DE102010051616A1

DE102010051616A1 - Stirnverzahnte Radlagereinheit mit Innenhärtung

Info

Publication number: DE102010051616A1
Application number: DE201010051616
Authority: DE
Inventors: Peter Niebling; Roland Langer
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2010-11-17
Filing date: 2010-11-17
Publication date: 2012-05-24

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Radlagereinheit mit einer Radnabe, wobei die Radnabe ein einen Innenring tragendes, hohles Mittelstück und einen den um das Mittelstück angeordneten Innenring axial vorspannenden Wälznietbund mit einer axialen Stirnverzahnung zur Drehmomentübertragung aufweist. Es soll eine Möglichkeit aufgezeigt werden, wie die Momentenübertragungsfähigkeit der Stirnverzahnung Radlagereinheit substantiell erhöht werden kann. Dies wird dadurch erreicht, indem ein kritischer Bereich der Radnabe, der bedingt durch den Nietprozess materialarm ausgeführt sein muss, mittels einer Härtung des Innenbereichs verstärkt wird.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Radlagereinheit mit einer Radnabe, wobei die Radnabe ein einen Innenring tragendes, hohles Mittelstück und einen den um das Mittelstück angeordneten Innenring axial vorspannenden Wälznietbund mit einer axialen Stirnverzahnung zur Drehmomentübertragung aufweist.
Stand der Technik
Hintergrund der Erfindung
Aus DE 10 2005 019 731 A1 ist eine Radlagereinheit mit einem Innenring bekannt, der mittels eines Wälznietbundes axial vorgespannt wird. Der Wälznietbund ist aus einem rohrförmigen Ende der Radnabe geformt worden und bildet ferner eine axiale Stirnverzahnung aus, die dazu vorgesehen ist im axialen Eingriff mit einer Gegenverzahnung einer Gelenkglocke Drehmomente zu übertragen.
Im Gegensatz zu einer radialen Verzahnung findet die Drehmomentübertragung an der Verzahnung in axialer Richtung statt. Damit entsteht in dem rohrförmigen, hohlzylindrischen Abschnitt der Radnabe, welcher kontinuierlich in den Wälznietbund übergeht, eine hohe Kraftdichte, zumal die radiale Wandstärke dieses Mittelstücks dadurch begrenzt ist, dass eine Kaltumformung, wie sie beim Formen des Wälznietbundes erfolgt, überhaupt möglich ist.
Das Mittelstück der Radlagereinheit, welches auf der einen Seite durch den Wälznietbund und auf der anderen Seite durch den Radflansch begrenzt wird, weist einen Bereich auf, der hinsichtlich seiner radialen Abmessungen noch dem ursprünglich rohrförmigen Ende der Radnabe vor dem Wälznietvorgang entspricht. Die Dichte der Torsionskräfte ist in diesem kritischen Bereich am größten, womit das maximale Drehmoment durch diesen Bereich begrenzt wird. Es ist durchaus möglich eine Verdickung dieses Bereichs vor der Kaltumformung vorzusehen, jedoch müssen hierbei Nachteile bei den Eigenschaften des Wälznietbunds in Kauf genommen werden, so zum Beispiel, eine längere Bearbeitungszeit desselben durch den Nietkopfsetzer, eine höhere Wahrscheinlichkeit eines Bruches und ein höheres Gesamtgewicht der Radlagereinheit.
Der kritische, rohrförmige Bereich des Mittelstückes hat sich somit als eine drehmomentbegrenzende Schwachstelle erwiesen, die bei stirnverzahnten Einheiten nicht zu vermeiden ist, da von der rohrartigen Form der Radnabe nicht abgewichen werden kann.
Aufgabenstellung
Zusammenfassung der Erfindung
Die Aufgabe der Erfindung ist es daher eine Radlagereinheit mit einer am Wälznietbund ausgebildeten Stirnverzahnung anzugeben, die eine sichere Übertragung hoher Drehmomente ermöglicht und dabei kostengünstig herstellbar bleibt.
Die Aufgabe wird durch eine Radlagereinheit der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass das hohle Mittelstück einen einer Rotationsachse der Radlagereinheit zugewandten gehärteten Innenbereich aufweist.
Erfindungsgemäß weist die Radlagereinheit eine Radnabe auf, wobei die Radnabe ein einen Innenring tragendes, hohles Mittelstück aufweist. Bei dem Innenring handelt es sich um einen Lagerring, der eine Außenlaufbahn für Wälzkörper ausbildet und zur Übertragung einer Aufstandkraft vorgesehen ist. Der Innenring ist auf dem hohlen Mittelstück angeordnet, welches des kritischen Bereich aufweist und an einem axialen Ende in den Wälznietbund, sowie am anderen axialen. Ende in den Radflansch übergeht oder mit dem Radflansch verbindbar ist.
Die Radnabe weist ferner einen in das Mittelstück übergehenden, auf dem Mittelstück angeordneten Innenring axial vorspannenden Wälznietbund auf. Der Innenring trägt aufgrund seiner Position innerhalb der Radlagereinheit zu einer Vorspannung bei, die vom Innenring über die Wälzkörper auf eine Außenlaufbahn übertragen wird und von einer weiteren Außenlaufbahn wieder über andere Wälzkörper auf einen anderen Innenring, der gegebenenfalls von der Radnabe gebildet wird, übertragen wird. Beispielsweise kann dies durch ein zweireihiges Schrägkugellager realisiert werden, welches in die Radlagereinheit integriert ist. Der Wälznietbund trägt aufgrund der Umformung des ursprünglich rohrförmigen Endes der Radnabe in radiale Richtungen dazu bei, den Innenring axial in radseitiger Richtung zu beaufschlagen, womit eine Vorspannung der Lagerung aufrechterhalten werden kann. Es sei angemerkt, dass es sich bei der Vorspannung nicht ausschließlich um die Vorspannung handelt, die zum optimalen Wälzlagerbetrieb erforderlich ist. Es mag sein, dass die für den Betrieb optimale Vorspannung erst nach dem Installationsvorgang der Radlagereinheit hergestellt ist.
Des weiteren weist der Wälznietbund der erfindungsgemäßen Radlagereinheit eine axiale Stirnverzahnung auf, deren Zähne in axialer Richtung hervorstehen und in Umfangsrichtung durch Zahnzwischenräume voneinander getrennt sind, um den Eingriff in eine Gegenverzahnung zu gewährleisten. Sie axiale Stirnverzahnung ist somit zur Drehmomentübertragung vorgesehen, wobei die kraftübertragenden Flächen durch eine radiale Verlängerung der Zähne vergrößert und damit die Drehmomentübertragung verbessert werden kann.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, das das hohle Mittelstück einen einer Rotationsachse der Radlagereinheit zugewandten, gehärteten Innenbereich aufweist. Der gehärtete Innenbereich ist dazu vorgesehen sich über den kritischen Bereich mit geringem Materialquerschnitt zu erstrecken und damit diese Schwachstelle zu verstärken. Somit verbessert sich die Steifigkeit der Radnabe, die aufgrund der Drehmomentübertragung über eine Stirnverzahnung einer Torsion standhalten muss. Somit ergibt sich der Vorteil, dass durch die Härtung an einer Innenfläche der Radnabe die Drehmomentaufnahme deutlich verbessert werden kann.
Alternativ ist es möglich den Materialquerschnitt des kritischen Bereichs gering zu halten, um nach dessen Härtung die gleiche Drehmomentaufnahme zu erreichen, wie sie bereits bei einer existierenden Radlagereinheit vorliegt, jedoch mit dem Vorteil, dass der Wälznietbund aufgrund der geringeren radialen Dicke einfacher auszubilden ist.
Bei der Härtung kann es sich beispielsweise um eine induktive Härtung handeln, wobei durch alternierende elektromagnetische Felder Induktionsströme in die Radnabe induziert werden und diese erhitzen. Auch eine Vergütung wird impliziert eine Härtung. Vergütung bezeichnet die Kombination aus Härten und Anlassen von Stahl bei höheren Temperaturen, um mit dieser Wärmebehandlung das Material mit hoher Festigkeit bei gleichzeitig hohen Zähigkeitseigenschaften zu versehen. Der erfindungsgemäße Innenbereich kann somit nicht nur gehärtet, sondern insbesondere auch vergütet sein.
Vorteilhafterweise ist der gehärtete Innenbereich aus mehreren Bereichen, insbesondere zwei oder drei Bereichen, gebildet. Damit ist es möglich nicht nur im kritischen Bereich mit geringem Materialquerschnitt zu einer größeren Steifigkeit zu gelangen, sondern auch benachbarte Bereiche können gehärtet werden, wodurch auch die Verbindung des gehärteten kritischen Bereiches verbessert wird. Außerdem ist es möglich Bereiche zu härten, die eine andere Funktion inne haben, wie beispielsweise die Aufnahme eines Verbindungselementes oder ähnlichem. Ferner können unterschiedliche Bereiche entstehen, wenn zur Materialersparnis oder zur Erhöhung der Steifigkeit besondere Strukturen innerhalb der Radnabe erforderlich sind.
Vorteilhafterweise wurde wenigstens ein Bereich des gehärteten Innenbereichs oder der ganze Innenbereich durch eine Rollierung geformt oder kaltverfestigt. Rollieren ist eine saubere, spanlose Bearbeitung mit Wälzkörpern, zur Glättung und Verfestigung von Werkstoffoberflächen. Meist geht eine kalte Verfestigung, die ebenfalls eine Härtung ist, mit einer Verformung einher. Jedoch ist das eine tolerierbar beziehungsweise kaum nachweisbar, wenn jeweils das andere beabsichtigt ist. Beim Rollieren wird gegen ein sich drehendes Werkstück ein Rollierwerkzeug mit so großer Kraft gedrückt, dass das Material des Werkstücks zu fließen beginnt und verdrängt wird. Im Rollierwerkzeug gehaltene Wälzkörper werden über die zu formende Innenfläche der Radnabe gerollt. Dabei entsteht eine rotationssymmetrische Fläche, die beispielsweise zylindrisch oder konisch ausgebildet ist und in Abhängigkeit von der Außenfläche der Wälzkörper auch parabolische oder sphärische Form aufweisen kann.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform wird wenigstens einer der Bereiche des gehärteten Innenbereichs wenigstens teilweise durch den Innenring umfasst. Diese Maßnahme wirkt nochmals stabilisierend für die Radlagereinheit, da der Sitz des Innenrings ebenfalls zumindest teilweise oder ganz gehärtet ist. Zusätzlich kann die axiale Breite der Radlagereinheit gering gehalten werden, indem der Innenring und der gehärtete Innenbereich sich möglichst unmittelbar an den Wälznietbund anschließen, beziehungsweise sich der gehärtete Innenbereich in den Wälznietbund erstreckt.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform weist wenigstens ein Bereich des gehärteten Innenbereichs eine konische, eine hohlzylindrische, eine parabolische oder eine ähnliche Form auf. Damit kann sowohl die innere Struktur des Lagers berücksichtigt werden oder aufgrund der Formwahl eine besondere Steifigkeitsqualität zu verwirklichen, die in Abhängigkeit vom Aufbau der übrigen Bauteilen der Radlagereinheit gewählt werden sollte.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform ist wenigstens ein radial innenliegender Teil des Wälznietbundes und/oder der Stirnverzahnung gehärtet. Alternativ ist der der komplette Wälznietbund beziehungsweise die komplette Stirnverzahnung gehärtet. Es ist sinnvoll eine Härtung der Stirnverzahnung, wie zum Beispiel eine Wärmebehandlung durch eine Induktionsspule, mit einer inneren Wärmebehandlung des hohlen Mittelstückes zu kombinieren. Im gleichen Arbeitsschritt kann die Stirnverzahnung, die axial aus dem Wälznietbund herausragt, sowie der Innenbereich der Radnabe gehärtet werden. Somit kann wenigstens ein Arbeitsschritt eingespart werden. Zudem entstehen keine problematischen Übergänge zwischen den unterschiedlichen Härtungsbereichen.
Vorteilhafterweise unterschreitet eine radiale Dicke des Mittelstückes drei Millimeter nicht und liegt vorzugsweise im Bereich zwischen fünf und acht Millimeter. Mit radialer Dicke ist die Differenz aus Außenradius und Innenradius bezeichnet. Eine derartig geringe radiale Dicke ist nur aufgrund der Härtung des kritischen Bereichs möglich. Somit ist eine Reduzierung des verwendeten Materials und auch eine Kosteneinsparung möglich. Bei einer Dicke von 6,5 mm konnte bisher der beste Kompromiss aus Kosteneinsparung und Stabilität der Radlagereinheit erzielt werden.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform ist die Eindringtiefe des gehärteten Innenbereichs in das Mittelstück kleiner als die Hälfte des geringsten Schaftquerschnittes und beträgt vorzugsweise 1 mm, 1,5 mm oder 2 mm. Damit können härtungsbedingte Brüche der Nabe sicher vermieden werden, die auftreten können, wenn der gehärtete Außenbereich zu nahe am gehärteten Innenbereich angeordnet ist.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform bildet ein gehärteter Außenbereich des Mittelstücks einen zylindrischen Sitz für den Innenring. Dadurch, dass eine Härtung von innen, als auch von außen vorgenommen wird, wird die Steifigkeit des Mittelstücks weiter verbessert. Zwischen dem gehärteten Innenbereich und den gehärteten Außenbereich liegt ein ungehärteter Bereich, der die beiden gehärteten Bereiche großflächig verbindet. Aufgrund der geringen radialen Ausdehnung des ungehärteten Bereichs, ist beim Auftreten einer starken Torsionskraft der gehärtete Außenbereich gegenüber dem gehärteten Innenbereich nur minimal in Umfangsrichtung bewegbar. Diese minimale Bewegung rührt von einer elastischen oder unelastischen Beanspruchung des ungehärteten Bereiches in Umfangsrichtung her und ist sehr gering. Weist der ungehärtete Bereich eine radiale Dicke von maximal 1 mm auf, so erreicht die Steifigkeit des Mittelstückes einen optimalen Wert.
Weitere vorteilhafte Ausbildungen und bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind der Figurenbeschreibung und/oder den Unteransprüchen zu entnehmen.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand der in der Figur dargestellten Ausführungsbeispielen näher beschrieben und erläutert.
Ausführungsbeispiel
Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt eine Radlagereinheit mit einem zweireihigen Schrägkugellager im Längsschnitt entlang der Rotationsachse R. Die Radlagereinheit weist eine Radnabe 2 mit einem Mittelstück 10 und einem Wälznietbund 6 auf. Ferner ist die Radnabe 2 mittels einer Dehnungsschraube 8 an der Gelenkglocke 5 befestigt, wobei die am Wälznietbund 6 ausgebildete Stirnverzahnung 7 in eine Gegenverzahnung der Gelenkglocke 5 eingreift. Die Gelenkglocke 5 überträgt ein Antriebsmoment über die Stirnverzahnung 7, den Wälznietbund 6 auf das Mittelstück 10 und letztendlich auf die gesamte Radnabe 2.
Das Mittelstück 10 der Radnabe 2 wird von einem Innenring 4 umfasst, der eine Außenlaufbahn für die Wälzkörper 3 aufweist. Ferner ist der Innenring 4 über den Wälznietbund 6 axial gesichert, beziehungsweise derartig vorgespannt, dass die betriebsgemäße Vorspannung des Schrägkugellagers bereits umgesetzt ist, denn es handelt sich um eine Radlagereinheit der so genannten 3. Generation, bei der der einteilige Außenring 1 mittels eines Befestigungsflansches am Radträger befestigt wird und nicht, wie noch bei der 2. Generation, in den Radträger eingepresst werden muss. In letzteren Fall ist nämlich die für den Wälzlagerbetrieb erforderliche Vorspannung erst dann hergestellt, wenn der Außenring eingepresst ist.
Die Radnabe 2 weist ferner einen gehärteten Außenbereich 11 auf, der die Außenlaufbahn der radseitigen Wälzkörperreihe 3 beinhaltet und sich von dort bis zum Sitz des Innenrings 4 erstreckt und schließlich am Wälznietbund 6 endet.
Ferner weist die Radnabe 2 einen gehärteten Innenbereich 9 auf, der in die inneren Bereiche A, B und C. eingeteilt ist. Der kritische Bereich liegt bei dem gezeigten Radlager innerhalb des Innenrings 4 im inneren Bereich C. Folglich ist die Radnabe 2 an dieser Stelle durch eine Induktionshärtung verstärkt worden, womit sich die Steifigkeit und die Drehmomentübertragungsfähigkeit erhöht.
Des weiteren ist es von Vorteil, wenn sich der gehärtete Außenbereich 11 und der gehärtete Innenbereich 9 radial nahe liegen, so dass zwischen den Bereichen nur wenig ungehärtetes Material zurückbleibt. Eine Berührung der beiden gehärteten Bereiche ist nicht vorteilhaft, da damit ein Bruch der Radnabe riskiert wird. Jedoch erweist sich eine verbleibende Restdicke des nicht gehärteten Zwischenbereichs von 1 mm als ein optimaler Kompromiss zwischen Fertigungsaufwand und erreichbarer Drehmomentübertragungsfähigkeit.
Es ist vorteilhaft den gehärteten Innenbereich 9 ausgehend vom Wälznietbund 6 in radseitiger Richtung zu verlängern, wie es im Ausführungsbeispiel mit den inneren Bereichen A und B gemacht worden ist. Zunächst einmal verbessert der auf diese Weise ausgedehnte Innenbereich 9 den Zusammenhalt zwischen den kritischen Bereichen mit den umliegenden Bereichen, wie zum Beispiel dem Wälznietbund 6 oder dem Kern des Mittelstücks 10.
Durch eine gezielte Wärmebehandlung im kritischen Bereich lässt sich das übertragbare Moment bei gleichem Materialquerschnitt erheblich steigern. Die Wärmebehandlung erfolgt beispielsweise induktiv nach dem Umformprozess des Wälznietbundes.
Es ist weiterhin vorteilhaft für den gehärteten Innenbereich eine relativ geringe Eindringtiefe (auch Einhärtetiefe genannt) vorzusehen, damit eine Beschädigung von Lagerteilen, wie zum Beispiel Käfigen, Dichtungen oder Fett ausgeschlossen ist.
Zur Steigerung der Momentenübertragungsfähigkeit ist die Einbringung von Druckspannungen durch Rollierung im kritischen oder den benachbarten Bereichen möglich. Deshalb kann beispielsweise der innere konische Bereich B und/oder der innere, hohlzylindrische Bereich C durch Rollierung geformt worden sein. Hierbei kann in zwei aufeinanderfolgenden Schritten eine Rollierung mit Zylinderrollen (Bereich C) und eine Rollierung mit Kegelrollen (Bereich B) im jeweiligen Rollierwerkzeug umgesetzt werden, oder alternativ ein einziger Rolliervorgang für beide Bereiche B, C mit einem einzigen Rollierwerkzeug, welches entsprechend geformte Wälzkörper aufweist, die in der Mitte einen Scheitel besitzen.
Bezugszeichenliste

A: hohlzylindrischer Bereich
C: hohlzylindrischer Bereich
1: Außenring
3: Wälzkörperreihen
5: Gelenkglocke
7: Stirnverzahnung
9: gehärteter Innenbereich
11: gehärteter Außenbereich
B: konischer Bereich
R: Rotationsachse
2: Radnabe
4: Innenring
6: Wälznietbund
8: Schraube
10: Mittelstück

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102005019731 A1 [0002]

Claims

Radlagereinheit mit einer Radnabe (2), wobei die Radnabe (2) ein einen Innenring (4) tragendes, hohles Mittelstück (10) und einen um das Mittelstück (10) angeordneten Innenring (4) axial vorspannenden Wälznietbund (6) mit einer axialen Stirnverzahnung (7) zur Drehmomentübertragung aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das hohle Mittelstück (10) einen einer Rotationsachse (R) der Radlagereinheit zugewandten gehärteten Innenbereich (9) aufweist.
Radlagereinheit nach Anspruch 1, wobei der gehärtete Innenbereich (9) aus mehreren Bereichen (A, B, C), insbesondere zwei oder drei Bereichen (A, B, C), gebildet ist.
Radlagereinheit nach Anspruch 2, wobei der gehärtete Innenbereich (9) wenigstens aus einem Bereich (B, C) gebildet ist, der durch eine Rollierung geformt oder kaltverfestigt wurde.
Radlagereinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei wenigstens einer der Bereiche (A, B, C) wenigstens teilweise durch den Innenring (4) umfasst wird.
Radlagereinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei wenigstens ein Bereich (A, B, C) eine konische, eine hohlzylindrische, eine parabolische oder eine ähnliche Form aufweist.
Radlagereinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei wenigstens ein radial innenliegender Teil des Wälznietbundes (6) und/oder der Stirnverzahnung (7) gehärtet ist, insbesondere sind der Wälznietbund, beziehungsweise die Stirnverzahnung als Ganzes gehärtet.
Radlagereinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine radiale Dicke des Mittelstückes (10) drei Millimeter nicht unterschreitet und vorzugsweise im Bereich zwischen fünf und acht Millimeter liegt.
Radlagereinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Eindringtiefe des gehärteten Innenbereichs (9) in das Mittelstück (10) kleiner ist als die Hälfte des geringsten Schaftquerschnittes und vorzugsweise 1 mm, 1,5 mm oder 2 mm beträgt.
Radlagereinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein gehärteter Außenbereich (11) des Mittelstücks (10) einen zylindrischen Sitz für den Innenring (4) bildet.
Radlagereinheit nach Anspruch 9, wobei zwischen dem gehärteten Innenbereich (9) und dem gehärteten Außenbereich (11) ein ungehärteter Bereich, vorzugsweise mit einer radialen Dicke von einem Millimeter, vorgesehen ist.