DE102016219647A1 - Schrägkugellager und Getriebeanordnung - Google Patents

Abstract

Es wird ein Schrägkugellager, umfassend folgende Merkmale angegeben: – ein äußeres Abrollelement mit einer ersten Abrollfläche, – ein inneres Abrollelement mit einer zweiten Abrollfläche, – zwischen den Abrollelementen ist genau eine Reihe von Kugeln angeordnet, die auf der ersten und zweiten Abrollfläche abrollen, – der Durchmesser Dw der Kugeln, der äußere Durchmesser D des äußeren Abrollelements und der innere Durchmesser d des inneren Abrollelements sind derart gewählt, dass sie zueinander in der Relationstehen.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Schrägkugellager mit einem äußeren Abrollelement mit einer ersten Abrollfläche und einem inneren Abrollelement mit einer zweiten Abrollfläche, zwischen denen genau eine Reihe von Kugeln angeordnet ist. Ferner betrifft die Erfindung eine Getriebeanordnung für ein Kraftfahrzeug, mit einer Welle, die ein Zahnradelement aufweist und über wenigstens zwei axial beabstandete, einreihige Wälzlager drehbar in einem Gehäuse gelagert ist.
• Getriebeanordnungen kommen in Kraftfahrzeugen beispielsweise im Antriebsstrang zum Einsatz, um eine vom Motor des Kraftfahrzeugs angetriebene Welle mechanisch mit den anzutreibenden Rädern zu verbinden und die Kraft entsprechend zu übertragen. In bekannten Getriebeanordnungen werden standardmäßig Kegelrollenlager zur Lagerung der Welle eingesetzt, die zur Aufnahme der vergleichsweise hohen axialen und radialen Lasten ausgelegt sind. Die Welle ist dann beispielsweise über zwei axial beabstandete Kegelrollenlager, die typischerweise in O-Anordnung zueinander angeordnet sind im Getriebegehäuse gelagert. Die Kegelrollenlager sind axial vorgespannt.
• Nachteilig bei derartigen Getriebeanordnungen sind die durch die Kegelrollenlager verursachten Reibungsverluste. Die Reduzierung der Reibung ist im Bau von Kraftfahrzeugen generell zur Vermeidung und Minimierung von Emissionen erwünscht und somit ein Ziel der Weiterentwicklung von Komponenten. So sind bereits Getriebeanordnungen bekannt, in denen statt der Kegelrollenlager zwei zweireihige Schrägkugellager verwendet wurden. Dies hat grundsätzlich den Vorteil einer reduzierten Reibung, wobei die Herstellung der entsprechenden Lager vergleichsweise aufwändig ist.
• Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein hochbelastbares Schrägkugellager anzugeben, das insbesondere zum Einsatz in Getriebeanordnungen geeignet ist, in denen ansonsten Kegelrollenlager oder zweireihige Schrägkugellager verwendet werden. Es ist ferner eine Aufgabe der Erfindung eine entsprechende Getriebeanordnung anzugeben.
• Die Aufgabe der Erfindung wird durch ein Schrägkugellager mit den Merkmalen des Anspruchs 1 bzw. durch eine Getriebeanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 8 gelöst.
• Gemäß Anspruch 1 wird ein Schrägkugellager angegeben, umfassend folgende Merkmale:
• – ein äußeres Abrollelement mit einer ersten Abrollfläche,
• – ein inneres Abrollelement mit einer zweiten Abrollfläche,
• – zwischen den Abrollelementen ist genau eine Reihe von Kugeln angeordnet,
• – der Durchmesser D_w der Kugeln, der äußere Durchmesser D des äußeren Abrollelements und der innere Durchmesser d des inneren Abrollelements sind derart gewählt, dass sie zueinander in der Relation
  
  stehen.
• Anders ausgedrückt gilt für den Durchmesser D_w der Kugeln
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• Der Durchmesser der Kugeln beträgt mindestens 70% einer radialen Höhe des Schrägkugellagers, wobei sich die radiale Höhe aus der Hälfte der Differenz des äußeren Durchmessers des äußeren Abrollelements und des inneren Durchmessers des inneren Abrollelements ergibt. Somit nimmt die Kugel einen entsprechend großen Volumenanteil im Schrägkugellager ein.
• Die Erfindung geht maßgeblich von der Erkenntnis aus, dass sich moderne Schrägkugellager bei entsprechender Anpassung auch für Situationen mit hohen Lastverhältnissen einsetzen lassen. Bislang wurde davon ausgegangen, dass sich insbesondere einreihige Schrägkugellager nur für vergleichsweise niedrige axiale und radiale Lasten einsetzen lassen. Oft wurden derartige Schrägkugellager noch mit einem Radiallager, z. B. in Form eines Zylinderrollenlagers kombiniert, um in der gemeinsamen Anordnung auch höhere radiale Lasten aufnehmen zu können. Alternativ wurden in Situationen, die eine höhere Tragzahl benötigen bislang mehrreihige Schrägkugellager oder Kegelrollenlager eingesetzt. Durch die speziellen, im Rahmen der Erfindung vorgegebenen Größenverhältnisse des äußeren Durchmessers des äußeren Abrollelements und des inneren Durchmesser des inneren Abrollen Elements im Relation zum Durchmesser der Kugeln lassen sich einreihige Schrägkugellager herstellen, die auch für höher belastete Situationen einsetzbar sind. Hiermit wird die übliche Spezifikation von Schrägkugellagern bewusst verlassen, indem im Vergleich zum relativ großen Kugeldurchmesser nur vergleichsweise dünnwandige Abrollelemente vorgesehen werden.
• In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist das Schrägkugellager weiter folgende Merkmale auf:
• – das äußere Abrollelement weist eine radial nach innen gerichtete Schulter des minimalen Durchmessers D₁ auf, deren Verhältnis zum inneren Durchmesser D₂ des Laufbahngrundes der ersten Abrollfläche zwischen 0,85 und 0,91 liegt, und/oder
• – das innere Abrollelement weist eine radial nach außen gerichtete Schulter des maximalen Durchmessers d₁ auf, deren reziprokes Verhältnis zum äußeren Durchmesser d₂ des Laufbahngrundes der zweiten Abrollfläche zwischen 0,79 und 0,85 liegt.
• Die Schultern am Abrollelement tragen bei Schrägkugellagern wesentlich zur Abrollfläche bei, damit auch axiale Lasten aufgenommen werden können. Durch die hier gewählten, im Vergleich zu bekannten Schrägkugellager vergleichsweise hohen Schultern am inneren und äußeren Abrollelement ergibt sich eine insgesamt deutlich breitere Abrollfläche für die Kugeln. Dadurch lässt sich die Tragzahl des Schrägkugellager in vorteilhafter Weise weiter steigern, so dass das Schrägkugellager in höher belasteten Situationen eingesetzt werden kann.
• In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist eine minimale axiale Breite der Schulter des inneren Abrollelements breiter als eine minimale axiale Breite der Schulter des äußeren Abrollelements ausgeführt. Hierdurch ergibt sich ein gerade bei Kugeln großen Durchmessers besonders stabiles Schrägkugellager mit optimierter Lastverteilung. Die breitere Schulter am inneren Abrollelement nimmt Belastungsspitzen zuverlässig aufgrund ihrer erhöhten Stabilität auf.
• In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist das Schrägkugellager eine Anzahl Z von Kugeln gemäß

  

  zwischen den Abrollelementen auf, wobei D_pW den Teilkreisdurchmesser bezeichnet und Z auf eine ganze Zahl gerundet ist. Je mehr Kugeln im Lager vorgesehen werden, desto geringer ist der Kugeldurchmesser zu wählen. So beträgt D_w im Fall von neun Kugeln ca. 31% von D_pW, im Fall von zehn Kugeln hingegen noch rund 28%. Im Vergleich zu bekannten Schrägkugellagern handelt es sich hierbei um eine hohe Anzahl von Kugeln, durch die sich die Tragzahl des Schrägkugellager weiter steigern lässt.
• In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung liegt ein Druckwinkel der Kugeln zu den Abrollflächen zwischen 15° und 35°. Dieser Druckwinkelbereich lässt eine optimale Mischung von axialer und radialer Belastungsfähigkeit zu, wie sie insbesondere bei Anwendungen im Automobilbereich auftreten können. Besonders bevorzugt ist ein Kontaktwinkel von 25°, bei dem eine optimale Belastungsfähigkeit vorliegt.
• In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist ein Käfig zur Führung der Kugeln vorgesehen. Das innere Abrollelement weist an der zweiten Abrollfläche eine radial nach außen gerichtete und der Schulter axial gegenüberliegende Erhöhung auf, die mit der Schulter und dem Käfig derart zusammenwirkend ausgebildet ist, dass die Kugeln am inneren Abrollelement selbsthaltend gehalten werden. In zahlreichen Montagesituationen ist es erforderlich, dass äußere Abrollelement getrennt vom inneren Abrollelement zu montieren und erst beim Zusammenfügen der gesamten Baueinheit das Schrägkugellager zusammen zu fügen. Durch die verliersichere Halterung der Kugeln am inneren Abrollelement lässt sich ein einfach zu handhabendes Schrägkugellager bereitstellen, bei dem das äußere Abrollelement erst zu einem späteren Zeitpunkt hinzugefügt werden kann. Die Handhabung einer solchen Anordnung ist deutlich vereinfacht.
• Die Aufgabe der Erfindung wird zudem durch eine Getriebeanordnung für ein Kraftfahrzeug mit einer Welle gelöst, die ein Zahnradelement aufweist und über wenigstens zwei axial beabstandete, einreihige Wälzlager drehbar in einem Gehäuse gelagert ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Wälzlager als Schrägkugellager wie eben beschrieben ausgeführt sind. Eine derartige Getriebeanordnung lässt sich mit den erfindungsgemäßen einreihigen Schrägkugellagern auf besonders einfache und kostengünstige Weise herstellen. Die Reibung der Lagerstellen ist im Vergleich zu bekannten Lösungen, bei denen standardmäßig Kegelrollenlager oder mehrreihige Schrägkugellager zum Einsatz kommen signifikant reduziert. Zudem reagiert es im Vergleich weniger empfindlich auf Schiefstellungen. Hinsichtlich der vergleichsweise hohen Belastungen, die in derartigen Getriebeanordnungen auftreten weist das erfindungsgemäße einreihige Schrägkugellager keine Nachteile auf.
• In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind beide Schrägkugellager gleich ausgeführt und zueinander in O-Anordnung angestellt. Eine derartige Anordnung der Schrägkugellager garantiert eine optimale Lastverteilung bei typischen Getriebeanwendungen.
• Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus dem im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen der Erfindung anhand der Figuren. Dabei zeigen:
• 1 eine Ausführungsform der Erfindung,
• 2 einen Käfig, und
• 3 einen Ausschnitt einer Getriebeanordnung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
• In der 1 ist ein Schrägkugellager 1 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Das Schrägkugellager 1 umfasst einen Außenring 3, einen Innenring 5, zwischen denen Kugeln 7 angeordnet sind. Die Kugeln 7 werden durch einen Käfig 9 gehalten. Am Außenring 3 ist eine radial nach innen gerichtete Schulter 13 ausgebildet, an deren Innenseite beginnend eine Laufbahn 15 für die Kugeln 7 gebildet ist. Analog ist am Innenring 5 eine radial nach außen gerichtete Schulter 17 ausgebildet, an deren Innenseite beginnend eine Laufbahn 19 für die Kugeln 7 gebildet ist. Die Kugeln 7 schmiegen sich an einen Radius r_a der Laufbahn 15 und einen Radius r_i der Laufbahn 19 im Bereich des Kontakts an. Die Schmiegung ist dabei im Vergleich zu Schrägkugellagern bekannter Bauart deutlich enger gewählt, wodurch sich eine bessere Pressung erreichen lässt. Zur weiteren Optimierung der Pressung ist diese bevorzugt an beiden Laufbahnen 15 und 19 gleich groß, was durch Vorsehen einer kleineren Schmiegung an der Laufbahn 19, also am Innenring 5 im Vergleich zur Laufbahn 15, also am Außenring 3 erreicht wird. Es gilt folglich r_a > r_i.
• Das Schrägkugellager 1 unterscheidet sich hinsichtlich seiner Größenverhältnisse signifikant von bekannten Schrägkugellagern. So sind der Durchmesser D_w der Kugeln, der äußere Durchmesser D des äußeren Abrollelements und der innere Durchmesser d des inneren Abrollelements derart gewählt, dass sie zueinander in der Relation

  

  stehen. Folglich nehmen die Kugeln aufgrund ihres großen Durchmessers im Vergleich zur Bauhöhe D – d des Lagers einen großen Teil des Bauraums in Anspruch. Dies hat zur Folge, dass die Dicke des Außenrings 3 an der Stelle, die radial außerhalb der Kugeln 7 liegt vergleichsweise dünn ausgeführt ist. Ebenso ist die Dicke des Innenrings 5 an der Stelle, die radial innerhalb der Kugeln 7 liegt vergleichsweise dünn ausgeführt. Aufgrund des großen Kugeldurchmessers D_w ist das Schrägkugellager 1 in der Lage, für diese Lagerart untypisch hohe Lasten aufzunehmen. Die Tragzahl ist außergewöhnlich hoch, so dass es auch für Anwendungen geeignet ist, für die ansonsten andere Lagertypen, wie z. B. Kegelrollenlager oder zweireihige Schrägkugellager eingesetzt werden. Es hat sich gezeigt, dass sich sogar höhere Tragzahlen als mit zweireihigen Schrägkugellagern gleicher äußerer Abmessungen (B, D und d) erreichen lassen. Gleichzeitig ist die Reibung signifikant reduziert. Dies resultiert maßgeblich aus einem verringerten Rollwiderstand im Vergleich zu den beiden anderen Lagertypen. Zudem ist das Schrägkugellager 1 weniger empfindlich im Fall von Schiefstellungen.
• Der im Querschnitt stellenweise dünn ausgeführte Außenring 3 weist eine Schulter 13 vergleichsweise großer radialer Dicke D – D₁ auf. Das Verhältnis von D₁ zum Durchmesser D₂ des Laufbahngrundes der ersten Abrollfläche liegt zwischen 0,85 und 0,91. Dies erhöht die Stabilität und die Belastbarkeit des Schrägkugellagers 1. Gleiches gilt für den Innenring 5 und seine Schulter 17, deren radiale Dicke d₁ – d sogar noch größer als D – D₁ ist.
• Das reziproke Verhältnis von d₁ zum Durchmesser d₂ des Laufbahngrundes der zweiten Abrollfläche liegt zwischen 0,79 und 0,85.
• Zudem ist die Schulter 17 in Bezug auf ihre axiale Stärke breiter ausgeführt als die Schulter 13. Die Dimensionierung der Schulter in axialer Richtung ermöglicht es unter Anderem, vorhandene Lager anderer Bauart, z. B. Kegelrollenlager oder doppelreihige Schrägkugellager durch ein einreihiges Schrägkugellager gemäß der Erfindung zu ersetzen und den vorhandenen, meist deutlich größer bemessenen Bauraum zu füllen.
• Am Innenring 5 ist eine Erhöhung 11 axial neben der Laufbahn 17 ausgebildet. Diese dient zur Ausbildung einer verliersicheren Einheit aus Innenring 5, Kugeln 7 und Käfig 9, selbst wenn der Außenring 3 noch nicht vorhanden ist. In zahlreichen Situationen erfordert der Herstellungsprozess von komplexeren mechanischen Einheiten eine getrennte Montage von Außenring 3 und Innenring 5. Dann ist es vorteilhaft, wenn die Kugeln 7 und der Kä9 bereits am Innenring 5 verliersicher gehaltert sind und die Montage so vereinfacht wird.
• Die Kugeln 7 weisen einen definierten Druckwinkel α mit den Laufbahnen 13 und 17 auf. Das Schrägkugellager ist somit in der Lage, sowohl axiale als auch radial wirkende Kräfte aufzunehmen. Der Druckwinkel α liegt bevorzugt zwischen 15° und 35°, idealerweise bei 25°. Dies hat sich insbesondere für hohe Lasten als vorteilhaft erwiesen, da die Tragzahl im Zusammenspiel mit den vergleichsweise großen Kugeln 7 besonders hoch ist.
• Der die Kugeln 7 führende und haltende Käfig 9 ist in 2 ausschnittsweise dargestellt. Er ist derart ausgebildet, dass eine vergleichsweise hohe Anzahl Z von Kugeln im Schrägkugellager 1 verwendet werden kann, was wiederum zu einer Erhöhung der Tragzahl des Schrägkugellagers 1 führt. Die Anzahl Z beträgt

  

  wobei D_pW der Teilkreisdurchmesser des Schrägkugellagers 1 ist und Z auf eine ganze Zahl gerundet wird. Sind eine höhere Tragzahl und eine größere Steifigkeit erforderlich, so lassen sich auch mehr Kugeln 7 einsetzen. Der Käfig 9 weist nur auf seiner linken Seite eine ringartige Führungsstruktur 31 auf, an der sich klauenartige Fortsätze 33 im Wesentlichen in axialer Richtung erstrecken. Mehrere der Fortsätze 33 bilden jeweils eine Tasche zur Aufnahme einer Kugel des Schrägkugellagers 1. In einem derart ausgebildeten Käfig 9 lassen sich vergleichsweise viele Kugeln 7 halten.
• In der 3 ist ausschnittsweise ein Teil einer Getriebeanordnung 101 dargestellt. Ein Antriebsritzel 103 ist mit einer, hier verkürzt dargestellten Antriebswelle 105 verbunden, die über zwei Schrägkugellager 107 und 107' in einem Gehäuse 109 gelagert ist. Typischerweise werden gegenwärtig bei derartigen Anwendungen aufgrund der hohen Belastungen Kegelrollenlager oder zweireihige Schrägkugellager eingesetzt. Das näher am Antriebsritzel 103 liegende Schrägkugellager 107 ist in dieser Anwendung besonders hohen Lasten ausgesetzt, was eine entsprechend hohe Tragzahl C im Bereich von mehr als 30 kN in typischen Anwendungsfällen erforderlich macht. Diese kann mit bekannten einreihigen Schrägkugellagern nicht erreicht werden. Daher sind die Schrägkugellager 107 und 107' gemäß der in der 1 dargestellten Ausführungsform ausgeführt und dementsprechend für diese Anwendung tauglich.
• Bevorzugt sind die Schrägkugellager 107 und 107' bezüglich ihrer äußeren Abmessungen derart dimensioniert, dass sie sich zum Austausch vorhandener zweireihiger Schrägkugellager oder Kegelrollenlager in bereits existierenden Getriebeanordnungen eignen. Dies ist in der 3 dadurch verdeutlicht, dass die Innenringe der Schrägkugellager 107 und 107' axial derart breit ausgeführt sind, dass sie in eine Aufnahme eines vorher verwendeten Kegelrollenlagers bzw. zweireihigen Schrägkugellagers passen und dieses ohne Aufwand ersetzen können. Somit lässt sich in diesen eine Reduzierung der Reibung durch vergleichsweise einfaches Austauschen der Lager, beispielsweise im Servicefall erreichen. Die Auslegung der Schrägkugellager 107 und 107' lässt dies aufgrund des dünn ausgeführten Innen- und Außenrings, den großen Kugel und den axial breit ausgeführten Schulter auf einfache Weise zu.
• Schrägkugellager gemäß der Erfindung können ebenfalls in neu konstruierten Anwendungen analog eingesetzt werden. Hier ist auch eine axial schmalere Ausführung der Innenringe möglich, die in etwa der axialen Breite der Außenringe entspricht. Somit lassen sich Schrägkugellager gemäß der Erfindung in zahlreichen Anwendungen einsetzen und entsprechend flexibel ausgestalten. Bezugszeichenliste

  1	Schrägkugellager
  3	Außenring
  5	Innenring
  7	Kugeln
  9	Käfig
  11	Erhöhung
  13, 17	Schulter
  15, 19	Laufbahn
  31	Führungsstruktur
  33	Fortsatz
  101	Getriebeanordnung
  103	Antriebsritzel
  105	Antriebswelle

Claims (9)

1. Schrägkugellager, umfassend folgende Merkmale: – ein äußeres Abrollelement mit einer ersten Abrollfläche, – ein inneres Abrollelement mit einer zweiten Abrollfläche, – zwischen den Abrollelementen ist genau eine Reihe von Kugeln angeordnet, die auf der ersten und zweiten Abrollfläche abrollen, – der Durchmesser D_w der Kugeln, der äußere Durchmesser D des äußeren Abrollelements und der innere Durchmesser d des inneren Abrollelements sind derart gewählt, dass sie zueinander in der Relation

   

   stehen.
2. Schrägkugellager nach Anspruch 1, bei dem das äußere Abrollelement eine radial nach innen gerichtete Schulter des minimalen Durchmessers D₁ aufweist, deren Verhältnis zum Durchmesser D₂ des Laufbahngrundes der ersten Abrollfläche zwischen 0,85 und 0,91 liegt.
3. Schrägkugellager nach Anspruch 1 oder 2, bei dem das innere Abrollelement eine radial nach außen gerichtete Schulter des maximalen Durchmessers d₁ aufweist, deren reziprokes Verhältnis zum Durchmesser d₂ des Laufbahngrundes der zweiten Abrollfläche zwischen 0,79 und 0,85 liegt.
4. Schrägkugellager nach Anspruch 1, 2 oder 3, bei dem eine minimale axial Breite der Schulter des inneren Abrollelements breiter als eine minimale axiale Breite der Schulter des äußeren Abrollelements ausgeführt ist.
5. Schrägkugellager nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem eine Anzahl Z von Kugeln gemäß

   

   zwischen den Abrollelementen angeordnet ist, wobei D_pW den Teilkreisdurchmesser des Schrägkugellagers bezeichnet und Z auf eine ganze Zahl gerundet wird.
6. Schrägkugellager nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem der Druckwinkel zwischen 15° und 35° liegt.
7. Schrägkugellager nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem ein Käfig zur Führung der Kugeln vorgesehen ist und das innere Abrollelement an der zweiten Abrollfläche eine radial nach außen gerichtete und der Schulter axial gegenüberliegende Erhöhung aufweist, die mit der Schulter und dem Käfig derart zusammenwirkend ausgebildet ist, dass die Kugeln am inneren Abrollelement verliersicher gehalten werden.
8. Getriebeanordnung für ein Kraftfahrzeug mit einer Welle, die ein Zahnradelement aufweist und über wenigstens zwei axial beabstandete, einreihige Wälzlager drehbar in einem Gehäuse gelagert ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Wälzlager als Schrägkugellager nach einem der Ansprüche 1 bis 7 ausgeführt sind.
9. Getriebeanordnung nach Anspruch 8, bei dem wenigstens zwei der Schrägkugellager gleich ausgeführt und zueinander in O-Anordnung angestellt sind.

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