DE102011079155A1

DE102011079155A1 - Lager zur Lagerung einer um eine Achse drehbaren Welle

Info

Publication number: DE102011079155A1
Application number: DE102011079155A
Authority: DE
Inventors: Steffi Grießmann; Herbert Erhardt
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2011-07-14
Filing date: 2011-07-14
Publication date: 2013-01-17

Abstract

Es ist ein Lager (1) zur Lagerung einer um eine Achse (52) drehbaren Welle (50) offenbart. Das Lager (1) umfasst einen Außenring (3) mit einer konvexen Außenfläche (5) und mindestens zwei in Richtung der Achse (52) beabstandete Führungssysteme (7). Jedes der mindestens zwei Führungssysteme (7) hat einen Berührungsabschnitt (9) ausgebildet, welcher mit jeweils einem Teilbereich (11) der konvexen Außenfläche (5) des Außenrings (3) mit mindestens einem Teilabschnitt (10) des Berührungsabschnitts (9) zusammenwirkt. Ferner sieht das Lager (1) zwischen jedem Berührungsabschnitt (9) und dem Teilbereich (11) der konvexen Außenfläche (5), mit dem der Berührungsabschnitt (9) jeweils zusammenwirkt, einen Gleitlack (13) vor.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Lager zur Lagerung einer um eine Achse drehbaren Welle, das einen Außenring mit einer konvexen Außenfläche umfasst.
Hintergrund der Erfindung
Die Lagerung von Wellen ist eine der konstruktiven Standardaufgaben des Maschinenbaus, so dass der Stand der Technik eine Reihe von Lageranordnungen bzw. Lagerkonzepte offenbart. Ein Bereich, in dem solche Anordnungen und Konzepte vermehrt eingesetzt werden, ist der Kraftfahrzeugsektor. Häufig führen aber schlecht fluchtende Wellen zu Produkteinbußen, so dass zunehmend Lager mit einer Wellenausrichtung durch einen Winkelausgleich Anwendung finden.
So offenbart die deutsche Patentschrift DE 10 2006 019 576 B4 eine Lenkvorrichtung für Fahrzeuge und ein Verfahren zur Montage einer Lageranordnung. Ein Adapterteil dient zum Halten eines ein zur drehbeweglichen Lagerung einer Welle dienenden Wälzlagers. Der Innenring ist ferner mit einer Adapterhülse für die Welle versehen, so dass bei einer Drehbewegung der Welle eine Drehmitnahme der Adapterhülse erfolgt. Das Adapterteil weist eine Durchgangsöffnung mit einem Längsabschnitt auf, welches ein Toleranzausgleichselement vorsieht. Dieses dient dazu, das Lager elastisch im Adapterteil zu lagern und dadurch einen Winkelausgleich bei einer Schrägstellung der Welle gegenüber der karosseriefest angeordneten Lageranordnung zu ermöglichen.
Ebenso sind aus dem Stand der Technik Lager bekannt, die durch konvex und konkav formschlüssig zusammenwirkende Flächen neben einem Winkelausgleich zur Wellenausrichtung, eine Verschiebbarkeit des Lagers auf der Welle ermöglichen.
So offenbart die US-amerikanische Patentschrift US 4,895,391 A einen Kraftfahrzeugsäulenstrang mit einem Lager als Stützlager. Durch eine konvexe Außenfläche eines Außenrings und einer mit dieser formschlüssig zusammenwirkenden konkaven Fläche eines Innenrings, ermöglicht das Lager durch eine sogenannte „kugelkalottenförmigen” Lagerung eine Schrägstellung einer gelagerten Welle. Ferner ist das Lager mit dieser Lagerung verschieblich auf der Welle angeordnet. Gleiches beschreibt auch das Lager einer vormontierten Lenkung der europäischen Patentschrift EP 0 266 255 B1 .
Durch die deutschen Patentschriften DE 10 2005 011 257 B4 und DE 199 06 411 B4 ist ferner bekannt, dass derartige Lagerungen mit konvex und konkav geformten Flächen von Außenring und Innenring von Lenksäulensträngen bei Kraftfahrzeugen auch ein Wälzlager vorsehen. Das Wälzlager ist dabei vorzugsweise ein Nadellager.
Auch wenn die vorstehend beschriebenen Lager nicht zur Aufnahme von permanenten Schwenkbewegungen ausgelegt sind, können diese jedenfalls bei einer Lagerung zwischen einer Lenksäule und einem Lenkgetriebe auftreten. Ein häufig auftretendes Problem sind dann „Quietschgeräusche”. Diese „Quietschgeräusche” entstehen, wenn unter Last der Unterschied von Losbrech- zu Schwenkmoment zu groß ist.
Aufgabe der gegenwärtigen Erfindung ist, ein Lager zur Lagerung einer um eine Achse drehbaren Welle zu schaffen, das einfach und kostengünstig herzustellen ist, eine geringe Einbauhöhe aufweist und bei einem Gebrauch keine akustische Belästigung erzeugt.
Die Aufgabe wird durch ein Lager zur Lagerung einer um eine Achse drehbaren Welle gelöst, das die Merkmale im Anspruch 1 umfasst.
Das erfindungsgemäße Lager zur Lagerung einer um eine Achse drehbaren Welle umfasst einen Außenring mit einer konvexen Außenfläche. Das Lager umfasst ferner mindestens zwei in Richtung der Achse beabstandete Führungssysteme, von denen jedes einen Berührungsabschnitt ausgebildet hat, welcher mit jeweils einem Teilbereich der konvexen Außenfläche des Außenrings mit mindestens einem Teilabschnitt des Berührungsabschnitts zusammenwirkt.
Ferner sieht das Lager zwischen jedem Berührungsabschnitt und dem Teilbereich der konvexen Außenfläche, mit dem der Berührungsabschnitt jeweils zusammenwirkt, einen Gleitlack vor. Dieser ermöglicht durch eine trockene und leistungsfähige Schmierung hervorragende Gleiteigenschaften zwischen diesen Bauteilen.
Gleitlacke sind Dispersionen von Festschmierstoffpulvern mit organischen oder anorganischen Bindemitteln. Sie übernehmen neben der Schmierung auch einen Korrosionsschutz. Als Festschmierstoffe kommen hauptsächlich Grafit (C), Molybdändisulfid (MoS₂) und Polytetrafluorethylen (PTFE) zum Einsatz, wobei die auf dem Markt angebotenen Gleitlacke oft eine Kombination mehrerer Festschmierstoffe enthalten. Ferner wird das erfindungsgemäße Lager auch im Schwenkbereich in der Mitte einer zylindrischen Außenhülse mit Ölen und/oder Fetten befettet, d. h. zwischen dem Außenring und einer mit diesem in Kontakt stehenden zylindrischen Außenhülse, so dass diese Schmierstoffe auch zwischen jeden Berührungsabschnitt und dem Teilbereich der konvexen Außenfläche kommen und die bereits hervorragenden Gleiteigenschaften stets noch erhöhen.
Jeder Berührungsabschnitt von den mindestens zwei Führungssystemen kann konkav, konvex oder als Zug aus linearen Teilabschnitten oder als Kombination der vorgenannten Formen ausgebildet sein. Da demzufolge die unterschiedlichsten Formen jedes Berührungsabschnitts denkbar sind, werden zum besseren Verständnis einige Ausführungsformen in der Figurenbeschreibung näher aufgeführt.
In einer ersten Ausführungsform sieht das erfindungsgemäße Lager ein Wälzlager vor. Der Außenring trägt eine Mehrzahl von Wälzkörpern, die gegenüber der konvexen Außenfläche des Außenrings angeordnet sind und mit der Welle zusammenwirken. Somit ist die Welle als Wälzkörperlaufbahn ausgeführt, so dass das Lager besonders raumsparend ausgelegt ist, da das Lager keinen Innenring aufweist. Das setzt jedoch voraus, dass die Wälzkörperlaufbahn auf der Welle gehärtet oder geschliffen ist.
Ein Vorteil des erfindungsgemäßen Lagers besteht darin, dass die mindestens zwei Führungssysteme in der zylindrischen Außenhülse sitzen und die Außenhülse das Lager umschließt. Insbesondere ist die Außenhülse, die beispielsweise aus Stahlblech besteht, spanlos geformt. Durch die spanlos gefertigte Außenhülse ist das erfindungsgemäße Lager mit einem speziellen Einpressdorn zu montieren. Derartige Einpressdorne sind in vielfältiger Form und Ausführung auf dem Markt bekannt und gebräuchlich, so dass auf eine Beschreibung dieser verzichtet wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Gleitlack zumindest auf den Teilabschnitten der Berührungsabschnitte der mindestens zwei Führungssysteme aufgebracht. Vorteilhafterweise ist der Gleitlack aber vollständig auf jeden Berührungsabschnitt der mindestens zwei Führungssysteme aufgebracht In einer anderen Ausführungsform ist der Gleitlack im Teilbereich zumindest teilweise auf der konvexen Außenfläche des Außenrings aufgebracht. Eine noch weitere Ausführungsform kann vorsehen, dass der Gleitlack sowohl auf den Teilabschnitten der Berührungsabschnitte der mindestens zwei Führungssysteme als auch im Teilbereich zumindest teilweise auf der konvexen Außenfläche des Außenrings aufgebracht ist.
Im Besonderen ist darauf zu achten, dass die Wirksamkeit von Gleitlacken von der Zusammensetzung des Gleitlacks, der Vorbehandlung der zu beschichtenden Oberfläche, dem Aufbringungsverfahren oder der Aushärtetemperatur und -zeit abhängig ist.
Durch die Vorbehandlung werden die zu beschichtenden Oberflächen der Führungssysteme und/oder des Außenrings entfettet und gegebenenfalls aufgeraut, um die Lackhaftung zu steigern. Eine Entfettung ist die einfachste Vorbehandlung. Die Oberfläche bleibt dabei unverändert. Beim Strahlen wird die Oberfläche der oben aufgeführten Bauteile aufgeraut. Das Strahlgut muss anschließend komplett entfernt werden.
Beim Aufbringen des Gleitlacks kann zwischen den im Stand der Technik bereits angewandten Tauchzentrifugier-, Trommel- und Spritzverfahren gewählt werden. Nach dem Aufbringen des Gleitlacks muss dieser trocknen bzw. aushärten oder eingebrannt werden, bis ein belastbarer Film entsteht. Die Temperatur liegt dabei – abhängig vom Gleitlack – zwischen Raumtemperatur und +250°C, wobei die Aushärtezeit ebenfalls gleitlackabhängig ist, so dass diese mehrere Stunden betragen kann. Denkbar ist aber auch, die Aushärtetemperatur durch eine Verlängerung der Aushärtezeit zu reduzieren.
In einer weiteren Ausführungsform sind die mindestens zwei Führungssysteme zwei vorzugsweise aus Kunststoff gefertigte Führungsringe, die jeweils die Berührungsabschnitte ausgebildet haben, um mit dem Teilbereich der konvexen Außenfläche des Außenrings zusammenzuwirken. Da der Fachmann weitere Varianten von Führungssystemen, wie beispielsweise Führungsbänder, kennt, die alle die Aufgabe gemein haben, eine metallische Berührung von Außenhülse und Außenring zu verhindern, wird auf weitere Ausführungsmöglichkeiten dieser nicht näher eingegangen.
Insbesondere kann die oben beschriebene erste Ausführungsform eines Wälzlagers ein Kugellager vorsehen. Die Vorteile der Erfindung treten aber besonders hervor, wenn das Wälzlager ein Nadellager ist.
Ferner kann eine weitere Ausführungsform eines Nadellagers einen Innenring vorsehen, so dass das Nadellager einen Innenring umfasst, mit dem das Nadellager auf der Welle sitzt. Auch ist der Innenring für ein Nadellager dahingehend auswählbar, dass das Lager Axialverschiebungen erlaubt. Treten größere Verschiebungen auf, kann ein Standardring durch einen breiteren Innenring ersetzt werden. Für einen Fachmann ist offensichtlich, dass ein Innenring nicht nur bei einer Ausführungsform eines Nadellagers Anwendung findet, sondern auch bei anderen Rollenlagern wie aber auch bei Kugellagern vorgesehen sein kann.
Vorteilhafterweise ist das Nadellager ein Einstellnadellager. Die Hauptanwendung solcher Lager liegt in der Kompensation statischer Fluchtungsfehler einer Welle zu einem Gehäuse. Diese Lager können aber auch im eingangs beschriebenen Kraftfahrzeugsektor Anwendung finden, wobei sie dort zur Lagerung einer Welle zwischen Lenksäule und Lenkgetriebe eingesetzt werden. Wie bereits ebenfalls beschrieben, können bei derartigen Lagern „Quietschgeräusche” bei Schwenkbewegungen auftreten, die aus dem Kontakt der mindestens zwei Führungssysteme mit dem Außenring kommen. Durch den oben bereits beschriebenen Gleitlack, der an diesen Kontaktstellen im Lager aufgebracht ist, sind diese Quietschgeräusche fortwährend beseitigt.
Eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Lagers kann einen Käfig vorsehen, so dass die Wälzkörper in gleichem Abstand zueinander gehalten werden. Dadurch stoßen sie nicht gegeneinander. Käfige können aus Stahlblech, Kunststoff oder Messing hergestellt werden.
Weitere Ausführungsformen sehen weitere Lagerteile vor. Lagerteile können in diesem Zusammenhang Deckscheiben oder Dichtungen, in Form von Dichtringen oder dergleichen, sein. Sie werden vor allen dann eingesetzt, wenn das erfindungsgemäße Lager zusätzlich mit Öl oder Fett geschmiert wird, um die Lebensdauer zu erhöhen. Durch diese Dichtung bleibt der Schmierstoff im Lager, Schmutz und Feuchtigkeit können hingegen von außen nicht eindringen.
Im Folgenden sollen Ausführungsbeispiele die Erfindung und ihre Vorteile anhand der beigefügten Figuren näher erläutern. Die Größenverhältnisse in den Figuren entsprechen nicht immer den realen Größenverhältnissen, da einige Formen vereinfacht und andere Formen zur besseren Veranschaulichung vergrößert im Verhältnis zu anderen Elementen dargestellt sind. Dabei zeigen:
1 einen Querschnitt des erfindungsgemäßen Lagers zur Lagerung einer um eine Achse drehbaren Welle.
2 eine vergrößerte Detailansicht des Ausschnitts D nach 1.
3 einen schematischen Querschnitt von zwei weiteren Ausführungsformen der Berührungsabschnitte von zwei Führungssystemen.
Für gleiche oder gleich wirkende Elemente der Erfindung werden identische Bezugszeichen verwendet. Ferner werden der Übersicht halber nur Bezugszeichen in den einzelnen Figuren dargestellt, die für die Beschreibung der jeweiligen Figur erforderlich sind. Die dargestellten Ausführungsformen stellen lediglich Beispiele dar, wie das erfindungsgemäße Lager zur Lagerung einer um eine Achse drehbaren Welle ausgestaltet sein kann und stellen somit keine abschließende Begrenzung der Erfindung dar.
1 zeigt einen Querschnitt des erfindungsgemäßen Lagers 1 zur Lagerung einer um eine Achse 52 drehbaren Welle 50. Das Lager 1 umfasst in der dargestellten Ausführungsform einen metallischen Außenring 3 mit einer konvexen Außenfläche 5 und zwei in Richtung der Achse 52 beabstandete Führungssysteme 7 aus Kunststoff, wie beispielsweise Führungsringe. Die Krümmung der konvexen Außenfläche 5 ist in Richtung der Achse 52 ausgerichtet. Die Führungssysteme 7 verhindern bei Auslieferung, d. h. wenn das Lager 1 bei einem Kunden in ein Gehäuse gepresst wird, eine Berührung des Außenrings 3 und einer das Lager 1 umschließenden zylindrischen, ebenfalls aus Metall spanlos gefertigten Außenhülse 19, da keine Überdeckung von Außenhülse 19 zum Gehäuse mehr zu einer Einschnürung der Außenhülse 19 führt, so dass eine lange Produktlebensdauer gewährleistet ist.
Die Vorteile der Erfindung treten besonders stark hervor, wenn das Lager 1 ein Wälzlager 17 in Form eines Nadellagers vorsieht, so dass das erfindungsgemäße Lager 1 als ein Einstellnadellager zur Lagerung einer Welle 50 zwischen Lenksäule und Lenkgetriebe eingesetzt werden kann.
Ferner umfasst das in 1 gezeigte Lager 1 einen Innenring 21, so dass das Nadellager mit einer Mehrzahl seiner Wälzkörper 15 auf der Welle 50 sitzt. Die Wälzkörper 15 sind im gleichen Abstand über einen Käfig 23 zueinander gehalten, so dass diese nicht aneinander stoßen. Auch sieht das erfindungsgemäße Lager 1 Dichtringe 25 vor, so dass ein mit Öl und Fett geschmiertes Lager 1 diese im Lager 1 behält und zudem Schmutz und Feuchtigkeit abhält.
Zusätzlich hat jedes der zwei Führungssysteme 7 einen Berührungsabschnitt 9 ausgebildet. Da jeder Berührungsabschnitt 9 in der in 1 gezeigten Ausführungsform konkav ausgebildet ist, wirkt ein Teilabschnitt 10 des Berührungsabschnitts 9 mit jeweils einem Teilbereich 11 der konvexen Außenfläche 5 des Außenrings 3 formschlüssig zusammen. Durch diese formschlüssige Wirkungsweise wie eine Art Kugelgelenk, wobei die mindestens zwei Führungssysteme 7 mit ihren jeweils konkav ausgebildeten Berührungsabschnitten 9 die Kugelkalotte und die konvexe Außenfläche 5 des Außenrings 3 die Kugelpfanne darstellt, ist der Abstand zwischen Führungssystemen) 7 und Außenring 3 gering, so dass das Lager 1 eine geringe Einbauhöhe aufweist und zudem auch statische Fluchtungsfehler der Welle 50 bis zu 3° kompensiert, wobei aber auch weitere Ausführungsformen von Berührungsabschnitten 9, wie beispielsweise in 3 gezeigt, denkbar sind. Erfindungsgemäß weist das Lager 1 zwischen jedem Berührungsabschnitt 9 und dem Teilbereich 11 der konvexen Außenfläche 5, mit der der Berührungsabschnitt 9 jeweils zusammenwirkt, einen Gleitlack 13 auf. Der Gleitlack 13 ist dabei vorzugsweise zumindest auf den Teilabschnitten 10 der Berührungsabschnitte 9 der zwei Führungssysteme 7 aufgebracht. Die Aufbringung des Gleitlacks 13 bewirkt eine trockene und leistungsfähige Schmierung mit hervorragenden Gleiteigenschaften zwischen Außenring 3 und den beiden Führungssystemen 7, so dass die aus dem Stand der Technik allseits bekannten „Quietschgeräusche” vermieden werden.
2 zeigt eine vergrößerte Detailansicht des Ausschnitts D nach 1, wobei alle dargestellten Elemente bereits in 1 beschrieben sind.
3 zeigt einen schematischen Querschnitt von weiteren Ausführungsformen der Berührungsabschnitte 9 von zwei Führungssystemen 7. Der Berührungsabschnitt 9 des linken Führungssystems 7 ist derart als Zug aus zwei linearen Teilabschnitten 10 ausgebildet, so dass dieser mit dem Teilbereich 11 der konvexen Außenfläche 5 des Außenrings 3 zusammenwirkt. Der Berührungsabschnitt 9 des rechten Führungssystems 7 ist hingegen zum einen, wie bereits in 1 dargestellt, konkav ausgebildet und zum anderen besteht er aus zwei Teilabschnitten 10, die jeweils mit dem Teilbereich 11 der konvexen Außenfläche 5 des Außenrings 3 formschlüssig zusammenwirken. Es sind andere Ausgestaltungen der Berührungsabschnitte 9 der Führungssysteme 7 denkbar, die weiterhin vom Schutzbereich der Ansprüche umfasst sind.
Die gegenwärtige Erfindung ist in Bezug auf bevorzugte Ausführungsformen beschrieben worden. Dennoch können Änderungen und Abwandlungen der hier vorgeschlagenen Gestaltungen des Lagers zur Lagerung einer um eine Achse drehbaren Welle durchgeführt werden, ohne dabei den Schutzbereich der nachstehenden Ansprüche zu verlassen.
Bezugszeichenliste

1: Lager
3: Außenring
5: konvexe Außenfläche
7: Führungssystem
9: Berührungsabschnitt
10: Teilabschnitt
11: Teilbereich
13: Gleitlack
15: Wälzkörper
17: Wälzlager
19: Außenhülse
21: Innenring
23: Käfig
25: Dichtring
50: Welle
52: Achse
D: Ausschnitt

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102006019576 B4 [0003]
US 4895391 A [0005]
EP 0266255 B1 [0005]
DE 102005011257 B4 [0006]
DE 19906411 B4 [0006]

Claims

Lager (1) zur Lagerung einer um eine Achse (52) drehbaren Welle (50), umfassend einen Außenring (3) mit einer konvexen Außenfläche (5), dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei in Richtung der Achse (52) beabstandete Führungssysteme (7) vorgesehen sind, von denen jedes einen Berührungsabschnitt (9) ausgebildet hat, welcher mit jeweils einem Teilbereich (11) der konvexen Außenfläche (5) des Außenrings (3) mit mindestens einem Teilabschnitt (10) des Berührungsabschnitts (9) zusammenwirkt; und dass ein Gleitlack (13) zwischen jedem Berührungsabschnitt (9) und dem Teilbereich (11) der konvexen Außenfläche (5), mit dem der Berührungsabschnitt (9) jeweils zusammenwirkt, vorgesehen ist.
Lager (1) nach Anspruch 1, wobei der Berührungsabschnitt (9) konkav, konvex oder als Zug aus linearen Teilabschnitten (10) oder als Kombination der vorgenannten Formen ausgebildet ist.
Lager (1) nach Anspruch 1, wobei der Außenring (3) eine Mehrzahl von Wälzkörpern (15) eines Wälzlagers (17) trägt, die gegenüber der konvexen Außenfläche (5) des Außenrings (3) angeordnet sind und mit der Welle (50) zusammenwirken.
Lager (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die mindestens zwei Führungssysteme (7) in einer zylindrischen Außenhülse (19) sitzen und die Außenhülse (19) das Lager (1) umschließt.
Lager (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Gleitlack (13) zumindest auf den Teilabschnitten (10) der Berührungsabschnitte (9) der mindestens zwei Führungssysteme (7) aufgebracht ist.
Lager (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Gleitlack (13) im Teilbereich (11) zumindest teilweise auf der konvexen Außenfläche (5) des Außenrings (3) aufgebracht ist.
Lager (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die mindestens zwei Führungssysteme (7) als Führungsringe ausgebildet sind.
Lager (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Wälzlager (17) ein Kugellager ist.
Lager (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 7, wobei das Wälzlager (17) ein Nadellager ist.
Lager (1) nach Anspruch 9, wobei das Nadellager einen Innenring (21) umfasst, mit dem das Nadellager auf der Welle (50) sitzt.