Radiallageranordnung und Radiallager, insbesondere für eine Spindellagerung

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung bezieht sich auf eine Radiallageranordnung zur drehbaren Lage¬ rung eines ersten Bauteils relativ zu einem zweiten Bauteil, umfassend ein Ra- diallager mit einem Lauf ring, welcher auf der Lagersitzfläche eines der Bauteile sitzt, und zwei in dem Laufring axial hintereinander angeordneten Wälzkörper¬ ringen, die sich auf einer Lauffläche des jeweils anderen Bauteils abwälzen. Die Erfindung betrifft femer ein in dieser Radiallageranordnung verwendetes neues Radiallager und eine Spindellagerung, bei der die eingangs genannte Radiallageranordnung zum Einsatz kommt.

Hintergrund der Erfindung

Im modernen Maschinen- und Gerätebau werden vorwiegend kostengünstige Spanlos-Wälzlager eingesetzt, d.h. Wälzlager mit spanlos gefertigten Laufrin¬ gen. Derartige Spanlos-Wälzlager weisen gegenüber spanend gefertigten Wälzlagern verhältnismäßig große Fertigungstoieranzen auf, die im Einsatz ein gewisses Lagerspiel bedingen können. Dies wirkt sich beispielsweise bei unter Einsatz von Drehwinkelsensoren gesteuerten Drehbewegungen nachteilig aus, wenn die Auflösung der Sensoren in einer Größenordnung liegt, die kleiner als diejenige des Lagerspiels ist. Ein weiterer Nachteil wird darin gesehen, dass ein Lagerspiel auch immer eine Geräuschquelle darstellt.

Als Beispiel sei eine Lenkspindel für moderne Kraftfahrzeuge genannt, bei der zunehmend Wert auf eine spielfreie und geräuscharme Funktion gelegt wird. Aufgabe der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Radiallageranordnung und ein darin verwendetes Radiallager insbesondere für die Drehlagerung der Lenk- spindel eines Kraftfahrzeuges zu schaffen, die bei einem Einsatz von kosten¬ günstigen Spanlos-Wälzlagem eine weitgehende Spielfreiheit und Geräusch¬ armut gewährleisten.

Lösung der Aufgabe

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die im Anspruch 1 beschriebenen Merkmale gelöst. Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die infolge eines Lagerspiels beim eigentlichen tragenden Lagerelement möglichen radia¬ len Bewegungen des gelagerten Bauteils durch in Richtung des Lagerspiels vorgespannte zusätzliche Lagerelemente weitgehend ausgeschaltet werden können.

Die Erfindung geht aus von einer Radiallageranordnung zur drehbaren Lage¬ rung eines ersten Bauteils relativ zu einem zweiten Bauteil, umfassend ein Ra- diallager mit einem Laufring, welcher auf der Lagersitzfläche eines der Bauteile sitzt, und zwei in dem Laufring axial hintereinander angeordneten Wälzkörper¬ ringen, die sich auf einer Lauffläche des anderen Bauteils abwälzen.

Wälzlager mit zwei axial hintereinander angeordneten Wälzkörperringen sind ganz allgemein beispielsweise als Doppelkugellager oder Doppelrollenlager bekannt und in vielfachem Einsatz. Es handelt sich dabei üblicherweise um Wälzlager, bei denen beide Wälzkörperringe gleichermaßen tragende Aufga¬ ben haben, d.h. bei denen der auf der Lagersitzfläche sitzende Laufring über seine ganze axiale Breite radial abgestützt ist.

Im Gegensatz dazu ist gemäß der vorliegenden Erfindung vorgesehen, dass der Laufring nur im Bereich eines ersten der beiden Wälzkörperringe an der Lagersitzfläche radial abgestützt ist, und dass er im Bereich des zweiten Wälz¬ körperringes zur Lauffläche hin elastisch vorgespannt ist derart, dass die zu¬ geordneten Wälzkörper federnd an die Lauffläche angedrückt werden. Zu die- sem Zweck ist der Laufring aus einem federnd elastischen Material gebildet.

Durch diesen Aufbau wird vorteilhaft erreicht, dass das drehgelagerte Bauteil im normalen Betrieb durch den zweiten Wälzkörperring stets zentriert wird, so dass ein Betriebsspiel sich nicht auswirken kann und damit Geräusche weitge- hend reduziert werden.

Um eine elastische Bewegung des zweiten Wälzkörperringes zu ermöglichen, ist die Lagersitzfläche im Bereich dieses zweiten Wälzkörperringes freige¬ schnitten, so dass der Laufring nicht radial abgestützt wird.

In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Laufring ein Außenring ist, welcher auf einer zylindrischen Innenfläche eines der Bauteile sitzt, und dass die Wälzkörper sich an einer als Lauffläche ausge¬ bildeten Außenfläche des anderen Bauteils abwälzen. Eine derartige Radialla- geranordnung eignet sich insbesondere für die Drehlagerung von Wellen, Spindeln und dergleichen in einem Gehäuse.

Bei einer bevorzugten Ausgestaltung eines Radiallagers zur Verwendung in einer Radiallageranordnung der vorne beschriebenen Art ist vorgesehen, dass der erste Wälzkörperring ein Nadellagerring und der zweite Wälzkörperring ein Kugellagerring ist, dass ferner der zweite Wälzkörperring mit Bezug auf eine zugeordnete Lauffläche ein Übermaß aufweist, und dass der Laufring aus ei¬ nem federnd elastischen Material gebildet ist. Dementsprechend hat der Lauf¬ ring einen ersten axialen Abschnitt mit einer zylindrischen Lauffläche für die Nadeln und einen zweiten axialen Abschnitt mit einer im Querschnitt im We¬ sentlichen kreissegmentförmig ausgebildeten Laufrille für die Kugeln. Der Na- dellagerring bildet den eigentlichen tragenden, d.h. die Radialkräfte aufneh¬ menden Lagerbereich, während der Kugellagerring einen toleranzausgleichen¬ den Bereich darstellt.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Kugeln einen größeren Durchmesser haben als die Nadeln, und dass der Laufring als eine die Wälzkörperringe umhüllende, sich im Wesentlichen an die Kugeln einer¬ seits und die Nadeln andererseits anschmiegende Ringhülse ausgebildet ist. Die Wandstärke der Ringhülse ist so bemessen, dass einerseits die gewünsch- ten Vorspannkräfte erzeugt werden, andererseits aber die erforderliche elasti¬ sche Ausweichbewegung möglich ist.

Bei einer Ausgestaltung des Radiallagers ist der Laufring als Außenring mit einem ersten axialen Abschnitt kleineren Durchmessers und einem zweiten axialen Abschnitt größeren Durchmessers ausgebildet.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind die Nadeln des Nadel¬ lagerringes einerseits und die Kugeln des Kugellagerringes andererseits vor¬ zugsweise jeweils in Käfigen angeordnet, so dass das Lager als vormontierte Einheit eingebaut werden kann.

Zur Reduzierung eines Lagergeräusches sind die Käfige vorzugsweise aus Kunststoff hergestellt, jedoch kann auch Stahl als Werkstoff genutzt werden. Eine weitere Maßnahme zur Geräuschreduzierung ist, anstelle von Standard- Wälzlagerkugeln Kunststoffkugeln oder Hohlkugeln aus Stahl zu verwenden. Die Erfindung zeigt die gewünschte Wirkung jedoch auch mit üblichen Stahl¬ wälzkörpern.

In besondere Ausgestaltung des Radiallagers kann zudem vorgesehen sein, dass der Laufring im Ringabschnitt für die Kugeln Freistellungen aufweist, zwi¬ schen denen Stege ausgebildet sind. Dabei sind wenigstens zwei, vorzugswei- se wenigstens drei Freistellungen gleichverteilt am Umfang des Laufringes ausgebildet.

Zudem ist vorgesehen, dass durch Auswahl der Anzahl, der Geometrie und/oder der jeweilige Fläche der Freistellungen und/oder der Dicke des Ringsabschnittes für die Kugeln die auf die Kugeln wirkende Federkraft dieses Ringabschnittes eingestellt ist.

Insbesondere ist dieser Laufring so ausgebildet, dass die Freistellungen nur einen Teil der axialen Länge des die Kugeln haltenden Kugelkäfigs überde¬ cken. Bevorzugt ist außerdem vorgesehen, dass der Ringabschnitt für die Ku¬ geln an seiner den Wälzkörpern zugewandeten Innenseite eine von der Kreis¬ form abweichende Polygongeometrie aufweist, bei der beispielsweise drei Ab¬ schnitte dieser Innenseite radial nach Innen vorstehen.

Schließlich wird es hinsichtlich des Radiallagers als vorteilhaft beurteilt, wenn der Lagerring an seinen einem axialen Ende einen radial nach Innen weisen¬ den Ringsteg und an seinem anderen axialen Ende radial nach Innen umbieg¬ bare Haltebleche aufweist, zwischen denen der erste Käfig und der zweite Kä- fig axial fixiert aufgenommen sind.

Für eine spiel reduzierte und geräuscharme Spindellagerung, insbesondere die Lagerung einer Lenkspindelanordnung für ein Kraftfahrzeug mittels einer oder mehrerer axial beabstandeter Radiallageranordnungen ist vorgesehen, dass wenigstens eine der Radiallageranordnungen, nämlich beispielsweise diejeni¬ ge, welche die Haupt-Lagerlast zu tragen hat, in der oben beschriebenen Wei¬ se ausgebildet ist. Vorzugsweise haben jedoch mehrere oder alle Radialla¬ geranordnungen einen Aufbau, wie er vorne beschrieben ist. Kurze Beschreibung der Zeichnung

Die Erfindung wird im Folgenden anhand der beiliegenden Zeichnungen an einigen Ausführungsformen näher erläutert. Darin zeigt

Fig. 1 einen axialen Längsschnitt durch eine Radiallageranordnung für ei¬ ne Spindellagerung (Einzelheit I in Fig. 4), Fig. 2 einen axialen Längsschnitt durch ein bei der Radiallageranordnung gemäß der Fig. 1 verwendetes Radiallager, Fig. 3 eine perspektivische Ansicht eines Radiallagers gemäß der Fig. 2, Fig. 4 eine Lenkspindel mit mehreren axial beabstandeten Radiallageran¬ ordnungen, von denen wenigstens eine (Einzelheit I) einen Aufbau entsprechend den Fig. 1 bis Fig. 3 hat, Fig. 5 eine Stirnseitenansicht eines Lagerringes des Radiallagers in einer weiteren Ausführungsform, Fig. 6 einen Längsschnitt durch den Lagerring gemäß Fig. 5, Fig. 7 eine dreidimensionale Seitenansicht eines Radiallagers mit einem Lagerring gemäß den Figuren 5 und 6, sowie Fig. 8 ein Radiallager gemäß Fig. 7 in einer anderen perspektivischen An- sieht.

Ausführliche Beschreibung der Zeichnung

Fig. 1 zeigt eine Radiallageranordnung 2 zur drehbaren Lagerung eines ersten Bauteils 4 (z.B. einer Spindel) in einem zweiten Bauteil 6 (z.B. einem Spindel¬ gehäuse), umfassend ein Radiallager 8 mit einem Laufring 10, welcher auf der Lagersitzfläche 12 des zweiten Bauteils 6 sitzt, und zwei in dem Lauf ring 10 axial hintereinander angeordneten Wälzkörperringen 14 und 16, deren Wälz¬ körper sich auf einer Lauffläche 18 des ersten Bauteils 6 abwälzen. Wie die Fig. 1 erkennen lässt, ist der Lauf ring 10 nur im Bereich des ersten Wälzkörperringes 14 an der Lagersitzfläche 12 abgestützt. Im Bereich des zweiten Wälzkörperringes 16 ist die Lagersitzfläche 12 freigeschnitten, so dass der Lauf ring 10 nicht anliegt.

Der Lauf ring 10 ist aus einem federnd elastischen Material gebildet und so ausgelegt, dass im montierten Zustand der zweite Wälzkörperring 16 zur Lauf¬ fläche 18 hin elastisch vorgespannt ist, d.h. die Wälzkörper des zweiten Wälz¬ körperringes 16 federnd an der Lauffläche 18 anliegen.

Der erste Wälzkörperring 14 bildet einen zur Aufnahme der auftretenden La¬ gerlasten ausgelegten tragenden Bereich, während der zweite Wälzkörperring 16 einen Fertigungstoleranzen des ersten Wälzkörperringes 14 ausgleichen¬ den Bereich bildet. Im normalen Betrieb wird das erste Bauteil 4 durch den zweiten Wälzkörperring 16 zentriert. Bei Auftreten von die normalen Betriebs¬ kräfte übersteigenden radialen Kräften weicht der zweite Wälzkörperring 16 entsprechend einem eventuell vorhandenen Lagerspiel aus, bis die Radialkraft vom ersten Wälzkörperring 14 aufgenommen wird.

Fig. 1 zeigt beispielhaft eine Radiallageranordnung, bei der der Lauf ring 10 des Radiallagers 8 ein Außenring ist, welcher auf einer zylindrischen Innenflä¬ che (Lagersitzfläche 12) des zweiten Bauteils 6 sitzt, während sich die Wälz¬ körper der Wälzkörperringe 14, 16 an einer Außenfläche (Lauffläche 18) des ersten Bauteils 4 abwälzen. Es ist jedoch auch eine Umkehrung denkbar, bei der der Laufring ein Innenring ist, welcher auf der Außenfläche eines inneren Bauteils sitzt, während sich die Wälzkörper an der Innenseite eines äußeren Bauteils abwälzen.

Fig. 2 zeigt das Radiallager 8 der Fig. 1 in einem axialen Längsschnitt. Der ers- te Wälzkörperring 14 ist ein Nadellagerring, während der zweite Wälzkörper¬ ring 16 ein Kugellagerring ist. Wie Fig. 2 weiter erkennen lässt, ist in dem als Außenring ausgebildeten Laufring 10 ein erster Käfig 20 zur Aufnahme der den ersten Wälzkörperring 14 bildenden Nadeln 21 sowie ein zweiter Käfig 22 zur Aufnahme der den zweiten Wälzkörperring 16 bildenden Kugeln 23 angeord¬ net. Der erste Käfig 20 und der zweite Käfig 22 sind in dem in den Fig. 1 bis Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel zu einer gemeinsamen Käfiganord¬ nung zusammengefasst. Dieser ist aus Gründen einer Geräuschreduzierung vorzugsweise aus Kunststoff hergestellt.

Der Laufring 10 bildet einen ersten axialen Abschnitt mit einer zylindrischen Lauffläche für die Nadeln 21 sowie einen zweiten axialen Abschnitt mit einer im Querschnitt im Wesentlichen kreissegmentförmig ausgebildeten Laufrille für die Kugeln 23. Die Kugeln 23 haben aus technischen Gründen einen größeren Durchmessers als die Nadeln 21. Der Laufring 10 ist als eine die Wälzkörper¬ ringe 14, 16 umhüllende, sich im wesentlichen an die Nadeln 21 einerseits und die Kugeln 23 andererseits anschmiegende Ringhülse ausgebildet. Dement¬ sprechend hat der Laufring 10 einen ersten axialen Abschnitt kleineren Durch¬ messers, welcher den ersten Wälzkörperring 14 umgibt, sowie einen zweiten axialen Abschnitt größeren Durchmessers, welcher den zweiten Wälzkörper¬ ring 16 umgibt.

Für die Kugeln 23 können anstelle von Standard-Wälzlagerkugeln auch Kunst¬ stoffkugeln oder Hohlkugeln aus Stahl eingesetzt werden, die eine weitere Ge¬ räuschreduzierung ermöglichen.

Fig. 4 zeigt ein Anwendungsbeispiel für eine Radiallageranordnung bzw. ein Radiallager, wie sie anhand der Figuren 1 bis 3 beschrieben wurden. In einem allgemein mit 24 bezeichneten Lenkspindelgehäuse ist eine Lenkspindel 26 über Radiallager 28 und 30 drehbar gelagert. Die Lenkspindel 26 ist mit einem ebenfalls spindelartigen Lenkritzel 32 drehfest verbunden, welches über ein Radiallager 34 sowie ein herkömmliches Kugeliager 36 ebenfalls drehbar im Lenkspindelgehäuse 24 gelagert ist. Eine Drehung des Lenkritzels 32 wird in an sich bekannter und deshalb hier nicht näher beschriebener Weise über eine Zahnstange auf das Lenkgestänge eines Kraftfahrzeuges übertragen. Dem Lenkritzel 32 ist außerdem eine ebenfalls bekannte und deshalb nicht näher beschriebene Einrichtung 38 zur Lenkkraftverstärkung zugeordnet.

Bei derartigen modernen Lenkanordnungen wird verstärkt Wert auf Geräusch¬ armut in der Lenkung gelegt. Der Einsatz der modernen, hochauflösenden Sensortechnik stellt besondere Anforderungen an die Toleranzen der Spindel¬ lager, insbesondere Nadellager, die von konventionellen Spanlos-Nadellagem nicht mehr erfüllt werden. Es ist deshalb vorgesehen, insbesondere eines oder mehrere der in der Fig. 4 kreuzschraffierten Nadellager durch ein Nadellager bzw. eine Nadellageranordnung gemäß den Figuren 1 bis 3 zu ersetzen. Der in der Fig. 4 durch einen Kreis I markierte Bereich ist in der Fig. 1 beispielhaft in vergrößertem Maßstab und mit Einzelheiten dargestellt, die den Aufbau der Radiallageranordnung und des Radiallagers erkennen lassen. Die den Be¬ zugszeichen der Fig. 1 entsprechenden Bezugszeichen der Fig. 4 sind in Fig. 1 in Klammern aufgeführt.

Die Figuren 5 bis 8 zeigen, wie oben bereits erwähnt, in verschiedenen Dar- stellungsweisen einen Lauf ring 10 bzw. ein erfindungsgemäß ausgebildetes Radiallager. Dieser Laufring 10 ist ein im Wesentlichen zylindrisches Gebilde, an dessen einen axialen Ende ein radial nach innen weisender Ringssteg 52 sowie am anderen axialen Ende umbiegbare Haltebleche 46 ausgebildet sind. Zwischen diesen beiden axialen Enden des Laufringes 10 sind die beiden Wälzkörperkäfige 20 und 22 eingesetzt (Fig. 7 und Fig. 8).

Zudem weist dieser Laufring 10 einen Ringabschnitt 40 zur Aufnahme der Na¬ deln 21 und des zugehörigen ersten Käfigs 20 sowie einen Ringabschnitt 42 zur Aufnahme der Kugeln 23 mit deren zweiten Käfig 22 auf. In dem Laufring 10 sind zudem drei Freistellungen 44 oder Fenster ausgebildet, die gleichver¬ teilt über den Umfang des Laufringes im Bereich des Ringsabschnittes 42 für die Kugeln 23 angeordnet sind. Zwischen diesen Freistellungen 44 sind Stege 48 ausgebildet.

Wie insbesondere die Figuren 7 und 8 zeigen, erstreckt sich in diesem Ausfüh- rungsbeispiel die axiale Länge der Freistellungen 44 nur über einen kleineren Teil des Ringabschnittes 42 für die Kugeln 23. Durch die Größe, Geometrie und Anzahl bzw. Gesamtfläche der Freistellungen 44 sowie der Dicke des Ringsabschnittes 42 ist vorteilhaft diejenige Anpresskraft des Ringsabschnittes 42 eingestellt, mit dem dieser radial federnd nach innen auf die Kugeln 23 wirkt.

Der Lauf ring 10 ist zudem im Bereich des Ringsabschnittes 42 für die Kugeln 23 an seiner zu den Kugeln weisenden Innenseite 50 so ausgebildet, dass de¬ ren Querschnittsgeometrie von der Kreisform abweicht. Hier ist eine Quer- Schnittsgeometrie mit einem Polygonzug vorgesehen, bei dem drei Bereiche dieser Innenseite 50 des Laufringes 10 radial nach Innen vorspringen.

Im Ergebnis dieses Aufbaus ist durch die Freistellungen 44 ein federnder Ring¬ abschnitt 42 geschaffen, mit dem die Kugeln 23 spielfrei an beispielsweise eine Welle drückbar sind. Die Federkraft dieses Ringabschnittes 42 ist durch die Materialdicke und die Größe und/oder deren Anzahl beim Produktionsprozess variabel einstellbar, so dass ein solches erfindungsgemäß ausgebildetes Radiallager für unterschiedliche Anforderungen leicht herstellbar ist. Liste der Bezugszeichen

2 Radiallageranordnung 4 Erstes Bauteil (Spindel) 6 Zweites Bauteil (Spindelgehäuse) 8 Radiallager 10 Lauf ring 12 Lagersitzfläche 14 Wälzkörperring 16 Wälzkörperring 18 Lauffläche 20 Erster Käfig 21 Nadeln 22 Zweiter Käfig 23 Kugeln 24 Lenkspindelgehäuse 26 Lenkspindel 28 Radiallager 30 Radiallager 32 Lenkritzel 34 Radiallager 36 Kugellager 38 Einrichtung zur Lenkkraftverstärkung 40 Ringabschnitt für Nadeln 42 Ringabschnitt für Kugeln 44 Freistellung im Laufring 46 Halteblech 48 Steg 50 Innenseite des Ringabschnittes für Kugeln 52 Ringsteg