DE102011085204A1

DE102011085204A1 - Konzept zur Lagerung von Getriebewellen

Info

Publication number: DE102011085204A1
Application number: DE201110085204
Authority: DE
Inventors: Bernhard Groschek
Original assignee: SKF AB
Current assignee: SKF AB
Priority date: 2011-10-26
Filing date: 2011-10-26
Publication date: 2013-05-02
Anticipated expiration: 2031-10-27
Also published as: DE102011085204B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Lagerungskonzept für Getriebewellen mit einem kombinierten Radial-Axial-Lager mit einer sich axial erstreckenden Anordnung aus einem Vierpunktlager und einem mit dem Vierpunktlager axial fest gekoppelten Zylinderrollenlager, wobei ein Druckwinkel des Vierpunktlagers in einem Bereich von 40° bis 50° liegt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Konzept zur Lagerung von sowohl axial als auch radial belasteten Getriebewellen, insbesondere von Antriebs- und Abtriebswellen eines Stirnradgetriebes, wie es beispielsweise bei Hochgeschwindigkeitsschienenfahrzeugen eingesetzt werden kann.
Schienenfahrzeuge, wie z. B. Fernverkehrszüge, sind oftmals mit einem verteilten Antrieb, bei dem ein bestimmter Anteil von Zugachsen angetrieben wird, versehen. Dazu befinden sich in einer Nähe der Antriebsachsen angebrachte Getriebe, wobei es sich bei Schienenfahrzeugen im Allgemeinen um einstufige Getriebe handelt. Ein einstufiges Getriebe ist ein Getriebe mit nur einer festen Übersetzung – also ohne Wechselübersetzung –, in der man also ohne zu schalten eine Höchstgeschwindigkeit erreicht, die bei derzeitigen Hochgeschwindigkeitszügen beispielsweise um die 400 km/h betragen kann.
Ein mechanisches einstufiges Getriebe, insbesondere ein einstufiges Stirnradgetriebe, kann eine Antriebswelle und eine mit dieser gekoppelten und dazu parallel verlaufenden Abtriebswelle aufweisen. Zur Kopplung der parallel verlaufenden Anund Abtriebswellen sitzen auf beiden jeweils in einer achsnormalen Ebene Zahnräder, deren Zähne ineinandergreifen können. Häufig werden in solchen Stirnradgetrieben schräg verzahnte Zahnräder eingesetzt. Die Zähne verlaufen dann nicht parallel zur Getriebeachse, sondern in einem gewissen Winkel schräg dazu. Kommt ein Zahnpaar (von Antriebs- und Abtriebszahnrad) in Berührung, trägt es nicht direkt auf seiner ganzen Breite, wie dies bei gerade verzahnten Stirnrädern ohne Profilkorrektur der Fall ist. Stattdessen steigt eine belastete Zahnbreite beim Weiterdrehen der Räder langsam an, bis das Zahnpaar auf ganzer Breite trägt, und fällt beim Herausdrehen aus einer Kontaktzone nur langsam wieder ab. Meist befinden sich bei schrägverzahnten Zahnradpaaren immer zwei oder mehr Zähne gleichzeitig in Kontakt, bei geradverzahnten Zahnradpaaren im Normalfall nur ein bis zwei Zähne. Bei Schrägverzahnungen treten also weniger harte Stöße beim Zahneingriff auf. Dies führt zu geringeren Schwingungsanregungen und leiserem Lauf. Nachteil der Schrägverzahnung ist allerdings eine etwas höhere Reibung, wodurch größere Verluste entstehen. Außerdem entstehen Axialkräfte, die die Zahnräder seitlich, d. h. axial, auseinander schieben und deshalb eine aufwändigere Lagerung erforderlich machen.
Aus dem Stand der Technik sind Lagerungen für An- und Abtriebswelle derartiger Stirnradgetriebe bekannt. Dabei weist die Antriebswelle für deren Lagerung auf einer ersten Seite des Antriebszahnrads ein erstes Zylinderrollenlager und auf einer zweiten Seite des Antriebszahnrads ein kombiniertes Radial-Axial-Lager auf. Das kombinierte Radial-Axial-Lager umfasst dabei eine sich in axialer Richtung erstreckende Anordnung aus einem Vierpunktlager und einem mit dem Vierpunktlager axial verklemmten zweiten Zylinderrollenlager. Die beiden Zylinderrollenlager der Lageranordnung sollen dabei jeweils als Radiallager fungieren. Das Vierpunktlager der Antriebswellenlagerung soll hingegen hauptsächlich als Axiallager (d. h. zur Aufnahme axialer Kräfte) wirken, weshalb es radial nicht oder nur wenig belastet werden sollte. Aus diesem Grund weist dessen Lageraußenring im Allgemeinen auch keinen Kontakt zu einem Lagergehäuse auf, d. h., er ist radial freigelegt. Der radial freigelegte Vierpunktlageraußenring kann aber axial festgeklemmt werden, um Verschleiß am Gehäusedeckel zu verhindern. Dabei ist der radial-freigelegte Außenring des Vierpunktlagers axial derart fest geklemmt, dass er sich bei einem Lastwechsel aufgrund einer Klemmreibung radial kaum zentrieren bzw. verschieben kann. Herkömmlich für solche Radial-Axial-Lager eingesetzte Vierpunktlager weisen dabei regelmäßig einen Druckwinkel von ca. 35° auf, wobei unter Druckwinkel der Nennwinkel zwischen einer Radialebene (senkrecht zur Lagerachse) und einer Drucklinie zu verstehen sein soll.
Derartige bekannte Getriebelagerungen haben sich für bisher realisierte Hochgeschwindigkeitszüge durchaus bewährt. Bisher realisierte Hochgeschwindigkeitszüge werden aber meist nur auf Fahrstrecken mit relativ kurzen Hochgeschwindigkeitsteilstrecken eingesetzt, so dass bisherige Wellenlagerungen für Hochgeschwindigkeitszüge nicht für übermäßig lange Hochgeschwindigkeitsfahrten ausgelegt sein müssen. Eine herkömmliche S0 Wärmestabilisierung (bis 150° C) der verwendeten Lager entspricht daher durchaus den aus den kurzen Hochgeschwindigkeitsteilstrecken resultierenden Komponententemperaturen.
Sollen Hochgeschwindigkeitszüge allerdings auf Fahrstrecken eingesetzt werden, die beispielsweise Hochgeschwindigkeitsteilstrecken (z. B. zwischen zwei Bahnhöfen) von mehreren hundert oder tausend Kilometern aufweisen, führt dies zu erheblich höheren Dauerbetriebszuständen und -temperaturen bekannter Lagerungen. Bei Verwendung eines herkömmlichen Vierpunktlagers mit einem Druckwinkel von ca. 35° übernimmt dieses in einer Drehrichtung aufgrund des axial verklemmten Lageraußenrings nicht nur eine Axiallast, sondern aufgrund der bei hohen Geschwindigkeiten wirkenden geringen Drehmomente auch eine gesamte auf das Radial-Axial-Lager wirkende Radiallast. Das neben dem Vierpunktlager platzierte Zylinderrollenlager der antriebseitigen Radial-Axial-Lagerung ist dann oft unbelastet, wodurch Gleitbewegungen der Wälzkörper mit der Gefahr von zu hohen Temperaturen, Anschmierungen und somit einer vorzeitigen Zerstörung der Lagerung auftreten können. Demgegenüber sollte aber zur Sicherstellung eines störungsfreien Betriebs auf einreihige Zylinderrollenlager, ebenso wie auf die übrigen Wälzlager, stets eine Mindestbelastung wirken. Dies gilt im Besonderen für schnell laufende Lager und Lager, die starken Beschleunigungen und schnellen Lastwechseln ausgesetzt sind Höhere Betriebstemperaturen führen auch bei einer S0 Wärmestabilisierung der Lager über die Zeit zu einer Gefügeumwandlung des Restaustenits mit damit verbundenem Ringwachstum. Restaustenit ist eine bei einer konventionellen Stahlvergütung meist unerwünschte Phase im Stahl oder Gusseisen. Sie ist relativ instabil und wandelt sich durch Temperaturerhöhung in Ferrit und Zementit um. Bei einer damit verbundenen Dimensionsveränderung kann ein Drehen der Innenringe vor Eintritt eines Inspektions- bzw. Hauptuntersuchungsintervalls insbesondere bei Anfahrdrehmomenten nicht ausgeschlossen werden.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, herkömmliche Lagerungskonzepte für insbesondere in Hochgeschwindigkeitszügen eingesetzte einstufige Getriebe zu verbessern.
Die vorliegende Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass hinsichtlich einer vollen Abrollbewegung von Wälzkörpern in eingesetzten Wälzlagern ist eine bestimmte minimale Radialkraft erforderlich ist. D. h., eine dieser minimalen Radialkraft entsprechende radiale Mindestlast sollte stets sichergestellt sein. Die obige Aufgabe kann also gelöst werden, indem eine Radialbelastung des neben dem Vierpunktlager platzierten Zylinderrollenlagers einer antriebseitigen Radial-Axial-Lagerung auch bei geringen Drehmomenten, die bei Hochgeschwindigkeitsfahrten wirken, erhöht wird.
Dazu sehen Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung ein gegenüber dem Stand der Technik modifiziertes kombiniertes Radial-Axial-Lager zur Lagerung einer Getriebeantriebswelle vor. Das modifizierte kombinierte Radial-Axial-Lager umfasst dabei eine sich in axialer Richtung erstreckende Anordnung aus einem Vierpunktlager und einem mit dem Vierpunktlager axial fest gekoppelten Zylinderrollenlager, wobei das Vierpunktlager einen erhöhten Druckwinkel in einem Bereich von 40° bis 50° aufweist.
Vorzugsweise liegt der erhöhte Druckwinkel des Vierpunktlagers in einem Bereich von 45° ± 3° und noch bevorzugter in einem Bereich von 45° ± 1°, je nach erreichbaren Fertigungsgenauigkeiten.
Für die axiale feste Kopplung des Vierpunktlagers mit dem Zylinderrollenlager können zwischen benachbarten Lagerringen der axial benachbarten Lager Abstandselemente vorgesehen, um das Vierpunktlager und das Zylinderrollenlager in einem festen, vorbestimmten axialen Abstand zueinander zu halten bzw. zu fixieren. Dabei kann ein Lageraußenring des Vierpunktlagers mittels eines entsprechenden axialen Abstandselements mit einem Lageraußenring des Zylinderrollenlagers derart axial gekoppelt bzw. geklemmt sein, dass der Lageraußenring des Vierpunktlagers trotz einer durch die axiale Kopplung hervorgerufenen Reibung auch bei geringeren Hochgeschwindigkeitsdrehmomenten radial beweglich bleibt.
Lagerlüfte der benachbarten Lager der Radial-Axial-Lagerung sind, je nach Einsatzgebiet und entsprechender Anforderungen, aufeinander abgestimmt, damit die benachbarten Lager gemäß einem Ausführungsbeispiel auch in etwa gleichzeitig (Radial-)Kräfte aufnehmen können. Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel sind die Lagerlüfte derart aufeinander abgestimmt, dass das Zylinderrollenlager Radialkräfte zuerst aufnimmt. D. h., bei Ausführungsbeispielen hängt eine Lagerluft des modifizierten Vierpunktlagers von einer Lagerluft des Zylinderrollenlagers ab, und umgekehrt.
Bei manchen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung kann das Vierpunktlager und/oder das Zylinderrollenlager jeweils einen einteiligen, schultergeführten und massiven Lagerkäfig aus Messing aufweisen. Massivkäfige aus Messing erlauben höhere Drehzahlen und sind vorteilhaft, wenn zusätzlich zu reinen Umlaufbewegungen z.B. noch hohe Beschleunigungen auftreten.
Des Weiteren kann das Vierpunktlager und/oder das Zylinderrollenlager jeweils S1 (d. h. bis 200°C) wärmestabilisiert ausgebildet sein und Teile des Vierpunktlagers und/oder Teile des Zylinderrollenlagers können auch jeweils nitrocarburiert ausgebildet sein, um höheren Temperaturen besser standzuhalten.
Gemäß einem weiteren Aspekt sieht die vorliegende Erfindung eine Antriebswelle für ein Getriebe vor, wobei die Antriebswelle ein Antriebszahnrad mit schräg zu der Antriebswelle verlaufenden Zähnen aufweist, um die Antriebswelle mit einer Abtriebswelle des Getriebes zu koppeln. Die Antriebswelle weist für deren Lagerung auf einer ersten Seite des Antriebszahnrads ein erstes Zylinderrollenlager und auf einer zweiten Seite des Antriebszahnrads ein erfindungsgemäßes kombiniertes Radial-Axial-Lager.
Gemäß einem noch weiteren Aspekt ist ein Getriebe, insbesondere ein Stirnradgetriebe, vorgesehen, mit einer erfindungsgemäßen Antriebswelle und einer Abtriebswelle, die ein Abtriebszahnrad mit schräg zu der Abtriebswelle verlaufenden Zähnen aufweist, um die Abtriebswelle mit der Antriebswelle des Stirnradgetriebes zu koppeln, wobei die Abtriebswelle für deren Lagerung auf einer ersten Seite des Abtriebszahnrads ein erstes Kegelrollenlager und auf einer zweiten Seite des Abtriebszahnrads ein zweites Kegelrollenlager aufweist.
Dabei können die Kegelrollenlager derart ausgebildet sein, dass eine Rauheit einer Kegenrollenstirnfläche kleiner als 0.18 µm und bevorzugt kleiner als 0.16 µm ist, und eine der Kegenrollenstirnfläche zugewandte Seitenfläche eines Kegenrollenlagerinnenrings eine Rauheit kleiner als 0.25µm und bevorzugt kleiner als 0.20 µm aufweist.
Ein Schrägungswinkel der relativ zu einer Rotationsachse der An- bzw. Abtriebswelle schräg verlaufenden Zähne der jeweiligen Zahnräder ist gemäß Ausführungsbeispielen betragsmäßig größer als 15°, beispielsweise 18°.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung erlauben antriebsseitig auch bei kleineren Drehmomenten, wie sie beispielsweise bei Hochgeschwindigkeitsfahrten vorliegen, eine geringere Radialkraftaufnahme des modifizierten Vierpunktlagers und damit gleichzeitig eine entsprechend erhöhte Radialkraftaufnahme des axial benachbarten Zylinderrollenlagers. Dadurch kann die der minimal erforderlichen Radialkraft entsprechende radiale Mindestlast des Zylinderrollenlagers stets sichergestellt werden – auch bei kleineren Antriebsdrehmomenten als sie bei Beschleunigung und Abbremsen eines Zugs vorliegen. Durch die Verwendung des Vierpunktlagers mit einem Druckwinkel von ca. 45° übernimmt dieses in Drehrichtung trotz seines axial verklemmten Lageraußenrings nicht mehr die gesamte Radiallast. Das daneben platzierte Zylinderrollenlager ist radial ebenfalls belastet, wodurch eine Gefahr von Gleitbewegungen mit der Gefahr von Anschmierungen und somit einer vorzeitigen Zerstörung der Lagerung verringert wird. Eine Mindestbelastung auf einreihige Zylinderrollenlager zur Sicherstellung eines störungsfreien Betriebs kann durch Ausführungsbeispiele sichergestellt werden. Dies gilt im Besonderen für schnell laufende Lager und Lager, die starken Beschleunigungen und schnellen Lastwechseln ausgesetzt sind.
Die abstriebsseitig bereitgestellten Kegelrollenlager der Abtriebswellenlagerung wirken vorteilhaft mit dem relativ großen Schrägungswinkel der Zahnradzähne zusammen. Die Kegelrollenlager können in vorteilhafterweise durch eine große Schrägung hervorgerufene Axialkräfte besser als beispielsweise alternative Zylinderrollenlager aufnehmen.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend bezugnehmend auf die beiliegenden Figuren näher erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines kombinierten Radial-Axial-Lagers gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
2a eine schematische Darstellung einer Antriebswelle mit einem kombinierten Radial-Axial-Lager gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
2b eine schematische Darstellung von gekoppelten An- und Abtriebswellen gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
3 eine schematische Darstellung eines Stirnradgetriebes mit einer Antriebswelle mit einem kombinierten Radial-Axial-Lager und einer mittels Kegelrollenlagern gelagerten Abtriebswelle, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
1 zeigt auf seiner rechten Seite eine schematische Darstellung eines kombinierten Radial-Axial-Lagers 10 gemäß einem Ausführungsbeispiel zur Lagerung einer Welle 11, bei der es sich beispielsweise um eine Getriebeantriebswelle handeln kann.
Das kombinierte Radial-Axial-Lager 10 umfasst eine sich axial, d. h. in Richtung einer Rotationsachse 12 der Welle 11 bzw. einer Rotationsachse des Radial-Axial-Lagers 10, erstreckende Anordnung aus einem Vierpunktlager 13 und einem mit dem Vierpunktlager axial gekoppelten bzw. verklemmten Zylinderrollenlager 14, wobei ein Druckwinkel µ des Vierpunktlagers 13 in einem Bereich von 40° bis 50° liegt. Unter dem Druckwinkel µ des Vierpunktlagers 13 ist dabei ein Nennwinkel zwischen einer Radialebene 15 (senkrecht zur Lagerachse 12) und einer Drucklinie 16 zu verstehen. Die Drucklinie 16 entsteht aus der theoretischen Betrachtung, dass einzelne Wälzkörper (Kugeln) ihre Laufbahnen an einem Innen- 17 und Außenring 18 in je genau einem Punkt berühren. Verbindet man diese Berührungspunkte, so erhält man die Drucklinie 16, die genau durch den Mittelpunkt des Wälzkörpers (Kugel) geht.
Bei einer bestimmten Drehzahl der Welle 11 ist eine bestimmte Minimum-Radialkraft hinsichtlich einer vollen bzw. ungestörten Abrollbewegung der Wälzkörper der Lager 13, 14 erforderlich, insbesondere hinsichtlich des Wälzlagers 14. Eine Mindestlast sollte also stets sichergestellt sein. Eine ungenügende Belastung der Lager 13, 14 beeinflusst das Abrollverhalten der Wälzkörper (den Schlupf der Lager). Ein rascher Temperaturanstieg in einer Drehrichtung kann auf eine nicht ausreichende (radiale) Last zurückzuführen sein. Denn dies führt zu einem sehr hohen Schlupf (bzw. im ungünstigen Fall kann bis zum Stillstand eines Rollensatzes), wobei Anschmierungsgefahr (Beschädigung einer Lauffläche) besteht und durch Gleitreibung zwischen Innenring und Rollensatz der Wärmeübergang zum Außenring/Gehäuse ungünstiger ausfallen kann. Dies gilt im Besonderen für schnell laufende Lager.
Der speziell erhöhte Druckwinkel µ des Vierpunktlagers 13, welches auch mit FPCBB (Four-Point Contact Ball Bearing) bezeichnet werden kann, ist daher ein elementarer Aspekt des erfindungsgemäßen Konzepts zur Lagerung von Getriebewellen, insbesondere für Antriebsstränge eines Hochgeschwindigkeitsschienenfahrzeugs. Wie es in dem vergrößert dargestellten Ausschnitt auf der linken Seite der 1 angedeutet ist, liegt ein Druckwinkel eines herkömmlichen Vierpunktlagers normalerweise bei ca. 35°. Gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung wird jedoch ein neuartiges Vierpunktlager 13 vorgeschlagen, dessen erhöhter Druckwinkel µ in einem Bereich von 45° ± 5°, bevorzugt in einem Bereich von 45° ± 3° und noch bevorzugter in einem Bereich von 45° ± 1° liegt. Wie es in 1 angedeutet ist, kann dadurch bei gleicher radialer Last F_R eine axiale Kraftkomponente um einen Betrag von F_A1 auf F_A2 erhöht werden. D. h. eine Kraftaufnahme in axialer Richtung wird erhöht, während gleichzeitig die Kraftaufnahme in radialer Richtung verringert wird.
Zusätzlich zu einem Innenringverband bzw. einem geteilten Lagerinnenring 17 des Vierpunktlagers 13 ist ein Lageraußenring 18 des Vierpunktlagers 13 axial mit dem Lageraußenring 19 des Zylinderrollenlagers 14, welches auch als CRB (Cylindrical Roller Bearing) bezeichnet werden kann, gekoppelt. Bis zu einem Grenzdrehmoment, das beim Anfahren und Abbremsen betragsmäßig jedoch jeweils überschritten wird, kann durch diese axiale Kopplung bzw. Klemmung der Lagerringe 18, 19 bzw. durch die dadurch hervorgerufene Reibung an den Stirnflächen der Lageraußenringe 18, 19, ein radiales Ausschlagen des axial fixierten Vierpunktlageraußenrings 18 verhindert werden.
Dabei wird davon ausgegangen, dass der radial-freigelegte Außenring 18 des Vierpunktlagers 13 axial derart fest geklemmt ist, dass er sich zumindest bei Lastwechseln und Momenten unterhalb des Grenzdrehmoments aufgrund von axialen Reibungs- bzw. Anpresskräften durch die Verklemmung auch radial nicht zentrieren (verschieben) kann.
Der Lageraußenring 18 des Vierpunktlagers 13 kann also beispielsweise mittels eines axialen Abstandselements 20 mit dem Lageraußenring 19 des Zylinderrollenlagers 14 derart axial (fest) gekoppelt sein, dass der Lageraußenring 18 des Vierpunktlagers 13 trotz der axialen Kopplung bzw. der daraus resultierenden Reibung radial beweglich bleibt – zumindest wenn eine dazu mindestens erforderliche Radialkraft (entsprechend dem Grenzdrehmoment) überschritten wird. Dabei ist für die axiale Klemmung das axiale Abstandselement 20 jedoch nicht zwingend notwendig. Die axiale Klemmung bzw. Fixierung der Lager 13, 14 kann auch durch ein axial unmittelbares Nebeneinanderliegen der Lager 13, 14 erreicht werden, sodass deren Stirnflächen unmittelbar einen Kontaktbereich bilden.
Die mindestens erforderliche Radialkraft bzw. das Grenzdrehmoment ist dank des modifizierten Vierpunktlagers 13 geringer als mit den oben beschriebenen herkömmlichen Vierpunktlagern. Bei der Verwendung eines herkömmlichen Vierpunktlagers würde bei einer konstanten Höchstgeschwindigkeit eines Zugs und einem daraus resultierenden geringen Drehmoment das Vierpunktlager nicht nur eine auf die Lagerung 10 wirkende Axiallast, sondern auch eine gesamte Radiallast übernehmen. Das neben dem (herkömmlichen) Vierpunktlager platzierte Zylinderrollenlager 14 wäre dann radial unbelastet, wodurch hohe Gleitbewegungen mit der Gefahr von schädlichen Auswirkungen, wie z. B. Anschmierungen, und somit einer vorzeitigen Zerstörung auftreten können. Demgegenüber muss aber zur Sicherstellung eines störungsfreien Betriebs auf das einreihige Zylinderrollenlager 14, ebenso wie auf weitere (nicht dargestellte) Wälzlager einer Wellenlagerung, stets eine Mindestbelastung wirken. Dies gilt im Besonderen für schnell laufende Lager und Lager, die starken Beschleunigungen und schnellen Lastwechseln ausgesetzt sind.
Würde man ein Vierpunktlager eines Radial-Axial-Lagers axial nicht fixieren, so müsste ein Verschleißschutz seiner Seiten- bzw. Mantelflächen sowie ein Verschleißschutz der Gegenflächen vorgesehen werden, z. B. durch Carbonitrieren, was einen erhöhten Fertigungsaufwand bedeuten würde.
Eine Auswahl von Lagerlüften einer Wellenlagerung kann entsprechend der Umgebung (Bsp. Gehäusewerkstoff) unterschiedlich sein. Für eine definitive Lagerluftfixierung ist die Kenntnis der realen bzw. max. Temperaturen im Lagersystem erforderlich und zu bewerten. Besonderer Beachtung bedarf dabei die Lagerluftabstimmung des axial geklemmten und radial freigelegten Vierpunktlagers 13 mit dem auf der Welle 11 befindlichen Zylinderrollenlager 14.
Eine Lagerluft des Vierpunktlagers 13 hängt gemäß Ausführungsbeispielen von einer Lagerluft des Zylinderrollenlagers 14 ab, und umgekehrt, um in etwa zu gewährleisten, dass beide Lager 13, 14 gleichzeitig Radialkräfte aufnehmen können bzw. dass die Radialkräfte zuerst oder alleine von dem Zylinderrollenlager 14 aufgenommen werden können. Demzufolge werden die Lagerlüfte der Lager 13, 14 gemäß manchen Ausführungsbeispielen unterschiedlich ausgelegt sein. Bei einer einheitlichen Wahl der Lagerluft des gesamten Radial-Axial-Lagers 10 kann sich eine sehr geringe Belastung des Zylinderrollenlagers 14 im normalen Betriebsfall ergeben. Das Vierpunktlager 13 nimmt dann zusätzlich zur Axiallast nahezu die gesamte Radiallast auf. Diese Gegebenheit kann daher in der Auslegung der Lagerlüfte mitbetrachtet werden. Eine Axiallagerluft des Vierpunktlagers 13 besitzt dabei praktisch keinen Einfluss, solange kein Klemmen zwischen beiden Lagerreihen 13, 14 auf Grund einer Schiefstellung des Lagers 13 eintritt. Eine mögliche Abhilfe ist daher eine gegenüber dem Vierpunktlager 13 verringerte radiale Lagerluft des Zylinderrollenlagers 14. D. h., gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die radiale Lagerluft des Zylinderrollenlagers 13 geringer als die radiale Lagerluft des Vierpunktlagers 13.
Der Einsatz eines erfindungsgemäßen Vierpunktlagers 13 mit einem höheren Druckwinkel µ, Schmiegung und abgestimmter Radialluft des Vierpunktlagers 13 kann eine Kraftaufteilung des Wellenlagersystems, insbesondere des Radial-Axial-Lagers 10, verbessern, insbesondere für schnell laufende Lager und Lager, die starken Beschleunigungen und schnellen Lastwechseln ausgesetzt sind. Durch diese Maßnahme kann im Rahmen des technisch Möglichen bei einem axial geklemmten Vierpunktlager-Außenring 18 für eine möglichst hohe (radiale) Belastung des Zylinderrollenlagers 14 gesorgt werden.
Trotzdem besteht in einer Drehrichtung bei geringen Antriebsmomenten die Möglichkeit, dass das Zylinderrollenlager 14 nicht mit der erforderlichen Radialkraft belastet wird. Ein solcher Effekt kann insbesondere bei hohen Geschwindigkeiten auftreten. Eine Abhilfe dafür wäre daher entweder ein wirklich radial freigestellter Außenring des Vierpunktlagers (ohne axiale Klemmung), eine verringerte Lagerluft des Zylinderrollenlagers oder ein noch größerer Druckwinkel µ des Vierpunktlagers 13. Der letztgenannten Möglichkeit sind aber aufgrund von Raumverhältnissen zwischen dessen Lagerkäfig und Schultern Grenzen gesetzt.
Gemäß Ausführungsbeispielen ist es möglich, einen Lagerkäfig des Vierpunkt- 13 und/oder des Zylinderrollenlagers 14 schultergeführt auszubilden. In diesem Falle läuft der Käfig mit einer radialen Grenzfläche an einer Schulter (Bord) des Lagers an und wird dadurch geführt. Bevorzugt ist ein Lagerkäfig des Vierpunkt- 13 und/oder des Zylinderrollenlagers 14 aus massivem Metall, insbesondere Messing, hergestellt. In anderen Worten ausgedrückt weist das Vierpunktlager 13 und/oder das Zylinderrollenlager 14 gemäß Ausführungsbeispielen also jeweils einen einteiligen, schultergeführten und massiven Lagerkäfig aus Messing auf. Massivkäfige aus Messing erlauben höhere Drehzahlen und sind vorteilhaft, wenn zusätzlich zu reinen Umlaufbewegungen z.B. noch hohe Beschleunigungen auftreten.
Herkömmliche Wärmestabilisierungen (S0) harmonieren mit eher niedrigeren Komponententemperaturen, die beispielsweise bei geringen Hochgeschwindigkeitsfahrtanteilen auftreten. Höhere Lagertemperaturen, die bei einer länger gefahrenen maximalen Geschwindigkeit auftreten, können auch bei einer S0 Wärmestabilisierung über die Zeit zu einer Gefügeumwandlung des Restaustenits mit damit verbundenen Ringwachstum führen. Bei der damit verbundenen Dimensionsveränderung kann ein Drehen der Innenringe vor Eintritt des Hauptuntersuchungsintervalls insbesondere beim Anfahrmoment nicht ausgeschlossen werden.
Hinsichtlich einer Sicherstellung eines festen Sitzes des Radial-Axial-Lagers 10 auf der Welle 12 über längere Betriebsdauern, können die Lager 13, 14 (neben evtl. weiteren Lagern) gemäß Ausführungsbeispielen daher mit einer S1 Wärmestabilisierung ausgeführt sein, was einer erhöhten Grenztemperatur von 200°C und einer Tragzahl von 75% bis 90% entspricht. Herkömmliche Wälzlager sind typischerweise für Betriebstemperaturen bis zu 120°C (Lager mit Dichtung bis zu 100 °C) bestimmt. Wird ein Lager bei andauernd höheren Temperaturen verwendet, sollte dieses bei der Herstellung besonders angepasst werden, damit dessen Maßstabilität im Betrieb gesichert ist. Lager für hohe Temperaturen können wärmebehandelt werden. Eine Wärmestabilisierung eines Lagers hat aber eine Enthärtung seiner Laufbahnen zur Folge und damit auch eine Verminderung einer Tragfähigkeit des Lagers.
Um eine verbesserte Oberflächenbeschaffenheit zu erhalten, können Teile des Vierpunktlagers 13 und/oder Teile des Zylinderrollenlagers 14 jeweils nitrocarburiert ausgebildet sein, wobei Nitrocarburieren ein thermochemisches Verfahren zum Anreichern einer Randschicht eines Werkstückes mit Stickstoff und Kohlenstoff bedeutet. Somit entsteht beim Nitrocarburieren eine Nitrierschicht, bestehend aus einer Verbindungsschicht und einer Diffusionsschicht. Weiterhin können Teile des Vierpunktlagers 13 und/oder Teile des Zylinderrollenlagers 14 jeweils brüniert ausgebildet sein. Brünieren dient einem Bilden einer schwachen Schutzschicht (Oxidschicht) auf eisenhaltigen Oberflächen, um Korrosion zu vermindern.
Gemäß einem weiteren Aspekt bezieht sich die vorliegende Erfindung auch auf eine Antriebswelle, insbesondere für ein Stirnradgetriebe, mit einem oben beschriebenen verbesserten Radial-Axial-Lager 10.
Dazu zeigt 2a eine Antriebs- bzw. Ritzelwelle 21 beispielsweise für ein Stirnradgetriebe. Die Antriebswelle 21 weist ein Antriebszahnrad 22 mit schräg zu der Antriebswelle 21 verlaufenden Zähnen 23 auf, um die Antriebswelle 21 mit einer in 2a nicht dargestellten Abtriebswelle des Getriebes zu koppeln. Die Antriebswelle 21 weist zu deren Lagerung auf einer ersten Seite (links) des Antriebszahnrads 22 ein erstes Zylinderrollenlager 24 und auf einer zweiten Seite (rechts) des Antriebszahnrads 22 das kombinierte Radial-Axial-Lager 10 auf, wobei der Druckwinkel µ des Vierpunktlagers 13 – wie beschrieben – in einem Bereich von 40° bis 50° liegt.
2b zeigt die Antriebswelle 21 aus 2a gekoppelt mit einer Abtriebswelle 25, die ein Abtriebszahnrad 26 mit schräg zu der Abtriebswelle 25 verlaufenden Zähnen 27 aufweist, um die Abtriebswelle 25 mit der Antriebswelle 21 zu koppeln. Ein Schrägungswinkel β der schräg zu der Abtriebswelle 25 verlaufenden Zähne weicht gemäß Ausführungsbeispielen um einen Betrag größer als 15°, beispielsweise um 18°, von einer Rotationsachse der Abtriebswelle 25 ab. Dies gilt demzufolge auch für einen Schrägungswinkel der schräg zu der Antriebswelle 21 verlaufenden Zähne 23. Die Abtriebswelle 25 weist für deren Lagerung auf einer ersten Seite des Abtriebszahnrads 26 ein erstes Kegelrollenlager 28 und auf einer zweiten Seite des Abtriebszahnrads 26 ein zweites Kegelrollenlager 29 auf.
Die Kegelrollenlager 28, 29 der abtriebseitigen Lagerung und die abgeschrägten Zähne 23, 27 wirken synergistisch zusammen, in dem Sinne, dass die Kegelrollenlager 28, 29 in vorteilhafter Weise durch die schräg stehenden Zähne 23, 27 übertragene Axialkräfte aufnehmen können. Dies ist insbesondere bei größeren Schrägungswinkeln der Zähne von Vorteil, bei denen alternativ einsetzbare Zylinderrollenlager aufgrund ihrer geringeren axialen Belastbarkeit eine schlechtere Wahl wären.
Die Kegelrollenlager 28, 29 können gemäß Ausführungsbeispielen derart ausgebildet sein, dass eine Rauheit einer Kegelrollenstirnfläche kleiner als 0.18 µm ist, beispielsweise 0.16 µm. Eine Rauheit einer der Kegelrollenstirnfläche zugewandten Seitenfläche eines Kegelrollenlagerinnenrings kann kleiner als 0.25 µm, insbesondere 0.2 µm, sein.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird auch ein Getriebe, insbesondere ein einstufiges Stirnradgetriebe, für Schienenfahrzeuge bereitgestellt. Dazu zeigt übersichtsmäßig 3 ein Stirnradgetriebe 30 mit erfindungsgemäßen An- 21 und Abtriebswellen 25 und entsprechenden Lagerungen.
Um antriebswellenseitig auch bei geringeren Antriebsdrehmomenten eine radiale Kraftaufnahme des Zylinderrollenlagers 14 des Radial-Axial-Lagers 10 zu ermöglichen, wird zur Aufnahme axialer Kräfte ein erfindungsgemäßes Vierpunktlager 13 mit erhöhtem Druckwinkel µ (40° ≤ µ ≤ 50°) verwendet. Abtriebswellenseitig werden die vorteilhaften Kegelrollenlager 28, 29 eingesetzt, um Axialkräfte aufnehmen zu können, die u. a. durch den betragsmäßig relativ hohen Schrägungswinkel der Zahnradzähne 23, 27 hervorgerufen werden.
Eine Beanspruchung der Lager 13, 14, 24, 28, 29 erfolgt dabei nicht nur aufgrund direkter Belastungen, sondern auch aufgrund von Umgebungsgegebenheiten. Beispielhaft seien hier eine Abstrahlwärme aus der unmittelbaren Nähe der Verzahnung 22, 26, metallischer Abrieb aus der Verzahnung aber auch mineralische Verunreinigungen genannt. Eine Sicherstellung einer "leichten" Dekontamination könnte sich durchaus positiv auf eine rechnerisch zu erwartende Lebensdauer der Wälzlager auswirken. Eine Herabsetzung eine mittleren Betriebsöltemperatur gleichfalls.
Eine Effektivität einer Schmierung in beiden Drehrichtungen sowie eine Wärmeabfuhr ist dabei sicherzustellen.
Zusammenfassend wurde vorliegend ein Lagerungskonzept insbesondere für einen einstufigen Zugantrieb beschrieben. Dieses Antriebslagerungskonzept umfasst zwei Zylinderrollenlager sowie ein modifiziertes Vierpunktlager auf der Antriebsseite. Auf der Abtriebswelle werden vorzugsweise Kegelrollenlager (TRB = Tapered Roller Bearings) eingesetzt, wobei entsprechend der Verzahnungsdaten, z. B. bei geringeren Schrägungswinkeln, auch Zylinderrollenrollenlager (CRBs) zum Einsatz kommen könnten.
Der Einsatz des Vierpunktlagers mit dem höheren Druckwinkel, Schmiegung und abgestimmter radialer Lagerluft des Vierpunktlagers kann die Kraftaufteilung des Lagersystems verbessern. Durch diese Maßnahme ist im Rahmen des technisch Möglichen – bei einem axial geklemmten Vierpunktlager-Außenring – für eine möglichst hohe Belastung des benachbarten Zylinderrollenlagers gesorgt.
Bezugszeichenliste

10: kombiniertes Radial-Axial-Lager
11: Welle
12: Rotationsachse
13: Vierpunktlager
14: Zylinderrollenlager
15: Radialebene
16: Drucklinie
17: geteilter Lagerinnenring
18: Vierpunktlageraußenring
19: Zylinderrollenlageraußenring
20: axiales Abstandselement
21: Antriebs- bzw. Ritzelwelle
22: Antriebszahnrad
23: Zähne des Antriebszahnrads
24: erstes Zylinderrollenlager
25: Abtriebswelle
26: Antriebszahnrad
27: Zähne des Abtriebszahnrads
28: erstes Kegelrollenlager
29: zweites Kegelrollenlager
30: Getriebe

Claims

Ein kombiniertes Radial-Axial-Lager (10) mit einer sich axial erstreckenden Anordnung aus einem Vierpunktlager (13) und einem mit dem Vierpunktlager axial fest gekoppelten Zylinderrollenlager (14), wobei ein Druckwinkel (µ) des Vierpunktlagers (13) in einem Bereich von 40° bis 50° liegt.
Das kombinierte Radial-Axial-Lager nach Anspruch 1, wobei der Druckwinkel (µ) des Vierpunktlagers (13) in einem Bereich von 45° ± 3° und bevorzugt in einem Bereich von 45° ± 1° liegt.
Das kombinierte Radial-Axial-Lager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Lageraußenring (18) des Vierpunktlagers (13) mittels eines axialen Abstandselements (20) mit einem Lageraußenring (19) des Zylinderrollenlagers in axialer Richtung (14) derart fest gekoppelt ist, dass der Lageraußenring (18) des Vierpunktlagers (13) trotz der axialen Kopplung radial beweglich bleibt.
Das kombinierte Radial-Axial-Lager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine radiale Lagerluft des Vierpunktlagers (13) von einer radialen Lagerluft des Zylinderrollenlagers (14) abhängt, und umgekehrt.
Das kombinierte Radial-Axial-Lager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Vierpunktlager (13) und/oder das Zylinderrollenlager (14) jeweils einen einteiligen, schultergeführten und massiven Lagerkäfig aus Messing aufweist.
Das kombinierte Radial-Axial-Lager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Vierpunktlager (13) und/oder das Zylinderrollenlager (14) jeweils S1 wärmestabilisiert ausgebildet ist.
Das kombinierte Radial-Axial-Lager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Vierpunktlager (13) und/oder das Zylinderrollenlager (14) jeweils zumindest teilweise nitrocarburiert ausgebildet ist.
Eine Antriebswelle (11; 21) für ein Getriebe, die ein Antriebszahnrad (22) mit schräg zu der Antriebswelle (11; 21) verlaufenden Zähnen (23) aufweist, um die Antriebswelle (11; 21) mit einer Abtriebswelle (25) des Getriebes zu koppeln, wobei die Antriebswelle (11; 21) für deren Lagerung auf einer ersten Seite des Antriebszahnrads (22) ein erstes Zylinderrollenlager (24) und auf einer zweiten Seite des Antriebszahnrads (22) das kombinierte Radial-Axial-Lager (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche aufweist.
Ein Stirnradgetriebe (30) mit einer Antriebswelle (21) nach Anspruch 8 und einer Abtriebswelle (25), die ein Abtriebszahnrad (26) mit schräg zu der Abtriebswelle (25) verlaufenden Zähnen (27) aufweist, um die Abtriebswelle (25) mit der Antriebswelle (21) des Stirnradgetriebes (30) zu koppeln, wobei die Abtriebswelle (25) für deren Lagerung auf einer ersten Seite des Abtriebszahnrads (26) ein erstes Kegelrollenlager (28) und auf einer zweiten Seite des Abtriebszahnrads ein zweites Kegelrollenlager (29) aufweist.
Das Stirnradgetriebe nach Anspruch 9, wobei die Kegelrollenlager (28; 29) derart ausgebildet sind, dass eine mittlere Rauheit einer Kegenrollenstirnfläche kleiner als 0.18 µm ist und eine der Kegenrollenstirnfläche zugewandte Seitenfläche eines Kegenrollenlagerinnenrings eine mittlere Rauheit kleiner als 0.25 µm aufweist.