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Die Erfindung betrifft ein Getriebelager, ausgeführt als ein Radiallager, das als Hohlrollen ausgebildete Wälzkörper umfasst und das zur Lagerung einer Welle bestimmt ist. Die mit einer zentralen Längsbohrung ausgebildeten Hohlrollen des Getriebelagers sind in einem Wälzkörperkäfig eingesetzt und zwischen einem inneren Lagerring und einem äußeren Lagerring geführt.
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Aus dem Stand der Technik sind als Radiallager aufgebaute Wälzlager mit Hohlrollen bekannt, die zumindest teilweise massive Zylinderrollen ersetzen. Diese elastisch ausgeführten Hohlrollen werden insbesondere zum Ausgleich eines Radialspiels des Wälzlagers eingesetzt.
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Aus dem Dokument
US 3 410 618 A ist ein Radiallager bekannt, das Hohlrollen als Wälzkörper umfasst. Zur Vermeidung eines Radialspiels sind die Hohlrollen zwischen den Führungsflächen des inneren und des äußeren Lagerrings vorgespannt eingebaut.
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Die
DE 29 18 601 A zeigt eine auch als Pilotlager bezeichnete Wälzlagereinheit für ein Zahnräderwechselgetriebe von einem Kraftfahrzeug, die ein Zylinderrollenlager sowie ein Kugellager einschließt. Die dabei in Wälzkörperkäfigen geführten Wälzkörper der einzelnen Lager schließen Taschen mit voneinander abweichenden Radialabmessungen ein. Zur Erzielung eines vorgespannten Einbaus übertrifft der Durchmesser der in den Taschen geführten Wälzkörper den Durchmesser der übrigen Wälzkörper.
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Ein weiteres, wenigstens eine elastische Rolle aufweisendes, spielfreies Rollenlager offenbart die
DE 10 2012 207 073 A1 , wobei die elastische Rolle im Vergleich zu den weiteren Wälzkörpern einen größeren Durchmesser besitzt. Die elastischen Rollen sind aus einem Werkstoff mit einem geringeren Elastizitätsmodul hergestellt oder weisen eine elastisch federnde und nachgiebige Form bzw. Struktur auf. Bei der Montage sind die elastischen Rollen zwischen den Laufbahnen von Lagerringen eingespannt. Da der Durchmesser der elastischen Rollen geringfügig größer ist, tragen die übrigen Rollen bei einer Belastung erst dann, wenn die elastischen Rollen auf das radiale Maß, den Durchmesser der anderen Rollen eingefedert sind.
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Eine Losradlagerung mit einem spielfrei vorgespannten Radiallager zeigt die
DE 197 34 980 A1 . Als Wälzkörper sind hohle Rollen, sogenannte Tunnelrollen, vorgesehen, deren Durchmesser geringfügig größer ist als der Durchmesser der anderen Rollen, so dass diese ein radiales Lagerspiel überbrücken. Die Rollen sind elastisch ausgebildet und radial zwischen die Wälzlaufbahnen der Losradlagerung gespannt.
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Die
EP 2 551 537 A1 zeigt eine Losradlagerung für ein Kraftfahrzeuggetriebe, die ein spielfreies Axiallager mit mindestens einer Tunnelrolle vorsieht. Die Tunnelrolle ist mit einem in seinem Verlauf unter einem Winkel geneigten Längsschlitz versehen und besitzt einen größeren Außendurchmesser als die übrigen Wälzkörper.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein gewichtsoptimiertes Getriebelager zu schaffen, dessen Aufbau außerdem die Kühlung wie auch die Schmierung des Getriebelagers verbessert. Die dazu vorgesehenen Maßnahmen sollen einfach und kostengünstig durchführbar sein.
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Diese Aufgabestellung wird gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst, indem zur Erreichung einer ausreichenden Schmiermittelbeaufschlagung der Hohlrolle in dem Getriebelager zumindest ein Käfigbord mit oder ohne eine Öffnung so gestaltet ist, dass dieser im Einbauzustand maximal 55% von einem Durchtrittquerschnitt der Längsbohrung der Hohlrolle überdeckt. Vorteilhaft weist der Wälzlagerkäfig auf beiden Seiten der Hohlrolle übereinstimmend ausgebildete Käfigborde auf.
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Erfindungsgemäß werden die Wälzkörper eines Standardlagers durch Hohlrollen ersetzt, die eine zentrale Bohrung entlang der Hohlrollenlängsachse aufweisen. Dabei sind die schlitzlosen Hohlrollen gemäß der Erfindung im Einbauzustand nicht vorgespannt, sondern wie bisherige übliche massive Wälzkörper mit einem standardmäßigen Radialspiel eingebaut. Weiterhin bilden die beabstandeten, mittels Axialstegen verbundenen Käfigborde des Wälzkörperkäfigs wie bisher jeweils eine Axialführung für die Hohlrollen. Zur Gewährleistung einer ausreichenden Schmiermittelbeaufschlagung sieht das erfindungsgemäße Konzept ein definiertes Verhältnis zwischen dem Durchtrittquerschnitt der Hohlrollenlängsbohrung und einer durch die Gestaltung des Käfigbordes bedingten stirnseitigen Abdeckung der Längsbohrung in der Hohlrolle vor.
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Damit kann ein gewünschter Schmiermittel- bzw. Ölstrom durch die als Hohlrolle ausgebildeten Wälzkörper verbessert bzw. gesteigert werden. Gleichzeitig werden durch die Erfindung im Betriebszustand alle unmittelbar in Wirkverbindung stehenden Bauteile des Getriebelagers optimal mit Schmiermittel beaufschlagt, wodurch sich die Schmierung und folglich die Reibung des erfindungsgemäßen Getriebelagers entscheidend verbessert. Außerdem bewirkt ein sich einstellender Ölstrom durch die Hohlrollen eine gesteigerte Wärmeabfuhr aufgrund der vergrößerten, mit Öl beaufschlagten Fläche, wodurch sich das Kühlverhalten des gesamten Getriebelagers verbessert, was sich gleichzeitig positiv auf dessen Lebensdauer auswirkt.
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Durch die Verwendung von Hohlrollen bildet das Getriebelager gleichzeitig ein Schmierstoffreservoir, indem sich beispielsweise Feststoffe des Schmierstoffs, insbesondere des Öls, in den Hohlrollen einlagern können. Die Hohlrolle bietet somit Notlaufeigenschaften und einen Schutz vor einer Mangelschmierung.
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Vorteilhaft sind die erfindungsgemäßen Maßnahmen, die Gestaltung der Wälzkörper als Hohlrollen sowie des Wälzkörperkäfigs mit Öffnungen in den Käfigborden einfach und kostengünstig herstellbar.
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Das erfindungsgemäße Konzept, das die Verwendung von gewichtsreduzierten Bauteilen, den Hohlrollen sowie den mit Öffnungen versehenen Käfigborden einschließt, ermöglicht die Realisierung eines gewünschten gewichtsoptimierten Getriebelagers. Gleichzeitig führt ein solches Getriebelager zu einer vorteilhaften erhöhten Lagerdynamik sowie einer verbesserten CO2 Bilanz des Fahrzeugs. Das gemäß der Erfindung ausgeführte Getriebelager ist bevorzugt zur Lagerung von Getriebewellen, wie beispielsweise Antriebs,- Trieb,- Seiten,- Achs- oder Stützwellen, vorgesehen, die insbesondere in Getrieben, wie Schalt-, Automatik- und Planetengetrieben, eingesetzt sind. Dabei ist das erfindungsgemäße Getriebelager vorzugsweise als Nadel,- Zylinderrollen- oder als Kegelrollenlager aufgebaut.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, bisher spangebend hergestellte Komponenten des als Radiallager aufgebauten Getriebelagers durch spanlos hergestellte Bauteile mit möglichst geringer Wandstärke zu ersetzen. Dazu bietet es sich an, wenigstens einen Lagerring mit reduzierter Wanddicke gemeinsam mit den Hohlrollen und dem erfindungsgemäß gestalteten Wälzkörperkäfig zur Realisierung einer weiteren Gewichtsoptimierung des Getriebelagers zu kombinieren. Bevorzugt sind sowohl der innere als auch der äußere Lagerring wanddickenreduziert als ein Umformteil ausgeführt, die vorzugsweise mittels eines Ziehverfahrens kostengünstig spanlos herstellbar sind.
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Ferner sieht das erfindungsgemäße Konzept vor, die Hohlrollen in einem aus Kunststoff hergestellten Wälzkörperkäfig anzuordnen. Als geeigneter Kunststoff, der alle Anforderungen hinsichtlich Festigkeit, Temperaturen sowie Medieneigenschaft erfüllt, bieten sich bevorzugt Polyamide (PA) an. Eine Kombination des gemäß der Erfindung aus Kunststoff gefertigten Wälzkörperkäfigs mit den spanlos hergestellten Lagerringen geringer Wandstärke sowie den Hohlrollen als Wälzkörper führt zu einem optimal gewichtsreduzierten Getriebelager.
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Das Getriebelager gemäß der Erfindung kann vorteilhaft für eine Losradlagerung in einem beispielsweise für Kraftfahrzeuge bestimmten Getriebe eingesetzt werden. Losradlager sind Wälzlagerungen, mit denen Losräder gegenüber einer Welle drehbar radial gelagert sind. Losradlagerungen rotieren nahezu lastfrei, wenn die Losräder ohne Drehmomentübertragung auf der Getriebewelle rotierend mitgeschleppt werden. Andererseits nehmen die Losräder nahezu still stehend hohe Lasten auf, wenn das jeweilige Zahnrad mit der Getriebewelle gekuppelt ist.
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Weiterhin ist das erfindungsgemäße Konzept mit einem als Kurbelzapfenkäfig (KZK) ausgeführten Wälzlagerkäfig kombinierbar. Derartige, bevorzugt aus einem metallischen Werkstoff hergestellte Wälzkörperkäfige sind außen, insbesondere an innenzylindrischen Führungsflächen, sogenannten Führungsborden, von äußeren Lagerringen des Getriebelagers geführt. Diese Wälzlagerkäfige sind für Anwendungen geeignet, bei denen die Käfige hohen Fliehkräften (G-Kräften) ausgesetzt sind. Das sind beispielsweise Wälzlager zur Lagerung von Pleueln auf Kurbelzapfen oder Lagerungen von Planetenrädern in Planetengetrieben. Die Fliehkräfte entstehen dadurch, dass die Wälzlager nicht nur selbst rotieren, sondern auch auf einer Umlaufbahn um eine Rotationsachse umlaufen. Im Betriebszustand bei hohen Drehzahlen des Getriebelagers stellt sich bei derartigen Lagerungen eine Spannungen erzeugende Belastung in dem die Käfigborde verbindenden axialen Steg des Wälzkörperkäfigs ein. Abhängig von den G-Kräften können die auftretenden Spannungen zu einem Stegbruch führen. Durch die Verwendung von Hohlrollen anstelle der Massivrollen verringert sich die Masse und somit die den Steg belastende Kraft (m x g). Folglich sind Kurbelzapfenkäfige (KZK) in Verbindung mit dem erfindungsgemäßen Konzept auch für Anwendungen mit höheren G-Kräften geeignet. Als Maßnahme, zur Erzielung eines verschleißfesten Kurbelzapfenkäfigs, kann eine gezielte Oberflächenbehandlung vorgesehen werden, wozu sich insbesondere ein Kugelstrahlen eignet.
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Eine bevorzugte konstruktive Auslegung sieht eine Öffnung im Käfigbord vor, wobei ein Durchtrittquerschnitt oder eine Querschnittsfläche der Öffnung ≥ 20% von dem Durchtrittquerschnitt der Längsbohrung in der Hohlrolle entspricht.
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Vorteilhaft ist die Öffnung zentrisch zu der Längsbohrung im Käfigbord eingebracht. Zumindest besteht jeweils eine partielle Lageübereinstimmung zwischen der zentralen Längsbohrung der Hohlrolle und einer Öffnung im Käfigbord. Als Öffnung eignet sich bevorzugt eine Bohrung, wobei eine erforderliche Durchströmöffnung auch mittels mehrerer Bohrungen erreichbar ist. Über die Öffnung in Verbindung mit einem beispielsweise als Steg ausgebildeten Käfigbord ist jeweils eine für die Schmierung und Kühlung des Getriebelagers ausreichende Ölströmung in die Längsbohrung der Hohlrollen erreichbar.
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Ferner sind zur weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Konzeptes jeder Öffnung von wenigstens einem Käfigbord des Wälzkörperkäfigs Umlenknasen zugeordnet. Mit dieser Maßnahme kann ein die Längsbohrung der Hohlrollen passierender Ölstrom verstärkt werden. Bei Bedarf, abhängig von der sich einstellenden Strömungsrichtung des Öls im Betriebszustand, können beide Käfigborde mit gleich oder entgegengesetzt ausgerichteten Umlenknasen versehen werden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist weiterhin vorgesehen, dass der Innendurchmesser (D1) der Hohlrollen in einem Bereich zwischen 60% bis 80% von dem Außendurchmesser (D2) beträgt. Mit dieser Auslegung kann ein Optimum geschaffen werden, um einerseits eine gewichtsreduzierte Hohlrolle zu schaffen, die andererseits eine ausreichende Dauerfestigkeit aufweist. Außerdem ermöglicht dieser Auslegungsbereich, die Tragzahl des Getriebelagers zu beeinflussen bzw. zu variieren.
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Für die Hohlrolle des erfindungsgemäßen Getriebelagers ist vorzugsweise ein Wälzlagerstahl, wie beispielsweise 80Cr2 oder 100CrMn6, vorgesehen. Weiterhin besteht die Möglichkeit Hohlrollen einzusetzen, die aus einem Einsatzstahl, wie beispielsweise 17MnCr5 oder 20NiCrMo7, hergestellt sind.
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Eine weitere Maßnahme der Erfindung ist abgestellt auf die Realisierung einer verschleißfesten und dauerfesten, aus einem Wälzlagerstahl oder Einsatzstahl hergestellten Hohlrolle, die insbesondere eine hohe Überrollfestigkeit aufweist. Zur Erzielung einer ausreichenden Härte in der äußeren Mantelfläche kann die Hohlrolle durch einen Wärmebehandlungsprozess, beispielsweise Induktionshärten, Einsatzhärten oder Carbonitrieren, der inneren und äußeren Mantelfläche behandelt werden. Alternativ oder ergänzend dazu bietet sich an, ein Kugelstrahlen oder ein Hartfestwalzen als Oberflächenbearbeitung bzw. Oberflächenbehandlung vorzusehen.
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Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Figuren, in denen zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt sind, wobei sich die Erfindung nicht auf diese Ausführungsbeispiele beschränkt. Dabei zeigt:
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1 eine Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Getriebelagers, eingebaut in einem Getriebegehäuse;
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2 ein Getriebelager als Einzelteil in einer Schnittansicht; und
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3 einen Ausschnitt eines Getriebelagers, der insbesondere den Aufbau des Wälzkörperkäfigs verdeutlicht.
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Die 1 zeigt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen, als Radiallager aufgebauten Getriebelagers 1, das in einem Gehäuse 2, beispielsweise einem in 1 nicht gezeigten Getriebe, eingebaut ist. Dabei ist ein äußerer Lagerring 3 des Getriebelagers 1 in einer Aufnahme 4 des Gehäuses 2 eingepasst und axial an einer Schulter 5 abgestützt. Ein innerer Lagerring 6 umschließt kraftschlüssig eine Welle 7, auf der beispielsweise ein Zahnrad (nicht gezeigt) positioniert ist. Zwischen den Lagerringen 3, 6 sind mit einem üblichen Radialspiel als Hohlrollen 8 gestaltete Wälzkörper geführt, die in einem Wälzkörperkä9 beabstandet zueinander umfangsverteilt angeordnet sind. Der Wälzkörperkä9 schließt zwei durch einen Steg (nicht gezeigt) verbundene versetzte Käfigborde 10, 11 ein, an denen die Hohlrollen 8 beidseitig geführt sind, wobei die Käfigborde 10, 11 von einem Bord 12, 13 des äußeren Lagerrings 3 umschlossen sind. In jede relativ dünnwandige Hohlrolle 8 des Getriebelagers 1 ist eine Längsbohrung 14 eingebracht, die jeweils mit einer Öffnung 15, 16 im Käfigbord 10, 11 des Wälzkörperkä9 korrespondiert. Im Betriebszustand des Getriebes bei umlaufender Welle 7 kann zur Verbesserung der Schmierung und der Kühlung des Getriebelagers 1 Schmiermittel, insbesondere Öl, über die Öffnungen 15, 16 in die Längsbohrung 14 einströmen.
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Die 2 zeigt das Getriebelager 21 als Einzelteil in einer Schnittdarstellung, die weiter konstruktive Details der Erfindung verdeutlicht. Als Maßnahme zur Gewichtsoptimierung schließt das Getriebelager 21 wanddickenreduzierte Lagerringe 23, 26 ein, wobei der äußere Lagerring 23 im Vergleich zu 1 verkürzte Borde 32, 33 aufweist. Die dünnwandig ausgeführten Hohlrollen 28 weisen einen Innendurchmesser D1 auf, der in einem Bereich zwischen 60% bis 80% des Außendurchmessers D2 der Hohlrollen 28 ausgelegt ist. Zur Erzielung einer ausreichenden Schmiermittelströmung durch das Getriebelager 21 entspricht ein Durchtrittquerschnitt D3 der Öffnung 35, 36 im Käfigbord 30, 31 des Wälzkörperkä29 ≥ 20% des Durchtrittquerschnittes der Längsbohrung 34 in der Hohlrolle 28. Der Käfigbord 31 des Wälzlagerkä29 bildet jeweils im Bereich der Öffnungen 36 eine Umlenknase 22, die im Betriebszustand dazu vorgesehen ist, einen vergrößerten Teilstrom des Schmieröls gezielt in die Öffnung 36 und anschließend in die Längsbohrung 34 zu leiten.
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In der 3 ist ein Ausschnitt des als Kurbelzapfenkäfig (KZK) ausgebildeten Wälzkörperkä29 von dem Getriebelager 21 gezeigt, der beispielsweise für eine Planetenradlagerung in einem Planetenträger (nicht gezeigt) eines Planetengetriebes vorgesehen ist. Im Einbauzustand ist der Wälzkörperkä29 über die Seitenteile bildende Käfigborde 30, 31 außenseitig an einem Lagerring (nicht gezeigt) geführt. Zur exakten Außenführung bietet es sich an, die Käfigborde 30, 31 außenseitig zu schleifen. Durch eine Beschichtung des Wälzkörperkä29 können weiterhin die Notlaufeigenschaften verbessert werden. Die Ansicht gemäß 3 verdeutlicht weitere Einzelheiten des Wälzkörperkä29, wie einen M-förmig gestalteten Axialsteg 27, über den im Einbauzustand des Getriebelagers 21 die als Hohlrolle 28 ausgeführten Wälzkörper formschlüssig gehalten sind. Weiterhin zeigt 3 eine zentrische Ausrichtung der Öffnungen 35, 36 in den Käfigborden 30, 31 gegenüber der Längsbohrung 34 in den Hohlrollen 28.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Getriebelager
- 2
- Gehäuse
- 3
- Lagerring (außen)
- 4
- Aufnahme
- 5
- Schulter
- 6
- Lagerring (innen)
- 7
- Welle
- 8
- Hohlrolle
- 9
- Wälzkörperkäfig
- 10
- Käfigbord
- 11
- Käfigbord
- 12
- Bord
- 13
- Bord
- 14
- Längsbohrung
- 15
- Öffnung
- 16
- Öffnung
- 21
- Getriebelager
- 22
- Umlenknase
- 23
- Lagerring (außen)
- 26
- Lagerring (innen)
- 27
- Axialsteg
- 28
- Hohlrolle
- 29
- Wälzkörperkäfig
- 30
- Käfigbord
- 31
- Käfigbord
- 32
- Bord
- 33
- Bord
- 34
- Längsbohrung
- 35
- Öffnung
- 36
- Öffnung
- D1
- Innendurchmesser (Hohlrolle)
- D2
- Außendurchmesser (Hohlrolle)
- D3
- Öffnung (Käfigbord)
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 3410618 A [0003]
- DE 2918601 A [0004]
- DE 102012207073 A1 [0005]
- DE 19734980 A1 [0006]
- EP 2551537 A1 [0007]
