DE102007045252A1 - Device for compensating for axial thermal expansion of a rolling bearing assembly - Google Patents

Device for compensating for axial thermal expansion of a rolling bearing assembly Download PDF

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Jan Georgi
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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Ausgleich axialer Wärmedehnungen einer Wälzlageranordnung mit einem Wälzlagerring (2) mit einer Ausnehmung (16) und mit einem umlaufenden Lagerringsteg (8), mit einer inneren Anlauffläche (12) für die Wälzkörper (4) und mit einem Wärmedehnungselement (18), das zumindest teilweise in der Ausnehmung (16) aufgenommen ist. Um eine Kompensationsvorrichtung zu schaffen, die von der Passung des Lgerringsitzes oder den auf den Lagerring wirkenden Reibkräften unabhängig ist, ist vorgesehen, dass die Anlauffläche (12) axial verschieblich ausgestaltet ist, dass die Ausnehmung (16) in dem Lagerringsteg (8) ausgebildet ist und dass das Wärmedehungselement (18) die Anlauffläche (12) bei Erwärmung in axialer Richtung (A) verschiebt.The invention relates to a device for compensating axial thermal expansions of a rolling bearing arrangement with a roller bearing ring (2) having a recess (16) and with a circumferential bearing ring web (8), with an inner contact surface (12) for the rolling elements (4) and with a thermal expansion element ( 18) which is at least partially received in the recess (16). In order to provide a compensation device which is independent of the fit of the Lgerringsitzes or the frictional forces acting on the bearing ring, it is provided that the stop surface (12) is configured axially displaceable, that the recess (16) in the bearing ring web (8) is formed and that the thermal expansion element (18) shifts the contact surface (12) when heated in the axial direction (A).

Description

Gebiet der ErfindungField of the invention

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Ausgleich axialer Wärmedehnungen einer Wälzlageranordnung mit einem Wälzlagerring mit einer Ausnehmung und mit einem umlaufenden Lagerringsteg, mit einer inneren Anlauffläche für die Wälzkörper und mit einem Wärmedehnungselement, das zumindest teilweise in der Ausnehmung aufgenommen ist.The The invention relates to a device for compensating for axial thermal expansion a rolling bearing assembly with a rolling bearing ring with a recess and with a circumferential bearing ring web, with an inner contact surface for the rolling elements and with a thermal expansion element that at least partially is received in the recess.

Hintergrund der ErfindungBackground of the invention

Bei Maschinen, deren einzelne Bauteile aus Werkstoffen mit unterschiedlicher Wärmeausdehnung (unterschiedlichen Temperaturkoeffizienten) bestehen, tritt bei sich ändernden Betriebstemperaturen eine unterschiedliche relative Längenänderung (axiale Wärmedehnung) der Bauteile auf. Diese Erscheinung ist insbesondere bei schnell laufenden Anordnungen, bei denen eine präzise Lagerung erforderlich ist – wie beispielsweise Kraftfahrzeugdifferentialen oder Verteilergetrieben – unerwünscht oder nicht tolerierbar. So besteht z. B. bei einem Kraftfahrzeuggetriebe in der Regel das Getriebegehäuse aus Aluminiumdruckguss und die Getriebewellen sind aus Stahl gefertigt und mittels ange stellter Kegelrollenlager gelagert. Hier macht sich die etwa doppelt so starke Wärmeausdehnung des Aluminiumgehäuses im Vergleich zu den Stahlwellen signifikant bemerkbar und verändert die eingestellte Vorspannung bzw. das eingestellte Lagerspiel. Dies führt zu einer erheblich verringerten Lagerlebensdauer, ungünstigstenfalls zu einem axialen Wellenschlag und zu nicht idealem Zahneingriff mit entsprechender Geräuschbildung.at Machines whose individual components are made of materials with different Thermal expansion (different temperature coefficients) exist, occurs at changing operating temperatures a different relative change in length (axial thermal expansion) of the components. This phenomenon is especially fast ongoing orders requiring precise storage is required - such as motor vehicle differentials or transfer cases - undesirable or not tolerable. So there is z. B. in a motor vehicle transmission in usually the gearbox made of die-cast aluminum and the gear shafts are made of steel and by means of imputed Tapered roller bearings stored. This is about twice as strong Thermal expansion of the aluminum housing in comparison significantly noticeable and changed to the steel shafts the set preload or the set bearing clearance. This leads to a significantly reduced bearing life, worst case to an axial wave and to not ideal tooth engagement with appropriate noise.

Zur Kompensation dieser Effekte ist aus dem US-Patent 5,028,152 eine Vorrichtung der eingangs genannten Art bekannt. Dabei ist der Außenring eines Kegelrollenlagers mit einer umlaufenden radial und/oder axial offenen Nut oder Ausnehmung versehen, in der ein Wärmedehnungselement in Form eines Dehnungsrings aufgenommen ist. Das Wärmedehnungselement ist einbaubedingt bzw. durch die Aufnahme in der Ausnehmung in seiner radialen Ausdehnung beschränkt, so dass temperaturbedingte Ausdehnungen im Wesentlichen zu einer axialen Geometrieänderung des Wärmedehnungselements führen. Das Wärmedehnungselement stützt sich mit einem Ende an einem Gegenlager, z. B. einer Schulter in einer Lageraufnahmebohrung, ab. Dadurch übt es eine axiale Kompensationskraft auf den Lagerring aus, durch die sich der Lagerring zur Temperaturkompensation axial verschiebt.To compensate for these effects is from the U.S. Patent 5,028,152 a device of the type mentioned above. In this case, the outer ring of a tapered roller bearing is provided with a circumferential radially and / or axially open groove or recess in which a thermal expansion element is accommodated in the form of an expansion ring. The thermal expansion element is due to installation or limited by the inclusion in the recess in its radial extent, so that temperature-related expansions substantially lead to an axial change in geometry of the thermal expansion element. The thermal expansion element is supported by one end on an abutment, for. B. a shoulder in a bearing receiving bore from. As a result, it exerts an axial compensation force on the bearing ring, through which the bearing ring moves axially for temperature compensation.

Dieser Temperatur-Kompensationseffekt kann jedoch nur eintreten, wenn sich der Lagerring gegenüber dem kooperierenden Bauelement bzw. in Bezug auf das Gegenlager auch tatsächlich axial verschieben kann. Dies ist nicht in allen Betriebssituationen oder bei jeder Passungswahl gewährleistet. Insbesondere bei relativ niedrigen Temperaturen kann der Lagerring vergleichsweise fest sitzen und die axiale Kompensationskraft die passungsbedingte Reibkraft nicht überwinden.This However, temperature compensation effect can only occur when the bearing ring relative to the cooperating component or actually move axially with respect to the anvil can. This is not in all operating situations or at everyone Passungswahl guaranteed. Especially at relatively low Temperatures, the bearing ring can sit relatively tight and the axial compensation force does not overcome the friction frictional fit.

Aufgabe der ErfindungObject of the invention

Vor diesem Hintergrund besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung in der Schaffung einer Kompensationsvorrichtung, die von der Passung des Lagerringsitzes oder den auf den Lagerring wirkenden Reibkräften unabhängig ist.In front This is the object of the present invention in the creation of a compensation device by the fit the bearing ring seat or acting on the bearing ring friction forces is independent.

Beschreibung der ErfindungDescription of the invention

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.These The object is achieved by a device having the features of patent claim 1.

Demgemäß ist vorgesehen, dass die Anlauffläche axial verschieblich ausgestaltet ist, dass die Ausnehmung in dem Lagerringsteg ausgebildet ist und dass das Wärmedehnungselement die Anlauffläche bei Erwärmung in axialer Richtung verschiebt.Accordingly provided that the contact surface designed axially displaceable is that the recess is formed in the bearing ring web and the thermal expansion element is the contact surface shifts when heated in the axial direction.

Ein wesentlicher erster Vorteil der Erfindung besteht damit darin, dass die Funktion der Temperaturkompensation unabhängig ist von der von Betriebsbedingungen und Betriebstemperaturen bestimmten Passung bzw. Axialverschieblichkeit zwischen dem Lagerring einerseits und dem korrespondierenden, den Lagerring aufnehmenden oder von dem Lagerring umgebenden Bauteil andererseits. Die Temperaturkompensation beginnt damit kontinuierlich auch schon bei relativ geringen Betriebstemperaturen und hat so eine besonders gleichmäßige und das Lager schonende Wirkung.One essential first advantage of the invention is thus that the function of the temperature compensation is independent determined by the operating conditions and operating temperatures Fit or Axialverschieblichkeit between the bearing ring on the one hand and the corresponding, the bearing ring receiving or of the Bearing ring surrounding component on the other. The temperature compensation it starts continuously even at relatively low operating temperatures and so has a particularly even and that Gentle storage.

Da das Wärmedehnungselement erfindungsgemäß innerhalb des eigentlichen Wälzlagers untergebracht ist, ist es besonders gut gegen äußere Einflüsse geschützt. Zudem hat die erfindungsgemäße Vorrichtung den weiteren erheblichen Vorteil, dass es keine über die Außenabmessungen des Lagers hinaus vorstehende Teile oder Abschnitte des Wärmedehnungselementes gibt, was sich insbesondere bei der Montage und dem Transport von mit erfindungsgemäßen Vorrichtungen ausgestatteten Wälzlagern vorteilhaft auswirkt.There the thermal expansion element according to the invention within the actual rolling bearing is housed, it is special well protected against external influences. In addition, the device according to the invention has the Another significant advantage that there is no over the outside dimensions the bearing also protruding parts or portions of the thermal expansion element gives, in particular with the assembly and the transport of equipped with devices according to the invention rolling bearings beneficial effect.

Eine für die Beständigkeit und den Schutz des Wärmedehnungselementes besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass zwischen dem Wärmedehnungselement und der Anlauffläche ein Ringkolben angeordnet ist. Besonders bevorzugt kann dabei eine Stirnseite des Ringkolbens unmittelbar auf die Wälzkörper einwirken und somit nach einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung die Anlauffläche bilden.A particularly advantageous embodiment of the invention for the resistance and protection of the thermal expansion element provides that an annular piston is arranged between the thermal expansion element and the contact surface. Particularly preferably, an end face of the annular piston can act directly on the rolling elements and thus form the contact surface according to a preferred embodiment of the invention.

Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings

Weitere Vorteile und Aspekte der Erfindung ergeben sich auch oder ergänzend aus der nachfolgenden Beschreibung der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung. Dabei zeigen:Further Advantages and aspects of the invention are also or supplementary from the following description of the invention with reference on the drawing. Showing:

1 in perspektivischer Ansicht einen teilweisen Längsschnitt eines Kegelrollenlagers mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung; 1 in a perspective view a partial longitudinal section of a tapered roller bearing with a device according to the invention;

2 perspektivisch eine Explosionsdarstellung von Komponenten der Anordnung nach 1; 2 in perspective an exploded view of components of the arrangement according to 1 ;

3 eine schematische Darstellung des Axialkraftflusses des Ausführungsbeispiels nach den 1 und 2 Längsschnitt. 3 a schematic representation of the Axialkraftflusses of the embodiment according to the 1 and 2 Longitudinal section.

Ausführliche Beschreibung der ZeichnungenDetailed description the drawings

In der nachfolgenden Figurenbeschreibung sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit denselben Bezugszeichen versehen.In the following description of the figures are the same or the same function Elements provided with the same reference numerals.

1 zeigt in starker Vergrößerung einen Ausschnitt eines Längsschnittes durch ein Wälzlager mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in perspektivischer Ansicht. Das Wälzlager weist einen äußeren Ring oder Lageraußenring 1 und einen inneren Ring oder Lagerinnenring 2 auf. Zwischen dem Lageraußenring 1 und dem Lagerinnenring 2 sind in an sich bekannter Weise in einem Wälzlagerkäfig 3 gehaltene Wälzkörper in Form von Kegelrollen 4 angeordnet. 1 shows in a high magnification a section of a longitudinal section through a rolling bearing with a device according to the invention in a perspective view. The rolling bearing has an outer ring or bearing outer ring 1 and an inner ring or bearing inner ring 2 on. Between the bearing outer ring 1 and the bearing inner ring 2 are in a conventional manner in a rolling bearing cage 3 held rolling elements in the form of tapered rollers 4 arranged.

Obwohl nachfolgend die erfindungsgemäße Vorrichtung im Zusammenhang mit einer Ausgestaltung im Lagerinnenring erläutert wird, ist grundsätzlich eine entsprechende Anordnung auch im Lageraußenring möglich.Even though below the device according to the invention in Explained connection with an embodiment in the bearing inner ring is, in principle, a corresponding arrangement also possible in the bearing outer ring.

Der Lagerinnenring 2 weist eine Lauffläche 5 auf, die beiderseitig von je einem umlaufenden Lagerringsteg 8 bzw. 9 begrenzt ist, der sich jeweils im Wesentli chen radial bzw. parallel zu den Stirnflächen 10, 11 der Wälzkörper 4 erstreckt. Die auch als Lagerbord bezeichneten Lagerringstege 8, 9 weisen so mit ihren nach innen gerichteten Seitenflächen Begrenzungen oder Anlaufflächen 12, 14 für die Wälzkörper auf. Von den Anlaufflächen werden die Wälzkörper in axialer Richtung geführt.The bearing inner ring 2 has a tread 5 on, on both sides of each rotating bearing ring web 8th respectively. 9 is limited, each in wesentli chen radially or parallel to the end faces 10 . 11 the rolling elements 4 extends. The bearing ribs, also referred to as a bearing board 8th . 9 thus have with their inwardly directed side surfaces boundaries or contact surfaces 12 . 14 for the rolling elements. From the contact surfaces, the rolling elements are guided in the axial direction.

Die Anlauffläche 12 ist erfindungsgemäß allerdings nicht von dem eigentlichen Lagerringssteg 8 selbst bzw. von dessen nach innen weisenden Begrenzungswand gebildet, sondern von der nachfolgend detailliert beschriebenen Weise von einem Ringkolben gebildet.The contact surface 12 However, according to the invention is not of the actual Lagerringssteg 8th itself or formed by its inwardly facing boundary wall, but formed by the manner described in detail below by an annular piston.

Der Lagerringsteg 8 weist nämlich eine sich von der Innenseite 12 axial nach außen in das Material des Lagerringsteges 8 erstreckende, umlaufende Nut 16 auf. In diese Nut ist zumindest teilweise ein Wärmedehnungselement 18 eingebracht. Dieses besteht aus einem Material, beispielsweise einem Elastomer, das im Vergleich zu dem Material der übrigen Bauteile – nämlich der Lagerringe, des nicht dargestellten Lagergehäuses oder einer Welle (vergleiche 3) – einen wesentlich höheren Temperaturkoeffizienten aufweist. Das Wärmedehnungselement ist als flacher Kunststoffring ausgebildet. Im Ausführungs beispiel nach den 1 und 2 ist es vollständig von der Nut 16 umgeben. An seiner dem Innenbereich 20 des Lagers zugewandten Stirnfläche 22 liegt unmittelbar ein Ringkolben 24 an, der beispielsweise aus Metall bestehen kann. Bei einer Wärmeausdehnung des Wärmedehnungselementes 18 führt der Ringkolben 24 eine Bewegung in axialer Richtung A in den Innenraum 20 hinein aus. Er übt damit mit seiner freien, innenseitigen Stirnfläche 25 eine axiale Kraft unmittelbar auf die Wälzkörper 4 aus. Diese Kraft ist im Wesentlichen nur abhängig von dem Dehnungsverhalten des Wärmedehnungselementes 18 und unabhängig von der übrigen Einbausituation der Lagerringe 1, 2, insbesondere von der deren Axialverschieblichkeit bestimmenden Reibungs werte bzw. Passungen.The bearing ring web 8th namely, one is from the inside 12 axially outward into the material of the bearing ring web 8th extending, circumferential groove 16 on. In this groove is at least partially a thermal expansion element 18 brought in. This consists of a material, such as an elastomer, compared to the material of the other components - namely the bearing rings, the bearing housing, not shown, or a shaft (see 3 ) - has a much higher temperature coefficient. The thermal expansion element is designed as a flat plastic ring. In the execution example according to the 1 and 2 it is completely off the groove 16 surround. At its the interior 20 the bearing facing end face 22 is directly an annular piston 24 on, which may for example consist of metal. At a thermal expansion of the thermal expansion element 18 leads the ring piston 24 a movement in the axial direction A in the interior 20 into it. He practices with his free, inside face 25 an axial force directly on the rolling elements 4 out. This force is essentially only dependent on the expansion behavior of the thermal expansion element 18 and independent of the remaining installation situation of the bearing rings 1 . 2 , in particular of the whose Axialverschieblichkeit determining friction values or fits.

Grundsätzlich könnte das Wärmedehnungselement mit seiner Stirnfläche 22 in Körperkontakt mit den entsprechenden Stirnflächen 10 der Wälzkörper stehen.Basically, the thermal expansion element with its end face 22 in physical contact with the corresponding end faces 10 the rolling elements are.

Je nach Lagerbelastung, Materialpaarung und Beschaffenheit des Materials des Wärmedehnungselements könnte dies aber zu erhöhtem Verschleiß führen, so dass die zuvor beschriebene Anordnung eines Ringkolbens 24 besonders vorteilhaft ist.Depending on the bearing load, material pairing and nature of the material of the thermal expansion element but this could lead to increased wear, so that the above-described arrangement of an annular piston 24 is particularly advantageous.

Wie der in 3 gezeigte Längsschnitt einer so genannten X-Anordnung einer Kegelrollenlagerung einer Welle 30 verdeutlicht, werden wärmebedingte Lageänderungen durch das unmittelbare Einwirken des Kolbens 24 auf die Stirnfläche 10 kompensiert, indem die Ausdehnung des Wärmeelementes 18 über den Kolben 24 zu dem in 3 schematisch dargestellten Axialkraftfluss 32 führt. Dadurch ist sichergestellt, dass der an einer Wellenschulter 34 anliegende Lagerinnenring 2 bei Erwärmung der Welle bzw. des nur andeutungsweise dargestellten Gehäuses 35 und der damit verbundenen relativen Lageänderung unabhängig von seinem Sitz als Kompensationselement für die thermischen Effekte dient.In again 3 shown longitudinal section of a so-called X-arrangement of a tapered roller bearing a shaft 30 clarifies, heat-related changes in position by the immediate action of the piston 24 on the face 10 compensated by the expansion of the thermal element 18 over the piston 24 to the in 3 schematically shown Axialkraftfluss 32 leads. This ensures that the on a wave shoulder 34 fitting bearing inner ring 2 upon heating of the shaft or the housing only hinted 35 and the associated relative change in position regardless of its seat serves as a compensation element for the thermal effects.

Die Wälzlageranordnung bietet mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung dabei eine sehr geschützte und das Wärmedehnungselement gegen äußere Einflüsse abkapselnde Gestaltung. Da das Wärmedehnungselement über den Ringkolben 24 auf die Wälzkörper 4 einwirkt, ist es einerseits keinem unmittelbaren mechanischen Verschleiß ausgesetzt und andererseits durch den in der Nut 16 axial verschieblich gelagerten Ringkolben 24 gegen aggressive äußere Medien oder Schmierstoffe geschützt. Zudem weist die gezeigte Lageranordnung keine nach außen hervortretenden Bestandteile der Kompensationsvorrichtung auf, was sich hinsichtlich Montage und Transport vorteilhaft auswirkt.The rolling bearing assembly provides with the device according to the invention thereby a very protected and the thermal expansion element against external influences encapsulating design. Since that Thermal expansion element over the ring piston 24 on the rolling elements 4 On the one hand, it is not exposed to any direct mechanical wear and, on the other hand, due to the groove in the groove 16 axially displaceably mounted annular piston 24 protected against aggressive external media or lubricants. In addition, the bearing assembly shown has no outwardly protruding components of the compensation device, which has an advantageous effect in terms of assembly and transport.

11
LageraußenringBearing outer ring
22
LagerinnenringBearing inner ring
44
Kegelrollentapered rollers
55
Laufflächetread
8, 98th, 9
LagerringstegBearing ring web
10, 1110 11
Stirnflächeface
12, 1412 14
Anlaufflächeapproach surface
1616
Nutgroove
1818
WärmedehnungselementThermal expansion element
2020
Innenbereichinterior
2222
Stirnflächeface
2424
Ringkolbenannular piston
2525
Stirnflächeface
3030
Wellewave
3232
AxialkraftflussAxialkraftfluss
3434
Wellenschultershaft shoulder
3535
Gehäusecasing
3636
Bohrungdrilling
AA
axiale Richtungaxial direction

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • - US 5028152 [0003] - US 5028152 [0003]

Claims (3)

Vorrichtung zum Ausgleich axialer Wärmedehnungen einer Wälzlageranordnung – mit einem Wälzlagerring (2) mit einer Ausnehmung (16) und mit einem umlaufenden Lagerringsteg (8), – mit einer inneren Anlauffläche (12) für die Wälzkörper (4) – und mit einem Wärmedehnungselement (18), das zumindest teilweise in der Ausnehmung (16) aufgenommen ist, dadurch gekennzeichnet, – dass die Anlauffläche (12) axial verschieblich ausgestaltet ist, – dass die Ausnehmung (16) in dem Lagerringsteg (8) ausgebildet ist und – dass das Wärmedehnungselement (18) die Anlauffläche (12) bei Erwärmung in axialer Richtung (A) verschiebt.Device for compensating axial thermal expansions of a roller bearing arrangement - with a roller bearing ring ( 2 ) with a recess ( 16 ) and with a circumferential bearing ring web ( 8th ), - with an inner contact surface ( 12 ) for the rolling elements ( 4 ) - and with a thermal expansion element ( 18 ), which at least partially in the recess ( 16 ), characterized in that - the contact surface ( 12 ) is axially displaceable, - that the recess ( 16 ) in the bearing ring web ( 8th ) is formed and - that the thermal expansion element ( 18 ) the contact surface ( 12 ) shifts when heated in the axial direction (A). Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, – dass zwischen dem Wärmedehnungselement (18) und der Anlauffläche (12) ein Ringkolben (24) angeordnet ist.Device according to claim 1, characterized in that - between the thermal expansion element ( 18 ) and the contact surface ( 12 ) an annular piston ( 24 ) is arranged. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, – dass die Anlauffläche (12) von einer Stirnseite (25) des Ringkolbens (24) gebildet ist.Device according to claim 2, characterized in that - the contact surface ( 12 ) from one end face ( 25 ) of the ring piston ( 24 ) is formed.
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