DE102010025371A1 - Bearing arrangement for use in vehicle transmission, has conical roller bearing that is limited, during operation of bearing arrangement, where radial expansion of inner ring of bearing is occurred by thermal expansion of axial pin - Google Patents
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Abstract
Description
Gebiet der ErfindungField of the invention
Die Erfindung betrifft eine Lageranordnung umfassend ein Gehäuse, in welches sich eine Welle erstreckt, wobei das Gehäuse einen größeren thermischen Ausdehnungskoeffizienten als die Welle aufweist, sowie ein die Welle lagerndes erstes Wälzlager, das über seinen Außenring drehfest mit dem Gehäuse und über seinen Innenring mit der Welle verbunden ist, und ein axial dazu beabstandetes, die Welle lagerndes zweites Wälzlager.The invention relates to a bearing assembly comprising a housing, in which a shaft extends, wherein the housing has a larger coefficient of thermal expansion than the shaft, and a shaft bearing first bearing, the non-rotatably via its outer ring with the housing and its inner ring with the Shaft is connected, and an axially spaced, the shaft bearing second rolling bearing.
Hintergrund der ErfindungBackground of the invention
Es ist bekannt, bei der Lagerung von Wellen insbesondere in einer so genannten O- bzw. X-Anordnung von Schräglagern, wie Schrägkugellagern oder Kegellrollenlagern, im Rahmen der Montage ein bestimmtes Spiel respektive eine Vorspannung einzustellen, welches bzw. welche im Betrieb etwa durch eine Temperaturerhöhung oder eine Temperaturerniedrigung gegenüber dem Einbauzustand veränderlich ist, so dass sich eine Änderung der Anstellung der Lageranordnung gegenüber dem Montagezustand ergeben kann. insbesondere bei Lageranordnungen mit Bauteilen aus verschiedenen, sich in ihren thermischen Längenausdehnungen unterscheidenden Werkstoffen ist dieser Effekt verstärkt. Durch die unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten einzelner Bauteile der Lageranordnung kann es zu starken Beeinflussungen der Lebensdauer kommen. Insbesondere bei vorgespannten Lageranordnungen tritt bedingt durch die unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten der eingesetzten Werkstoffe eine axiale Aufweitung auf, die eine Änderung der Vorspannung bedingt, welche sich negativ auf die Lagereigenschaften, vor allen Dingen deren Laufeigenschaften auswirkt, sodass gegebenenfalls Lageranordnungen mit einer erhöhten Tragfähigkeit eingesetzt werden müssen. Daneben kann zum Beispiel im Zahnkontakt der Zahnräder auf der Welle eine erhöhte Geräuschentwicklung entstehen.It is known in the storage of waves, in particular in a so-called O- or X-arrangement of skew bearings, such as angular contact ball bearings or tapered roller bearings, as part of the assembly to set a specific game respectively a bias, which in operation about as a Temperature increase or a decrease in temperature relative to the installed state is variable, so that there may be a change in the employment of the bearing assembly relative to the mounting state. especially in bearing arrangements with components of different, differing in their thermal expansions materials this effect is enhanced. Due to the different thermal expansion coefficients of individual components of the bearing assembly can lead to strong influences on the life. Especially with preloaded bearing arrangements occurs due to the different thermal expansion coefficients of the materials used an axial expansion, which causes a change in the bias, which has a negative effect on the bearing properties, especially their running properties, so possibly bearing assemblies must be used with an increased load capacity. In addition, for example, in the tooth contact of the gears on the shaft increased noise.
Aus dem Stand der Technik sind unterschiedliche Lösungen bekannt, das im Betrieb entstehende Lagerspiel bei Lageranordnungen mit einem Leichtmetall gehäuse und einer dieses durchsetzenden Stahlwelle zu reduzieren.From the prior art, different solutions are known, the housing resulting in operation bearing clearance in bearing assemblies with a light metal housing and reduce this passing steel shaft.
Aus
Die aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen sind jedoch einerseits hinsichtlich ihrer Wirkung, das heißt insbesondere dem Ausgleich der im Betrieb entstehenden Änderung der Lagervorspannung oftmals unzureichend, andererseits sind die aus dem Stand der Technik bekannten Lagerwellen-Konstruktionen aufwändig gestaltet und umfassen eine Vielzahl an Einzelteilen, was insbesondere aus Kostengründen nachteilig ist.However, the solutions known from the prior art are often unsatisfactory on the one hand with regard to their effect, ie in particular the compensation of the change in the bearing preload arising during operation; on the other hand, the bearing shaft designs known from the prior art are complex and comprise a large number of individual parts , which is disadvantageous, especially for cost reasons.
Zusammenfassung der ErfindungSummary of the invention
Der Erfindung liegt somit das Problem zugrunde, eine einfach aufgebaute Lageranordnung mit einer reduzierten Änderung seiner Lagervorspannung im Betrieb anzugeben.The invention is therefore based on the problem of specifying a simply constructed bearing assembly with a reduced change of its bearing preload during operation.
Das Problem wird erfindungsgemäß durch eine Lageranordnung der eingangs genannten Art gelöst, welche sich dadurch auszeichnet, dass das zweite Wälzlager über seinen Innenring mit einem einen höheren thermischen Ausdehnungskoeffizienten als der Innenring aufweisenden Bauelement verbunden ist, sodass sich im Betrieb der Lageranordnung bedingt durch die thermische Ausdehnung des Bauelements eine radiale Ausdehnung des Innenrings des zweiten Wälzlagers ergibt.The problem is solved according to the invention by a bearing assembly of the type mentioned, which is characterized in that the second roller bearing is connected via its inner ring with a higher thermal expansion coefficient than the inner ring having component, so that during operation of the bearing assembly due to the thermal expansion of the component results in a radial expansion of the inner ring of the second rolling bearing.
Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, die Lageranordnung durch eine geeignete Dimensionierung der Abstände, Passungen, Winkel und eingesetzten Werkstoffe insbesondere bezüglich der Wälzlager als auch des Gehäuses derart auszubilden, dass die betriebsbedingte Änderung des Lagerspiels bzw. der Vorspannung durch die unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwischen Gehäuse und Welle kompensiert wird, sodass sich keine negative Beeinflussung der Lagereinstellungen respektive eine Änderung der Vorspannung der Lageranordnung durch Temperaturgradienten bzw. -änderungen ergibt. Erfindungsgemäß werden dabei die unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten der Lagerbauteile ausgenutzt, wobei im Betrieb der Lageranordnung zusätzlich zu der bekannten axialen Ausdehnung bzw. Aufweitung der Lageranordnung bedingt im Wesentlichen durch den größeren thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Gehäuses gegenüber der Welle gezielt eine bestimmte radiale Ausdehnung bzw. Aufweitung des Innenrings des zweiten Wälzlagers durch die thermische Ausdehnung des Bauelements erzeugt wird. Dabei führt die radiale Aufweitung im Gegensatz zu der axialen Aufweitung der Lageranordnung nicht zu einer Erhöhung, sondern zu einer Reduzierung des axialen Lagerspiels. Grundsätzlich weist die erfindungsgemäße Lageranordnung durch den Spielausgleich im Betrieb eine Lebensdauererhöhung über einen weiten Temperaturbereich sowie eine entsprechend reduzierte Geräuschentwicklung auf. Die erfindungsgemäße Lageranordnung ist vielseitig einsetzbar und kann beispielsweise in Fahrzeuggetrieben verbaut werden.The invention is based on the idea to design the bearing assembly by a suitable dimensioning of the distances, fits, angles and materials used in particular with respect to the rolling bearing and the housing such that the operational change of the bearing clearance or the bias voltage by the different thermal expansion coefficients between the housing and shaft is compensated so that there is no negative influence on the bearing settings or a change in the preload of the bearing assembly by temperature gradients or changes. According to the invention, the different thermal expansion coefficients of the bearing components are utilized, wherein in operation of the bearing assembly in addition to the known axial expansion or widening of the bearing assembly due to the larger thermal expansion coefficient of the housing relative to the shaft targeted a specific radial expansion or expansion of the inner ring of the second rolling bearing is generated by the thermal expansion of the device. In this case, the radial expansion, in contrast to the axial expansion of the bearing assembly does not lead to an increase, but to a reduction of the axial bearing clearance. Basically, the bearing assembly according to the invention by the clearance compensation during operation on a life span increase over a wide temperature range and a correspondingly reduced noise. The bearing assembly according to the invention is versatile and can be installed, for example, in vehicle transmissions.
Das erfindungsgemäße Bauelement kann grundsätzlich in zwei unterschiedlichen Ausgestaltungen vorliegen. Gemäß einer ersten Ausgestaltung kann das Bauelement ein drehfest mit dem Gehäuse verbundener Axialzapfen sein. In diesem Fall ist es bevorzugt, dass das zweite Wälzlager über seinen Außenring mit der Weile und über seinen Innenring mit dem Axialzapfen verbunden ist. Entsprechend ist bei dieser Lageranordnung eine Lagerung des ersten Wälzlagers über dessen Außenring mit dem nicht rotierenden Gehäuse und über dessen Innenring mit der rotierbaren Welle und eine Lagerung des zweiten Wälzlagers über dessen Außenring mit der rotierbaren Welle und über dessen Innenring mit dem nicht rotierenden Axialzapfen vorgesehen. Der Axialzapfen ist vorzugsweise drehfest mit dem Gehäuse verbunden, wobei eine einstückige Ausführung des Axialzapfens mit dem Gehäuse denkbar ist. Gleichfalls kann der Axialzapfen als separates Bauteil in eine entsprechende Aussparung des Gehäuses eingesetzt und dort fest mit diesem verbunden sein. Der Axialzapfen kann als massives Bauteil oder als zumindest teilweise hohlzylindrisches Bauteil ausgebildet sein, sofern eine eine radiale Ausdehnung bzw. Aufweitung des Innenrings des zweiten Wälzlagers durch den Axialzapfen ermöglichende genügend hohe radiale Wärmedehnung möglich ist.The component according to the invention can basically be present in two different embodiments. According to a first embodiment, the component may be a rotationally fixed manner connected to the housing axial pin. In this case, it is preferable that the second rolling bearing is connected via its outer ring with the while and via its inner ring with the axial pin. Accordingly, in this bearing arrangement, a bearing of the first roller bearing is provided via the outer ring with the non-rotating housing and the inner ring with the rotatable shaft and a bearing of the second roller bearing on the outer ring with the rotatable shaft and on the inner ring with the non-rotating axial pin. The axial pin is preferably non-rotatably connected to the housing, wherein a one-piece design of the axial pin with the housing is conceivable. Likewise, the axial pin can be used as a separate component in a corresponding recess of the housing and there fixedly connected to this. The axial pin may be formed as a solid component or as an at least partially hollow cylindrical component, provided that a radial expansion or expansion of the inner ring of the second rolling bearing by the axial pin enabling sufficiently high radial thermal expansion is possible.
Der Axialzapfen besteht vorteilhaft aus einem Leichtmetall wie etwa Aluminium oder Magnesium oder entsprechenden Legierungen und weist insofern einen größeren Wärmeausdehnungskoeffizienten als der Innenring des zweiten Wälzlagers auf, welcher üblicherweise aus einem Wälzlagerstahl, wie zum Beispiel 100Cr6, gefertigt ist. Der Axialzapfen kann aus dem gleichen Material wie das Gehäuse der Lageranordnung bestehen. Neben den Genannten ist selbstverständlich eine Ausführung des Axialzapfens auch in anderen Materialien denkbar, solange dieses einen größeren thermischen Ausdehnungskoeffizienten als das die Welle bildende Material aufweist.The axial pin is advantageously made of a light metal such as aluminum or magnesium or corresponding alloys and thus has a greater coefficient of thermal expansion than the inner ring of the second bearing, which is usually made of a bearing steel, such as 100Cr6, manufactured. The axial pin may consist of the same material as the housing of the bearing assembly. In addition to the above, of course, an embodiment of the axial pin in other materials is conceivable, as long as this has a greater coefficient of thermal expansion than the material forming the shaft.
Gemäß einer alternativen Ausgestaltung kann das Bauelement eine drehfest auf der Welle angeordnete Hülse sein. Dabei ist es bevorzugt, dass das zweite Wälzlager über seinen Außenring mit dem Gehäuse und über seinen Innenring mit der Hülse verbunden ist. Diese Anordnung entspricht einer klassischen Anordnung, wobei beide Wälzlager über ihre Innenringe auf der rotierbaren Welle und mit ihren Außenringen drehfest mit dem Gehäuse verbunden sind. Gleichermaßen ist derart eine radiale Ausdehnung bzw. Aufweitung des Innenrings des zweiten Wälzlagers im Betrieb der Lageranordnung möglich. Dies erfolgt im Gegensatz zu der vorgenannten Ausführungsform, in welcher das Bauteil als Axialzapfen ausgebildet ist, über ein ring- bzw. hülsenförmiges Bauelement, welches drehfest auf der Welle angeordnet ist, sodass es Drehmomente der Welle auf den Innenring des zweiten Wälzlagers überträgt.According to an alternative embodiment, the device may be a rotatably mounted on the shaft sleeve. It is preferred that the second roller bearing is connected via its outer ring with the housing and its inner ring with the sleeve. This arrangement corresponds to a classic arrangement, wherein both roller bearings are rotatably connected via their inner rings on the rotatable shaft and with their outer rings to the housing. Similarly, such a radial expansion or expansion of the inner ring of the second rolling bearing during operation of the bearing assembly is possible. This is in contrast to the aforementioned embodiment, in which the component is designed as an axial pin, via a ring or sleeve-shaped component, which is rotatably mounted on the shaft, so that it transmits torques of the shaft to the inner ring of the second bearing.
Die Hülse kann aus einem Leichtmetall wie beispielsweise und nicht abschließend Aluminium oder Magnesium oder entsprechenden Legierungen gefertigt sein und weist sonach einen größeren thermischen Wärmeausdehnungskoeffizienten als der Innenring des zweiten Wälzlagers auf.The sleeve may be made of a light metal such as, but not limited to, aluminum or magnesium or alloys thereof, and thus has a greater coefficient of thermal expansion than the inner race of the second rolling bearing.
Bevorzugt sind die Wälzlager Schrägkugellager oder Kegelrollenlager. Die gesamte Lageranordnung ist in diesem Fall eine Schräglageranordnung. Schrägkugellager, wobei insbesondere einreihige Bauformen eingesetzt werden, sind selbsthaltende Baueinheiten mit massiven Außen- und Innenringen und Kugelkränzen mit Käfigen. Dabei sind die Laufbahnen der Innen- und Außenringe in Richtung der Lagerachse gegeneinander versetzt, sodass sowohl radiale als auch axiale Kräfte aufgenommen werden können. Kegelrollenlager sind ebenfalls axial wie radial belastbar und bestehen aus massiven Außen- und Innenringen mit kegeligen Laufbahnen sowie Kegelrollen mit Käfigen. Hierbei ist unter Bezugnahme auf die zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Bauelements in Form der Hülse darauf hinzuweisen, dass die Wälzlager in diesem Falle in einer so genannten X-Anordnung auf der Welle gelagert sind.Preferably, the bearings are angular contact ball bearings or tapered roller bearings. The entire bearing assembly is in this case an angular contact bearing arrangement. Angular contact ball bearings, in particular, single-row designs are used, self-holding units with massive outer and inner rings and ball and cage assemblies. The raceways of the inner and outer rings are offset in the direction of the bearing axis against each other, so that both radial and axial forces can be absorbed. Tapered roller bearings are also axially and radially resilient and consist of solid outer and inner rings with tapered raceways as well as tapered rollers with cages. It should be noted with reference to the second embodiment of the device according to the invention in the form of the sleeve, that the rolling bearings are mounted in this case in a so-called X-arrangement on the shaft.
In Weiterbildung der Erfindung ist das Gehäuse aus Leichtmetall, insbesondere aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung und die Welle aus Stahl, insbesondere aus einem gehärteten Vergütungsstahl, wie etwa Cf53 (Werkstoff Nr. 1.1213) gebildet. Grundsätzlich sind auch andere Werkstoffkombinationen denkbar, solange eine den mechanischen Anforderungen an die Lageranordnung gerecht werdende Stabilität gegeben ist.In a further development of the invention, the housing is made of light metal, in particular of aluminum or an aluminum alloy, and the shaft of steel, in particular of a hardened tempering steel, such as Cf53 (material no. 1.1213). In principle, other material combinations are conceivable as long as the mechanical requirements of the bearing assembly expectant stability is given.
Kurze Beschreibung der ZeichnungShort description of the drawing
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben. Es zeigen:An embodiment of the invention is illustrated in the drawing and will be described in more detail below. Show it:
Ausführliche Beschreibung der ZeichnungDetailed description of the drawing
Im Betrieb der Lageranordnung
Anhand der
Es wird dabei unter Bezugnahme auf die Ausführungsform gemäß
Im vorliegenden Beispiel wird eine Ausgangslänge von L = 100 mm sowie eine Temperaturänderung ΔT von 100 K angenommen. Entsprechend berechnet sich Δx1 durch Einsetzen der Werte zu 0,12 mm. Die Lageranordnung
Die Berechnung von Δy ergibt sich analog, wobei anstelle der Ausgangslänge L nun der Durchmesser D des Axialzapfens
Der Axialzapfen
In
Wie aus
Dies lässt sich umstellen und man erhält Δx2 = Δy/tanβ.This can be changed and you get Δx 2 = Δy / tanβ.
Die gesamte Axialspielveränderung Δxges der Lageranordnung
Hieraus folgt, dass durch eine geeignete Wahl der Abstände L, D, Passungen und des Winkels β eine Kompensation der unterschiedlichen Längendehnungen zwischen Gehäuse
Bezogen auf das obere Beispiel beträgt Δx1 = 0,12 mm und Δy = 0,06 mm. Bei einem beispielhaften Anstellwinkel von β = 11° berechnet sich Δx2 über den Winkel β respektive tan β zu 0,31 mm. Nach Subtraktion von Δx2 von Δx1 erhält man Δxges = –0,19 mm, was eine Kontraktion bzw. Vorspannung der Lageranordnung
Ändert man den Anstellwinkel β beispielsweise auf 25,6°, berechnet sich Δx2 zu 0,12 mm, das heißt, Δx2 entspricht genau Δx1, woraus folgt, dass die gesamte Axialspielveränderung Δxges 0 mm beträgt. In diesem Fall hat die betriebsbedingte Temperatursteigerung um 100 K keinen Einfluss auf das Spiel der Lageranordnung
Die gleichen Überlegungen gelten auch für die Aluminiumhülse
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Lageranordnungbearing arrangement
- 22
- Gehäusecasing
- 33
- Wellewave
- 44
- KegelrollenlagerTapered roller bearings
- 55
- Außenringouter ring
- 66
- Innenringinner ring
- 77
- KegelrollenlagerTapered roller bearings
- 88th
- Axialzapfenaxial pin
- 99
- Außenringouter ring
- 1010
- flanschartiger Abschnittflange-like section
- 1111
- Innenringinner ring
- 1212
- Hülseshell
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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- EP 1013971 A2 [0007] EP 1013971 A2 [0007]
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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R081 | Change of applicant/patentee |
Owner name: SCHAEFFLER TECHNOLOGIES AG & CO. KG, DE Free format text: FORMER OWNER: SCHAEFFLER TECHNOLOGIES GMBH & CO. KG, 91074 HERZOGENAURACH, DE Effective date: 20120824 Owner name: SCHAEFFLER TECHNOLOGIES GMBH & CO. KG, DE Free format text: FORMER OWNER: SCHAEFFLER TECHNOLOGIES GMBH & CO. KG, 91074 HERZOGENAURACH, DE Effective date: 20120824 |
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R081 | Change of applicant/patentee |
Owner name: SCHAEFFLER TECHNOLOGIES GMBH & CO. KG, DE Free format text: FORMER OWNER: SCHAEFFLER TECHNOLOGIES AG & CO. KG, 91074 HERZOGENAURACH, DE Effective date: 20140217 Owner name: SCHAEFFLER TECHNOLOGIES AG & CO. KG, DE Free format text: FORMER OWNER: SCHAEFFLER TECHNOLOGIES AG & CO. KG, 91074 HERZOGENAURACH, DE Effective date: 20140217 |
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R081 | Change of applicant/patentee |
Owner name: SCHAEFFLER TECHNOLOGIES AG & CO. KG, DE Free format text: FORMER OWNER: SCHAEFFLER TECHNOLOGIES GMBH & CO. KG, 91074 HERZOGENAURACH, DE Effective date: 20150402 |
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R016 | Response to examination communication | ||
R018 | Grant decision by examination section/examining division | ||
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