DE19843139A1

DE19843139A1 - Kegelrollenlager

Info

Publication number: DE19843139A1
Application number: DE19843139A
Authority: DE
Inventors: Yukio Sato; Tetsu Takehara
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 1997-09-22
Filing date: 1998-09-21
Publication date: 1999-04-08
Anticipated expiration: 2018-09-22
Also published as: DE19843139C2; US6033123A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Kegel rollenlager, die in einer Antriebseinheit eines Walzwerks oder eines Schienenfahrzeugs verwendet werden, und insbe sondere ein Kegelrollenlager, das als Axiallager eines mit hoher Rotationsgeschwindigkeit arbeitenden Walzwerks, eines Ritzels einer Antriebseinheit eines Schienenfahr zeugs oder dergleichen verwendet wird und bei dem eine Freßneigung zwischen der großen Halterippenoberfläche und den Stirnflächen auf Seiten des großen Durchmessers der kegelförmigen Rollen des Kegelrollenlagers besser verhin dert wird.

Herkömmliche Kegelrollenlager werden als Axiallager von Walzwerken, als Lager von Antriebseinheitritzeln von Schienenfahrzeugen und dergleichen verwendet.

Die Fig. 4 und 5 sind Ansichten zur Erläuterung eines Kontaktzustands zwischen einer großen Halterippenoberflä che 2a eines Innenrings 2 und der Stirnfläche 3a auf Seiten des großen Durchmessers einer kegelförmigen Rolle 3 in einem Kegelrollenlager (diese Stirnfläche wird im folgenden große Stirnfläche 3a genannt). Wenn auf das Kegelrollenlager eine axiale Last wirkt (siehe den Pfeil Fa in Fig. 1), wird die Last teilweise auf die große Stirnfläche 3a der Rolle 3 und auf die große Halterip penoberfläche 2a des Innenrings 2 ausgeübt. Im Ergebnis wird in einer Kontaktellipse 32 an einer Kontaktposition e₀, an der die große Halterippenoberfläche 2a des Innen rings 2 mit der großen Stirnfläche 3a der Rolle 3 in Kontakt ist, wie in Fig. 5 gezeigt ist, eine Druckvertei lung erzeugt, wie sie in Fig. 6 gezeigt ist. In Fig. 6 bezeichnet a den großen Durchmesser der Kontaktellipse zwischen der großen Halterippenoberfläche 2a des Innen rings 2 und der großen Stirnfläche 3a der Rolle 3, wäh rend b den kleinen Durchmesser der Kontaktellipse zwischen der großen Halterippenoberfläche 2a des Innenrings 2 und der großen Stirnfläche 3a der Rolle 3 bezeichnet.

Ferner besteht zwischen dem Innenring 2 und der Rolle 3 an der Kontaktposition e₀, an der die große Halterip penoberfläche 2a des Innenrings 2 mit der großen Stirn fläche 3a der Rolle 3 in Kontakt ist, eine Geschwindig keitsdifferenz.

Unter der Annahme, daß in einer Ebene, in der eine Lauf fläche (Laufbahn) des Innenrings 2 mit einer Rollfläche der Rolle 3 in Kontakt ist, kein Schlupf vorhanden ist, ist die Relativgeschwindigkeit V_i zwischen der Umfangsge schwindigkeit X der Lauffläche des Innenrings 2 und der Umdrehungsgeschwindigkeit Y der Rolle 3 auf der Laufflä che des Innenrings 2 gleich der Umfangsrotationsgeschwin digkeit V_R der Rollfläche der Rolle 3. Die Umfangsge schwindigkeit V_i' der Kontaktposition e₀ der großen Halterippenoberfläche 2a des Innenrings 2 ist jedoch größer als die Umfangsgeschwindigkeit V_R' der Kontakt position der großen Stirnfläche 3a der Rolle 3, so daß ein in Fig. 7 durch V_S dargestellter Schlupf erzeugt wird.

Es wird darauf hingewiesen, daß die obige Umfangsge schwindigkeit X der Lauffläche des Innenrings 2, die Umdrehungsgeschwindigkeit Y der Rolle 3 auf der Laufflä che des Innenrings 2, die Relativgeschwindigkeit V_i zwischen der Umfangsgeschwindigkeit X und der Umdrehungs geschwindigkeit Y, die Umfangsrotationsgeschwindigkeit V_R der Rollfläche 35 der Rolle 3, die Umfangsgeschwindigkeit V_i' der Kontaktposition e₀ der großen Halterippenoberflä che 2a des Innenrings 2, die Umfangsgeschwindigkeit V_R' der Kontaktposition der großen Stirnfläche 3a der Rolle 3 und die Schlupfgeschwindigkeit V_s des Schlupfes die folgenden Gleichungen (1) bis (8) erfüllen:

X = r_i.ω_i (1)
Y = r_i.ω_i (2)
V_i = r_i.(ω_i - ω_c) (3)
V_R = r_R.ω_R (4)
V_i = V_R (5)
V_i' = (r_i + e).(ω_i - ω_c) (6)
V_R' = (r_i + e).ω_R (7)
V_S = V_i' - V_R' (8)

wobei e₀ einen Kontaktpunkt zwischen der großen Halterip penoberfläche 2a des Innenrings 2 und der großen Stirn fläche 3a der Rolle 3 bezeichnet; e eine Kontaktposi tionshöhe bezeichnet; r_i den Radius einer Lauffläche eines Abschnitts mit großem Durchmesser des Innenrings 2 bezeichnet; r_R den Radius auf Seiten des großen Durchmes sers der Rolle 3 bezeichnet; ω_i die Winkelgeschwindigkeit des Innenrings 2 bezeichnet; ω_C die Umdrehungswinkelge schwindigkeit der Rolle 3 bezeichnet; und ω_R die Rota tionswinkelgeschwindigkeit der Rolle 3 bezeichnet.

Wenn der Lagerdruck oder die Schlupfgeschwindigkeit an dieser Kontaktposition e₀ zunehmen, kann an dieser Posi tion je nach Schmierungszustand ein Fressen auftreten. Wenn an dieser Position ein Fressen auftritt, wird eine gleichmäßige Rotation des Lagers beeinträchtigt, was Schwierigkeiten für die gesamte mechanische Anordnung erzeugen kann. Zur Beseitigung dieses Problems sind Maßnahmen ergriffen worden, derart, daß die Schmierung verbessert wird, der Druck in der Kontaktebene reduziert wird oder die Schlupfgeschwindigkeit an der Kontaktposi tion e₀ reduziert wird.

In dem herkömmlichen Kegelrollenlager ist jedoch entweder in der großen Rippe 21 des Innenrings 2 aufgrund einer rillenförmigen Aussparung 21a ein großer Raum erforder lich, wie in Fig. 8 gezeigt ist, oder an der großen Stirnfläche der Rolle 3 ist eine Fase C1 erforderlich, wie in Fig. 9 gezeigt ist. Falls daher die Fläche der Kontaktellipse 32 vergrößert wird, um den Lagerdruck auf einen geringen Wert zu reduzieren, wird eine untere Kontaktellipse 32 (auf Seiten der Innenring-Umlaufbahn) an der Kontaktposition e₀ in die rillenförmige Aussparung 21 der großen Verstärkungsrippe des Innenrings erweitert, so daß das Problem entsteht, daß an der Umfangskante der rillenförmigen Aussparung 21a eine Spitze des Lagerdrucks erzeugt wird oder daß, falls die Kontaktposition e₀ an eine höhere Stelle verschoben wird, um die Erzeugung der Lagerdruckspitze zu verhindern, die Schlupfgeschwindig keit V_S ansteigt.

Weiterhin besteht zwischen der rillenförmigen Aussparung 21a der Halterippenoberfläche 2a des Innenrings 2 und der großen Halterippenoberfläche 2a eine Verbindung. Falls die Aussparung 21a sehr klein ist, wird an dieser Verbin dungsstelle eine Beanspruchungskonzentration bewirkt. Daher muß die Aussparung 21a ausreichend groß sein, um die Festigkeit der großen Halterippenoberfläche 2a nicht zu verringern. Selbst wenn die Aussparung 21a der großen Verstärkungsrippe 2a des Innenrings 2 so klein wie mög lich ist, steht die Kontaktellipse 32 dann, wenn die Fase C1 der großen Stirnfläche 3a der Rolle 3 unverändert bleibt, von der Fase C1 der großen Stirnfläche 3a der Rolle 3 in der gleichen Weise wie oben beschrieben vor, so daß an der Umfangskante der Fase der Rolle 3 eine Lagerdruckspitze erzeugt wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Kegelrol lenlager zu schaffen, bei dem die Aussparungshöhe f der Halterippenoberfläche des Innenrings und die Fase C1 der großen Stirnfläche jeder Rolle auf eine Größe reduziert sind, die innerhalb eines Bereichs liegen, in dem die Festigkeit nicht abgesenkt wird und das Kegelrollenlager funktionsfähig ist, wodurch die Höhe e zwischen einer Lauffläche des Innenrings und der Kontaktposition e₀ zwischen der großen Halterippenoberfläche des Innenrings und der großen Stirnfläche der Rollen reduziert werden kann, wodurch die Schlupfgeschwindigkeit an der Kontakt position e₀ auf einen kleinen Wert reduziert wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Kegelrollenlager nach Anspruch 1. Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden deut lich beim Lesen der folgenden Beschreibung zweckmäßiger Ausführungen, die auf die beigefügte Zeichnung Bezug nimmt; es zeigen:

Fig. 1 einen Teillängsschnitt einer ersten Ausführung des erfindungsgemäßen Kegelrollenlagers;

Fig. 2 eine vergrößerte Längsschnittansicht eines Teils des Kegelrollenlagers nach Fig. 1;

Fig. 3 einen Graphen zur Erläuterung des Freßzeitpunkts eines Kegelrollenlagers in Abhängigkeit vom Ver hältnis zwischen der Aussparungshöhe f auf Seiten der großen Halterippenoberfläche des Innenrings und der Fase C1 der großen Stirnfläche jeder Rolle;

Fig. 4 die bereits erwähnte Ansicht zur Erläuterung eines Kontaktzustands zwischen der großen Halte rippenoberfläche des Innenrings und der großen Stirnfläche jeder Rolle;

Fig. 5 die bereits erwähnte Ansicht ähnlich wie Fig. 4, in der eine einzige Rolle dargestellt ist;

Fig. 6 die bereits erwähnte Ansicht zur Erläuterung einer Lagerdruckverteilung in einer Kontakt ellipse zwischen der großen Halterippenoberfläche des Innenrings und der großen Stirnfläche der Rolle;

Fig. 7 die bereits erwähnte Ansicht zur Erläuterung einer Schlupfgeschwindigkeit an einer Kontakt punktposition e₀;

Fig. 8 die bereits erwähnte Detailansicht einer rillen förmigen Aussparung in der großen Halterip penoberfläche des Innenrings;

Fig. 9 die bereits erwähnte erläuternde Darstellung der gesamten Rolle;

Fig. 10 eine detaillierte Ansicht eines Fasenabschnitts der großen Stirnfläche der Rolle; und

Fig. 11 einen Graphen zur Erläuterung des Freßzeitpunkts in Abhängigkeit vom Verhältnis zwischen der Kon taktpositionshöhe e der großen Halterippenober fläche des Innenrings und dem Durchmesser der großen Stirnfläche jeder Rolle.

Fig. 1 zeigt ein Kegelrollenlager gemäß einer Ausführung der Erfindung. In Fig. 1 besitzt das Kegelrollenlager einen Außenring 1, einen Innenring 2, mehrere Rollen 3, die zwischen den Außenring 1 und den Innenring 2 einge setzt sind, sowie eine Halterung 4, die diese Rollen 3 hält.

Der Innenring 2 besitzt einen Abschnitt 21 mit großen Durchmesser und einen Abschnitt 23 mit kleinem Durchmes ser. Der Abschnitt 21 mit großen Durchmesser ist mit einer großen Halterippenoberfläche 2a versehen, während der Abschnitt 23 mit kleinem Durchmesser mit einer klei nen Halterippenoberfläche 24 versehen ist. Zwischen der großen Halterippenoberfläche 2a und der kleinen Halterip penoberfläche 24 ist eine äußere Lauffläche, die einen Teil einer Kegelform bildet, vorgesehen. Zwischen den Oberflächen 2a und 24 der großen bzw. der kleinen Ver stärkungsrippe 21 bzw. 23 und der äußeren Lauffläche sind rillenförmige Aussparungen 21a bzw. 26 vorgesehen.

Der Außenring 1 besitzt einen Abschnitt 11 mit großen Durchmesser und einen Abschnitt 12 mit kleinem Durchmes ser. Eine innere Lauffläche, die einen Teil der Kegelform bildet, ist zwischen den Abschnitten 11 und 12 mit großem bzw. kleinem Durchmesser so vorgesehen, daß sie der äußeren Lauffläche des Innenrings 2 gegenüberliegt.

Jede der Rollen 3 besitzt eine Stirnfläche 3a mit großem Durchmesser und eine Stirnfläche 34 mit kleinem Durchmes ser, wie in Fig. 9 gezeigt ist. Eine Rollfläche 35 ist eine kegelförmige Umfangsfläche, die die große Stirnflä che 3a mit der kleinen Stirnfläche 34 verbindet und einen Teil der Kegelform bildet. Zwischen der Rollfläche 35 und der großen Stirnfläche 3a bzw. der kleinen Stirnfläche 34 sind Fasen 36 und 37 ausgebildet.

Die Größe der Fase in der großen Stirnfläche ist durch C1 gegeben, während die Größe der Fase in der Rollfläche auf Seiten des großen Durchmessers durch C2 gegeben ist. Die Bemessung der Fasengröße C1 auf Seiten des großen Durch messers bildet ein Merkmal der Erfindung.

Die Rollen 3 sind mit ihren Rollflächen 35 mit der äuße ren Lauffläche des Innenrings 2 in Kontakt. Wenn eine Axiallast Fa ausgeübt wird, wie in Fig. 1 gezeigt ist, sind gleichzeitig wenigstens die großen Stirnflächen 3a der Rollen 3 mit der großen Halterippenoberfläche 2a des Innenrings 2 in Kontakt.

Wenn in dieser Ausführung auf das Lager 1 eine Axiallast Fa ausgeübt wird, wie in Fig. 1 gezeigt ist, kann die Schlupfgeschwindigkeit auf einen niedrigen Wert reduziert werden, da eine Kontaktposition e₀, an der die große Halterippenoberfläche 2a des Innenrings 2 mit der großen Stirnfläche 3a jeder Rolle 3 in Kontakt ist, auf eine Position eingestellt ist, die 6 bis 9,5% des großen Durchmessers D1 der Rolle 3 beträgt.

Weiterhin ist die Fase C1 der großen Stirnfläche 3a jeder Rolle 3 auf einen kleinen Wert gesetzt, der 30 bis 60% der Kontaktpositionshöhe e der großen Halterippenoberflä che 2a des Innenrings 2 beträgt, ferner ist die Ausspa rungshöhe f der großen Halterippenoberfläche 2a des Innenrings auf 75% oder weniger der Fase C1 der großen Stirnfläche 3a der Rolle 3 gesetzt. Daher ist die Bestän digkeit gegenüber einem Fressen der großen Halterip penoberfläche 2a des Innenrings 2 stark verbessert. Weiterhin ist die untere Grenze der Aussparungshöhe f der großen Halterippenoberfläche 2a geeignet definiert, damit während des Betriebs keine Beanspruchungskonzentration erzeugt wird, durch die ein Schleifvorgang oder derglei chen bewirkt wird.

Es wird darauf hingewiesen, daß die Aussparungshöhe f der großen Halterippenoberfläche 2a des Innenrings 2 dann, wenn die Fase C1 der großen Stirnfläche 3a jeder Rolle 3 auf weniger als 30% der Kontaktpositionshöhe e der großen Halterippenoberfläche 2a des Innenrings 2 gesetzt ist, zu klein wird, um selbige zu bearbeiten. Falls weiterhin die Fase C1 auf mehr als 60% gesetzt wird, besteht die Tendenz, daß der kurze Durchmesser b der Kontaktellipse 32 zwischen der großen Halterippenoberflä che 2a des Innenrings 2 und der großen Stirnfläche 3a der Rolle 3 von der Fase vorragt.

Fig. 3 ist ein Graph, der den Freßzeitpunkt in Abhängig keit vom Verhältnis zwischen der Aussparungshöhe f auf Seiten der großen Halterippenoberfläche 2a des Innenrings 2 und der Fase C1 der großen Stirnfläche 3a jeder Rolle 3 in einem Kegelrollenlager zeigt, wobei die Fase C1 der großen Stirnfläche 3a jeder Rolle 3 ungefähr 0,7 mm beträgt und auf ungefähr 40% der Kontaktpositionshöhe e der großen Halterippenoberfläche 2a des Innenrings 2 gesetzt ist. Wie in Fig. 3 gezeigt ist, beträgt der geeignete Wert der Aussparungshöhe f der großen Halterip penoberfläche 2a des Innenrings 2 des Lagers, in dem die Fase C1 der großen Stirnfläche 3a der Rolle 3 auf 40% der Kontaktpositionshöhe e der großen Halterippenoberflä che 2a des Innenrings 2 gesetzt ist, nicht mehr als 75% der Fase C1 der großen Stirnfläche 3a der Rolle 3, so daß der Freßzeitpunkt auf einer Skala mit großem Maßstab hinausgeschoben wird. Daraus geht hervor, daß die Bestän digkeit gegenüber einem Fressen verbessert wird.

Fig. 11 ist ein Graph, der den Freßzeitpunkt in Abhängig keit vom Verhältnis zwischen der Kontaktpositionshöhe e der großen Halterippenoberfläche 2a des Innenrings 2 und dem Durchmesser der großen Stirnfläche 3a jeder Rolle 3 unter der Bedingung zeigt, daß das Verhältnis der Ausspa rungshöhe f der großen Halterippenoberfläche 2a des In nenrings 2 des Lagers und der Fase C1 der großen Stirn fläche 3a jeder Rolle 3 auf 0,775 gesetzt ist. Wie aus Fig. 11 deutlich hervorgeht, ist die Höhe e der Kontakt position, an der die große Halterippenoberfläche 2a des Innenrings 2 und die große Stirnfläche 3a der Rollen 3 in Kontakt sind, gemessen von der äußeren Lauffläche des Innenrings 2, auf 6 bis 9,5%, vorzugsweise auf 6,5 bis 8,5% und stärker bevorzugt auf 7 bis 8% des Durchmes sers der großen Stirnfläche 3a jeder der Rollen 3 ge setzt.

Gemäß der Erfindung ist die Kontaktposition e₀ der großen Halterippenoberfläche 2a des Innenrings 2 mit der großen Stirnfläche 3a jeder Rolle 3 in Kontakt ist, auf einen niedrigen Wert gesetzt, ferner ist die Fase der großen Stirnfläche 3a jeder Rolle 3 auf einen kleinen Wert gesetzt, außerdem ist jedoch auch die Aussparungshöhe f der großen Halterippenoberfläche 2a des Innenrings 2 auf einen in bezug auf die Beständigkeit gegenüber einem Fressen optimalen Wert gesetzt. Daher wird die Schlupfge schwindigkeit an der Kontaktposition e₀ reduziert, ferner wird die Freßbeständigkeit in hohem Maß verbessert. Dadurch kann ein Kegelrollenlager mit hoher Zuverlässig keit gegenüber einem Fressen erhalten werden.

Weiterhin ist das Kegelrollenlager der Erfindung sowohl für eine Rotationsgeschwindigkeit als auch für einen axialen Lastzustand, die beide einen entsprechenden herkömmlichen Grenzwert übersteigen, verwendbar.

Obwohl die Erfindung anhand zweckmäßiger Ausführungen beschrieben worden ist, kann der Fachmann selbstverständ lich viele verschiedene Änderungen und Abwandlungen vornehmen, ohne vom Erfindungsgedanken abzuweichen oder den Umfang der Erfindung zu verlassen, der durch die beigefügten Ansprüche definiert ist

Claims

1. Kegelrollenlager, mit
einem Innenring (2), der einen Abschnitt (21) mit großem Durchmesser, einen Abschnitt (23) mit kleinem Durchmesser, eine große Halterippenoberfläche (2a), die im Abschnitt (21) mit großem Durchmesser ausgebildet ist, eine kleine Halterippenoberfläche (24), die im Abschnitt (23) mit kleinem Durchmesser ausgebildet ist, eine kegel förmige äußere Lauffläche, die die Abschnitte (21, 23) mit großem bzw. kleinem Durchmesser miteinander verbin det, sowie rillenförmige Aussparungen (21a, 26), die zwischen der äußeren Lauffläche und der großen Halterip penoberfläche (2a) bzw. der kleinen Halterippenoberfläche (24) ausgebildet sind, enthält;
einem Außenring (1) mit einer kegelförmigen inneren Lauffläche, die der äußeren Lauffläche zugewandt ist;
mehreren kegelförmigen Rollen (3), wovon jede eine große Stirnfläche (3a), eine kleine Stirnfläche (34), eine Rollfläche (35), die durch eine kegelförmige Umfangsfläche gebildet ist, die die große Stirnfläche (3a) und die kleine Stirnfläche (34) verbindet, und eine Fase (36), die zwischen der großen Stirnfläche (3a) und der Rollfläche (35) ausgebildet ist, enthält und zwischen dem Innenring (2) und dem Außenring (1) in der Weise angeordnet ist, daß die Rollfläche (35) mit der äußeren Lauffläche des Innenrings (2) und mit der inneren Lauf fläche des Außenrings (1) in Kontakt ist, wobei die große Stirnfläche (3a) mit der großen Halterippenoberfläche (2a) des Innenrings (2) in Kontakt ist; und
einer Halteeinrichtung (4), die die mehreren kegelförmigen Rollen (3) hält, dadurch gekennzeichnet, daß
die Höhe (e) der Kontaktposition (e₀), an der die große Halterippenoberfläche (2a) des Innenrings (2) und die große Stirnfläche (3a) der Rollen (3) in Kontakt sind, gemessen von der äußeren Lauffläche des Innenrings (2) auf 6 bis 9,5% des Durchmessers der großen Stirnflä che (3a) jeder der Rollen (3) gesetzt ist,
die Fase (C1), die in der großen Stirnfläche (3a) jeder der Rollen (3) ausgebildet ist, auf 30 bis 60% der Kontaktpositionshöhe (e) gesetzt ist und
die Größe (f) der Aussparung in der großen Halte rippenoberfläche (2a) des Innenrings (2) auf einen Wert gesetzt ist, der nicht mehr als 75% der Fase (C1) der großen Stirnfläche (3a) jeder der Rollen (3) beträgt.

2. Kegelrollenlager nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die Höhe der Kontaktposition auf 6,5 bis 8,5% des Durchmessers der großen Stirnfläche (3a) jeder der Rollen (3) gesetzt ist.

3. Kegelrollenlager nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die Höhe der Kontaktposition auf 7 bis 8% des Durchmessers der großen Stirnfläche (3a) jeder der Rollen (3) gesetzt ist.