DE102008026204A1

DE102008026204A1 - Lageranordnung einer Welle

Info

Publication number: DE102008026204A1
Application number: DE102008026204A
Authority: DE
Inventors: Matthias Fick; Peter Dr. Solfrank; Alexander Tasche
Original assignee: Schaeffler KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2008-05-30
Filing date: 2008-05-30
Publication date: 2009-12-03
Also published as: US8157451B2; US20090297085A1

Abstract

Vorgeschlagen ist eine Lageranordnung (13a, 13b, 13c, 13d) einer rollengelagerten Unwuchtwelle (3). Dabei soll eine der Rollenlaufbahnen (15a, 15b, 18a, 18b) dergestalt sein, dass die Rollen (11) bei niedriger Wellendrehzahl in punktförmigem Kontakt mit einer der Laufbahnen (15a, 15b, 18a, 18b) und bei hoher Wellendrehzahl in linienförmigem Kontakt mit beiden Laufbahnen (15a, 15b, 18a, 18b) stehen.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Lageranordnung. Diese umfasst eine in einem Gehäuse drehend gelagerte Welle mit einem Lagerzapfen, ein den Lagerzapfen umschließendes Wälzlager, eine wellenfeste Innenlaufbahn und eine gehäusefeste Außenlaufbahn für die Wälzkörper des Wälzlagers, wobei eine der Laufbahnen einen in Längsrichtung der Welle veränderlichen und an deren Biegelinie angepassten Durchmesser aufweist.
Die Erfindung betrifft außerdem ein Nadellager für die Lageranordnung.
Hintergrund der Erfindung
Eine derartige Lageranordnung geht aus der als gattungsbildend betrachteten DE 372146 hervor. Die Wälzlagerung der sich unter ihrer Betriebslast durchbiegenden Welle ist so gestaltet, dass die Anzahl der tragenden Wälzkörper mit der Belastung und folglich mit der Durchbiegung der Welle zunimmt. Zu diesem Zweck ist der als innere Wälzkörperlaufbahn dienende Lagerzapfen der Welle oder das als äußere Wälzkörperlaufbahn dienende Gehäuse entsprechend der Biegelinie der Welle parabolisch ausgebildet. Nachteilig an dieser bekannten Lageranordnung ist der erhebliche axiale Bauraumbedarf des als vielreihiges Kugellager ausgebildeten Wälzlagers mit bekanntermaßen kleiner Einzeltragzahl der Kugeln.
Aufgabe der Erfindung
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Lageranordnung der eingangs genannten Art so fortzubilden, dass der genannte Nachteil mit einfachen Mitteln beseitigt ist. Demnach soll die Wälzlagerung auch bei größeren Durchbiegungen der Welle tragfähig und lebensdauerfest sein und dabei einen möglichst kleinen Bauraum sowohl in axialer als auch in radialer Richtung beanspruchen und zudem, im Vergleich zu Standardlagerungen, weitestgehend kostenneutral herstellbar sein.
Zusammenfassung der Erfindung
Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich aus den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1, während vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung den Unteransprüchen entnehmbar sind. Demnach soll es sich bei den Wälzkörpern um die Rollen eines Zylinderrollen- oder Nadellagers handeln, wobei die Laufbahn mit veränderlichem Durchmesser dergestalt ist, dass die Rollen bei niedriger Drehzahl der als Unwuchtwelle ausgebildeten Welle in punktförmigem Kontakt mit einer der Laufbahnen und bei hoher Drehzahl der Unwuchtwelle in linienförmigem Kontakt mit beiden Laufbahnen stehen.
Die sich aufgrund ihrer Unwuchtwirkung mit der Drehzahl zunehmend durchbiegende Unwuchtwelle ist folglich so gelagert, dass im niedrigen Drehzahlbereich der sich dann entsprechend gering durchbiegenden Unwuchtwelle ein außermittiger Punktkontakt und im hohen Drehzahlbereich der sich dann entsprechend stärker durchbiegenden Unwuchtwelle ein idealerweise linienförmi ger Kontakt zwischen den Rollen und der Laufbahn mit veränderlichem Durchmesser einstellt.
Dieser Ausgestaltung liegt die Idee zugrunde, dass einerseits das in einem Punktkontakt einseitige Tragen der einzelnen Wälzkörper im niedrigen Drehzahlbereich der Unwuchtwelle aufgrund der dann geringen Lagerbelastung unschädlich ist. Es sei an dieser Stelle erwähnt, dass unter dem Begriff Punktkontakt selbstverständlich nicht nur die streng geometrische Bedeutung eines flächenlosen Kontaktpunkts, sondern in Abhängigkeit der momentanen Kontaktpressung auch eine bezüglich der Rollenlängserstreckung kleine Kontaktellipse oder dergleichen zu verstehen ist. Andererseits stellen sich im hohen Drehzahlbereich der Unwuchtwelle ausreichend tragfähige Linienkontakte in deren Unwuchtlastbereich mit entsprechend geringen Hertzschen Pressungen zwischen den Laufbahnen und den Rollen ein. Die sich hieraus ergebende Einsparung an axialem und radialem Bauraumbedarf für die Wälzlagerung ist jedoch nicht nur in Bezug auf die eingangs zitierte Lageranordnung mit Kugellager, sondern auch in Bezug auf an sich bekannte und konventionell gestaltete Nadellagerungen von Unwuchtwellen zu sehen. Denn auch in letzterem Fall erlaubt die erfindungsgemäße Lageranordnung eine weitere Bauraumreduzierung, da konventionelle Lageranordnungen mit Rollen und zylindrischen Laufbahnen in der Regel nur unzureichend auf die Biegelinie der Unwuchtwelle abgestimmt und aufgrund der dann asymmetrisch auftretenden Kontaktpressungen „überzudimensionieren” sind.
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung soll es sich bei der Unwuchtwelle um eine Ausgleichswelle zum Ausgleich von Massenkräften und/oder Massenmomenten einer Hubkolben-Brennkraftmaschine handeln. Ausgleichswellen sind dem Fachmann auf dem Gebiet der Hubkolben-Brennkraftmaschinen, insbesondere in Reihen- oder V-Anordnung als wirksame Maßnahme zur Reduzierung von Schwingungen infolge oszillierender Massenkräfte bekannt. Ein sich auf diesem Gebiet abzeichnender Trend ist die bauraum- und gewichtsoptimierte Ausgestaltung der Ausgleichswellen einschließlich ihrer Wälzlagerungen, die auch bei steigenden Höchstdrehzahlen der Brennkraftmaschine auf die geforderte Lebensdauer auszulegen sind.
Wie es auch an später erläuterten Ausführungsbeispielen der Erfindung deutlich wird, kann eine derartige Ausgleichswelle in abwechselnder Folge drei Unwuchtabschnitte und zwei Lagerzapfen aufweisen. Dabei ist es in einer ersten Ausgestaltung der Laufbahnen vorgesehen, dass die Innenlaufbahn den veränderlichen Durchmesser aufweist. Die Innenlaufbahn kann unmittelbar auf der Außenmantelfläche des Lagerzapfens verlaufen. Dies ist insbesondere bei geschmiedeten Unwuchtwellen zweckmäßig, die eine als Wälzlagerlaufbahn geeignete Werkstoffoberfläche aufweisen, da in diesem Fall ein Innenring zugunsten des weiterhin verkleinerten radialen Bauraumbedarfs entfallen kann.
In einer hierzu alternativen Ausgestaltung soll die Außenlaufbahn den veränderlichen Durchmesser aufweisen. Dabei kann die Außenlaufbahn unmittelbar am Gehäuse, vorzugsweise jedoch auf der Innenmantelfläche eines in das Gehäuse eingesetzten Außenrings verlaufen.
Ferner ist auch eine Kombination der vorgenannten Ausgestaltungen denkbar, wobei sowohl die Innenlaufbahnen als auch die Außenlaufbahnen einen veränderlichen Durchmesser aufweisen.
Die eingangs genannte Aufgabe wird weiterhin durch ein an die Lageranordnung angepasstes Nadellager, wie es in Anspruch 8 angegeben ist, gelöst. Das einen Käfig mit den darin geführten Rollen oder Nadeln und einen spanlos hergestellten, dünnwandigen Außenring umfassende Nadellager ist mit einer an sich bekannten Nadelhülse vergleichbar, wobei jedoch die Innenmantelfläche des Außenrings nicht zylindrisch, sondern konisch oder parabolisch ausgebildet ist. Für den Fall, dass die Innenlaufbahn nicht unmittelbar auf der Außenmantelfläche des Lagerzapfens verläuft, soll das Nadellager weiterhin einen spanlos hergestellten, dünnwandigen Innenring mit zylindrischer Außenmantelfläche umfassen.
Die eingangs genannte Aufgabe wird ebenfalls durch ein an die Lageranord nung angepasstes Nadellager, wie es in Anspruch 10 angegeben ist, gelöst. Ein solches Nadellager soll einen Käfig mit darin geführten Rollen, einen Außenring mit zylindrischer Innenmantelfläche und einen Innenring mit konischer oder parabolischer Außenmantelfläche umfassen. Dabei handelt es sich sowohl bei dem Außenring als auch bei dem Innenring um spanlos hergestellte, dünnwandige Bauteile aus Blechwerkstoff.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und aus den Zeichnungen, in denen Ausführungsbeispiele der Erfindung vereinfacht dargestellt sind. Sofern nicht anders erwähnt, sind dabei gleiche oder funktionsgleiche Bauteile oder Merkmale mit gleichen Bezugzahlen versehen. Es zeigen:
1 eine erfindungsgemäße Lageranordnung mit einer bei hoher Drehzahl verformten Ausgleichswelle in teilgeschnittener Darstellung;
2 eine Hubkolben-Brennkraftmaschine mit Ausgleichswellen in schematischer Darstellung;
3 eine im Stand der Technik bekannte Ausgleichswelle in perspektivischer Darstellung;
4 eine Detailansicht einer Lageranordnung mit Innenring und Außenring, wobei der Außenring eine konische Laufbahn aufweist;
5 eine Detailansicht einer Lageranordnung mit Innenring und Außenring, wobei der Innenring eine konische Laufbahn aufweist;
6 eine Detailansicht einer Lageranordnung ohne Innenring, wobei der Außenring eine konische Laufbahn aufweist und
7 eine Detailansicht einer Lageranordnung ohne Innenring, wobei der Lagerzapfen eine konische Laufbahn aufweist.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
Ein bevorzugter Anwendungsfall der Erfindung ist in 2 offenbart. Es handelt sich dabei um den an sich bekannten Massenausgleich einer Hubkolben-Brennkraftmaschine 1 in 4-Zylinder-Reihenbauweise, die zum Ausgleich von Massenkräften zweiter Ordnung zwei mit doppelter Drehzahl der Kurbelwelle 2 gegenläufig rotierende und zumeist als Ausgleichswellen bezeichnete Unwuchtwellen 3 aufweist.
Eine aus einer Vielzahl konstruktiver Gestaltungsmöglichkeiten ausgewählte und grundsätzlich ebenfalls bekannte Ausgleichswelle 3 geht aus 3 hervor. Die Ausgleichswelle 3 weist einen Antriebsabschnitt 4 und in abwechselnder Folge drei Unwuchtabschnitte 5, 6 und 7 sowie zwei Lagerzapfen 8 auf, an denen die Ausgleichswelle 3 mittels Wälzlagern 9 in einem lediglich durch Schmierölnebel beaufschlagten und hier nicht näher dargestellten Gehäuse der Hubkolben-Brennkraftmaschine 1 gelagert ist. Bei den aufgeschnitten dargestellten Wälzlagern 9 handelt es sich um Nadellager, die auch als Nadelhülsen bezeichnet sind und aus einem Käfig 10 mit darin geführten Wälzkörpern 11 in Form von Rollen oder Nadeln und einem spanlos hergestellten, dünnwandigen Außenring 12 bestehen.
Ausgehend von diesem Stand der Technik sind in den 1 und 4 bis 7 erfindungsgemäße Lageranordnungen 13a–d für Unwuchtwellen 3 dargestellt, die beispielsweise die Form der Ausgleichswelle 3 gemäß 3 aufweisen können. Die in 1 dargestellte Unwuchtweile 3 weist ebenfalls drei mittels Kreis symbolisierte Unwuchtabschnitte 5, 6 und 7 sowie zwei von Nadellagern 9 umschlossene Lagerzapfen 8 auf. Die Unwuchtwirkung der Unwuchtabschnitte 5, 6, 7 führt bei hoher Drehzahl zu einer Verformung der Unwuchtwelle 3, welche in 1 mit entsprechender Biegelinie 14 stark übertrieben dargestellt ist. Das damit einhergehende Verkippen der Lagerzapfen 8 in ihren Lagerstellen wird seitens der Nadellager 9 dadurch kompensiert, dass die gehäusefesten Außenlaufbahnen 15a in den im Gehäuse 16 eingesetzten Außenringen 12 einen in Längsrichtung der Unwuchtwelle 3 veränderlichen und an deren Biegelinie 14 angepassten Durchmesser aufweisen. In diesem konkreten Fall ist jeweils die Innenmantelfläche der spanlos hergestellten, dünnwandigen Außenringe 12 in der Weise kreiskegelstumpfförmig oder kurz konisch ausgebildet, dass sich bei verformter Unwuchtwelle 3 ein im Lastbereich der Unwuchtabschnitte 5, 6, 7 im wesentlichen linienförmiger Kontakt zwischen den Rollen 11 und ihrer Außenlaufbahn 15a einstellt. Auf die Lagerzapfen 8 aufgezogene Innenringe 17 weisen jeweils eine zylindrische Innenlaufbahn 18a für die Rollen 11 auf.
Zum Vergleich ist die Lageranordnung 13a gemäß 1 bei stillstehender oder bei niedriger Drehzahl der dann im wesentlichen unverformten Unwuchtwelle 3 in 4 als vergrößerter Detailausschnitt dargestellt. Unter Berücksichtigung der auf die zylindrischen Rollen 11 wirkenden Fliehkraft ist es leicht nachvollziehbar, dass die Rollen 11 in diesem Betriebszustand lediglich Punktkontakt mit dem Innenring 17 mit zylindrischer Innenlaufbahn 18a und/oder dem Außenring 12 mit konischer Außenlaufbahn 15a haben können. Dabei ist es für den Fachmann selbstverständlich, dass der in den 4 bis 7 eingezeichnete Konuswinkel 19 der Laufbahnen 15a und 18b analog zur Biegelinie 14 gemäß 1 zur Verdeutlichung der Erfindung stark übertrieben dargestellt ist.
Die in 5 dargestellte Lageranordnung 13b unterscheidet sich von der Lageranordnung 13a in 4 dadurch, dass die als Innenlaufbahn 18b für die Rollen 11 dienende Außenmantelfläche des Innenrings 17 nicht zylindrisch, sondern konisch ausgebildet ist, während der Außenring 12 eine zylindrische Außenlaufbahn 15b aufweist.
Bei Lageranordnungen 13c und 13d gemäß den 6 und 7 handelt es sich jeweils um eine geschmiedete Unwuchtwelle 3, so dass der Lagerzapfen 8 eine als Laufbahn für die Rollen 11 geeignete Werkstoffoberfläche aufweist (gegossene Unwuchtwellen sind zu diesem Zweck in der Regel ungeeignet). Insofern kann auf den Innenring 17, wie er bei den Lageranordnungen 13a und 13b vorgesehen ist, verzichtet und die Innenlaufbahn 18a bzw. 18b für die Rollen 11 unmittelbar auf der Außenmantelfläche des Lagerzapfens 8 vorgesehen werden.
Die in den 4 und 6 gezeigten Lageranordnungen 13a und 13c sind dahingehend gleich, dass jeweils die Außenlaufbahn 15a auf dem Außenring 12 konisch ausgebildet ist, während die Innenlaufbahn 18a jeweils zylindrisch ist. Die Lageranordnungen 13b und 13d gemäß den 5 und 7 sind dahingehend gleich, dass die Außenlaufbahnen 15b auf den Außenringen 12 zylindrisch sind, während die Innenlaufbahnen 18b konisch ausgebildet sind.

1: Hubkolben-Brennkraftmaschine
2: Kurbelwelle
3: Unwuchtwelle/Ausgleichswelle
4: Antriebsabschnitt
5: Unwuchtabschnitte
6: Unwuchtabschnitte
7: Unwuchtabschnitte
8: Lagerzapfen
9: Wälzlager/Nadellager
10: Käfig
11: Wälzkörper/Rolle/Nadel
12: Außenring
13: Lageranordnung
14: Biegelinie
15: Außenlaufbahn
16: Gehäuse
17: Innenring
18: Innenlaufbahn
19: Konuswinkel

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 372146 [0003]

Claims

Lageranordnung (13a, 13b, 13c, 13d) umfassend eine in einem Gehäuse (16) drehend gelagerte Welle (3) mit einem Lagerzapfen (8), ein den Lagerzapfen (8) umschließendes Wälzlager (9), eine wellenfeste Innenlaufbahn (18a, 18b) und eine gehäusefeste Außenlaufbahn (15a, 15b) für die Wälzkörper (11) des Wälzlagers (9), wobei eine der Laufbahnen (15a, 15b, 18a, 18b) einen in Längsrichtung der Welle (3) veränderlichen und an deren Biegelinie (14) angepassten Durchmesser aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den Wälzkörpern (11) um die Rollen eines Zylinderrollen- oder Nadellagers (9) handelt, wobei die Laufbahn (15a, 18b) mit veränderlichem Durchmesser dergestalt ist, dass die Rollen (11) bei niedriger Drehzahl der als Unwuchtwelle ausgebildeten Welle (3) in punktförmigem Kontakt mit einer der Laufbahnen (15a, 15b, 18a, 18b) und bei hoher Drehzahl der Unwuchtwelle (3) in linienförmigem Kontakt mit beiden Laufbahnen (15a, 15b, 18a, 18b) stehen.
Lageranordnung (13a, 13b, 13c, 13d) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Unwuchtwelle (3) um eine Ausgleichswelle zum Ausgleich von Massenkräften und/oder Massenmomenten einer Hubkolben-Brennkraftmaschine (1) handelt.
Lageranordnung (13a, 13b, 13c, 13d) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgleichswelle (3) in abwechselnder Folge drei Unwuchtabschnitte (5, 6, 7) und zwei Lagerzapfen (8) aufweist.
Lageranordnung (13b, 13d) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die innenlaufbahn (18b) den veränderlichen Durchmesser aufweist.
Lageranordnung (13b, 13d) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenlaufbahn (18b) unmittelbar auf der Außenmantelfläche des Lagerzapfens (8) verläuft.
Lageranordnung (13a, 13c) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenlaufbahn (15a) den veränderlichen Durchmesser aufweist.
Lageranordnung (13a, 13c) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenlaufbahn (15a) auf der Innenmantelfläche eines in das Gehäuse (16) eingesetzten Außenrings (12) verläuft.
Nadellager (9) für eine Lageranordnung (13a, 13c) gemäß Anspruch 1, umfassend einen Käfig (10) mit darin geführten Rollen (11) und einen spanlos hergestellten, dünnwandigen Außenring (12) mit konischer oder parabolischer Innenmantelfläche.
Nadellager (9) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Nadellager (9) weiterhin einen spanlos hergestellten, dünnwandigen Innenring (17) mit zylindrischer Außenmantelfläche umfasst.
Nadellager (9) für eine Lageranordnung (13b) gemäß Anspruch 1, umfassend einen Käfig (10) mit darin geführten Rollen (11), einen spanlos hergestellten, dünnwandigen Außenring (12) mit zylindrischer Innenmantelfläche und einen spanlos hergestellten, dünnwandigen Innenring (17) mit konischer oder parabolischer Außenmantelfläche.