WO2008055747A1 - Lagerung einer welle - Google Patents

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WO2008055747A1
WO2008055747A1 PCT/EP2007/060204 EP2007060204W WO2008055747A1 WO 2008055747 A1 WO2008055747 A1 WO 2008055747A1 EP 2007060204 W EP2007060204 W EP 2007060204W WO 2008055747 A1 WO2008055747 A1 WO 2008055747A1
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bearing
shaft
sleeve
rolling
point
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PCT/EP2007/060204
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English (en)
French (fr)
Inventor
Matthew Sendzik
Ben Baer
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Schaeffler Kg
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C19/00—Bearings with rolling contact, for exclusively rotary movement
    • F16C19/49—Bearings with both balls and rollers
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C2360/00—Engines or pumps
    • F16C2360/44—Centrifugal pumps

Definitions

  • the invention relates to a bearing of a shaft in a concentrically surrounding this sleeve, in particular bearing a drive shaft of a water pump, wherein the bearing at least a first roller bearing with cylindrical, rolling on an outer race of the shaft and an inner race of the sleeve rolling elements and a second Rolling with ball-shaped rolling elements which roll in a first groove in the shaft and a second groove in the sleeve.
  • a bearing of a shaft according to the aforementioned type is known from the documents US 2,040,489 and US 3,424,507.
  • the shaft mounted in a sleeve should be the drive shaft of a water pump designed as a centrifugal pump for internal combustion engines.
  • a deep groove ball bearing is to be provided, next to which cylindrical roller bearings are arranged on both sides.
  • the grooves in the shaft and in the sleeve should have a radius which is only slightly larger than the ball radius of the rolling elements.
  • the present invention has for its object to form a bearing of a shaft against a sleeve with high load capacity. It should also be achieved that this high load capacity can be achieved with relatively small dimensions of storage.
  • the second rolling bearing is designed as a four-point bearing or as a three-point bearing.
  • Such a four-point bearing likewise absorbs axial loads in both axial directions, acting like a single-row angular contact ball bearing in each of the two axial directions.
  • Four point bearings have on the inner and on the outer raceway each two arcuate raceways whose centers of curvature are offset from each other so that the balls touch the shaft and the sleeve under radial load in four points, while they can absorb small radial loads.
  • the great advantage is that, in addition to these low radial loads, they can absorb high axial loads in both directions.
  • the proposed combination of a four-point bearing with at least one cylindrical roller bearing is therefore in an excellent manner for the storage of the drive shaft of a water pump.
  • the balls should cooperate with the running groove in the shaft in the same way as in the four-point bearing explained above, ie the balls will touch the circular arc-shaped raceway of the shaft in each case in two points under a radial load.
  • the running groove in the sleeve should have a radius which is greater than the radius of the ball, so that the ball bears against the sleeve in only one point during radial loads in the running groove.
  • an axial load occurs, then, as in the case of the four-point bearing explained above, an abutment of the ball in the respective raceways results in only A point on the sleeve and on the shaft.
  • the first roller bearing consist of two cylindrical roller bearings, which are arranged on both sides of the four-point bearing or the three-point bearing.
  • Such a combination of the three rolling bearings is capable of accommodating large radial loads and large axial loads at high speeds.
  • the ball-shaped rolling elements abut with a nominal pressure angle ⁇ o in the grooves, which should be> 25 ° and ⁇ 35 °.
  • the nominal pressure angle ⁇ 0 may have a value of 35 °.
  • Figure 1 shows a partial longitudinal section through a sleeve with a bearing according to the invention, wherein a second rolling bearing forms a four-point bearing together with the shaft and the sleeve and
  • Figure 2 is a partial longitudinal section through a sleeve with a bearing arranged therein for a shaft, wherein a second rolling bearing forms a three-point bearing together with the sleeve and the shaft.
  • 1 designates a shaft graduated in its outer diameter, this shaft 1 being mounted in a sleeve 2 at a portion of larger diameter.
  • the storage consists of two cylindrical roller or needle rings 3 and 4, the cylindrical rolling elements 5 and 6 are arranged in plastic cages 7 and 8. Each of these cages is snapped into at least one circumferential groove 9 or 10, which is located on the inner circumference of the sleeve.
  • a ball race 11 is arranged, which consists of spherical rolling elements 12, which roll on the one hand in a raceway groove 13 on the circumference of the shaft 1 and the other in a raceway groove 14 on the inner circumference of the sleeve 2. Further, the spherical rolling elements 12 are guided in a cage 15, preferably a Kugelschnappkarfig.
  • the grooves 13 and 14 are designed such that the individual ball-shaped rolling elements in the case of the radial load of the shaft at four points in the two grooves 13 and 14 abut, ie at two points in the raceway groove 13 and at two points in the groove 14.
  • These bearing points are illustrated in the drawing by dotted lines, these dash-dotted lines with respect to a vertical, each include a nominal pressure angle ⁇ 0 , which in the present case is 25 °.
  • the corresponding systems of the spherical rolling elements 12 to the grooves 13 and 14 result from the fact that these grooves 13 and 14 are formed with different juxtaposed radii, so that there are corresponding shoulders.
  • 15 denotes a shaft which is surrounded by a sleeve 16.
  • a bearing is arranged, on the one hand from a cylindrical roller or needle ring 17 and the other consists of a ball ring 18.
  • Both the cylindrical roller or needle ring 17 and the ball race 18 roll directly on the outer circumference of the shaft and on the inner circumference of the sleeve.
  • cylindrical rolling bodies 19 of the cylindrical roller or needle ring 17 are arranged in a cage made of plastic, which in turn is snapped into a circumferential groove 20 on the inner circumference of the sleeve 16.
  • the ball ring 18 has spherical rolling elements 21, which are also guided in a cage 22, wherein this cage 22 is preferably formed as a ball snap cage.
  • a raceway groove 23 is provided, which has a larger radius compared to the spherical rolling elements.
  • a further raceway groove 24 is mounted in the shaft 15, wherein this raceway groove 24 bears against the individual ball-shaped rolling bodies 21 at two points when the shaft 15 is loaded radially.
  • the spherical rolling elements 21 contact the track groove 23 at one point, resulting in three-point contact in general.

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Abstract

Eine Lagerung einer Welle (1) in einer diese konzentrisch umgebenden Hülse (2) soll vorzugsweise für eine Wasserpumpe verwendet werden, wobei die Lagerung zwei Zylinderrollen- oder Nadelkränze (3) aufweist, die unmittelbar am Innenumfang der Hülse (2) und am Außenumfang der Welle (1) abwälzen. Zwischen diesen beiden Zylinderrollen -bzw. Nadelkränzen (3) ist ein Kugelkranz angeordnet, der in einer Laufrille (13) an der Hülse (2) und in einer Lauf rille (14) an der Welle (1) abwälzt. Die kugelförmigen Wälzkörper (12) dieses Kugelkranzes (11) bilden gemeinsam mit den Laufrillen (13 und 14) der Hülse (2) und der Welle (1) ein Vierpunktlager, oder eine Dreipunktlagerung.

Description

Bezeichnung der Erfindung
Lagerung einer Welle
Beschreibung
Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Lagerung einer Welle in einer diese konzentrisch umgebenden Hülse, insbesondere Lagerung einer Antriebswelle einer Wasser- pumpe, wobei die Lagerung zumindest ein erstes Wälzlager mit zylindrischen, an einer äußeren Laufbahn der Welle und einer inneren Laufbahn der Hülse abwälzenden Wälzkörpern und ein zweites Wälzlager mit kugelförmig ausgebildeten Wälzkörpern aufweist, die in einer ersten Laufrille in der Welle und einer zweiten Laufrille in der Hülse abrollen.
Hintergrund der Erfindung
Eine Lagerung einer Welle gemäß der vorgenannten Gattung ist aus den Druckschriften US 2,040,489 und US 3,424,507 bekannt. Nach der US 3,424,507 soll es sich bei der in einer Hülse gelagerten Welle um die Antriebs- welle einer als Kreiselpumpe ausgebildeten Wasserpumpe für Verbrennungsmotoren handeln. Bei der sich aus dem Stand der Technik, insbesondere Figur 1 der US 2,040,489 und Figur 9 der US 3,424,507 ergebenden Ausbildung der Lagerung, soll ein Rillenkugellager vorgesehen sein, neben welchem beidseitig Zylinderrollenlager angeordnet sind. Die Laufrillen in der Welle und in der Hülse sollen einen Radius aufweisen, welcher nur wenig größer als der Kugelradius der Wälzkörper ist. Mittels eines derart gestalteten Rillenkugellagers lassen sich neben radialen Lasten auch, wie in den Druckschriften angegeben, axiale Schubkräfte von der Welle aus auf die Hülse übertragen. Aufgabe der Erfindung
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Lagerung einer Welle gegenüber einer Hülse mit hoher Tragfähigkeit auszubilden. Es soll ferner erreicht werden, dass diese hohe Tragfähigkeit bei verhältnismäßig geringen Abmessungen der Lagerung erreichbar ist.
Zusammenfassung der Erfindung
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das zweite Wälzlager als Vierpunktlager oder als Dreipunktlager ausgebildet ist. Ein derartiges Vierpunktlager nimmt in gleicher Weise Axialbelastungen in beiden axialen Richtungen auf, wobei es in jeder der beiden axialen Richtungen wie ein einrei- higes Schrägkugellager wirkt. Vierpunktlager haben an der inneren und an der äußeren Laufrille je zwei kreisbogenförmige Laufbahnen, deren Krümmungsmittelpunkte so gegeneinander versetzt sind, dass die Kugeln die Welle und die Hülse bei radialer Belastung in vier Punkten berühren, wobei sie geringe radiale Lasten aufnehmen können. Der große Vorteil besteht aber darin, dass sie ne- ben diesen geringen radialen Lasten in beiden Richtungen hohe axiale Lasten aufnehmen können. Die vorgeschlagene Kombination eines Vierpunktlagers mit zumindest einem Zylinderrollenlager eignet sich daher in hervorragender Weise für die Lagerung der Antriebswelle einer Wasserpumpe.
Bei dem alternativ hierzu vorgeschlagenen Dreipunktlager sollen die Kugeln mit der Laufrille in der Welle in gleicher Weise zusammenwirken wie bei dem zuvor erläuterten Vierpunktlager, d. h., die Kugeln werden bei einer radialen Belastung die kreisbogenförmige Laufbahn der Welle jeweils in zwei Punkten berühren. Die Laufrille in der Hülse soll hingegen einen gegenüber dem Radius der Kugel größeren Radius aufweisen, so dass sich die Kugel bei radialen Belastungen in der Laufrille in nur einem Punkt an die Hülse anlegt. Tritt allerdings eine axiale Belastung auf, so ergibt sich wie bei dem zuvor erläuterten Vierpunktlager eine Anlage der Kugel in den jeweiligen Laufrillen in jeweils nur ei- nem Punkt an der Hülse und an der Welle. In weiterer Ausgestaltung der Erfindung soll sowohl im Falle der Verwendung eines Vierpunktlagers als auch eines Dreipunktlagers das erste Wälzlager aus zwei Zylinderrollenlagern bestehen, die beiderseits des Vierpunktlagers oder des Dreipunktlagers angeordnet sind. Eine derartige Kombination der drei Wälzlager ist dafür geeignet, große radiale Lasten und große axiale Lasten bei hohen Drehzahlen aufzunehmen.
Weiterhin ist vorgesehen, dass bei der Verwendung eines Vierpunktlagers oder eines Dreipunktlagers die kugelförmig ausgebildeten Wälzkörper mit einem Nenndruckwinkel αo in den Laufrillen anliegen, der > 25° und < 35° betragen soll. In vorteilhafter Weise kann der Nenndruckwinkel α0 einen Wert von 35° aufweisen.
Schließlich ist in weiterer Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass in der Lageranordnung, sowohl bei der Ausbildung des zweiten Wälzlagers als Vierpunkt- oder als Dreipunktlager neben diesem nur ein einreihiges Zylinderrollenlager zwischen der Welle und der Hülse angeordnet sein soll. Dadurch ergibt sich eine besonders kompakte Ausgestaltung der Lagerung.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und aus den Zeichnungen, in denen zwei Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Lagerung dargestellt und erläutert sind. Es zeigen:
Figur 1 einen Teillängsschnitt durch eine Hülse mit einer erfindungsgemäßen Lagerung, wobei ein zweites Wälzlager gemeinsam mit der Welle und der Hülse eine Vierpunktlagerung bildet und
Figur 2 einen Teillängsschnitt durch eine Hülse mit einer darin angeordneten Lagerung für eine Welle, wobei ein zweites Wälzlager gemeinsam mit der Hülse und der Welle eine Dreipunktlagerung bildet.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
In Figur 1 ist mit 1 eine in ihrem Außendurchmesser abgestufte Welle bezeichnet, wobei diese Welle 1 an einem Abschnitt größeren Durchmessers in einer Hülse 2 gelagert ist. Die Lagerung besteht dabei aus zwei Zylinderrollen- oder Nadelkränzen 3 und 4, deren zylindrische Wälzkörper 5 und 6 in aus Kunststoff hergestellten Käfigen 7 und 8 angeordnet sind. Jeder dieser Käfige ist in zumindest eine Umfangsnut 9 bzw. 10, die sich am inneren Umfang der Hülse befindet, eingeschnappt. Räumlich zwischen den beiden ersten Wälzkörpersätzen 3 und 4 ist ein Kugelkranz 11 angeordnet, welcher aus kugelförmigen Wälzkörpern 12 besteht, die zum einen in einer Laufrille 13 am Umfang der Welle 1 und zum anderen in einer Laufrille 14 am Innenumfang der Hülse 2 abwälzen. Ferner sind die kugelförmigen Wälzkörper 12 in einem Käfig 15, vorzugsweise einem Kugelschnappkäfig geführt.
Dabei sind die Laufrillen 13 und 14 derart gestaltet, dass die einzelnen kugel- förmigen Wälzkörper im Falle der radialen Belastung der Welle an insgesamt vier Punkten in den beiden Laufrillen 13 und 14 anliegen, also jeweils an zwei Punkten in der Laufrille 13 und an zwei Punkten in der Laufrille 14. Diese Anlagepunkte sind in der Zeichnung durch strichpunktierte Linien verdeutlicht, wobei diese strichpunktierte Linien gegenüber einer Vertikalen, jeweils einen Nenn- druckwinkel α0 einschließen, der im vorliegenden Fall 25° beträgt. Die entsprechenden Anlagen der kugelförmigen Wälzkörper 12 an die Laufrillen 13 und 14 ergeben sich dadurch, dass diese Laufrillen 13 und 14 mit unterschiedlichen aneinander gefügten Radien ausgebildet sind, so dass sich entsprechende Schultern ergeben.
In der Figur 2 ist mit 15 eine Welle bezeichnet, die von einer Hülse 16 umgeben ist. Zwischen dieser Welle 15 und der Hülse 16 ist eine Lagerung angeordnet, die zum einen aus einem Zylinderrollen- oder Nadelkranz 17 und zum anderen aus einem Kugelkranz 18 besteht. Sowohl der Zylinderrollen- oder Nadelkranz 17 als auch der Kugelkranz 18 wälzen unmittelbar am Außenumfang der Welle und am Innenumfang der Hülse ab. Dabei sind zylindrische Wälzkörper 19 des Zylinderrollen- oder Nadelkranzes 17 in einem aus Kunststoff hergestellten Kä- fig angeordnet, welcher seinerseits in eine Umfangsnut 20 am Innenumfang der Hülse 16 eingeschnappt ist.
Der Kugelkranz 18 weist kugelförmige Wälzkörper 21 auf, die ebenfalls in einem Käfig 22 geführt sind, wobei dieser Käfig 22 vorzugsweise als Kugel- schnappkäfig ausgebildet ist. In der Hülse 16 ist eine Laufrille 23 vorgesehen, die einen im Vergleich zu den kugelförmigen Wälzkörpern größeren Radius besitzt. Eine weitere Laufrille 24 ist in der Welle 15 angebracht, wobei diese Laufrille 24 sich bei radialer Belastung der Welle 15 jeweils an zwei Punkten an die einzelnen kugelförmigen Wälzkörper 21 anlegt. In diesem Zustand der ra- dialen Belastung der Welle 15 berühren die kugelförmigen Wälzkörper 21 andererseits die Laufrille 23 in einem Punkt, so dass sich insbesamt ein Drei-Punkt- Kontakt ergibt. Im Falle einer axialen Last an der Welle 15 wirkt dieses Dreipunktlager (Kugelkranz 18, kugelförmige Wälzkörper 21 , Laufrillen 23 und 24) wie ein Schrägkugellager, d. h., die kugelförmigen Wälzkörper legen sich in den Laufrillen 23 und 24 diametral gegenüberliegend an jeweils einem Punkt in der Laufrille 23 und 24 an.
Bezugszahlenliste
1 Welle
2 Hülse
3 Zylinderrollen- / Nadelkränze
4 Zylinderrollen- / Nadelkränze
5 zylindrische Wälzkörper
6 zylindrische Wälzkörper
7 Käfig
8 Käfig
9 Umfangsnut
10 Umfangsnut
11 Kugelkranz
12 kugelförmige Wälzkörper
13 Lauf hl Ie
14 Lauf hl Ie
15 Welle
16 Hülse
17 Zylinderrollen- / Nadelkranz
18 Kugelkranz
19 zylindrische Wälzkörper
20 Umfangsnut
21 kugelförmige Wälzkörper
22 Käfig
23 Lauf hl Ie
24 Lauf hl Ie

Claims

Patentansprüche
1. Lagerung einer Welle (1 ) in einer diese konzentrisch umgebenden Hülse (2), insbesondere Lagerung einer Antriebswelle einer Wasserpumpe, wobei die Lagerung zumindest ein erstes Wälzlager (3, 4) mit zylindrischen, an einer äußeren Laufbahn der Welle (1 ) und einer inneren Laufbahn der Hülse (2) abwälzenden Wälzkörpern (5, 6) und ein zweites Wälzlager (11 ) mit kugelförmig ausgebildeten Wälzkörpern (12) aufweist, die in einer ersten Laufrille (13) in der Welle (1 ) und einer zweiten Laufrille (14) in der Hülse (2) abrollen, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Wälzlager (11 ) gemeinsam mit der Welle (1 ) und der Hülse (2) als Vierpunktlager ausgebildet ist.
2. Lagerung einer Welle (15) in einer diese konzentrisch umgebenden Hülse (16), insbesondere Lagerung einer Antriebswelle einer Wasserpumpe, wobei die Lagerung zumindest ein erstes Wälzlager (17) mit zylindrischen, an einer äußeren Laufbahn der Welle (15) und einer inneren Laufbahn der Hülse (16) abwälzenden Wälzkörper (19) und ein zweites
Wälzlager (18) mit kugelförmig ausgebildeten Wälzkörpern (21 ) aufweist, die in einer ersten Laufrille (23) in der Welle (15) und einer zweiten Laufrille (24) in der Hülse (16) abrollen, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Wälzlager (18) gemeinsam mit der Welle (15) und der Hülse (16) eine Dreipunktlagerung bildet.
3. Lagerung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass zwei erste Wälzlager (3) jeweils als einreihige Zylinderrollenlager (3) ausgebildet sind, die beiderseits des als Vierpunktlager ausgebildeten zweiten Wälz- lagers (11 ) angeordnet sind.
4. Lagerung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Wälzlager als einreihiges Zylinderrollenlager (3) ausgebildet ist, wobei mit Abstand zu dem ersten Wälzlager (3) das zweite als Vierpunktlager ausgebildete Wälzlager (11 ) angeordnet ist.
5. Lagerung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Vierpunktlager mit einem Nenndruckwinkel α0 ausgebildet ist, wobei 25° < α0 < 35° ist.
6. Lagerung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das als Vierpunktlager ausgebildete zweite Wälzlager (11 ) mit einem Nenndruckwinkel αo = 25° ausgebildet ist.
7. Lagerung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die kugelförmigen Wälzkörper (21 ) in der Laufrille 24 mit einem Nenndruckwinkel αo = 25° anliegen.
8. Lagerung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeich- net, dass ein Zylinderrollenlager (17) mit einem neben diesem angeordneten Dreipunkt- oder Vierpunktlager kombiniert ist.
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