DE4016492A1 - Radialrollenlager - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Radialrollenlager gemäß dem Oberbegriff des An­ spruchs 1.

Insbesondere befaßt sich die Erfindung mit einem Kegelrollenlager.

Üblicherweise umfaßt ein Kegelrollenlager einen mit einer Kegelbasisrippe versehenen Innenring, einen dem Innenring gegenüberliegenden Außenring und Kegelrollen, die zwischen dem Innenring und dem Außenring angeord­ net sind. Im Betrieb des Kegelrollenlagers stehen die Rollflächen der Kegel­ rolle mit den Laufflächen des Innenrings und des Außenrings in Berührung. Die größere der beiden Stirnflächen jeder Kegelrolle steht mit der Oberflä­ che der Kegelbasisrippe des Innenrings in Berührung. Wenn der Grad der Be­ rührung zwischen diesen Flächen nicht sorgfältig eingehalten wird, ergibt sich infolge des hohen Reibungswiderstandes und eine anfängliche Zunahme der Reibungswärme.

Der Grad der Berührung zwischen den Rollflächen der Kegelrollen und den Laufflächen der Innen- und Außenringe läßt sich im Prinzip dadurch einstel­ len, daß man den Rollflächen der Kegelrollen oder der mit dieser Rollfläche in Berührung stehenden Lauffläche des Innenringes oder des Außenringes ei­ ne gewisse Balligkeit verleiht. Die Stärke der Balligkeit ist gegeben durch das Balligkeitsverhältnis Δ t/l, d.h., das Verhältnis zwischen der Scheitelhöhe Δ t der balligen oder gewölbten Oberfläche und der effektiven Rollenlänge l. Bei einer Erhöhung der Balligkeitsverhältnisse ergibt sich näherungsweise eine punktförmige Berührung, und der Grad der Berührung nimmt ab. Bei einer Verringerung des Balligkeitsverhältnisses ergibt sich näherungsweise eine li­ nienförmige Berührung, und der Grad der Berührung nimmt zu. Zur Verringe­ rung des Reibungswiderstandes könnte deshalb eine Erhöhung des Ballig­ keitsverhältnisses Δ t/l in Betracht gezogen werden. Wenn jedoch das Ballig­ keitsverhältnis zu groß wird, ergibt sich ein großer Abstand zwischen den Kegelrollen und dem Innenring und dem Außenring, und es entsteht ein ent­ sprechend dicker Ölfilm, was wiederum zu einer Erhöhung des Laufwider­ standes infolge der Viskosität des Ölfilmes führt.

Die Innenfläche der Kegelbasisrippe ist bei herkömmlichen Kegelrollenla­ gern nur grob bearbeitet worden und weist deshalb einen hohen Reibungs­ koeffizienten auf. Hierdurch ergibt sich ein hoher Reibungswiderstand zwi­ schen der Stirnfläche jeder Kegelrolle und der Oberfläche der Kegelbasisrip­ pe. Dies führt zu einem erhöhten Drehmoment und zu einer Erhöhung der anfänglich erzeugten Reibungswärme. Insbesondere in dem Fall, daß die Ke­ gelrollen einen großen Abstand zu dem Innenring und dem Außenring auf­ weisen, so daß sich ein hoher viskoser Widerstand ergibt, wie oben erwähnt wurde, werden die Kegelrollen durch den viskosen Widerstand schräggestellt oder verkantet. In diesem Fall schleifen die größeren Stirnflächen oder Ba­ sisflächen der Kegelrollen an der Kegelbasisrippe, so daß sich ein erhöhter Reibungswiderstand ergibt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Radialrollenlager, insbesondere ein Kegelrollenlager, zu schaffen, das sich durch geringe Wärmeerzeugungs- und Reibungscharakteristiken auszeichnet und ein verbessertes Drehmo­ mentverhalten aufweist.

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist in Anspruch 1 angegeben.

Bei dem erfindungsgemäßen Rollenlager ist eine Stirnfläche der Rollen sphä­ risch konvex geformt, und eine an dem Innenring oder dem Außenring des Lagers ausgebildete Rippe weist eine dieser Stirnfläche gegenüberliegende sphärisch konkav geformte Oberfläche auf. Wenigstens eine der Laufflächen der Innen- und Außenringe und/oder die Rollfläche der Rollen ist ballig, und das Balligkeitsverhältnis liegt zwischen 0,0007 und 0,002.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen an­ gegeben.

In einer Ausführungsform ist nur eine der an dem Abrollvorgang beteiligten Oberflächen, also entweder die Lauffläche des Innenringes, die Lauffläche des Außenringes oder die Rollfläche der Kegelrollen ballig. In einer anderen Aus­ führungsform sind alle drei Flächen ballig ausgebildet. In diesem Fall ist das oben erwähnte Balligkeitsverhältnis durch die Summe der Balligkeitsverhält­ nisse der drei Oberflächen gegeben.

Bei einem Balligkeitsverhältnis im Bereich von 0,0007 bis 0,002 ergibt sich einerseits ein geringer Reibungswiderstand zwischen den aneinander abrol­ lenden Flächen der Rollen und der Innen- und Außenringe, und andererseits wird die Bildung eines dicken Schmierölfilmes an den Berührungsstellen ver­ mieden. Hierdurch wird eine Verbesserung der Drehmomentcharakteristik und der Wärmeerzeugungscharakterisitik des Lagers erreicht.

Einen weiteren Beitrag zur Verbesserung dieser Charakteristiken liefert die sphärische Form der Stirnflächen der Rollen und der diesen gegenüberlie­ genden Oberfläche der Rippe. Vorzugsweise beträgt der Krümmungsradius der sphärisch konkaven Oberfläche der Rippe wenigstens das Zweifache des Krümmungsradius der sphärisch konvexen Stirnflächen der Rollen. Hier­ durch wird eine beträchtliche Verringerung des Reibungswiderstands zwi­ schen den Stirnflächen der Rollen und der entsprechenden Oberfläche der Rippe erreicht.

Die Rauhigkeit der Oberfläche der Rippe, die den konvexen Stirnflächen der Rollen gegenüberliegt, beträgt vorzugsweise weniger als 0,4 µ. Unter diesen Umständen weist die Rippe eine im wesentlichen spiegelartig glatte Oberflä­ che auf, und zwischen dieser Oberfläche und den Stirnflächen der Rollen er­ gibt sich ein äußerst geringer Reibungswiderstand, was zu einer weiteren Verbesserung der Drehmomentcharakteristik und der Wärmeerzeugungscha­ rakteristik beiträgt.

Im folgenden wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 einen radialen Schnitt duch ein Kegelrollenlager;

Fig. 2 eine vergrößerte Skizze zur Erläuterung der Balligkeitsver­ hältnisse bei dem Kegelrollenlager;

Fig. 3 eine graphische Darstellung der experimentell ermittelten Beziehung zwischen Drehmoment und Drehzahl; und

Fig. 4 eine graphische Darstellung der experimentell ermittelten Beziehung zwischen Drehmomentverhältnis und Balligkeit.

Gemäß Fig. 1 und 2 umfaßt das Kegelrollenlager einen Außenring 1 mit einem mit wesentlichen dreieckigen Querschnitt, mehrere Kegelrollen 3, einen Innenring 5 mit im wesentlichen dreieckigem Querschnitt und Halter 6, in denen die einzelnen Rollen 3 drehbar gehalten sind. Die größere Stirn­ fläche 2 (Basis) jeder Rolle 3 ist sphärisch konvex. Der Innenring 5 weist an seinem äußeren Umfang eine radial nach außen vorspringende Rippe 4 mit größerem Durchmesser auf.

Die Rollen 3 rollen auf einer Lauffläche 7 des Außenringes 1 und einer Lauf­ fläche 8 des Innenringes 5 ab. Die Laufflächen 7 und 8 weisen im wesentli­ chen auf ihrer gesamten axialen Länge eine gleichförmige Balligkeit auf. Die Abrollflächen der einzelnen Rollen 3 weisen ebenfalls auf der gesamten effek­ tiven Länge der Rollen eine gleichförmige Balligkeit auf. Die Balligkeiten sind in Fig. 1 und 2 übertrieben dargestellt.

Die Gesamt-Balligkeit des Außenringes 1, des Innenringes 5 und der Kegel­ rollen 3 ist definiert als das Verhältnis Δ t/l und beträgt 0,0007 bis 0,002. In dem Ausdruck Δ t/l die Summe der Scheitelhöhen der balligen Flächen. Diese Summe entspricht somit dem Abstand zwischen den Laufflächen 7 und 8 an den axialen Enden, die die effektive Länge der einzelnen Kegelrollen festlegen. Die Größe 1 ist die effektive Länge jeder Kegelrolle 3. Die Summe Δ t der Scheitelhöhen setzt sich zusammen aus der Scheitelhöhe δ t₁ der balli­ gen Abrollfläche jeder der Kegelrollen 3 und den Scheitelhöhen δ t₂ und δ t₃ der balligen Flächen des Außenringes 1 und des Innenringes 5 (Fig. 2).

Die innere, den Kegelrollen zugewandte Oberfläche 9 der Rippe 4 des In­ nenringes 5 ist konkav geformt und weist einen Krümmungsradius R₁ auf, der vorzugsweise das 2- bis 10fache des Krümmungsradius R der größeren Stirnfläche 2 der Kegelrollen 3 beträgt. Die Rauhigkeit der inneren Oberfä­ che 9 sollte weniger als 0,4 µ betragen.

Für das oben beschriebene Kegelrollenlager ergibt sich die Beziehung zwi­ schen dem auf das Lager wirkenden Drehmoment und der Drehzahl aus der Graphik gemäß Fig. 3, in der das Drehmoment auf der vertikalen Achse und die Drehzahl auf der horizontalen Achse aufgetragen ist. Die Messung wurde ausgeführt an einem Kegelrollenlager mit einem Innendurchmesser von 34 mm einem Außendurchmesser von 80 mm und einer Gesamtbreite von 32,75 mm. Die effektive Länge l der Kegelrollen 3 betrug 15 mm. Die Balligkeit δ t₁ der Kegelrollen 3 (Scheitelhöhe in Bezug auf die die effektive Länge bestim­ menden axialen Enden der Rollen) betrug 5 µ. Die Balligkeit δ t₂ des Außenrin­ ges 1 und die Balligkeit δ t₃ des Innenringes 5 betrug zusammen 15 µ. Die Summe Δ t betrug 20 µ, und für das Balligkeitsverhältnis ergibt sich der Wert 0,0013. Der Krümmungsradius R₁ der Innenfläche 9 der Rippe 4 betrug das 4fache des Krümmungsradius R der größeren Stirnfläche 2 der Kegelrolle 3. Die Rauhigkeit der Innenfläche 9 betrug 0,4 µ.

Im Experiment betrug die Schublast 4 kN (400 kgf), und die Drehzahl lag zwi­ schen 0 und 4000 min^-1. Als Schmieröl wurde 85 W-90 verwendet (20°C). Die mit dem erfindungsgemäßen Kegelrollenlager mit den oben beschriebe­ nen Merkmalen erzielten Ergebnisse werden durch die Kurve A in Fig. 3 angegeben. Die Kurven B-D betreffen Vergleichsbeispiele, bei denen die an­ einander abrollenden Flächen zwar ballig waren, die Rippe des Innenrings je­ doch nicht in der oben beschriebenen Weise gestaltet war. Die Summe Δ t der Balligkeiten betrug bei dem Lager B 4 µ, bei dem Lager C 40 µ und bei dem La­ ger D 20 µ.

Wie ein Vergleich der Kurven B bis D zeigt, gibt es für die Balligkeit einen op­ timalen Bereich. Weiterhin ist erkennbar, daß bei dem Lager A bei gleicher Drehzahl ein geringeres Drehmoment benötigt wurde als bei dem Lager D, obgleich die Lager A und D die gleiche Balligkeit aufwiesen.

Bei dem Lager D betrug die Summe Δ t der Balligkeiten 20 µ. In diesem Fall ergibt sich ein geringer Reibungswiderstand zwischen den einzelnen Kegel­ rollen 3 mm den Laufflächen des Innenrings und des Außenrings. Zwischen den Kegelrollen und den Laufflächen wurde ein Schmiermittelfilm geeigneter Dicke gebildet, so daß auch der viskose Widerstand klein war. Dies führte zu den relativ günstigen Ergebnissen gemäß der Kurve D. Bei dem Lager A, das die gleiche Balligkeit aufwies wie das Lager D, war zusätzlich die Innenfläche 9 der Rippe 4 in der oben beschriebenen Weise gestaltet. Es ergab sich des­ halb eine geringere Reibung an den Berührungsflächen der Kegelrollen mit der Innenfläche 9 der Rippe, so daß nur ein geringeres Drehmoment benö­ tigt wurde. Wenn sich infolge eines Fehlers bei der Bearbeitung der Kegelrol­ len 3 und/oder der Laufflächen des Innenrings oder des Außenrings eine Schrägstellung der Kegelrollen ergibt, so wird durch die erfindungsgemäße Gestaltung eine Zunahme der Gleitreibung zwischen der Innenfläche 9 der Rippe 4 und den Kegelrollen 3 vermieden. Auf diese Weise wird das in der Zeichnung illustrierte vorteilhafte Ergebnis erzielt.

Fig. 4 zeigt das Verhältnis zwischen dem Drehmoment und dem Balligkeits­ verhältnis. Das Balligkeitsverhältnis Δ t/l ist auf der horizontalen Achse und das Drehmomentverhältnis auf der vertikalen Achse aufgetragen.

Das Drehmomentverhältnis ist so normiert, daß es den Wert 1 annimmt für ein Lager mit einer bestimmten Balligkeit (Balligkeit 0), bei dem die Innen­ fläche 9 der Rippe 4 nicht in der erfindungsgemäßen Weise bearbeitet ist. Die Kurve X gibt die Mittelwerte von Daten an, die mit erfindungsgemäßen Lagern verschiedener Balligkeit erhalten wurden. Die Kurve Y gibt die Mittel­ werte von Daten an, die mit Lagern unterschiedlicher Balligkeit erhalten wur­ den, bei denen jedoch die Innenfläche 9 der Rippe 4 nicht in der oben be­ schriebenen Weise bearbeitet war. Die gemittelten Daten wurden an drei Ar­ ten von Lagern gemessen, die sich ihren Abmessungen unterschieden. Die Messungen an verschiedenen Lagern sind in der Graphik durch verschiedene Symbole (Kreis, Dreieck und Rechteck) symbolisiert.

Wie aus einem Vergleich der Kurven X und Y hervorgeht, ergibt sich bei La­ gern, bei denen die Rippe in der oben beschriebenen Weise bearbeitet ist, ein deutlich kleineres Drehmomentverhältnis als bei Lagern, bei denen ledig­ lich ballige Laufflächen vorgesehen sind. In jedem Fall erreicht das Drehmo­ ment ein Minimum bei einer Balligkeit von 1,4×^10-3. Bei kleineren und grö­ ßeren Balligkeiten nimmt das Drehmoment zu. Anhand dieser Ergebnisse wurde der optimale Bereich der Balligkeit bestimmt.

Wie aus der obigen Beschreibung hervorgeht, kann der Reibungswiderstand zwischen den einzelnen Kegelrollen 3 und den Laufflächen des Innenrings und des Außenrings durch geeignete Wahl der Balligkeit minimiert werden. Wenn die Rollen infolge eines Fehlers bei der maschinellen Bearbeitung des Lagers schräggestellt werden oder verkanten, so kann eine Zunahme des Gleitreibungswiderstandes zwischen den Rollen 3 und der Innenfläche 9 der Rippe vermiden werden, indem die Rippe in der oben beschriebenen Weise gestaltet wird. Durch das Zusammenwirken dieser Maßnahmen ergibt sich insgesamt eine beträchtliche Verringerung des Drehmoments und eine Un­ terdrückung des Temperaturanstiegs beim Betrieb des Lagers.

Bei dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel waren sowohl die Mantel­ flächen der Kegelrollen 3 als auch die beiden Laufflächen des Außenrings 1 und des Innenrings 3 ballig geformt. Es ist jedoch auch möglich, lediglich ei­ ne oder zwei der an dem Abrollvorgang beteiligten Flächen ballig zu gestalten. Insgesamt ergeben sich somit die in der nachfolgenden Tabelle wiedergege­ benen Kombinationsmöglichkeiten.

Tabelle

Die Erfindung ist nicht auf Kegelrollenlager beschränkt, sondern ist auch bei Lagern mit zylindrischen Rollen anwendbar.

Claims (5)

1. Radialrollenlager mit einem Innenring (5), einem Außenring (1) und mehreren zwischen dem Innenring und dem Außenring angeordneten Rollen (3), dadurch gekennzeichnet, daß

• - die Mantelfläche der Rollen (3) und/oder wenigstens eine der Laufflä­ chen (7, 8) des Außenringes (1) und des Innenringes (5) derart ballig gestaltet ist, daß sich insgesamt ein Balligkeitsverhältnis (Δ t/l) von 0,0007 bis 0,002 ergibt.
• - eine Stirnfläche (2) jeder der Rollen (3) sphärisch konvex geform t ist und
• - der Innenring (5) und/oder der Außenring (1) an einem Ende mit einer der konvexen Stirnfläche der Rollen gegenüberliegenden Rippe (4) versehen ist, die eine sphärisch konkave Berührungsfläche (9) für die Stirnflächen (2) der Rollen (3) bildet.

2. Radialrollenlager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rollen (3) als Kegelrollen ausgebildet sind.

3. Radialrollenlager nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl die Mantelflächen der Rollen (3) als auch die Laufflächen (7, 8) des Innenrings (1) und des Außenrings (8) ballig sind.

4. Radialrollenlager nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Krümmungsradius (R₁) der sphärisch konkaven Be­ rührungsfläche (9) der Rippe (4) wenigstens das 2fache des Krümmungsra­ dius (R) der sphärisch konvexen Stirnfläche (2) der Rollen (3) beträgt.

5. Radialrollenlager nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Oberflächenrauhigkeit der Berührungsfläche (9) der Rippe (4) nicht mehr als 0,4 µ beträgt.