DE102007005007B4

DE102007005007B4 - Schrägkugellager

Info

Publication number: DE102007005007B4
Application number: DE102007005007.2A
Authority: DE
Inventors: Rainer Spies
Original assignee: SKF AB
Current assignee: SKF AB
Priority date: 2007-02-01
Filing date: 2007-02-01
Publication date: 2015-12-03
Anticipated expiration: 2027-02-02
Also published as: DE102007005007A1

Abstract

Schrägkugellager (1) mit einem Innenring (2) und einem Außenring (3), wobei zwischen den Ringen (2, 3) Kugeln (4) angeordnet sind und wobei der Innenring (2) eine Innenlaufbahn (5) und der Außenring (3) eine Außenlaufbahn (6) für die Kugeln (4) aufweisen, wobei die Außenlaufbahn (6) so gestaltet ist, dass in einem ersten Betriebsbereich mit einer ersten Lagerdrehzahl und einem ersten außenlaufbahnbezogenen Betriebsdruckwinkel (α_A1) eine erste Schmiegung zwischen den Kugeln (4) und der Außenlaufbahn (6) gegeben ist und dass in einem zweiten Betriebsbereich mit einer gegenüber der ersten Lagerdrehzahl höheren Lagerdrehzahl und einem zweiten außenlaufbahnbezogenen Betriebsdruckwinkel (α_A2) eine zweite Schmiegung zwischen den Kugeln (4) und der Außenlaufbahn (6) gegeben ist, die offener ist als die erste Schmiegung, und wobei die Innenlaufbahn (6) so gestaltet ist, dass in dem ersten Betriebsbereich und einem ersten innenlaufbahnbezogenen Betriebsdruckwinkel (α_I1) eine dritte Schmiegung zwischen den Kugeln (4) und der Innenlaufbahn (6) gegeben ist und dass in dem zweiten Betriebsbereich und einem zweiten innenlaufbahnbezogenen Betriebsdruckwinkel (α_I2) eine vierte Schmiegung zwischen den Kugeln (4) und der Innenlaufbahn (6) gegeben ist, die offener ist als die dritte Schmiegung, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenlaufbahn (6) und/oder die Innenlaufbahn (5) im Radialschnitt die Form einer Kreisevolvente aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Schrägkugellager mit einem Innenring und einem Außenring, wobei zwischen den Ringen Kugeln angeordnet sind und wobei der Innenring eine Innenlaufbahn und der Außenring eine Außenlaufbahn für die Kugeln aufweisen, wobei die Außenlaufbahn so gestaltet ist, dass in einem ersten Betriebsbereich mit einer ersten Lagerdrehzahl und einem ersten außenlaufbahnbezogenen Betriebsdruckwinkel eine erste Schmiegung zwischen den Kugeln und der Außenlaufbahn gegeben ist und dass in einem zweiten Betriebsbereich mit einer gegenüber der ersten Lagerdrehzahl höheren Lagerdrehzahl und einem zweiten außenlaufbahnbezogenen Betriebsdruckwinkel eine zweite Schmiegung zwischen den Kugeln und der Außenlaufbahn gegeben ist, die offener ist als die erste Schmiegung und wobei die Innenlaufbahn so gestaltet ist, dass in dem ersten Betriebsbereich und einem ersten innenlaufbahnbezogenen Betriebsdruckwinkel eine dritte Schmiegung zwischen den Kugeln und der Innenlaufbahn gegeben ist und dass in dem zweiten Betriebsbereich und einem zweiten innenlaufbahnbezogenen Betriebsdruckwinkel eine vierte Schmiegung zwischen den Kugeln und der Innenlaufbahn gegeben ist, die offener ist als die dritte Schmiegung.
Schrägkugellager dieser Art sind im Stand der Technik hinlänglich bekannt. Die DE 436 284 A zeigt ein solches Lager, wobei die Laufbahnen im Radialschnitt eine Spiralform aufweisen.
Bei Genauigkeitslagern unterscheidet man grundsätzlich zwischen Standard-Genauigkeitslagern und Hochgeschwindigkeits-Genauigkeitslagern. Bei Standard-Genauigkeitslagern strebt man eine hohe Tragzahl und ein moderates Drehzahlvermögen an. Indes wird bei Hochgeschwindigkeits-Genauigkeitslagern bei moderater Tragzahl ein hohes Drehzahlvermögen benötigt.
Bei den Standard-Genauigkeitslagern werden zur Erzielung der genannten Eigenschaften relativ enge Schmiegungsverhältnisse angestrebt, bei den Hochgeschwindigkeits-Lagern liegt jedoch eine relativ offene Schmiegung in den Kontakten vor. Hintergrund dieser Auslegung ist, dass eine enge Schmiegung eine relativ große Kontaktfläche und somit eine relativ große Reibung bedeutet. Eine relativ offene Schmiegung bedeutet indes eine kleine Kontaktfläche und somit eine geringere Reibung. Die Reibung geht mit einer geringeren Lagertemperatur einher und somit mit einem höheren Drehzahlvermögen. Der Nachteil ist natürlich eine geringere Tragzahl und eine geringere Steifigkeit.
In 1 ist ein gattungsgemäßes Lager dargestellt. Zwischen einem Innenring 2 und einem Außenring 3 des Schrägkugellagers 1 sind Kugeln 4 angeordnet. Die beiden Ringe 2, 3 haben jeweils eine Laufbahn 5 bzw. 6 zum Anlauf der Kugeln. Bei spannungsfreier Anlage der Kugeln 4 an der Innenringlaufbahn 5 des Innenrings 2 bzw. der Kugeln 4 an der Außenringlaufbahn 6 des Außenrings 3 ergibt sich der sogenannte Nominaldruckwinkel α₀.
Die Kugeln 4 haben einen Durchmesser D. Die hier im Radialschnitt als Kreisbogen ausgebildete Laufbahn 5 bzw. 6 des Innenrings 2 bzw. des Außenrings 3 weist einen größeren Durchmesser auf. Zu erkennen sind die beiden Radien r_o der Außenlaufbahn 6 bzw. r_i der Innenlaufbahn 5. Auf der Linie, die den Nominaldruckwinkel α₀ kennzeichnet, liegen die beiden Mittelpunkte M_o und M_i um einen Abstand A auseinander.
Dadurch ergibt sich eine gewisse Schmiegung zwischen den Laufbahnen 5, 6 und den Kugeln 4.
Als Schmiegung wird nachfolgend folgende Definition verwendet: κ = (2r/D – 1)·100 [%] mit:

κ:: Schmiegung
r:: Laufbahnradius
D:: Kugeldurchmesser

Eine enge Schmiegung liegt demnach vor, wenn der Zahlenwert für κ klein ist; bei einer offenen bzw. weiten Schmiegung ist der Zahlenwert für κ entsprechend größer.
Aufgrund der Ausbildung des Laufbahnprofils durch Kreisbögen ist die Schmiegung zwischen den Laufbahnen und den Kugeln stets konstant.
Bei Drehzahlveränderung ergibt sich folgende bekannte kinematische Situation: Nach dem Einbau des Lagers stellt sich ein Betriebsdruckwinkel ein, der im Bereich des Nominaldruckwinkels liegt. Mit zunehmender Lagerdrehzahl wird der Druckwinkel im äußeren Kontakt kleiner (die Kugeln werden durch die Zentrifugalkräfte nach außen gezogen), hingegen nimmt der Druckwinkel an der inneren Kontaktstelle zu (gleichermaßen durch die radial nach außen strebenden Kugeln).
Aus der DE 26 45 287 A1 ist es bekannt, die Laufbahnen für die Kugeln nicht kreisbogenförmig zu gestalten, sondern hierfür einen Abschnitt einer Ellipse einzusetzen. Dabei wird angestrebt, dass bei niedrigen Lagerdrehzahlen die Schmiegung zwischen den Kugeln und der Außenringlaufbahn weit und diejenige zwischen den Kugeln und der Innenringlaufbahn eng ist. Indes wird angestrebt, dass bei Drehzahlerhöhung die Schmiegung zwischen den Kugeln und der Innenringlaufbahn weit wird und diejenige zwischen den Kugeln und der Außenringlaufbahn eng.
Ähnliche Lösungen sind aus der DE 10 2005 029 984 A1 , aus der EP 1 715 203 A1 und aus der US 1 587 184 A bekannt.
Bei anderen vorbekannten Lösungen werden Schrägkugellager auf bestimmte Drehzahlbereiche hin optimiert. Manche Hersteller bieten bis zu vier Lagertypen für vier verschiedene Drehzahlbereich an.
Es hat sich gezeigt, dass das Laufverhalten der vorbekannten Schrägkugellager noch nicht voll befriedigend ist.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, ein Schrägkugellager der eingangs genannten Art so fortzubilden, dass das Laufverhalten weiter verbessert wird. Dabei wird angestrebt, dass das Lager bei niedrigen Drehzahlen eine hohe Tragzahl und eine hohe Steifigkeit aufweist. Bei hohen Drehzahlen soll jedoch ein reibungsarmer Betrieb ermöglicht werden.
Die Lösung dieser Aufgabe durch die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Außenlaufbahn und/oder die Innenlaufbahn der Lagerringe im Radialschnitt die Form einer Kreisevolvente aufweist.
Wie noch zu sehen sein wird, kann dabei sowohl bei hohen Drehzahlen des Lagers als auch bei niedrigen Drehzahlen ein jeweils optimales Betriebsverhalten erzielt werden.
Bevorzugt wird der erste außenlaufbahnbezogene Betriebsdruckwinkel größer sein als der zweiten außenlaufbahnbezogenen Betriebsdruckwinkel. Weiterhin kann vorgesehen sein, dass der erste innenlaufbahnbezogene Betriebsdruckwinkel kleiner ist als der zweiten innenlaufbahnbezogene Betriebsdruckwinkel.
Die oben genannte erste und dritte Schmiegung sind bevorzugt gleich groß. Auch die zweite und die vierte Schmiegung können gleich groß sein.
Mit der vorgeschlagenen Lösung ist es möglich, Schrägkugellager zu konstruieren, die für einen großen Drehzahlbereich geeignet sind und stets optimale Betriebsbedingungen haben. Es kann somit relativ problemlos ein Schrägkugellager geschaffen werden, das im hohen Drehzahlbereich eine geringere Reibung aufweist, im niedrigen Drehzahlbereich sich indes durch eine hohe Tragzahl und eine hohe Steifigkeit auszeichnet.
Der Erfindungsvorschlag eignet sich besonders für Spindellager für einen sehr großen Drehzahlbereich, wobei im unteren Drehzahlbereich eine hohe Tragzahl und eine hohe Steifigkeit durch eine enge Schmiegung im Wälzkontakt vorliegt. Im hohen und höchsten Drehzahlbereich liegt eine geringe Reibung aufgrund einer offenen bzw. weiten Schmiegung in den Wälzkontakten vor.
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Es zeigen:
1 den Radialschnitt durch ein Schrägkugellager gemäß dem Stand der Technik und
2 den Radialschnitt durch ein Schrägkugellager gemäß der Erfindung.
In 2 ist ein Schrägkugellager 1 dargestellt, das von seiner prinzipiellen Bauform her dem vorbekannten Lager gemäß 1 entspricht. Zwischen den Lagerinnenring 2 und Lageraußenring 3 befinden sich Kugeln 4 die an entsprechenden Laufbahnen 5 und 6 im Innenring 2 bzw. im Außenring 3 anlaufen.
Wesentlich ist, dass die Außenlaufbahn 6 so gestaltet ist, dass in einem ersten Betriebsbereich mit einer ersten Lagerdrehzahl – nämlich bei niedriger Lagerdrehzahl – und einem hierbei vorliegenden ersten außenlaufbahnbezogenen Betriebsdruckwinkel α_A1 eine erste – enge – Schmiegung zwischen den Kugeln 4 und der Außenlaufbahn 6 gegeben ist.
In einem zweiten Betriebsbereich mit einer gegenüber der ersten Lagerdrehzahl höheren Lagerdrehzahl und bei einem hierbei vorliegenden zweiten außenlaufbahnbezogenen Betriebsdruckwinkel α_A2 liegt eine zweite – offene bzw. weite – Schmiegung zwischen den Kugeln 4 und der Außenlaufbahn 6 vor, wobei die zweite Schmiegung geringer ist als die erste Schmiegung.
Entsprechend liegen auch am Innenring entsprechende Verhältnisse vor: Die Innenlaufbahn 6 ist so gestaltet, dass in dem ersten Betriebsbereich (also bei niedriger Drehzahl) und einem ersten innenlaufbahnbezogenen Betriebsdruckwinkel α_I1 eine dritte Schmiegung zwischen den Kugeln 4 und der Innenlaufbahn 6 gegeben ist, wobei in dem zweiten Betriebsbereich (also bei hoher Drehzahl) und einem zweiten innenlaufbahnbezogenen Betriebsdruckwinkel α_I2 eine vierte Schmiegung zwischen den Kugeln 4 und der Innenlaufbahn 6 gegeben ist, die geringer ist als die dritte Schmiegung.
Sehr vorteilhaft ist es dabei, wenn – wie im Ausführungsbeispiel – die Radialschnitte der Laufbahnen gemäß dem Verlauf einer Evolvente ausgebildet sind.
Dabei ist vorliegend zumindest bevorzugt eine Kreisevolvente vorgesehen, wie sie in 2 illustriert ist. Die Evoluten der beiden Evolventen der Außenring- und der Innenringlaufbahn sind die in 2 dargestellten Kreise 7 und 8. Als Abwicklung – dargestellt für zwei Punkte P_A und P_I – der Evoluten-Tangente 9, 10 an die Evolute 7, 8 ergibt sich der Verlauf der Evolvente, also der Verlauf der Laufbahn 5, 6. Die Evoluten, d. h. die Kreise 7, 8 liegen – wie 2 zu entnehmen ist – tangential an dem Strahl an, der den Nominaldruckwinkel α₀ markiert. Die Berührpunkte zwischen Evlolute 7, 8 und Strahl liegen um den Abstand A auseinander.
Mit der vorgeschlagenen Ausgestaltung werden die jeweiligen Vorteile von Standard- und Hochgeschwindigkeits-Schrägkugellagern vereinigt. Im Außenkontakt bedeutet dies, dass mit kleiner werdendem Kontaktwinkel α die Schmiegung offener, d. h. der Außenlaufbahnradius größer wird. Am inneren Kugelkontakt wird mit größer werdendem Kontaktwinkel α die Schmiegung ebenfalls offener (weiter).
Alternativ zur gezeigten und bevorzugten Evolvente sind auch Kurvenformen gemäß einer Spirale, einer Ellipse, einer Parabel oder einer sonstigen Kurve denkbar.
Bei niedrigen Drehzahlen ergibt sich vorliegend also eine "enge" Schmiegung, die sich beim Übergang zu hohen Drehzahlen zu "weit" ändert. Die Schmiegungen – definiert als Verhältnis des Laufbahndurchmessers zum Kugeldurchmesser – liegt typischerweise im engen Bereich zwischen 2 % und 6 %, vorzugsweise bei ca. 4 %, im weiten Schmiegungsbereich sind Werte für die Schmiegung zwischen 6 % und 14 % typisch.
Bei enger Schmiegung ergibt sich eine große Tragzahl, eine hohe Steifigkeit und eine hohe Reibung; entsprechend umgekehrt ist die Tragzahl bei weiter Schmiegung klein, genauso die Steifigkeit und die Reibung.
Die für einen ordnungsgemäßen Betrieb benötigte Scheitelradialluft wird bei Spindellagern auch als ein Maß für die Drehzahlreserve angesehen. Eine hohe Scheitelradialluft wird begünstigt durch einen großen Kugeldurchmesser, einen großen Druckwinkel und ein offenes Schmiegungsverhältnis.
Für ein optimiertes Schrägkugellager für einen großen Drehzahlbereich bei hoher Genauigkeit ergibt sich daher ein Lager, das bei einem Betriebsdruckwinkel (bei niedriger Drehzahl) bei enger Schmiegung sowohl am Innenring als auch am Außenring einen Schmiegungswert von ca. 4 % aufweist, während die Schmiegung bei hohen Drehzahlen am Innenring in dem Bereich zwischen 10 % und 14 % Schmiegung zu liegen kommt bzw. am Außenring im Bereich zwischen 6 % und 8 % Schmiegung. Am Innenring wird die Schmiegung in Richtung Laufbahnschulter offener (weiter), am Außenring wird die Schmiegung in Richtung des Laufbahngrundes offener (weiter). Die Schmiegung vom Nominaldruckwinkel hin zum Laufbahngrund wird am Außenring also offener (weiter).
Die Betriebsdruckwinkel bei hohen Drehzahlen liegen (als theoretisch festzulegendere Grenzdruckwinkel) am Außenring bevorzugt zwischen 6° und 8°, am Innenring bei 28°.
Bezugszeichenliste

1: Schrägkugellager
2: Innenring
3: Außenring
4: Kugeln
5: Innenlaufbahn
6: Außenlaufbahn
7: Kreis (Evolute)
8: Kreis (Evolute)
9: Evoluten-Tangente
10: Evoluten-Tangente
α₀: Nominaldruckwinkel
α_A1: erster außenlaufbahnbezogener Betriebsdruckwinkel
α_A2: zweiter außenlaufbahnbezogener Betriebsdruckwinkel
α_I1: erster innenlaufbahnbezogener Betriebsdruckwinkel
α_I2: zweiter innenlaufbahnbezogener Betriebsdruckwinkel
D: Kugeldurchmesser
r_o: Radius der Außenlaufbahn
r_i: Radius der Innenlaufbahn
A: Abstand
M_O: Mittelpunkt
M_i: Mittelpunkt
P_A: Punkt
P_I: Punkt

Claims

Schrägkugellager (1) mit einem Innenring (2) und einem Außenring (3), wobei zwischen den Ringen (2, 3) Kugeln (4) angeordnet sind und wobei der Innenring (2) eine Innenlaufbahn (5) und der Außenring (3) eine Außenlaufbahn (6) für die Kugeln (4) aufweisen, wobei die Außenlaufbahn (6) so gestaltet ist, dass in einem ersten Betriebsbereich mit einer ersten Lagerdrehzahl und einem ersten außenlaufbahnbezogenen Betriebsdruckwinkel (α_A1) eine erste Schmiegung zwischen den Kugeln (4) und der Außenlaufbahn (6) gegeben ist und dass in einem zweiten Betriebsbereich mit einer gegenüber der ersten Lagerdrehzahl höheren Lagerdrehzahl und einem zweiten außenlaufbahnbezogenen Betriebsdruckwinkel (α_A2) eine zweite Schmiegung zwischen den Kugeln (4) und der Außenlaufbahn (6) gegeben ist, die offener ist als die erste Schmiegung, und wobei die Innenlaufbahn (6) so gestaltet ist, dass in dem ersten Betriebsbereich und einem ersten innenlaufbahnbezogenen Betriebsdruckwinkel (α_I1) eine dritte Schmiegung zwischen den Kugeln (4) und der Innenlaufbahn (6) gegeben ist und dass in dem zweiten Betriebsbereich und einem zweiten innenlaufbahnbezogenen Betriebsdruckwinkel (α_I2) eine vierte Schmiegung zwischen den Kugeln (4) und der Innenlaufbahn (6) gegeben ist, die offener ist als die dritte Schmiegung, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenlaufbahn (6) und/oder die Innenlaufbahn (5) im Radialschnitt die Form einer Kreisevolvente aufweist.
Schrägkugellager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste außenlaufbahnbezogene Betriebsdruckwinkel (α_A1) größer ist als der zweiten außenlaufbahnbezogenen Betriebsdruckwinkel (α_A2).
Schrägkugellager nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste innenlaufbahnbezogene Betriebsdruckwinkel (α_I1) kleiner ist als der zweiten innenlaufbahnbezogene Betriebsdruckwinkel (α_I2).
Schrägkugellager nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und die dritte Schmiegung gleich groß sind.
Schrägkugellager nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite und die vierte Schmiegung gleich groß sind.