DE60320345T2

DE60320345T2 - Kegelrollenlager

Info

Publication number: DE60320345T2
Application number: DE60320345T
Authority: DE
Inventors: Hiroki Matsuyama; Kanichi Kouda
Original assignee: JTEKT Corp
Current assignee: JTEKT Corp
Priority date: 2002-05-27
Filing date: 2003-05-26
Publication date: 2009-05-07
Anticipated expiration: 2023-05-27
Also published as: EP1367275A1; DE60320345D1; EP1367275B1; US6860640B2; JP2003343552A; US20040017957A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Kegelrollenlager.
EP 0 756 095 offenbart ein Kegelrollenlager zum Lagern einer Ritzelwelle eines Differenzialgetriebes. Das Rollenlager umfasst einen äußeren Ring, einen inneren Ring und eine Vielzahl von Kegelrollen, die zwischen den äußeren Ring und den inneren Ring eingefügt sind. In der Tabelle 2A dieses Dokuments ist eine Spezifikation von sechs Beispielen des Kegelrollenlagers angegeben. Die Spezifikation enthält diskrete Werte für den Innendurchmesser, den Außendurchmesser und den Rollen-Teilkreisdurchmesser an dem Großdurchmesserende der Rollen.
Weiterhin offenbart das Dokument EP 1 158 192 A Kegelrollenlager, wobei in einem Beispiel der Innendurchmesser 70 mm ist, der Außendurchmesser 150 mm ist und der Teilkreisdurchmesser 99 mm ist. In einem weiteren Beispiel sind der Innendurchmesser 70 mm, der Außendurchmesser 280 mm und der Teilkreisdurchmesser 240 mm.
Ein Kegelrollenlager, das zum Lagern einer Ritzelwelle in einem Differenzialgetriebe eines Kraftfahrzeugs genutzt wird, wird durch eine große Menge hochviskosen Getriebeöls geschmiert. Daher sind das Reibungsmoment (dynamische Reibung), das auf den viskosen Rollwiderstand zurückzuführen ist, und der Bewegungswiderstand des Öls groß, woraus sich Faktoren ableiten, die den Kraftstoffverbrauch des Kraftfahrzeugs verschlechtern. Infolgedessen ist es erwünscht, das Reibungsmoment so sehr zu verringern, wie in der Praxis möglich, um einen geringeren Kraftstoffverbrauch zu fördern. Wie bekannt, ist es zur Verringerung des Reibungsmoments ausreichend, beispielsweise die Anzahl der Kegelrollen zu verringern, ihre Länge zu kürzen oder ihren Durchmesser zu verringern. Die Verringerung des Reibungsmoments auf eine solche Weise führt jedoch zu einer wesentlichen Abnahme der Tragfähigkeit des Lagers, so dass ein solches Vorgehen nicht vorteilhaft ist.
In Anbetracht der oben beschriebenen herkömmlichen Probleme ist es die Aufgabe der Erfindung, das Reibungsmoment zu verringern und dabei eine Abnahme der Tragfähigkeit des Kegelrollenlagers zu vermeiden.
Das erfindungsgemäße Kegelrollenlager umfasst einen äußeren Ring, dessen Außendurchmesser D ist, einen inneren Ring, dessen Innendurchmesser d ist, und eine Vielzahl von Kegelrollen, die zwischen den äußeren Ring und den inneren Ring eingefügt sind und deren Teilkreisdurchmesser (PCD) dm ist, wobei ein PCD-Parameter ε, ausgedrückt durch ε = 2 dm/(D + D), ein Wert ist, der in einem Bereich von 0,96 bis 0,985 liegt.
Das Reibungsmoment des oben beschriebenen Kegelrollenlagers ändert sich in einer Korrelation mit dem PCD-Parameter und durch Einstellen des PCD-Parameters in dem genannten Bereich ist es möglich, das Reibungsmoment zu verringern und dabei eine Abnahme der Tragfähigkeit des Kegelrollenlagers zu vermeiden.
Zusätzlich ist bei dem oben beschriebenen Kegelrollenlager ein Kontaktwinkel des äußeren Rings bevorzugt so eingerichtet, dass 22° ≤ α ≤ 26°.
In diesem Fall ist es möglich, das Reibungsmoment zu verringern, ohne Steifigkeit und die Verringerung der Tragfähigkeit herbeizuführen.
In einer anderen bevorzugten Ausführung ist der PCD-Parameter ε ein Wert, der in einem Bereich von 0,97 bis 0,98 liegt.
1 ist eine Querschnittsansicht eines Kegelrollenlagers gemäß einer Ausführung der Erfindung.
2A ist ein Diagramm, das einen schematischen Aufbau einer Vorrichtung zum Messen des Reibungsmoments des Kegelrollenlagers darstellt.
2B ist eine Draufsicht einer Belastungsplatte der Vorrichtung.
3 ist eine Grafik, die das Verhältnis zwischen einem PCD-Parameter ε und einem Reibungsmoment auf Basis der Tabelle 1 darstellt.
4 ist eine Grafik, die die Änderung des Reibungsmoments in Bezug auf die Drehgeschwindigkeit in Hinsicht auf das Vergleichsbeispiel 1 und Beispiel 1 der Erfindung darstellt.
5 ist eine Grafik, die die Änderung des Reibungsmoments in Bezug auf die Drehgeschwindigkeit in Hinsicht auf das Vergleichsbeispiel 2 und Beispiel 2 der Erfindung darstellt.
6 ist eine Grafik, die das Gesamtverdrängungsverhältnis in Hinsicht auf das Vergleichsbeispiel 1 und Beispiel 1 der Erfindung darstellt.
7 ist eine Grafik, die das Gesamtverdrängungsverhältnis in Hinsicht auf das Vergleichsbeispiel 2 und Beispiel 2 der Erfindung darstellt.
8 ist eine Grafik, die das Lebensdauerverhältnis in Hinsicht auf das Vergleichsbeispiel 1 und Beispiel 1 der Erfindung darstellt.
9 ist eine Grafik, die das Lebensdauerverhältnis in Hinsicht auf das Vergleichsbeispiel 2 und Beispiel 2 der Erfindung darstellt.
1 ist eine Querschnittsansicht des Kegelrollenlagers gemäß einer Ausführung der Erfindung. Dieses Kegelrollenlager wird zum Lagern beispielsweise einer Ritzelwelle in einem Differenzialgetriebe verwendet. In der Zeichnung ist das Kegelrollenlager 10 so aufgebaut, dass eine Vielzahl von Kegelrollen 3 zwischen einen äußeren Ring 1 und einen inneren Ring 2 eingefügt ist. Die Kegelrollen 3 werden durch eine Halterung 4 gehalten. Hierbei wird vorausgesetzt, dass ein Außendurchmesser des äußeren Rings D ist, dass ein Innendurchmesser des inneren Rings d ist und dass ein Teilkreisdurchmesser der Kegelrolle 3 dm ist. Des Weiteren wird vorausgesetzt das der Kontaktwinkel des äußeren Rings 1, d. h. ein durch eine innere Umfangsfläche 1a in Bezug auf eine Achse A gebildeter Winkel, α ist.
2A ist eine Querschnittsansicht, die einen schematischen Aufbau einer Vorrichtung zum Messen des Reibungsmoments des Kegelrollenlagers 10 darstellt. Wie in der 2A gezeigt, sind auf der äußeren Ringseite 1 des Kegelrollenlagers 10 ein hohles zylindrisches Gehäuse 51 und eine scheibenförmige Belastungsplatte 52 angebracht, wobei die Belastungsplatte 52 durch ein Luftlager (nicht abgebildet) getragen wird, und ein Antriebswellenteil 53, der in den inneren Ring 2 eingesetzt ist, wird in diesem Zustand durch einen Motor M gedreht. 2B ist eine Draufsicht der Belastungsplatte 52. Während sich der innere Ring 2 dreht, dreht sich der äußere Ring 1 dadurch in einer begleitenden Weise und ein Eingreifteil 54, der auf dem Außenumfang der Belastungsplatte 52 bereitgestellt ist, schlägt an einen Druckanschlag 55 auf einer ortsfesten Seite an. Zu diesem Zeitpunkt ist es möglich, das Reibungsmoment auf Basis des Produkts aus der durch den Druckanschlag 55 erfassten Kraft und dem Radius von dem Mittelpunkt der Belastungsplatte 52 zu dem Eingreifteil zu messen. Es sollte beachtet werden, dass Schmieröl L unter den in dem Differenzialgetriebe vorausgesetzten Betriebs bedingungen durch eine Öl-Öffnung 51a des Gehäuses 51 zugeführt wurde und das Moment in einem Zustand gemessen wurde, in dem das Schmieröl L vollständig auf die Rückseitenfläche des Lagers aufgefüllt war. Außerdem wurde die Axiallast, basierend auf der Belastungsplatte 52 und dem Gehäuse 51, auf 6 kN eingestellt. Die Drehzahl des Motors konnte in dem Drehzahlbereich von 500 rpm bis 3000 rpm eingestellt werden und als das Schmieröl L wurde Getriebeöl mit einer Temperatur von 50°C genutzt.

Die in der Tabelle 1 unten gezeigten Ergebnisse wurden mittels Durchführung der folgenden Untersuchung erzielt: bei Verwendung eines numerischen Wertes als einen PCD-Parameter, ausgedrückt als ε = 2 dm/(D + d), in Bezug auf 13 Arten von Proben, deren PCD-Parameter ε und Kontaktwinkel α voneinander abwichen, wurde untersucht, welche Werte der Bemessungswert C und die Gesamtverdrängung und welchen Wert das Reibungsmoment T in einem Zustand, in dem der Motor mit einer vorgegebenen Geschwindigkeit gedreht wurde, annahmen. Tabelle 1

Probe Nr.	α -deg-	ε	C -kN-	δ -mm-	T -N·m-	Reibungsmoment
1		0.998	56.5	0.021	0.800	1.00
2	20	0.990	56.5	0.021	0.775	0.97
3	20	0.985	58.9	0.023	0.723	0.90
4	20	0.970	56.6	0.024	0.688	0.86
5	20	0.960	56.6	0.022	0.708	0.89
6	20	0.950	56.6	0.020	0.768	0.96
7	22	0.977	56.5	0.020	0.670	0.84
8	22	0.950	56.5	0.016	0.742	0.93
9	24	0.998	57.8	0.014	0.773	0.97
10	24	0.969	56.6	0.016	0.676	0.85
11	26	0.990	56.3	0.012	0.756	0.95
12	26	0.974	56.5	0.014	0.653	0.82
13	28	0.968	53.8	0.012	0.621	0.78

Es sollte beachtet werden, dass Probe 1 ein Kegelrollenlager herkömmlicher Konstruktion war und dass das Momentverhältnis unter Verwendung des Momentverhältnisses dieses Kegelrollenlagers als 1 seiend berechnet wurde.
3 ist eine Grafik, die das Verhältnis zwischen einem PCD-Parameter ε und einem Reibungsmoment T auf Basis der oben gezeigten Tabelle 1 darstellt. Die Symbole an den Messpunkten sind in Abhängigkeit von dem Kontaktwinkel α verschieden und werden in der Grafik gezeigt. Zusätzlich zeigen Ziffern in der Nähe der Messpunkte Probennummern. Wie aus dieser Grafik ersichtlich, ist eindeutig, dass zwischen dem PCD-Parameter ε und dem Reibungsmoment T eine im Wesentlichen V-förmige Korrelation besteht. Infolgedessen ist es möglich, den Bereich des PCD-Parameters ε einzugrenzen, um das Reibungsmoment T zu unterdrücken. Des Weiteren kann der PCD-Parameter ε in dem Bereich von 0,96 bis 0,985, der eine Verringerung des Moments um 10% oder mehr in Bezug auf die Probe 1 herbeiführt, als ein Optimalbereich zum Unterdrücken des Reibungsmoments T eingestellt werden. Stärker bevorzugt wird der PCD-Parameter ε in dem Bereich von 0,97 bis 0,98 eingestellt.
Es ist zu beachten, dass an den Messpunkten in dem Optimalbereich, wie für die Proben 3 bis 5, deren Kontaktwinkel 20° betrug, davon auszugehen ist, dass die Steifigkeit geringfügig abnimmt, da sich die Gesamtverdrängung δ (der quadratische Mittelwert der radialen Verdrängung und der axialen Verdrängung) starker erhöht als die des Beispiels 1, wie in Tabelle 1 gezeigt. Da jedoch die Nennlast C der des Beispiels 1 gleich war oder diesem gegenüber erhöht war, ist davon auszugehen, dass die Proben 3 bis 5 praktischer Verwendung standhalten. Weiterhin ist an den Messpunkten in dem Optimalbereich für Probe 13, deren Kontaktwinkel α 28° war, die Nennlast C, d. h. die Tragfähigkeit, geringer als die von Beispiel 1 war, während ihre Abnahmerate jedoch 5% darüber lag, so dass davon auszugehen ist, dass Probe 13 auf einer gerade noch zulässigen Ebene ist. Es ist jedoch zu beachten, dass es bevorzugt zu vermeiden ist, dass der Kontaktwinkel α auf 20° oder 28° eingestellt wird, stattdessen ist dieser so einzustellen, dass 22° ≤ α ≤ 26°.

Als Nächstes wurden in Bezug auf zwei Arten von Kegelrollenlagern mit verschiedenen Größen die Beispiele 1 und 2 der Erfindung, in denen der PCD-Parameter ε in dem Bereich von 0,96 bis 0,985 lag, mit Vergleichsbeispielen (herkömmlichen Beispielen) 1 und 2 verglichen, bei denen der PCD-Parameter ε nicht in diesem Bereich lag. Verglichen wurden die Änderung des Reibungsmoments in Bezug auf die Drehgeschwindigkeit, das Nennlastverhältnis, das Gesamtverdrängungsverhältnis und das berechnete Lebensdauerverhältnis. Die Vergleichsdaten werden in den Tabellen 2 und 3 unten gezeigt. Die Tabelle 2 zeigt die Vergleichsdaten in Bezug auf Kegelrollenlager mit d = 35 mm, D = 80 mm und Axialbreite = 32,75 mm. Die Tabelle 3 zeigt die Vergleichsdaten in Bezug auf Kegelrollenlager mit d = 40 mm, D = 85 mm und Axialbreite = 24,75 mm. Tabelle 2 D = 35 mm, D = 80 mm und Breite = 32,75 mm

	Vergleichsbeispiel 1	Beispiel 1
Kontaktwinkel α	20°	24°
PCD-Parameter ε	0,998	0,972
Nennlastverhältnis	1	1,00
Gesamtverdrängungsverhältnis	1,00	0,88
Lebensdauerverhältnis (berechnet)	1,00	1,60

Tabelle 3

	Vergleichsbeispiel 1	Beispiel 1
Kontaktwinkel α	22°30'	26°
PCD-Parameter ε	1,012	0,977
Nennlastverhältnis	1	1,00
Gesamtverdrängungsverhältnis	1,00	1,00
Lebensdauerverhältnis (berechnet)	1,00	1,41

Die 4 und 5 sind Grafiken, die darstellen, wie sich das Reibungsmoment in Bezug auf die Drehgeschwindigkeit in dem Fall des Vergleichsbeispiels 1 und des Beispiels 1 und in dem Fall des Vergleichsbeispiels 2 und des Beispiels 2 jeweils ändert.
Wie in der 4 gezeigt, zeigt das Kegelrollenlager in Beispiel 1 konstant geringeres Reibungsmoment als das Kegelrollenlager in Vergleichsbeispiel 1. Außerdem war die Zunahmerate für Beispiel 1 kleiner, obwohl sich das Reibungsmoment mit zunehmender Drehgeschwindigkeit verstärkt. Infolgedessen zeigt die Differenz zwischen den beiden Beispielen eine zunehmende Tendenz. Gleiches gilt für das Kegelrollenlager des Beispiels 2 und das Kegelrollenlager des Vergleichsbeispiels 2.
In den 6 und 7 sind die Gesamtverdrängungsverhältnisse in den Tabellen 2 und 3 jeweils in Grafiken aufgezeichnet. Wie in den Grafiken gezeigt, ist das Gesamtverdrängungsverhältnis in Beispiel 1 kleiner als das in Vergleichsbeispiel 1 und übersteigt bei der Steifigkeit das Vergleichsbeispiel 1. Das Gesamtverdrängungsverhältnis in Beispiel 2 ist gleich dem in Vergleichsbeispiel 2 und die Steifigkeit ist mindestens im herkömmlichen Grad sichergestellt.
In den 8 und 9 sind die Lebensdauern in Tabelle 2 und 3 jeweils grafisch dargestellt. Wie aus den Grafiken ersichtlich, ist anzuerkennen, dass die Lebensdauer beider Beispiele 1 und 2 verglichen mit den Vergleichsbeispielen 1 und 2 jeweils wesentlich verlängert ist. Gemäß dem Kegelrollenlager der vorliegenden Erfindung ändert sich das Reibungsmoment in Korrelation mit dem PCD-Parameter und durch Einstellen des PCD-Parameters in dem Bereich von 0,96 bis 0,985 ist es möglich, ein Kegelrollenlager bereitzustellen, dessen Reibungsmoment reduziert ist, während gleichzeitig eine Abnahme der Tragfähigkeit vermieden wird.
Des Weiteren ist es gemäß dem Kegelrollenlager der vorliegenden Erfindung möglich, das Reibungsmoment zu verringern, ohne Steifigkeit oder Abnahme der Tragfähigkeit zu verursachen.

Claims

Kegelrollenlager, das umfasst: einen äußeren Ring (1), der einen Außendurchmesser D hat, einen inneren Ring (2), der einen Innendurchmesser d hat; und eine Vielzahl von Kegelrollen (3), die zwischen dem äußeren Ring (1) und dem inneren Ring (2) angeordnet sind und die einen Teilkreis-Durchmesser dm haben wobei ein PCD-Parameter ε, der durch ε = 2dm/(D + d) ausgedrückt wird, ein Wert ist, der in einen Bereich von 0,96 bis 0,985 fällt.
Kegelrollenlager nach Anspruch 1, wobei ein Kontaktwinkel α des äußeren Rings (1) so eingestellt ist, dass 22° ≦ α ≦ 26°.
Kegelrollenlager nach Anspruch 1, wobei der PCD-Durchmesser ε ein Wert ist, der in einen Bereich von 0,97 bis 0,98 fällt.