DE102006015296B4

DE102006015296B4 - Schrägkugellager, insbesondere mehrreihiges Radlager für die Radaufhängung eines Kraftfahrzeuges

Info

Publication number: DE102006015296B4
Application number: DE102006015296A
Authority: DE
Inventors: Heinrich Hofmann; Horst Döppling; Dr. Plank Robert; Peter Partheymüller
Original assignee: Schaeffler KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2006-04-01
Filing date: 2006-04-01
Publication date: 2012-10-18
Anticipated expiration: 2026-04-02
Also published as: DE102006015296A1

Abstract

Schrägkugellager, insbesondere mehrreihiges Radlager für die Radaufhängung eines Kraftfahrzeuges, bestehend aus zumindest einem äußeren Lagerring (2), der in einer Bohrung eines feststehenden Trägerteils (20) einer Radaufhängung (19) radial und axial fixiert oder mit diesem Trägerteil (20) integriert ausgebildet ist, und zumindest einem inneren Lagerring (3a, 3b), der auf dem Umfang eines drehbaren Nabenteils (21) einer Radaufhängung (19) radial und axial fixiert oder mit diesem Nabenteil (21) integriert ausgebildet ist, sowie aus einer Vielzahl in zumindest zwei Reihen (4, 5) zwischen diesen Lagerrringen (2, 3a, 3b) auf in die Lagerringe (2, 3a, 3b) eingearbeitete Laufbahnen (6, 7, 8, 9) unter definierten Druckwinkeln abrollender Lagerkugeln (10, 11), die in Umfangsrichtung durch mindestens einen Lagerkäfig (12, 13) in gleichmäßigen Abständen zueinander gehalten werden, wobei die Laufbahnen (8, 9) im inneren Lagerring (3a, 3b) jeweils mit einem diese Laufbahnen (8, 9) in mehrere Profilzonen (14, 15, 16) unterteilenden Laufbahnprofil ausgebildet sind, dadurch gekennzeichnet, dass...

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Schrägkugellager nach den oberbegriffsbildenden Merkmalen des Patentanspruchs 1, und sie ist insbesondere vorteilhaft an zwei- und vierreihigen Radlagern für die Radaufhängung von Kraftfahrzeugen sowie an allen Schrägkugellagern unter variabler Last- und Momentbeanspruchung realisierbar.
Hintergrund der Erfindung
Dem Fachmann auf dem Gebiet der Wälzlagertechnik ist es allgemein bekannt, dass die Radlager für die Radaufhängungen an Kraftfahrzeugen die Fahrzeugräder auf ihren Achsschenkeln in allen Fahrzuständen des Kraftfahrzeuges und den damit verbundenen Lagerbeanspruchungen exakt führen müssen. Die Beanspruchung der Radlager wird dabei von den verschiedensten Faktoren beeinflusst, von denen die Radbelastung, die Fahrbahnbeschaffenheit, die zusätzlichen Belastungen bei Kurvenfahrt sowie die Fahrzeitanteile und die durchschnittlichen Geschwindigkeiten in den einzelnen Fahrzuständen von besonderer Bedeutung sind. Daneben beeinflussen auch die Art der Reifen, der Sturz des Rades, die Größe der Bremskräfte und – bei angetriebenen Rädern – die Antriebskräfte am Reifen die Lagerbeanspruchung, wobei diese schwer erfassbaren Faktoren bei der Lagerauswahl und -auslegung zumeist nur pauschal Berücksichtigung finden. Der Lagerauswahl und -auslegung legt man daher vor allem die während der häufigsten Fahrzustände des Kraftfahrzeuges auf das Lager wirkenden Kräfte zu Grunde, und zwar bei Geradeausfahrt auf guter und schlechter Fahrbahn mit einem durchschnittlichen Fahrzeitanteil von 50% und 45% sowie Geschwindigkeiten von 120 km/h und 80 km/h, bei leichter Kurvenfahrt links und rechts mit einem mittleren Fahrzeitanteil von jeweils 2% und einer Geschwindigkeit von 50 km/h sowie bei scharfer Kurvenfahrt links und rechts mit einem durchschnittlichen Fahrzeitanteil von insgesamt 1% und einer Geschwindigkeit von 30 km/h.
Ausgehend davon haben sich deshalb als Radlagerbauarten für schwere Nutzkraftfahrzeuge vor allem in O-Anordnung gegeneinander angestellte Kegelrollenlager wegen ihrer hohen Tragfähigkeit und Verschleißfestigkeit als besonders geeignet erwiesen, während für leichte Personenkraftfahrzeuge vor allem zweireihige Schrägkugellager der ersten, zweiten oder dritten Integrationsstufe in Einzel- oder Tandemanordnung oder seit jüngerer Vergangenheit auch vierreihige Schrägkugellager wegen ihrer vergleichsweise geringen Reibung und ihres kleineren Einbauraumes zur Anwendung kommen. Derartige, als zwei- oder vierreihige Schrägkugellager ausgebildete Radlager sind beispielsweise aus der DE 39 40 395 A1 und aus der DE 103 31 936 A1 vorbekannt und bestehen im Wesentlichen aus einem zumeist einteiligen äußeren Lagerring, der in einer Bohrung eines feststehenden Trägerteils der Radaufhängung radial und axial fixiert oder mit diesem Trägerteil integriert ausgebildet ist, und einem zumeist axial geteilten inneren Lagerring, der auf dem Umfang eines drehbaren Nabenteils der Radaufhängung radial und axial fixiert oder mit diesem Nabenteil integriert ausgebildet ist. Zwischen diesen Lagerrringen rollt dabei eine Vielzahl in zwei oder vier Reihen nebeneinander angeordneter Lagerkugeln auf in die Lagerringe eingearbeitete Laufbahnen unter definierten Druckwinkeln ab, die in Umfangsrichtung durch mindestens einen Lagerkäfig in gleichmäßigen Abständen zueinander gehalten werden.
Als nachteilig bei diesen bekannten Schrägkugellagern hat es sich jedoch erwiesen, dass die Laufbahnen der Lagerkugeln zumeist mit einem gleichmäßig geringfügig größeren Radius als der Radius der Lagerkugeln ausgebildet werden, um eine weite Schmiegung bzw. eine Punktberührung der Lagerkugeln zu ihren Laufbahnen und damit eine Minimierung der Lagerreibung zu erreichen. Dies hat jedoch zur Folge, dass es insbesondere bei den Fahrzuständen leichte und scharfe Kurvenfahrt zu einer stark erhöhten Flächenpressung zwischen den Lagerkugeln und deren Laufbahnen kommt, die ursächlich für eine vorzeitige Materialermüdung im Laufbahngrund und somit für ein Nachlassen der Steifigkeit des Radlagers ist. Durch die nachlassende Steifigkeit des Radlagers wird jedoch die exakte Führung der Fahrzeugräder so stark beeinträchtigt, dass ein vorzeitiger verschleißbedingter Wechsel des Radlagers notwendig wird.
Zur Vermeidung einer solchen Materialermüdung im Laufbahngrund wurde es zwar bereits versucht, die Laufbahnen der Lagerkugeln mit dem gleichen oder annähernd gleichen Radius wie die Lagerkugeln auszubilden, um somit durch eine enge Schmiegung bzw. eine Linienberührung der Lagerkugeln zu ihren Laufbahnen die Flächenpressung zu minimieren, es hat sich jedoch gezeigt, dass eine solche Maßnahme ungeeignet ist, da es dadurch in allen Fahrzuständen wiederum zu einer erhöhten Reibung im Radlager sowie bei Kurvenfahrt zu Kantenspannungen zwischen den Lagerkugeln und ihren Laufbahnen kommt, die ebenfalls zu einem vorzeitigen Verschleiß des Radlagers führten.
Aufgabe der Erfindung
Ausgehend von den dargelegten Nachteilen der Lösungen des bekannten Standes der Technik liegt der Erfindung deshalb die Aufgabe zu Grunde, ein Schrägkugellager, insbesondere mehrreihiges Radlager für die Radaufhängung eines Kraftfahrzeuges, zu konzipieren, welches in allen Fahrzuständen des Kraftfahrzeuges eine niedrige Gesamtreibung bei gleichzeitig reduzierter mittlerer Flächenpressung zwischen den Lagerkugeln und deren Laufbahnen aufweist und sich somit durch eine verlängerte Lebensdauer auszeichnet.
Beschreibung der Erfindung
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei einem Schrägkugellager nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 derart gelöst, dass zumindest die Laufbahnen im inneren Lagerring jeweils mit einem diese Laufbahnen in mehrere, den Lagerbelastungen während der häufigsten Fahrzustände des Kraftfahrzeuges angepasste Profilzonen unterteilenden Laufbahnprofil ausgebildet sind, durch das die Lagerkugeln eine deren mittlere Flächenpressung und Gesamtreibung minimierende, variable Schmiegung über die Gesamtfläche ihrer Laufbahnen aufweisen.
Ferner ist bei dem erfindungsgemäß ausgebildeten Schrägkugellager vorgesehen, dass die Laufbahnen im inneren Lagerring im Bereich der Druckwinkelachsen des Schrägkugellagers eine erste Profilzone mit einer weiten Schmiegung aufweisen, durch die im Fahrzustand Geradeausfahrt eine reibungsarme Punktberührung zwischen den Lagerkugeln und deren Laufbahnen realisierbar ist. Der Radius dieser ersten Profilzone der Laufbahnen weist dabei bevorzugt eine Größe zwischen dem 1,01- bis 1,15-fachen des Radius der Lagerkugeln auf und erstreckt sich beidseitig der Druckwinkelachsen des Schrägkugellagers jeweils über einen Winkelbereich von 5 bis 15°. Je nach Anwendung können die beiden Winkelbereiche neben der Druckwinkelachse dabei die gleiche Größe aufweisen, also symmetrisch angeordnet sein oder auch unterschiedliche Größen aufweisen und damit asymmetrisch angeordnet sein.
Bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des erfindungsgemäß ausgebildeten Schrägkugellagers werden in den Unteransprüchen beschrieben.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform weisen die Laufbahnen im inneren Lagerring beidseitig neben der ersten Profilzone jeweils eine zweite Profilzone mit einer engen Schmiegung auf, durch die im Fahrzustand leichte Kurvenfahrt eine flächenpressungsarme Linienberührung zwischen den Lagerkugeln und deren Laufbahnen realisierbar ist. Der Radius dieser zweiten Profilzonen der Laufbahnen weist dabei eine Größe zwischen dem 1,0- bis 1,04-fachen des Radius der Lagerkugeln auf und erstreckt sich beidseitig der ersten Profilzone jeweils über einen Winkelbereich von etwa 25° bis 35°. Auch hier ist es je nach Anwendung möglich, die beiden Winkelbereiche neben der ersten Profilzone mit der gleichen Größe auszubilden, also symmetrisch anzuordnen oder mit unterschiedliche Größen auszubilden und damit asymmetrisch anzuordnen.
Schließlich wird es als vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäß ausgebildeten Schrägkugellagers noch vorgeschlagen, dass die Laufbahnen im inneren Lagerring beidseitig neben den zweiten Profilzonen noch jeweils eine dritte Profilzone mit einem sich öffnenden logarithmischen Profil aufweisen, durch die im Fahrzustand scharfe Kurvenfahrt eine kantenspannungsfreie Punktberührung zwischen den Lagerkugeln und deren Laufbahnen realisierbar ist. Die dritte Profilzone der Laufbahnen läuft somit jeweils als Funktion eines Radius zum Laufbahnende bzw. zum Laufbahnbord aus und erstreckt sich dabei beidseitig der zweiten Profilzonen jeweils über einen Winkelbereich von etwa 5 bis 10°.
Das erfindungsgemäß ausgebildete Schrägkugellager weist somit gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Schrägkugellagern den Vorteil auf, dass es durch die Ausbildung der Laufbahnen mit gezielt auf die häufigsten Fahrzustände des Kraftfahrzeuges abgestimmten Laufbahnzonen in allen Fahrzuständen des Kraftfahrzeuges eine niedrige Gesamtreibung bei gleichzeitig reduzierter mittlerer Flächenpressung zwischen den Lagerkugeln und deren Laufbahnen aufweist und sich somit durch eine verlängerte Lebensdauer auszeichnet. Die damit erreichte lastangepasste Schmiegung der Lagerkugeln zu ihren Laufbahnen ist jedoch nicht nur durch verschiedene Radien in den einzelnen Profilzonen realisierbar, sondern kann auch über eine allgemeine Funktion des Laufbahnradius bzw. über eine Aneinanderreihung logarithmischer Profile in den einzelnen Profilzonen dargestellt werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäß ausgebildeten Schrägkugellagers wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer Kfz-Radaufhängung mit einem erfindungsgemäß ausgebildeten Schrägkugellager;
2 eine vergrößerte Darstellung der Einzelheit X gemäß 1;
3 eine vergrößerte Darstellung der Einzelheit Y gemäß 2.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
Aus 1 geht deutlich eine Radaufhängung 19 eines Kraftfahrzeuges mit einem als zweireihiges Schrägkugellager 1 ausgebildeten Radlager hervor, welches im Wesentlichen aus einem äußeren Lagerring 2, der in einer Bohrung eines feststehenden Trägerteils 20 der Radaufhängung 19 radial und axial fixiert ist, und einem axial geteilten inneren Lagerring 3a, 3b, der auf dem Umfang eines drehbaren Nabenteils 21 der Radaufhängung 19 radial und axial fixiert ist, besteht. Darüber hinaus weist das Schrägkugellager 1, wie auch in 2 erkennbar ist, eine Vielzahl in zwei Reihen 4, 5 zwischen diesen Lagerringen 2, 3a, 3b auf in die Lagerringe 2, 3a, 3b eingearbeitete Laufbahnen 6, 7, 8, 9 abrollende Lagerkugeln 10, 11 auf, die in definierten Druckwinkeln gegeneinander angestellt sind und in Umfangsrichtung durch jeweils einen Lagerkäfig 12, 13 je Reihe 4, 5 in gleichmäßigen Abständen zueinander gehalten werden.
Desweiteren wird durch die Darstellungen der 2 und 3 deutlich, dass das gezeigte Schrägkugellager 1 erfindungsgemäß an die Lagerbelastungen bei den häufigsten Fahrzuständen des Kraftfahrzeuges angepasst ausgebildet ist, indem die Laufbahnen 8, 9 im inneren Lagerring 3a, 3b jeweils mit einem diese Laufbahnen 8, 9 in mehrere Profilzonen 14, 15, 16 unterteilenden Laufbahnprofil ausgebildet sind, durch das die Lagerkugeln 10, 11 eine deren mittlere Flächenpressung und Gesamtreibung minimierende, variable Schmiegung über die Gesamtfläche ihrer Laufbahnen 8, 9 aufweisen.
Aus 3 ist dabei ersichtlich, dass die Laufbahnen 8, 9 im inneren Lagerring 3a, 3b, von denen beispielhaft nur die Laufbahn 8 des Lagerrings 3a gezeigt ist, im Bereich der Druckwinkelachsen 17, 18 des Schrägkugellagers 1 eine erste Profilzone 14 mit einer weiten Schmiegung aufweisen, durch die im Fahrzustand Geradeausfahrt eine reibungsarme Punktberührung zwischen den Lagerkugeln 10, 11 und deren Laufbahnen 8, 9 realisierbar ist. Der Radius R_P1 dieser ersten Profilzone 14 der Laufbahnen 8, 9 weist dabei, wie lediglich andeutungsweise dargestellt, eine Größe zwischen dem 1,03- bis 1,15-fachen des Radius R_K der Lagerkugeln 10, 11 auf und erstreckt sich beidseitig der Druckwinkelachsen 17, 18 des Schrägkugellagers 1 über symmetrisch angeordnete Winkelbereiche von etwa 5° bis 10°.
Neben der ersten Profilzone 14 weisen die Laufbahnen 8, 9 im inneren Lagerring 3a, 3b dann, wie weiter aus 3 hervorgeht, beidseitig jeweils eine zweite Profilzone 15 mit einer sehr engen Schmiegung auf, durch die im Fahrzustand leichte Kurvenfahrt eine flächenpressungsarme Linienberührung zwischen den Lagerkugeln 10, 11 und deren Laufbahnen 8, 9 realisierbar ist. Der Radius R_P2 der zweiten Profilzonen 15 der Laufbahnen 8, 9 weist deshalb, wie ebenfalls nur angedeutet, eine Größe zwischen dem 1,0- bis 1,04-fachen des Radius R_K der Lagerkugeln 10, 11 auf und erstreckt sich beidseitig der ersten Profilzone 14 über ebenfalls symmetrisch angeordnete Winkelbereiche von etwa 25° bis 35°. Schließlich ist aus 3 noch ersichtlich, dass sich an die zweiten Profilzonen 15 der Laufbahnen 8, 9 im inneren Lagerring 3a, 3b beidseitig noch jeweils eine dritte Profilzone 16 mit einem sich öffnenden logarithmischen Profil anschließt, die sich beidseitig der zweiten Profilzonen 15 jeweils über einen Winkelbereich von etwa 5° bis 10° erstreckt und durch die im Fahrzustand scharfe Kurvenfahrt eine kantenspannungsfreie Punktberührung zwischen den Lagerkugeln 10, 11 und deren Laufbahnen 8, 9 realisierbar ist.
Bezugszeichenliste

1: Schrägkugellager
2: äußerer Lagerring
3a: innerer Lagerring
3b: innerer Lagerring
4: Reihe Lagerkugeln
5: Reihe Lagerkugeln
6: Laufbahn in 2
7: Laufbahn in 2
8: Laufbahn in 3a
9: Laufbahn in 3b
10: Lagerkugeln von 4
11: Lagerkugeln von 5
12: Lagerkäfig
13: Lagerkäfig
14: erste Profilzone
15: zweite Profilzone
16: dritte Profilzone
17: Druckwinkelachse
18: Druckwinkelachse
19: Radaufhängung
20: Trägerteil
21: Nabenteil
R_P1: Radius von 14
R_P2: Radius von 15
R_K: Radius von 10, 11

Claims

Schrägkugellager, insbesondere mehrreihiges Radlager für die Radaufhängung eines Kraftfahrzeuges, bestehend aus zumindest einem äußeren Lagerring (2), der in einer Bohrung eines feststehenden Trägerteils (20) einer Radaufhängung (19) radial und axial fixiert oder mit diesem Trägerteil (20) integriert ausgebildet ist, und zumindest einem inneren Lagerring (3a, 3b), der auf dem Umfang eines drehbaren Nabenteils (21) einer Radaufhängung (19) radial und axial fixiert oder mit diesem Nabenteil (21) integriert ausgebildet ist, sowie aus einer Vielzahl in zumindest zwei Reihen (4, 5) zwischen diesen Lagerrringen (2, 3a, 3b) auf in die Lagerringe (2, 3a, 3b) eingearbeitete Laufbahnen (6, 7, 8, 9) unter definierten Druckwinkeln abrollender Lagerkugeln (10, 11), die in Umfangsrichtung durch mindestens einen Lagerkäfig (12, 13) in gleichmäßigen Abständen zueinander gehalten werden, wobei die Laufbahnen (8, 9) im inneren Lagerring (3a, 3b) jeweils mit einem diese Laufbahnen (8, 9) in mehrere Profilzonen (14, 15, 16) unterteilenden Laufbahnprofil ausgebildet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Laufbahnen (8, 9) im inneren Lagerring (3a, 3b) im Bereich der Druckwinkelachsen (17, 18) des Schrägkugellagers (1) eine erste Profilzone (14) mit einer weiten Schmiegung aufweisen, wobei der Radius (R_P1) der ersten Profilzone (14) der Laufbahnen (8, 9) sich vom Radius der weiteren Profilzonen (15,16) unterscheidet und eine Größe zwischen dem 1,01- bis 1,15-fachen, insbesondere dem 1,03- bis 1,15-fachen, des Radius (R_K) der Lagerkugeln (10, 11) aufweist und sich die erste Profilzone (14) beidseitig der Druckwinkelachsen (17, 18) des Schrägkugellagers (1) jeweils über einen Winkelbereich von 5° bis 10° erstreckt.
Schrägkugellager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Laufbahnen (8, 9) im inneren Lagerring (3a, 3b) beidseitig neben der ersten Profilzone (14) jeweils eine zweite Profilzone (15) mit einer engen Schmiegung aufweisen, wobei der Radius (R_P2) der zweiten Profilzonen (15) der Laufbahnen (8, 9) eine Größe zwischen dem 1,0- bis 1,04-fachen des Radius (R_K) der Lagerkugeln (10, 11) aufweist und sich beidseitig der ersten Profilzone (14) jeweils über einen Winkelbereich von 25° bis 35° erstreckt.
Schrägkugellager nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Laufbahnen (8, 9) im inneren Lagerring (3a, 3b) beidseitig neben den zweiten Profilzonen (15) jeweils eine dritte Profilzone (16) mit einem sich öffnenden logarithmischen Profil aufweisen.
Schrägkugellager nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die dritten Profilzonen (16) der Laufbahnen (8, 9) sich beidseitig der zweiten Profilzonen (15) jeweils über einen Winkelbereich von 5° bis 10° erstrecken.