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Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung befassen sich mit Lageranordnungen und insbesondere mit Lageranordnungen mit geringen Verlusten bei hoher Tragfähigkeit.
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Aus der konventionellen Technik ist bekannt, Wälzlager mit einer gewissen Vorspannung zu betreiben bzw. zu montieren. Herkömmliche Wälzlager weisen Lagerringe, das heißt einen Lageraußenring und Lagerinnenring, sowie Wälzkörper auf, wobei die Wälzkörper vielerlei Formen haben können, wie beispielsweise kugelförmig, tonnenförmig, zylinderförmig, kegelförmig, usw. Während des Betriebes werden die Wälzkörper gegen die Laufflächen der Lagerringe gedrückt, so dass diese mit den Laufflächen einen oder mehrere punkt- oder linienförmige Berührungsflächen bilden. Diese Berührungsflächen hängen unter anderem von dem Anpressdruck oder der Anpresskraft ab, mit dem oder mit der die Wälzkörper auf die Laufflächen der beiden Lagerringe gedrückt werden. Dieser Druck, bzw. diese Kraft, hängt im unbelasteten Zustand maßgeblich von der Vorspannung des Lagers ab, d.h. davon, welche Kraft bereits bei der Montage bzw. im unbelasteten Zustand zwischen den Lagerringen und den Wälzkörpern wirkt.
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Generell kann es im Betrieb eines Lagers wichtig sein, dass die Wälzkörper nicht unbelastet betrieben werden, da es so zu Schlupf und damit zu erhöhtem Verschleiß der Wälzkörper und auch der Laufflächen der Lagerringe kommen kann. Im Betrieb selbst sollen die Wälzkörper demnach an den Laufflächen anliegen, wobei die Berührungsflächen der Wälzkörper mit den Laufflächen von der Belastung des Lagers abhängig sind. In anderen Worten sollen die Berührungsflächen bei höheren Belastungen größer sein, um die Last auf eine größere Fläche in den Laufflächen und an den Wälzkörpern zu verteilen, um so die erforderliche Tragkraft zu erreichen. Bei niedrigen Belastungen sollten die Wälzkörper kleinere Berührungsflächen aufweisen, damit diese nicht in Schlupf geraten und der Schmierfilm abreißen kann, was wiederum dazu führen kann, dass die Wälzkörper und Laufflächen schneller verschleißen.
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Ferner erhöht eine große Kontaktfläche die Reibung und die Verluste, die durch die Verdrängung des im Lager befindlichen Schmierstoffes entstehen, sodass es auch aus diesen Gründen wünschenswert ist, die Kontaktflächen gering zu halten. Bei herkömmlichen Lagern muss die Kontaktfläche jedoch so dimensioniert sein, dass diese die Tragkraft für die maximal zu tragende Last gewährleistet, auch wenn diese im Betrieb nur kurzzeitig auftritt. Dadurch wird in der überwiegenden Zeit mehr Reibungsverlust erzeugt, als es die dann vorherrschende Belastungssituation eigentlich erfordern würde. Dies ist beispielsweise bei Radlagern für LKW’s der Fall, bei denen die Maximallasten während der Kurvenfahrten auftreten, während die meiste Zeit während der Autobahnfahrt nur vergleichsweise geringe Lasten bzw. Kräfte zu tragen sind.
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Es wäre somit vorteilhaft, hochbelastbare Lager oder Lageranordnungen zur Verfügung zu haben, die geringere Verlustleistungen verursachen.
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Gemäß den Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung wird dies ermöglicht, indem zwischen einem Lagerinnenring und einem Lageraußenring eines Wälzlagers zwei Wälzkörper desselben Typs angeordnet werden, die sich jedoch durch eine charakteristische Eigenschaft bzw. durch ein charakteristisches Merkmal voneinander unterscheiden. Ein charakteristisches Merkmal in diesem Sinn ist ein Merkmal, das dazu führt, dass die Wälzkörper aufgrund des unterschiedlichen charakteristischen Merkmals auf eine Veränderung der Belastung unterschiedlich reagieren. Insbesondere führt eine Erhöhung der Belastung bei einem ersten Wälzkörper zu einer anderen Veränderung der Kontaktfläche des Wälzkörpers mit den Laufbahnen der Lagerringe als bei dem zweiten Wälzkörper, der sich von dem ersten Wälzkörper durch das charakteristische Merkmal unterscheidet.
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Dies kann bei einer geeigneten Dimensionierung der unterschiedlichen Wälzkörper bzw. bei geeigneter Wahl des charakteristischen Merkmals dazu führen, dass in einer Situation, in der auf das Lager eine geringere Last wirkt, die Last großteils oder vollständig von einem der beiden Wälzkörper aufgenommen wird, d. h. dass beispielsweise lediglich der erste Wälzkörper eine große bzw. zum Tragen der Last erforderliche Kontaktfläche mit den Laufbahnen aufweist, während der zweite Wälzkörper eine Last erst dann trägt, wenn eine größere Gesamtlast auf das Lager wirkt. Dies kann dazu führen, dass in dem Lager bei der geringen Last bzw. im Normallastfall lediglich geringe Reibungsverluste auftreten, während das Lager trotzdem in der Lage ist, hohe Maxi-mallasten zu tragen.
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Gemäß einigen Ausführungsbeispielen wird dies erreicht, indem bei gleicher Materialwahl für die sich unterscheidenden Wälzkörper die Oberflächenkonturen der Wälzkörper, welche diejenige Kontaktfläche bestimmen, mit der die Wälzkörper mit den Lagerringen in Kontakt sind, unterschiedlich sind. Bei diesen Ausführungsbeispielen ist also das charakteristische Merkmal eine Form der einer Laufbahn zugewandten Oberflächenkontur der Wälzkörper. Bei der Verwendung von Kugeln kann dies beispielsweise durch einen unterschiedlichen Kugeldurchmesser verwirklicht werden. Bei Kegel- oder Tonnenrollenlager kann dies erreicht werden, indem sich die Oberflächenkonturen des ersten Wälzkörpers und des zweiten Wälzkörpers voneinander unterscheiden. Beispielsweise kann bei Kegel-, Tonnen- oder Zylinderrollen ein maximaler Durchmesser bzw. der Durchmesser an der Stelle des Wälzkörpers, an dem dieser ohne Deformation mit den Laufbahnen in Kontakt kommt, unterschiedlich sein. Somit wird erst bei einer elastischen Deformation des ersten Wälzkörpers zusätzliche Last von dem zweiten Wälzkörper, dessen Oberflächenkontur dann mit den Laufbahnen in Kontakt kommt, aufgenommen.
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Bei alternativen Ausführungsbeispielen kann bei gleichem Kontaktdurchmesser der unterschiedlichen Wälzkörpern desselben Typs, also bei gleichem Durchmesser desjenigen Teils der Oberflächenkontur, mit der die unbelasteten Wälzkörper die Laufbahnen berühren, der minimale Krümmungsradius der Oberflächenkontur des zweiten Wälzkörpers geringer sein als derjenige des ersten Wälzkörpers. Somit kann bei einer Erhöhung der Last zunächst die Kontaktfläche des ersten Wälzkörpers signifikant größer werden, wohingegen die Kontaktfläche des zweiten Wälzkörpers mit den Laufbahnen erst bei einer weiteren Erhöhung der Last größer wird.
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Bei weiteren Ausführungsbeispielen der Erfindung kann dies bei unterschiedlichen oder identischen Oberflächenkonturen der Wälzkörper erreicht werden, indem für den ersten und den zweiten Wälzkörper unterschiedliche Materialien mit unterschiedlichen Elastizitätsmodulen verwendet werden. Wird beispielsweise ein Material für den ersten Wälzkörper verwendet, das ein kleineres Elastizitätsmodul aufweist als das Material des zweiten Wälzkörpers, kann zunächst bei geringeren Lasten der erste Wälzkörper die gesamte Last tragen, bis sich durch Deformation desselben ein Kontaktpunkt bzw. eine Kontaktfläche zwischen dem zweiten Wälzkörper und den Laufbahnen der Lagerringe ausgebildet hat.
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Bei weiteren Ausführungsbeispielen können verschiedene Materialien mit sich unterscheidenden Wärmeausdehnungskoeffizienten verwendet werden. Wird beispielsweise für den ersten Wälzkörper ein Material mit einem größeren Wärmeausdehnungskoeffizienten als für den zweiten Wälzkörper verwendet, dehnt sich der erste Wälzkörper bei Belastung und damit inhärent einhergehender Temperaturerhöhung stärker aus als der zweite Wälzkörper und trägt infolgedessen eine höhere Last bzw. übernimmt einen größeren Teil einer zusätzlichen Last als der zweite Wälzkörper.
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Bei weiteren Ausführungsbeispielen der Erfindung kann ein unterschiedliches Elastizitätsverhalten durch die Geometrie der Wälzkörper des unterschiedlichen Wälzkörpertyps bestimmt werden. Beispielsweise kann einer der Wälzkörper eine Materialschwächung oder dergleichen aufweisen, sodass sich dieser bezüglich seines Elastizitätsverhaltens vom anderen Wälzkörper unterscheidet. Bei einigen Ausführungsbeispielen wird dies erreicht, indem Tonnenrollen, Kegelrollen oder Zylinderrollen eine zentrale, sich zumindest teilweise durch den Wälzkörper parallel zu dessen Symmetrieachse erstreckende Bohrung bzw. mehrere derartige Bohrungen aufweist, so dass dieser Wälz-körper in seiner Struktur geschwächt ist und sich leichter deformiert als der andere Wälzkörper desselben Wälzkörpertyps. Ähnlich kann vorgegangen werden, wenn Kugeln als Wälzkörper verwendet werden, indem beispielsweise hohle Kugeln verwendet werden oder Kugeln, die ebenfalls eine sich zumindest teilweise durch die Kugel erstreckende Bohrung aufweisen, die im Wesentlichen parallel zur Oberfläche der Laufbahnen angeordnet ist.
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Gemäß einigen Ausführungsbeispielen der Erfindung befinden sich die unterschiedlichen Wälzkörpertypen in einer gemeinsamen Wälzkörperreihe eines ein- oder mehrreihigen Wälzlagers. Das heißt, der erste und der zweite Wälzkörper, die sich in einem charakteristischen Merkmal unterscheiden, sind nebeneinander entlang eines zwischen dem Lagerinnenring und dem Lageraußenring verlaufenden Umfangs der Lageranordnung angeordnet.
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Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel werden zwei- oder mehrreihige Lageranordnungen verwendet. Das heißt, der erste Wälzkörper befindet sich in einer ersten Wälzkörperreihe und der zweite Wälzkörper befindet sich in einer in einer von der axialen Richtung von der ersten Wälzkörperreihe beabstandeten Wälzkörperreihe. Mittels einer ein- oder mehrreihigen Lageranordnung, bei der in jeder Wälzkörperreihe ein oder mehrere Wälzkörper des ersten Typs und ein oder mehrere Wälzkörper angeordnet sind, die sich von dem ersten Wälzkörper desselben Wälzkörpertyps in einem charakteristischen Merkmal unterscheiden, können somit Lager bereitgestellt werden, die bei geringeren Lasten äußerst geringe Reibungsverluste aufweisen, während sie gleichzeitig in der Lage sind, hohe Maximallasten zu tragen. Dies kann beispielsweise für Radlager in PKWs oder LKWs in X- oder O-Anordnung verwendet werden, um reibungsoptimierte hochlastfähige Lager zur Verfügung zu stellen. Dazu können beispielsweise doppelreihige Schrägkugellager, Zylinderrollenlager, Kegelrollenlager oder Tonnen- bzw. Pendelrollenlager in X- oder O-Anordnung verwendet werden.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend, Bezug nehmend auf die beigefügten Figuren, näher erläutert. Es zeigen:
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1 ein Ausführungsbeispiel einer Lageranordnung;
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2 eine Ansicht auf das Ausführungsbeispiel von 1 in einer axialen Richtung;
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3 die Ansicht von 2 mit einer alternativen Ausgestaltung der Wälzkörper;
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4 ein Ausführungsbeispiel zweier Wälzkörper desselben Wälzkörpertyps, die sich in einem charakteristischen Merkmal unterscheiden; und
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5 eine schematische Ansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels einer zweireihigen Lageranordnung.
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1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Lageranordnung in Form einer Schnittansicht durch ein doppelreihiges Kegelrollenlager in O-Anordnung, wie es beispielsweise als Radlager in PKWs oder LKWs verwendet werden kann. Das Lager weist einen einteiligen Lageraußenring 2 sowie einen zweigeteilten Lagerinnenring 4a und 4b auf, der auf einer Achse 6 an-geordnet ist. Der Lagerinnenring 4b ist auf einer Seite an einem Widerlager 8 festgelegt, so dass durch Ausüben einer in einer axialen Richtung 10 wirkenden Kraft auf den Lagerinnenring 4a eine Vorspannung des Lagers auf herkömmliche Art eingestellt werden kann. Um sowohl in axialer Richtung 10 als auch in einer dazu senkrechten radialen Richtung 12 hohe Lasten aufnehmen zu können, sind die Wälzkörper 14a und 14b näherungsweise in einem 45°-Winkel bezüglich sowohl der axialen als auch der radialen Richtung angeordnet, wobei im vorliegenden Fall Kegelrollen als Wälzkörper verwendet werden. Es versteht sich von selbst, dass bei alternativen Ausführungsformen auch wesentlich flachere Berührungswinkel bzw. beliebige Berührungswinkel gewählt werden können.
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Wie aus der in 2 dargestellten Projektion entlang der Linie A-A’ hervorgeht, sind entlang eines Umfangs zwischen dem Lagerinnenring 4 und dem Lageraußenring 2 abwechselnd Wälzkörper desselben grundlegenden Typs, vorliegend der Zylinderrollen, angeordnet, die sich in einem charakteristischen Merkmal voneinander unterscheiden. Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel ist dies, wie aus 2 hervorgeht, ein maximaler Außendurchmesser der Wälzkörper. Das heißt, ein erster Wälz-körper 16a hat einen maximalen Außendurchmesser 18a, der größer ist als der maximale Außendurchmesser 18b des zweiten Wälzkörpers 16b. In diesem Sinne ist die in 2 dargestellte Projektion bzw. Ansicht so zu verstehen, dass diese entlang des gesamten Umfangs des in 1 gezeigten Schnittes durch das Wälzlager entlang der Linie A-A’ erfolgt. Dadurch, dass der maximale Außendurchmesser 18a des ersten Wälzkörpers 16a größer ist als derjenige des zweiten Wälzkörpers 16b, und durch die abwechselnde Anordnung dieser beiden Wälzkörper entlang des Umfangs des Lagers wird erreicht, dass bei geringen Lasten lediglich der Wälzkörper 16a die Last überträgt, wohingegen bei größeren Lasten durch die elastische Deformation des Wälzkörpers 16a zusätzlich der Wälzkörper 16b die Last überträgt. Dadurch wird bei geringer Last eine geringe Reibung erzielt, da lediglich eine geringe Kontaktfläche, beispielsweise in Form eines Punktes, einer Kontaktellipse oder eines Kontaktstreifens zur Übertragung der Last mittels des Wälzkörpers 16a verwendet wird, was zu geringer Reibung und Verdrängung von Schmiermittel von der Oberfläche der Laufbahnen führt.
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Die geeignete Dimensionierung bzw. der geeignete Unterschied der Maximaldurchmesser kann von einem Fachmann durch Berechnung, Simulation oder Versuche ohne weiteres herausgefunden werden.
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3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel in einer zu Ansicht in 2 korrespondierenden Ansicht.
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Ein Unterschied in der Elastizität bzw. der Verformbarkeit der unterschiedlichen Wälzkörper wird hier nicht durch das, ebenfalls mögliche, Verwenden von unterschiedlichen Materialien mit verschiedenen Elastizitätsmodulen erreicht, sondern durch eine Schwächung des Materials eines der Wälzkörper, vorliegend des ersten Wälzkörpers 16a durch eine in diesem zentral angebrachte, vollständig bzw. teilweise parallel zur Symmetrieachse des Wälzkörpers durch diesen verlaufende Bohrung. Diese führt dazu, dass eine elastische Deformation des ersten Wälzkörpers 16a begünstigt wird, so dass bei erhöhten Lasten auch der Wälzkörper 16b Lasten aufnehmen kann.
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4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel bzw. einen Schnitt durch den ersten Wälzkörper 16a und den zweiten Wälzkörper 16b eines weiteren Ausführungsbeispiels der Erfindung. Bei dem in 4 dargestellten Ausführungsbeispiel unterscheidet sich die Oberflächenkontur des ersten Wälzkörpers 16a von derjenigen des zweiten Wälzkörpers 16b, wobei ein erster Durchmesser 20a des ersten Wälzkörpers 16a an der Stelle, an der der erste Wälzkörper 16a zuerst mit den Laufbahnen 2 und 4a in Kontakt gerät, größer ist als ein zweiter Durchmesser 20b des zweiten Wälzkörpers. Dies bedeutet bei einer gekrümmten Oberfläche des Wälzkörpers in anderen Worten, dass der minimale Krümmungsradius, d.h. der Krümmungsradius am Ort des Durchmessers 20a des ersten Wälzkörpers 16a, geringer ist als der minimale Krümmungsradius des zweiten Wälzkörpers 16b, so dass zunächst die Last vom ersten Wälzkörper 16a getragen wird. In Sinne der hier beschriebenen Durchmesser 20a und 20b sind auch die in den 1 und 2 definierten Maximaldurchmesser 18a und 18b zu verstehen, sofern es sich bei den Wälzkörpern um andere Geometrien wie Tonnenrollen handelt.
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Bei einem alternativen Ausführungsbeispiel, in der die Durchmesser 20a und 20b identisch sind, würde die Last zunächst überwiegend von dem zweiten Wälzkörper 16b getragen werden, da dieser durch geringere elastische Deformation eine deutlich größere Kontaktfläche mit den Laufbahnen erhalten würde als der erste Wälzkörper 16a. In diesem alternativen Fall würde die Last zunächst also überwiegend von demjenigen Wälzkörper getragen werden, dessen Oberflächenprofil eine geringere maximale Abweichung d2 (und somit einen größeren minimaler Krümmungsradius) von der direkten Verbindung zwischen den beiden axialen Enden des Wälzkörpers aufweist. In dem in 4 gezeigten Beispiel wäre dies also der zweite Wälzkörper 16b mit der maximalen Abweichung d2, bevor bei gleichem Durchmesser 20a bzw. 20b bei erhöhter Last zusätzlich der Wälzkörper 16a mit der Maximalabweichung d1 höhere Lasten aufnehmen würde.
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Die Begriffe maximaler Krümmungsradius und minimaler Krümmungsradius sind also bezogen auf denjenigen Teil des Oberflächenprofils zu verstehen, der bei Belastung des Lagers mit den Laufbahnen in Kontakt kommt bzw. kommen kann und so die jeweils unterschiedlichen Kontaktflächen bestimmt. Anders ausgedrückt ist als Oberflächenkontour derjenige Teil der Oberfläche der Wälzkörper zu verstehen, der die Kontaktfläche bilden kann bzw. deren Form mitbestimmt.
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Bei streng monoton veränderlichem Oberflächenprofil wird der maximale Krümmungsradius am Ort des Kontaktpunkts bei minimaler Belastung des Lagers auftreten. Der maximale bzw. minimale Krümmungsradius ist unabhängig von der generellen Form der Oberflächenprofile, die beispielsweise logarithmisch, mit konstantem oder andersartig monoton veränderlichem Krümmungsradius ausgeführt sein können.
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Wenngleich anhand der 1–4 Ausführungsbeispiele diskutiert wurden, bei denen der erste Wälzkörper 16a und der zweite Wälzkörper 16b, also die Wälzkörper gleichen Wälzkörpertyps und mit sich unterscheidenden charakteristischem Merkmal entlang eines gemeinsamen Umfangs, also in einer gemeinsamen Wälzkörperreihe angeordnet wurden, zeigt 5 ein weiteres Ausführungsbeispiel bzw. eine Ansicht auf eine doppelreihige Lageranordnung, bei der die sich unterscheidenden ersten Wälzkörper 16a bzw. die Wälzkörper 16b in unterschiedlichen Wälzkörperreihen eines doppelreihigen Lagers angeordnet sind. Das heißt mit anderen Worten, ein erster Wälzkörper 16a ist in einer ersten Wälzkörperreihe und ein zweiter Wälzkörper 16b in einer in einer axialen Richtung von der ersten Wälzkörperreihe beabstandeten zweiten Wälzkörperreihe angeordnet.
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Wenngleich anhand der vorhergehenden Ausführungsbeispiele überwiegend Kegelrollenlager in X- bzw. O-Anordnung diskutiert wurden, versteht es sich von selbst, dass weitere Ausführungsformen der Erfindung jedwede üblichen Wälzkörper verwenden können, beispielsweise Kugeln in Schrägkugellagern oder in Rillenkugellagern, sowie Kegel- oder Zylinderrollen, Tonnenrollen oder Nadelrollen. Ferner versteht es sich von selbst, dass weitere Ausführungsbeispiele erfindungsgemäßer Lager nicht nur in PKWs oder LKWs als Radlager verwendet werden können, sondern darüber hinaus in beliebigen weiteren Anwendungen. Dies gilt beispielsweise für Getriebe von Kraftfahrzeugen, zur Lagerung von Achsen und Wellen in Kraftfahrzeugen oder sonstigen Antriebsmaschinen bzw. Motoren sowie zur Lagerung beliebiger Gegenstände, bei der es einen hohen dynamischen Lastbereich gibt und die möglicherweise über lange Betriebsdauern kontinuierlich mit niedrigen Lasten betrieben werden.
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Bezugszeichenliste
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- 2
- Lageraußenring
- 4a, 4b
- Lagerinnenring
- 6
- Achse
- 8
- Widerlager
- 10
- axiale Richtung
- 12
- radiale Richtung
- 14a, 14b
- Wälzkörper
- 16a
- erster Wälzkörper
- 16b
- zweiter Wälzkörper
- 18a
- maximaler Außendurchmesser
- 18b
- maximaler Außendurchmesser
- 20a
- erster Durchmesser
- 20b
- zweiter Durchmesser
