DE102004030964A1

DE102004030964A1 - Wälzlager, insbesondere zweireihiges Rollenlager

Info

Publication number: DE102004030964A1
Application number: DE102004030964A
Authority: DE
Inventors: Jörg Dr. Spielfeld; Stefan GLÜCK
Original assignee: FAG Kugelfischer AG and Co OHG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2004-06-26
Filing date: 2004-06-26
Publication date: 2006-01-12
Also published as: EP1761711A1; DE502005005134D1; ATE405755T1; WO2006000183A1; EP1761711B1; JP2008504508A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein zweireihiges Rollenlager (1), welches im Wesentlichen aus einem äußeren Lagerring (2) und einem inneren Lagerring (3) sowie aus einer Anzahl zwischen den Lagerringen (2, 3) in zwei Reihen (4, 5) nebeneinander angeordneter Rollen (6) besteht, die durch einen Lagerkäfig (7) in Umfangsrichtung in gleichmäßigen Abständen zueinander gehalten werden. Die Innenseite des äußeren Lagerrings (2) bildet dabei eine Außenlaufbahn (8) für die Rollen (6), während die Außenseite des inneren Lagerrings (3) mit zwei Innenlaufbahnen (9, 10) ausgebildet ist, zwischen denen ein loser Führungsring (11) angeordnet ist, auf dessen Außenmantelfläche (12) der Lagerkäfig (7) aufliegt und an dessen Seitenflächen (13, 14) die Rollen (6) mit jeweils einer ihrer Stirnflächen (15, 16) abrollen. DOLLAR A Erfindungsgemäß ist der zwischen den Innenlaufbahnen (9, 10) des inneren Lagerrings (3) angeordnete Führungsring (11) axial geteilt ausgebildet und besteht aus zwei Teilringen (17, 18), die durch mehrere aus einer Formgedächtnislegierung bestehende Zwischenstücke derart miteinander verbunden sind, dass mit dem Führungsring (11) bei jeder Betriebstemperatur durch selbsttätige Längenveränderungen der Zwischenstücke eine annähernd gleiche axiale Vorspannung auf die Rollen (6) des Rollenlagers (1) erzeugbar ist.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Wälzlager nach den oberbegriffsbildenden Merkmalen des Patentanspruchs 1, und sie ist insbesondere vorteilhaft an zweireihigen Rollenlagern, wie Zylinder-, Tonnen-, Kegel- und Pendelrollenlagern realisierbar.
Hintergrund der Erfindung
Dem Fachmann ist es allgemein bekannt, das Wälzlager, die zur Übertragung radialer und/oder axialer Lasten an rotierenden Teilen dienen, nach der Form ihrer Wälzkörper einerseits in Kugellager und andererseits in Rollenlager unterteilt werden. Bei den Rollenlagern unterscheidet man dabei zwischen Zylinderrollenlagern, Kegelrollenlagern, Pendelrollenlagern sowie Tonnenrollenlagern mit asymmetrischen oder symmetrischen Rollen, die wiederum je nach Anforderung als ein- oder zweireihige Rollenlager ausgeführt sein können. Zweireihige Rollenlager weisen dabei die Gemeinsamkeit auf, dass sie im wesentlichen aus einem äußeren Lagerring und einem inneren Lagerring sowie aus einer Anzahl zwischen den Lagerringen in zwei Reihen angeordneten Rollen bestehen, die durch einen Lagerkäfig in Umfangsrichtung in gleichmäßigen Abstän den zueinander gehalten werden. Die Innenseite des äußeren Lagerrings bildet dabei die Außenlaufbahnen) und die Außenseite des inneren Lagerrings ist mit zwei Innenlaufbahnen für die Rollen ausgebildet, wobei zwischen den Innenlaufbahnen des inneren Lagerrings ein Führungsring angeordnet ist, auf dessen ebener Außenmantelfläche der Lagerkäfig aufliegt. Dieser Führungsring ist wahlweise fest oder lose auf dem inneren Lagerring angeordnet und weist darüber hinaus zwei ebene Seitenflächen auf, an denen die Rollen mit jeweils einer ihrer Stirnflächen im Betrieb des Lagers abrollen.

Ein als zweireihiges Pendelrollenlager ausgebildetes Wälzlager dieser Art ist beispielsweise aus der DE 197 42 570 A1 vorbekannt. Bei diesem Pendelrollenlager ist der Führungsring für die Rollen als loser Führungsring ausgebildet, der einen rechteckigen Profilquerschnitt aufweist und auf dem inneren Lagerring zwischen den beiden Innenlaufbahnen der Rollen geführt wird. Dieser Führungsring ist in seiner axialen Breite so dimensioniert, dass die Rollen des Pendelrollenlagers axial vorgespannt sind bzw. dass durch den Führungsring auf die Rollen eine Kraft unter einem spitzen Winkel zu den Rollenachsen ausgeübt wird. Dadurch werden die Berührungspunkte zwischen den Rollen und der Außenlaufbahn sowie den Innenlaufbahnen derart verschoben, dass ein Schränken der Rollen verringert wird.

In der Praxis hat es sich jedoch gezeigt, dass es bei unterschiedlichen Betriebstemperaturen eines solchen Pendelrollenlagers zu einer Abnahme oder zu einer Zunahme der axialen Vorspannung der Rollen über den Führungsring kommt, die vor allem aus den unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen dem Führungsring, den Rollen und dem Innenring des Pendelrollenlagers resultiert. Dadurch kommt es im Betrieb des Lagers bei Abnahme der Vorspannung nach wie vor zu Schränkbewegungen der Rollen oder bei Zunahme der Vorspannung zu einer hohen Flächenpressung zwischen den Rollen und den ebenen Seitenflächen des Führungsrings, durch die der Führungsring übermäßig stark verschlissen wird. Außerdem hat es sich gezeigt, dass es unter bestimmten Lastbedingungen zu einem Auswandern der Berührungspunkte zwischen den Rollen und dem Führungsring kommen kann, bei dem die Stirn flächen der Rollen an den geraden Seitenflächen des Führungsbordes aufgleiten. Dadurch rollen die Rollen zeitweise nur noch auf den Kanten der Seitenflächen des Führungsringes ab und es kommt zu sogenannten Kantenläufern, durch die der Führungsring ebenfalls stark verschlissen wird und die nicht selten die Ursache für einen Ausfall des Lagers darstellen.

Aufgabe der Erfindung

Ausgehend von den dargelegten Nachteilen des bekannten Standes der Technik liegt der Erfindung deshalb die Aufgabe zu Grunde, ein Wälzlager, insbesondere ein zweireihiges Rollenlager, zu konzipieren, dessen Rollen unabhängig von der Betriebstemperatur des Lagers jederzeit eine solche axiale Vorspannung aufweisen, dass sowohl Schränkbewegungen der Rollen als auch eine hohe Flächenpressung zwischen den Rollen und den Seitenflächen des Führungsrings weitestgehend vermieden werden.

Beschreibung der Erfindung

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei einem Wälzlager nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 derart gelöst, dass der zwischen den Innenlaufbahnen des inneren Lagerrings angeordnete Führungsring axial geteilt ausgebildet ist und aus zwei Teilringen besteht, die durch mehrere aus einer Formgedächtnislegierung bestehende Zwischenstücke derart miteinander verbunden sind, dass mit dem Führungsring bei jeder Betriebstemperatur durch selbsttätige Längenveränderungen der Zwischenstücke eine annähernd konstante axiale Vorspannung auf die Rollen des Rollenlagers erzeugbar ist.

Sogenannte Formgedächtnislegierungen oder auch Memory-Legierungen sind seit mehr als 30 Jahren Gegenstand der anwendungsorientierten Materialforschung und zeichnen sich dadurch aus, dass sie nach geeigneter Behandlung auf Grund einer Umwandlung vom Austenit zum Martensit ihre Gestalt in Abhängigkeit von der Temperatur oder auch von Druck verändern. In ihrer Tieftemperaturform können Werkstücke aus solchen Legierungen bleibend, das heißt scheinbar plastisch, verformt werden, während sie bei Erwärmung über die Umwandlungstemperatur ihre ursprüngliche Form wieder annehmen. Werden diese Werkstücke erneut abgekühlt, können sie erneut plastisch verformt werden, nehmen aber, sofern sie entsprechend erwärmt werden, unter Rückkehr ihrer Mikrostruktur zum Austenit wieder ihre makroskopische, ursprüngliche Hochtemperaturform an. Beim Formgedächtnisverhalten kann man grundsätzlich zwischen dem Einwegeffekt, dem Zweiwegeeffekt und der Pseudoelastizität unterscheiden. Beim Einwegeffekt nimmt ein Material, das bei einer tiefen Temperatur verformt wurde, seine ursprüngliche Form wieder an, wenn es auf eine höhere Temperatur erhitzt wurde. Als Zweiwegeeffekt bezeichnet man dagegen die Erscheinung, bei der sich das Material sowohl bei Temperaturerhöhung als auch bei Abkühlung an seine eintrainierte Form erinnert. Von Pseudoelastizität spricht man schließlich, wenn die Umwandlung vom Austenit zum Martensit nicht durch Abkühlen, sondern in bestimmten Temperaturbereichen durch eine Schubspannung mechanisch erreicht wird. Ein pseudoelastischer Werkstoff verformt sich während der Belastung zunächst rein elastisch und erst ab einer kritischen Spannung setzt eine spannungsindizierte Umwandlung von Austenit zu Martensit ein, durch die hohe elastische Dehnungsbeträge bei konstanter Spannung erzielt werden. Bei Entlastung wandelt sich der Werkstoff wieder in seine Ausgangsstruktur von Martensit zu Austenit um und die Verformung geht quasi-elastisch zurück.

Als zweckmäßige Weiterbildung des erfindungsgemäß ausgebildeten Wälzlagers wird es daher zunächst vorgeschlagen, dass der Führungsring bevorzugt einen rechteckigen Profilquerschnitt aufweist und in seiner Profilbreite axial derart geteilt ausgebildet ist, dass die beiden Teilringe einen jeweils gleich großen, ebenfalls rechteckigen Profilquerschnitt aufweisen. Derartige Führungsringe mit einem rechteckigen Profilquerschnitt haben sich in ihrer Herstellung als besonders einfach und kostengünstig erwiesen und weisen gegenüber Führungsringen mit trapezförmigen Profilquerschnitt zudem den Vorteil auf, dass sie in allen Arten zweireihiger Rollenlager einsetzbar sind. Zumindest für zweireihige Schrägrollenlager ist es jedoch auch möglich, den Führungsring mit einem trapezförmigen Profilquerschnitt auszubilden und in seiner Profilbreite axial derart zu teilen, dass die entstehenden Teilringe jeweils einen gleich großen, keilförmigen Profilquerschnitt aufweisen.

Hinsichtlich der die Teilringe des Führungsringes miteinander verbindenden und aus einer Formgedächtnislegierung bestehenden Zwischenstücke wird es als weiteres Merkmal des erfindungsgemäß ausgebildeten Wälzlagers vorgeschlagen, diese bevorzugt als zylindrische Bolzen auszubilden, die in gleichmäßig zueinander beabstandeten Durchgangsbohrungen in den Seitenflächen der Teilringe befestigt sind. Als ausreichend haben sich dabei acht, jeweils im Winkel von 45° zueinander beabstandete Durchgangsbohrungen in den Teilringen erwiesen, in denen entsprechend acht die Teilringe miteinander verbindende zylindrische Bolzen aus einer Formgedächtnislegierung mit annähernd gleichem Durchmesser wie die Durchgangsbohrungen bevorzugt durch Verkleben befestigt sind. Denkbar wäre es jedoch auch, die Teilringe des Führungsrings durch einen komplett aus einer Formgedächtnislegierung bestehenden und mit den Innenseiten der Teilringe verklebten Zwischenring mit gleichem Innen- und Außendurchmesser wie die Teilringe miteinander zu verbinden oder die Zwischenstücke aus einer Formgedächtnislegierung in anderer geeigneter Weise auszubilden, beispielsweise als zwischen den Teilringen angeordnete Metallplättchen, und/oder die Zwischenstücke in anderer geeigneter Weise an den Teilringen zu befestigen.

Ein letztes Merkmal des erfindungsgemäß ausgebildeten Wälzlagers ist es schließlich noch, dass die miteinander verbundenen Teilringe des Führungsringes einen Ausgleichsspalt zueinander aufweisen und dass die Formgedächtnislegierung der Zwischenstücke bevorzugt als Beta-Nickel-Titan-Legierung mit Pseudoelastizität als Formgedächtniseigenschaft ausgebildet ist. Eine solche Legierung mit Pseudoelastizität als Formgedächtniseigenschaft hat sich für den vorgesehenen Verwendungszweck als am geeignetsten erwiesen, da das gummiartige Verhalten einer solchen Legierung es mit entsprechender Einstellung ermöglicht, temperaturbedingte Schwankungen der axialen Vorspannung der Rollen des Lagers so auszugleichen, dass diese bei jeder Betriebstemperatur konstant ist. Möglich ist jedoch auch die Verwendung anderer bekannter Formgedächtnislegierungen mit derartigem Formgedächtnisverhalten, wie beispielsweise Beta-Legierungen aus Kupfer-Nickel-Titan, Kupfer-Zink-Aluminium, Kupfer-Aluminium-Nickel oder Eisen-Nickel-Chrom.

Das erfindungsgemäß ausgebildete Wälzlager weist somit gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Wälzlagern den Vorteil auf, dass durch die Teilung des Führungsrings in zwei Teilringe und deren Verbindung über gesonderte Zwischenstücke aus einer Formgedächtnislegierung mit Pseudoelastizität der Führungsring selbsttätig durch Längenveränderungen der Zwischenstücke unabhängig von der Betriebstemperatur des Lagers jederzeit eine konstante Vorspannung auf die Rollen des Lagers ausübt. Dadurch werden sowohl Schränkbewegungen der Rollen als auch eine hohe Flächenpressung zwischen den Rollen und den Seitenflächen des Führungsrings vermieden und die daraus resultierenden Folgeschäden sind ausgeschlossen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäß ausgebildeten Wälzlagers wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen:
1 eine räumliche Darstellung eines erfindungsgemäß ausgebildeten zweireihigen Pendelrollenlagers mit einem Teilschnitt;
2 eine vergrößerte Darstellung des Teilschnittes am erfindungsgemäß ausgebildeten Pendelrollenlager gemäß 1;
3 eine vergrößerte Darstellung eines Querschnitts durch das erfindungsgemäß ausgebildete Pendelrollenlager gemäß 1;
4 eine schematische Darstellung des Kontaktes zwischen den Rollen und dem Führungsring des erfindungsgemäß ausgebildeten Pendelrollenlagers gemäß 1 in Draufsicht.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
Aus 1 geht deutlich ein als Pendelrollenlager ausgebildetes zweireihiges Rollenlager 1 hervor, welches im Wesentlichen aus einem äußeren Lagerring 2 und einem inneren Lagerring 3 sowie aus einer Anzahl zwischen den Lagerringen 2, 3 in zwei Reihen 4, 5 nebeneinander angeordneter Rollen 6 besteht. Diese, als symmetrische Tonnenrollen ausgebildete Rollen 6 werden deutlich sichtbar durch einen Lagerkäfig 7 in Umfangsrichtung in gleichmäßigen Abständen zueinander gehalten und rollen mit ihren Umfangsflächen auf einer an der Innenseite des äußeren Lagerrings 2 gebildeten gekrümmten Außenlaufbahn 8 und auf zwei auf der Außenseite des inneren Lagerrings 3 eingeformten gekrümmten Innenlaufbahnen 9, 10 ab. Zwischen den Innenlaufbahnen 9, 10 des inneren Lagerringes 3 ist darüber hinaus ein loser Führungsring 11 angeordnet, auf dessen in 2 sichtbarer Außenmantelfläche 12 der Lagerkäfig 7 aufliegt und an dessen Seitenflächen 13, 14 die Rollen 6 mit jeweils einer ihrer Stirnflächen 15, 16 abrollen.
Darüber hinaus ist in den 2 und 3 zu sehen, dass der zwischen den Innenlaufbahnen 9, 10 des inneren Lagerrings 3 angeordnete Führungsring 11 erfindungsgemäß axial geteilt ausgebildet ist und aus zwei Teilringen 17, 18 besteht, die durch mehrere aus einer Formgedächtnislegierung bestehende Zwischenstücke miteinander verbunden sind. Die Formgedächtnislegierung der Zwischenstücke ist dabei als Beta-Nickel-Titan-Legierung mit Pseudoelastizität als Formgedächtniseigenschaft ausgebildet, so dass es im Betrieb des Rollenlagers 1 durch selbsttätige Längenveränderungen der Zwischenstücke möglich ist, mit dem Führungsring 11 bei jeder Betriebstemperatur eine annähernd konstante axiale Vorspannung auf die Rollen 6 des Rollenlagers 1 zu erzeugen.
In vorteilhafter Weise weist der Führungsring 11 dabei klar ersichtlich einen rechteckigen Profilquerschnitt auf und ist in seiner Profilbreite axial derart geteilt ausgebildet, dass die beiden Teilringe 17, 18 ebenfalls einen jeweils gleich großen, rechteckigen Profilquerschnitt aufweisen und in Verbindung miteinander einen Ausgleichsspalt 21 zueinander aufweisen.
Die Zwischenstücke zu Verbindung der Teilringe 17, 18 des Führungsringes 11 miteinander sind, wie die 3 und 4 desweiteren zeigen, als zylindrische Bolzen 19 ausgebildet, die in gleichmäßig zueinander beabstandeten Durchgangsbohrungen 20 in den Seitenflächen 13, 14 der Teilringe 17, 18 durch Verkleben befestigt sind.
In seiner Funktion weist das derart ausgebildete Rollenlager 1, bei dem der Führungsring 11 im eingebauten Zustand eine definierte Vorspannung auf die Rollen 6 ausübt, dann die Eigenschaft auf, dass mit zunehmender Erwärmung des Rollenlagers 1 im Betrieb und der damit verbundenen Ausdehnung der Rollen 6 sich die Flächenpressung zwischen dem Führungsring 11 und den Rollen 6 erhöht, durch die eine Druckspannung in den Bolzen 19 zwischen den Teilringen 17, 18 entsteht. Durch deren Ausbildung aus einer Formgedächtnislegierung löst diese Druckspannung mit weiterer Erhöhung eine proportionale Verkürzung der Bolzen 19 aus, durch die der Ausgleichsspalt 21 zwischen den Teilringen 17, 18 geringfügig kleiner wird und somit die Flächenpressung zwischen dem Führungsring 11 und den Rollen 6 wieder auf das Maß der axialen Vorspannung der Rollen 6 gesenkt wird.
Bei Abkühlung des Rollenlagers 1 lässt die Druckspannung in den Bolzen 19 zwischen den Teilringen 17, 18 des Führungsringes 11 wieder nach, so dass die Bolzen 19 und der Führungsring 11 allmählich wieder ihre ursprüngliche Länge bzw. Breite einnehmen. Somit wird bei jeder Betriebstemperatur des Rollenlagers 1 eine konstante Vorspannung auf die Rollen 6 ausgeübt, durch die sowohl Schränkbewegungen der Rollen 6 als auch eine hohe Flächenpressung zwischen den Rollen 6 und dem Führungsring 11 vermieden werden.

1: Rollenlager
2: äußerer Lagerring
3: innerer Lagerring
4: Reihe
5: Reihe
6: Rollen
7: Lagerkäfig
8: Außenlaufbahn
9: Innenlaufbahn
10: Innenlaufbahn
11: Führungsring
12: Außenmantelfläche
13: Seitenfläche
14: Seitenfläche
15: Stirnfläche
16: Stirnfläche
17: Teilring
18: Teilring
19: Bolzen
20: Durchgangsbohrungen
21: Ausgleichsspalt

Claims

Wälzlager, insbesondere zweireihiges Rollenlager (1 ), welches im Wesentlichen aus einem äußeren Lagerring (2) und einem inneren Lagerring (3) sowie aus einer Anzahl zwischen den Lagerringen (2, 3) in zwei Reihen (4, 5) nebeneinander angeordneter Rollen (6) besteht, die durch einen Lagerkäfig (7) in Umfangsrichtung in gleichmäßigen Abständen zueinander gehaltenen werden, wobei die Innenseite des äußeren Lagerrings (2) als Außenlaufbahnen) (8) und die Außenseite des inneren Lagerrings (3) mit zwei Innenlaufbahnen (9, 10) für die Rollen (6) ausgebildet sind und zwischen den Innenlaufbahnen (9, 10) des inneren Lagerringes (3) ein loser Führungsring (11) angeordnet ist, auf dessen Außenmantelfläche (12) der Lagerkäfig (7) aufliegt und an dessen Seitenflächen (13, 14) die Rollen (6) mit jeweils einer ihrer Stirnflächen (15, 16) abrollen, dadurch gekennzeichnet, dass der zwischen den Innenlaufbahnen (9, 10) des inneren Lagerrings (3) angeordnete Führungsring (11) axial geteilt ausgebildet ist und aus zwei Teilringen (17, 18) besteht, die durch mehrere aus einer Formgedächtnislegierung bestehende Zwischenstücke derart miteinander verbunden sind, dass mit dem Führungsring (11) bei jeder Betriebstemperatur durch selbsttätige Längenveränderungen der Zwischenstücke eine annähernd konstante axiale Vorspannung auf die Rollen (6) des Rollenlagers (1) erzeugbar ist.
Wälzlager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Führungsring (11) bevorzugt einen rechteckigen Profilquerschnitt aufweist und in seiner Profilbreite axial derart geteilt ausgebildet ist, dass die beiden Teilringe (17, 18) einen jeweils gleich großen, ebenfalls rechteckigen Profilquerschnitt aufweisen.
Wälzlager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenstücke zu Verbindung der Teilringe (17, 18) des Führungsringes (11) miteinander bevorzugt als zylindrische Bolzen (19) ausgebildet sind, die in gleichmäßig zueinander beabstandeten Durchgangsbohrungen (20) in den Seitenflächen (13, 14) der Teilringe (17, 18) befestigt sind.
Wälzlager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die miteinander verbundenen Teilringe (17, 18) des Führungsringes (11) einen Ausgleichsspalt (21) zueinander aufweisen und Formgedächtnislegierung der Zwischenstücke bevorzugt als Beta-Nickel-Titan-Legierung mit Pseudoelastizität als Formgedächtniseigenschaft ausgebildet ist.