DE60206828T2

DE60206828T2 - Kegelrollenlager

Info

Publication number: DE60206828T2
Application number: DE60206828T
Authority: DE
Inventors: Hiromichi Fujisawa-shi Takemura
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 2001-04-12
Filing date: 2002-04-09
Publication date: 2006-04-20
Anticipated expiration: 2022-04-10
Also published as: EP1249623B1; US6709164B2; US20020176642A1; EP1249623A1; JP2002310164A; DE60206828D1

Description

Hintergrund der Erfindung
Gebiet der Erfindung:
Die Erfindung betrifft ein Kegelrollenlager, das beispielsweise im Transfer- oder Differentialgetriebemechanismus für ein Handschaltgetriebe (M/T) oder ein automatisches Schaltgetriebe (A/T) eines Kraftfahrzeugs eingesetzt wird, und insbesondere ein Kegelrollenlager, das dazu fähig ist, die Erzeugung von Kantenbelastung zu unterdrücken, wenn die Achse der Außenring-Laufbahn die Achse der Innenring-Laufbahn kreuzt, und die Lebensdauer des Lagers zu verlängern.
Beschreibung des Standes der Technik:
Im Falle eines Rollenlagers mit mehreren zylindrischen oder kegeligen Wälzkörpern (im folgenden Rollen genannt) entsteht dann, wenn die Achse der äußeren Laufbahn und die Achse der inneren Laufbahn sich so verlagern, daß sie einander kreuzen, eine Erhöhung des lokalen Kontaktdruckes (Kantenbelastung) auf einer Seite der Kontaktfläche zwischen der Laufbahn des Außenringes und den Rollen oder zwischen der Laufbahn des Innenringes und der Rollen oder beides; und es besteht die Möglichkeit, daß diese Kantenbelastung frühzeitigen Lagerschaden verursachen könnte. Ferner ist beim Einbau des Rollenlagers in ein Gerät erforderlich, die Achse des Außenringes mit hoher Genauigkeit auf die Achse des Innenringes auszurichten. Wenn jedoch die Möglichkeit besteht, daß sich die rotierende Welle aufgrund großer Axiallasten durchbiegt, können sich diese Achsen verlagern.
Wenn beispielsweise das Rollenlager auf der Abtriebswellenseite des Transaxialgetriebes (ein Mechanismus, welcher die Kupplung, das Getriebe und das Reduktionsgetriebe im gleichen Gehäuse beherbergt) für das M/T oder das A/T eines Kraftfahrzeuges fehlausgerichtet ist (z.B. in einem Zustand, in dem die Achse des Außenringes die Achse des Innenringes kreuzt), und zwar aufgrund übermäßiger Belastung aufgrund der Reaktionskraft des Abtriebswellen-Zahnrades oder aufgrund einer Steifigkeitsabnahme des Gehäuses, kann Kantenbelastung am Ende der Laufbahnoberfläche oder am Ende der Rollen auftreten, um die Lebensdauer des Lagers zu verkürzen.
Zur Vermeidung dieser Art von Problemen wurden die Betriebsbedingungen des Lagers verbessert, anstatt das Rollenlager zu verbessern. Beispielsweise wurde der zulässige Neigungswinkel des Kegelrollenlagers zu 0,0009 rad (3 Minuten) gemacht und so die Einbautoleranz reguliert, so daß keine übermäßige Belastung auftrat. Alternativ wurden ein Hochpräzisionsgehäuse und/oder eine Hochpräzisionswelle eingesetzt.
Ferner wurden Verfahren zum Behandeln des Kegelrollenlagers selbst, wie der Einsatz eines Kegelrollenlagers mit einem Krönungsverfahren, wie einer Vollkrönung oder einer teilweisen Krönung an jeder Laufbahnoberfläche oder jeder Rollenkontaktfläche der Rollen oder beides in Betracht gezogen. In diesem Fall stellt ein Krönungsverfahren ein Verfahren zum Anformen einer sehr kleinen Anfasung Abrundung an der Erzeugenden der Laufbahnfläche oder der Rollenkontaktfläche dar.
Im Falle eines Kegelrollenlagers mit Krönung ist jedoch erforderlich, den Krümmungsradius der Krönung klein zu halten, damit keine Kantenbelastung zwischen der Laufbahnoberfläche und der Rollenkontaktfläche auftritt, wenn der Verlagerungswinkel zwischen den Achsen groß ist. Hierbei entstand jedoch dann, wenn der Verlagerungswinkel zwischen den Achsen klein oder überhaupt nicht vorhanden ist, das Problem, daß der Oberflächendruck in der Mitte der Kontaktfläche zwischen den beiden Laufbahnen und den Rollen im Vergleich dazu groß wird, daß keine Krönung vorgenommen wird oder daß der Krümmungsradius der Krönung groß ist.
Die japanische Offenlegungsschrift No. Toku Kai 2000-74075 offenbart ein Kegelrollenlager, das den Oberflächendruck zwischen den Laufbahnen und den Rollenkontaktflächen dann vermindern kann, wenn der Verlagerungswinkel zwischen den Achsen des Außenringes und des Innenringes klein ist, und einer Kantenbelastung nicht nur in diesem Fall sondern auch dann vorbeugt, wenn der Verlagerungswinkel zwischen den Achsen des Außenringes und des Innenringes groß ist. Dieses Kegelrollenlager wird durch eine Erzeugende mit einem Krümmungsradius definiert, der derart beschaffen ist, daß eines der entgegengesetzten Enden der Laufbahnoberflächen des Innenringes und des Außenringes sowie der entgegengesetzten Enden der Rollenkontaktflächen der Rollen sich voneinander entfernen.
Jedoch ergab sich im Falle dieses Lagers die Besorgnis, daß der Oberflächendruck in der Mitte der Kontaktfläche zwischen den beiden Laufbahnoberflächen und den Rollenkontaktflächen der Rollen ansteigen würde, wenn der Verlagerungswinkel zwischen den Achsen des Außenringes und des Innenringes groß würde.
Als Ergebnis intensiver Untersuchungen der Erfinder wurde gefunden, daß im Falle des Kegelrollenlagers nach der japanischen Patent-Offenlegungsschrift Nr. Toku Kai 2000-74075 es möglich war, sowohl die Kantenbelastung als auch ein Anwachsen des Oberflächendruckes in der Mitte der Kontaktfläche zwischen den Laufbahnflächen und den Rollenkontaktflächen aufgrund von Fehlausrichtung dadurch zu unterdrücken, daß eine optimale Krümmung für die Laufbahnoberflächen vorgegeben wurde.
Abriß der Erfindung
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Kegelrollenlager zu schaffen, das sowohl Kantenbelastung als auch ein Ansteigen des Oberflächendruckes in der Mitte der Kontaktfläche zwischen den Laufbahnoberflächen und den Rollenkontaktflächen der Rollen selbst dann unterdrückt, wenn der Verlagerungswinkel zwischen den Achsen des Außenringes und des Innenringes groß ist.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1 zeigt einen Teilquerschnitt einer ersten Ausführung der Erfindung, wobei ein Kegelrollenlager 10 dargestellt ist;
2 zeigt einen Teilquerschnitt einer zweiten Ausführung der Erfindung, in der ein Kegelrollenlager 30 dargestellt ist;
3 ist eine schematische Querschnittsansicht einer Lebensdauer-Testvorrichtung 50 für das Rollenlager.
Beschreibung bevorzugter Ausführungen
Um die genannte Aufgabe zu lösen, umfaßt ein Kegelrollenlager nach der Erfindung: einen Außenring mit einer inneren Umfangsfläche mit einer um diese herum angeformten, in Axialrichtung konkaven Laufbahn; einen Innenring mit einer äußeren Umfangsfläche mit einer um diese herum angeformten, in axialer Richtung konkaven Laufbahn und mehrere Rollen, die eine Rollenkontaktfläche aufweisen und zwischen den Laufbahnen so angeordnet sind, daß die Rollenkontaktfläche von dritten Erzeugenden mit gleichbleibendem Krümmungsradius R3 für eine in Axialrichtung konvexe Krümmung definiert ist; wobei der Mit telabschnitt der Laufbahnen durch erste Erzeugende mit gleichbleibendem Krümmungsradius R1 für eine in axialer Richtung konkave Krümmung definiert ist, wobei die axial entgegengesetzten Enden durch zweite Erzeugende mit gleichbleibendem Krümmungsradius R2 so definiert sind, daß die entgegengesetzten Enden sich von der Rollenkontaktfläche der Rolle entfernen; und wobei der Krümmungsradius R3 der Rollenkontaktfläche der Gleichung genügt: R3 = s × R1, worin 0,65 ≤ s ≤ 0,95. Gleichung[1]
Die besagten "Erzeugenden" sind Linien, die von den Laufbahnen und den Rollenkontaktflächen in einer Querschnittsansicht beschrieben werden, oder mit anderen Worten, die Konturlinien der Laufbahnoberflächen und der Rollenkontaktflächen.
Es ist bevorzugt, wenn die entgegengesetzten Enden auf den beiden Seiten des Mittelabschnitts der Laufbahnoberfläche durch die zweiten Erzeugenden in konvexe Gestalt mit gleichbleibendem Krümmungsradius R2 gebracht sind, so daß die entgegengesetzten Enden sich von den Rollenkontaktflächen der Rolle entfernen, oder es ist bevorzugt, daß die entgegengesetzten Enden benachbart des Mittelabschnitts der Laufbahnoberfläche durch die zweiten Erzeugenden in konkave Gestalt mit einem Krümmungsradius R2 gebracht sind, der größer ist als der gleichbleibende Krümmungsradius R1, so daß die entgegengesetzten Enden sich von den Rollenkontaktflächen der Rollenelemente entfernen.
Bei einem Kegelrollenlager, das wie oben beschrieben konstruiert ist, kommt kein Ende der Rollen in starken lokalen Kontakt mit der Laufbahnoberfläche des Innenringes oder Außenringes, und zwar selbst dann nicht, wenn eine große Last auf das Lager einwirkt, welche eine Verlagerung der Achsen des Innenringes oder des Außenringes relativ zueinander erzeugt, so daß es erschwert ist, Kantenbelastung hervorzurufen. Mit anderen Worten ist es möglich, eine relative Neigung zwischen Innenring und Außenring zuzulassen. Abweichend von einem sich selbst ausrichtenden Rollenlager ist der Krümmungsradius R1 der ersten Erzeugenden der Außenringlaufbahn weiter von der Mittelachse des Lagers entfernt. Dies ist extrem wirksam im Hinblick auf Entlastung von Kantenbelastung. Selbst wenn die relative Neigung zwischen Außenring und Innenring klein oder nicht-existent ist, wird der Kontakt zwischen Laufbahnoberfläche und der Rollenkontaktoberfläche zum Kontakt zwischen den konkaven Erzeugenden und den entsprechenden konvexen Erzeugenden, und der Krümmungsradius R3 der Rollenkontaktfläche und der Krümmungsradius R1 der ersten Erzeugenden werden durch die spezielle Beziehung gemäß Gleichung [1] reguliert, so daß es möglich ist, ein Anwachsen des Oberflächendruckes zwischen der Laufbahnfläche und der Rollenkontaktfläche zu unterdrücken.
Der Wert ‚s', welcher den Krümmungsradius R3 der Rollenkontaktfläche reguliert, ist größer als 0,65, so daß es möglich ist, ein Anwachsen des Kontaktflächendruckes im Mittelabschnitt der Laufbahnoberfläche und der Rollenkontaktfläche zu unterdrücken. Ferner ist der Wert ‚s', welcher den Krümmungsradius R3 der Rollenkontaktfläche reguliert, kleiner als 0,95, so daß es möglich ist, den Kontaktflächendruck zwischen dem Endabschnitt der Rolle und der Laufbahnoberfläche bis auf 4 GPa zu halten und so zu ermöglichen, daß ein frühes Abschuppen der Laufbahnoberfläche aufgrund von Kantenbelastung vermieden wird.
Wenn ferner die Länge des Mittelabschnitts in axialer Richtung der Laufbahnen zu L1 und die Länge der Rollen in axialer Richtung zu L2 gesetzt werden, dann ist es bevorzugt, die Länge L1 in axialer Richtung des Mittelabschnittes entsprechend Gleichung [2] wie unten angegeben zu setzen: L1 = t × L2, worin 0,4 ≤ t ≤ 0,8 Gleichung[2]
Dadurch ist es möglich, den Verbindungsabschnitt, über welchen der Mittelabschnitt der Laufbahn zu den entgegengesetzten Enden der Laufbahn übergeht, oder in anderen Worten, über den die ersten und zweiten erzeugenden Krümmungsradien R1, R2 miteinander verbunden sind, so zu gestalten, daß eine gute Laufbahnoberfläche durch die Bogenkrümmungsgestaltung erzielt wird.
Dieser Verbindungsabschnitt kann auch durch sanftes Verbinden der ersten Erzeugenden und der zweiten Erzeugenden miteinander an ihrem Treffort oder durch Erzeugen von Fasen oder Auskehlungen längs dem Treffort der ersten Erzeugenden und der zweiten Erzeugenden an ihren Enden oder durch Erzeugen einer Fase oder Auskehlung längs des Trefforts zwischen den ersten und den zweiten Erzeugenden geformt werden. Um einen Anstieg des Oberflächendruckes an dem Treffort zwischen den ersten und zweiten Erzeugenden mit unterschiedlichen Krümmungsradien R1, R2 zu unterdrücken, ist es möglich, eine Form zu realisieren, bei der beispielsweise die ersten und zweiten Erzeugenden die gleiche Tangente haben.
Bevorzugte Ausführungen der Erfindung sind im folgenden anhand der beigefügten Zeichnungen beschrieben. 1 zeigt einen Teilschnitt eines einreihigen Kegelrollenlagers 10 einer ersten Ausführung der Erfindung. Dieses Kegelrollenlager 10 umfaßt einen Innenring 11 und einen Außenring 12, wobei die Laufbahn 20 des Innenringes 11 durch erste Erzeugende 20a und zweite Erzeugende 20b in eine konvex-konkave Form gebracht ist, während die Laufbahn 21 des Außenringes 12 durch erste Erzeugende 21a und zweite Erzeugende 21b in eine konvex-konkave Gestalt gebracht ist. Mehrere im wesentlichen kegelig gestaltete Rollen 15 sind zwischen der konvex-konkav gestalteten Laufbahn 21 des Außenringes 12 und der konvex-konkav gestalteten Laufbahn 20 des Innenringes 11 aufgenommen.
Die Rollen 15 haben eine Länge L2 in axialer Richtung, und die Rollenkontaktfläche ist durch Erzeugende mit einem festen oder gleichbleibenden Krümmungsradius R3 geformt. Die Länge L2 in axialer Richtung der Rollen 15 beträgt hier 16 mm und der Krümmungsradius R3 der Rollenkontaktfläche 190 mm.
An dem Innenring 11 sind ein großer Kragen 13 und ein kleiner Kragen 14 angeformt, zwischen denen die Rollen 15 gehalten sind.
Bei den konvex-konkav gestalteten Laufbahnoberflächen 20, 21 des Innenringes 11 und des Außenringes 12 sind die Mittelabschnitte der Laufbahnoberflächen konkav mit einer Länge L1 in axialer Richtung durch die ersten Erzeugenden 20a und 21a mit einem Krümmungsradius R1 geformt, während die entgegengesetzten Enden der Laufbahnoberflächen, welche an die Mittelabschnitte anschließen, durch zweite Erzeugende 20b, 21b mit einem Krümmungsradius R2 konvex geformt sind. Bei diesen konvex-konkav gestalteten Laufbahnoberflächen 20, 21 ist der Krümmungsradius R1 der ersten Erzeugenden 20a, 21a geringfügig größer als der Krümmungsradius R3 der Rollenkontaktfläche der Rollen 15, und der Krümmungsradius R2 der zweiten Erzeugenden 20b, 21b ist etwas größer als der Krümmungsradius R1 der ersten Erzeugenden 20a, 21a gewählt. Die ersten Erzeugenden 20a, 21a haben eine gemeinsame Tangente mit den zweiten Erzeugenden 20b, 21b an dem Treffort zwischen diesen. Der Krümmungsradius R2 der zweiten Erzeugenden 20, 21b kann kleiner als derjenige der ersten Erzeugenden 20a, 21a sein.
Beispielsweise kann die Länge L1 in axialer Richtung des Mittelabschnittes der konvex-konkav gestalteten Laufbahnen 20, 21 des Innenringes 11 und des Außenringes 12 10 mm, der Krümmungsradius R1, welcher die ersten Erzeugenden 20a, 21a bildet, kann 200 mm und der Krümmungsradius R2, welcher die zweiten Erzeugenden 20b, 21b bildet, kann 150 mm betragen.
Bei dem oben beschriebenen Kegelrollenlager 10 genügt der Krümmungsradius R3 der Rollen der Gleichung [1] unten. Ferner genügt die Länge L1 der Mittelabschnitte der Laufbahnoberflächen der Gleichung [2] unten. R3 = 0,95 × R1 Gleichung[1] L1 = 0 0,60 × L2 Gleichung[2]
Im Falle des wie oben angegeben konstruierten Kegelrollenlagers 10 tritt selbst dann keine große lokale Kontaktkraft zwischen den entgegengesetzten Enden der Rollen 15 und der Laufbahnoberflächen 20, 21 des Innenringes 11 und des Außenringes 12 auf, wenn eine große Last auf das Lager einwirkt, welche die Achsen des Innenringes 11 und des Außenringes 12 verlagert, so daß kaum eine Kantenbelastung auftreten kann. Mit anderen Worten ist es möglich, eine relative Neigung zwischen Innenring und Außenring 11, 12 zuzulassen. Der Krümmungsradius R1 der ersten Erzeugenden 21a des Außenringes 12 ist von der Mittelachse des Lagers weiter entfernt als im Falle eines sich selbst ausrichtenden Rollenlagers. Dies beugt jedoch sehr effektiv einer Kantenbelastung vor. Ferner ist bei einer kleinen oder nicht existenten relativen Neigung zwischen Innenring und Außenring 11, 12 dafür gesorgt, daß der Kontakt zwischen den Laufbahnoberflächen 20, 21 und den Rollenkontaktflächen der Rollen 15 zu dem Kontakt zwischen den konkaven Erzeugenden und den entsprechenden konvexen Erzeugenden wird, so daß es möglich ist, ein Ansteigen des Oberflächendruckes zwischen den Laufbahnoberflächen und den Rollenkontaktflächen zu unterdrücken.
2 stellt einen Teilquerschnitt eines einreihigen Kegelrollenlagers 30 gemäß einer zweiten Ausführung der Erfindung dar. Bei diesem Rollenlager 30 ist die Laufbahn 40 des Innenringes 31 durch erste Erzeugende 40a und zweite Erzeugende 40b konkav gestaltet, und die Laufbahn 41 des Außenringes 32 ist durch erste Erzeugende 41a und zweite Erzeugende 41b konkav gestaltet. Mehrere im wesentlichen kegelige Rollen 35 sind zwischen den konkaven Laufbahnen 41 des Außenringes 32 und 40 des Innenringes 31 aufgenommen. Die Rollen 35 haben in axialer Richtung eine Länge L2, und die Rollenkontaktflächen sind durch die Erzeugenden mit festem oder gleichbleibendem Krümmungsradius R3 geformt. An dem Innenring 31 sind ein großer Kragen 33 und eine kleiner Kragen 34 angeformt, zwischen denen die Rollen 35 gehalten sind.
Bei den konkaven Laufbahnflächen 40, 41 des Innenringes 31 und des Außenringes 32 sind die Krümmungsradien R1 der ersten Erzeugenden 40a, 41a ganz geringfügig kleiner als der Krümmungsradius R3 der Rollenkontaktflächen der Rollen 35 gehalten, und der Krümmungsradius R2 der zweiten Erzeugenden 40b, 41b ist ein wenig größer als der Krümmungsradius R1 der ersten Erzeugenden 40a, 41a gewählt. Die ersten Erzeugenden 40a und 41a und die zweiten Erzeugenden 40b, 41b sind so gestaltet, daß sie an einem Treffort zwischen ihnen eine gemeinsame Tangente haben.
Auch mit dem Kegelrollenlager 30 werden die gewünschten Effekte erzielt. Selbst, wenn mit anderen Worten die entgegengesetzten Ende der Laufbahnoberflächen durch die zweiten Erzeugenden mit einem Krümmungsradius R2, der größer als der Krümmungsradius R1 ist, in konvexe Gestalt gebracht werden, werden gleiche Funktion und Wirkung wie mit der oben beschriebenen ersten Ausführung erzielt. Auch die Laufbahnoberfläche des Innenringes 31 kann in eine konvex-konkave Gestalt wird die Laufbahnoberfläche des Außenringes der ersten Ausführung gebracht werden. Die übrigen Ausgestaltungen und Funktionen des Lagers, die hier nicht erläutert sind, sind im wesentlichen gleich wie bei der oben beschriebenen ersten Ausführung.
Beispiel
Bei einem Kegelrollenlager gemäß der Erfindung wie oben beschrieben wurden zum Bestätigen der dann erhaltenen Effekte, wenn der Krümmungsradius R3 der Rollen die Gleichung [1] unten erfüllte und die Länge L1 des Mittelabschnittes der Laufbahnoberfläche die Gleichung [2] unten erfüllte, ein Dauerhaltbarkeits-Prüfstand 50 für Rollenlager gemäß 3 eingesetzt, um den folgenden Versuch durchzuführen: R3 = s × R1, worin 0,65 ≤ s ≤ 0,95 Gleichung[1] L1 = t × L2, worin 0,4 ≤ t ≤ 0,8 Gleichung[2]
Bei diesem Dauerhaltbarkeits-Prüfstand 50 für Rollenlager ist ein Stützlager auf der Welle 51 montiert, und zwei Versuchslager 52 sind jeweils auf entgegengesetzten Seiten des Stützlagers 53 auf der Welle montiert, um beide Lager gleichzeitig zu testen.
Das hier eingesetzte Rollenlager 10 gemäß der ersten Ausführung nach 1 entsprach dem NSK-Lager Nr. 32208J (80 mm Außendurchmesser × 40 mm Innendurchmesser, Rollenlänge L2 = 16 mm, dynamische Grundlast C = 77000 N, grundlegende statische Belastung CO = 90500 N).
Als Test-Verfahren wurde ein Dauerhaltbarkeitsversuch unter Aufbringen einer Radiallast Fr von 20000 N für das Stützlager 53 des Dauerhaltbarkeits-Prüfstandes 50 für das Kegelrollenlager und eine Axiallast von Fa 15000 N auf die Welle 51 aufgebracht, worauf eine äquivalente dynamische Last von P = 32000 N (P/C = 0,42) bei einer um einen Winkel θ von 0,003 (10 Minuten) geneigten Welle 51 und bei Drehung der Welle in Richtung X gemäß der Figur bei 3000 U/min aufgebracht.
Es wurden jeweils N = 10 Versuche für jeden Betriebszustand durchgeführt, und der Versuch wurde abgebrochen, sobald eine Schwingung erreicht wurde, die fünf Mal so groß wie die Anfangsschwingung war, worauf die Laufbahnoberflächen auf ein Abschuppen oder Abblättern untersucht wurden. Die in einer Rechnung vorbestimmte Gesamtlebensdauer betrug Lcal = 100 Stunden, so daß die Endzeit auf 200 Stunden gesetzt wurde.
Als Schmieröl wurde ein Getriebeöl 75S90 (SAE-Viskosität: SAE J306) eingesetzt, und ein hochkohliger Chrom-Lagerstahl (SUJ2) wurde als Lagermaterial verwendet, wobei das Lager einer normalen Wärmebehandlung unterzogen wurde.
Tabelle 1 gibt einen Überblick über die Parameter des Kegelrollenlagers nach der Erfindung im Vergleich zu einem konventionellen Lager, das als Vergleichslager eingesetzt wurde.
Bezüglich der in Tabelle 1 aufgelisteten Werte entspricht R1 (mm) dem Krümmungsradius, der die ersten Erzeugenden des Mittelabschnittes der Laufbahnoberflächen bildet; R2 (mm) entspricht dem Krümmungsradius, welcher die zweiten Erzeugenden an den entgegengesetzten Enden der Laufbahnoberflächen benachbart dem Mittelabschnitt bildet; und R3 (mm) entspricht dem Krümmungsradius der Rollenkontaktflächen der Rollen. Ferner ist L1 (mm) die Länge in Axialrichtung des Mittelabschnitts der Laufbahnoberfläche. Der in Gleichung [1] oben angegebene Wert ‚s' ist das Verhältnis R3/R1, und der Wert ‚t' in Gleichung [2] ist das Verhältnis L1/L2. Ferner wurden die Auswertungszeit und die Tatsache überprüft, ob oder ob nicht ein Abschuppen oder Abblättern der Laufbahnoberflächen auftrat.
Ein normales Lager (mit lediglich normaler Krönung) wurde zum Vergleich mit Beispiel 1 herangezogen. Bezüglich der Abschnitte, in denen während des Versuchs Abschuppen oder Abblättern auftrat, zeigte sich dies mit nahezu gleicher Häufigkeit bei Innenring, Außenring und Rollen.
Tabelle 1
Wie in Tabelle 1;
In Beispiel 1, s = 0,95 und t = 0,6 (L1 = 10 mm), wobei R1 = 200 mm, R2 = 150 mm und R3 = 190 mm.
In Beispiel 2, s = 0,80 und t = 0,6 (L1 = 10 mm), wobei R1 = 200 mm, R2 = 150 mm und R3 = 160 mm.
In Beispiel 3, s = 0,65 und t = 0,6 (L1 = 10 mm), wobei R1 = 200 mm, R2 = 150 mm und R3 = 130 mm.
In Beispiel 4, s = 0,93 und t = 0,5 (L1 = 8 mm), wobei R1 = 150 mm, R2 = 200 mm und R3 = 140 mm.
In Beispiel 5, s = 0,80 und t = 0,5 (L1 = 8 mm), wobei R1 = 150 mm, R2 = 200 mm und R3 = 120 mm.
In Beispiel 6, s = 0,67 und t = 0,5 (L1 = 8 mm), wobei R1 = 150 mm, R2 = 200 mm und R3 = 120 mm.
In Beispiel 7, s = 0,9 und t = 0,8 (L1 = 13 mm), wobei R1 = 200 mm, R2 = 150 mm und R3 = 180 mm.
In Beispiel 8, s = 0,9 und t = 0,6 (L1 = 9,5 mm), wobei R1 = 200 mm, R2 = 150 mm und R3 = 180 mm.
In Beispiel 9, s = 0,9 und t = 0,4 (L1 = 6 mm), wobei R1 = 200 mm, R2 = 150 mm und R3 = 180 mm.
In Vergleichsbeispiel 1, s = 1 und t = 1 (L1 = 16 mm), wobei R1 = ∞, R2 = ∞ und R3 = ∞.
In Vergleichsbeispiel 2, s = 0,85 und t = 0,6 (L1 = 10 mm), wobei R1 = 200 mm, R2 = 150 mm und R3 = 195 mm.
In Vergleichsbeispiel 3, s = 0,50 und t = 0,6 (L1 = 10 mm), wobei R1 = 200 mm, R2 = 150 mm und R3 = 100 mm.
In Vergleichsbeispiel 4, s = 0,80 und t = 0,9 (L1 = 15 mm), wobei R1 = 200 mm, R2 = 150 mm und R3 = 160 mm.
In Vergleichsbeispiel 5, s = 0,80 und t = 0,3 (L1 = 5 mm), wobei R1 = 200 mm, R2 = 150 mm und R3 = 160 mm.
Wie aus den Beispielen 2, 5 und 8 ersichtlich, entstand selbst nach 200 Stunden kein Abschuppen oder Abblättern an irgendeiner Laufbahnoberfläche. Dies war deshalb so, weil die Krümmungsbeziehung zwischen Rollen und Laufbahnen bei einem optimalen Wert (R3/R1 = 0,8 bis 0,9) selbst bei einem Versuch lag, bei dem eine Neigung hinzugefügt wurde, und weil die Rollen-Kontaktflächen aufgrund der Beziehung L1/L2 = 0,5 bis 0,6 an den Verbindungsbereichen oder Trefforten zwischen den zusammengesetzten Krümmungsbögen geglättet waren.
In den Beispielen 1 und 4 betrug die Auswertungszeit (L10-Lebensdauer) 115 bzw. 123 Stunden, d.h. eine längere Lebensdauer als die berechnete Lebensdauer. Dies ergab sich daraus, daß die Krümmungsbeziehung zwischen den Rollen und Laufbahnen R3/R1 = 0,95 bzw. 0,93 betrug und groß war. In diesem Versuch entstand bei einem vorgegebenen Neigungswinkel θ von 10 Minuten eine Kantenlast bei 5 von insgesamt 10 Lagern.
In den Beispielen 3 und 6 betrug die L10-Lebensdauer 148 bzw. 154 Stunden. Sie war damit länger als die berechnete Lebensdauer. Dies ergab sich daraus, daß die Krümmungsbeziehung zwischen Rollen und Laufbahnen R3/R1 = 0,65 bzw. 0,67 war; bei diesem Test, bei welchem eine Art Punktberührung auftrat und der Neigungswinkel θ 10 Minuten betrug, entstand keine Kantenbelastung. Jedoch erhöhte sich der Kontaktdruck im Mittelabschnitt, so daß intern ein Abschuppen oder Abblättern bei 3 von 10 Lagern auftrat.
Bei den Beispielen 7 und 9 betrug die L10-Lebensdauer 186 bzw. 192 Stunden und war länger als die berechnete Lebensdauer. Da die Krümmungsbeziehung R3/R1 = 0,9 war, wurde kein Auftreten von Kantenbelastung speziell bemerkt. Im Verbindungsbereich zwischen den zusammengesetzten Krümmungsbögen war L1/L2 = 0,8 bzw. 0,4, so daß unglatte Rollen-Kontaktflächen im Mittelabschnitt der Laufbahnoberflächen bei 2 von 10 Lagern auftraten und ein Abschuppen im Oberflächenbereich auftrat.
Andererseits wurde beim Vergleichsbeispiel 1 eine Auswertung an einem normalen Lager vorgenommen, so daß bei diesem Test mit einem Neigungswinkel von 10 Minuten die L10-Lebensdauer aller Lager 14 Stunden betrug, also etwa 1/7 der berechneten Lebensdauer, und ein Abschuppen aufgrund von Kantenbelastung bei allen Lagern festgestellt wurde.
In den Vergleichsbeispielen 2 und 3 betrug die L10-Lebensdauer 58 bzw. 59 Stunden oder etwa die Hälfte der berechneten Lebensdauer. Im Vergleichsbeispiel 2 betrug die Krümmungsbeziehung zwischen den Rollen und den Laufbahnen R3/R1 = 0,98, d.h. hatte den Maximalwert, und ein Abschuppen aufgrund von Kantenbelastung trat bei allen Lagern auf. Im Vergleichsbeispiel 3 betrug die Krümmungsbeziehung zwischen den Rollen und den Laufbahnen R3/R1 = 0,5, d.h. hatte den minimalen Wert, und die Kontaktoberflächenpressung im Mittelabschnitt wurde extrem hoch, so daß intern ein Abschuppen in allen Lagern auftrat.
Bei den Vergleichsbeispielen 4 und 5 betrug die L10-Lebensdauer 25 bzw. 23 Stunden oder etwa ¼ der berechneten Lebensdauer. Die Krümmungsbeziehung R3/R1 = 0,8 war ausreichend, so daß keine Kantenbelastung an den getesteten Bauteilen festzustellen war. Jedoch war im Verbindungsbereich zwischen den zusammengesetzten Krümmungsbögen L1/L2 = 0,9 bzw. 0,3, so daß unglatte Rollenkontaktflächen in den Mittelabschnitten der Laufbahnen aller Ringe auftraten und sich ein Abschuppen nach kurzer Zeitdauer zeigte.
Aus den Versuchsergebnissen wurde ermittelt, daß durch Setzen des Wertes ‚s' auf 0,65 bis 0,95 und vorzugsweise auf 0,8 bis 0,9 und Setzen des Wertes ‚t' auf 0,4 bis 0,8 und vorzugs weise auf 0,5 bis 0,6 es möglich war, ein Abschuppen aufgrund von Kantenbelastung ebenso zu unterdrücken wie ein Abschuppen im Mittelabschnitt der Laufbahnoberflächen aufgrund übermäßiger Kontaktoberflächenpressung und ein Oberflächenabschuppen aufgrund Oberflächenbehandlungsfehlern.
Bei diesem Versuch lag die Oberflächenrauhigkeit von Oberflächen der Lagerringe und der Rollenkontaktoberfläche der Rollen in dem Lager zwischen 0,1 und 0,3 μmRa. Durch Bringen der Oberflächenrauhigkeit der Laufbahnen auf 0,05 μmRa war es möglich, den Verbindungsbereich zwischen den ersten und zweiten Erzeugenden mit den Krümmungsradien R1 und R2 zusammengesetzter Laufbahnoberflächen an den Trefforten zu glätten, so daß aufgrund der Krümmungsbogenbehandlung möglich war, eine gute Laufbahnoberfläche zu erzielen. Bei großen Lagern kann die Oberflächenrauhigkeit der Laufbahnen etwa 0,5 μmRa betragen. In diesem Fall ist bevorzugt, wenn die Lager unter Betriebsbedingungen genutzt werden, in denen der Ölfilm-Parameter Δ, das ist die Beurteilungs-Referenz des Schmierfilmes, größer als 1 ist.
Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungen beschränkt und kann entsprechend geändert oder verbessert sein.
Bei den oben beschriebenen Ausführungen der Erfindung wurde hochkohliger Chrom-Lagerstahl (SAE52100) als Lagermaterial für die Lebensdauerversuche verwendet, wenngleich die Erfindung darauf nicht beschränkt ist, weil ähnliche Resultate unter Verwendung eines einsatzgehärteten Stahles erzielt werden können, der lange Lebensdauer in einer Umgebung von Fremdkörpern hat.
Mit dem Kegelrollenlager gemäß der Erfindung wie oben beschrieben ist es möglich, Kantenlast selbst dann zu unterdrücken, wenn der Verlagerungswinkel der Achsen des Außenringes und des Innenringes klein ist. Ebenso kann ein Anwachsen des Oberflächendrucks im Mittelabschnitt des Kontaktbereiches zwischen den Laufbahnoberflächen und den Rollenkontaktflächen der Rollen unterdrückt werden.
In dieser Beschreibung ist mit „umfaßt" gemeint: „schließt ein oder besteht aus" und mit „umfassend" „einschließend oder bestehend aus".

Claims

Kegelrollenlager umfassend: einen Außenring (12) mit einer inneren Umfangsfläche mit einer um diese herum angeformten, in Axialrichtung konkaven Laufbahn (21); einen Innenring (11) mit einer äußeren Umfangsfläche mit einer um diese herum angeformten, in axialer Richtung konkaven Laufbahn (20) und mehreren Rollen (15), die eine Rollenkontaktfläche aufweisen und zwischen den Laufbahnen (20, 21) so angeordnet sind, daß die Rollenkontaktfläche von dritten Erzeugenden mit gleichbleibendem Krümmungsradius R3 für eine in Axialrichtung konvexe Krümmung definiert ist; wobei die Laufbahnen (20, 21) einen Mittelabschnitt (20a, 21a) und entgegengesetzte Enden (20b, 221b) in axialer Richtung benachbart dem Mittelabschnitt (20a, 21a) haben, wobei der Mittelabschnitt (20a, 21a) durch erste Erzeugende mit gleichbleibendem Krümmungsradius R1 für eine in axialer Richtung konkave Krümmung definiert ist, wobei die axial entgegengesetzten Enden (20b, 21b) durch zweite Erzeugende mit gleichbleibendem Krümmungsradius R2 so definiert sind, daß die entgegengesetzten Enden (20b, 21b) sich von der Rollenkontaktfläche der Rolle (15) entfernen; und wobei der Krümmungsradius R3 der Rollenkontaktfläche der Gleichung genügt: R3 = s × R1, worin 0,65 ≤ s ≤ 0,95.
Kegelrollenlager nach Anspruch 1, bei dem unter der Annahme, daß die Länge des Mittelabschnitts (20a, 21a) in axialer Richtung der Laufbahnen (20, 21) zu L1 und die Länge der Rollen in axialer Richtung zu L2 gesetzt sind, die Länge L1 des Mittelabschnitts in axialer Richtung der Gleichung genügt: L1 = t × L2, worin 0,4 ≤ t ≤ 0,8.