DE102008020069A1 - Schrägrollenlager sowie Maschine mit dem Schrägrollenlager - Google Patents

Abstract

Kegelrollenlager, als ein Ausführungsbeispiel von Schrägrollenlagern, bestehen im Allgemeinen aus einem Außenring, einem Innenring, jeweils mit kegeligen Laufbahnen, und Kegelrollen, wobei die Kegelrollen oftmals durch einen Käfig aus gepresstem Stahlblech geführt oder gehalten werden. Es wird ein Schrägrollenlager 1, insbesondere Kegelrollenlager, beispielsweise für den Einsatz in einer Hydraulikmaschine vorgeschlagen, mit einem Innenring 3, einem Außenring 4, einem Kunststoffkäfig 11 und einer Mehrzahl von Rollen 5, wobei die Rollen 5 zwischen dem Innenring 3 und dem Außenring 4 abrollen und von dem Kunststoffkäfig 11 geführt werden, wobei der Kunststoffkäfig 11 mindestens einen angeformten Seitenring 12, 13 aufweist, welcher radial innenseitig mit dem Innenring 3 einen inneren Ringspalt 15a, b und radial außenseitig mit dem Außenring 4 einen äußeren Ringspalt 16a, b bildet, wobei der innere und der äußere Ringspalt 15a, b, 16a, b jeweils parallel verlaufende Seitenwände aufweisen und/oder der Kunststoffkäfig 11 als eine berührungslose Dichtung ausgebildet ist.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Schrägrollenlager, insbesondere ein Kegelrollenlager, beispielsweise für den Einsatz in einer Hydraulikmaschine, mit einem Innenring, einem Außenring, einem Kunststoffkäfig und einer Mehrzahl von Rollen, wobei die Rollen zwischen dem Innenring und dem Außenring abrollen können und von dem Käfig gehalten werden, wobei der Kunststoffkäfig mindestens einen angeformten Seitenring aufweist, welcher radial innenseitig mit dem Innenring einen inneren Ringspalt und radial außenseitig mit dem Außenring einen äußeren Ringspalt bildet. Die Erfindung betrifft des Weiteren eine Maschine mit diesem Schrägrollenlager.
• Kegelrollenlager, als ein Ausführungsbeispiel von Schrägrollenlagern, bestehen im Allgemeinen aus einem Außenring, einem Innenringen, jeweils mit kegeligen Laufbahnen, und Kegelrollen, wobei die Kegelrollen oftmals durch einen Käfig aus gepresstem Stahlblech geführt oder gehalten werden. Kegelrollenlager nehmen hohe radiale und einseitig axiale Belastungen auf.
• Bereits aus der Druckschrift DE 2419944 A1 ist es bekannt, dass Kegelrollenlager aufgrund der kegelig ausgebildeten Käfigflächen eine Pumpwirkung bzw. Förderwirkung erzeugen, die ein Schmieröl von der Seite mit dem kleineren Eintrittsdurchmesser zu der Seite mit dem größeren Eintrittsdurchmesser des Wälzlagers fördert. In der genannten Druckschrift wird vorgeschlagen, die Schmierölförderung durch Verwendung einer temperatursensitiven Einrichtung, nämlich eine Einrichtung mit einer Bimetallkomponente, zu steuern.
• Aus der Druckschrift DE 27 39 367 , welche wohl den nächstkommenden Stand der Technik bildet, ist ein weiteres Schrägrollenlager, insbesondere ein Kegelrollenlager bekannt. Das Kegelrollenlager weist einen Kunststoffkäfig auf, welcher Querstreben und daran angeformte Seitenringe aufweist und zwischen einem Innen- und einem Außenring des Wälzkörpers geführt wird.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, das Funktionsverhalten von Schrägrollenlagern, insbesondere von Kegelrollenlagern, insbesondere für den Einsatz in einem Ölmedium zu verbessern.
• Diese Aufgabe wird durch ein Schrägrollenlager mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie mit einer Maschine mit dem Schrägrollenlager mit den Merkmalen des Anspruchs 7 gelöst. Bevorzugte oder vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung sowie der beigefügten Figur.
• Im Rahmen der Erfindung wird ein Schrägrollenlager, insbesondere ein Kegelrollenlager vorgeschlagen, welches bevorzugt für den Einsatz in einer Hydraulikmaschine bzw. -pumpe und/oder in einem Ölbad bzw. in einer anderen Flüssigkeit geeignet und/oder ausgebildet ist.
• Das Schrägrollenlager umfasst einen Innenring, einen Außenring, einen Kunststoffkäfig und eine Mehrzahl von Rollen, insbesondere Kegelrollen, welche zwischen dem Innenring und dem Außenring abrollend angeordnet sind und von dem Kunststoffkäfig gehalten werden.
• Der Kunststoffkäfig ist bevorzugt einstückig und/oder ausschließlich aus Kunststoff ausgebildet und weist axial endseitig mindestens einen angeformten Seitenring auf. Bei alternativen Ausführungsformen ist der Kunststoffkäfig mehrteilig ausgebildet. Der Seitenring ist in dem Schrägrollenlager so angeordnet, dass dieser radial innenseitig mit dem Innenring einen inneren Ringspalt und radial außenseitig mit dem Außenring einen äußeren Ringspalt bildet. Der bzw. jeder Ringspalt zeigt in einem Querschnitt senkrecht zur Drehachse des Schrägrollenlagers eine ringförmige Gestalt, wobei die Ringe bei dem äußeren Ringspalt durch den Außenring und den Seitenring und bei dem inneren Ringspalt durch den Innenring und den Seitenring gebildet werden.
• Im Rahmen der Erfindung wird vorgeschlagen, dass der innere und der äußere Ringspalt jeweils parallele Seitenwände und/oder zueinander konzentrisch angeordnete Seitenwände aufweisen.
• Der Verlauf des Ringspalts in axialer Richtung ist bei dem inneren Ringspalt bevorzugt zylinderförmig und bei dem äußeren Ringspalt bevorzugt trichter- oder konusförmig, aber auch zylinderförmig ausgebildet.
• Alternativ oder ergänzend ausgedrückt zeigen der innere und äußere Ringspalt in ihrer Erstreckung in axialer Richtung einen konstanten Spaltdurchmesser. Bei einer ersten Definition wird der Spaltdurchmesser in der Querschnittebene senkrecht zu der Drehachse des Schrägrollenlagers gemessen. Bei einer zweiten möglichen Definition wird der Spaltdurchmesser senkrecht zur Erstreckungsrichtung des Ringspalts in einem Längsschnitt parallel zu der Drehachse des Schrägrollenlagers gemessen.
• Allgemeiner ausgedrückt ist der Kunststoffkäfig als eine berührungslose Dichtung ausgebildet, welche einen Öldurchfluss durch den Wälzkörperraum unterbindet. Diese Funktion wird bevorzugt dadurch umgesetzt, dass der Kunststoffkäfig großvolumig ausgebildet ist und den größten Teil des in dem Wälzkörperraum verfügbaren, freien Volumens ausfüllt. Das verfügbare Volumen in dem Wälzkörperraum ist bevorzugt das Gesamtvolumen, also der Ringspalt, abzüglich des benötigten Freiraums für die Rollen und abzüglich der notwendigen Toleranzen, um einen reibungsarmen Betrieb des Schrägrollenlagers zu erlauben. Das verbleibende Volumen wird bevorzugt zu mindestens 60%, insbesondere zu mindestens 80% und im speziellen zu mindestens 90% durch den Kunststoffkäfig ausgefüllt.
• Eine Überlegung der Erfindung ist es, dass es zwar vorteilhaft ist, wenn das Schrägrollenlager eine Pump- oder Förderfunktion übernimmt, um eine ausreichende Eigenschmierung des Schrägrollenlagers sicherzustellen. Insbesondere bei hohen Betriebsdrehzahlen hat es sich jedoch als nachteilig herausgestellt, wenn ein großes Ölvolumen durch den Rollensatz strömt, da das Öl durch die Rollen verdrängt werden muss. Diese Verdrängungsarbeit erhöht jedoch insbesondere bei hohen Drehzahlen den Drehwiderstand des Schrägrollenlagers und somit die Verlustleistung an dem Schrägrollenlager. Um die Verlustleistung der Lagerung zu reduzieren, wird deshalb vorgeschlagen, den freien Torus- oder Wälzkörperraum mit dem Kunststoffkäfig abzusperren und somit die Öldurchflussmenge sowie die Panschverluste zu reduzieren. Dieses Ziel wird durch einen konstruktiv angepassten, insbesondere großvolumigen Kunststoffkäfig erreicht, der die Öldurchflussmenge minimiert bzw. steuert.
• Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass der bzw. die Spaltdurchmesser über die gesamte axiale Erstreckung des Kunststoffkäfigs den kleinsten Abstand von dem Kunststoffkäfig zu dem Innenring bzw. zu dem Außenring darstellt bzw. darstellen. Damit bildet bereits der Seitenring eine Drossel oder eine Dichtung für das Öl aus. Ein minimaler Abstand zwischen Kunststoffkäfig und Außen- bzw. Innenring bleibt bestehen, um eine freie Bewegung des Kunststoffkäfigs zwischen den Ringen zu erreichen.
• Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird der Kunststoffkäfig durch die Rollen in axialer Richtung geführt, insbesondere ist der Kunststoffkäfig in axialer Richtung bordfrei geführt.
• Bei einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung weist der Kunststoffkäfig zwei derartige Seitenringe auf. Einer der Seitenringe, nachfolgend auch als der große Seitenring bezeichnet, ist dabei im Durchmesser größer als der andere Seitenring ausgebildet, welcher nachfolgend als kleiner Seitenring bezeichnet wird. Vorzugsweise ist der Spaltdurchmesser bei dem inneren und/oder äußeren Ringspalt bei beiden Seitenringen jeweils gleich groß ausgebildet. Bei dieser Ausführungsform ist der Wälzkörperraum durch die Seitenringe beidseitig abgedichtet oder gedrosselt. Insgesamt wird durch den Einsatz der Seitenringe der Strömungswiderstand durch das Schrägkugellager erhöht. Berücksichtigt man, dass sich eine Strömungsrichtung durch die unterschiedlichen Durchmesser des kleinen und des großen Seitenrings ergibt, wobei die Strömungsrichtung von dem kleinen Seitenring zu dem großen Seitenring gerichtet ist, so bildet der kleiner Seitenring eine Eingangsdichtung und/oder der große Seitenring eine Ausgangsdichtung für das Öl.
• Bei einer optionalen Ergänzung der Erfindung weist der Kunststoffkäfig Querstreben auf, welche zwischen den Rollen angeordnet sind und einstückig an den Seitenringen angeformt sind. Die Querstreben bilden zusammen mit dem Außenring in Umlaufrichtung zumindest abschnittsweise einen Außenringspalt, also Ringspaltabschnitte zwischen den Rollen. Der Außenringspalt bildet zusammen mit dem äußeren Ringspalt des großen und/oder des kleinen Seitenrings einen gemeinsamen, durchgehenden Ringspalt aus. Bei dieser bevorzugten Ausführungsform weist der gemeinsame Ringspalt im axialen Verlauf einen konstanten Spaltdurchmesser auf, wobei der Spaltdurchmesser bevorzugt senkrecht zur Spalterstreckung gemessen wird. Durch diese Maßnahme wird der Strömungswiderstand, insbesondere in den Bereichen zwischen den Rollen, weiter erhöht. Bevorzugt ist der Spaltdurchmesser des gemeinsamen Ringspalts bis auf eine für den Betrieb notwendige Toleranz minimiert.
• Bei einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung weist der Innenring zwei Borde zur seitlichen Führung der Rollen auf, wobei die Borde gemeinsam mit dem Kunststoffkäfig den bzw. die inneren Ringspalte bilden.
• Bei einer abgewandelten Ausführungsform kann auch der Außenring zwei Borde zur seitlichen Führung der Rollen aufweisen und der Innenring gemeinsam mit den Querstreben und dem inneren Ringspalt des großen und/oder des kleinen Seitenrings einen gemeinsamen Ringspalt mit einem im axialen Verlauf konstanten Spaltdurchmesser bilden.
• Die Erfindung betrifft zudem eine Maschine mit einem Schrägrollenlager, wie es zuvor beschrieben wurde bzw. nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Schrägrollenlager in einem Flüssigkeitsbad, insbesondere Ölbad, angeordnet ist. Gerade in einer Ölumgebung werden die eingangs geschilderten Vorteile der Erfindung ausgenutzt.
• Besonders vorteilhaft erweist sich die Erfindung, wenn das Schrägrollenlager zur Lagerung eines schnelllaufenden Maschinenteils eingesetzt ist. Unter schnelllaufend werden bevorzugt Umdrehungen von mehr als 300 Umdrehungen pro Minute, insbesondere von mehr als 3.000 Umdrehungen pro Minute und im speziellen von mehr als 10.000 Umdrehungen pro Minute verstanden.
• Bei einem besonders bevorzugten Anwendungsfall der Erfindung ist die Maschine als eine Hydraulikpumpe oder eine Hydraulikmotor ausgebildet. Bei einer beispielhaften Anwendung wird das Rollenlager zur Lagerung der Antriebswelle einer Schrägscheibe in einer Schrägscheiben-Axial-Kolbenpumpe oder Schrägscheiben-Axial-Kolbenmotor oder einem hydrostatischen Getriebe eingesetzt, wobei die rotierende Schrägscheibe zu einer Hubbewegung von in einem rotierenden Zylinder angeordneten Kolben führt.
• Weitere Merkmale, Vorteile und Wirkungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und der beigefügten Figuren eines Ausführungsbeispiels der Erfindung. Dabei zeigt:
• 1 einen schematischen Längsschnitt durch die Drehachse eines Schrägrollenlagers als ein Ausführungsbeispiel der Erfindung.
• 1 zeigt ein Kegelrollenlager 1 in einem Längsschnitt parallel zu der Drehachse 2 des Kegelrollenlagers 1.
• Das Kegelrollenlager 1 weist einen Innenring 3 und einen Außenring 4 auf, zwischen denen eine Mehrzahl von Kegelrollen 5 drehbar gelagert sind. Der Außenring 4 zeigt in dem dargestellten Längsschnitt eine etwa dreiecksförmige Gestalt, wobei die der Kegelrolle 5 zugewandte Seite eine in Bezug auf die Drehachse 2 konusförmige Lauffläche 6 darstellt.
• Der Innenring 3 weist eine konusförmige innere Lauffläche 7 auf, welche in dem gezeigten Längsschnitt gewinkelt zu der Lauffläche 6 ausgerichtet ist, sowie zwei seitliche, einstückig angeformte Borde 8a und 8b zur axialen Führung der Kegelrolle 5.
• Die Kegelrolle 5 zeigt eine kegelstumpfförmige Form, rollt zwischen der inneren und der äußeren Lauffläche 7 bzw. 6 ab und wird in einem Randbereich durch die Borde 8a, b in axialer Richtung geführt. Die Drehachse 9 der Ke gelrolle 5 ist steilwinklig, also mit einem Winkel relativ zur Drehachse 2 von mehr als 20°, in diesem Ausführungsbeispiel von circa 30° ausgebildet. Bei alternativen Ausführungsbeispielen kann der genannte Winkel auch in einem Bereich zwischen 2° und 20° liegen. Aufgrund des unterschiedlichen axialen Abstands der Stirnflächen der Kegelrolle 5 von der Drehachse 2 ergibt sich im Betrieb eine Strömungsrichtung für ein Öl in Richtung des Pfeils 10.
• Zur Beabstandung der Kegelrollen 5 zueinander weist das Kegelrollenlager 1 einen Kunststoffkäfig 11 auf, welcher aus einem inneren Seitenring 12, einem äußeren Seitenring 13 sowie zwischen den Seitenringen 12, 13 und den Kegelrollen 5 angeordnete Querstreben 14 besteht. Der Kunststoffkäfig 11 ist einstückig ausgebildet und liegt radial außenseitig an der Lauffläche 6 des Außenrings 4 und radial innenseitig an den Borden 8a, b an. Der Kunststoffkäfig 11 ist in axialer Richtung nicht durch die Borde 8a, b geführt.
• Im Bereich der kleinen Seitenscheibe 12 wird durch die Seitenscheibe 12 und den inneren Bord 8a bzw. dem Innenring 3 ein innerer Ringspalt 15a und durch den kleinen Seitenring 12 und den Außenring 4 ein äußerer Ringspalt 16a gebildet. In analoger Weise wird bei dem großen Seitenring 11 ein innerer Ringspalt 15b mit dem Bord 8b und ein äußerer Ringspalt 16b mit dem Außenring 4 gebildet. Die inneren Ringspalte 15a, b weisen über deren axialen Verlauf einen konstanten Spaltdurchmesser d1 auf. Die äußeren Ringspalte 15a, b zeigen ebenfalls einen konstanten Spaltdurchmesser d2, welcher – wie in 1 gezeigt – senkrecht zu der Erstreckungsrichtung der Ringspalte 15a, b ermittelt wird.
• Die Spaltdurchmesser d1 und d2 sind bevorzugt dahingehend minimal ausgeführt, so dass ein maximaler Strömungswiderstand gebildet wird, jedoch ohne die für einen sicheren und reibungsarmen Betrieb notwendigen Toleranzen zu unterschreiten. Wie sich aus der 1 ergibt, ist der Spaltdurchmesser d1 größer als der Spaltdurchmesser d2 gewählt.
• Wird das Verdrängungsvolumen durch die umwälzenden Kegelrollen 5 zu 100% gesetzt, nehmen 70% des Verdrängungsvolumens die stehenden Kegelrollen 5 und 6% die Käfigstege 14 ein. Die verbleibenden 24% sind Freivolumen. Bei anderen Ausführungsformen nehmen die Käfigstege 14 bis zu 10% oder mehr des Verdrängungsvolumens ein. Allgemein betrachtet nehmen die Käfigstege bevorzugt mehr als ein Viertel oder mehr als ein Drittel des nach Abzug der Wälzkörper verbleibenden Verdrängungsvolumens ein.
• Durch die minimierten Spaltdurchmesser d1, d2 werden an dem kleinen bzw. großen Seitenring 12 bzw. 11 maximale Strömungswiderstände erzeugt. Mit dem Ziel, den Gesamtströmungswiderstand weiter zu erhöhen sind die Querstreben 14 so ausgebildet, dass der äußere Ringspalt 16a bzw. 16b mit konstantem Spaltdurchmesser d1 auch im Bereich der Querstreben 14 weitergeführt wird. Dadurch ergibt sich ein gemeinsamer Ringspalt über die gesamte axiale Breite des Kunststoffkäfigs 9, der – im Sinne einer Labyrinthdichtung – einen sehr hohen Strömungswiderstand aufweist. Der gemeinsame Ringspalt ist in Umlaufrichtung durch die Kegelrollen 5 unterbrochen.
• Bevorzugt wird das Kegelrollenlager 1 in einer Hydraulikpumpe oder Hydraulikmaschine, insbesondere in einem druckbelasteten Bereich, also bei Betriebsdrücken von über 100 bar und in einer Ölumgebung eingesetzt. Alternativ kann das Kegelrollenlager 1 auch in einem Getriebe, insbesondere in einem Differentialgetriebe, z. B. als Wellenlager, eingesetzt werden. Durch die konstruktive Ausgestaltung des Kunststoffkäfigs 9 wird erreicht, dass die aufgrund der Pumpwirkung in Pumprichtung 10 durch das Kegelrollenlager 1 durchfließende Ölmenge minimiert wird, da der Kunststoffkäfig 9 durch den hohen Strömungswiderstand den freien Torus- bzw. Wälzkörperraum größtenteils absperrt. Auf diese Weise wird zum einen die Durchflussmenge an Öl und zum anderen die Panschverluste verringert. Gegenüber üblich eingesetzten Kegelrollenlagern mit einem Blechkäfig wird eine Reduktion der Verlustleistung um bis zu 30% erwartet.

1

Kegelrollenlager

2

Drehachse

3

Innenring

4

Außenring

5

Kegelrolle

6

konusförmige, äußere Lauffläche

7

innere Lauffläche

8a, b

Borde

9

Drehachse

10

Pfeil, Pumprichtung

11

Kunststoffkäfig

12

innerer Seitenring, Seitenscheibe

13

äußerer Seitenring

14

Querstrebe

15a, b,

innerer Ringspalt, Querstreben

16a, b,

äußerer Ringspalt

• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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• Zitierte Patentliteratur
• - DE 2419944 A1 [0003]
• - DE 2739367 [0004]

Claims (9)

1. Schrägrollenlager (1), insbesondere Kegelrollenlager, beispielsweise für den Einsatz in einer Hydraulikmaschine, mit einem Innenring (3), einem Außenring (4), einem Kunststoffkäfig (11) und einer Mehrzahl von Rollen (5), wobei die Rollen (5) zwischen dem Innenring (3) und dem Außenring (4) abrollen und von dem Kunststoffkäfig (11) geführt werden, wobei der Kunststoffkäfig (11) mindestens einen angeformten Seitenring (12, 13) aufweist, welcher radial innenseitig mit dem Innenring (3) einen inneren Ringspalt (15a, b) und radial außenseitig mit dem Außenring (4) einen äußeren Ringspalt (16a, b) bildet, dadurch gekennzeichnet, dass der innere und der äußere Ringspalt (15a, b, 16a, b) jeweils parallel verlaufende Seitenwände aufweisen und/oder der Kunststoffkäfig (11) als eine berührungslose Dichtung ausgebildet ist.
2. Schrägrollenlager (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Spaltdurchmesser (d1, d2) über die gesamte axiale Erstreckung des Kunststoffkäfigs (11) den kleinsten Abstand zu dem Innenring (3) bzw. Außenring (4) bildet.
3. Schrägrollenlager (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kunststoffkäfig (11) zwei derartige Seitenringe (12, 13) aufweist, wobei der eine Seitenring – nachfolgend auch als großer Seitenring (13) bezeichnet – einen größeren Innendurchmesser und/oder Außendurchmesser als der andere Seitenring – nachfolgend als kleiner Seitenring (12) bezeichnet – aufweist.
4. Schrägrollenlager (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Kunststoffkäfig (11) Querstege (14) aufweist, welche zwischen den Rollen (5) angeordnet sind und einstückig an den Seitenringen (12, 13) angeformt sind, wobei die Querstege (14) zusammen mit dem Außenring (4) in Umlaufrichtung abschnittsweise einen Außenringspalt bilden, wobei der Außenringspalt zusammen mit dem äußeren Ringspalt (16a, b) des großen und/oder des kleinen Seitenrings (13, 12) einen gemeinsamen Ringspalt bilden, der in axialer Erstreckung einen oder den konstanten Spaltdurchmesser aufweist.
5. Schrägrollenlager (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenring (3) zwei Borde zur seitlichen Führung der Rollen (5) aufweist.
6. Schrägrollenlager (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der gesamte, verfügbare Ringspalt zwischen Innenring (3) und Außenring (4) durch die Ringspalte, den Rollen und dem Kunststoffkäfig vollständig oder weitestgehend vollständig gefüllt ist.
7. Maschine mit einem Schrägrollenlager (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Schrägrollenlager (1) in einem Flüssigkeitsbad läuft.
8. Maschine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Schrägrollenlager (1) schnelllaufend betreibbar ist und/oder betrieben wird, insbesondere mit mehr als 300 Umdrehungen pro Minute, im Besonderen mit mehr als 3.000 Umdrehungen pro Minute.
9. Maschine nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Maschine als eine Hydraulikpumpe oder -motor, beispielsweise zur Lagerung einer Schrägscheibe ausgebildet ist.