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Die Erfindung betrifft ein Wälzlager, umfassend einen Innenring, einen Außenring sowie radial zwischen dem Innenring und dem Außenring angeordnete Wälzkörper. Weiterhin betrifft die Erfindung ein CVT-Getriebe umfassend zwei Getriebewellen mit jeweils zwei darauf angeordneten Riemenscheiben.
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Der Begriff „CVT“ steht für die englische Bezeichnung Continuously-Variable-Transmission und heißt übersetzt kontinuierlich-variables Getriebe. CVT-Getriebe sind dazu vorgesehen, variabel wählbare Übersetzungen zwischen einer Antriebs- und einer Abtriebswelle bereit zu stellen. Ein CVT-Getriebe umfasst in der Regel vier Riemenscheiben oder Kegelscheiben, wobei zwei Riemen- oder Kegelscheiben an der Antriebswelle und zwei weitere Riemenscheiben an der Abtriebswelle angeordnet sind. Dabei sind die Riemenscheiben auf Getriebewellen und über jeweilige Wälzlager drehbar gelagert. Ein Riemen wird zwischen den beiden Kegelscheibenpaaren aufgespannt, der mit seinen seitlichen Kanten gegen die Oberflächen des jeweiligen Kegelscheibenpaars anläuft.
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Unter einem „Riemen“ wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung beispielsweise ein herkömmlicher Riemen wie ein Keilriemen, aber auch ein Schubgliederband, eine Laschenkette oder eine Lamellenkette verstanden. Dabei können Riemen aus Kunststoff, Metall und Verbundwerkstoffen zum Einsatz kommen.
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Ein Phänomen, das die Zuverlässigkeit von Wälzlagern negativ beeinflusst, sind weiß anätzende Risse, die in der Fachwelt so genannten White Etching Cracks (WECs). White Etching Cracks sind Veränderungen des Gefüges im Werkstoff, die sich unterhalb der Lageroberfläche bilden. Diese können sich unter Einfluss verschiedener äußerer Belastungen bis zur Oberfläche ausbreiten. Dadurch kann es zur Bildung von Grübchen oder Schälungen bis hin zu einem Durchreißen des Innen- oder Außenrings und somit zu einem vorzeitigen Ausfall des betroffenen Lagers kommen. White Etching Cracks treten sowohl in durchgehärteten als auch in einsatzgehärteten Wälzlagern auf. Die Ursachen für die Entstehung von White Etching Cracks sind noch nicht vollständig nachvollziehbar. Jedoch bilden nach heutigem Wissensstand Zusatzbeanspruchungen in Form von Dynamik und/oder Mischreibung und/oder Elektrik die Voraussetzung für die Entstehung von White Etching Cracks. Insbesondere wird als Grundursache für die Entstehung von White Etching Cracks die Wasserstoffaufnahme in die Randschicht des Werkstoffs im Wälzkontakt angesehen. Die Wasserstoffaufnahme lässt sich beispielsweise durch hohe Reibbeanspruchung der Wälzflächen und/oder durch elektrische Zusatzlasten erzeugen. Derartige White Etching Cracks sind beispielsweise in der Druckschrift
EP 2 573 195 A1 beschrieben.
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Die
EP 2 573 195 A1 schlägt zur Erhöhung der Robustheit gegen White Etching Cracks eines Wälzlagers vor, eine Verbindungsschicht auf der Lagerfläche des Wälzlagers vorzusehen. Die Verbindungsschicht hat hierbei eine geringere Fließspannung als das übrige Material des Wälzlagers. Dies erfolgt dadurch, dass das Wälzlager mit einer bestimmten Temperatur in einer bestimmten Zeit erhitzt wird und die Lagerfläche mit einem chemischen Zusatz in Kontakt gebracht wird.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Wälzlager zur Lagerung einer Riemenscheibe bzw. einer Getriebewelle mit zwei darauf angeordeten Riemenscheiben eines CVT-Getriebes weiterzuentwickeln, und insbesondere die Widerstandsfähigkeit des Wälzlagers gegenüber einer Bildung von weiß anätzenden Rissen (White Etching Cracks) zu erhöhen. Weiterhin soll ein CVT-Getriebe mit mindestens einem derartigen Wälzlager bereitgestellt werden.
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Das erfindungsgemäße Wälzlager umfasst einen Innenring, einen Außenring sowie radial zwischen dem Innenring und dem Außenring angeordnete Wälzkörper, wobei zumindest teilweise am Innenring und/oder am Außenring und/oder an den Wälzkörpern eine nasschemisch erzeugte Oxidschicht zur Verminderung einer Anfälligkeit gegenüber weiß anätzenden Rissen (= White Etching Cracks) ausgebildet ist, wobei die Oxidschicht überwiegend aus Eisen (II, III)- Mischoxid gebildet ist und eine flächenspezifische Masse von 3,5 bis 7 g/m2 aufweist. Mit anderen Worten besteht die Oxidschicht im Wesentlichen aus Fe3O4 und ist somit als Eisenmischoxidschicht ausgebildet. Die Oxidschicht passiviert zum einen die Oberfläche und verhindert so die Entstehung von diffusiblem Wasserstoff, weiterhin wird durch eine Barrierewirkung die Diffusion von Wasserstoff in die Oberfläche des jeweiligen Innenrings und/oder des jeweiligen Außenrings und/oder der jeweiligen Wälzkörper verringert oder verhindert.
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Bevorzugt wird die Oxidschicht durch ein Eintauchen des Innenrings und/oder des Außenrings und/oder der Wälzkörper in ein dafür vorgesehenes nasschemisches Behandlungsbad gebildet. Vorzugsweise sind sowohl der Innenring als auch der Außenring und die Wälzkörper mit der Oxidschicht überzogen. Insbesondere weist die Oxidschicht eine Schichtdicke von 0,5 bis 2 µm auf. Vorzugsweise beträgt ein stöchiometrisches Verhältnis der Oxidschicht von Sauerstoff zu Eisen 1,2 bis 1,4. Mit anderen Worten ist der Oxidanteil in der Oxidschicht um 20% bis 40% höher als der Eisenanteil in der Oxidschicht.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die Oxidschicht funktionsrelevant an einer Innenumfangsfläche des Außenrings und/oder an einer Außenumfangsfläche des Innenrings ausgebildet. Eine gezielt partielle Beschichtung des Innenrings und/oder des Außenrings kann vorzugsweise durch ein Abkleben der nicht zu beschichtenden Flächen am Innenring und/oder Außenring ermöglicht werden.
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Bevorzugt ist das Wälzlager als Rillenkugellager mit kugelförmigen Wälzkörpern ausgebildet. Ferner kann das Wälzlager aber auch als Zylinderrollenlager oder anderes Wälzlager ausgebildet sein. Vorzugsweise beträgt ein radiales Abmaß A des Außenrings 20% bis 40% eines Kugeldurchmessers der kugelförmigen Wälzkörper. Dabei wird die Dicke der gebildeten Oxidschicht, die im Bereich von üblicherweise bis zu 2 µm liegt, bei dem radialen Abmaß A mitgerechnet.
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Durch die Wahl der Schmiegung am Innenring und/oder Außenring wird insbesondere die Tragfähigkeit des Wälzlagers erhöht. Insbesondere beträgt eine Schmiegung am Innenring und/oder am Außenring 101% bis 106% eines Kugeldurchmessers der kugelförmigen Wälzkörper. Die Schmiegung ist der Quotient zwischen einem Laufbahnradius am Innenring oder am Außenring und dem Kugeldurchmesser der kugelförmigen Wälzkörper. Je größer die Kontaktfläche zwischen dem Innenring und der Kugel oder zwischen dem Außenring und der Kugel aufgrund der Schmiegung ist, desto geringer ist die Hertzsche Pressung zwischen dem Innenring und der Kugel oder zwischen dem Außenring und der Kugel. Des Weiteren bevorzugt beträgt ein Radialspiel vorzugsweise 0 bis 40 µm. Dadurch wird insbesondere das axiale Spiel der Riemenscheibe des CVT-Getriebes verringert.
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In einer bevorzugten Ausführungsform sind der Innenring, der Außenring und die Wälzkörper aus einem Wälzlagerstahl nach DIN EN ISO 683-17 oder dem Werkstoff 32MnCrMo6-4-3 gebildet. Generell sind aber auch andere härtbare Wälzlagerstähle einsetzbar.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weisen der Innenring und/oder der Außenring und/oder die Wälzkörper eine Wärmebehandlung, insbesondere zur Härtung oder gezielten Einstellung einer Härteverteilung am jeweiligen Bauteil, auf. Insbesondere sind der Innenring und/oder der Außenring und/oder die Wälzkörper einsatzgehärtet, vorzugsweise carbonitriert. Beim Carbonitrieren wird überwiegend Kohlenstoff, aber auch Stickstoff in die Randschicht des Innenrings und/oder des Außenrings und/oder der Wälzkörper eindiffundiert und dadurch die Randhärte erhöht, sowie das Randgefüge gezielt verändert. Die Aufgabe wird weiterhin durch ein CVT-Getriebe umfassend zwei Getriebewellen mit jeweils zwei darauf angeordneten Riemenscheiben gelöst, wobei jede Getriebewelle über mindestens ein erfindungsgemäßes Wälzlager gelagert ist. Die Widerstandsfähigkeit des Wälzlagers gegenüber einer Bildung von weiß anätzenden Rissen (White Etching Cracks) ist erhöht, so dass ein CVT-Getriebe mit einer derartigen Lagerung der Getriebewellen eine erhöhte Standzeit aufweist.
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Dabei kann ein erfindungsgemäßes Wälzlager im Bereich der fest auf einer Getriebewelle angeordneten Riemenscheibe angeordnet. Alternativ oder zusätzlich kann auch auf Seiten der beweglich gelagerten Riemenscheibe ein erfindungsgemäßes Wälzlager auf der Getriebewelle vorgesehen sein. Somit kann jede Getriebewelle einseitig oder beidseitig mit einem erfindungsgemäßen Wälzlager gelagert sein, wobei eine beidseitige Lagerung im Hinblick auf die Standzeit des CVT-Getriebes bevorzugt ist.
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Weitere die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Hierbei zeigt
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1 eine schematische Perspektivdarstellung eines erfindungsgemäßen Wälzlagers,
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2 eine schematische Schnittdarstellung des erfindungsgemäßen Wälzlagers gemäß 1,
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3 schematisch ein CVT-Getriebe mit Riemenscheiben und dem erfindungsgemäßen Wälzlager in der Draufsicht, und
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4 das CVT-Getriebe gemäß 3 im Schnitt IV-IV.
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Gemäß 1 weist ein erfindungsgemäßes Wälzlager 1 für eine in den 3 und 4 dargestellte Riemenscheibe 8b, 8d eines CVT-Getriebes 9 einen Innenring 2, einen Außenring 3 sowie radial zwischen dem Innenring 2 und dem Außenring 3 angeordnete Wälzkörper 4 auf. Die Wälzkörper 4 werden durch einen Käfig 7 geführt. Das Wälzlager 1 ist als Rillenkugellager ausgebildet. Somit sind die Wälzkörper 4 als Kugeln ausgebildet.
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Gemäß 2 ist teilweise am Innenring 2 sowie teilweise am Außenring 3 eine nasschemisch erzeugte Oxidschicht 5 zur Verminderung einer Anfälligkeit gegenüber White Etching Cracks ausgebildet. Mithin wird durch die Oxidschichten 5 eine Erhöhung der Widerstandsfähigkeit des Wälzlagers 1 gegenüber der Bildung von White Etching Cracks erzielt. Insbesondere ist die Oxidschicht 5 nur an einer Innenumfangsfläche des Außenrings 3 und an einer Außenumfangsfläche des Innenrings 2 ausgebildet. Die Oxidschicht 5 ist überwiegend aus Eisen(II, III)-Mischoxid (Fe3O4) gebildet und weist eine flächenspezifische Masse von 3,5 bis 7 g/m2 auf. Ein stöchiometrisches Verhältnis von Sauerstoff zu Eisen in der Oxidschicht beträgt 1,2 bis 1,4. Ein radiales Abmaß A des Außenrings 3 (inklusive der sehr dünnen Oxidschicht 5) beträgt 20% bis 40% eines Kugeldurchmessers 6 der Wälzkörper 4. Ferner weisen der Innenring 2 und der Außenring 3 und die Wälzkörper 4 eine Wärmebehandlung durch Carbonitrieren auf.
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3 zeigt ein CVT-Getriebe 9 mit Riemenscheiben 8a, 8b; 8c, 8d und einem Wälzlager 1. Eine jede Riemenscheibe 8a, 8b; 8c, 8d ist in Form einer Kegelscheibe ausgebildet, wobei jeweils zwei Kegelscheiben mit der abgeflachten Kegelspitze zueinander zeigend auf einer Getriebewelle 11a, 11b angeordnet sind. Dabei ist die Riemenscheibe 8b fest auf der Getriebewelle 11a angeordnet, während die der Riemenscheibe 8b gegenüberliegend angeordnete Riemenscheibe 8a längs der Getriebewelle 11a verschieblich gelagert ist (siehe Doppelpfeil). Die Riemenscheibe 8d ist ebenfalls fest auf der Getriebewelle 11b angeordnet, während die der Riemenscheibe 8d gegenüberliegend angeordnete Riemenscheibe 8c längs der Getriebewelle 11b verschieblich gelagert ist (siehe weiteren Doppelpfeil). Ein Riemen 10, dessen Lage hier lediglich gepunktet angedeutet ist, ist um die Kegelscheibenpaare auf den Getriebewellen 11a, 11b geführt, wobei ein Abstand des Riemens 10 von der jeweiligen Getriebewelle 11a, 11b von der gesteuert anfahrbaren Position der längs der Getriebewelle 11a, 11b verschieblich gelagerten Riemenscheibe(n) 8a, 8c abhängig ist. Je größer der Abstand zwischen den Kegelscheibenpaaren, desto näher gelangt der Riemen 10 an die Getriebewelle 11a, 11b heran. Die fest mit der Gehäusewelle 11a, 11b verbundene Riemenscheibe 8b, 8d ist beispielsweise mittels eines erfindungsgemäßen Wälzlagers 1 gegenüber einem hier nicht dargestellten Getriebegehäuse gelagert.
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Eines der Kegelscheibenpaare ist mit einem Antrieb verbunden, während das andere Kegelscheibenpaar mit einem Abtrieb verbunden ist. Wenn die Kegelscheiben weit voneinander entfernt sind, beschreibt der Riemen 10 einen kleinen Radius auf der Kegelfläche. Sind die Kegelscheiben dagegen nah beieinander, folgt das Zugmittel einem großen Radius auf der Kegelfläche. Die Kegelscheibenpaare bewegen sich dabei gegenläufig, damit bei gleich bleibender Zugmittellänge und Achsabstand das Zugmittel vorgespannt bleibt. Ein kleiner Zugmittel-Radius im angetriebenen Kegelscheibenpaar entspricht einem kleinen Gang eines konventionellen Getriebes, ein großer Radius einem großen Gang. Sind die Kegelscheiben weit voneinander entfernt und werden die Kegelscheiben zusammengedrückt, vergrößert sich der Radius und damit das Übersetzungsverhältnis von klein auf groß. Da dieser Vorgang stufenlos ist, verändert sich das Übersetzungsverhältnis ebenfalls stufenlos.
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Gemäß dem Ausführungsbeispiel in 3 sind die Wälzlager 1 im Bereich der Riemenscheiben 8b, 8d angeordnet. Alternativ oder zusätzlich kann auch auf Seiten der beweglich gelagerten Riemenscheiben 8a, 8c jeweils ein erfindungsgemäßes Wälzlager 1 auf der Getriebewelle 11a bzw. auf der Getriebewelle 11b vorgesehen sein.
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4 zeigt das CVT-Getriebe 9 gemäß 3 im Schnitt IV-IV. Dabei ist die Lage des Riemens 10 in der in 3 gezeigten Position dargestellt.
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Die Erfindung ist nicht beschränkt auf die zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele. Weitere Ausführungsbeispiele oder Weiterbildungsmöglichkeiten gehen insbesondere aus den Ansprüchen und der Beschreibung hervor. Beispielsweise können der Innenring 2 und der Außenring 3 vollständig mit der Oxidschicht 5 bedeckt sein. Ferner ist es auch denkbar, die Wälzkörper 4 mit der Oxidschicht 5 zu versehen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Wälzlager
- 2
- Innenring
- 3
- Außenring
- 4
- Wälzkörper
- 5
- Oxidschicht
- 6
- Kugeldurchmesser
- 7
- Käfig
- 8a, 8b, 8c, 8d
- Riemen- oder Kegelscheibe
- 9
- CVT-Getriebe
- 10
- Riemen/Kette
- 11a, 11b
- Getriebewelle
- A
- radiales Abmaß
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 2573195 A1 [0004, 0005]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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