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Die Erfindung betrifft ein Wälzlager mit zumindest einem Lagerring, der über wenigstens eine strukturierte Kontaktfläche mittels einer Fügeverbindung reibschlüssig an einem Maschinenteil befestigt ist.
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Bei hochbelasteten Wälzlagern besteht die Gefahr, dass sich der Lagersitz lockert und folglich der Lagerring im Lagersitz in Umfangs- oder in Axialrichtung wandert oder verdreht. Dieser unerwünschte Effekt führt zu einem nachteiligen Verschleiß der Füge- bzw. Kontaktflächen von dem Lagerring und/oder der Wellen- bzw. der Gehäuseaufnahme. Um diesem Nachteil zu begegnen, wurde beispielsweise die Pressung zwischen dem Lagerring und dem Gehäuse erhöht, ein Klebemittel eingesetzt oder der Lagerring durch Formschluss gesichert.
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Weiterhin ist es bekannt, eine der miteinander in Kontakt stehenden Füge- bzw. Kontaktflächen mit einer aufgerauten Struktur zu versehen. Diese Maßnahme vergrößert aufgrund der aufgerauten Struktur die Füge- bzw. Kontaktflächen der auch Presspassung genannten Fügeverbindung zur Fixierung eines Lagerringes oder eines Zahnrades in einer Bohrung, einer Gehäuseaufnahme oder auf einer Welle. Gleichzeitig vergrößert sich dadurch das Reibmoment und ermöglicht eine Erhöhung des übertragbaren Drehmoments.
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Gemäß der
EP 0 875 686 A1 ist zur Lagesicherung bzw. zur Lagefixierung des äußeren Lagerrings in einer Lagerbohrung zumindest eine Presssitzfläche der Fügeverbindung durch Kugelstrahlen strukturiert. Die sich dabei einstellenden Oberflächenverformungen führen zu einem erhöhten Reibwert.
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Gemäß der
DE 10 2004 013 673 A1 ist zur Lagesicherung von reibschlüssig in Lagerbohrungen eingesetzten Gleitlagerschalen vorgesehen, zumindest eine Kontaktfläche zwischen der Lagerbohrung und der Gleitlagerschale mit einer den Reibwert erhöhenden Mikrostruktur zu versehen. Die unregelmäßig ausgeführte, Mikrokrater einschließende Oberflächenstruktur wird durch ein Beaufschlagen mit Kleinpartikeln erreicht.
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Die
DE 103 25 910 A1 bezieht sich auf das Einbringen von einer Struktur in eine Innenumfangsfläche von einem Pleuelauge, die zur reibschlüssigen Aufnahme einer Lagerschale bestimmt ist. Dabei wird mittels eines Lasers eine Vertiefungen bildende Struktur in die innere Umfangsfläche eingebracht, als Maßnahme um die Lagesicherung der Lagerschale zu verbessern.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Wälzlager mit zumindest einem gewichtsoptimierten Lagerring bereitzustellen, der mittels einer einfachen Maßnahme und geringem Herstellungsaufwand kostengünstig herstellbar und über eine Fügeverbindung sicher lagefixiert ist
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale von Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, einen Lagerring einseitig mit einer stirnseitigen Fase zu versehen, wodurch sich die Kontaktfläche auf eine Breite reduziert ist, die ≤ 70 % einer Breite des Lagerrings entspricht. Weiterhin weist zumindest eine Kontaktfläche des Lagerrings eine durch ein Laserätzverfahren ausgeführte Mikrostruktur auf.
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Bei Wälzlagerungen kann eine hohe Betriebsbelastung eine elastische Verformung von Bauteilen verursachen, beispielsweise eine Mikrogleitbewegung des Lagerings in der Lagerringaufnahme, welche häufig eine Reibkorrosion zur Folge hat. Diese wird durch eine Mikrostruktur unterbunden, die sich aufgrund der erfindungsgemäßen Laserbehandlung einstellt, bei der sich eine den Reibwert erhöhende Oberflächentopographie bildet. Die Mikrostruktur an der Kontaktfläche erhöht deutlich den Reibwert, da die, auch Ränder genannten Aufwürfe der Laserpunkte wie Widerhaken wirken und sich in dem Material der gegenüberliegenden Fügefläche verkrallen bzw. eingraben. Diese strukturierte, die Reibung zwischen der Lagerring- bzw. Kontaktfläche und der Gegenfläche erhöhende Oberfläche ist in der Lage, das Drehmoment und folglich die Lebensdauer des Wälzlagers zu erhöhen. Vorzugsweise weist die erfindungsgemäße, zur Verbesserung des Lagerringsitzes hergestellte, lasergeätzte Struktur an der Kontaktfläche Aufwürfe mit einer Rautiefe von 3 bis 45 µm auf. Vorteilhaft erfordert das Erzeugen der Mikrostrukturen mittels eines Laserätzverfahrens keinerlei Vorbereitung und ist weiterhin mittels einer einfachen Maßnahme und mit geringem Aufwand realisierbar.
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Aus der
US 2015 071 579 A1 ist ein Wälzlager bekannt, bei dem sowohl der äußere Lagerring als auch der innere Lagerring eine radial gestufte Kontaktfläche aufweisen. Im Einbauzustand des beispielsweise als ein Tandemkugellager ausgeführten Wälzlagers sind die Stufen der Kontaktflächen so angeordnet, dass sich ein axialer Versatz zwischen den gestuften Abschnitten beider Lagerringe einstellt. Abweichend zu dieser bekannten Lösung stellt sich bei dem erfindungsgemäßen Konzept im Einbauzustand kein axialer Versatz zwischen den Kontaktflächen beider Lagerringe und folglich eine optimale Krafteinleitung bzw. Kraftübertragung des Wälzlagers ein.
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Auf der konstruktiven Grundlage der Erfindung kann ein Lagerring in einem Ringdesign mit einem deutlich reduzierten Gewicht bereitgestellt werden. Durch eine ergänzende strukturierte Kontaktfläche des Lagerrings wird gleichzeitig die Lagesicherung des Lagerrings entscheidend verbessert.
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Vorteilhaft sind die erfindungsgemäßen Maßnahmen zur Realisierung eines gewichtsoptimierten und lagefixierten Lagerrings, beispielsweise mittels einer spangebenden Bearbeitung sowie eines Laserätzverfahrens, einfach und kostengünstig durchführbar.
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Vorteilhaft führt die Fase an einer Stirnseite des Lagerrings zu einer Gewichtsreduzierung, ohne die Funktionalität zu beeinträchtigen. Abhängig insbesondere von dem Schrägungswinkel der Fase sowie einer Lagerringgröße bzw. Wandstärke des Lagerrings, kann die Gewichtsreduzierung zwischen 10% bis 25% betragen. Die dabei verkleinerte Kontaktfläche ist aufgrund der mittels einer Laserätztechnologie aufgebrachten Struktur ausreichend, um den Lagerring sicher zu fixieren. Die Auslegung der Lagerringfase erfolgt so, dass trotz reduzierter Querschnittsfläche der Lagerring stets eine noch ausreichende Steifigkeit besitzt, um allen Belastungen im Einbauzustand des Wälzlagers bestehen zu können.
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Bei einer Übertragung des erfindungsgemäßen Konzeptes beispielsweise auf die Lagerringe aller Wälzlager eines Getriebes ist eine erhebliche Gewichtsreduktion erzielbar, was sich gleichzeitig positiv auf das Fahrzeuggewicht auswirkt. Bevorzugt ist die erfindungsgemäße Gestaltung auf die Innen- und Außenringe von als Kegelrollenlager und Schrägkugellager ausgebildeten Wälzlagern anwendbar. Dabei sind die jeweils einseitig an den Lagerringen angebrachten Fasen an, voneinander abgewandten Stirnseiten an dem Innenring und dem Außenring vorgesehen. Vorteilhaft kann die gemäß der Erfindung ausgebildete Lagerringgestaltung auch auf weitere Wälzlagerkonzepte übertragen werden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist für die Fase des Lagerrings ein Schrägungswinkel α ≥ 30° zu der zugehörigen Kontaktfläche des Lagerrings vorgesehen. Mit diesem Schrägungswinkel kann eine gewünschte Gewichtsreduzierung eines Lagerrings von 10% bis 25% erreicht werden.
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Das erfindungsgemäße Konzept ist weiterhin für einen Längs- oder Querpresssitz des Lagerrings geeignet. Entsprechend ist dazu mittels einer Laserätztechnologie in eine stirnseitige Kontaktfläche des Lagerrings eine Mikrostruktur eingebracht, über die der Lagerring beispielsweise axial an einer Schulter eines Gehäuses kraftschlüssig abgestützt ist. Diese Maßnahme kann beispielsweise als reibwerterhöhende Maßnahme ergänzend zu einer laserstrukturierten Mantelfläche des Lagerrings vorgesehen werden. Vorteilhaft weist die stirnseitige Kontaktfläche des Lagerrings eine strahlenförm i-ge, ein Sonnenprofil bildende Mikrostruktur auf. Alternativ dazu bietet es sich an, die mittels Laserstrahlen behandelte Kontaktfläche des Lagerrings mit einem regelmäßigen Muster zu strukturieren. Beispielsweise kann die Mikrostruktur regelmäßig voneinander beabstandete Linien oder linienförmig verlaufende, insbesondere einander überkreuzende Vertiefungen unterschiedlicher Tiefe aufweisen. Bevorzugt sind die gelaserten Linien parallel, quer oder schräg zu einer Wellenachse ausgerichtet.
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Gemäß der Erfindung konzipierte Lagerringe eignen sich beispielsweise für als Kegelrollenlager, Tandem-Kugellager oder Schrägkugellager ausgeführte Wälzlager, die für ein Achs- oder Antriebssystem eines Fahrzeugs bestimmt sind, um beispielsweise das Gewicht eines Getriebes zu reduzieren.
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Bevorzugt werden derartige Wälzlager zur Lagerung von Ritzelwellen eines Differentialgetriebes eingesetzt.
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Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben. Die Erfindung ist jedoch nicht auf das gezeigte Ausführungsbeispiel beschränkt. Es zeigt:
- 1: ein Differentialgetriebe im Längsschnitt mit unterschiedlichen Wälzlagern, deren äußere Lagerringe jeweils mittels einer erfindungsgemäßen Struktur an einem Gehäuse positioniert sind;
- 2: ein Kegelrollenlager in einem Halbschnitt, dessen Lagerringe jeweils an einer Stirnseite eine Fase aufweisen;
- 3: eine Vorderansicht eines Lagerrings mit einer mittels Laser strukturierten Stirnseite;
- 4: eine vergrößerte Schnittdarstellung durch eine mittels Laser hergestellte Mikrostruktur.
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Die 1 zeigt ein für ein Fahrzeug bestimmtes Differentialgetriebe 1 im Längsschnitt, das erfindungsgemäß aufgebaute Wälzlager 2 zur Lagerung von verschiedenen Wellen einschließt. In jeder Lagerstelle ist ein herkömmlich aufgebautes Kegelrollen- oder Schrägkugellager einem erfindungsgemäßen Wälzlager 2 gegenübergestellt zur Verdeutlichung, dass das neu gestaltete Wälzlager 2 für verschiedene Wälzlagerausführungen einsetzbar ist. In der oberen Hälfte des Differentialgetriebes 1 sind die voneinander abweichend dimensionierten, als Kegelrollenlager ausgeführten Wälzlager jeweils mit der Bezugsziffer 2 versehen. In der unteren Hälfte sind unterschiedlich dimensionierte zweireihige Tandem-Schrägkugellager 3 sowie ein einreihiges Schrägkugellager 4 gezeigt. Nachfolgend werden die Einbausituation sowie der Aufbau des erfindungsgemäßen, als Kegelrollenlager ausgeführten Wälzlagers 2 beschrieben. Ein äußerer Lagerring 5 des Wälzlagers 2 ist kraftschlüssig bzw. reibschlüssig in eine Aufnahme 6 eines Gehäuses 7 bis zur axialen Anlage an einer Schulter 8 eingepresst. Ein innerer, auf eine Ritzelwelle 9 aufgepresster Lagerring 10 ist axial an einem Ritzel 11 abgestützt. Zwischen den Lagerringen 5, 10 sind an zugehörigen Laufbahnen als Kegelrollen ausgeführte Wälzkörper 12 geführt. Eine erfindungsgemäße Lagesicherung des äußeren Lagerrings 5 erfolgt über zumindest eine Kontaktfläche 13, 14, in die eine mittels eines Lasers strukturierte, einen Reibwert erhöhende Mikrostruktur 15, 18 (gezeigt in 3 und 4) eingebracht ist. Als Kontaktfläche 13 ist eine Mantelfläche vorgesehen, über die der äußere Lagerring 5 im Einbauzustand radial an der Aufnahme 6 des Gehäuses 7 abgestützt ist. Die Kontaktfläche 14 bildet eine in 3 gezeigte Stirnseite, über die der äußere Lagerring 5 an der Schulter 8 des Gehäuses 5 abgestützt ist.
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In der 2 ist das Wälzlager 2 als Einzelteil in einem Halbschnitt abgebildet, dessen Lagerringe 5 und 10 jeweils an voneinander abgewandten Seiten eine Fase 17, 19 einschließen, die jeweils eine Kontaktfläche 14, 16 als Stirnseite mit einer Kontaktfläche 13, 21, die eine Mantelfläche oder eine Innenkontur bildet, verbindet. Übereinstimmend verlaufen die Fasen 17, 19 unter einem Schrägungswinkel α ≥ 30°, wodurch sich die Breite B2 der Kontaktfläche 21 auf ≤ 70 % einer Breite B1 von dem Lagerring 10 reduziert.
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In 3 ist der äußere Lagerring 5 in einer Vorderansicht abgebildet, der eine mittels Laser strukturierte Stirnseite einschließt. Die strahlenförmig als ein Sonnenprofil ausgebildete Mikrostruktur 18 ist als Kontaktfläche 14 vorgesehen.
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Die 4 zeigt eine vergrößerte Schnittdarstellung der Mikrostruktur 15, die sich durch die Laserbehandlung der Kontaktfläche 13 des äußeren Lagerings 5 einstellt. Die Oberflächentopographie der Kontaktfläche 13 schließt Mikrokrater 20 ein, deren Kraterboden 22 unterhalb des ursprünglichen Oberflächenniveaus 23 liegt, während auch Kraterränder genannte Aufwürfe 24 das ursprüngliche Oberflächenniveau 24 übertreffen. Die Laserbehandlung ist ein Zufallsprozess, so dass sich eine zufällige Verteilung der Mikrokrater 20 auf der Kontaktfläche ergibt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Differentialgetriebe
- 2
- Wälzlager
- 3
- Schrägkugellager (zweireihig)
- 4
- Schrägkugellager (einreihig)
- 5
- Lagerring (außen)
- 6
- Aufnahme
- 7
- Gehäuse
- 8
- Schulter Lagerring (außen)
- 9
- Ritzelwelle
- 10
- Lagerring (innen)
- 11
- Ritzel
- 12
- Wälzkörper
- 13
- Kontaktfläche (radial)
- 14
- Kontaktfläche (axial)
- 15
- Mikrostruktur
- 16
- Kontaktfläche (axial)
- 17
- Fase
- 18
- Mikrostruktur
- 19
- Fase
- 20
- Mikrokrater
- 21
- Kontaktfläche (radial)
- 22
- Kraterboden
- 23
- Oberflächenniveau
- 24
- Aufwurf
- B1
- Breite Lagerring
- B2
- Breite Kontaktfläche
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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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.
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 0875686 A1 [0004]
- DE 102004013673 A1 [0005]
- DE 10325910 A1 [0006]
- US 2015071579 A1 [0011]
