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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft Schrägwälzlager und insbesondere Tandemkugelrollenlager, die als Ersatz für Kegelrollenlager oder Schrägkugellager in einer Tandemanordnung bereitgestellt werden, die früher für Getriebe-, Differential- und Kraftübertragungsanwendungen verwendet wurden.
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Allgemeiner Stand der Technik
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Dem Fachmann auf dem Gebiet der Wälzlagertechnologie ist im Allgemeinen bekannt, dass die Stützung von Wellen oder Naben mit axialer und radialer Momentbelastung gewöhnlich mittels Schrägwälzlagern erfolgt, die aufgrund der hohen Belastung in den meisten Fällen in Form von zwei gegenüberliegend angeordneten und axial vorbelasteten Kegelrollenlagern vorliegen. Wenn große Axialkräfte auftreten, sind diese Kegelrollenlager mit einem großen Druckwinkel konfiguriert, um eine starke axiale Stützung der Welle zu gewährleisten.
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In Kegelrollenlagern liegt zwischen der Stirnfläche der Kegelrollen und der Führungsfläche der Lagerkante eine Gleitreibung vor, die aufgrund ihrer Vorbelastung hervorgerufen wird. Dies führt aufgrund des Kontakts von Metall auf Metall an den Kegelrollen und der Lagerkante zu einer hohen Reibung. Die
DE 198 39 481 A1 offenbart zweireihige Schrägkugellager in einer Tandemanordnung, die auf einer Seite belastet werden können und die als Ersatz für die bekannten Kegelrollenlageranordnungen in einer O-Anordnung zueinander angeordnet sind. Dadurch wird ein wesentlich geringeres Reibungsmoment bereitgestellt, da keine Gleitreibung mehr zwischen den Lagerkugeln und den Laufbahnenschultern vorhanden ist, so dass die hohe Reibung und die Temperatur des Lagers verringert werden können und ihre Effizienz verbessert werden kann.
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Allerdings hat sich der Ersatz von Kegelrollenlagern durch doppelreihige Schrägkugellager in Tandemanordnung in der Praxis als nachteilig erwiesen, da diese Schrägkugellager in Tandemanordnung im Vergleich zu Kegelrollenlagern aufgrund der benachbart angeordneten Laufbahnen für die Lagerkugeln und des großen Durchmessers der Lagerkugeln, der zur Erzielung der erforderlichen Belastbarkeit erforderlich ist, einen erhöhten axialen Bauraum benötigen. Wenn darüber hinaus ein solches Schrägkugellager in Tandemanordnung ein höheres Belastungsvermögen als ein Kegelrollenlager haben soll, sind kostenintensive Änderungen an den Lagersitzen notwendig, die die Produktionskosten der betroffenen Komponenten nachteilig erhöhen. Ferner entsteht durch solche doppelreihige Schrägkugellager in Tandemanordnung im Vergleich zu Kegelrollenlagern ein höherer Fertigungs- und Materialaufwand im Hinblick auf die Produktion der Lager, so dass auch die Produktionskosten erhöht werden.
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Die
DE 10 2005 014 556 stellt ein Wälzlager bereit, das in bekannter Weise aus einem Lagerinnenring und einem Lageraußenring besteht, wobei die Wälzkörper, die zwischen den Lagerringen angeordnet sind, anstelle von Lagerkugeln als Kugelrollen mit zwei Seitenflächen konfiguriert sind, die parallel zueinander angeordnet und von einer kugelförmigen Basisform symmetrisch abgeflacht sind. Die Verwendung von Kugelrollen als Wälzkörper soll ein solches Schrägwälzlager von mehrreihigen Schrägkugellagern primär durch einen minimierten axialen und radialen Bauraum und durch eine gleiche oder höhere Belastbarkeit bei vergleichbaren Fertigungskosten unterscheiden.
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Die
US 2011/0033149 schlägt vor, dass das Kugelrollenlager aus der
DE 10 2005 014 556 in einer Tandemanordnung angeordnet werden könnte, aber dass dies in der Praxis problematisch sei. Die erkannten Probleme werden jedoch gelöst, indem dafür gesorgt wird, dass die jeweiligen benachbarten Kugelrollen der zwei Reihen einen Abstand voneinander haben, der den gegenseitigen Reibungskontakt durch die Vergrößerung des Abstands zwischen den Druckwinkelachsen ihrer Laufbahnen und durch Führen der zwei Reihen der Kugelrollen in zwei separaten Lagerkäfigen ausschließt und mindestens die an dem Lagerinnenring angeordnete Laufbahn der Kugelrollen der Reihe mit dem größeren Teilkreis auf einer Seite mit einer axialen Verlängerung konfiguriert ist, die diesen Abstand nutzt.
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Allerdings hat auch diese Anordnung den Nachteil, dass sie Kugelrollen von unterschiedlicher Größe erforderlich macht, wobei die Reihe mit kleinerem Durchmesser Kugelrollen mit einem kleineren Durchmesser und einer geringen Anzahl von Wälzkörperen aufgrund des kleineren Teilkreisdurchmessers aufweist, der zu einer geringeren Lagerbelastbarkeit führt sowie aufgrund der unterschiedlichen verwendeten Kugelrollengrößen zahlreiche zusätzliche Teile erforderlich macht. Es wäre wünschenswert, ein Schrägwälzlager mit erhöhter Belastbarkeit für die gleiche Lagerschalengröße und mit einer längeren Lebensdauer sowie höherer Zuverlässigkeit aufgrund geringerer Spannungen und geringerer Kosten durch eine vereinfachte Montage und eine verringerte Anzahl unterschiedlicher Teile, die im Lagerbestand vorzuhalten sind, bereitzustellen.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Kurz gesagt stellt die vorliegende Erfindung ein Schrägwälzlager mit einem Lageraußenring, einem Lagerinnenring und mehreren Kugelrollen bereit, die zwischen den Lagerringen nebeneinander in zwei Reihen mit dem gleichen Teilkreisdurchmesser angeordnet sind. Die Kugelrollen in jeder der Reihen werden in gleichmäßigen Abständen voneinander in einer Umfangsrichtung von einem entsprechenden Lagerkäfig gehalten. Die Kugelrollen haben alle einen gleichen Durchmesser und jede der Kugelrollen weist zwei zugehörige Seitenflächen auf, die parallel zueinander angeordnet und von einer kugelförmigen Basisform symmetrisch abgeflacht sind und mit Laufflächen in entsprechenden rillenförmigen Laufbahnen abrollen, die in einer Innenfläche des Lageraußenrings und in einer Außenfläche des Lagerinnenrings definiert sind. Die Laufbahnen weisen Druckwinkelachsen auf, die in einem Druckwinkel in Bezug auf eine radiale Lagerachse geneigt sind. Benachbarte Kugelrollen der zwei Reihen weisen einen Abstand voneinander auf, der einen gegenseitigen Reibungskontakt ausschließt. Diese Anordnung bietet gegenüber der bekannten Ausführung insofern Vorteile, als die früheren Tandemkugelrollenlagerausführungen eine erste Reihe von Kugelrollen mit einem größeren Teilkreisdurchmesser und eine zweite Reihe von Kugelrollen mit einem kleineren Teilkreisdurchmesser aufwiesen, wobei die zweite Reihe von Kugelrollen einzelne Kugelrollen mit der gleichen oder einer kleineren Größe aufwies. Durch die Verwendung von Kugelrollen des gleichen Durchmessers, die in zwei Reihen mit einem gleichen Teilkreisdurchmesser angeordnet sind, stellt die vorliegende Erfindung ein erhöhtes Belastungsvermögen, ein längeres Lagerleben, eine höhere Zuverlässigkeit, geringere Kontaktspannungen sowie ein niedrigeres Reibungsmoment bereit, das zu einem besseren Kraftstoffverbrauch führt. Ferner ermöglicht diese Anordnung die Verwendung einer Ausführung mit einem einzigen Käfig, der für beide Reihen verwendet wird. Dadurch werden basierend auf der Verwendung der gleichen Kugelrollen und des gleichen Käfigs für beide Reihen in der Tandemkugellageranordnung Kostenreduzierungen möglich. Allerdings besteht die Möglichkeit, eine Käfigausführung und Kugelrollen von unterschiedlicher Größe auszugestalten. Dies wird in der gleichen Lagerschalengröße wie bei den vormals bekannten Lagern erzielt, oder mit einer reduzierten Lagerschale, weil entweder der Lageraußendurchmesser oder der Lagerinnendurchmesser reduziert ist, da die zwei Reihen einen gleichen Teilkreisdurchmesser aufweisen. Daher kann ein Tandemkugelrollenlager mit höherer Steifigkeit und einer längeren Lebensdauer für die gleiche Lagerschalengröße bereitstellt werden.
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Die Erfindung stellt auch ein Verfahren zum Montieren eines Schrägwälzlagers mit einem Lageraußenring, einem Lagerinnenring und mehreren Kugelrollen bereit, die zwischen den Lagerringen angeordnet sind, wie oben erläutert. Hier beinhaltet das Verfahren das Montieren der Kugelrollen in dem Lagerkäfig für eine erste Reihe der Kugelrollen in einer ersten Laufbahn in dem Lageraußenring. Die Kugelrollen und der Lagerkäfig werden für eine zweite Reihe von Kugelrollen in einer zweiten Laufbahn in dem Lagerinnenring montiert. Die Unterbaugruppen des Lageraußenrings und des Lagerinnenrings werden dann axial zusammengeschoben, wobei eine zweite der Laufbahnen in dem Lageraußenring die zweite Reihe von Kugelrollen in Eingriff bringt, die in der zweiten der Laufbahnen in dem Lagerinnenring angeordnet sind, und eine erste der Laufbahnen in dem Lagerinnenring die erste Reihe von Kugelrollen in Eingriff bringt, die in der ersten der Laufbahnen in dem Lageraußenring angeordnet sind.
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Vorzugsweise werden die Kugelrollen in den Käfigen in jeder der Lagerring-Unterbaugruppen in den Laufbahnen montiert, die ausgebildet sind, um die jeweiligen Kugelrollen in beiden axialen Richtungen axial zu halten.
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In einem anderen Aspekt der Erfindung wird ein Schrägwälzlager mit einem Lageraußenring, einem Lagerinnenring und mehreren Kugelrollen bereitgestellt, die zwischen den Lagerringen nebeneinander in zwei Reihen mit einem gleichen Teilkreisdurchmesser angeordnet sind. Die Kugelrollen in jeder der Reihen werden in gleichmäßigen Abständen voneinander in einer Umfangsrichtung von einem entsprechenden Lagerkäfig gehalten. Die Kugelrollen in der ersten Reihe haben einen anderen Durchmesser als die Kugelrollen der zweiten Reihe, wobei jede der Kugelrollen zwei entsprechende Seitenflächen aufweist, die parallel zueinander angeordnet und von einer kugelförmigen Basisform symmetrisch abgeflacht sind und mit Laufflächen in entsprechenden rillenförmigen Laufbahnen abrollen, die in einer Innenfläche des Lageraußenrings und in einer Außenfläche des Lagerinnenrings definiert sind. Die Laufbahnen weisen Druckwinkelachsen auf, die in einem Winkel in Bezug auf die radiale Lagerachse geneigt sind. Benachbarte Kugelrollen der zwei Reihen weisen einen Abstand voneinander auf, der einen gegenseitigen Reibungskontakt ausschließt.
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Andere Aspekte und Vorteile der Erfindung sind nachstehend und in den Ansprüchen beschrieben und werden an dieser Stelle nicht wiederholt.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Die vorstehende Kurzdarstellung und die folgende ausführliche Beschreibung machen die Erfindung in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen, die eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung darstellen, besser verständlich. Dabei zeigen:
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1 einen Aufriss eines Tandemkugellagers gemäß der Erfin dung;
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2 eine Querschnittsansicht entlang der Linie 2-2 in 1;
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3a eine Querschnittsansicht der Lageraußenring-Unterbaugruppe;
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3b eine Querschnittsansicht durch die Lagerinnenring-Unterbau- gruppe;
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4 eine Querschnittsansicht, die das Verfahren zum Montieren der Lagerinnenring- und Lageraußenring-Unterbraugruppe zur Bildung des Tandemkugellagers gemäß der Erfindung darstellt; und
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5 eine Querschnittsansicht eines Tandemkugellagers gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung.
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Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
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In der folgenden Beschreibung wird nur der Einfachheit halber eine bestimmte Terminologie verwendet, die nicht einschränkend ist. Die Wörter „vorderer“, „hinterer“, „oberer“ und „unterer“ bezeichnen Richtungen in den Zeichnungen, auf die Bezug genommen wird. Die Wörter „nach innen“ und „nach außen“ beziehen sich auf Richtungen zu den in den Zeichnungen genannten Teilen und weg von diesen. Eine Bezugnahme auf eine Liste von Elementen, die mit „mindestens einer von a, b oder c“ zitiert werden (wobei a, b und c die aufgeführten Elemente repräsentieren) bezieht sich auf jedes einzelne der Elemente a, b oder c oder Kombinationen davon. Die Terminologie schließt die oben spezifisch erwähnten Wörter, abgeleitete Wörter davon und Wörter von ähnlicher Bedeutung ein.
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In Bezug auf 1 und 2 ist ein Tandemkugelrollenlager 10 gemäß der vorliegenden Erfindung dargestellt. Das Tandemkugelrollenlager 10 weist einen Lageraußenring 12 und einen Lagerinnenring 14 auf. Mehrere Kugelrollen 16 sind zwischen dem Lageraußen- und Lagerinnenring 12, 14 angeordnet. Die Kugelrollen 16 sind in einer ersten Reihe 20 und einer zweiten Reihe 30 angeordnet, wie in 2 dargestellt, die parallel zueinander sind und einen gleichen Teilkreisdurchmesser Drfür jeden der Teilkreise aufweisen, wie in 2 durch Tk1 und Tk2 dargestellt.
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Die Kugelrollen 16 in jeder der Reihen 20, 30 weisen einen gleichen Durchmesser d auf und jede der Kugelrollen 16 weist zwei entsprechende Seitenflächen 18 auf, die parallel zueinander angeordnet und von einer kugelförmigen Basisform abgeflacht sind. Die Kugelrollen 16 weisen auch Laufflächen 19 auf, die durch den Rest der kugelförmigen Form ausgebildet sind und in zwei jeweiligen rillenförmigen Laufbahnen 22, 24 und 32, 34 abrollen, die jeweils in einer Innenfläche des Lageraußenrings 12 und in einer Außenfläche des Lagerinnenrings 14 definiert sind. Jede der Laufbahnen 22, 24; 32, 34 weist eine entsprechende Druckwinkelachse 28, 38 auf, die in einem Winkel α in Bezug auf eine radiale Lagerachse geneigt ist, die entlang der Lagerreihen 20, 30 in 2 angegeben ist. In der dargestellten Ausführungsform ist α = 30°. Allerdings kann der Winkel α basierend auf der jeweiligen Anwendung verändert werden und liegt typischerweise im Bereich von 20° bis 40°.
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Die Kugelrollen 16 in jeder der Reihen 20, 30 werden in gleichmäßigen Abständen voneinander in einer Umfangsrichtung von einem jeweiligen Lagerkäfig 26, 36 gehalten. Die Lagerkäfig 26, 36 weisen vorzugsweise die gleiche Form auf und weisen Fenster auf, in denen jede der Kugelrollen 16 angeordnet ist. Da die Lagerkäfig 26, 36 die gleiche Größe und Konfiguration aufweisen, führt dies zu weniger Teilen und reduzierten Werkzeugkosten für die Bildung der Lagerkäfig 26, 36. Vorzugsweise sind die Lagerkäfig 26, 36 aus einem Polymermaterial gebildet.
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In Bezug auf 1 weist das Lager 10 eine Lagerschale auf, die durch einen Außendurchmesser D1 und einen Innendurchmesser D2 sowie eine Breite w definiert ist, wie in 2 dargestellt. Die vormals bekannten Ausführungen von Tandemkugelrollenlagern, die einen größeren Teilkreisdurchmesser für eine erste Reihe von Kugelrollen als für die zweite Reihe von Kugelrollen verwenden sowie einen größeren Durchmesser der Kugelrollen in der ersten Reihe mit einem Außendurchmesser D1 von etwa 9,5 cm, einem Innendurchmesser D2 von etwa 4,1 cm und einer Breite w von etwa 3,6 cm verwenden, wiesen ein Belastungsvermögen auf, das für die gleiche Lagerschale etwa 30 % geringer war. Diese Berechnung wurden anhand der gleichen gehärteten Stahlfestigkeitskapazitäten für die Kugelrollen und die Laufbahnen durchgeführt und resultiert aus der erfindungsgemäßen Verwendung einer gleichen Anzahl von Kugelrollen mit größerem Durchmesser in jeder der Reihen von Kugelrollen in der Tandemlagerausführung, in der beide Reihen den gleichen Teilkreisdurchmesser Draufweisen. Auf diese Weise wurde unter Beibehaltung der gleichen Lagerschalengröße wie bei einem herkömmlichen Tandemkugellager ein größeres Belastungsvermögen erzielt. Je nach Größe des erforderlichen Lagers ist gemäß der Erfindung ein im Allgemeinen erhöhtes Belastungsvermögen von bis zu etwa 30 % erreichbar.
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Das erhöhte Belastungsvermögen kann unter Beibehaltung der Wälzkörpergröße, Breite und des Außendurchmessers des Lagers wie bei einem herkömmlichen Lager erzielt werden, jedoch muss der Wälzkreisdurchmesser der kleineren Reihe erhöht und der Innenringquerschnitt verringert werden, um den Innendurchmesser des Lagers zu erhöhen. Es wäre auch möglich, die Wälzkörpergröße und den Außendurchmesser des Lagers bei gleichzeitiger Erhöhung des Bohrungsdurchmessers und Verringerung der Lagerbreite gleich zu halten. Die Verwendung unterschiedlicher Wälzkörpergrößen wird die Lagerbohrung oder -breite reduzieren, indem der Wälzkreisdurchmesser der kleinen Reihe auf die der großen Reihe erhöht wird. Wenn ferner nur das gleiche Belastungsvermögen gewünscht wird, dann kann die Gesamtgröße des Lagers verringert werden.
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In Bezug auf 3a, 3b und 4 ist ein Verfahren zum Montieren des Schrägwälzlagers 10 gemäß der Erfindung dargestellt. Wie in 3a dargestellt, werden die Kugelrollen 16 und der Lagerkäfig 26 für die erste Reihe 20 in einer ersten der Laufbahnen 22 in dem Lageraußenring 12 montiert, so dass eine Lageraußenring-Unterbaugruppe 42 gebildet wird. In 3b werden die Kugelrollen 16 und der Lagerkäfig 36 für die zweite Reihe 30 in einer zweiten der Laufbahnen 34 in dem Lagerinnenring 14 montiert, sodass eine Lagerinnenring-Unterbaugruppe 44 gebildet wird. Zum Montieren des Lagers 10 werden die Lageraußenring- und Lagerinnenring-Unterbaugruppe 42, 44 axial zusammengeschoben, wie in 4 dargestellt, wobei die Bewegung durch die Pfeile 46 und 48 dargestellt ist, so dass die zweite der Laufbahnen 32 in dem Lageraußenring 12 in die zweite Reihe 30 der Kugelbahnen 16 eingreift, die in der zweiten der Laufbahnen 34 in dem Lagerinnenring 14 angeordnet sind, wohingegen die erste der Laufbahnen 24 in dem Lagerinnenring 14 in die erste Reihe 20 der Kugelrollen 16 eingreift, die in der ersten Laufbahn 22 des Lageraußenrings 12 angeordnet sind. Hier sind die erste Laufbahn 22 in dem Lageraußenring 12 und die zweite Laufbahn 34 in dem Lagerinnenring 14 jeweils derart ausgebildet, dass sie die jeweilige Kugelrolle 16 in beiden axialen Richtungen axial halten, indem sie eine so genannte „Mondkreisbahn“ bereitstellen. Dadurch werden die Kugelrollen 16, die in dem jeweiligen Käfig 26, 36 angeordnet sind, von der axialen Verschiebung axial in Position gehalten. Dieses Anordnungskonzept kann auch für andere Typen von Tandemkugelrollenlagern mit mehreren Reihen mit unterschiedlichen Wälzkreisdurchmessern angewendet werden.
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In Bezug auf 5 ist eine zweite Ausführungsform eines Tandemkugelrollenlagers 10’ dargestellt. Das Tandemkugelrollenlager 10’ weist die gleiche Grundkonstruktion wie das Lager 10 auf, außer dass die Kugelrollen 16 in der ersten Reihe 20 eine andere Größe aufweisen als die Kugelrollen 16’ der zweiten Reihe 30’, wenngleich sie sich auf dem gleichen Teilkreisdurchmesser Dr befinden. Dies ermöglicht unterschiedliche Druckwinkel α1 und α2, wenngleich diese gleich sein könnten. Der Käfig 36’ ist auch an die andere Größe der Kugelrollen 16’ in der zweiten Reihe 30’ angepasst.
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Die Tandemkugelrollenlager 10, 10’ gemäß der Erfindung können verwendet werden, um herkömmliche Tandemkugellager und Kegelrollenlager in verschiedenen Anwendungen wie Achsen-, Getriebe- und/oder anderen Automobil- oder Industrieanwendungen zu ersetzen.
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Wenngleich die Erfindung basierend auf einer bevorzugten Ausführungsform ausführlich beschrieben wurde, wird der Fachmann erkennen, dass weitere Änderungen an dem Tandemkugelrollenlager gemäß der Erfindung sowie an dem Montageverfahren vorgenommen werden können, die in den Schutzbereich der Erfindung fallen. Dementsprechend ist der Schutzbereich der Erfindung durch die nachfolgenden Ansprüche und nicht durch die bevorzugte Ausführungsform definiert.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 19839481 A1 [0003]
- DE 102005014556 [0005, 0006]
- US 2011/0033149 [0006]