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Dokumentenidentifikation DE10339269A1 24.03.2005
Titel Axiallagerkäfig
Anmelder Timken GmbH, 33790 Halle, DE
Erfinder Kleß, Manfred, 32832 Augustdorf, DE
Vertreter Schroeter Lehmann Fischer & Neugebauer, 81479 München
DE-Anmeldedatum 26.08.2003
DE-Aktenzeichen 10339269
Offenlegungstag 24.03.2005
Veröffentlichungstag im Patentblatt 24.03.2005
IPC-Hauptklasse F16C 33/46
Zusammenfassung Ein Axiallagerkäfig (1) mit Nadelrollen (7) ist in mindestens einer seiner Seitenflächen (3) mit im wesentlichen radialen Strömungskanälen (5) versehen, die sich vorzugsweise in radialer Richtung von innen nach außen stetig erweitern. Dadurch werden Brinellierungen an den Lagerlaufbahnen vermieden.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft einen Axiallagerkäfig mit Nadelrollen bekannter Bauart. Es handelt sich um ein mehr oder weniger scheibenförmiges Gebilde mit zwei in axialer Richtung weisenden, radial angeordneten ringförmigen Seitenflächen, in denen radial angeordnete Nadelrollen gelagert sind, die mit ihren Umfängen geringfügig über die Seitenflächen hinausragen, so daß sie auf an beiden axialen Seiten des Axiallagerkäfigs angeordneten Laufbahnen abrollen können (Nadelkranz).

Solche Axiallagerkäfige werden u.a. in Automobilgetrieben eingesetzt. Bestimmte Schaltzustände in den Getrieben können dazu führen, daß in den durch die beiden Laufbahnen und den Axiallagerkäfig gebildeten Axiallagern die Laufbahnen und der Axiallagerkäfig in gleicher Richtung mit gleicher Drehzahl rotieren. Bezogen auf die rotierenden Laufbahnen ist dann die Relativgeschwindigkeit des Axiallagerkäfigs in diesem Fall gleich Null. Gleichzeitig sind die Nadelrollen im Stillstand. Außerdem ist das Axiallager nur mit der vom Wälzlagerhersteller vorgeschriebenen Mindestlast belastet. Eine zusätzliche axiale Betriebskraft ist in diesem Schaltzustand nicht vorhanden.

Ein solcher Betriebszustand kann, je nach Schaltzuständen, nur zeitweise auftreten. Hierdurch kann aber in vielen Fällen durch eine sogenannte Brinellierung (Kalthärtung) das Axiallager geschädigt werden, und zwar insbesondere dessen Laufbahnen.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine solche Brinellierung zu verhindern.

Die Erfindung ist im wesentlichen in den Patentansprüchen gekennzeichnet.

Insbesondere sind hiernach in mindestens einer Seitenfläche des Axiallagerkäfigs im wesentlichen radiale Strömungskanäle vorgesehen.

Das aus der Getriebe-Schmierölversorgung ständig nachlaufende Schmieröl erreicht zum Beispiel durch eine Hohlwelle den Innendurchmesser des Axiallagers. Dort strömt es an einer Eintrittsstelle mit einer bestimmten Geschwindigkeit radial in die Strömungskanäle ein. Mit Hilfe der Fliehkraft des rotierenden Lagers verdrängt der rotierende Käfig das Schmieröl von der Eintrittsstelle durch die Strömungskanäle hindurch nach außen. Dabei ändert sich die Relativgeschwindigkeit des Schmieröls, das an einer Austrittsstelle die Strömungskanäle mit einer gegenüber der Eintrittsgeschwindigkeit geänderten Austrittsgeschwindigkeit verläßt.

Hierdurch wird auf den Axiallagerkäfig ein Drehmoment im Verhältnis zu den Laufbahnen ausgeübt, so daß der rotierende Axiallagerkäfig eine Relativgeschwindigkeit ungleich Null gegenüber den rotierenden Laufbahnen des Axiallagers erhält. Da somit die Nadelrollen gegenüber den Laufbahnen nicht relativ still stehen, sondern gegenüber diesen abrollen, wird die nachteilige Brinellierung verhindert.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen in Verbindung mit der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnung.

1 zeigt einen Axiallagerkäfig in Schrägansicht;

2 zeigt einen Ausschnitt aus dem Axiallagerkäfig.

Der Axiallagerkäfig 1 hat zwei axial weisende, radial verlaufende scheiben- oder ringförmige Seitenflächen 3, zwischen denen in bekannter Weise Nadelrollen 7 in Rollentaschen radial angeordnet sind. Die Nadelrollen 7 ragen geringfügig über die beiden Seitenflächen 3 in axialer Richtung vor, so daß der Axiallagerkäfig 1 mit den Nadelrollen 7 auf (nicht dargestellten) Laufbahnen an seinen beiden axialen Seiten abrollen kann.

In mindestens einer Seitenfläche 3 des Axiallagerkäfigs 1 sind Strömungskanäle 5 vorgesehen, die im wesentlichen in radialer Richtung angeordnet sind. Die Strömungskanäle 5 können sich vorzugsweise in radialer Richtung von innen nach außen erweitern, und zwar insbesondere stetig. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Strömungskanäle 5 außerdem gekrümmt, und zwar insbesondere in Umfangsrichtung gekrümmt. Entsprechende Strömungskanäle 5 können wahlweise an einer oder an beiden Seitenflächen 3 vorgesehen sein, wobei die Strömungskanäle 5 in den beiden einander gegenüberliegenden Seitenflächen 3 insbesondere in Umfangsrichtung zueinander versetzt sind, um die Stabilität des Axiallagerkäfigs 1 aufrechtzuerhalten.

Die Anzahl der Strömungskanäle 5 ist im Verhältnis zu der Zahl der Nadelrollen 7 klein; in dem dargestellten Ausführungsbeispiel beträgt das Zahlenverhältnis von Strömungskanälen 5 zu Nadelrollen 7 insbesondere 1 zu 4. Die Stabilität des Axiallagerkäfigs wird dadurch nicht beeinträchtigt. Der Axiallagerkäfig 1 kann zwischen den nicht dargestellten Axiallaufbahnen wahlweise an seinem Außenumfang oder Innenumfang zentriert sein.

Beim Betrieb des mit einem solchen Axiallagerkäfig 1 ausgestatteten Axiallagers läuft aus einer zentralen Schmiermittelversorgung ständig Schmieröl nach, das zum Beispiel durch eine Hohlwelle den Innendurchmesser des Axiallagers erreicht. Dort strömt es an einer Eintrittsstelle 11 (2) mit einer Absolutgeschwindigkeit C1 radial in die Strömungskanäle 5 ein. In 2 ist ein solcher Strömungskanal 5 mit den zugehörigen Geschwindigkeitsvektoren sowie mit den zugehörigen Eintritts- und Austrittswinkeln &bgr;1 und &bgr;2 dargestellt.

Aufgrund der in dem rotierenden Axiallager wirkenden Fliehkraft verdrängt der mit dem Lager rotierende Axiallagerkäfig 1 das Schmieröl von der Eintrittsstelle 11 durch die Strömungskanäle 5 hindurch radial nach außen. Da sich der Strömungskanal 5 in seinem Querschnitt nach außen erweitert, nimmt die Relativgeschwindigkeit W1 des Schmiermittels ab. Gleichzeitig nimmt der Druck in dem Schmiermittel gemäß der Bernoullischen Gleichung zu. Das Schmieröl erreicht eine Relativgeschwindigkeit W2 und verläßt den Strömungskanal 5 an der Austrittsstelle 12 mit einer Absolutgeschwindigkeit C2.

Mit der Turbinenhauptgleichung von Euler und der Bernoullischen Gleichung läßt sich der Energieumsatz nachweisen, der zwischen den rotierenden Strömungskanälen 5 und dem hindurchströmenden Schmieröl stattfindet. Wenn die an der Eintrittsstelle 11 zulaufende Schmierölmenge und die Umfangsgeschwindigkeit des Axiallagerkäfigs 1 groß genug sind, entsteht in Umfangsrichtung des Axiallagerkäfigs 1 ein Kraftimpuls, der einen Hebelarm zum Mittelpunkt des Axiallagerkäfigs 1 hat. Dieser Kraftimpuls erzeugt ein Drehmoment M am Umfang des Käfigs 1, welches der Rotation des Käfigs entgegenwirkt. Wenn das Drehmoment M am Käfig 1 groß genug ist, überwindet es das Reibungsmoment der gegenüber den Laufbahnen still stehenden Nadelrollen 7. Hierdurch wird der rotierende Käfig 1 gegenüber den Laufbahnen abgebremst, und gleichzeitig wälzen die Nadelrollen 7 auf den Laufbahnen ab. In diesem Betriebszustand erreicht der Nadelkranz des Axiallagerkäfigs 1 die gewünschte Relativgeschwindigkeit ungleich Null gegenüber den Laufbahnen, so daß die gefürchtete Brinellierung verhindert ist.

Unter Berücksichtigung des Bauraums zwischen den einzelnen Nadelrollen 7 sind die Strömungskanäle 5 so gestaltet, daß die Eintrittswinkel und Austrittswinkel &bgr;1 und &bgr;2 der Strömungskanäle 5 den besten Energieumsatz der Strömungsenergie versprechen (siehe 2).

Der Strömungseintrittswinkel &bgr;1 ist allgemein gültig in der Fachliteratur mit 16° bis 18° beschrieben. Der Strömungsaustrittswinkel &bgr;2 ist in gewissen Grenzen frei wählbar. Grundsätzlich gilt: &bgr;2 < 90° führt zu rückwärts gekrümmten Kanälen (ähnlich wie bei vielen Kreiselpumpen), &bgr;2 = 90° führt zu radial endenden Kanälen, und &bgr;2 > 90° führt zu vorwärts gekrümmten Kanälen. In dem hier vorliegendem Fall ist der Bauraum für den Strömungskanal 5 durch die Nadelrollen 7 seitlich begrenzt. Deshalb ist hier ein Austrittswinkel von &bgr;2 > 90° gewählt worden. Außerdem verspricht dieser Winkel, trotz der hydraulischen Verluste, einen guten Energieumsatz zwischen Strömungskanal und Öl. In Sonderfällen kann &bgr;1 und &bgr;2 auch durch Prüfstandversuch optimiert werden.

Der gewünschte Energieumsatz zwischen Strömungskanal und Öl ist nur möglich, wenn die Drehrichtung eingehalten wird. (In der 1 ist die Drehrichtung durch den Vektor U1 bzw. U2 vorgegeben.) Wird die Drehrichtung umgekehrt, ist der Energieumsatz zu klein, da beim Strömungseintritt in den Strömungskanal hohe Stoßverluste entstehen, außerdem wird die Komponente C2U der unten wiedergegebenen Turbinenhauptgleichung zu klein.

Im folgenden sind die der Erfindung zugrunde liegenden Strömungsverhältnisse in Formeln der Strömungsmechanik wiedergegeben:

Turbinenhauptgleichung von Euler: Ytheo = Ptheo/m. = U2·C2u – U1·C1u [m2/s2]

Bei radialem Strömungseintritt vereinfacht sich die Gleichung zu: Ytheo = Ptheo/m. = U2·C2u [m2/s2] Ytheo = theoretische spezifische Förderarbeit [m2/s2];

m. = Massenstrom [kg/s];

Ptheo = theoretische Leistung [W];

U1, U2, C1u und C2u sind Geschwindigkeiten, die dem Geschwindigkeitsplan zu entnehmen sind [m/min].

Drehmoment: M = Ptheo/2·&pgr;·n [Nm] n = Drehzahl des Käfigs [l/min]


Anspruch[de]
  1. Axiallagerkäfig (1) mit Nadelrollen (7), dadurch gekennzeichnet, daß in mindestens einer Seitenfläche (3) des Axiallagerkäfigs (1) im wesentlichen radiale Strömungskanäle (5) vorgesehen sind.
  2. Axiallagerkäfig nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Strömungskanäle (5) in radialer Richtung von innen nach außen erweitern, insbesondere stetig erweitern.
  3. Axiallagerkäfig nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungskanäle (5) gekrümmt, insbesondere in Umfangsrichtung gekrümmt sind.
  4. Axiallagerkäfig nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Strömungskanäle (5) in beiden Seitenflächen (3) vorgesehen sind.
  5. Axiallagerkäfig nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungskanäle (5) in den beiden Seitenflächen (3) in Umfangsrichtung zueinander versetzt sind.
  6. Axiallagerkäfig nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Zahl der Strömungskanäle (5) zu der Zahl der Nadelrollen (7) klein ist und etwa 1 zu 4 beträgt.
  7. Axiallagerkäfig nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Eintritts- und Austrittswinkel (&bgr;1 und &bgr;2) der Strömungskanäle (5) gegenüber der Umfangsrichtung zur Erzielung eines optimalen Strömungsenergieumsatzes gestaltet sind.
  8. Axiallagerkäfig nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Austrittswinkel (&bgr;2) größer als 90° ist.
Es folgt ein Blatt Zeichnungen






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