DE102015220013A1

DE102015220013A1 - Lageranordnung

Info

Publication number: DE102015220013A1
Application number: DE102015220013.2A
Authority: DE
Inventors: Peter Hetterich; Rainer Spies
Original assignee: SKF AB
Current assignee: SKF AB
Priority date: 2015-10-15
Filing date: 2015-10-15
Publication date: 2017-04-20

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Lageranordnung (1), umfassend ein Gehäuseelement (2), in dem ein Wellenelement (3) relativ zum Gehäuseelement (2) axial und radial festgelegt mittels eines ersten und zweiten Kegelrollenlagers (4, 5) gelagert ist. Um in einfacher Weise die Vorspannung der Kegelrollenlager gegeneinander einstellen zu können, sieht die Erfindung vor, dass für die Aufnahme des Außenrings (6) des ersten Kegelrollenlagers (4) im Gehäuseelement (2) eine zylindrische Aufnahmebohrung (10) vorhanden ist und dass für die Aufnahme des Innenrings (8) des ersten Kegelrollenlagers (4) im Wellenelement (3) eine zylindrische Sitzfläche (11) vorhanden ist und dass für die Aufnahme des Außenrings (7) des zweiten Kegelrollenlagers (5) im Gehäuseelement (2) eine zylindrische Aufnahmebohrung (12) vorhanden ist und dass für die Aufnahme des Innenrings (9) des zweiten Kegelrollenlagers (5) im Wellenelement (3) eine konische Sitzfläche (13) vorhanden ist, wobei der auf der konischen Sitzfläche (13) sitzende Innenring (9) des zweiten Kegelrollenlagers (5) eine korrespondierende konische Sitzfläche (14) mit dem gleichen Kegelwinkel (α) aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Lageranordnung, umfassend ein Gehäuseelement, in dem ein Wellenelement relativ zum Gehäuseelement axial und radial festgelegt mittels eines ersten Kegelrollenlagers und eines zweiten Kegelrollenlagers drehbar gelagert ist, wobei die beiden Kegelrollenlager je einen Außenring aufweisen, die im oder am Gehäuseelement festgelegt sind, und wobei die beiden Kegelrollenlager je einen Innenring aufweisen, die im oder am Wellenelement festgelegt sind.
Gattungsgemäße Lageranordnungen werden beispielsweise eingesetzt, um eine Getriebewelle in einem Gehäuse zu lagern. Dabei werden die genannten beiden Kegelrollenlager eingesetzt, die zwecks präziser und spielfreier Lagerung des Wellenelements im Gehäuse axial gegeneinander vorgespannt werden.
Die genaue Einstellung der axialen Vorspannung der beiden zusammenwirkenden Kegelrollenlager ist meist sehr aufwändig. Um den diesbezüglichen Aufwand begrenzt zu halten, ist es beispielsweise bekannt, Lagereinheiten einzusetzen, die im Werk des Lagerhersteller präzise vorgespannt und dann vor Ort nur noch eingebaut werden.
Soll indes eine Einstellung der Vorspannung am Einsatzort erfolgen, ist oft ein aufwändiges Abstimmen mit Distanzscheiben nötig. Dies erfordert nachteilig meist spezielle Sachkenntnis.
Beim Einsatz zweier vorgespannter Kegelrollenlager ist es nach dem Stand der Technik bekannt, die beiden Kegelrollenlager-Innenringe auf einer zylindrischen Welle aufzuschieben und anhand der Klemmkraft der Wellenmutter die Vorspannung einzustellen. Diese wird dann mit geeigneten und bekannten Verfahren überprüft (z. B. Push-Pull-Messung). Nachteilig ist es, dass der Lagerinnenring nicht fest sitzt. Demgemäß kommt es für das erreichbare Maß der Vorspannung genau auf die Klemmkraft der Wellenmutter an. Diese Lösung ist daher nicht sehr robust.
Nach einer anderen vorbekannten Lösung wird zwischen die beiden Lagerinnenringe eine präzise gefertigte Zwischenhülse eingebaut, so dass die Wellenmutter hier die Lageranordnung gegen einen Anschlag zieht. Diese Lösung ist daher sehr robust, allerdings sehr aufwändig in der Herstellung und Montage.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gattungsgemäße Lageranordnung so fortzubilden, dass es möglich ist, in einfacherer Weise als bislang die Vorspannung der Kegelrollenlager gegeneinander einstellen zu können.
Die Lösung dieser Aufgabe durch die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass für die Aufnahme des Außenrings des ersten Kegelrollenlagers im oder am Gehäuseelement eine zylindrische Aufnahmebohrung vorhanden ist und dass für die Aufnahme des Innenrings des ersten Kegelrollenlagers im oder am Wellenelement eine zylindrische Sitzfläche vorhanden ist und dass für die Aufnahme des Außenrings des zweiten Kegelrollenlagers im oder am Gehäuseelement eine zylindrische Aufnahmebohrung vorhanden ist und dass für die Aufnahme des Innenrings des zweiten Kegelrollenlagers im oder am Wellenelement eine konische Sitzfläche vorhanden ist, wobei der auf der konischen Sitzfläche sitzende Innenring des zweiten Kegelrollenlagers eine korrespondierende konische Sitzfläche mit dem gleichen Kegelwinkel aufweist.
Der Kegelwinkel liegt dabei bevorzugt zwischen 0,5° und 5,0°, besonders bevorzugt zwischen 1,0° und 2,5°. Typische und bevorzugte Kegelwinkel bzw. Kegelverjüngungen liegen zwischen 1:10 (was einem Winkel von 2° 52‘ entspricht) und 1:30 (was einem Winkel von 0° 57‘ 17‘‘ entspricht).
Der Innenring des zweiten Kegelrollenlagers wird bevorzugt mittels einer Sicherungsmutter auf dem Wellenelement gesichert, wobei die Sicherungsmutter auf einem Gewindeabschnitt des Wellenelements aufgeschraubt ist und an einer Stirnseite des Innenrings anliegt. In diesem Falle kann vorgesehen sein, dass die Sicherungsmutter mit einem Sicherungsmittel versehen ist, mit der sie in einer definierten Winkelposition auf dem Wellenelement festgelegt werden kann. Weiter bietet sich bei dieser Ausgestaltung an, dass die Sicherungsmutter an ihrer vom zweiten Kegelrollenlager abgewandten Stirnseite von einem Wellenflansch kontaktiert wird, der am Wellenelement befestigt ist. Der Wellenflansch ist in diesem Falle bevorzugt mittels einer Zentralschraube am Wellenelement festgelegt.
Eine Fortbildung sieht vor, dass mindestens eine Ölbohrung vorhanden ist, die den Bereich der konischen Sitzfläche des Wellenelements mit einer äußeren Oberfläche des Wellenelements fluidisch verbindet, wobei die mindestens eine Ölbohrung an der konischen Sitzfläche vorzugsweise in einer in Umfangsrichtung umlaufenden Ringnut endet. Damit kann während der Montage ein Ölpolster zwischen der Sitzfläche des Wellenelements und dem Innenring des zweiten Kegelrollenlagers erzeugt werden, das Stick-Slip-Effekte verhindert.
Zwischen dem Außenring des ersten Kegelrollenlagers und dem Gehäuseelement kann eine in axiale Richtung wirkende Distanzscheibe angeordnet sein. Diese Distanz- bzw. Pass-Scheibe dient primär der axialen Einstellung der Kegelverzahnung. Da das Kegelrad auf die nominale Bauhöhe des einen (linken) Lagers abgestimmt ist, wird durch die Verzahnungseinstellung auch die Bauhöhentoleranz des einen (linken) Lagers korrigiert.
Das Wellenelement ist nach einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung eine Welle, die an ihrem einen axialen Ende eine Verzahnung trägt, insbesondere eine Kegelradverzahnung. Bei Kegelradgetrieben ist die axiale Position der Kegelräder für ein geräusch- und reibungsarmes Laufverhalten wichtig. Ferner wird durch vorgespannte Lagerungen die Position eines Kegelrades im Betrieb annähernd unverändert gehalten.
Die beiden Kegelrollenlager sind dabei bevorzugt in O-Anordnung arrangiert. Bei der X-Anordnung würde die Anstellung analog am Außenring erfolgen.
Mit der vorgeschlagenen Lösung wird es möglich, die axiale und auch radiale Vorspannung der beiden zusammenwirkenden Kegelrollenlager durch Verschraubung des einen Lagerrings mit der Welle einzustellen. Es sind hierzu also keine fertig montierten Einheiten mehr nötig. Weiterhin kann auf aufwändige Abstimmscheiben verzichtet werden, so dass die Vorspannung in einfacherer Weise und mit weniger Know-How erfolgen kann. Die Einstellung kann dabei vom Anwender selber nach einer wenig aufwändigen Schulung vorgenommen werden.
Die vorgeschlagene Lösung kann generell überall dort eingesetzt werden, wo zwei zusammenwirkende Kegelrollenlager zum Einsatz kommen. Ein bevorzugter Einsatzbereich ist dabei der Kfz-Sektor, wo beispielsweise Ritzelwellen in (Hinterachs-)Getrieben entsprechend gelagert werden.
Die vorgeschlagene Lösung erlaubt in einfacher Weise das präzise Anstellen insbesondere von Ritzel-Lagerungen.
Der Vergleich mit den vorbekannten Lösungen nach dem Stand der Technik ergibt folgendes: Bei einer entsprechenden Anstellung des zweiten Kegelrollenlagers mit zylindrischen Bohrungen bzw. Sitzen ist der Innenring axial nicht in beiden Richtungen fixiert. Um das Einstellen zu erleichtern, wird man in diesem Falle daher eine Übergangspassung wählen. Bei der vorgeschlagenen erfindungsgemäßen Lösung mit kegeliger Bohrung ist der Innenring des zweiten Kegelrollenlagers indes in einer Richtung über den Kegel und der anderen Richtung die Sicherungsmutter fixiert. Bei entsprechender Auslegung der Maße hat damit der Innenring stets einen festen Sitz auf dem kegeligen Abschnitt des Wellenelements.
Die vorliegende Erfindung stellt im Lichte der oben genannten vorbekannten Lösungen einen guten Kompromiss bereit: Hier ist eine Kegelrollenlagerung vorgesehen, wobei ein Lager am Innenringsitz des angestellten Lagers eine konische Bohrung aufweist. Hiermit ist ein strammer Presssitz gegeben, der durch den Wellenkegel gesichert ist, was eine Positionssicherung des Innenrings am angestellten Lager gewährleistet (in die eine Richtung durch den konischen Wellenabschnitt, in die andere Richtung durch die Wellenmutter). Der Montageaufwand sowie die Qualität der Lagerung sind günstig.
Die Qualität der Lagerung definiert sich daraus, wie präzise die Vorspannung eingestellt werden kann und wie fest die Lagerringe auf der Welle und im Gehäuse befestigt werden können. Deshalb eignet sich die vorgeschlagene Lösung besonders gut als Kompromiss im Vergleich zu den genannten vorbekannten Lösungen.
In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Es zeigen:
1 den Radialschnitt durch eine Lageranordnung, bei der ein Wellenelement in Form einer Kegelradgetriebe-Ritzelwelle in einem Gehäuse gelagert ist, gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung und
2 in der Darstellung nach 1 eine alternative zweite Ausführungsform der Erfindung.
1 zeigt einen Radialschnitt durch eine Lageranordnung, bei der ein Wellenelement in Form einer Kegelradgetriebe-Ritzelwelle in einem Gehäuse gelagert ist. In 1 ist eine Lageranordnung 1 skizziert, die ein Gehäuseelement 2 umfasst, in dem ein Wellenelement 3 gelagert ist. Das Wellenelement 3 ist hier als Ritzelwelle ausgebildet und hat an seinem einen axialen Ende eine Kegelradverzahnung 23. Am anderen axialen Ende des Wellenelements 3 ist ein Verbindungsbauteil angeordnet, das als Wellenflansch 18 ausgebildet ist, mit dem die Verbindung mit einem angrenzenden Bauteil möglich ist.
Die Lagerung des Wellenelements 3 im Gehäuseelement 2 erfolgt mit zwei Kegelrollenlagern 4 und 5, die gegeneinander axial vorgespannt sind. Durch die vorhandenen kegelförmigen Laufbahnen für die Kegelrollen wirkt eine axiale Vorspannung natürlich auch radial.
Jedes Kegelrollenlager 4, 5 hat einen Außenring 6 bzw. 7 und einen Innenring 8 bzw. 9, zwischen denen je ein Satz Kegelrollen angeordnet ist. Im Ausführungsbeispiel sind die beiden Kegelrollenlager 4, 5 in O-Anordnung positioniert.
Für die beiden Kegelrollenlager 4, 5 und namentlich für deren Außenringe 6, 7 sind im Gehäuseelement 2 jeweilige zylindrische Aufnahmebohrungen 10 bzw. 12 vorhanden. Auf dem Wellenelement 3 ist für den Innenring 8 des ersten Kegelrollenlagers 4 gleichermaßen eine zylindrische Sitzfläche 11 vorhanden.
Wesentlich ist nun, dass für die Aufnahme des Innenrings 9 des zweiten Kegelrollenlagers 5 auf dem Wellenelement 3 eine konische Sitzfläche 13 vorhanden ist. Dabei weist der auf der konischen Sitzfläche 13 sitzende Innenring 9 des zweiten Kegelrollenlagers 5 eine korrespondierende konische Sitzfläche 14 auf. Die konische Sitzfläche 13 ist dabei direkt in das Wellenelement 3 eingearbeitet. Der Kegelwinkel α der konischen Sitzfläche 13 und der konischen Sitzfläche 14 sind dabei gleich.
Das der Verzahnung 23 zugewandte erste Kegelrollenlager 4 ist also klassisch ausgebildet, wobei die genaue axiale Positionierung des Wellenelements 3 im Gehäuseelement 2 mittels einer Distanzscheibe 22 eingestellt wird, die an einer axialen Anlagefläche des Gehäuseelements 2 anliegt und so den Außenring 6 des ersten Kegelrollenlagers 4 in seiner axialen Position festlegt.
Indes ist für die Festlegung des Innenrings 9 des zweiten (rechten) Kegelrollenlagers 5 die genannte andere Ausgestaltung vorgesehen.
Die Festlegung des Innenrings 9 auf dem Wellenelement 3 erfolgt mit einer Sicherungsmutter 15, die auf einen Gewindeabschnitt 16 aufgeschraubt ist. In bekannter Weise wird die Sicherungsmutter 15 durch ein Sicherungsmittel 17 gegen Verdrehen gesichert. Das Festlegen kann natürlich auch erfolgen, indem Wellenmuttern mit anderen Sicherungsmitteln verwendet werden.
Damit die eingestellte Vorspannung in den beiden Kegelrollenlagern allerdings zuverlässig gehalten werden kann, ist der Wellenflansch 18 so ausgebildet, dass er mit seiner einen (linken) Stirnseite gegen die eine Stirnseite der Sicherungsmutter 15 drückt, wenn er, wie dargestellt, durch eine Zentralschraube 19 am Wellenelement 3 fixiert ist. Der Wellenflansch 18 ist also gegen die Sicherungsmutter 15 verspannt.
Beim Aufpressen des Innenring-Rollensatzes kann sich ein Slip-Stick Effekt ergeben. Dies kann dadurch verhindert werden, dass die Innenringbohrung hydraulisch „angehoben“ wird. Dies erfolgt – wie in 2 zu sehen – dadurch, dass eine Ringnut 21 in den Bereich der konischen Sitzfläche 13 eingearbeitet ist, die fluidisch mit einer Ölbohrung 20 in Verbindung steht. Aus dem Bereich des (rechten) axialen Endes des Wellenelements 3 kann damit Drucköl über die Ölbohrung 20 in die Ringnut 21 eingegeben werden. Wie zu erkennen, besteht die Bohrung 20 aus einem zentralen Bohrungsabschnitt mit zwei Querbohrungen, über die die Ringnut 21 mit Öl beaufschlagt werden kann.
Für ein gutes Ergebnis bei der Einstellung der Vorspannung ist es vorteilhaft, dass die Spannungsverhältnisse im Innenring nach dem Einstellen in einem günstigen Bereich liegen.
Als Beispiel hierfür sei der dargestellte Aufbau einer Lagereinheit angeführt. Es geht hier um eine Ritzelwelle für ein Differentialgetriebe. Vorgesehen sind zwei Kegelrollenlager 4, 5 in O-Anordnung. Beim linken Kegelrollenlager 4 handelt es sich um ein Standard-Kegelrollenlager. Das rechte Kegelrollenlager 5, welches zum Anstellen verwendet wird, hat die kegelige Bohrung 14 und sitzt auf dem kegeligen Wellenabschnitt 13. Wesentlich ist hierbei, dass die Länge des Wellenabschnittes „SL“ (siehe 1) richtig definiert wird.
Als Beispiel sei hierzu folgendes angegeben:
Bei einer Länge von SL = 133,425 mm hat man mit all den relevanten Toleranzen für Lager, Welle, Gehäuse, etc. nach dem Aufschieben des Innenring-Rollensatzes bis zur spannungsfreien Anlage am Wellenkegel eine Lagerluft „b“ zwischen 0,200 und 0,490 mm. Presst man nun den Innenring zwischen 0,191 und 0,354 mm weiter auf, ergibt sich eine Montagevorspannung von 0,100 mm. Dieser verkürzte Aufpress-Weg kommt dadurch zustande, dass beim Aufschieben des Innenringes 9 dieser aufgrund der kegeligen Bohrung auch radial wächst. Es wurde im Ausführungsbeispiel ein Kegel mit einem Kegelverhältnis von 1:12 vorgesehen. Danach hat der Innenring 9 eine Vergleichsspannung zwischen 34,6 und 74,4 MPa, was im vorteilhaften Bereich liegt. Man könnte den Innenringsitz noch fester gestalten, indem man die Dimension „SL“ vergrößert und somit ein größeres Spiel nach dem Aufschieben des Innenringes 9 bekommt. In diesem Fall muss der Innenring dann noch stärker aufgepresst werden, um die gewünschte Vorspannung zu erhalten.
Das Maß SL berechnet sich aus der gesamten Toleranzkette aller Umgebungsbauteile sowie der Lagertoleranzen. SL muss so definiert werden, dass bei Erreichen der Nominal-Lagervorspannung die Vergleichsspannung im Innenring in einem vernünftigen Bereich liegt.
Bei der Montage der Lageranordnung wird so vorgegangen, dass das Aufschieben des Innenrings bis zur spannungsfreien Anlage auf der Welle erfolgt.
Dann erfolgt ein weiteres Aufschieben des Innenrings bis zur gewünschten Nominal-Vorspannung. Dabei wird immer wieder während des Aufschiebens die Vorspannung mittels Reibungsmessung, Push-Pull oder anderer geeigneter Methoden überprüft.
Bezugszeichenliste

1: Lageranordnung
2: Gehäuseelement
3: Wellenelement
4: erstes Kegelrollenlager
5: zweites Kegelrollenlager
6: Außenring
7: Außenring
8: Innenring
9: Innenring
10: zylindrische Aufnahmebohrung
11: zylindrische Sitzfläche
12: zylindrische Aufnahmebohrung
13: konische Sitzfläche der Welle
14: konische Sitzfläche des Innenrings
15: Sicherungsmutter
16: Gewindeabschnitt
17: Sicherungsmittel
18: Wellenflansch
19: Zentralschraube
20: Ölbohrung
21: Ringnut
22: Distanzscheibe
23: Verzahnung (Kegelradverzahnung)
a: axiale Richtung
α: Kegelwinkel

Claims

Lageranordnung (1), umfassend ein Gehäuseelement (2), in dem ein Wellenelement (3) relativ zum Gehäuseelement (2) axial und radial festgelegt mittels eines ersten Kegelrollenlagers (4) und eines zweiten Kegelrollenlagers (5) drehbar gelagert ist, wobei die beiden Kegelrollenlager (4, 5) je einen Außenring (6, 7) aufweisen, die im oder am Gehäuseelement (2) festgelegt sind, und wobei die beiden Kegelrollenlager (4, 5) je einen Innenring (8, 9) aufweisen, die im oder am Wellenelement (3) festgelegt sind, dadurch gekennzeichnet, dass für die Aufnahme des Außenrings (6) des ersten Kegelrollenlagers (4) im oder am Gehäuseelement (2) eine zylindrische Aufnahmebohrung (10) vorhanden ist und dass für die Aufnahme des Innenrings (8) des ersten Kegelrollenlagers (4) im oder am Wellenelement (3) eine zylindrische Sitzfläche (11) vorhanden ist und dass für die Aufnahme des Außenrings (7) des zweiten Kegelrollenlagers (5) im oder am Gehäuseelement (2) eine zylindrische Aufnahmebohrung (12) vorhanden ist und dass für die Aufnahme des Innenrings (9) des zweiten Kegelrollenlagers (5) im oder am Wellenelement (3) eine konische Sitzfläche (13) vorhanden ist, wobei der auf der konischen Sitzfläche (13) sitzende Innenring (9) des zweiten Kegelrollenlagers (5) eine korrespondierende konische Sitzfläche (14) mit dem gleichen Kegelwinkel (α) aufweist.
Lageranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kegelwinkel (α) zwischen 0,5° und 5,0° beträgt, vorzugsweise zwischen 1,0° und 2,5°.
Lageranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenring (9) des zweiten Kegelrollenlagers (5) mittels einer Sicherungsmutter (15) auf dem Wellenelement (3) gesichert ist, wobei die Sicherungsmutter (15) auf einem Gewindeabschnitt (16) des Wellenelements (3) aufgeschraubt ist und an einer Stirnseite des Innenrings (9) anliegt.
Lageranordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Sicherungsmutter (15) mit einem Sicherungsmittel (17) versehen ist, mit der sie in einer definierten Winkelposition auf dem Wellenelement (3) festgelegt werden kann.
Lageranordnung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Sicherungsmutter (15) an ihrer vom zweiten Kegelrollenlager (5) abgewandten Stirnseite von einem Wellenflansch (18) kontaktiert wird, der am Wellenelement (3) befestigt ist.
Lageranordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Wellenflansch (18) mittels einer Zentralschraube (19) am Wellenelement (3) festgelegt ist.
Lageranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Ölbohrung (20) vorhanden ist, die den Bereich der konischen Sitzfläche (13) des Wellenelements (3) mit einer äußeren Oberfläche des Wellenelements (3) fluidisch verbindet, wobei die mindestens eine Ölbohrung (20) an der konischen Sitzfläche (13) vorzugsweise in einer in Umfangsrichtung umlaufenden Ringnut (21) endet.
Lageranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Außenring (6) des ersten Kegelrollenlagers (4) und dem Gehäuseelement (2) eine in axiale Richtung (a) wirkende Distanzscheibe (22) angeordnet ist.
Lageranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Kegelrollenlager (4, 5) in O-Anordnung angeordnet sind.
Lageranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Wellenelement (3) eine Welle ist, die an ihrem einen axialen Ende eine Verzahnung (23) trägt, insbesondere eine Kegelradverzahnung.