DE102015202720B4

DE102015202720B4 - Lageranordnung

Info

Publication number: DE102015202720B4
Application number: DE102015202720.1A
Authority: DE
Inventors: Rico Dittmar; Thilo Beck
Original assignee: SKF AB
Current assignee: SKF AB
Priority date: 2015-02-16
Filing date: 2015-02-16
Publication date: 2022-06-30
Anticipated expiration: 2035-02-17
Also published as: CN105889316B; US20160236510A1; CN105889316A; US9987880B2; DE102015202720A1

Abstract

Lageranordnung (1) mit einem Naben- oder Gehäuseelement (2), das mindestens eine Aufnahme (4; 6) für ein Lager (8; 10) mit einem relativ zu einem ersten Lagerelement (12; 14) bewegbaren zweiten Lagerelement (24; 26) aufweist, wobei das erste Lagerelement (12; 14) unter Presspassung in der Aufnahme (4; 6) anordenbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass in der Aufnahme (4; 6) ein Zwischenelement (34; 36) angeordnet ist, in dem das erste Lagerelement (12; 14) unter Presspassung aufgenommen ist, wobei an dem Zwischenelement (34; 36) mindestens eine Auskragung (42; 44; 46) angeordnet ist, die dazu ausgelegt ist, mit der Aufnahme (4; 6) in Wirkverbindung zu treten, und wobei die Auskragung (42; 44; 46) wellenförmig ausgebildet ist.

Description

Vorliegende Erfindung betrifft eine Lageranordnung gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
Lageranordnungen mit einem Gehäuse- oder Nabenelement, das mindestens eine Aufnahme für ein Wälzlager mit einem relativ zu einem ersten Lagerring bewegbaren zweiten Lagerring aufweist, sind hinlänglich im Stand der Technik bekannt und werden insbesondere in Kraftfahrzeugen als Radnabenlagerung eingesetzt. Dabei wird üblicherweise der Lageraußenring unter Presspassung in der zugehörigen Aufnahme am Nabenelement aufgenommen. Aus Festigkeitsgründen bestehen die Lagerringe des Wälzlagers zumeist aus Stahl, insbesondere aus Wälzlagerstahl (100 Cr 6), während als Material für das Naben- oder Gehäuseelement Leichtmetall, insbesondere Aluminium, eingesetzt wird.
Aluminiumradnaben sind gewichtssparend und daher für Radlagerkonzepte vorteilhaft. Der Nachteil von Aluminium ist jedoch die wesentlich höhere Wärmeausdehnung gegenüber Stahl. Dies bedeutet, dass es schwierig ist, die Verbindung zwischen Stahl- und Aluminiumteilen für alle relevanten Temperaturbereiche auszulegen. Besonders negativ wirkt sich die Ausdehnung im Presssitz zwischen Nabenelement und Lageraußenring aus. Bei hohen Temperaturen kann sich der Sitz lösen, so dass sich der Lageraußenring drehen kann, was wiederum dazu führen kann, dass die Nabe bzw. das Lager beschädigt werden.
Bei tiefen Temperaturen dagegen schnürt die Aluminiumnabe den Außenring stark ein, so dass hohe Kontaktspannungen entstehen. Diese können zum Riss der Nabe bzw. einer Deformation des Lagerrings, insbesondere an der Lauffläche, führen.
In der DE 10 2012 211 261 A1 wurde deshalb vorgeschlagen, eine Lageranordnung mit einem Naben- oder Gehäuseelement bereitzustellen, wobei das Naben- oder Gehäuseelement eine Aufnahmebohrung für mindestens ein Wälzlager aufweist und das Wälzlager mit seinem Außenring mit Presspassung in der Aufnahmebohrung angeordnet ist. Um auch beim Einsatz unterschiedlicher Materialien für das Naben- oder Gehäuseelement bzw. den Lagerring bei allen Betriebstemperaturen einen einwandfreien Sitz des Lagerrings zu gewährleisten, sind die Ausgestaltungen der Aufnahmebohrung und der Außenumfang des Außenrings derart ausgeführt, dass bei den zu erwartenden Umgebungstemperaturen die radiale Presspassung zwischen Aufnahmebohrung und Außenring im Bereich der Lauffläche geringer ist als im Bereich außerhalb der Lauffläche. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass die Durchmesser der Aufnahmebohrung bzw. des Außenrings über ihre axiale Länge variieren.
Nachteilig an diesem Stand der Technik ist jedoch, dass die Ausbildung der variierenden axialen Erstreckungen von Aufnahmebohrung oder Außenring sehr aufwendig ist und zudem jedes Element individuell gefertigt werden muss. Dadurch ist die Lageranordnung sehr kostenintensiv.
Aufgabe vorliegender Erfindung ist es deshalb, eine Lageranordnung, insbesondere für eine Radnabenlagerung, bereitzustellen, die einfach herzustellen ist und die eine verbesserte Aufnahme der Lagerringe in dem Gehäuse- bzw. dem Nabenelement auch bei der Verwendung unterschiedlicher Materialien bzw. bei verschiedenen Temperaturen gewährleistet.
Diese Aufgabe wird durch eine Lageranordnung gemäß Patentanspruch 1 gelöst.
Vorliegende Erfindung betrifft eine Lageranordnung mit einem Gehäuse- oder Nabenelement, das mindestens eine Aufnahme für ein Lager mit einem relativ zu einem ersten Lagerelement bewegbaren zweiten Lagerelement aufweist. Dabei ist das erste Lagerelement unter Presspassung in der Aufnahme anordenbar. Um auch beim Einsatz unterschiedlicher Materialien für das Gehäuse- bzw. Nabenelement und das Lagerelement, und bei unterschiedlichen Betriebstemperaturen einen einwandfreien Sitz des Lagerelements im Gehäuse- oder Nabenelement sicherzustellen, ist erfindungsgemäß in der Aufnahme ein Zwischenelement angeordnet, in dem das erste Lagerelement unter Presspassung aufgenommen ist. Das zusätzlich angeordnete Zwischenelement erlaubt eine unterschiedliche Presspassung für die Aufnahme des Zwischenelements in den Aufnahmen und die Presspassung des Lagerrings in dem Zwischenelement. Dadurch kann in einfacher Weise erreicht werden, dass die Lagerelemente unter den für sie optimalen Bedingungen an bzw. in der Aufnahme am Gehäuse- bzw. Nabenelement angeordnet sind. Um die Verbindung zwischen Zwischenelement und Aufnahme weiter zu verbessern, ist zudem vorgesehen, an dem Zwischenelement mindestens eine Auskragung auszubilden, die mit der Aufnahme in Wirkverbindung treten kann. Dabei ist es bevorzugt, die Auskragung wellenförmig auszubilden. Dadurch kann die Reibung des Zwischenelements in der Aufnahme derart erhöhen kann, dass eine radiale und axiale Beweglichkeit des Zwischenelements in der Aufnahme zusätzlich erschwert bzw. verhindert ist.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ist es bevorzugt, wenn die Auskragung in eine in der Aufnahme ausgebildete Aussparung eingreift. Dadurch kann eine radiale und axiale Beweglichkeit des Zwischenelements in der Aufnahme zusätzlich erschwert bzw. verhindert werden.
Gemäß einem weiteren vorteilhaften Ausführungsbeispiel sind das Gehäuse- oder Nabenelement aus einem ersten Material mit einem ersten thermischen Ausdehnungskoeffizienten, insbesondere Aluminium, und das Zwischenelement aus einem zweiten Material mit einem zweiten vom ersten thermischen Ausdehnungskoeffizienten verschiedenen thermischen Ausdehnungskoeffizienten, insbesondere Stahl, ausgebildet. Dadurch kann eine Lageranordnung bereitgestellt werden, bei der vorzugsweise Leichtmetall für das Naben- oder Gehäuseelement verwendet wird, während gleichzeitig für die Lagerringe der aus Festigkeitsgründen bevorzugte Wälzlagerstahl verwendet werden kann. Dadurch kann eine Lageranordnung hergestellt werden, die zum einen den geforderten Festigkeitsanforderungen genügt und zum anderen für einen Leichtbau verwendet werden kann. Die Zwischenelemente dagegen sorgen dafür, dass die unterschiedlichen Materialien nicht direkt aufeinander einwirken.
Gemäß einem weiteren vorteilhaften Ausführungsbeispiel sind das Zwischenelement und das darin aufgenommene Lagerelement aus einem Material mit ähnlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten oder aus dem gleichen Material ausgebildet. Dadurch kann sichergestellt werden, dass die Presspassung zwischen dem Zwischenelement und dem Lagerelement auch über einen großen Betriebstemperaturbereich, der insbesondere bei Radnabenlagerungen auftritt, im Wesentlichen konstant bleibt. Dies wiederum ermöglicht, dass sich das Lagerelement auch bei hohen Temperaturen nicht von dem Zwischenelement löst oder bei sehr niedrigen Temperaturen von dem Zwischenelement deformiert wird.
Das Zwischenelement selbst kann, wie weitere bevorzugte Ausführungsbeispiele zeigen, in dem Gehäuse- bzw. Nabenelement unter Presspassung angeordnet sein oder in das Material des Gehäuse- oder Nabenelements direkt eingegossen sein. Selbstverständlich ist auch möglich, bei mehreren am Lagergehäuse angeordneten Zwischenelementen, die Zwischenelemente mit unterschiedlichen Befestigungsverfahren an dem Gehäuse- bzw. Nabenelement zu befestigen. Dabei ist insbesondere die Aufnahme des Zwischenelements unter Presspassung in der Aufnahme des Gehäuse- bzw. Nabenelementes vorteilhaft. Hierbei kann das Zwischenelement mit einer sehr hohen Presspassung in der Aufnahme aufgenommen werden, so dass auch bei sehr hohen Temperaturen ein sich Lösen des Zwischenelements nicht auftreten kann. Eine derartig hohe Presspassung würde für die Lagerelemente selbst nicht möglich sein, da die sehr hohe Presspassung zu einer Deformierung der präzise ausgearbeiteten Lauffläche bzw. Gleitfläche führen kann.
Besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform, bei der die Lageranordnung Bestandteil einer Radnabenlagerung ist und eine erste und eine zweite axial voneinander beabstandete Aufnahme aufweist, in denen jeweils ein erstes und ein zweites als Wälzlager ausgebildetes Lager unter Presspassung angeordnet sind. Dabei weisen die Wälzlager vorzugsweise jeweils einen Außenring und einen Innenring auf, wobei mindestens einer der Außenringe von dem in mindestens einer der an dem Nabenelement ausgebildeten Aufnahme angeordneten Zwischenelement unter Presspassung aufgenommen ist. Da insbesondere bei Radnabenlagerungen unterschiedliche Materialien verwendet werden, die wiederum sehr unterschiedliche Wärmeausdehnungen aufweisen, kann mithilfe des erfindungsgemäßen Zwischenelements eine Möglichkeit bereitgestellt werden, einfach und kostengünstig die thermischen Einflüsse auf Nabenelement und Außenring voneinander zu entkoppeln.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausführungsformen sind in der Beschreibung, den Zeichnungen und den Ansprüchen definiert.
Im Folgenden soll die Erfindung anhand von in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen näher beschrieben werden. Dabei sind die illustrierten Ausführungsbeispiele rein exemplarischer Natur und sollen nicht den Schutzbereich der Anmeldung festlegen. Dieser wird allein über die anhängigen Ansprüche definiert.
Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung eines ersten bevorzugten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Lageranordnung; und
2 eine schematische Darstellung eines zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Lageranordnung.

Im Folgenden werden gleiche oder gleichwirkende Elemente mit denselben Bezugszeichen gekennzeichnet.
In 1 ist als ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung ausschnittsweise ein Radlager (1) im Radialschnitt dargestellt. Es sind dabei nur die für die Beschreibung des Ausführungsbeispiels relevante Bestandteile wiedergegeben und im Folgenden beschrieben. Das Radlager 1 umfasst ein Nabenelement 2 zur Befestigung einer Felge auf einem Radlager(1). In dem Nabenelement 2 wiederum sind Aufnahmen 4, 6 ausgebildet, die dazu ausgelegt sind, Wälzlager 8, 10 aufzunehmen. Die Wälzlager 8, 10 dienen zur drehbaren Lagerung des Radlagers (1) auf einer hier nicht dargestellten Radachse und weisen jeweils einen Außenring 12, 14, Wälzkörper 16, 18, Käfige 20, 22 und Innenringe 24, 26 auf. Die Innenringe 24, 26 sind bezüglich ihres Bohrungsdurchmessers unterschiedlich groß ausgeführt, wobei der kleinere Innenring 24 in Bezug auf die Einführungsrichtung der Radachse hinter dem größeren Innenring 26 angeordnet ist.
Die Wälzlager 8 und 10 sind in axialer Richtung beabstandet zueinander angeordnet, wobei zwischen ihnen ein Verbindungsstück 28 angeordnet ist, das in Kontakt mit den Innenringen 24, 26 steht und so den axialen Abstand der Wälzlager 8, 10 zueinander festlegt. Das Verbindungsstück 28 ist vorzugsweise hülsenförmig ausgeführt, so dass sich die Radachse hindurchführen lässt. Dabei ist der Bohrungsdurchmesser des Verbindungsstücks 28 derart gewählt, dass er an radial umlaufenden Kontaktstellen 30, 32 mit den Innenringen 24, 26 dem jeweiligen Bohrungsdurchmesser des angrenzenden Innenrings 24, 26 im Wesentlichen angeglichen ist. Er kann ggf. jeweils geringfügig kleiner oder größer ausgeführt sein.
Weiterhin zeigt 1, dass zwischen den Außenringen 12, 14 und den Aufnahmen 4, 6 Zwischenelemente 34, 36 angeordnet sind. In diesen Zwischenelementen 34, 36 wiederum sind die Außenringe 12, 14 unter Presspassung aufgenommen. Diese Zwischenelemente 34, 36 dienen dazu, den Einfluss unterschiedlicher thermischer Ausdehnungskoeffizienten zwischen Nabenelement 2 und den Außenringen 12, 14 zu kompensieren.
Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn das Nabenelement 2 und die Außenringe 12, 14 aus unterschiedlichen Materialien bestehen. So hat sich beispielsweise als bevorzugt herausgestellt, die Nabenelemente 2 aus einem Leichtmetall, wie beispielsweise Aluminium herzustellen, um das Gesamtgewicht der Radnabe zu reduzieren. Aluminium selbst eignet sich jedoch nicht als Material für die Außenringe 12, 14, da an diese besondere Festigkeitsansprüche gestellt werden. Die Lagerringe 12, 14; 24, 16 werden deshalb üblicherweise aus Wälzlagerstahl (100CR6) gefertigt. Dies hat jedoch den Nachteil, dass die Wärmeausdehnungskoeffizienten von Aluminium und dem Wälzlagerstahl sich signifikant unterscheiden, wobei Aluminium sich ungefähr doppelt so sehr ausdehnt wie Stahl. Da zudem die Radlager in einem Bereich von -40° bis 180°C betrieben werden, ist dieser Unterschied in den thermischen Ausdehnungskoeffizienten nicht zu vernachlässigen, was wiederum dazu führt, dass es sehr schwierig ist, die Verbindung zwischen den Stahl- und Aluminiumteilen für alle relevanten Temperaturbereiche auszulegen. So kann sich bei hohen Temperaturen der Sitz der Lagerringe 12, 14 in den Aufnahmen 4, 6 lösen, während bei niedrigen Temperaturen sich das Aluminium des Nabenelements so weit zusammenzieht, dass sehr hohe Kontaktspannungen entstehen. Die erfindungsgemäß in den Aufnahmen 4, 6 angeordneten Zwischenelemente 34, 36 können diese Unterschiede ausgleichen. Dabei sind die Zwischenelemente 34, 36 vorzugsweise ebenfalls aus Stahl gefertigt. Alternativ können die Zwischenelemente 34, 36 auch aus einem Material gefertigt sein, das einen thermischen Ausdehnungskoeffizient aufweist, der dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Materials, aus dem die Außenringe 12; 14 gefertigt sind, ähnelt. Dadurch bleibt die Presspassung zwischen den Außenringen 12, 14 und den Zwischenelementen 34, 36 über den gesamten Betriebstemperaturbereich in einem gleichen Bereich, so dass eine Beschädigung des Lagers aufgrund von Überspannung oder Lösen der Lagerringe verhindert wird.
Die Zwischenelemente 34, 36 wiederum können, wie 1 zeigt, unter Presspassung in den Aufnahmen 4, 6 des Nabenelementes 2 aufgenommen sein. Dabei kann die Presspassung sehr hoch sein, da auf etwaige Deformierungen aufgrund von temperaturbedingten Kontraktionen des Nabenelements 2 keine Rücksicht genommen werden muss.
Wie der vergrößerten Detaildarstellung aus 1 zu entnehmen, kann das Zwischenelement 34; 36 an seinem dem Nabenelement 2 zugewandten Rand 38 wellenförmige Auskragungen in Form einer Riffelung 40 aufweisen, die mit der Aussparung 4; 6 in Wirkverbindung tritt und den Presssitz des Zwischenelements 34; 36 in der Aufnahme 4; 6 erhöht. Dabei können die wellenförmigen Auskragungen in Form der Riffelung 40 sich in das Material des Nabenelements eingraben, so dass die Reibung zwischen den Zwischenelementen 34; 36 und den Aufnahmen 4; 6 erhöht wird. Dadurch kann wiederum erreicht werden, dass auch bei hohen Betriebstemperaturen das Zwischenelement 34; 36 verdreh- und verliersicher in den Aussparungen 4; 6 angeordnet ist.
Alternativ zu der Aufnahme der Zwischenelemente 34; 36 unter Presspassung in den Aufnahmen 4; 6, können die Zwischenelemente 34; 36, wie 2 zeigt, auch in das Nabenelement 2 während des Herstellungsprozesses eingegossen werden. Dabei können, wie die Detaildarstellung von 2 illustriert, an dem radial äußeren Rand 38 des Zwischenelements 34; 36 wellenförmige Auskragungen ausgebildet sein, die in komplementär ausgestaltete Einkerbungen 44, 46 in den Aussparungen 4, 6 eingreifen. Auch dadurch kann selbst bei hohen Temperaturschwankungen eine radiale und axiale Befestigung der Zwischenelemente 34; 36 in den Aufnahmen 4; 6 gewährleistet sein.
Zudem können auch am Außenrand 48 des Nabenelements 2 Elemente (nicht dargestellt) angeordnet sein, die eine thermische Expansion des Nabenelements 2 verhindern. Diese Elemente können ebenfalls unter Presspassung oder mittels Eingießens in das Nabenelement 2 eingebracht werden.
Insgesamt kann mit den erfindungsgemäßen Zwischenelementen 34, 36 eine Lageranordnung bereitgestellt werden, die sehr einfach zu fertigen ist, und eine gleichmäßige Vorspannung im Lager bereitstellt. Zudem kann sich der Lageraußenring nicht von seinem Sitz lösen, wodurch die Lebensdauer des Lagers signifikant erhöht wird.
Bezugszeichenliste

1: Radlager
2: Nabenelement
4, 6: Aussparung
8, 10: Wälzlager
12, 14: Außenring
16, 18: Wälzkörper
20, 22: Wälzkörperkäfig
24, 26: Innenring
28: Verbindungshülse
30, 32: Verbindungsstellen zwischen Verbindungshülse und Innenringen
34, 36: Zwischenelement
38: Außenrand des Zwischenelementes
40: Riffelung
42: wellenförmige Auskragungen
44, 46: Einkerbungen in den Aussparungen
48: Außenrand des Nabenelements

Claims

Lageranordnung (1) mit einem Naben- oder Gehäuseelement (2), das mindestens eine Aufnahme (4; 6) für ein Lager (8; 10) mit einem relativ zu einem ersten Lagerelement (12; 14) bewegbaren zweiten Lagerelement (24; 26) aufweist, wobei das erste Lagerelement (12; 14) unter Presspassung in der Aufnahme (4; 6) anordenbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass in der Aufnahme (4; 6) ein Zwischenelement (34; 36) angeordnet ist, in dem das erste Lagerelement (12; 14) unter Presspassung aufgenommen ist, wobei an dem Zwischenelement (34; 36) mindestens eine Auskragung (42; 44; 46) angeordnet ist, die dazu ausgelegt ist, mit der Aufnahme (4; 6) in Wirkverbindung zu treten, und wobei die Auskragung (42; 44; 46) wellenförmig ausgebildet ist.
Lageranordnung (1) nach Anspruch 1, wobei die Auskragung (42; 44; 46) in eine in der Aufnahme (4; 6) ausgebildete Aussparung eingreift.
Lageranordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei das Gehäuse- oder Nabenelement (2) aus einem ersten Material mit einem ersten thermischen Ausdehnungskoeffizienten und das Zwischenelement (34; 36) aus einem zweiten Material mit einem zweiten vom ersten thermischen Ausdehnungskoeffizienten verschiedenen thermischen Ausdehnungskoeffizienten ausgebildet sind.
Lageranordnung (1) nach Anspruch 3, wobei das Gehäuse- oder Nabenelement (2) aus Aluminium und das Zwischenelement (34; 36) aus Stahl ausgebildet sind.
Lageranordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Zwischenelement (34; 36) und das darin aufgenommene erste Lagerelement (12; 14) aus einem Material mit ähnlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten oder aus dem gleichen Material ausgebildet sind.
Lageranordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Zwischenelement (34; 36) in das Gehäuse- oder das Nabenelement (2) eingegossen ist.
Lageranordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Zwischenelement (34; 36) in der Aufnahme (4; 6) unter hoher Presspassung aufgenommen ist.
Lageranordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Lageranordnung (1) Bestandteil einer Radnabenlagerung ist und eine erste und eine zweite axial voneinander beabstandete Aufnahme (4; 6) aufweist, in der jeweils ein erstes und ein zweites als Wälzlager (8; 10) ausgebildetes Lager unter Presspassung angeordnet sind, wobei die Wälzlager (8; 10) jeweils einen Außenring (12; 14) und einen Innenring (24; 26) aufweisen, und wobei mindestens einer der Außenringe (12; 14) von dem in mindestens einer Aufnahme (4; 6) angeordneten Zwischenelement (34; 36) unter Presspassung aufgenommen ist.