DE102008020068A1

DE102008020068A1 - Wälzlager mit gekrümmten Kontaktflächen

Info

Publication number: DE102008020068A1
Application number: DE200810020068
Authority: DE
Inventors: Armin Necker
Original assignee: Schaeffler KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2008-04-22
Filing date: 2008-04-22
Publication date: 2009-10-29
Also published as: WO2009129769A3; WO2009129769A2

Abstract

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, Wälzlager mit dem Ziel besserer Betriebseigenschaften und/oder geringerer Fertigungskosten weiterzubilden. Hierzu wird ein Wälzlager mit mindestens einem Wälzkörper 1 mit einer Stirnfläche 4 und mit mindestens einem Bord 12, 13 mit einer Führungsfläche 15 zur Führung des Wälzkörpers 1 in dem Wälzlager vorgeschlagen, wobei im Betrieb des Wälzlagers die Stirnfläche 4 des Wälzkörpers mit der Führungsfläche 15 eine Kontaktzone 7, 18 ausbildet bzw. ausbilden kann, wobei in einem Querschnitt senkrecht zu der Wälzrichtung des Wälzkörpers 1 die Führungsfläche 15 und/oder die Stirnfläche 4 im Bereich der Kontaktzone 7, 18 einen gekrümmten Verlauf aufweist bzw. aufweisen und wobei der gekrümmte Verlauf durch eine Überlagerung eines Grundkrümmungsverlaufs und eines logarithmischen Krümmungsverlaufs 8, 19 gebildet ist, wobei der Grundkrümmungsverlauf der Stirnseite 4 durch einen Kreisbogenabschnitt gebildet wird, dessen Mittelpunkt M auf der Drehachse 2 des Wälzkörpers 1 liegt, und/oder der Grundkrümmungsverlauf der Führungsfläche 15 durch einen Kreisbogenabschnitt, dessen Mittelpunkt M auf der Drehachse 20 des Wälzlagers liegt, oder durch einen torusballigen Verlauf gebildet wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Wälzlager mit mindestens einem Wälzkörper, welcher eine Stirnfläche aufweist, und mit mindestens einem Bord, welcher eine Führungsfläche zur Führung des Wälzkörpers in dem Wälzlager aufweist, wobei im Betrieb die Stirnfläche des Wälzkörpers mit der Führungsfläche eine Kontaktzone ausbildet bzw. ausbilden kann, wobei in einem Querschnitt senkrecht zu der Wälzrichtung des Wälzkörpers die Führungsfläche und/oder die Stirnfläche im Bereich der Kontaktzone einen gekrümmten Verlauf aufweist und wobei der gekrümmte Verlauf durch eine Überlagerung eines Grundkrümmungsverlaufs und eines logarithmischen Krümmungsverlaufs gebildet ist.
Wälzlager bestehen in der Bauform des Radialwälzlagers üblicherweise aus einem Innenring und einem Außenring, zwischen denen eine Mehrzahl von Wälzkörpern drehbar gelagert ist. In der Bauform eines Axialwälzlager wäl zen die Wälzkörper zwischen einer ersten Scheibe und einer zweiten Scheibe ab. In der Ausprägung als Linearwälzlager sind eine erste und eine zweite Lauffläche vorgesehen, zwischen denen die Wälzkörper meist zumindest abschnittsweise entlang einer geraden Bahn laufen.
Die Belastungen auf die Wälzlager werden über die Wälzflächen der Wälzkörper von einer Lauffläche auf die nächste Lauffläche übertragen. Zur Führung der Wälzkörper in einer Richtung oder Ebene senkrecht zur Hauptbelastungsrichtung weisen die Wälzlager oftmals Borde auf, welche eine Führungsfläche bilden, an die sich unter Ausbildung einer Kontaktzone eine Stirnfläche der Wälzkörper abstützen kann.
Insbesondere bei Belastungen, welche nicht exakt in der Hauptbelastungsrichtung verlaufen, wird die Kontaktzone zwischen Führungsfläche und Stirnfläche stark beansprucht.
Die Druckschrift WO 2007/071228 A1 , welche wohl den nächstkommenden Stand der Technik bildet, offenbart ein Wälzlager, welches einen Wälzkörper sowie einen Bord aufweist, wobei die Bordlauffläche bzw. die dem Bord zugewandte Stirnfläche des Wälzkörpers wenigstens abschnittsweise in Richtung der Bordlauffläche bzw. der Stirnfläche konvex gekrümmt ist, wobei diese Krümmung in wenigstens einem Randabschnitt einen logarithmischen Krümmungsverlauf aufweist. Diese Ausbildung des Wälzlagers hat den Vorteil, dass zwischen der Stirnseite des Wälzkörpers und der Bordlauffläche ein von der Kontaktzone aus nach außen beidseitig öffnender Spalt gebildet wird, welcher die Schmierung und die Druckverteilung bei Belastungen senkrecht zur Hauptbelastungsrichtung verbessert.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, Wälzlager mit dem Ziel besserer Betriebseigenschaften und/oder geringerer Fertigungskosten weiterzubilden. Diese Aufgabe wird durch ein Wälzlager mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Bevorzugte oder vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung sowie den beigefügten Figuren.
Im Rahmen der Erfindung wird ein Wälzlager vorgeschlagen, welches mindestens einen Wälzkörper umfasst, wobei bevorzugt eine Mehrzahl von identisch ausgebildeten Wälzkörpern vorgesehen ist. Der Wälzkörper weist eine Mantelfläche auf, über die eine Belastung in einer Hauptbelastungsrichtung des Wälzlagers ein- bzw. ausgeleitet wird, sowie eine Stirnfläche, welche endseitig an dem Wälzkörper angeordnet ist.
Das Wälzlager hat mindestens einen Bord mit einer Führungsfläche, wobei die Führungsfläche der Stirnfläche des Wälzkörpers zugewandt ist und zur Führung des Wälzkörpers in dem Wälzlager angeordnet ist. Der Bord überdeckt bevorzugt nur einen Randbereich der Stirnfläche des Wälzkörpers, wobei der Randbereich kleiner als die Hälfte vorzugsweise kleiner als ein Drittel des Durchmessers der zugewandten Stirnfläche ist.
Im Betrieb des Wälzlagers bildet die Stirnfläche mit der Führungsfläche eine Kontaktzone aus, über die sich der Wälzkörper an der Führungsfläche in Richtung der Drehachse des Wälzkörpers abstützt. Wahlweise können in einem Querschnitt senkrecht zu der Wälzrichtung und/oder parallel zu der Drehachse des Wälzkörpers die Führungsfläche und/oder die Stirnfläche im Bereich der genannten Kontaktzone einen gekrümmten Verlauf aufweisen. Der gekrümmte Verlauf wird durch eine Überlagerung eines Grundkrümmungsverlaufs und eines logarithmischen Krümmungsverlaufs gebildet.
In Abgrenzung zu dem bekannten Stand der Technik wird der Grundkrümmungsverlauf dahingehend näher spezifiziert, dass dieser bei der Stirnseite des Wälzkörpers durch einen Kreisbogenabschnitt gebildet wird, dessen Mittelpunkt auf der Drehachse des Wälzkörpers liegt. Alternativ oder ergän zend wird der Grundkrümmungsverlauf der Führungsfläche durch einen Kreisbogenabschnitt gebildet, dessen Mittelpunkt auf der Drehachse des Wälzlagers liegt, oder durch einen torusballigen, donut- oder schwimmreifenähnlichem, Verlauf gebildet wird. Der Mittelpunkt bzw. die Menge der Mittelpunkte der den torusballigen Verlauf bildenden Kreise liegt in einer Linie, bevorzugt einem Kreis um die Drehachse des Wälzlagers.
Es ist zu erwarten, dass auf Basis der spezifizierten Grundkrümmungsverläufe, die zu nutzenden Abschnitte der Stirn- und/oder Bordflächen kleiner gefertigt werden können und auch bei hohen Pressungen eine enge Schmiegung zwischen der Rollenstirn und dem Bord genutzt werden kann. Dabei wird ein ausreichender Schmierfilmaufbau auch bei geringsten Drehzahlen erwartet. Als mögliches Resultat der Erfindung tritt eine negative Kantenpressung im Bereich der Kontaktzone erst bei einer weitaus höheren Belastung auf bzw. bei der gleichen Belastung kann die Stirn- und/oder Bordfläche kleiner, insbesondere in radialer Richtung des Wälzlagers, gestaltet werden.
Besonders bevorzugt ist bei der Erfindung eine Kombination, wobei sowohl die Stirnseite als auch die Führungsfläche einen entsprechen spezifizierten Grundkrümmungsverlauf aufweisen, so dass diese optimal zueinander angepasst sind.
Bei einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist das Wälzlager als ein Axiallager, ein Radiallager oder ein Linearlager ausgebildet. Im Falle eines Axiallagers weist die Stirnfläche bzw. deren Normalenvektor radial nach außen oder nach innen, im Fall eines Radiallagers zeigt die Stirnfläche bzw. deren Normalenvektor in eine axiale Richtung.
Der Wälzkörper kann wahlweise als Zylinderrolle, Kegelrolle, Nadelrolle, Tonnenrolle oder Pendelrolle ausgebildet sein. Jede der genannten oder von weiteren möglichen Wälzkörperbauformen zeigt zwei Stirnseiten, wobei je nach Ausbildung der Erfindung keine, eine oder beide Stirnseiten einen gemäß der Ansprüche spezifizierten Grundkrümmungsverlauf aufweisen können.
Bei einer bevorzugten konstruktiven Realisierung ist der logarithmische Krümmungsverlauf als ein Graph in einem insbesondere kartesischen Koordinatensystem darstellbar, dessen Grundlinie – bevorzugt im Fall der Stirnfläche – senkrecht zu der Drehachse des Wälzkörpers und/oder – bevorzugt im Fall des Bords – senkrecht zu der Drehachse des Wälzlagers angeordnet ist.
Der logarithmische Krümmungsverlauf kann beliebig ausgebildet sein, so wird darunter bevorzugt jeder Zusammenhang verstanden, der wenigstens eine logarithmische Komponente und insbesondere einen logarithmischen Faktor oder Summanden aufweist. Beispielsweise kann die Basis der Logarithmusfunktion größer oder kleiner als 1 sein. Oder es können weitere Parameter wählbar sein, um den Verlauf des Graphs zu gestalten.
Bei einer fertigungstechnischen Umsetzung wird bzw. werden der Bord und/oder der Wälzkörper mittels Hartdrehen oder Hartfertigdrehen in die beschriebene Form gebracht. Unter Hartdrehen wird bevorzugt das Drehen von Werkstoffen mit einer Härte HRC > 48 verstanden.
Es ist besonders bevorzugt, dass der Wälzkörper als eine Kegelrolle mit einem Durchmesser am kleinen Ende von größer als 20 mm, vorzugsweise größer als 50 mm ausgebildet ist. Derartige Kegelrollen werden insbesondere bei Großwälzlagern eingesetzt, bei denen aufgrund der Dimension der Grundkrümmungsverlauf zu einer deutlichen Änderung des Betriebsverhaltens führt.
Bei einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung weist das Wälzlager, insbesondere mit der mindestens einen Kegelrolle, einen Innenring auf, welcher zwei Borde zur Führung des Wälzkörpers auf, wobei mindestens eine der Borde, bevorzugt beide Borde gemäß dem Kennzeichen des Anspruchs 1 ausgestaltet ist bzw. sind.
Weitere Merkmale, Vorteile und Wirkungen ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels. Dabei zeigen:
1 ein schematischer Querschnitt durch eine Zylinderrolle im Bereich der Stirnfläche als ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung;
2 eine schematische, geometrische Darstellung zur Illustration der Erzeugung des Krümmungsverlaufs der Stirnfläche in 1;
3 eine schematische Querschnittdarstellung eines Innenrings, beispielsweise zur Aufnahme einer Kegelrolle;
4 einen Detailausschnitt der 3 im Bereich des linken Bords; 5 eine schematische, geometrische Darstellung zur Illustration der Erzeugung des Krümmungsverlaufs der Bordführungsfläche in den 3 bzw. 4;
5 eine schematische, geometrische Darstellung zur Illustration der Erzeugung des Krümmungsverlaufs der Führungsfläche in 4.
Die 1 zeigt in einer schematischen Querschnittdarstellung eine Zylinderrolle 1 mit ihrer schematisch dargestellten Drehachse 2. Statt einer Zylinderrolle 1 kann auch eine Kegelrolle, Tonnenrolle oder Nadelrolle mit gleicher Stirnflächenkontur als Ausführungsbeispiel dienen.
Die Zylinderrolle 1 weist eine Mantelfläche 3 und eine Stirnfläche 4 auf. Die Stirnfläche 4 kann in einen Mittelbereich 5 und einen Randbereich 6 unterteilt werden. Der Mittelbereich 5 weist keine wesentliche Funktion auf, so dass dieser beliebig, beispielsweise plan, als Vertiefung oder Erhöhung realisiert sein kann. Der Randbereich 6 umfasst dagegen eine Kontaktzone, welche in der 1 schematisch gestrichelt umrandet und mit der Bezugsziffer 7 versehen ist.
Die Kontaktzone 7 befindet sich radial außenseitig zu dem Mittelbereich 5, jedoch beabstandet von einer gedachten Verlängerung der Mantelfläche 3 in dem gezeigten Querschnitt. Mit der Kontaktzone 7 liegt die Zylinderrolle 1 im Betrieb an einem Bord eines Innen- oder Außenrings und/oder einer Scheibe des Wälzlagers an. Im Bereich der Kontaktzone 7 weist die Stirnfläche 4 – auch Rollenstirn genannt – in dem gezeigten Querschnitt einen gekrümmten Verlauf auf, dessen mathematische Beschreibung anhand der 2 erläutert wird.
Die 2 zeigt den Verlauf der Stirnfläche 4 als Detailvergrößerung in gleicher Darstellung wie in der 1. Der Mittelbereich 5 ist in der 2 als Kreisbogen ausgebildet, dessen Mittelpunkt M auf der Drehachse 2 der Zylinderrolle 1 liegt. Wie bereits zuvor erwähnt, kann der Mittelbereich 5 in dem funktionslosen Bereich auch abgeflacht etc. sein. Im Randbereich 6 wird der Kreisbogen durch eine logarithmische Komponente überlagert, welche in der 2 schematisch als logarithmischer Graph 8 dargestellt ist. Der logarithmische Graph 8 ist in diesem Beispiel durch eine Logarithmusfunktion mit einer Basis größer als 1, welche relativ zu dem Kreisbogen des Mittelbereichs 5 in einem Koordinatensystem 9 konstruiert wird, indem das Koordinatensystem 9 mit der X-Achse senkrecht zu der Drehachse 2 positioniert wird. Die Y-Achse ist dagegen parallel zu der Drehachse 2 ausgerichtet. Der Krümmungsmittelpunkt M befindet sich in dem negativen Bereich des Koordinatensystems 9.
In dem Bereich der Kontaktzone 7 wird der Krümmungsverlauf der Stirnfläche 4 durch eine Überlagerung des Kreisbogens aus dem Mittelbereich 5 mit dem logarithmischen Graphen 8 gebildet, so dass die Krümmung in dem Randbereich 6 gegenüber dem Mittelbereich 5 vergrößert ist. Durch diese konstruktive Umgestaltung und die Überlagerung des Kreisbogens mit dem logarithmischen Graph 8 wird ein Krümmungsverlauf gebildet, welcher eine sehr enge Schmiegung an einer Führungsfläche eines Bords oder dergleichen erlaubt.
Die 3 zeigt in einer schematischen Querschnittdarstellung einen Innenring 10 eines Wälzkörperlagers, wobei der Innenring 10 beispielsweise für die Aufnahme einer Kegelrolle 1 mit einer Stirnfläche, die analog zu der Zylinderrolle in der 1 ausgebildet ist. Der Innenring 10 weist eine Lauffläche 11 auf, welche gegenüber der Drehachse des Innenrings 10 bzw. des Wälzlagers um einen Winkel von beispielsweise 20° angestellt ist.
Der Innenring 10 weist einen ersten Bord 12 und einen zweiten Bord 13 auf, wobei der erste Board 12 an dem axialen Ende der Lauffläche 11 mit größerem Durchmesser angeordnet ist.
Die 4 zeigt eine schematische Detailvergrößerung im Bereich 14 der 3 im Bereich des ersten Bords 12. Aus der Darstellung ist zu erkennen, dass die der Kegelrolle 1 zugewandte Führungsfläche 15 des ersten Bords 12 radial innen an eine Ausnehmung 16 angrenzt, einen Mittelbereich 17 zeigt, welcher als ein Kreisbogenabschnitt ausgebildet ist, und eine Gegenkontaktzone 18 umfasst, welche im Betrieb eine oder die Kegelrolle 1 als Gegenkontakt zu der Kontaktzone 7 führt.
Die 5 zeigt in einer ähnlichen Darstellung wie in der 2 die Erzeugung des Krümmungsverlaufes der Führungsfläche 15 im Bereich des Mittelbereichs 17 und der Kontaktzone 18. Wie bereits erläutert wird der Mittelbereich 17 durch einen Kreisbogen gebildet, dessen Mittelpunkt M auf der Drehachse des Wälzlagers bzw. des Innenrings 10 oder auf einer konzentrischen Kreislinie um diese Drehachse liegt, wobei eine kreisballige oder torusballige Form ausgebildet wird. In dem Bereich der Kontaktzone 18 wird der Kreisbogen des Mittelbereichs 17 durch einen logarithmischen Graphen 19 überlagert. Der Graph 19 kann wieder in einem kartesischen Koordinatensystem 9 konstruiert werden, dessen Grundlinie senkrecht zu der Drehachse 20 des Innenrings 10 bzw. des Wälzlagers angeordnet und dessen Y-Achse parallel zu dieser Drehachse 20 angeordnet ist. Bei dem in der 5 gezeigten Beispiel befindet sich der Mittelpunkt des Kreisbogens M im positiven Bereich des kartesischen Koordinatensystems 9.
In der Kontaktzone 18 werden Kreisbogen und logarithmischer Graph 19 derart überlagert, so dass eine breite Kontaktfläche gebildet wird.
Besonders bevorzugt werden die logarithmischen Graphen 8 und 19 derart überlagert, dass die Kontaktzonen 7 und 18 gemeinsam nach radial innen und nach radial außen einen Spalt bilden, welcher jeweils den gleichen oder zumindest einen ähnlichen Öffnungswinkel aufweist.

1: Zylinderrolle, Kegelrolle
2: Drehachse
3: Mantelfläche
4: Stirnfläche
5: Mittelbereich
6: Randbereich
7: Kontaktzone
8: Graph
9: Koordinatensystem
10: Innenring
11: Lauffläche
12: erster Bord
13: zweiter Bord
14: Detail
15: Führungsfläche
16: Ausnehmung
17: Mittelbereich
18: Kontaktzone
19: logarithmischer Graph
20: Drehachse des Wälzlagers

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- WO 2007/071228 A1 [0005]

Claims

Wälzlager mit mindestens einem Wälzkörper (1) mit einer Stirnfläche (4) und mit mindestens einem Bord (12, 13) mit einer Führungsfläche (15) zur Führung des Wälzkörpers (1) in dem Wälzlager, wobei im Betrieb des Wälzlagers die Stirnfläche (4) des Wälzkörpers mit der Führungsfläche (15) eine Kontaktzone (7,18) ausbildet bzw. ausbilden kann, wobei in einem Querschnitt senkrecht zu der Wälzrichtung des Wälzkörpers (1) die Führungsfläche (15) und/oder die Stirnfläche (4) im Bereich der Kontaktzone (7, 18) einen gekrümmten Verlauf aufweist bzw. aufweisen, und wobei der gekrümmte Verlauf durch eine Überlagerung eines Grundkrümmungsverlaufs und eines logarithmischen Krümmungsverlaufs (8, 19) gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkrümmungsverlauf der Stirnseite (4) durch einen Kreisbogenabschnitt gebildet wird, dessen Mittelpunkt (M) auf der Drehachse (2) des Wälzkörpers (1) liegt, und/oder der Grundkrümmungsverlauf der Führungsfläche (15) durch einen Kreisbogenabschnitt, dessen Mittelpunkt (M) auf der Drehachse (20) des Wälzlagers liegt, oder durch einen torusballigen Verlauf gebildet wird.
Wälzlager nach Anspruch, gekennzeichnet als Axiallager, Radiallager oder Linearlager.
Wälzlager nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Wälzkörper als Zylinderrolle (1), Kegelrolle, Nadelrolle, Tonnenrolle oder Pendelrolle ausgebildet ist.
Wälzlager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der logarithmische Krümmungsverlauf als Erzeugende in einem Koordinatensystem (9) darstellbar ist, dessen Grundlinie senkrecht zu der Drehachse (2, 20) des Wälzkörpers (1) und/oder des Wälzlagers angeordnet ist.
Wälzlager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die den logarithmischen Krümmungsverlauf Erzeugende eine Logarithmusfunktion mit einer Basis größer oder kleiner als 1 aufweist.
Wälzlager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Bord (12, 13) und/oder der Wälzkörper (1) mittels Hartfertigdrehens gefertigt ist bzw. sind.
Wälzlager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wälzkörper (1) als eine Kegelrolle oder Zylinderrolle mit einem Durchmesser an jedem Ende von größer als 20 mm, vorzugsweise größer als 50 mm ausgebildet ist.
Wälzlager nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch einen Innenring, welcher zwei Borde zur Führung des Wälzkörpers (1) aufweist, wobei mindestens ein Bord gemäß dem Anspruch 1 ausgestaltet ist.