DE102013203005A1

DE102013203005A1 - Radlagereinheit mit einem spannungsoptimierten Aufbau

Info

Publication number: DE102013203005A1
Application number: DE201310203005
Authority: DE
Inventors: Andreas Kaiser; Roland Langer; Frank EICHELMANN; Peter Niebling; Florian Königer; Ralf Heiss
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2013-02-25
Filing date: 2013-02-25
Publication date: 2014-08-28

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Radlagereinheit einer Fahrzeugachse, umfassend ein Radlager (18a) mit wenigstens zwei Wälzkörperreihen (19a, 19b), das in einem Radträger (6) abgestützt ist. Die über ein Antriebsgelenk (11) antreibbare Radlagernabe (8) ist über einen Nabenflansch (16) mit einem Fahrzeugrad verbunden. Die Wälzkörper (20a, 20b) des beidseitig eine Dichtung (14a, 14b) einschließenden Radlagers (18a) sind außenseitig an einem Lagerring (5) und innenseitig an der Radlagernabe (17) oder einem Innenring (9) geführt. Das Radlager (18a) umfasst Wälzkörperreihen (19a, 19b), deren Wälzkörper (20a, 20b) voneinander abweichende oder übereinstimmende Teilkreisdurchmesser TK1, TK2 aufweisen sowie in voneinander abweichenden oder übereinstimmenden Laufbahnradien RK1, RK2 geführt sind. Die nabenflanschseitige Dichtung (14a) des Radlagers (18a) ist an einem Dichtungslaufradius RD der Radlagernabe (17) abgestützt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Radlagereinheit einer Fahrzeugachse, umfassend ein Radlager mit wenigstens zwei Wälzkörperreihen, das in einem Radträger abgestützt ist gemäß den oberbegriffsbildenden Merkmalen von Anspruch 1.
Radlagereinheiten der eingangs genannten Bauart sind in vielfältigen Ausführungsformen bekannt. Gegenstand der DE 10 2007 016 427 A1 ist eine Radlagereinheit für ein Kraftfahrzeug mit einer über ein Drehgelenk antreibbaren Radlagernabe. Ein der Radlagernabe zugeordnetes zweireihiges Radlager ist innenseitig auf einer Laufbahn der Radlagernabe sowie einem separaten Lagerinnenring geführt. Über einen Achsstumpf in Verbindung mit einer Verzahnung ist die Radnabe formschlüssig mit dem Gelenkkörper des Drehgelenks drehfest verbunden. Eine weitere Radlagereinheit ist aus der DE 10 2005 036 659 A1 bekannt. Diese Radlagereinheit weist wenigstens zwei Wälzkörperreihen zur Lagerung einer mit der Radlagereinheit durch ein Antriebselement antreibbaren Radlagernabe auf. Die Radlagernabe ist mit dem Antriebselement formschlüssig über eine Stirnverzahnung verbunden. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gewichts- und bauraumoptimierte Radlagereinheit mit einer verbesserten Bauteilfestigkeit zu schaffen, die weiterhin kostengünstig herstellbar ist.
Diese Aufgabenstellung wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Die abhängigen, auf den Anspruch 1 rückbezogenen Ansprüche geben jeweils vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung wieder.
Erfindungsgemäß sind zur Erreichung einer verbesserten Bauteilfestigkeit der Radlagereinheit unterschiedliche Maßnahmen vorgesehen, mit denen allein oder in Kombination eine spannungsoptimierte Radlagernabe ohne nachteilige radienbedingte Engstellen realisierbar ist. Die gemäß der Erfindung ausgelegte Radlagernabe besitzt eine optimale Kontur und einen damit verbundenen optimalen Spannungsverlauf. Das der Radlagernabe zugeordnete Radlager ist wie folgt konzipiert.
Zur Realisierung einer erfindungsgemäßen Radlagernabe und des damit verbundenen Radlagers ist als erstes konstruktives Konzept vorgesehen, dass für die Wälzkörper der einzelnen Wälzkörperreihen voneinander abweichende oder übereinstimmende Teilkreisdurchmesser vorgesehen sind. Damit besteht die Möglichkeit, die flanschnahen bzw. die nabenflanschseitigen Wälzkörper mit einem größeren Teilkreisdurchmesser und folglich einem Höhenversatz gegenüber den weiteren Wälzkörpern anzuordnen. Vorteilhaft sind die Wälzkörper so positioniert, dass deren Einbaulage weder eine Engstelle durch Radien bildet noch die optimale Kontur und den damit verbundenen Spannungsverlauf der Radlagernabe negativ beeinflusst.
Als weitere Maßnahme schließt die Erfindung ein Radlager mit voneinander abweichenden oder übereinstimmenden Laufbahnradien für die Wälzkörper ein und folglich Wälzkörper mit gleichen oder unterschiedlichen Durchmessern. Dazu bietet es sich an, Wälzkörper mit kleineren Laufbahnradien bzw. kleinerem Durchmesser flanschnah, d.h. nabenflanschseitig, jedoch außerhalb der optimalen Kontur der Radlagernabe anzuordnen. Weiterhin ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass eine nabenflanschseitige Dichtung des Radlagers mit einer Dichtlippe an einem Dichtungslaufradius der Radlagernabe dichtend abgestützt ist. Der versetzt zu einem inneren Verbindungsradius vom Nabenflansch verlaufende Dichtungslaufradius übertrifft dabei den Laufbahnradius der nabenflanschseitigen Wälzkörperreihe. Auch die Auslegung für den Dichtungslaufradius trägt dazu bei, die optimale Kontur und einen damit verbundenen optimalen Spannungsverlauf der Radlagernabe zu gewährleisten.
Eine Kombination oder eine Auswahl der zuvor genannten erfindungsgemäßen Maßnahmen ermöglicht es, eine spannungsoptimierte Radlagernabe zu gestalten. Konkret kann damit ein Verbindungsradius zwischen dem radialen Nabenflansch und der axialen Nabe, den zwei senkrecht zueinanderstehenden Bereichen der Radlagernabe, erfindungsgemäß in einer spannungsflussoptimierten Kontur ausgebildet werden. Gleichzeitig werden durch die Erfindung Engstellen und damit Schwachstellen an dem Verbindungsradius vermieden. Durch den ungeschwächten Verbindungsradius kann eine torsions- und biegesteife Radlagernabe, insbesondere im Bereich der Flanschgeometrie erreicht werden. Die damit verbundene erhöhte Bauteilsteifigkeit der Radlagernabe unterbindet bei Belastungen im Betriebszustand eines Fahrzeuges ein Verkippen des Radsystems bzw. der Radlagereinheit, das sich nachteilig auf das Fahrverhalten des Fahrzeuges, insbesondere bei Kurvenfahrt und nachteilig auf den Verschleiß sowie die Funktion der Bremse auswirken. Weiterhin ermöglicht die Erfindung, eine gewichts- und bauraumoptimierte Nabengestaltung zu realisieren, die gleichzeitig kostengünstig, beispielsweise durch einen Schmiedeprozess, herstellbar ist. Durch asymmetrisch angeordnete Wälzkörperreihen, die sich hinsichtlich der Laufbahnradien und/oder der Wälzkörperdurchmesser unterscheiden, kann vorteilhaft ein vergrößerter Wälzkörperabstand realisiert werden, der die Stützwirkung der Radlagernabe verbessert sowie eine Verschiebung der Radwirkungslinie ermöglicht. Außerdem kann mit dieser Maßnahme nabenflanschseitig die Laufbahn für die Dichtung und Wälzkörper vergrößert werden.
Im Gegensatz zu der vorliegenden Erfindung wurde bei bisherigen Radlageranordnungen der Verbindungsradius durch das Einbringen mehrerer Radien, insbesondere Laufbahnradius und Dichtungslaufradius geschwächt. Diese durch Radien gebildeten Engstellen in der Flanschgeometrie bilden Schwachstellen und bewirken einen negativen Einfluss auf die Torsions- und Biegesteifigkeit der Radlagernabe.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist ein Radlager vorgesehen, dass ein Auslegungsverhältnis zwischen dem Teilkreisdurchmesser TK₁ der Wälzkörper der nabenflanschseitigen Wälzkörperreihe zu dem Teilkreisdurchmesser TK₂ der Wälzkörper der weiteren Wälzkörperreihe vorsieht, das größer als 1,0 und kleiner als 1,4 ist. Weiterhin ist für eine Radlagernabe mit sich unterscheidenden Laufbahnradien eine Auslegung bevorzugt, bei der flanschseitig der kleinste Laufbahnradius vorgesehen ist. Zwischen den beiden Laufbahnradien der Wälzkörperreihen eignet sich dazu ein Auslegungsverhältnis RK₂ > 1,2 × RK₁. Außerdem ist zur Darstellung der erfindungsgemäßen Radlagereinheit für die Radlagernabe ein Auslegungsverhältnis RD > 1,2 × RK₁ zwischen dem Dichtungslaufradius RD und dem nabenflanschseitigen Laufbahnradius R_K1 vorgesehen. Der konstruktive Aufbau der erfindungsgemäßen Radlagernabe umfasst weiter ein Verhältnis zwischen einem axialen Abstandsmaß X der Wälzkörperreihen zu dem Teilkreisdurchmesser TK₁ der nabenflanschseitigen Wälzkörperreihe. Danach ist der Teilkreisdurchmesser grösser 2,0 und kleiner 2,6 als das Abstandsmaß X. Zwecks Auslegung der Radlagernabe wird ein Maßverhältnis zwischen dem axialen Abstandsmaß X der Wälzkörperreihen und einer durchgehenden Wandstärke S der Radlagernabe bzw. deren Nabenflansch vorgesehen. Danach ist das Abstandsmaß X grösser 1,7 und kleiner 2,1 als die Wandstärke S der Radlagernabe.
Als unterstützende Maßnahme zur Optimierung der Bauteilfestigkeit bei hohen Antriebsmomenten sind erfindungsgemäß die Radlagernabe und das zugehörige Antriebselement mit einer Paarung von miteinander korrespondierenden Stirnverzahnungen formschlüssig verzahnt. Die Stirnverzahnung ermöglicht einen vergrößerten Gestaltungsfreiraum hinsichtlich der Verbindung zwischen der Radlagernabe und einer Gelenkglocke eines zugehörigen Drehgelenks. Besonders vorteilhaft eignet sich als Stirnverzahnung eine Hirth-Verzahnung, die insbesondere radial verlaufende Verzahnungen einschließt. Alternativ zu einer Stirnverzahnung kann gemäß der Erfindung eine Radialverzahnung als formschlüssige Verbindung vorgesehen werden.
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und aus den Zeichnungen, in denen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung vereinfacht dargestellt ist. Die Erfindung ist nicht auf dieses Ausführungsbeispiel beschränkt. Sofern nicht anders erwähnt, sind in der Beschreibung gleiche oder funktionsgleiche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen. Es zeigen:
1 eine bekannte Radlagereinheit kombiniert mit einer Gelenkglocke eines Drehgelenks;
2 ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Radlagereinheit;
3 ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Radlagereinheit; und
4 ein drittes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Radlagereinheit.
1 zeigt eine teilweise geschnittene Radlagereinheit 1, die zur Lagerung eines antreibbaren, nicht abgebildeten Rades eines Fahrzeuges bestimmt ist. Die Radlagereinheit 1 umfasst ein Radlager 2 mit zwei axial beabstandeten Wälzkörperreihen 3a, 3b, wobei deren Wälzkörper 4a, 4b außenseitig in einem einstückig mit einem Radträger 6 verbundenen Lagerring 5 geführt sind. Innenseitig sind die Wälzkörper 4a unmittelbar in einer Laufbahn 7 einer Radlagernabe 8 und die Wälzkörper 4b in einem an der Radlagernabe 8 fixierten Innenring 9 geführt. Das Radlager 2 ist beidseitig durch eine Dichtung 14a, 14b abgedichtet, die jeweils im Lagerring 5 fixiert sind. Die Dichtlippen der Dichtung 14a, 14b sind an der Radlagernabe 8 bzw. dem Innenring 9 dichtend abgestützt. Die Radlagernabe 8 schließt einen Nabenflansch 10 ein, der mit einem Fahrzeugrad sowie einer Bremsscheibe (nicht gezeigt) verbunden ist. Weiterhin ist der Radlagernabe 8 ein als Gelenkglocke ausgeführtes Dreh- oder Antriebsgelenk 11 zugeordnet, das mit einer Antriebswelle (nicht gezeigt) verbunden ist und das Drehmomente von der Antriebswelle zur Radlagernabe 8 überträgt. Stirnseitige Anlageflächen zwischen der Radlagernabe 8 und dem Antriebsgelenk 11 sind über miteinander korrespondierende Stirnverzahnungen 12 formschlüssig verzahnt. Die Stirnverzahnung 12 ermöglicht eine sichere Übertragung von Antriebsdrehmomenten und gewährleistet eine schnelle Montage und Demontage der Radlagernabe 8. Die Radlagernabe 8 ist mittels einer Schraube 13 mit dem Antriebsgelenk 11 verbunden.
Die 2 bis 4 zeigen in vereinfachten Darstellungen erfindungsgemäß aufgebaute Radlagereinheiten einschließlich der zugehörigen Radlager. Für gleiche oder gleich wirkende Elemente mit der 1 werden in den 2 bis 4 übereinstimmende Bezugszeichen verwendet. Die dargestellten Ausführungsformen zeigen Beispiele von erfindungsgemäßen Radlagereinheiten und stellen keine abschließende Begrenzung der Erfindung dar.
Die in 2 gezeigte Radlagereinheit 15a umfasst eine Radlagernabe 17, deren radialer Nabenflansch 16 sowie ein gekrümmter Übergang zu einem axialen Abschnitt der Radlagernabe 17 eine übereinstimmende Wandstärke S aufweist. Drei Verbindungsradien VR₁, VR₂, VR₃ in dem gekrümmten Übergang verdeutlichen eine spannungsflussoptimierte Kontur K. Das Radlager 18a umfasst zwei im Abstand X angeordnete Wälzkörperreihen 19a, 19b, deren Wälzkörper 20a, 20b gleichen Durchmessers einen übereinstimmenden Teilkreisdurchmesser TK sowie gleich dimensionierte Laufbahnradien RK₁, RK₂ aufweisen. Innenseitig tangiert der Laufbahnradius RK₁ lokal den Verbindungsradius VR₃. Die Dichtung 14a ist mit einer Dichtlippe an einem in den Verbindungsradius VR₃ eintretenden Dichtungslaufradius RD der Radlagernabe 17a abgestützt.
In der 3 ist die Radlagereinheit 15b abgebildet, bei der die Teilkreisdurchmesser TK₁, TK₂ der Wälzkörper 20a, 20b von den Wälzkörperreihen 19a, 19b des Radlagers 18b im Unterschied zu 2 voneinander abweichen. Der größere, den nabenflanschseitigen Wälzkörpern 20a zugeordnete Teilkreisdurchmesser TK₁ bewirkt einen Versatz des Laufbahnradius RK₁ gegenüber dem Verbindungsradius VR₃. Gleichzeitig kann durch die unterschiedlichen Teilkreisdurchmesser TK₁, TK₂ ein größerer axialer Abstand X zwischen den Wälzkörperreihen 19a, 19b realisiert werden. Die Dichtlippe der Dichtung 14a ist an dem außerhalb vom Verbindungsradius VR₃ verlaufenden Dichtungslaufradius RD abgestützt.
Die Radlagereinheit 15b gemäß 4 umfasst das Radlager 18c, das Wälzkörperreihen 21a, 21b mit unterschiedlich dimensionierten Wälzkörpern 22a, 22b einschließt. Den kleineren Wälzkörpern 22a der Wälzkörperreihe 21a ist der größere Teilkreisdurchmesser TK₁ zugeordnet, wodurch die Wälzkörper 22a näher am Nabenflansch 16 platzierbar sind. Damit verbunden kann ein Abstand X zwischen den Wälzkörperreihen 21a, 21b weiter vergrößert werden, der sich positiv auf die Kippsteifigkeit des Radlagers 18c auswirkt. Der für die Dichtlippe der Dichtung 14a bestimmte Dichtungslaufradius RD verläuft vergleichbar der 3 versetzt zu dem Verbindungsradius VR₃.
Bezugszeichenliste

1: Radlagereinheit
2: Radlager
3a: Wälzköperreihe
3b: Wälzköperreihe
4a: Wälzkörper
4b: Wälzkörper
5: Lagerring
6: Radträger
7: Laufbahn
8: Radlagernabe
9: Innenring
10: Nabenflansch
11: Antriebsgelenk
12: Stirnverzahnung
13: Schraube
14a: Dichtung
14b: Dichtung
15a: Radlagereinheit
15b: Radlagereinheit
15c: Radlagereinheit
16: Nabenflansch
17: Radlagernabe
18a: Radlager
18b: Radlager
18c: Radlager
19a: Wälzköperreihe
19b: Wälzköperreihe
20a: Wälzkörper
20b: Wälzkörper
21a: Wälzköperreihe
21b: Wälzköperreihe
22a: Wälzkörper
22b: Wälzkörper
K: spannungsoptimierte Kontur
RD: Dichtungslaufradius
RK₁: Laufbahnradius
RK₂: Laufbahnradius
S: Wandstärke Nabenflansch
TK₁: Teilkreisdurchmesser
TK₂: Teilkreisdurchmesser
VR₁: Verbindungsradius Radlagernabe
VR₂: Verbindungsradius Radlagernabe
VR₃: Verbindungsradius Radlagernabe
X: axialer Abstand

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102007016427 A1 [0002]
DE 102005036659 A1 [0002]

Claims

Radlagereinheit einer Fahrzeugachse, umfassend ein Radlager (2; 18a–18c) mit wenigstens zwei Wälzkörperreihen (3a, 3b; 19a, 19b; 21a, 21b), das in einem Radträger (6) abgestützt ist und eine durch ein Antriebsgelenk (11) antreibbare Radlagernabe (8, 17), deren Nabenflansch (10, 16) mit einem Fahrzeugrad verbunden ist und die Wälzkörper (4a, 4b; 20a, 20b; 22a, 22b) des Radlagers (2; 18a, 18b) außenseitig an einem Lagerring (5) und innenseitig an der Radlagernabe (8, 17) oder einem Innenring (9) geführt sind, und das Radlager (2; 18a–18c) beidseitig eine Dichtung (14a, 14b) einschließt, dadurch gekennzeichnet, dass das Radlager (2; 18a, 18b), – Wälzkörperreihen (19a, 19b; 21a, 21b) umfasst, deren Wälzkörper (20a, 20b; 22a, 22b) voneinander abweichende oder übereinstimmende Teilkreisdurchmesser TK₁, TK₂ aufweisen; – Wälzkörperreihen (19a, 19b; 21a, 21b) einschließt, deren Wälzkörper (20a, 20b; 22a, 22b) in voneinander abweichenden oder übereinstimmenden Laufbahnradien RK₁, RK₂ zugeordnet sind; – eine nabenflanschseitige Dichtung (14a) umfasst, die an einem Dichtungslaufradius RD der Radlagernabe (17) abgestützt ist und der Dichtungslaufradius RD einen Laufbahnradius RK₁ der nabenflanschseitigen Wälzkörperreihe (19a, 21a) übertrifft.
Radlagereinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Teilkreisdurchmesser TK₁ der Wälzkörper (20a, 22a) der nabenflanschseitigen Wälzkörperreihe (19a, 21a) und dem Teilkreisdurchmesser TK₂ der Wälzkörper (20b, 22b) der weiteren Wälzkörperreihe (19b, 21b) ein Auslegungsverhältnis größer 1,0 und kleiner 1,4 vorgesehen ist.
Radlagereinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Laufbahnradien RK₁, RK₂ der Wälzkörperreihen (21a, 21b) ein Auslegungsverhältnis RK₂ > 1,2 × RK₁ vorgesehen ist.
Radlagereinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Dichtungslaufradius RD und dem nabenflanschseitigen Laufbahnradius RK₁ ein Auslegungsverhältnis RD > 1,2 × RK₁ vorgesehen ist.
Radlagereinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Auslegungsverhältnis zwischen dem Teilkreisdurchmesser TK₁ der nabenflanschseitigen Wälzkörperreihe (19a, 21a) und einem axialen Abstand X der Wälzkörperreihen (19a, 19b; 21a, 21b) grösser 2,0 und kleiner 2,6 ist.
Radlagereinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Auslegungsverhältnis zwischen dem axialen Abstand X der Wälzkörperreihen (19a, 19b; 21a, 21b) und einer Wandstärke S der Radlagernabe (16) grösser 1,7 und kleiner 2,1 ist.
Radlagereinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Radlagernabe (16) und das Antriebselement (11) mit einer Paarung von miteinander korrespondierenden Stirnverzahnungen (12) formschlüssig verzahnt sind.
Radlagereinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stirnverzahnung (12) als eine Hirth-Verzahnung, insbesondere mit radial verlaufenden Zähnen ausgeführt ist.
Radlagereinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Radlagernabe (16) und das Antriebselement (11) mit einer Paarung von miteinander korrespondierenden Radialverzahnungen formschlüssig verzahnt sind.