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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Lageranordnung mit zumindest zwei wälzkörperaufweisenden Schrägwälzlagern, die radial zwischen einer Welle und einer Hülse angeordnet sind, wobei die Hülse so ausgeformt ist, dass von den Schrägwälzlagern weitergegebene und aufeinander zu gerichtete Kraftkomponenten durch das Material der Hülse aufgefangen werden, und die Hülse einen eine Schulter aufweisenden Vorsprung aufweist, wobei sich an der Schulter ein erstes Schrägwälzlager der Schrägwälzlager abstützt.
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Das Material der Hülse kann als Hülsenmaterial bezeichnet sein. Ein Material der Welle kann als ein Wellenmaterial bezeichnet sein. Die Spannungsausgleichshülse kann auch kurz eine Ausgleichshülse oder ein Abstandsteil genannt werden. Anstelle des Begriffs Schrägwälzlager kann auch im Folgenden einer der Begriffe Wälzlager oder Lager verwandt sein.
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Der Begriff Lagerfläche beschreibt eine Fläche, auf welcher zumindest ein Wälzkörper abwälzt. Eine Lagerfläche kann durch einen Lagerring definiert sein. Eine Lagerfläche kann auch als eine Wälzfläche, eine Laufbahn oder eine Wälzkörperlaufbahn bezeichnet sein.
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Die Anordnung, wonach „von den Schrägwälzlagern weitergegebene und aufeinander zu gerichtete Kraftkomponenten durch das Material der Hülse aufgefangen werden“, ist auch als „O-Anordnung“ bekannt und wird nachfolgend der Anschaulichkeit wegen so bezeichnet.
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Der Begriff Abstützstelle bezeichnet den Schnittpunkt zumindest zweier in Umfangsrichtung versetzter gedachter Linien bzw. Drucklinien, welche in dem jeweiligen Lager einen (mittleren) Wälzpunkt an einer radial innen liegenden Lagerfläche und einen (mittleren) Wälzpunkt an einer radial außen liegenden Lagerfläche schneidet; der Schnittpunkt der Drucklinien liegt dabei üblicherweise auf der Rotationsachse der Welle.
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Der Begriff Lagerstelle bezeichnet eine Position des jeweiligen Lagers an der Welle oder der Hülse, wobei die Lagerstelle präziser als die axiale Position eines (mittleren) Wälzpunkts an der radial innen liegenden Lagerfläche oder der radial außen liegenden Lagerfläche bezeichnet; die Lagerstelle an der Welle ist bei einem Schrägwälzlager üblicherweise gegenüber der Lagerstelle an der Hülse axial versetzt.
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Der Begriff Lagerabstand bezeichnet einen Abstand zwischen den Lagerstellen der zwei Lager. Der Begriff Einspannungsabstand bezeichnet eine axial wirkende Abstützung der Schrägwälzlager an der Welle, genauer gesagt einen Abstand zwischen den axial außen liegenden Lageschalenaußenflächen.
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Der Begriff Anstellungswinkel bezeichnet einen Winkel zwischen einem Radius um eine Wälzlagerrotationsachse und einer gedachten Linie bzw. Drucklinie, welche in dem jeweiligen Lager einen (mittleren) Wälzpunkt an der radial innen liegenden Lagerfläche und einen (mittleren) Wälzpunkt an der radial außen liegenden Lagerfläche schneidet.
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Der Begriff Gesamtanstellungswinkel bezeichnet einen Winkel zwischen zwei Anstellungswinkeln oder Drucklinien einer O-Anordnung im Schnittpunkt dieser gedachten Linien; der Schnittpunkt liegt dabei üblicherweise radial außerhalb der radial außen liegenden Lagerfläche.
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Eine O-Anordnung findet im Maschinenbau, vorrangig im Getriebebau, dort Anwendung, wo eine hohe Radialkraft axial außerhalb eines durch zumindest zwei Lager definierten Lagerbereichs oder Achsenabschnitts auftritt, welche durch eines der beiden Lager bzw. Schrägwälzlager abgestützt werden soll. Um einen Rundlauf der Welle und/oder die gewünschte Abstützlänge zu erreichen bzw. beizubehalten sollen die Schrägwälzlager axial gegeneinander verspannt sein. Um einen Verlust durch Reibung möglichst gering zu halten, soll diese Vorspannung ein gewünschtes Maß nicht übersteigen. Wenn beispielsweise das Hülsenmaterial einen größeren Wärmeausdehnungskoeffizienten als einen Wärmeausdehnungskoeffizienten des Wellenmaterials hat, dehnt sich mit zunehmender Temperatur bzw. ab einem gewissen Temperaturanstieg der Lageranordnung die Hülse und insbesondere der Hülsenvorsprung weiter als der Einspannungsabstand der Welle. Daher nimmt die Vorspannung in den Schrägwälzlagern zu. Daher nimmt der Verlust in der Lageranordnung zu. Dies ist unerwünscht.
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Aus der
JP 2009 203846 A bekannt ist eine Lagervorrichtung für Turbolader, welche eine Rotationswelle bzw. -achse eines Turboladers rotierbar innerhalb eines Gehäuses lagert. Ein Paar von Schrägkugellagern hat ein Paar von Außenringen, welche eine äußere Lauffläche haben. In einer Axialrichtung der voranstehend genannten Rotationswelle an einer Seite einer Spiraldichtung ist (jeweils) ein Innenring mit einer jeweiligen inneren Lauffläche an der Rotationswelle angeordnet. Zwei oder mehr Kugeln sind (jeweils) zwischen der inneren Lauffläche und der äußeren Lauffläche angeordnet, um in einem Nullzustand oder einem Zustand eines richtigen Abstands ein freies Rotieren (der Rotationswelle) zu ermöglichen. Der Außenring eines ersten der Schrägkugellager stößt axial an eine erste Schulter eines Vorsprungs einer Lagerlagerung bzw. Hülse an, und an eine zweite Schulter des Vorsprungs stößt eine Schraubenfeder oder eine wellenförmige Scheibe an, an die der Außenring des zweiten Schrägkugellagers anstößt. Ein Druckteil aus einem Harz mit einem größeren thermischen Ausdehnungskoeffizienten als demjenigen der Rotationswelle drückt diesen Außenring des zweiten Schrägkugellagers durch ein thermisches Expandieren zu einer Zeit einer erhöhten Temperatur zu dem axial an der anderen Seite angeordneten ersten Schrägkugellager. Die Schraubenfeder oder wellenförmige Scheibe übt einen nicht-konstanten Druck auf den Außenring des zweiten Schrägkugellagers aus, um den richtigen Abstand beizubehalten.
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Ferner beschreibt die
DE 10 2006 014 790 A1 eine Lageranordnung in einer X-Anordnung, mit einer axial zwischen einem Gehäuse und einem Kegelrollenlager eine Ausgleichsscheibe zum Einstellen eines axialen Spiel anzuordnen. In der
JP 2006 336720 A wird vorgeschlagen, bei einer Lageranordnung in einer X-Anordnung axial zwischen einem Gehäuse und einem Kegelrollenlager eine Ausgleichsscheibe aus einem Material mit einem hohen thermalen Ausdehnungskoeffizienten zu verwenden, wie beispielsweise aus einem PEI-Harz. Der
WO 2008 074708 A1 gemäß kann ein Distanzring ein Getriebelager an einem Gehäuse abstützen oder zwei gegeneinander vorgespannte Schräglageranordnungen auf Distanz halten.
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Die bekannten Lösungen zum Kompensieren einer thermisch induziert erhöhten Vorspannung lassen sich so zusammenfassen, dass entweder nur relativ kurze Ausgleichswege, wie mit den Ausgleichsscheiben der
DE 10 2006 014 790 A1 und
JP 2006 336720 A oder der wellenförmige Scheibe der
JP 2009 203846 A , erreicht werden, oder dass hohen Ausgleichswegen nur mit relativ aufwendigen und teuren, sowie Ermüdungserscheinungen unterliegenden Teilen, wie der Schraubenfeder aus der
JP 2009 203846 A , erreicht werden.
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Im Getriebebau geht ein Trend zu immer reibungsärmeren Wälzlagern. Insbesondere im Bereich von Hinterachsdifferentialen (die fachsprachlich auch als „power transfer units“ bekannt sind) werden herkömmlich verwendete Kegelrollenlager zum Lagern einer Differentialeingangswelle auch durch Tandemkugelrollenlager ersetzt. Dies wird letztlich durch einen kleinen Abstand zwischen den Lagern bzw. Wälzlagern ermöglicht, so dass thermische Ausdehnungen eine Vorspannung zwischen den Lagern in nur tolerablem Maße erhöhen.
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Es gibt einen Bedarf, innerhalb von Getrieben (beispielsweise bei einer fachsprachlich „MT FR longitudinal construction output shaft / X arrangement“ genannten Bauform) eine aus einer typischen MT-Konstruktion bzw. TM-Konstruktion, wie mit einer stählernen Welle, einem Gehäuse aus Aluminium und einem großen Abstand zwischen den Lagerstellen, herrührende Vorspannungsabweichung und/oder eine thermische Ausdehnung, Verlagerung oder Expansion benachbarter Teile zu kompensieren.
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Zur Verdeutlichung sei beispielhaft eine Lageranordnung mit O-Anordnung zweier Schrägkugellager angenommen, wobei die Lager in einem Gehäuse aus Aluminium eine Welle aus Stahl lagern. Als eine Vergleichsgröße sei angenommen, dass bei einem Gesamtanstellungswinkel von 20 Grad und einem Einspannungsabstand von 122mm bei einer Temperaturerhöhung eine Vorspannung von bis zu 1000N auftritt. Ändert man den Gesamtanstellungswinkel auf 80 Grad, kann bei derselben Temperaturerhöhung eine Vorspannung von 2800N bis 5000N auftreten, ändert man den Gesamtanstellungswinkel auf 90 Grad, kann bei derselben Temperaturerhöhung eine Vorspannung von bis zu 6500N auftreten, ändert man den Gesamtanstellungswinkel auf 120 Grad, kann bei derselben Temperaturerhöhung eine Vorspannung von bis zu 9000N auftreten, und ändert man den Gesamtanstellungswinkel auf 135 Grad, kann bei derselben Temperaturerhöhung eine Vorspannung von 8500N bis 12000N auftreten. Die zu kompensierenden Kräfte können also enorme Beträge annehmen, woraus deutlich erhöhte Kosten wegen stark erhöhter Reibungsverluste und signifikant verringerter Lebensdauer resultieren können.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen zu verbessern und vorzugsweise die bekannten Nachteile zu beheben. Besonders bevorzugt ist eine preisgünstige und einfach und schnell zu fertigende Lösung. Aus Sicherheitserwägungen heraus wird ferner eine Lösung mit der Eignung, notfalls hohe axiale Kräfte zu übertragen, gesucht. Es soll der Effekt von Vorspannungsabweichungen bei Anwendungen innerhalb von Getrieben mit großen Lagerabständen bei einer O-Anordnung kompensiert und vorzugsweise aufgehoben werden. Die Lösung soll bevorzugt bei niedrigen Temperaturen eine Mindest-Vorspannung aufrechterhalten können und/oder einen näherungsweise vorspannungslosen Mindest-Lagerabstand einhalten oder erhalten können. Eine Lösung, welche zumindest rechnerisch eine Temperaturerhöhung vollständig kompensieren kann, ist stark erwünscht. Eine besondere Eignung zur Verwendung in Fahrzeuggetrieben ist bevorzugt, ebenso eine Transferierbarkeit der Lösung auf Lageranordnungen auch in anderen Gebieten der Technik.
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Die Aufgabe der Erfindung wird bei einer gattungsgemäßen Lageranordnung erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass einerseits in Axialrichtung wirkende Kraftkomponenten aus einem zweiten Schrägwälzlager der Schrägwälzlager in einer Spannungsausgleichshülse aufgenommen werden, und andererseits die Spannungsausgleichshülse mit dem Vorsprung so in Verbindung steht, dass jene in Axialrichtung wirkenden Kraftkomponenten aus dem zweiten Schrägwälzlager von dem Vorsprung aufgenommen werden. Während daher das zweite Schrägwälzlager an dem Vorsprung abgestützt ist, dehnt sich die Spannungsausgleichshülse bei einer Temperaturerhöhung aus oder zieht sich die Spannungsausgleichshülse bei einer Temperaturverringerung zusammen, so dass das erste Schrägwälzlager relativ zu der Hülse eine eingestellte Vorspannung beibehaltend, erreichend oder einhaltend verlagerbar ist. Damit kann eine vorspannende Kraft in den Schrägwälzlagern begrenzt sein, so dass einerseits wegen gering gehaltener Reibung nur geringe Verluste auftreten, und dass andererseits ein jeweiliger Schmierfilm zwischen Wälzkörpern und Wälzkörperlaufbahnen eine hohe Lagerlebensdauer begünstigend erhalten bleibt, sowie eine Reduzierung der Lagerlebensdauer in Folge hoher wechselnder lokaler Belastungen während eines Abwälzens vermieden werden. Also lassen sich signifikant Kosten einsparen.
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Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen beansprucht und werden nachfolgend erläutert. Die dort genannten Aspekte können auch einzeln, unabhängig voneinander und vom Hauptaspekt weiterverfolgt werden.
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Wenn die Spannungsausgleichshülse aus einem Material aufgebaut ist oder besteht, das die gleichen thermischen Ausdehnungseigenschaften wie ein Material der Welle aufweist, wird eine einfache Dimensionierung erreicht, so dass Auslegungsfehler leicht vermieden werden können.
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Wenn die Spannungsausgleichshülse aus demselben Material wie die Welle aufgebaut ist oder besteht, wird ferner eine Lagerhaltung begünstigt, da weniger unterschiedliche Materialien an Lager gehalten werden müssen. Die Hülse ist vorzugsweise aus einem anderen Material als es die Spannungsausgleichshülse und die Welle sind.
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Es ist bevorzugt, wenn das Material der Welle und/oder das Material der Spannungsausgleichshülse ein Stahl ist, da sowohl das Material Stahl wie auch Herstellungs- und Bearbeitungsverfahren für Bauteile aus Stahl erprobt und kostengünstig sind. An Stahl wird dessen Festigkeit geschätzt, so dass die Welle hohen Belastungen ausgesetzt und/oder bauraumlich klein ausgeführt werden kann.
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Als Hülsenmaterial wird eine Aluminiumlegierung vorgeschlagen, um das Gewicht der Lageranordnung gering zu halten. Aluminiumlegierungen wie auch Herstellungs- und Bearbeitungsverfahren für Bauteile aus Aluminium sind erprobt und kostengünstig.
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Die Spannungsausgleichshülse kann ein beispielsweise scheidend, nibbelnd, stanzend, trennend, prägend, biegend, schneidend, pressend, bördelnd, umformend, schweißend, klebend, verstemmend, verklemmend, und/oder fügend hergestelltes Teil sein. Diese Herstellungsverfahren sind besonders wirtschaftlich, nicht zuletzt, da ein hoher Ausnutzungsgrad des eingesetzten Rohmaterials verwendbar ist. Diese Herstellungsverfahren sind allesamt auch einzeln unabhängig oder abhängig beanspruchbar, sind kostengünstig und für eine Serienproduktion besonders geeignet, und sind der Kürze des Texts wegen in einem Satz angeführt. Die Liste ist nicht abschließen zu verstehen sondern soll verwandte oder vergleichbar wirkende Herstellungsverfahren gleichermaßen einschließen. Eine einteilige Spannungsausgleichshülse führt zu geringen Lagerhaltungskosten. Eine zwei- oder mehrteilige Spannungsausgleichshülse kann geringere Herstellungskosten zur Folge haben.
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Wenn die Spannungsausgleichshülse ein Blechbiegeteil ist, ist eine Serienproduktion oder Massenproduktion besonders wirtschaftlich.
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Die Schrägwälzlager können jeweils ein Lager der Typen bzw. Arten oder Bauformen Kegelrollenlager, Schrägkugellager, Spindellager oder Schrägkugelrollenlager in einreihiger, zweireihiger oder mehrreihiger Ausführung sein. Besonders bevorzugt ist ein Tandemkugelrollenlager. Die Liste ist nicht abschließend, sondern es soll dargestellt werden, dass Lagertypen, insbesondere Wälzlagertypen, mit einer besonderen Eignung für eine angestellte Lagerung bzw. O-Lagerung vorgesehen werden sollen.
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Kegelrollenlager sind meist radial und axial gleichermaßen hoch belastbar. Sie verfügen bevorzugt über einen breiten nutzbaren Drehzahlbereich. Durch ihren häufig hohen wirksamen Abstand zwischen der jeweiligen radial innen oder außen liegenden Lagerstelle und der jeweiligen Abstützstelle (fachsprachlich wird dieser Abstand außerhalb dieser Schrift dieser ebenfalls als „Lagerabstand“ bezeichnet) nehmen sie Kräfte günstig auf und garantieren sie eine präzise und starre Wellenführung. Kegelrollenlager sind beispielsweise einstellbar sowie zerlegbar und daher einfach zu montieren.
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Schrägkugellager sind häufig selbsthaltende Baueinheiten mit beispielsweise massiven Außen- und Innenringen und Kugelkränzen mit beispielsweise Polyamid-, Blech oder Messingkäfigen. Die Laufflächen bzw. Laufbahnen der Innen- und Außenringe oder -schalen sind üblicherweise in Richtung der Lagerachse gegeneinander versetzt. Die Lager gibt es offen und abgedichtet. Ihre Winkeleinstellbarkeit muss nicht zwangsläufig eingeschränkt sein.
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Spindellager zählen zu der Gruppe der Hochgenauigkeitslager. Spindellager sind hochgenaue Schrägkugellager beispielsweise mit massiven Außen- und Innenringen, Kugelkränzen und/oder Massivfensterkäfigen. Da sehr enge Toleranzen erreichbar sind, eignen sich die Spindellager besonders für Anwendungen mit höchsten Anforderungen an eine Führungsgenauigkeit, wie sie bei der Lagerung von Hauptspindeln in Werkzeugmaschinen gefordert sind. Die Vielfalt am Markt verfügbarer Spindellager gibt einem Konstrukteur alle Freiräume für technisch richtungweisende, betriebssichere und wirtschaftliche Lagerungen.
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Kugelrollen eines Kugelrollenlagers sind schmäler, d.h. axial kürzer bauend, als Kugeln eines Kugellagers, indem (fast) nicht tragende, seitliche Bereiche der Kugeln weggelassen werden. Beispielsweise ist eine Kugelrolle um circa 30% schmäler als eine Kugel vergleichbaren Durchmessers. Ein so erreichter bauraumlicher Vorteil und eine Gewichtsersparnis sind vorteilhaft. Bei einem Tandemkugelrollenlager handelt es sich um ein zweireihiges Lager, dessen Kugelrollenreihen in einer Tandemanordnung laufen. Sie können durch einen oder zwei Käfige geführt werden. Die Zwei-Käfig-Bauweise ermöglicht es, beide Laufbahnen unabhängig voneinander optimal auf einen jeweiligen Anwendungsfall einzustellen. Dies führt zu einer gesteigerten Lastaufnahme bei reduzierter Baugröße und geringerer Reibung. Da im Vergleich zu einem Kegelrollenlager anstelle eines linienförmigen Wälzkontakts zwischen einem Wälzkörper und der Lauffläche üblicherweise ein Punktkontakt auftritt, sinkt die Reibung beispielsweise um circa 30 %. Dadurch kann der Energieverbrauch stark reduziert werden.
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Die vorliegende Erfindung kann nach einer alternative oder zusätzlichen, zweiten Definition auch das Gebiet einer Lageranordnung mit zumindest zwei Schrägwälzlagern betreffen, welche (Schrägwälzlager) eine Welle und eine Hülse zueinander verdrehbar lagern, wobei jeweils eine hülsenseitige Lauffläche eines Schrägwälzlagers verglichen mit einer wellenseitigen Lauffläche desselben Schrägwälzlagers axial in Richtung des jeweils anderen Schrägwälzlagers versetzt angeordnet ist, wobei zumindest eine bestimmte hülsenseitige Lauffläche zweistückig zu der Hülse ausgebildet und an einer Hülsenschulter axial abgestützt ist, und wobei ein Wellenmaterial und ein Hülsenmaterial verschiedene Wärmeausdehnungskoeffizienten haben. Es sei angemerkt, dass die „bestimmte“ hülsenseitige Lauffläche eine hülsenseitige Lauffläche des „zweiten“ Schrägwälzlagers gemäß der ersten erfindungsgemäßen Lösung der Aufgabe ist.
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Bei einer solchermaßen als gattungsgemäß definierten Lageranordnung kann die Aufgabe der Erfindung auch unabhängig beanspruchbar erfindungsgemäß dadurch gelöst werden, dass zwischen der bestimmten hülsenseitigen Lauffläche und der Hülsenschulter eine Ausgleichshülse, wie eine Spannungsausgleichshülse, aus einem zum näherungsweisen Kompensieren der Verschiedenheit der Wärmeausdehnungskoeffizienten des Wellenmaterials und des Hülsenmaterials bestimmten, bemessenen oder gewählten Ausgleichshülsenmaterial zwischengeschaltet ist. Die Spannungsausgleichshülse dehnt sich bei einer Temperaturerhöhung aus oder zieht sich bei einer Temperaturverringerung zusammen, so dass das Schrägwälzlager der bestimmten hülsenseitigen Lauffläche relativ zu der Hülse eine eingestellte Vorspannung beibehaltend, erreichend oder einhaltend verlagerbar ist. Damit kann eine vorspannende Kraft in den Schrägwälzlagern begrenzt sein, so dass einerseits wegen gering gehaltener Reibung nur geringe Verluste auftreten, und dass andererseits ein jeweiliger Schmierfilm zwischen Wälzkörpern und Wälzkörperlaufbahnen eine hohe Lagerlebensdauer begünstigend erhalten bleibt, sowie eine Reduzierung der Lagerlebensdauer in Folge hoher wechselnder lokaler Belastungen während eines Abwälzens vermieden werden. Also lassen sich signifikant Kosten einsparen.
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Darauf aufbauend kann vorgesehen sein, dass sich der Wärmeausdehnungskoeffizient des Wellenmaterials und der Wärmeausdehnungskoeffizient des Hülsenmaterials um höchstens 10%, beispielsweise bezogen auf den betragsmäßig größeren Wärmeausdehnungskoeffizienten oder, bevorzugt, bezogen auf den betragsmäßig kleineren Wärmeausdehnungskoeffizienten, voneinander abweichen. Hierdurch kann besonders bei einem großen Lagerabstand vorteilhafterweise eine kleine Ausdehnungsdifferenz zwischen der Ausgleichshülse und der Welle erreicht werden.
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Im Übrigen sind alle Merkmale, Aspekte und/oder Weiterbildungen der ersten und zweiten gattungsgemäßen Lageranordnungen untereinander austauschbar oder können sich gegenseitig ergänzend beansprucht werden.
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Des Weiteren betrifft die Erfindung auch ein Getriebe, insbesondere ein Kraftfahrzeugschaltgetriebe, ein Kraftfahrzeugdifferentialgetriebe und/oder ein Getriebe einer stationär betreibbaren Maschine, etwa einer Werkzeugmaschine, wobei das Getriebe eine Lageranordnung wie hierin beschrieben aufweist.
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Mit anderen Worten schlaglichtartig hervorgehoben, kann die Erfindung beschrieben werden als dass eine axiale Erstreckung des Vorsprungs bzw. des Schultern ausbildenden Vorsprungs und eine axiale Erstreckung der Spannungsausgleichshülse ermittelt werden, um eine Balance zwischen einer Wärmeausdehnung der Hülse und einer Wärmeausdehnung der Welle zu erhalten oder einzustellen. Dabei wird vorzugsweise zumindest eine Festigkeit der jeweiligen Festigkeiten der Welle, der Schrägwälzlager, der Spannungsausgleichshülse, der Hülse, des Vorsprungs der Hülse und/oder der Schultern des Vorsprungs der Hülse in Betracht gezogen. Um eine Vorlast bzw. Vorspannung auch in Abhängigkeit von Temperaturschwankungen konstant und/oder stabil zu halten, wird eine Spannungsausgleichshülse, vorzugsweise aus Stahl, zwischen einer Gehäuseschulter und einer Lagerschale oder, allgemein gesprochen, einer Lauffläche angeordnet und/oder vorgesehen. Eine Läge der Spannungsausgleichshülse kann einen Lagerabstand und eine Festigkeit der Spannungsausgleichshülse berücksichtigend eingestellt bzw. gesteuert werden.
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Mit nochmals andern Worten schlaglichtartig beschrieben wird vorgeschlagen, eine Welle beispielsweise eines Getriebes mittels zweier Schrägwälzlager in einer Hülse aus Aluminium zu lagern. Als ein thermisches Kompensationselement, das fachsprachlich ein „thermo compensation element“ oder kurz ein „TCE“ genannt wird, wird eine stählerne Spannungsausgleichshülse zwischen bspw. einer äußeren Lagerschale eines der Schrägwälzlager und einer Hülsenschulter angeordnet.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand einer Ausführungsform beschrieben. Es zeigen:
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1 eine entlang einer Rotationsachse geschnittene Darstellung einer Lageranordnung gemäß der ersten Ausführungsform,
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2 eine Getriebe, welches die Lageranordnung von 1 aufweist, in perspektivischer Ansicht,
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3 eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Ausgleichshülse, und
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4a–e zeigen Prinzipschnittdarstellungen durch verschienende Schrägwälzlager, wobei die 4a ein Kegelrollenlager, die 4b ein Schrägkugellager, die 4c ein Spindellager, die 4d ein Schrägkugelrollenlager und die 4e ein Tandemkugelrollenlager darstellt.
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Die Figuren sind lediglich schematischer Natur und dienen nur dem Verständnis der Erfindung. Die gleichen Elemente bzw. vergleichbare Elemente sind mit denselben Bezugszeichen versehen. Merkmale der einen Ausführungsform können auch in den anderen Ausführungsformen enthalten sein. Sie sind also untereinander austauschbar.
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Eine erste Ausführungsform der Erfindung ist in 1 dargestellt. Diese zeigt eine Lageranordnung 1 mit zwei Schrägwälzlagern 2, einer Welle 3 und einer Hülse 4, welche alle eine gemeinsame Rotationsachse X aufweisen.
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Die Schrägwälzlager 2 sind ein erstes Schrägwälzlager 5 und ein zweites Schrägwälzlager 6. Vorliegend sind die Schrägwälzlager 2 in einer O-Anordnung 7, wie später beschrieben, angeordnet. Die Welle 3 und die Hülse 4 sind mittels der Schrägwälzlager 2 relativ zueinander verdrehbar. Somit kann die Lageranordnung 1 eine Rotation der Hülse 4 bei einer achsenartig festgelegten Welle 3, eine von einer Rotation der Welle 3 unabhängige Rotation der Welle 4 und/oder, bevorzugt, eine Rotation der Welle 3 bei einer gehäuseartig festgelegten Hülse 4 ermöglichen.
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Die Schrägwälzlager 2 haben jeweils zumindest zwei Laufflächen 8, nämlich eine radial innen liegende Lauffläche 9 und eine radial außen liegende Lauffläche 10, auf welchen sich jeweils eine Vielzahl von Wälzkörpern 11 abwälzend bewegen kann. Die Wälzkörper 11 werden dabei durch einen Käfig 12 in Umfangsrichtung geführt.
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Dabei berühren die Wälzkörper 11 die jeweiligen Laufflächen 8 an Wälzpunkten 13. Drucklinien 14 verlaufen durch die jeweiligen Wälzpunkte 13 eines Schrägkugellagers 2 an der radial innen liegenden Lauffläche 9 und der radial außen liegenden Lauffläche 10. Die Vielzahl von in Umfangsrichtung um die Rotationsachse X verteilten Drucklinien 14 eines Schrägwälzlagers 2 schneiden sich in einer Abstützstelle 15 des jeweiligen Schrägwälzlagers 2. Die jeweilige Abstützstelle 15 ist axial von einem die radial innenliegenden Wälzpunkte 13 schneidenden und eine so jeweilige Lagerstelle 16 definierenden Radius 17 um ein Abstützungsmaß 18 versetzt. Zwischen dem die jeweilige Lagerstelle 16 definierenden Radius 17 und der jeweiligen Drucklinie 14 spannt sich ein Anstellungswinkel 19. Eine Summe der Anstellungswinkel 19 beider Schrägwälzlager 2 bildet einen Gesamtanstellungswinkel 20. Die Abstützstellen 15 der Schrägwälzlager 2 sind um einen Abstützabstand 21 voneinander entfernt. Die Schrägwälzlager 2 der Ausführungsform sind Tandemkugelrollenlager 22 mit zwei Reihen von Wälzkörpern 11, welche in 1 der Einfachheit halber als Kugeln und nicht als Kugelrollen dargestellt sind; für eine präzisere Darstellung wird auf die 4d und 4e verwiesen. Der Gesamtanstellungswinkel 20 wird bevorzugt auf die jeweils axial außen liegenden Wälzkörper 11 bezogen. Ein auf die jeweils axial außen liegenden Wälzkörper 11 bezogener Abstützabstand 21 kann auch als äußerer Abstützabstand 23 bezeichnet werden, wohingegen ein auf die axial innen liegenden Wälzkörper 11 bezogener Abstützabstand 21 als innerer Abstützabstand 24 bezeichnet werden kann.
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Die Laufflächen 8 werden vorliegend jeweils durch Lagerschalen 25 definiert, wobei vorliegend zwischen radial innen liegenden Innenlagerschalen 26, nämlich einer ersten Innenlagerschale 27 des ersten Schrägwälzlagers 5 und einer zweiten Innenlagerschale 28 des zweiten Schrägwälzlagers 6, und radial außen liegenden Außenlagerschalen 29, nämlich einer ersten Außenlagerschale 30 des ersten Schrägwälzlagers 5 und einer zweiten Außenlagerschale 31 des zweiten Schrägwälzlagers 6, unterschieden wird.
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Axial außen an den Innenlagerschalen 26 liegen Wellenschultern 32 an, nämlich eine erste Wellenschulter 33 an der ersten Innenlagerschale 27 und eine zweite Wellenschulter 34 an der zweiten Innenlagerschale 28. Die Wellenschultern 32 können jeweils durch einen Sicherungsring bzw. Sprengring oder Seegerring, einen Stellring, eine Nutmutter, oder ein beliebiges anderes derartiges axial wirkendes und/oder axial festlegendes Sicherungselement ersetzt werden.
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Radial liegen die Innenlagerschalen 26 an jeweils einem Wellenlagersitz 35 an bzw. sind dort angeordnet, abgestützt oder gelagert. Radial außen liegen die Außenlagerschalen 29 an jeweils einem Hülsenlagersitz 36 an bzw. sind dort angeordnet, abgestützt oder gelagert.
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Von den Hülsenlagersitzen 36 kragt nach radial innen ein Vorsprung 37 aus oder steht dieser ab. Man kann auch sagen, der Vorsprung 37 hat einen kleineren Innenradius 68 als ein jeweiliger Innenradius 69 der Hülsenlagersitze 36. Die Innenradien 69 der Hülsenlagersitze 36 können unterschiedlich groß sein. Der Vorsprung 37 hat bzw. definiert zwei Hülsenschultern 38, von denen eine erste Hülsenschulter 39 axial an die erste Außenlagerschale 30 anliegt, und zwar an einer dem zweiten Schrägwälzlager 6 zugewandten Seite der ersten Außenlagerschale 30. Eine zweite Hülsenschulter 40 der zwei Hülsenschultern 38, welche eine von der ersten Hülsenschulter 38 abgewandten Seite des Vorsprungs ist bzw. definiert oder ausbildet, weißt zu der zweiten Außenlagerschale 31 hin. Zwischen der zweiten Hülsenschulter 40 und der zweiten Außenlagerschale 31 ist eine Spannungsausgleichshülse 41 oder kurz Ausgleichshülse zwischengeschaltet, angeordnet, zwischengefügt, positioniert, eingebracht und/oder vorgesehen.
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Für beide Schrägwälzlager 2 gilt, dass eine radial außen liegende bzw. hülsenseitige Lauffläche 10 eines Schrägwälzlagers 2 (bspw. des ersten Schrägwälzlagers 5) verglichen mit einer radial innen liegenden bzw. wellenseitigen Lauffläche 9 desselben Schrägwälzlagers 2 (bspw. des ersten Schrägwälzlagers 5) axial in Richtung des jeweils anderen Schrägwälzlagers 2 (bspw. des zweiten Schrägwälzlagers 6) versetzt angeordnet ist.
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Eine Axialkraft Faw1, welche axial in Richtung von dem ersten Schrägwälzlager 5 zu dem zweiten Schrägwälzlager 6 wirkt, wird in Richtung der Drucklinien 14 über die Wälzkörper 11 des erstem Schrägwälzlagers 5 übertragen. Gemäß dem Superpositionsprinzip teilt sich diese Axialkraft Faw1 in Druckkräfte Fd1 entlang der Drucklinien 14 des ersten Schrägwälzlagers 5 auf, welche gemäß dem Superpositionsprinzip von der ersten Außenlagerschale 31 als Radialkraftkomponente Fr1 über den Hülsenlagersitz 36 und als Axialkraftkomponente Fah1 über die erste Hülsenschulter 38 zusammen an die Hülse 4 übertragen werden.
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Eine Axialkraft Faw2, welche axial in Richtung von dem zweiten Schrägwälzlager 6 zu dem ersten Schrägwälzlager 5 wirkt, wird in Richtung der Drucklinien 14 über die Wälzkörper 11 des zweiten Schrägwälzlagers 6 übertragen. Gemäß dem Superpositionsprinzip teilt sich diese Axialkraft Faw2 in Druckkräfte Fd2 entlang der Drucklinien 14 des zweiten Schrägwälzlagers 6 auf, welche gemäß dem Superpositionsprinzip von der zweiten Außenlagerschale 32 als Radialkraftkomponente Fr2 über den Hülsenlagersitz 36 und als Axialkraftkomponente Fah2 über die Spannungsausgleichshülse 41 und über die zweite Hülsenschulter 40 zusammen an die Hülse 4 übertragen werden.
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Also werden von den Schrägwälzlagern 2 weitergegebene und aufeinander zu gerichtete Kraftkomponenten Fah, nämlich die Axialkraftkomponente Fah1 und die Axialkraftkomponente Fah2 durch das Material der Hülse 4, nämlich vorliegend den Vorsprung 37, aufgefangen, abgestützt, gelagert oder abgeleitet.
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Die Welle 3 ist aus einem Material 44 mit einem geringeren Wärmeausdehnungskoeffizienten Ww als ein Wärmeausdehnungskoeffizient Wh eines Material 45 der Hülse 4. Vorzugsweise ist das Material 44 der Welle 3 ein Eisenbasiswerkstoff wie ein Stahl oder eine Stahllegierung, und ist das Material 45 der Hülse 4 ein Aluminium wie eine Aluminiumlegierung.
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Wäre nun die zweite Außenlagerschale 31 direkt an der zweiten Hülsenschulter 40 abgestützt, würde eine Erwärmung der Lageranordnung 1 dazu führen, dass sich der Vorsprung 37, insbesondere angesichts eines relativ großen Außenlagerschalenabstands 42 zwischen den Außenlagerschalen 29, deutlich mehr als ein Einspannungsabstand 43, der zwischen den Wellenschultern 32 vorliegt, ausdehnen würde. Dies hätte, wie eingangs beschrieben, deutlich erhöhte Verluste und Kosten zur Folge.
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Vorliegend ist jedoch die Spannungsausgleichshülse 41 zwischen der zweite Außenlagerschale 31 und der zweiten Hülsenschulter 40 angeordnet. Dabei wird erfindungsgemäß als ein Material 46 der Spannungsausgleichshülse 41 ein Material mit einem geringeren Wärmeausdehnungskoeffizienten Wa als dem Wärmeausdehnungskoeffizienten Wh der Hülse 4. Vorliegend ist das Material 46 der Spannungsausgleichshülse 41
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Eine axiale Erstreckung des Vorsprungs 37 wird als Vorsprungslänge 47 bezeichnet, und eine axiale Erstreckung der Spannungsausgleichshülse 41 wird als Spannungsausgleichshülsenlänge 48 bezeichnet. Bevorzugt ist die Vorsprungslänge 47 so bemessen, dass diese notfalls auch deutlich erhöhte Axialkräfte im Sinne des fail-safe-Prinzips aufnehmen kann. Eine Summe der Vorsprungslänge 47 und der Spannungsausgleichshülsenlänge 48 ist bei der Lageranordnung 1 gemäß der Ausführungsformgleich dem Außenlagerschalenabstand 42. Wie man aus der 1 ersehen kann, ist bei der erfindungsgemäßen Lageranordnung 1 der Außenlagerschalenabstand 42 kleiner als der Einspannungsabstand 43. Vorliegend ist das Material 46 der Spannungsausgleichshülse 41 das gleiche Material wie das Material 44 der Welle 3. Daher kann man von dem Einspannungsabstand 43 eine der Spannungsausgleichshülsenlänge 48 entsprechende Entsprechungslänge 43’ abziehen, so dass sich eine Einspannungsabstandrestlänge 49 ergibt. Wärmeausdehnungskoeffizienten sind Größen der Einheit [1/K], also zwar materialabhängig, aber konstant. Da die Wärmeausdehnung der Spannungsausgleichshülsenlänge 48 gleich der Wärmeausdehnung der Welle 3 im Bereich der Entsprechungslänge 43’ ist, können die Einspannungsabstandrestlänge 49 und die Vorsprungslänge 47 also so ausgelegt werden, dass die Einspannungsabstandrestlänge 49 multipliziert mit dem Wärmeausdehnungskoeffizienten Ww der Welle 3 betragsmäßig gleich groß wie die Vorsprungslänge 47 multipliziert mit dem Wärmeausdehnungskoeffizienten Wh des Vorsprungs 37 der Hülse 4 ist. Auf diese Weise kann eine thermisch induzierte Änderung einer eingestellten Vorspannung zwischen den Schrägwälzlagern 2 vermieden werden. Es kann also der Effekt von Vorspannungsabweichungen bei Anwendung der Lageranordnung 1 sogar vollständig kompensiert und sogar aufgehoben werden. Da sich die Spannungsausgleichshülse 41 bei einer Temperaturabsenkung im gleichen Maße wie die Welle 3 zusammenzieht oder verkürzt, können hierbei eine vorab festgelegte Mindest-Vorspannung und ein Mindest-Lagerabstand eingehalten werden.
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Berechnungen des Erfinders haben ergeben, dass im Vergleich zu dem eingangs genannten Vergleichbeispiel bei einem Gesamtanstellungswinkel 20 von 90 Grad und/oder 120 Grad eine Vorspannung von 0N erreichbar ist.
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In der 2 ist eine Einbausituation der Lageranordnung 1 gezeigt. Ein Getriebe 50 hat die Welle 3, welche mittels der Schrägwälzlager 2 der Lageranordnung 1 rotierbar an der Hülse 4 festgelegt ist. Die 2 zeigt beispielhaft weitere Bauelemente des Getriebes 50, wie schrägverzahnte Zahnräder 51 und zwei Getriebewellen 52. Es kann also der Effekt von Vorspannungsabweichungen bei Anwendung der Lageranordnung 1 bei Anwendung der Lageranordnung 1 in dem Getriebe 50 kompensiert und sogar aufgehoben werden.
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Die 3 zeigt eine besonders bevorzugte Ausgestaltung der Spannungsausgleichshülse 41. Die Spannungsausgleichshülse ist bei der ersten Ausführungsform ein Blechbauteil 53. Das Blechbauteil 53 ist vorliegend ein stanzend, prägend und biegend hergestelltes Bauteil. In einem ersten Schritt wird ein (nicht dargestellter) Rohling näherungsweise rechteckiger Form aus einem (nicht dargestellten) Blechhalbzeug gestanzt. Dann werden Sicken 54 derart gezielt in den Rohling geprägt, und wird der geprägte Rohling (nicht dargestellt) derart gezielt parallel zu den Sicken 54 umgebogen, dass sich die Sicken 54 entlang einer Längsachse Y der fertig gebildeten Spannungsausgleichshülse 41 erstrecken. Die Sicken 54 bewirken eine die runde Form der Spannungsausgleichshülse 41 unterstützende Erhöhung der Steifigkeit der Spannungsausgleichshülse 41. Dadurch kann die Masse der Spannungsausgleichshülse 41 reduziert werden, ohne ein Ausbeulen oder Ausknicken der Spannungsausgleichshülse 41, welches einen Versagens-gleichen Abfall der Vorspannung der Schrägwälzlager 2 zu Folge haben kann, befürchten zu müssen. Die Längsachse Y der fertig gebildeten Spannungsausgleichshülse 41 ist vorbereitet, um der Rotationsachse x der Lageranordnung 1 zu entsprechen. Die Spannungsausgleichshülse 41 ist ein preisgünstiges und einfach und schnell fertigbares Bauteil. Alternativ könnte, ebenfalls preisgünstig, ein rohrartiges Halbzeug durch einfaches und schnelles Plandrehen dessen Außenumfangs verwandt werden.
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Ein Kontaktbereich 55 ist der Bereich, in welchem zwei, vorzugsweise zu der Längsachse Y parallel ausgebildete, Längsseiten, Ränder oder Kanten 56 des Rohlings nach dem Biegeschritt aneinander stoßen. Die Längsseiten 56 können mit zumindest einer Schweißnaht 57 verbunden werden. Die Schweißnaht 57 kann eine linienförmige Schweißnaht (nicht gezeigt) sein. Die Schweißnaht 57 kann auch eine Vielzahl von Schweißpunkten 58 sein, wie in 3 gezeigt. Zur deutlicheren Ausbildung der Schweißpunkte 58 kann vorgesehen sein, dass ausgehend von einer Stirnseite 59, die quer zu der Längsachse Y ist, zwischen je zwei von zumindest zwei Kontaktvorsprüngen 60 einer der Längsseiten 56 eine Kontaktvermeidungsausnehmung 61 vorgesehen ist. Dies ermöglicht in Summe kurze Schweißnähte oder Schweißpunkte 58 mit geringen Gesamtkosten und/oder einen reduzierten und lokal eng begrenzten Wärmeeintrag in die Spannungsausgleichshülse 41 während des Schweißens. Eine besonders hohe Festigkeit zeichnet die schweißend geschlossene Spannungsausgleichshülse 41 aus.
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In den 4a bis 4e sind, beispielhaft und nicht abschließend, Typen von Schrägwälzlagern 2 dargestellt, welche zur Verwendung bei der Lageranordnung 1 besonders geeignet sind. Es sind jeweils die radial innen liegende Lauffläche 9 oder die radial innen liegenden Laufflächen 9, die radial außen liegende Lauffläche 10 oder die radial außen liegenden Laufflächen 10, der oder die Wälzkörper 11, der Käfig 12, soweit dieser vorhanden ist, die Wälzpunkte 13 oder die mittleren Wälzpunkte 13, die Drucklinie 14 oder die Drucklinien 14, der Anstellungswinkel 19, die Innenlagerschale 26 und die Außenlagerschale 29 angezeigt. Konkret zeigen die 4a ein als Kegelrollenlager 62 gebildetes Schrägwälzlager 2, die 4b ein als Schrägkugellager 63 gebildetes Schrägwälzlager 2, die 4c ein als Spindellager 64 gebildetes Schrägwälzlager 2, die 4d ein als Schrägkugelrollenlager 65 gebildetes Schrägwälzlager 2 mit einer angedeuteten Kugelsilhouette 66 zur Verdeutlichung einer Kugelrollensilhouette 67, und die 4e ein als Tandemkugelrollenlager 22 gebildetes Schrägwälzlager 2 ähnlich den Tandemkugelrollenlagern 22 der 1.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Lageranordnung
- 2
- Schrägwälzlager
- 3
- Welle
- 4
- Hülse
- 5
- erstes Schrägwälzlager
- 6
- zweites Schrägwälzlager
- 7
- O-Anordnung
- 8
- Lauffläche
- 9
- radial innen liegende Lauffläche
- 10
- radial außen liegende Lauffläche
- 11
- Wälzkörper
- 12
- Käfig
- 13
- Wälzpunkt
- 14
- Drucklinie
- 15
- Abstützstelle
- 16
- Lagerstelle
- 17
- Lagerstelle definierender Radius
- 18
- Abstützungsmaß
- 19
- Anstellungswinkel
- 20
- Gesamtanstellungswinkel
- 21
- Abstützabstand
- 22
- Tandemkugelrollenlager
- 23
- äußerer Abstützabstand
- 24
- innerer Abstützabstand
- 25
- Lagerschale
- 26
- Innenlagerschale
- 27
- erste Innenlagerschale
- 28
- zweite Innenlagerschale
- 29
- Außenlagerschale
- 30
- erste Außenlagerschale
- 31
- zweite Außenlagerschale
- 32
- Wellenschulter
- 33
- erste Wellenschulter
- 34
- zweite Wellenschulter
- 35
- Wellenlagersitz
- 36
- Hülsenlagersitz
- 37
- Vorsprung
- 38
- Hülsenschulter
- 39
- erste Hülsenschulter
- 40
- zweite Hülsenschulter
- 41
- Spannungsausgleichshülse
- 42
- Außenlagerschalenabstand
- 43
- Einspannungsabstand
- 43’
- Entsprechungslänge
- 44
- Material der Welle
- 45
- Material der Hülse
- 46
- Material der Spannungsausgleichshülse
- 47
- Vorsprungslänge
- 48
- Spannungsausgleichshülsenlänge
- 49
- Einspannungsabstandrestlänge
- 50
- Getriebe
- 51
- Zahnrad
- 52
- Getriebewelle
- 53
- Blechbauteil
- 54
- Sicke
- 55
- Kontaktbereich
- 56
- Längsseite
- 57
- Schweißnaht
- 58
- Schweißpunkt
- 59
- Stirnseite
- 60
- Kontaktvorsprung
- 61
- Kontaktvermeidungsausnehmung
- 62
- Kegelrollenlager
- 63
- Schrägkugellager
- 64
- Spindellager
- 65
- Schrägkugelrollenlager
- 66
- Kugelsilhouette
- 67
- Kugelrollensilhouette
- 68
- Innenradius des Vorsprungs
- 69
- Innenradius des Hülsenlagersitzes
- Fah
- aufeinander zu gerichtete Kraftkomponenten
- Fah1
- Axialkraftkomponente
- Fah2
- Axialkraftkomponente
- Faw1
- Axialkraft
- Faw2
- Axialkraft
- Fd1
- Druckkraft
- Fd2
- Druckkraft
- Fr1
- Radialkraftkomponente
- Fr2
- Radialkraftkomponente
- Wa
- Wärmeausdehnungskoeffizient des Materials der Spannungsausgleichshülse
- Wh
- Wärmeausdehnungskoeffizient des Materials der Hülse
- Ww
- Wärmeausdehnungskoeffizient des Materials der Welle
- X
- Rotationsachse
- Y
- Längsachse
