DE19924018A1 - Axiallager - Google Patents

Abstract

Axialwälzlager mit erhöhtem Wirkungsgrad und vermindertem Laufgeräuschpegel mit einer Vielzahl zylindrischer Wälzkörperelemente (10), die radial innerhalb eines kreisförmigen Lagerkäfigs (20), der innere und äußere Käfigdurchmesser und obere und untere Käfigoberflächen hat, ausgerichtet sind. Die Wälzkörperelemente (10) ragen über und unter die oberen und unteren Käfigoberflächen und obere und untere kreisförmige Laufbahnen (30; 40; 50; 60) haben innere und äußere Durchmesser und befinden sich in rollendem Kontakt mit den Abschnitten der Wälzkörperelemente (10), die über und unter die oberen und unteren Käfigoberflächen hinausragen. Die oberen und unteren Laufbahnen (30; 40; 50; 60) haben Einrichtungen zum Reduzieren des Rutschens der Wälzkörper gegen die Laufbahnen und zum Reduzieren des Betriebsgeräusches des Axiallagers. Eine weitere Eigenart der Laufbahnen ermöglicht es, daß sich die Belastungstragekapazität des Lagers proportional zur aufgebrachten Last verändert.

Description

Die Erfindung betrifft im allgemeinen Axiallager und im besonderen Axiallager mit höherem Wirkungsgrad und verminderter Geräuschentwicklung während des Betriebs.

Axiallager üblicher Konstruktion arbeiten ziemlich gut. Sie haben jedoch aufgrund von Reibungsverlusten, die durch Rutschen der Wälzkörper auf den Laufbahnen verursacht werden, keinen maximalen Wirkungsgrad. Dieses Rutschen wird verursacht durch die Diffe­ renz der Umfänge, auf denen die inneren und äußeren Enden der Wälzkörper während des Betriebs laufen. Da die Wälzkörper eine zylindrische Form mit einem vorgegebenen Durch­ messer haben, und da sie auf einem kreisförmigen Weg laufen müssen, müssen die inneren Enden bei einer niedrigeren Geschwindigkeit laufen als die äußeren Enden. Da sich die Wälzkörper im Betrieb nicht verwinden, verursacht die Differenz der Geschwindigkeit zwischen den inneren und äußeren Enden der Wälzkörper ein relatives Rutschen der Wälzkör­ per gegenüber den Laufbahnen. Dies führt zu einem Drehschleppen und zu einer Reibungs­ erwarmung der Wälzkörper und der Laufbahnen, wodurch der Verschleiß erhöht und die Lebensdauer des Lagers verkürzt wird. Außerdem erzeugt das Rutschen der Wälzkörper ein Betriebsgeräusch, das bei jeder Anwendung störend ist.

Manche Axiallager sind mit konischen Wälzkörpern ausgestattet, wobei die Durchmesser der inneren und äußeren Enden der Wälzkörper direkt proportional zu den Durchmessern der Kreisbahnen sind, auf denen die Enden während des Betriebs der Lager laufen. Axiallager mit konischen Rollen sind teuer in der Herstellung, da sie eine Herstellung von Wälzkörpern und Laufbahnen mit kompatiblen konischen Formen erforderlich machen und somit eine höhere Herstellungspräzision erfordern, als dies bei zylindrischen Axiallagern der Fall ist.

Im Vorhergehenden sind die bekannten Nachteile bei heute gängigen Axiallagern beschrieben. Es wäre somit also von Vorteil, eine Alternative vorzuschlagen, um einen oder mehrere der zuvor genannten Nachteile im Stand der Technik zu überwinden. Dementsprechend wird eine zweckmäßige Alternative vorgeschlagen, deren Merkmale im Folgenden genauer offenbart werden.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

In einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird dies erreicht durch ein Axialwälzlager mit einer Vielzahl von zylindrischen Wälzlagerelementen, die in einem kreisförmigen Lagerkäfig radial ausgerichtet sind, der einen inneren und einen äußeren Käfigdurchmesser und eine obere und eine untere Käfigoberfläche aufweist, wobei die Wälzlagerelemente über und unter die obere und untere Käfigoberfläche hinausragen, mit oberen und unteren kreisförmigen Laufbahnen mit inneren und äußeren Durchmessern, wobei sich die Laufbahnen in rollendem Kontakt mit den Abschnitten der Wälzlagerelemente befinden, die über und unter die oberen und unteren Käfigoberflächen hinausragen, und mit einer Einrichtung an den oberen und unteren Laufbahnen zum Reduzieren des Rutschens der Wälzkörper gegen die Laufbahnen und zum Reduzieren des Laufgeräusches.

Das zuvor Gesagte und weitere Aspekte ergeben sich aus der folgenden detaillierten Be­ schreibung der Erfindung bei Betrachtung im Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnun­ gen.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 zeigt eine schematische Aufrißschnittansicht eines Axialwälzlagers nach dem Stand der Technik.

Fig. 2 zeigt eine schematische Aufrißschnittansicht eines Axialwälzlagers gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Fig. 3 zeigt eine schematische Aufrißschnittansicht eines Axialwälzlagers mit einer der Lagerlast nachgebenden Einrichtung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Fig. 4 zeigt eine schematische Aufrißschnittansicht eines Axialwälzlagers mit einer einem veränderlichen Lagerbelastungszustand entgegenkommenden Einrichtung gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Fig. 5a und Fig. 5b sind übertrieben gezeichnete Darstellungen zweier Extreme eines Wälz­ körper-/Laufbannkontaktes, um die aufgrund der Erfindung geschaffene Verbesserung mit mehr Nachdruck zu erläutern.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG

In den Figuren sind immer die gleichen Nummern verwendet, um Merkmale zu bezeichnen, die in allen erläuterten Ausführungsbeispielen gleich sind. So sind die Wälzkörper 10 und die Käfige 20 in allen Fällen dieselben, und die einzigen Komponenten mit sich ändernden Bezugszeichen sind die Laufbahnen 30, 40, 50 und 60.

Ein Axialwälzlager nach dem Stand der Technik ist in Fig. 1 und in übertriebener Darstellung in Fig. 5b schematisch gezeigt. Es besteht aus unteren und oberen kreisförmigen Laufbahnen 30, die zylindrische Wälzkörper tragen und von ihnen getragen werden, die radial in einem Ring mit einem inneren Durchmesser d_i und einem äußeren d₀ ausgerichtet sind und in einem kreisförmigen Wälzkörperkäfig 20 gehalten werden. Der äußere Durchmesser des durch die radial gruppierten Wälzkörper gebildeten Kreises ist gleich dem inneren Durchmesser plus zweimal die Länge r der zylindrischen Wälzkörper. Die Wälzkörper werden in dem Käfig 20 in üblicher Art und Weise gehalten, so daß sie teilweise über und unter die oberen und unteren Oberflächen des Käfigkörpers, wie dargestellt, hinausragen. Man kann erkennen, daß die Wälzkörper 10 und die Laufbahnen 30 im wesentlichen entlang der gesamten Länge der Wälzkörper 10 in Kontakt miteinander angeordnet sind. Da der äußere Umfang des Kontakt­ punktes gleich ist mit π.d₀, der innere Umfang π.d_i ist, und die Länge der Wälzkörper 10 r beträgt, ist die Differenz zwischen den Umfängen gleich oder etwa 6r, da d₀ = d_i + 2r. Das heißt, für jede Umdrehung der kreisförmigen Laufbahnen 30 relativ zueinander müssen die äußeren Enden der Wälzkörper um eine Strecke der Länge 6r weiter laufen als die inneren Enden. Da die Durchmesser der Wälzkörper 10 von einem Ende zum anderen gleichmäßig sind, und da sich die Wälzkörper während der Drehung nicht verwinden, müssen die inneren und die äußeren Enden auf den Laufbahnen 30 während einer solchen Umdrehung in ent­ gegengesetzten Richtungen rutschen. Dies verursacht ein Schleppen, Reibungswirkverluste, Reibungshitze und -verschleiß und einen geräuschvollen Betrieb des Lagers.

Fig. 2 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung. Es enthält die gleichen zylin­ drischen Wälzkörper 10 und den gleichen kreisförmigen Wälzkörperkäfig 20 wie das Lager nach dem Stand der Technik von Fig. 1. Es hat jedoch obere und untere Laufbahnen 40, die radiale konvexe Oberflächen haben, die in Kontakt mit den Wälzkörpern 10 stehen. Wie dargestellt, berühren die Laufbahnen 40 die Wälzkörper 10 nur an der Wälzlinie oder an den Mittelpunkten der Wälzkörper. Durch diese Einrichtung wird, da der Laufbahn/Wälzkörper­ kontaktort eine Linie mit kleiner radialer Ausdehnung ist, ein Rutschen der Wälzkörper auf den Laufbahnen reduziert oder eliminiert; Reibung, Erwärmung und Verschleiß werden vermindert, der Wirkungsgrad wird verbessert, und die Geräuschentwicklung wird reduziert oder eliminiert.

Fig. 3 zeigt eine Variante der Erfindung. In diesem Fall haben die Laufbahnen 50 im wesentlichen die gleiche radiale Konvexität wie die Laufbahnen 40 des zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiels. Sie sind jedoch mit gleichmäßiger Dicke geformt und haben deshalb radial konkave Oberflächen im Gegensatz zu den konvexen Oberflächen, die mit den Wälzkör­ pern 10 in Verbindung stehen. Diese Konstruktion ermöglicht es, daß sich die Laufbahnen 50 bei zunehmender Last verformen, so daß der Kontaktort zwischen den Wälzkörpern 10 und den Laufbahnen 50 eine radiale Erstreckung hat, die proportional zur aufgebrachten Last ist, und eine Lagerbelastungskapazität des Lagers wird proportional zur aufgebrachten Last erhöht. Obwohl dieser belastungsproportionale Kontakt bei höherer Belastung zu einem verringerten Wirkungsgrad und einer erhöhten Geräuschentwicklung führt, erhöht er die Lebensdauer des Lagers und optimiert kontinuierlich die Laufruhe und den Wirkungsgrad unter verschiedenen Belastungsbedingungen.

Fig. 4 zeigt eine weitere Variante der Ausführungsform der Erfindung nach Fig. 3. Hier haben die Laufbahnen 60 konvexe Oberflächen, die in Kontakt mit den Wälzkörpern 10 stehen und konkave Oberflächen gegenüber den Kontaktoberflächen, jedoch ändert sich die Dicke der Laufbahnen 60 zwischen den radial inneren und äußeren Kanten der Laufbahnen. Wie dargestellt, sind die inneren und äußeren Ränder der Laufbahnen 60 dicker als die die mittleren Wälzkörper berührenden Abschnitte. Somit können sich die Laufflächen deformie­ ren, wenn die aufgebrachte Belastung steigt, um den Wälzkörperkontaktbereich zu vergrößern, wie sie es auch beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 können. Aufgrund der dickeren inneren und äußeren Ränder der Laufbahnen wird jedoch der Deformationsgrad kleiner, wenn die Belastung größer wird. Dies funktioniert ähnlich einer variablen Federkonstante.

Eine weitere Variation dieses Merkmals der variablen Konstante (nicht gezeigt) wird erzeugt durch eine leicht zunehmende Dicke der Laufbahnen zwischen den inneren und äußeren Kanten der Laufbahnen in jeder Richtung und eine zweckmäßigerweise nicht gleichmäßige radiale Konvexität auf der Kontaktoberfläche der Laufbahnen. Bei diesem Ausführungsbei­ spiel erlauben die kontinuierlich zunehmende Laufbahndicke und die nicht gleichmäßige radiale Konvexität einen Laufbahn/Wälzkörperkontaktort, der entweder an dem inneren oder an dem äußeren Ende der Wälzkörper bei Null oder einer sehr niedrigen Belastung in einer Linie liegt. Der Ort ist ein Weg, der sich von dem inneren oder äußeren Ende des Wälzkör­ pers nach außen oder nach innen verbreitert, bei einer abnehmenden oder zunehmenden Feder­ konstante, abhängig von der Richtung, in der die Laufbahndicke zunimmt und von der Wahl eines Nullastortes des Laufbahn/Wälzkörperkontaktes.

Die Darstellungen der Fig. 5a und 5b übertreiben die Lösung von Fig. 5a zum Problem in Fig. 5b. Die Skizze in Fig. 5b zeigt schematisch eine Laufbahn R', die sich in Kontakt mit Wälzkörpern 10 an dem radial inneren und äußeren Ende der Wälzkörper befindet. Während dies eine unübliche Konstruktionsauswahl ist, ist dies eine Situation, die bei einem Lager nach dem Stand der Technik unter hohen Belastungsbedingungen auftreten kann, wie dies in Fig. 1 dargestellt ist. Das ist der Zustand, bei dem das Rutschen der Wälzkörper extrem ist und bei dem Wirkungsgradverluste, Friktionserwärmung, Verschleiß und Betriebs­ geräuschentwicklung ebenfalls maximal sind.

Das in der Fig. 5a gezeigte Lager hat eine Laufbahn R mit einer konvexen Wälzlager­ kontaktoberfläche gemäß der Erfindung. Es ist beabsichtigt, den Laufbahn/Wälzkörperkontakt­ ort etwa bei den radialen Mittelpunkten der Wälzkörper 10 zu zeigen. Dies ist das bevorzugte Ausführungsbeispiel der Erfindung. Da es die Last in der Mitte der Wälzkörper 10 unter Nullast für die in den Fig. 2 und 3 gezeigten Lager und in der Variante von Fig. 3 zeigt, verteilt es zunehmende Belastungen im wesentlichen gleichmäßig nach innen und nach außen von dem Nullastkontaktpunkt von Laufbahn/Wälzkörper. Diese Lösung minimiert ein Rutschen des Wälzkörpers 10 auf den Laufbahnen R bei jeder Last. Bei niedriger Last ist virtuell kein Rutschen feststellbar.

Claims (5)

1. Axialwälzlager mit
einer Vielzahl zylindrischer Wälzkörperelemente (10), die in einem kreisförmigen Lagerkäfig (20) mit einem inneren und einem äußeren Käfigdurchmesser und oberen und unteren Käfigoberflächen radial ausgerichtet sind, wobei die Wälzkörperelemente (10) oberhalb und unterhalb der oberen und unteren Käfigoberflächen hinausragen,
mit oberen und unteren kreisförmigen Laufbahnen (30; 40; 50; 60) mit inneren und äußeren Durchmessern, wobei die Laufbahnen (30; 40; 50; 60) in rollendem Kontakt mit den Abschnitten der Wälzkörperelemente (10) sind, die oberhalb und unterhalb der oberen und unteren Käfigoberflächen herausragen, und
mit einer Einrichtung auf den oberen und unteren Laufbahnen (30; 40; 50; 60) zum Reduzieren eines Rutschens der Wälzkörper gegen die Laufbahnen und zum Reduzie­ ren des Betriebsgeräusches.

2. Axialwälzlager nach Anspruch 1, bei dem die Einrichtung zum Reduzieren des Rutschens der Wälzkörper (10) gegen die Laufbahnen (30; 40; 50; 60) und zum Reduzieren des Betriebsgeräusches eine radial konvexe Oberfläche zwischen den inneren und äußeren Durchmessern der oberen und unteren Laufbahnen auf den Oberflächen der Laufbahnen in Kontakt mit den Wälzkörperelementen (10) aufweist, wobei die radial konvexen Oberflächen die Wälzkörperelemente (10) an radial zwischenliegenden Abschnitten der Wälzkörperelemente (10) berühren.

3. Axialwälzlager nach Anspruch 2, mit einer Einrichtung auf den oberen und unteren Laufbahnen, um zu bewirken, daß sich die Belastungstragekapazität des Axiallagers einstellt, um proportional zur auf das Lager aufgebrachten Last zu liegen.

4. Axialwälzlager nach Anspruch 3, bei dem die Einrichtung zum Veranlassen der Lasttrage­ kapazität des Axiallagers zur Einstellung eine im wesentlichen gleichmäßige Dicke der Laufbahnen aufweist, wobei die gleichmäßige Dicke es ermöglicht, daß sich die Lauf­ bahnen elastisch verformen, um sich der einwirkenden Belastung anzupassen.

5. Axialwälzlager nach Anspruch 3, bei dem die Einrichtung zum Veranlassen der Lasttrage­ kapazität des Axiallagers zur Einstellung eine radial nicht gleichmäßige Dicke der Laufbahnen aufweist, wobei die radial nicht gleichmäßige Dicke eine Federkonstante schafft, die mit einer Zunahme einer elastischen Verformung der Laufbahnen unter Last steigt.