DE102010045140A1

DE102010045140A1 - Wälzlager mit schräg angestellten Wälzkörpern

Info

Publication number: DE102010045140A1
Application number: DE102010045140A
Authority: DE
Inventors: Dr. Scherb Bruno; Armin Necker; Aman Zulhilmi Abu Bakar; Bodo Hahn; Stephan Hofmeister
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2010-09-11
Filing date: 2010-09-11
Publication date: 2012-03-15
Also published as: WO2012031871A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Wälzlager (1) zur Lagerung einer Welle (2) in einem Gehäuse (5), mit wenigstens einem Innenring (6, 7), einem Außenring (8, 9) sowie mit zwischen diesen Lagerringen (6, 8; 7, 9) angeordneten schräg angestellten Wälzkörpern (10), und mit einem Spannmittel (11), welches zur Erzeugung einer axialen Vorspannung in dem Wälzlager (1) eine Axialkraft auf zumindest einen der Lagerringe (6, 8; 7, 9) ausüben kann, wobei das Material des Gehäuses (5) einerseits sowie das Material der Welle (2) und der Lagerringe (6, 8; 7, 9) andererseits unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen. Zur Kompensation von temperaturbedingten Längenänderungen zwischen dem Gehäuse (5) und der Welle (2) ist gemäß der Erfindung vorgesehen, dass sich der Außenring (8, 9) axial an einem Zwischenring (15) abstützt, dass sich der Zwischenring (15) axial an dem Gehäuse (5) abstützt, und dass der Zwischenring (15) den gleichen Wärmeausdehnungskoeffizienten wie die Welle (2) und/oder die Lagerringe (6, 8; 7, 9) aufweist.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Wälzlager zur Lagerung einer Welle in einem Gehäuse, mit wenigstens einem Innenring, einem Außenring sowie mit zwischen diesen Lagerringen angeordneten schräg angestellten Wälzkörpern, und mit einem Spannmittel, welches zur Erzeugung einer axialen Vorspannung in dem Wälzlager eine Axialkraft auf zumindest einen der Innenringe ausüben kann, wobei das Material des Gehäuses einerseits sowie das Material der Welle und der Lagerringe andererseits unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen. Die besondere Konstruktion dieses Wälzlagers ermöglicht einen Ausgleich von temperaturbedingten Längenänderungen.
Hintergrund der Erfindung
Bei der Lagerung einer Welle in einem Gehäuse kann es bei betriebsbedingten Temperaturänderungen zu relativen Längenänderungen von Gehäuse und Welle kommen, wenn diese aus unterschiedlichen Materialien mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten hergestellt sind. Ein solches Verhalten ist beispielsweise festzustellen, wenn die Welle aus Stahl und das Gehäuse aus einer Aluminium-Legierung besteht. Die Welle weist dabei eine geringere wärmebedingte Ausdehnung als das Gehäuse auf. Dies ist vor allem für die Lagerung der Welle problematisch, weil sich dadurch der an dem Gehäuse befestigte Lageraußenring axial gegenüber dem Lagerinnenring verschiebt. Sofern ein Wälzlager mit schräg angestellten und unter axialer Vorspannung stehenden Wälzkörpern zur Lagerung der Welle dient, machen sich die angesprochenen Längenänderungen besonders nachteilig bemerkbar, da diese die eingestellte Vorspannung und damit das Axialspiel verändern.
Zur Lösung dieses technischen Problems sind bereits einige Vorschläge bekannt geworden. Diese haben zum Inhalt, dass sich der Außenring des Wälzlagers nicht direkt sondern über einen ein flüssiges Expansionsmittel enthaltenden Stützring an dem Gehäuse axial abstützt. Das Wärmeausdehnungsverhalten des Stützringes bzw. seines Expansionsmittels ist dabei so, dass dieser die Unterschiede zwischen dem Wärmeausdehnungsverhalten der Welle und des Gehäuses ausgleicht.
Bei der axialen Lagerabstützung gemäß der DE 32 39 305 A1 ist hierzu vorgesehen, dass der Stützring bzw. Druckring als ein Membrankörper mit einem darin hermetisch eingeschlossenen Expansionsmedium ausgebildet ist.
Die DE 38 10 448 C2 offenbart eine ähnliche Ausgleichseinrichtung für ein als einreihiges Kegelrollenlager ausgebildetes Wälzlager, bei welcher der Stützring bzw. Druckring eine Art Kolben-Zylinder-Anordnung bildet, wobei in dem Zylinder ein Expansionsmedium angeordnet ist.
Weitere, ähnlich aufgebaute und mit einem Expansionsmedium funktionierende Vorrichtungen zur Kompensation von unterschiedlichen temperaturbedingten Längenänderungen bei Wellenlagerungen in einem Gehäuse sind aus der DE 10 2006 053 731 A1 und der DE 10 2008 061 042 A1 bekannt.
Nachteilig bei den bekannten Vorrichtungen ist, dass diese jeweils ein flüssiges oder zähflüssiges Expansionsmedium nutzen, welches in einem gesondert auszubildenden Hohlraum der Ausgleichseinrichtung aufbewahrt wird. Dies führt zu einem erhöhten Herstellaufwand.
Aufgabe der Erfindung
Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Wälzlager zur Lagerung einer Welle in einem Gehäuse vorzustellen, bei dem temperaturbedingte unterschiedliche Längenänderungen ohne Nutzung eines fluiden Expansionsmediums ausgeglichen werden. Hierdurch soll insbesondere der Herstellaufwand gegenüber bekannten Vorrichtungen reduziert werden.
Zusammenfassung der Erfindung
Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich aus den Merkmalen des Hauptanspruchs, während vorteilhafte Weiterbildungen den Unteransprüchen entnehmbar sind.
Demnach geht die Erfindung aus von einem Wälzlager zur Lagerung einer Welle in einem Gehäuse, mit wenigstens einem Innenring, einem Außenring sowie mit zwischen diesen Lagerringen angeordneten schräg angestellten Wälzkörpern, und mit einem Spannmittel, welches zur Erzeugung einer axialen Vorspannung in dem Wälzlager eine Axialkraft auf zumindest einen der Innenringe ausüben kann, wobei das Material des Gehäuses einerseits sowie das Material der Welle und der Lagerringe andererseits unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen. Gemäß der Erfindung ist bei diesem Wälzlager vorgesehen, dass sich der Außenring axial an einem Zwischenring abstützt, dass sich der Zwischenring axial an dem Gehäuse abstützt, und dass der Zwischenring den gleichen Wärmeausdehnungskoeffizienten wie die Welle und/oder die Lagerringe aufweist.
Das vorgeschlagene Wälzlager ermöglicht konstruktiv sehr einfach eine Kompensation von temperaturbedingten Längenänderungen zwischen einem Gehäuse und einer in dem Gehäuse gelagerten Welle, wobei das Gehäuse und die Welle unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen. Dabei wird lediglich ein Zwischenring genutzt, der axial zwischen dem Lageraußenring und dem Gehäuse angeordnet ist. Dieser Zwischenring besteht vorzugsweise aus dem gleichen Werkstoff wie die Welle und/oder die Lagerringe, also beispielsweise aus Stahl, oder sein Werkstoff weist zumindest den gleichen Wärmeausdehnungskoeffizienten wie die Welle und/oder die Lagerringe auf. Dadurch, dass der Zwischenring alleine ausreicht, um wärmebedingte Längungsunterschiede zwischen dem Gehäuse und der Welle auszugleichen, kann abweichend zum Stand der Technik Herstellkosten sparend auf ein gesondert unterzubringendes Expansionsmedium verzichtet werden.
Als weiterer Vorteil ist hervorzuheben, dass die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Kompensation von temperaturbedingten Längenänderungen zwischen einem Gehäuse und einer in dem Gehäuse gelagerten Welle völlig ohne die Nutzung von Sensoren, Elektrizität oder Hydraulik arbeitet, wodurch sie als besonders robust zu beurteilen ist.
Der Zwischenring kann in zwei alternativen Ausführungsformen an einem radial nach innen ragenden Radialsteg des Gehäuses oder an einem in eine Ringnut des Gehäuses radial teilweise eingesetzten Sicherungsring axial abgestützt sein.
Gemäß einer anderen Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Verhältnis der Längen von Zwischenring und Gehäuse so bemessen ist, dass ein bei der Montage eingestelltes Axialspiel des Wälzlagers bei Temperaturschwankungen in einem vorgegebenen Temperaturbereich weitgehend konstant bleibt.
Die Erfindung ist beispielsweise bei einem Kegelrollenlager oder einem Schrägkugellager nutzbar, bei dem die Wälzkörper als Kegelrollen bzw. als Kugeln ausgebildet sind.
Das Wälzlager kann als einreihiges oder mehrreihiges Wälzlager ausgebildet sein. Bei einer Ausbildung als zweireihiges Kegelrollenlager ist der radial nach innen ragende Radialsteg des Gehäuses oder der Sicherungsring axial mittig oder axial versetzt zwischen den beiden Wälzkörperreihen angeordnet. Die genaue Position des Radialstegs oder des Sicherungsrings zwischen den Lageraußenringen wird abhängig von dem Wärmeeintrag in das Gehäuse bestimmt.
Gemäß einer weiteren Variante kann vorgesehen sein, dass der Zwischenring zweiteilig ausgebildet ist, wobei der Radialsteg oder der Sicherungsring axial zwischen den beiden Zwischenringteilen angeordnet ist.
Eine andere Variante sieht vor, dass der Zwischenring an den zueinander weisenden Stirnseiten der Außenringe axial anliegt und mit axialem. Spiel in einer Nut des Gehäuses radial teilweise aufgenommen ist, worauf anhand eines Ausführungsbeispiels weiter eingegangen wird.
Außerdem ist vorgesehen, dass der wenigstens eine Innenring an seinen axialen Enden jeweils einen radial nach außen ragenden Bord aufweist, und dass der wenigstens eine Außenring bordlos ausgebildet ist.
Gemäß einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Welle, die Lagerringe sowie der Zwischenring aus Stahl und das Gehäuse aus einer Aluminium-Legierung hergestellt sind.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
Die Erfindung wird anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen weiter erläutert. In dieser zeigt
1 einen axialen Teilschnitt durch ein gemäß der Erfindung ausgebildetes Kegelrollenlagerpaar mit einem als Kompensationselement ausgebildeten Zwischenring,
2 eine Darstellung wie in 1, jedoch mit einem in eine Gehäusenut eingesetzten Zwischenring, und
3 eine Darstellung wie in 1, jedoch mit einem zweiteiligen Zwischenring.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnung
In 1 lagert das in O-Anordnung ausgebildete Kegelrollenlager 1 eine aus Stahl hergestellte Welle 2 in einem aus einer Aluminium-Legierung hergestellten Gehäuse 5. Hierbei stützt sich der Innenring 6 einer ersten Wälzkörperreihe 3 an einem radialen Absatz 12 der Welle 2 axial ab. Der Innenring 6 weist eine nicht näher bezeichnete Laufbahn für die als Kegelrollen ausgebildeten Wälzkörper 10 auf, welche sich axial zwischen einem radial kleinen Bord 17 und einem radial großen Bord 18 an dem Innenring 6 erstreckt. Der kleine Bord 17 ist dabei axial innen angeordnet.
Der Außenring 8 der ersten Wälzkörperreihe 3 ist bordlos ausgebildet und stützt sich radial am Gehäuse 5 sowie axial an einer ersten Stirnseite 14 eines Radialstegs 13 des Gehäuses 5 ab. Dieser Radialsteg 13 erstreckt sich radial nach innen und trennt so die erste Wälzkörperreihe 3 von einer zweiten Wälzkörperreihe 4.
Die zweite Wälzkörperreihe 4 verfügt über einen Innenring 7, der auf der Welle 2 sitzt und ebenso ausgebildet ist wie der Innenring 6 der ersten Wälzkörperreihe 3. Auf dessen Laufbahn sind ebenfalls als Kegelrollen ausgebildeten Wälzkörper 10 angeordnet. Auch bei dem Innenring 7 der zweiten Wälzkörperreihe 4 befindet sich der kleine Bord 17 axial nahe bei dem Radialsteg 13 des Gehäuses 5.
Der Außenring 9 der zweiten Wälzkörperreihe 4 ist ebenfalls bordlos ausgebildet und stützt sich radial am Gehäuse 5 sowie axial an einer Stirnseite 16 eines Zwischenringes 15 ab. Der als Kompensationselement für thermische Längenänderungen dienende Zwischenring 15 liegt mit seinem radialen Umfang an der nicht weiter bezeichneten Innenmantelfläche des Gehäuses 5 an und stützt sich selbst axial an einer der ersten Stirnseite 14 axial gegenüberliegenden zweiten Stirnseite 19 des Radialstegs 13 des Gehäuses 5 ab. Wie 3 zeigt, kann anstelle des Radialsteges 13 aber auch ein radial teilweise in eine nicht weiter bezeichnete Nut im Gehäuse 5 eingesetzter Sicherungsring 21 zur axialen Abstützung des Zwischenringes 15 dienen.
Der Innenring 7 der zweiten Wälzkörperreihe 4 kann mit Hilfe eines Spannmittels mit einer axialen Vorspannung belastet werden, welches zur Einstellung eines vorbestimmten Lagerspiels dient. Das Spannmittel ist in diesem Ausführungsbeispiel als eine auf ein Wellengewinde 20 aufschraubbare Mutter 11 ausgebildet, die mit ihrer axial inneren Stirnseite auf eine axial äußere Stirnseite des Innenringes 7 wirkt.
Bei diesem Ausführungsbeispiel sind die Welle 2, die Innenringe 6, 7, die Außen ringe 8, 9, die Wälzkörper 10 und der Zwischenring 15 aus Stahl mit dem gleichen oder doch sehr ähnlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten hergestellt, während das Gehäuse 5 aus einer Aluminium-Legierung besteht. Der durch die Konstruktion erzielte Effekt wird aber auch dann erreicht, wenn nur die Welle 2 und der Zwischenring 15 aus Stahl mit dem gleichen oder doch sehr ähnlichem Wärmeausdehnungskoeffizienten hergestellt sind, und das Gehäuse 5 aus einer Aluminium-Legierung besteht.
Um eine optimale Funktionsweise zu erreichen, sind die Werkstoffe und insbesondere die axiale Länge des Zwischenringes 15 in besonderer Weise ausgewählt. So ist bevorzugt vorgesehen, dass das Verhältnis der Längen von Zwischenring 15 und Gehäuse 5 so bemessen ist, dass ein bei der Montage eingestelltes Axialspiel des Wälzlagers 1 bei Temperaturschwankungen in einem vorgegebenen Temperaturbereich weitgehend konstant bleibt.
Bei dem in 2 dargestellten Wälzlager 1' ist der Zwischenring 15 in eine Umfangsnut 23 in der Innenmantelfläche des Gehäuses 5 mit axialem Spiel 22 eingesetzt und nur mit einer vergleichsweise geringen radialen Tiefe in der Umfangsnut 23 aufgenommen. Bei der Montage des Wälzlagers 1' bei Umgebungstemperatur wird der Zwischenring 15 vorzugsweise derartig zwischen den beiden Lageraußenringen 8, 9 eingespannt, dass der Zwischenring 15 die axialen Enden der Umfangsnut 23 nicht berührt.
Bei dem in 3 gezeigten Wälzlager 1'' ist der Zwischenring 15 zweiteilig ausgebildet und besteht aus den beiden axial hintereinander angeordneten und von einem Sicherungsring 21 getrennten Zwischenringteilen 15' und 15''. Der Sicherungsring 21 ist dabei radial teilweise in eine Ringnut an der Innenmantelfläche des Gehäuses 5 eingesetzt. Bei einer temperaturbedingten Ausdehnung stützen sich die beiden Zwischenringteile 15', 15'' an diesem Sicherungsring 21 axial ab. Die axiale Länge der beiden Zwischenringteile 15', 15'' und der axiale Abstand des Sicherungsringes 21 von den beiden Lageraußenringen 8, 9 wird in Abhängigkeit von den voraussichtlich auftretenden temperaturbedingten Längenänderungen von Welle 2, Zwischenringteile 15', 15'', Lagerringe 6, 7, 8, 9, Wälzkörper 10 und Welle 2 bestimmt.
Bezugszeichenliste

1, 1', 1'': Wälzlager, Kegelrollenlager
2: Welle
3: Erste Wälzkörperreihe
4: Zweite Wälzkörperreihe
5: Gehäuse
6: Innenring
7: Innenring
8: Außenring
9: Außenring
10: Wälzkörper, Kegelrollen
11: Spannmittel, Spannmutter
12: Absatz an der Welle
13: Radialsteg
14: Erste Stirnseite des Radialstegs
15: Zwischenring
15': Zwischenringteil
15'': Zwischenringteil
16: Stirnseite des Zwischenrings
17: Kleiner Bord am Innenring
18: Großer Bord am Innenring
19: Zweite Stirnseite des Radialstegs
20: Gewinde an der Welle
21: Sicherungsring
22: Axiales Spiel
23: Nut

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 3239305 A1 [0004]
DE 3810448 C2 [0005]
DE 102006053731 A1 [0006]
DE 102008061042 A1 [0006]

Claims

Wälzlager (1) zur Lagerung einer Welle (2) in einem Gehäuse (5), mit wenigstens einem Innenring (6, 7), einem Außenring (8, 9) sowie mit zwischen diesen Lagerringen (6, 8; 7, 9) angeordneten schräg angestellten Wälzkörpern (10), und mit einem Spannmittel (11), welches zur Erzeugung einer axialen Vorspannung in dem Wälzlager (1) eine Axialkraft auf zumindest einen der Innenringe (6, 8) ausüben kann, wobei das Material des Gehäuses (5) einerseits sowie das Material der Welle (2) und der Lagerringe (6, 8; 7, 9) andererseits unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Außenring (8, 9) axial an einem Zwischenring (15) abstützt, dass sich der Zwischenring (15) axial an dem Gehäuse (5) abstützt, und dass der Zwischenring (15) den gleichen Wärmeausdehnungskoeffizienten wie die Welle (2) und/oder die Lagerringe (6, 8; 7, 9) aufweist.
Wälzlager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Zwischenring (15; 15', 15'') an einem radial nach innen ragenden Radialsteg (13) des Gehäuses (5) oder an einem in eine Ringnut des Gehäuses (5) radial teilweise eingesetzten Sicherungsring (21) axial abstützt.
Wälzlager nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der Längen von Zwischenring (15; 15', 15'') und Gehäuse (5) so bemessen ist, dass ein bei der Montage eingestelltes Axialspiel des Wälzlagers (1) bei Temperaturschwankungen in einem vorgegebenen Temperaturbereich weitgehend konstant bleibt.
Wälzlager nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Wälzkörper (10) als Kegelrollen in einem Kegelrollenlager (1) ausgebildet sind.
Wälzlager nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Wälzkörper als Kugeln in einem Schrägkugellager ausgebildet sind.
Wälzlager nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dieses als einreihiges oder mehrreihiges Wälzlager ausgebildet ist.
Wälzlager nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Ausbildung als zweireihiges Kegelrollenlager (1) der radial nach innen ragende Radialsteg (13) des Gehäuses (5) oder der Sicherungsring (21) axial mittig oder axial versetzt zwischen den beiden Wälzkörperreihen (3, 4) angeordnet ist.
Wälzlager nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Zwischenring (15) zweiteilig ausgebildet ist, wobei der Radialsteg (13) oder der Sicherungsring (21) axial zwischen den beiden Zwischenringteilen (15', 15'') angeordnet ist.
Wälzlager nach Anspruch 6, 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Zwischenring (15) an den zueinander weisenden Stirnseiten der Außenringe (8, 9) axial anliegt und mit axialem Spiel (22) in einer Nut (23) des Gehäuses (5) radial teilweise aufgenommen ist.
Wälzlager nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Innenring (6, 7) an seinen axialen Enden jeweils einen radial nach außen weisenden Bord (17, 18) aufweist, und dass der wenigstens eine Außenring (8, 9) bordlos ausgebildet ist.