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Die Erfindung betrifft ein Wälzlager für die Lagerung zwei zueinander relativ drehbaren Bauteilen, insbesondere für die Lagerung von Achsen oder Wellen in einem Antriebsstrangs eines Fahrzeugs.
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Im Stand der Technik sind Wälzlager bekannt.
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Wälzlager im Stand der Technik erfordern eine hohe Qualität der Laufflächen und stellen eine Geräuschquelle dar, welche bei bestimmten Anwendungen störend wirken. Daher sind bei den Laufflächen, insbesondere wenn Wälzkörper auf direkt an Bauteilen vorgesehenen Laufflächen laufen, sehr feine Fertigungstoleranzen einzuhalten und ein entsprechend hoher Aufwand hinsichtlich zeit- und/oder kostenintensive Fertigungsverfahren notwendig. Insbesondere bei modernen Fahrzeugen mit E-Antrieb, wie Hybrid- oder Elektrofahrzeugen, welche gegenüber klassischen Verbrennungsmotoren leiser sind, sowie den steigenden Komfortanforderungen treten Wälzlager und deren störende Geräusche stärker in den Vordergrund.
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Aufgabe der Erfindung ist es ein Wälzlager bereitzustellen, welches leiser ist. Weitere Aufgaben sind die Fertigung der Lagerung gegenüber dem Stand der Technik sowie die Montage zu vereinfachen.
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Gelöst wird die Aufgabe durch ein Wälzlager umfassend eine Mehrzahl von Wälzkörper, welche mit diesen radial innen und außen umgebenden Laufflächen zusammenwirken, wobei die Wälzkörper über einen Umfang verteilt sind, und einen Käfig, welcher Ausnehmungen aufweist, um die Wälzkörper aufzunehmen und über den Umfang zu positionieren, wobei der Käfig eine geringer Dicke in radialer Richtung aufweist als die Wälzkörper, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Wälzkörper verschiedene Mittelpunktwinkel vorgesehen sind, wodurch die Wälzkörper ungleichmäßig über den Umfang verteilt sind. Über den Käfig sind die Wälzkörper in Umfangsrichtung als auch vorzugsweise in axialer Richtung positioniert, wobei die Wälzkörper radial sowohl innen als auch außen über den Käfig vorstehen. Als Wälzkörper können Kugeln, Kegel, Zylinder oder sonstige beliebige rotationssymmetrische Formen verwendet werden. Die Mittelpunktwinkel ist hierbei der Winkel definiert, welcher jeweils zwischen zwei Geraden, die jeweils durch die Drehachse als gemeinsamen Scheitelpunkt und den jeweiligen Mittelpunkt zweier direkt benachbarter Wälzkörper verlaufen.
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Aufgrund der Fertigung können die Laufflächen, auf denen die Wälzkörper abrollen, Formfehler, wie Bearbeitungsspuren und/oder Formabweichungen hinsichtlich der Umfangsfläche, aufweisen. Bei jedem Überlauf eines Wälzkörpers über einen Formfehler entsteht eine Anregung, die Geräusche erzeugt. Durch die ungleichmäßige Anordnung der Wälzkörper über den Umfang, sind die Wälzkörper in Umfangsrichtung unterschiedlich weit beabstandet. Dadurch wird vermieden, dass eine derartige Anregung durch aufeinander folgende Wälzkörper nicht in einer konstanten, gleichmäßigen Zeitabfolge entsteht, wodurch die Anregung mit unterschiedlichen Frequenzen erfolgt und dadurch Resonanzen deutlich reduziert werden können. Hierdurch wird die Geräuschemission des Wälzlagers deutlich verringert.
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Ausführungsformen eines Wälzlagers sind dadurch gekennzeichnet, dass zwischen vier direkt benachbarte Wälzkörper zumindest zwei verschiedene Mittelpunktwinkel vorgesehen sind. Zwischen vier Wälzkörpern sind drei Mittelpunktwinkel vorhanden. Über den Umfang können mehrere gleiche Mittelpunktwinkel vorgesehen sein, wobei maximal zwei direkt benachbarte Mittelpunktwinkel gleich sein können. Durch gleiche Mittelpunktwinkel kann die Fertigung des Käfigs und des Wälzlagers einfacher gehalten werden und es wird eine gleichmäßigere Tragkraftverteilung über den Umfang erreicht. Der erfindungsgemäße Vorteil ist dadurch weiterhin erreichbar, wird jedoch gegebenenfalls durch eine geringere Anzahl von unterschiedlichen Mittelpunktwinkel und somit höherer Anzahl gleicher Mittelpunktwinkel reduziert.
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Wälzlager gemäß Ausführungsformen sind dadurch gekennzeichnet, dass über den Umfang verteilt keine zwei gleichen Mittelpunktwinkel direkt benachbart vorgesehen sind. Hierdurch wird vermieden, dass stets unterschiedliche Frequenzen für die Anregung vorliegen.
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Ausführungsformen eines Wälzlagers sind dadurch gekennzeichnet, dass die Mittelpunktwinkel zwischen direkt benachbarten Wälzkörpern in einem Bereich von 10° bis 30°, vorzugsweise 14° bis 22°, liegt. Die Wälzkörper müssen in Umfangsrichtung zueinander beabstandet sein, um unterschiedliche Mittelpunktwinkel zu erreichen. Um die Belastung auf die Wälzkörper beziehungsweise die über die Wälzkörper auf die Laufflächen wirkenden Tragkräfte gering zu halten, ist eine hohe Anzahl an Wälzkörper vorteilhaft, was jedoch im Gegenzug zu einer entsprechend erhöhten Anzahl von Anregungen pro Umlauf führt. Daher liegen die Mittelpunktwinkel im Bereich von 10° bis 30°, in diesem Bereich wird eine gute Tragkraft und entsprechend hohe Lebensdauer des Wälzlagers erreicht, und eine entsprechende zeitliche Spreizung der Anregung ist erreichbar. Um eine höhere Tragkraft durch zusätzliche Wälzkörper zu erreichen, kann der Mittelpunktwinkel auch im Bereich vom 14° bis 22° gewählt werden. Durch einen engeren Bereich wird der Unterschied in der Belastung der einzelnen Wälzkörper durch die Trag- oder Lagerkräfte verringert.
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Wälzlager gemäß Ausführungsformen sind dadurch gekennzeichnet, dass die Mittelpunktwinkel nicht symmetrisch über den Umfang verteilt angeordnet sind. Durch die Vermeidung von Symmetrien, sowohl Punkt- als auch Achssymmetrie, in den Mittelpunktwinkeln werden zusätzliche harmonische Anregungen aufgrund der Symmetrien pro Umlauf vermieden, was zu einer weiteren Geräuschreduzierung führt.
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Ausführungsformen eines Wälzlagers sind dadurch gekennzeichnet, dass der Käfig neben einer tangentialen Ausrichtung die Wälzkörper auch in zumindest jeweils einer der axialen und radialen Richtung führt, um die Wälzkörper im Käfig zu halten. Neben der Positionierung in Umfangsrichtung werden die Wälzkörper durch den Käfig vorteilhafterweise zusätzlich in weitere Richtungen gehalten. Insbesondere wenn das Wälzlager ohne eigenen Innen- und/oder Außenring ausgebildet ist und die entsprechende Lauffläche direkt auf einer Welle oder einem Gehäusebauteil ausgebildet ist, wird hierdurch die Handhabung sowie die Montage des Wälzlagers deutlich vereinfacht.
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Wälzlager gemäß Ausführungsformen sind dadurch gekennzeichnet, dass der Käfig keinen durchgängig geschlossenen Umfang aufweist und ein elastisches Material umfasst, oder dass der Käfig über den Umfang mehrteilig aus beweglich oder lösbar verbundenen Teilen besteht, um es aus radialer Richtung auf eine Welle montierbar zu machen. Bei einem Wälzlager ohne eigenen Innen- und Außenring kann durch ein elastisch verformbares Material für den Käfig sowie einen unterbrochenen Umfang der Käfig über eine temporäre Aufweitung am unterbrochenen Umfang das Wälzlager aus eine radialen Richtung auf der Welle aufgebracht werden. Bei einem steiferen Material für den Käfig kann der entsprechende Effekt durch eine elastische und/oder bewegliche Verbindung, wie einem bereichsweisen Elastomer-Abschnitt oder einem Gelenk oder Scharnier, beziehungsweise eine lösbare Verbindung, somit einer weitere Unterbrechung des Umfangs, zwischen Teilen des Käfigs erreicht werden. Prinzipiell kann eine lösbare Verbindung, wie eine Verrastung, Sicherungsstift oder Verschraubung, an Stellen mit unterbrochenem Umfang vorgesehen werden, wodurch die Positionierung und Stabilität des Wälzlagers verbessert werden.
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Ausführungsformen eines Wälzlagers sind dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Innenring oder ein Außenring vorgesehen sind, welcher den Käfig mit den Wälzkörper in Umfangsrichtung umgibt und eine der Laufflächen aufweist. Durch die Verwendung von Innen- und/oder Außenring kann aufgrund der reduzierten Anforderungen an die Oberflächenqualität die Fertigung der an der Lagerung beteiligten Bauteile, wie Welle und Gehäuse, vereinfacht und kostengünstiger werden.
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Wälzlager gemäß Ausführungsformen sind dadurch gekennzeichnet, dass die Wälzkörper zylinderförmig oder tonnenförmig ausgebildet sind. Zur Erhöhung der Tragkraft Wälzkörper weisen diese vorzugsweise einen Linienkontakt mit der Lauffläche auf, wodurch die Kontaktfläche vergrößert wird. Durch eine tonnenförmige Ausbildung können Belastungsspitzen an den axialen Enden vermieden werden.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist ein Antriebsstrang eines Fahrzeugs aufweisend eine Welle mit zumindest einem erfindungsgemäßen Wälzlager.
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Ebenfalls ein Aspekt der Erfindung ist ein Fahrzeug mit einem Antriebsstrang aufweisend zumindest ein erfindungsgemäßes Wälzlager.
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Die Merkmale der Ausführungsformen können beliebig miteinander kombiniert werden.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Figuren näher erläutert. Gleiche oder ähnliche Elemente werden mit einheitlichen Bezugszeichen bezeichnet. Die Figuren zeigen im Einzelnen:
- 1 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Ausführungsbeispiel eines Wälzlagers.
- 2 zeigt eine geschnittene Seitenansicht eines Ausführungsbeispiel.
- 3 zeigt eine Frequenzanalyse eines Wälzlagers gemäß dem Stand der Technik.
- 4 zeigt eine Frequenzanalyse eines Wälzlagers gemäß einem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels.
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1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Wälzlagers (10). Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist zur besseren Erkennbarkeit eine Ausführungsform ohne Innen- oder Außenring dargestellt, wobei die folgenden Angaben auch entsprechend für Ausführungsformen mit Innen- und/oder Außenring gelten können.
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Die Wälzkörper (20) sind in 1 zylinderförmig ausgebildet, wodurch ein relativ langer Linienkontakt mit den, nicht dargestellten, Laufflächen erreicht wird. Die Wälzkörper (20) sind in einem Käfig (30) aufgenommen und stehen jeweils radial innen und außen über die Umfangsflächen hervor.
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Zwischen dem Wälzkörpern (20) sind Stege (32) vorgesehen, durch welche der jeweilige Abstand in Umfangsrichtung zwischen benachbarten Wälzkörpern (20) festgelegt ist. Die Stege (32) sind an beiden axialen Enden über Ringabschnitte (33) verbunden und bilden zusammen den Käfig (30).
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Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist in einem Stegbereich ein unterbrochener Umfang (31) vorgesehen. Der Käfig (30), insbesondere die Ringabschnitte (33) sind hierbei aus einem Material gebildet, welches eine temporäre elastische Verformung ermöglicht, mit welcher der Käfig (30) am unterbrochenen Umfang (31) zumindest soweit geöffnet werden kann, dass das Wälzlager (10) über eine nicht dargestellte Welle aus radialer Richtung montiert werden kann.
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Vorteilhafterweise verläuft der unterbrochene Umfang (31) hierbei nicht entlang einer rein axial verlaufenden Trennung, sondern weist auch zumindest bereichsweise eine Trennung in Umfangsrichtung auf. Wie beispielsweise auch in 1 teilweise gezeigt, kann der unterbrochene Umfang (31) in Umfangsrichtung Stufen aufweisen. Durch diese in Umfangsrichtung verlaufende Komponente des unterbrochenen Umfangs (31) wird in axialer Richtung ein Formschluss erreicht, wodurch die mechanische Stabilität des Käfigs (30) und somit des Wälzlagers (10) verbessert wird.
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Alternativ oder kumulativ kann der unterbrochene Umfang (31) durch lösbare Verbindungen gebildet sein. Beispielsweise können in Umfangsrichtung überlappende Bereiche des unterbrochenen Umfangs (31) über Sicherungsstifte oder Schrauben miteinander verbunden werden. Es sind auch Ausführungsbeispiele möglich, bei denen an einem Ende des unterbrochenen Umfangs (31) zumindest ein, sich über einen Teil der Dicke des Käfigs (30) in radialer Richtung erstreckender, Rasthaken vorgesehen ist, welcher mit einer am anderen Ende des unterbrochenen Umfangs (31) vorgesehene Hinterschneidung beziehungsweise einem Durchbruch verrastbar ist. Bei entsprechender Ausgestaltung kann durch den Rasthaken gleichzeitig ein Formschluss in axialer Richtung erreicht werden.
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2 zeigt eine geschnittene Seitenansicht aus axialer Richtung eines Ausführungsbeispiels. Der prinzipielle Aufbau entspricht hierbei dem in 1.
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In 2 sind exemplarisch die Mittelpunktwinkel (40) zwischen einem Teil der Wälzkörper (20) eingezeichnet. Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind Mittelpunktwinkel (40) im Bereich von 14° bis 20° gezeigt. Aus ist es möglich, über den Umfang verteilt, mehrfach einen gleichen Mittelpunktwinkel (40) vorzusehen, was die Herstellung vereinfachen kann. Auch ist erkennbar, dass die Mittelpunktwinkel (40) keine symmetrische Anordnung oder einer konstanten, sich wiederholenden, Reihenfolge folgend vorgesehen sind. Insbesondere durch die Vermeidung dieser Symmetrien oder Reihenfolgen kann eine harmonische Anregung vermieden oder zumindest reduziert werden, was zu einer geringeren Geräuschemission führt.
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Bei Ausführungsformen mit zumindest einem unterbrochenen Umfang (31) ist vorzugsweise im Bereich des unterbrochenen Umfangs (31) der größte Mittelpunktwinkel (40) vorgesehen. Wie in 2 ersichtlich kann im Bereich des unterbrochenen Umfangs (31) der Mittelpunktwinkel (40) auch größer als der zwischen den weiteren Wälzkörpern (20) vorgesehene maximale Mittelpunktwinkel (40) von 20° sein.
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In 3 und 4 sind exemplarisch Akustikdiagramme eines Wälzlagers (10) gemäß dem Stand der Technik (3) beiziehungsweise einem entsprechende Abmessungen aufweisenden erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels (4) dargestellt. Hierbei ist jeweils die Intensität beziehungsweise Lautstärke über der Ordnung beziehungsweise Frequenz dargestellt. Neben einem gleichen Serienstreuband ist jeweils eines akustischen Fingerabdrucks des Prüflings dargestellt.
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In 3 sind die störenden Frequenzspitzen (NO) des Prüflings aus dem Stand der Technik markiert. Wie ersichtlich treten bei unterschiedlichen Ordnungen deutliche Spitzen auf, welche zu entsprechenden lauten Geräuschemissionen führen. Die Ursache hierfür ist insbesondere die regelmäßige Anregung von Schwingungen durch den Überlauf von Wälzkörpern (20) über Formfehler beziehungsweise Formabweichungen in den Laufflächen.
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Im Gegensatz zu 3 ist in 4 erkennbar, dass bei einem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel nur deutlich reduzierte Frequenzspitzen (N) auftreten. Durch die unterschiedlich beabstandeten Wälzkörper (20) wird eine konstante, harmonische Anregung vermieden oder zumindest reduziert, weshalb die reduzierten Frequenzspitzen (N) eine deutlich niedrigere Intensität aufweisen, hier ca. 64 bis 66dB im Gegensatz zu 68 bis 78dB im Referenzbeispiel in 3.
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Ein weiterer Effekt ist, dass sich die reduzierten Frequenzspitzen (N), insbesondere bei höheren Ordnungen, gegenüber dem Stand der Technik verbreitern. Dies führt zwar zu einer leichten Erhöhung mancher Frequenzen gegenüber dem Stand der Technik, wobei diese leichte Erhöhung allerdings in einem unkritischen Bereich bleibt. Es werden aber die störenden einzelnen Frequenzspitzen des Standes der Technik vermieden oder zumindest deutlich reduziert.
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Die Erfindung ist weiter auch nicht auf die beschriebenen Ausführungen eingeschränkt. Es können wie oben ausgeführt, auch nur einzelne vorteilhafte Merkmale vorgesehen und miteinander kombiniert werden.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Wälzlager
- 20
- Wälzkörper
- 30
- Käfig
- 31
- unterbrochener Umfang
- 32
- Steg
- 33
- Ringabschnitt
- 40
- Mittelpunktwinkel
- NO
- Frequenzspitzen (Stand der Technik)
- N
- reduzierte Frequenzspitzen
