CN102449331B - 用于可旋转地支承机器部件的轴承装置及将圆锥滚子轴承固定在机器部件上的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种轴承装置，其具有用于可旋转地支承机器部件(3)的双列圆锥滚子轴承(1)和用于将所述圆锥滚子轴承(1)固定在所述机器部件(3)上的紧固装置(2)。所述圆锥滚子轴承(1)具有外径为至少一米的外圈(5)、第一内圈(7)、轴向地布置在所述第一内圈(7)旁边的第二内圈(9)、一组圆锥形的在所述外圈(5)和所述第一内圈(7)之间滚动的第一滚动体(11)和一组圆锥形的、轴向地布置在第一滚动体(11)旁边并且在所述外圈(5)和所述第二内圈(9)之间滚动的第二滚动体(12)。所述紧固装置(2)具有刚性部件(18)和可弹性变形的部件(19、23)。所述紧固装置(2)的刚性部件(18)轴向地止挡在所述机器部件(3)上。所述紧固装置(2)可弹性变形的部件(19、23)轴向地夹紧并且由此相对松弛的状态轴向地变形。所述紧固装置(2)可弹性变形的部件(19、23)与所述圆锥滚子轴承(1)的第一内圈(7)、与所述圆锥滚子轴承(1)的第二内圈(9)、与所述紧固装置(2)的刚性部件(18)或与所述机器部件(3)连接。

Description

用于可旋转地支承机器部件的轴承装置及将圆锥滚子轴承固定在机器部件上的方法
本发明涉及一种轴承装置，其具有设计成双列圆锥滚子轴承的用于可旋转地支承机器部件的大型轴承和用于将该圆锥滚子轴承固定在机器部件上的紧固装置。此外，本发明还涉及一种带有这种轴承装置的风能设备以及一种用于将圆锥滚子轴承固定在机器部件上的方法。
以下将具有直径为至少一米的外圈的轴承称作大型轴承。对大型轴承而言还可以用其它标准并且尤其是其它直径数值来定义。但无论在哪种情况下都重要的是，这种大型轴承明显大于一般在日常应用中，例如在轿车中使用并且外径为若干厘米的轴承。
对于大型轴承的结构来说，从已知的“小型”轴承出发对轴承几何结构单纯的放大一般没有意义，因为在大型轴承中通常首先考虑其它的标准，例如重量、为制造所需使用的材料、装配耗费、维修可能性等。
已经公知的是，通过轴向的夹紧将大型轴承固定在轴上。为此，大型轴承在轴向侧支承在轴肩上。在相对置的一侧，夹紧环轴向地压靠到大型轴承上，以便大型轴承在轴肩和夹紧环之间轴向地夹紧。因为例如设计成圆锥滚子轴承的大型轴承的轴向夹紧会影响大型轴承内部间隙或内部预紧力，所以精确调整作用在大型轴承上的轴向力有时是很重要的。与之相关地，例如已知为了补偿公差在大型轴承和夹紧环之间轴向地设有单独匹配的垫圈。但垫圈的单独制造或者从一类的垫圈中挑选配合的垫圈需要额外的耗费。
本发明所要解决的技术问题是，能够用较小的耗费以定义的预紧力装配具有设计成圆锥滚子轴承的大型轴承的轴承装置。
该技术问题通过一种具有权利要求1的特征组合的轴承装置和一种如权利要求13所述的用于固定圆锥滚子轴承的方法解决。
按本发明的轴承装置具有用于可旋转地支承机器部件的双列圆锥滚子轴承和用于将所述圆锥滚子轴承固定在所述机器部件上的紧固装置。所述圆锥滚子轴承具有外径为至少一米的外圈、第一内圈、轴向地布置在所述第一内圈旁边的第二内圈、一组圆锥形的在所述外圈和所述第一内圈之间滚动的第一滚动体和一组圆锥形的、轴向地布置在第一滚动体旁边并且在所述外圈和所述第二内圈之间滚动的第二滚动体。所述紧固装置具有刚性部件和可弹性变形的部件。所述紧固装置的刚性部件轴向地止挡在所述机器部件上。所述紧固装置可弹性变形的部件轴向地夹紧并且由此相对松弛的状态轴向地变形。所述紧固装置可弹性变形的部件与所述圆锥滚子轴承的第一内圈、与所述圆锥滚子轴承的第二内圈、与所述紧固装置的刚性部件或与所述机器部件连接。
本发明的优点是，通过较小的耗费确保圆锥滚子轴承的轴向预紧力处于预先给定的范围内。通过使用可弹性变形的部件，可以补偿在所使用的部件中的尺寸公差。如果在所使用的部件中保持允许的尺寸公差，就确保了圆锥滚子轴承的轴向预紧力处于预先给定的范围内。为此不再需要单独的匹配或调校措施。通过可弹性变形的部件与本来就存在的部件的连接还可以实现，不会增多在轴承装置装配时需要操作的部件的数量，并且据此快速且有效地实施装配。
按本发明的轴承装置可尤其设计成，使得第一内圈轴向地止挡在机器部件上或与机器部件共同作用地轴向夹紧紧固装置的可弹性变形的部件，并且第二内圈轴向地止挡在紧固装置的刚性部件上或与紧固装置的刚性部件共同作用地轴向夹紧紧固装置的可弹性变形的部件。
紧固装置可弹性变形的部件材料接合式地，尤其通过硫化胶合处理，与圆锥滚子轴承的第一内圈、与圆锥滚子轴承的第二内圈、与紧固装置的刚性部件或与机器部件连接。这种连接可以用较小的耗费建立并且具有足够的强度。
同样也存在这种可能性，即，紧固装置可弹性变形的部件与圆锥滚子轴承的第一内圈、圆锥滚子轴承的第二内圈、紧固装置的刚性部件或机器部件设计成一体式，并且尤其由与圆锥滚子轴承的第一内圈、圆锥滚子轴承的第二内圈、紧固装置的刚性部件或机器部件相同的材料制成。这种实施变型方案提供了一种成本特别低且寿命较长的实现形式。
紧固装置的可弹性变形的部件尤其可以具有相对刚性部件较小的材料厚度。由此按照很简单的方式实现了更容易的可变形性。紧固装置可弹性变形的部件例如可以设计成刚性部件的法兰形突起。
紧固装置的刚性部件和/或可弹性变形的部件设计成沿周向闭合的环。由此可以保持单个部件的数量较少。但同样还可行的是，紧固装置的刚性部件和/或可弹性变形的部件沿周向分段地设计。由此，尤其可以在很大的轴承装置中简化操作，并且可以在不容易接近时减少装配耗费。
紧固装置可弹性变形的部件例如可以由弹簧钢或塑料，尤其由弹性体材料制成。这些材料用低廉的成本就可获得并且可在一段足够的变形量或变形行程上弹性地变形。
机器部件例如可以设计成轴连接件或轴。
在一个优选的实施例中，轴承装置设计成风能设备的部件。在风能设备中使用很大尺寸的轴承装置，并且期望较短的装配时间。尤其在近海工程设备中装配时间甚至会具有突出的意义，因为只能在有利的天气条件下装配。
本发明还涉及一种具有固定在风轮轴上的风轮的风能设备，该风轮轴可旋转地支承在按本发明的轴承装置中。
此外本发明还涉及一种用于借助具有刚性部件和可弹性变形的部件的紧固装置将外径为至少一米的圆锥滚子轴承固定在机器部件上的方法。在按本发明的方法中，紧固装置的刚性部件轴向地靠近机器部件，直到该刚性部件止挡在机器部件上。在此紧固装置可弹性变形的部件与圆锥滚子轴承、与紧固装置的刚性部件或与机器部件连接，以轴向地变形这样一段变形量，从而以数值在预先给定的最小值与预先给定的最大值之间的轴向力将圆锥滚子轴承轴向地夹紧在夹紧装置的刚性部件和机器部件或与机器部件连接的固定元件之间。
因为紧固装置的刚性部件轴向靠近机器部件直到止挡在该机器部件上，并且由此在不用其它校准措施的情况下就将圆锥滚子轴承调节到合适的预紧力，所以按本发明的方法可以很容易且快速地实施。
尤其在按本发明的方法中，紧固装置的可弹性变形的部件可以在其弹性常数和其允许的尺寸公差方面，以及紧固装置的刚性部件、机器部件和圆锥滚子轴承可以在其允许的尺寸公差方面相互协调，使得在允许的尺寸公差范围内获得的最小轴向变形量与紧固装置的可弹性变形的部件的弹性常数的乘积至少相当于轴向力预先给定的最小值。
此外，在按本发明的方法中，紧固装置的可弹性变形的部件在其弹性常数和其允许的尺寸公差方面，以及紧固装置的刚性部件、机器部件和圆锥滚子轴承在其允许的尺寸公差方面相互协调，使得在允许的尺寸公差范围内获得的最大轴向变形量与紧固装置的可弹性变形的部件的弹性常数的乘积最大相当于轴向力预先给定的最大值。
以下根据在附图中示出的实施例阐述本发明。附图中：
图1是按本发明的轴承装置的一个实施例的剖面示意图；
图2是按本发明的轴承装置的另一个实施例的剖面示意图以及；
图3是图1中所示的按本发明的轴承装置的实施例在装配时的剖面图。
图1示出按本发明设计的轴承装置的实施例的剖面示意图。轴承装置具有双列圆锥滚子轴承1和紧固装置2，圆锥滚子轴承1通过该紧固装置2固定在轴连接件3上。轴连接件3例如可以固定在图中未示出的由风能设备的风轮驱动的风轮轴上。
圆锥滚子轴承1具有旋转轴线4。只要下面没有其它不同说明，有关方向的说明就是分别相对于圆锥滚子轴承1的旋转轴线4而言的。因此轴向是平行于圆锥滚子轴承1的旋转轴线4的方向。径向是垂直于圆锥滚子轴承1的旋转轴线4的方向。
圆锥滚子轴承1具有带两个轴向并排布置的圆锥形滚道的外圈5，这两个滚道共同形成V形剖面。外圈5具有至少为1米的外径并且具有可以使外圈5固定在图中未示出的壳体上的轴向孔6。此外，圆锥滚子轴承1还具有两个轴向并排布置的、分别具有圆锥形滚道的内圈7和9。内圈具有轴向外端面8，内圈9具有轴向外端面10。外圈5和两个内圈7、9在所示的实施例中设计成在周向上闭合的环。原则上也可以使用分段的环。
设计为圆锥形的滚动体11在内圈7的滚道上和外圈5相邻的滚道上滚动。设计为圆锥形的滚动体12在内圈9的滚道上和外圈5的相邻滚道上滚动。滚动体11布置在保持架13中，滚动体12布置在保持架14中。保持架13、14可以分段地或在周向上闭合地设计。例如各保持架段可以在周向上相互连接，如DE 10246825A1公开的那样并且由塑料制成。
两个内圈7、9布置在轴连接件3上并且抗扭地与轴连接件3连接。为此，轴连接件3具有带轴向止挡面16的轴肩15，内圈7通过其轴向外端面8轴向地止挡在该轴向止挡面16上。此外，轴连接件3在其与轴肩15对置的轴端具有轴向止挡面17。
夹角装置2具有夹紧圈18和弹性圈19。夹紧圈18例如由金属，尤其是钢制成，并且具有轴向孔20且在轴向孔20的区域内具有轴向止挡面21，该轴向止挡面21止挡在轴连接件3的轴向止挡面17上。弹性圈19固定在夹紧圈18的轴向侧，该轴向侧面朝圆锥滚子轴承1的内圈9的轴向外端面10并且具有贴靠在内圈9的轴向外端面10上的轴向端面22。
在所示的实施例中，弹性圈19由弹性体材料制成，并且通过硫化胶合处理与夹紧圈18连接。但为了将弹性圈19固定在夹紧圈18上，也可以考虑其它材料接合式连接。同样也可以是形状配合式连接。此外，在所示的实施例中夹紧圈18和弹性圈19分别沿周向闭合地设计。作为备选，夹紧圈18和/或弹性圈19也可以设计成分段式的。
弹性圈19轴向地夹紧在圆锥滚子轴承1的内圈9与夹紧圈18之间，因为内圈7通过轴连接件3的轴肩15防止沿轴向移位，并且夹紧圈18借助紧固螺栓24与轴连接件3螺纹连接。相对未变形的状态，弹性圈沿轴向被镦压一段轴向变形量x。在圆锥滚子轴承1的内圈7、9上相应地作用有轴向力F，弹性圈19轴向镦压得越强烈，该轴向力F就越大，即轴向变形量x就越大。因此，圆锥滚子轴承1受到轴向预紧力，该预紧力的大小相当于轴向力F。在弹性圈19具有弹性常数k时，产生的轴向力F为：F＝k*x。
弹性圈19的轴向变形量x通过夹紧圈18以其轴向止挡面21轴向地止挡在轴连接件3的轴向止挡面17上来限定。可以借助紧固螺栓24使夹紧圈18轴向移动直至达到所述止挡状态，该紧固螺栓24轴向地穿过轴向孔20并且拧入轴连接件3中。
在圆锥滚子轴承1装配好的状态中，紧固螺栓24完全拧紧，使得夹紧圈18轴向地止挡在轴连接件3上。由此，原则上精确地定义出了弹性圈19的轴向变形量x并且进而精确地定义出了作用在内圈7、9上的轴向力F，据此精确地预先给出了圆锥滚子轴承1的轴向预紧力。由于弹性圈19、夹紧圈18、轴连接件3和内圈7、9轴向尺寸的公差，弹性圈19的变形量x在装配好的状态下并不总是精确地具有相等的值，而是可能在最小值x_min与x_max之间的带宽范围内变化。据此，作用在内圈7、9上的轴向力F也可能在最小值F_min与最大值F_max之间变化。
对于在轴向尺寸设计中最大程度用尽公差的第一种组合，获得轴向变形量x的最小值x_min并且进而获得轴向力F的最小值F_min。在最大程度用尽公差的第二种组合中，获得轴向变形量x的最大值x_max并且进而还获得轴向力F的最大值F_max。
具体地，轴向变形量x随着在弹性圈19未变形的状态下弹性圈19的轴向端面22与夹紧圈18的轴向止挡面21之间的轴向距离a1的增大而增大，随着轴连接件3的两个轴向止挡面16、17之间的轴向距离a2的增大而减小，并且随着内圈7、9的轴向外端面8、10之间的轴向距离a3的增大而增大。对于a1和a3的最小允许值和a2的最大允许值的组合，获得轴向力的最小值F_min。对于a1和a3的最大允许值和a2的最小允许值的组合，获得轴向力F的最大值F_max。
为确保内圈7、9上的轴向力F，并且进而确保圆锥滚子轴承1的轴向预紧力即使在轴向距离a1、a2、a3的公差不利的组合中也处于允许的范围内，轴向距离a1、a2和a3的允许公差和弹性圈19的弹性常数k相互协调，使得轴向力F的最小值F_min和最大值F_max分别刚好还处于允许范围内。
按本发明的轴承装置在图1中所示的实施例可以尤其在紧固装置2的设计上以各种方式变型。例如弹性圈19可以不安设在夹紧圈18上，而是安设在圆锥滚子轴承1的内圈9的轴向外端面10上。原则上甚至可以将弹性圈19安设在圆锥滚子轴承1的内圈7的轴向外端面8上或轴连接件3的轴肩15的止挡面16上。
此外，还存在用其它类型的弹性部件代替弹性圈19的可能性。这种变型的实施例在图2中示出。
图2示出按本发明的轴承装置的另一个实施例的剖面示意图。在该实施例中，圆锥滚子轴承1和轴连接件3的设计完全与图1所示的实施例一致。
但在紧固装置2中省去了图1所示的弹性圈19。取而代之，夹紧圈18具有法兰形的、径向倾斜向外延伸的突起23。法兰形的突起23的定向尤其选择为，使得它朝向内圈9延伸，并且通过夹紧贴靠在内圈9的轴向外端面10上。
为此，法兰形的突起23由弹性材料，尤其由弹簧钢制成。在所示的实施例中，法兰形的突起23与夹紧圈18设计成一体式，并且具有比夹紧圈18的其它区域更小的材料厚度。相应地，包括法兰形的突起23的整个夹紧圈18可以由相同的材料制成。但在此存在这种可能性，例如借助适当的热处理与位置有关地改变硬度。尤其是夹紧圈18可以在法兰形的突起23的区域内具有提高的硬度和弹性。此外还可以分段地设计包括法兰形的突起23在内的整个夹紧圈18。
按照与图1所述相似的方式轴向夹紧圆锥滚子轴承1并且在圆锥滚子轴承1中产生预紧力。参照图1所作出的关于部件公差和轴向变形量x的说明内容在此也类似地适用，其中，法兰形的突起23与弹性圈19相似地同样具有弹性常数k，并且采用相当于松弛状态下的夹紧圈18的法兰形突起23的最大轴向突出量的轴向位置来计算轴向距离a1。
圆锥滚子轴承1在轴连接件3上的装配和固定通过紧固装置2按本发明的设计而明显更简单并且可以按以下所述的方式实施。该说明以轴承装置在图1所示的实施例为基础。在图2中所示的实施例或其它变型方式中可以以相似的方式进行。
首先，圆锥滚子轴承1从与轴肩15轴向对置的一侧轴向地推套到轴连接件3上，直到圆锥滚子轴承1的内圈7的轴向外端面8止挡在轴连接件3的轴肩15的轴向止挡面16上。取决于轴连接件3和圆锥滚子轴承1的内圈7、9之间是否存在径向尺寸重叠，可能需要将圆锥滚子轴承1压装到轴连接件3上和/或加热内圈7、9以扩宽内圈7、9或冷却轴连接件3。
在圆锥滚动轴承1达到其在轴连接件3上的最终位置时，紧固装置2从与圆锥滚子轴承1相同的一侧轴向地推套到轴连接件3上，直到紧固装置2的弹性圈19的轴向端面22接触内圈9的轴向外端面10为止。该情况在图3中示出。
图3示出按本发明的轴承装置在图1中所示的实施例在装配时的剖面图。
在下一个步骤中，将紧固螺栓24引入夹紧圈18的轴向孔20中并且拧紧。由此紧固装置2进一步靠近圆锥滚子轴承1，直到紧固装置2的夹紧圈18的轴向止挡面21轴向地止挡到轴连接件3的轴向止挡面17上为止。在此，紧固装置2的弹性圈19在圆锥滚子轴承1的内圈9和紧固装置2的夹紧圈18之间轴向地夹紧并且镦压一段轴向变形量x。
若需要使用力将紧固装置2推套到轴连接件3上，则也可以紧接在将紧固装置2设置到轴连接件3上之后开始引入紧固螺栓24并且将其拧紧。
在紧固装置2的夹紧圈18止挡在轴连接件3上之后，更强劲地拧紧紧固螺栓，直到分别达到预先给定的拧紧力矩为止。然后结束圆锥滚子轴承1的装配和固定。该情况在图1中示出。
通过在位于一侧的轴连接件3的轴肩15与位于另一侧的紧固装置2之间轴向地夹紧，圆锥滚子轴承1抗扭地与轴连接件3连接，并且具有在期望范围内的轴向预紧力。
附图标记清单
1圆锥滚子轴承
2紧固装置
3轴连接件
4旋转轴线
5外圈
6轴向孔
7内圈
8轴向外端面
9内圈
10轴向外端面
11滚动体
12滚动体
13保持架
14保持架
15轴肩
16轴向止挡面
17轴向止挡面
18夹紧圈
19弹性圈
20轴向孔
21轴向止挡面
22轴向端面
23法兰形突起
24紧固螺栓

Claims (11)

1.一种轴承装置，其具有用于可旋转地支承机器部件(3)的双列的圆锥滚子轴承(1)和用于将所述圆锥滚子轴承(1)固定在所述机器部件(3)上的紧固装置(2)，其中，
-所述圆锥滚子轴承(1)具有
--外径为至少一米的外圈(5)，
--第一内圈(7)，
--轴向地布置在所述第一内圈(7)旁边的第二内圈(9)，
--一组圆锥形的、在所述外圈(5)和所述第一内圈(7)之间滚动的第一滚动体(11)和
--一组圆锥形的、轴向地布置在所述第一滚动体(11)旁边并且在所述外圈(5)和所述第二内圈(9)之间滚动的第二滚动体(12)，
-所述紧固装置(2)具有刚性部件(18)和由塑料制成的可弹性变形的部件(19、23)，
-所述紧固装置(2)的刚性部件(18)轴向地止挡在所述机器部件(3)上，
-所述紧固装置(2)的可弹性变形的部件(19、23)轴向地夹紧并且由此相对于松弛的状态这样轴向地变形，使得尺寸公差在使用所述部件的情况下得到补偿，并且所述圆锥滚子轴承(1)的轴向预紧力处于预先给定的范围内，并且
-所述紧固装置(2)的可弹性变形的部件(19、23)与所述圆锥滚子轴承(1)的第一内圈(7)、与所述圆锥滚子轴承(1)的第二内圈(9)、与所述紧固装置(2)的刚性部件(18)或与所述机器部件(3)连接。
2.如权利要求1所述的轴承装置，其特征在于，所述第一内圈(7)轴向地止挡在所述机器部件(3)上或与所述机器部件(3)共同作用地轴向夹紧所述紧固装置(2)的可弹性变形的部件(19、23)，并且所述第二内圈(9)轴向地止挡在所述紧固装置(2)的刚性部件(18)上。
3.如权利要求1或2所述的轴承装置，其特征在于，所述紧固装置(2)的可弹性变形的部件(19)材料接合式地与所述圆锥滚子轴承(1)的所述第一内圈(7)、与所述圆锥滚子轴承(1)的所述第二内圈(9)、与所述紧固装置(2)的刚性部件(18)或与所述机器部件(3)连接。
4.如权利要求3所述的轴承装置，其特征在于，所述紧固装置(2)的可弹性变形的部件(19)材料接合式地通过硫化胶合处理，与所述圆锥滚子轴承(1)的所述第一内圈(7)、与所述圆锥滚子轴承(1)的所述第二内圈(9)、与所述紧固装置(2)的刚性部件(18)或与所述机器部件(3)连接。
5.如权利要求1或2所述的轴承装置，其特征在于，所述紧固装置(2)的所述刚性部件(18)和/或所述可弹性变形的部件(19、23)设计成沿周向闭合的环。
6.如权利要求1或2所述的轴承装置，其特征在于，所述紧固装置(2)的所述刚性部件(18)和/或所述可弹性变形的部件(19、23)沿周向分段地设计。
7.如权利要求1或2所述的轴承装置，其特征在于，所述紧固装置(2)的所述可弹性变形的部件(19、23)由弹性体材料制成。
8.如权利要求1或2所述的轴承装置，其特征在于，所述机器部件(3)设计成轴连接件或轴。
9.如权利要求1或2所述的轴承装置，其特征在于，所述轴承装置设计成风能设备的部件。
10.一种具有固定在风轮轴上的风轮的风能设备，其特征在于，所述风轮轴可旋转地支承在如权利要求1至9之一所述的轴承装置中。
11.一种用于借助具有刚性部件(18)和可弹性变形的部件(19、23)的紧固装置(2)将外径为至少一米的圆锥滚子轴承(1)固定在机器部件(3)上的方法，其中，所述紧固装置(2)的所述刚性部件(18)轴向地靠近所述机器部件(3)，直到所述刚性部件(18)止挡在所述机器部件(3)上，并且在此，所述紧固装置(2)的所述可弹性变形的部件(19、23)与所述圆锥滚子轴承(1)、与所述紧固装置(2)的所述刚性部件(18)或与所述机器部件(3)连接，以轴向地变形一段变形量(x)，从而以数值在预先给定的最小值(F_min)与预先给定的最大值(F_max)之间的轴向力(F)将所述圆锥滚子轴承(1)轴向地夹紧在所述紧固装置(2)的所述刚性部件(18)和所述机器部件(3)或与所述机器部件(3)连接的固定元件之间，所述紧固装置(2)的所述可弹性变形的部件(19、23)在其弹性常数(k)和其允许的尺寸公差方面，以及所述紧固装置(2)的所述刚性部件(18)、所述机器部件(3)和所述圆锥滚子轴承(1)在其允许的尺寸公差方面相互协调，使得在所述允许的尺寸公差范围内获得的最小轴向变形量(x)与所述紧固装置(2)的所述可弹性变形的部件(19、23)的弹性常数(k)的乘积至少相当于所述轴向力(F)预先给定的最小值(F_min)，并且使得在所述允许的尺寸公差范围内获得的最大轴向变形量(x)与所述紧固装置(2)的所述可弹性变形的部件(19、23)的弹性常数(k)的乘积最大相当于所述轴向力(F)预先给定的最大值(F_max)。
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