WO2010009689A1 - Kegelrollenlager - Google Patents

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Armin Necker
Witold Marek Smolenski
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Schaeffler Kg
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    • F16C2240/40—Linear dimensions, e.g. length, radius, thickness, gap
    • F16C2240/70—Diameters; Radii

Definitions

  • the invention relates to a tapered roller bearing with a plurality of tapered rollers, which are arranged between a bearing outer ring and a bearing inner ring with the tapered rollers facing Lagerbord Structure and each having a roller rotation axis and a rotationally symmetrical end face whose geometry described in cross section through a circular arc with a radius is.
  • German Offenlegungsschrift DE 10 2007 052 429 A1 discloses such a tapered roller bearing in which a multiplicity of tapered rollers are provided which are rotatably arranged between an inner ring and an outer ring.
  • the tapered rollers are held by a cage circumferentially spaced at predetermined intervals.
  • the tapered rollers on the one hand and the geometry of the bearing inner ring on the other hand designed so that the apex of the cone angle of the respective tapered roller and the Vertex angle of the cone angle of the running surfaces of the inner ring or of the outer ring in cross-section and coincide in the tangential section perpendicular thereto in a single point on the central axis or the axis of rotation of the tapered roller bearing.
  • a bearing shelf of the bearing inner ring in this case has a conical surface and a recessed surface, which is formed around the said point on the central axis of the tapered roller bearing around.
  • the end face of the respective tapered roller is profiled such that its end face consists of a part spherical portion with a radius of curvature which is suitably smaller than the radius from the point on the axis of rotation of the bearing to the surface of the bearing shelf.
  • a recessed surface adjacent to the conical surface of the bearing shelf having a circular cross-section forms a wedge-shaped gap at an acute angle to the face of the respective tapered roller outside the contact region. This is intended to improve the pull-in of the lubricant into the contact area, so that a sufficient oil film forms there.
  • an object of the present invention is to reduce the frictional torque of a tapered roller bearing and to optimize the formation of lubricating film.
  • a tapered roller bearing with the features of claim 1. Accordingly, in a tapered roller bearing with a plurality of tapered rollers, which are arranged between a bearing outer ring and a bearing inner ring with the tapered rollers facing Lagerbord Structure and each having a roller rotation axis and a rotationally symmetrical front side sen whose geometry in cross section through a circular arc with a curvature radius described is provided that the center of the arc is outside the roller rotation axis.
  • the contact geometry between the bearing board and the roller end face is significantly improved and reduces the pressure load occurring there.
  • the desired hydrodynamic lubrication state can occur even at relatively low, compared to conventional tapered roller bearings significantly reduced peripheral speeds.
  • the friction torque of the tapered roller bearing is significantly reduced, especially at low bearing speeds - which usually still mixed friction exists.
  • the opening angle between the running surface of the inner ring and the bearing flange in cross section is more than 90 °.
  • the bearing board can preferably adopt a shape by selecting a suitable borehole radius in tangential plane viewing in the relevant contact region, which forms a substantially punctiform operative contact with the torus-shaped profiled front side of the respective tapered roller.
  • lubricant can be brought into the contact region through the gap, which is formed by the contact zone of the bearing shelf with the torus of the respective tapered roller, in a particularly advantageous manner and form an optimized lubricating film even at low bearing speeds.
  • a ratio of the torus-determining radii namely the tangential plane roller radius to the tangential plane on-board radius between 0.8 and 0.98. This results in particularly advantageous, also known as osculation contact relations between the roller end face and the bearing board.
  • Figure 1 relevant dimensions of a tapered roller bearing according to the invention in
  • Figure 2 shows an enlarged view of a first possible embodiment of a tapered roller for a tapered roller bearing according to the invention
  • FIG. 3 shows a second embodiment of a tapered roller for a tapered roller bearing according to the invention.
  • Figure 1 shows the cross section of a tapered roller bearing according to the invention, wherein the plane of the drawing lies in the cross-sectional plane and in Figure 1 for the sake of clarity, only the upper, lying above the axis of rotation 1 of the bearing part of the cross section is shown.
  • the tapered roller bearing comprises a plurality of tapered rollers 2, which are distributed over the circumference between a running surface 3 of a bearing inner ring 4 and a running surface 5 of a bearing outer ring 6 are arranged.
  • Each tapered roller 2 has a roller rotation axis 8 and a profiled end face 9.
  • the tangential plane extends perpendicular to the plane of the drawing (cross-sectional plane) and penetrates the plane of the drawing along a board normal 16.
  • the board normal is in the cross-sectional plane at right angles to the straight line 12 containing the contact point 12 and lies in the tangential plane extending perpendicular to the cross-sectional plane.
  • roller spur radius r 12 can be seen. Its radius center 22 lies in the cross-sectional plane on the board normal but, as will be explained in connection with FIGS. 2 and 3, is located outside the roller rotation axis 8 in three-dimensional view and describes a circular arc line rotating about the rotation axis. (Only for a clearer illustration, the amount of Rollenstirnradius ri 2 in Figure 1 is dimensioned separately.)
  • the rim radius r 22 runs as a tangential plane boron radius such that its radius center at the point of intersection 23 of the on-board normal 16 coincides with the axis of rotation 1 of the bearing and thus lies outside the roller rotation axis 8. This results in an eccentricity 30 with respect to this radius center point 26 in comparison with the point of intersection 28 of the axis rotation axis 8 with the axis of rotation.
  • the tangential plane roller radius rn is dimensioned separately outside the board normal or the tangential plane for reasons of clarity.
  • T 11 is preferably about 80% - 98% of r 2 2-
  • Figure 2 shows schematically isolated a tapered roller 2, the end face 9 is described as described above by a radius 32, the radius center 35 is in the illustration of Figure 2 above and outside the roller rotation axis 8 and thus a comparatively narrow arc 36 and thus a Defined relatively strongly curved torus surface.
  • the end face 9 of the tapered roller 2 in the central region 37 have a recess 38.
  • FIG. 3 shows a tapered roller 2 in which the radius center 35 of the radius 32 occupies a substantially larger angle (in cross-section) relative to the roller rotation axis 8 and thus defines a comparatively flat circular arc 39 describing the end face of the conical roller 2.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Rolling Contact Bearings (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Kegelrollenlager mit mehreren Kegelrollen (2), die zwischen einem Lageraußenring (6) und einem Lagerinnenring (4) mit einer den Kegelrollen zugewandten Lagerbordfläche (10) angeordnet sind und die jeweils eine Rollenrotationsachse (8) und eine rotationssymmetrische Stirnseite (9) aufweisen, deren Geometrie im Querschnitt durch einen Kreisbogen (36) mit einem Bogenradius (32) beschrieben ist. Um das Reibmoment eines Kegelrollenlagers zu vermindern und die Schmierfilmbildung zu optimieren, ist vorgesehen, dass der Mittelpunkt (35) des Kreisbogens (36) außerhalb der Rollenrotationsachse (8) liegt.

Description

Bezeichnung der Erfindung
Kegelrollenlager
Beschreibung
Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Kegelrollenlager mit mehreren Kegelrollen, die zwi- sehen einem Lageraußenring und einem Lagerinnenring mit einer den Kegelrollen zugewandten Lagerbordfläche angeordnet sind und die jeweils eine Rollenrotationsachse und eine rotationssymmetrische Stirnseite aufweisen, deren Geometrie im Querschnitt durch einen Kreisbogen mit einem Bogen- radius beschrieben ist.
Aus der Deutschen Offenlegungsschrift DE 10 2007 052 429 A1 geht ein derartiges Kegelrollenlager hervor, bei dem eine Vielzahl von drehbar zwischen einem Innenring und einem Außenring angeordnete Kegelrollen vorgesehen ist. Die Kegelrollen sind von einem Käfig über den Umfang in vor- bestimmten Abständen beabstandet gehalten. Dabei sind die Kegelrollen einerseits und die Geometrie des Lagerinnenrings andererseits so gestaltet, dass der Scheitelpunkt des Kegelwinkels der jeweiligen Kegelrolle und der Scheitelwinkel des Kegelwinkels der Laufflächen des Innenrings bzw. des Außenringes im Querschnitt und im dazu rechtwinkligen Tangentialschnitt in einem einzigen Punkt auf der Mittelachse bzw. der Rotationsachse des Kegelrollenlagers zusammenfallen.
Ein Lagerbord des Lagerinnenrings weist dabei eine konische Fläche und eine zurückgesetzte Fläche auf, die um den genannten Punkt auf der Mittelachse des Kegelrollenlagers herum ausgebildet ist. Die Stirnseite der jeweiligen Kegelrolle ist so profiliert, dass ihre Endfläche aus einem zum Teil kugelförmigen Bereich mit einem Krümmungsradius besteht, der in geeigneter Weise kleiner gewählt ist als der Radius von dem Punkt auf der Rotationsachse des Lagers zu der Fläche des Lagerbords. Dadurch kommen beim Betrieb des Lagers die jeweiligen Kegelrollen mit der Lagerbordfläche in einen im Wesentlichen elliptischen Flächenkontakt. Eine sich an die konische Fläche des Lagerbords anschließende, zurückgesetzte Fläche mit einem kreisförmigen Querschnitt bildet einen keilförmigen Spalt mit spitzem Winkel zu der Stirnseite der jeweiligen Kegelrolle außerhalb des Kontaktbereichs. Dadurch soll das Hineinziehen des Schmiermittels in den Kontaktbereich verbessert werden, so dass sich dort ein ausreichender Ölfilm bildet.
Allerdings ist die dazu notwendige, sehr präzise Herstellung des Lagerinnenrings aufwändig und die Herstellung bzw. Montage des Lagers vergleichsweise anspruchsvoll.
Vor diesem Hintergrund besteht eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, das Reibmoment eines Kegelrollenlagers zu vermindern und die Schmierfilmbildung zu optimieren.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Kegelrollenlager mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Dem gemäß ist bei einem Kegelrollenlager mit mehreren Kegelrollen, die zwischen einem Lageraußenring und einem Lagerinnenring mit einer den Kegelrollen zugewandten Lagerbordfläche angeordnet sind und die jeweils eine Rollenrotationsachse und eine rotationssymmetrische Stirnseite aufwei- sen, deren Geometrie im Querschnitt durch einen Kreisbogen mit einem Bo- genradius beschrieben ist vorgesehen, dass der Mittelpunkt des Kreisbogens außerhalb der Rollenrotationsachse liegt.
Durch diese konstruktive Maßnahme ist die Kontaktgeometrie zwischen dem Lagerbord und der Rollenstirnseite erheblich verbessert und die dort auftretende Druckbelastung reduziert. Damit kann der erwünschte hydrodynamische Schmierungszustand bereits bei relativ geringen, gegenüber konventionellen Kegelrollenlagern deutlich reduzierten Umfangsgeschwindigkeiten eintreten. Damit wird das Reibmoment des Kegelrollenlagers insbesondere bei niedrigen Lagerdrehzahlen - bei denen üblicherweise noch Mischreibung besteht - erheblich verringert.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in der nachfolgenden Beschreibung und den Unteransprüchen angegeben, deren Merkmale einzeln und in beliebiger Kombination miteinander angewendet werden können.
Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Öffnungswinkel zwischen der Lauffläche des Innenrings und der Lagerbordfläche im Querschnitt mehr als 90° beträgt. Dadurch kann die Bearbei- tung - insbesondere die Schleifbearbeitung der Lauffläche - des Lagerinnenrings und der Bordfläche in einem Arbeitsgang erfolgen. Dies führt zu einer sehr kostengünstigen Fertigung und erlaubt eine einfache Montage, wobei sich das erfindungsgemäße Kegelrollenlager durch erheblich verbesserte Laufeigenschaften auszeichnet.
Durch die vorbeschriebene geometrische Ausbildung des Lagerbords einerseits und der Stirnseiten der Kegelrollen andererseits ergibt sich jeweils eine torusförmige Geometrie der Kegelrollenstirnseite und torusförmige kooperierende Wirkflächen. Dabei kann das Lagerbord bevorzugt durch Wahl eines geeigneten Bordradius in Tangentialebenenbetrachtung im relevanten Kontaktbereich eine Gestalt annehmen, die mit der torusförmig profilierten Stirn- seite der jeweiligen Kegelrolle einen im Wesentlichen punktförmigen Wirkkontakt eingeht. Dadurch kann Schmiermittel durch den Spalt, der von der Berührungszone des Lagerbords mit dem Torus der jeweiligen Kegelrolle gebildet ist, in besonders vorteilhafter Weise in den Kontaktbereich gebracht werden und schon bei geringen Lagerdrehzahlen einen optimierten Schmier- film ausbilden.
Besonders bevorzugt ist dabei ein Verhältnis der torusbestimmenden Radien, nämlich des Tangentialebenen-Rollenstirnradius zu dem Tangentialebenen-Bordradius zwischen 0,8 und 0,98. Damit ergeben sich besonders vorteilhafte, auch als Schmiegung bezeichnete Kontaktverhältnisse zwischen der Rollenstirnseite und dem Lagerbord.
Weitere vorteilhafte Aspekte und Fortbildungen der Erfindung gehen aus der nachfolgenden Beschreibung der Zeichnung hervor, ohne dass die Erfindung auf die figürlich dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt ist. Im Einzelnen zeigen:
Figur 1 relevante Maße eines erfindungsgemäßen Kegelrollenlagers im
Querschnitt und in der dazu senkrechten Tangentialebene,
Figur 2 in vergrößerter Darstellung eine erste mögliche Ausgestaltung einer Kegelrolle für ein erfindungsgemäßes Kegelrollenlager und
Figur 3 eine zweite Ausgestaltung einer Kegelrolle für ein erfindungs- gemäßes Kegelrollenlager. Figur 1 zeigt den Querschnitt eines erfindungsgemäßen Kegelrollenlagers, wobei die Zeichenebene in der Querschnittsebene liegt und in Figur 1 der Übersichtlichkeit halber nur der obere, oberhalb der Drehachse 1 des Lagers liegende Teil des Querschnittes dargestellt ist.
Das Kegelrollenlager umfasst mehrere Kegelrollen 2, die über den Umfang verteilt zwischen einer Lauffläche 3 eines Lagerinnenrings 4 und einer Lauffläche 5 eines Lageraußenrings 6 angeordnet sind. Jede Kegelrolle 2 weist eine Rollenrotationsachse 8 und eine profilierte Stirnseite 9 auf.
In Wirkkontakt mit der Stirnseite 9 steht die Bordfläche 10 eines axialen Lagerbords 11 des Lagerinnenrings 4. Genauer gesagt besteht zwischen der Stirnseite 9 und der Bordfläche 10 ein Berührpunkt 12, der beim Betrieb des Kegelrollenlagers je nach realer Belastung in nachfolgend noch näher erläu- terter Weise eine flächige Gestalt annehmen kann. Die jeweiligen Berührpunkte 12 der Kegelrollen sind am Umfang mit einem entsprechenden Berührpunktdurchmesser 13 verteilt, dessen Mittelpunkt mit der Drehachse 1 des Lagers zusammenfällt.
Zur nachfolgenden detaillierten Erläuterung der Erfindung wird eine Betrachtung der Geometrien einerseits in der bereits definierten Querschnittsebene (Zeichenebene) und andererseits in einer dazu senkrecht, also flächennormal verlaufenden Tangentialebene vorgenommen. Die Tangentialebene erstreckt sich senkrecht zur Zeichenebene (Querschnittsebene) und durch- stößt die Zeichenebene entlang einer Bordnormalen 16. Die Bordnormale steht in der Querschnittsebene im rechten Winkel auf der den Berührpunkt 12 enthaltenden Bordgeraden 18 und liegt in der sich senkrecht zur Querschnittsebene erstreckenden Tangentialebene.
Zwischen der Bordgeraden 18 und der Lauffläche 3 - die in der Querschnittsebene als gerade Linie 20 zu sehen ist - ist ein Bordöffnungswinkel α aufgespannt, der mehr als 90° beträgt. In der Querschnittsebene betrachtet kann man auch sagen, dass der Querschnittsebenen-Bordradius der Lagerbordfläche 10 ein Radius mit unendlicher Länge ist. In entsprechender Nomenklatur sind nachfolgend die angegebenen Radien wie folgt indiziert: rab, wobei: a: Zuordnung zur Kegelrolle (a=1) bzw. zum Bord (a=2) b: Zuordnung zur Querschnittsebene (b=1) bzw. zur Tangentialebene (b=2)
Ferner ist in Figur 1 der Rollenstirnradius r12 ersichtlich. Dessen Radiusmit- telpunkt 22 liegt in der Querschnittsebene auf der Bordnormalen, befindet sich aber wie in Zusammenhang mit den Figuren 2 und 3 noch erläutert wird, in dreidimensionaler Betrachtung außerhalb der Rollenrotationsachse 8 und beschreibt eine um die Rotationsachse rotierende Kreisbogenlinie. (Nur zur deutlicheren Darstellung ist der Betrag des Rollenstirnradius ri2 in Figur 1 separat bemaßt.)
Mit dem sich in der Tangentialebene erstreckenden Rollenstirnradius rn , dessen Betrag in Figur 1 ebenfalls außerhalb der Tangentialebene bzw. zu Bemaßungszwecken parallel zur Bordnormalen 16 angedeutet ist, ergibt sich damit eine Stirnseitenprofilierung der Kegelrolle 2, die einen nach außen gewölbten (konvexen) Torus darstellt.
Für den Bordradius ist wie erwähnt in der Querschnittsebene ein Radius r2i = 00 gewählt, so dass sich für den Bordradius in der Querschnittsebene eine Gerade ergibt. In der Tangentialebene verläuft der Bordradius r22 als Tangentialebenen-Bordradius so, dass sein Radiusmittelpunkt im Schnittpunkt 23 der Bordnormalen 16 mit der Drehachse 1 des Lagers fällt und somit außerhalb der Rollenrotationsachse 8 liegt. Daraus ergibt sich in Bezug auf diesen Radiusmittelpunkt 26 im Vergleich zu dem Schnittpunkt 28 der RoI- lenrotationsachse 8 mit der Drehachse eine Exzentrizität 30. Auch hierbei ist der Tangentialebenen-Rollenstirnradius rn aus Gründen der Übersichtlichkeit separat außerhalb der Bordnormalen bzw. der Tangentialebene bemaßt. Durch diese Gestaltung der Stirnseite 9 der Kegelrolle 2 ergibt sich also einerseits eine Kreisbogenlinie durch die Rotation des Querschnittsebenen- Rollenstirnradius r-i2 bzw. den Tangentialebenen-Rollenstirnradius rn, so dass sich auf der Stirnseite 9 quasi eine symmetrische, umlaufende Wulst ausbildet, die einen Torus bildet bzw. torusförmige Gestalt hat.
Da der Tangentialebenen-Bordradius r22 vom Betrag her größer ist als der Tangentialebenen-Rollenstirnradius T11 ergibt sich im Berührpunkt 12 ein Kontakt der konvexen Torusform der Stirnseite 9 zur Lagerbordfläche 10. Damit bildet sich zwischen diesen beiden Oberflächen ein zulaufender Spalt, der einen verbesserten Zutritt des Schmiermittels in den Kontaktbereich bewirkt. Bevorzugt beträgt T11 ca. 80% - 98% von r22-
Figur 2 zeigt schematisch isoliert eine Kegelrolle 2, deren Stirnseite 9 wie zuvor beschrieben durch einen Radius 32 beschrieben ist, dessen Radiusmittelpunkt 35 in der Darstellung nach Figur 2 oberhalb und insgesamt außerhalb der Rollenrotationsachse 8 liegt und somit einen vergleichsweise eng gekrümmten Bogen 36 und damit eine relativ stark gewölbte Torusfläche definiert. Wie Figur 2 weiter zeigt, kann die Stirnseite 9 der Kegelrolle 2 im zentralen Bereich 37 eine Ausnehmung 38 aufweisen.
Figur 3 zeigt eine Kegelrolle 2, bei der der Radiusmittelpunkt 35 des Radius 32 einen wesentlich größeren Winkel (im Querschnitt) zur Rollenrotationsachse 8 einnimmt und damit einen vergleichsweise flachen, die Stirnseite der Kegelrolle 2 beschreibenden Kreisbogen 39 definiert. Bezugszeichenliste
1 Drehachse
2 Kegelrollen
3 Lauffläche
4 Lagerinnenring
5 Lauffläche
6 Lageraußenring
8 Rollenrotationsachse
9 Stirnseite
10 Bordfläche
11 Lagerbord
12 Berührpunkt
13 Berϋhrpunktdurchmesser
16 Bordnormale
18 Gerade
20 Linie
22 Radiusmittelpunkt
23 Schnittpunkt
26 Radiusmittelpunkt
28 Schnittpunkt
30 Exzentrizität
32 Radius
35 Radiusmittelpunkt
36 Bogen
38 Ausnehmung
39 Kreisbogen
α Bordöffnungswinkel rn Tangentialebenen-Rollen
1*12 Querschnittsebenen-Rolk r2a Tangentialebenen-Bordra

Claims

Patentansprüche
1. Kegelrollenlager mit mehreren Kegelrollen (2), die zwischen einem Lageraußenring (6) und einem Lagerinnenring (4) mit einer den Kegelrollen zugewandten
Lagerbordfläche (10) angeordnet sind und die jeweils eine Rollenrotationsachse (8) und eine rotationssymmetrische Stirnseite (9) aufweisen, deren Geometrie im Querschnitt durch einen Kreisbogen (36) mit einem Bogenradius (32) beschrieben ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Mittelpunkt (35) des Kreisbogens (36) außerhalb der Rollenrotationsachse (8) liegt.
2. Kegelrollenlager nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass im Querschnitt der Öffnungswinkel (α) zwischen der Lauffläche (3) des Innenrings (4) und der Lagerbordfläche (10) mehr als 90° beträgt.
3. Kegelrollenlager nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Stirnseite (9) der Kegelrolle (2) in ihrem zentralen Bereich (37) eine Ausnehmung (38) aufweist.
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