DE102008026340A1

DE102008026340A1 - Rollenlager

Info

Publication number: DE102008026340A1
Application number: DE200810026340
Authority: DE
Inventors: Rainer Schröder
Original assignee: Schaeffler KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2008-05-31
Filing date: 2008-05-31
Publication date: 2009-12-03

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Rollenlager mit einer inneren Laufbahnfläche (4) und mit einer äußeren Laufbahnfläche (3), zwischen denen Rollen (26) angeordnet sind.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines Rollenlagers, das sich durch eine hohe Stabilität während des Betriebs und ein stark vermindertes Ausdrehen der Rollen um die Rollenhochachse (Schränken) der Rollen auszeichnet.
Dazu ist vorgesehen, dass die Rollen (26) in ihrem mittleren Mantelflächenbereich (27) jeweils eine erste isolierte Kontaktzone (34) mit nur einer der Laufbahnflächen (4) bilden, während die Rollen (26) jeweils mit der anderen Laufbahnfläche (3) zwei isolierte Kontaktzonen (50, 51) bilden, die in Axialrichtung (32) der Rolle (26) gesehen vor und nach der ersten Kontaktzone (34) liegen.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Rollenlager, insbesondere ein Pendelrollenlager, mit einer inneren Laufbahnfläche und mit einer äußeren Laufbahnfläche, zwischen denen Rollen angeordnet sind.
Derartige Rollenlager sind grundsätzlich z. B. aus der DE 196 12 587 A1 bekannt, die ein zweireihiges Pendelrollenlager beschreibt. Dabei sind die innere Laufbahnfläche auf einem Lagerinnenring und die äußere Laufbahnfläche auf einem Lageraußenring ausgebildet, zwischen denen im Käfig geführte Pendelrollen zweireihig angeordnet sind. Die Pendelrollen sind in an sich bekannter Weise als Tonnenrollen oder ballige Rollen ausgeführt, wobei die Laufbahnflächen eine sphärische Form haben. Die Laufbahnflächen sind nämlich im Wesentlichen durch eine kugelförmige Oberfläche und die entsprechenden Radien bestimmt bzw. beschrieben. Die Laufbahnflächen sind damit jeweils konkav ausgeformt. Üblicherweise werden dabei die Radien der Konkavität der Laufbahnflächen geringfügig größer gewählt als die entsprechenden Radien der Konvexität der Mantelflächen der Pendelrollen, so dass sich im Wesentlichen jeweils ein Kontaktpunkt der jeweiligen Pendelrollen zur äußeren bzw. inneren Laufbahnfläche einstellt. Diese Kontaktpunkte beschreiben während der Dreh- bzw. Wälzbewegung des Lagers bzw. der Rollen eine entsprechende, im Wesentlichen linienförmige Laufbahn auf der jeweiligen Laufbahnfläche des äußeren und des inneren Lagerrings.
Die sich einstellenden, nachfolgend als Kontaktzonen bezeichneten Materialkontakte, die im Idealfall Kontaktpunkte sind, die sich real allerdings bei hohen Belastungen in Kontaktflächen erweitern, liegen auf einer Verbindungslinie zwischen äußerer und innerer Laufbahnfläche. Diese Verbindungslinie wird auch als Hochachse bezeichnet. Die Rollen können sich um diese Hochachse verdrehen. Diese Auslenkung oder Drehbewegung der Rollen wird auch als ein „Schränken” bezeichnet. Wird der dabei eintretende Auslenkwinkel (Schränkwinkel) zu groß, erhöht sich die Reibung des Gesamtlagers und erreicht mitunter unzulässig hohe Werte. Das Schränken der Rollen kann bei den bekannten Lagern nur in sehr geringem Maße durch die Auslegung der Schmiegung – damit ist das Verhältnis der Radien der die Kontaktzonen bildenden Oberflächen von Mantel bzw. Laufbahn gemeint – und durch unterschiedliche Rauhigkeiten der Laufbahnen beeinflusst werden.
Vor diesem Hintergrund besteht eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung in der Schaffung eines Rollenlagers, das sich durch eine hohe Stabilität während des Betriebs und ein stark vermindertes Schränken der Rollen auszeichnet.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Rollenlager mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
Dem gemäß bilden bei einem Rollenlager der eingangs genannten Art die Rollen in ihrem mittleren Mantelflächenbereich jeweils eine erste isolierte Kontaktzone mit nur einer der Laufbahnflächen, wogegen die Rollen jeweils mit der anderen Laufbahnfläche zwei isolierte Kontaktzonen bilden, die in Axialrichtung der Rolle gesehen vor und nach der ersten Kontaktzone liegen.
Die Rollen des erfindungsgemäßen Rollenlagers weisen dadurch „profilierte Kontaktflächen” auf, die im Zusammenwirken mit den Laufbahnflächen einen stabilisierenden, das Schränken begrenzenden Einfluss ausüben. Dabei kann vorteilhafterweise die eine der Laufbahnflächen eine traditionelle, einer Kugeloberfläche entsprechende Laufbahnfläche – wie bei bisher bekannten Rollenlagern – beibehalten. Dabei kann die Konkavität dieser Laufbahnfläche eine Kugeloberfläche aufweisen, die einen geringfügig größeren Radius hat als die (in axialer Richtung gesehene) dortige korrespondierende Wölbung des Rollenmantels.
Zu der einen Laufbahnfläche bildet sich eine annähernd mittige Kontaktzone. Dagegen liegen die Kontaktzonen mit der anderen Laufbahnfläche beiderseits der ersten Kontaktzone. Dadurch ergibt sich im Betrieb des Lagers ein bei Schränkbewegungen der Rollen stabilisierender und rückstellender Einfluss auf die Rollen.
Bevorzugt liegen die Kontaktzonen mit der anderen Laufbahnfläche in Axialrichtung der Rolle betrachtet symmetrisch beabstandet zu der ersten Kontaktzone.
Nach einer in diesem Zusammenhang besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung besteht die erste Kontaktzone mit der inneren Laufbahnfläche. Dadurch ergibt sich eine besonders vorteilhafte Abstützung der Rolle, die zu besonders stabilen Laufeigenschaften führt. Auf der inneren Laufbahnfläche bildet sich so eine in Längsrichtung der Rolle gesehen mittig zwi schen den Abstützungen zur äußeren Laufbahnfläche angeordnete Kontaktzone. Dadurch wird die Rolle primär über die äußeren Kontaktzonen bzw. Laufbahnen auf dem Lageraußenring geführt. Am Lagerinnenring hingegen kann die Rolle um den jeweiligen mittigen (momentanen) Kontaktpunkt drehen, erfährt aber dabei aufgrund der beschriebenen Geometrie der Rolle und der Laufbahnen der Ausdrehung entgegenwirkende Momente.
Nach einer fertigungstechnisch und unter Belastungsaspekten besonders bevorzugten Weiterbildung der Erfindung sind die Rollen des Rollenlagers mit einer Durchmesserverringerung in ihrem mittleren Mantelflächenbereich versehen, so dass sich dort eine konkave Rollenoberfläche bzw. ein konkaver Mantelflächenbereich ausbildet. Unter konkav bzw. Konkavität ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine sich zur Rollenlängsachse hin orientierende Einschnürung oder Materialausnehmung zu verstehen.
Die der konkaven Rollenoberfläche zugeordnete Laufbahnfläche ist konvex. Ihre Konvexität ist so bemessen, dass sie eine isolierte Kontaktzone mit der konkaven Rollenoberfläche bildet. Die andere, vorzugsweise traditionell gemäß einer Kugeloberfläche gestaltete Laufbahnfläche ist von der konkaven Rollenoberfläche in diesem mittleren Mantelflächenbereich beabstandet.
Nach einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind beiderseits des mittleren Mantelflächenbereichs – also zu den jeweiligen Stirnseiten der Rollen hin – weitere speziell gestaltete Mantelflächenbereiche ausgebildet. Diese sind jeweils mit einer konvexen Rollenoberfläche versehen, die mit konkav ausgebildeten Bereichen der anderen Laufbahnfläche die beiden Kontaktzonen bilden. In diesen Bereichen ist die eine Laufbahnfläche z. B. konkav und so bemessen, dass sie von den genannten konvexen Rollenoberflächen beabstandet ist. Damit ergibt sich in Längsrichtung der Rollen gesehen im Querschnitt eine quasi wellenförmige Kontur, wobei drei Zonen unterschieden werden können. In diesen Zonen gibt es unterschiedliche konvexe bzw. auch konkave Radiusbeziehungen.
Nach einer lauftechnisch und im Hinblick auf die Belastbarkeit des Rollenlagers bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das auch als Schmiegung bezeichnete Radienverhältnis der Konkavität der Rollenoberfläche zur Konvexität der zugeordneten Laufbahnfläche 100,5% bis 120% beträgt. Entsprechend ist bei den beiderseits des mittleren Mantelflächenbereichs – also zu den jeweiligen Stirnseiten der Rollen hin – gestalteten Oberflächen vorteilhafterweise vorgesehen, dass das Radienverhältnis (Schmiegung) der Konkavität der zugeordneten anderen Laufbahnfläche zur Konvexität der Rollenoberflächen 100,5% bis 120% beträgt.
Konstruktiv bevorzugt ist für übliche Lagerauslegungen, dass die andere Laufbahnfläche zu der konkaven Rollenoberfläche einen Abstand zwischen 0,002 mm und 0,1 mm aufweist. Entsprechend bevorzugt ist eine Auslegung in der Art, dass die eine Laufbahnfläche von den konvexen (also stirnseitennahen) Mantelbereichen bzw. Rollenoberflächenbereichen einen Abstand zwischen 0,002 mm und 0,1 mm aufweist.
Ergänzend kann nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen sein, dass die Rollen stirnseitig eine Abflachung im Übergangsbereich zwischen ihrer Mantelfläche und ihrer Stirnfläche aufweisen. Hierzu kann ein sogenannter verstärkter Kantenabfall vorgesehen sein, durch den sich die auftretende Kantenspannung weiter reduziert.
Weitere vorteilhafte Aspekte und Ausgestaltungsmöglichkeiten sowie ergänzende Erläuterungen der Erfindung ergeben sich auch aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Zeichnung. Darin zeigen:
1 im Längsschnitt ein konventionelles und ein erfindungsgemäßes Rollenlager,
2 in vergrößerter Darstellung die Kontaktzonen einer Pendelrolle eines erfindungsgemäßen Rollenlagers mit zugehörigen Laufbahnflächen,
3 Flächenpressungen bei Belastung des Rollenlagers nach 2,
4 Flächenpressungen bei höherer Belastung des Rollenlagers nach 2 und
5 in sehr starker Vergrößerung das Detail A aus 1.
1 zeigt als bevorzugtes Ausführungsbeispiel ein Rollenlager in Form eines Radialpendelrollenlagers mit einem äußeren Lagerring 1 mit einer äußeren Laufbahnfläche 2 und einem inneren Lagerring 3 mit einer inneren Laufbahnfläche 4 bzw. 4'.
In der linken Hälfte der 1 ist ein konventionelles Radialpendelrollenlager mit einer Tonnenrolle 6 dargestellt. Diese weist eine ballige oder konvexe Mantelfläche 8 auf, die mit den korrespondierend konkav geformten Laufbahnflächen 2 (Außenring) bzw. 4 (Lagerinnenring) kooperiert. Dabei ist der Radius der jeweiligen Laufbahnfläche geringfügig größer bemessen als der entsprechende Radius der Konvexität der Tonnenrolle, so dass sich im Wesentlichen punktförmige Kontaktzonen 11, 12 zwischen Tonnerolle 6 und der zugeordneten Laufbahnfläche ergeben. Diese ausschließlich durch Wahl der Radien beschriebenen und ausgelegten Kontaktzonen bestehen im Wesentlichen aus jeweils einem Kontaktpunkt 14, 15, wobei die Kontaktpunkte auf einer im Wesentlichen rechtwinklig zur Längsachse 16 der Tonnenrolle verlaufenden Geraden 17 liegen. Diese Gerade bildet quasi eine Hochachse, um die die Tonnenrolle 6 sich drehen – schränken – kann. Wird die dabei auftretende Auslenkung (Schränkwinkel) zu groß, erhöht sich die Reibung des Gesamtlagers erheblich.
Obwohl in den Figuren zur deutlicheren Darstellung nur Schnittdarstellungen gezeigt sind, in denen nur jeweils eine Rolle dargestellt ist, verfügt das Lager selbstverständlich in an sich bekannter Art über eine Vielzahl von gleichen gleichmäßig über den Lagerumfang verteilten Rollen.
Demgegenüber zeigt die rechte Hälfte der 1 eine erfindungsgemäße Ausgestaltung eines Rollenlagers mit einem modifizierten Wälzkörper in Form einer Rolle 26. Die Rolle ist in ihrem mittleren Mantelflächenbereich 27 unter Verminderung ihres Durchmessers D und dadurch unter Ausbildung einer konkaven Rollenoberfläche 28 eingeschnürt. Diese Einschnürung ist durch eine kontinuierliche Durchmesserverringerung 30 in Richtung auf den mittleren Bereich der Rolle hin realisiert und verleiht der Rolle damit in diesem Bereich eine Konkavität 31.
Dieser konkaven Rollenoberfläche 28 ist die innere Laufbahnfläche 4 des Innenrings 3 zugeordnet. Man erkennt im Längsschnitt in Axialrichtung (Längsachse) 32 der Rolle gesehen, dass diese Laufbahnfläche 4 eine komplementäre Konvexität 33 aufweist und wellenförmig ausgebildet.
Wie 1 weiter zeigt, weist die Konvexität 33 einen Radius R1 auf, der geringfügig geringer bemessen ist als der Radius der Konkavität 31. Dadurch ergibt sich eine Kontaktzone 34, die annähernd punktförmig ist. Um diesen Kontaktpunkt kann die Rolle 26 begrenzt drehen (schränken). Jede Auslenkung begegnet dabei gegenläufigen rückstellenden Kräften, die zwischen der Konkavität 31 und der Konvexität 33 entstehen.
Beiderseits des mittleren Mantelflächenbereichs 27 sind zu den Stirnseiten 36, 37 der Rolle 26 hin Mantelflächenbereiche 40, 41 vorgesehen, die jeweils eine konvexe Rollenoberfläche 42, 43 haben. Die diesen zugeordnete andere Laufbahnfläche 2 ist wie erwähnt gemäß einer Kugeloberfläche ausgebildet und bildet damit komplementäre konkave Bereiche 46, 47, die im Zusammenspiel mit der Rolle 26 im Wesentlichen punktförmige Kontaktzo nen 50, 51 bilden. Hier ist die Konkavität der Bereiche 46, 47 auf der Laufbahnfläche 2 mit einem größeren Radius R2 bemessen als die Radien der Konvexitäten der Mantelflächenbereiche 40, 41.
Hinsichtlich der inneren Laufbahnfläche 4 auf dem inneren Lagerring 3 ist in 2 gut erkennbar, dass insoweit die Mantelflächenbereiche 40, 41 und damit die konvexen (nach außen gewölbten) Rollenoberflächen 42, 43 von den gegenüberliegenden Bereichen 4a, 4b der Laufbahnfläche 4 beabstandet sind, wobei die Abstände 48 vorzugsweise zwischen 0,002 mm und 0,1 mm liegen. Ein entsprechender Mindestabstand 49 von 0,002 mm bis 0,1 mm ist vorteilhafterweise auch gewählt zwischen der äußeren Laufbahnfläche 2 des äußeren Lagerrings 1 und der konkaven Rollenoberfläche 28 im mittleren Mantelflächenbereich 27 der Rolle 26.

Dabei kann die Form der korrespondierenden Kontakt- oder Wirkflächen der Rolle bzw. der Laufbahnen in Axialrichtung gesehen in drei Zonen unterschieden werden. In diesen Zonen bestehen die in folgender Tabelle zusammengefassten Radiusbeziehungen.

	Zone 1	Zone 2	Zone 3
Außenringskontakt	Rolle konvex Ring konkav	Rolle konkav Ring konkav	Rolle konvex Ring konkav
Innenringkontakt	Rolle konvex Ring konkav	Rolle konkav Ring konvex	Rolle konvex Ring konkav

Die Radienverhältnisse zwischen der Konkavität 31 der Rollenoberfläche im mittleren Bereich 27 zur Konvexität 33 betragen im Bereich der Kontaktzone 34 vorteilhafter Weise zwischen 100,5% und 120%. Entsprechend ist im Bereich der Kontaktzonen 50, 51 vorteilhafter Weise ein Radienverhältnis Konkavität der zugeordneten konkaven Bereiche 46, 47 der Lauffläche 2 zur der Konvexität der Rollenoberflächen 42, 43 von 100,5% bis 120% bevorzugt.
Die 3 und 4 zeigen die auftretende Flächenpressung 53, 54 und 55, bzw. 53', 54', 55' in den Kontaktzonen 34 und 51, 52 bei vergleichsweise niedriger Last (3) und bei erhöhter Last (4). Auch bei höheren Belastungen erkennt man, dass die vorbeschriebenen, stabilisierenden Wirkungen der wechselseitigen Gestaltung der Laufbahnflächen 2,4 der Lagerringe 1, 3 und der Rolle 26 erhalten bleiben.
5 zeigt in äußerst vergrößerter Darstellung das Detail A aus 1, in dem man einen flacheren Übergang zwischen der Mantelfläche 57 und der Stirnfläche 58 an der Stirnseite 37 der Lagerrolle 26 erkennt. Mit durchgezogener Linie sind nur zum Vergleich bisher übliche Übergangsradien 59 gezeigt. Demgegenüber ist der auch als zusätzlicher Kantenabfall bezeichnete Radius 60 im Übergang von der Mantelfläche 57 zur Stirnfläche 58 wesentlich größer.
Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung werden entlang der Längsachse der Tonnenrolle drei Kontaktzonen definiert, wobei sowohl konvexe als auch konkave Radiusbeziehungen zwischen den korrespondierenden Kontaktzonen zwischen Rolle und Laufbahnflächen bestehen. Durch diese Ausgestaltung werden die Tonnenrollen am Außenringkontakt mit einer relativ breiten Abstützung geführt, so dass sich mit den ergebenden insgesamt drei Kontaktzonen eine hohe Stabilität einstellt. Eine für Drehbewegungen (Schränken) ausgeprägte Hochachse im Sinne der konventionellen Pendelrollenlagerkonstruktionen kann damit nicht entstehen. Die Tonnenrolle dreht allenfalls in geringem Ausmaß um den mittig angeordneten Kontaktpunkt zum inneren Lagerring.

1: äußerer Lagerring
2: äußere Laufbahnfläche
3: innerer Lagerring
4, 4': innere Laufbahnfläche
4a, 4b: Bereiche
6: Tonnenrolle
8: Mantelfläche
11, 12: Kontaktzonen
14, 15: Kontaktpunkte
16: Längsachse
17: Hochachse
26: Rolle
27: Mantelflächenbereich
28: konkave Rollenoberfläche
29: Einschnürung
30: Durchmesserverringerung
31: Konkavität
32: Axialrichtung
33: Konvexität
34: Kontaktzone
36, 37: Stirnseiten
40, 41: Mantelflächenbereiche
42, 43: konvexe Rollenoberfläche
46, 47: konkave Bereiche
48, 49: Abstände
50, 51: Kontaktzonen
53, 54, 55: Flächenpressung
53' 54' 55: Flächenpressung
57: Mantelfläche
58: Stirnfläche
59: Übergangsradien
60: zusätzlicher Kantenabfall/Radius
A: Detail
D: Durchmesser
R1: Radius
R2: Radius

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 19612587 A1 [0002]

Claims

Rollenlager – mit einer inneren Laufbahnfläche (4) und mit einer äußeren Laufbahnfläche (2), zwischen denen Rollen (26) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass – die Rollen (26) in ihrem mittleren Mantelflächenbereich (27) jeweils eine erste isolierte Kontaktzone (34) mit nur einer der Laufbahnflächen ((4) bilden, – während die Rollen (26) jeweils mit der anderen Laufbahnfläche (2) zwei isolierte Kontaktzonen (50, 51) bilden, die in Axialrichtung (32) der Rolle (26) gesehen vor und nach der ersten Kontaktzone (34) liegen.
Rollenlager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass – die zwei isolierten Kontaktzonen (50, 51) in Axialrichtung (32) der Rolle (26) gesehen symmetrisch zu der ersten Kontaktzone (34) beabstandet sind.
Rollenlager nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass – die erste Kontaktzone (34) mit der inneren Laufbahnfläche (4) besteht.
Rollenlager nach wenigstens einem der Ansprüche 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass – die Rollen (26) in ihrem mittleren Mantelflächenbereich (27) unter Ausbildung einer dort konkaven Rollenoberfläche (28) eine Verringerung ihres Durchmessers (D) aufweisen und – dass die der konkaven Rollenoberfläche (28) zugeordnete Laufbahnfläche (4) konvex und so ausgebildet ist, dass sie die erste Kontaktzone (34) mit der konkaven Rollenoberfläche (28) bildet.
Rollenlager nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass – beiderseits des mittleren Mantelflächenbereichs (27) je ein Mantelflächenbereich (40, 41) mit konvexer Rollenoberfläche (42, 43) ausgebildet ist, der mit einem konkav ausgebildeten Bereich (46, 47) der anderen Laufbahnfläche (2) die dortigen Kontaktzonen (50, 51) bildet.
Rollenlager nach wenigstens einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass – das Radienverhältnis der Konkavität (31) der Rollenoberfläche (28) im mittleren Mantelflächenbereich (27) zur Konvexität (33) der zugeordneten Laufbahnfläche (4) 100,5% bis 120% beträgt.
Rollenlager nach wenigstens einem der Ansprüche 4, 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass – das Radienverhältnis der Konkavität (31) der zugeordneten anderen Laufbahnfläche (2) zur Konvexität der korrespondierenden Rollenoberflächen (42, 43) 101% bis 120% beträgt.
Rollenlager nach wenigstens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – die andere Laufbahnfläche (2) zum mittleren Mantelbereich (27) einen Abstand (49) zwischen 0,002 mm und 0,1 mm aufweist.
Rollenlager nach wenigstens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – die eine Laufbahnfläche (4) zu den Mantelbereichen (40, 41), die die Kontaktzonen (50, 51) mit der anderen Laufbahnfläche (2) bilden, einen Abstand (48) zwischen 0,002 mm und 0,1 mm aufweist.
Rollenlager nach wenigstens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – die Rollen (26) stirnseitig eine Abflachung im Übergangsbereich zwischen Mantelfläche (57) und Stirnfläche (58) aufweisen.