DE102007033530A1

DE102007033530A1 - Radialwälzlager, insbesondere einreihiges Kugelrollenlager

Info

Publication number: DE102007033530A1
Application number: DE102007033530A
Authority: DE
Inventors: Andreas Heinz
Original assignee: Schaeffler KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2007-07-19
Filing date: 2007-07-19
Publication date: 2009-01-22

Abstract

Die Erfindung betrifft ein als Kugelrollenlager (1) ausgebildetes Radialwälzlager, 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 symmetrisch von einer Kugelgrundform abgeflachte sowie parallel zueinander angeordnete Stirnflächen (6, 7) aufweisen und mit ihren Laufflächen (8) in zwei jeweils in die Innenseite (9) des äußeren Lagerrings (2) und in die Außenseite (10) des inneren Lagerrings (3) eingearbeitete, rillenförmige Laufbahnen (11, 12) abrollen. Erfindungsgemäß weisen zumindest eine der rillenförmigen Laufbahnen (11, 12) in den Lagerringen (2, 3) sowie sämtliche Laufflächen (8) der Kugelrollen (5) jeweils an deren Axialmitte umlaufende und komplementär zueinander ausgebildete, konkave oder konvexe Formelemente (13, 14, 15) auf, die ineinander greifend eine schienenartige Wälzkörperführung in Umfangsrichtung bilden und zur Vermeidung von quer zur Laufrichtung auftretenden Taumelbewegungen der Kugelrollen (5) vorgesehen sind.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein auch 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 Vielzahl 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 Lager käfig 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 gezeigt, dass derartige Rillenkugellager einen relativ großen Axialbauraum benötigen, wenn sie für hohe Traglasten geeignet sein sollen, da hohe Traglasten zumeist nur über Lagerkugeln mit größeren Durchmessern zu realisieren sind und die Lagerringe dann aufgrund der breiteren Laufbahnen für diese Lagerkugeln mit einer entsprechenden Axialbreite ausgebildet sein müssen. Eine Möglichkeit, den Axialbauraum von Rillenkugellagern zu verringern, besteht zwar darin, die Lagerkugeln mit kleineren Durchmessern dafür aber in größerer Anzahl in das Lager einzusetzen und die Lagerringe dementsprechend axial schmaler auszubilden, allerdings können mit derartigen Rillenkugellagern in aller Regel nicht die erforderlichen Traglasten erreicht werden.
Eine andere Möglichkeit, den Axialbauraum eines Radialwälzlager ohne Einbußen an Traglast zu verringern, wurde 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 Stirnflächen ausgebildet sind. Bei im Vergleich mit Lagerkugeln gleichem Durchmesser der Kugelgrundform dieser Kugelrollen und damit mindestens gleicher Tragzahl des Lagers ist die Breite zwischen den Stirnflächen der Kugelrollen dabei bis zu 30% geringer als bei Lagerkugeln ausgebildet, so dass bei annähernd gleich breiten Laufbahnen für die Kugelrollen die Lagerringe wesentlich schmaler ausgebildet werden können.
Trotz des Vorteils, ein Radialwälzlager mit diesen speziell ausgebildeten Kugelrollen mit einem minimierten Axialbauraum ausbilden 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 Kugelrollen in Radialwälzlagern bei höheren Drehzahlen und gleichmäßiger Last aufgrund des eintretenden Kreiseleffektes ohne Schränkbewegungen 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 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 zumindest eine der rillenförmigen Laufbahnen in den Lagerringen sowie sämtliche Laufflächen der Kugelrollen jeweils an deren Axialmitte umlaufende und komplementär zueinander ausgebildete, konkave oder konvexe Formelemente aufweisen, die ineinander greifend eine schienenartige Wälzkörperführung in Umfangsrichtung bilden.
Der Erfindung liegt somit die Erkenntnis zugrunde, dass die quer zur Laufrichtung der Kugelrollen auftretenden Taumelbewegungen nur dadurch entstehen können, dass die Radien der Laufbahnen in den Lagerringen identisch mit dem Radius der Laufflächen der Kugelrollen sind und damit ein Drehen der Kugelrollen um deren Vertikalachse ermöglichen. Durch die Anordnung von umlaufenden konkaven oder konvexen Formelemente an zumindest einer der Laufbahnen der Kugelrollen und an den Laufflächen der Kugelrollen selbst ist es somit in einfacher Weise möglich, ein Drehen der Kugelrollen um deren Vertikalachse und damit die quer zur Laufrichtung auftretenden Taumelbewegungen der Kugelrollen mittels einer schienenartigen Führung 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 bevorzugt sowohl die Laufbahn im äußeren Lagerring als auch die Laufbahn im inneren Lagerring des Kugelrollenlagers jeweils axial mittig ein zu den Formelementen der Kugelrollen komplementäres umlaufendes Formelement aufweist. Dies hat sich zur Erzielung der erwünschten Führungswirkung als am effektivsten erwiesen, wobei diese Führungswirkung auch dann eintritt, wenn alternativ dazu nur die Laufbahn im inneren Lagerring oder nur die Laufbahn im äußeren Lagerring axial mittig mit einem zu den Formelementen der Kugelrollen komplementären umlaufenden Formelement ausgebildet sind.
Entsprechend den zuvor beschriebenen Merkmalen zeichnet sich das erfindungsgemäß ausgebildete Radialwälzlagers nach den Ansprüchen 3 und 4 in konkreter Ausbildung desweiteren dadurch aus, dass die Formelemente an den Laufbahnen der Lagerringe bevorzugt als konvexe umlaufende Ringstege mit jeweils halbkreisförmigen Profilquerschnitt ausgebildet sind, während die Formelemente an den Laufflächen der Kugelrollen bevorzugt durch konkave umlaufende Ringnuten mit ebenfalls jeweils halbkreisförmigen Profilquerschnitt gebildet werden. Sowohl die umlaufenden Ringstege an den Laufbahnen der Lagerringe als auch die umlaufenden Ringnuten an den Laufflächen der Kugelrollen werden dabei in vorteilhafter Weise beim Einformen der Laufbahnen in die Lagerringe bzw. beim Pressen der Kugelrollen grob mit eingeformt und erhalten dann durch Schleifen oder andere bekannte Finishverfahren ihre Endform. Alternativ zum Einformen der umlaufenden Ringstege an den Laufbahnen der Lagerringe ist es jedoch auch denkbar, die Ringstege durch separate Spreng- oder Sicherungsringe zu bilden, die in axial mittig in die Laufbahnen eingearbeitete umlaufende Ringnuten eingesetzt werden. Ebenso ist es in äquivalenter Ausbildung zu den Merkmalen der Ansprüche 3 und 4 möglich, die Formelemente an den Laufbahnen der Lagerringe als konkave umlaufende Ringnuten und die Formelemente an den Laufflächen der Kugelrollen als konvexe umlaufende Ringstege auszubilden, wobei Letztere ebenfalls alternativ jeweils durch separate Spreng- oder Sicherungsringe gebildet werden können, die in axial mittig in die Laufflächen der Kugelrollen eingearbeitete umlaufende Ringnuten eingesetzt werden.
Als vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäß ausgebildeten Radialwälzlagers wird es durch die Ansprüche 5 und 6 schließlich noch vorgeschlagen, dass die Profilkuppen der Ringstege an den Laufbahnen und der Profilgrund der Ringnuten in den Kugelrollen geringfügig radial zueinander beabstan-det angeordnet sind, während die Profilflanken der Ringstege an den Lagerringen und die Profilflanken der Ringnuten in den Kugelrollen jeweils durch identische Radien zu den Laufbahnen der Lagerringe bzw. zu den Laufflächen der Kugelrollen übergehen. Durch den Abstand zwischen den Profilkuppen der Ringstege an den Laufbahnen und der Profilgrund der Ringnuten in den Kugelrollen wird dabei gewährleistet, dass die Formelemente zur Führung der Kugelrollen keinerlei Radiallasten des Radialwälzlagers aufnehmen. Die identischen Radien der Ringstege und der Ringnuten zu den Laufbahnen der Lagerringe bzw. zu den Laufflächen der Kugelrollen dienen dagegen der exakten Axialführung der Kugelrollen, bei der ein Verklemmen der Kugelrollen auf den Ringstegen der Laufbahnen zu vermeiden ist. Um dabei zusätzlich eine Anpassung der Kugelrollen an wechselnde Druckwinkel bei axialen Lastwechseln zu ermöglichen, ist es darüber hinaus vorteilhaft, die Ringnuten in den Kugelrollen insgesamt etwas breiter als die Ringstege an den Laufbahnen auszubilden, so dass die Kugelrollen in ihren Laufbahnen eine definierte Freiheit zum Verschwenken auf die jeweilige Druckwinkelachse aufweisen.
Zusammenfassend weist das erfindungsgemäß ausgebildete Radialwälzlager somit gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Kugelrollenlagern den Vorteil auf, dass durch die Anordnung von komplementär zueinander ausgebildeten konkaven und konvexe Formelementen an den rillenförmigen Laufbahnen in den Lagerringen sowie an sämtlichen Laufflächen der Kugelrollen jeweils eine schienenartige Führung 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 abrol len. Dadurch werden Berührungen der Kugelrollen mit dem Lagerkäfig sowie vorzeitige Lagerausfälle vermieden und gleichzeitig der Vorteil erzielt, dass der verwendete Lagerkäfig des erfindungsgemäß ausgebildeten Radialwälzlagers 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;
4 eine vergrößerte Darstellung der Einzelheit Y des erfindungsgemäß ausgebildeten Radialwälzlagers gemäß 3.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
Aus den 1 und 2 geht deutlich ein als einreihiges Kugelrollenlager 1 ausgebildetes Radialwälzlager 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 In nenseite 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 symmetrisch von einer Kugelgrundform abgeflachte sowie parallel zueinander angeordnete Stirnflächen 6, 7 aufweisen und somit eine Verringerung des Axialbauraums für das Radialwälzlager 1 ermöglichen.
Durch die in 3 gezeigte vergrößerte Darstellung eines Teils des Lagerquerschnittes entsprechend der Einzelheit X gemäß 2 wird desweiteren deutlich, dass sowohl die Laufbahn 11 im äußeren Lagerring 2 als auch die Laufbahn 12 im inneren Lagerring 3 des Kugelrollenlagers 1 sowie sämtliche Laufflächen 8 der Kugelrollen 5 jeweils an deren Axialmitte umlaufende konkave oder konvexe Formelemente 13, 14, 15 aufweisen, die komplementär zueinander sowie ineinander greifend ausgebildet sind. Dadurch weisen die Kugelrollen 5 eine schienenartige Führung 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 Querstellen in ihren Laufbahnen 11, 12 vorzeitige Lagerausfälle verursachen.
Die vergrößerte Darstellung der Einzelheit Y gemäß 3 zeigt dabei, dass die Formelemente 13, 14 an den Laufbahnen 11, 12 der Lagerringe 2, 3 in konkreter Ausführung als konvexe umlaufende Ringstege 16, 17 mit jeweils halbkreisförmigen Profilquerschnitt ausgebildet sind, während die Formelemente 15 an den Laufflächen 8 der Kugelrollen 5 konkret durch konkave umlaufende Ringnuten 18 mit ebenfalls jeweils halbkreisförmigen Profilquerschnitt gebildet werden. Die nicht näher bezeichneten Profilkuppen der Ringstege 16, 17 an den Laufbahnen 11, 12 und der ebenfalls nicht näher bezeichnete Profilgrund der Ringnuten 18 in den Kugelrollen 5 sind dabei, wie aus 4 entnehmbar ist, geringfügig radial zueinander beabstandet angeordnet, um zu gewährleisten, dass die Formelemente 13, 14 zur Führung der Kugelrollen 5 keinerlei Radiallasten des Radialwälzlagers 1 aufnehmen. Ebenso ist aus 4 ersichtlich, dass die unbezifferten Profilflanken der Ringstege 16, 17 an den Lagerringen 2, 3 und die ebenfalls unbezifferten Profilflanken der Ringnuten 18 in den Kugelrollen 5 jeweils durch identische Radien zu den Laufbahnen 11, 12 der Lagerringe 2, 3 bzw. zu den Laufflächen 8 der Kugelrollen 5 übergehen, um eine exakte Axialführung der Kugelrollen 5 ohne Verklemmen auf den Ringstegen 16, 17 der Laufbahnen 11, 12 zu ermöglichen.

1: Kugelrollenlager
2: äußerer Lagerring
3: innerer Lagerring
4: Lagerkäfig
5: Kugelrollen
6: Stirnfläche an 5
7: Stirnfläche an 5
8: Lauffläche von 5
9: Innenseite von 2
10: Außenseite von 3
11: Laufbahn in 9
12: Laufbahn in 10
13: Formelement an 2
14: Formelement an 3
15: Formelement an 5
16: Ringsteg
17: Ringsteg
18: Ringnuten

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 311317 [0004]
- DE 4334195 A1 [0004, 0005]
- DE 102005059032 [0005]

Claims

Radialwälzlager, insbesondere einreihiges Kugelrollenlager (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 symmetrisch von einer Kugelgrundform abgeflachte sowie parallel zueinander angeordneten Stirnflächen (6, 7) aufweisen und mit ihren Laufflächen (8) in zwei jeweils 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 zumindest eine der rillenförmigen Laufbahnen (11, 12) in den Lagerringen (2, 3) sowie sämtliche Laufflächen (8) der Kugelrollen (5) jeweils an deren Axialmitte umlaufende und komplementär zueinander ausgebildete, konkave oder konvexe Formelemente (13, 14, 15) aufweisen, die ineinander greifend eine schienenartige Wälzkörperführung in Umfangsrichtung bilden und zur Vermeidung von quer zur Laufrichtung auftretenden Taumelbewegungen der Kugelrollen (5) vorgesehen sind.
Radialwälzlager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bevorzugt sowohl die Laufbahn (11) im äußeren Lagerring (2) als auch die Laufbahn (12) im inneren Lagerring (3) des Kugelrollenlagers (1) jeweils axial mittig ein zu den Formelementen (15) der Kugelrollen (5) komplementäres umlaufendes Formelement (13, 14) aufweist.
Radialwälzlager nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Formelemente (13, 14) an den Laufbahnen (11, 12) der Lagerringe (2, 3) bevorzugt als konvexe umlaufende Ringstege (16, 17) mit jeweils halbkreisförmigen Profilquerschnitt ausgebildet sind.
Radialwälzlager nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Formelemente (15) an den Laufflächen (8) der Kugelrollen (5) bevorzugt als konkave umlaufende Ringnuten (18) mit jeweils halbkreisförmigen Profilquerschnitt ausgebildet sind.
Radialwälzlager nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Profilkuppen der Ringstege (16, 17) an den Laufbahnen (11, 12) und der Profilgrund der Ringnuten (18) in den Kugelrollen (5) geringfügig radial zueinander beabstandet angeordnet sind.
Radialwälzlager nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Profilflanken der Ringstege (16, 17) an den Lagerringen (2, 3) und die Profilflanken der Ringnuten (18) in den Kugelrollen (5) jeweils durch identische Radien zu den Laufbahnen (11, 12) der Lagerringe (2, 3) bzw. zu den Laufflächen (8) der Kugelrollen (5) übergehen.