DE102011079959A1

DE102011079959A1 - Lagerteil, insbesondere Lagerring oder Wälzkörper, für ein Wälzlager

Info

Publication number: DE102011079959A1
Application number: DE201110079959
Authority: DE
Inventors: Michael Pausch; Dr. Bakolas Vasilios; Alexander Liebel
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2011-07-28
Filing date: 2011-07-28
Publication date: 2013-01-31

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Lagerteil, insbesondere Wälzkörper oder Lagerring eines Wälzlagers, umfassend eine Fläche (1) mit einer Rollrichtung (2), wobei in der Fläche (1) voneinander beabstandete Vertiefungen (3) angeordnet sind. Die Aufgabe, ein Lagerteil mit einer voneinander beabstandete Vertiefungen umfassenden Oberflächenstrukturierung anzugeben, das verbesserte Betriebseigenschaften aufweist, wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Vertiefungen (3) eine von der Kreisform abweichende, ovale, insbesondere elliptische, Umrisskontur (4; 4’) aufweisen, und dass eine lange Halbachse (a) der Umrisskontur (4; 4’) quer zu der Rollrichtung (2) ausgerichtet ist.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Lagerteil nach Anspruch 1, insbesondere einen Lagerring oder einen Wälzkörper, für ein Wälzlager, sowie ein Wälzlager nach Anspruch 10.
Bei Wälzlagern tritt im Betrieb ein Rollkontakt zwischen einem ersten Lagerteil, beispielsweise einem Lagerring, und einem zweiten Lagerteil, beispielsweise einem Wälzkörper auf, wobei ein Schmierfilm zwischen den beiden im Rollkontakt befindlichen Lagerteilen die Reibung herabsetzen soll. Hierzu ist es bekannt, an einer dem Rollkontakt unterliegenden Fläche eines der beiden Lagerteile eine Oberflächenstrukturierung vorzusehen, die Vertiefungen aufweist, wobei in den Vertiefungen Schmiermittel vorrätig gehalten wird, wobei das Schmiermittel in der Vertiefung im Moment des Rollkontaktes den Aufbau eines Schmierfilmes einer ausreichenden Dicke sicherstellen und unterstützen soll.
Für die Umrisskonturen der genannten Vertiefungen, in einer gedachten Draufsicht auf die Fläche des Lagerteils, sind aus dem Stand der Technik verschiedene geometrische Ausbildungen bekannt, die in vielen Fällen im Betriebsfall zu einer Pressungsüberhöhung der beiden im Rollkontakt befindlichen Lagerteile führen können oder aber einen Aufbau eines durchgehenden Schmierfilms zwischen den beiden Lagerteilen nicht immer hinreichend sicher stellen können.
DE 195 81 520 T1 beschreibt ein Lagerteil, nämlich einen Wälzkörper, eines Wälzlagers, an dessen dem Rollkontakt unterliegender Oberfläche nadelförmige, regellos orientierte Vertiefungen vorgesehen sind, die ca. 10-mal länger als breit sind. Der Wälzkörper ist als Kugel ausgebildet, weist also keine definierte Rollrichtung auf, so dass bei dem Rollen der Kugel einige, aber nicht sämtliche, nadelförmigen Vertiefungen in Richtung der momentanen Bewegung der Kugel orientiert sind und andere nadelförmigen Vertiefungen senkrecht zu der momentanen Bewegung der Kugel ausgerichtet sind.
US 6,371,656 B1 beschreibt ein Lagerteil, nämlich einen Lagerring eines Wälzlagers, mit einer Laufbahn, in die kalottenförmige, voneinander beabstandete Vertiefungen angeordnet sind. Der Lagerring weist eine Laufbahn mit einer definierten, umfangsmäßigen Rollrichtung auf, wobei im Bereich der Oberfläche der Laufbahn kalottenförmige Vertiefungen vorgesehen sind, die von einer kreisförmigen Umrisskontur begrenzt sind.
EP 0 805 291 B1 beschreibt ein Lagerteil mit unregelmäßigen, ineinander übergehenden Vertiefungen, die eine definierte Oberflächenrauhigkeit ausbilden sollen.
DE 601 24 096 T2 beschreibt ein Lagerteil, nämlich einen Wälzkörper eines Wälzlagers, mit Vertiefungen ohne näher definierte Form bzw. Ausrichtung in Bezug auf die Rollrichtung.
Aufgabe der Erfindung
Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein Lagerteil mit einer voneinander beabstandete Vertiefungen umfassenden Oberflächenstrukturierung anzugeben, das verbesserte Betriebseigenschaften aufweist.
Zusammenfassung der Erfindung
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Vertiefungen eine von der Kreisform abweichende, ovale, insbesondere elliptische, Umrisskontur aufweisen, und dass eine lange Halbachse der Umrisskontur quer zu der Rollrichtung ausgerichtet ist.
Aufgrund der von der Kreisform abweichenden Umrisskontur wird eine lange und eine kurze Halbachse ausgebildet, wobei die Anordnung der langen Halbachse quer zu der Rollrichtung sicherstellt, dass bei einem Rollkontakt die Hertz’sche Kontaktellipse die Vertiefung vollständig überdeckt, so dass das in der Vertiefung aufgenommene Schmiermittel einen Druck ausüben kann und die beiden in Rollkontakt befindlichen Lagerteile getrennt halten kann. Die Erstreckung der Vertiefung in Rollrichtung ist dabei so gewählt, dass diese Erstreckung weniger als ca. 50 % der Erstreckung der Kontaktellipse im Hertz’schen Kontakt beträgt.
Die Anordnung der langen Halbachse quer zu der Rollrichtung stellt weiter sicher, dass die ungünstigen Auswirkungen einer Pressungsüberhöhung reduziert werden.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die lange Halbachse einen Winkel von ca. 60° bis ca. 90°, insbesondere von ca. 90°, zu der Rollrichtung einschließt. Aufgrund des hohen Winkels mit der Rollrichtung, insbesondere aufgrund der besonders bevorzugten Anordnung senkrecht zu der Rollrichtung, kann die Vertiefung mit einer besonders schmalen Umrisskontur versehen werden, die von der Kontaktellipse im Hertz’schen Kontakt überdeckt werden kann.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die ovale Umrisskontur als Lamé’sches Oval ausgebildet ist. Das Lamé’sche Oval wird in kartesischen Koordinaten (x, y) durch die allgemeine Formel (x/a)ⁿ + (y/b)ⁿ = 1 dargestellt, mit n größer als 2, a, b als Beträge der langen und der kurzen Halbachse, wobei sich für n = 2 eine klassische Ellipse ergibt. Die genannte Formel liefert für große Werte von n eine Umrisskontur, bei der zwei annähernd parallele, um den Betrag 2b beabstandete Linien zwei endseitige Kreisbogensegmente begrenzen.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die ovale Umrisskontur zwei im wesentlichen parallele Seitenlinien und zwei kreisbogenförmige, insbesondere halbkreisförmige, Endabschnitte umfasst.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Tiefe der Vertiefung ca. 0,3 µm bis ca. 4,0 µm beträgt. Die Vertiefung ist dabei relativ flach ausgebildet, in Bezug zu der anzunehmenden theoretischen Durchdringung im Hertz’schen Kontakt.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass das Verhältnis der großen Halbachse zu der kleinen Halbachse ca. 1,1 bis ca. 50, insbesondere ca. 1,3 bis ca. 5, speziell ca. 1,5 bis ca. 7 und ganz speziell ca. 1,5 bis ca. 3 beträgt.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Vertiefung einen Tiefenverlauf in Richtung einer der beiden Halbachsen, insbesondere in Richtung beider Halbachsen, aufweist, der im wesentlichen einem Gauß-Profil entspricht. Ein derartiger Tiefenverlauf lässt sich beispielsweise mittels eines schräg auftreffenden Laserstrahls erzielen.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Vertiefungen durch Laserablation oder Kugelstrahlen hergestellt sind.
Alternativ hierzu ist vorzugsweise vorgesehen, dass die Vertiefungen durch ein Walzverfahren oder ein Prägeverfahren hergestellt sind.
Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen sowie aus der folgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung.
Die Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die anliegende Zeichnung näher beschrieben und erläutert.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt in dem Teilbild a) eine schematische Draufsicht auf ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Lagerteils, uns in dem Teilbild b) eine schematische Draufsicht auf ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Lagerteils.
Detaillierte Beschreibung der Zeichnung
1 zeigt eine Draufsicht auf eine abgerollte Fläche 1 eines Lagerteils, insbesondere eines zylindrischen Wälzkörpers, dessen zylindrische Mantelfläche in Rollkontakt mit einer Laufbahn eines nicht dargestellten weiteren Lagerteils, nämlich einem Lagerring, steht. Die Fläche 1 weist eine Rollrichtung auf, die durch die Richtung des Pfeils 2 angegeben ist.
In der Fläche 1 sind mehrere Vertiefungen angeordnet, deren eine mit dem Bezugszeichen‚ 3’ ausgewiesen ist. Die Vertiefungen sind voneinander durch gekrümmte Abschnitte der zylindrischen Fläche 1 beabstandet. Die Vertiefung 3 weist eine elliptische Umrisskontur 4 auf, wobei eine lange Halbachse a der Ellipse der Umrisskontur 4 unter einem Winkel 5 von ca. 60° bis ca. 90°, insbesondere ca. 90°, also in einem annähernd rechten Winkel, zu der Rollrichtung (Pfeil 2) angeordnet ist. Die auf der langen Halbachse a senkrecht stehende kurze Halbachse b der elliptischen Umrisskontur 4 ist damit im wesentlichen parallel zu der Rollrichtung (Pfeil 2) ausgerichtet. Die Tiefe der dargestellten Vertiefung 3 beträgt ca. 0,3 bis ca. 4 Mikrometer, bezogen auf die angrenzende Fläche 1. Die Länge der langen Halbachse a beträgt das ca. 6,25-fache der Länge der kurzen Halbachse b, so dass das Verhältnis der langen Halbachse a zu der kurzen Halbachse b ca. 1,1 bis ca. 50, insbesondere ca. 1,3 bis ca. 5, speziell ca. 1,5 bis ca. 7 beträgt, wobei in einer Abwandlung des dargestellten Ausführungsbeispiels das Verhältnis auch ca. 1,5 bis ca. 3,0 betragen kann.
Die Vertiefung 3 weist einen Tiefenverlauf in Richtung der kurzen Halbachse b auf, der im wesentlichen einem Gauß-Profil entspricht, also einer umgekehrten Gauß’schen Glockenkurve. Weiter weist die Vertiefung 3 in Richtung der langen Halbachse a einen Tiefenverlauf auf, der ebenfalls einem Gauß-Profil entspricht. Der tiefste Punkt des Tiefenverlaufs ist dort erreicht, wo sich die beiden Halbachsen a, b treffen.
Die Vertiefung 3 ist durch ein Walzverfahren hergestellt worden, bei dem eine Walze mit einer der Umrisskontur 4 der Vertiefung 3 entsprechenden Erhebung über die im wesentlichen zylindrische Fläche 1 des Wälzkörpers gedrückt wird. Es versteht sich, dass auch ein Prägeverfahren oder ein materialabtragendes Verfahren, beispielsweise eine Laserablation oder ein Kugelstrahlen, vorgesehen sein kann, um Vertiefungen 3 zu erzielen.
Bei der Beschreibung des zweiten, in 1b dargestellten Ausführungsbeispiels bezeichnen gleiche Bezugsziffern gleiche oder in ihrer technischen Wirkung vergleichbare Merkmale.
Der Unterschied des zweiten Ausführungsbeispiels zu dem ersten Ausführungsbeispiel besteht darin, dass die Vertiefung 3 eine ovale Umrisskontur 4’ aufweist, die zwei im wesentlichen parallele Seitenlinien 6, 7 und zwei kreisbogenförmige, insbesondere halbkreisförmige, Endabschnitte 8, 9 umfasst.
Bei den beiden vorbeschriebenen Ausführungsbeispielen ist jeweils vorgesehen, dass die im Betrieb auftretende Hertz’sche Kontaktellipse die Vertiefung 3 überdeckt, so dass die maximale Erstreckung, nämlich das Doppelte der langen Halbachse a, der Erstreckung der Kontaktellipse höchstens entspricht oder geringer als die Erstreckung der Kontaktellipse ist.
Bei den beiden vorbeschriebenen Ausführungsbeispielen war jeweils vorgesehen, dass die Vertiefung 3 auf einer Mantelfläche eines als Wälzkörper ausgebildeten Lagerteils vorgesehen ist. Die Vertiefung kann auch an einer Stirnfläche eines bordgeführten Wälzkörpers vorgesehen sein oder im Bereich einer Laufbahn eines als Lagerring ausgebildeten Lagerteils.
Bezugszeichenliste

1: Fläche
2: Pfeil (Rollrichtung)
3: Vertiefung
4, 4’: Umrisskontur
5: Winkel
6: Seitenlinie
7: Seitenlinie
8: Endabschnitt
9: Endabschnitt

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 19581520 T1 [0004]
US 6371656 B1 [0005]
EP 0805291 B1 [0006]
DE 60124096 T2 [0007]

Claims

Lagerteil, insbesondere Wälzkörper oder Lagerring eines Wälzlagers, umfassend eine Fläche (1) mit einer Rollrichtung (2), wobei in der Fläche (1) voneinander beabstandete Vertiefungen (3) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Vertiefungen (3) eine von der Kreisform abweichende, ovale, insbesondere elliptische, Umrisskontur (4; 4’) aufweisen, und dass eine lange Halbachse (a) der Umrisskontur (4; 4’) quer zu der Rollrichtung (2) ausgerichtet ist.
Lagerteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die lange Halbachse (a) einen Winkel (5) von ca. 60° bis ca. 90°, insbesondere von ca. 90°, zu der Rollrichtung (2) einschließt.
Lagerteil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die ovale Umrisskontur als Lamé’sches Oval ausgebildet ist.
Lagerteil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die ovale Umrisskontur (4’) zwei im wesentlichen parallele Seitenlinien (6, 7) und zwei kreisbogenförmige, insbesondere halbkreisförmige, Endabschnitte (8, 9) umfasst.
Lagerteil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Tiefe der Vertiefung (3) ca. 0,3 µm bis ca. 4,0 µm beträgt.
Lagerteil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der großen Halbachse (a) zu einer kleinen Halbachse (b) ca. 1,1 bis ca. 50, insbesondere ca. 1,3 bis ca. 5, speziell ca. 1,5 bis ca. 7 und ganz speziell ca. 1,5 bis ca. 3, beträgt.
Lagerteil nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Vertiefung (3) einen Tiefenverlauf in Richtung einer der beiden Halbachsen, insbesondere in Richtung beider Halbachsen (a, b), aufweist, der im wesentlichen einem Gauß-Profil entspricht.
Lagerteil nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Vertiefungen (3) durch ein Walzverfahren oder ein Prägeverfahren hergestellt sind.
Lagerteil nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Vertiefungen durch Laserablation oder Kugelstrahlen hergestellt sind.
Wälzlager, umfassend ein Lagerteil nach einem der Ansprüche 1 bis 9.