß eine Einrichtung zum Ausgleich thermisch bedingter Änderungen der radialen Vorspannung umfassend einen auf dem Außenring des Wälzlagers axial verschiebbaren, über ein Spannelement axial vorgespannten, aufweitbaren Keilring, der mit seiner Keilfläche auf einer weiteren ringförmigen Keilfläche läuft, vorgesehen.
Bei der erfindungsgemäßen Wälzlagereinrichtung wird über den aufweitbaren Keilring eine Vorspannung auf den Außenring erzeugt, der seinerseits radial vorgespannt bezüglich des Innenrings angeordnet ist. Ergibt sich nun aufgrund einer Temperaturdifferenz zwischen dem wärmeren Innenring und dem kälteren Außenring eine Erhöhung der Lagervorspannung, bedingt durch die stärkere thermisch bedingte Aufweitung des Innenrings, so kann der Außenring, weil vom aufweitbaren Keilring übergriffen, sich seinerseits etwas weiten, was in einer entsprechenden Aufweitung des Keilrings resultiert. Das heißt, die vom Temperaturgradienten bedingte Erhöhung der Lagervorspannung wird in den Keilring abgeleitet, so dass sich insgesamt eine im Wesentlichen konstante Lagervorspannung auch bei Anliegen eines Temperaturgradienten ergibt, nachdem über den Keilring etwaige Spannungserhöhungen abgebaut werden können.
Um die Aufweitung des Keilrings zu ermöglichen, ist der Keilring wenigstens einmal axial geschlitzt, er ist also an mindestens einer Stelle in Umfangsrichtung unterbrochen. Denkbar wäre aber auch eine Ausführung eines Keilrings aus einem entsprechend weichen Material, das eine Aufweitung ermöglicht.
Hinsichtlich der Anordnung bzw. Ausbildung der weiteren ringförmigen Keilfläche sind unterschiedliche Ausgestaltungen denkbar. Nach einer ersten Erfindungsalternative kann die weitere Keilfläche an einem weiteren Keilring, der den ersten Keilring außenseitig umgreift, vorgesehen sein. Dieser weitere Keilring ist axial und radial lagefest, so dass der erste Keilring mit seiner Keilfläche an der Keilfläche des zweiten Keilrings entlang gleiten kann, wobei er sich axial relativ zum Außenring bewegt.
Eine Erfindungsalternative sieht vor, die weitere Keilfläche an einem an das Wälzlager anschließenden Gehäusebauteil vorzusehen. Dieses Gehäusebauteil kann beliebiger Natur sein, es kann ein echter Gehäuseabschnitt sein, es kann aber auch eine Hülse oder dergleichen sein.
In jedem Fall handelt es sich um ein Bauteil, an dem axial gesehen ein Keil mit einer entsprechenden Keilfläche vorspringt, oder an dem radial gesehen ein Keil zum Lager hin mit einer entsprechenden Keilfläche vorspringt.
Eine dritte Erfindungsalternative sieht vor, die Keilfläche unmittelbar an der Außenseite des Außenrings selbst vorzusehen, mithin also den Lagerring als Keilringführungsteil zu nutzen.
Wie eingangs beschrieben, ist der Keilring über ein Spannelement axial vorgespannt. Über dieses Spannelement wird ihm ein Widerstand entgegengesetzt, der beim Aufweiten zu überwinden ist, damit die axiale Bewegung des Keilrings möglich ist. Dieses Spannelement kann nach einer ersten Erfindungsausgestaltung als Federelement ausgeführt sein. Dabei kann es sich um eine Tellerfeder, eine oder mehrere Spiralfedern oder eine oder mehrere Blattfedern oder dergleichen handeln. Das Spannelement kann auch als eine Ringscheibe aus einem Material mit geringerer Steifigkeit als Stahl ausgeführt sein.
Alternativ zur Verwendung eines axial vorspannenden Federelements kann das Spannelement auch ein piezoelektrischer Aktor oder ein aus einer Formgedächtnislegierung bestehendes Spannelement oder ein hydraulischer oder pneumatischer Aktor sein. Unter Verwendung eines piezoelektrischen Aktors erfolgt die Verspannung des Keilrings durch elektrische Ansteuerung dieses piezoelektrischen Aktors, der spannungsbedingt seine Form ändert, worüber die Grundspannung aufgebaut werden kann. Denkbar ist aber auch der Einsatz eines aus einer Formgedächtnislegierung bestehenden Spannelements. Als Formgedächtnislegierung kann beispielsweise eine NiTi- oder eine CuZnAl-Legierung verwendet werden. Solche Legierungen zeichnen sich dadurch aus, dass sie eine Formwandlung ab Erreichen einer bestimmten Temperatur vornehmen, die aus einer Gefügeänderung resultiert. Es ist also denkbar, ein aus einem solchen Material bestehendes Spannelement zu verwenden, das bei der üblichen Betriebstemperatur eine bestimmte, die Spannung erzeugende Form automatisch einnimmt. Als weitere Ausgestaltung sind hydraulische oder pneumatische Aktoren denkbar, die ebenfalls eine entsprechende Ansteuerung bzw. Versorgung mit Hydraulikfluid oder einem Druckmedium, beispielsweise Luft, erfordern.
Schließlich ist der Außenring zweckmäßigerweise über eine Verdrehsicherung gesichert, so dass er sich bei einer Drehung der Welle, bei der der Innenring mitgenommen wird, nicht mitdreht.
Kurze Beschreibung der Erfindung
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung werden nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Figuren beschrieben. Die Figuren sind schematische Darstellungen und zeigen:
1 eine Prinzipdarstellung einer erfindungsgemäßen Wälzlagereinrichtung einer ersten Ausführungsform, teilweise im Schnitt,
2 eine Prinzipdarstellung einer erfindungsgemäßen Wälzlagereinrichtung einer zweiten Ausführungsform, teilweise im Schnitt, und
3 eine Prinzipdarstellung einer erfindungsgemäßen Wälzlagereinrichtung einer dritten Ausführungsform, teilweise im Schnitt.
Detaillierte Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt eine Prinzipdarstellung einer erfindungsgemäßen Wälzlagerein richtung 1 einer ersten Ausführungsform. Sie umfasst ein Wälzlager 2 umfassend einen Innenring 3 und einen Außenring 4, wobei der Innenring 3 an einer Welle 5 axial fest gegen einen Anschlagpunkt 6 liegend drehfest angeordnet ist. Der Außenring 4 wiederum ist über eine Verdrehsicherung 7 drehfest mit einem Gehäuse 8 verbunden, so dass bei einer Wellenrotation sich lediglich der Innenring 3 und die Wälzkörper 19 bewegen, nicht aber der Außenring 4. Der Außenring 4 seinerseits ist lagefest im Gehäuse angeordnet, das eine entsprechende Gehäusewand 9 und eine Abschlussscheibe 10 aufweist, in welcher auch die Verdrehsicherung 7 angeordnet ist, beispielsweise ein kleiner Passstift oder dergleichen.
Weiterhin vorgesehen ist eine Einrichtung 11, über die thermisch bedingte Spannungsänderungen in radialer Richtung ausgeglichen werden können. Diese Einrichtung 11 umfasst einen Keilring 12, der auf der Außenseite 13 des Außenrings 4 axial verschiebbar angeordnet ist. Der Keilring 12 ist wenigstens einmal axial geschlitzt, so dass er sich weiten kann. Mit seiner Keilfläche 14 läuft er auf der Keilfläche 15 eines zweiten Keilrings 16, der seinerseits im Gehäuse 8 an einem entsprechenden Ringbauteil 17 lagefest aufgenommen ist. Die beiden Keilflächen 14, 15 laufen also aufeinander. Der erste Keilring 12 ist des Weiteren über ein Spannelement 18, hier beispielsweise eine Tellerfeder, axial vorgespannt, hierüber wird er mit seiner Keilfläche 14 gegen die Keilfläche 15 gedrückt.
Über den Keilring 12 wird nun eine radiale Spannung auf den Außenring 4 gebracht. Stellt sich nun ein Temperaturgradient zwischen dem Innenring 3 und dem Außenring 4 ein, was im Betrieb beispielsweise bei Anwendung der Wälzlagereinrichtung 1 in einem Motor oder dergleichen durchaus der Fall sein kann, so dehnt sich der Innenring 3, da er warmer wird, etwas stärker aus als der kältere Außenring 4. Dies führt dazu, dass die Vorspannung zwischen Innenring 3 und Außenring 4, die in einem definierten, kalten Zustand beider Ringe eingestellt wurde, vergrößert wird, wobei diese Vorspannung, wäre der Außenring 4 unmittelbar radial im Gehäuse gelagert, vollständig vom Außenring 4 aufgenommen werden würde und sich über Gebühr erhöhen würde, so dass letztlich der Verschleiß deutlich zunimmt.
Im gezeigten Beispiel kann aber die Vorspannungserhöhung über die erfindungsgemäße Einrichtung 11 kompensiert bzw. abgebaut werden. Denn zum einen besteht radial gesehen um den Außenring 4 noch hinreichend Raum, in den sich der Außenring 4 ausdehnen kann. Die erhöhte Vorspannung wird nun von dem Keilring 12 aufgenommen und über diesen abgeleitet. Der sich infolge der Ausdehnung des Innenrings 3 belastungsbedingt ebenfalls etwas dehnende Außenring 4 dehnt nun seinerseits den ersten Keilring 12, der sich, da geschlitzt, etwas aufweitet. Diese radiale Vergrößerung führt dazu, dass die Keilfläche 14 auf der feststehenden Keilfläche 15, ausgehend vom Beispiel gemäß 1, nach rechts abgleitet, mithin also der Keilring 12 gegen das Spannelement 18, dieses komprimierend, gedrückt wird. Dabei ist die Federkraft so ausgelegt, dass bei einer temperaturbedingten Erhöhung der Vorspannung sowohl die Federkraft als auch die Reibkraft zwischen den Keilflächen 14, 15 und der Außenseite 13 überwunden wird und es zu der axialen Verschiebung des Keilrings 12 kommt. Diese Verschiebung ermöglicht damit die radiale Aufweitung des Lagerrings, wodurch eine Überbelastung durch die temperaturerhöhungsbedingte Vorspannungserhöhung des Wälzlagers vorteilhaft vermieden wird.
2 zeigt eine weitere Ausführung einer Wälzlagereinrichtung 1, die vom Aufbau her grundsätzlich der aus 1 entspricht. Während in 1 als Wälzkörper 19 Zylinderrollen gezeigt sind, handelt es sich bei dem Wälzlager 2 in 2 um ein Schrägrollenlager. Ersichtlich sind hier die Wälzkörper 19 als Schrägrollen ausgeführt, der Innenring 3 und der Außenring 4 weisen entsprechend ausgeführte Wälzkörperlaufbahnen auf. Infolge der Geometrieänderung des Außenrings 4 ist hier die Verdrehsicherung 7 auch auf der anderen Seite des Gehäuses 8 vorgesehen. Jedoch ist auch hier die erfindungsgemäße Einrichtung 11 zur Kompensation oder zum Abbau der Vorspannungserhöhung, resultierend aus einem Temperaturgradienten, umfas send den ersten Keilring 12 und den zweiten Keilring 16 mit ihren entsprechenden Keilflächen 14, 15 wie auch das Spannelement 18 vorgesehen. Auch hier kann also eine radiale Ausdehnung des Außenrings 4 erfolgen, nachdem dies unter Abbau der Vorspannungserhöhung über den sich axial entlang der Außenseite 13 des Außenrings 4 bewegenden ersten Keilrings 12 ermöglicht wird.
Eine weitere Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Wälzlagereinrichtung 1 zeigt 3. Das dortige Wälzlager 2 ist ein Kugellager, die Wälzkörper 19 sind also kugelförmig ausgeführt. Auch hier kommt eine Einrichtung 11 zum Abbau oder zur Kompensation temperaturbedingter Vorspannungsänderungen zum Einsatz, jedoch umfasst diese hier nur einen Keilring 12 mit seiner Keilfläche 14. Die zweite Keilfläche 15 ist hier an der Außenseite des Außenrings 4 ausgebildet. Ergibt sich hier also eine temperaturbedingte Dehnung des Außenrings 3, so gleitet auch hier der Keilring 12 über die Keilfläche 14, die auf der Keilfläche 15 läuft, nach rechts gegen die Rückstellkraft des Spannelements 18, das dabei komprimiert wird.
Anstelle des Spannelements 18 in Form einer Feder oder dergleichen ist es auch denkbar, den Keilring 12 beispielsweise pneumatisch oder hydraulisch zu belasten, mithin also über eine pneumatische oder hydraulische Regelung vorzuspannen. Auch die Verwendung eines piezoelektrischen Aktors zur Erzeugung der Keilringvorspannung oder eines Spannrings aus einer Formgedächtnislegierung ist denkbar.
Insgesamt lässt die erfindungsgemäße Wälzlagereinrichtung den Abbau von über einen Temperaturgradienten erzeugten Vorspannungsänderungen zu, nachdem hierüber ermöglicht wird, dass sich der Lageraußenring radial gesehen etwas aufweiten kann, während gleichzeitig über den Keilring eine hinreichende Vorspannung auf den Lageraußenring aufgebracht wird. Diese Anordnung ist aber nicht nur im Hinblick auf einen Abbau von Vorspannungsüberhöhungen zweckmäßig, sondern auch zur Vorbeugung etwaigen Schlupfes, da das Wälzlager, hier der Außenring, stets über den Keilring mit einer bestimmten Mindestkraft beaufschlagt wird. Über den Keilring wird also kontinuierlich eine Mindestvorspannung aufgebracht, gegebenenfalls zusätzlich zu der systemimmanenten Vorspannung.

1: Wälzlagereinrichtung
2: Wälzlager
3: Innenring
4: Außenring
5: Welle
6: Anschlagpunkt
7: Verdrehsicherung
8: Gehäuse
9: Gehäusewand
10: Abschlussscheibe
11: Einrichtung
12: Keilring
13: Außenseite
14: Keilfläche
15: Keilfläche
16: Keilring
17: Ringbauteil
18: Spannelement
19: Wälzkörper

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 1813409 A1 [0003]

Claims

Wälzlagereinrichtung umfassend ein unter radialer Vorspannung betriebenes Wälzlager mit einem Außenring, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (11) zum Ausgleich thermisch bedingter Änderungen der radialen Vorspannung umfassend einen auf dem Außenring (4) des Wälzlagers (2) axial veschiebbaren, über ein Spannelement (18) axial vorgespannten, aufweitbaren Keilring (12), der mit seiner Keilfläche (14) auf einer weiteren ringförmigen Keilfläche (15) läuft.
Wälzlagereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Keilring (12) wenigstens einmal axial geschlitzt ist.
Wälzlagereinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die weitere Keilfläche (15) an einem weiteren Keilring (16), der den ersten Keilring (12) außenseitig umgreift, vorgesehen ist.
Wälzlagereinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die weitere Keilfläche (15) an einem an das Wälzlager (2) anschließenden Gehäusebauteil vorgesehen ist.
Wälzlagereinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Keilfläche (15) an der Außenseite des Außenrings (4) selbst vorgesehen ist.
Wälzlagereinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Spannelement (18) ein Federelement oder eine Ringscheibe aus einem Material mit einer geringeren Steifigkeit als Stahl ist.
Wälzlagereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Spannelement (18) ein piezoelektrischer Aktor oder ein aus einer Formgedächtnislegierungen bestehendes Spannelement oder ein hydraulischer oder pneumatischer Aktor ist.
Wälzlagereinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Außenring (4) über eine Verdrehsicherung (7) gesichert ist.