DE102010026856A1

DE102010026856A1 - Wälzlager und Kurbeltrieb mit diesem

Info

Publication number: DE102010026856A1
Application number: DE201010026856
Authority: DE
Inventors: Tobias Mederer; Oliver Graf-Goller; Dr. Kruhöffer Wolfram
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2010-07-12
Filing date: 2010-07-12
Publication date: 2012-01-12

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Wälzlager (1) und einen Kurbeltrieb mit einem solchen Wälzlager (1), bestehend aus einer Vielzahl über den Umfang verteilter Wälzkörper (2), die jeweils eine Stirnseite (10) vorgegebenen Durchmessers (d) und eine Mantelfläche (9) vorgegebener axialer Breite (B) aufweisen, sowie einem die Wälzkörper (2) aufnehmenden Lagerkäfig (4), wobei die Mantelflächen (9) der Wälzkörper (2) zwischen einer einem ersten Bauteil (5) zugeordneten ersten Laufbahn (7) und einer einem zweiten Bauteil (6) zugeordneten zweiten Laufbahn (8) abwälzen.
Zur Verringerung der Reibung des Wälzlagers (1) sind die Wälzkörper (2) erfindungsgemäß als Rollen (3) ausgebildet, deren Verhältnis der Breite (B) zum Durchmesser (d) kleiner gleich 1,5, bevorzugt kleiner gleich 1,0 beträgt.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Wälzlager und einen Kurbeltrieb mit einem solchen Wälzlager, bestehend aus einer Vielzahl über den Umfang verteilter Wälzkörper, die jeweils eine Stirnfläche vorgegebenen Durchmessers und eine Mantelfläche vorgegebener axialer Breite aufweisen, sowie einem die Wälzkörper aufnehmenden Lagerkäfig, wobei die Mantelflächen der Wälzkörper zwischen einer einem ersten Bauteil zugeordneten ersten Laufbahn und einer einem zweiten Bauteil zugeordneten zweiten Laufbahn abwälzen.
Hintergrund der Erfindung
In Wärmekraftmaschinen wie beispielsweise Hubkolbenmotoren sind Kurbeltriebe mit Hubkolben vorgesehen, die eine Kurbelwelle antreiben. Zur Umsetzung der Hubbewegung der Kolben in eine Drehbewegung der Kurbelwelle sind dabei Pleuel vorgesehen, die an einer Kröpfung der Kurbelwelle mittels einer Lagerung aufgenommen sind. Die 20 2006 016 993 U1 zeigt eine solche Lagerung eines Pleuels mittels eines Gleitlagers, das aus zwei durch Bruchtrennen gebildeten Lagerschalen besteht, die um eine Lagerstelle einer einteiligen Kurbelwelle zu dem Gleitlager zusammengesetzt werden. Um eine erhöhte Lagerreibung und hohen Verschleiß der Lagerstelle zu vermeiden, sind derartige Gleitlager in Umgebungen mit geringem Schmiermittelvorrat wenig geeignet. Weiterhin weisen Gleitlager ein vergleichsweise hohes Reibmoment auf.
Aus der DE 10 2006 017 091 A1 ist darüber hinaus ein Wälzlager mit Wälzkörpern bekannt, die zwischen zwei der Kurbelwelle und dem Pleuel zugeordneten Laufflächen abwälzen sowie über den Umfang in einem Lagerkäfig positioniert und in diesem geführt werden. Hierbei sind die Wälzkörper in Form von zylindrischen Nadeln ausgebildet, deren Breite ein Vielfaches größer als deren Durchmesser ist. Infolge der erwünschten kleinen Verhältnisse der Breite einer Kurbelwellenwange, also dem effektiven axialen Bauraum des Wälzlagers und dem Durchmesser des Kurbelwellenzapfens steht dabei jedoch nur ein begrenzter Rollendurchmesser bei vorgegebener axialer Breite der Nadeln zur Verfügung. Darüber hinaus treten dabei wegen der in dem Kurbeltrieb auftretenden Zentrifugalbeschleunigung des Wälzlagers große Reibmomente der Mantelflächen der Nadeln gegenüber dem Lagerkäfig sowie zwischen der Käfigführung und dem führenden Lagerring auf, so dass die Gesamtreibung des Pleuellagers keine entscheidenden Vorteile gegenüber einem Gleitlager bezüglich dessen Reibeigenschaften aufweist.
Aufgabe der Erfindung
Der Erfindung liegt daher im Rahmen der Problematik der weltweit knapper werdenden Treibstoffressourcen und des erhöhten Ausstoßes von Kohlendioxid in die Erdatmosphäre die Aufgabe zu Grunde, ein Wälzlager und ein Kurbeltrieb mit einem solchen Wälzlager in zentrifugalbeschleunigten Anwendungen vorzuschlagen, die vor allem eine verminderte Reibung aufweisen und dadurch eine Einsparung von Treibstoff und einen verringerten Ausstoß von Kohlendioxid ermöglichen.
Beschreibung der Erfindung
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei einem Wälzlager nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 derart gelöst, dass die Wälzkörper als Rollen, beispielsweise als Zylinderrollen, Tonnenrollen und dergleichen ausgebildet sind, deren Verhältnis der Breite zum Durchmesser kleiner gleich 1,5, bevorzugt kleiner gleich 1,0, beträgt.
Gemäß dem erfinderischen Gedanken wird durch dieses Verhältnis eine Minimierung der Kontaktbereiche der Wälzkontakte zwischen den Mantelflächen der Rollen und den Laufbahnen erzielt. Die Tragzahl dieser Wälzlager kann bei verringerter Reibung im Vergleich mit Wälzlagern mit größeren Verhältnissen zumindest gleich oder höher ausgelegt werden. Gegenüber Wälzlagern bekannter Verhältnisse größer zwei kann hierbei die Reibung deutlich, beispielsweise um einen Faktor zwei verringert werden. Zwar resultieren gemäß dem angegebenen Verhältnis schmale Rollen mit großem Durchmesser, die den radialen Bauraum geringfügig erhöhen, zugleich können vorteilhafterweise schmale Anwendungen wie Kurbeltriebe vorgesehen sein, die in besonders schmal bauenden Brennkraftmaschinen, beispielsweise für den Frontquereinbau in einem Kraftfahrzeug, deren axialen Bauraumbedarf einschränken können.
Je nach Einsatz des Wälzlagers in einem Kurbeltrieb mit einer einteiligen oder gebauten Kurbelwelle können die Lagerkäfige geteilt oder einteilig ausgebildet sein. Ist beispielsweise eine gebaute Kurbelwelle vorgesehen, kann der Lagerkäfig ebenso einteilig ausgebildet sein wie die die Laufbahnen bildenden Laufringe auf der Kurbelwelle und in den Pleuelaugen eines in diesem Falle einteiligen Pleuels, wobei die Laufringe auch einteilig in diese unter Ausbildung der Laufbahnen integriert sein können. Bei einer einteiligen Kurbelwelle sind anteilig mit den Zylinderrollen bestückte Käfigteile des Lagerkäfigs mehrteilig, bevorzugt zweiteilig vorgesehen, die um die Lagerstelle an der Kurbelwelle angeordnet werden, bevor das geteilte Pleuelauge mit dessen ebenfalls geteilter Laufbahn um die Lagerstelle geschlossen wird. Es versteht sich, dass das Wälzlager während der Montage auch in den Pleuelteilen angeordnet sein kann.
Neben den Wälzkontakten zu den Laufbahnen treten Gleitkontakte der Rolle gegenüber dem Lagerkäfig, des Lagerkäfigs gegenüber der Käfigführung und/oder beispielsweise durch eine axiale Führung eines Pleuels gegenüber einer Kurbelwelle auf. Erfindungsgemäß wird durch die vorgeschlagene Gestaltung der Rollen im Weiteren eine verringerte Gleitgeschwindigkeit dieser Gleitkontakte vorgesehen. Beispielsweise kann zumindest eine der Laufbahnen zumindest einen als Axialanschlag für die Zylinderrollen dienenden radial erweiterten Bord aufweisen, so dass die Axialführung des Pleuels an zumindest zwei gegenüberliegenden Borden erfolgt. An diesen Borden stützen sich die Rollen in beide Richtungen ab und führen damit das Pleuel gegenüber der Kurbelwelle axial. Eine derartige Axialführung mittels der Borde kann zusätzlich oder alternativ zu einer bereits vorgesehenen gleitenden Axialführung der beiden das Wälzlager aufnehmenden Bauteile wie Pleuel und Kurbelwelle vorgesehen sein.
Weiterhin können bei einer axialen Führung über die sich an entsprechenden Borden abstützenden Rollen ein kleinerer Reibradius und damit geringere Gleitgeschwindigkeiten mit verringertem Reibmoment erzielt werden als die üblicherweise ausgebildete axiale Abstützung des Pleuels gegenüber der Pleuelführung. Dabei hat es sich als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn beidseitig der Rollen angeordnete Borde an der Laufbahn des radial inneren Bauteils wie Kurbelwelle vorgesehen werden, so dass die Rollen bei sehr kleinen Durchmessern abgestützt werden können.
Werden die Borde an den radial beabstandeten Laufbahnen jeweils einseitig gegenüber liegend angeordnet, kann beispielsweise ein Pleuel gegenüber einer Kurbelwelle in eine axiale Richtung geführt werden. Bevorzugt werden Borde an beiden Seiten beider Laufbahnen vorgesehen, so dass ein entsprechendes Pleuel gegenüber einer Kurbelwelle in beide Axialrichtungen geführt ist.
Weiterhin hat sich nach dem erfinderischen Gedanken als vorteilhaft erwiesen, wenn die Gleitgeschwindigkeiten zwischen den Rollen und dem Lagerkäfig durch eine Verringerung des Gleitdurchmessers und damit die Reibung dieses Reibkontakts verringert wird, indem axial an den Stirnflächen der Rollen die Führung dieser an dem Lagerkäfig mittels axialen Fortsätzen kleineren Durchmessers vorgesehen ist. Hierbei sind die axialen Fortsätze an dem Lagerkäfig oder an den Rollen vorgesehen und greifen in komplementär ausgebildete Öffnungen an den Rollen beziehungsweise an dem Lagerkäfig ein. Beispielsweise können die Fortsätze an den Rollen vorgesehen und in entsprechenden stirnseitigen vorgesehenen Laschen oder ringförmigen Bändern des Lagerkäfigs aufgenommen sein, so dass sich diese mittels eines kleinen Reibradius und dementsprechend geringen Gleitgeschwindigkeiten an dem Lagerkäfig abstützen.
Die Fortsätze können einteilig an den Rollen oder an dem Lagerkäfig vorgesehen sein, indem diese beispielsweise in einem spanenden Verfahren, Stanz-, Press-, Umformungs- oder Gussverfahren oder dergleichen dargestellt werden. Insbesondere aufgrund des großen Durchmessers der vorgeschlagenen Rollen und deren geringer axialer Breite kann entlang deren Symmetrieachse ein Stift eingepresst werden, der axial beidseitig erhaben die Fortsätze bildet. Alternativ kann in beide Stirnseite der Rollen jeweils ein Stift in eine entsprechend vorbereitete Öffnung beispielsweise eingepresst, eingeschraubt, eingeklebt oder in ähnlicher Weise eingebracht werden.
Der Lagerkäfig wird in vorteilhafter Weise aus Bandstahl gefertigt, zu einem Ring beziehungsweise zweiteiligen Schalen geformt und gegebenenfalls mit den stirnseitigen Laschen oder mit den Öffnungen zur Aufnahme der Fortsätze der Rollen versehen. Die Führung des Lagerkäfigs kann in Form einer Außen- oder Innenführung in dem entsprechenden Lagerring oder einem mit diesem verbundenen Bauteil erfolgen. Eine Führung radial innen ermöglicht eine weitere Reibungsminderung der Lagerkäfigführung gegenüber der Kurbelwelle infolge eines verringerten Reibdurchmessers. Weiterhin kann die Masse des Lagerkäfigs verringert werden. Zur Abstützung von an dem insbesondere innen geführten Lagerkäfig nach radial außen ansetzenden Kräften wie Flieh- und Zentrifugalkräften ist bei einer geteilten Ausführung des Lagerkäfigs eine feste oder spielbehaftete Verbindung der Lagerkäfighälften form-, kraft- und/oder stoffschlüssig, beispielsweise in Form einer Rast-, Clip-, Schnappverbindung oder dergleichen vorgesehen.
Die Aufgabe wird weiterhin durch einen Kurbeltrieb mit zumindest einem mittels des vorgeschlagenen Wälzlagers auf einer Kurbelwelle gelagerten Pleuel dadurch gelöst, dass die Kurbelwelle gebaut und der Lagerkäfig des Wälzlagers einteilig ausgebildet ist.
Alternativ wird die Aufgabe durch einen Kurbeltrieb mit zumindest einem mittels eines vorgeschlagenen Wälzlagers auf einer Kurbelwelle gelagerten Pleuel auch dadurch gelöst, dass die Kurbelwelle einteilig und der Lagerkäfig des Wälzlagers geteilt ausgebildet ist. In diesem Fall sind die Teile des Lagerkäfigs form-, kraft- und/oder stoffschlüssig gegebenenfalls spielbehaftet miteinander verbunden.
Ein erfindungsgemäßer Kurbeltrieb weist unter Verwendung von in dem Wälzlager vorgesehenen schmalen Rollen großen Durchmessers vorteilhafterweise ein Verhältnis des Durchmessers der der Kurbelwelle zugeordneten Laufbahn zu einer axialen Breite des Pleuels im Bereich des Wälzlagers größer gleich 2,5 auf. Hierdurch werden schmale Kurbeltriebe erzielt, die bei Aneinanderreihung mehrerer Zylinder insbesondere bei Brennkraftmaschinen mit einer V-förmigen Anordnung der Zylinder und/oder kleinen Kolbendurchmessern schmalbauende Anordnungen der Zylinder ergeben können.
Kurze Beschreibung der Figuren
Das erfindungsgemäß ausgebildete Wälzlager wird nachfolgend in zwei bevorzugten Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen:
1 eine geschnittene 3-D-Ansicht eines erfindungsgemäßen Wälzlagers mit radial außen vorgesehener Führung des Lagerkäfigs;
2 eine geschnittene 3-D-Ansicht eines erfindungsgemäßen Wälzlagers mit radial innen vorgesehener Führung des Lagerkäfigs.
Ausführliche Beschreibung der Figuren
1 zeigt das Wälzlager 1 in Form eines Pleuellagers für einen Kurbeltrieb in teilweise geschnittener dreidimensionaler Ansicht. Zur Bildung eines Wälzkontakts für die als Rollen 3 in Form von Zylinderrollen ausgebildeten Wälzkörper 2, die über den Umfang verteilt und positioniert in dem Lagerkäfig 4 angeordnet sind, sind in dem teilweise gezeigten und geschnittenen ersten Bauteil 5 in Form eines Pleuels und dem als geschnittene Kurbelwelle dargestellten zweiten Bauteil 6 Laufbahnen 7, 8 eingebracht. Die Mantelflächen 9 der Rollen 3 wälzen dabei auf den Laufbahnen 7, 8 ab, während deren Stirnseiten 10 an den radial erweiterten Borden 11 des Bauteils 5 beziehungsweise des Bauteils 6 für die axiale Führung der Bauteile 5, 6 gegeneinander sorgen. Durch diese Führung wird die bei axialer Belastung auftretende Gleitreibung zwischen den Borden 11 und den Rollen 3 auf kleinere Gleitflächen verlagert als bei einer axialen Abstützung des Lagerkäfigs 4 in dem Bauteil 5, wodurch sich ein störendes und den Wirkungsgrad des Kurbeltriebs minderndes Reibmoment verringert. Die Abwälzfläche der Rollen 3 gegenüber den Laufbahnen 7, 8 wird durch eine Verringerung der Breite B erzielt, wobei der Durchmesser d dieser höht wird. Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn ein Verhältnis der Breite B zum Durchmesser d kleiner gleich 1,5, bevorzugt kleiner 1,0 ist.
Zur weiteren Verminderung der Reibung weisen die Rollen 3 an den Stirnseiten 10 jeweils beidseitig Fortsätze 12 auf, die in entsprechende Aufnahmen 13 des Bands 14 des Lagerkäfigs 4 aufgenommen sind, so dass eine Positionierung der Rollen 3 gegenüber den Stegen 15 entfällt und diese lediglich der Aufnahme des Lagerkäfigs 4 an dem Bauteil 5 dient. Infolge des verringerten Durchmessers des in den Bereich der Fortsätze 12 und Aufnahmen 13 verlagerten Gleitkontakts bei verminderter Gleitgeschwindigkeit der Rollen 3 gegenüber dem Lagerkäfig 4 kann die Reibung weiter verringert werden. Die Fortsätze 12 können als beidseitig entlang der Rotationsachse der Rollen 3 eingepresste Stifte 16 oder einteilig mit den Rollen 3 ausgebildet sein.
Die Breite B der Rollen 3 lässt weiterhin schmale Breiten B_P des Bauteils 5 wie Pleuel zu, das vorteilhafte Verhältnisse des Durchmessers d_K des Bauteils 6 wie Kurbelwelle zu der Breite B von größer gleich 2,5 zulässt.
2 zeigt das Wälzlager 1a in einer teilgeschnittenen dreidimensionalen Ansicht, das dem Wälzlager 1 der 1 ähnlich ist. Im Unterschied zu diesem ist der Lagerkäfig 4a radial innen an dem Bauteil 6a wie Kurbelwelle aufgenommen. Hierzu ist der Lagerkäfig 4a mittels des Bands 14a um das Bauteil 6a gelegt und die Aufnahmen 13a für Fortsätze 12a der Rollen 3a sind nach radial außen umgelegt. Die axiale Führung der Rollen 3a erfolgt mittels nicht einsehbarer Borde an der Laufbahn des Bauteils 6a. Im gezeigten Beispiel ist der Lagerkäfig 4a zweiteilig aus den Lagerhälften 17 gebildet, die mittels der Rastverbindungen 18 so miteinander verbunden sind, dass die Flieh- und Zentrifugalkräfte durch diese abgestützt werden können.
Bezugszeichenliste

1: Wälzlager
1a: Wälzlager
2: Wälzkörper
3: Rolle
3a: Rolle
4: Lagerkäfig
4a: Lagerkäfig
5: Bauteil
6: Bauteil
6a: Bauteil
7: Laufbahn
8: Laufbahn
9: Mantelfläche
10: Stirnseite
11: Bord
12: Fortsatz
12a: Fortsatz
13: Aufnahme
13a: Aufnahme
14: Band
14a: Band
15: Steg
16: Stift
17: Lagerhälfte
18: Rastverbindung
B: Breite
B_P: Breite
d: Durchmesser
d_K: Durchmesser

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102006017091 A1 [0003]

Claims

Wälzlager (1, 1a), insbesondere Pleuellager, mit einer Vielzahl über den Umfang verteilter Wälzkörper (2), die jeweils eine Stirnfläche (10) vorgegebenen Durchmessers (d) und eine Mantelfläche (9) vorgegebener axialer Breite (B) aufweisen, sowie einem die Wälzkörper (2) aufnehmenden Lagerkäfig (4, 4a), wobei die Mantelflächen (9) der Wälzkörper (2) zwischen einer einem ersten Bauteil (5) zugeordneten ersten Laufbahn (7) und einer einem zweiten Bauteil (6, 6a) zugeordneten zweiten Laufbahn (8) abwälzen, dadurch gekennzeichnet, dass die Wälzkörper (2) als Rollen (3, 3a) ausgebildet sind, deren Verhältnis der Breite (B) zum Durchmesser kleiner gleich 1,5, bevorzugt kleiner gleich 1,0 beträgt.
Wälzlager (1, 1a) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der Laufbahnen (7, 8) zumindest einen als Axialführung für die Rollen (3, 3a) dienenden radial erweiterten Bord (11) aufweist.
Wälzlager (1, 1a) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Rollen (3, 3a) und Lagerkäfig (4, 4a) axiale Fortsätze (12, 12a) kleineren Durchmessers vorgesehen sind.
Wälzlager (1, 1a) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Fortsätze (12, 12a) mittels zumindest eines an einer Stirnfläche (10) der Rollen (3, 3a) eingebrachten Stifts (16) vorgesehen sind.
Wälzlager nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Fortsätze einteilig mit den Zylinderrollen ausgebildet sind.
Wälzlager (1, 1a) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine umlaufende Käfigführung des Lagerkäfigs (4a) radial innen oder radial außen an einem der Bauteile oder einem mit diesem festverbundenen Bauteil vorgesehen ist.
Kurbeltrieb mit zumindest einem mittels eines Wälzlagers (1) gemäß den Ansprüchen 1 bis 6 auf einer Kurbelwelle gelagerten Pleuel, dadurch gekennzeichnet, dass die Kurbelwelle gebaut und der Lagerkäfig (4) des Wälzlagers (1) einteilig ausgebildet ist.
Kurbeltrieb mit zumindest einem mittels eines Wälzlagers (1a) gemäß den Ansprüchen 1 bis 6 auf einer Kurbelwelle gelagerten Pleuel, dadurch gekennzeichnet, dass die Kurbelwelle einteilig und der Lagerkäfig (4a) des Wälzlagers (1a) geteilt ausgebildet ist.
Kurbeltrieb nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass Lagerhälften (17) des Lagerkäfigs (4a) form- kraft- und/oder stoffschlüssig miteinander verbunden sind.
Kurbeltrieb nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein Verhältnis des Durchmessers (d_K) der der Kurbelwelle zugeordneten Laufbahn (8) zu einer axialen Breite (B_P) des Pleuels im Bereich des Wälzlagers (1, 1a) größer gleich 2,5 ist.