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Die Erfindung betrifft ein Wälzlager, umfassend mindestens einen Innenring und mindestens einen Außenring, wobei zwischen dem Innenring und dem Außenring Wälzkörper mit einer konvexen Oberfläche angeordnet sind, wobei der Innenring und der Außenring jeweilige Laufbahnen für die Wälzkörper aufweisen, wobei die Laufbahn des Innen- und/oder Außenrings über einen axialen Mittenbereich der Form der Wälzkörper angepasst eine im Radialschnitt konkave Form aufweist, wobei die Laufbahn und die Wälzkörper an einem nominalen Kontaktpunkt miteinander in Verbindung stehen, wodurch sich im Radialschnitt eine nominale Belastungsrichtung zwischen dem nominalen Kontaktpunkt und dem Mittelpunkt der Wälzkörper ergibt.
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Wälzlager dieser Art sind im Stand der Technik hinlänglich bekannt. Sie werden beispielsweise als Rillenkugellager ausgeführt. Hierbei weisen sowohl der Innenring als auch der Außenring des Lagers eine im Radialschnitt kreisbogenförmig ausgestaltete konkave Laufbahn auf. Die Kugeln weisen im Radialschnitt im Wesentlichen ein korrespondierendes konvexes Kreisbogenprofil auf (abgesehen von geringfügigen Unterschieden in den Krümmungsradien zwischen Kugel und Laufbahn). Im Falle eines Rillenkugellagers liegt eine Mittenebene vor, die senkrecht auf der Drehachse des Lagers steht und die die genannte nominale Belastungsrichtung beinhaltet. Bei Schrägkugellagern liegt die genannte nominale Belastungsrichtung im Radialschnitt unter einem Winkel zu einer Ebene, die senkrecht auf der Drehachse des Lagers steht, meist im Bereich von ca. 40° zu dieser Ebene. Analoges gilt für Vierpunktlager.
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Es hat sich herausgestellt, dass in manchen Anwendungsbereichen ein frühzeitiges Ende der Gebrauchsdauer des Lagers auftritt, wenn nämlich besagte Anwendungen durch starke und stoßartige Axiallasten gekennzeichnet sind. In diesem Falle werden Kugelbrüche und Laufbahnausbrüche beobachtet, die dann für ein schnelles Ende der Gebrauchsdauer verantwortlich sind. Als Beispiel seien Anwendungen im Schienenfahrzeugbereich genannt, wo die genannten Belastungsbedingungen durchaus typisch sind.
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Mit dem genannten Phänomen gehen entsprechend hohe Kosten für den Lageraustausch und für Instandhaltungen einher.
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Aus der
DE 24 54 079 A1 ist ein Kugellager für hohe Drehzahlen bekannt, bei dem die Laufbahn in einer ersten Zone, in der die Kugeln normalerweise laufen, einen ersten Krümmungsradius aufweist, und die Laufbahn beiderseits der ersten Zone zweite Zonen mit einem zweiten Krümmungsradius aufweist, der größer als der erste ist, wobei das Verhältnis von Krümmungsradius zu Kugelradius in der ersten Zone insbesondere 1,005 und in der zweiten 1,008 beträgt. Ferner gehen die zweiten Zonen über eine Verrundung in die Bordbereiche über.
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Aus der
DE 101 04 211 B4 ist ein Einreihen-Tiefrillen-Kugellager bekannt, bei dem die Laufbahn in einem Zentralabschnitt über einen Winkelbereich von 50 bis 70° einen Krümmungsradius im Bereich von 50,5 bis 52% des Kugeldurchmessers aufweist, und die Laufbahn beiderseits des Zentralabschnitts Endabschnitte aufweist, die sich jeweils über einen Winkelbereich von 25 bis 30° erstrecken und einen Krümmungsradius im Bereich von 53 bis 55% des Kugeldurchmessers aufweisen.
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Die
JP 2001 208 080 A zeigt ähnliches wie die
DE 101 04 211 B4 , wobei ohne die Angabe von Winkelbereichen der Krümmungsradius im Zentralbereich von 50,1 bis 51,5% des Kugeldurchmessers betragen soll und in den Endabschnitten 52 bis 54%.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein gattungsgemäßes Wälzlager so fortzubilden, dass auch bei hohen und stoßartigen Belastungen, insbesondere axialen Lasten, die Tendenz eines Bruchs des Wälzkörpers (Kugelbruch) und eines Ausbruchs an der Laufbahn vermindert wird. Diese soll gemäß einer speziellen Zielsetzung der Erfindung insbesondere bei Anwendungen im Bereich von Schienenfahrzeugen zu verbesserten Nutzungswerten beim Einsatz der Lageranordnung führen, wobei vor allem an Lagerungen in Antriebsmotoren von Schienenfahrzeugen gedacht ist.
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Die Lösung dieser Aufgabe durch die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Laufbahn im Radialschnitt in einem ersten Winkelbereich einen ersten Krümmungsradius aufweist, wobei sich der erste Winkelbereich von der nominalen Belastungsrichtung ausgehend bis zu einem ersten Winkel erstreckt, und dass die Laufbahn im Radialschnitt in einem zweiten Winkelbereich einen zweiten Krümmungsradius aufweist, wobei sich der zweite Winkelbereich von dem ersten Winkel bis zu einem zweiten Winkel erstreckt, wobei der zweite Krümmungsradius größer ist als der erste Krümmungsradius. Der erste Winkel beträgt dabei zwischen 20° und 39°. Der zweite Krümmungsradius beträgt zwischen 101 % und 110 % des ersten Krümmungsradius. Die Laufbahn weist in mindestens einem axialen Endbereich der Laufbahn eine im Radialschnitt konvexe Form auf. Der axiale Endbereich der Laufbahn weist dabei eine Erstreckung in axiale Richtung auf, die zwischen 2,5 % und 12 % der Breite der Laufbahn in axiale Richtung entspricht.
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Der zweite Winkel liegt bevorzugt zwischen 40° und 60°.
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Eine mögliche Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass sich der erste Krümmungsradius im Bereich des ersten Winkelbereichs und/oder der zweite Krümmungsradius im Bereich des zweiten Winkelbereichs über den Winkel verändern. Demgemäß ändert sich die Schmiegung zwischen Wälzkörper und Laufbahn über den Verlauf des Winkels.
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Alternativ kann aber auch vorgesehen werden, dass der erste Krümmungsradius im Bereich des ersten Winkelbereichs und/oder der zweite Krümmungsradius im Bereich des zweiten Winkelbereichs über den Winkel konstant ist, so dass die beiden Winkelbereiche durch Kreisbogenabschnitte gebildet werden.
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Die Laufbahn kann im axialen Endbereich im Radialschnitt einen dritten Krümmungsradius aufweisen, wobei der dritte Krümmungsradius zwischen 5 % und 15 % des ersten Krümmungsradius beträgt.
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Das Wälzlager ist gemäß einer bevorzugten Ausführungsform als Rillenkugellager ausgeführt. In diesem Falle fällt die genannte nominale Belastungsrichtung mit einer Mittenebene der Laufbahn zusammen; die Mittenebene steht senkrecht auf der Drehachse des Lagers. Die oben genannten bevorzugten Winkelbereiche gelten zumeist für diesen Fall.
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Es ist aber auch die Ausgestaltung als Schrägkugellager oder als Vierpunktlager möglich. Für die genannten Winkelbereiche gelten dabei bevorzugt andere Werte als die oben angegebenen.
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Generell ergeben sich die genannten Winkel unter Berücksichtigung der Schulterhöhen der an die Laufbahnen angrenzenden Lagerringbereiche.
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Der im Radialschnitt konkave Verlauf der Laufbahn im axialen Mittenbereich geht an einem Übergangspunkt in den im Radialschnitt konvexen Verlauf der Laufbahn im axialen Endbereich über, wobei der Verlauf der Laufbahn beiderseits des genannten Übergangspunkts die gleiche Steigung im Radialschnitt aufweist.
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Der im Radialschnitt konvexe Verlauf der Laufbahn am Laufbahnende kann ferner an einem anderen Übergangspunkt in einen zylindrischen Bereich des Lagerrings übergehen, wobei die Laufbahn an diesem Übergangspunkt eine Steigung im Radialschnitt von Null aufweist, d. h. hier läuft der Radialschnitt in axiale Richtung aus.
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Die Laufbahnen sind bevorzugt – was namentlich für den Anwendungsfall in einem Rillenkugellager gilt – zu der genannten Mittenebene bzw. nominalen Belastungsrichtung des Wälzlagers symmetrisch ausgebildet.
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Das Laufbahnprofil des Innen- und/oder Außenrings ist erfindungsgemäß also nicht als durchgängiger Kreisbogen ausgeführt. Die Laufbahnform ist im Bereich des Nennkontaktwinkels des Rillenkugellagers (Analoges gilt für Schrägkugellager oder Vierpunktlager) zwar weitgehend üblich ausgeführt. Allerdings schließt sich dann ab dem ersten Winkel bis zum zweiten Winkel eine Laufbahnform an, die durch einen vergrößerten Krümmungsradius gekennzeichnet ist. Demgemäß ist hier die Geometrie in Richtung hin zu einem größeren Radienverhältnis und damit zu einer größeren Schmiegung geändert. Die Laufbahn kann zum Beispiel durch zusammengesetzte Kreisbögen definiert werden.
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Die Laufbahngeometrie kann aber auch durch Kurven mit abweichender Form realisiert werden. Die im Radialschnitt betrachtete Laufbahn kann dabei also generell aus beliebigen Bogen- bzw. Kurvenabschnitten bestehen, die lediglich wie erläutert konkav bzw. konvex ausgebildet sind; bevorzugt sind allerdings zusammengesetzte Kreisbögen vorgesehen.
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So ergibt sich vorteilhaft eine Lebensdauerverlängerung von Wälzlagern, insbesondere von Kugellagern, bei großen axialen Kräften.
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In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Es zeigen:
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1 im Radialschnitt ein Wälzlager, ausgebildet als Rillenkugellager, und
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2 die Vergrößerung eines Teils des Radialschnitts gemäß 1.
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In 1 ist ein Wälzlager 1 in Form eines Rillenkugellagers dargestellt. Das Lager hat einen Innenring 2 mit einer Laufbahn 6 für Wälzkörper 4 in Form von Kugeln. Weiterhin hat das Lager einen Außenring 3 mit einer Laufbahn 7 für die Kugeln 4. Die Drehachse des Lagers ist die mit A bezeichnete axiale Richtung.
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Die Wälzkörper haben – gemäß ihrer beispielhaften Ausgestaltung als Kugeln – demgemäß eine konvexe Oberfläche 5; die Laufbahnen 6, 7 weisen somit im skizzierten Radialschnitt eine konkave Ausformung auf.
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Über den wesentlichen axialen Verlauf der Laufbahnen entsprechen sich die Krümmungsradien der Kugeln 4 auf der einen Seite und der Laufbahnen 6, 7 auf der anderen Seite, so dass die Kugeln auf den Laufbahnen 6, 7 abrollen können.
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Bei hohen konstanten oder stoßartigen Axiallasten ragt – bei der Ausgestaltung des Rillenkugellagers gemäß dem Stand der Technik – die Kontaktellipse zwischen Wälzkörper 4 und Lagerringen 2, 3 über die Laufbahn 6, 7 hinaus, wodurch sehr hohe Spannungen im Bereich des Überganges von der Laufbahn zum zylindrischen Bereich (s. Bezugsziffer Z in 2) des Lagerrings verursacht werden.
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Durch eine spezielle Laufbahngeometrie können die Spannungsspitzen verhindert werden, wie nachfolgend anhand von 2 erläutert wird.
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In 2 ist ein Ausschnitt aus dem Innenring 2 im Radialschnitt skizziert; mit gestrichelten Linien ist zudem der Verlauf eines Teils der konvexen Oberfläche 5 einer Kugel 4 dargestellt, die auf der Laufbahn 6 abwälzt.
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Generell gilt, dass ein nominaler Kontaktpunkt K zwischen der Laufbahn 6 und den Kugeln 4 vorliegt, der sich aus der Grundkonstruktion des Lagers ergibt; es handelt sich hier um die vorgesehene Hauptbelastungsrichtung zwischen den Laufbahnen und den Kugeln. Vom nominalen Kontaktpunkt K erstreckt sich im Radialschnitt eine Gerade durch den Mittelpunkt M der Kugeln 4, die die nominale Belastungsrichtung L markiert.
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Für den hier dargestellten Fall eines Rillenkugellagers ergibt sich, dass die nominale Belastungsrichtung L in einer Mittenebene E liegt, die senkrecht auf der Drehachse des Lagers steht. Bei einem Schrägkugellager fällt die Belastungsrichtung L nicht mit der Mittelebene E zusammen.
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Zu erkennen ist in 2, dass das Rillenkugellager also die Mittenebene E aufweist (die senkrecht auf der Zeichenebene gemäß 2 steht), die vorliegend eine Symmetrieebene ist. Symmetrisch zur Mittenebene E, die die nominale Belastungsrichtung L umfasst, erstreckt sich ein axialer Mittenbereich a. Entlang des axialen Mittenbereichs a weist die Laufbahn 6 eine konkave Form im Radialschnitt auf. Die Konkavität wird durch einen Krümmungsradius R definiert.
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Hierbei ist zu sehen, dass ausgehend von der nominalen Belastungsrichtung L bis zu einem ersten Winkel ϕ1 ein erster Krümmungsradius R1 vorliegt. Dieser ist im Ausführungsbeispiel konstant, d. h. in diesem Bereich ist die Laufbahn 6 im Radialschnitt kreisbogenförmig ausgebildet. Vom ersten Winkel ϕ1 bis zu einem größeren zweiten Winkel ϕ2 ist die Laufbahn 6 mit einem zweiten Krümmungsradius R2 versehen. Im Ausführungsbeispiel ist dieser zweite Krümmungsradius R2 gleichermaßen konstant. Der zweite Krümmungsradius R2 beträgt dabei im Ausführungsbeispiel ca. 103,5 % des ersten Krümmungsradius R1, d. h. es liegt eine andere Schmiegung zwischen Kugel 4 und Laufbahn 6 vor. Der Übergang vom ersten Winkelbereich (vom Winkel 0° bis ϕ1, gemessen ab der nominalen Belastungsrichtung L) in den zweiten Winkelbereich (vom Winkel ϕ1 bis zum Winkel ϕ2) ist durch einen ersten Übergangspunkt N markiert. Im Ausführungsbeispiel beträgt der erste Winkel ϕ1 ca. 30°.
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Beiderseits des axialen Mittenbereichs a schließt sich ein axialer Endbereich b an. Der axiale Mittenbereich a samt den beiden axialen Endbereichen b bilden insgesamt die Breite B der Laufbahn 6.
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Dabei ist vorgesehen, dass sich in den axialen Endbereichen b die Krümmung der Laufbahn – verglichen mit dem axialen Mittenbereich a – umkehrt, d. h. hier liegt statt einer im Radialschnitt konkaven Ausgestaltung eine konvexe Form vor. Im Ausführungsbeispiel ist dies wiederum durch eine kreisbogenförmige Ausgestaltung realisiert. Der dritte Krümmungsradius im axialen Endbereich b ist mit r angegeben.
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Im Ausführungsbeispiel hat der axiale Endbereich b der Laufbahn 6 eine Erstreckung in axiale Richtung A, die hier bei ca. 8 % der Breite B der Laufbahn 6 in axiale Richtung A liegt. Der dritte Krümmungsradius r beträgt etwa 15 % des ersten Krümmungsradius R1.
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Wie ferner gesehen werden kann, geht der axiale Mittenbereich a an einem zweiten Übergangspunkt P in den axialen Endbereich b über. Hier liegt ein Wendepunkt im Kurvenverlauf des Radialschnitts vor, d. h. hier wechselt die Krümmung von konkav auf konvex.
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Der axiale Endbereich b geht wiederum an einem dritten Übergangspunkt Q in den zylindrischen Bereich Z des Lagerrings 2 über, der sich am Laufbahnende anschließt. Wie wiederum aus 2 hervorgeht, mündet der Verlauf des Radialschnitts im axialen Endbereich b mit einer Steigung von Null (bezogen auf die axiale Richtung A) in den zylindrischen Bereich Z.
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Läuft eine Kugel im Betrieb in der so ausgestalteten Laufbahn 6 stoßartig oder mit hoher axialer Kraft am Laufbahnende an, kommt es nicht zu nachteiligen hohen Lastspitzen, sondern die vorgeschlagene Ausformung des Verlaufs der Laufbahn baut Spannungsspitzen so ab, dass das Material des Lagerrings und der Kugel geschont werden, wodurch eine höhere Gebrauchsdauer des Lagers erreicht wird.
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Eine entsprechende Ausgestaltung kann auch für die Laufbahn 7 des Außenrings 3 vorgesehen werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Wälzlager
- 2
- Innenring
- 3
- Außenring
- 4
- Wälzkörper (Kugel)
- 5
- konvexe Oberfläche
- 6
- Laufbahn
- 7
- Laufbahn
- a
- axialer Mittenbereich
- b
- axialer Endbereich
- R1
- erster Krümmungsradius
- R2
- zweiter Krümmungsradius
- r
- dritter Krümmungsradius
- ϕ1
- erster Winkel
- ϕ2
- zweiter Winkel
- A
- axiale Richtung
- B
- Breite der Laufbahn
- E
- Mittenebene
- K
- nominaler Kontaktpunkt
- L
- nominale Belastungsrichtung
- M
- Mittelpunkt der Wälzkörper
- N
- erster Übergangspunkt
- P
- zweiter Übergangspunkt
- Q
- dritter Übergangspunkt
- Z
- zylindrischer Bereich
