DE102011085713A1

DE102011085713A1 - Radialkäfig für zylindrische Wälzkörper, insbesondere Nadelkranzkäfig

Info

Publication number: DE102011085713A1
Application number: DE201110085713
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Fugel; Volker Ploetz; Martin Gegner; Jesko Jaekel
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2011-11-03
Filing date: 2011-11-03
Publication date: 2013-05-08
Also published as: US8702315B2; CN103089821A; CN103089821B; US20130182989A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Radialkäfig (1) für zylindrische Wälzkörper (6), der im Wesentlichen aus zwei die axiale Erstreckung des Radialkäfigs (1) definierenden Seitenringen (2, 3) sowie aus einer Vielzahl diese Seitenringe (2, 3) an ihren Außendurchmessern miteinander verbindenden profilierten Axialstegen (4) besteht, zwischen denen eine Vielzahl von Taschen (5) zur Aufnahme der zylindrischen Wälzkörper (6) gebildet werden. Die Axialstege (4) werden dabei jeweils durch zwei mit den Seitenringen (2, 3) verbundene axial gerade Seitenabschnitte (4a, 4b), durch zwei schräg zur Käfiglängsachse (AK) verlaufende Zwischenabschnitte (4c, 4d) sowie durch einen axialen Mittelabschnitt (4e) gebildet, so dass die Wälzkörper (6) durch die mit schrägen Anlaufflächen (7, 8, 9, 10) ausgebildeten Unterkanten der Seitenabschnitte (4a, 4b) sowie durch die Oberkanten (11, 12) des Mittelabschnittes (4e) jedes Axialsteges (4) radial im Radialkäfig (1) gehalten werden. Erfindungsgemäß weisen nur die Seitenringe (2, 3) die Materialstärke (S1) des Ausgangsmaterials für den Radialkäfig (1) auf, während die geraden Seitenabschnitte (4a, 4b) jedes Axialsteges (4) mit einer deren Festigkeit erhöhenden größeren Materialstärke (S2) und der axiale Mittelabschnittes (4e) jedes Axialsteges (4) mit einer deren Fliehkraftmasse verringernden kleineren Materialstärke (S3) als die Materialstärke (S1) der Seitenringe (2, 3) ausgebildet sind.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft einen Radialkäfig für zylindrische Wälzkörper nach den oberbegriffsbildenden Merkmalen des Patentanspruchs 1, und sie insbesondere vorteilhaft an den Käfigen von Nadelkränzen realisierbar, die für Anwendungen mit sehr hohen Drehzahlen vorgesehen sind.
Hintergrund der Erfindung
Herkömmliche Nadelkränze sind ein- oder zweireihige Baueinheiten, die lediglich aus einem Radialkäfig sowie aus einer Vielzahl von Nadelrollen bestehen und sich vor allem durch eine dem Durchmesser der Nadelrollen entsprechende geringst mögliche radiale Bauhöhe auszeichnen. Darüber hinaus ergeben Nadelkränze Lagerungen mit hoher Tragfähigkeit und hoher Rundlaufgenauigkeit, die auch hohe Flieh- und Beschleunigungskräfte aufnehmen können. Ein derartiger Nadelkranz ist gattungsbildend beispielsweise aus der EP 1 262 256 A1 bekannt und besteht im Wesentlichen aus zwei die axiale Erstreckung des Radialkäfigs definierenden Seitenringen sowie aus einer Vielzahl diese Seitenringe an ihren Außendurchmessern miteinander verbindenden profilierten Axialstegen, zwischen denen eine Vielzahl von Taschen zur Aufnahme der Nadelrollen gebildet werden. Die Axialstege werden dabei jeweils durch zwei mit den Seitenringen verbundene axial gerade Seitenabschnitte, durch zwei schräg zur Käfiglängsachse verlaufende Zwischenabschnitte sowie durch einen axialen Mittelabschnitt gebildet, so dass die Nadelrollen durch die mit schrägen Anlaufflächen ausgebildeten Unterkanten der Seitenabschnitte sowie durch die Oberkanten des Mittelabschnittes jedes Axialsteges im Radialkäfig gehalten werden.
Da derartige Nadelkränze konstruktionsbedingt grundsätzlich für hohe Drehzahlen geeignet sind, werden diese vor allem zur Planetenradlagerung in den Planetengetrieben von Automatikgetrieben in Kraftfahrzeugen sowie zur Kurbelzapfen- und Kolbenbolzenlagerung von Pleuelstangen in Verbrennungsmotoren eingesetzt. Bei neueren Generationen von Automatikgetrieben, wo die motorseitigen Eingangsdrehzahlen immer häufiger ins Schnelle übersetzt werden und die Übersetzungsdrehzahlen oft jenseits von 10.000 min^–1 liegen, hat es sich jedoch gezeigt, dass die aus den hohen Drehzahlen resultierenden erhöhten Belastungen verstärkt zu Stegbrüchen im Bereich der geraden Seitenabschnitte der Axialstege des Radialkäfigs und damit zu Ausfällen der Nadelkränze führten. Als Ursache hierfür wurde erkannt, dass der Radialkäfig durch die zeitweilig wirkenden extrem hohen Fliehkräfte so stark belastet wird, dass sich dessen Axialstege durch ihre Eigenmasse nach außen durchbiegen und dabei ein Abbremsen der Nadelrollen und unter Umständen sogar ein Blockieren der Nadelrollen bewirken. In Verbindung mit den Abstützkräften der Nadelrollen an den Seitenabschnitten kann es dann zu den besagten Stegbrüchen im Bereich der geraden Seitenabschnitte der Axialstege des Radialkäfigs kommen, die ein Blockieren des Nadelkranzes sowie des gelagerten Planetenrades und damit Fehlfunktionen des gesamten Automatikgetriebes zur Folge hatten.
Zur Vermeidung dieser Stegbrüche wurde es deshalb durch die DE 10 2008 026 562 A1 vorgeschlagen, die axialen Mittelabschnitte der Axialstege des Radialkäfigs in ihren Mittelbereichen jeweils mit einem sich auf das Maß des Außendurchmessers der Seitenringe erstreckenden zusätzlichen Teilabschnitt auszubilden. Durch diese Maßnahme sollte erreicht werden, dass sich die Mittelabschnitte der Axialstege bei hohen Fliehkraftbelastungen an der Innenmantelfläche der Lageraufnahme abstützen, so dass dadurch das Durchbiegen der Axialstege auf ein Minimum reduziert wird.
In der Praxis hat es sich jedoch gezeigt, dass mit einer solchen Maßnahme zwar die Häufigkeit der Stegbrüche an den Radialkäfigen vermindert werden konnte, es aber vereinzelt dennoch weiter zu solchen Stegbrüchen kommt.
Wei-tergehende Untersuchungen haben dabei ergeben, dass die Ursache dafür in der speziellen Taschengeometrie in Verbindung mit der Größe der an die Unterkanten der geraden Seitenabschnitte angeprägten Anlaufflächen für die Nadelrollen an den Axialstegen zu sehen ist. Da diese Seitenabschnitte ebenso wie die Seitenringe und die übrigen Abschnitte der Axialstege des Radialkäfigs mit einer der Materialstärke des Ausgangsmaterials entsprechenden einheitlichen Materialstärke ausgebildet sind, weisen die schrägen Anlaufflächen nicht die für eine flächige Anlage der Nadelrollen erforderliche Höhe auf, sondern die Nadelrollen laufen stattdessen nur an der untersten Kante der Anlaufflächen an die Seitenabschnitte der Axialstege an. Dadurch kommt es sowohl an den Enden der Nadelrollen als auch an den Seitenabschnitten der Axialstege des Radialkäfigs zu einem verstärktem Verschleiß, der ursächlich dafür ist, dass die im Lagerbetrieb wirkenden Querkräfte durch den gleichzeitigen Kontakt der Nadelrollen mit den Mittelabschnitten der Axialstege über die nun möglichen Hebelkräfte der Nadelrollen noch verstärkt und in die Seitenabschnitte der Axialstege eingeleitet werden. Als Folge tritt dann ein weiter fortschreitender Verschleiß der Seitenabschnitte der Axialstege auf, der schließlich in den besagten Stegbrüchen des Radialkäfigs mit den daraus resultierenden Folgenschäden endet.
Aufgabe der Erfindung
Ausgehend von den dargelegten Nachteilen der Lösungen des bekannten Standes der Technik liegt der Erfindung deshalb die Aufgabe zu Grunde, einen Radialkäfig mit zylindrischen Wälzkörpern zu konzipieren, mit dem die bei hohen Drehzahlen auftretenden Stegbrüche der Axialstege und die daraus resultierenden Folgenschäden sicher vermieden werden.
Beschreibung der Erfindung
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei einem Radialkäfig nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 derart gelöst, dass nur die Seitenringe die Materialstärke des Ausgangsmaterials für den Radialkäfig aufweisen, während die geraden Seitenabschnitte jedes Axialsteges mit einer deren Festigkeit erhöhenden größeren Materialstärke und der axiale Mittelabschnittes jedes Axialsteges mit einer deren Fliehkraftmasse verringernden kleineren Materialstärke als die Materialstärke der Seitenringe ausgebildet sind.
Bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des erfindungsgemäß ausgebildeten Radialkäfigs werden in den Unteransprüchen beschrieben.
Danach ist es gemäß Anspruch 2 bei dem erfindungsgemäß ausgebildeten Radialkäfig vorgesehen, dass die geraden Seitenabschnitte der Axialstege durch ihre vergrößerte Materialstärke mit in Richtung Wälzkörperteilkreis vergrößerten Anlaufflächen für die Wälzkörper ausbildbar sind. Das bedeutet, dass durch die Materialverstärkung der Seitenabschnitte neben dem Effekt der Erhöhung der Festigkeit der Axialstege zusätzlich noch der Vorteil entsteht, dass die an deren Unterkanten angeprägten schrägen Anlaufflächen für die Wälzkörper sich im Vergleich zu Radialkäfigen mit einheitlicher Materialstärke tiefer in Richtung Wälzkörperteilkreis erstrecken und dadurch der angestrebte Flächenkontakt der Wälzkörper zu den Anlaufflächen nunmehr sicher realisiert werden kann.
Nach Anspruch 3 ist es eine optionale Ausgestaltung des erfindungsgemäß ausgebildeten Radialkäfigs, dass der axiale Mittelabschnitt jedes Axialsteges in seinem Mittelbereich zusätzlich mit einem sich auf das Maß des Außendurchmessers der Seitenringe vorspringenden Teilabschnitt ausgebildet ist. Eine solche Maßnahme hat sich vor allem bei Radialkäfigen mit langen zylindrischen Wälzkörpern als besonders vorteilhaft erwiesen, um ähnlich wie bei dem Radialkäfig gemäß DE 10 2008 026 562 A1 ein Durchbiegen der querschnittsgeschwächten axialen Mittelabschnitte der Axialstege bei hohen Fliehkraftbelastungen zu vermeiden, indem diese sich mit den vorspringenden Teilabschnitten an der Innenmantelfläche der Lageraufnahme abstützen können.
Gemäß Anspruch 4 zeichnet sich der erfindungsgemäß ausgebildete Radialkäfig darüber hinaus noch dadurch aus, dass die Zwischenabschnitte der Axialstege sich von der Materialstärke der Seitenabschnitte zur Materialstärke des Mittelabschnittes jedes Axialsteges gleichmäßig verjüngend ausgebildet sind. Eine solche Ausbildung hat sich vor allem in fertigungstechnischer Hinsicht als am vorteilhaftesten erwiesen und stellt gleichzeitig sicher, dass alle auf die Mittelabschnitte der Axialstege einwirkenden Kräfte gleichmäßig über die Zwischenabschnitte in die Seitenabschnitte der Axialstege eingeleitet werden.
Eine zweckmäßige Weiterbildung des erfindungsgemäß ausgebildeten Radialkäfigs ist es nach Anspruch 5 desweiteren, dass er als geschweißtes Stanzbiegeteil aus einem Stahlband-Ausgangsmaterial ausgebildet ist, an das durch Profilwalzen die abweichenden Materialstärken an dessen Axialstegen angeformt sind. Eine solche Herstellungsweise eines Stahl-Radialkäfigs hat sich hinsichtlich der entstehenden Fertigungskosten als am günstigsten erwiesen, wobei es jedoch auch denkbar ist, einen solchen Radialkäfig aus einem Kunststoff durch Spritzgießen herzustellen.
Schließlich wird es als bevorzugte Anwendung des erfindungsgemäß ausgebildeten Radialkäfigs durch Anspruch 6 noch vorgeschlagen, dass er zur Planetenradlagerung in Planetengetrieben von Automatikgetrieben in Kraftfahrzeugen oder zur Kurbelzapfen- und Kolbenbolzenlagerung von Pleuelstangen in Verbrennungsmotoren eingesetzt ist. In diesen Anwendungen kommen die Vorteile des erfindungsgemäßen Radialkäfigs besonders deutlich zum Tragen, da hier die drehzahlbedingten Belastungen besonders hoch sind.
Zusammenfassend weist der erfindungsgemäß ausgebildete Radialkäfig somit gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Radialkäfigen den Vorteil auf, dass er mit einer gezielten Verstärkung der besonders verschleißbelasteten Seitenabschnitte seiner Axialstege sowie mit einer gezielten Schwächung der besonders fliehkraftbelasteten Mittelabschnitte seiner Axialstege ausgebildet ist, durch welche die bei hohen Drehzahlen auftretenden Stegbrüche der Axialstege und die daraus resultierenden Folgenschäden sicher vermieden werden. Gleichzeitig bewirkt die Verstärkung der Seitenabschnitte der Axialstege, dass die an deren Unterkanten angeprägten schrägen Anlaufflächen für die Wälzkörper im Vergleich zu Radialkäfigen mit einheitlicher Materialstärke Wälzkörper im Vergleich zu Radialkäfigen mit einheitlicher Materialstärke größer ausgebildet werden können, so dass dadurch ein verschleißarmer Flächenkontakt der Wälzkörper zu den Anlaufflächen sicher gestellt wird. Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäß ausgebildeten Radialkäfigs wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen:
1 einen Querschnitt durch einen erfindungsgemäß ausgebildeten Radialkäfig;
2 den Schnitt A-A nach 1 durch den erfindungsgemäß ausgebildeten Radialkäfig;
3 eine vergrößerte Ansicht eines Axialsteges des erfindungsgemäßen Radialkäfigs gemäß dem Schnitt B-B in 2;
4 eine vergrößerte Darstellung einer Tasche des erfindungsgemäßen Radialkäfigs gemäß Einzelheit X in 2.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
Aus den 1 und 2 gehen zwei Ansichten eines als Nadelkranzkäfig ausgebildeten Radialkäfig 1 für zylindrische Wälzkörper 6 hervor, wie er zur Planetenradlagerung in Planetengetrieben von Automatikgetrieben in Kraftfahrzeugen oder zur Kurbelzapfen- und Kolbenbolzenlagerung von Pleuelstangen in Verbrennungsmotoren eingesetzt wird. Dieser Radialkäfig 1 besteht in bekannter Weise im Wesentlichen aus zwei die axiale Erstreckung des Radialkäfig 1 definierenden Seitenringen 2, 3 sowie aus einer Vielzahl diese Seitenringe 2, 3 an ihren Außendurchmessern miteinander verbindenden profilierten Axialstegen 4, zwischen denen eine Vielzahl von Taschen 5 zur Aufnahme der zylindrischen Wälzkörper 6 gebildet werden. Deutlich sichtbar weisen die Axialstege 4 dabei jeweils zwei mit den Seitenringen 2, 3 verbundene axial gerade Seitenabschnitte 4a, 4b, zwei schräg zur Käfiglängsachse A_K verlaufende Zwischenabschnitte 4c, 4d sowie einen axialen Mittelabschnitt 4e auf, so dass die Wälzkörper 6, wie in 4 gezeigt, durch die mit schrägen Anlaufflächen 7, 8, 9, 10 ausgebildeten Unterkanten der Seitenabschnitte 4a, 4b sowie durch die Oberkanten 11, 12 des Mittelabschnittes 4e jedes Axialsteges 4 radial im Radialkäfig 1 gehalten werden.
Durch den in 3 dargestellten Schnitt B-B gemäß 2 durch einen der Axialstege 4 des Radialkäfig 1 wird darüber hinaus ersichtlich, dass bei diesem Radialkäfig 1 erfindungsgemäß nur die Seitenringe 2, 3 die Materialstärke S1 seines Ausgangsmaterials aufweisen, während die geraden Seitenabschnitte 4a, 4b jedes Axialsteges 4 mit einer deren Festigkeit erhöhenden größeren Materialstärke S2 und der axiale Mittelabschnittes 4e jedes Axialsteges 4 mit einer deren Fliehkraftmasse verringernden kleineren Materialstärke S3 als die Materialstärke S1 der Seitenringe 2, 3 ausgebildet sind. Ebenso geht aus 3 hervor, die Zwischenabschnitte 4c, 4d der Axialstege 4 sich von der Materialstärke S2 der Seitenabschnitte 4a, 4b zur Materialstärke S3 des Mittelabschnittes 4e jedes Axialsteges 4 gleichmäßig verjüngend ausgebildet sind. Der derart ausgebildete Radialkäfig 1 ist dabei als geschweißtes Stanzbiegeteil aus einem Stahlband-Ausgangsmaterial ausgebildet, an das durch Profilwalzen die abweichenden Materialstärken S2, S3 an dessen Axialstegen 4 angeformt sind. Mit der gezielten Verstärkung der besonders verschleißbelasteten Seitenabschnitte 4a, 4b der Axialstege 4 sowie mit der gezielten Schwächung der besonders fliehkraftbelasteten Mittelabschnitte 4e der Axialstege 4 werden somit die bisher bei hohen Drehzahlen auftretenden Stegbrüche der Axialstege 4 und die daraus resultierenden Folgenschäden sicher vermieden. Gleichzeitig sind die geraden Seitenabschnitte 4a, 4b der Axialstege 4 durch ihre vergrößerte Materialstärke S2, wie in 4 erkennbar ist, mit in Richtung Wälzkörperteilkreis Tk vergrößerten Anlaufflächen 7, 8, 9, 10 für die Wälzkörper 6 ausbildbar, so dass dadurch ein verschleißarmer Flächenkontakt der Wälzkörper 6 zu den Anlaufflächen 7, 8, 9, 10 sicher gestellt wird.
Bezugszeichenliste

1: Radialkäfig
2: Seitenring
3: Seitenring
4: Axialstege
4a: Seitenabschnitt von 4
4b: Seitenabschnitt von 4
4c: Zwischenabschnitt von 4
4d: Zwischenabschnitt von 4
4e: Mittelabschnitt von 4
5: Taschen
6: Wälzkörper
7: Anlauffläche an 4a
8: Anlauffläche an 4a
9: Anlauffläche an 4b
10: Anlauffläche an 4b
11: Oberkante von 4e
12: Oberkante von 4e
S1: Materialstärke von 2, 3
S2: Materialstärke von 4a, 4b
S3: Materialstärke von 4e
Tk: Wälzkörperteilkreis
A_K: Käfiglängsachse

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 1262256 A1 [0002]
DE 102008026562 A1 [0004, 0011]

Claims

Radialkäfig für zylindrische Wälzkörper, insbesondere Nadelkranzkäfig, im Wesentlichen bestehend aus zwei die axiale Erstreckung des Radialkäfigs (1) definierenden Seitenringen (2, 3) sowie aus einer Vielzahl diese Seitenringe (2, 3) an ihren Außendurchmessern miteinander verbindenden profilierten Axialstegen (4), zwischen denen eine Vielzahl von Taschen (5) zur Aufnahme der zylindrischen Wälzkörper (6) gebildet werden, wobei die Axialstege (4) jeweils durch zwei mit den Seitenringen (2, 3) verbundene axial gerade Seitenabschnitte (4a, 4b), durch zwei schräg zur Käfiglängsachse (A_K) verlaufende Zwischenabschnitte (4c, 4d) sowie durch einen axialen Mittelabschnitt (4e) gebildet und die Wälzkörper (6) durch die mit schrägen Anlaufflächen (7, 8, 9, 10) ausgebildeten Unterkanten der Seitenabschnitte (4a, 4b) sowie durch die Oberkanten (11, 12) des Mittelabschnittes (4e) jedes Axialsteges (4) radial im Radialkäfig (1) gehalten werden, dadurch gekennzeichnet, dass nur die Seitenringe (2, 3) die Materialstärke (S1) des Ausgangsmaterials für den Radialkäfig (1) aufweisen, während die geraden Seitenabschnitte (4a, 4b) jedes Axialsteges (4) mit einer deren Festigkeit erhöhenden größeren Materialstärke (S2) und der axiale Mittelabschnittes (4e) jedes Axialsteges (4) mit einer deren Fliehkraftmasse verringernden kleineren Materialstärke (S3) als die Materialstärke (S1) der Seitenringe (2, 3) ausgebildet sind.
Radialkäfig nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die geraden Seitenabschnitte (4a, 4b) der Axialstege (4) durch ihre vergrößerte Materialstärke (S2) mit in Richtung Wälzkörperteilkreis (Tk) vergrößerten Anlaufflächen (7, 8, 9, 10) für die Wälzkörper (6) ausbildbar sind.
Radialkäfig nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der axiale Mittelabschnitt (4e) jedes Axialsteges (4) in seinem Mittelbereich zusätzlich einen sich auf das Maß des Außendurchmessers der Seitenringe (2, 3) vorspringenden Teilabschnitt aufweist.
Radialkäfig nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenabschnitte (4c, 4d) der Axialstege (4) sich von der Materialstärke (S2) der Seitenabschnitte (4a, 4b) zur Materialstärke (S3) des Mittelabschnittes (4e) jedes Axialsteges (4) gleichmäßig verjüngend ausgebildet sind.
Radialkäfig nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass er als geschweißtes Stanzbiegeteil aus einem Stahlband-Ausgangsmaterial ausgebildet ist, an das durch Profilwalzen die abweichenden Materialstärken (S2, S3) an dessen Axialstegen (4) angeformt sind.
Radialkäfig nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass er zur Planetenradlagerung in Planetengetrieben von Automatikgetrieben in Kraftfahrzeugen oder zur Kurbelzapfen- und Kolbenbolzenlagerung von Pleuelstangen in Verbrennungsmotoren eingesetzt ist.