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

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 Download PDF

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Abstract

The arrangement (1) has an aluminum-housing (2) exhibiting increased thermal expansion co-efficient than that of a shaft (3), which is made of Cf53 steel. A conical roller bearing (4) supports the shaft and is connected with the housing via an outer ring (5). Another conical roller bearing (7) is connected with an axial pin (8), which exhibits increased thermal expansion co-efficient than that of an inner ring (11). The latter bearing is limited, during operation of the arrangement, where radial expansion of the inner ring of the latter bearing is occurred by thermal expansion of the pin.

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.

DE 34 17 699 A1 betrifft ein Synchron-Schaltgetriebe mit einem aus Leichtmetall bestehenden Gehäuse, in dem die aus Stahl bestehenden Getriebewellen nahe ihren Enden mittels Wälzlagern gelagert sind. Dabei ist mindestens eine der Getriebewellen mittels eingestellter Kegelrollenlager gelagert und als Teleskopwelle mit zwei teleskopartig axial gegeneinander verschiebbaren Teilen ausgebildet, zwischen denen ein axial ausdehnbares stabförmiges Expansions-Kompensationsglied aus dem gleichen Werkstoff wie das Gehäuse angeordnet ist. DE 34 17 699 A1 relates to a synchronous transmission with a light metal housing, in which the existing steel transmission shafts are mounted near their ends by means of rolling bearings. In this case, at least one of the transmission shafts is mounted by means of adjusted tapered roller bearings and formed as a telescopic shaft with two telescopically axially mutually displaceable parts, between which an axially expandable rod-shaped expansion compensation member of the same material as the housing is arranged.

DE 602 05 198 T2 betrifft eine Lagervorrichtung mit einer auf Kegelrollen in einem Gehäuse gelagerten Getriebewelle, wobei die Getriebewelle einen kleineren thermischen Ausdehnungskoeffizient als das Gehäuse aufweist. Die Lagervorrichtung ist dabei so konstruiert, dass der Kontaktwinkel der Kegelrollen im Bezug auf die äußeren Ringe der Kegelrollenlager zwischen 8° und 13,5° liegt. DE 602 05 198 T2 relates to a bearing device with a gear shaft mounted on tapered rollers in a housing, wherein the gear shaft has a smaller thermal expansion coefficient than the housing. The bearing device is designed so that the contact angle of the tapered rollers with respect to the outer rings of the tapered roller bearings is between 8 ° and 13.5 °.

Aus DE 31 50 330 A1 ist ein Getriebe mit einem Leichtmetall-Gehäuse und zumindest einer Stahlwelle bekannt, welche zwischen zwei Querwänden des Gehäuses in Axiallagern spielfrei gelagert ist. Ferner ist zumindest eine Querwand vorgesehen, die die unterschiedlichen Wärmeausdehnungen zwischen dem Gehäuse und der Welle ausgleicht. Dabei sind an oder in zumindest der einen Querwand Regelglieder mit einem gegenüber dem Leichtmetall unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten angeordnet, welche die Querwand bei Temperaturänderungen durch Erzeugung einer Bimetallwirkung im Bereich der Axiallager verformen.Out DE 31 50 330 A1 is a transmission with a light metal housing and at least one steel shaft known, which is mounted without clearance between two transverse walls of the housing in thrust bearings. Furthermore, at least one transverse wall is provided, which compensates for the different thermal expansions between the housing and the shaft. Here, at or in at least one transverse wall control members are arranged with a different coefficient of expansion compared to the light metal, which deform the transverse wall with temperature changes by generating a bimetallic effect in the region of the thrust bearings.

EP 1 013 971 A2 betrifft ein Getriebe mit einem in zwei Segmente unterteilten Getriebegehäuse, welche aus Materialen mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungen bestehen. Dabei sind die geometrischen Abmessungen der beiden Getriebesegmente insbesondere in axialer Richtung derart aufeinander abgestimmt, dass diese sich im Betrieb des Lagers thermisch bedingt genau so ausdehnen wie zwei innerhalb des Lagers aufgenommene Wellen. EP 1 013 971 A2 relates to a transmission with a divided into two segments gear housing, which consist of materials with different thermal expansions. In this case, the geometric dimensions of the two gear segments, in particular in the axial direction, are matched to one another in such a way that, during operation of the bearing, they extend thermally for exactly the same extent as two shafts received within the bearing.

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:

1 eine Prinzipdarstellung einer erfindungsgemäßen Lageranordnung einer ersten Ausführungsform in einer Schnittansicht, 1 a schematic representation of a bearing assembly according to the invention of a first embodiment in a sectional view,

2 eine Prinzipdarstellung einer erfindungsgemäßen Lageranordnung einer zweiten Ausführungsform in einer Schnittansicht, 2 a schematic representation of a bearing assembly according to the invention a second embodiment in a sectional view,

3 eine Prinzipdarstellung der mit III gekennzeichneten Einzelheit aus 1 bzw. 2, und 3 a schematic representation of the marked with III detail 1 respectively. 2 , and

4 eine vergrößerte Prinzipdarstellung der 3. 4 an enlarged schematic representation of 3 ,

Ausführliche Beschreibung der ZeichnungDetailed description of the drawing

1 zeigt eine Prinzipdarstellung einer erfindungsgemäßen Lageranordnung 1 in einer ersten Ausführungsform in einer Schnittansicht. Die Lageranordnung 1 umfasst ein Aluminium-Gehäuse 2, in welches sich eine aus einem Wellenstahl wie zum Beispiel Cf53 gebildete Stahlwelle 3 erstreckt, sodass das Gehäuse 2 einen etwa um Faktor zwei größeren thermischen Ausdehnungskoeffizienten als die Welle 3 aufweist. Die Lageranordnung 1 ist mit einer bestimmten Vorspannung eingestellt. Auf der Welle 3 befinden sich nicht näher bezeichnete Ritzel. Ein die Welle 3 lagerndes erstes Wälzlager in Form des Kegelrollenlagers 4 ist über seinen Außenring 5 drehfest mit dem Gehäuse 2 und über seinen Innenring 6 mit der Welle 3 verbunden. Dazu bezüglich der Welle 3 axial beabstandet befindet sich ein zweites, die Welle 3 lagerndes Kegelrollenlager 7. Die Kegelrollenlager 4, 7 sind aus einem typischen Wälzlagerstahl gefertigt. Ferner ist ein Bauelement in Form eines Axialzapfens 8 aus Aluminium vorgesehen, wobei das zweite Kegelrollenlager 7 über seinen Außenring 9 mit der Welle 3 über einen dieser zugehörigen flanschartigen Abschnitt 10 und über seinen Innenring 11 mit dem Axialzapfen 8 verbunden ist. Der Axialzapfen 8 ist mit dem Gehäuse 2 drehfest verbunden. Die Verbindung erfolgt über nicht gezeigte Befestigungsmittel, gleichwohl kann der Axialzapfen 8 mit dem Gehäuse 2 auch einstückig ausgeführt sein. Anstelle der Kegelrollenlager 4, 7 wäre auch der Einsatz von Schrägkegellagern denkbar. 1 shows a schematic diagram of a bearing arrangement according to the invention 1 in a first embodiment in a sectional view. The bearing arrangement 1 includes an aluminum housing 2 into which a steel shaft formed of a corrugated steel such as Cf53 3 extends so that the housing 2 an approximately two times larger thermal expansion coefficient than the shaft 3 having. The bearing arrangement 1 is set with a certain preload. On the wave 3 are unspecified pinion. A the wave 3 bearing first rolling bearing in the form of tapered roller bearing 4 is about his outer ring 5 rotatably with the housing 2 and about his inner ring 6 with the wave 3 connected. In addition to the wave 3 axially spaced is a second, the shaft 3 bearing tapered roller bearing 7 , The tapered roller bearings 4 . 7 are made of a typical bearing steel. Furthermore, a component in the form of an axial pin 8th made of aluminum, the second tapered roller bearing 7 over its outer ring 9 with the wave 3 via one of these associated flange-like section 10 and about his inner ring 11 with the axial pin 8th connected is. The axial pin 8th is with the case 2 rotatably connected. The connection takes place via fastening means, not shown, nevertheless, the axial pin 8th with the housing 2 also be made in one piece. Instead of tapered roller bearings 4 . 7 would also be the use of Schrägkegellagern conceivable.

Im Betrieb der Lageranordnung 1 kommt es durch die unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen Gehäuse 2 und Welle 3 zu einer axialen Aufweitung der Lageranordnung 1, wie sie durch den mit Δx1 gekennzeichneten Doppelpfeil beschrieben ist, und somit zu einer Änderung der Vorspannung bzw. des Lagerspiels in den Kegelrollenlagern 4, 7, da sich bezogen auf das erste Kegelrollenlager 4 der Außenring 5 nach links und bezogen auf das Kegelrollenlager 7 der Innenring 11 nach rechts bewegt. Im Betrieb der Lageranordnung 1 kommt es bedingt durch den im Vergleich zur Welle 3 sowie zu dem Innenring 11 höheren thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Axialzapfens 8 zusätzlich zu einer radialen Ausdehnung bzw. Aufweitung des Axialzapfens 8 und dadurch zu einer radialen Aufweitung des Innenrings 11 des zweiten Kegelrollenlagers 7, wie durch den mit Δy gekennzeichneten Doppelpfeil dargestellt. Die radiale Aufweitung des Innenrings 11 entsteht durch den von dem Axialzapfen 8 ausgehenden Wärmeeintrag. Dabei ändert sich der Durchmesser des Innenrings 11 im Vergleich zum Durchmesser des Außenrings 9 des Kegelrollenlagers 7, sodass sich deren Abstand zueinander verringert, was in einer Normalkraft auf das Kegelrollenlager 7 resultiert. Derart kann unter Beachtung der Abstände, Winkel und Wärmeausdehnungskoeffizienten der eingesetzten Materialien das im Betrieb der Lageranordnung 1 entstehende Lagerspiel weitgehend bis vollständig kompensiert werden, es ergibt sich insofern keine Beeinflussung der Anstellung, das heißt keine Änderung der eingestellten Vorspannung der Lageranordnung 1 durch Temperaturschwankungen. Das genaue Funktionsprinzip des Spielausgleichs der Lageranordnung 1 wird weiter unten anhand der 3 und 4 näher erläutert.In operation of the bearing assembly 1 it comes through the different thermal expansion coefficients between housing 2 and wave 3 to an axial expansion of the bearing assembly 1 , as described by the double arrow marked with Δx 1 , and thus to a change in the preload or the bearing clearance in the tapered roller bearings 4 . 7 , as related to the first tapered roller bearing 4 the outer ring 5 to the left and related to the tapered roller bearing 7 the inner ring 11 moved to the right. In operation of the bearing assembly 1 it comes due to the compared to the wave 3 as well as to the inner ring 11 higher thermal expansion coefficient of the axial pin 8th in addition to a radial expansion or widening of the axial pin 8th and thereby to a radial expansion of the inner ring 11 the second tapered roller bearing 7 as shown by the double arrow marked Δy. The radial expansion of the inner ring 11 originates from that of the axial pin 8th outgoing heat input. This changes the diameter of the inner ring 11 compared to the diameter of the outer ring 9 tapered roller bearing 7 so that their distance from each other decreases, resulting in a normal force on the tapered roller bearing 7 results. In this way, taking into account the distances, angles and thermal expansion coefficients of the materials used during operation of the bearing assembly 1 resulting bearing clearance are largely compensated to fully, it is so far no influence on the employment, that is, no change in the set bias of the bearing assembly 1 due to temperature fluctuations. The exact operating principle of the clearance compensation of the bearing assembly 1 will be explained below on the basis of 3 and 4 explained in more detail.

2 zeigt eine Prinzipdarstellung einer erfindungsgemäßen Lageranordnung 1 einer zweiten Ausführungsform in einer Schnittansicht. Der wesentliche Unterschied zu der Ausführungsform gemäß 1 besteht in der Lagerung des zweiten Kegelrollenlagers 7. Dieses ist mit seinem Außenring 9 wie das Kegelrollenlager 4 drehfest mit dem Gehäuse 2 verbunden und mit seinem Innenring 11 auf der Welle 3 gelagert. Es handelt sich sonach um eine klassische X-Anordnung der Kegelrollenlager 4, 7 auf der Welle 3. Im Bereich der Lagerung des zweiten Kegelrollenlagers 7 ist auf der Welle 3 eine mit der Welle 3 drehfest verbundene Hülse 12 vorgesehen. Die Hülse 12 hat dabei eine dem Prinzip nach gleiche Wirkung wie der Axialzapfen 8 aus 1, da die Hülse 12 gleichfalls aus Aluminium besteht und somit einen größeren thermischen Ausdehnungskoeffizienten als die Welle 3 und das Kegelrollenlager 7 respektive dessen Innenring 11 aufweist. Folglich bewirkt die Hülse 12 analog zu dem Axialzapfen 8 eine radiale Aufweitung (vgl. Doppelpfeil Δy) des Innenrings 11 des zweiten Kegelrollenlagers 7, welche der axialen Aufweitung der Lageranordnung 1 (vgl. Doppelpfeil Δx) bedingt durch den im Vergleich zu der Welle 3 größeren thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Gehäuses 2 entgegenwirkt. 2 shows a schematic diagram of a bearing arrangement according to the invention 1 a second embodiment in a sectional view. The essential difference from the embodiment according to 1 consists in the storage of the second tapered roller bearing 7 , This is with its outer ring 9 like the tapered roller bearing 4 rotatably with the housing 2 connected and with its inner ring 11 on the wave 3 stored. It is therefore a classic X-arrangement of the tapered roller bearings 4 . 7 on the wave 3 , In the area of the bearing of the second tapered roller bearing 7 is on the wave 3 one with the shaft 3 rotatably connected sleeve 12 intended. The shell 12 has a principle the same effect as the axial pin 8th out 1 because the sleeve 12 also consists of aluminum and thus a larger thermal expansion coefficient than the shaft 3 and the tapered roller bearing 7 respectively its inner ring 11 having. Consequently, the sleeve causes 12 analogous to the axial pin 8th a radial expansion (see double arrow .DELTA.y) of the inner ring 11 the second tapered roller bearing 7 , which is the axial expansion of the bearing assembly 1 (see double arrow Δx) due to the compared to the wave 3 larger thermal expansion coefficient of the housing 2 counteracts.

Anhand der 3 und 4 wird das Prinzip der vorliegenden Erfindung näher erläutert, wobei 3 eine Prinzipdarstellung der mit III gekennzeichneten Einzelheit aus 1 bzw. 2 und 4 eine vergrößerte Prinzipdarstellung der 3 zeigt.Based on 3 and 4 the principle of the present invention is explained in more detail, wherein 3 a schematic representation of the marked with III detail 1 respectively. 2 and 4 an enlarged schematic representation of 3 shows.

Es wird dabei unter Bezugnahme auf die Ausführungsform gemäß 1 angenommen, dass das Gehäuse 2, sowie der Axialzapfen 8 aus Aluminium (thermischer Längenausdehnungskoeffizient αAl ca. 24 × 10–6 K–1) und die Welle 3 aus Stahl (thermischer Längenausdehnungskoeffizient αst ca. 12 × 10–6 K–1) gefertigt ist. Die axiale Ausdehnung bzw. Aufweitung der Lageranordnung 1 berechnet sich nach der allgemeinen Formel zur Längendehnung ΔL = α × L × ΔT, wobei α sich durch Subtraktion der unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten der Welle 3 und des Axialzapfens 8 ergibt (α = αAl – αSt), L die axiale Ausgangslänge, das heißt der Abstands zwischen den Kegelrollenlagern 4, 7, und ΔT die Temperaturänderung im Betrieb der Lageranordnung 1 darstellt. Dabei ist die oben mit Δx1 eingeführte axiale Aufweitung der Lageranordnung 1 der Längendehnung ΔL gleichzusetzen, sodass sich insgesamt ergibt Δx1 = ΔL = αAl – αSt × L × ΔT. It is doing with reference to the embodiment according to 1 assumed that the case 2 , as well as the axial pin 8th made of aluminum (thermal coefficient of linear expansion α Al approximately 24 × 10 -6 K -1 ) and the shaft 3 made of steel (thermal coefficient of linear expansion α st approximately 12 × 10 -6 K -1 ). The axial expansion or expansion of the bearing assembly 1 is calculated according to the general formula for elongation ΔL = α × L × ΔT, where α is obtained by subtracting the different thermal expansion coefficients of the shaft 3 and the axial pin 8th gives (α = α Al - α St ), L the axial initial length, that is the distance between the tapered roller bearings 4 . 7 , and ΔT the temperature change during operation of the bearing assembly 1 represents. Here, the above with .DELTA.x 1 introduced axial expansion of the bearing assembly 1 equate to the elongation ΔL so that the overall result Δx 1 = ΔL = α Al - α St × L × ΔT.

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 1 weitet sich demnach im Betrieb um ca. 0,12 mm in axialer Richtung.In the present example, an initial length of L = 100 mm and a temperature change ΔT of 100 K is assumed. Accordingly, Δx 1 is calculated by substituting the values to 0.12 mm. The bearing arrangement 1 accordingly widens in operation by about 0.12 mm in the axial direction.

Die Berechnung von Δy ergibt sich analog, wobei anstelle der Ausgangslänge L nun der Durchmesser D des Axialzapfens 8 eingesetzt werden muss. Dieser beträgt im Beispiel 50 mm. Entsprechend errechnet sich Δy zu 0,06 mm. Dies ergibt sich aus Δy = ΔD = αAl – αSt × D × ΔT. The calculation of Δy results analogously, wherein instead of the initial length L now the diameter D of the axial pin 8th must be used. This is in the example 50 mm. Accordingly, Δy is calculated to be 0.06 mm. This is evident Δy = ΔD = α Al - α St × D × ΔT.

Der Axialzapfen 8 weitet sich demnach im Betrieb um 0,06 mm in radialer Richtung und bedingt derart eine radiale Aufweitung des Innenrings 11 des zweiten Kegelrollenlagers 7.The axial pin 8th accordingly expands in operation by 0.06 mm in the radial direction and conditions such a radial expansion of the inner ring 11 the second tapered roller bearing 7 ,

In 3 ist die berechnete radiale Aufweitung Δy des zweiten Kegelrollenlagers 7 in vektorieller Darstellung im Bereich zwischen der Kegelrolle 13 und dem Innenring 11 des Kegelrollenlagers 7 gezeigt. Die axiale Ausdehnung des Kegelrollenlagers 7 ist mit Δx2 bezeichnet, wobei Δx2 kleiner als Δx1 ist.In 3 is the calculated radial expansion Δy of the second tapered roller bearing 7 in vector representation in the area between the tapered roller 13 and the inner ring 11 tapered roller bearing 7 shown. The axial extent of the tapered roller bearing 7 is denoted by Δx 2 , where Δx 2 is smaller than Δx 1 .

Wie aus 4, welche ausschnittsweise den Innenring 11 des Kegelrollenlagers 7 zeigt, ersichtlich ist, besteht zwischen dem Anstellwinkel β, der axialen Ausdehnung Δx2 sowie der radialen Ausdehnung Δy folgender geometrischer Zusammenhang tanβ = Δy/Δx2. How out 4 , which fragmentary the inner ring 11 tapered roller bearing 7 shows, it is apparent, between the angle of attack β, the axial extent .DELTA.x 2 and the radial extent .DELTA.y the following geometric relationship tanβ = Δy / Δx 2 .

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 1 ergibt sich aus der Differenz zwischen Δx1 und Δx2, sodass gilt: Δxges = Δx1 – Δx2. The entire Axialspielveränderung Δx ges the bearing assembly 1 results from the difference between Δx 1 and Δx 2 , so that: Δx ges = Δx 1 - Δx 2 .

Hieraus folgt, dass durch eine geeignete Wahl der Abstände L, D, Passungen und des Winkels β eine Kompensation der unterschiedlichen Längendehnungen zwischen Gehäuse 2 und Welle 3 der Lageranordnung 1 möglich ist, so dass es zu einem Spielausgleich kommen kann respektive eine eingestellte Vorspannung der Lageranordnung 1 im Wesentlichen unverändert bleibt.It follows that by a suitable choice of the distances L, D, fits and the angle β compensation of the different elongations between housing 2 and wave 3 the bearing arrangement 1 is possible, so that it can come to a clearance compensation respectively a set bias of the bearing assembly 1 remains essentially unchanged.

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 1 bei einer Temperaturerhöhung um 100 K bedeutet.Based on the above example, Δx 1 = 0.12 mm and Δy = 0.06 mm. At an exemplary angle of attack of β = 11 °, Δx 2 is calculated to be 0.31 mm via the angle β or tan β. After subtracting Δx 2 from Δx 1 , Δx ges = -0.19 mm, which results in a contraction or preload of the bearing arrangement 1 at a temperature increase by 100 K means.

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 1 bzw. dessen Vorspannung.If one changes the angle β, for example, 25.6 °, Ax 2 calculated to be 0.12 mm, that is, Ax 2 corresponds exactly Ax 1, from which it follows that the entire Axialspielveränderung Ax is ges 0 mm. In this case, the operational temperature increase of 100 K has no effect on the play of the bearing assembly 1 or its bias.

Die gleichen Überlegungen gelten auch für die Aluminiumhülse 12. Ist diese nicht aus Aluminium gefertigt, ist lediglich der jeweilige Längenausdehnungskoeffizient α des verwendeten Hülsenmaterials anstelle des Längenausdehnungskoeffizientens αAl des den Axialzapfen 8 bildenden Aluminiums zu verwenden, wodurch sich gegebenenfalls andere zu einem Spielausgleich führende Anstellwinkel β ergeben. Selbstverständlich sind alternativ oder ergänzend auch andere Größen wie zum Beispiel der Durchmesser D des Axialzapfens 8 bzw. der Aluminiumhülse 12 oder der Abstand L der Lageranordnung 1 zum Ausgleich des Lagerspiels variierbar. An dem Grundprinzip ändert sich nichts.The same considerations apply to the aluminum sleeve 12 , If this is not made of aluminum, only the respective coefficient of linear expansion α of the used Sleeve material instead of the coefficient of linear expansion α Al of the axial pin 8th to use forming aluminum, which may result in other leading to a clearance compensation angle β. Of course, as an alternative or in addition, other variables such as the diameter D of the axial pin 8th or the aluminum sleeve 12 or the distance L of the bearing assembly 1 variable to compensate for the bearing clearance. Nothing changes in the basic principle.

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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  • EP 1013971 A2 [0007] EP 1013971 A2 [0007]

Claims (9)

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, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Wälzlager (7) über seinen Innenring (11) mit einem einen höheren thermischen Ausdehnungskoeffizienten als der Innenring (11) aufweisenden Bauelement verbunden ist, so dass sich im Betrieb der Lageranordnung (1) bedingt durch die thermische Ausdehnung des Bauelements eine radiale Ausdehnung des Innenrings (11) des zweiten Wälzlagers (7) ergibt.Bearing arrangement comprising a housing, in which a shaft extends, wherein the housing has a greater coefficient of thermal expansion than the shaft, and a shaft bearing first bearing, which is rotatably connected via its outer ring to the housing and its inner ring with the shaft, and an axially spaced, the shaft bearing second rolling bearing, characterized in that the second rolling bearing ( 7 ) via its inner ring ( 11 ) having a higher thermal expansion coefficient than the inner ring ( 11 ) is connected, so that during operation of the bearing assembly ( 1 ) due to the thermal expansion of the component a radial expansion of the inner ring ( 11 ) of the second rolling bearing ( 7 ). Lageranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauelement ein drehfest mit dem Gehäuse (2) verbundener Axialzapfen (8) ist.Bearing arrangement according to claim 1, characterized in that the component rotatably with the housing ( 2 ) connected axial pin ( 8th ). Lageranordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Wälzlager (7) über seinen Außenring (9) mit der Welle (3) und über seinen Innenring (11) mit dem Axialzapfen (8) verbunden ist.Bearing arrangement according to claim 2, characterized in that the second rolling bearing ( 7 ) via its outer ring ( 9 ) with the wave ( 3 ) and via its inner ring ( 11 ) with the axial pin ( 8th ) connected is. Lageranordnung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Axialzapfen (8) aus einem Leichtmetall gebildet ist.Bearing arrangement according to claim 2 or 3, characterized in that the axial pin ( 8th ) is formed of a light metal. Lageranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauelement eine drehfest auf der Welle (3) angeordnete Hülse (12) ist.Bearing arrangement according to claim 1, characterized in that the component rotatably on the shaft ( 3 ) arranged sleeve ( 12 ). Lageranordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Wälzlager (7) über seinen Außenring (9) mit dem Gehäuse (2) und über seinen Innenring (11) mit der Hülse (12) verbunden ist.Bearing arrangement according to claim 5, characterized in that the second rolling bearing ( 7 ) via its outer ring ( 9 ) with the housing ( 2 ) and via its inner ring ( 11 ) with the sleeve ( 12 ) connected is. Lageranordnung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Hülse (12) aus einem Leichtmetall gebildet ist.Bearing arrangement according to claim 5 or 6, characterized in that the sleeve ( 12 ) is formed of a light metal. Lageranordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wälzlager Schrägkugellager oder Kegelrollenlager (4, 7) sind.Bearing arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the rolling bearings angular contact ball bearings or tapered roller bearings ( 4 . 7 ) are. Lageranordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (2) aus Leichtmetall und die Welle (3) aus Stahl gebildet ist.Bearing arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the housing ( 2 ) made of light metal and the shaft ( 3 ) is made of steel.
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