WO2008074741A2

WO2008074741A2 - Rotorlagerung in einer wasserpumpe

Info

Publication number: WO2008074741A2
Application number: PCT/EP2007/063959
Authority: WO
Inventors: Elmar Mause; Horst Steinbinder
Original assignee: Schaeffler Kg
Priority date: 2006-12-19
Filing date: 2007-12-14
Publication date: 2008-06-26
Also published as: WO2008074741A3; DE102006059869A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Rotorlagerung (6, 19, 22) in einer Wasserpumpe (1) mit wenigstens zwei axial zueinander benachbarten Lagerstellen (11, 12), wobei zumindest eine der Lagestellen (11, 12, 20) wenigstens eine Reihe (11a, 12a, 20a) von Wälzkörpern aufweist, die Kugelscheiben (14) sind.

Description

Bezeichnung der Erfindung

Rotorlagerung in einer Wasserpumpe

Beschreibung

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Rotorlagerung in einer Wasserpumpe mit wenigstens zwei axial zueinander benachbarten Lagerstellen, wobei jede der Lagestellen wenigstens eine Reihe von Wälzkörpern aufweist.

Hintergrund der Erfindung

Lagerungen für den Rotor von Wasserpumpen sind, wie in DE199 40 456 A1 beschrieben, in der Regel mindestens zweireihig oder weisen mehr als zwei Reihen auf. Sie sind demnach also aus zwei Lagerstellen gebildet, von denen jede mindestens eine Reihe aufweist. Die Reihen sind axial zueinander beabstandet, um Kippmomente aus Riemenkräften und Unwuchten des Riementriebs sowie des Pumpenrades aufzunehmen. Unter einer Reihe ist eine definierte Anzahl von umfangsseitig aufeinander folgenden bzw. umfangsseitig zueinander benachbarten Wälzkörpern gleichen oder sich voneinander unterscheidenden Typs zu verstehen, die entweder durch die Stege eines Käfigs umfangsseitig zueinander auf Abstand gehalten werden bzw. umfangsseitig unmittelbar aufeinander folgen. Die Lagerstellen/Reihen sollen axial genügend weit voneinander entfernt sein, um die notwendigen Stützabstände und Rotationsstabilität zu gewährleisten. Aus Bauraumgründen jedoch sollten die Reihen axial so dicht wie möglich aneinander liegen.

Die Lagerstellen der Rotorlagerung sind durch die Kräfte insbesondere des Riementriebs, mit dem auch die Wasserpumpe angetrieben wird, ungleichmäßig belastet. Die höher belasteten Lagerstelle weist deshalb in der Regel eine höhere Tragzahl auf als die weniger belastete Lagerstelle. Weiterhin sind die Lagerstellen, insbesondere in Schrägkugellageranordnungen durch axiale Kräfte aus dem Wasserpumpenflügelrad belastet. Die Lebensdauer der Lageranordnungen ist auch aufgrund von Motordrehzahlungleichförmigkeiten durch ungleichförmigen Lauf des Riementriebs hohen axialen, radialen und umfangsgerichteten Beschleunigungen ausgesetzt. Die zunehmende Leistungssteigerung der Motoren zieht außerdem erhöhten Kühlmitteldurchsatz und höhere Belastungen aus dem Riementrieb nach sich. Die Rotorlagerungen müssen durch erhöhte Tragfähigkeit den steigenden Anforderungen angepasst werden.

In DE199 40 456 A1 wird zum Beispiel eine Rotorlagerung vorgeschlagen, in der die höher belastete Lagerstelle vollkugelig ausgeführt ist und die weniger belastete Lagerstelle eine Reihe im Käfig geführter Kugeln aufweist. Unter voll- kugelig ist eine Lagerung ohne Käfig zu verstehen, in der eine Reihe möglichst vieler Kugeln mit möglichst geringem Spiel aufeinander folgen, so dass die für den Bauraum höchstmögliche Tragzahl erzielt wird. Die Kugeln des vollkugeligen Lagers stoßen bei Betrieb, insbesondere beim Eintritt in die Lastzone, aneinander und werden abgebremst. Es entstehen Schlupf und Reibung, Ver- schleiß und somit Wärme. Antriebsenergie geht verloren. Derartige Lagerungen sind deshalb nicht oder nur bedingt für Betrieb mit hohen Drehzahlen geeignet.

Der Anzahl der Kugeln auch in Lagern mit Käfig sind durch den maximal mögli- chen Füllgrad des Lagers Grenzen gesetzt. Der Füllgrad als Verhältnis der Anzahl der Kugeln mit dem ein Kugellager bei der Montage tatsächlich befüllt werden kann, zu der theoretisch maximalen Anzahl von Kugeln, die auf dem Teilkreis des Lagers angeordnet werden könnten, hängt im wesentlichen der Methode ab, mit der das Lager befüllt wird.

In Rillenkugellagern werden die Kugeln zwischen die Laufringe gebracht, in dem man zunächst die Lagerringe und damit deren Innen- bzw. Außenlaufbahn exzentrisch zueinander verschiebt. Danach werden die Kugeln, unter Umstän- den auch mit Ausnutzung elastischer Verformung der Lagerringen, durch einen sichelförmigen radialen Spalt in einen von den Laufbahnen begrenzten Raum eingebracht. Der sichelförmig Spalt ist durch die Exzentrizität der Lagerringe zwischen deren Borden ausgebildet. Nach dem Befüllen wird die Exzent- rizität aufgehoben und die Kugeln werden gleichmäßig am Umfang verteilt und schließlich ein Käfig als Abstandshalter montiert. Die Abmessungen des Spalts sind durch die Tiefe der Laufrillen der Kugellager, d.h. somit durch die radiale Höhe deren Seitenborde, bestimmt. Das Aufnahmevermögen des Raums zwischen den Laufbahnen ist durch die Exzentrizität relativ gering. Demzufolge ist der Füllgrad bei der exzentrischen Montage relativ gering. Lagerstellen mit hoher Tragfähigkeit müssen deshalb mit großen Abmessungen versehen sein um das Fehlen der für hohe Tragfähigkeit benötigten Kugeln z.B. durch größere Durchmesser der wenigen Kugeln zu kompensieren

Die zweireihigen Lagerungen von Wasserpumpen weisen in der Regel zwei zueinander beabstandete äußere Kugellaufbahnen einem einteiligen Außenring sowie zwei zueinander beabstandete innere Kugellaufbahnen direkt in einer durchgehenden Rotorwelle auf. In derartigen Lagern kann nur eine der Reihen mit einer maximal möglichen Kugelanzahl befüllt werden, da die Innen- und Außenlaufbahn der zweiten zu befüllenden Reihe nach dem Befüllen der ersten Reihe nicht mehr ausschließlich radial exzentrisch zueinander zu verlagern sind, sondern auch noch gegeneinander verkippt sind. Das Aufnahmevermögen des Raums ist durch die Verkippung der Rotorwelle in dem Außenring (zueinander geneigte Mittenachsen des Innen- und Außenrings) kleiner als bei reiner radialer Verlagerung (parallele Mittenachsen), so dass weniger Kugeln eingebracht werden können. Derartig von Reihe zu Reihe mit unterschiedlicher Anzahl Kugeln bestückte Lagerungen werden auch als asymmetrische beziehungsweise unsymmetrische Lagerungen bezeichnet.

Seitliche Füllöffnungen im Bord lassen optimale Befüllung mit Kugeln zu, schwächen jedoch den Bord und sind deshalb insbesondere für Schrägkugellageranordnungen nicht in jedem Falle geeignet. Es gibt auch Rotorlagerungen, vorwiegend mit Schrägkugellagerungen, in denen die höher belastete Lagerstelle mehr Kugeln aufweist als die weniger belastete Lagerstelle und in denen die Kugeln aber in beiden Lagern durch jeweils einen Käfig geführt sind. Diese Lagerungen werden aufgrund der vorge- nannten Ungleichheiten auch als unsymmetrisch ausgeführte Lagerungen bezeichnet. Die Kosten für Herstellung und Lagerung können, höher sein als die für symmetrische Lagerungen. Der Anzahl der Kugeln der höher belasteten Reihe ist aufgrund von Mindestquerschnitten für die Stabilität höher belasteten Käfigs Grenzen gesetzt. Die Lagerstellen müssen dann um den Anforderungen an erhöhte Tragzahl gerecht zu werden, entsprechend größer dimensioniert sein, so dass für die Lagerung und damit für die Wasserpumpe mehr Bauraum benötigt wird.

In anderen Wasserpumpen werden in der höher belasteten Lagerstelle Rollen oder Nadeln anstelle von Kugeln eingesetzt und damit die Tragzahl der Lagerstelle erhöht. Diese Lagerstellen neigen in ungünstigen Lastfällen im Wälzkontakt mit den Rollen aufgrund von Kantenbelastungen vorzeitig zu Ausfällen. Außerdem sind in der Regel in diesen Lagerstellen die Reibung und somit E- nergieverluste höher. Hinzu kommt ein höherer Geräuschpegel, mit dem diese Lagerstellen laufen.

In anderen höher belasteten Rotorlagerungen ist wenigstens eine der Lagerstellen zweireihig ausgeführt und beansprucht entsprechend mehr axialen Bauraum, mehr Material und ist deshalb teuerer in der Herstellung. Außerdem verbrauchen diese Lagerungen mehr Antriebsenergie.

Zusammenfassung der Erfindung

Die Aufgabe der Erfindung ist es daher Rotorlagerungen zu schaffen, die die zuvor genannten Nachteile nicht aufweisen.

Die Aufgabe ist nach dem kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 dadurch gelöst, dass wenigstens eine der Reihen Wälzkörper aufweist, die Kugelschei- ben sind. Unter Kugelscheiben ist der Typ von Wälzkörpern zu verstehen, die an sich noch die Kugelform aufweisen, die jedoch von der Kugelform abweichend zwei einander parallel gegenüberliegende Flanken (Seitenflächen) jeweils in Form einer Kreisfläche aufweisen. Die Seitenflächen der Kugelschei- ben sind symmetrisch und dadurch gebildet, dass eine Kugelgrundform an gegenüberliegenden Enden abgeflacht ist. Die Seitenflächen weisen zueinander gleiche Seitenflächendurchmesser auf. Zwischen den Seitenflächen wölbt sich eine kugelballige Ringfläche, die durch einen Kugelradius beschrieben ist. Der Kugelradius ist der Radius, durch den die Kugelgrundform festgelegt ist und dessen Einstichpunkt genau mittig zwischen den einander gegenüberliegenden Seitenflächen auf der Rotationsachse bzw. Symmetrieachse der Kugelscheibe liegt.

Die Kugelscheiben unterscheiden sich durch den Kugelradius und durch die Lage seines Einstichpunktes von den klassischen Tonnenrollen. Die Balligkeit der Mantelfläche von Tonnenrollen ist durch einen oder mehrere Radien beschrieben, deren Einstichpunkte nicht auf der Symmetrieachse der Rolle liegen und in der Regel größer sind als der größte radiale Abstand zwischen Symmetrieachse und Mantel der Tonnenrolle.

Die Kugelscheiben sind mit der kugelballigen Ringfläche mit den Außen- und Innenlaufbahnen im Wälzkontakt. Die Kontaktgeometrie Lagern mit Kugelscheiben entspricht denen von Kugellagern. Deshalb weisen Lager mit Kugelscheiben die gleichen Tragzahlen auf wie Lager mit der gleichen Anzahl Ku- geln, wenn die Kugeln den gleichem Kugelradius wie die Kugelscheiben aufweisen und auch ansonsten mit der gleiche Kontaktgeometrie versehen sind. Die Kugelscheiben wiegen jedoch weniger. Ein Lager mit Kugelscheiben, das die gleiche Anzahl an Wälzkörpern aufweist wie ein tragzahlgleiches klassisches Kugellager, ist deshalb vorteilhaft leichter als dieses - auch weil die Ku- gelscheiben axial weniger Bauraum beanspruchen und somit weitere Elemente des Lagers wie die Lagerringe schmaler ausgelegt sein können und somit weniger Gewicht aufweisen. Das Gesamtgewicht der Wasserpumpe und deren Abmessung kann somit, ohne das die Rotorlagerung an Tragfähigkeit verliert, verringert werden. Diese Vorteile sind insbesondere bei zweireihigen Lagerstellen mit zwei Reihen Kugelscheiben im Vergleich zu Lagerstellen zwei Reihen Kugeln pro Lagerstelle bzw. mit einer Reihe Rollen spürbar, da der Anteil an Gewichts- und Bauraumersparnis bei unveränderter Tragfähigkeit verbes- sert ist. Der Materialverbrauch für die Herstellung und der Energieverbrauch der Wasserpumpe bei Betrieb ist somit verringert.

Denkbar ist auch, dass die Abmessungen der Wasserpumpe im Vergleich zu einer Wasserpumpe mit der klassischen Kugellagerung trotz reduzierten axia- len Bauraumbedarfs bei der erfindungsgemäßen Rotorlagerung beibehalten werden und der „freigewordene" Bauraum für die Integration zusätzlicher oder verbesserter Dichtelemente genutzt wird. Es ist auch möglich, die Stützabstände zwischen den Lagerstellen innerhalb des axial gewonnenen Bauraums zu vergrößern und damit die Kippsteifigkeit der Rotorlagerung zu erhöhen, oh- ne dass die Wasserpumpe deshalb axial verbreitert werden muss. Denkbar ist auch, dass der gewonnene axiale Bauraum als Speicher für Schmierstoff genutzt wird, so dass der Rotorlagerung insgesamt mehr Schmierstoff zur Verfügung steht.

Da die Kugelscheiben weniger Gewicht aufweisen, sind die Massen kräfte, die durch beschleunigte Kugelscheiben entstehen und Schleppmomente am Käfig geringer, so dass dieser schwächer dimensioniert oder in kritischen Anwendungen mit höheren Sicherheiten ausgelegt sein kann.

Da die Kugelscheiben abgeflacht sind, kann es möglich sein, bei der anfangs erwähnten exzentrischen Montage mehr Wälzkörper ins Lager einzubringen, wenn die Kugelscheiben schmal genug sind. Die Kugelscheiben werden dazu so in den Raum zwischen den Lagerringen eingesetzt, dass zunächst die Seitenflächen der benachbarten Kugelscheiben zueinander weisen. Es ist denk- bar, die Tragzahl und unter Umständen auch die Steifigkeit der Lagerung bei unveränderten Durchmessern durch wenigstens einen Wälzkörper mehr pro Reihe zu erhöhen. Der durch die Lagerung mit Kugelscheiben beanspruchte axiale Bauraum ist beispielsweise gegenüber einem durchmessergleichen Kugellager bis zu 20% reduzierbar, so dass bei Einsatz der erfindungsgemäßen Lagerung die Tragzahlerhöhung durch mehr Wälzkörper nicht mehr mit der Vergrößerung des Gewichts und vergrößertem Bauraumbedarf einhergehen muss.

Der Einsatz von Kugelscheiben lässt auch die maximal mögliche Befüllung von zweireihigen Lagern zu, wenn deren Laufbahnen nicht exzentrisch zueinander ausgerichtet sind - das heißt wenn deren Mittenachsen (Rotationsachsen) auf- einander liegen. Die Kugelrollen beziehungsweise Kugelscheiben werden so horizontal zugeführt, dass deren Seitenflächen parallel zur Rotationsachse des Lagers ausgerichtet sind und durch den Ringspalt zwischen Lagerbord des Außenrings und Lagerbord des Innenrings (beziehungsweise der Rotorwelle) hindurch zwischen die Innen- und Außenlaufbahnen geschoben werden kön- nen. Der Füllgrad des Lagers ist nicht mehr von einem Füllspalt abhängig, da der Außenring und die Rotorwelle konzentrisch angeordnet sind. Der im Vergleich zum vollkugeligen Lager geringere Füllgrad eines Wasserpumpenlagers mit Käfig und Kugelscheiben ist nur noch durch den Verlust an Einbauraum für Kugelscheiben begründet, der umfangsseitig zwischen den Kugelscheiben für den Käfig als Abstandshalter beansprucht ist und deshalb nicht für eine oder mehr Kugelscheiben genutzt werden kann. Wasserpumpenlager sind aufgrund der Erfindung symmetrisch mit Wälzkörpern maximal befüllbar - so dass beide Reihen die gleiche Anzahl an Wälzkörpern aufweisen.

Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht die Anwendung von Kugelscheiben in Schrägkugellagern vor, wie diese bevorzugt in Rotorlagerungen von Wasserpumpen vorgesehen sind und die wie anfangs beschrieben jeweils die Laufbahnen in einem einteiligen Außenring und in einer durchgehenden Welle aufweisen. Dazu sind die Seitenflächen der Kugelflächen mit dem Druckwinkel des Schrägkugellagers zur Rotationsachse des Rotors geneigt.

Weiterhin sind folgende Anordnungen von Rotorlagerungen vorgesehen: Ein- oder mehrreihige Lagerungen, in denen alle oder mindestens eine der Lager- stellen eine Reihe mit den Kugelscheiben aufweist. Eine Lagerstelle der Rotorlagerung weist eine Kugelreihe und die andere weist eine Reihe mit Kugelscheiben auf. Die Anzahl der Kugeln entspricht dabei der Anzahl der Kugelscheiben oder unterscheidet sich von dieser, insbesondere dann, wenn die Kugelradien der Wälzkörper einer Reihe gleich groß zur anderen Reihe sind. Die Kugeln und Kugelscheiben sind wahlweise in Käfigen geführt.

Beschreibung der Zeichnung

Die Erfindung ist nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Figur 1 zeigt eine Wasserpumpe 1 , in einer längs teilweise geschnitten dargestellten Ansicht, aus einem Gehäuse 2, einem Pumpenrad 3, einer Antriebsriemenscheibe 4, einem Antriebsflansch 5 und aus einer Rotorlagerung 6. Die Antriebsriemenscheibe 4 sitzt mittels Antriebsflansch 5 auf einer Rotorwelle 7, die mit der Rotorlagerung 6 drehbar aber axial fest gelagert ist. Auf der Rotorwelle 7 ist auch das Pumpenrad 3 befestigt.

Die Rotorlagerung 6 ist eine Baueinheit aus zwei axial zueinander benachbarten Lagerstellen 11 und 12, einem gemeinsamen Lagerring 8 mit den rillenför- migen Außenlaufbahnen 10 für die Lagerstellen 11 und 12 und aus der Rotorwelle 7. Die rillenförmigen Innenlaufbahnen 9 sind direkt an der Rotorwelle 7 ausgebildet. Rotorlagerung 6 ist eine Schräglageranordnung mit einer Reihe 11 a, 12a Wälzkörper pro Lagerstelle 11 , 12. Die Wälzkörper der Reihe 11 sind Kugeln 13. Die Wälzkörper der Reihe 12a sind Kugelscheiben 14. Die Anzahl der Kugelscheiben 14 ist in diesem Fall so groß wie die Anzahl der Kugeln 13, kann aber auch von dieser abweichen und ist aus der Darstellung nicht zu entnehmen.

Figur 2 zeigt eine einzelne Kugelscheibe 14 vergrößert und nicht maßstäblich dargestellt. Die Kugelscheibe 14 weist zwei symmetrisch von einer Kugelgrundform 14' abgeflachte und sich einander parallel gegenüberliegenden Seitenflächen 15 (Kreisringflächen) mit dem gleichen Durchmesser c/ zueinander auf. Zwischen den Seitenflächen 15 ist eine durch einen Kugelradius R bestimmte kugelballige Ringfläche 16 ausgewölbt. Der Kugelradius R entspricht dem Radius der Kugelgrundform 14' und geht deshalb von einem mittig zwischen den Seitenflächen 15 sowie dabei auf der Rotationsachse 22 der Kugelscheibe 14 liegenden Einstichpunkt 18 ab. Der Einstichpunkt 18 entspricht dem Zentrum der Kugelgrundform 14'.

Figur 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Rotorlagerung 19 mit zwei Lagerstellen 12 und 20 in Schräglageranordnung, mit dem gemeinsamen Lagerring 8, deren Aufbau ansonsten dem der Rotorlagerung 6 entspricht, in einem Längsschnitt. Beide Reihen 12a und 20a weisen Kugelscheiben 14 in Käfigen 21 auf, mit denen die Rotorwelle 7 drehbar gelagert ist. Die Seitenflächen 15 sind um einen Winkel alpha zur Rotationsachse 17 der Rotorwelle 7 geneigt, der dem Druckwinkel alpha der Schräglageranordnung entspricht.

In Figur 4 ist ein Schritt der Befüllung einer zweireihigen Rotorlagerung 22 dargestellt. Die Laufbahnen 23 und 24 sind nicht exzentrisch sondern konzentrisch zueinander ausgerichtet - das heißt deren Mittenachsen beziehungsweise Rotationsachsen liegen aufeinander und sind mit der Rotationsachse 25 der Rotorlagerung 22 identisch. Die Seitenflächen 15 der Kugelscheiben 14 sind pa- rallel zur Rotationsachse 25 Rotorlagerung 22 ausgerichtet und so horizontal (in dieser Darstellung in die Bildebene hinein) durch den Ringspalt 26 zwischen Lagerbord 27 des Außenrings 28 und der Rotorwelle 29 hindurch zwischen die Innen- und Außenlaufbahnen 23 und 24 zugeführt. Nach dem Befül- len werden die Kugelscheiben 14 gedreht. Der Füllgrad hängt nur noch von der Summe der notwendigen Abstände B ab, welche die in die Rotorlagerung 22 montierten Kugelscheiben 14 umfangsseitig für den Eingriff des Käfigs 30 voneinander trennen. Der Käfig wird zugeführt und in die Rotorlagerung 22 eingesetzt (Fig. 5). Wasserpumpenlager sind demnach aufgrund der Erfindung symmetrisch mit Wälzkörpern befüllbar - d.h. beide Reihen der Rotorlagerung können die gleiche Anzahl an Wälzkörpern aufweisen. Bezugszeichenliste

1 Wasserpumpe

2 Gehäuse

3 Pumpenrad

4 Antriebsriemenscheibe

5 Antriebsflansch

6 Rotorlagerung

7 Rotorwelle

8 Lagerring

9 Innenlaufbahn

10 Außenlaufbahn

11 Lagerstellen

12 Lagerstellen

12a Reihe

13 Kugel

14 Kugelscheiben

15 Seitenfläche

16 Ringfläche

17 Rotationsachse

18 Einstichpunkt

19 Rotorlagerung.

20 Lagerstellen

20a Reihe

21 Käfig

22 Rotorlagerung

23 Laufbahn

24 Laufbahn

25 Rotationsachse

26 Ringspalt

27 Lagerbord

28 Außenring

29 Rotorwelle

30 Käfig

Claims

Patentansprüche

1. Rotorlagerung (6, 19, 22) in einer Wasserpumpe (1 ) mit wenigstens zwei axial zueinander benachbarten Lagerstellen (11 , 12), wobei jede der Lagestellen (11 , 12, 20) wenigstens eine Reihe (11 a, 12a, 20a) von Wälzkörpern aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine der Reihen (12a, 20a) Wälzkörper aufweist, die Kugelscheiben (14) sind, wobei die Kugelscheiben (14) mit zwei symmetrisch von einer Kugelgrundform (14') abgeflachten und sich einander parallel gegenüberliegenden Seitenflächen (15) versehen sind, und wobei zwischen den Seitenflächen (15) eine durch einen

Kugelradius (R) bestimmte kugelballige Ringfläche (16) ausgewölbt ist, mit dem auch die Kugelgrundform (14') festgelegt ist und der von einem mittig zwischen den Seitenflächen (15) sowie dabei auf der Rotationsachse der Kugelscheibe (14) liegenden Einstichpunkt (18) abgeht.

2. Rotorlagerung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Seitenflächen (15) zur Rotationsachse (17) der Rotorlagerung (6, 19, 22) geneigt sind.

3. Rotorlagerung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der Kugelscheiben (14) einer Reihe (11 a, 12a, 20a) so groß wie die Anzahl Wälzkörper in der benachbarten Reihe (11 a, 12a, 20a) ist.