WO2007065400A1 - Schrägrollenlager mit gekrümmten laufbahnen - Google Patents

Schrägrollenlager mit gekrümmten laufbahnen Download PDF

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WO2007065400A1
WO2007065400A1 PCT/DE2006/002110 DE2006002110W WO2007065400A1 WO 2007065400 A1 WO2007065400 A1 WO 2007065400A1 DE 2006002110 W DE2006002110 W DE 2006002110W WO 2007065400 A1 WO2007065400 A1 WO 2007065400A1
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rolling
rolling bearing
bearing according
inner ring
longitudinal direction
Prior art date
Application number
PCT/DE2006/002110
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English (en)
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Inventor
Gottfried Ruoff
Christian Hecker
Peter Niebling
Raphael Fischer
Original Assignee
Schaeffler Kg
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Publication date
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    • F16C19/34—Bearings with rolling contact, for exclusively rotary movement with bearing rollers essentially of the same size in one or more circular rows, e.g. needle bearings for both radial and axial load
    • F16C19/36—Bearings with rolling contact, for exclusively rotary movement with bearing rollers essentially of the same size in one or more circular rows, e.g. needle bearings for both radial and axial load with a single row of rollers
    • F16C19/361—Bearings with rolling contact, for exclusively rotary movement with bearing rollers essentially of the same size in one or more circular rows, e.g. needle bearings for both radial and axial load with a single row of rollers with cylindrical rollers
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    • F16C2240/50—Crowning, e.g. crowning height or crowning radius

Definitions

  • the present invention relates to a rolling bearing and in particular a rolling bearing which has an inner ring with an oblique raceway.
  • roller bearings are known in the prior art as tapered roller bearings and have an inner ring with a raceway inclined with respect to a bearing axis.
  • An outer ring is arranged around the inner ring and a large number of rolling elements between the inner ring and the outer ring.
  • the outer ring also has an inclined raceway.
  • the present invention is therefore based on the object of preventing or at least reducing this undesired increased sliding friction.
  • the rolling bearing according to the invention has an inner ring, an outer ring and a multiplicity of rolling elements with predetermined rolling element surfaces arranged between the inner ring and the outer ring.
  • the inner ring has a truncated cone-shaped outer surface which is inclined by a predetermined angle with respect to a geometrical longitudinal direction of the rolling bearing.
  • the outer ring also has a frustoconical inner surface. This is also inclined by a predetermined angle with respect to the longitudinal direction.
  • at least one surface d is or runs. H. at least the rolling element surface, the outer surface of the inner ring or the inner surface of the outer ring are curved at least in sections in the geometric longitudinal direction.
  • a curved course or a curvature in the longitudinal direction of the bearing is understood to mean that the surface in question is not only curved in the circumferential direction, but also has a curvature in the longitudinal direction, ie in the direction of its surface line. This curvature ensures that the load-bearing length of the rollers can be better adapted to the respective raceway contours if the bearing is tilted due to load.
  • the course of the surface at the specified angle with respect to the longitudinal direction is also understood to be the course in the longitudinal direction. In a preferred embodiment, at least two surfaces are curved at least in sections in the longitudinal direction.
  • both the inner surface of the outer ring and the outer surface of the inner ring as well as the surface of at least one rolling element and preferably the surfaces of all rolling elements are curved in the longitudinal direction at least in sections.
  • the rolling elements preferably have a substantially cylindrical shape, and the lateral surface of the rolling elements is curved at least in sections in the longitudinal direction. Particularly preferably, at least one of the surfaces d. H. the inner surface of the outer ring, the outer surface of the inner ring and / or the outer surface of the rolling elements are convexly curved.
  • the convex curvature of the respective contact surface is understood in relation to the respective body itself.
  • This convex course means that in the load-free operation the contact between the rolling elements on the one hand and the inner or outer surfaces preferably takes place in a central area of the surfaces.
  • the curvatures are designed so that the distance between the rolling elements and the inner or outer ring in a central ren area of the rolling element is minimal and increased in the respective edge areas.
  • the inner surface of the outer ring and the outer surface of the inner ring are essentially parallel to one another at least in sections. This embodiment ensures that the distance between the inner ring and the outer ring remains essentially constant in the longitudinal direction of the bearing.
  • rolling elements can be used as rolling elements which have a substantially constant diameter in the longitudinal direction.
  • rolling elements are used in the prior art which have a frustoconical outer profile.
  • a frustoconical inner surface parallel to the outer surface is understood to mean that this surface has essentially the same cone angle as the frustoconical outer surface of the inner ring.
  • the rolling elements are arranged between the frustoconical inner surface of the outer ring and the frustoconical outer surface of the inner ring. Since the inner and outer surfaces mentioned are parallel to one another, the rolling bodies are not designed in the shape of a truncated cone, as in the prior art, but can be designed as cylindrical bodies with substantially constant diameters in the longitudinal direction.
  • the angle by which the frustoconical outer surface of the inner ring is inclined relative to the longitudinal direction of the rolling bearing is preferably between 2 ° and 50 ° and preferably between 5 ° and 30 °. This angular range has proven to be particularly favorable when optimizing the frictional conditions.
  • the roller bearing has a cage in which the roller bodies are arranged. More precisely, the cage preferably has two shelves and a large number of webs, as a result of which pockets are formed in which the rolling elements are arranged. The individual webs of the cage are preferably also inclined by the predetermined angle with respect to the longitudinal direction of the rolling bearing.
  • the rolling bearing or inclined roller bearing can be designed as a rimless bearing in comparison to the tapered roller bearings known in the prior art.
  • the radial and axial forces which arise during a relative displacement from the inner to the outer ring, for example a tilt, are absorbed by the raceways of the rolling elements and the cage used.
  • at least one rolling element is designed as a needle roller. All rolling elements are preferably designed as needle rollers. Due to the omission of the retaining rims, no more forces have to be transmitted from the rolling elements at the end. For this reason, needle rollers can be used in the rolling bearing according to the invention.
  • the ratio between the diameter of the needle rollers and the length of the needle rollers is preferably between 1: 1.5 and 1:20 and preferably between 1: 2 and 1:10. This size ratio of the needle rollers has also proven to be particularly favorable for minimizing friction.
  • cylindrical rollers can also be used as rolling elements.
  • a plurality of cylindrical rollers is preferably used.
  • the rolling bearing is preferably either equipped with cylindrical rollers or with needle rollers.
  • the ratio between the diameter of the cylindrical rollers and the length of the cylindrical rollers is preferably between 1: 0.8 and 1: 4 and preferably between 1: 1 and 1: 2.5.
  • the rolling bodies have at least one unprocessed end face. Both end faces of at least one rolling element and preferably all rolling elements are preferably unprocessed.
  • the rolling elements according to the invention it is possible in the rolling elements according to the invention to dispense with on-board starting with the inner or outer ring. It is also possible to use rolling elements with unprocessed end faces. In this way, the manufacturing costs for the inclined roller bearings according to the invention can be reduced.
  • the width of the inner ring is at least as large as the length of the rolling elements.
  • the rolling elements can be substantially completely covered by the inner ring in the longitudinal direction of the bearing and thus completely accommodated between the inner ring and the outer ring.
  • the overall height of the roller bearing is preferably greater than the sum of the width of the inner ring and the product of the diameter of the roller body and the sine of the predetermined angle.
  • the overall height of the rolling bearing is understood to mean the length of the complete rolling bearing, taking into account both the inner ring and the outer ring and the rolling elements in the longitudinal direction of the bearing.
  • the product of the diameter of the rolling element and the sine of the predetermined angle simultaneously defines the offset that the outer ring has with respect to the inner ring.
  • the overall height must be at least as large as the sum of this offset and the width of the inner ring.
  • At least one rolling element has end regions which taper in the longitudinal direction of the rolling element.
  • 3 shows a partial representation of a rolling element
  • 4 shows a partial view of the rolling element from FIG. 3.
  • 5 shows a schematic illustration of an inner ring
  • 6 shows the outer surface of the inner ring
  • Fig. 7 is an illustration to illustrate the curvature
  • Fig. 1 shows a tapered roller bearing according to the prior art.
  • This has an inner ring 2, the outer surface 7 of which is inclined at a predetermined angle with respect to the longitudinal direction L of the rolling bearing.
  • An outer ring 3 of the rolling element has an inner surface 8, which is also inclined by a further angle with respect to the longitudinal direction L.
  • This angle by which the outer surface 7 of the inner ring 2 is inclined with respect to the longitudinal direction and that by which the inner surface 8 of the outer ring 3 is inclined are different. For this reason, the distance between the outer surface 7 and the inner surface 8 changes in the longitudinal direction L of the rolling bearing. Therefore, the rolling element 5 must be formed with a truncated cone-shaped surface.
  • This contraindication means that it is necessary to provide the inner ring 2 with ribs 2a and 2b in order to guide the roller body 5. This causes the rolling elements to start up on-board and thus additional undesired friction losses.
  • FIG. 2 shows an inclined roller bearing 1 according to the invention.
  • This bearing also has an inner ring 2 and an outer ring 3, between which the rolling elements 5 are arranged.
  • the outer surface 7 of the inner ring 2 is inclined at a predetermined angle ⁇ with respect to the longitudinal direction L.
  • the inner surface 8 of the outer ring 3 is also inclined by the same angle ⁇ with respect to the longitudinal direction L of the bearing.
  • any slight curvatures of the surfaces 7, 8 are disregarded, or when determining the angle ⁇ , a central region of the rolling elements is considered, in which this is essentially flat in the embodiment shown in FIG. 2.
  • the same inclinations ⁇ of the inner surface 8 and the outer surface 7 make it possible for the rolling elements 5 to be designed with a substantially constant diameter Dw.
  • the reference number 4 relates to a cage, by means of which the individual rolling elements 5 are kept at a distance from one another.
  • the reference numerals 12 relate to the guide lugs which are attached to the respective webs 4a of the cages.
  • the web of the cage 4 is also inclined by the angle ⁇ with respect to the longitudinal direction L of the rolling bearing 1.
  • Reference number 9 relates to a projection or collar which is arranged on the bearing cage 4. This collar 9 pointing outward in the circumferential direction prevents the inclined roller bearing from falling apart, for example during assembly.
  • the webs 4a of the bearing cages run below the center line or axis of rotation of the rolling elements.
  • the rolling elements are held on the outer ring 3.
  • the collar 9 is preferably in a positive connection with the outer ring 3.
  • the collar 9 prevents the cage 4 with the rolling bodies in FIG. 2 from being pulled out to the right. Without the collar, the cage 4 and the rolling elements could be pulled off to the right and the
  • Rolling elements would slide up out of the pockets formed by the webs 4a and the rims of the cage. It is also not possible to pull the cage to the left in FIG. 2, since with such a movement the rolling elements would be pressed deeper into the pockets and the movement would be prevented in this way.
  • the cage shown here is preferably made of metal, but can be made of plastic.
  • the inner ring width IB is preferably greater than or equal to the length Lw of the rolling element 5. In this way, essentially the entire surface or lateral surface of the rolling element 5 can come into contact with the outer surface 7 of the inner ring.
  • the ratio between the diameter Dw of the rolling element and the length of the Lw rolling element in the embodiment shown in FIG. 2 is preferably between 0.1 and 1.
  • Fig. 3 shows a detailed representation of a rolling element.
  • This rolling element 5 has a lateral surface 14.
  • This lateral surface has the convexly curved course described at the beginning.
  • the diameter Dw of the rolling element decreases toward the end regions, a logarithmic relationship preferably being used for this decrease.
  • This course of the diameter prevents increased wear of the bearing from occurring radial loads.
  • a linear decrease in the diameter would also be possible.
  • Further functional relationships for the decrease in diameter would also be possible, such as those relationships which are composed of a linear and a logarithmic component.
  • the rolling elements each have a bevel 15 at the left and right-hand ends.
  • the bevel 15 extends at an angle between 30 and 60 degrees and preferably between 40 and 50 degrees with respect to the longitudinal direction L.
  • 4 shows a partial representation of the end region of a rolling element 5. It can be seen that the diameter of the rolling element initially decreases slightly towards the outside and then decreases relatively steeply in the end region 15 (logarithmic course).
  • the roller body 15 preferably has a reinforced end profile.
  • the end regions 15 have curved surfaces. This is also intended to prevent heavy wear on the bearing due to one-sided loads.
  • the radius of curvature R of these curvatures is preferably less than 1 mm.
  • FIG. 5 shows a schematic and highly simplified illustration of an inner ring 2.
  • this is frustoconical, which is illustrated by the dashed line m m.
  • this surface line m does not run in a straight line, but rather curved, more precisely convexly curved outwards. The course of this curvature is exaggerated in FIG. 5.
  • 6 shows a representation of the outer surface 7 of the inner ring.
  • the lower partial image of FIG. 6 shows the area of the surface which is represented by line 7 in the upper partial image.
  • reference symbol X refers to the longitudinal direction of the rolling element and reference symbol Y to a direction perpendicular to this.
  • the inner ring or its outer surface 7 has a convex profile d. H. its diameter is increased in the middle area. Towards the sides, the diameter of the inner ring 2 preferably decreases logarithmically.
  • Fig. 7 shows an enlarged view to illustrate the curvature.
  • the upper left part of the drawing was stretched in the Y direction to illustrate the size relationships.
  • a linear curvature was used in FIG. 7.
  • Logarithmic or linear curvatures can also be provided on both the inner ring and the outer ring.
  • the reference numeral 8 relates to the surface of the outer ring or its course. It can be seen that this surface 8 protrudes furthest downward in FIG. 7 along the center line M.
  • the reference symbol h refers to the distance referred to below as the bale height, which is a measure of the curvature of the surface. By definition, this is the distance that the point X1 and the point X2, which are both on the surface 8, have in the Y direction from one another. In the X direction, the two points X1 and X2 are separated by 0.3 times the total longitudinal dimension X of the outer ring.
  • a particularly suitable bale height for different outer diameters of the rolling bearing was determined in complex experiments.
  • bale height between 0 and 2 ⁇ m has proven to be particularly suitable.
  • the bale height is advantageously in the range between 0 and 3 ⁇ m.
  • the bale height is in the range of 4 ⁇ m and for large outer diameters of more than 600 mm the bale height is preferably between 0 and 6 ⁇ m.
  • metal or plastic cages are used for the inclined roller bearing according to the invention. These can have specially adapted geometries that improve the oil flow through the bearing and also reduce the friction between the cage and the rolling elements.
  • the rolling element also preferably has a curvature as shown in FIGS. 5 and 6.

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Abstract

Wälzlager mit einem Innenring (2), einem Außenring (3) und einer Vielzahl von zwischen dem Innenring (2) und dem Außenring (3) angeordneten Wälzkörpern (5) mit vorgegebenen Wälzkörperoberflächen (11), wobei der Innenring eine kegelstumpfförmige Außenoberfläche (7) aufweist, die gegenüber einer geometrischen Längsrichtung (L) des Wälzlagers um einen vorgegebenen Winkel (α) geneigt ist und der Außenring eine kegelstumpfförmige Innenoberfläche (8) aufweist. Erfindungsgemäß weist wenigstens eine Oberfläche (7, 8, 11) wenigstens abschnittsweise eine Krümmung auf.

Description

Schaeff ler KG
Industriestraße 1 - 3, 91074 Herzogenaurach
Bezeichnung der Erfindung
Schrägrollenlager mit gekrümmten Laufbahnen
Beschreibung
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Wälzlager und insbesondere ein Wälzlager, das einen Innenring mit einer schrägen Laufbahn aufweist. Derartige Wälzlager sind im Stand der Technik als Kegelrollenlager bekannt und weisen einen Innenring mit einer gegenüber einer Lagerachse geneigten Laufbahn auf. Um den Innenring ist ein Außenring angeordnet und zwischen dem Innenring und dem Außenring eine Vielzahl von Wälzkörpern. Auch der Außenring weist bei den aus dem Stand der Technik bekannten Ausfüh- rungsformen eine geneigte Laufbahn auf.
Bei derartigen Lagern mit schrägen Laufbahnen kann durch vorhandene Schnittpunktfehler der verlängerten Wälzkö rpermantellinie einerseits und der Lagermittellinie andererseits kinematisch bedingt eine ungewollte Gleitrei- bung entstehen. Der vorliegenden Erfindung liegt damit die Aufgabe zugrunde, diese ungewollte erhöhte Gleitreibung zu verhindern oder zumindest zu vermindern.
Dies wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand von Anspruch 1 erreicht. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche. Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass nicht alle erfindungsgemäßen Aufgaben in gleicher Weise durch die Gegenstände aller Unteransprüche erreicht werden. Das erfindungsgemäße Wälzlager weist einen Innenring auf, einen Außenring und eine Vielzahl von zwischen dem Innenring und dem Außenring angeordneten Wälzkörpem mit vorgegebenen Wälzkörperoberflächen. Der Innenring weist eine kegelstumpfförmige Außenoberfläche auf, die gegenüber einer geometrischen Längsrichtung des Wälzlagers um einen vorgege- benen Winkel geneigt ist. Auch der Außenring weist eine kegelstumpfförmige Innenoberfläche auf. Diese ist ebenfalls um einen vorgegebenen Winkel gegenüber der Längsrichtung geneigt. Erfindungsgemäß ist bzw. verläuft wenigstens eine Oberfläche d. h. wenigstens die Wälzkörperoberfläche, die Außenfläche des Innenrings oder die Innenfläche des Außenrings in der geometrischen Längsrichtung wenigstens abschnittsweise gekrümmt.
Unter einem gekrümmten Verlauf bzw. einer Krümmung in Längsrichtung des Lagers wird verstanden, dass die betreffende Oberfläche nicht nur in Umfangsrichtung gekrümmt ist, sondern auch in Längsrichtung, d. h. in Rich- tung ihrer Mantellinie eine Krümmung aufweist. Durch diese Krümmung wird erreicht, dass bei einer belastungsbedingten Lagerverkippung die tragende Länge der Rollen besser an die jeweiligen Laufbahnkonturen angepasst werden kann. Auch der Verlauf der Oberfläche unter dem vorgegebenen Winkel gegenüber der Längsrichtung wird als Verlauf in Längsrichtung ver- standen. Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind wenigstens zwei Oberflächen in der Längsrichtung wenigstens abschnittsweise gekrümmt.
Vorzugsweise handelt es sich dabei um zwei Oberflächen, die wenigstens zeitweise miteinander in Kontakt stehen, beispielsweise die Manteloberfläche des Wälzkörpers einerseits und andererseits entweder die Innenoberfläche des Außenrings oder die Außenoberfläche des Innenrings. Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind sowohl die Innenoberfläche des Außenrings als auch die Außenoberfläche des Innenrings als auch die Ober- fläche wenigstens eines Wälzkörpers und bevorzugt die Oberflächen aller Wälzkörper wenigstens abschnittsweise in Längsrichtung gekrümmt. Durch diese Anpassung der Oberflächen können sich die Wälzkörper bei ihrer Bewegung optimal an die Außenfläche des Innenrings bzw. die Innenfläche des Außenrings anpassen. Dadurch werden Gleitbewegungen zwischen dem Wälzkörper bzw. dem Außenring vermindert oder verhindert und damit auch das Reibmoment durch den sich anpassenden Kontaktbereich reduziert.
Vorzugsweise weisen die Wälzkörper eine im Wesentlichen zylinderförmige Gestalt auf, und die Mantelfläche der Wälzkörper verläuft in der Längsrich- tung wenigstens abschnittsweise gekrümmt. Besonders bevorzugt verläuft wenigstens eine der genannten Oberflächen d. h. die Innenoberfläche des Außenrings, die Außenoberfläche des Innenrings und/oder die Mantelfläche der Wälzkörper konvex gekrümmt. Dabei wird die konvexe Krümmung der jeweiligen Kontaktfläche im Bezug auf den jeweiligen Körper selbst verstanden.
Dieser konvexe Verlauf führt dazu, dass im belastungsfreien Betrieb der Kontakt zwischen den Wälzkörpern einerseits und den Innen- bzw. Außen- Oberflächen bevorzugt in einem Zentralbereich der Oberflächen stattfindet. Mit anderen Worten sind die Krümmungen so gestaltet, dass der Abstand zwischen den Wälzkörpern und dem Innen- bzw. Außenring in einem mittle- ren Bereich des Wälzkörpers minimal ist und in den jeweiligen Randbereichen erhöht.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausfϋhrungsform sind die Innenoberfläche des Außenrings und die Außenoberfläche des Innenrings wenigstens abschnittsweise im Wesentlichen zueinander parallel. Durch diese Ausführungsform wird erreicht, dass in Längsrichtung des Lagers der Abstand zwischen dem Innenring und dem Außenring im Wesentlichen konstant bleibt. Dadurch können als Wälzkörper solche Wälzkörper verwendet werden, die in Längsrichtung einen im Wesentlichen konstanten Durchmesser aufweisen. Im Gegensatz hierzu werden im Stand der Technik Wälzkörper eingesetzt, die ein kegelstumpfförmiges Außenprofil aufweisen.
Dies wiederum führt dazu, dass im Stand der Technik an dem Innen- oder Außenring und meist an dem Innenring Borde vorgesehen sein müssen, an denen die Wälzkörper anlaufen. Dies führt im Stand der Technik zu einer Bordreibung zwischen den Wälzkörpern und einem der Lagerringe und damit zu erhöhtem Verschleiß. Durch die bevorzugte Ausführung mit den jeweils gleichen Neigungswinkeln können die genannten Halteborde am Innen oder am Außenring entfallen. Die Bordreibung entfällt. Daneben ist durch den Wegfall der Halteborde eine verbesserte Schmierstoffversorgung an beiden Laufbahnen möglich, da ein ungehinderter Durchfluss des Schmiermittels ermöglicht wird.
Durch das Zusammenspiel der jeweils gleichen Neigungswinkel der Außen- oberfiäche des Innenrings und der Innenoberfläche des Außenrings einerseits und den gekrümmten Oberflächen andererseits wird insgesamt eine verringerte Verschließanfälligkeit des Wälzlagers erreicht. Unter einer zu der Außenoberfläche parallelen kegelstumpfförmigen Innenoberfläche wird verstanden, dass diese Oberfläche im wesentlichem den gleichen Kegelwinkel aufweist wie die kegelstumpfförmige Außenoberfläche des Innenrings. Zwischen der kegelstumpfförmigen Innenoberfläche des Außenrings und der kegelstumpfförmigen Außenoberfläche des Innenrings sind die Wälzkörper angeordnet. Da die genannten Innen- und Außenoberflächen parallel zueinander sind, werden die Wälzkörper nicht, wie im Stand der Technik, kegelstumpfförmig ausgeführt, sondern können als zylindrische Körper mit in Längsrichtung im Wesentlichen konstanten Durchmessern ausgeführt werden.
Vorzugsweise liegt der Winkel, um den die kegelstumpfförmige Außenoberfläche des Innenrings gegenüber der Längsrichtung des Wälzlagers geneigt ist, zwischen 2 ° und 50 ° und bevorzugt zwischen 5 ° und 30 °. Dieser Win- kelbereich hat sich als besonders günstig bei der Optimierung der Reibungsverhältnisse herausgestellt.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist das Wälzlager einen Käfig auf, in dem die Wälzkörper angeordnet sind. Genauer weist vorzugs- weise der Käfig zwei Borde auf sowie eine Vielzahl von Stegen, wodurch Taschen gebildet werden, in denen die Wälzkörper angeordnet sind. Vorzugsweise sind die einzelnen Stege des Käfigs ebenfalls um den vorgegebenen Winkel gegenüber der Längsrichtung des Wälzlagers geneigt. Durch die Verwendung eines Käfigs als Abstandshalter zwischen den Wälzkörpern kann das Wälzlager bzw. Schrägrollenlager im Vergleich zu den im Stand der Technik bekannten Kegelrollenlagern als bordloses Lager ausgeführt werden. Bei dem erfindungsgemäßen Schrägrollenlager werden die bei einer Relatiwerschiebung von Innen- zu Außenring, beispielsweise einer Verkippung, entstehenden Radial- und Axialkräfte von den Laufbahnen der Wälzkörper und dem verwendeten Käfig aufgenommen. Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist wenigstens ein Wälzkörper als Nadelrolle ausgeführt. Bevorzugt sind alle Wälzkörper als Nadelrollen ausgeführt. Durch den Entfall der Halteborde müssen stirnseitig von den Wälzkörpern keine Kräfte mehr übertragen werden. Aus diesem Grunde können bei dem erfindungsgemäßen Wälzlager Nadelrollen zum Einsatz kommen.
Vorzugsweise ist das Verhältnis zwischen dem Durchmesser der Nadelrollen und der Länge der Nadelrollen zwischen 1 :1,5 und 1:20 und bevorzugt zwi- sehen 1 :2 und 1:10. Dieses Größenverhältnis der Nadelrollen hat sich ebenfalls als besonders günstig zur Reibungsminimierung erwiesen.
Alternativ zu Nadelrollen können als Wälzkörper auch Zylinderrollen eingesetzt werden. Vorzugsweise wird eine Vielzahl von Zylinderrollen eingesetzt. Vorzugsweise ist das Wälzlager entweder einheitlich mit Zylinderrollen oder einheitlich mit Nadelrollen bestückt. Bevorzugt liegt das Verhältnis zwischen dem Durchmesser der Zylinderrollen und der Länge der Zylinderrollen zwischen 1 :0,8 und 1:4 und bevorzugt zwischen 1:1 und 1 :2,5. Auch diese Größenverhältnisse der Zylinderrollen, welche die Gesamtgeometrie der Zylin- derrollen bestimmen, haben sich besonders günstig erwiesen, um die Reibung zu minimieren.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weisen die Wälzkörper wenigstens eine unbearbeitete Stirnfläche auf. Vorzugsweise sind beide Stirn- flächen wenigstens eines Wälzkörpers und vorzugsweise aller Wälzkörper unbearbeitet. Wie oben erwähnt, ist es bei den erfindungsgemäßen Wälzkörpern möglich, auf einen Bordanlauf mit dem Innen- bzw. Außenring zu verzichten. Damit ist es auch möglich, Wälzkörper mit unbearbeiteten Stirnflächen einzusetzen. Auf dieser Weise können die Herstellungskosten für die erfindungsgemäßen Schrägrollenlager herabgesetzt werden. Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Breite des Innenrings wenigstens so groß wie die Länge der Wälzkörper. Bei dieser Ausführungsform können in Längsrichtung des Lagers die Wälzkörper im Wesentlichen vollständig durch den Innenring abgedeckt und damit vollständig zwi- sehen dem Innenring und dem Außenring aufgenommen werden.
Vorzugsweise ist die Bauhöhe des Wälzlagers größer als die Summe aus der Breite des Innenrings und dem Produkt aus dem Durchmesser des Wälzkörpers und dem Sinus des vorgegebenen Winkels. Unter der Bauhöhe des Wälzlagers wird die Länge des vollständigen Wälzlagers unter Berücksichtigung sowohl des Innenrings als auch des Außenrings als auch der Wälzkörper in Längsrichtung des Lagers verstanden. Durch das Produkt aus dem Durchmesser des Wälzkörpers und des Sinus des vorgegebenen Winkels wird gleichzeitig der Versatz festgelegt, den der Außenring gegenüber dem Innenring aufweist. Die Bauhöhe muss mindestens so groß sein, wie die Summe dieses Versatzes und die Breite des Innenrings.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist wenigstens ein Wälzkörper sich in Längsrichtung des Wälzkörpers verjüngende Endbereiche auf.
Weitere Vorteile und Ausführungsformen ergeben sich aus den beigefügten Zeichnungen. Darin zeigen:
Fig. 1 ein Kegelrollenlager nach dem Stand der Technik;
Fig. 2 ein erfindungsgemäßes Schrägrollenlager;
Fig. 3 eine Teildarstellung eines Wälzkörpers; Fig. 4 eine Teilansicht des Wälzkörpers aus Figur 3.
Fig. 5 eine schematische Darstellung eines Innenrings; Fig. 6 eine Darstellung der Außenoberfläche des Innenrings; und
Fig. 7 eine Darstellung zur Veranschaulichung der Krümmung
Fig. 1 zeigt ein Kegelrollenlager nach dem Stand der Technik. Dieses weist einen Innenring 2 auf, dessen Außenoberfläche 7 in einem vorgegeben Winkel gegenüber der Längsrichtung L des Wälzlagers geneigt ist. Ein Außenring 3 des Wälzkörpers weist eine Innenoberfläche 8 auf, die ebenfalls um einen weiteren Winkel gegenüber der Längsrichtung L geneigt ist. Dieser Winkel, um den die Außenoberfläche 7 des Innenrings 2 gegenüber der Längsrichtung geneigt ist und derjenige, um den die Innenoberfläche 8 des Außenrings 3 geneigt ist, sind unterschiedlich. Aus diesem Grunde ändert sich der Abstand zwischen der Außenoberfläche 7 und der Innenoberfläche 8 in Längsrichtung L des Wälzlagers. Daher muss der Wälzkörper 5 mit einer kegelstumpfförmigen Manteloberfläche ausgebildet werden. Dies Widerrum führt dazu, dass es nötig ist, den Innenring 2 mit Borden 2a und 2b zu versehen, um den Wälzköper 5 zu führen. Damit kommt es zu einem Bordanlauf der Wälzkörper und damit zu zusätzlichen ungewollten Reibungsverlus- ten.
Fig. 2 zeigt ein erfindungsgemäßes Schrägrollenlager 1. Dieses Lager weist ebenfalls einen Innenring 2 und einen Außenring 3 auf, zwischen denen die Wälzkörper 5 angeordnet sind. Die Außenoberfläche 7 des Innenrings 2 ist mit einem vorgegebenen Winkel α gegenüber der Längsrichtung L geneigt. Die Innenoberfläche 8 des Außenrings 3 ist ebenfalls um den selbem Winkel α gegenüber der Längsrichtung L des Lagers geneigt. Bei der Betrachtung dieser Winkel bleiben etwaige leichte Krümmungen der Oberflächen 7,8 unberücksichtigt bzw. es wird bei der Bestimmung des Winkels α ein Zentralbe- reich der Wälzkörper betrachtet, in dem dieser bei der in Fig. 2 gezeigten Ausführungsform im Wesentlichen eben ist. Durch die gleichen Neigungen α der Innenoberfläche 8 und der Außenoberfläche 7 ist es möglich, dass die Wälzkörper 5 mit einem wesentlichen konstanten Durchmesser Dw ausgeführt werden. Das Bezugszeichen 4 bezieht sich auf einen Käfig, durch den die einzelnen Wälzkörper 5 in Abstand zu einander gehalten werden. Die Bezugszeichen 12 beziehen sich auf die Führungsnasen die an den jeweiligen Stegen 4a der Käfige angebracht sind. Wie in Fig. 2 gezeigt, ist der Steg des Käfigs 4 ebenfalls um den Winkel α gegenüber der Längsrichtung L des Wälzlagers 1 geneigt. Das Bezugszeichen 9 bezieht sich auf einen Vorsprung bzw. Kragen, der an dem Lagerkäfig 4 angeordnet ist. Dieser hier in Umfangsrichtung nach außen weisende Kragen 9 verhindert ein Auseinanderfallen des Schrägrollenlagers beispielsweise während der Montage. Bei der in Fig 2 gezeigten Ausführungsform verlaufen die Stege 4a der Lagerkäfige unterhalb der Mittellinie bzw. Drehachse der Wälzkörper. Bei dieser Ausführungsform werden damit die Wälzkörper an dem Außenring 3 gehalten. Der Kragen 9 steht bevorzugt in formschlüssiger Verbindung mit dem Außenring 3.
Durch den Kragen 9 wird verhindert, dass der Käfig 4 mit den Wälzkörpern in Fig. 2 nach rechts herausgezogen werden kann. Ohne den Kragen könnten der Käfig 4 und die Wälzkörper nach rechts abgezogen werden und die
Wälzkörper würden aus den durch die Stege 4a und die Borde des Käfigs gebildeten Taschen nach oben herausgleiten. Ein Abziehen des Käfigs nach links in Fig. 2 ist ebenfalls nicht möglich, da bei einer derartigen Bewegung die Wälzkörper tiefer in die Taschen gedrückt würden und auf diese Weise die Bewegung verhindert würde.
Anstelle der hier gezeigten Ausführungsform sind auch weitere Ausführungsformen denkbar, etwa solche, bei denen der Vorsprung auf der rechten Seite angeordnet ist, radial nach innen ragt und mit dem Innenring in formschlüssiger Verbindung steht. Der hier gezeigte Käfig ist bevorzugt aus Metall, kann aber aus Kunststoff gefertigt sein. Die lnnenringbreite IB ist vorzugsweise größer als die Länge Lw des Wälzkörpers 5 oder dieser gleich. Auf diese Weise kann in wesentlichen die vollständige Oberfläche- bzw. Mantelfläche des Wälzkörpers 5 in Kontakt mit der Außenoberfläche 7 des Innenrings treten. Das Verhältnis zwischen dem Durchmesser Dw des Wälzkörpers und der Länge des Lw Wälzkörpers liegt bei der in Fig. 2 gezeigten Ausführungsform bevorzugt zwischen 0,1 und 1. Für die Bauhöhe BH des Lagers gilt folgende Beziehung: BH > Dw » sin(α) + IB, wobei IB auch hier die lnnenringbreite ist. Durch das Produkt aus dem Wälzkörperdurchmesser Dw und dem Sinus des Winkels α wird die Verschiebung x bestimmt, die zwischen den Innenring 2 und den Außenring 3 auftritt.
Fig. 3 zeigt eine Detaildarstellung eines Wälzkörpers. Dieser Wälzkörper 5 weist eine Mantelfläche 14 auf. Diese Mantelfläche weist den eingangs beschriebenen konvex gekrümmten Verlauf auf. Zu den Endbereichen hin nimmt der Durchmesser Dw des Wälzkörpers jedoch ab, wobei für diese Abnahme bevorzugt ein logarithmischer Zusammenhang gilt. Dieser Verlauf des Durchmessers verhindert, dass durch auftretende radiale Belastungen eine verstärkte Abnutzung des Lagers auftritt. Anstelle einer logarithmischen Abnahme wäre auch eine lineare Abnahme des Durchmessers möglich. Auch wären weitere funktionale Zusammenhänge für die Abnahme des Durchmessers möglich, wie etwa solche Zusammenhänge, die sich aus einem linearen und einem logarithmischen Anteil zusammensetzen.
An den links- und rechtsseitigen Enden weist der Wälzkörper jeweils eine Abschrägung 15 auf. Bei der in Fig. 3 gezeigten Ausführungsform verläuft die Abschrägung 15 in einem Winkel zwischen 30 und 60 Grad und bevorzugt zwischen 40 und 50 Grad gegenüber der Längsrichtung L. Hg. 4 zeigt eine Teildarstellung des Endbereichs eines Wälzkörpers 5. Man erkennt, dass der Durchmesser des Wälzkörpers nach außen hin zunächst geringfügig und dann im Endbereich 15 relativ steil abnimmt (logarithmischer Verlauf). Bevorzugt weist der Wälzkörper 15 bei der in Fig. 4 gezeigten Aus- führungsform eine verstärkte Endprofilierung auf.
Die Endbereiche 15 weisen gekrümmte Oberflächen auf. Auch dadurch sollen starke Abnutzungen des Lagers durch einseitige Belastungen verhindert werden. Der Krümmungsradius R dieser Krümmungen liegt bevorzugt unter 1mm.
Fig. 5 zeigt eine schematische und stark vereinfachte Darstellung eines Innenrings 2. Dieser ist im Stand der Technik kegelstumpfförmig ausgebildet, was durch die gestrichelt eingezeichnete Mantellinie m veranschaulicht wird. Bei der erfindungsgemäßen Ausführungsform verläuft diese Mantellinie m nicht geradlinig, sondern gekrümmt, genauer gesagt konvex also nach außen gekrümmt. Der Verlauf dieser Krümmung ist in Fig. 5 übertrieben dargestellt. Fig. 6 zeigt eine Darstellung der Außenoberfläche 7 des Innenrings. Dabei zeigt das untere Teilbild von Fig. 6 den Bereich der Oberfläche die in dem oberen Teilbild durch die Linie 7 dargestellt ist. In dieser Figur bezieht sich das Bezugszeichen X auf die Längsrichtung des Wälzkörpers und das Bezugszeichen Y auf eine hierzu senkrechte Richtung. Man erkennt, dass der Innenring bzw. dessen Außenoberfläche 7 ein konvexes Profil aufweist d. h. sein Durchmesser in dem mittleren Bereich erhöht ist. Zu den Seiten hin nimmt der Durchmesser des Innenrings 2 jeweils bevorzugt logarithmisch ab.
Wie eingangs erwähnt, treten in Schrägrollenlagern Schnittpunktfehler zwi- sehen der Verlängerung der Mantellinie des Wälzkörpers und der Verlängerung der Mittellinie des Wälzlagers auf. Durch diese Schnittpunktfehler kommt es zu einer erhöhten Gleitreibung und zwischen den Innen- bzw. Au- ßenringflächen und der Mantelfläche des Wälzkörpers. Durch die in Fig. 6 gezeigte Profilierung bzw. Gestaltung der sich kontaktierenden Wälzkörperoberflächen und der Oberflächen 7, 8 der Außen- und Innenringe kann bei einer belastungsbedingten Lagerverkippung die tragende Länge der Wälz- körper optimal an die jeweiligen Laufbahnkonturen angepasst werden. Der im Stand der Technik auftretende Kantenlauf der Wälzkörper wird durch diese Gestaltung der Außenoberflächen verhindert und auf diese Weise können auch Gleitbewegungen (die zu Verschleiß führen) und das Reibmoment durch den sich anpassenden Kontaktbereich reduziert werden.
Fig. 7 zeigt eine vergrößerte Darstellung zur Veranschaulichung der Krümmung. Dabei wurde das linkere obere Teilbild in Y Richtung gestreckt um die Größenverhältnisse veranschaulichen zu können. Im Gegensatz zu der in Fig. 6 gezeigten Krümmung wurde in Fig. 7 eine lineare Krümmung verwen- det. Es wäre jedoch auch möglich, an der Außenfläche des Innenrings eine linear verlaufende Krümmung vorzusehen und an der Innenfläche des Außenrings eine logarithmisch verlaufende Krümmung. Auch können sowohl am Innenring als auch am Außenring jeweils logarithmische oder linear verlaufende Krümmungen vorgesehen sein.
Das Bezugszeichen 8 bezieht sich auf die Oberfläche des Außenrings bzw. deren Verlauf. Man erkennt, dass diese Oberfläche 8 entlang der Mittellinie M am weitesten in Fig. 7 nach unten ragt. Das Bezugszeichen h bezieht sich auf den im Folgenden als Ballenhöhe bezeichneten Abstand, der ein Maß für die Krümmung der Oberfläche ist. Definitionsgemäß handelt es sich dabei um denjenigen Abstand, den der Punkt X1 und der Punkt X2 die sich beide auf der Oberfläche 8 befinden in, Y-Richtung zueinander aufweisen. In X Richtung sind die beiden Punkte X1 und X2 um das 0,3-fache der gesamten Längsausdehnung X des Außenrings voneinander entfernt. In aufwändigen Experimenten wurde eine jeweils besonders geeignete Ballenhöhe für unterschiedliche Außendurchmesser des Wälzlagers ermittelt. Bei kleinen Außendurchmessern im Bereich zwischen 0 und 90 mm hat sich eine Ballenhöhe zwischen 0 und 2 μm als besonders geeignet heraus ge- stellt. Bei Außendurchmessern zwischen 90 und 240 mm liegt die Ballenhöhe vorteilhaft im Bereich zwischen 0 und 3 μm. Für Außendurchmesser zwischen 240 und 60 mm ergibt sich eine Ballenhöhe im Bereich von 4 μm und für große Außendurchmesser von mehr als 600 mm liegt die Ballenhöhe bevorzugt zwischen 0 und 6 μm.
Für das erfindungsgemäße Schrägrollenlager werden alternativ Metall- oder Kunststoffkäfige verwendet. Diese können speziell angepasste Geometrien aufweisen, die den Öldurchfluss durch das Lager verbessern und auch die Reibung zwischen dem Käfig und den Wälzkörpern verringern.
Auch der nicht gezeigte Wälzkörper weist vorzugsweise eine wie in den Fig. 5 und 6 dargestellte Krümmung auf.
Sämtliche in den Anmeldungsunterlagen offenbarten Merkmale werden als erfindungswesentlich beansprucht, sofern sie einzeln oder in Kombination gegenüber dem Stand der Technik neu sind.
Bezugszeichen
1 Schrägrollenlager
2 Innenring
2a, 2b Bord des Innenrings (Stand der Technik)
3 Außenring
4 Lagerkäfig
4a Steg des Lagerkäfis 4
5 Wälzkörper
7 Außenoberfläche des Innenrings 2
8 Innenoberfläche des Außenrings 3
9 Kragen
12 Führungsnase
13 in Längsrichtung äußerer Bereich des Wälzkörpers 5
14 Mantelfläche des Wälzkörpers 5
15 Endbereich des Wälzkörpers 5
15a gekrümmte Oberfläche des Endbereichs
Dw Durchmesser des Wälzkörpers 5
IB Breite des Innenrings 2
Lw Länge des Wälzkörpers 5
BH Bauhöhe des Wälzlagers
α Neigungswinkel der Wälzkörper
L Längsrichtung des Wälzlagers
R Krümmungsradius
h Ballenhöhe
m Mantellinie des Innenrings

Claims

Schaeffler KG Industriestraße 1-3, 91074 Herzogenaurach Patentansprüche
1. Wälzlager mit einem Innenring (2), einem Außenring (3) und einer Vielzahl von zwischen dem Innenring (2) und dem Außenring (3) angeordneten Wälzkörpern (5) mit vorgegebenen Wälzkörperoberflä- chen (14), wobei der Innenring eine kegelstumpfförmige Außenoberfläche (7) aufweist, die gegenüber einer geometrischen Längsrichtung (L) des Wälzlagers um einen vorgegebenen Winkel (α) geneigt ist und der Außenring eine kegelstumpfförmige Innenoberfläche (8) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass
wenigstens eine Oberfläche (7, 8, 14) in der Längsrichtung (L) wenigstens abschnittsweise gekrümmt ist.
2. Wälzlager nach Anspruch 1 ,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s die Innenoberfläche (8) des Außenrings (3) und die Außenoberfläche
(7) des Innenrings (2) wenigstens abschnittsweise im Wesentlichen parallel zueinander sind.
3. Wälzlager nach wenigstens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch ge ke n nze ich net , dass
wenigstens zwei der Oberflächen (7, 8, 14) in der Längsrichtung (L) wenigstens abschnittsweise gekrümmt sind.
4. Wälzlager nach wenigstens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
sowohl die Innenoberfläche (8) des Außenrings (2) als auch die Au- ßenoberfläche (7) des Innenrings (3) als auch die Außenoberfläche wenigstens eines Wälzkörpers in der Längsrichtung wenigstens abschnittsweise gekrümmt sind.
5. Wälzlager nach wenigstens einem der vorangegangenen Ansprüche, dad u rch ge ke n nze ich net , dass
die Wälzkörper eine im Wesentlichen zylinderförmige Gestalt aufweisen und die Mantelfläche der Wälzkörper in der Längsrichtung (L) wenigstens abschnittsweise gekrümmt ist.
6. Wälzlager nach wenigstens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch geken nze ich net, dass
wenigstens eine Oberfläche (7, 8, 14) konvex gekrümmt ist.
7. Wälzlager nach wenigstens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
der vorgegebene Winkel (α) zwischen 2° und 50° und bevorzugt zwischen 5° und 30° liegt.
8. Wälzlager nach wenigstens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
das Wälzlager einen Käfig (4) aufweist, in dem die Wälzkörper (5) an- geordnet sind.
9. Wälzlager nach wenigstens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
wenigstens ein Wälzkörper (5) eine Nadelrolle ist.
10.Wälzlager nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Verhältnis zwischen dem Durchmesser (Dw) der Nadelrollen und der Länge der Nadelrollen (Lw) zwischen 1:1,5 und 1:20 und bevor- zugt zwischen 1:2 und 1:10 liegt.
11.Wälzlager nach wenigstens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
wenigstens ein Wälzkörper (5) eine Zylinderrolle ist.
12. Wälzlager nach Anspruch 11 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Verhältnis zwischen dem Durchmesser (Dw) der Zylinderrollen und der Länge (Lw) der Zylinderrollen zwischen 1 :0,8 und 1 :4 und be- vorzugt zwischen 1 :1 und 1 :2,5 liegt.
13. Wälzlager nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Wälzkörper (5) wenigstens ein unbearbeitete Stirnfläche (15) auf- weisen.
14. Wälzlager nach wenigstens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
das die Breite (IB) des Innenrings wenigstens so groß ist wie die Län- ge (Lw) der Wälzkörper.
15. Wälzlager nach wenigstens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
die Bauhöhe (BH) des Wälzlagers größer ist als die Summe aus der Breite (IB) des Innenrings und dem Produkt aus dem Durchmesser
(DW) des Wälzkörpers und dem Sinus des vorgegebenen Winkels (α).
16. Wälzlager nach wenigstens einem der vorangegangenen Ansprüche, d ad u rch ge ke n nze ich n et , dass
das wenigstens ein Wälzkörper (5) sich in der Längsrichtung des Wälzkörpers (5) verjüngende Endbereiche aufweist.
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