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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein mit Vorspannung zusammengebautes
Kegelrollenlager, das beispielsweise in Differentialeinheiten, Getrieben
etc. Verwendung finden kann.
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Das
DE-Buch, M. Albert/H. Köttritsch,
Wälzlager,
Theorie und Praxis, Springer Verlag Wien, New York, 1987, S. 154,
336, 337, enthält
eine Tabelle über "Fertigungsverfahren
und erzielbare Oberflächenrauheiten", wobei zahlreiche
Fertigungsverfahren Oberflächenrauheiten
liefern, die größer sind
als 0,04 μmRa.
Außerdem
ist angegeben, dass eine Kegelrolle verschiedenen Bearbeitungsvorgängen unterliegt,
beispielsweise "Stirnseite
schleifen".
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In
US 6,086,262 A ist
ein Kegelrollenlager beschrieben, bei dem das Verhältnis (σ
1 2 + σ
2 2)½ nicht
größer ist
als 0,3 μmRa,
wobei σ
1 die Rauheit der großen Stirnfläche und σ
2 die
Rauheit der damit zusammenwirkenden Stirnfläche des Innenringes des Kegelrollenlagers
ist.
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In
AT 97274 ist ein Kegelrollenlager
beschrieben, bei dem die gegen den Druckflansch des Laufringes anliegende
Stirnseite der Kegelrollen sphärische
Form hat, während
die Anlagefläche
des Druckflansches eine solche Form hat, dass die Berührung zwischen
den beiden Flächen
längs einer Fläche oder
einer Linie stattfindet, die sich in Richtung des Rollens erstreckt,
um die Rollen am Kippen zu verhindern.
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Schließlich ist
aus
DE 40 16 492 A1 ein
Radialrollenlager bekannt, bei dem die den Kegelrollen zugewandte
Oberfläche
des Innenrings konkav geformt ist und einen Krümmungsradius R
1 aufweist, der
das 2- bis 10fache des Krümmungsradius
R der größeren Stirnfläche der
Kegelrollen beträgt.
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Bei
Kegellagern, die beispielsweise in Differentialeinheiten, Getrieben
etc. von Automobilen Verwendung finden, wird die im Montagevorgang
aufgebrachte Vorspannung durch ein Drehmoment mit niedriger Drehzahl
geregelt. Große
Schwankungen dieses Drehmoments mit niedriger Drehzahl (Montagedrehmoment)
können
gegebenenfalls zu Fehlern wie einem vorzeitigen Blockieren aufgrund übermäßig hoher
Vorspannung und zu Beeinträchtigungen der
Festigkeit durch übermäßig niedrige
Vorspannung führen.
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Um
dem Kegelrollenlager eine geeignete Vorspannung zu vermitteln, ist
es erforderlich, dass das Montagedrehmoment weniger variiert und
weniger fluktuiert.
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Das
Montagedrehmoment eines Kegelrollenlagers ergibt sich in den meisten
Fällen
aus der Reibung zwischen der Kegelrückenrippenfläche des
inneren Rings und der größeren Stirnfläche des
Kegels. Daher wird der Reibungskoeffizient, d.h. das Drehmoment,
durch die Oberflächenrauheit
der Kegelrückenrippenfläche des
inneren Rings und der größeren Stirnfläche des
Kegels, die Dicke eines zwischen der Kegelrückenrippenfläche des
inneren Rings und der größeren Stirnfläche des
Kegels zu bildenden Ölfilms,
die Kontaktposition zwischen der Rippenfläche und der Stirnfläche und
dergleichen in hohem Maße
beeinflusst.
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Eine
allgemein verwendete Technik zur Drehmomentstabilisierung sieht
vor, dass die Rippenfläche
und die Kegelstirnfläche
angeraut sind. Ferner ist es häufig
der Fall, dass die Rippenrauheit σ1 und die Kegelstirnflächenrauheit σ2 durch
eine zusammengesetzte Rauheit σ wiedergegeben
werden, die sich aus der folgenden Formel (1) ergibt: σ =
(σ15 + σ25)2 (1) wobei das
Montagedrehmoment durch die zusammengesetzte Rauheit σ geregelt
wird.
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Es
besteht jedoch zwischen der Rippenfläche und der Kegelstirnfläche ein
Unterschied im Ausmaß der
Auswirkung des Montagedrehmoments. Untersuchungen haben gezeigt,
dass das Montagedrehmoment durch die zusammengesetzte Rauheit σ allein nicht
ausreichend geregelt werden kann.
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Da
der Kontaktbereich zwischen der Rippenfläche und der Kegelstirnfläche aufgrund
von Reibung über
die Betriebszeit in der Oberflächenrauheit und
-konfiguration variiert, nimmt die Vorspannung des Kegelrollenlagers
gegenüber
dem Beginn des Betriebs ab. Die Vorspannungsschwankung steigt ferner
mit zunehmender Rauheit der Rippenfläche und der Kegelstirnfläche, d.h.
mit zunehmender zusammengesetzter Rauheit.
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Aus
diesem Grund war es bisher für
herkömmliche
Ausbildungen schwierig, gleichzeitig ein zufriedenstellendes Beibehalten
der Vorspannung und ein konstantes Montagedrehmoment zu erreichen.
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Zwischenzeitlich
hat sich die Fähigkeit
zum Beibehalten der Vorspannung (wobei nur eine geringe Vorspannungsschwankung
vorliegt) zu einer wichtigen Eigenschaft entwickelt, die von Kunden
zusätzlich
zur Forderung nach einer geringen Schwankung des Montagedrehmoments
gefordert wird.
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Es
ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Kegelrollenlager
zu schaffen, das in der Lage ist, das Montagedrehmoment zu stabilisieren
und die Fähigkeit
des Haltens der Vorspannung zu verbessern.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen
des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1 gelöst.
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Da
bei dem erfindungsgemäß aufgebauten Kegelrollenlager
die Rauheit σ1 der größeren Stirnfläche des
Kegels auf mindestens 0,04 μmRa
eingestellt ist, wird das Rotationsdrehmoment (Montagedrehmoment)
generell konstant (Durchschnittswert: 1,00–1,18 Nm) und geringer in der
Fluktuation (maximal 0,13 Nm) über
einen Bereich, in dem die Rauheit σ2 der
Kegelrückenrippenfläche 0,03–0,23 μmRa (Mittellinien-Durchschnittsrauheit)
beträgt,
wie in 4 dargestellt. Wenn die Rauheit σ1 der
größeren Stirnfläche des
Kegels auf 0,02 μmRa
eingestellt ist, sind die Drehmomentschwankungen erheblich größer (maximale
Schwankung: 0,58 Nm), so dass das Rotationsdrehmoment über einen
Bereich von 0,58–1,02
Nm unter dem Einwirken der Rippenflächenrauheit σ2 variiert.
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Da
die zusammengesetzte Rauheit σ =
(σ15 + σ25)2 auf höchstens
0,17 μmRa
eingestellt ist, kann die Vorspannungshalterate in der Regressionskurve auf
einen Wert von 90% oder mehr gebracht werden, wie in 7 dargestellt.
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Da
ferner das Krümmungsradiusverhältnis R1/R2,
das sich aus dem Dividieren des konvexen Krümmungsradius R1 der großen Stirnfläche des
Kegels durch den konkaven Krümmungsradius
R2 der Kegelrückenrippenfläche des
inneren Rings ergibt, auf höchstens
0,35 eingestellt ist, verringert sich die Schwankung (1,03–1,18 Nm)
und auch die Fluktuation (maximal 0,13 Nm) des Rotationsdrehmoments über einen
Bereich, in dem die zusammengesetzte Rauheit σ 0,05–0,22 μmRa beträgt, wie in 6 dargestellt.
Wenn das Krümmungsradiusverhältnis R1/R2
auf 0,69 eingestellt wird, also auf einen größeren Wert als 0,35, verringert
sich der Durchschnittswert des Rotationsdrehmoments (0,89 Nm) und
dessen Fluktuation wird höher
(maximal 0,40 Nm), bei einer zusammengesetzten Rauheit σ = 0,05 μmRa.
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Selbst
wenn die zusammengesetzte Rauheit σ wie in 5 dargestellt
im wesentlichen gleich gehalten wird, bewirkt eine Veränderung
der Kegelstirn flächenrauheit σ1 eine
Veränderung
des Durchschnittswerts und der Fluktuation des Rotationsdrehmoments,
so dass das Rotationsdrehmoment nicht allein durch die zusammengesetzte
Rauheit σ geregelt
werden kann. Das heißt,
die Kegelstirnflächenrauheit σ1 hat
eine stärkere
Auswirkung auf das Drehmoment bei geringen Drehzahlen als die Rippenflächenrauheit σ2,
weshalb die Regelung der Kegelstirnflächenrauheit σ1 für die Stabilisierung
des Montagedrehmoments wichtig ist.
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Das
erfindungsgemäß aufgebaute
Kegelrollenlager ermöglicht
gleichzeitig eine Stabilisierung des Montagedrehmoments und ein
Beibehalten der Vorspannung.
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Nach
einem Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist die Kegelstirnflächenrauheit σ1 des
Kegels auf maximal 0,10 μmRa
eingestellt, während
die zusammengesetzte Rauheit σ auf
maximal 0,12 μmRa und
das Krümmungsradiusverhältnis R1/R2
auf mindestens 0,07 eingestellt ist.
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Da
bei diesem Ausführungsbeispiel
die Kegelstirnflächenrauheit σ1 auf
mindestens 0,04 μmRa und
maximal 0,10 μRa
eingestellt ist, kann das Rotationsdrehmoment mit dem Durchschnittswert
in einen Bereich von 1,00–1,11
Nm liegen, so dass das Rotationsdrehmoment noch stärker einem
konstanten Wert angenähert
werden kann, wie in 4 dargestellt.
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Da
die zusammengesetzte Rauheit σ auf höchstens
0,12 μmRa
eingestellt ist, kann die Vorspannungshalterate auf einer Regressionskurve
auf einen Wert von 92% oder mehr gebracht werden, wie in 7 dargestellt.
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Da
das Krümmungsradiusverhältnis R1/R2 auf
mindestens 0,07 und nicht mehr als 0,35 eingestellt ist, verringert
sich die Schwankung des Rotationsdrehmoments (1,03–1,18 Nm)
und auch die Fluktuation (maximal 0,13 Nm) über einen Bereich, in dem die
zusammengesetzte Rauheit σ 0,05–0,22 μmRa beträgt, wie
in 6 dargestellt.
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Die
Tatsache, dass das Krümmungsradiusverhältnis R1/R2
nicht kleiner als 0,07 ist, bedeutet, dass der Krümmungsradius
R2 der Kegelrückenrippenfläche des
inneren Rings nicht unendlich ist, und dass die Kegelrückenrippenfläche nicht
so flach ist wie in 2 dargestellt, sondern eine
konkave gebogene Fläche
bildet wie in 3 gezeigt. Daher ist das Bilden
eines Ölfilms
zwischen der Kegelrückenrippenfläche und
der Kegelstirnfläche
vereinfacht, so dass auch der Kontaktflächendruck verringert wird. Somit
werden die Vorspannungshaltefähigkeit
und der Widerstand gegen Blockieren verbessert.
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Ein
umfassenderes Verständnis
der vorliegenden Erfindung ergibt sich aus der nachfolgenden detaillierten
Beschreibung in Zusammenhang mit den zugehörigen Zeichnungen, welche zeigen:
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1 – eine Schnittdarstellung
eines Ausführungsbeispiels
des erfindungsgemäßen Kegelrollenlagers;
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2 – eine teilweise
geschnittene Darstellung einer Modifizierung des Ausführungsbeispiels, bei
der die Rippenfläche
flach ist;
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3 – eine teilweise
geschnittene Darstellung einer Modifizierung des Ausführungsbeispiels, bei
der die Rippenfläche
gebogen ist;
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4 – eine Kurve
zur Darstellung der Beziehung zwischen dem Rotationsdrehmoment und der
Kegelstirnflächenrauheit
(Rippenflächenrauheit) in
dem Ausführungsbeispiel;
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5 – eine Kurve
zur Darstellung der Beziehung zwischen dem Rotationsdrehmoment und der
zusammengesetzten Rauheit;
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6 – eine Kurve
zur Darstellung der Beziehung zwischen dem Rotationsdrehmoment und dem
Krümmungsradiusverhältnis R1/R2;
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7 – eine Kurve
zur Darstellung der Beziehung zwischen der Vorspannungshalterate
und der zusammengesetzten Rauheit;
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8 – eine Darstellung
einer Tabellenliste mit Daten der Kurvendarstellung von 4;
und
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9 – eine Darstellung
einer Tabellenliste mit Daten der Kurvendarstellung von 6.
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Im
folgenden wird die vorliegende Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen
näher beschrieben,
welche in den zugehörigen
Zeichnungen dargestellt sind.
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1 zeigt
einen Schnitt durch ein Ausführungsbeispiel
des erfindungsgemäßen Kegelrollenlagers.
Dieses Kegelrollenlager weist einen inneren Ring 1 und
einen äußeren Ring 2 sowie
mehrere Kegelkörper 3 auf,
die zwischen dem inneren Ring 1 und dem äußeren Ring 2 mit
einem bestimmten gegenseitigen Abstand umfangsmäßig angeordnet sind. Die Kegelkörper 3 werden
von einem ringförmigen
Käfig 5 im
wesentlichen äquidistant
gehalten.
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Bei
diesem Ausführungsbeispiel
ist die Oberflächenrauheit σ1 der
großen
Stirnfläche
der Kegelkörper 3 auf
mindestens 0,04 μmRa
und höchstens 0,10 μmRa eingestellt.
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Angenommen,
die Oberflächenrauheit
einer Kegelrückenrippenfläche 8 des
inneren Rings 1, die in Gleitkontakt mit der großen Stirnfläche 7 des
jeweiligen Kegelkörpers 3 steht,
ist σ2, so beträgt die aus der Oberflächenrauheit σ1 der
großen
Stirnfläche 7 des
Kegelkörpers 3 und
der Oberflächenrauheit
einer Kegelrückenrippenfläche 8 zusammengesetzte
Rauheit σ nicht
mehr als 0,12 μmRa.
Das heißt,
die zusammengesetzte Rauheit σ =
(σ15 + σ25)2 beträgt höchstens
0,12 μmRa.
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Bei
diesem Ausführungsbeispiel
beträgt,
wie in 3 dargestellt, ferner das Krümmungsradiusverhältnis R1/R2,
das sich aus dem Dividieren des konvexen Krümmungsradius R1 der großen Stirnfläche 7 des
Kegelkörpers 3 durch
den konkaven Krümmungsradius
R2 der Kegelrückenrippenfläche 8 des inneren
Rings 1 erhalten wird, nicht weniger als 0,07 und nicht
mehr als 0,35.
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Da
bei dem derart ausgestalteten Kegelrollenlager die Oberflächenrauheit σ1 der
großen
Stirnfläche 7 des
Kegelkörpers 3 auf
nicht weniger als 0,04 μmRa
und nicht mehr als 0,10 μmRa
eingestellt ist, kann bewirkt werden, dass die Durchschnittswerte
des Rotationsdrehmoments in den Bereich von 1,00–1,11 (Nm) fallen, während die
Rippenrauheit in einem Bereich zwischen 0,03–0,23 μmRa liegt, wie in der Kurvendarstellung
von 4 und der die numerischen Daten angebenden Liste
von 8 gezeigt. Ferner beträgt die Variation des Durchschnittswerts (Differenz
zwischen maximalem und minimalem Wert (Fluktuation)) des Rotationsdrehmoments
höchstens 0,13.
Somit kann das Rotationsdrehmoment einem konstanten Wert angenähert werden.
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Da
bei diesem Ausführungsbeispiel
die zusammengesetzte Rauheit σ auf
nicht mehr als 0,12 μmRa
eingestellt ist, ist es möglich,
die Vorspannungshalterate in einer Regressionskurve auf einen Wert
von 92% oder mehr zu halten, wie in 7 dargestellt. 7 zeigt
Meßbeispiele
von Vorspannungsvariationen nach dem Betrieb des unter Vorspannung
in einer bestimmten Position zusammengesetzten Lagers über eine
vorbestimmte Zeit (20 Stunden), wobei zwei Kegelrollenlager mit
einer aufgebrachten Vorspannung 20 Stunden bei einer Drehzahl von
2000 U/min unter Verwendung von Getriebeöl 85W-90 und bei einer Öltemeperatur
von 70°C betrieben
wurden. Die jeweilige Vorspannung wurde nach dem Abkühlen gemessen.
In diesem Fall betrug das Verhältnis
R1/R2 maximal 0,35.
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Da
das Krümmungsradiusverhältnis R1/R2 auf
mindestens 0,07 und höchstens
0,35 eingestellt war, nimmt bei diesem Ausführungsbeispiel die Variation
des Rotationsdrehmoments (Durchschnittswert: 1,03–1,18 Nm)
sowie die Differenz (Fluktuation) (maximal 0,13 Nm) über einen
Bereich ab, in dem die zusammengesetzte Rauheit σ 0,05–0,22 μmRa beträgt, wie in der Kurve von 6 und
der die numerischen Daten angebenden Liste von 9 gezeigt. Wenn
das Krümmungsradiusverhältnis R1/R2
auf 0,69, also größer als
0,35, eingestellt ist, wird der Durchschnittswert des Rotationsdrehmoments
bei einer zusammengesetzten Rauheit σ = 0,05 μmRa geringer (0,89 Nm) und die
Variation nimmt zu (maximal 0,40 Nm).
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Ein
Krümmungsradiusverhältnis R1/R2
von mindestens 0,07 bedeutet ferner, dass der Krümmungsradius R2 der Kegelrückenrippenfläche 8 des inneren
Rings 1 nicht unbegrenzt ist, und dass die Kegelrückenrippenfläche 8 nicht
so flach ist wie in 2 dargestellt, sondern eine
konkave gebogene Fläche
bildet wie in 3 gezeigt. Daher ist das Bilden
eines Ölfilms
zwischen der Kegelrückenrippenfläche 8 und
der Kegelstirnfläche 7 vereinfacht,
so dass auch der Kontaktflächendruck
verringert wird. Somit werden die Vorspannungshaltefähigkeit
und der Widerstand gegen Blockieren verbessert.
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In
diesem Zusammenhang haben Versuche ergeben, dass selbst, wenn die
zusammengesetzte Rauheit σ (μmRa) im wesentlichen
unverändert bleibt,
wie in 5 gezeigt, bewirkt eine Änderung der Kegelstirnflächenrauheit σ1 von
0,04 μmRa
zu 0,02 μmRa
eine erhebliche Veränderung
des Durchschnittswerts und der Fluktuation des Rotationsdrehmoments,
so dass das Rotationsdrehmoment nicht allein durch die zusammengesetzte
Rauheit σ geregelt
werden kann. Das heißt,
es hat sich gezeigt, dass die Kegelstirnflächenrauheit σ1 eine
stärkere Auswirkung
auf das Drehmoment bei niedrigen Drehzahlen hat als die Rippenflächenrauheit σ2.
Daher ist die Regelung der Kegelstirnflächenrauheit σ1 für die Stabilisierung
des Montagedrehmoments wichtig. Es sei darauf hingewiesen, dass
bei den Messbeispielen für
das Rotationsdrehmoment in 4 und den 5 und 6 das
Drehmoment mit einer axialen Last von 5,5 kN, einer Drehzahl von
50 U/min und einer Raumtemperatur von 15–21°C in einem rostverhindernden
Zustand gemessen wurde.
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Obwohl
bei dem Ausführungsbeispiel
die Oberflächenrauheit σ1 der
großen
Stirnfläche 7 des Kegels 3 auf
nicht weniger als 0,04 μmRa
und nicht mehr als 0,10 μmRa
eingestellt ist, kann die Oberflächenrauheit σ1 der
großen
Stirnfläche 7 auch
innerhalb eines Bereichs zwischen 0,04 μmRa–0,22 μmRa liegen. In diesem Fall kann
der Durchschnittswert des Montagedrehmoments in den Bereich zwischen 1,03–1,18 (Nm)
liegen, während
die Kegelrückenrippenflächenrauheit σ2 im
Bereich zwischen 0,03 und 0,23 μmRa
liegt, wie in 4 und 8 dargestellt. Darüber hinaus
beträgt
die Variation der Durchschnittswerte des Montagedrehmoments maximal 0,12
(Nm). Wenn die Oberflächenrauheit σ1 der
großen
Stirnfläche 7 auf
0,02 μmRa
eingestellt ist, ergeben sich erheblich große Variationen des Drehmoments
(maximal 0,58 Nm) über
eine Bereich von 0,58–1,02
Nm unter den Auswirkungen der Rippenflächenrauheit σ2.
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Zwar
ist die zusammengesetzte Rauheit σ bei
dem genannten Ausführungsbeispiel
auf höchstens
0,12 μmRa
eingestellt, jedoch kann die zusammengesetzte Rauheit σ auch auf
0,17 μmRa
eingestellt werden, wobei die Vorspannungshalterate auf einer Regressionskurve
auf einem Wert von mindestens 90% gehalten werden kann, wie in 7 dargestellt.
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Die
Kegelrückenrippenfläche 8 des
inneren Rings 1 kann anders als die in 3 dargestellte konkav
gebogene Fläche
ausgebildet sein und beispielsweise eine flache Fläche aufweisen
wie in 3 dargestellt (wobei der Krümmungsradius R2 infinit ist).
In diesem Fall können
Variationen des Drehmoments (Montagedrehmoments) bei niedrigen Drehzahlen
aufgrund der Tatsache unterdrückt
werden, dass ein Ölfilm
an der Gleitfläche
mit der großen Stirnfläche 7 des
Kegelkörpers 3 nur
schwer gebildet werden kann. Wenn die Kegelrückenrippenflache 8 flach
ist, wird auch die Variation der Kontaktposition mit der großen Stirnfläche 7 des
Kegelkörpers 3 im Vergleich
mit einer gebogenen Kegelrückenrippenfläche 8 geringer,
so dass Drehmomentvariationen unterdrückt werden können.