DE102018120592A1

DE102018120592A1 - Pendelrollenlager

Info

Publication number: DE102018120592A1
Application number: DE102018120592.9A
Authority: DE
Inventors: Andreas Bierlein; Vishwas Manjunath
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2018-08-23
Filing date: 2018-08-23
Publication date: 2020-02-27
Also published as: WO2020038514A1

Abstract

Ein Pendelrollenlager weist einen inneren Lagerring (2), einen äußeren Lagerring (3), sowie zwei Reihen (5,6) zwischen den Lagerringen (2,3) abrollender, tonnenförmiger Wälzkörper (4) auf, wobei die Schmiegung der Wälzkörper (4) am Innenring (2) enger als am Außenring (3) ist. Am Innenring (2) beträgt die Schmiegung mindestens 100,25 % und maximal 114,66 %. Am Außenring (3) beträgt die Schmiegung mindestens das 1,001-fache und maximal das 1,147-fache der Schmiegung am Innenring (2).

Description

Die Erfindung betrifft ein zwei Reihen tonnenförmiger Wälzkörper aufweisendes Pendelrollenlager nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Derartige Tonnenrollenlager, welche verschiedene Käfigkonstruktionen zur Führung der Wälzkörper aufweisen, sind zum Beispiel aus den Dokumenten DE 10 2015 200 599 A1 , DE 10 2016 223 408 A1 und DE 10 2012 219 512 A1 bekannt.
Pendelrollenlager sind typischerweise zur Aufnahme hoher radialer sowie beidseitiger axialer Belastungen ausgelegt. Durch eine enge Schmiegung zwischen den tonnenförmigen Rollen und den Laufbahnen eines Pendelrollenlagers ist eine gleichmäßige Spannungsverteilung im Lager erzielbar. Beim Betrieb eines Pendelrollenlagers kann die Schränkung der Wälzkörper eine Rolle spielen. Die Schränkung hängt unter anderem von der Käfigkonstruktion sowie von der Geometrie und Oberflächenqualität der Wälzkörper und der Laufbahnen ab.
Bei einem in der US 5,586,826 A offenbarten Pendelrollenlager sollen Schrägstellungsmomente, die auf Wälzkörper wirken, durch ortsabhängige Reibungskräfte gezielt beeinflusst werden.
In der DE 23 34 394 C3 wird unter anderem auf die Schmiegung in Pendelrollenlagern eingegangen. Hierbei wird von einer kleinen Schmiegung gesprochen, wenn der Krümmungsradius der Wälzkörper klein ist, sodass die Wälzkörper im Wesentlichen nur in ihrem mittleren Bereich in Berührung mit der Laufbahn des Lagerrings sind. Diese in der DE 23 34 394 C3 zu findende Schmiegungs-Definition wird bei der vorliegenden Patentanmeldung nicht verwendet.
In der DE 29 12 544 A1 wird auf Schmiegungsverhältnisse in einem Pendelrollenlager eingegangen. Danach kann der Radius der Krümmung des Axialschnitt-Profils der Laufbahn eines Innenrings kleiner als der Radius der Krümmung des Axialschnitt-Profils der Außenringlaufbahn sein.
Geometrische Merkmale eines Rollenkörpers eines Pendelrollenlagers sind auch in der EP 2 461 056 A2 beschrieben. Erwähnt ist unter anderem ein sehr nah an Eins liegender, beispielsweise mehr als 0,98, insbesondere mehr als 0,99 betragender, Wert der Schmiegung am Außenring des Lagers.
Die EP 2 655 906 B1 offenbart ein Pendelrollenlager mit modifizierter sphärischer Geometrie. Bei diesem Lager weisen die Wälzkörper einen variierenden Krümmungsradius in Längsrichtung der Mittelachse des Wälzkörpers auf.
Weitere Möglichkeiten der Profilierung tonnenförmiger Wälzkörper sind in den Dokumenten US 6,132,097 A , US 4,227,754 A und US 3,910,656 A offenbart.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein gegenüber dem Stand der Technik weiterentwickeltes Pendelrollenlager anzugeben, welches sich durch besonders günstige reibungs- und schmierungstechnische Eigenschaften auszeichnet.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Pendelrollenlager mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Das Pendelrollenlager umfasst einen inneren Lagerring, einen äußeren Lagerring, sowie zwei Reihen zwischen den Lagerringen abrollender, tonnenförmiger Wälzkörper. Erfindungsgemäß ist die Schmiegung der Wälzkörper am Innenring enger als am Außenring. Dabei beträgt die Schmiegung am Innenring mindestens 100,25 % und maximal 114,66 %. Am Außenring beträgt die Schmiegung mindestens das 1,001-fache und maximal das 1,147-fache der Schmiegung am Innenring.
Die Schmiegung ist hierbei definiert als das Verhältnis zwischen dem Radius der Laufbahn des Lagerrings und dem Radius des Wälzkörpers, wobei dieser im selben Querschnitt wie die Laufbahn zu betrachten ist. Je näher der Wert der Schmiegung bei 1 beziehungsweise - in Prozent ausgedrückt - bei 100% ist, umso enger ist die Schmiegung. Die in Prozent ausgedrückte Schmiegung ist beim erfindungsgemäßen Pendelrollenlager somit am Innenring näher an 100% als am Außenring.
Die Rauheit der Laufbahnen des Außenrings des Pendelrollenlagers stimmt in einer möglichen Ausgestaltung mit der Rauheit der Laufbahnen des Innenrings überein. In alternativer Ausgestaltung ist der Mittenrauwert (Ra) der beiden Laufbahnen des Außenrings geringer als der Mittenrauwert (Ra) der beiden Laufbahnen des Innenrings.
Was die Oberflächeneigenschaft „Schiefe“, das heißt den dimensionslosen Rsk-Wert, betrifft, weisen in bevorzugter Bauform sowohl die insgesamt vier Laufbahnen der Lagerringe als auch die diese Laufbahnen kontaktierenden Laufbahnen der tonnenförmigen Wälzkörper einen Rsk-Wert auf, der zwischen minus 0,01 und minus 4,0 liegt. In den Rsk-Wert geht die dritte Potenz des quadratischen Mittenrauwerts ein. Auf die Norm DIN EN ISO 4287 wird verwiesen.
Es hat sich gezeigt, dass sich das Pendelrollenlager durch eine besonders geringe Reibung und damit durch eine besonders geringe Wärmeentwicklung auszeichnet. Vorzugsweise beträgt der Mittenrauwert der beiden Lagerringe nicht mehr als 0,1 µm.
Der Innenring des Pendelrollenlagers ist in diversen möglichen Bauformen frei von jeglichen Borden für den Anlauf der Wälzkörper. Gemäß einer anderen Bauform weist der Innenring einen festen Mittelbord auf. Ebenso kann ein loser Mittelbord zum Anlauf der Wälzkörper vorgesehen sein.
Bei den Komponenten Innenring, Außenring und Wälzkörper handelt es sich vorzugsweise um bainitisch gehärtete Lagerkomponenten. Die die Lagerringe kontaktierenden Laufbahnen der tonnenförmigen Wälzkörper beschreiben vorzugsweise ein logarithmisches Profil. Was einen logarithmisch profilierten Wälzkörper betrifft, wird beispielhaft auf die DE 10 2010 053 140 A1 hingewiesen.
Das Pendelrollenlager ist typischerweise symmetrisch zu seiner Mittelebene aufgebaut. Ebenso sind asymetrische Gestaltungen des Pendelrollenlagers möglich. Die Asymmetrie kann sich hierbei auf die Länge der Wälzkörper und/oder auf die Druckwinkel beziehen.
Der Vorteil der Erfindung liegt besonders darin, dass die Schmiegung am Innenring, die Schmiegung am Außenring, sowie die Profilierung der Tonnenrollen derart aufeinander abgestimmt sind, dass im Vergleich zu herkömmlichen Lagern sowohl die Lagerreibung verringert als auch die Lebensdauer erhöht ist. Insbesondere ist durch optimale Schmiegungen und Rauhigkeiten die Gleitreibung an Kontakten innerhalb des Pendelrollenlagers reduziert sowie die oberflächennahe Beanspruchung der Wälzkontakte verringert. Je nach Anwendung des Pendelrollenlagers können die genannten Parameter auf unterschiedliche, jeweils optimale Werte festgesetzt werden.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Hierin zeigen:

1 ein Pendelrollenlager in vereinfachter Darstellung,
2 in einem Diagramm die im Pendelrollenlager nach 1 sowie in einem Referenzlager auftretende maximale spezifische Gleitreibung,
3 in einem weiteren Diagramm Möglichkeiten der Modifikation von Parametern eines Pendelrollenlagers.

Ein insgesamt mit dem Bezugszeichen 1 gekennzeichnetes Pendelrollenlager umfasst zwei Lagerringe 2, 3, nämlich einen Innenring 2 und einen Außenring 3, welche jeweils ein- oder mehrteilig ausgeführt sein können. Zwischen den Lagerringen 2, 3 rollen tonnenförmige Wälzkörper 4 in zwei Reihen 5, 6 ab. Die Wälzkörper 4 sind in einem nicht dargestellten Käfig geführt. Sowohl bei den Lagerringen 2,3 als auch bei den Wälzkörpern 4 handelt es sich um bainitisch wärmebehandelte Lagerkomponenten.
Durch den Innenring 2 werden Laufbahnen 7, 8; durch den Außenring 3 Laufbahnen 9, 10 bereitgestellt. Unter Schmiegung wird das Verhältnis zwischen dem Radius der Laufbahn 7, 8, 9, 10 und dem im selben Längsschnitt zu betrachtenden Radius der Wälzkörper 4 verstanden. Beim Pendelrollenlager 1 ist die Schmiegung am Außenring 3 weiter als die Schmiegung am Innenring 2.
Die Schmiegung am Innenring 2 liegt bei beiden Wälzkörperreihen 5, 6 im Bereich von 100,25% bis 114,66%. Am Außenring 3 beträgt die Schmiegung mindestens das 1,001 -fache und maximal das 1,147-fache der Schmiegung am Innenring 2.
Der Mittenrauwert (Ra) der beiden Laufbahnen 9, 10 des Außenrings 3 ist ebenso wie der der Mittenrauwert (Ra) der beiden Laufbahnen 7, 8 des Innenrings 2 geringer als 0,1 µm. Gleiches gilt für die tonnenförmig gewölbten Laufbahnen sämtlicher Wälzkörper 4. Diese Laufbahnen der Wälzkörper 4, welche die Lagerringe 2, 3 kontaktieren, beschreiben jeweils ein logarithmisches Profil.
Die als Rsk-Wert ausgedrückte Schiefe der Laufbahnen 7, 8, 9, 10 der Lagerringe 2, 3 beträgt ebenso wie der RsK-Wert der Laufbahnen der Wälzkörper 4 mindestens minus 4,0 und maximal minus 0,01.
Wie aus 1 hervorgeht, befindet sich zwischen den Laufbahnen 7, 8 des Innenrings 2 keinerlei Bord, an welchem die Wälzkörper 4 anlaufen könnten. Dies heißt, dass in diesem Ausführungsbeispiel weder der Innenring 2 selbst einen solchen Bord bereitstellt, noch ein gesonderter, loser Ring zwischen den Wälzkörperreihen 5, 6 vorhanden ist.
Der Innenring 2 umgibt eine Welle 11. Der Außenring 3 ist in eine nicht dargestellte Umgebungskonstruktion eingebaut. Die Mittelachse des Innenrings 2 ist mit M_i , die Mittelachse des Außenrings 3 mit M_a bezeichnet. Zwischen den Mittelachsen M_i , M_a kann ein Schrägstellungswinkel α von bis zu 2 Grad gegeben sein.
Reibungseigenschaften des Pendelrollenlagers 1 sind in 2 aufgezeichnet. Das Pendelrollenlager 1 wurde hierbei bei einer Drehzahl von 500 Umdrehungen pro Minute und einer Radialkraft von 82 kN betrieben. Aufgezeichnet ist die maximale spezifische Gleitreibung N_sl_max in Watt pro Quadratmillimeter in Abhängigkeit vom Ort, bezogen auf die mit X_c bezeichnete Mittelachse des Wälzkörpers 4. Der Wert X_c = 0 mm entspricht somit der durch den Wälzkörper 4 gelegten Mittelebene.
In dem Diagramm nach 2 sind zwei Kennlinien KL1 und KL2 erkennbar. Die Kennlinie KL1 bezieht sich auf das Pendelrollenlager 1 nach 1, die Kennlinie KL2 auf ein nicht beanspruchtes Vergleichsbeispiel. Deutlich erkennbar ist die reduzierte maximale spezifische Gleitreibung N_sl_max beim Pendelrollenlager 1 nach 1. Im Vergleich zur herkömmlichen, nicht beanspruchten Lösung wird eine Reibungsreduzierung bis über 20% erreicht. Die sowohl beim Vergleichsbeispiel als auch beim Pendelrollenlager 1 gegebene unsymmetrische Verteilung der maximalen spezifischen Gleitreibung N_sl_max um die Mittelebene des Wälzkörpers 4 resultiert aus der unsymmetrischen Verteilung der Schlupfgeschwindigkeit entlang der Rolle, der Oberflächenrauhigkeit sowie der durch Schmiegung beeinflussten Kontaktpressung.
In 3 sind diverse mögliche, von der Lagerauslegung abhängige Zusammenhänge zwischen der Lebensdauer RL und dem Reibmoment FL veranschaulicht. Die gestrichelte, diagonal verlaufende Linie markiert eine Lagerauslegung, bei welcher die mit S_vA bezeichnete Schmiegung am Außenring mit der Schmiegung S_vI am Innenring übereinstimmt. Oberhalb dieser Linie sind nicht beanspruchte Lagerauslegungen zu finden, das heißt Lagerauslegungen, bei welchen die Schmiegung S_vA am Außenring kleiner als die Schmiegung S_vI am Innenring ist.
Beispielhaft ist in 4 eine herkömmliche Lagerauslegung HL markiert. Um, ausgehend von dieser Lagerauslegung, eine Verbesserung des Lagers zu erreichen, kann entweder eine Optimierung hinsichtlich der Lebensdauer RL oder hinsichtlich des Reibmoments FL vorgenommen werden, wie durch Pfeile in dem Diagramm angedeutet ist. Im Fall einer Optimierung des Reibmoments FL ist in dem skizzierten Fall eine Lagerauslegung L1 erreichbar. Soll die Lebensdauer RL gesteigert werden, so ist die Lagerauslegung L2 hierfür geeignet. Sowohl mit der Lagerauslegung L1 als auch mit der Lagerauslegung L2 ist ein Pendelrollenlager 1 bereitgestellt, in welchem die Merkmale des Patentanspruchs 1 realisiert sind.
Bezugszeichenliste

1: Pendelrollenlager
2: Innenring
3: Außenring
4: Wälzkörper
5: Reihe
6: Reihe
7: Laufbahn des Innenrings
8: Laufbahn des Innenrings
9: Laufbahn des Außenrings
10: Laufbahn des Außenrings
11: Welle
α: Schrägstellungswinkel
FL: Reibmoment
HL: herkömmliche Lagerauslegung
KL1: Kennlinie (Pendelrollenlager 1)
KL2: Kennlinie (Vergleichsbeispiel)
L1: Lagerauslegung
L2: Lagerauslegung
M_i: Mittelachse des Innenrings
M_a: Mittelachse des Außenrings
N_sl_max: maximale spezifische Gleitreibung
RL: Lebensdauer
S_vA: Schmiegung am Außenring
S_vI: Schmiegung am Innenring
X_c: Wälzkörper-Mittelachse

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 102015200599 A1 [0002]
DE 102016223408 A1 [0002]
DE 102012219512 A1 [0002]
US 5586826 A [0004]
DE 2334394 C3 [0005]
DE 2912544 A1 [0006]
EP 2461056 A2 [0007]
EP 2655906 B1 [0008]
US 6132097 A [0009]
US 4227754 A [0009]
US 3910656 A [0009]
DE 102010053140 A1 [0017]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Norm DIN EN ISO 4287 [0014]

Claims

Pendelrollenlager, mit einem inneren Lagerring (2), einem äußeren Lagerring (3), sowie zwei Reihen (5,6) zwischen den Lagerringen (2,3) abrollender, tonnenförmiger Wälzkörper (4), dadurch gekennzeichnet, dass die Schmiegung der Wälzkörper (4) am Innenring (2) mindestens 100,25 % und maximal 114,66 % und die Schmiegung am Außenring (3) mindestens das 1,001-fache und maximal das 1,147-fache der Schmiegung am Innenring (2) beträgt.
Pendelrollenlager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Rauheit der Laufbahnen (9,10) des Außenrings (3) mit der Rauheit der Laufbahnen (7,8) des Innenrings (2) übereinstimmt.
Pendelrollenlager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Rauheit der Laufbahnen (9,10) des Außenrings (3) geringer als die Rauheit der Laufbahnen (7,8) des Innenrings (2) ist.
Pendelrollenlager nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Mittenrauwert (Ra) der Laufbahnen (7,8,9,10) weniger als 0,1 µm beträgt.
Pendelrollenlager nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Schiefe (Rsk) der Laufbahnen (7,8,9,10) der Lagerringe (2,3) sowie der Laufbahnen der Wälzkörper (4) -0,01 bis -4,0 beträgt.
Pendelrollenlager nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenring (2) frei von Borden für den Anlauf von Wälzkörpern ist.
Pendelrollenlager nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Innenring (2) und dem Außenring (3) ein Mittelbord für den Anlauf von Wälzkörpern (4) angeordnet ist.
Pendelrollenlager nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Mittelbord durch den Innenring (2) gebildet ist.
Pendelrollenlager nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagerringe (2,3) sowie die Wälzkörper (4) als bainitisch wärmebehandelte Lagerteile ausgebildet sind.
Pendelrollenlager nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Laufbahn eines jeden Wälzkörpers (4) logarithmisch profiliert ist.