DE10149833B4

DE10149833B4 - Wälzkörper für Wälzlager und Verfahren zur Herstellung von Wälzkörpern

Info

Publication number: DE10149833B4
Application number: DE2001149833
Authority: DE
Inventors: Thilo Dipl.-Ing. Von Schleinitz
Original assignee: SKF AB
Current assignee: SKF AB
Priority date: 2001-10-09
Filing date: 2001-10-09
Publication date: 2004-09-16
Anticipated expiration: 2021-10-10
Also published as: DE10149833A1

Abstract

Wälzkörper (2, 3, 4) für ein Wälzlager zur Lagerung zweier relativ zueinander beweglicher Bauteile, wobei der Wälzkörper (2, 3, 4) eine Rotationsachse aufweist und in der Art einer Zylinderrolle, Kegelrolle, Pendelrolle oder CARB-Rolle und als Hohlteil ausgebildet ist, dessen Bauteilwandung einen Hohlraum (14, 22) allseitig umschließt, dadurch gekennzeichnet, dass die Bauteilwandung (13) des Wälzkörpers (2, 3, 4) nahtfrei ausgebildet ist und zumindest eine seitliche Stirnflächen des Wälzkörpers eine muldenförmige Vertiefung (16, 17) aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Wälzkörper beziehungsweise ein Verfahren zur Herstellung von Wälzkörpern nach dem Oberbegriff der unabhängigen Hauptansprüche.
Wälzlager werden überall dort eingesetzt, wo zwei Bauteile relativ zueinander beweglich gelagert werden müssen. Eine reibungsarme Relativbewegung zwischen den Bauteilen wird dabei durch die Wälzkörper im Wälzlager ermöglicht. Diese Wälzkörper, in Rollenlagern beispielsweise Zylinderrollen, Pendelrollen, Kegelrollen, CARB-Rollen oder ähnliches, sind im Wälzlager in Laufbahnen gelagert und können bei der Relativbewegung zwischen den Bauteilen in diesen Laufbahnen abrollen.

Bei der Herstellung der bekannten Wälzkörper mit Durchmessern oberhalb von etwa 20–30 mm werden überwiegend spanende Fertigungsverfahren eingesetzt. Daneben ist aus der DD 122 651 beispielsweise ein Verfahren zur Herstellung von rotationssymmetrischen Wälzkörpern durch Profilwalzen bekannt.

Nachteilig an den bekannten Wälzkörpern ist es, dass diese aus massivem Vollmaterial hergestellt sind, was insbesondere bei größeren Wälzkörpern zu einem sehr hohen Bauteilgewicht und zu extrem hohen resultierenden Lagergewichten führen kann. Außerdem führt die Herstellung aus Vollmaterial insbesondere bei profilierten Wälzkörpern zu einem sehr hohen Zerspanungsaufwand mit entsprechend hohen Herstellungskosten.

Weiterhin ist es auch bekannt, Wälzkörper mit einer Durchgangsbohrung zu versehen, die von speziellen Käfigtypen benötigt wird. Die Durchgangsbohrung wird üblicherweise spanend hergestellt, so dass wiederum ein hoher Zerspanungsaufwand erforderlich ist.

Schließlich ist noch bekannt, Wälzkörper in der An von Rohrabschnitten auszuführen. Diese Rohrabschnitts-Wälzkörper sind zwar leicht, aber wenig steif und nur vergleichsweise niedrig belastbar. Ihre große offene Innenfläche führt außerdem zu erhöhter Schmutzkontamination des Lagers.

Aus der US 3,337,278 ist ein Hochgeschwindigkeitslager bekannt, das einen Innenring, einen Außenring und eine Vielzahl von Wälzkörpern aufweist, die zwischen dem Innenring und dem Außenring abrollen. Die Wälzkörper sind jeweils in der Umgebung ihrer Rotationsachse mit einem Hohlraum versehen, der zu den beiden axialen Enden hin durch je eine dünne Scheibe verschlossen ist. Zur Fixierung der Scheiben sind diese in umlaufende Radialnuten der Wälzkörper eingeschnappt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb einen neuen Wälzkörper vorzuschlagen, der die Nachteile der bekannten Wälzkörper vermeidet. Weiter ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur Herstellung derartiger Wälzkörper vorzuschlagen.

Diese Aufgabe wird durch einen Wälzkörper nach der Lehre des Anspruchs 1 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 11 gelöst.

Vorteilhafte Ausführungsformen und Verfahrensvarianten der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Ein Vorteil der erfindungsgemäßen Wälzkörper liegt insbesondere darin, dass durch die Ausbildung in der An eines Hohlteils das Gesamtgewicht der Wälzkörper erheblich verringert werden kann. Da die Bauteilwandung des Wälzkörpers erfindungsgemäß diesen Hohlraum allseitig umschließt, weisen die Wälzkörper trotz des Hohlraums eine sehr hohe Stabilität auf. Außerdem kann durch entsprechende Anordnung beziehungsweise Gestaltung des Hohlraums im Wälzkörper die Restelastizität des Wälzkörpers gezielt eingestellt werden. Dies ist insbesondere bei Anwendungen von Vorteil, bei denen die Wälzkörper im Wälzlager einer dynamischen Schwingbelastung unterworfen sind. Beispielsweise beim Einsatz von Wälzlagern in Windkraftanlagen zur Lagerung des Rotors können durch entsprechende Schwankungen der auf den Rotor wirkenden Windkraft Belastungsspitzen auf die Wälzlager wirken. Erst durch Einstellung einer ausreichenden Restelastizität können derartige Belastungsspitzen bei ausreichender Verschleißfestigkeit abgefangen werden.

Um den Aufwand zur Nachbearbeitung der Laufflächen der Wälzkörper möglichst gering zu halten und gleichmäßige mechanische und werkstofftechnische Eigenschaften über den ganzen Umfang zu erzielen, ist die Bauteilwandung des Wälzkörpers nahtfrei ausgebildet. Dadurch entfällt ein Nacharbeiten beispielsweise durch Schleifen oder eine gesonderte Wärmebehandlung der Nähte im Wälzkörper, wie sie beispielsweise beim Verschweißen zweier Halbschalen oder eines gerollten Bleches entstehen. Die Herstellung von hohlen Wälzkörpern mit nahtfreier Bauteilwandung ist durch geeignete Umformverfahren möglich. Besonders einfach durch Umformung lassen sich Wälzkörper herstellen, die eine Rotationsachse aufweisen.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform ist der Hohlraum im Wälzkörper gas- und/oder flüssigkeitsdicht ausgebildet, so dass insbesondere das Austreten von Schmutzpartikeln aus dem Hohlraum in das Lager zuverlässig ausgeschlossen ist.

Durch die Befüllung des gasdichten Hohlraums mit einem unter Druck stehenden Gas kann erreicht werden, dass die Bauteilwandung des Wälzkörpers vorgespannt wird.

Durch diese Vorspannung kann die Elastizität des Wälzkörpers, insbesondere die Steifigkeit des Mantels gegen Biegungen, erhöht werden, um beispielsweise den Verschleiß der Wälzkörper durch Materialermüdung zu verringern.

Zur Befüllung des Hohlraums im Wälzkörper mit druckgespanntem Gas kann beispielsweise bei der Herstellung des Wälzkörpers unter einer entsprechenden Druckatmosphäre gearbeitet werden, so dass das Gas im Hohlraum mit entsprechendem Innendruck eingeschlossen wird. Alternativ dazu kann in der Bauteilwandung eine verschließbare Öffnung vorgesehen werden, so dass nach der Herstellung des Wälzkörpers der Hohlraum durch die Öffnung hindurch mit unter Druck stehendem Gas befüllbar ist.

Der Verschluss der Öffnung im Wälzkörper kann durch Aufbringung eines Zusatzwerkstoffes, beispielsweise einer Schweißnaht, realisiert werden. In diesem Fall ist der Gasinnendruck im Wälzkörper später unveränderbar.

Wird in der verschließbaren Öffnung des Wälzkörpers dagegen ein Ventil oder ähnliches angeordnet, kann durch das Ventil Gas in den Hohlraum eingefüllt beziehungsweise aus dem Hohlraum abgelassen werden, so dass der Gasinnendruck zur Einstellung der Elastizität des Wälzkörpers variabel veränderbar ist. Außerdem können eventuell auftretende Gasverluste durch Leckagen, die zu einer Verringerung des Gasinnendrucks führen, durch das Nachfüllen von Gas ausgeglichen werden. Die stirnseitige Anordnung des Ventils begünstigt die Zugänglichkeit ohne Lagerdemontage, insbesondere bei vollrolligen Lagern.

Besonders hohe Einsparungen bei der Herstellung ergeben sich für Wälzkörper mit einer profilierten Umfangsfläche, da diese profilierte Umfangsfläche erfindungsgemäß weitgehend zerspanungsfrei durch Umformung herstellbar ist.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemäß ausgebildeten Wälzkörper wird von einem Rohrabschnitt mit offenen Stirnflächen als Ausgangsmaterial ausgegangen. Derartige Rohrabschnitte können einfach und kostengünstig durch Ablängen von einem Rohr mit geeignetem Durchmesser und Wandstärke erhalten werden. Erfindungsgemäß wird der Rohrabschnitt dann an den Enden durch Rotationsverformung derart umgeformt, dass die Stirnflächen unter Bildung eines Hohlraums von der umgeformten Bauteilwandung vollständig verschlossen werden und in mindestens eine verschlossene Stirnfläche eine muldenförmige Vertiefung eingeformt wird. Im Ergebnis kann dadurch ein nahtfreier Hohlkörper mit vorbestimmbaren stirn- und mantelseitigen Wandstärken hergestellt werden, der als Wälzkörper in einem Wälzlager einsetzbar ist. Soweit erforderlich können die Umfangsflächen oder Stirnflächen nach einer Wärmebehandlung noch geeignet nachgearbeitet, beispielsweise geschliffen werden.

Sollen Wälzkörper mit profilierter Umfangsfläche hergestellt werden, können die Rohrabschnitte durch geeignetes Umformen in der gewünschten Weise profiliert werden. Beispielsweise kann der zylindrische Rohrabschnitt zunächst kegelförmig profiliert werden, bevor die Stirnflächen durch Umformung der Enden des Rohrabschnitts verschlossen werden. Im Ergebnis kann dadurch in einfacher Weise eine hohle Kegelrolle für ein großes Kegelrollenlager hergestellt werden.

Um den Aufwand für die Nacharbeit der Umfangsflächen der Wälzkörper weitgehend zu verringern, ist es besonders vorteilhaft, wenn der Außendurchmesser des Rohrabschnitts bei der Umformung verringert, insbesondere auf ein Sollmaß kalibriert, wird. Dadurch können Maßabweichungen im Umfang der Rohrabschnitte bereits bei der Umformung ausgeglichen werden.

Verschiedene Ausführungsformen von Wälzkörpern sind in den Zeichnungen dargestellt und werden nachfolgend näher beschrieben.
Es zeigen:
1 einen als Ausgangsprodukt zur Herstellung von Wälzkörpern verwendeten Rohrabschnitt im Querschnitt;
2 eine Ausführungsform eines Wälzkörpers im Querschnitt;
3 eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Wälzkörpers im Querschnitt;
4 eine weitere Ausführungsform eines Wälzkörpers im Querschnitt.
In 1 ist ein Rohrabschnitt 01 im Querschnitt dargestellt, der zur Herstellung durch spanlose Rotationsumformung der in 2 und 3 dargestellten Wälzkörper 02 und 03 Verwendung finden kann.
Zur Herstellung des in 2 dargestellten Wälzkörpers 2 wird der Rohrabschnitt 1 durch Rotationsverformung zunächst derart umgeformt, dass der Außendurchmesser der Umfangsfläche 5 auf ein Sollmaß kalibriert wird. Anschließend wird das dabei zu den Enden 6 und 7 verdrängte Material durch Rotationsverformung derart umgelegt, dass die offenen Stirnflächen 8 und 9 des Rohrabschnitts 1 stoffschlüssig und gasdicht verschlossen werden. Am Übergang zwischen Umfangsfläche 5 und den geschlossenen Stirnflächen 10 und 11 des Wälzkörpers 2 ergibt sich ein Radius 12.
Im Ergebnis kann somit aus dem Rohrabschnitt 1 ein Wälzkörper 2 spanlos hergestellt werden, dessen Bauteilwandung 13 einen Hohlraum 14 allseitig gasdicht umschließt. Die Umfangsfläche 5 weist dabei keine Nähte auf und der Hohlraum 14 kann soweit erforderlich, mit unter Druck stehendem Gas befüllt werden. Rohrmaterialtoleranzen werden durch das Kalibrieren der Umfangsfläche 5 auf die Innenseite 15 der Bauteilwandung 13 verlagert. Die Wandstärke der Bauteilwandung 13 kann wie beim in 2 dargestellten Wälzkörper 2 überall konstant sein oder aber variabel eingestellt werden. Beispielsweise ist es denkbar, im Bereich der geschlossenen Stirnflächen 10 und 11 größere Wandstärken vorzusehen als im Bereich der Umfangsfläche 5.
Der in 3 dargestellte Wälzkörper 3 entspricht weitgehend dem Aufbau des Wälzkörpers 2. Beim Wälzkörper 3 sind in den geschlossenen Stirnflächen 10 und 11 zusätzlich muldenartige Vertiefungen 16 und 17 eingeformt. Dies wird ebenfalls durch spanlose Umformung der Bauteilwandung 13 im Bereich der geschlossenen Stirnflächen 10 und 11 erreicht, so dass die Bauteilwandung 13 in den Hohlraum 14 nach innen verdrängt wird.
Die in 4 dargestellte Ausführungsform eines Wälzkörpers ist aus zwei Rohrabschnitten 18 und 19 hergestellt. Die Enden 20 und 21 des Rohrabschnitts 19 werden durch Rotationsverformung derart umgeformt, dass sie am Rohrabschnitt 18 zur Anlage kommen. Im Ergebnis wird somit ein zylinderringförmiger Hohlraum 22 geschaffen. Durch den Rohrabschnitt 18 wird im Wälzkörper 4 eine zu beiden Seiten offene Bohrung 23 gebildet, die durch die Bauteilwandung 24 des Rohrabschnitts 18 vom Hohlraum 22 getrennt ist.

Claims

Wälzkörper (2, 3, 4) für ein Wälzlager zur Lagerung zweier relativ zueinander beweglicher Bauteile, wobei der Wälzkörper (2, 3, 4) eine Rotationsachse aufweist und in der Art einer Zylinderrolle, Kegelrolle, Pendelrolle oder CARB-Rolle und als Hohlteil ausgebildet ist, dessen Bauteilwandung einen Hohlraum (14, 22) allseitig umschließt, dadurch gekennzeichnet, dass die Bauteilwandung (13) des Wälzkörpers (2, 3, 4) nahtfrei ausgebildet ist und zumindest eine seitliche Stirnflächen des Wälzkörpers eine muldenförmige Vertiefung (16, 17) aufweist.
Wälzkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlraum (14, 22) gas- und/oder flüssigkeitsdicht ausgebildet ist.
Wälzkörper nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlraum (14, 22) mit einem unter Druck stehenden Gas befällt ist.
Wälzkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass in der Bauteilwandung eine verschließbare Öffnung vorgesehen wird, durch die der Hohlraum mit unter Druck stehendem Gas befüllbar ist.
Wälzkörper nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die verschließbare Öffnung durch Aufbringung eines Zusatzwerkstoffes, beispielsweise einer Schweißnaht, dauerhaft verschlossen ist.
Wälzkörper nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die verschließbare Öffnung durch ein Ventil verschlossen ist.
Wälzkörper nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil auf einer seitlichen Stirnfläche des Wälzkörpers angeordnet ist.
Wälzkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Wälzkörper (4) eine zu den Seiten offene Ausnehmung (23) aufweist, die vom Hohlraum (22) durch einen sich im Inneren des Wälzkörpers (4) erstreckenden Wandungsabschnitt (24) getrennt ist.
Wälzkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Wälzkörper (2, 3, 4) durch Rotationsverformung spanlos aus zumindest einem Rohrabschnitt (1, 18, 19) hergestellt ist.
Wälzkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Wälzkörper (2, 3, 4) eine Bauteilwandung (13) mit einer Wandstärke von 1 mm bis 50 mm, insbesondere eine Wandstärke von 5 mm bis 20 mm, aufweist.
Verfahren zur Herstellung eines Wälzkörpers, nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Rohrabschnitt (1, 19) mit offenen Stirnflächen an den Enden (6, 7, 20, 21) durch Rotationsverformung derart umgeformt wird, dass die Stirnflächen unter Bildung eines allseitig umschlossenen Hohlraums (14, 22) von der umgeformten Bauteilwandung des Rohrabschnitts (1, 19) verschlossen werden und in mindestens eine verschlossene Stirnfläche eine muldenförmige Vertiefung (16, 17) eingeformt wird.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Außendurchmesser des Rohrabschnitts, insbesondere kegelförmig oder tonnenförmig, profiliert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Außendurchmesser des Rohrabschnitts bei der Umformung verringert, insbesondere auf ein Sollmaß kalibriert, wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Enden (20, 21) eines ersten Rohrabschnitts (19) derart umgeformt werden, dass sie unter Bildung eines insbesondere zylinderringförmigen Hohlraums (22) an den Enden eines zweiten Rohrabschnitts (18) mit kleinerem oder größerem Durchmesser zur Anlage kommen.