DE10339269B4

DE10339269B4 - axial bearing cage

Info

Publication number: DE10339269B4
Application number: DE2003139269
Authority: DE
Inventors: Manfred Kleß
Original assignee: Koyo Bearings North America LLC
Current assignee: JTEKT Bearings North America LLC
Priority date: 2003-08-26
Filing date: 2003-08-26
Publication date: 2013-07-18
Anticipated expiration: 2023-08-27
Also published as: DE10339269A1

Abstract

Axiallagerkäfig (1) mit Nadelrollen (7), wobei in mindestens einer Seitenfläche (3) des Axiallagerkäfigs (1) im Wesentlichen radial verlaufende Strömungskanäle (5) für ein Schmiermittel vorgesehen sind, wobei sich die Strömungskanäle (5) in radialer Richtung von innen nach außen erweitern, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Strömungskanäle (5) in Förderrichtung des Schmiermittels von radial innen nach radial außen stetig erweitern, wobei die Eintrittswinkel (&bgr;1) der Strömungskanäle (5) kleiner als 45° ausgebildet sind.Axiallagerkäfig (1) with needle rollers (7), wherein in at least one side surface (3) of the Axiallagerkäfigs (1) substantially radially extending flow channels (5) are provided for a lubricant, wherein the flow channels (5) in the radial direction from the inside to expand outside, characterized in that the flow channels (5) in the conveying direction of the lubricant from the inside to the outside radially expand continuously, wherein the entry angle (β 1) of the flow channels (5) are formed smaller than 45 °.

Description

Die Erfindung betrifft einen Axiallagerkäfig mit Nadelrollen bekannter Bauart. Es handelt sich um ein mehr oder weniger scheibenförmiges Gebilde mit zwei in axialer Richtung weisenden, radial angeordneten ringförmigen Seitenflächen, in denen radial angeordnete Nadelrollen gelagert sind, die mit ihren Umfängen geringfügig über die Seitenflächen hinausragen, so daß sie auf an beiden axialen Seiten des Axiallagerkäfigs angeordneten Laufbahnen abrollen können (Nadelkranz).The invention relates to a Axiallagerkäfig with needle rollers of known design. It is a more or less disk-shaped structure with two axially facing, radially disposed annular side surfaces in which radially arranged needle rollers are mounted, which protrude slightly with their circumferences on the side surfaces so that they on both axial sides of the Axiallagerkäfigs can roll off arranged raceways (needle ring).

Solche Axiallagerkäfige werden u. a. in Automobilgetrieben eingesetzt. Bestimmte Schaltzustände in den Getrieben können dazu führen, daß in den durch die beiden Laufbahnen und den Axiallagerkäfig gebildeten Axiallagern die Laufbahnen und der Axiallagerkäfig in gleicher Richtung mit gleicher Drehzahl rotieren. Bezogen auf die rotierenden Laufbahnen ist dann die Relativgeschwindigkeit des Axiallagerkäfigs in diesem Fall gleich Null. Gleichzeitig sind die Nadelrollen im Stillstand. Außerdem ist das Axiallager nur mit der vom Wälzlagerhersteller vorgeschriebenen Mindestlast belastet. Eine zusätzliche axiale Betriebskraft ist in diesem Schaltzustand nicht vorhanden.Such thrust bearing cages are u. a. used in automotive transmissions. Certain switching states in the transmissions can cause the raceways and the thrust bearing cage to rotate in the same direction at the same speed in the thrust bearings formed by the two raceways and the thrust bearing cage. With reference to the rotating raceways, the relative speed of the axial bearing cage is then equal to zero in this case. At the same time, the needle rollers are at a standstill. In addition, the thrust bearing is loaded only with the prescribed by the bearing manufacturer minimum load. An additional axial operating force is not present in this switching state.

Ein solcher Betriebszustand kann, je nach Schaltzuständen, nur zeitweise auftreten. Hierdurch kann aber in vielen Fällen durch eine sogenannte Brinellierung (Kalthärtung) das Axiallager geschädigt werden, und zwar insbesondere dessen Laufbahnen.Such an operating state can only occur intermittently, depending on the switching states. As a result, however, the thrust bearing can be damaged in many cases by a so-called Brinellierung (cold hardening), in particular its tracks.

Die DE 1 575 500 A beschreibt ein geschmiertes Axiallager, bei dem in mindestens einer Seitenfläche des Axiallagerkäfigs im Wesentlichen radial verlaufende Strömungskanäle für ein Schmiermittel vorgesehen sind.The DE 1 575 500 A describes a lubricated thrust bearing, wherein in at least one side surface of the thrust bearing cage substantially radially extending flow channels are provided for a lubricant.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die oben beschriebene Brinellierung zu verhindern.The object of the present invention is to prevent the above-described Brinellierung.

Diese Aufgabe wird durch einen Axiallagerkäfig gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Hiernach ist ein Axiallagerkäfig mit Nadelrollen vorgesehen, wobei in mindestens einer Seitenfläche des Axiallagerkäfigs im Wesentlichen radial verlaufende Strömungskanäle für ein Schmiermittel vorgesehen sind, wobei sich die Strömungskanäle in radialer Richtung von innen nach außen erweitern. Insbesondere erweitern sich die Strömungskanäle dabei in Förderrichtung des Schmiermittels stetig von radial innen nach radial außen, wobei die Eintrittswinkel der Strömungskanäle kleiner als 45° ausgebildet sind.This object is achieved by a Axiallagerkäfig according to claim 1. Thereafter, an axial bearing cage is provided with needle rollers, wherein in at least one side surface of the thrust bearing cage substantially radially extending flow channels are provided for a lubricant, wherein the flow channels expand in the radial direction from the inside to the outside. In particular, the flow channels expand continuously in the conveying direction of the lubricant from radially inward to radially outward, wherein the inlet angles of the flow channels are formed smaller than 45 °.

Das aus der Getriebe-Schmierölversorgung ständig nachlaufende Schmieröl erreicht zum Beispiel durch eine Hohlwelle den Innendurchmesser des Axiallagers. Dort strömt es an einer Eintrittsstelle mit einer bestimmten Geschwindigkeit radial in die Strömungskanäle ein. Mit Hilfe der Fliehkraft des rotierenden Lagers verdrängt der rotierende Käfig das Schmieröl von der Eintrittsstelle durch die Strömungskanäle hindurch nach außen. Dabei ändert sich die Relativgeschwindigkeit des Schmieröls, das an einer Austrittsstelle die Strömungskanäle mit einer gegenüber der Eintrittsgeschwindigkeit geänderten Austrittsgeschwindigkeit verläßt.The lubricating oil, which constantly follows from the transmission lubricating oil supply, reaches the inner diameter of the axial bearing, for example, by means of a hollow shaft. There it flows at an entry point at a certain speed radially into the flow channels. With the aid of the centrifugal force of the rotating bearing, the rotating cage displaces the lubricating oil from the point of entry through the flow channels to the outside. In this case, the relative speed of the lubricating oil changes, leaving the flow channels at an exit point with respect to the entry velocity changed exit velocity.

Hierdurch wird auf den Axiallagerkäfig ein Drehmoment im Verhältnis zu den Laufbahnen ausgeübt, so daß der rotierende Axiallagerkäfig eine Relativgeschwindigkeit ungleich Null gegenüber den rotierenden Laufbahnen des Axiallagers erhält. Da somit die Nadelrollen gegenüber den Laufbahnen nicht relativ still stehen, sondern gegenüber diesen abrollen, wird die nachteilige Brinellierung verhindert.As a result, a torque is exerted on the thrust bearing cage in relation to the raceways, so that the rotating thrust bearing cage receives a relative speed not equal to zero with respect to the rotating raceways of the thrust bearing. Thus, since the needle rollers relative to the raceways are not relatively quiet, but roll against them, the adverse Brinellierung is prevented.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen in Verbindung mit der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnung.Further details and advantages of the invention will become apparent from the claims in conjunction with the following description of an embodiment with reference to the drawing.

1 zeigt einen Axiallagerkäfig in Schrägansicht; 1 shows an axial bearing cage in an oblique view;

2 zeigt einen Ausschnitt aus dem Axiallagerkäfig. 2 shows a section of the thrust bearing cage.

Der Axiallagerkäfig 1 hat zwei axial weisende, radial verlaufende scheiben- oder ringförmige Seitenflächen 3, zwischen denen in bekannter Weise Nadelrollen 7 in Rollentaschen radial angeordnet sind. Die Nadelrollen 7 ragen geringfügig über die beiden Seitenflächen 3 in axialer Richtung vor, so daß der Axiallagerkäfig 1 mit den Nadelrollen 7 auf (nicht dargestellten) Laufbahnen an seinen beiden axialen Seiten abrollen kann.The thrust bearing cage 1 has two axially facing, radially extending disc or annular side surfaces 3 , between which needle rollers in a known manner 7 are arranged radially in roll pockets. The needle rollers 7 protrude slightly above the two side surfaces 3 in the axial direction, so that the Axiallagerkäfig 1 with the needle rollers 7 on (not shown) raceways can roll on its two axial sides.

In mindestens einer Seitenfläche 3 des Axiallagerkäfigs 1 sind Strömungskanäle 5 vorgesehen, die im wesentlichen in radialer Richtung angeordnet sind. Die Strömungskanäle 5 können sich vorzugsweise in radialer Richtung von innen nach außen erweitern, und zwar insbesondere stetig. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Strömungskanäle 5 außerdem gekrümmt, und zwar insbesondere in Umfangsrichtung gekrümmt. Entsprechende Strömungskanäle 5 können wahlweise an einer oder an beiden Seitenflächen 3 vorgesehen sein, wobei die Strömungskanäle 5 in den beiden einander gegenüberliegenden Seitenflächen 3 insbesondere in Umfangsrichtung zueinander versetzt sind, um die Stabilität des Axiallagerkäfigs 1 aufrechtzuerhalten.In at least one side surface 3 of the thrust bearing cage 1 are flow channels 5 provided, which are arranged substantially in the radial direction. The flow channels 5 can preferably expand in the radial direction from the inside to the outside, in particular continuously. In the illustrated embodiment, the flow channels 5 also curved, in particular curved in the circumferential direction. Corresponding flow channels 5 can either on one or both sides 3 be provided, wherein the flow channels 5 in the two opposite side surfaces 3 are offset in particular in the circumferential direction to each other, the stability of the Axiallagerkäfigs 1 maintain.

Die Anzahl der Strömungskanäle 5 ist im Verhältnis zu der Zahl der Nadelrollen 7 klein; in dem dargestellten Ausführungsbeispiel beträgt das Zahlenverhältnis von Strömungskanälen 5 zu Nadelrollen 7 insbesondere 1 zu 4. Die Stabilität des Axiallagerkäfigs wird dadurch nicht beeinträchtigt. Der Axiallagerkäfig 1 kann zwischen den nicht dargestellten Axiallaufbahnen wahlweise an seinem Außenumfang oder Innenumfang zentriert sein.The number of flow channels 5 is in proportion to the number of needle rollers 7 small; in the illustrated embodiment, the number ratio of flow channels 5 to needle rollers 7 in particular 1 to 4. The stability of the thrust bearing cage is not affected. The thrust bearing cage 1 can be centered between the axial tracks, not shown, either on its outer circumference or inner circumference.

Beim Betrieb des mit einem solchen Axiallagerkäfig 1 ausgestatteten Axiallagers läuft aus einer zentralen Schmiermittelversorgung ständig Schmieröl nach, das zum Beispiel durch eine Hohlwelle den Innendurchmesser des Axiallagers erreicht. Dort strömt es an einer Eintrittsstelle 11 (2) mit einer Absolutgeschwindigkeit C₁ radial in die Strömungskanäle 5 ein. In 2 ist ein solcher Strömungskanal 5 mit den zugehörigen Geschwindigkeitsvektoren sowie mit den zugehörigen Eintritts- und Austrittswinkeln β₁ und β₂ dargestellt.When operating with such a thrust bearing cage 1 equipped thrust bearing runs from a central lubricant supply constantly lube oil, which reaches, for example, by a hollow shaft, the inner diameter of the thrust bearing. There it flows at an entry point 11 ( 2 ) at an absolute velocity C ₁ radially into the flow channels 5 one. In 2 is such a flow channel 5 with the associated velocity vectors and with the associated entry and exit angles β ₁ and β ₂ .

Aufgrund der in dem rotierenden Axiallager wirkenden Fliehkraft verdrängt der mit dem Lager rotierende Axiallagerkäfig 1 das Schmieröl von der Eintrittsstelle 11 durch die Strömungskanäle 5 hindurch radial nach außen. Da sich der Strömungskanal 5 in seinem Querschnitt nach außen erweitert, nimmt die Relativgeschwindigkeit W₁ des Schmiermittels ab. Gleichzeitig nimmt der Druck in dem Schmiermittel gemäß der Bernoullischen Gleichung zu. Das Schmieröl erreicht eine Relativgeschwindigkeit W₂ und verläßt den Strömungskanal 5 an der Austrittsstelle 12 mit einer Absolutgeschwindigkeit C₂.Due to the centrifugal force acting in the rotating thrust bearing, the thrust bearing cage rotating with the bearing displaces 1 the lubricating oil from the point of entry 11 through the flow channels 5 through radially outwards. As the flow channel 5 widens outwards in its cross section, the relative velocity W _{1 of} the lubricant decreases. At the same time, the pressure in the lubricant increases according to the Bernoulli equation. The lubricating oil reaches a relative speed W ₂ and leaves the flow channel 5 at the exit point 12 with an absolute velocity C ₂ .

Mit der Turbinenhauptgleichung von Euler und der Bernoullischen Gleichung läßt sich der Energieumsatz nachweisen, der zwischen den rotierenden Strömungskanälen 5 und dem hindurchströmenden Schmieröl stattfindet. Wenn die an der Eintrittsstelle 11 zulaufende Schmierölmenge und die Umfangsgeschwindigkeit des Axiallagerkäfigs 1 groß genug sind, entsteht in Umfangsrichtung des Axiallagerkäfigs 1 ein Kraftimpuls, der einen Hebelarm zum Mittelpunkt des Axiallagerkäfigs 1 hat. Dieser Kraftimpuls erzeugt ein Drehmoment M am Umfang des Käfigs 1, welches der Rotation des Käfigs entgegenwirkt. Wenn das Drehmoment M am Käfig 1 groß genug ist, überwindet es das Reibungsmoment der gegenüber den Laufbahnen still stehenden Nadelrollen 7. Hierdurch wird der rotierende Käfig 1 gegenüber den Laufbahnen abgebremst, und gleichzeitig wälzen die Nadelrollen 7 auf den Laufbahnen ab. In diesem Betriebszustand erreicht der Nadelkranz des Axiallagerkäfigs 1 die gewünschte Relativgeschwindigkeit ungleich Null gegenüber den Laufbahnen, so daß die gefürchtete Brinellierung verhindert ist.The main equation of the turbine of Euler and the Bernoulli equation can be used to detect the energy conversion between the rotating flow channels 5 and the lubricating oil passing through it. When the at the entry point 11 tapered amount of lubricating oil and the peripheral speed of the thrust bearing cage 1 are large enough, arises in the circumferential direction of the Axiallagerkäfigs 1 a force impulse, a lever arm to the center of the thrust bearing cage 1 Has. This force pulse generates a torque M on the circumference of the cage 1 , which counteracts the rotation of the cage. When the torque M on the cage 1 is large enough, it overcomes the frictional torque of standing opposite the tracks stationary needle rollers 7 , This will cause the rotating cage 1 braked against the raceways, and at the same time roll the needle rollers 7 on the careers. In this operating condition reaches the needle ring of the thrust bearing cage 1 the desired relative speed not equal to zero relative to the raceways, so that the dreaded Brinellierung is prevented.

Unter Berücksichtigung des Bauraums zwischen den einzelnen Nadelrollen 7 sind die Strömungskanäle 5 so gestaltet, daß die Eintrittswinkel und Austrittswinkel β₁ und β₂ der Strömungskanäle 5 den besten Energieumsatz der Strömungsenergie versprechen (siehe 2).Taking into account the installation space between the individual needle rollers 7 are the flow channels 5 designed so that the entry angle and exit angle β ₁ and β _{2 of} the flow channels 5 promise the best energy conversion of the flow energy (see 2 ).

Der Strömungseintrittswinkel β₁ ist allgemein gültig in der Fachliteratur mit 16° bis 18° beschrieben. Der Strömungsaustrittswinkel β₂ ist in gewissen Grenzen frei wählbar. Grundsätzlich gilt: β₂ < 90° führt zu rückwärts gekrümmten Kanälen (ähnlich wie bei vielen Kreiselpumpen), β₂ = 90° führt zu radial endenden Kanälen, und β₂ > 90° führt zu vorwärts gekrümmten Kanälen. In dem hier vorliegendem Fall ist der Bauraum für den Strömungskanal 5 durch die Nadelrollen 7 seitlich begrenzt. Deshalb ist hier ein Austrittswinkel von β₂ > 90° gewählt worden. Außerdem verspricht dieser Winkel, trotz der hydraulischen Verluste, einen guten Energieumsatz zwischen Strömungskanal und Öl. In Sonderfällen kann β₁ und β₂ auch durch Prüfstandversuch optimiert werden.The flow inlet angle β ₁ is generally valid in the specialist literature with 16 ° to 18 ° described. The flow outlet angle β ₂ is freely selectable within certain limits. Basically, β ₂ <90 ° leads to backward curved channels (similar to many centrifugal pumps), β ₂ = 90 ° leads to radially ending channels, and β ₂ > 90 ° leads to forward curved channels. In the present case, the space for the flow channel 5 through the needle rollers 7 laterally limited. Therefore, an exit angle of β ₂ > 90 ° has been chosen here. In addition, this angle promises, despite the hydraulic losses, a good energy transfer between the flow channel and oil. In special cases, β ₁ and β _{2 can} also be optimized by bench testing.

Der gewünschte Energieumsatz zwischen Strömungskanal und Öl ist nur möglich, wenn die Drehrichtung eingehalten wird. (In der 1 ist die Drehrichtung durch den Vektor U₁ bzw. U₂ vorgegeben.) Wird die Drehrichtung umgekehrt, ist der Energieumsatz zu klein, da beim Strömungseintritt in den Strömungskanal hohe Stoßverluste entstehen, außerdem wird die Komponente C_2U der unten wiedergegebenen Turbinenhauptgleichung zu klein.The desired energy conversion between flow channel and oil is only possible if the direction of rotation is maintained. (In the 1 the direction of rotation is given by the vector U ₁ or U _2. ) If the direction of rotation is reversed, the energy conversion is too small, since the flow enters the flow channel high impact losses, also the component C _{2U of} the main turbine equation reproduced below is too small.

Im folgenden sind die der Erfindung zugrunde liegenden Strömungsverhältnisse in Formeln der Strömungsmechanik wiedergegeben:
Turbinenhauptgleichung von Euler: Y_theo = P_theo/m . = U₂·C_2u – U₁·C_1u [m²/s²] Bei radialem Strömungseintritt vereinfacht sich die Gleichung zu: Y_theo = P_theo/m . = U₂·C_2u [m²/s] Y_theo = theoretische spezifische Förderarbeit [m²/s²]; m . = Massenstrom [kg/s];
P_theo = theoretische Leistung [W];
U₁, U₂, C_1u und C_2u sind Geschwindigkeiten, die dem Geschwindigkeitsplan zu entnehmen sind [m/min].
Drehmoment: M = P_theo/2·π·n [Nm] n = Drehzahl des Käfigs [1/min]In the following, the flow conditions on which the invention is based are reproduced in formulas of fluid mechanics:
Turbine equation of Euler: Y _theo = P _theo / m. = U ₂ · C _2u _-U ₁ · C _1u [m ² / s ² ] For radial flow entry, the equation simplifies to: Y _theo = P _theo / m. = U ₂ · C _2u [m ² / s] Y _theo = theoretical specific funding [m ² / s ² ]; m. = Mass flow [kg / s];
P _theo = theoretical power [W];
U ₁ , U ₂ , C _1u and C _2u are speeds that can be taken from the speed _plan [m / min].
torque: M = P _theo / 2 · π · n [Nm] n = speed of the cage [1 / min]

Claims

Axial bearing cage ( 1 ) with needle rollers ( 7 ), wherein in at least one side surface ( 3 ) of the thrust bearing cage ( 1 ) substantially radially extending flow channels ( 5 ) are provided for a lubricant, wherein the flow channels ( 5 ) in the radial direction from the inside to the outside, characterized in that the flow channels ( 5 ) in the conveying direction of the lubricant from radially inward to radially outward steadily widen, wherein the Entry angle (β ₁ ) of the flow channels ( 5 ) are formed smaller than 45 °.

Axial bearing cage according to claim 1, characterized in that the flow channels ( 5 ) are curved, in particular curved in the circumferential direction.

Axial bearing cage according to claim 1 or 2, characterized in that flow channels ( 5 ) in both side surfaces ( 3 ) are provided.

Axial bearing cage according to claim 3, characterized in that the flow channels ( 5 ) in the two side surfaces ( 3 ) are offset in the circumferential direction to each other.

Axial bearing cage according to one of claims 1 to 4, characterized in that the ratio of the number of flow channels ( 5 ) to the number of needle rollers ( 7 ) is small and about 1 to 4.

Axial bearing cage according to one of claims 1 to 5, characterized in that the inlet and outlet angles (β ₁ and β ₂ ) of the flow channels ( 5 ) are designed with respect to the circumferential direction to achieve optimal flow energy conversion.

Axial bearing cage according to claim 6, characterized in that the exit angle (β ₂ ) is greater than 90 °.