DE102007028953A1 - Radialwälzlager, insbesondere einreihiges Kugelrollenlager - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein als einreihiges Kugelrollenlager ausgebildetes Radialwälzlager (1), welches im Wesentlichen aus einem äußeren Lagerring (2) und einem inneren Lagerring (3) sowie aus einer Vielzahl zwischen diesen Lagerringen (2, 3) angeordneter, durch einen Lagerkäfig (4) in Umfangsrichtung in gleichmäßigen Abständen zueinander gehaltener Kugelrollen (5) besteht, die axialseitig jeweils zwei parallel zueinander angeordnete, abgeflachte Stirnflächen (6, 7) aufweisen und mit ihren Laufflächen (8) in zwei in die Innenseite (9) des äußeren Lagerrings (2) und in die Außenseite (10) des inneren Lagerrings (3) eingearbeitete, rillenförmigen Laufbahnen (11, 12) abrollen. Erfindungsgemäß sind sowohl der Radius (R<SUB>LF</SUB>) der Lauffläche (8) der Kugelrollen (5) als auch die Radien (R<SUB>LBA</SUB>, R<SUB>LBI</SUB>) ihrer Laufbahnen (11, 12) in den Lagerringen (2, 3) kleiner als der halbe Durchmesser (D<SUB>KR</SUB>) der Kugelrollen (5) ausgebildet, so dass die Kugelrollen (5) eine hohlschienenartige Zwangsführung in Umfangsrichtung aufweisen, durch die quer zur Laufrichtung auftretende Taumelbewegungen der Kugelrollen (5) vermeidbar sind.

Description

• Gebiet der Erfindung
• Die Erfindung betrifft ein für hohe Axialbelastungen geeignetes Radialwälzlager nach den oberbegriffsbildenden Merkmalen des Patentanspruchs 1, und sie ist insbesondere vorteilhaft an einreihigen Kugelrollenlagern realisierbar, die beispielsweise als Festlager in Kfz-Schaltgetrieben zur Anwendung kommen.
• Hintergrund der Erfindung
• Als Radialwälzlager, die auch mit hohen Axialkräften belastbar sind, werden in der Praxis vor allem einreihige Rillenkugellager eingesetzt, da diese eine gleichermaßen hohe radiale und axiale Tragfähigkeit, eine geringe Reibung und die höchsten Drehzahlgrenzen aller Lagerarten aufweisen. Diese Rillenkugellager bestehen in bekannter Weise aus einem äußeren Lagerring und einem inneren Lagerring sowie aus einer Anzahl zwischen den Lagerringen angeordneter Lagerkugeln als Wälzkörpern. Dabei sind in die Innenseite des äußeren Lagerrings und in die Außenseite des inneren Lagerrings jeweils rillenförmige Laufbahnen eingearbeitet, in denen die Lagerkugeln durch einen Lagerkäfig in gleichmäßigen Abständen zueinander geführt werden. Das Einsetzten der Lagerkugeln in das Rillenkugellager erfolgt dabei zumeist durch das mit der DE 168 499 bekannt gewordene Exzentermontageverfahren, bei dem die beiden Lagerringe exzentrisch zueinander angeordnet werden und der dadurch entstehende freie Raum zwischen den Lagerringen mit den Lagerkugeln befüllt wird.
• In der Praxis hat es sich jedoch erwiesen, dass derartigen Rillenkugellagern aufgrund der geringen maximal einbaubaren Anzahl von Kugeln, die von den Abmessungen des inneren und des äußeren Lagerrings sowie dem Kugeldurchmesser abhängig ist, vor allem in Bezug auf die radiale Tragfähigkeit des Lagers dennoch Grenzen gesetzt sind. In der Vergangenheit wurden daher eine Vielzahl von Lösungen, wie beispielsweise eine in den sich gegenüberliegenden Borden der Laufbahnen des äußeren und des inneren Lagerrings angeordnete unverschlossene Einfüllöffnung gemäß DE 151 483 oder eine ähnlich ausgebildete verschließbare Einfüllöffnung gemäß DE 24 07 477 A1 , vorgeschlagen, mit denen durch eine Erhöhung der Anzahl der Kugeln eine Erhöhung der radialen Tragfähigkeit von Rillenkugellagern erreicht werden sollte, die sich aber aufgrund zahlreicher Nachteile in der Praxis nicht durchsetzen konnten.
• Eine andere Möglichkeit, die Anzahl der Wälzkörper an einem Radialwälzlager zu erhöhen, wurde darüber hinaus durch die DE 311 317 erstmals bekannt und durch die DE 43 34 195 A1 weiterentwickelt. Bei diesen, an sich als einreihige Rillenkugellager ausgebildeten Radialwälzlagern werden die Wälzkörper jedoch nicht durch Kugeln sondern durch so genannte Kugelrollen gebildet, die mit zwei symmetrisch von einer Kugelgrundform abgeflachten sowie parallel zueinander angeordneten Seitenflächen ausgebildet sind. Die Breite dieser Kugelrollen zwischen deren Seitenflächen ist dabei gerin ger als der Abstand zwischen den sich radial gegenüberliegenden Lagerringen ausgebildet, so dass das Befüllen des Lagers mit den Kugelrollen im so genannten Axialmontageverfahren erfolgen kann, bei dem die horizontal ausgerichteten Kugelrollen axial durch den Abstand zwischen Innenring und Außenring in das Lager eingeführt und danach einmal vertikal und einmal horizontal um 90° gedreht werden, so dass sie mit ihren Laufflächen in den Laufbahnen der Lagerringe abrollen können.
• Trotz des Vorteils, diese speziell ausgebildeten Kugelrollen axial in das Lager einsetzen und das Radialwälzlager damit nahezu vollständig mit einer hohen Anzahl an Wälzkörpern ausfüllen zu können, hat sich ein solches Kugelrollenlager jedoch im Hinblick auf das bei unterschiedlichen Lagerbelastungen auftretende spezielle kinematische Verhalten der als Kugelrollen ausgebildeten Wälzkörper als problematisch erwiesen. So wurde beispielsweise festgestellt, dass die als Kugelrollen ausgebildeten Wälzkörper in Radialwälzlagern bei höheren Drehzahlen und gleichmäßiger Last aufgrund des eintretenden Kreiseleffektes ohne Schrankbewegungen stabil in ihren Laufbahnen laufen und keine axiale Führung durch einen Lagerkäfig benötigen. Fällt jedoch die Lagerdrehzahl unter eine zulässige Mindestdrehzahl oder wird das Lager ruckartig hoch beschleunigt, tritt insbesondere in der lastfreien Zone des Lagers ein so genannter Taumeleffekt ein, bei dem die Kugelrollen dazu neigen, in ihren Laufbahnen quer zur Laufrichtung wellenförmig abzurollen, so dass unter diesen Bedingungen eine axiale Führung durch einen Lagerkäfig notwendig ist. Bei Verwendung eines Blechkäfigs, wie er beispielsweise durch die noch unveröffentlichte Patentanmeldung DE 10 2005 059 032.2 vorgeschlagen wurde, kann es dabei vor allem in Getriebeanwendungen zum Kontakt der Laufbahnkanten der Kugelrollen mit den Längsstegen der Käfigtaschen des Lagerkäfigs kommen, durch den Reibungswärme entsteht und die Betriebstemperatur im Radialwälzlager ansteigt. Bei häufigen Last-/Drehzahlwechseln kann die Reibung zwischen den Kugelrollen und dem Lagerkäfig im ungünstigsten Fall sogar dazu führen, dass die zulässige Betriebstemperatur des Lagers überschritten wird und es zu örtlichen Zerstörungen des Lagerkäfigs sowie zum vorzeitigen Ausfall des Lagers kommt. Auch ein Kunststoffschnappkäfig, wie er beispielsweise in Abbildung 3 der DE 43 34 195 A1 offenbart wurde, kann das Querstellen der Kugelrollen unter den genannten Bedingungen nicht verhindern, da sich die Kugelrollen mit hohen Kräften über die elastisch nachgiebigen Taschenlappen aus ihren einseitig offenen Käfigtaschen herausdrehen und dabei den Schnappkäfig aus dem Lager herausdrücken. Dabei kann es ebenfalls zur Zerstörung des Lagerkäfigs und infolge der dann quer stehenden Kugelrollen mitunter zu schweren Lagerschäden kommen.
• Aufgabe der Erfindung
• Ausgehend von den dargelegten Nachteilen der Lösungen des bekannten Standes der Technik liegt der Erfindung deshalb die Aufgabe zu Grunde, ein Radialwälzlager, insbesondere einreihiges Kugelrollenlager, zu konzipieren, mit dem auch bei niedrigen Lagerdrehzahlen oder bei hoher Lagerbeschleunigung jederzeit eine ausreichende axiale Führung der als Kugelrollen ausgebildeten Wälzkörper gewährleistet ist, so dass quer zur Laufrichtung auftretende Taumelbewegungen der Kugelrollen in ihren Laufbahnen wirksam vermieden werden.
• Beschreibung der Erfindung
• Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei einem Radialwälzlager nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 derart gelöst, dass sowohl der Radius der Lauffläche der Kugelrollen als auch die Radien ihrer Laufbahnen in den Lagerringen kleiner als der halbe Durchmesser der Kugelrollen ausgebildet sind und die Kugelrollen dadurch eine hohlschienenartige Zwangsführung in Umfangsrichtung aufweisen, durch die keine quer zur Laufrichtung auftretende Taumelbewegungen der Kugelrollen mehr möglich sind.
• Der Erfindung liegt somit die Erkenntnis zugrunde, dass die quer zur Laufrichtung der Kugelrollen auftretenden Taumelbewegungen nur dadurch möglich sind, dass sowohl der Radius der Lauffläche der Kugelrollen als auch die Radien ihrer Laufbahnen in den Lagerringen identisch mit dem halben Durchmesser der Kugelrollen sind, also der Mittelpunkt der Kugelrollen zugleich Schnittpunkt des Radius der Laufflächen der Kugelrollen und der Radien ihrer Laufbahnen in den Lagerringen ist. Durch die Implementierung einer gezielten Abweichung dieser Schnittpunkte vom Mittelpunkt der Kugelrollen ist es somit in einfacher Weise möglich, die quer zur Laufrichtung auftretende Taumelbewegungen der Kugelrollen durch eine Zwangsführung zu unterbinden.
• Bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des erfindungsgemäß ausgebildeten Radialwälzlagers werden in den Unteransprüchen beschrieben.
• Danach ist es gemäß Anspruch 2 bei dem erfindungsgemäß ausgebildeten Radialwälzlager vorgesehen, dass der auf der Längsmittelachse jeder Kugelrolle angeordnete Schnittpunkt des Radius der Lauffläche jeder Kugelrolle einen definierten radialen Abstand vom Schnittpunkt der Quermittelachse mit der Längsmittelachse jeder Kugelrolle aufweist. Als allgemeine Funktion gilt daher, dass sich der Durchmesser der Kugelrollen somit aus der Addition des zweifachen Radius der Laufbahn mit dem zweifachen Abstand seines Schnittpunktes zur Quermittelachse der Kugelrollen zusammensetzt.
• Ausgehend von der zuvor beschriebenen Ausbildung ist es nach Anspruch 3 ein weiteres Merkmal des erfindungsgemäß ausgebildeten Radialwälzlagers, dass die Kugelrollen eine Breite zwischen ihren Stirnflächen von etwa 70% ihres Durchmessers aufweisen, so dass der Wert für den Radius der Lauffläche der Kugelrollen bevorzugt in einem Bereich zwischen 35% und 45% des Durchmessers der Kugelrollen angeordnet ist. Eine Breite der Kugelrollen von 70% ihres Durchmessers hat sich in der Praxis hinsichtlich der ra dialen und axialen Tragfähigkeit des Lagers bewährt und entspricht in etwa der Kontaktfläche, die auch die Kugeln herkömmlicher Rillenkugellager zu ihren Laufbahnen in den Lagerringen aufweisen. Möglich ist es jedoch auch, die Breite der Kugelrollen größer oder kleiner als 70% ihres Durchmessers zu bemessen, so dass auch der untere Grenzwert für den Radius der Lauffläche der Kugelrollen größer oder kleiner als 35% des Durchmessers der Kugelrollen betragen kann.
• Gemäß Anspruch 4 zeichnet sich das erfindungsgemäß ausgebildete Radialwälzlager schließlich noch dadurch aus, dass die mit ihren Schnittpunkten auf der Längsmittelachse der Lagerringe angeordneten Radien der Laufbahnen der Kugelrollen etwa 3% größer als der Radius der Lauffläche der Kugelrollen ausgebildet sind, so dass die Radien der Laufbahnen bevorzugt eine Größe von 103% des Radius der Lauffläche der Kugelrollen aufweisen. Die Ausbildung der Laufbahnen mit derartigen Abmessungen entspricht dabei ebenfalls den bei herkömmlichen Rillenkugellagern bewährten Erfahrungswerten und gewährleistet, dass die Kugelrollen abhängig von der Radiallagerluft auch bei einer zulässigen Schiefstellung des Lagers von 8 bis 16 Winkelminuten aus der Mittellage einen hohen Schmiegungsgrad zu ihren Laufbahnen aufweisen und das Lager somit die volle Tragfähigkeit behält.
• Zusammenfassend weist das erfindungsgemäß ausgebildete Radialwälzlager somit gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Kugelrollenlagern den Vorteil auf, dass durch die spezielle Ausbildung des Radius der Laufflächen der Kugelrollen im Zusammenwirken mit den entsprechend ausgebildeten Radien ihrer Laufbahnen in den Lagerringen eine hohlschienenartige Zwangsführung der Kugelrollen in Umfangsrichtung erzielt wird, durch die auch bei Lagerdrehzahlen unterhalb einer zulässigen Mindestdrehzahl oder bei ruckartigen Lagerbeschleunigungen vermieden wird, dass die Kugelrollen in ihren Laufbahnen quer zur Laufrichtung wellenförmig abrollen und durch Berührungen mit dem Lagerkäfig bzw. durch Querstellen in ihren Laufbahnen vorzeitige Lagerausfälle verursachen. Gleichzeitig ist das erfindungsgemäß ausgebildete Radialwälzlager durch seinen hohen Befüllungsgrad mit Kugelrollen für hohe Radial- und Axiallasten geeignet, bei dem der verwendete Lagerkäfig lediglich noch die Funktion eines Abstandhalters für die Kugelrollen in Umfangsrichtung hat.
• Kurze Beschreibung der Zeichnungen
• Eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäß ausgebildeten Radialwälzlagers wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen:
• 1 eine perspektivische Gesamtansicht eines erfindungsgemäß ausgebildeten Radialwälzlagers;
• 2 einen Querschnitt durch das erfindungsgemäß ausgebildete Radialwälzlager nach 1;
• 3 eine vergrößerte Darstellung der Einzelheit X des erfindungsgemäß ausgebildeten Radialwälzlagers gemäß 2.
• Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
• Aus den 1 und 2 geht deutlich ein als einreihiges Kugelrollenlager ausgebildetes Radialwälzlager 1 hervor, welches im Wesentlichen aus einem äußeren Lagerring 2 und einem inneren Lagerring 3 sowie aus einer Vielzahl zwischen diesen Lagerringen 2, 3 angeordneter Kugelrollen 5 besteht, die durch einen als Kunststoff-Schnappkäfig ausgebildeten Lagerkäfig 4 in Umfangsrichtung in gleichmäßigen Abständen zueinander gehalten werden. Diese Kugelrollen 5 rollen deutlich sichtbar mit ihren Laufflächen 8 in zwei in die Innenseite 9 des äußeren Lagerrings 2 und in die Außenseite 10 des inneren Lagerrings 3 eingearbeitete, rillenförmigen Laufbahnen 11, 12 ab und zeichnen sich dadurch aus, dass sie axialseitig jeweils zwei parallel zueinander angeordnete, abgeflachte Stirnflächen 6, 7 aufweisen und somit eine Verringerung des Axialbauraums für das Radialwälzlager 1 ermöglichen.
• Durch die in 3 gezeigte vergrößerte Darstellung der konkreten Geometrie der Kugelrollen 5 entsprechend der Einzelheit X gemäß 2 wird des Weiteren deutlich, dass sowohl der Radius R_LF der Lauffläche 8 der Kugelrollen 5 als auch die Radien R_LBA, R_LBI ihrer Laufbahnen 11, 12 in den Lagerringen 2, 3 erfindungsgemäß kleiner als der halbe Durchmesser D_KR der Kugelrollen 5 ausgebildet sind. Dadurch weisen die Kugelrollen 5 eine hohlschienenartige Zwangsführung in Umfangsrichtung auf, mit der vermieden wird, dass die Kugelrollen 5 bei Lagerdrehzahlen unterhalb einer zulässigen Mindestdrehzahl oder bei ruckartigen Lagerbeschleunigungen in ihren Laufbahnen 11, 12 quer zur Laufrichtung wellenförmig abrollen und den Lagerkäfig 4 berühren bzw. durch ein in 3 gestrichelt angedeutetes Querstellen in ihren Laufbahnen 11, 12 vorzeitige Lagerausfälle verursachen. Dabei weist der auf der Längsmittelachse jeder Kugelrolle 5 angeordnete Schnittpunkt S₁ des Radius R_LF der Lauffläche 8 jeder Kugelrolle 5 einen radialen Abstand ΔR vom Schnittpunkt der nicht näher bezeichneten Quermittelachse mit der ebenfalls nicht näher bezeichneten Längsmittelachse jeder Kugelrolle 5 auf, so dass für den Durchmesser _DAR der Kugelrollen 5 die Funktion gilt: DKR = 2(RLF + ΔR).
• Darüber hinaus ist in 3 noch dargestellt, dass die Kugelrollen 5 eine Breite ^BAR zwischen ihren Stirnflächen 6, 7 von etwa 70% des Durchmessers D_KR aufweisen, so dass der Wert für den Radius R_LF der Lauffläche 8 der Kugelrollen 5 in einem Bereich zwischen 0,35 D_KR und 0,45 D_KR angeordnet ist. Die Breite der Kugelrollen 5 von 70% ihres Durchmessers gewährleistet eine hohe radiale und axiale Tragfähigkeit des Radiallagers 1 und entspricht in etwa der Kontaktfläche, die auch die Kugeln herkömmlicher Rillenkugellager zu ihren Laufbahnen in den Lagerringen aufweisen.
• Damit die Kugelrollen 5 auch bei einer zulässigen Schiefstellung des Radiallagers 1 von 8 bis 16 Winkelminuten aus der Mittellage einen hohen Schmiegungsgrad zu ihren Laufbahnen 11, 12 aufweisen und das Radiallager 1 somit die volle axiale und radiale Tragfähigkeit behält, ist darüber hinaus aus 3 noch ersichtlich, dass die mit ihren Schnittpunkten S₂, S₃ auf der Längsmittelachse der Lagerringe 2, 3 angeordneten Radien R_LBA, R_LBI der Laufbahnen 11, 12 der Kugelrollen 5 etwa 3% größer als der Radius R_LF der Lauffläche 8 der Kugelrollen 5 ausgebildet sind, so dass die Radien R_LBA, R_LBI der Laufbahnen 11, 12 einen Wert von 1,03 R_LF bzw. eine 103%-ige Schmiegung aufweisen.

1

Radialwälzlager

2

äußerer Lagerring

3

innerer Lagerring

4

Lagerkäfig

5

Kugelrollen

6

Stirnfläche von 5

7

Stirnfläche von 5

8

Lauffläche von 5

9

Innenseite von 2

10

Außenseite von 3

11

Laufbahn

12

Laufbahn

R_LF

Radius Lauffläche

R_LBA

Radius äußere Laufbahn

R_LBI

Radius innere Laufbahn

D_KR

Durchmesser Kugelrolle

B_KR

Breite Kugelrolle

S₁

Schnittpunkt

S₂

Schnittpunkt

S₃

Schnittpunkt

ΔR

Abstand S₁

• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
• Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
• Zitierte Patentliteratur
• - DE 168499 [0002]
• - DE 151483 [0003]
• - DE 2407477 A1 [0003]
• - DE 311317 [0004]
• - DE 4334195 A1 [0004, 0005]
• - DE 102005059032 [0005]

Claims (4)

1. Radialwälzlager, insbesondere einreihiges Kugelrollenlager, welches im Wesentlichen aus einem äußeren Lagerring (2) und einem inneren Lagerring (3) sowie aus einer Vielzahl zwischen diesen Lagerringen (2, 3) angeordneter, durch einen Lagerkäfig (4) in Umfangsrichtung in gleichmäßigen Abständen zueinander gehaltener Kugelrollen (5) besteht, die axialseitig jeweils zwei parallel zueinander angeordnete, abgeflachte Stirnflächen (6, 7) aufweisen und mit ihren Laufflächen (8) in zwei in die Innenseite (9) des äußeren Lagerrings (2) und in die Außenseite (10) des inneren Lagerrings (3) eingearbeitete, rillenförmigen Laufbahnen (11, 12) abrollen, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl der Radius (R_LF) der Lauffläche (8) der Kugelrollen (5) als auch die Radien (R_LBA, R_LBI) ihrer Laufbahnen (11, 12) in den Lagerringen (2, 3) kleiner als der halbe Durchmesser (D_AR) der Kugelrollen (5) sind und die Kugelrollen (5) dadurch eine hohlschienenartige Zwangsführung in Umfangsrichtung aufweisen, durch die quer zur Laufrichtung auftretende Taumelbewegungen der Kugelrollen (5) vermeidbar sind.
2. Radialwälzlager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der auf der Längsmittelachse jeder Kugelrolle (5) angeordnete Schnittpunkt (S₁) des Radius (R_LF) der Lauffläche (8) jeder Kugelrolle (5) einen radialen Abstand (ΔR) vom Schnittpunkt der Quermittelachse mit der Längsmittelachse jeder Kugelrolle (5) aufweist, so dass für den Durchmesser (D_KR) der Kugelrollen (5) die Funktion gilt: DKR = 2(RLF + ΔR).
3. Radialwälzlager nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kugelrollen (5) eine Breite (B_KR) zwischen ihren Stirnflächen (6, 7) von etwa 70% des Durchmessers (D_KR) aufweisen, so dass der Wert für den Radius (R_LF) der Lauffläche (8) der Kugelrollen (5) bevorzugt in einem Bereich zwischen 0,35 D_KR und 0,45 D_KR angeordnet ist.
4. Radialwälzlager nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die mit ihren Schnittpunkten (S₂, S₃) auf der Längsmittelachse der Lagerringe (2, 3) angeordneten Radien (R_LBA, R_LBI) der Laufbahnen (11, 12) der Kugelrollen (5) etwa 3% größer als der Radius (R_LF) der Lauffläche (8) der Kugelrollen (5) ausgebildet sind, so dass die Radien (R_LBA, R_LBI) der Laufbahnen (11, 12) bevorzugt einen Wert von 1,03 R_LF aufweisen.