DE102005033356A1

DE102005033356A1 - Radialwälzlager, insbesondere zur Lagerung gering belasteter Wellen in Schwermaschinen

Info

Publication number: DE102005033356A1
Application number: DE102005033356A
Authority: DE
Inventors: Alban Kronenberger; Martin Grehn; Henri Van Der Knokke
Original assignee: Schaeffler KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2005-07-16
Filing date: 2005-07-16
Publication date: 2007-01-18

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Radialwälzlager (1), welches im Wesentlichen aus einem äußeren Lagerring (2) mit einer inneren Laufbahn (3) und einem inneren Lagerring (4) mit einer äußeren Laufbahn (5) sowie aus einer Vielzahl zwischen den Lagerringen (2, 4) auf deren Laufbahnen (3, 5) abrollender Wälzkörper (6) besteht, die durch einen Lagerkäfig (7) in Umfangsrichtung in gleichmäßigen Abständen zueinander gehalten werden. Zur Vermeidung von Schlupf zwischen den Wälzkörpern (6) und den Lagerringen (2, 4) ist die Laufbahn (3, 5) zumindest eines Lagerringes (2, 4) mit zumindest einer umlaufenden Nut (8) ausgebildet, in der ein elastisches, in Richtung der Lagerlängsachse wirkendes Spannelement (9) angeordnet ist, welches die Wälzkörper (6) gegen die Laufbahn (5, 3) des jeweils anderen Lagerrings (4, 2) presst. DOLLAR A Erfindungsgemäß ist jedes Spannelement (9) als aus einem Federbandstahl bestehender sowie im Profilquerschnitt zur Lagerachse gewölbter Federring (10) ausgebildet, der mit seiner Wölbung (11) die Laufbahn (3, 5) des jeweiligen Lagerrings (2, 4) überragt und form-, kraft- oder stoffschlüssig in der jeweiligen Nut (8) in der Laufbahn (3, 5) dieses Lagerrings (2, 4) befestigt ist.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Radialwälzlager nach den oberbegriffsbildenden Merkmalen des Patentanspruchs 1, und sie ist insbesondere bei der Lagerung gering belasteter Wellen in Schwermaschinen, wie beispielsweise der Vertikalwelle eines Kegelbrechers, realisierbar.

Hintergrund der Erfindung

Dem Fachmann in der Wälzlagertechnik ist es allgemein bekannt, dass Radialwälzlager bei ausreichender Belastung einen optimalen kinematischen Betriebszustand aufweisen, bei dem die Wälzkörper ohne zu gleiten auf den Laufbahnen des inneren und des äußeren Lagerrings abrollen. Desweiteren ist es von niedrig belasteten, schweren Radialwälzlagern bekannt, dass sich der aus den Wälzkörpern und deren Lagerkäfig bestehende Wälzkörpersatz aufgrund der Reibung im Lager beziehungsweise aufgrund der hohen Massenkraft des Wälzkörpersatzes und der geringen Kontaktkraft zwischen den Wälzkörpern und den Laufbahnen nicht mit der kinematischen Drehzahl dreht. Die Drehzahl des Wälzkörpersatzes bleibt folglich gegenüber der kinematischen Drehzahl zurück, so dass sich die Wälzkörper in einem kinematisch nicht optimalen Zustand befinden, durch den zwischen diesen Wälzkörpern und mindestens einer Laufbahn Schlupf vorliegt. Dabei kann sich an den Kontaktflächen zwischen den Wälzkörpern und der Laufbahn ein Schmierfilm aufbauen, der jedoch bei plötzlicher Drehzahl- oder Belastungsänderung zerstört wird, so dass an den schlupfbehafteten Kontaktstellen innerhalb kürzester Zeit kein ausreichender Schmierfilm mehr vorliegt. Dies hat zur Folge, dass es zu einer metallischen Berührung der Laufbahn mit den Wälzkörpern kommt und diese auf der Laufbahn gleiten, bis die Wälzkörper auf die kinematische Drehzahl beschleunigt sind. Diese große Differenzgeschwindigkeit zwischen der Laufbahn und den Wälzkörpern sowie das Fehlen eines trennenden Schmierfilms ist somit ursächlich dafür, dass es in den Oberflächen der Laufbahn und der Wälzkörper zu hohen Tangentialspannungen kommt, die mit stärksten Verschleißerscheinungen, wie Aufrauhungen der Laufbahnen, Materialaufreißungen und Anschmierungen zumeist in Verbindung mit Mikropittings verbunden sind und zum vorzeitigen Ausfall des Radialwälzlagers führen.

Zur Vermeidung dieses Schlupfeffektes und der daraus resultierenden Nachteile wurde deshalb durch die DE 932 942 ein Wälzlager mit erhöhtem Rollwiderstand vorgeschlagen, welches im Wesentlichen aus einem äußeren Lagerring mit einer inneren Laufbahn und einem inneren Lagerring mit einer äußeren Laufbahn sowie aus einer Vielzahl zwischen den Lagerringen auf deren Laufbahnen abrollender Wälzkörper besteht, die durch einen Lagerkäfig in Umfangsrichtung in gleichmäßigen Abständen zueinander gehaltenen werden. Bei diesem Wälzlager ist axial mittig in die Laufbahn des äußeren Lagerringes eine umlaufende Nut eingearbeitet, in der ein elastisches, in Richtung der Lagerlängsachse wirkendes Spannelement angeordnet ist, welches die Wälzkörper gegen die Laufbahn des jeweils anderen Lagerrings presst. Dieses Spannelement ist dabei als Kunststoffring ausgebildet, welcher die Nut in der Laufbahn des äußeren Lagerrings ausfüllt und geringfügig über die Laufbahn hervorsteht, so dass dieser beim Überrollen von den Wälzkörpern verformt wird und sich infolge dessen deren Rollwiderstand erhöht.

Nachteilig bei einem solchen Wälzlager ist es jedoch, dass der in der Laufbahn des äußeren Lagerringes angeordnete Kunststoffring einen niedrigen Elastizitätsmodul aufweist, durch den Kunststoffring abhängig vom jeweiligen Kunststoff nur über eine geringe nicht veränderliche Vorspannkraft verfügt. Darüber hinaus hat es sich unter reellen Betriebsbedingungen gezeigt, dass ein solcher Kunststoffring sehr verschleißempfindlich ist, da dessen Material durch das permanente Überrollen durch die Wälzkörper einer ständigen Walkbeanspruchung unterliegt, durch die bereits nach kurzer Zeit die Elastizität und die Vorspannkraft des Materials nachlässt und über eine längere Betriebszeit kaum noch vorhanden ist. Das Nachlassen der Elastizität und der Vorspannkraft eines solchen Kunststoffrings wird dabei noch durch den Abrieb durch die Wälzkörper sowie dadurch verstärkt, das der Kunststoffring einen höheren Ausdehnungskoeffizienten als der Lagerring aufweist und sich somit bei Betriebstemperatur des Lagers radial derart ausweitet, dass dessen Walkbeanspruchung und Verschleiß noch höher wird. Außerdem sind die Anwendungsmöglichkeiten von Lagern mit derartigen Kunststoffringen nur sehr begrenzt, da in vielen Fällen für die Lager spezielle Schmierstoffe mit chemischen Bestandteilen verwendet werden, die aggressiv auf Kunststoffteile reagieren.

Aufgabe der Erfindung

Ausgehend von den dargelegten Nachteilen der Lösungen des bekannten Standes der Technik liegt der Erfindung deshalb die Aufgabe zu Grunde, ein Radialwälzlager, insbesondere zur Lagerung gering belasteter Wellen in Schwermaschinen, zu konzipieren, bei dem zur Vermeidung von Schlupf zwischen den Wälzkörpern und deren einer Laufbahn ein die Wälzkörper auf die die andere Laufbahn pressendes Spannelement verwendet wird, welches sich durch eine hohen Elastizität und eine veränderbare Vorspannkraft sowie durch mechanische Verschleißfestigkeit, gutes Wärmeverhalten und chemische Beständigkeit gegen Schmierstoffe mit aggressiven Bestandteilen auszeichnet und bei welchem Elastizitätsermüdungen dauerhaft ausgeschlossen sind.

Beschreibung der Erfindung

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei einem Radialwälzlager nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 derart gelöst, dass jedes Spannelement als aus einem Federbandstahl mit einem hohen Elastizitätsmodul und zumindest annähernd dem gleichen Ausdehnungskoeffizienten wie die Lagerringe bestehender sowie im Profilquerschnitt zur Lagerlängsachse gewölbter Federring ausgebildet ist, der mit seiner Wölbung die Laufbahn des jeweiligen Lagerringes überragt und form-, kraft- oder stoffschlüssig im Grund der jeweiligen Nut in der Laufbahn dieses Lagerrings befestigt ist.

Bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des erfindungsgemäß ausgebildeten Radialwälzlagers werden in den Unteransprüchen beschrieben.

Danach ist es gemäß Anspruch 2 bei dem erfindungsgemäß ausgebildeten Radialwälzlager vorgesehen, dass bevorzugt in der Laufbahn des äußeren Lagerrings entweder axial mittig eine umlaufende Nut oder alternativ axial seitlich zwei umlaufende Nuten mit jeweils rechteckigem Profilquerschnitt angeordnet sind, in denen entweder mittig ein gewölbter Federring oder seitlich zwei identische gewölbte Federringe befestigt sind. Die Ausführungsform mit einem in einer axial mittigen Nut befestigten Federring hat dabei den Vorteil, dass sie einfacher herstellbar und somit kostengünstiger ist und dass durch lediglich eine Nut in der Laufbahn weniger traglastmindernde Laufbahnfläche entfällt. Die Ausführungsform mit zwei in zwei seitlichen Nuten befindlichen Federringen hat dagegen den Vorteil, dass damit auch nachteilige Schränkbewegungen der Wälzkörper vermieden werden. Die Federringe können in den Nuten in der Laufbahn des äußeren Lagerrings entweder lose mit Spiel oder fest fixiert sein, wobei eine Befestigung der Federringe in den Nuten entweder formschlüssig durch Rastnasen in der jeweiligen Nut oder kraftschlüssig durch die Spreizkraft des gewölbten Federbandes erfolgen kann oder auch stoffschlüssig durch eine Löt- oder Klebverbindung realisiert werden kann. Anstelle der Anordnung von ein oder zwei Federbändern in der Laufbahn des äußeren Lagerrings ist es natürlich auch möglich, diese in der Laufbahn des inneren Lagerrings anzuordnen, wobei es auch denkbar wäre, beispielsweise einen gewölbten Federring in einer axial mittigen Nut in der Laufbahn des äußeren Lagerrings anzuordnen und gleichzeitig die Laufbahn des inneren Lagerrings mit zwei gewölbten Federringen in axial seitlichen Nuten auszubilden.

Nach Anspruch 3 ist es schließlich noch ein weiteres Merkmal des erfindungsgemäß ausgebildeten Radialwälzlagers, dass die Vorspannkraft jedes Federringes ausgehend von der zulässigen Zugspannung des Federbandstahls über die Breite und die Tiefe der jeweiligen Nut in der Laufbahn des äußeren Lagerrings und/oder über die Profildicke, die Profilbreite und die Profilhöhe jedes Federrings definierbar ist. Im Gegensatz zu den bekannten Kunststoffringen ist es durch den Einsatz von mit verschieden Profilquerschnitten ausgebildeten Federstahlringen in Kombination mit der Geometrie ihrer Nuten in der Lauffläche des Lagerrings somit möglich, die für den jeweiligen Anwendungsfall notwendige Vorspannkraft der Federringe exakt einzustellen. Die eingestellte Vorspannkraft kann auch nicht mehr wesentlich durch steigende Betriebstemperaturen beeinflusst werden, da für die Federringe bevorzugt ein Federstahl verwendet wird, der den gleichen oder annähernd gleichen Ausdehnungskoeffizienten wie der Wälzlagerstahl der Lagerringe hat.

Das erfindungsgemäß ausgebildete Radialwälzlager weist somit gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Radialwälzlagern den Vorteil auf, dass es durch die Verwendung eines oder mehrerer als Federring aus einem Federbandstahl ausgebildeten Spannelementes zur Vermeidung von Schlupf zwischen den Wälzkörpern und zumindest einer Laufbahn wesentlich verschleiß fester ausgebildet ist und somit eine höhere Gebrauchsdauer aufweist. Darüber hinaus können durch derartige Federringe wesentlich höhere und genau definierbare Vorspannkräfte auf die Wälzkörper ausgeübt werden, ohne dass die Elastizität und die Vorspannkraft des Materials durch das permanente Überrollen durch die Wälzkörper und durch deren Abrieb selbst über eine längere Betriebszeit nachlässt. Darüber hinaus sind die Anwendungsmöglichkeiten von Lagern mit derartigen Federringen nahezu unbegrenzt, da die Federringe gegen Schmierstoffe mit aggressiven chemischen Bestandteilen resistent sind.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäß ausgebildeten Radialwälzlagers wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen:
1 einen vergrößerten Querschnitt durch eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäß ausgebildeten Radialwälzlagers;
2 einen vergrößerten Querschnitt durch eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäß ausgebildeten Radialwälzlagers.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
Aus den 1 und 2 geht deutlich jeweils ein als Zylinderrollenlager ausgebildetes Radialwälzlager 1 hervor, welches im Wesentlichen aus einem äußeren Lagerring 2 mit einer inneren Laufbahn 3 und einem inneren Lagerring 4 mit einer äußeren Laufbahn 5 sowie aus einer Vielzahl zwischen den Lagerringen 2, 4 auf deren Laufbahnen 3, 5 abrollender Wälzkörper 6 besteht, die durch einen Lagerkäfig 7 in Umfangsrichtung in gleichmäßigen Abständen zueinander gehalten werden. Desweiteren ist in 1 zu sehen, dass bei die sem Radialwälzlager 1 zur Vermeidung von Schlupf zwischen den Wälzkörpern 6 und dem inneren Lagerring 4 die Laufbahn 3 des äußeren Lagerringes 2 mit einer umlaufenden Nut 8 ausgebildet ist, in der ein elastisches, in Richtung der Lagerlängsachse wirkendes Spannelement 9 angeordnet ist, welches die Wälzkörper 6 gegen die Laufbahn 5 des inneren Lagerrings 4 presst.
Darüber hinaus ist den 1 und 2 entnehmbar, dass jedes dieser Spannelemente 9 erfindungsgemäß als aus einem Federbandstahl bestehender sowie im Profilquerschnitt zur Lagerlängsachse gewölbter Federring 10 ausgebildet ist, der eine hohen Elastizitätsmodul und zumindest annähernd dem gleichen Ausdehnungskoeffizienten wie die Lagerringe 2, 4 aufweist. Dieser Federring 10 überragt deutlich sichtbar mit seiner Wölbung 11 die Laufbahn 3 des äußeren Lagerringes 2 und ist durch seine Spreizkraft mit seinen Seitenkanten 12, 13 kraftschlüssig in der jeweiligen Nut 8 in der Laufbahn 3 des äußeren Lagerrings 2 befestigt. Bei der in 1 gezeigten ersten Ausführungsform ist dabei in die Laufbahn 3 des äußeren Lagerrings 2 axial mittig nur eine Nut 8 mit rechteckigem Profilquerschnitt eingearbeitet, in der ein gewölbter Federring 10 angeordnet ist, während bei der in 2 dargestellten zweiten Ausführungsform axial seitlich zwei Nuten 8, 8' mit rechteckigem Profilquerschnitt in die Laufbahn 3 des äußeren Lagerrings 2 eingearbeitet sind, in denen dementsprechend zwei identische gewölbte Federringe 10, 10' befestigt sind.
Lediglich andeutungsweise ist den 1 und 2 noch entnehmbar, dass die Vorspannkraft jedes Federringes 10, 10' ausgehend von der zulässigen Zugspannung des Federbandstahls über die Breite und die Tiefe der jeweiligen Nut 8, 8' in der Laufbahn 3 des äußeren Lagerrings 2 und/oder über die Profildicke, die Profilbreite und die Profilhöhe jedes Federrings 10, 10' definiert werden kann, so das es möglich ist, die für den jeweiligen Anwendungsfall notwendige Vorspannkraft der Federringe 10, 10' exakt einzustellen.

1: Radialwälzlager
2: äußerer Lagerring
3: innere Laufbahn
4: innerer Lagerring
5: äußere Laufbahn
6: Wälzkörper
7: Lagerkäfig
8: Nut
8': Nut
9: Spannelement
10: Federring
10': Federring
11: Wölbung
12: Seitenkante
13: Seitenkante

Claims

Radialwälzlager, insbesondere zur Lagerung gering belasteter Wellen in Schwermaschinen, welches im Wesentlichen aus einem äußeren Lagerring (2) mit einer inneren Laufbahn (3) und einem inneren Lagerring (4) mit einer äußeren Laufbahn (5) sowie aus einer Vielzahl zwischen den Lagerringen (2, 4) auf deren Laufbahnen (3, 5) abrollender Wälzkörper (6) besteht, die durch einen Lagerkäfig (7) in Umfangsrichtung in gleichmäßigen Abständen zueinander gehalten werden, wobei zur Vermeidung von Schlupf zwischen den Wälzkörpern (6) und den Lagerringen (2, 4) die Laufbahn (3, 5) zumindest eines Lagerringes (2, 4) mit zumindest einer umlaufenden Nut (8) ausgebildet ist, in der ein elastisches, in Richtung der Lagerlängsachse wirkendes Spannelement (9) angeordnet ist, welches die Wälzkörper (6) gegen die Laufbahn (5, 3) des jeweils anderen Lagerrings (4, 2) presst, dadurch ge kennzeichnet, dass jedes Spannelement (9) als aus einem Federbandstahl mit einem hohen Elastizitätsmodul und zumindest annähernd dem gleichen Ausdehnungskoeffizienten wie die Lagerringe (2, 4) bestehender sowie im Profilquerschnitt zur Lagerlängsachse gewölbter Federring (10) ausgebildet ist, der mit seiner Wölbung (11) die Laufbahn (3, 5) des jeweiligen Lagerringes (2, 4) überragt und form-, kraft- oder stoffschlüssig im Grund der jeweiligen Nut (8) in der Laufbahn (3, 5) dieses Lagerrings (2, 4) befestigt ist.
Radialwälzlager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bevorzugt in der Laufbahn (3) des äußeren Lagerrings (2) entweder axial mittig eine Nut (8) oder alternativ axial seitlich zwei Nuten (8, 8') mit jeweils recht eckigem Profilquerschnitt angeordnet ist/sind, in der/denen entweder ein gewölbter Federring (10) oder zwei identische gewölbte Federringe (10, 10') befestigt ist/sind.
Radialwälzlager nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorspannkraft jedes Federringes (10, 10') ausgehend von der zulässigen Zugspannung des Federbandstahls über die Breite und die Tiefe der jeweiligen Nut (8, 8') in der Laufbahn (3) des äußeren Lagerrings (2) und/oder über die Profildicke, die Profilbreite und die Profilhöhe jedes Federrings (10, 10') definierbar ist.