DE102018126579A1

DE102018126579A1 - Axialwälzlager

Info

Publication number: DE102018126579A1
Application number: DE102018126579.4A
Authority: DE
Inventors: Thomas Weber; Georg Schmitz; Wolfgang Fugel
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2018-10-25
Filing date: 2018-10-25
Publication date: 2019-04-25

Abstract

Ein Axialwälzlager, insbesondere Axialkugellager, umfasst zwei Lagerscheiben (2, 3) und eine Vielzahl an zwischen den Lagerscheiben (2, 3) angeordneten, in Taschen (6) eines Käfigs (5) geführten Wälzkörpern (4), wobei durch den Käfig (5) zwei Randleisten (11, 12) gebildet sind, welche jeweils zwei Dichtleisten (7, 8, 9, 10) aufweisen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Axialwälzlager, insbesondere in Form eines Axialkugellagers, dessen Wälzkörper in einem Käfig geführt sind.
Ein derartiges Axialwälzlager ist beispielsweise aus der DE 10 2008 028 798 A1 bekannt. Dieses Axialwälzlager ist Teil eines Taumelscheibengetriebes.
Eine weitere Axialwälzlagerung, welche in einem Taumelscheibengetriebe zum Einsatz kommt, ist in der DE 10 2008 014 253 A1 offenbart. Die Wälzkörper, nämlich Kugeln, sind hierbei in einem Käfig geführt, welcher an seiner Außenseite Borde zum Zurückhalten von Lagerfett aufweist.
Ein weiterer Käfig für ein Axialkugellager ist in der DE 10 2016 205 440 A1 beschrieben. Dieser Käfig weist an Aufnahmetaschen für die Kugeln Haltenasenabschnitte auf, die aus einem Grundkörper des Käfigs mittels eines spanenden Verfahrens hergestellt sind.
In der DE 10 2012 222 625 A1 ist ein Wälzlager mit Dichteinrichtung offenbart. Eine Dichtwirkung ist hierbei jeweils zwischen dem Käfig des Wälzlagers und einem Lagerring hergestellt.
Ein weiterer Käfig für ein Kugellager, nämlich Radialkugellager, ist in der DE 89 03 768 U1 beschrieben. In diesem Fall ist ein Käfig selbst als Dichtmittel vorgesehen, welches zur Abdichtung gegenüber den Lagerringen des Kugellagers vorgesehen ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein gegenüber dem Stand der Technik unter schmierungs- und dichtungstechnischen Gesichtspunkten weiterentwickeltes Axialwälzlager, insbesondere Axialkugellager, anzugeben.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Axialwälzlager mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Das Axialwälzlager umfasst in an sich bekannter Grundkonzeption zwei Lagerscheiben sowie eine Mehrzahl zwischen den Lagerscheiben abrollender Wälzkörper, welche in Taschen eines Käfigs geführt sind. Erfindungsgemäß sind durch den Käfig zwei Randleisten, nämlich eine innere und eine äußere Randleiste, gebildet, welche jeweils zwei Dichtleisten aufweisen. Der Käfig weist somit insgesamt vier Dichtleisten auf.
Die Wälzkörper sind in dem Raum zwischen der inneren Randleiste und der äußeren Randleiste angeordnet. Weiter befindet sich in diesem Raum Freiraum, welcher als Fettreservoir nutzbar ist. Obwohl beim Betrieb des Axialwälzlagers Schmiermittel, insbesondere Fett, durch Zentrifugalkräfte tendenziell nach außen gefördert wird, wird nicht nur durch die äußere Randleiste, sondern auch durch die innere Randleiste ein Beitrag zur Zurückhaltung von Schmiermittel im Wälzlager geleistet.
In bevorzugter Ausgestaltung sind die Randleisten des Käfigs symmetrisch zueinander konturiert. Die Symmetrie bezieht sich hierbei auf eine Ebene, welche mittig durch eine Tasche des Käfigs gelegt ist. Eine durch den Mittelpunkt des Wälzkörpers gelegte Gerade, welche eine Tangente des Teilkreises des Axialwälzlagers darstellt, liegt in dieser Symmetrieebene. Durch die symmetrische Gestaltung des Käfigs bezüglich der genannten Ebene wird nicht nur die gewünschte Dichtwirkung hergestellt, sondern auch eine hohe mechanische Stabilität des Käfigs erzielt. Zudem bleibt auch bei thermischen Einflüssen die Dichtwirkung sowie die Stabilität des Käfigs erhalten.
Die beiden Randleisten des Käfigs, welche jeweils eine Dichtwirkung gegenüber der ersten Lagerscheibe ebenso wie gegenüber der zweiten Lagerscheibe herstellen, begrenzen einen insgesamt ringscheibenförmigen Mittelbereich des Käfigs. Sämtliche Taschen liegen im Mittelbereich des Käfigs. Am Rand der einzelnen Taschen sind in bevorzugter Ausgestaltung Taschenrandüberhöhungen gebildet, welche als Nasen der verbesserten Halterung der Wälzkörper dienen und einen ebenen, scheibenförmigen Bereich des Mittelbereichs in axialer Richtung des Käfigs überragen. Hierbei ragen die Nasen nicht so weit aus der Mittelebene des Käfigs heraus wie die Dichtleisten. Die Verteilung von Schmiermittel innerhalb des Axialwälzlagers wird damit durch die Nasen mehr gefördert als behindert. Insbesondere tragen die Nasen dazu bei, Schmiermittel zurück zu den Wälzkontakten zu führen. Der Fluss von Schmiermittel in Umfangsrichtung des Wälzlagers wird dagegen durch die Nasen nicht signifikant beeinträchtigt.
Durch die Dichtleisten des Käfigs können in Zusammenwirkung mit den Lagerscheiben grundsätzlich entweder berührende oder nicht berührende Dichtungen gebildet sein. Sofern ein Axialspiel zwischen den Lagerscheiben gegeben ist, ist die Dimensionierung des Käfigs auf dieses Spiel abgestimmt. Ebenso ist der Wälzkörperdurchhang, insbesondere Kugeldurchhang, vorzugsweise größer als das Axialspiel zwischen den Lagerscheiben.
Ein Einlaufen des Käfigs während des Betriebs des Axialwälzlagers stellt einen gewünschten Effekt dar. Durch das Einlaufen bilden sich rillenförmige Strukturen in den Lagerscheiben aus, welche die Dichtwirkung verstärken. Besonders vorteilhaft für das Einlaufen der Dichtleisten ist eine geringfügige Schrägstellung der durch die Dichtleisten gebildeten Dichtflächen gegenüber den Oberflächen der Lagerscheiben. Beispielsweise sind die durch den Käfig gebildeten Dichtflächen gegenüber den Lagerscheiben um + 0,5° bis - 3° schräggestellt. Die Schrägstellung ist nicht notwendigerweise über die gesamte Dichtfläche konstant. Beispielsweise kann durch eine Dichtfläche eine gewölbte Kontur gebildet sein. Gemäß einer möglichen Ausgestaltung ist zwischen einem konischen Flächenabschnitt der Dichtfläche und der zugeordneten Lagerscheibe ein Schrägstellungswinkel von mindestens 1° und höchstens 15° gegeben.
Im Vergleich zu der in Axialrichtung gemessenen Stärke des Käfigs, welche durch die vorzugsweise einheitliche Breite der Randleisten gegeben ist, weist der scheibenförmige Bereich zwischen den Randleisten eine relativ geringe Dicke auf. Beispielsweise beträgt die ohne Nasen oder sonstige Überhöhungen zu messende Dicke des scheibenförmigen Bereichs mindestens 25 %, jedoch nicht mehr als die Hälfte der in derselben Richtung, das heißt Axialrichtung, zu messenden Stärke des Käfigs. Zusätzlich zu dem ohnehin zwischen dem scheibenförmigen Bereich und den Lagerscheiben vorhandenen Freiraum kann der zur Aufnahme von Schmiermitteln zur Verfügung stehende Raum erweitert werden, indem nur ein Teil der Taschen mit Wälzkörpern bestückt wird. Damit wird sowohl die Fettaufnahmerate erhöht als auch die Beanspruchung des Schmierfettes reduziert.
Die Lagerscheiben des Axialwälzlagers sind rationell durch spanlose Verfahren herstellbar, das heißt als Blechteile ausführbar, wobei alternativ oder ergänzend auch spanabhebende Verfahren zum Einsatz kommen können.
Eine dünnwandige Ausführung der Lagerscheiben begünstigt in jedem Fall eine insgesamt in Axialrichtung schmale Bauform des Axialwälzlagers. Beispielsweise beträgt der Wälzkörperdurchmesser mindestens 65 % der in Axialrichtung gemessenen Dicke des Wälzlagers. Die Dicke des scheibenförmigen Bereichs des Käfigs weicht gemäß einer möglichen Ausgestaltung um nicht mehr als 25 % von der Stärke einer jeden Lagerscheibe ab.
Bei den Wälzkörpern des Axialwälzlagers handelt es sich vorzugsweise um Kugeln. Grundsätzlich kann das Axialwälzlager auch mit Wälzkörpern sonstiger Geometrie, beispielsweise mit Rollen oder Nadeln, bestückt sein. Der Käfig des Axialwälzlagers ist vorzugsweise aus Kunststoff gefertigt. Zusätzlich zum Käfig weist das Axialwälzlager vorzugsweise keine weiteren Dichtmittel auf.
Das Axialwälzlager ist unter anderem zur Verwendung in einem Taumelscheibengetriebe geeignet. Taumelscheibengetriebe kommen beispielsweise in Axialkolbenpumpen und -kompressoren zum Einsatz.
Nachfolgend werden zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Hierin zeigen:

1 ein Axialwälzlager in einer Schnittdarstellung,
2 das Axialwälzlager nach 1 in perspektivischer Ansicht,
3 und 4 einen Käfig des Axialwälzlagers nach 1,
5 ein Detail des Käfigs des Axialwälzlagers nach 1,
6 eine modifizierte Ausgestaltung eines Käfigs eines Axialwälzlagers.

Die folgenden Erläuterungen beziehen sich, soweit nicht anders angegeben, auf beide Ausführungsbeispiele. Einander entsprechende oder prinzipiell gleichwirkende Teile und Konturen sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
Ein insgesamt mit dem Bezugszeichen 1 gekennzeichnetes Axialwälzlager, nämlich Axialkugellager, weist zwei gleichartige Lagerscheiben 2, 3 auf, zwischen welchen Wälzkörper 4, das heißt Kugeln, abrollen. Die Lagerscheibe 2 fungiert beispielsweise als Gehäusescheibe und die Lagerscheibe 3 als Wellenscheibe des Axialkugellagers 1. Hinsichtlich der grundsätzlichen Funktion und möglichen Verwendung des Axialwälzlagers 1 wird auf den eingangs zitierten Stand der Technik verwiesen.
Die Mittelachse der beiden Lagerscheiben 2, 3 und damit des gesamten Axialkugellagers 1 ist mit M bezeichnet. Das Axialkugellager 1 weist einen Außendurchmesser D_a , einen Innendurchmesser D_i sowie eine in Axialrichtung zu messende Dicke D_L auf. Mit D_pw ist der Teilkreisdurchmesser des Axialkugellagers 1 bezeichnet. Der Teilkreis ist durch die Mittelpunkte sämtlicher Wälzkörper 4 gelegt. Ebenso ist die Mittelebene ME des Axialkugellagers 1 durch die Mittelpunkte der Wälzkörper 4 gelegt.
Das gesamte Axialkugellager 1 ist symmetrisch zur Mittelebene ME ausgebildet. Dies gilt auch für einen Käfig 5, in welchem die Wälzkörper 4 geführt sind. Der Käfig 5 ist einstückig aus Kunststoff gefertigt und weist eine Mehrzahl an Taschen 6 auf, wobei nur ein Teil der Taschen 6 mit Wälzkörpern 4 bestückt ist.
Zusätzlich zur Führung der Wälzkörper 4 hat der Käfig 5 auch die Funktion, Raum für Schmiermittel, vorzugsweise Fett, bereit zu stellen. Ein mit 18 bezeichneter Fettaufnahmeraum ist hierbei zwischen einer inneren Randleiste 11 und einer äußeren Randleiste 12 des Käfigs 5 gebildet. Durch die innere Randleiste 11 sind zwei innere Dichtleisten 7, 8; durch die äußere Randleiste 12 zwei äußere Dichtleisten 9, 10 gebildet. Im dargestellten Ausführungsbeispiel existieren zwischen den insgesamt vier Dichtleisten 7, 8, 9, 10 und den zwei Lagerscheiben 2, 3 Dichtspalte. Ebenso könnten Kontakte zwischen den Dichtleisten 7, 8, 9, 10 und den Lagerscheiben 2, 3, das heißt berührende Dichtungen, gegeben sein.
Die Wälzkörper 4 rollen auf rillenförmigen Laufbahnen 16, 17 der Lagerscheiben 2, 3 ab. Ein Axialspiel zwischen den Lagerscheiben 2, 3 ist derart groß, dass es beim Betrieb des Axialkugellagers 1 zu einem Kontakt zwischen den Randleisten 11, 12 des Käfigs 5 und beiden Lagerscheiben 2, 3 kommen kann. Solche Kontakte zwischen dem Käfig 5 und den Lagerscheiben 2, 3 sorgen dafür, dass die Randleisten 11, 12 etwas in die Lagerscheiben 2, 3 einlaufen. Die gewünschte Dichtwirkung wird damit während des Einlaufvorgangs des Axialkugellagers 1 verbessert. Gleichzeitig ist zu jedem Zeitpunkt ein reibungsarmer Betrieb des Axialkugellagers 1 gewährleistet.
Der Käfig 5 beschreibt, wie aus den 1 und 4 sowie aus 6 hervorgeht, einen knochenförmigen Querschnitt. Die Randleisten 11, 12 stellen hierbei die verdickten Endbereiche des „Knochens“ dar. Der zwischen den Randleisten 11, 12 liegende Bereich des Käfigs 5, welcher einstückig in die Randleisten 11, 12 übergeht, ist insgesamt als Mittelbereich 13 bezeichnet. Der Mittelbereich 13 ist größtenteils gebildet durch einen ebenen, scheibenförmigen Bereich 14, welcher durch die Taschen 6 unterbrochen ist. Auch Taschenrandüberhöhungen 15, welche auch als Nasen bezeichnet werden und sich am Rand einer jeden Tasche 6 befinden, sind dem Mittelbereich 13 zuzuordnen. Der Schmiermittelaufnahmeraum 18, das heißt Fettaufnahmeraum, des Axialkugellagers 1 befindet sich auf beiden Seiten des scheibenförmigen Bereichs 14 und ist durch die Randleisten 11, 12 radial nach innen beziehungsweise nach außen begrenzt.
In der Bauform nach 1 weisen die Dichtleisten 7, 8, 9, 10 im Querschnitt eine gekrümmte Form auf. In der modifizierten Bauform des Käfigs 5 nach 6 sind durch die Dichtleisten 7, 8, 9, 10 konische Dichtflächen 19 gebildet. Der mit α bezeichnete Winkel, um welchen die Dichtfläche 19 gegenüber der benachbarten Lagerscheibe 2, 3 schrägt gestellt ist, beträgt mindestens 1°, jedoch weniger als 15°.
Die beiden Lagerscheiben 2, 3 weisen in allen Fällen eine mit Ausnahme der Laufbahnen 16, 17 einheitliche Stärke S_L auf. Die mit S₁₄ bezeichnete Stärke des scheibenförmigen Bereichs 14 weicht von der Stärke S_L einer jeden Lagerscheibe 2, 3 um nicht mehr als 25 % ab. Die gesamte Dicke des Axialkugellagers 1 ist als Käfigstärke KS bezeichnet. Die Stärke S₁₄ beträgt mindestens ein Viertel und maximal die Hälfte der Käfigstärke KS.
Die mit h_ue bezeichnete, ebenso wie die Stärke S₁₄ in Axialrichtung des Käfigs 5 zu messende Höhe einer jeden Taschenrandüberhöhung 15 ist derart bemessen, dass jede Taschenrandüberhöhung 15 in jedem Betriebszustand des Axialkugellagers 1 von der nächstliegenden Lagerscheibe 2, 3 beabstandet bleibt.
Die Mittelachsen der einzelnen Taschen 6 sind mit TM bezeichnet. Jede Taschenmittelachse TM schneidet den Teilkreis des Axialkugellagers 1. Die Taschen 6 beschreiben sphärische Oberflächen, in denen die Wälzkörper 4 mit Spiel geführt sind. Der mit D_6i bezeichnete minimale Taschendurchmesser einer jeden Tasche 6 ist derart bemessen, dass der Wälzkörper 4 in die Tasche 6 einschnappbar ist. Mit D_6a ist der maximale Taschendurchmesser bezeichnet. Dieser ist in der Mittelebene ME zu messen. Durch die Konturen der Taschenrandüberhöhungen 15 ist ferner ein Taschenranddurchmesser D_TR definiert. Im Ausführungsbeispiel weist der Käfig 5 eine gerade Zahl, nämlich 18, an Taschen 6 auf. Außendurchmesser und Innendurchmesser des Käfigs 5 sind mit K_a beziehungsweise K_i bezeichnet. Das Axialkugellager 1 wird als befettetes Lager ohne weitere Abdichtung in einen im Wesentlichen schmiermittelfreien Raum betrieben. Die Befettung, welche allein durch den Käfig 5 im Fettaufnahmeraum 18 gehalten wird, ist hierbei als Lebensdauerschmierung ausgelegt.
Bezugszeichenliste

1: Axialwälzlager, Axialkugellager
2: Lagerscheibe
3: Lagerscheibe
4: Wälzkörper, Kugel
5: Käfig
6: Tasche
7: innere Dichtleiste
8: innere Dichtleiste
9: äußere Dichtleiste
10: äußere Dichtleiste
11: innere Randleiste
12: äußere Randleiste
13: Mittelbereich
14: scheibenförmiger Bereich
15: Taschenrandüberhöhung
16: Laufbahn
17: Laufbahn
18: Fettaufnahmeraum
19: Dichtfläche
α: Winkel
D_a: Außendurchmesser der Lagerscheibe
D_i: Innendurchmesser der Lagerscheibe
D_L: Dicke des Lagers
D_pw: Teilkreisdurchmesser
D_TR: Taschenranddurchmesser
D_6i: minimaler Taschendurchmesser
D_6a: maximaler Taschendurchmesser
h_ue: Ueberhöhungsbetrag
K_a: Käfigaußendurchmesser
K_i: Käfiginnendurchmesser
KS: Käfigstärke
M: Mittelachse
ME: Mittelebene
S_L: Stärke der Lagerscheibe
S₁₄: Stärke des scheibenförmigen Bereichs
TM: Taschenmittelachse

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102008028798 A1 [0002]
DE 102008014253 A1 [0003]
DE 102016205440 A1 [0004]
DE 102012222625 A1 [0005]
DE 8903768 U1 [0006]

Claims

Axialwälzlager, mit zwei Lagerscheiben (2, 3) und einer Vielzahl an zwischen den Lagerscheiben (2, 3) angeordneten, in Taschen (6) eines Käfigs (5) geführten Wälzkörpern (4), dadurch gekennzeichnet, dass durch den Käfig (5) zwei Randleisten (11, 12) gebildet sind, welche jeweils zwei Dichtleisten (7, 8, 9, 10) aufweisen.
Axialwälzlager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Randleisten (11, 12) symmetrisch zueinander konturiert sind.
Axialwälzlager nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Randleisten (11, 12) einstückig an einen Mittelbereich (13) des Käfigs (5) anschließen, wobei die Taschen (6) innerhalb des Mittelbereichs (13) liegen und am Rand jeder Tasche (6) gebildete Taschenrandüberhöhungen (15) einen ebenen, scheibenförmigen Bereich (14) des Mittelbereichs (13) des Käfigs (5) in dessen Axialrichtung überragen.
Axialwälzlager nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Taschenrandüberhöhungen (15) weniger weit in Axialrichtung aus dem scheibenförmigen Bereich (14) herausragen als die Dichtleisten (7, 8, 9, 10).
Axialwälzlager nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Dichtleisten (7, 8, 9, 10) Dichtflächen (19) gebildet sind, welche gegenüber den Lagerscheiben (2, 3) um einen Winkel (a) von mindestens 1° und höchstens 15° schräg gestellt sind.
Axialwälzlager nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke (S₁₄) des scheibenförmigen Bereichs (14) mindestens 25 %, jedoch nicht mehr als die Hälfte der in Axialrichtung zu messenden Stärke (KS) des Käfigs (5) beträgt.
Axialwälzlager nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke (S₁₄) des scheibenförmigen Bereichs (14) des Käfigs (5) um nicht mehr als 25 % von der Stärke (S_L) einer jeden Lagerscheibe (2, 3) abweicht.
Axialwälzlager nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass dieses Kugeln (4) als Wälzkörper aufweist und der Wälzkörperdurchmesser mindestens 65 % der in Axialrichtung gemessenen (D_L) Dicke des Wälzlagers beträgt.
Axialwälzlager nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass nur ein Teil der Taschen (5) mit Wälzkörpern (4) bestückt ist.
Axialwälzlager nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass dieses mit Fett geschmiert ist und als einzige Dichtmittel die durch den Käfig (5) gebildeten Dichtleisten (7, 8, 9, 10) aufweist.