Wälzlager

Die Erfindung betrifft ein Wälzlager mit einem eine Lagerachse definierenden Innenring und einem Außenring, die jeweils Laufbahnen bilden, und mehreren zwischen diesen angeordneten Wälzkörpern, wobei das Wälzlager als ein einseitig belastbares Tonnenschräglager ausgebildet ist.

Zur Aufnahme kombinierter radialer und axialer Belastungen ist der Einsatz von Kegelrollenlagern bekannt. Kegelrollenlager weisen dabei den Nachteil auf, dass sie sehr empfindlich gegen Kantenspannung sind, die bei einem Verkanten der Kegelrollenlager auftreten, wodurch sehr hohe Lasten an den einander gegenüberliegenden Enden der Kegelrollen auftreten können. Zudem treten bei Kegelrollenlager an einer Stirnseite der Kegelrollen bei axialer Belastung hohe Reibungsverluste auf, die ebenfalls als nachteilig empfunden werden.

Weiter ist es bekannt, Tonnenlager einzusetzen, die zwar für die Aufnahme hoher radialer Tragkräfte geeignet sind, die jedoch nur eine geringe axiale Belast- barkeit haben. Aus der DE 39 04 456 C2 ein Gelenklager bekannt, bei welchem ein im Wesentlichen tonnenförmiger Wälzkörper, dessen Außenfläche durch einen zylindrischen Abschnitt und zwei durch Radien um unterschiedliche Punkte definierten Tragabschnitte aufweist. Die Laufbahn des Innenrings und die Laufbahn des Außenrings sind dabei in Längsschnitt jeweils als Kreisbogen aus- gebildet, so dass das Gelenklager eine Kippbewegung des Innenrings relativ zu dem Außenring ausführen kann. Anders als Schräglager ist dieses Gelenklager jedoch nicht zur Aufnahme kombinierter Lasten geeignet.

BESTäT8GUNGSKOPIE

Zur Aufnahme kombinierter Belastungen wurde bspw. in der EP 1 105 662 B2 ein Doppelschrägkugellager vorgeschlagen, welches die oben genannten Nachteile weitgehend beseitigt. Diese Doppelschrägkugellager werden mit großem Erfolg im Automobilbereich eingesetzt. Da die Tragzahlen der Doppelschräg- kugellager jedoch beschränkt sind, eignen sie sich nur bedingt für den Einsatz für Lastkraftwagen, landwirtschaftlichen Fahrzeugen, Omnibussen oder dem Schiffsbau. Zudem besteht die Forderung, die Reibungsverluste von Lagern weiter zu minimieren.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Wälzlager der eingangs genannten Art bereitzustellen, welches zur Aufnahme auch hoher kombinierter Lasten geeignet ist und bei geringer Kantenempfindlichkeit auch eine möglichst niedrige Reibung aufweist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß im Wesentlichen mit einem Wälzlager gelöst, das einen eine Lagerachse definierenden Innenring und einen Außenring, die jeweils Laufbahnen bilden, und mehrere zwischen diesen angeordnete Wälzkörper aufweist, wobei die Geometrie der Wälzkörper und der Laufbahnen derart aneinander angepasst ist, dass das Wälzlager ein einseitig belastbares Tonnenschräglager bildet, bei dem die als Tonnen ausgebildeten Wälzkörper jeweils an zwei Schmiegungskontaktpunkten an der Laufbahn des Innenrings und Außenrings anliegen. Dabei wird es bevorzugt, wenn die Schmiegungskon- taktpunkte außerhalb des Selbsthemmungsbereichs liegen. Dies kann dadurch erreicht werden, dass die Schmiegungskontaktpunkte auf einem Schmiegungs- kreisbogen bspw. der Tonnen um einen größer als der Selbsthemmungsbereich, also bspw. etwa 7°, liegenden Winkel zu der senkrecht auf der Rotationsachse der Tonnen stehenden Mittelebene versetzt sind.

Unter einem Tonnenschräglager wird erfindungsgemäß ein Lager verstanden, bei welchem die Rotationsachsen der Wälzkörper in einem beliebigen Winkel zu

der Lagerachse geneigt sind. Mit dem erfindungsgemäßen Tonnenschräglager werden die Vorteile eines Tonnenlagers, welches eine geringere Kantenempfindlichkeit sowie ein geringeres Risiko für Reibungsverluste an Borden bei axialen Belastungskomponenten aufweist, mit den Vorteilen eines Kegelrollen- lagers, welches hohe Tragfähigkeit bei kombinierten Belastungen aufweist, miteinander kombiniert.

Eine besonders geringe Reibung kann dadurch erzielt werden, dass die Berührungstangenten der Schmiegungskontaktpunkte an der Laufbahn des Innenrings und die Berührungstangenten der Schmiegungskontaktpunkte an der Laufbahn des Außenrings sich in einem Punkt auf der Lagerachse schneiden. Dies wird erfindungsgemäß durch die Ausbildung der Wälzkörper als Kegeltonnen erreicht. Mit anderen Worten ist der Abstand der Schmiegungskontaktpunkte der Kegeltonnen mit dem Außenring und dem Innenring auf der näher an der Lagerachse gelegenen Seite kleiner als der Abstand der Schmiegungskontaktpunkte der Kegeltonnen mit dem Außenring und dem Innenring auf der der Lagerachse entfernteren Seite des Wälzlagers. Bei dieser Anordnung, bei der sich die Berührungstangenten der Schmiegungskontaktpunkte in einem Punkt auf der Lagerachse schneiden, führen die Kegeltonnen im Betrieb eine reine Rollbewegung und keine Bohrbewegung aus.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die Außenmantelfläche der Wälzkörper im Längsschnitt entlang der Lagerachse durch einen Kreisabschnitt mit konstantem Radius gebildet. Die Außenmantelfläche setzt sich also nicht wie bei der Tonne nach der DE 39 04 456 C2 aus einem mittleren zylindrischen Abschnitt und zwei durch Kreisbögen gebildeten Schmiegungsbe- reichen mit unterschiedlichen Krümmungsmittelpunkten zusammen, sondern durch eine einzige Kreisbogenfläche. Der Mittelpunkt des Kreises, welcher die Außenfläche der Wälzkörper definiert, liegt dabei nicht auf der senkrecht zu der Rotationsachse der Wälzkörper stehenden Ebene. Vielmehr ist der Mittelpunkt

des die Außenfläche der Wälzkörper definierenden Kreises in einer senkrecht zur Berührungstangente der Schmiegungskontaktpunkte an der Laufbahn des Außenring bzw. des Innenrings liegenden Ebene angeordnet.

Es wird bevorzugt, wenn die Laufbahnen des Innenrings und des Außenrings jeweils durch zwei Schmiegungsbereiche gebildet werden, die im Längsschnitt entlang der Lagerachse jeweils durch einen Kreisabschnitt mit konstantem Radius gebildet werden. Die beiden Kreisabschnitte, welche die Schmiegungsbereiche definieren, haben dabei voneinander beabstandete Krümmungsmittel- punkte, die auch von dem die Außenmantelfläche der Wälzkörper definierenden Krümmungsmittelpunkt verschieden sind.

Erfindungsgemäß ist der die Außenmantelfläche der Wälzkörper definierende Radius kleiner als der die Schmiegungsbereiche definierende Radius.

Das erfindungsgemäße Tonnenschräglager weist somit vier Schmiegungsbereiche auf, von denen zwei Schmiegungsbereiche in dem Außenring und zwei Schmiegungsbereiche in dem Innenring liegen, wobei jeder der vier Schmiegungsbereiche einen Schmiegungskontaktpunkt aufweist, an welchem ein vor- zugsweise als Kegeltonne ausgebildeter Wälzkörper an dem Innenring oder dem Außenring anliegt. Betrachtet man den kompletten Innenring bzw. den kompletten Außenring, so ist in jedem der vier Schmiegungsbereiche eine umlaufende Linie vorhanden, auf der die Schmiegungskontaktpunkte mit einem Wälzkörper liegen.

Um die Axialkräfte der Kegeltonnen selbsthemmungsfrei aufzunehmen, ist in jeder der Laufbahnen im Selbsthemmungsbereich zwischen den beiden Schmiegungsbereichen jeweils eine Entlastungsrille vorgesehen. Dieses Entlastungsrille, welche den Selbsthemmungsbereich abdeckt, verhindert, dass die

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Wälzkörper in dem Selbsthemmungsbereich mit den Laufbahnen in Kontakt treten können.

Erfindungsgemäß sind die Wälzkörper in einem Käfig parallel zueinander und in einer definierten Ausrichtung zu der Lagerachse geführt. Hierzu kann der Käfig bspw. in einer nutartigen Käfigführung auf dem Innenring des Wälzlagers gehalten sein.

Der Käfig kann dabei Fenster zur Aufnahme der Wälzkörper und Haltenasen derart aufweisen, dass die Wälzkörper drehbar in dem Käfig fixiert sind. Der Käfig ist dabei vorzugsweise so ausgebildet, dass möglichst geringe Reibungskräfte zwischen dem Käfig und den Wälzkörpern auftreten.

Es wird bevorzugt, wenn das Verhältnis von Durchmesser zur Länge der Wälz- körper kleiner als etwa 1:1 ,5, insbesondere kleiner als etwa 1 :2 ist. Mit anderen Worten soll die Länge der Wälzkörper im Verhältnis zu ihrem Durchmesser größer werden.

Die erfindungsgemäßen Wälzlager können auch als zweireihige Lager ausgebil- det sein. So ist bspw. für den Einsatz in einem Radsatz für Schienenfahrzeuge ein zweireihiges Kegeltonnenschräglager geeignet, bei welchem die Kegeltonnen in O-Anordnung vorgesehen sind. Vorzugsweise sind bei einem zweireihigen Kegeltonnenschräglager der Außenring oder der Innenring einstückig ausgebildet. Die Kegeltonnen können dabei in einem Käfig, vorzugsweise aus Polymer, aufgenommen sein.

Die Erfindung betrifft weiter eine Lageranordnung mit wenigstens zwei voneinander beabstandeten und axial vorgespannten Wälzlagern der oben genannten Art. Die Wälzlager können dabei bspw. in O-Anordnung oder in X-Anordnung vorgesehen sein.

Die erfindungsgemäßen Wälzlager eignen sich für verschiedene Anwendungszwecke. So können diese bspw. in Personenkraftwagen, Lastkraftwagen, Bussen sowie Schienenfahrzeugen, Land- oder Baumaschinen eingesetzt werden. Ein möglicher Anwendungsbereich ist bspw. ein Getriebe, insbesondere ein Ver- teilergetriebe in einem Fahrzeug, welches wenigstens ein Wälzlager der oben genannten Art aufweist. Besonders bevorzugt weist das Getriebe eine Lageranordnung mit zwei voneinander beabstandeten und axial vorgespannten erfindungsgemäßen Wälzlagern auf. Die Erfindung ist dabei nicht auf den Einsatz der Wälzlager in den oben genannten Anwendungsbereichen beschränkt, viel- mehr eignen sich die erfindungsgemäßen Wälzlager zum Einsatz in weiteren Anwendungsbereichen, insbesondere wenn hohe kombinierte Lasten aufgenommen werden sollen und möglichst geringe Lagerreibung gewünscht ist.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 im Schnitt ein Wälzlager nach einer ersten Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 2 im Schnitt ein Wälzlager nach einer zweiten Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 3 im Schnitt ein Wälzlager nach Fig. 2, bei welchem der Außenring von dem Innenring entfernt wurde,

Fig. 4 ein Anwendungsbeispiel für Wälzlager nach Fig. 2 und

Fig. 5 im Schnitt ein zweireihiges Wälzlager nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.

In Fig. 1 ist ein als einseitig belastbares Tonnenschräglager ausgebildetes Wälzlager 1 dargestellt, welches durch einen Innenring 2, einen Außenring 3 und zwischen dem Innenring 2 und dem Außenring 3 aufgenommene Wälzkör- per 4 gebildet ist. Durch den Innenring 2 wird eine Lagerachse I definiert, zu welcher der Innenring 2 und der Außenring 3 vorzugsweise rotationssymmetrisch aufgebaut sind. Die Rotationsachsen II, um welche sich die Wälzkörper 4 im Betrieb drehen, verlaufen schräg zu der Lagerachse I.

In dem Innenring 2 und dem Außenring 3 sind einander zugewandte Laufbahnen ausgebildet, in welchen die Wälzkörper 4 abrollend geführt sind. Die Laufbahn des Innenrings 2 ist in zwei Schmiegungsbereiche 5a und 5b unterteilt und die Laufbahn des Außenrings 3 ist in zwei Schmiegungsbereiche 6a und 6b unterteilt. Die Schmiegungsbereiche sind in dem Längsschnitt nach Fig. 1 jeweils als Kreisbogenabschnitte ausgebildet, die durch den jeweils gleichen Radius Ri definiert sind. Die Krümmungsmittelpunkte SPA und SP ₈ sind dabei versetzt zueinander angeordnet und liegen außerhalb der senkrecht auf der Rotationsachse Il stehenden Mittelebene M des Wälzkörpers 4.

In jeder Laufbahn ist im Selbsthemmungsbereich zwischen den beiden Schmie- gungsbereichen 5a, 5a und 6a, 6b jeweils eine Entlastungsrille 7 ausgebildet. Dies bewirkt, dass sich die Wälzkörper 4 nicht im Selbsthemmungsbereich an die Schmiegungsbereiche der Laufbahnen anlegen.

Der tonnenrollenartige Wälzkörper 4 weist eine Außenmantelfläche zur Anlage an die Laufbahnen des Innenrings 2 und des Außenrings 3 auf, wobei diese Außenmantelfläche im Längsschnitt nach Fig. 1 ebenfalls durch einen Kreisbogenabschnitt definiert wird. Der Krümmungsmittelpunkt SP liegt dabei auf der Mittelebene M und der Lagerachse I. Der Krümmungsradius R ₂ für die Außen-

mantelfläche ist dabei kleiner als der Radius R ₁ , welcher die Krümmung der Schmiegungsbereiche definiert.

Auf diese Weise wird in jedem der Schmiegungsbereiche 5a, 5b und 6a, 6b ein Schmiegungskontaktpunkt P gebildet, mit welchem jeder der Wälzkörper 4 an dem Innenring 2 und dem Außenring 3 anliegt. Zieht man durch die beiden

Schmiegungskontaktpunkte an dem Innenring 2 und die beiden Schmiegungs- kontaktpunkte an dem Außenring 3 jeweils eine Berührungstangente (Linien B| _R und BAR in Fig. 1 ), so verlaufen diese Berührungstangenten bei dem tonnenrol- lenartigen Wälzkörper 4 nach Fig. 1 parallel zueinander und parallel zu der

Rotationsachse II.

Die Wälzkörper 4 sind in der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform in einem Käfig 8 parallel zueinander und in einer definierten Ausrichtung zu der Lagerachse I geführt. Hierzu ist der Käfig in einer nutartigen Käfigführung 9 auf dem Innenring 2 gehalten.

In Fig. 2 ist eine zweite Ausführungsform der Erfindung dargestellt, wobei die in Bezug auf Fig. 1 gleichen Bauteile in Fig. 2 durch Voranstellung einer "1" ge- kennzeichnet sind.

Das Wälzlager 11 nach Fig. 2 ist als ein einseitig belastbares Kegeltonnen- schräglager ausgebildet, bei welchem die Wälzkörper 14 nicht als Tonnenrollen sondern als Kegeltonnen ausgestaltet sind. Dabei wird die Außenmantelfläche der Wälzkörper 14 im Längsschnitt nach Fig. 2 wiederum durch einen Kreisabschnitt definiert, welcher entlang eines konstanten Radius R ₂ um einen Krümmungsmittelpunkt, der auf der Lagerachse I liegt, gebildet ist.

Auch die Schmiegungsbereiche 15a, 15b und 16a, 16b in den Laufbahnen des Innnenrings 12 und des Außenrings 13 sind durch Kreisbogenabschnitte mit

einem konstanten Krümmungsradius und auseinanderliegenden Krümmungsmittelpunkten definiert.

Durch die kegelige Ausgestaltung des Wälzkörpers 14 verlaufen die Berüh- rungstangenten B _!R und B _A R der Schmiegungskontaktpunkte P bei der Ausführungsform nach Fig. 2 jedoch nicht parallel zu der Rotationsachse Il des Wälzkörpers 14, sondern treffen sich mit der Rotationsachse Il in einem Punkt auf der Lagerachse I. Hierdurch wird erreicht, dass die Kegeltonnen 14 im Betrieb eine reine Rollbewegung ausführen, ohne dass es zu einer mit Reibverlusten verbundenen Bohrbewegung kommt.

Aus Fig. 3 ist ersichtlich, dass die Kegeltonnen 14 nach der Ausführungsform nach Fig. 2 über einen Käfig 18 auf dem Innenring 12 geführt sind, während der Außenring 13 von den Kegeltonnen 14 entfernbar ist.

In Fig. 4 ist in der oberen Hälfte als ein Anwendungsbeispiel für ein Kegelton- nenschräglager 11 nach Fig. 2 die Anordnung von zwei Wälzlagern 11 in einem Verteilergetriebe dargestellt. In der unteren Hälfte ist zum Vergleich eine bekannte Lageranordnung mit Doppelschrägkugellagern gezeigt.

Die beiden Wälzlager 11 sind dabei axial, d.h. in Richtung der Lagerachse I gegeneinander vorgespannt. In der Ausführungsform nach Fig. 4 sind die beiden Wälzlager 11 in O-Anordnung vorgesehen. Es ist jedoch auch möglich, Wälzlager 1 bzw. 11 in X-Anordnung vorzusehen, wo dies erforderlich erscheint.

Eine weitere Ausführungsform der Erfindung ist in Fig. 5 dargestellt, die ein zweireihiges Kegeltonnenschräglager zeigt. Dieses insbesondere für die Verwendung in einem Radsatz für Schienenfahrzeuge geeignete zweireihige Kegeltonnenschräglager ist derart ausgebildet, dass die Kegeltonnen 14 in

O-Anordnung vorgesehen sind. In anderen Anwendungsfällen kann alternativ auch eine X-Anordnung zweckmäßig sein.

Während in der dargestellten Ausführungsform für jede Kegeltonne 14 ein eigener Innenring 12 vorgesehen ist, der sich über eine Zwischenhülse an dem jeweils anderen Innenring 12 abstützt, ist der Außenring 13 als ein einstückiger Außenring für beide Kegeltonnen 14 ausgebildet. Alternativ hierzu kann auch der Innenring einstückig ausgebildet sein. Vorzugsweise sind die Kegeltonnen 14 in einem Polymer-Käfig 18 gehalten.

Bezugszeichenliste:

1 , 11 Wälzlager

2, 12 Innenring

3, 13 Außenring

4, 14 Wälzkörper

5a, 5b, 6a, 6b Schmiegungsbereiche 15, 16 Schmiegungsbereiche

7, 17 Entlastungsrille

8, 18 Käfig

9, 19 Käfigführung

I Lagerachse

Il Rotationsachse

BIR Berührungstangente Innenring

BAR Berührungstangente Außenring

P Schmiegungskontaktpunkt M Mittelebene

SP _A) SPB Krümmungsmittelpunkt für Schmiegungsbereich

R ₁ Krümmungsradius für Schmiegungsbereich

R ₂ Krümmungsmittelpunkt für Wälzkörperaußenfläche