DE102016202935A1

DE102016202935A1 - Reibungsarmes Kegelrollenlager

Info

Publication number: DE102016202935A1
Application number: DE102016202935.5A
Authority: DE
Inventors: Erwin Treu; Gabriele Hofmann
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2016-02-25
Filing date: 2016-02-25
Publication date: 2017-08-31

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Kegelrollenlager (1), mit einem radial äußeren Lagering (2) und einem radial inneren Lagering (4), die koaxial zueinander angeordnet sind und bei denen der äußere Lagerring (2) radial über dem inneren Lagerring (4) angeordnet ist, bei dem zwischen den beiden Lagerringen in einem Käfig (9) geführte Kegelrollen (8) angeordnet sind, bei dem die Kegelrollen (8) auf einer Laufbahn (3) des äußeren Lagerrings (2) und einer Laufbahn (5) des inneren Lagerrings (4) abrollen, bei dem einer der beiden Lagerringe wenigstens einem durchmessergroßen Bord (6) zur Ausleitung von Axialkräften aus den Kegelrollen (8) aufweist, und bei dem die Laufbahn (5) des inneren Lagerrings (4) eine ballige Geometrie aufweist. Um die maximale Gebrauchsdauer und die Reibung im Vergleich zu Kegelrollenlagern mit balliger Laufbahn wenigstens beizubehalten und um die im Bereich des großen Bordes (6) auftretenden Kantenspannungen bei hoher Belastung zu vermindern, ist vorgesehen, dass die Laufbahn (5) des inneren Lagerrings (4) ein Grundprofil (GP) mit einem ersten Profilradius (R1) aufweist, dass sich das Grundprofil (GP) mit dem ersten Profilradius (R1) über eine erste Länge (L2) von 0,6 bis 0,85 der Gesamtlänge (L1) der Laufbahn (5) des inneren Lagerrings (4) erstreckt, und dass die Laufbahn (5) des inneren Lagerrings (4) einseitig oder beidseitig neben dem Grundprofil (GP) ein Nebenprofil (GN) mit einer stärkeren Krümmung als die des Grundprofils (GP) aufweist, wobei die Länge des ersten Profilradius (R1) aus der Formel R1 = L1 × 170 bis R1 = L1 × 400 bestimmt ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein reibungsarmes Kegelrollenlager, mit einem radial äußeren Lagering und einem radial inneren Lagering, die koaxial zueinander angeordnet sind und bei denen der äußere Lagerring radial über dem inneren Lagerring angeordnet ist, bei dem zwischen den beiden Lagerringen in einem Käfig geführte Kegelrollen angeordnet sind, bei dem die Kegelrollen auf einer Laufbahn des äußeren Lagerrings und einer Laufbahn des inneren Lagerrings abrollen, bei dem einer der beiden Lagerringe wenigstens einem durchmessergroßen Bord zur Ausleitung von Axialkräften aus den Kegelrollen aufweist, und bei dem die Laufbahn des inneren Lagerrings eine ballige Geometrie aufweist.
Ein derartiges, reibungsarmes Radialkegelrollenlager ist in der DE 40 16 492 A1 offenbart. Dieses Radialkegelrollenlager weist einen Innenring, einen Außenring und radial dazwischen angeordnete Kegelrollen auf. Wenigstens eine der Laufflächen des Innenrings oder des Außenrings und/oder die Mantelfläche der Rollen weisen auf der gesamten effektiven Länge eine gleichförmige Balligkeit auf, die so gewählt ist, dass das Balligkeitsverhältnis Δt / L zwischen 0,0007 und 0,002 beträgt. Dabei ist Δt die Scheitelhöhe der balligen Lauffläche des Innenrings und L die effektive Länge der einzelnen Kegelrollen. Die Kegelrollen weisen eine sphärisch-konvexe Stirnfläche auf, und eine entsprechende Berührungsfläche an einem Außenbord des Innenrings ist sphärisch-konkav geformt. Durch diese Maßnahmen soll eine Verringerung des Reibungswiderstandes des Lagers erreicht werden, jedoch vergrößert sich bei diesem Radialkegelrollenlager die Flächenpressung im Bereich des großen Bordes des Innenrings mit steigender Rollenlänge, wodurch die maximale Gebrauchsdauer des Radialkegelrollenlager vergleichsweise gering ist und der Reibungswiderstand stark ansteigt.
Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die ballige Laufbahn an dem inneren Lagerring so zu gestalten, dass eine Vergrößerung der Flä-
chenpressung im Bereich des großen Bordes mit zunehmender Kegelrollenlänge vermieden und ein verringerter Reibungswiderstand erreicht wird.
Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Kegelrollenlager mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen genannt.
Demnach betrifft die Erfindung ein reibungsarmes Kegelrollenlager, mit einem radial äußeren Lagering und einem radial inneren Lagering, die koaxial zueinander angeordnet sind und bei denen der äußere Lagerring radial über dem inneren Lagerring angeordnet ist, bei dem zwischen den beiden Lagerringen in einem Käfig geführte Kegelrollen angeordnet sind, bei dem die Kegelrollen auf einer Laufbahn des äußeren Lagerrings und einer Laufbahn des inneren Lagerrings abrollen, bei dem einer der beiden Lagerringe wenigstens einem durchmessergroßen Bord zur Ausleitung von Axialkräften aus den Kegelrollen aufweist, und bei dem die Laufbahn des inneren Lagerrings eine ballige Geometrie aufweist.
Zur Lösung der gestellten Aufgabe ist bei diesem Kegelrollenlager vorgesehen, dass die Laufbahn des inneren Lagerrings ein Grundprofil mit einem ersten Profilradius R₁ aufweist, dass sich das Grundprofil mit dem ersten Profilradius R₁ über eine erste Länge L₂ von 0,6 bis 0,85 der Gesamtlänge L₁ der Laufbahn des inneren Lagerrings erstreckt, und dass die Laufbahn des inneren Lagerrings einseitig oder beidseitig neben dem Grundprofil ein Nebenprofil mit einer stärkeren Krümmung als die des Grundprofils aufweist, wobei die Länge des ersten Profilradius R₁ aus der Formel R₁ = L₁ × 170 bis R₁ = L₁ × 400 bestimmt ist.
Vorzugsweise ist hierbei vorgesehen, dass sich das Nebenprofil einseitig bis zum durchmessergrößeren Ende der Laufbahn des inneren Lagerrings erstreckt, und dass das Grundprofil am durchmesserkleineren Ende der Laufbahn am inneren Lagerring beginnt.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn das Nebenprofil ein Kreisbogenabschnitt mit einem Radius von R₂ = R₁/3,6 bis R₂ = R₁/1,8 ist, und sich das Nebenprofil über eine zweite Länge L₃ = 0,15 × L₁ bis L₃ = 0,4 × L₁ erstreckt.
Diese angegebenen Werte ergeben besonders niedrige Flächenpressungen im Bereich des großen Bords am inneren Lagerring, wenn die Länge der Kegelrollen, welche der Gesamtlänge L₁ der Laufbahn am inneren Lagerring entspricht, größer als 12 mm ist.
Eine Verbesserung der maximalen Gebrauchsdauer eines erfindungsgemäßen Kegelrollenlagers lässt sich dadurch erreichen, dass wenigstens der innere Lagerring einer Wärmebehandlung mit unterbrochener Umwandlung unterzogen ist, wodurch der wenigstens für den inneren Lagerring verwendete Wälzlagerstahl ein bainitisches Gefüge und einen Restaustenitgehalt von 8% bis 20% sowie eine Druckeigenspannung von mindestens 100 MPa bis zu einer Tiefe mindestens 100 μm unter der Oberfläche aufweist, wobei die Oberflächenhärte mindestens 59 HRC beträgt.
Eine derartige Wärmebehandlung lässt sich vorteilhafterweise mit einem Wälzlagerstahl 100 CrMn6 oder 100 Cr6 durchführen. Diese Art der Wärmebehandlung ist in der DE 10 2012 208 169 A1 im Einzelnen beschrieben, deren Inhalt hier vollständig zum Gegenstand der Offenbarung gemacht ist.
Mit der erfindungsgemäßen Geometrie der Laufbahn an dem inneren Lagerring ergeben sich eine erhebliche Verminderung des Lagerreibmoments und damit eine geringere Verlustleistung bei den Betriebsbeanspruchungen sowie keine Nachteile bei den Maximalbeanspruchungen (auch quasistatisch) durch Kantenspannungen im kritischen Bereich. Durch die zusätzliche Sonderwärmebehandlung mit Druckeigenspannung an der Oberfläche werden die maximale Gebrauchsdauer und die maximale Belastbarkeit des Kegelrollenlagers weiter gesteigert. Bei Verwendung des erfindungsgemäßen, reibungsarmen Kegelrollenlagers als Kopflager einer Ritzellagerung eines Differentialgetriebes wurde eine erhebliche Reduzierung der Verlustleistung bei Erhaltung der bisherigen maximale Gebrauchsdauer bezie- hungsweise Laufleistung von mehr als 1,2 Mio. von einem Fahrzeug gefahrene Kilometer festgestellt.
Die Erfindung wird nachstehend anhand eines in der beigefügten Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näheren erläutert. In der Zeichnung zeigt
1 eine Teilschnittansicht eines erfindungsgemäßen Kegelrollenlagers, und 2 ein Diagramm von Flächenpressungsverläufen eines Kopflagers einer Ritzellagerung mit unterschiedlichen Laufbahnprofilen des inneren Lagerrings über der Kegelrollenlänge.
Das in 1 dargestellte Kegelrollenlager 1 weist zwei zueinander koaxial angeordnete Lagerringe 2, 4 auf, bei denen der äußere Lagering 2 radial über dem inneren Lagerring 4 angeordnet ist. Zwischen den beiden Lagerringen 2, 4 sind in einem Kä9 geführte Kegelrollen 8 angeordnet, die auf einer Laufbahn 3 des äußeren Lagerrings 2 und einer Laufbahn 5 des inneren Lagerrings 4 abrollen. Der innere Lagerring 4 weist am durchmessergroßen Ende seiner Laufbahn 5 einen sich nach radial außen erstreckenden großen Bord 6 auf, an dem die durchmessergroße Stirnseite 8a der Kegelrollen 8 bei einer Axialbelastung des Kegelrollenlagers 1 anliegt, wodurch Axialkräfte aus den Kegelrollen 8 über den inneren Lagerring 4 aus dem Kegelrollenlager 1 ausgeleitet werden. Der innere Lagerring 4 weist außerdem einen kleinen Bord 7 am durchmesserkleinen Ende der Laufbahn 5 auf, der sich ebenfalls radial nach außen erstreckt und dazu dient, die im Kä9 angeordneten Kegelrollen 8 vor der Montage des Kegelrollenlagers 1 in einem Lagergehäuse am inneren Lagerring 4 zu halten und zu führen. Hierbei stützen sich die Kegelrollen 8 mit deren durchmesserkleinen Stirnseite 8b an dem kleinen Bord 7 axial ab.
Die Laufbahn 5 des inneren Lagerrings 4 ist in der 1 zwar als eine gerade Linie dargestellt, sie ist aber nicht erkennbar erfindungsgemäß ballig ausgeführt und besteht aus einem Grundprofil G_P, das am kleinen Durchmesser der inneren Laufbahn 5 beginnt und sich in Richtung zum großen Durchmesser der inneren Laufbahn 5 über eine Länge L₂ erstreckt. Diese Grundprofil G_P ist mit einem Radius R₁
ausgeführt, dessen Betrag sich aus der Formel R₁ = L₁ × 170 bis R₁ = L₁ × 400 berechnen lässt, wobei L₁ die Gesamtlänge der Laufbahn 5 am inneren Lagerring 4 ist.
An das Grundprofil G_P schließt sich am inneren Lagerring 4 in Richtung zum großen Durchmesser der Laufbahn 5 stetig ein Nebenprofil G_N an, welches eine stärkere Krümmung als die Krümmung des Grundprofils G_P aufweist. Das Nebenprofil G_N ist dabei ein Kreisbogenabschnitt mit einem Radius R₂, dessen Wert sich aus der Formel R₂ = R₁/3,6 bis R₂ = R₁/1,8 berechnen lässt. Das Nebenprofil G_N erstreckt sich über eine zweite Länge L₃, deren Wert sich aus der Formel L₃ = 0,15 × L₁ bis L₃ = 0,4 × L₁ berechnen lässt. Die Länge der Kegelrollen 7, die der Gesamtlänge L₁ der Laufbahn 5 am inneren Lagerring 4 entspricht, beträgt vorzugsweise mehr als 12 mm.
Wenigstens der innere Lagerring 4 ist vorzugsweise einer Wärmebehandlung mit unterbrochener Umwandlung unterzogen, wodurch der wenigstens für den inneren Lagerring 4 verwendete Wälzlagerstahl ein bainitisches Gefüge und einen Restaustenitgehalt von 8% bis 20% sowie eine Druckeigenspannung von mindestens 100 MPa bis zu einer Tiefe von mindestens 100 μm unter der Oberfläche aufweist. Die Oberflächenhärte beträgt hierbei mindestens 59 HRC. Diese Wärmebehandlung mit unterbrochener Umwandlung ergibt die genannten Ergebnisse insbesondere dann, wenn der Wälzlagerstahl 100 CrMn6 oder 100 Cr6 dafür verwendet wird.
In 2 sind drei Flächenpressungsverläufe A, B, C über die Kegelrollenlänge eines Kopflagers einer Ritzellagerung dargestellt. Die beiden Flächenpressungsverläufe A und B wurden an Kegelrollenlagern mit bekannten Laufbahnprofilgeometrien am inneren Lagerring ermittelt, während der Flächenpressungsverlauf C die ermittelten Werte für einen inneren Lagerring mit der erfindungsgemäßen Laufbahnprofilgeometrie darstellt. Die Abmessungen der jeweiligen Kegelrollenlager und die auf diese wirkenden Kräfte waren identisch.
Die erste Kurve zeigt den Flächenpressungsverlauf A über die Kegelrollenlänge für ein Kegelrollenlager mit einem logarithmischen Profil der Laufbahn des inneren La-
gerrings, dessen Krümmung sich in Richtung zum großen Durchmesser der Laufbahn des inneren Lagerrings und in Richtung zum kleinen Durchmesser der Laufbahn des inneren Lagerrings verkleinert.
Die zweite Kurve zeigt den Flächenpressungsverlauf B über die Kegelrollenlänge für ein Kegelrollenlager mit einem kreisballigen Profil der Laufbahn am inneren Lagerring mit einem durchgehend konstanten Radius.
Die dritte Kurve zeigt den Flächenpressungsverlauf C über die Kegelrollenlänge für das erfindungsgemäße Kegelrollenlager 1 gemäß 1, bei dem das Profil der Laufbahn 5 am inneren Lagerring 4 durch ein Grundprofil G_P mit dem großen ersten Profilradius R₁ sowie einem sich daran in Richtung zum großen Durchmesser dieser Laufbahn 5 anschließenden Nebenprofil G_N mit dem kleinerem Radius R₂ gebildet ist.
Aus diesem Diagramm ist ersichtlich, dass der Flächenpressungsverlauf A eines Kegelrollenlagers mit einem logarithmischen Laufbahnprofil am inneren Lagerring zwar bei kleiner Kegelrollenlänge von 4 mm die niedrigste Flächenpressung aufweist, welche jedoch ab einer Kegelrollenlänge von knapp 8 mm die Flächenpressung an den beiden anderen dargestellten Laufbahnprofilen übersteigt (siehe Flächenpressungsverläufe B und C), und der ab einer Kegelrollenlänge von etwas mehr als 16 mm nachteilig sehr stark einem Höchstwert zustrebt.
Der Flächenpressungsverlauf B für ein kreisballiges Profil der Laufbahn des inneren Lagerrings mit nur einem großen Radius sowie der Flächenpressungsverlauf C für das erfindungsgemäße Profil der Laufbahn 5 des inneren Lagerrings 4 mit dem Grundprofil G_P und dem Nebenprofil G_N weisen ausgehend von einer Kegelrollenlänge von 4 mm bis etwa knapp 14 mm etwa die gleichen Flächenpressungswerte auf, jedoch nehmen diese Flächenpressungswerte für das Laufbahnprofil mit einem kreisballigen Profil mit konstantem Radius ab einer Kegelrollenlänge von 14 mm erheblich zu, während die Flächenpressungswerte für die erfindungsgemäß ausgebildete Laufbahn 5 ab einer Kegelrollenlänge von 12 mm bis zu einer Kegelrollenlänge
von etwas mehr als 18 mm stetig geringer werden. Der letztgenannte vorteilhafte Verlauf ist durch ein Oval mit einer Strich-Punkt-Linie D markiert.
Mit den angegebenen Werten für das Profil der Laufbahn 5 am inneren Lagerring 4 lässt sich bei einem Kegelrollenlager für Ritzelanwendungen in Differentialgetrieben eine Reduzierung der Verlustleistung von 60% erreichen, wobei die bisherige maximale Gebrauchsdauer beziehungsweise Laufleistung von mehr als 1,2 Mio. mit einem Fahrzeug gefahrene Kilometer erhalten bleibt. Diese Vorteile, namentlich die signifikante Reduzierung der Verlustleistung, die starke Reduzierung der Kantenspannungen und die signifikante Erhöhung der Belastbarkeit ergeben sich aus dem Zusammenwirken der erfindungsgemäßen Geometrie des balligen Profils gemäß dem Grundprofil G_P und dem Nebenprofil G_N in Verbindung mit der Wärmebehandlung mit unterbrochener Umwandlung sowie der Verwendung des Wälzlagerstahls 100 CrMn6 oder 100 Cr6.
Die Erfindung ist nicht auf die ballige Laufbahn 5 an dem inneren Lagerring 4 gebildet aus dem Grundprofil G_P mit dem ersten Profilradius R₁ und dem sich daran einseitig stetig anschließenden Nebenprofil G_N mit dem kleineren Radius R₂ beschränkt. Die Erfindung erstreckt sich auch auf Profile der Laufbahn 5 an dem inneren Lagerring 4 bestehend aus einem Grundprofil G_P mit einem ersten, großen Profilradius R₁, an den sich beidseitig stetig Nebenprofile G_N mit einer stärkeren Krümmung als die des Grundprofils G_P anschließen. Diese Nebenprofile G_N können aus einem Kreisabschnitt oder einen logarithmischen Verlauf mit nach beiden axialen Seiten stetig zunehmender Krümmung bestehen.
Alle in der vorstehenden Figurenbeschreibung, in den Ansprüchen und in der Beschreibungseinleitung genannten Merkmale sind sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander einsetzbar. Die Erfindung ist somit nicht auf die beschriebenen und beanspruchten Merkmalskombinationen beschränkt, vielmehr sind alle Merkmalskombinationen als offenbart zu betrachten.
Bezugszeichenliste

1: Kegelrollenlager
2: Äußerer Lagerring
3: Laufbahn am äußeren Lagerring
4: Innerer Lagerring
5: Laufbahn am inneren Lagerring
6: Durchmessergroßer Bord an der Laufbahn 5
7: Durchmesserkleiner Bord an der Laufbahn 5
8: Kegelrolle
8a: Durchmessergroße Stirnseite der Kegelrolle
8b: Durchmesserkleine Stirnseite der Kegelrolle
9: Käfig
G_P: Grundprofil der Laufbahn 5
G_N: Nebenprofil der Laufbahn 5
L₁: Gesamtlänge der Laufbahn 5 am inneren Lagerring
L₂: Länge des Grundprofils
L₃: Länge des Nebenprofils
R₁: Erster Profilradius
R₂: Zweiter Profilradius

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 4016492 A1 [0002]
DE 102012208169 A1 [0012]

Claims

Kegelrollenlager (1), mit einem radial äußeren Lagering (2) und einem radial inneren Lagering (4), die koaxial zueinander angeordnet sind und bei denen der äußere Lagerring (2) radial über dem inneren Lagerring (4) angeordnet ist, bei dem zwischen den beiden Lagerringen (2, 4) in einem Käfig (9) geführte Kegelrollen (8) angeordnet sind, bei dem die Kegelrollen (8) auf einer Laufbahn (3) des äußeren Lagerrings (2) und einer Laufbahn (5) des inneren Lagerrings (4) abrollen, bei dem einer der beiden Lagerringe (2, 4) wenigstens einem durchmessergroßen Bord (6) zur Ausleitung von Axialkräften aus den Kegelrollen (8) aufweist, und bei dem die Laufbahn (5) des inneren Lagerrings (4) eine ballige Geometrie aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Laufbahn (5) des inneren Lagerrings (4) ein Grundprofil (G_P) mit einem ersten Profilradius (R₁) aufweist, dass sich das Grundprofil (G_P) mit dem ersten Profilradius (R₁) über eine erste Länge (L₂) von 0,6 bis 0,85 der Gesamtlänge (L₁) der Laufbahn (5) des inneren Lagerrings (4) erstreckt, und dass die Laufbahn (5) des inneren Lagerrings (4) einseitig oder beidseitig neben dem Grundprofil (G_P) ein Nebenprofil (G_N) mit einer stärkeren Krümmung als die des Grundprofils (G_P) aufweist, wobei die Länge des ersten Profilradius (R₁) aus der Formel R₁ = L₁ × 170 bis R₁ = L₁ × 400 bestimmt ist.
Kegelrollenlager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich das Nebenprofil (G_N) einseitig bis zum durchmessergrößeren Ende der Laufbahn (5) des inneren Lagerrings (4) erstreckt, und dass das Grundprofil (G_P) am durchmesserkleineren Ende der Laufbahn (5) des inneren Lagerrings (4) beginnt.
Kegelrollenlager nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Nebenprofil (G_N) ein Kreisbogenabschnitt mit einem Radius von R₂ = R₁/3,6 bis R₂ = R₁/1,8 ist, und dass sich das Nebenprofil (G_N) über eine zweite Länge L₃ = 0,15 × L₁ bis L₃ = 0,4 × L₁ erstreckt.
Kegelrollenlager nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge der Kegelrollen (8), welche der Gesamtlänge (L₁) der Laufbahn (5) am inneren Lagerring (4) entspricht, größer als 12 mm ist.
Kegelrollenlager nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens der innere Lagerring (4) einer Wärmebehandlung mit unterbrochener Umwandlung unterzogen ist, wodurch der wenigstens für den inneren Lagerring (4) verwendete Wälzlagerstahl ein bainitisches Gefüge und einen Restaustenitgehalt von 8% bis 20% und eine Druckeigenspannung von mindestens 100 MPa bis zu einer Tiefe mindestens 100 μm unter der Oberfläche aufweist, wobei die Oberflächenhärte mindestens 59 HRC beträgt.
Kegelrollenlager nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens der innere Lagerring (4) aus dem Wälzlagerstahl 100 CrMn6 oder 100 Cr6 besteht.