DE112007001806T5 - Kegelrollenlager - Google Patents

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Abstract

Kegelrollenlager mit: einem Innenring, einem Außenring, mehreren Kegelrollen, die drehbar zwischen dem Innenring und dem Außenring angeordnet sind, und einem Käfig, um die Kegelrollen entlang dem Umfang in vorherbestimmten Abständen zu halten, wobei
ein Rollenkoeffizient γ größer ist als 0,94;
mindestens eines der Elemente Innenring, Außenring und Wälzkörper eine stickstoffreiche Schicht aufweist und eine Korngrößennummer von Austenitkristallkörnern in der stickstoffreichen Schicht größer ist als 10;
der Innenring eine Konusrückseitenrippe mit einer Oberfläche besitzt, die eine konische Fläche aufweist, welche mit großen Endflächen der Kegelrollen in Kontakt ist, und eine Flanke, die sich von der konischen Fläche glatt nach außen erstreckt und in einer Richtung von den großen Endflächen der Kegelrollen weg gekrümmt ist; und
der Käfig einen kleinen ringförmigen Bereich aufweist, der auf einer kleinen Endflächenseite der Kegelrollen durchgängig ist, einen großen ringförmigen Bereich, der auf einer großen Endflächenseite der Kegelrollen durchgängig ist, und mehrere...

Description

  • TECHNISCHES GEBIET
  • Die vorliegende Erfindung betrifft Kegelrollenlager, die als Lager für Getriebewellenstützvorrichtungen in Fahrzeugen verwendet werden kann, wie z. B. für Differenziale und Getriebe von Kraftfahrzeugen.
  • STAND DER TECHNIK
  • Ein Kegelrollenlager weist Hauptbestandteile auf, zu welchen Folgendes zählt: ein Innenring, der eine Laufrille auf seiner radial äußeren Fläche aufweist und außerdem eine Konusvorderseitenrippe und eine Konusrückseitenrippe auf axial gegenüberliegenden Seiten der Laufrille besitzt; einen Außenring, der auf seiner radial inneren Fläche eine Laufrille aufweist; mehrere Kegelrollen, die zwischen den Laufrillen der Innen- und Außenringe angeordnet sind; und einen Käfig, der Taschen besitzt, um die Kegelrollen aufzunehmen und zu halten. Der Käfig weist Folgendes auf: einen kleinen ringförmigen Bereich, der auf der kleinen Endflächenseite der Kegelrollen durchgängig ist; einen großen ringförmigen Bereich, der auf der großen Endflächenseite der Kegelrollen durchgängig ist; und mehrere Säulenbereiche, die die kleinen und großen ringförmigen Bereiche verbinden. Jede Tasche wird zwischen benachbarten Säulenbereichen gebildet und ist trapezförmig, mit einer schmalen Seite, die die Seite kleinen Durchmessers der Kegelrolle aufnimmt, und einer breiten Seite, die die Seite großen Durchmessers der Kegelrolle aufnimmt.
  • Kegelrollenlager zum Stützen von Kraftübertragungswellen von beispielsweise Differenzialen und Getrieben von Kraftfahrzeugen, werden so verwendet, dass ihre unteren Bereiche in Ölbäder versenkt sind, und das Öl in den Ölbädern, das als Schmieröl dient, fließt in die Lager, wenn sich die Lager drehen. Bei einem Kegelrollenlager, welches für derartige Anwendungen verwendet wird, fließt das Schmieröl von der Seite kleinen Durchmessers der Kegelrollen her in das Lager. Das Schmieröl, das von der radial äußeren Seite des Käfigs her fließt, fließt entlang der Laufrille des äußeren Rings und läuft durch diese bis zur Seite großen Durchmessers der Kegelrollen. Das Schmieröl, das von der radial inneren Seite des Käfigs her fließt, fließt entlang der Laufrille des Innenrings und läuft durch diese zur Seite großen Durchmessers der Kegelrollen.
  • Bei einigen der Kegelrollenlager, die für Teile verwendet werden, in die das Schmieröl von außen fließt, sind Kerben in jeder Tasche des Käfigs vorgesehen, so dass die separaten Ströme des Schmieröls auf den radial äußeren und inneren Seiten des Käfigs durch die jeweiligen Kerben hindurchlaufen. Mit einer derartigen Gestaltung wird die Zirkulation des Schmieröls in den Lagern verbessert (siehe Patentdokumente 1 und 2). Bei dem in Patentdokument 1 beschriebenen Lager sind Kerben 10d in den mittigen Bereichen der Säulenbereiche 8 zwischen Taschen 9 eines Käfigs 5 vorgesehen, wie in 21A dargestellt, so dass verhindert wird, dass Fremdstoffe, die in dem Schmieröl enthalten sind, im Inneren des Lagers bleiben. Bei dem in Patentdokument 2 beschriebenen Lager sind Kerben 10e in einem kleinen ringförmigen Bereich 6 und einem großen ringförmigen Bereich 7 auf axial entgegengesetzten Seiten jeder Tasche 9 eines Käfigs 5 vorgesehen, wie in 21B dargestellt, so dass der Fluss des Schmieröls von der radial äußeren Seite des Käfigs zur Innenringseite vereinfacht wird. Es ist anzumerken, dass die Abmessungen der Taschen 9 in den Zeichnungen die Werte sind, die für Vergleichsbeispiele bei einem später noch beschriebenen Drehmomentmessungstest verwendet werden.
    • Patentdokument 1: Offengelegte japanische Patentanmeldung Nr. Hei 09-032858
    • Patentdokument 2: Offengelegte japanische Patentanmeldung Nr. Hei 11-201149
    • Patentdokument 3: Offengelegte japanische Patentanmeldung Nr. Hei 09-096352
    • Patentdokument 4: Offengelegte japanische Patentanmeldung Nr. Hei 11-210765
    • Patentdokument 5: Offengelegte japanische Patentanmeldung Nr. 2003-343552
  • OFFENBARUNG DER ERFINDUNG VON DER ERFINDUNG ZU LÖSENDE PROBLEME
  • Bei jedem der oben beschriebenen Kegelrollenlager fließt das Schmieröl von den radial äußeren und inneren Seiten des Käfigs in das Lager. Es wurde jedoch festgestellt, dass der Drehmomentverlust größer wird, wenn das Verhältnis des Schmieröls, das von der radial inneren Seite des Käfigs zum Innenring fließt, zunimmt. Dies kann den folgenden Grund haben:
    Das Schmieröl, das von der radial äußeren Seite des Käfigs zur Außenringseite fließt, fließt entlang der Laufrille des Außenrings, läuft ungehindert durch diese zur Seite großen Durchmessers der Kegelrollen, da auf der radial inneren Fläche des Außenrings kein Hindernis vorhanden ist, und fließt dann aus dem Lager heraus. Auf der radial äußeren Fläche des Innenrings ist jedoch die Konusrückseitenrippe vorgesehen. Wenn also das Schmieröl, das von der radial inneren Seite des Käfigs zur Innenringseite fließt, entlang der Laufrille des Innenrings fließt und durch diese zur Seite großen Durchmessers der Kegelrollen läuft, kann der Fluss des Schmieröls durch die Konusrückseitenrippe blockiert werden, und das Öl neigt dazu, im Inneren des Lagers zu bleiben. Folglich nimmt mit größer werdendem Verhältnis des Schmieröls, das von der radial inneren Seite des Käfigs zur Innenringseite fließt, die Menge des Schmieröls, das im Inneren des Lagers bleibt, zu. Das Schmieröl, das im Inneren des Lagers bleibt, kann einen Strömungswiderstand gegen die Rotation des Lagers verursachen, und daher nimmt der Drehmomentverlust zu.
  • Folglich muss bei den Kegelrollenlagern, in die das Schmieröl fließt, der Drehmomentverlust aufgrund des Widerstands des Schmieröls reduziert werden. Das oben Erwähnte ist ein Verfahren zur Reduzierung des Strömungswiderstands von Öl, um eine Reduzierung des Drehmoments zu erreichen. Um das Drehmoment signifikant zu reduzieren, müssen jedoch die Spezifikationen von Lagern so geändert werden, dass der viskose Rollwiderstand reduziert wird. Leider kann bei herkömmlichen Verfahren zur Drehmomentreduzierung (Patentdokumente 3 bis 5) zwar das Drehmoment ohne Verringerung der Nennlast reduziert werden, jedoch wird auch die Steifigkeit des Lagers in einem gewissen Maße reduziert.
  • Der Erfindung liegt hauptsächlich die Aufgabe zu Grunde, ein Kegelrollenlager zu schaffen, mit dem eine Reduzierung des Drehmoments erreicht werden kann und das einen ausgezeichneten Widerstand gegen Fressen hat, ohne dass die Steifigkeit des Lagers verringert wird.
  • MITTEL ZUR LÖSUNG DER PROBLEME
  • Die Erfindung löst die Probleme, indem der Wälzkreisdurchmesser (PCD) der Rollen reduziert wird, ohne die Anzahl der Rollen zu reduzieren, oder sogar mit steigender Anzahl der Rollen. 23 zeigt das Steifigkeitsverhältnis (ausgefüllte Kreise) und das Drehmomentverhältnis (offene Kreise), wenn der Wälzkreisdurchmesser eines Kegelrollenlagers geän dert wird. Die Ergebnisse der Berechnung des Betrags der elastischen Verformung der Rollen zeigen, dass mit abnehmendem Wälzkreisdurchmesser auch das Drehmoment des Lagers signifikant abnimmt, doch die Steifigkeit des Lagers nimmt nicht signifikant ab, wie in 23 dargestellt. Somit kann eine Reduzierung des Drehmoments ohne Verringerung der Steifigkeit erzielt werden, indem der Wälzkreisdurchmesser reduziert wird, ohne die Anzahl der Rollen zu reduzieren, oder sogar mit steigender Anzahl der Rollen.
  • Demzufolge weist ein Kegelrollenlager gemäß der vorliegenden Erfindung Folgendes auf: einen Innenring, einen Außenring, mehrere Kegelrollen, die drehbar zwischen dem Innenring und dem Außenring angeordnet sind, und einen Käfig, um die Kegelrollen entlang dem Umfang in vorherbestimmten Abständen zu halten, wobei ein Rollenkoeffizient γ größer ist als 0,94; mindestens eines der Elemente Innenring, Außenring und Wälzkörper eine stickstoffreiche Schicht aufweist, und eine Korngrößennummer von Austenitkristallkörnern in der stickstoffreichen Schicht größer ist als 10; der Innenring eine Konusrückseitenrippe mit einer Oberfläche besitzt, die eine konische Fläche aufweist, welche mit großen Endflächen der Kegelrollen in Kontakt ist, und eine Flanke, die sich von der konischen Fläche glatt nach außen erstreckt und in einer Richtung von den großen Endflächen der Kegelrollen weg gekrümmt ist; der Käfig einen kleinen ringförmigen Bereich aufweist, der auf einer kleinen Endflächenseite der Kegelrollen durchgängig ist, einen großen ringförmigen Bereich, der auf einer großen Endflächenseite der Kegelrollen durchgängig ist, und mehrere Säulenbereiche, um den kleinen ringförmigen Bereich und den großen ringförmigen Bereich zu verbinden; trapezförmige Taschen zwischen benachbarten Säulenbereichen ausgebildet sind, wobei jede der Taschen eine schmale Seite hat, die eine Seite kleinen Durchmessers einer der Kegelrollen aufnimmt, und eine breite Seite, die eine Seite großen Durchmessers einer der Kegelrollen aufnimmt; und wobei jeder der Säulenbereiche eine Kerbe auf der schmalen Seite der Taschen aufweist.
  • Der Rollenkoeffizient γ (ein Rollenfüllfaktor) ist ein Parameter, der definiert ist durch (Anzahl der Rollen × durchschnittlicher Durchmesser der Rollen)/(π × PCD). Wenn der durchschnittliche Durchmesser der Rollen konstant ist, nimmt die Anzahl der Rollen mit steigendem Wert γ zu. Ein typisches herkömmliches Kegelrollenlager, das mit einem Käfig versehen ist, ist normalerweise so konstruiert, dass der Rollenkoeffizient γ 0,94 oder weniger beträgt. Ein Rollenkoeffizient γ von mehr als 0,94 bedeutet, dass der Rollenfüllfaktor und dementsprechend auch die Steifigkeit des Lagers größer sind als bei herkömmlichen Produkten.
  • Die stickstoffreiche Schicht ist eine Schicht, die eine erhöhte Menge an Stickstoff enthält und in einer Oberflächenschicht des Lagerrings (des Außen- oder Innenrings) oder jedes Wälzkörpers ausgebildet ist. Die stickstoffreiche Schicht kann durch eine Behandlung wie Karbonitrieren oder Nitrieren gebildet werden. Der Stickstoffgehalt in der stickstoffreichen Schicht liegt vorzugsweise im Bereich von 0,1% bis 0,7%. Wenn der Stickstoffgehalt unter 0,1% liegt, wird keine vorteilhafte Wirkung erzielt. Im Besonderen wird die Wälzlebensdauer bei Vorhandensein von Fremdstoffen reduziert. Wenn der Stickstoffgehalt größer ist als 0,7%, entstehen Fehlstellen, oder die Menge des Restaustenits wird übermäßig groß. In solchen Fällen kann keine ausreichende Härte mehr erzielt werden, und die Lebensdauer wird hierdurch verringert. Der Stickstoffgehalt in der stickstoffreichen Schicht, die in dem Lagerring ausgebildet ist, ist ein Wert in 50 μm Tiefe in der Oberflächenschicht der Laufrille nach dem Schleifen und kann beispielsweise unter Anwendung von PMA (wellenlängendispersive Röntgen-Mikroanalyse) gemessen werden.
  • Durch Reduzieren der Größe der Austenitkörner in einem solchen Maße, dass die Korngrößennummer der Austenitkristallkörner den Wert 10 übersteigt, kann die Lebensdauer im Verhältnis zur Wälzermüdung signifikant verbessert werden. Beträgt die Korngrößennummer der Austenitkörner 10 oder weniger, so wird die Lebensdauer im Verhältnis zur Wälzermüdung nicht wesentlich verbessert. Daher wird die Korngrößennummer auf einen Wert über 10 eingestellt. Normalerweise wird die Korngrößennummer auf 11 oder mehr eingestellt. Je kleiner die Größe der Austenitkörner, desto besser. Es ist im Allgemeinen jedoch schwierig, eine Korngrößennummer über 13 zu erhalten. Es ist anzumerken, dass die Austenitkörner in den obigen Lagerbauteilen in der Oberflächenschicht, die die stickstoffreiche Schicht aufweist, und auch in dem inneren Bereich nicht verändert werden. Daher sind die Zielbereiche für die vorgenannte Kristallkorngrößennummer die Oberflächenschicht und der innere Bereich. Selbst nachdem beispielsweise eine Abschreckbehandlung durchgeführt wurde, können noch die ursprünglichen Stellen der Austenitkristallkorngrenzen unmittelbar vor dem Abschrecken beobachtet werden. Die Austenitkristallkörner beziehen sich auf Kristallkörner, die auf der Basis der verbleibenden ursprünglichen Stellen bestimmt werden.
  • Die Säulenbereiche weisen auf der schmalen Seite der trapezförmigen Taschen des Käfigs Kerben auf. Durch das Vorsehen der Kerben wird der nachfolgend erläuterte Vorteil erzielt. Dem Schmieröl, das von der radial inneren Seite des Käfigs zur Innenringseite fließt, wird es nämlich ermöglicht, durch die Kerben rasch zur Außenringseite zu fließen. Folglich wird die Menge des Schmieröls, die entlang der Laufrille des Innenrings fließt und die Konusrückseitenrippe erreicht, reduziert, und die Menge des Schmieröls, die im Inneren des Lagers bleibt, wird hierdurch ebenfalls reduziert. Somit wird der Drehmomentverlust aufgrund des Strömungswiderstands des Schmieröls verringert.
  • Wie oben beschrieben, weist die Oberfläche der Konusrückseitenrippe des Innenrings die konische Fläche auf, die mit den großen Endflächen der Kegelrollen in Kontakt kommt, und die gekrümmte Flanke geht glatt in die konische Fläche über. Zusätzlich ist in der Nähe des Außenumfangs jedes Kontaktbereichs eine spitzwinkliger keilförmiger Spalt ausgebildet. Auf diese Weise wird der Vorgang des „Hineinziehens" des Schmieröls zum Kontaktbereich hin verbessert, und ein ausreichender Ölfilm kann gebildet werden. Außerdem kann die glatt ausgebildete Flanke die Bildung von Defekten verhindern, die durch den Kontakt mit der Oberfläche der Konusrückseitenrippe des Innenrings verursacht wird, wenn die Kegelrolle schräg läuft.
  • Die Flanke kann eine bogenartige Querschnittsform haben. Mit einer derartigen Gestaltung kann die Flanke, die dafür sorgen kann, dass Schmieröl ausgezeichnet „hineingezogen" wird, auf einfache Weise gebildet werden.
  • Eine kreisförmige Ausnehmung kann in einem mittigen Bereich jeder der großen Endflächen der Kegelrollen vorgesehen sein, und ein Außenumfang der Ausnehmung kann sich in der Nähe einer Grenze zwischen der konischen Fläche der Oberfläche der Konusrückseitenrippe des Innenrings und der Flanke befinden. Die Erfindung ist gestaltet wie oben erwähnt. Mit einer derartigen Gestaltung kann das Schmieröl in die Nähe des keilförmigen Spalts gebracht werden, um dem keilförmigen Spalt eine ausreichende Menge des Schmieröls zuzuführen. Darüber hinaus kann der zulässige Abschrägwinkel der Kegelrollen noch weiter vergrößert werden.
  • Die Grenze zwischen der konischen Fläche der Oberfläche der Konusrückseitenrippe des Innenrings und der Flanke kann sich in der Nähe eines Außenumfangs einer maximalen Kontaktellipse befinden, die durch den Kontakt zwischen den großen Endflächen der Kegelrollen und der Oberfläche der Konusrückseitenrippe des Innenrings gebildet wird. Mit einer derartigen Gestaltung kann der keilförmige Spalt in geeigneter Weise gebildet werden, um das Schmieröl über den gesamten Lastbereich auf das Kegelrollenlager „hineinzuziehen".
  • Der Innenring kann eine Konusvorderseitenrippe aufweisen, die eine Oberfläche besitzt, welche eine Fläche parallel zu kleinen Endflächen der Kegelrollen aufweist, und der Wert R/R0 kann in den Bereich von 0,75 bis 0,87 fallen, wobei R ein Krümmungsradius der großen Endflächen der Kegelrollen ist und R0 ein Abstand von einem Scheitelpunkt eines Kegelwinkels jeder der Kegelrollen zur Oberfläche der Konusrückseitenrippe des Innenrings ist. Mit einer derartigen Gestaltung kann das Auftreten eines Oberflächenverschleißes aufgrund des Schräglaufs der Rollen verhindert werden, so dass der Widerstand gegen Fressen verbessert wird.
  • Dass die Oberfläche der Konusvorderseitenrippe des Innenrings die Fläche aufweist, die parallel zu den kleinen Endflächen der Kegelrollen ist, hat folgenden Grund: Wie in 26 vergrößert dargestellt, ist die Oberfläche der Konusvorderseitenrippe 2c eines Innenrings 2 so geformt, dass sie zu den kleinen Endflächen 4c der Kegelrollen 4 parallel ist, welche auf einer Laufrille 2a angeordnet sind. Auf diese Weise kann der Einfluss der Abmessungen der Abschrägung sowie der Formenänderungen der kleinen Endflächen 4c der Kegelrollen 4 auf die Spalte zwischen den großen Endflächen 4a der Kegelrollen 4 und der Oberfläche der Konusrückseitenrippe 2b des Innenrings 2 in dem vorstehend beschriebenen anfänglichen montierten Zustand beseitigt werden (hierbei ist anzumerken, dass die Größe der vorgenannten Spalte in dem anfänglichen montierten Zustand der Größe der Spalte s zwischen den kleinen Endflächen 4c und der Oberfläche der Konusvorderseitenrippe 2c des Innenrings 2 entspricht, wenn die Kegelrollen 4 in Position gebracht werden). Genauer ausgedrückt, kommen in dem anfänglichen montierten Zustand jede der kleinen Endflächen 4c und die Oberfläche der Konusvorderseitenrippe 2c, die zueinander parallel sind, miteinander in Oberflächenkontakt, selbst wenn die Abmessungen und Formen der Abschrägung der kleinen Endflächen 4c sich voneinander unterscheiden, wie durch gestrichelte Linien in 26 dargestellt. Daher sind die Spalte zwischen den großen Endflächen 4a und der Oberfläche der Konusrückseitenrippe 2b in dem anfänglichen montierten Zustand immer konstant. Demzufolge können Schwankungen der Zeit, bis die Kegelrollen 4 in Position gebracht wurden, beseitigt werden, und die Einlaufzeit kann reduziert werden.
  • Dass das Verhältnis R/R0 des Krümmungsradius R der großen Endflächen der Kegelrollen zum Abstand R0 von dem Scheitelpunkt des Kegelwinkels jeder der Kegelrollen zur Oberfläche der Konusrückseitenrippe des Innenrings in den Bereich zwischen 0,75 und 0,87 fällt, hat folgenden Grund:
    27 zeigt die Ergebnisse der Berechnung der Dicke t des Ölfilms, der zwischen der Oberfläche der Konusrückseitenrippe eines Innenrings und der großen Endfläche einer Kegelrolle gebildet wird, mittels der Karna-Gleichung. Die horizontale Achse steht für R/R0 und die vertikale Achse steht für das Verhältnis t/t0 der Ölfilmdicke t zur Ölfilmdicke t0 bei R/R0 = 0,76. Die Ölfilmdicke t erreicht ihr Maximum, wenn R/R0 = 0,76. Wenn R/R0 größer wird als 0,9, nimmt die Ölfilmdicke t jäh ab.
  • 28 zeigt die Ergebnisse der Berechnung einer maximalen Hertzschen Pressung p zwischen der Oberfläche der Konusrückseitenrippe eines Innenrings und der großen Endfläche einer Kegelrolle. Die horizontale Achse steht für R/R0, wie in 27, und die vertikale Achse steht für das Verhältnis p/p0 der maximalen Hertzschen Pressung p zur maximalen Hertzschen Pressung p0 bei R/R0 = 0,76. Die maximale Hertzsche Pressung p sinkt monoton, wenn R/R0 ansteigt.
  • Um den Drehmomentverlust und die Erzeugung von Wärme zu reduzieren, die durch Gleitreibung zwischen der Oberfläche der Konusrückseitenrippe des Innenrings und den großen Endflächen der Kegelrollen verursacht werden, ist es wünschenswert, die Ölfilmdicke t zu erhöhen und die maximale Hertzsche Pressung p zu verringern. Unter Bezugnahme auf die Berechnungsergebnisse gemäß 27 und 28 wird der angemessene Bereich von R/R0 auf den Bereich von 0,75 bis 0,87 festgelegt, basierend auf den Testergebnissen des Widerstands gegen Fressen gemäß Tabelle 1, die später noch beschrieben werden. Es ist anzumerken, dass herkömmliche Kegelrollenlager so konstruiert sind, dass sie einen Wert R/R0 zwischen 0,90 und 0,97 haben.
  • Wenn das vorgenannte Kegelrollenlager für eine Vorrichtung zum Stützen einer Getriebewelle in einem Fahrzeug verwendet wird, bei der die Getriebewelle in einem Gehäuse, das ein Getriebeöl enthält, durch das Kegelrollenlager drehbar gestützt wird, werden nicht nur der Drehmomentverlust und die Erzeugung von Wärme, welche auf die Reibung in der Vorrichtung zum Stützen der Getriebewelle zurückzuführen sind, reduziert, so dass die Haltbarkeit verbessert wird, sondern es kann auch die Einlaufzeit reduziert werden.
  • Die Oberfläche der Konusrückseitenrippe des Innenrings kann eine Rautiefe Ra von 0,05 bis 0,20 μm haben. Mit einer derartigen Gestaltung kann die Schmierung zwischen der Oberfläche der Konusrückseitenrippe des Innenrings und der großen Endfläche der Kegelrolle abhängig von der Ölfilmdicke t zwischen der Oberfläche der Konusrückseitenrippe und der großen Endfläche der Kegelrolle in gutem Zustand gehalten werden. Wenn dieses Kegelrollenlager für eine Vorrichtung zum Stützen einer Getriebewelle in einem Fahrzeug verwendet wird, bei der die Getriebewelle in einem Gehäuse, das ein Getriebeöl enthält, durch das Kegelrollenlager drehbar gestützt wird, kann die Schmierung zwischen der Oberfläche der Konusrückseitenrippe des Innenrings und der großen Endfläche der Kegelrolle in gutem Zustand gehalten werden, und die Haltbarkeit der Vorrichtung zum Stützen der Getriebewelle kann noch weiter verbessert werden.
  • Dass die Untergrenze der Rautiefe Ra der Oberfläche der Konusrückseitenrippe des Innenrings auf 0,05 μm festgelegt wird, hat folgenden Grund: Nach dem Installieren lässt man das Kegelrollenlager mit geringer Drehzahl von etwa 50 bis 100 U/min einlaufen, während auf die Endfläche des Innenrings eine Axiallast ausgeübt wird. Bei einer Rautiefe Ra von weniger als 0,05 μm ist der Schmierungszustand zwischen der Oberfläche der Konusrückseitenrippe des Innenrings und der großen Endfläche des Kegelrollenlagers während der Einlaufzeit eine Mischung aus Flüssigkeitsschmierung und Grenzschmierung. Daher variiert der Reibungskoeffizient beträchtlich, und Veränderungen bei dem gemessenen Wellendrehmoment nehmen zu. Darüber hinaus wird die Steuerungsgenauigkeit der Vorlast beeinträchtigt. Wenn die Rautiefe Ra 0,05 μm oder mehr beträgt, ist der Schmierzustand eine Grenzschmierung. In einem solchen Fall wird der Reibungskoeffizient stabilisiert und die Vorlast kann mit hoher Genauigkeit gesteuert werden. Unter normalen Einsatzbedingungen des Lagers, bei denen die Drehzahl größer ist als 100 U/min, wird ein ausreichender Ölfilm zwischen der Oberfläche der Konusrückseitenrippe und der großen Endfläche gebildet. Somit ist der Schmierzustand zwischen diesen eine Flüssigkeitsschmierung, und der Reibungskoeffizient wird reduziert.
  • Der Grund dafür, dass die Obergrenze der Rautiefe Ra der Oberfläche der Konusrückseitenrippe des Innenrings auf 0,20 μm festgelegt wird, ist folgender: Wenn die Rautiefe Ra 0,20 μm übersteigt, wird die Temperatur des Lagers in einem hohen Rotationsbereich erhöht, was zu einer Verringerung der Viskosität des Schmieröls führt. In einem solchen Fall wird die Dicke t des Ölfilms ungenügend, und Fressen neigt dazu, aufzutreten.
  • Ein Fensterwinkel jeder der Taschen kann 55° oder mehr und 80° oder weniger betragen. Der Fensterwinkel ist der Winkel, der durch Seitenflächen benachbarter Säulenbereiche gebildet wird, die mit der Wälzfläche einer Rolle in Kontakt stehen. Der Grund dafür, dass der Fensterwinkel auf 55° oder mehr festgelegt wird, besteht darin, gute Kontaktbedingungen mit der Rolle zu gewährleisten. Dass der Fensterwinkel auf 80° oder weniger festgelegt wird, hat folgenden Grund: Bei einem Fensterwinkel von mehr als 80° nimmt die radiale Druckkraft zu. In einem solchen Fall kann keine gleichmäßige Rotation erzielt werden, selbst wenn ein Harzmaterial mit selbstschmierenden Eigenschaften verwendet wird. Es ist anzumerken, dass bei herkömmlichen Käfigen der Fensterwinkel zwischen 25° und 50° liegt.
  • Der Käfig kann aus einem technischen Kunststoff bestehen, der eine ausgezeichnete mechanische Festigkeit, Ölfestigkeit und Wärmebeständigkeit besitzt. Ein Käfig, bei dem ein Harzmaterial verwendet wird, ist dadurch charakterisiert, dass er ein geringeres Käfiggewicht, bessere Selbstschmierungseigenschaften und einen kleineren Reibungskoeffizienten hat als ein Käfig, der aus einer Eisenplatte besteht. Diese Eigenschaften werden mit der Wirkung des Schmieröls kombiniert, das in dem Lager vorhanden ist, wodurch das Auftreten eines Verschleißes aufgrund des Kontakts mit dem Außenring unterdrückt werden kann. Ein derartiges Harzmaterial hat im Vergleich zu einer Stahlplatte ein geringeres Gewicht und einen niedrigeren Reibungskoeffizienten und ist daher dazu geeignet, den Drehmomentverlust zu dem Zeitpunkt, an dem der Betrieb des Lagers gestartet wird, sowie den Verschleiß des Käfigs zu reduzieren.
  • Jede der Taschen kann außerdem eine Kerbe aufweisen, die in dem kleinen ringförmigen Bereich auf der schmalen Seite derselben vorgesehen ist. Mit einer derartigen Gestaltung wird es ermöglicht, dass das Schmieröl, das von der radial inneren Seite des Käfigs zur Innenringseite fließt, auch durch die Kerbe zur Außenringseite fließt. Folglich wird die Menge des Schmieröls, die entlang der Laufrille des Innenrings fließt und die Konusrückseitenrippe erreicht, weiter verringert, und der Drehmomentverlust aufgrund des Strömungswiderstands des Schmieröls wird weiter reduziert.
  • Jede der Taschen kann außerdem eine Kerbe aufweisen, die auf der breiten Seite derselben vorgesehen ist, wobei die Kerbe in mindestens einem der Säulenbereiche vorgesehen ist. Mit einer derartigen Gestaltung können die Kegelrollen in ausgeglichener Weise mit den Säulenbereichen in Kontakt gebracht werden.
  • Ein Gesamtbereich der Kerben, die auf der schmalen Seite der Taschen vorgesehen sind, kann größer sein als ein Gesamtbereich der Kerben, die auf der breiten Seite der Taschen vorgesehen sind. Mit einer derartigen Gestaltung kann die Menge des Schmieröls, die entlang der Laufrille des Innenrings fließt und die Konusrückseitenrippe erreicht, reduziert werden, und der Drehmomentverlust aufgrund des Strömungswiderstands des Schmieröls kann weiter reduziert werden.
  • Der Käfig kann eine radial nach innen gerichtete Rippe aufweisen, die auf einer axial äußeren Seite des kleinen ringförmigen Bereichs des Käfigs vorgesehen ist, wobei die radial nach innen gerichtete Rippe einer radial äußeren Fläche der Konusvorderseitenrippe des Innenrings gegenüberliegt. Darüber hinaus kann eine Obergrenze eines Spalts zwischen einer radial inneren Fläche der radial nach innen gerichteten Rippe und der radial äußeren Fläche der Konusvorderseitenrippe des Innenrings 2,0% einer äußeren radialen Abmessung der Konusvorderseitenrippe betragen. Mit einer derartigen Gestaltung kann die Menge des Schmieröls, die von der radial inneren Seite des Käfigs zur Innenringseite fließt, reduziert werden, und der Drehmomentverlust aufgrund des Strömungswiderstands des Schmieröls kann noch weiter reduziert werden.
  • Eine große Anzahl von mikroskopischen ausgesparten Vertiefungen kann zumindest auf Oberflächen der Kegelrollen wahllos ausgebildet sein. Ein Rautiefenparameter Ryni der Oberflächen, die die Vertiefungen aufweisen, kann 0,4 μm ≤ Ryni ≤ 1,0 μm sein, und ein Sk-Wert der Oberflächen, die die Vertiefungen aufweisen, kann –1,6 oder weniger sein. Mit einer derartigen Gestaltung kann das Schmieröl gleichmäßig auf den Oberflächen der Kegelrollen gehalten werden. Daher können selbst dann, wenn die Menge des Schmieröls, die im Inneren des Lagers bleibt, reduziert wird, die Kontaktbereiche zwischen den Kegelrollen und den Innen- und Außenringen ausreichend geschmiert werden.
  • Der Parameter Ryni ist der Durchschnittswert von maximalen Höhen in Bereichen, die eine Referenzlänge haben. Genauer ausgedrückt, werden Bereiche, die die Referenzlänge in einer den Durchschnitt bildenden Linienrichtung haben, aus einer Rauheitskurve entnommen, und der Abstand zwischen einer höchsten Linie und einer untersten Linie in jedem der entnommenen Bereiche wird entlang der vertikalen Vergrößerungsrichtung der Rauheitskurve gemessen (ISO 4287: 1997). Der Sk-Wert zeigt die Schiefe der Rauheitskurve an, d. h. die Asymmetrie der Unregelmäßigkeitsverteilung (ISO 4287: 1997). Der Sk-Wert ist für eine symmetrische Verteilung wie z. B. eine Gaußsche Verteilung nahezu gleich Null. Der Sk-Wert ist negativ, wenn hervorragende Bereiche aus den Unregelmäßigkeiten entfernt werden, und er ist positiv, wenn ausgesparte Bereiche entfernt werden. Der Sk-Wert kann gesteuert werden, indem die Drehzahl einer Trommelpoliervorrichtung, die Bearbeitungszeit, die Werkstückzufuhr, die Art und Größe eines Polierspans und Ähnliches ausgewählt werden. Durch Einstellen der Sk-Werte auf –1,6 oder weniger kann das Schmieröl gleichmäßig in einer großen Anzahl der mikroskopisch kleinen ausgesparten Vertiefungen gehalten werden.
  • Das Kegelrollenlager ist als Lager geeignet, das eine Kraftübertragungswelle eines Kraftfahrzeugs stützt.
  • WIRKUNG DER ERFINDUNG
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung kann das Drehmoment eines Lagers reduziert werden, ohne die Steifigkeit des Lagers zu verringern. Genauer ausgedrückt, haben die Säulenbereiche des Käfigs Kerben, die auf der schmalen Seite der trapezförmigen Taschen vorgesehen sind. Jede Kerbe erstreckt sich durch den Säulenbereich von der radial äußeren Seite zur radial inneren Seite. Auf diese Weise wird es ermöglicht, dass das Schmieröl, das von der radial inneren Seite des Käfigs zur Innenringseite fließt, durch die Kerben rasch zur Außenringseite fließt. Somit wird die Menge des Schmieröls, die entlang der Laufrille des Innenrings fließt und die Konusrückseitenrippe erreicht, reduziert, und die Menge des Schmieröls, die im Inneren des Lagers bleibt, wird reduziert, so dass der Drehmomentverlust aufgrund des Strömungswiderstands des Schmieröls reduziert wird.
  • Außerdem besitzt die Oberfläche der Konusrückseitenrippe des Innenrings eine konische Fläche, die mit den großen Endflächen der Kegelrollen in Kontakt kommt, und eine gekrümmte Flanke geht glatt in die konische Fläche über. Darüber hinaus ist der Krümmungs radius R der großen Endflächen der Kegelrollen auf einen Wert im Bereich von R/R0 = 0,75 bis 0,87 festgelegt. Auf diese Weise können der Drehmomentverlust und die Erzeugung von Wärme aufgrund der Gleitreibung zwischen der Oberfläche der Konusrückseitenrippe des Innenrings und den großen Endflächen der Kegelrollen reduziert werden, und das Auftreten von Fressen kann hierdurch verhindert werden.
  • Dadurch, dass der Rollenkoeffizient γ auf einen Wert von mehr als 0,94 festgelegt wird, kann eine Verringerung der Steifigkeit verhindert werden. Außerdem nimmt durch das Festlegen des Rollenkoeffizienten γ auf einen Wert von mehr als 0,94 nicht nur die Belastungsfähigkeit zu, sondern es kann auch der maximale Oberflächendruck auf die Laufrillen reduziert werden. Daher kann das Auftreten eines lebensdauerverkürzenden, von der Oberfläche herrührenden Abplatzens unter schwierigen Schmierbedingungen verhindert werden.
  • Darüber hinaus wird bei dem Kegelrollenlager gemäß dieser Erfindung eine stickstoffreiche Schicht gebildet, und die Größe der Austenitkörner wird derart reduziert, dass die Korngrößennummer der Austenitkörner 11 oder mehr beträgt. Daher wird die Lebensdauer im Verhältnis zur Wälzermüdung signifikant verbessert, und ein guter Widerstand gegen Rissbildung sowie ein guter Widerstand gegen Änderungen der Abmessungen im Laufe der Zeit können erzielt werden.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
  • In der Zeichnung zeigen:
  • 1A eine horizontale Schnittdarstellung eines Kegelrollenlagers gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
  • 1B eine vertikale Schnittdarstellung des Lagers;
  • 2 eine abgewickelte Draufsicht auf einen Käfig des Kegelrollenlagers gemäß 1B;
  • 3 eine abgewickelte Draufsicht ähnlich der 2, wobei hier ein modifiziertes Beispiel für den Käfig veranschaulicht wird;
  • 4 eine abgewickelte Draufsicht ähnlich der 2, wobei hier ein weiteres modifiziertes Beispiel für den Käfig veranschaulicht wird;
  • 5 eine teilweise vergrößerte Ansicht gemäß 1B;
  • 6 eine graphische Darstellung der Ergebnisse der Tests betreffend die Drehmomentmessung;
  • 7 eine teilweise vergrößerte Schnittdarstellung eines Kegelrollenlagers, wobei der Fensterwinkel die Untergrenze darstellt;
  • 8 eine teilweise vergrößerte Schnittdarstellung eines Kegelrollenlagers, wobei der Fensterwinkel die Obergrenze darstellt;
  • 9 eine Tabelle, die die Ergebnisse von Lebensdauertests von Lagern darstellt;
  • 10 eine teilweise horizontale Schnittdarstellung eines Kegelrollenlagers, wobei ein modifiziertes Beispiel für den Käfig veranschaulicht wird;
  • 11 eine teilweise vergrößerte Ansicht gemäß 10;
  • 12 eine Schnittdarstellung eines gängigen Fahrzeuggetriebes;
  • 13 eine Schnittdarstellung eines gängigen Fahrzeugdifferenzials;
  • 14 ein Diagramm, das ein Wärmebehandlungsverfahren für ein Kegelrollenlager beschreibt;
  • 15 ein Diagramm, das ein modifiziertes Beispiel für das Wärmebehandlungsverfahren für ein Kegelrollenlager veranschaulicht;
  • 16A eine strukturelle Darstellung einer Mikrostruktur, insbesondere von Austenit korngrenzen, eines Lagerbauteils eines Beispiels für die vorliegende Erfindung;
  • 16B eine strukturelle Darstellung einer Mikrostruktur, insbesondere von Austenitkorngrenzen, eines herkömmlichen Lagerbauteils;
  • 17A eine strukturelle Darstellung, die die Austenitkorngrenzen gemäß 16A schematisch veranschaulicht;
  • 17B eine strukturelle Darstellung, die die Austenitkorngrenzen gemäß 16B schematisch veranschaulicht;
  • 18 ein Diagramm, das ein Probestück für einen statischen Druckfestigkeitstest (Messung des Bruchbeanspruchungswerts) zeigt;
  • 19A eine schematische Zeichnung einer Testvorrichtung für die Lebensdauer im Verhältnis zur Wälzermüdung;
  • 19B eine Seitenansicht der Testvorrichtung für die Lebensdauer im Verhältnis zur Wälzermüdung;
  • 20 ein Diagramm, das ein Probestück für einen statischen Bruchzähigkeitstest zeigt;
  • 21A eine abgewickelte Draufsicht auf einen Käfig, wobei eine herkömmliche Technologie veranschaulicht wird;
  • 21B eine abgewickelte Draufsicht auf einen weiteren Käfig, wobei eine herkömmliche Technologie veranschaulicht wird;
  • 22 eine teilweise vergrößerte Schnittdarstellung eines Kegelrollenlagers, wobei eine herkömmliche Technologie veranschaulicht wird;
  • 23 eine graphische Darstellung von Änderungen eines Steifigkeitsverhältnisses (ausgefüllte Kreise) und eines Drehmomentverhältnisses (offene Kreise) eines Kegelrollenlagers, wenn der Wälzkreisdurchmesser (PCD) der Rollen verändert wird;
  • 24 eine Schnittdarstellung zur Beschreibung der Konstruktionsspezifikationen eines Kegelrollenlagers;
  • 25 eine teilweise vergrößerte Darstellung der großen Rollenendflächenseite gemäß 24;
  • 26 eine teilweise vergrößerte Darstellung der kleinen Rollenendflächenseite gemäß 24;
  • 27 eine graphische Darstellung des Verhältnisses zwischen dem Krümmungsradius einer großen Rollenendfläche und der Dicke eines Ölfilms; und
  • 28 eine graphische Darstellung des Verhältnisses zwischen dem Krümmungsradius der großen Rollenendfläche und der maximalen Hertzschen Pressung.
  • BESTE ART DER AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
  • Nachfolgend werden Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben.
  • Ein Kegelrollenlager 1 gemäß den 1A und 1B setzt sich zusammen aus einem Innenring 2, einem Außenring 3, Kegelrollen 4 und einem Käfig 5. Der Innenring 2 weist eine konische Laufrille 2a auf seinem Außenumfang auf, und der Außenring 3 weist eine konische Laufrille 3a auf seinem Innenumfang auf. Mehrere der Kegelrollen 4 sind drehbar zwischen der Laufrille 2a des Innenrings 2 und der Laufrille 3a des Außenrings 3 angeordnet. Jede der Kegelrollen 4 ist in einer Tasche aufgenommen, die in dem Käfig 5 ausgebildet ist, so dass die axiale Bewegung der Kegelrollen 4 durch eine Konusrückseitenrippe 2b und eine Konusvorderseitenrippe 2c eingeschränkt wird, welche auf den jeweiligen Seiten der Laufrille 2a des Innenrings 2 vorgesehen sind.
  • Das Kegelrollenlager 1 hat einen Rollenkoeffizienten γ von mehr als 0,94. Der Rollenkoeffizient γ zeigt einen Rollenfüllfaktor an und ist durch folgende Gleichung definiert: Rollenkoeffizient γ = (Z × DA)/(π × PCD)
  • Hierbei steht
    • Z für die Anzahl der Rollen,
    • DA für den durchschnittlichen Durchmesser der Rollen, und
    • PCT für den Wälzkreisdurchmesser der Rollen.
  • Zum Vergleich wird eine herkömmliche Technologie unter Bezugnahme auf 22 beschrieben. Das in 22 dargestellte Kegelrollenlager ist ein typisches Kegelrollenlager, das mit einem Käfig versehen ist, der von dem Außenring beabstandet ist. Dieses Kegelrollenlager ist so konstruiert, dass eine ausreichendes Säulenbreite eines Käfigs 72 ge währleistet ist, während verhindert wird, dass ein Außenring 71 mit dem Käfig 72 in Kontakt kommt, so dass der Rollenkoeffizient γ 0,94 oder weniger beträgt, um eine gleichmäßige Rotation und eine ausreichende Säulenfestigkeit des Käfigs 72 zu erzielen. In 22 stehen die Bezugszeigen 73, 74 und 75 jeweils für eine Kegelrolle, eine Säulenfläche und einen Innenring, und ein Symbol θ steht für einen Fensterwinkel.
  • Wie in 1B dargestellt, weist der Käfig 5 Folgendes auf: einen kleinen ringförmigen Bereich 6, der auf der kleinen Endflächenseite der Kegelrollen 4 durchgängig ist, einen großen ringförmigen Bereich 7, der auf der großen Endflächenseite der Kegelrollen 4 durchgängig ist, und mehrere Säulenbereiche 8, die den kleinen ringförmigen Bereich 6 und den großen ringförmigen Bereich 7 verbinden. Wie in 2 dargestellt, wird zwischen benachbarten Säulenbereichen 8 eine Tasche 9 gebildet.
  • Jede Tasche 9 des Käfigs 5 hat eine Trapezform mit einer schmalen Seite, die die Seite kleinen Durchmessers der Kegelrolle 4 aufnimmt, und mit einer breiten Seite, die die Seite großen Durchmessers der Kegelrolle 4 aufnimmt. Jede Tasche 9 weist auf ihren schmalen und breiten Seiten Kerben auf. Im Speziellen sind zwei Kerben 10a und 10b auf jeder der entgegengesetzten Seiten der Säulenbereiche 8 vorgesehen, und jede Kerbe erstreckt sich durch den Säulenbereich 8 von der radial äußeren Seite zur radial inneren Seite. Jede der Kerben 10a und 10b hat Abmessungen von 1,0 mm Tiefe und 4,6 mm Breite. Es ist anzumerken, dass die Kerben 10a und 10b, wie sie als Beispiel in der Zeichnung dargestellt sind, die Form einer Nut haben, die sich in radialer Richtung durch den Käfig 5 erstreckt. Die Kerben können jedoch beliebige Form und beliebige Abmessungen haben, so lange die Verbindung zwischen den radial inneren und äußeren Seiten des Käfigs 5 sichergestellt ist, um einen ungehinderten Durchfluss des Schmieröls zu ermöglichen.
  • 3 und 4 zeigen modifizierte Beispiele für den Käfig 5. Bei dem in 3 dargestellten modifizierten Beispiel ist eine weitere Kerbe 10c auch in dem kleinen ringförmigen Bereich 6 auf der schmalen Seite der Tasche 9 vorgesehen. Darüber hinaus ist der Gesamtbereich der drei Kerben 10a und 10c auf der schmalen Seite größer als der Gesamtbereich der beiden Kerben 10b auf der breiten Seite. Es ist anzumerken, dass die Kerbe 10c Abmessungen von 1,0 mm Tiefe und 5,7 mm Breite hat. Bei dem in 4 dargestellten modifizierten Beispiel haben die Kerben 10a in den Säulenbereichen 8 auf der schmalen Seite jeweils eine Tiefe von 1,5 mm und sind somit tiefer als jede der Kerben 10b in den Säulen bereichen 8 auf der breiten Seite. Darüber hinaus ist der Gesamtbereich der Kerben 10a auf der schmalen Seite größer als der Gesamtbereich der Kerben 10b auf der breiten Seite.
  • Wie in 5 dargestellt, ist eine radial nach innen gerichtete Rippe 11 auf der axial äußeren Seite des kleinen ringförmigen Bereichs 6 des Käfigs 5 vorgesehen und liegt der radial äußeren Fläche der Konusvorderseitenrippe 2c des Innenrings 2 gegenüber. Der Spalt 6 zwischen der radial inneren Fläche der Rippe 11 und der radial äußeren Fläche der Konusvorderseitenrippe 2c des Innenrings 2 ist auf 2,0% oder weniger der äußeren radialen Abmessung der Konusvorderseitenrippe 2c festgelegt.
  • Jede Kegelrolle 4 weist eine große Anzahl von mikroskopisch kleinen ausgesparten Vertiefungen auf (nicht dargestellt), die wahllos über ihre gesamte Oberfläche verteilt sind. Die Oberfläche mit den Vertiefungen hat einen Rautiefenparameter Ryni von 0,4 μm bis 1,0 μm und einen Sk-Wert von –1,6 oder weniger.
  • Ein Kegelrollenlager mit dem in 2 dargestellten Käfig (Beispiel 1) und ein Kegelrollenlager mit dem in 3 dargestellten Käfig (Beispiel 2) wurden vorbereitet. Darüber hinaus wurden als Vergleichsbeispiele ein Kegelrollenlager mit einem Käfig ohne Kerbe in den Taschen (Vergleichsbeispiel 1) sowie Kegelrollenlager mit den in 21A und 21B dargestellten Käfigen (Vergleichsbeispiele 2 und 3) vorbereitet. Es ist anzumerken, dass die Kegelrollenlager jeweils Abmessungen von 100 mm Außendurchmesser, 45 mm Innendurchmesser und 27,25 mm Breite haben, und dass alle Teile derselben mit Ausnahme der Kerben in den Taschen gleich sind.
  • Bei jedem der Kegelrollenlager der Beispiele und der Vergleichsbeispiele wurde unter Verwendung einer vertikalen Drehmomenttestmaschine ein Drehmomentmessungstest durchgeführt. Die Testbedingungen sind wie folgt:
    Axiallast: 2,940 N
    Drehzahl: 300 bis 2.000 U/min (100 U/min Teilung) und
    Schmierbedingung: Ölbadschmierung (Schmieröl: 75W-90)
  • 6 zeigt die Testergebnisse. Die vertikale Achse der graphischen Darstellung in 6 steht für ein Verhältnis der Reduzierung des Drehmoments relativ zu dem Drehmoment, das bei dem Vergleichsbeispiel 1 erzielt wird, bei welchem der Käfig ohne Kerben in den Taschen verwendet wurde. Einige Drehmomentverringerungseffekte wurden bei dem Vergleichsbeispiel 2 erzielt, bei dem die Kerben in den mittigen Bereichen der Säulenbereiche der Taschen vorgesehen waren, und bei dem Vergleichsbeispiel 3, bei dem die Kerben in den kleinen und großen ringförmigen Bereichen der Taschen vorgesehen waren. Bei dem Beispiel 1, bei dem die Kerben auf der schmalen Seite der Säulenbereiche der Taschen vorgesehen waren, waren die Drehmomentverringerungseffekte jedoch besser als bei den Vergleichsbeispielen. Bei dem Beispiel 2, bei dem die zusätzlichen Kerben in den kleinen ringförmigen Bereichen auf der schmalen Seite vorgesehen waren, so dass der Gesamtbereich der Kerben auf der schmalen Seite größer ist als der Gesamtbereich der Kerben auf der breiten Seite, waren die Drehmomentverringerungseffekte sogar noch besser.
  • Das Verhältnis der Reduzierung des Drehmoments bei 2.000 U/min, also der maximalen Drehzahl in dem Test, betrug bei dem Beispiel 1 9,5% und bei dem Beispiel 2 11,5%. Somit können unter Bedingungen hoher Drehzahlen in Differenzialen, Getrieben und Ähnlichem gute Drehmomentverringerungseffekte erzielt werden. Es ist anzumerken, dass das Verhältnis der Reduzierung des Drehmoments bei einer Drehzahl von 2.000 U/min bei dem Vergleichsbeispiel 2 8,0% und bei dem Vergleichsbeispiel 3 6,5% betrug.
  • Der Käfig 5 wird unter Verwendung eines Harzes einstückig geformt und weist den ringförmigen Bereich 6 auf der Seite kleinen Durchmessers, den ringförmigen Bereich 7 auf der Seite großen Durchmessers und die mehreren Säulenbereiche 8, die den ringförmigen Bereich 6 auf der Seite kleinen Durchmessers und den ringförmigen Bereich 7 auf der Seite großen Durchmessers verbinden. Als Material für den Käfig wird ein hochtechnischer Kunststoff wie PPS, PEEK, PA, PPA oder PAI verwendet. Falls notwendig, kann auch ein Material verwendet werden, das hergestellt wird, indem Glasfasern oder Kohlenstofffasern zu einem derartigen Harzmaterial oder zu anderen technischen Kunststoffen hinzugefügt werden, um die Festigkeit zu verbessern.
  • Zu den Beispielen für technische Kunststoffe gehören technische Kunststoffe für allgemeine Zwecke und hochtechnische Kunststoffe. Repräsentative Beispiele für den technischen Kunststoff sind nachfolgend aufgelistet. Diese sind jedoch nur als Beispiele angegeben, und der technische Kunststoff ist nicht hierauf beschränkt.
  • [Technische Kunststoffe für allgemeine Zwecke]
    • Polycarbonat (PC), Polyamid 6 (PA6), Polyamid 66 (PA66), Polyoxymethylen (POM), modifizierter Polyphenylenester (m-PPE), Polybutylenterephtalat (PBT), glasfaserverstärktes Polyethylenterephtalat (GF-PET) und ultrahochmolekulares Polyethylen (UHMW-PE).
  • [Hochtechnische Kunststoffe]
    • Polysulfon (PSU), Polyethersulfon (PES), Polyphenylensulfid (PPS), Polyarylat (PAR), Polyamidimid (PAI), Polyetherimid (PEI), Polyetheretherketon (PEEK), Flüssigkristallpolymer (FKP), thermoplastisches Polyimid (TPI), Polybenzimidazol (PBI), Polymethylpenten (TPX), Poly-(1,4-cyclohexan-dimethylen-terephtalat) (PCT), Polyamid 46 (PA46), Polyamid 6T (PA6T), Polyamid 9T (PA9T), Polyamid 11, 12 (Pa11, 12), Fluorharz und Polyphtalamid (PPA).
  • Unter Bezugnahme auf 7 und 8 wird der Fensterwinkel θ beschrieben, d. h. der Winkel, der durch die Säulenbereiche 5a gebildet wird. Die Untergrenze des Fensterwinkels θmin beträgt 55° (7), und die Obergrenze des Fensterwinkels θmax beträgt 80° (8). Bei dem typischen Kegelrollenlager, das mit dem Käfig versehen ist, der von dem Außenring beabstandet ist (22), beträgt der Fensterwinkel höchstens etwa 50°. Der Grund dafür, dass die Untergrenze des Fensterwinkels θmin auf 55° festgelegt wird, besteht darin, gute Kontaktbedingungen mit den Rollen zu gewährleisten. Liegt der Fensterwinkel unter 55°, so werden die Kontaktbedingungen mit den Rollen beeinträchtigt. Genauer ausgedrückt, kann bei einem Fensterwinkel von 55° oder mehr der Wert γ größer sein als 0,94, während die Festigkeit des Käfigs gewährleistet ist, und es können gute Kontaktbedingungen gewährleistet werden. Darüber hinaus besteht der Grund für das Festlegen der Obergrenze des Fensterwinkels θmax auf 80° darin, dass bei einem Fensterwinkel über 80° die Druckkraft in radialer Richtung zunimmt, was das Risiko mit sich bringt, dass selbst dann keine gleichmäßige Rotation mehr erzielt werden kann, wenn ein selbstschmierendes Harzmaterial verwendet wird.
  • 9 zeigt die Ergebnisses des Tests betreffend die Lebensdauer der Lager. In 9 entspricht das „Vergleichsbeispiel 1" in der Spalte „Lager" dem typischen herkömmlichen Kegelrollenlager, bei dem der Käfig von dem Außenring beabstandet ist (22). Das „Vergleichsbeispiel 2" entspricht einem der Kegelrollenlager gemäß der vorliegenden Erfindung, wobei das Kegelrollenlager dem herkömmlichen Kegelrollenlager ähnelt, mit Aus nahme dessen, dass nur der Rollenkoeffizient γ zu γ > 0,94 abgeändert wird. Das „Beispiel" entspricht dem Kegelrollenlager gemäß der vorliegenden Erfindung, das einen Rollenkoeffizienten γ von γ > 0,94 und einen Fensterwinkel innerhalb des Bereichs von 55° bis 80° hat. Der Test wurde unter den Bedingungen einer schwierigen Schmierung und einer übermäßig hohen Belastung durchgeführt. Wie aus 9 deutlich wird, war bei dem „Vergleichsbeispiel 2" die Lebensdauer mindestens doppelt so lang wie die Lebensdauer bei dem „Vergleichsbeispiel 1". Das Lager des „Beispiels" hat einen Rollenkoeffizienten von 0,96, der somit dem des „Vergleichsbeispiels 2" entspricht. Bei dem „Beispiel" war jedoch die Lebensdauer etwa fünfmal so lange oder mehr als fünfmal so lange wie bei dem „Vergleichsbeispiel 2". Es ist anzumerken, dass sowohl bei dem „Vergleichsbeispiel 1" als auch bei dem „Vergleichsbeispiel 2" und bei dem „Beispiel" die Abmessungen jeweils ϕ45 × ϕ81 × 16 (in mm) sind, und die Anzahl der Rollen beträgt bei dem „Vergleichsbeispiel 1" 24 und bei dem „Vergleichsbeispiel 2" und dem „Beispiel" 27. Darüber hinaus ist ein Ölfilmparameter Λ = 0,2.
  • Bei einem in den 10 und 11 dargestellten modifizierten Beispiel ist ein Vorsprung 5b, der in Richtung zur Laufrille 3a des Außenrings 3 hervorragt, auf der radial äußeren Fläche jedes Säulenbereichs 8 eines Käfigs 5 ausgebildet, der einstückig aus einem technischen Kunststoff geformt ist. Der Rest der Gestaltung entspricht der des oben beschriebenen Käfigs 5. Der Vorsprung 5b hat in einem Schnitt entlang einer Richtung quer zum Säulenbereich 8 eine bogenartige Kontur, wie in 11 dargestellt. Der Krümmungsradius R2 der Bogenform ist kleiner als der Radius R1 der Laufrille 3a des Außenrings 3. Der Grund hierfür besteht darin, dass ein vorteilhafter keilartiger Ölfilm zwischen dem Vorsprung 5b und der Laufrille 3a des Außenrings 3 gebildet werden soll. Es ist wünschenswert, dass der Vorsprung 5b so geformt ist, dass er einen Krümmungsradius R2 von 70 bis 90% des Radius R1 der Laufrille 3a des Außenrings 3 hat. Beträgt der Krümmungsradius R2 weniger als 70% des Radius R1, so ist der Öffnungswinkel des keilartigen Ölfilms zu groß, was zu einer Verringerung des dynamischen Drucks führt. Beträgt der Krümmungsradius R2 mehr als 90% des Radius R1, so ist der Öffnungswinkel des keilartigen Ölfilms zu klein, und auch dies führt zu einer Verringerung des dynamischen Drucks. Es ist wünschenswert, dass der Vorsprung 5b so geformt ist, dass er eine laterale Breite W2 von mindestens 50% der lateralen Breite W1 des Säulenbereichs 8 hat (W2 ≥ 0,5 × W1). Denn wenn die laterale Breite W2 kleiner ist als 50% der lateralen Breite W1, kann der Vorsprung 5b keine ausreichende Höhe haben, um einen vorteilhaften keilartigen Ölfilm zu bilden. Der Radius R1 der Laufrille 3a des Außenrings 3 wird von der Seite großen Durchmessers zur Seite kleinen Durchmessers kontinuierlich geändert. Somit wird auch der Krümmungsradius R2 des Vorsprungs 5b kontinuierlich von einem größeren Krümmungsradius R2 in dem großen ringförmigen Bereich 7 bis zu einem kleineren Krümmungsradius R2 in dem kleinen ringförmigen Bereich 6 geändert, so dass er der Änderung des Radius R1 folgt.
  • Das in 10 und 11 dargestellte Kegelrollenlager 1 ist so beschaffen, wie oben erwähnt. Wenn das Lager 1 rotiert und damit bewirkt wird, dass auch der Käfig 5 rotiert, wird daher ein keilartiger Ölfilm zwischen der Laufrille des Außenrings und dem Vorsprung 5b des Käfigs 5 gebildet. Dieser keilartige Ölfilm erzeugt einen dynamischen Druck, der annähernd proportional zur Drehzahl des Lagers 1 ist. Selbst wenn also der Wälzkreisdurchmesser (PCD) des Käfigs 5 größer ist als in herkömmlichen Fällen, um den Käfig 5 näher an die Laufrille 3a des Außenrings 3 heranzubringen, wird es ermöglicht, dass das Lager 1 ohne übermäßigen Verschleiß und Drehmomentverlust rotiert. Daher kann die Anzahl der Rollen erhöht werden, ohne dass dies einen Nachteil mit sich bringt.
  • 12 zeigt als Beispiel eine Gestaltung eines Fahrzeugdifferenzials, bei dem das vorgenannte Kegelrollenlager verwendet werden kann. Bei diesem Differenzial wird ein Ausgleichkegelrad 22, das mit einer (nicht dargestellten) Gelenkwelle verbunden und in ein Differenzialgehäuse 21 eingesetzt ist, mit einem Hohlrad 24 in Eingriff gebracht, das an einem Ausgleichgehäuse 23 befestigt ist. Ein Ritzel 25, das im Inneren des Ausgleichgehäuses 23 befestigt ist, steht mit Hinterachswellenrädern 26 in Eingriff, die mit Antriebswellen verbunden sind (nicht dargestellt), welche von der linken und der rechten Seite in das Ausgleichgehäuse 23 eingesetzt werden, wodurch die Antriebskraft eines Motors über die Gelenkwelle auf die linke und die rechte Antriebswelle übertragen wird. Bei diesem Differenzial werden das Ausgleichkegelrad 22, das als Kraftübertragungswelle dient, und das Ausgleichgehäuse 23 jeweils von einem Paar Kegelrollenlager 1a und einem Paar Kegelrollenlager 1b gestützt.
  • Das Differenzialgehäuse 21 ist mit Dichtungselementen 27a, 27b und 27c abgedichtet und nimmt im Inneren ein Schmieröl auf. Jedes der Kegelrollenlager 1a und 1b rotiert so, dass dessen unterer Bereich in das Ölbad des Schmieröls getaucht ist. Wenn die Kegelrollenlager 1a und 1b jeweils mit hoher Drehzahl rotieren und ihre unteren Bereiche in das Ölbad getaucht sind, fließt das Schmieröl in dem Ölbad von der Seite kleinen Durchmessers der Kegelrolle 4 durch separate Bahnen auf den radial äußeren und inneren Seiten des Käfigs 5 in das Lager, wie in 5 durch Pfeile dargestellt. Das Schmieröl, das von der radial äußeren Seite des Käfigs 5 in den Außenring 3 fließt, fließt entlang der Laufrille 3a des Außenrings 3, läuft durch diese zu der Seite großen Durchmessers der Kegelrolle 4 und fließt aus dem Lager heraus. Die Menge des Schmieröls, die von der radial inneren Seite des Käfigs 5 in die Seite des Innenrings 2 fließt, ist merklich geringer als die Menge des Schmieröls, die ausgehend von der radial äußeren Seite des Käfigs 5 fließt. Darüber hinaus läuft der Großteil des Schmieröls, das aus dem Spalt 6 fließt, durch die Kerben 10a, die in den Säulenbereichen 8 vorgesehen sind und sich auf der schmalen Seite der Tasche 9 befinden, und bewegt sich zur radial äußeren Seite des Käfigs 5. Daher fließt nur eine sehr kleine Menge des Schmieröls entlang der Laufrille 2a des Innenrings 2 und erreicht die Konusrückseitenrippe 2c, so dass die Menge des Schmieröls, die im Inneren des Lagers bleibt, reduziert werden kann.
  • 13 zeigt als Beispiel eine Gestaltung eines Fahrzeuggetriebes, bei dem das vorgenannte Kegelrollenlager verwendet werden kann. Bei diesem Getriebe handelt es sich um ein Synchrongetriebe. In 13 ist die linke Seite eine Motorseite und die rechte Seite ist eine Antriebsradseite. Ein Kegelrollenlager 43 ist zwischen einer Hauptantriebswelle 41 und einem Hauptantriebszahnrad 42 angeordnet. Bei diesem Beispiel ist die Laufrille des Außenrings des Kegelrollenlagers 43 direkt auf dem Innenumfang des Hauptantriebszahnrads 42 ausgebildet. Das Hauptantriebszahnrad 42 wird von einem Kegelrollenlager 44 so gestützt, dass es relativ zu einem Gehäuse 45 drehbar ist. Das Hauptantriebszahnrad 42 ist mit einem Kupplungszahnrad 46 verbunden, und ein Synchronisiermechanismus 47 ist in der Nähe des Kupplungszahnrads 46 angeordnet.
  • Der Synchronisiermechanismus 47 weist Folgendes auf: eine Muffe 48, die sich als Reaktion auf die Wirkung eines Wahlschalters (nicht dargestellt) in axialer Richtung bewegt (in der Zeichnung die Richtung nach links bzw. rechts), einen Synchronisierriegel 49, der am Innenumfang der Muffe 48 so befestigt ist, dass er in axialer Richtung bewegt werden kann; eine Nabe 50, die am Außenumfang der Hauptantriebswelle 41 befestigt ist, einen Synchronring 51, der gleitend am Außenumfang (Konusbereich) des Kupplungszahnrads 46 befestigt ist, einen Druckstift 52, der den Synchronisierriegel 49 elastisch gegen den Innenumfang der Muffe 48 drückt, und eine Feder 53.
  • In dem in 13 dargestellten Zustand werden die Muffe 48 und der Synchronisierriegel 49 durch den Druckstift 52 in neutralen Positionen gehalten. In diesem Zustand läuft das Hauptantriebszahnrad 42 auf der Hauptantriebswelle 41 im Leerlauf. Wenn die Muffe 48 als Reaktion auf die Wirkung des Wahlschalters aus dem in 13 dargestellten Zustand in axialer Richtung beispielsweise zur linken Seite bewegt wird, wird der Synchronisierriegel 49 in axialer Richtung zur linken Seite bewegt und folgt somit der Bewegung der Muffe 48, so dass der Synchronring 51 gegen die schräg geneigte Fläche des Konusbereichs des Kupplungszahnrads 46 gedrückt wird. Dies hat zur Folge, dass die Drehzahl des Kupplungszahnrads 46 reduziert wird und im Gegensatz hierzu die Drehzahl des Synchronisiermechanismus 47 erhöht wird. Wenn die Drehzahlen miteinander synchronisiert sind, wird die Muffe 48 in axialer Richtung weiter nach links bewegt und mit dem Kupplungszahnrad 46 in Eingriff gebracht, so dass die Hauptantriebswelle 41 und das Hauptantriebszahnrad 42 durch den Synchronisiermechanismus 47 miteinander verbunden werden. Auf diese Weise drehen sich die Hauptantriebswelle 41 und das Hauptantriebszahnrad 42 synchron.
  • Bei dem oben beschriebenen Kegelrollenlager 1 weist zumindest eines der Lagerbauteile, zu welchen der Innenring 2, der Außenring 3 und die Wälzkörper 4 zählen, eine stickstoffreiche Schicht auf. Nachfolgend wird eine Wärmebehandlung beschrieben, zu der ein Karbonitrierverfahren zählt. Diese Wärmebehandlung wird als Beispiel für eine Behandlung zur Bildung der stickstoffreichen Schicht angewendet.
  • 14 ist ein Diagramm, das ein Wärmebehandlungsverfahren für ein Wälzlager gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschreibt, und 15 ist ein Diagramm, das ein modifiziertes Beispiel desselben beschreibt. 14 zeigt ein Wärmebehandlungsmuster des Verfahrens, bei dem ein primäres Abschrecken und ein sekundäres Abschrecken durchgeführt werden. 15 zeigt ein Wärmebehandlungsmuster des Verfahrens, bei dem das Material während des Abschreckprozesses bis unter den A1-Umwandlungspunkt abgekühlt wird, dann erneut erwärmt wird und schließlich abgeschreckt wird. Während es bei der Behandlung T1 in diesen Zeichnungen ermöglicht wird, dass Kohlenstoff und Stickstoff in die Stahlgrundmasse diffundieren, wird Kohlenstoff in ausreichendem Maße darin aufgelöst, und das Material wird bis unter den A1-Umwandlungspunkt abgekühlt. Dann wird bei der Behandlung T2 in den Zeichnungen das Material erneut bis auf eine Temperatur erwärmt, die dem A1-Umwandlungspunkt entspricht oder höher ist als dieser, und die niedriger ist als die Temperatur, die bei der Behandlung T1 angewendet wurde, und dann erfolgt eine Ölabschreckung.
  • Mit den oben beschriebenen Wärmebehandlungsverfahren kann die Bruchfestigkeit noch weiter verbessert werden, und das Verhältnis der Änderungen der Abmessungen über einen bestimmten Zeitraum kann im Vergleich zu den Werten, die durch herkömmliches Karbonitrierabschrecken – d. h. eine Karbonitrierbehandlung, auf die ein einmaliges Abschrecken folgt – zu erhalten sind, noch weiter reduziert werden, während die Oberflächenschicht karbonitriert wird. Ein Rollenlager gemäß der Erfindung, das mit dem in 14 oder 15 dargestellten Wärmebehandlungsmuster erzeugt wird, hat eine Mikrostruktur, bei der die Korngröße der Austenitkristallkörner halb so groß oder weniger als halb so groß ist wie bei herkömmlichen Produkten. Lagerbauteile, die der vorgenannten Wärmebehandlung unterzogen worden sind, haben eine lange Lebensdauer im Verhältnis zur Wälzermüdung, eine verbesserte Bruchfestigkeit und ein reduziertes Verhältnis der Änderungen der Abmessungen über einen bestimmten Zeitraum. Da ein Wärmebehandlungsprozess bei einer gesenkten sekundären Abschrecktemperatur angewendet wird, um die Größe der Kristallkörner zu reduzieren, wird die Menge des Restaustenits in der Oberflächenschicht und im inneren Bereich reduziert. Dies führt zu einem guten Widerstand gegen Rissbildung sowie zu einem guten Widerstand gegen Änderungen der Abmessungen im Laufe der Zeit.
  • Die 16A und 16B sind schematische Zeichnungen, die Mikrostrukturen, insbesondere Austenitkörner, von Lagerbauteilen zeigen. 16A zeigt als Beispiel ein Lagerbauteil gemäß der vorliegenden Erfindung, und 16B zeigt ein herkömmliches Lagerbauteil. Genauer ausgedrückt, zeigt 16A die Austenitkristallkorngröße eines Lagerrings eines Rollenlagers gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, der dem Wärmebehandlungsmuster gemäß 14 unterzogen worden ist. Zum Vergleich ist die Austenitkristallkorngröße eines Lagerstahls, der durch ein herkömmliches Wärmebehandlungsverfahren erzeugt wurde, in 16B dargestellt. Die Austenitkristallkorngrößen, die in 16A und 16B dargestellt sind, sind in den 17A und 17B schematisch dargestellt. Wie aus den Strukturen der Austenitkristallkorngrößen ersichtlich, entspricht die Größe der herkömmlichen Austenitkörner der Korngrößennummer 10 nach Japanischer Industrienorm, und durch die Anwendung des in 14 oder 15 dargestellten Wärmebehandlungsverfahrens können feine Körner mit der Korngrößennummer 12 erzielt werden. Die durchschnittli che Korngröße in 16A, die mittels eines Schnittverfahrens gemessen wurde, betrug 5,6 μm.
  • Im Folgenden werden Beispiele beschrieben.
  • (Beispiel I)
  • Folgende Tests wurden unter Verwendung eines Werkstoffs nach der Japanischen Industrienorm JIS SUJ2 (1,0 Gew.-% C – 0,25 Gew.-% Si – 0,4 Gew.-% Mn – 1,5 Gew.-% Cr) durchgeführt: (1) die Messung der Wasserstoffmenge, (2) die Messung der Größe der Kristallkörner, (3) der Kerbschlagbiegeversuch nach Charpy, (4) die Messung des Bruchspannungswerts und (5) die Prüfung der Wälzermüdung. Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 dargestellt. Tabelle 1
    Probestück A B C D E F herkömmliches Karbonitrieren gewöhnliches Abschrecken
    Sekundäre Abschrecktemperatur (°C) 780 800 815 830 850 870 - -
    Wasserstoffmenge (ppm) - 0,37 0,40 0,38 0,42 0,40 0,72 0,38
    Kristallkorngröße (JIS) - 12 11,5 11 10 10 10 10
    Kerbschlagzähigkeit nach Charpy (J/cm2) - 6,65 6,40 6,30 6,20 6,30 5,33 6,70
    Bruchspannungswert (MPa) - 2840 2780 2650 2650 2700 2330 2770
    Verhältnis Lebensdauer/Wälzermüdung (L10) - 5,4 4,2 3,5 2,9 2,8 3,1 1
  • Die Produktionsgeschichte jedes Probestücks ist wie folgt:
    Probestücke A bis D (Beispiele der vorliegenden Erfindung):
    Eine Behandlung durch Karbonitrieren wurde bei 850°C durchgeführt, wobei diese Temperatur 150 Minuten lang aufrechterhalten wurde. Es wurde eine Mischgasatmosphäre aus RX-Gas und Ammoniakgas verwendet. Bei dem in 14 dargestellten Wärmebehand lungsmuster wurde das primäre Abschrecken aus einer Temperatur der Karbonitrierbehandlung von 850°C durchgeführt. Dann wurde das Probestück auf eine Temperatur in einem Bereich zwischen 780°C und 830°C erwärmt, also auf eine niedrigere Temperatur als die Temperatur der Karbonitrierbehandlung, und das sekundäre Abschrecken erfolgte. Das Probestück A, das einer Wärmebehandlung bei einer sekundären Abschrecktemperatur von 780°C unterzogen worden ist, wurde aufgrund einer ungenügenden Abschreckung jedoch nicht für die Tests verwendet.
  • Probestücke E und F (Vergleichsbeispiele): Die Karbonitrierbehandlung wurde unter Anwendung der gleichen Produktionsgeschichte wie bei den Beispielen A bis D gemäß der vorliegenden Erfindung durchgeführt, doch die sekundäre Abschrecktemperatur betrug 850°C bis 870°C und war somit gleich hoch oder höher als die Temperatur der Karbonitrierbehandlung von 850°C.
  • Herkömmliches karbonitriertes Produkt (Vergleichsbeispiel): Die Karbonitrierbehandlung wurde bei 850°C über eine Zeitspanne von 150 Minuten durchgeführt. Es wurde eine Mischgasatmosphäre aus RX-Gas und Ammoniakgas verwendet. Das Abschrecken erfolgte direkt aus der Karbonitriertemperatur. Es wurde kein sekundäres Abschrecken durchgeführt.
  • Gewöhnliches abgeschrecktes Produkt (Vergleichsbeispiel): Eine Karbonitrierbehandlung wurde nicht durchgeführt. Das Probestück wurde auf 850°C erwärmt und dann abgeschreckt. Es wurde kein sekundäres Abschrecken durchgeführt.
  • Nachfolgend werden die Testverfahren beschrieben.
  • Messung der Wasserstoffmenge
  • Die Menge des Wasserstoffs wurde bestimmt, indem unter Verwendung einer von der Fa. LECO hergestellten Vorrichtung DH-103 zur Bestimmung von Wasserstoff die Menge des nicht diffusionsfähigen Wasserstoffs in dem Stahl analysiert wurde. Die Menge des diffusionsfähigen Wasserstoffs wurde nicht gemessen. Die Spezifikationen der von LECO hergestellten Vorrichtung DH-103 zur Bestimmung von Wasserstoff lauten wie folgt:
    Analysebereich: 0,01 bis 50,00 ppm
    Genauigkeit der Analyse: ±0,1 ppm oder ±3% H (je nachdem, was größer ist)
    Empfindlichkeit der Analyse: 0,01 ppm
    Erfassungsverfahren: Wärmeleitfähigkeitsverfahren
    Gewicht und Größe des Probestücks: 10 bis 35 mg (max.: 12 mm Durchmesser × 100 mm Länge)
    Temperaturbereich des Wärmeofens: 50°C bis 1.100°C
    Reagens: Anhydron Mg (ClO4)2, Ascarite NaOH
    Trägergas: Stickstoffgas (Reinheit von 99,99% oder mehr), Gas dosierendes Gas: Wasserstoffgas, (Reinheit von 99,99% oder mehr), Druck: 40 psi (0,27 MPa)
  • Das Messverfahren läuft im Wesentlichen folgendermaßen ab: Eine Probe wird mit einem speziell konstruierten Probenehmer entnommen, und die Probe wird zusammen mit dem Probenehmer in die vorgenannte Vorrichtung zur Bestimmung des Wasserstoffs eingesetzt. Der diffusionsfähige Wasserstoff im Inneren wird durch das Stickstoff-Trägergas einem Wärmeleiffähigkeitsdetektor zugeführt. Die Menge des diffusionsfähigen Wasserstoffs wird bei diesem Beispiel nicht gemessen. Dann wird die Probe aus dem Probenehmer herausgenommen und in einem Ofen mit Widerstandserhitzung erwärmt, und nicht diffusionsfähiger Wasserstoff wird durch das Stickstoff-Trägergas dem Wärmeleitfähigkeitsdetektor zugeführt. In dem Wärmeleitfähigkeitsdetektor wird die Wärmeleitfähigkeit gemessen, wodurch die Menge des nicht diffusionsfähigen Wasserstoffs bestimmt werden kann.
  • Messung der Größe der Kristallkörner
  • Die Größe der Kristallkörner wurde mithilfe eines Testverfahrens für Austenitkristallkorngrößen für Stahl gemäß der Japanischen Industrienorm JIS G 0551 gemessen.
  • Kerbschlagbiegeversuch nach Charpy
  • Ein Kerbschlagbiegeversuch nach Charpy wurde mit einem Kerbschlagbiegeversuchsverfahren nach Charpy für metallische Werkstoffe gemäß der Japanischen Industrienorm JIS Z 2242 durchgeführt. Ein Probestück mit U-Kerbe (Probestück gemäß JIS Nr. 3) gemäß der Japanischen Industrienorm JIS Z 2202 wurde als Probestück verwendet.
  • Messung des Bruchspannungswerts
  • 18 zeigt ein Probestück für eine statische Bruchfestigkeitsprüfung (Messung des Bruchspannungswerts). Eine Belastung wird in Richtung P gemäß der Zeichnung ausgeübt, und die Belastung während des Bruchs wird gemessen. Dann wird die so erhaltene Bruchlast unter Anwendung von Gleichungen zur Spannungsberechnung für einen gekrümmten Träger, wie nachfolgend beschrieben, in Spannungswerte umgewandelt. Es ist anzumerken, dass das Probestück nicht auf das in 18 dargestellte Probestück begrenzt ist; es kann auch ein Probestück mit einer anderen Form verwendet werden.
  • Angenommen, bei dem in 18 dargestellten Probestück ist σ1 die Faserspannung in der konvexen Oberfläche des Probestücks, und σ2 ist die Faserspannung in der konkaven Oberfläche. Dann können σ1 und σ2 durch die nachfolgenden Gleichungen bestimmt werden (Handbuch des Maschinenbauers A4, Werkstoffe und Mechanik, A4–40). In den Gleichungen steht N für die Axialkraft in einem Querschnitt, der die Achse des ringförmigen Probestücks aufweist, A steht für die Querschnittsfläche, e1 steht für den Außenradius und e2 steht für den Innenradius. Darüber hinaus steht κ für das Widerstandsmoment für einen gekrümmten Träger. σ1 = (N/A) + {M/(Aρ0)}[1 + e1/{κ(ρ0 + e1)}] σ2 = (N/A) + {M/(Aρ0)}[1 – e2/{κ(ρ0 – e2)}] κ = –(1/A)∫A{η/(ρ0 + η)}dA
  • Lebensdauer im Verhältnis zur Wälzermüdung
  • Die Testbedingungen für die Prüfung der Lebensdauer im Verhältnis zur Wälzermüdung sind in Tabelle 2 dargestellt. Die 19A und 19B sind schematische Zeichnungen einer Maschine zum Testen der Lebensdauer im Verhältnis zur Wälzermüdung. 19A ist eine Vorderansicht und 19B ist eine Seitenansicht. In den 19A und 19B wird ein Probestück 18 für die Prüfung der Lebensdauer im Verhältnis zur Wälzermüdung von einer Antriebswalze 12 angetrieben und dreht sich, während es mit Kugeln 16 in Kontakt ist. Die Kugeln 16, bei denen es sich um ¾-Zoll-Kugeln handelt, werden durch Führungswalzen 14 geführt und rollen mit hohem Oberflächendruck, der gegen das Probestück 18 für die Prüfung der Lebensdauer im Verhältnis zur Wälzermüdung ausgeübt wird.
  • Nachfolgend werden die Testergebnisse des Beispiels 1 gemäß der Tabelle 1 beschrieben.
  • Wasserstoffmenge
  • Bei dem herkömmlichen karbonitrierten Produkt, das das Produkt „wie karbonitriert" darstellte, war die Wasserstoffmenge mit 0,72 ppm sehr hoch. Dies kann daran liegen, dass Wasserstoff, der durch die Zersetzung des Ammoniaks (NH3) entsteht, der in der bei der Karbonitrierbehandlung angewendeten Atmosphäre enthalten ist, in den Stahl eingebracht wurde. Bei den Proben B bis D wurde die Menge des Wasserstoffs auf 0,37 bis 0,40 ppm reduziert, also auf Werte, die etwa die Hälfte des herkömmlichen Produkts darstellen. Diese Wasserstoffmengen sind auf demselben Niveau wie bei dem in gewöhnlicher Weise abgeschreckten Produkt.
  • Größe der Kristallkörner
  • In dem Fall, bei dem die sekundäre Abschrecktemperatur niedriger ist als die Abschrecktemperatur (primäres Abschrecken) bei der Karbonitrierbehandlung, nämlich bei den Probestücken B bis D, wurde die Größe der Austenitkristallkörner merklich reduziert, und zwar auf die Kristallkorngrößennummern 11 bis 12. Bei den Probestücken E und F, dem herkömmlichen, karbonitrierten Produkt und dem gewöhnlichen, abgeschreckten Produkt, betrug die Kristallkorngrößennummer der Austenitkörner 10, was gröber ist als bei den Probestücken B bis D.
  • Kerbschlagbiegeversuch nach Charpy
  • Wie in Tabelle 1 dargestellt, zeigten die Probestücke B bis D der Beispiele gemäß der Erfindung hohe Werte von 6,30 bis 6,65 J/cm2 für die Kerbschlagzähigkeit nach Charpy, obwohl der Wert für die Kerbschlagzähigkeit nach Charpy des herkömmlichen, karbonitrierten Produkts 5,33 J/cm2 betrug. Diese Probestücke zeigten eine Tendenz, nach der gilt: je niedriger die sekundäre Abschrecktemperatur, desto höher die Kerbschlagzähigkeit nach Charpy. Die Kerbschlagzähigkeit nach Charpy des gewöhnlichen, abgeschreckten Produkts war 6,70 J/cm2 hoch.
  • Messung des Bruchspannungswerts
  • Der oben erwähnte Bruchspannungswert entspricht dem Widerstand gegen Rissbildung. Wie in Tabelle 1 dargestellt, betrug der Bruchspannungswert des herkömmlichen, karbonitrierten Produkts 2,330 MPa. Bei den Probestücken B bis D betrugen die Bruchspannungswerte 2,650 bis 2,840 MPa, was im Vergleich zu den Werten des herkömmlichen Produkts verbesserte Werte waren. Der Bruchspannungswert des in gewöhnlicher Weise abgeschreckten Produkts betrug 2,770 MPa. Daher wird angenommen, dass der verbesserte Widerstand gegen Rissbildung, der bei den Probestücken B bis D erzielt wurde, möglicherweise nicht nur auf die Reduzierung der Größe der Austenitkristallkörner zurückzuführen ist, sondern zum großen Teil auch auf die Reduzierung des Wasserstoffgehalts.
  • Wälzermüdungstest
  • Wie in Tabelle 1 dargestellt, war die Lebensdauer im Verhältnis zur Wälzermüdung L10 des gewöhnlichen, abgeschreckten Produkts am niedrigsten, da dieses Produkt keine karbonitrierte Schicht in der Oberflächenschicht aufweist. Die Lebensdauer im Verhältnis zur Wälzermüdung des herkömmlichen, karbonitrierten Produkts war jedoch 3,1-mal so lang wie die des gewöhnlichen, abgeschreckten Produkts. Bei den Probestücken B bis D wurde die Lebensdauer im Verhältnis zur Wälzermüdung im Vergleich zu der des herkömmlichen, karbonitrierten Produkts merklich verbessert. Bei den Probestücken E und F war die Lebensdauer im Verhältnis zur Wälzermüdung im Wesentlichen genauso lang wie bei dem herkömmlichen, karbonitrierten Produkt.
  • Insgesamt wurde bei den Probestücken B bis D der Beispiele gemäß der vorliegenden Erfindung der Wasserstoffgehalt reduziert, und die Austenitkristallkorngröße wurde auf eine Korngrößennummer von 11 oder auf eine noch feinere Größe reduziert. Darüber hinaus wurden auch deren Wert für die Kerbschlagzähigkeit nach Charpy, der Widerstand gegen Rissbildung und die Lebensdauer im Verhältnis zur Wälzermüdung verbessert.
  • (Beispiel II)
  • Nachfolgend wird das Beispiel II beschrieben. Eine Reihe von Tests wurden bei den Materialien X, Y und Z durchgeführt, wie im Folgenden beschrieben. As Basismaterial vor der Wärmebehandlung wurde ein Material nach der Japanischen Industrienorm JIS SUJ2 (1,0 Gew.-% C – 0,25 Gew.-% Si – 0,4 Gew.-% Mn – 1,5 Gew.-% Cr) verwendet, wobei das Basismaterial den Materialien X bis Z gemeinsam war. Die Produktionsgeschichte der Materialien X bis Z ist wie folgt:
    Material X (Vergleichsbeispiel): nur gewöhnliches Abschrecken (kein Karbonitrieren)
    Material Y (Vergleichsbeispiel): Abschrecken wie nach dem Karbonitrieren (herkömmliches Karbonitrieren und Abschrecken). Das Karbonitrieren wurde bei 845°C über einen Zeitraum von 150 Minuten durchgeführt. Die Atmosphäre während der Karbonitrierbehandlung war RX-Gas + Ammoniakgas.
    Material Z (Beispiel für die vorliegende Erfindung): Lagerstahl, der dem Wärmebehandlungsmuster gemäß 14 unterzogen worden ist. Das Karbonitrieren wurde 150 Minuten lang bei 845°C durchgeführt. Die Atmosphäre während der Karbonitrierbehandlung war RX-Gas + Ammoniakgas. Die Temperatur für das abschließende Abschrecken betrug 800°C.
  • Lebensdauer im Verhältnis zur Wälzermüdung
  • Die Testbedingungen und die Maschine zum Testen der Lebensdauer im Verhältnis zur Wälzermüdung sind wie oben beschrieben bzw. wie in Tabelle 2 und 19A und 19B dargestellt. Die Ergebnisse des Tests der Lebensdauer im Verhältnis zur Wälzermüdung sind in Tabelle 3 dargestellt. Wie aus Tabelle 3 ersichtlich, war die Lebensdauer L10 (die Lebensdauer, bis eines der zehn Probestücke bricht) des Materials Y, also des Vergleichsbeispiels, 3,1-mal länger als die des Materials X, das ein anderes Vergleichbeispiel darstellt und das nur einem gewöhnlichen Abschrecken unterzogen worden ist. Dies zeigt, dass die Karbonitrierbehandlung die Lebensdauer vorteilhaft verlängert. Bei dem Material Z des Beispiels gemäß der vorliegenden Erfindung war die Lebensdauer länger als bei den Vergleichsbeispielen und entsprach 1,74-mal der Lebensdauer des Materials B und 5,4-mal der Lebensdauer des Materials X. Die Verbesserung ist möglicherweise hauptsächlich auf die feinere Mikrostruktur zurückzuführen. Tabelle 2
    Probestück ⌀ 12 × 1,22, zylindrisches Probestück
    Anzahl der Prüfungen 10
    Den Kontakt herstellende Stahlkugel ¾ Inch (19,05 mm)
    Oberflächenkontaktdruck 5,88 Gpa
    Belastungsrate 46240 cpm (Zyklen pro Minute)
    Schmieröl Turbine VG68, Druckschmierung
    Tabelle 3
    Material Lebensdauer (Anzahl der Belastungszyklen) Verhältnis L10
    L10 (x 104) L10 (x 104)
    Material X 8017 18648 1,0
    Material Y 24656 33974 3,1
    Material Z 43244 69031 5,4
  • Kerbschlagbiegeversuch nach Charpy
  • Ein Kerbschlagbiegeversuch nach Charpy wurde unter Verwendung eines Probestücks mit U-Kerbe gemäß dem vorgenannten Verfahren, wie es in der Norm JIS Z 2242 spezifiziert ist, durchgeführt. Die Testergebnisse sind in Tabelle 4 dargestellt. Die Kerbschlagzähigkeit nach Charpy des Materials Y (Vergleichsbeispiel), das einer Behandlung durch Karbonitrieren unterzogen wurde, war nicht höher als die des Materials X (Vergleichsbeispiel), das einem gewöhnlichen Abschrecken unterzogen wurde. Die Kerbschlagzähigkeit des Materials Z war jedoch mit der des Materials X vergleichbar. Tabelle 4
    Material Kerbschlagzähigkeit nach Charpy (J/cm2) Verhältnis der Kerbschlagzähigkeit
    Material X 6,7 1,0
    Material Y 5,3 0,8
    Material Z 6,7 1,0
  • Prüfung der statischen Bruchzähigkeit
  • 20 zeigt ein Probestück für einen statischen Bruchzähigkeitstest. Ein Vor-Riss von etwa 1 mm wurde in dem Kerbenbereich des Probestücks gebildet, und eine statische Last wurde durch Dreipunktbiegen ausgeübt, um eine Bruchlast P zu bestimmen. Die unten angegebene Gleichung (1) wurde verwendet, um einen Bruchzähigkeitswert (K1c) zu berechnen.
  • Die Testergebnisse sind in Tabelle 5 dargestellt. Da die Tiefe des Vor-Risses größer war als die Tiefe der karbonitrierten Schicht, waren die Ergebnisse für die Materialien X und Y der Vergleichsbeispiele im Wesentlichen gleich. Der Bruchzähigkeitswert des Materials Z des Beispiels gemäß der vorliegenden Erfindung war jedoch 1,2-mal so groß wie der der Vergleichsbeispiele. K1c = (PL √a/BW2){5,8 – 9,2(a/W) + 43,6(a/W)2 – 75,3 (a/W)3 + 77,5 (a/W)4} (1) Tabelle 5
    Material Anzahl der Prüfungen K1c (MPa √m) K1c-Verhältnis
    Material X 3 16,3 1,0
    Material Y 3 16,1 1,0
    Material Z 3 18,9 1,2
  • Statische Druckfestigkeitsprüfung
  • Das oben beschriebene Probestück mit einer Form, wie sie in 20 dargestellt ist, wurde für einen statischen Druckfestigkeitstest verwendet. Gemäß der Figur wurde eine Last in der Richtung P ausgeübt, um den statischen Druckfestigkeitstest durchzuführen. Die Ergebnisse des Tests sind in Tabelle 6 dargestellt. Das Material Y, das einer Behandlung durch Karbonitrieren unterzogen wurde, zeigte eine etwas geringere statische Druckfestigkeit als das Material X, das gewöhnlichem Abschrecken unterzogen wurde. Bei dem Material Z des Beispiels gemäß der vorliegenden Erfindung war jedoch die statische Druckfestigkeit im Vergleich zu der des Materials Y besser, und sie war mit der des Materials X vergleichbar. Tabelle 6
    Material Anzahl der Prüfungen Statische Druckfestigkeit (kgf) Verhältnis der statischen Druckfestigkeit
    Material X 3 4200 1,00
    Material Y 3 3500 0,84
    Material Z 3 4300 1,03
  • Verhältnis der Änderungen der Abmessungen im Laufe der Zeit
  • Tabelle 7 zeigt die Ergebnisse der Messung des Verhältnisses der Änderungen der Abmessungen im Laufe der Zeit bei einer über einen Zeitraum von 500 Stunden aufrechterhaltenen Temperatur von 130°C, zusammen mit der Oberflächenhärte und der Menge des Restaustenits (in einer Tiefe von 50 μm). Wie aus Tabelle 7 ersichtlich, wurde bei dem Material Z des Beispiels gemäß der vorliegenden Erfindung das Verhältnis der Änderung der Abmessungen auf die Hälfte oder weniger als die Hälfte des Materials Y unterdrückt, das eine größere Menge an Restaustenit enthält. Tabelle 7
    Material Anzahl der Prüfungen Oberflächenhärte (HRC) Menge des Restaustenits γ (%) Verhältnis der Änderung der Abmessungen (x 104) Verhältnis der Raten der Änderung der Abmessungen
    Material X 3 62,5 8,8 18 1,0
    Material Y 3 63,6 30,5 35 1,9
    Material Z 3 60,0 11,8 22 1,2
  • Prüfung der Lebensdauer im Verhältnis zur Wälzermüdung bei Vorhandensein von Fremdstoffen
  • Ein Kugellager 6206 wurde verwendet, um die Lebensdauer im Verhältnis zur Wälzermüdung bei Vorhandensein einer vorherbestimmten Menge eines Standard-Fremdstoffs auszuwerten. Die Testbedingungen sind in Tabelle 8 dargestellt, und die Testergebnisse sind in Tabelle 9 dargestellt. Die Lebensdauer im Verhältnis zur Wälzermüdung des Materials Y, das einer herkömmlichen Behandlung durch Karbonitrieren unterzogen wurde, war etwa 2,5-mal länger als die des Materials X, und die Lebensdauer im Verhältnis zur Wälzermüdung des Materials Z des Beispiels gemäß der vorliegenden Erfindung war etwa 2,3-mal länger als die des Materials X. Obwohl die Menge des Restaustenits in dem Material Z des Beispiels gemäß der vorliegenden Erfindung geringer war als die des Materials Y des Vergleichsbeispiels, war die Lebensdauer des Materials Z lang und mit der des Materials Y vergleichbar, was auf das Einbringen von Stickstoff und auf die feine Mikrostruktur zurückzuführen ist. Tabelle 8
    Last Fr = 6,86 KN
    Oberflächenkontaktdruck Pmax = 3,2 GPa
    Drehzahl 2000 U/min
    Schmierung Turbine 56, Ölbadschmierung
    Menge der Fremdstoffe 0,4 g/1000 cc
    Fremdstoffe Partikelgröße von 100 bis 180 μm, Härte Hv 800
    Tabelle 9
    Material Lebensdauer L10(h) Verhältnis der Lebensdauer L10
    Material X 20,0 1,0
    Material Y 50,2 2,5
    Material Z 45,8 2,3
  • Die obigen Ergebnisse zeigen, dass das Material Z des Beispiels gemäß der vorliegenden Erfindung gleichzeitig drei Anforderungen genügt, nämlich der Verlängerung der Lebensdauer im Verhältnis zur Wälzermüdung, der Verbesserung des Widerstands gegen Rissbildung und der Verringerung des Verhältnisses der Änderungen der Abmessungen im Laufe der Zeit, was mit herkömmlichen Karbonitrierverfahren schwer zu erreichen war.
  • (Beispiel III)
  • Die Tabelle 10 zeigt die Ergebnisse von Tests, die durchgeführt wurden, um das Verhältnis zwischen dem Stickstoffgehalt und der Lebensdauer im Verhältnis zur Wälzermüdung bei Vorhandensein von Fremdstoffen zu bestimmen. Es ist anzumerken, dass ein standardmäßig abgeschrecktes Produkt als Vergleichsbeispiel 1 und ein standardmäßig karbonitriertes Produkt als Vergleichsbeispiel 2 verwendet wurde. Bei dem Vergleichsbeispiel 3 wurde dieselbe Behandlung durchgeführt wie bei den Beispielen gemäß der vorliegenden Erfindung, doch die Stickstoffmenge war größer als bei den Beispielen. Die Testbedingungen sind wie folgt:
    Lager als Probestück: Kegelrollenlager 30206 (Innen- und Außenringe sowie Rollen bestehen aus kohlenstoffreichem Chromlagerstahl der Klasse 2 (JIS SUJ2)).
    Radiale Last: 17,64 kN
    Axiale Last: 1,47 kN
    Drehzahl: 2.000 U/min
    Zugefügte harte Fremdstoffe: 1 g/L Tabelle 10
    Stickstoffgehalt (%) Restaustenit (%) Härte (Hv) Lebensdauer im Verhältnis zur Wälzermüdung bei Vorhandensein von Fremdstoffen (h) Größe der Austenit-Kristallkörner
    Beispiel 1 0,11 14 725 321 11,8
    2 0,16 18 735 378 12,0
    3 0,18 20 730 362 11,9
    4 0,32 22 730 396 12,1
    5 0,61 24 715 434 12,2
    Vergleichsbeispiel 1 0 8 770 72 9,8
    2 0,32 32 710 155 10,0
    3 0,72 31 700 123 12,0
  • Wie aus Tabelle 10 ersichtlich, ist bei den Beispielen 1 bis 5 der Stickstoffgehalt im Wesentlichen proportional zur Lebensdauer bei Vorhandensein von Fremdstoffen. Bei dem Vergleichsbeispiel 3, bei dem der Stickstoffgehalt 0,72 beträgt, war jedoch die Lebensdauer im Verhältnis zur Wälzermüdung bei Vorhandensein von Fremdstoffen merklich verkürzt. Es ist daher wünschenswert, dass die Obergrenze des Stickstoffgehalts bei 0,7 liegt.
  • Nachfolgend wird eine Ausführungsform gemäß den 24 und 25 beschrieben. Wie in 24 dargestellt, treffen die Scheitelpunkte der Kegelwinkel der Kegelrollen 4, der Scheitelpunkt des Kegelwinkels einer Laufrille 2a eines Innenrings 2 und der Scheitelpunkt des Kegelwinkels einer Laufrille 3a eines Außenrings 3 an einem einzigen Punkt 0 auf der Mittellinie eines Kegelrollenlagers 4 zusammen. Die Kegelrollen 4 rollen und bewegen sich entlang den jeweiligen Laufrillen 2a und 3a.
  • Wie in 25 vergrößert dargestellt, weist eine Oberfläche der Konusrückseitenrippe 2b des Innenrings 2 eine konische Fläche a auf, sowie eine Flanke b, die eine bogenartige Querschnittsform hat und sich glatt zur radial äußeren Seite der konischen Fläche a erstreckt, wobei eine Abschrägung c auf der radial äußeren Seite der Flanke b vorgesehen ist. Die konische Fläche a ist so ausgebildet, dass ihre Mitte sich an einem Punkt 0 befindet, wie in 24 dargestellt. Eine große Endfläche 4a der Kegelrolle 4 besteht aus einer zum Teil kugelförmigen Fläche mit einem Krümmungsradius R, der in geeigneter Weise kleiner ist als der Abstand R0 von dem Punkt 0 zur der Oberfläche der Konusrückseitenrippe 2b des Innenrings 2. Eine Ausnehmung 4b mit Kreisform ist im mittigen Bereich der zum Teil kugelförmigen Fläche vorgesehen. Die äußere Umfangskante der Ausnehmung 4b befindet sich in der Nähe der Grenze zwischen der konischen Fläche a und der Flanke b der Oberfläche der Konusrückseitenrippe 2b.
  • Wenn das Lager in Gebrauch ist, rollt, wie oben beschrieben, jede Kegelrolle 4 so, dass die große Endfläche 4a gegen die Oberfläche der Konusrückseitenrippe 2b gedrückt wird. Daher kommt ein Teil der zum Teil kugelförmigen Fläche, die die große Endfläche 4a bildet, mit der konischen Fläche a in Kontakt, so dass zwischen diesen eine Kontaktellipse L gebildet wird (25 zeigt den Querschnitt der Kontaktellipse). Die Grenze zwischen der konischen Fläche a und der Flanke b befindet sich in der Nähe des Außenumfangs der Kontaktellipse L, und ein spitzwinkliger keilförmiger Spalt, der durch die zum Teil kugelförmige Fläche 18a und durch die Flanke b definiert wird, wird in unmittelbarer Nähe zu der Kontaktellipse L gebildet.
  • Je höher die axiale Last ist, wenn das Lager in Gebrauch ist, desto größer ist die Kontaktellipse L. Deshalb wird die Position einer maximalen Kontaktellipse unter einer maximal zulässigen axialen Last geschätzt, und die Grenze zwischen der konischen Fläche a und der Flanke b wird in unmittelbarer Nähe zu dem Außenumfang der maximalen Kontaktellipse platziert. Auf diese Weise wird der keilförmige Spalt, der das Schmieröl „hineinzieht", so ausgebildet, dass er über den gesamten Lastbereich während des Betriebs angemessen ist.
  • Wie oben beschrieben, weist bei dem Kegelrollenlager dieser Ausführungsform die Oberfläche der Konusrückseitenrippe des Innenrings die konische Fläche auf, die mit der großen Endfläche der Kegelrolle in Kontakt kommt, und die gekrümmte Flanke geht glatt in die konische Fläche über. Auf diese Weise wird der spitzwinklige keilförmige Spalt außerhalb des Kontaktbereichs gebildet, so dass die Wirkung des „Hineinziehens" des Schmieröls zu dem Kontaktbereich hin verbessert wird. Somit wird ein ausreichender Ölfilm zwischen der großen Endfläche der Kegelrolle und der konischen Fläche der Oberfläche der Konusrückseitenrippe gebildet, und die glatt ausgebildete Flanke kann die Bildung von Defekten verhindern, die durch den Kontakt mit der Oberfläche der Konusrückseitenrippe des Innenrings verursacht wird, wenn die Kegelrolle schräg läuft. Wenn dieses Kegelrollenlager zum Stützen einer Getriebewelle verwendet wird, kann außerdem der Wartungszyklus der Vorrichtung zum Stützen der Getriebewelle merklich vergrößert werden.
  • Bei einer als Beispiel dienenden Ausführungsform gemäß 26 ist die Oberfläche der Konusvorderseitenrippe eines Innenrings parallel zu den kleinen Endflächen der Kegelrollen. Genauer ausgedrückt, ist die Oberfläche der Konusvorderseitenrippe 2c des Innenrings 2 so ausgebildet, dass sie zu den kleinen Endflächen 4c der Kegelrollen 4, die auf der Laufrille 2a angeordnet sind, parallel ist. Auf diese Weise kann der Einfluss der Abmessungen der Abschrägung sowie der Formenänderungen der kleinen Endflächen 4c der Kegelrollen 4 auf die Spalte zwischen den großen Endflächen 4a der Kegelrollen 4 und einer Oberfläche der Konusrückseitenrippe 2b des Innenrings 2 in einem anfänglichen montierten Zustand beseitigt werden (hierbei ist anzumerken, dass die Größe der vorgenannten Spalte in dem anfänglichen montierten Zustand der Größe der Spalte s zwischen den kleinen Endflächen 4c und der Oberfläche der Konusvorderseitenrippe 2c des Innenrings 2 entspricht, wenn die Kegelrollen 4 in Position gebracht werden). Genauer ausgedrückt, sind in dem anfänglichen montierten Zustand die Oberfläche der Konusvorderseitenrippe 2c und jede der kleinen Endflächen 4c zueinander parallel und kommen miteinander in Oberflächenkontakt. Selbst wenn die Abmessungen der Abschrägung und die Formen der kleinen Endflächen 4c sich voneinander unterscheiden, wie durch gestrichelte Linien in 26 dargestellt, sind daher die Spalte zwischen den großen Endflächen 4a und der Oberfläche der Konusrückseitenrippe 2b in dem anfänglichen montierten Zustand immer konstant. Demzufolge können Schwankungen der Zeit, bis die Kegelrollen 4 in Position gebracht sind, beseitigt werden, und die Einlaufzeit kann reduziert werden.
  • Angenommen, R ist der Krümmungsradius der großen Endfläche 4a jeder Kegelrolle 4, und R0 ist der Abstand von dem Punkt O zu der Oberfläche der Konusrückseitenrippe 2b des Innenrings 2, wie in 24 dargestellt. Das Verhältnis R/R0 ist auf einen Wert innerhalb des Bereichs von 0,75 bis 0,87 festgelegt. Darüber hinaus ist die Oberfläche der Konusrückseitenrippe 2b des Innenrings 2 so geschliffen, dass sie eine Rautiefe Ra von 0,12 μm hat. Die Oberfläche der Konusvorderseitenrippe des Innenrings kann eine geschliffene Fläche oder zum Zweck der Kostenreduzierung eine gedrehte Fläche sein.
  • Es wurden Kegelrollenlager der Beispiele (Beispiele 6 bis 9 in Tabelle 11) vorbereitet. Bei jedem dieser Kegelrollenlager lag der Krümmungsradius R der großen Endflächen 4a der Kegelrollen 4 im Bereich von R/R0 = 0,75 bis 0,87, und die Rautiefe Ra der Oberfläche der Konusrückseitenrippe 2b des Innenrings 2 betrug 0,12 μm. Darüber hinaus war die Oberfläche der Konusvorderseitenrippe 2c eine geschliffene Fläche, die zu den kleinen Endflächen 4c der Kegelrollen 4 parallel war. Was die Abmessungen jedes Lagers betrifft, so betrug der Innendurchmesser 40 mm und der Außendurchmesser 60 mm. Es wurden Kegelrollenlager der Vergleichsbeispiele (Vergleichsbeispiele 4 bis 6 in Tabelle 11) vorbereitet. Bei jedem dieser Kegelrollenlager lag der Wert R/R0 außerhalb des vorgenannten Bereichs, und die Oberfläche der Konusvorderseitenrippe des Innenrings war in Bezug auf die kleinen Endflächen der Kegelrollen nach außen geneigt. Die Abmessungen jedes Lagers entsprachen denen der Beispiele.
  • Ein Test betreffend den Widerstand gegen Fressen wurde unter Verwendung einer Rotationsprüfmaschine bei jedem der Kegelrollenlager der Beispiele und der Vergleichsbeispiele durchgeführt. Darüber hinaus wurde ein Einlauftest bei den Kegellagern des Beispiels 7 und des Vergleichsbeispiels 5 durchgeführt. Die Anzahl der Probestücke für den Einlauftest betrug 66 bei dem Beispiel 7 und 10 bei dem Vergleichsbeispiel 5. Die Testbedingungen für den Test betreffend den Widerstand gegen Fressen sind wie folgt:
    Last: 19,61 kN
    Anzahl der Umdrehungen: 1.000 bis 3.500 U/min
    Schmieröl: Turbine VG56 (Schmiermenge: 40 mL/min, Schmiertemperatur: 40°C ± 3°C) Tabelle 11
    Testlager Krümmungsradius R/R0 Rautiefe Ra (μm) Grenze der Anzahl der Umdrehungen, bei der im Test für den Widerstand gegen Fressen ein Fressen auftritt (U/min) Anzahl der Umdrehungen, bis die Rollen positioniert sind, im Einlauftest (Mal)
    Beispiel Durchschnittswert Standardabweichung
    6 0,75 0,12 2700 - -
    7 0,80 0,12 3500 2,95 0,56
    8 0,85 0,12 3000 - -
    9 0,87 0,12 2700 - -
    Vergleichsbeispiel 4 0,70 0,12 2200 - -
    5 0,94 0,12 2500 6,00 1,33
    6 0,94 0,25 2200 - -
  • Die Testergebnisse sind in Tabelle 11 dargestellt. Bei dem Test betreffend den Widerstand gegen Fressen trat zwischen der Oberfläche der Konusrückseitenrippe des Innenrings und der großen Endfläche der Kegelrolle ein Fressen auf.
  • Bei jedem der Kegelrollenlager der Beispiele betrug die Grenze der Anzahl der Umdrehungen, bei der während des Tests betreffend den Widerstand gegen Fressen ein Fressen auftritt, weniger als 2700 U/min. Daher kann unter normalen Betriebsbedingungen für Differentiale oder Ähnliches ein Problem auftreten. Bei dem Vergleichsbeispiel 6, bei dem die Rautiefe Ra der Oberfläche der Konusrückseitenrippe hoch ist, war die Grenze der Anzahl der Umdrehungen, bei der ein Fressen auftritt, niedriger als die des Vergleichsbeispiels 5, bei dem der Krümmungsradius R genauso groß ist wie bei dem Vergleichsbeispiel 6.
  • Wie aus den Ergebnissen des Einlauftests ersichtlich, war die durchschnittliche Anzahl der Umdrehungen bis zur Positionierung der Kegelrollen bei den Vergleichsbeispielen 6. Bei den Beispielen war die durchschnittliche Anzahl der Umdrehungen jedoch 2,96, also etwa die Hälfte des Werts der Vergleichsbeispiele. Bei den Beispielen war die Standardabweichung der Änderung der Anzahl der Umdrehungen nur gering, und somit kann die Einlaufzeit beständig reduziert werden.
  • Wie oben beschrieben, ist bei dem Kegelrollenlager dieser Ausführungsform der Krümmungsradius R der großen Endflächen der Kegelrollen auf einen Wert im Bereich von R/R0 = 0,75 bis 0,87 festgelegt, und die Oberfläche der Konusvorderseitenrippe des Innenrings besteht aus einer Fläche, die zu den kleinen Endflächen der Kegelrollen parallel ist. Daher können der Drehmomentverlust und die Erzeugung von Wärme aufgrund der Gleitreibung zwischen der Oberfläche der Konusrückseitenrippe des Innenrings und den großen Endflächen der Kegelrollen reduziert werden, und das Auftreten von Fressen kann verhindert werden. Darüber hinaus kann die Einlaufzeit reduziert werden, so dass die Effizienz des Befestigungsvorgangs des Lagers verbessert werden kann. Außerdem kann die Haltbarkeit der Vorrichtungen zum Stützen von Getriebewellen bei Fahrzeugen verbessert werden.
  • Die hier offenbarten Ausführungsformen sind in allen Aspekten als veranschaulichend, aber nicht als einschränkend anzusehen. Der Umfang der vorliegenden Erfindung sollte eher durch den Umfang der Ansprüche als durch die Beschreibung der vorgenannten Ausführungsformen definiert sein, und alle Modifikationen innerhalb des Umfangs der Ansprüche und innerhalb des Bedeutungs- und Äquivalenzbereichs der Ansprüche sollen im Umfang der vorliegenden Erfindung mit erfasst sein.
  • Zusammenfassung
  • Bei einem Kegelrollenlager ist der Rollenkoeffizient γ größer als 0,94. Mindestens eines der Elemente Innenring 2, Außenring 3 und Wälzkörper 4 weist eine stickstoffreiche Schicht auf, und die Korngrößennummer von Austenitkristallkörnern in der stickstoffreichen Schicht ist größer als 10. Eine Oberfläche einer Konusrückseitenrippe (2b) des Innenrings 2 weist Folgendes auf: eine konische Fläche a, welche mit großen Endflächen 4a der Kegelrollen in Kontakt ist, und eine Flanke b, die sich von der konischen Fläche glatt nach außen erstreckt und in einer Richtung von den großen Endflächen 4a der Kegelrollen weg gekrümmt ist. Ein Käfig 5 weist Folgendes auf: einen kleinen ringförmigen Bereich 6, der auf der kleinen Endflächenseite der Kegelrollen 4 durchgängig ist, einen großen ringförmigen Bereich 7, der auf der großen Endflächenseite der Kegelrollen 4 durchgängig ist, und mehrere Säulenbereiche 8, die den kleinen und den großen ringförmigen Bereich verbinden. Der Käfig 5 weist trapezförmige Taschen 9 zwischen benachbarten Säulenbereichen 8 auf, und jede der Taschen 9 hat eine schmale Seite, die die Seite kleinen Durchmessers einer der Kegelrollen 4 aufnimmt, und eine breite Seite, die die Seite großen Durchmessers dieser Kegelrolle 4 aufnimmt. Jeder der Säulenbereiche 8 weist Kerben (10a, 10b und 10c) auf der schmalen Seite der Taschen 9 auf.
    • 1a, 1b
    Kegelrollenlager
    2
    Innenring
    2a
    Laufrille
    2b
    Fläche der Konusrückseitenrippe
    2c
    Fläche der Konusvorderseitenrippe
    3
    Außenring
    3a
    Laufrille
    4
    Kegelrolle
    4a
    große Endfläche
    4b
    Ausnehmung
    4c
    kleine Endfläche
    5
    Käfig
    6
    kleiner ringförmiger Bereich
    7
    großer ringförmiger Bereich
    8
    Säulenbereich
    9
    Tasche
    10a, 10b, 10c
    Kerbe
    11
    Rippe
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
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  • Zitierte Nicht-Patentliteratur
    • - ISO 4287: 1997 [0034]
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Claims (15)

  1. Kegelrollenlager mit: einem Innenring, einem Außenring, mehreren Kegelrollen, die drehbar zwischen dem Innenring und dem Außenring angeordnet sind, und einem Käfig, um die Kegelrollen entlang dem Umfang in vorherbestimmten Abständen zu halten, wobei ein Rollenkoeffizient γ größer ist als 0,94; mindestens eines der Elemente Innenring, Außenring und Wälzkörper eine stickstoffreiche Schicht aufweist und eine Korngrößennummer von Austenitkristallkörnern in der stickstoffreichen Schicht größer ist als 10; der Innenring eine Konusrückseitenrippe mit einer Oberfläche besitzt, die eine konische Fläche aufweist, welche mit großen Endflächen der Kegelrollen in Kontakt ist, und eine Flanke, die sich von der konischen Fläche glatt nach außen erstreckt und in einer Richtung von den großen Endflächen der Kegelrollen weg gekrümmt ist; und der Käfig einen kleinen ringförmigen Bereich aufweist, der auf einer kleinen Endflächenseite der Kegelrollen durchgängig ist, einen großen ringförmigen Bereich, der auf einer großen Endflächenseite der Kegelrollen durchgängig ist, und mehrere Säulenbereiche, um den kleinen ringförmigen Bereich und den großen ringförmigen Bereich zu verbinden, wobei trapezförmige Taschen zwischen benachbarten Säulenbereichen ausgebildet sind, wobei jede der Taschen eine schmale Seite hat, die eine Seite kleinen Durchmessers einer der Kegelrollen aufnimmt, und eine breite Seite, die eine Seite großen Durchmessers einer der Kegelrollen aufnimmt; und wobei jeder der Säulenbereiche eine Kerbe auf der schmalen Seite der Taschen aufweist.
  2. Kegelrollenlager nach Anspruch 1, bei dem die Flanke eine bogenartige Querschnittsform hat.
  3. Kegelrollenlager nach Anspruch 1 oder 2, bei dem eine kreisförmige Ausnehmung in einem mittigen Bereich jeder der großen Endflächen der Kegelrollen vorgesehen ist, und ein Außenumfang der Ausnehmung sich in der Nähe einer Grenze zwischen der konischen Fläche der Oberfläche der Konusrückseitenrippe des Innenrings und der Flanke befindet.
  4. Kegelrollenlager nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die Grenze zwischen der konischen Fläche der Oberfläche der Konusrückseitenrippe des Innenrings und der Flanke sich in der Nähe eines Außenumfangs einer maximalen Kontaktellipse befindet, die durch den Kontakt zwischen den großen Endflächen der Kegelrollen und der Oberfläche der Konusrückseitenrippe des Innenrings gebildet wird.
  5. Kegelrollenlager nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem der Innenring eine Konusvorderseitenrippe mit einer Oberfläche aufweist, die eine zu kleinen Endflächen der Kegelrollen parallele Fläche aufweist, und bei dem R/R0 in einen Bereich von 0,75 bis 0,87 fällt, wobei R ein Krümmungsradius der großen Endflächen der Kegelrollen ist und R0 ein Abstand von einem Scheitelpunkt eines Kegelwinkels jeder der Kegelrollen zur Oberfläche der Konusrückseitenrippe des Innenrings ist.
  6. Kegelrollenlager nach Anspruch 5, bei dem die Oberfläche der Konusrückseitenrippe des Innenrings eine Rautiefe Ra von 0,05 bis 0,20 μm hat.
  7. Kegelrollenlager nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem ein Stickstoffgehalt in der stickstoffreichen Schicht im Bereich von 0,1% bis 0,7% liegt.
  8. Kegelrollenlager nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem ein Fensterwinkel jeder der Taschen 55° oder mehr und 80° oder weniger beträgt.
  9. Kegelrollenlager nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem der Käfig aus einem technischen Kunststoff besteht, der eine ausgezeichnete mechanische Festigkeit, Ölfestigkeit und Wärmebeständigkeit besitzt.
  10. Kegelrollenlager nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei dem jede der Taschen außerdem eine Kerbe aufweist, die in dem kleinen ringförmigen Bereich auf der schmalen Seite derselben vorgesehen ist.
  11. Kegelrollenlager nach einem der Ansprüche 1 bis 10, bei dem jede der Taschen eine Kerbe aufweist, die auf der breiten Seite derselben vorgesehen ist, wobei die Kerbe in mindestens einem der Säulenbereiche vorgesehen ist.
  12. Kegelrollenlager nach Anspruch 11, bei dem ein Gesamtbereich der Kerben, die auf der schmalen Seite der Taschen vorgesehen sind, größer ist als ein Gesamtbereich der Kerben, die auf der breiten Seite der Taschen vorgesehen sind.
  13. Kegelrollenlager nach einem der Ansprüche 1 bis 12, bei dem der Käfig eine radial nach innen gerichtete Rippe aufweist, die auf einer axial äußeren Seite des kleinen ringförmigen Bereichs des Käfigs vorgesehen ist, wobei die radial nach innen gerichtete Rippe einer radial äußeren Fläche der Konusvorderseitenrippe des Innenrings gegenüberliegt; und bei dem eine Obergrenze eines Spalts zwischen einer radial inneren Fläche der radial nach innen gerichteten Rippe und der radial äußeren Fläche der Konusvorderseitenrippe des Innenrings 2,0% einer äußeren radialen Abmessung der Konusvorderseitenrippe beträgt.
  14. Kegelrollenlager nach einem der Ansprüche 1 bis 13, bei dem eine große Anzahl von mikroskopischen ausgesparten Vertiefungen zumindest auf Oberflächen der Kegelrollen wahllos ausgebildet sind; bei dem ein Rautiefenparameter Ryni der Oberflächen, die die Vertiefungen aufweisen, 0,4 μm ≤ Ryni ≤ 1,0 μm ist; und bei dem ein Sk-Wert der Oberflächen, die die Vertiefungen aufweisen, –1,6 oder weniger ist.
  15. Kegelrollenlager nach einem der Ansprüche 1 bis 14, um eine Kraftübertragungswelle eines Kraftfahrzeugs zu stützen.
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