DE102013001115A1

DE102013001115A1 - Radlager für die rotatorische Lagerung einer Radnabe eines Fahrzeugs

Info

Publication number: DE102013001115A1
Application number: DE201310001115
Authority: DE
Inventors: Werner Scharinger; Tobias Stapf
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2013-01-23
Filing date: 2013-01-23
Publication date: 2014-07-24

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Radlager (10) für die rotatorische Lagerung einer Radnabe eines Fahrzeugs, aufweisend eine innere Lagerschale (20) mit wenigstens einer inneren Laufbahn (22), eine äußere Lagerschale (30) mit wenigstens einer äußeren Laufbahn (32) und im Lagerraum (40) zwischen den beiden Lagerschalen (20, 30) angeordnete Wälzkörper (50), die auf den Laufbahnen (22, 32) abrollen, wobei der Lagerraum (40) mit wenigstens einem Dichtelement (80) abgedichtet ist, wobei zumindest ein Heizelement (60) an dem Dichtelement (80) angeordnet ist, um den Lagerraum (40) zu erwärmen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Radlager für die rotatorische Lagerung einer Radnabe eines Fahrzeugs sowie ein Verfahren für das Aufheizen eines Lagerraums eines Radlagers.
Grundsätzlich ist es bekannt, dass für die Lagerung einer Radnabe eines Fahrzeugs Radlager eingesetzt werden. Hierfür können einreihige oder zweireihige Radlager eingesetzt werden. Üblicherweise sind diese Radlager mit einem Schmiermittel versehen, also ein Lagerraum im Inneren des Radlagers mit einem Lagerfett als Schmiermittel befüllt. Für den Betrieb des Radlagers dient dieses Schmiermittel dazu, die Reibung zwischen Wälzkörpern und Laufbahnen zu reduzieren. Jedoch ist die Reibungsreduktion durch das Schmiermittel abhängig von der Viskosität des Schmiermittels. Darüber hinaus stellt sich über den Betrieb eines Radlagers ein Temperaturbereich ein, welcher durch die Reibungswärme beim Abrollen der Wälzkörper im Bereich von bis zu ca. 100° Celsius liegen kann. Durch das Aufheizen reduziert sich die Viskosität des Schmiermittels, so dass dementsprechend auch die Reibung innerhalb des Schmiermittels aufgrund von reduzierten Scherkräften vermindert wird.
Nachteilhaft bei bekannten Radlagern ist es, dass die voranstehend beschriebene Reduktion der Viskosität und die damit einhergehende Reduktion der Scherkräfte innerhalb des Schmiermittels erst nach dem Aufheizen durch die Reibung innerhalb des Radlagers erhalten werden kann. Somit muss während der Anlaufphase, welche für das Schmiermittel auch als Warmlaufphase bezeichnet werden kann, eine höhere Reibung in Kauf genommen werden. Es ist bereits grundsätzlich vorgeschlagen worden, dass Lagerbauteile aufgeheizt werden können. So beschreibt beispielsweise die DE 10 2010 046 594 A1 die grundsätzliche Möglichkeit der Temperierung eines Lagers. Auch ist aus der DE 2 145 771 ein Kunststofflager bekannt, welches sich grundsätzlich mit dem Aufheizen eines Lagers beschäftigt. In der DE 10 2010 049 953 A1 wird ein Großwälzlager sowie eine entsprechende Heizung offenbart. Aus der DE 10 2005 058 141 A1 ist ein Wälzlager mit einem Heizelement bekannt, welches dem Aufschrumpfen des Wälzlagers dient. All den voranstehend genannten Offenbarungen ist es gemeinsam, dass ein Wärmeübertragen in einen innenliegenden Lagerraum des Lagers nicht offenbart ist bzw. nur schwer möglich ist. Insbesondere bei den Ausführungsformen, bei welchen die Anordnung der einzelnen Heizelemente auf der Oberfläche der Lagerschale stattgefunden hat, stellt die jeweilige Lagerschale einen hohen Wärmetransportwiderstand für eine Übertragung der Wärme in den Lagerinnenraum dar. Der Lagerraum ist also mit anderen Worten wärmeisoliert gegen die Heizelemente.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die voranstehend beschriebenen Nachteile zumindest teilweise zu beheben. Insbesondere ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, in kostengünstiger und einfacher Weise einen möglichst effizienten Wärmeübergang zum Aufheizen des Lagerraums zur Verfügung zu stellen.
Voranstehende Aufgabe wird gelöst durch ein Radlager mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 8. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Radlager beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und jeweils umgekehrt, so dass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann.
Bei einem erfindungsgemäßen Radlager, welches für die rotatorische Lagerung einer Radnabe eines Fahrzeugs ausgelegt ist, ist zumindest eine innere Lagerschale vorgesehen. Diese innere Lagerschale weist wenigstens eine innere Laufbahn auf. Weiter ist eine äußere Lagerschale mit wenigstens einer äußeren Laufbahn vorgesehen. Im Lagerraum zwischen den beiden Lagerschalen sind Wälzkörper angeordnet, welche auf den beiden Laufbahnen abrollen. Ein erfindungsgemäßes Radlager zeichnet sich dadurch aus, dass der Lagerraum mit wenigstens einem Dichtelement abgedichtet ist, wobei zumindest ein Heizelement an dem Dichtelement angeordnet ist, um den Lagerraum zu erwärmen.
Mit einem erfindungsgemäßen Radlager wird das Heizelement an oder sogar innerhalb des Dichtelements angeordnet. Damit kann durch ein erfindungsgemäßes Radlager eine Erwärmung des Lagerraums bereits zu Beginn oder sogar vor Beginn einer Rotation des Radlagers stattfinden. Die bereits beschriebene Reduktion der Reibung bzw. die Reduktion der Scherkräfte innerhalb eines Schmiermittels, welches im Lagerraum aufgenommen ist, kann auf diese Weise bereits zu Beginn der Rotation erzielt werden. Eine Warmlaufphase mit erhöhter Reibung wird auf diese Weise vermieden.
Dabei ist darauf hinzuweisen, dass bei einem erfindungsgemäßen Radlager im Verkaufszustand selbstverständlich noch ein sogenanntes trockenes Lager vorliegen kann. Der Lagerraum ist dementsprechend vorzugsweise dafür geeignet anschließend oder im Laufe der weiteren Fertigung mit einem Schmiermittel, insbesondere mit einem Lagerfett, befüllt zu werden, wie dies später noch erläutert wird.
Durch die Anordnung des Heizelements an dem Dichtelement wird der Wärmetransportwiderstand und damit die Wirkung als Wärmeisolator durch die Lagerschalen aufgehoben. Es erfolgt somit eine im Wesentlichen direkte Erwärmung des Lagerraus und eines darin enthaltenen Schmiermittels. Auf diese Weise kann die Dauer der notwendigen Erwärmung und die notwendige Heizleistung reduziert werden. Die erfindungsgemäß eingesetzten Heizelemente können damit kleiner und kostengünstiger ausgebildet werden.
Bekannte Dichtelemente können aus einem Materialmix bestehen. So ist es zum Beispiel möglich, dass ein Metallkern von einer Kunststoffschicht umgeben ist. die Kunststoffschicht bildet dabei die Dichtlippe aus, während der Metallkern die notwendige Stabilität mit sich bringt. Ein Anordnung des zumindest einen Heizelements kann zum Beispiel in der Kunststoffschicht erfolgen. So wird zum Beispiel beim Umspritzen des Metallkerns das Heizelement direkt mit eingegossen und damit formschlüssig befestigt. Die Abdichtung mittels dem Dichtelement erfolgt gegen die Austritt des Schmiermittels aus dem Lagerraum.
Es kann von Vorteil sein, wenn bei einem erfindungsgemäßen Radlager der Lagerraum als Fettraum ausgebildet ist und wenigstens abschnittsweise mit einem Schmiermittel, insbesondere mit einem Lagerfett befüllt ist. Das bedeutet, dass es sich hier um ein Radlager im Einsatz handelt. Insbesondere handelt es sich um ein Schmiermittel, welches eine ideale Viskosität, also mit minimierten Scherkräften innerhalb des Schmiermittelmaterials, in einem Temperaturbereich zwischen ca. 60° Celsius und ca. 90° Celsius, aufweist. Das Schmiermittel kann dabei während der Herstellung des Radlagers oder auch erst am Einsatzort eingefüllt werden. Insbesondere handelt es sich dabei um einen Lagerraum, welcher für die lebenslange Aufnahme des Schmiermittels ausgebildet ist. Mit anderen Worten ist eine sogenannte Lifetime-Schmierung erfolgt, so dass eine Abdichtung des Lagerraums ohne Nachfüllbarkeit gegeben sein kann. Der Fettraum ist dementsprechend abgedichtet, so dass aus dem Lagerraum das enthaltene Schmiermittel nicht oder im Wesentlichen nicht austreten kann.
Vorteilhaft ist es ebenfalls, wenn bei einem erfindungsgemäßen Radlager das zumindest eine Heizelement auf einer Innenfläche des Dichtelements angeordnet ist, welche dem Lagerraum zugewandt ist Damit befindet sich der Anbringungsort des zumindest einen Heizelements innerhalb des Lagerraums, so dass die Auswirkung für die erwünschte Erwärmung des Lagerraums besonders effizient ausfällt. Die Befestigung des zumindest einen Heizelements kann zum Beispiel mittels Befestigungsmitteln in Form von Schrauben, Nieten oder Klemmverbindungen erfolgen. Auch eine irreversible Befestigung, zum Beispiel durch Formschluss oder Materialschluss ist im Sinne der vorliegenden Erfindung denkbar.
Vorteilhaft ist es weiter, wenn bei einem erfindungsgemäßen Radlager das zumindest eine Heizelement auf einer Außenfläche des Dichtelements angeordnet ist, welche dem Lagerraum abgewandt ist. Auf diese Weise wird eine besonders einfache Befestigung des Heizelements möglich. Insbesondere können auch bestehende und bereits abgedichtete Radlager in erfindungsgemäßer Weise nachgerüstet werden. Darüber hinaus ist das derart angeordnete Heizelement vor der Beeinflussung durch das Schmiermittel geschützt. insbesondere bei aggressiven Materialien als Schmiermittel kann auf diese Weise ein wirksamer Schutz gegen Korrosion des Heizelements zur Verfügung gestellt werden. Ein weiterer Vorteil dieser Ausführungsform ist die besonders einfache Kontaktierung mit einer Medienversorgung zum Beispiel mit einem Stromkabel.
Ein weiter Vorteil ist es, wenn bei einem erfindungsgemäßen Radlager das zumindest eine Heizelement (60) innerhalb des Materials des Dichtelements (80) angeordnet ist. Die Anordnung erfolgt zum Beispiel während der Herstellung des Dichtelements, insbesondere durch Umspritzen des Heizelements. Damit kann zum Beispiel eine formschlüssige Befestigung des Heizelements erzielt werden.
Bei einem erfindungsgemäßen Radlager ist es ebenfalls von Vorteil, wenn dieses als zweireihiges Lager ausgebildet ist. Damit wird es möglich, nicht nur Radialkräfte, sondern auch Axialkräfte innerhalb dieses zweireihigen Radlagers aufzunehmen. Insbesondere bei der Lagerung der Radnabe eines Fahrzeugs bringt dies entscheidende Vorteile mit sich. So können die Konstruktionen bzw. der Aufwand für zusätzliche Lagerungen deutlich reduziert werden.
Ein weiterer Vorteil wird erzielt, wenn bei einem erfindungsgemäßen Radlager das zumindest eine Heizelement wenigstens eine der folgenden Ausführungsformen aufweist:

– Elektrisches Heizelement
– Elektrischer Heizdraht
– Elektrische Heizschicht

Selbstverständlich können bei einem Vorsehen von einer Mehrzahl von Heizelementen auch unterschiedliche Ausführungsformen von Heizelementen miteinander kombiniert werden. Grundsätzlich ist jedoch das Vorsehen eines elektrischen Heizelements von Vorteil, da der Aufwand für die Kontaktierung und das Erzeugen der Erwärmung besonders klein ausfällt. Grundsätzlich sind jedoch auch Wärmetransportmedien einsetzbar, so dass z. B. Wärmefluide die gewünschte Erwärmung des Lagerraums durchführen. Vorzugsweise befindet sich das Heizelement an einem Ort des Radlagers, welcher relativ zu dem Fahrzeug nicht mit rotiert bzw. nur eine geringe Relativbewegung aufweist. Dies erleichtert die Kontaktierung und ermöglicht insbesondere eine dauerhafte elektrische Kontaktierung. Heizdrähte sind besonders vorteilhaft, da sie kostengünstig das erfindungsgemäße Heizelement zur Verfügung stellen können. Heizschichten können eine besonders kontinuierliche flächenmäßig verteilte Erwärmung des Lagerraums mit sich bringen.
Ebenfalls Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren für das Aufheizen eines Lagerraums eines Radlagers, insbesondere gemäß der vorliegenden Erfindung, aufweisend die folgenden Schritte:

– Überwachen des Betriebsstatus des Radlagers,
– Erkennen des Rotationsbeginns des Radlagers,
– Aufheizen des Lagerraums des Radlagers mittels zumindest eines Heizelements.

Das Aufheizen des Lagerraums erfolgt also anschließend an das Erkennen des Rotationsbeginns. Dabei kann das Aufheizen auch vor Beginn des Rotationsbeginns des Radlagers und nach dem Erkennen eines Rotationswunsches durchgeführt werden. Das Aufheizen des Lagerraums führt zu den Vorteilen, wie sie ausführlich mit Bezug auf ein erfindungsgemäßes Radlager erläutert worden sind.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren lässt sich dahingehend weiterbilden, dass der Schritt des Aufheizens für eine definierte Zeitspanne und/oder bis zum Erreichen einer definierten Temperatur durchgeführt wird. Somit kann auf eine aufwendige Regelungstechnik verzichtet werden. Insbesondere beim Vorsehen einer definierten Zeitspanne wird eine Bestromung eines elektrischen Heizelements für diese definierte Zeitspanne durchgeführt und anschließend ausgeschaltet. Über einfache Wärmeberechnung kann auf diese Weise eine Vorhersage über die auf diese Weise zu erreichenden Temperatur im Lagerraum getroffen werden. Beim Aufheizen bis zum Erreichen einer definierten Temperatur erfolgt vorzugsweise eine einfache Soll-Ist-Kontrolle. So wird als definierte Temperatur ein Sollwert vorgegeben, nach dessen Erreichen die Aufheizung des Lagerraums beendet wird.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung im Einzelnen beschrieben sind. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein. Es zeigen schematisch:
1 eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Radlagers,
2 eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Radlagers,
3 eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Radlagers und
4 eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Radlagers.
In 1 wird eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Radlagers 10 dargestellt. So ist hier das gesamte Radlager 10 mit seiner kompletten Umdrehung im Querschnitt dargestellt. Die Bezugszeichen sind hier an dem oberen Querschnittteil des Radlagers 10 angesetzt. So weist dieses Radlager 10 eine innere Lagerschale 20 und eine äußere Lagerschale 30 auf. Beide Lagerschalen 20 und 30 sind jeweils mit einer Laufbahn 22 und 32 versehen. Zwischen den beiden Lagerschalen 20 und 30 bildet sich ein Lagerraum 40 aus, in welchem eine Vielzahl von Wälzkörpern 50 aufgenommen sind. Die Wälzkörper 50 dieser Ausführungsform sind kugelförmig ausgebildet. Selbstverständlich sind jedoch auch andere Wälzkörper 50, insbesondere rotationssymmetrische Wälzkörper 50, im Rahmen der vorliegenden Erfindung denkbar.
Der Lagerraum 40 des Radlagers 10 gemäß der Ausführungsform der 1 ist vorzugsweise mit einem Schmiermittel ausgefüllt. Dieses Schmiermittel kann über nicht dargestellte Abdichtungen innerhalb des Lagerraums 40 dichtend aufgenommen sein.
Um das voranstehend beschriebene Schmiermittel innerhalb des Lagerraums auf eine Betriebstemperatur zu bringen und dementsprechend Scherkräfte innerhalb des Schmiermittels durch Reduktion der Viskosität zu reduzieren, ist zumindest ein Heizelement 60 vorgesehen. Dieses Heizelement 60 ist an bzw. innerhalb eines Dichtelements 80 angeordnet, welches den Lagerraum 40 gegen das Austreten von Schmiermittel abdichtet. Dabei handelt es sich um ein elektrisches Heizelement 60, welches unter Bestromung Wärme in den Lagerraum 40 abgibt. Ist der Lagerraum 40 bereits mit Schmiermittel ausgefüllt, wird dementsprechend das Schmiermittel erwärmt, die Viskosität des Schmiermittels reduziert und damit eine reduzierte Scherkraft bzw. reduzierte Reibungskraft beim Betrieb des Radlagers 10 möglich.
In 2 ist eine alternative Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Radlagers 10 dargestellt. Hier ist Ausbildung des Dichtelements 80 noch genauer zu erkennen. So weisen diese beiden Dichtelemente 80 einen im Wesentlichen L-förmigen Querschnitt auf. Die Heizelemente 60 sind dabei zur direkten Erwärmung des Lagerraums 40 an der Innenfläche 82 bzw. an der Außenfläche 84 der Dichtelemente 80 angeordnet. Grundsätzlich wird die Anzahl der verwendeten Heizelemente 60 die Geschwindigkeit der Aufheizung des Schmiermittels im Lagerraum 40 erhöhen. Darüber hinaus wird eine Reduktion des Abstands zwischen dem jeweiligen Heizelement 60 und dem Lagerraum 40 eine Verbesserung der Effizienz bei der Erwärmung mit sich bringen.
In 3 ist eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Radlagers 10 dargestellt. Hier wurden die Heizelemente 60 innerhalb des Materials der Dichtelemente 80 angeordnet. Dabei kann durch die Art, die Größe und den Ort der Heizelemente die Wirkung des Wärmeeintrags angepasst werden. Insbesondere handelt es sich bei den Dichtelementen 80 um einen Materialmix mit einem Metallkern. Die Heizelemente 60 sind dabei insbesondere in einem Kunststoffmantel um den Metallkern eingespritzt und/oder formschlüssig gehalten.
4 zeigt eine Variante eines erfindungsgemäßen Radlagers 10 mit zweireihiger Ausbildung. Die grundsätzliche Funktionsweise entspricht den Ausführungsformen gemäß der 1 bis 3. Hier ist ein Heizelement 60 zwischen den beiden Reihen der Wälzkörper 50 vorgesehen.
Die voranstehende Erläuterung der Ausführungsformen beschreibt die vorliegende Erfindung ausschließlich im Rahmen von Beispielen. Selbstverständlich können einzelne Merkmale der Ausführungsformen, sofern technisch sinnvoll, frei miteinander kombiniert werden, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Bezugszeichenliste

10: Radlager
20: innere Lagerschale
22: innere Laufbahn
24: Innenwandung
30: äußere Lagerschale
32: äußere Laufbahn
40: Lagerraum
50: Wälzkörper
60: Heizelement
70: Lagerkäfig
80: Dichtelement
82: Innenfläche des Dichtelements
84: Außenfläche des Dichtelements

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102010046594 A1 [0003]
DE 2145771 [0003]
DE 102010049953 A1 [0003]
DE 102005058141 A1 [0003]

Claims

Radlager (10) für die rotatorische Lagerung einer Radnabe eines Fahrzeugs, aufweisend eine innere Lagerschale (20) mit wenigstens einer inneren Laufbahn (22), eine äußere Lagerschale (30) mit wenigstens einer äußeren Laufbahn (32) und im Lagerraum (40) zwischen den beiden Lagerschalen (20, 30) angeordnete Wälzkörper (50), die auf den Laufbahnen (22, 32) abrollen, dadurch gekennzeichnet, dass der Lagerraum (40) mit wenigstens einem Dichtelement (80) abgedichtet ist, wobei zumindest ein Heizelement (60) an dem Dichtelement (80) angeordnet ist, um den Lagerraum (40) zu erwärmen.
Radlager (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Lagerraum (40) als Fettraum ausgebildet ist und wenigstens abschnittsweise mit einem Schmiermittel, insbesondere mit einem Lagerfett, befüllt ist.
Radlager (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine Heizelement (60) auf einer Innenfläche (82) des Dichtelements (80) angeordnet ist, welche dem Lagerraum (40) zugewandt ist.
Radlager (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine Heizelement (60) auf einer Außenfläche (84) des Dichtelements (80) angeordnet ist, welche dem Lagerraum (40) abgewandt ist.
Radlager (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine Heizelement (60) innerhalb des Materials des Dichtelements (80) angeordnet ist.
Radlager (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dieses als zweireihiges Lager ausgebildet ist.
Radlager (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine Heizelement (60) wenigstens eine der folgenden Ausführungsformen aufweist: – Elektrisches Heizelement – Elektrischer Heizdraht – Elektrische Heizschicht
Verfahren für das Aufheizen eines Lagerraums (40) eines Radlagers (10), insbesondere mit den Merkmalen eines der Ansprüche 1 bis 7, aufweisend die folgenden Schritte: – Überwachen des Betriebsstatus des Radlagers (10), – Erkennen des Rotationsbeginns des Radlagers (10), – Aufheizen des Lagerraums (40) des Radlagers (10) mittels zumindest einem Heizelement (60).
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt des Aufheizens für eine definierte Zeitspanne und/oder bis zum Erreichen einer definierten Temperatur durchgeführt wird.