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Die
Erfindung betrifft ein Radlager zur Lagerung eines um eine Drehachse
drehbaren Rads.
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Derartige
Radlager sind in verschiedenen Ausführungsformen bekannt.
Sie haben als Hauptkomponenten Wälzkörper, die
in mindestens einer Reihe angeordnet sind und unterschiedlich ausgebildet
sein können. Beispielsweise ist eine Kugel-, Zylinder-
oder Kegelstumpf-Form möglich. In der
WO 2005/008086 A1 sind
Radlagereinheiten beschrieben, die mehrere derartiger Wälzkörperreihen
haben. Insbesondere sind zwei Kegelrollenreihen oder vier paarweise
gruppierte Kugelreihen vorgesehen. Die bekannten Radlager haben
je nach Ausgestaltung spezifische Eigenschaften und eignen sich
somit jeweils besonders gut für spezielle Anwendungsfälle. Sie
sind insbesondere entweder sehr reibungsarm oder besonders belastbar
ausgelegt.
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Die
Aufgabe der Erfindung besteht nun darin, ein Radlager der eingangs
bezeichneten Art anzugeben, das sowohl eine niedrige Reibung aufweist
als auch für eine hohe Belastung ausgelegt ist.
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Zur
Lösung dieser Aufgabe wird ein Radlager entsprechend den
Merkmalen des Patentanspruchs 1 angegeben. Das erfindungsgemäße
Radlager umfasst ein Kegelrollenteillager mit einer Kegelrollenreihe
und ein Schrägkugelteillager mit einer ersten und einer
zweiten Kugelreihe, wobei das Kegelrollenteillager und das Schrägkugelteillager
einen gemeinsamen Lagerring aufweisen können.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Radlager handelt es sich
also um ein Kombinationslager, das die Vorteile eines Kegelrollenlagers
mit denen eines Schrägkugellagers in einer Baueinheit vereint.
Die beiden Kugelreihen bieten eine sehr geringe Reibung, wohingegen
die Kegelrollenreihe zu einer sehr hohen Belastbarkeit führt.
Das Kegelrollenteillager bedingt außerdem sowohl in radialer
als auch in axialer Richtung eine sehr gute Steifigkeit. Die Verwendung
zweier Kugelreihen erhöht zum einen die Lastkapazität
und führt zum anderen zu einer ausgewogenen Kräfteaufteilung
auf das Kegelrollenteillager und das Schrägkugelteillager.
Das erfindungsgemäße Radlager lässt sich
deshalb besonders gut bei Lastkraftwagen, Transporter oder vergleichbaren
anderen Kraftfahrzeugen einsetzen.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Radlagers
ergeben sich aus den Merkmalen der von Anspruch 1 abhängigen
Ansprüche.
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Günstig
ist eine Variante, bei der die erste und die zweite Kugelreihe axial
benachbart, insbesondere axial unmittelbar benachbart, und in einer Tandem-Anordnung
angeordnet sind. Dadurch erhöht sich die Belastbarkeit
des Kugelteillagers. Außerdem resultiert so ein geringes
Bauvolumen.
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Weiterhin
ist es günstig, wenn das Kegelrollenteillager und das Schrägkugelteillager
in einer O-Anordnung angeordnet sind, so dass Radialbelastungen und
Axialbelastungen in beiden Richtungen aufgenommen werden können.
Es ergibt sich außerdem eine besonders starre Lagerung,
die insbesondere auch ein Aufnahmevermögen hinsichtlich
Kippmomenten und Seitenkräften aufweist.
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Gemäß einer
anderen bevorzugten Variante sind das Kegelrollenteillager und das
Schrägkugelteillager axial beidseitig zu einer Radialmittenebene
angeordnet und so ausgelegt, dass im Normalzustand des Radlagers
die radial wirkenden Kräfte ihren Mittelpunkt im Bereich
der Radialmittenebene haben. Damit resultiert mit Vorteil eine möglichst
einheitliche Belastung des Radlagers.
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Vorzugsweise
haben Kegelrollen des Kegelrollenteillagers weiterhin bezüglich
einer Radialmittenebene einen kleineren Kontaktwinkel als Kugeln des
Schrägkugelteillagers. Dies ergibt eine günstige Übertragung
der Radiallasten vom Rad auf die Radbefestigung. Die Kontaktwinkel
der Kugeln der ersten und der zweiten Kugelreihe können
dabei entweder gleich oder auch unterschiedlich groß ausgebildet sein.
Die diesbezügliche Auslegung erfolgt insbesondere so, dass
ein gutes Aufnahmevermögen hinsichtlich Kippmomenten und
Seitenkräften resultiert.
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Bei
einer anderen günstigen Ausgestaltung ist vorgesehen, dass
Kegelrollen des Kegelrollenteillagers bezüglich einer Radialmittenebene
einen Kontaktwinkel im Bereich zwischen 5° und 35° aufweisen.
In diesem Winkelbereich wird eine besonders gute Übertragung
der radialen Lasten vom Rad auf die Radbefestigung erreicht.
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Günstig
ist weiterhin eine Variante, bei der die zweite Kugelreihe einen
größeren radialen Abstand zu der Drehachse hat
als die erste Kugelreihe. Außerdem können Kugeln
der ersten Kugelreihe vorzugsweise einen geringe ren Kugeldurchmesser
haben als Kugeln der zweiten Kugelreihe. Sowohl der größere
radiale Abstand in der zweiten Kugelreihe als auch der kleinere
Kugeldurchmesser in der ersten Kugelreihe erlauben eine höhere
Anzahl an Kugeln pro jeweiliger Kugelreihe, wodurch die Tragfähigkeit des
Radlagers weiter gesteigert werden kann. Außerdem ermöglichen
beide Maßnahmen einen sehr kompakten Aufbau, bei dem die
beiden Kugelreihen eng benachbart zueinander angeordnet sind.
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Gemäß einer
anderen bevorzugten Ausgestaltung umfasst ein Lagerinnenring zwei
Teillagerinnenringe, von denen einer, insbesondere der dem Kegelrollenteillager
zugeordnete, einstückig mit einem Lageraufnahmeelement
ausgebildet ist. Dadurch reduziert sich die Anzahl der Einzelkomponenten.
Der erste Teillagerinnenring eignet sich besonders gut für
eine Integration in das Lageraufnahmeelement, bei dem es sich beispielsweise
um ein Felgenanschlussteil oder um einen Achsstummel handeln kann,
da der erste Teillagerinnenring im Gegensatz zum zweiten Teillagerinnenring
eine ebene und folglich leichter zu fertigende Umfangsfläche
als Lauffläche für die Kegelrollen hat.
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung sind bei einem Radlager die Abrollflächen
für die Kegelrollen, die Kegelrollenaußenmäntel
und diejenigen Flächen der Kegelrollenstirnseiten und Oberflächen
wenigstens eines Laufbahnelements, zwischen denen bei bestimmungsgemäßem
Betreiben der Lagerung eine Berührung stattfindet, mit
einer Rauhigkeit Ra kleiner gleich 0,10 μm
ausgebildet. Durch die Ausbildung besagter Flächen mit
einer sehr kleinen Rauhigkeit von kleiner 0,10 μm und in
einer vorteilhaften Ausgestaltung von kleiner 0,06 μm wird
die beim Abwälzen auftretende Reibung herabgesetzt, so
dass sich mit Vorteil die Leistungsverluste reduzieren. Dabei sei
besonders darauf hingewiesen, dass auch die Berührflächen
zwischen den Kegelrollen stirnseiten und einer Oberfläche
des Laufbahnelements, an dem Bereiche der Kegelrollenstirnseiten
bestimmungsgemäß anlaufen, ebenfalls mit besagter
geringer Rauhigkeit ausgebildet sind. Auch der insbesondere aus einem
Polymermaterial ausgebildete Käfig trägt im vorausgehend
beschriebenen Sinne, beispielsweise gegenüber einem Blechkäfig,
mit Vorteil zur Gewichtsreduzierung und zur Verbesserung der Reibverhältnisse
bei.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist bei einem Laufbahnelement
des Radlagers mit einer Abrollfläche für die Kegelrollen
und mit einem eine Innenseite aufweisenden Bord an einer der Stirnseiten
der Kegelrollen, bei dem ein Bereich der Innenseite zum Berühren
durch Bereiche der Kegelrollenstirnseiten vorgesehen ist, bei einer
Betrachtung, die von einem mittleren Bereich der Innenseite zwischen
ihrem äußeren und inneren Rand ausgeht und entlang
einer Kegelrollenstirnseite radial hin zur Abrollfläche
gerichtet ist, das Laufbahnelement in einem Übergangsbereich
von der Innenseite hin zur Abrollfläche bezogen auf die
Betrachtungsrichtung frei von einem Hinterschnitt ausgebildet. Dabei
wurde erkannt, dass bei gleichbleibender Oberflächenqualität
der Abrollfläche sowie der zum Anlaufen der Kegelrollenstirnseiten
vorgesehenen Innenseite des Bords des Laufbahnelements ein Hinterschnitt
am Fuß des Bords zum Übergang hin zur Abrollfläche herstellungstechnisch
und auch aus anderen Gründen nicht erforderlich ist. Damit
kann mit Vorteil unter anderem bei gleichbleibender Festigkeit des
Bords der Bord in Achsrichtung mit einer geringeren Dicke ausgebildet
werden, wodurch sich wiederum auch ein kürzeres Laufbahnelement
ausbilden lässt, womit mit Vorteil Material und Gewicht
entsprechend eingespart wird. Weiterhin ist es durch Verzicht auf
den Hinterstich möglich, eine bestimmungsgemäße
Berührfläche zwischen den Kegelrollenstirnseiten
und der Innenseite des Bords durch entsprechendes Design von Kegelrollenstirnseiten
und der Innenseite des Bords nahe zur Abrollfläche hin
zu verlagern, wodurch mit besonderem Vorteil in besagter Berührfläche
im wesentlichen ein Abrollen mit wenig Gleitanteilen stattfindet,
so dass weniger Reibungsverluste entstehen und damit mit Vorteil
Leistungsverluste gesenkt werden. Dabei sind die Innenseite des
Bords und die Stirnseite der Kegelrolle insbesondere derart gestaltet,
dass die bestimmungsgemäße Berührung von
der Kegelrollenhauptachse aus in einem Bereich von 85%, insbesondere
90%, bis 98% des Radius der Kegelrollenstirnseite stattfindet.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist wenigstens eine der
Kegelrollen ausgehend von ihren beiden Stirnseiten mit jeweils einer
Höhlung ausgebildet, wobei zwischen den Höhlungen
ein mit Material der Kegelrolle ausgefüllter Zwischenbereich verbleibt,
dessen minimale axiale Dicke zwischen 20 bis 60% der axialen Kegelrollenlänge
ist. Dabei wurde erkannt, dass sich bei derartiger Ausbildung der Kegelrollen,
bei Aufrechterhaltung guter wälzlagertechnischer Eigenschaften,
mit Vorteil eine Einsparung an Material und an Gewicht erzielen
lässt. Dabei werden durch die Materialeinsparung die Rohstoffreserven
geschont und infolge des geringeren, bei Betrieb zu wälzenden
Gewichts der Kegelrollen, Leistungsverluste reduziert. Weiterhin
wurde erkannt, dass bei einem Unterschreiten der minimalen axialen Dicke
von 20% der axialen Kegelrollenlänge sich die wälzlagertechnischen
Eigenschaften inakzeptabel verschlechtern. Andererseits wurde erkannt,
dass die minimale axiale Dicke nicht größer als
60% der axialen Kegelrollenlänge sein soll, da dies hinsichtlich Material-
und Gewichtseinsparung kontraproduktiv wäre und weiterhin
beim Abrollen der Kegelrolle auf einer entsprechenden Abrollfläche
an den Übergangsbereichen vom Außenmantel der
Kegelrolle hin zu ihren Stirnseiten unerwünscht hohe mechanische Spannungsspitzen
auftreten würden. Dadurch, dass die Höhlungen
eine gewisse Tiefe aufweisen und die Höhlungen in ihrem
im wesentlichen zylindrischen Bereich einen Durchmesser zwischen
40% bis 70% des Kellenrollenaußendurchmessers an der die Öffnung
der jeweiligen Höhlung beinhaltenden Stirnseite aufweisen
bzw. eine Wandstärke der Kegelrolle im Bereich der Höhlungen
zwischen 15% und 30% des Kegelrollenaußendurchmessers an
der die Öffnung der jeweiligen Höhlung beinhaltenden
Stirnseite ist, werden besagte unerwünschte Spannungsspitzen dadurch
verhindert, dass die axialen Enden der Kegelrolle eine gewisse Einfederungsmöglichkeit
nach innen hin aufweisen. Weiterhin ist zur Verhinderung besagter
unerwünschter Spannungsspitzen die Kegelrolle in ihren Übergangsbereichen
vom Außenmantel hin zu ihren Stirnseiten mit Verrundungen ausgebildet,
die an die jeweilige Belastungsanforderung entsprechend angepasst
ausgebildet sein können.
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Weitere
Merkmale, Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus
der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen
anhand der Zeichnung. Es zeigt:
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1 ein
Ausführungsbeispiel eines Radlagers mit einer Kombination
eines Kegelrollenteillagers und eines Schrägkugelteillagers
sowie mit einem nicht zum Rotieren vorgesehenen gemeinsamen Außenring
und
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2 ein
Ausführungsbeispiel eines Radlagers mit einer Kombination
eines Kegelrollenteillagers und eines Schrägkugelteillagers
sowie mit einem zum Rotieren vorgesehenen gemeinsamen Außenring.
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Einander
entsprechende Teile sind in 1 und 2 mit
denselben Bezugszeichen versehen.
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In 1 ist
ein Ausführungsbeispiel eines Radlagers 1 mit
einem einteiligen Außenring 2 und einem zweigeteilten
Innenring 3 gezeigt, wobei der Innen ring 3 auf
ein um eine Drehachse 5 drehbares Felgenanschlussteil 4 montiert
ist. In einem scheibenförmigen Montageflansch des Felgenanschlussteils 4 sind
Montagebohrungen 6 vorgesehen, durch die Radbolzen 7 hindurchgeführt
sind. Die Radbolzen 7 sind zum Eingriff in die Radfelge
des in 1 nicht mit dargestellten Rads bestimmt. An den
Außenring 2 ist ein radial vorstehender Montageflansch 8 mit
Montagebohrungen 9 angeformt, der zur Befestigung an einem
in 1 ebenfalls nicht mit dargestellten Fahrzeugrahmen
vorgesehen ist. Insgesamt zeigt 1 einen
Ausschnitt aus einer Radbefestigung und -lagerung bei einem Kleinlastkraftwagen.
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Das
Radlager 1 setzt sich aus zwei Teillagern zusammen, nämlich
einem Kegelrollenteillager 10 mit einer Kegelrollenreihe 11 und
einem Schrägkugelteillager 12 mit zwei Kugelreihen 13 und 14 in
Tandem-Anordnung. Das Kegelrollenteillager 10 und das Schrägkugelteillager 12 sind
in Richtung der Drehachse 5, d. h. in axialer Richtung,
zueinander benachbart und zu beiden Seiten einer Radialebene 15 angeordnet.
Der Außenring 2 übergreift als gemeinsamer
Lagerring sowohl das Kegelrollenteillager 10 als auch das
Schrägkugelteillager 12, wohingegen von dem Innenring 3 ein
erster Teillagerinnenring 16 dem Kegelrollenteillager 10 und
ein zweiter Teillagerinnenring 17 dem Schrägkugelteillager 12 zugeordnet
ist.
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Die
Kegelrollenreihe 11 umfasst mehrere Wälzkörper
in Form von Kegelrollen 18, die in einem Käfig 19 platziert
sind. Die Kugelreihen 13 und 14 sind axial unmittelbar
aneinander angrenzend angeordnet. Ihre Wälzkörper
sind als Kugeln 20 bzw. 21 ausgeführt,
die ebenfalls in einem Käfig 22 platziert sind.
Der Durchmesser der Kugeln 20 der an die Radialebene 15 angrenzenden
ersten Kugelreihe 13 ist kleiner ist als der Durchmesser
der Kugeln 21 der zweiten Kugelreihe 14. Die beiden
Kugelreihen 13 und 14 sind auf Umfangsbahnen angeordnet,
wobei die erste Kugelreihe 13 einen kleineren radialen Abstand
zur Drehachse 5 hat als die zweite Kugelreihe 14.
Auf beiden axialen Stirnseiten ist das Radlager 1 mittels
einer Dichtung 23 abgedichtet.
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Zwischen
dem Kegelrollenteillager 10 und dem Schrägkugelteillager 12 ist
an der dem Innenring 3 zugewandten Seite des Außenrings 2 ein
radial nach innen vorstehender und in Umfangsrichtung umlaufender
Steg 24 vorgesehen. Dieser Steg 24 trennt das
Kegelrollenteillager 10 und das Schrägkugelteillager 12 voneinander.
Er befindet sich im Bereich der Radialebene 15.
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Die
Kegelrollen 18 haben einen gegenüber der Radialebene 15 gemessenen
Kontakt- oder Berührungswinkel α1, der im Ausführungsbeispiel
einen Wert von etwa 29,5° annimmt. Der Kontaktwinkel α1 bestimmt
die axiale Belastbarkeit des Radlagers 1 mit. Mit zunehmendem
Kontaktwinkel α1 steigt diese Belastbarkeit.
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Auch
die Kugelreihen 13 und 14 sind für eine schräge
Kraftübertragung ausgelegt. Dementsprechend haben ihre
Kugeln 20 bzw. 21 einen Kontakt- oder Berührungswinkel α2
bzw. α3. Letztere sind als diejenigen Winkel definiert,
die die Verbindungslinie der beiden Berührungspunkte zwischen
der jeweiligen Kugel 20 oder 21 einerseits und
der jeweiligen Laufbahn am Außenring 2 bzw. am
Innenring 3 andererseits mit der Radialebene 15 einschließt.
Unter diesen Winkeln werden auch die Belastungen von einer Laufbahn
auf die andere Laufbahn übertragen. Die Kontaktwinkel α2
und α3 sind verschieden, wobei der Kontaktwinkel α2
der inneren Kugelreihe 13 größer, d.
h. flacher, ist als der Kontaktwinkel α3 der äußeren
Kugelreihe 14. Im Ausführungsbeispiel beträgt der
Kontaktwinkel α2 etwa 40° und der Kontaktwinkel α3
etwa 38°.
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Beide
sind damit größer als der Kontaktwinkel α1
des Kegelrollenteillagers 10. Diese Aussage gilt für
die Beträge der jeweiligen Kontaktwinkel α1 bis α3.
Die Kontaktlinie des Kegelrollenteillagers 10 ist gegenüber
der Radialebene 15 genau in die andere Richtung geneigt
als die Kontaktlinien des Schrägkugelteillagers 12.
Die Kontaktlinien sind in 1 jeweils
als gestrichelte Hilfslinien mit eingetragen. Das Kegelrollenteillager 10 und
das Schrägkugelteillager 12 sind in einer O-Anordnung
zueinander positioniert. Ihr jeweiliger mittlerer radialer Abstand
zur Drehachse 5 ist in etwa gleich.
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Das
Radlager 1 ist so konstruiert und am Felgenanschlussteil 4 bzw.
am Fahrzeugrahmen montiert, dass eine Krafteinleitung in das Radlager 1 hauptsächlich
mittig, also im Bereich zwischen den Teillagern 10 und 12 wirkt.
Weiterhin ist der Aufbau so ausgelegt, dass das besonders stark
belastbare Kegelrollenteillager 10 den größeren
Anteil der Kraftübertragung zwischen den beiden Lagerringen 2 und 3 übernimmt.
Ansonsten werden aufgrund der Verwendung von Wälzkörpern
sowohl in Kegelrollen- als auch in Kugelform die Vorteile beider
Wälzkörpertypen vereint.
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In 2 ist
ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Radlagers 25 mit
einem einteiligen gemeinsamen Außenring 26 und
einem zweigeteilten Innenring 27 gezeigt. Der Hauptunterschied
zu dem Radlager 1 gemäß 1 besteht
darin, dass beim Radlager 25 der Außenring 26 um
die Drehachse 5 zum Drehen vorgesehen ist. Der Innenring 27,
der sich aus den beiden Teillagerinnenringen 28 und 29 zusammensetzt,
ist mittels einer Mutter 30 auf einen Achsstummel 31 montiert.
Am Außenring 26 ist ein sich radial nach außen
erstreckender scheibenförmiger Montageflansch 32 mit
Montagebohrungen 33 zur Befestigung eines in 2 nicht
mit dargestellten Rads einstückig angeformt.
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Auch
das Radlager 25 hat zwei Teillager. Ein Kegelrollenteillager 34 ist
einreihig ausgeführt und umfasst die Kegelrollenreihe 11 mit
den in Umfangsrichtung angeordneten Kegelrollen 18. Ihm
ist der Teillagerinnenring 28 zugeordnet. Axial daneben
ist ein zweireihiges Schrägkugelteillager 35 mit
den Kugelreihen 13 und 14 vorgesehen. Deren Aufbau
und Anordnung sind im Wesentlich so ausgeführt wie beim
Radlager 1 gemäß 1. Dem Schrägkugelteillager 35 ist
der Teillagerinnenring 29 zugeordnet.
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Im
Unterschied zum Radlager 1, bei dem sich das Kegelrollenteillager 10 an
der dem Rad zugewandten axialen Seite des Radlagers 1 befindet, ist
die Anordnungsreihenfolge der Teillager 34 und 35 beim
Radlager 25 in axialer Richtung vertauscht. Hier befindet
sich das Schrägkugelteillager 35 an der dem Rad
zugewandten axialen Seite des Radlagers 25. Die Radialebene 15 verläuft
wieder im Bereich des Stegs 24 mittig zwischen dem Kegelrollenteillager 34 und
dem Schrägkugelteillager 35.
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Auch
das Kegelrollenteillager 34 und das Schrägkugelteillager 35 sind
in einer O-Anordnung zueinander angeordnet. Ebenso ist der Kontaktwinkel α1
der Kegelrollen 18 des Kegelrollenteillagers 34 kleiner
als die Kontaktwinkel α2 und α3 der Kugeln 20 bzw. 21 des
Schrägkugelteillagers 35. Außerdem ist der
Kontaktwinkel α3 der Kugeln 21 der äußeren zweiten
Kugelreihe 14 kleiner als der Kontaktwinkel α2
der Kugeln 20 der inneren ersten Kugelreihe 13.
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Das
Radlager 25 hat im Wesentlichen die gleiche Wirkungsweise
und die gleichen Vorteile wie das Radlager 1.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - WO 2005/008086
A1 [0002]