DE102015210924A1

DE102015210924A1 - Wälzkörperkäfig einer Planetenradlagerung mit Schmiertaschen am Außendurchmesser

Info

Publication number: DE102015210924A1
Application number: DE102015210924.0A
Authority: DE
Inventors: Alexander Pabst; Daniel Würdinger; Frank BEECK
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2015-06-15
Filing date: 2015-06-15
Publication date: 2016-07-07

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Wälzkörperkäfig (2) einer Planetenradlagerung (19), die in einem Planetengetriebe eingesetzt ist. In dem Wälzkörperkäfig (2) ist eine Anzahl von Wälzkörpern (17) eingesetzt, die an einer Außenlaufbahn (23) und einer Innenlaufbahn (22) einer Wälzlagerung (18) abwälzen. Der außengeführte Wälzkörperkäfig (2) umfasst zur Aufnahme der Wälzkörper (17) formgleiche, in Umfangsrichtung gleichachsige, durch Axialstege (6) voneinander getrennte Aufnahmetaschen (3). An den abgewandten Endseiten (7, 8) der Aufnahmetaschen (3) schließt der Wälzkörperkäfig (2) jeweils eine tiefenbegrenzte, in den Führungsborden (11, 12) eingebrachte Schmiertasche (4, 5) an. Im Einbauzustand des Wälzkörperkäfigs (2) sind die Schmiertaschen (4, 5) jeweils in Richtung der Außenlaufbahn (23) der Wälzlagerung (18) ausgerichtet.

Description

Die Erfindung betrifft einen Wälzkörperkäfig von einer Planetenradlagerung, die für ein Planetengetriebe bestimmt ist, gemäß den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1. Weiterhin betrifft die Erfindung nach den Ansprüchen 9 und 10 Verfahren zur Herstellung eines Wälzkörperkäfigs.
Planetengetriebe ermöglichen aufgrund ihrer kompakten Bauform eine hohe Drehmomentübertragung bei kleinstem Bauraum. Die einfachste Form eines Planetengetriebes bildet ein einstufiges Planetengetriebe, bestehend aus einem Sonnenrad, einer Anzahl von Planetenrädern, einem Planetenradträger sowie einem Hohlrad. Die Planetenräder sind jeweils über eine als Nadel- oder Zylinderrollenlager ausgeführte Wälzlagerung auf Lagerbolzen des Planetenträgers drehbar gelagert, wobei die Wälzkörper in einem Wälzkörperkäfig geführt sind.
Die DE 10 2010 009 391 A1 offenbart eine Wälzlagerung, bei der ein Wälzkörperkäfig mit außenzylindrischen Führungsflächen mit innenzylindrischen Kontaktzonen zusammenwirkt. Der außen geführte Wälzkörperkäfig ist dabei über sogenannte Führungsborde an der äußeren Wälzbahn in einer Bohrung geführt, an der ebenfalls die Wälzkörper des Wälzlagers abwälzen. Derartige Käfige eignen sich für Wälzlagerungen, in denen hohe Fliehkräfte auf die Käfige wirken, wie beispielsweise Wälzlager zur Lagerung von Pleueln auf Kurbelzapfen. Diese auch als Kurbelzapfenkäfig (KZK) zu bezeichnenden Käfige sind weiterhin für die Lagerung von Planetenrädern in Planetengetrieben einsetzbar. Die Planetenräder sind auf mit Abstand zur Zentralachse des Planetengetriebes angeordneten Planetenradbolzen drehbar gelagert. Die Wälzlagerung des Planetenrades ist hohen Fliehkräften ausgesetzt, da diese um die eigene Rotationsachse rotieren sowie in einigen Betriebszuständen planetenartig auf einer Umlaufbahn um die Rotationsachse des Planetengetriebes umlaufen. Die Fliehkräfte bewirken eine kraftschlüssige Abstützung der Wälzkörper sowie der Führungsborde des Wälzkörperkäfigs an der äußeren Wälzbahn, beispielsweise einer Aufnahmebohrung des Planetenrades. Der Wälzkörperkäfig rotiert mit etwa der halben Drehzahl des Planetenrades um die Rotationsachse, wobei die Führungsborde des Käfigs an der äußeren Wälzbahn gleiten.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen dauerfesten, reibungsoptimierten Wälzkörperkäfig für die Wälzlagerung einer Planetenradlagerung zu schaffen, wobei die Maßnahme auf einfache Weise, kostengünstig durchführbar sein soll.
Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich aus den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 sowie den Verfahren nach den Ansprüchen 9 und 10. Die abhängigen, auf den Anspruch 1 rückbezogenen Ansprüche geben jeweils vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung wieder.
Diese Aufgabenstellung wird durch die Merkmale von Anspruch 1 dadurch gelöst, dass der Wälzkörperkäfig sich an den abgewandten Endseiten der Aufnahmetaschen beidseitig eine in den Führungsborden eingebrachte, tiefenbegrenzte Schmiertasche anschließt, die sich jeweils bis zu einer Stirnseite des Wälzkörperkäfigs erstreckt. Im Einbauzustand des Wälzkörperkäfigs sind die Schmiertaschen jeweils in Richtung der Außenlaufbahn der Wälzlagerung ausgerichtet.
Diese Maßnahme verbessert die Schmierölzufuhr im Kontaktbereich, den Kontaktzonen zwischen dem Führungsbord des außengeführten Wälzkörperkäfigs und der Außenlaufbahn, einer Bohrung in dem Planetenradbolzen oder einem äußeren Lagerring der Wälzlagerung. Die in Form von radialen Vertiefungen, Ausnehmungen oder Aussparungen ausgebildeten Schmiertaschen schließen sich stirnseitig an die Aufnahmetaschen des Wälzkörperkäfigs an und bewirken somit eine optimale Schmiermittelbeaufschlagung der Außenlaufbahn der Wälzlagerung. Die verbesserte Schmierölzufuhr bewirkt damit vorteilhaft einen reibungsarmen Anlauf der Führungsborde des Wälzkörperkäfigs an der Außenlaufbahn. Durch die Erfindung ist folglich eine dauerfeste, reibungs- und festigkeitsoptimierte Abstützung des Wälzkörperkäfigs an der Außenlaufbahn gewährleistet, ohne dabei die Funktionsfähigkeit der Planetenradlagerung zu beeinträchtigen. Mit dem erfindungsgemäßen, sich positiv auf die Reibung aller Wälzlagerungen der Planetenräder des Planetengetriebes auswirkenden Konzept verbessert sich das Betriebsverhalten. Folglich kann durch die erfindungsgemäße Maßnahme auch ein gewünschter geringerer Kraftstoffverbrauch der Brennkraftmaschine des Fahrzeugs realisiert werden. Vorteilhaft lassen sich die erfindungsgemäßen Schmiertaschen auf einfache Weise, kostengünstig in dem Wälzkörperkäfig einbringen.
Der erfindungsgemäße Wälzkörperkäfig kann mittels einer spanlosen Umformung aus einem Blechband gefertigt werden. Durch Ausstanzen oder Ausformen werden die Aufnahmetaschen der Wälzkörper sowie die Schmiertaschen in das Blechband eingebracht. Zur Gestaltung der äußeren Führungsborde wird das Blechband beidseitig rechtwinkelig umgeformt bzw. abgekantet. Die Blechbandenden bzw. die Endseiten des abgelängten und zylindrisch geformten Blechbandes werden stoffschlüssig verbunden.
Eine bevorzugte konstruktive Ausgestaltung sieht vor, dass die Schmiertaschen im Führungsbord des Wälzkörperkäfigs vorteilhaft einen gerundeten Nutgrund sowie eine Tiefe von ≥ 0,05 bis ≤ 1,5 mm aufweisen. Für die im Vergleich zu den Aufnahmetaschen des Wälzkörperkäfigs schmaler ausgeführten Schmiertaschen ist vorzugsweise eine Breite S2 vorgesehen, die ≤ 30% einer Breite S1 Aufnahmetasche entspricht. Vorteilhaft, zur Erzielung einer optimalen Schmierstoffbeaufschlagung, sind die Schmiertaschen mittig, d.h. auf einer Symmetrieachse der Aufnahmetaschen, angeordnet.
Als Maßnahme zur Erzielung einer exakten Außenführung und genauen Rundlaufgenauigkeit bietet es sich an, die jeweils ein Seitenteil bildenden Führungsborde des Wälzkörperkäfigs außenseitig zu schleifen und/oder zu hohnen. Zur Erreichung einer verbesserten Lebensdauer, einer gewünschten Festigkeit und Temperaturbeständigkeit bietet es sich ferner an, die Führungsborde des Wälzkörperkäfigs außenseitig zu härten. Ergänzend oder alternativ dazu kann die zugehörige Kontaktzone des Führungsbordes, die Außenlaufbahn bzw. Wälzbahn in der Bohrung des Planetenradbolzens entsprechend oberflächenbehandelt werden.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, den Wälzkörperkäfig zumindest einlagig zu beschichten, um beispielsweise die Notlaufeigenschaften zu verbessern. Dazu eignet sich beispielsweise eine Phosphatschicht, ein Gleitlack oder hochwertigere Schichten, die z.B. Kupfer, Nickel, Silber oder Gold enthalten können. Weiterhin kann der Wälzkörperkäfig mehrlagig beschichtet werden, wobei gleiche oder unterschiedliche Beschichtungen einsetzbar sind.
Die erfindungsgemäß vorgesehenen Schmiertaschen sind bevorzugt in einem Wälzkörperkäfig mit M-förmig gestalteten Axialstegen einsetzbar, über die im Einbauzustand jeder als Rolle oder Nadel ausgeführte Wälzkörper dauerfest, wirksam formschlüssig gehalten ist.
Das erste Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Wälzkörperkäfigs sieht nach Anspruch 9 folgende Verfahrensschritte vor. Zunächst erfolgt durch Stanzen oder ein alternatives spanloses Verfahren die Herstellung von formgleichen, durch Axialstege voneinander getrennten Aufnahmetaschen für Wälzkörper in einem Blechband. Synchron dazu oder in einem nachfolgenden Arbeitsschritt erfolgt ein Einformen von längen- und tiefenbegrenzten Schmiertaschen in das Blechband, die sich an den abgewandten Endseiten der Aufnahmetaschen anschließen. Zur Gestaltung von Führungsborden werden anschließend äußere, seitliche Bereiche des Blechbandes beidseitig abgekantet. Dann erfolgt ein Ablängen und anschließendes Umformen des Blechbandes zu einem zylindrischen Körper und anschließend ein stoffschlüssiges Verbinden von Blechbandenden zur Fertigstellung des Wälzkörperkäfigs.
Das zweite Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Wälzkörperkäfigs sieht nach Anspruch 10 folgende Verfahrensschritte vor. Zunächst wird in ein Blechband ein M-förmiges Profil spanlos eingeformt, das seitliche Führungsborde und axial ausgerichtete Führungsstege für die Wälzkörper einschließt. Anschließend werden formgleiche, durch Axialstege voneinander getrennte Aufnahmetaschen für die Wälzkörper in das Blechband gestanzt. Synchron dazu oder in einem nachfolgenden Arbeitsschritt erfolgt ein Einformen von längen- und tiefenbegrenzten Schmiertaschen in das Blechband, die sich an den abgewandten Endseiten der Aufnahmetaschen anschließen. Die Schmiertaschen erstrecken sich jeweils bis an die Stirnseite des seitlichen Führungsbordes. Danach erfolgt ein Ablängen und anschließendes Umformen des Blechbandes zu einem zylindrischen Körper, bevor abschließend die Blechbandenden zur Fertigstellung des Wälzkörperkäfigs stoffschlüssig verbunden werden.
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Zeichnungen, in denen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt ist. Diese Ausführungsform zeigt ein Beispiel einer erfindungsgemäßen Lösung, die jedoch keine abschließende Begrenzung der Erfindung darstellt. Dabei zeigt:
1 ein Blechband als Ausgangsmaterial zur Fertigung eines erfindungsgemäßen Wälzkörperkäfigs, in das Aufnahmetaschen und Schmiertaschen spanlos eingebracht sind;
2 einen erfindungsgemäßen Wälzkörperkäfig in einer perspektivischen Ansicht;
3 einen Querschnitt des Wälzkörperkäfigs entsprechend einer Schnittebene 3-3 gemäß 2; und
4 den Wälzkörperkäfig gemäß der Erfindung im eingebauten Zustand.
Die 1 zeigt ein Blechband 1, das als Ausgangsmaterial zur Fertigung des in 2 abgebildeten Wälzkörperkäfigs 2 bestimmt ist. Mittels spanloser Verfahren, insbesondere Stanzen, werden dazu Aufnahmetaschen 3 sowie tiefenbegrenzte Schmiertaschen 4, 5 in das Blechband 1 eingebracht. Dabei sind die Aufnahmetaschen 3 jeweils durch Axialstege 6 voneinander getrennt. An den abgewandten Endseiten 7, 8 der Aufnahmetaschen 3 schließen sich beidseitig die Schmiertaschen 4, 5 an, die sich axial jeweils bis zu einer Hilfslinie 9, 10 erstrecken. Diese Hilfslinien 9, 10 entsprechen einer stirnseitigen Außenkontur des Wälzkörperkäfigs 2, wenn die seitliche, äußere Führungsborde 11, 12 bildenden Abschnitte, wie in 2 gezeigt, rechtwinklig umgeformt sind.
In der 2 ist der Wälzkörperkäfig 2 in der Perspektive abgebildet, der mittels einer zylindrischen Umformung des Blechbandes 1 und eines stoffschlüssigen Verbindens von Blechbandenden 13, 14 fertiggestellt ist. Über die Stirnseiten 15, 16 bildenden Führungsborde 11, 12 ist der Wälzkörperkäfig 2 im Einbauzustand, wie in 4 gezeigt, außenseitig geführt. Der auch als Kurbelzapfenkäfig (KZK) zu bezeichnende Wälzkörperkäfig 2 ist insbesondere für eine in 4 gezeigte Planetenradlagerung 19 vorgesehen, die in einem Planetenträger (nicht gezeigt) eines Planetengetriebes eingesetzt ist. Als Maßnahme zur exakten Außenführung sind die jeweils ein Seitenteil bildenden Führungsborde 11, 12 außenseitig geschliffen. Zur Verbesserung der Notlaufeigenschaften bietet es sich an, den Wälzkörperkäfig 2 zu beschichten.
Die Schnittansicht gemäß 3 zeigt einen Querschnitt des Wälzkörperkäfigs 2 entsprechend einer Schnittebene 3-3 in der 2. Diese Schnittansicht verdeutlicht weitere Einzelheiten des Wälzkörperkäfigs 2, wie den M-förmig gestalteten Axialsteg 6, über den im Einbauzustand der Wälzlagerung 18 (gezeigt in 4) die als Rolle oder Nadel ausgeführten Wälzkörper 17 formschlüssig gehalten sind. Weiterhin zeigt die 3 die Gestaltung der Schmiertaschen 4, 5, die sich über die Breite der Führungsborde 11, 12 erstrecken und die eine Tiefe S aufweisen.
Die 4 zeigt eine Planetenradlagerung 19 eines ansonsten nicht abgebildeten Planetengetriebes. Ein vereinfacht dargestelltes Planetenrad 20 ist dabei über die Wälzlagerung 18 auf einem Planetenradbolzen 21 drehbar gelagert. Die Wälzkörper 17 sind dabei zwischen einer von dem Planetenradbolzen 21 gebildeten Innenlaufbahn 22 und einer Außenlaufbahn 23 des Planetenrades 20 geführt. Der Wälzkörperkäfig 2 ist dabei in einem oberen, zumindest eine Kontaktzone 24 bildenden Bereich über die Führungsborde 11, 12 unmittelbar an der Außenlaufbahn 23 der Bohrung des Planetenrades 20 abgestützt.
Die Kontaktzone 24 stellt sich aufgrund der exzentrischen Einbaulage der Planetenradlagerung 19 und den damit verbundenen Fliehkräften ein.
Aufgrund der Schmiertaschen 4 kann Schmieröl die Außenlaufbahn 23 beaufschlagen, wodurch sich ein reibungsarmer Anlauf der Führungsborde 11, 12 des Wälzkörperkäfigs 2 an der Außenlaufbahn 23 einstellt.
Bezugszeichenliste

1: Blechband
2: Wälzkörperkäfig
3: Aufnahmetasche
4: Schmiertasche
5: Schmiertasche
6: Axialsteg
7: Endseite
8: Endseite
9: Hilfslinie
10: Hilfslinie
11: Führungsbord
12: Führungsbord
13: Blechbandende
14: Blechbandende
15: Stirnseite
16: Stirnseite
17: Wälzkörper
18: Wälzlagerung
19: Planetenradlagerung
20: Planetenrad
21: Planetenradbolzen
22: Innenlaufbahn
23: Außenlaufbahn
24: Kontaktzone
B1: Breite Aufnahmetasche
B2: Breite Schmiertasche
S: Tiefe Schmiertasche

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102010009391 A1 [0003]

Claims

Wälzkörperkäfig einer Planetenradlagerung (19), die in einem Planetengetriebe eingesetzt ist, in dem eine Anzahl von Wälzkörpern (17) eingesetzt ist, die an einer Außenlaufbahn (23) und einer Innenlaufbahn (22) einer Wälzlagerung (18) abwälzen, wobei der außengeführte, als ein Kurbelzapfenkäfig ausgebildete Wälzkörperkäfig (2) zur Aufnahme der Wälzkörper (17) formgleiche, in Umfangsrichtung gleichachsige, durch Axialstege (6) voneinander getrennte Aufnahmetaschen (3) aufweist und der Wälzkörperkäfig (2) beidseitig von einem Führungsbord (11, 12) begrenzt ist, dadurch gekennzeichnet, dass sich an den abgewandten Endseiten (7, 8) der Aufnahmetaschen (3) beidseitig eine Schmiertasche (4, 5) anschließt, die jeweils außenseitig in den Führungsborden (11, 12) eingebracht ist und die sich bis zu einer Stirnseite (15, 16) des Wälzkörperkäfigs (2) erstreckt, wobei die Schmiertaschen (4, 5) im Einbauzustand des Wälzkörperkäfigs (2) in Richtung der Außenlaufbahn (23) ausgerichtet sind.
Wälzkörperkäfig nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wälzkörperkäfig (2) mittels einer spanlosen Umformung aus einem Blechband (1) gefertigt ist, das ausgestanzte Aufnahmetaschen (3), Schmiertaschen (4, 5) sowie abgewinkelte Führungsborde (11, 12) aufweist und Blechbandenden (13, 14) des abgelängten Blechbandes (1) stoffschlüssig verbunden sind.
Wälzkörperkäfig nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für die als radiale Vertiefungen ausgebildeten Schmiertaschen (4, 5) im Führungsbord (11, 12) des Wälzkörperkäfigs (2) eine Tiefe (S) von ≥ 0,05 bis ≤ 1,5 mm vorgesehen ist.
Wälzkörperkäfig nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Breite (B1) der Aufnahmetaschen (3) des Wälzkörperkäfigs (2) eine Breite (B2) der Schmiertaschen (4, 5) übertrifft.
Wälzkörperkäfig nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweils ein Seitenteil bildenden Führungsborde (11, 12) des Wälzkörperkäfigs (2) außenseitig geschliffen sind.
Wälzkörperkäfig nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wälzkörperkäfig (2) zumindest einlagig beschichtet ist.
Wälzkörperkäfig nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur mehrlagigen Beschichtung des Wälzkörperkäfigs (2) gleiche oder unterschiedliche Beschichtungen vorgesehen sind.
Wälzkörperkäfig nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wälzkörperkäfig (2) M-förmig gestaltete Axialstege (6) aufweist.
Verfahren zur Herstellung eines Wälzkörperkäfigs (2) einer Planetenradlagerung (19) nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Herstellung des Wälzkörperkäfigs (2) folgende Verfahrensschritte vorsieht: – spanlose Herstellung von formgleichen, durch Axialstege (6) voneinander getrennten Aufnahmetaschen (3) für Wälzkörper (17) in einem Blechband (1); – Einformen von längen- und tiefenbegrenzten Schmiertaschen (4, 5) in das Blechband (1), die sich an den abgewandten Endseiten (7, 8) der Aufnahmetaschen (3) anschließen; – beidseitiges Abkanten von seitlichen Bereichen des Blechbandes (1) zur Gestaltung von Führungsborden (11, 12); – Umformen des Blechbandes (1) zu einem zylindrischen Körper und stoffschlüssiges Verbinden von Blechbandenden (13, 14) zur Fertigstellung des Wälzkörperkäfigs (2).
Verfahren zur Herstellung eines Wälzkörperkäfigs (2) einer Planetenradlagerung (19) nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Herstellung des Wälzkörperkäfigs (2) folgende Verfahrensschritte vorsieht: – spanlose Profilierung eines Blechbandes (1), die seitliche Führungsborde (11, 12) und Axialstege (6) für die Wälzkörper (17) einschließt; – Einbringen von formgleichen, durch die Axialstege (6) voneinander getrennten Aufnahmetaschen (3) für die Wälzkörper (17) in das Blechband (1); – Einformen von längen- und tiefenbegrenzten Schmiertaschen (4) in das Blechband (1), die sich an den abgewandten Endseiten der Aufnahmetaschen (3) anschließen und die sich jeweils bis an die Stirnseite der seitlichen Führungsborde (11, 12) erstrecken; – Ablängen und anschließendes Umformen des Blechbandes (1) zu einem zylindrischen Körper, bevor die Blechbandenden (13, 14) stoffschlüssig verbunden werden.