DE10316410A1

DE10316410A1 - Käfig für ein Radialwälzlager

Info

Publication number: DE10316410A1
Application number: DE2003116410
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Fugel; Steffen Dipl.-Ing. Säbsch; Daniel Wehr
Original assignee: INA Schaeffler KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2003-04-10
Filing date: 2003-04-10
Publication date: 2004-10-21
Also published as: WO2004090362A1

Abstract

Der erfindungsgemäße Käfig (1) besteht aus einem federelastischen Material, wobei dieser zunächst wälzkörpergeführt ist und einen minimalen Durchmesser d¶1¶ aufweist, der sich mit steigender Drehzahl kontinuierlich auf einen maximalen Durchmesser d¶2¶ aufweitet. Der Durchmesser d¶2¶ ist durch einen maximalen Verschiebeweg s der Käfigenden in Umfangsrichtung begrenzt, der durch die Außenführung des Käfigs (1) in einer Aufnahmebohrung mit einem Durchmesser d¶3¶ gebildet ist.

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft einen Käfig für ein Radialwälzlager mit in Käfigtaschen angeordneten Wälzkörpern, der an einer Umfangsstelle einen seine radiale Aufweitung ermöglichenden Schlitz aufweist, wobei den Schlitz begrenzende Käfigenden wenigstens einen Vorsprung und einer Ausnehmung aufweisen, die miteinander korrespondieren.
Hintergrund der Erfindung
Derart gattungsgemäß ausgebildete Radialkäfige werden oftmals für die Lagerung von Losrädern in Zahnräderwechselgetrieben eingesetzt. Von derartigen Zahnrädern ist in der Getriebe- und Wälzlagerindustrie das Problem der Riffelbildung bekannt. Diese Losräder laufen teils ohne Belastung gegenüber den Wellen um, während sie in einem Betriebszustand, in dem sie ein Drehmoment übertragen, starr mit der Welle gekuppelt sind. In diesem letzteren Betriebszustand, in dem Zahnrad und Nadelkranz mit ähnlichen Umfangsgeschwindigkeiten wie die Welle rotieren, d. h., sie stellen relativ still zueinander, führen die Wälzkörper kaum eine eigene Rotationsbewegung um ihre Achse aus. Es besteht die Gefahr, daß sich die Wälzkörper in ihren Laufbahnen eindrücken und diese damit beschädigen, was zu einem vorzeitigen Lagerausfall führen kann.

Das Problem der Riffelbildung versucht man nun durch Wälzlagerkäfige zu beseitigen, die sich unter Einwirkung ihrer Eigenelastizität aufweiten und dabei spielfrei gegen die Wälzkörper anlegen. Dadurch wird erreicht, daß auch in diesem Betriebszustand die Wälzkörper eine, wenn auch geringe, Abwälzbewegung durchführen. Ein derartiger Käfig ist beispielsweise aus der DE 41 24 838 A1 vorbekannt.

Falls bei solchen Käfigen die Vorspannung nicht ausreicht, um die Riffelbildung mit Sicherheit zu vermeiden, wird die Elaszitität der Käfige durch im Schlitzbereich angeordnete Federelemente verstärkt. Solche im Schlitzbereich kompliziert geformte Käfige sind beispielhaft in den deutschen Gebrauchsmusteranmeldungen 77 16 113, 77 32 101 und 90 06 526 vorbeschrieben. Derartige Federn erhöhen aber den Herstellungsaufwand für einen Käfig und lösen auch das Problem der Riffelbildung nicht hunderprozentig. Insbesondere dann, wenn in Zahnwechselgetriebe schräg verzahnte Losräder verwendet werden, tritt eine verstärkte Riffelbildung auf, die ihre Ursache in dem bei wechselnder Last auftretenden axialen Mikrobewegungen der Losräder hat.

Ein weiterer Nachteil von wälzkörpergeführten Käfigen besteht darin, daß bei hohen Differenzdrehzahlen zwischen Zahnrad und Welle große Fliehkräfte entstehen, wobei durch die Abstützung des Käfigs an den Wälzkörpern über die Innenhalterungen die Wälzkörper festgeklemmt und am Abrollen gehindert sind, so daß unerwünschte Schlupfzustände entstehen. Ebenso wird der Schmierfilm an den Kontaktstellen zwischen Käfig und Wälzkörper unterbrochen. Dies führt zu Spuren am Wälzkörper und zu Verschleiß an den Laufbahnen.

Ausgehend von den Nachteilen des bekannten Standes der Technik liegt daher der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Wirkungsweise eines gattungsgemäßen geschlitzten Radialwälzlagerkäfigs zu verbessern.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe nach dem kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 in Verbindung mit dessen Oberbegriff dadurch gelöst, daß der Kä fig aus einem federelastischen Material besteht, wobei dieser zunächst wälzkörpergeführt ist und einen minimalen Durchmesser d₁ aufweist, der sich mit steigender Drehzahl kontinuierlich auf einen maximalen Durchmesser d₂ aufweitet, wobei der Durchmesser d₂ durch einen maximalen Verschiebeweg s der Käfigenden in Umfangsrichtung begrenzt ist, der durch die Außenführung des Käfigs in einer Aufnahmebohrung mit einem Durchmesser d₃ gebildet ist.

Der entscheidende Vorteil des erfindungsgemäß ausgebildeten Käfigs liegt darin, daß er zwei Führungsarten miteinander vereinigt, die in Abhängigkeit von der Drehzahl und damit in Abhängigkeit von den auf den Käfig wirkenden Fliehkräften ineinander übergehen. Bei Stillstand des Lagers bzw. bei geringen Lagerdrehzahlen ist der Käfig zunächst wälzkörpergeführt, wobei darunter in bekannter Weise zu verstehen ist, daß der Käfig mit seinen Halterungen an den Wälzkörpern anläuft. Mit steigender Drehzahl weitet sich der Käfig in Umfangsrichtung mehr und mehr auf, d. h., er vergrößert seinen Durchmesser, bis der Übergang von der Wälzkörperführung zur Außenführung vollzogen ist. Darunter ist in bekannter Weise zu verstehen, daß der Käfig mit seiner Mantelfläche an der Aufnahmebohrung anläuft. Er hat demnach einen Durchmesser erreicht, der fast dem Durchmesser der Aufnahmebohrung entspricht. In diesem Zustand werden die Wälzkörper vom Gewicht des Käfigs befreit, so daß deren Klemmen mit den bekannten negativen Folgen verhindert ist. Ein weiteres Aufweiten des Käfigs wird nun durch die Begrenzung des maximalen Verschiebeweges der Käfigenden in Umfangsrichtung zueinander verhindert. Dies erfolgt derart, daß Vorsprung und zugehörige Ausnehmung der Käfigenden durch die Fliehkraft nur bis zu einem bestimmten maximalen Teilbetrag voneinander weg bewegt werden können. Dieser maximale Teilbetrag ist dann erreicht, wenn Vorsprung und Ausnehmung unmittelbar fest aneinander anliegen und gleichzeitig dabei der Käfig mit seiner Mantelfläche an der Aufnahmebohrung anläuft. Sinkt die Drehzahl des Lagers wieder ab, dann bewegen sich die Käfigenden bedingt durch die federelastischen Eigenschaften des verwendeten Käfigmaterials wieder aufeinander zu. Der Käfig geht also von seiner Außenführung wieder in die Wälzkörperführung über. Auf diese Weise ist in Abhängigkeit von der Lagerdrehzahl ein gezieltes Aufweiten bis zu einem definierten Anschlag und in Umkehrung der Verfahrensweise wieder ein gezieltes Verringern des Käfigdurchmessers bis zu einem definierten Anschlag gegeben. Anders ausgedrückt, es erfolgt in Abhängigkeit von der Lagerdrehzahl ein ständiger Wechsel von der Wälzkörperführung in die Außenführung und umgekehrt.

In Weiterbildung der Erfindung sind, wie aus Anspruch 2 ersichtlich, die Größenverhältnisse zwischen der Aufnahmebohrung d₃ und dem maximalen Käfigdurchmesser d₂ beschrieben. Es ist erkennbar, daß der maximale Käfigdurchmesser d₂ immer unter einem bestimmten Teilbetrag unter dem Durchmesser d₃ der Aufnahmebohrung liegt, wobei dieser Betrag mit wachsender Aufnahmebohrung d₃ ansteigt.

Nach einem weiteren erfindungsgemäßen Merkmal gemäß Anspruch 3 ist vorgesehen, daß der Käfig im Bereich von Vorsprung und Ausnehmung wenigstens eine Sollbruchstelle aufweist. Diese hat den Vorteil, daß während des Montagevorgangs die Handhabung der Käfige vereinfacht ist, da sich diese nicht ineinander verhaken können. Auch ist eine Wärmebehandlung, beispielsweise ein Härtevorgang, wesentlich günstiger durchzuführen, da aufgrund der vorhandenen Sollbruchstellen ein Härteverzug verhindert oder zumindest abgeschwächt ist.

Schließlich ist nach einem letzten Anspruch 4 vorgesehen, daß der erfindungsgemäß ausgebildete Käfig in einer Loslagerung für ein Zahnräderwechselgetriebe eines Kraftfahrzeuges eingesetzt ist, wobei über wenigstens einen Nadelkranz das Losrad auf einer Getriebewelle gelagert und über ein Kuppelelement mit dieser kuppelbar ist.

Die Erfindung wir an nachstehendem Ausführungsbeispiel näher beschrieben.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Es zeigen:
1 eine perspektivische Darstellung eines erfindungsgemäßen Käfigs,
2 einen vergrößerten Ausschnitt im Bereich des Schlitzes gemäß 1,
3 und 4 einen vergrößerten Ausschnitt im Bereich von Vorsprung und Ausnehmung bei Wälzkörper- und Außenführung,
5 einen Längsschnitt durch ein teilweise dargestelltes Zahnräderwechselgetriebe für ein Kraftfahrzeug,
6 und 7 eine vergrößerte Darstellung eines teilweisen Längsschnittes durch eine Losradlagerung und
8 und 9 einen Querschnitt entlang der Linie VIII-VIII und IX-IX in den 6 und 7
Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
Der in 1 gezeigte und mit 1 bezeichnete erfindungsgemäße Käfig ist für ein zweireihiges Nadellager ausgelegt und besteht aus den zwei Seitenringen 2, 3, zwischen denen ein Mittelring 4 angeordnet ist. Die Ringe 2, 3, 4 sind durch in Umfangsrichtung voneinander beabstandete Stege 5, 6 miteinander verbunden, so daß Wälzkörper aufnehmende Taschen 7, 8 gebildet sind. An einer Stelle seines Umfanges ist der Käfig 1 mit einem Schlitz 9 versehen, der über die gesamte axiale Breite des Käfigs 1 verläuft, d. h., durchgehend ist. Dieser Schlitz 9 ermöglicht das radiale Aufweiten des Käfigs 1, so daß dieser in seinem Durchmesser veränderbar ist. An dieser Stelle ist ausdrücklich darauf hingewiesen, daß die spezielle Formgestaltung des Käfigs von untergeordneter Bedeutung ist. Es kommt lediglich darauf an, daß dieser einen Schlitz aufweist, der seine radiale Aufweitung ermöglicht.
Wie aus der vergrößerten Darstellung in 2 erkennbar, sind die beiden Seitenringe 2, 3 an ihren aneinander stoßenden Enden mit einem Vorsprung 10 und einer Ausnehmung 11 versehen, die miteinander korrespondieren. Der Figur ist weiter entnehmbar, daß der Käfig 1 im Bereich des Schlitzes 9 mit wenigstens einer Sollbruchstelle 12 versehen ist, die ein vereinfachtes Handling des Käfigs 1 aufgrund seiner runden Form ermöglicht und vor dem Einbau des Lagers allerdings zerstört werden muß, so daß dieser auffedern kann.
Wie die 3 und 4 zeigen, sind die beiden Seitenringe, 2, 3 des Käfigs 1 im Bereich des Schlitzes 9 an einem Umfangsende mit einem Vorsprung 10 und am anderen Umfangsende mit einer Ausnehmung 11 versehen, die so aufeinander abgestimmt sind, daß der Vorsprung 10 in der rechteckigen Ausnehmung 11 in Umfangsrichtung frei beweglich ist. Die spezielle Art der Ausbildung von Vorsprung 10 und Ausnehmung 11 ist von untergeordneter Bedeutung. Es kommt lediglich darauf an, daß in beiden Umfangsrichtungen je ein fester Anlagepunkt realisiert ist, der das Aufweiten bzw. das Zusammenziehen des Käfigs 1 begrenzt.
In 3 ist der maximale Verschiebeweg zwischen den beiden Bandenden des Käfigs 1 mit s bezeichnet und eingetragen, wobei dieser Verschiebeweg s nicht ausgeschöpft ist, d. h., der Schlitz 9 ist in diesem Fall in seiner Umfangsausdehnung am geringsten. Die 3 entspricht somit einem Käfig 1, der einen minimalen Durchmesser d₁ besitzt und wälzkörpergeführt ist. In 4 wiederum ist der Käfig 1 mit seinem maximalen Durchmesser d₂ gezeigt, d. h., der Schlitz 9 ist in seiner Umfangsausdehnung am größten, kann sich aber nicht weiter vergrößern, weil der Vorsprung 10 am anderen Ende der rechteckförmigen Ausnehmung 11 anliegt. Dies bedeutet, in 4 ist ein Käfig 1 gezeigt, der mit seinem Durchmesser d₂ an der Aufnahmebohrung mit ihrem Durchmesser d₃ anliegt, d. h., außengeführt ist. Aufgrund der verwendeten federelastischen Eigenschaften des Käfigmaterials erfolgt dieses Wechselspiel von Aufweiten und Zusammenziehen des Käfigs 1 in Abhängigkeit von der jeweils gegebenen Lagerdrehzahl.
Das in 5 dargestellte Kfz-Getriebe 13 weist ein Gehäuse 14 auf, in dem eine Getriebewelle 15 und eine Vorgelegewelle 16 über Wälzlager 17, 18 gelagert sind. Auf der Getriebewelle 15 sind frei drehbare Zahnräder, sogenannte Losräder 19 angeordnet, und Schaltkupplungen 20, über die die Losräder 19 formschlüssig mit der Getriebewelle 15 verbunden werden. Die Losräder 19 greifen in Zahnräder 21 ein, die auf der Vorgelegewelle 16 angeordnet sind. Die Losräder 19 sind über Nadelkränze 22, die jeweils aus einem erfindungsgemäßen Wälzlagerkäfig 1 und in diesem angeordneten Nadeln 23 bestehen, auf der Getriebewelle 15 gelagert. Zwischen Nadelkranz 22 und Losrad 19 ist eine Hülse 24 vorgesehen, so daß die Nadeln 23 an Laufbahnen 25, 26 abwälzen, die einerseits an der inneren Mantelfläche 27 der Hülse 24 und andererseits an der Getriebewelle 15 selbst ausgebildet sind.
Zur Verdeutlichung der Erfindung wird auf die 6 bis 9 verwiesen, die ein teilweise dargestelltes Losrad 19 zeigen, das über den Nadelkranz 22 auf der Getriebewelle 15 gelagert ist. Eine nicht näher bezeichnete Nabe des Losrades 19 weist eine zylindrische Aufnahmebohrung auf, in der die Hülse 24 angeordnet ist. Die Nadeln 23 des Nadelkranzes 22 wälzen auf den zugehörigen Laufbahnen 25, 26 ab. Wie die 6 und 8 erkennen lassen, ist der erfindungsgemäße Wälzlagerkäfig 1 bei Stillstand bzw. niedriger Lagerdrehzahl durch die Lagernadeln 23 geführt, so daß sein Durchmesser den Wert d₁ annimmt, also seine geringste radiale Ausdehnung hat. Die Halterung des Käfigs 1 erfolgt durch dessen obere Haltenasen 1a, die an der Mantelfläche der Nadeln 23 anliegen. Die unteren Haltenasen 1b sind als Transportsicherung gedacht und verhindern ein Herausfallen der Nadeln 23 aus dem Käfig 1 in radialer Richtung nach innen. Je nach sich einstellender Lagerdrehzahl wird sich der Käfig 1 über den Schlitz 9 aufweiten, wie die 7 und 9 zeigen. Dieses radiale Aufweiten des Käfigs 1 erfolgt solange, bis dieser an der Lauf bahn 25 anliegt, also durch diese außengeführt ist Sein Durchmesser hat dann den Wert d₂ angenommen. Die 9 läßt erkennen, dass wie im Anspruch 2 beschrieben, der maximale Durchmesser d₂ des Käfigs geringfügig kleiner als der Durchmesser d₃ der Aufnahmebohrung des Losrades 19 ist. Verringert sich die Drehzahl des Lagers wieder, so wird aufgrund der federelastischen Eigenschaften des verwendeten Käfigsmaterial sich der Käfig 1 wieder seinem Durchmesser d₁ annähern, bis die Führung durch die Nadeln 23 gegeben ist. Auf diese Weise läßt sich das Aufweiten und Zusammenziehen des Käfigs 1 problemlos wiederholen, so daß ein stetiger Wechsel zwischen Außenführung und Wälzkörperführung möglich ist.

1: Käfig
1a: Haltenasen
1b: Haltenasen
2: Seitenring
3: Seitenring
4: Mittelring
5: Steg
6: Steg
7: Tasche
8: Tasche
9: Schlitz
10: Vorsprung
11: Ausnehmung
12: Sollbruchstelle
13: Kfz-Getriebe
14: Gehäuse
15: Getriebewelle
16: Vorgelegewelle
17: Wälzlager
18: Wälzlager
19: Losrad
20: Schaltkupplung
21: Zahnrad
22: Nadelkranz
23: Nadel
24: Hülse
25: Laufbahn
26: Laufbahn
27: Mantelfläche
d₁: minimaler Käfigdurchmesser
d₂: maximaler Käfigdurchmesser
d₃: Durchmesser der Aufnahmebohrung
s: Verschiebeweg

Claims

Käfig (1) für ein Radialwälzlager mit in Käfigtaschen (7,8) angeordneten Wälzkörpern (23), der an einer Umfangsstelle einen seine radiale Aufweitung ermöglichenden Schlitz (9) aufweist, wobei den Schlitz (9) begrenzende Käfigenden wenigstens einen Vorsprung (10) und eine Ausnehmung (11) aufweisen, die miteinander korrespondieren, dadurch gekennzeichnet, daß der Käfig (1) aus einem federelastischen Material besteht, wobei dieser zunächst wälzkörpergeführt ist und einen minimalen Durchmesser d₁ aufweist, der sich mit steigender Drehzahl kontinuierlich auf einen maximalen Durchmesser d₂ aufweitet, wobei der Durchmesser d₂ durch einen maximalen Verschiebeweg s der Käfigenden in Umfangsrichtung begrenzt ist, der durch die Außenführung des Käfigs (1) in einer Aufnahmebohrung mit einem Durchmesser d₃ gebildet ist.
Käfig (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Aufnahmebohrung d₃ und dem maximalen Käfigdurchmesser d₂ folgende Abhängigkeit besteht: d₃ d₂ <30 mm d₃-0,15 mm 30-50 mm d₃-0,20 mm 50-120 mm d₃-0,25 mm

120-250 mm d₃-0,30 mm 250-315 mm d₃-0,35 mm 315-500 mm d₃-0,45 mm
Käfig (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich von Vorsprung (10) und Ausnehmung (11) wenigstens eine Sollbruchstelle (12) gebildet ist.
Käfig (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er in einer Losradlagerung für ein Zahnräderwechselgetriebe (13) eines Kraftfahrzeuges eingesetzt ist, wobei über wenigstens einen Nadelkranz (22) das Losrad (19) auf einer Getriebewelle (15) gelagert und über ein Kuppelelement (20) mit dieser kuppelbar ist.