Hintergrund
der Erfindung
Drehverbindungen
sind als Wälzlager-Drehverbindungen
bereits seit langem bekannt. Nach dem Fachbuch „Die Wälzlagerpraxis" vereinigte Fachverlage
GmbH, Mainz 1995 werden solche Wälzlager-Drehverbindungen
als Schwenklager für die
Abstützung
von Baggern, Kränen
oder in Fahrzeugbau für
Gelenkbusse bzw. Straßenbahnen
eingesetzt, d.h., in Einsatzgebieten, bei denen bei begrenztem Bauraum
hohe Belastungen auftreten und die eine hohe Betriebssicherheit
verlangen. Diese Drehverbindungen können Axialkräfte, Radialkräfte und
Kippmomente aufnehmen.
Auch
in der Medizintechnik werden Wälzlager-Drehverbindungen
eingesetzt. So ist es beispielsweise allgemein bekannt, dass bei
Computertomographen derartige Drehverbindungen vielfach verwendet
werden. Weiterhin findet man die Wälzlager-Drehverbindungen in ähnlichen
röntgenographischen
Geräten
zur Untersuchung von Gepäckstücken im
Sicherheitsbereich, z. B. auf Flughäfen. Mit dem stetigen Anstieg
der Drehzahl dieser Anwendungen bei gleichzeitiger Anforderung an
ein reduziertes Geräusch,
geringes Anlaufdrehmoment, kleinem Bauraum, geringem Gewicht und
hoher Laufgenauigkeit sind bekannte Wälzlager-Drehverbindungen ungeeignet
und genügen
daher nicht den Anforderungen dieser Anwendung. Dies betrifft insbesondere
die Anforderungen hinsichtlich verringerter Geräuschentwicklung.
Nun
sind zwar Dämpfungsmittel
an sich in der Wälzlagertechnik
bereits seit langem vorbekannt. So ist beispielsweise in der
DE 12 54 915 B ein Kugellager
beschrieben, dessen Lageraußenring
aus zwei Teilringen besteht, zwischen denen ein Dämpfungskörper angeordnet
ist. In der
DE 15 75
374 A ist ein Kugellager gezeigt, dessen aus einem Stahlwerkstoff
bestehende Lagerringe als Hohlkörper
ausgebildet sind, wobei die Hohlräume mit einem dämpfenden
Material ausgefüllt
sind.
Aber
auch Wälzlager
aus Kunststoff sind bereits bekannt. So ist in der
DE 22 33 643 A ein Wälzlager
beschrieben, dessen Wälzkörper aus
Keramik und dessen Laufbahnen aus Kunststoff gefertigt sind. Sinn
und Zweck dieses Lagers ist eine erhöhte Widerstandsfähigkeit
gegnüber
korrosiven Medien aller Art. In der
DE 19 01 381 A ist eine Lageranordnung für ein Bauteil
mit einem geringen statischen Gewicht, einem Ventilator, beschrieben,
bei der wenigstens ein Lagerring aus Gründen eines ruhigen Laufs aus
einem Kunststoff besteht.
Diese
Lageranordnungen stehen mit einer Wälzlager-Drehverbindung bestenfall
in einem indirekten Zusammenhang. Zum einen wegen der grundlegenden
Unterschiede in der Umlaufgeschwindigkeit. Während Wälzlager mehrere tausend Umdrehungen
pro Minute ausführen
können,
führen Wälzlager-Drehverbindungen
wenige Umdrehungen pro Minute aus oder verschwenken nur um einen
bestimmten Winkelbetrag. Zum anderen wegen der vollkommen unterschiedlichen
Größenverhältnisse. So
können
Wälzlager-Drehverbindungen
im Gegensatz zu Wälzlagern
durchaus Durchmesser bis zu 2,5 m aufweisen.
Schließlich ist
aus der
DE 195 10
182 A1 eine Wälzlager-Drehverbindung
für eine
Maschinenhauslagerung einer Windkraftanlage bekannt geworden, bei
der wenigstens ein Laufring sowohl an seinen beiden Stirnflächen als
auch an seiner den Wälzkörpern abgewandten
Seite mit einer geräuschdämmenden
Einlage aus Kunststoff oder aus Gummi versehen ist. Sinn und Zweck
dieser Einlage ist es zu verhindern, dass von den im Maschinenhaus
angeordneten Aggregaten, wie Generator, Generatorgetriebe, Bremsen
und Blattverstellung, ausgehende Schwingungen durch den direkten
metallischen Kontakt der Bestandteile der Wälzlager-Drehverbindung weitergeleitet
werden.
Zusammenfassung
der Erfindung
Ausgehend
von den Nachteilen des bekannten Standes der Technik ist es daher
Aufgabe der Erfindung, eine Wälzlager-Drehverbindung
bereitzustellen, die den vorstehend genannten Anforderungen genügt, wobei
insbesondere geringe Herstellkosten und eine hohe Laufruhe im Vordergrund
stehen.
Erfindungsgemäß wird diese
Aufgabe nach dem kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 in Verbindung
mit dessen Oberbegriff dadurch gelöst, dass wenigstens eine der
Laufbahnen aus einem Kunststoff besteht.
Die
in der Drehverbindung umlaufenden Wälzkörper verursachen Geräusche in
Form von Körperschall.
Je höher
die Betriebsdrehzahl ist, desto höher wird auch in der Regel
das erzeugte Geräusch
sein. Eine Körperschallisolierung
der Drehverbindung behindert die Ausbreitung des Körperschalls
in die Umgebungsbauteile und reduziert somit die Geräuschentwicklung.
Als Körperschallsperre dienen
bei der vorliegenden Erfindung profilierte Kunststoffbänder, die
als Laufbahnen der Wälzkörper dienen
und in die Laufringe der Drehverbin dung eingelegt sind. Diese Kunststofflaufbahnen
bewirken eine Schalldämmung,
d.h., sie verhindern den Übertritt
von Schall aus einem Raum in benachbart angeordneten Räume.
In
vorteilhafter Weise ist dabei der Laufring oder die Laufringe mit
je einer Ausnehmung versehen, in der die Laufbahnen aus Kunststoff
angeordnet sind. Diese können
mit der Laufbahn unlösbar verbunden
sein, beispielsweise durch eine Kleb- oder durch eine Nietverbindung.
Als
druck- und verschleißfeste
Kunststoffe, die zäh,
aber noch elastisch sind, eignen sich nach einem weiteren Merkmal
der Erfindung insbesondere Polyamide (PA) und und Polyazetal (POM).
Polyamide finden bereits vielfach in der Kfz-Industrie Verwendung,
wo die gute Formbeständigkeit
in der Wärme, die
Beständigkeit
gegen Schmierstoff und die ausgewogenen mechanischen Eigenschaften
eine Vielzahl von Anwendungsmöglichkeiten
bieten. Als besonders vorteilhaft hat sich in diesem Zusammenhang das
Polyamid PA12 (Polylaurinlactam) aufgrund seiner ausgezeichnten
Abrieb- und Gleiteigenschaften in Verbindung mit hoher Festigkeit
und Zähigkeit
erwiesen. Bezüglich
Verschleißfestigkeit
sind Polyamide bei der Paarung Stahl/Kunststoff anderen Kunststoffen überlegen.
Auch kann es in diesem Zusammenhang vorteilhaft sein, wenn dem Polyamid
zusätzlich
trotz in gewissen Grenzen vorhandener Selbstschmiereigenschaften
Gleitmittel, z. B. Graphit oder Molybdändisulfid, zugesetzt werden.
Auf diese Weise lassen sich der Verschleiß- und der Reibungskoeffizient
gegenüber
Polyamid natur bis auf ein Drittel verringern. Auch im Falle der
Erfindung hat sich dieser Kunststoff als Körperschallsperre bestens bewährt. Genauso
treffen die vorstehenden Ausführungen
im Prinzip für
Polyazetale zu.
Nach
einem weiteren zusätzlichen
Merkmal der Erfindung ist vorgesehen, dass die Wälzkörper unter elastischer Vorspannung
gegen die Laufbahn anliegen. Die Kunststofflaufbahnen erfüllen in
diesem Fall gleichzeitig zwei Aufgaben. Zum einen sorgen sie durch
die elastische Vorspannung dafür,
dass kein radiales Spiel im Lager der Drehverbindung vorhanden ist
und zum anderen verhin dern sie die Übertragung von Körperschall.
Beide Teilgebiete, sowohl das fehlende Radialspiel als auch die
Verhinderung der Ausbreitung von Körperschall, wirken sich gravierend
auf die Verringerung der Laufbahngeräusche der Wälzlager-Drehverbindung aus.
Auch
hat es sich nach einem weiteren Merkmal der Erfindung als vorteilhaft
erwiesen, dass die Laufringe aus Grauguss gefertigt und einer mechanischen
Feinbearbeitung unterworfen sind. Dieser Eisenwerkstoff mit meist
mehr als 2 % Kohlenstoff hat zwar einerseits wegen der niedrigen
Festigkeit des Graphits und seiner Anordnung im Gefüge nur eine geringe
Zugfestigkeit, der Graphit dämpft
aber andererseits Schwingungen, so dass dieses Material für den vorliegenden
Zweck, bei dem keine hohen Zugspannungen, aber Schwingungen auftreten,
besonders gut geeignet ist. Auch ist der Herstellung von Laufringen
mit größerem Durchmesser
gießtechnisch
wirtschaftlicher, als die spanende Herstellung aus entsprechendem
Vormaterial.
Schließlich ist
nach einem letzten Merkmal der Erfindung vorgeschlagen, dass die
Antriebseinheit ein Direktantrieb in Form eines Drehmomentmotors
in Segmentbauweise ist, wobei einer der Laufringe mit wenigstens
einem, aus Eisenkernen und elektrischen Wicklung bestehenden Statorsegment
und einer der Laufringe mit Permanentmagneten verbunden ist.
Dieser
Drehmomentmotor ist integraler Bestandteil der Wälzlagerverbindung und beansprucht daher
keinen zusätzlichen
Bauraum. Er sorgt dafür, dass
die bereitgestellten Antriebskräfte
ohne Zwischenschaltung von Getriebeelementen, wie beispielsweise
Zahnritzeln oder Seilelementen, auf die Wälzlager-Drehverbindung übertragen werden kann. Es ist
weiter von Vorteil, dass mit Hilfe des Drehmomentmotors in Segmentbauweise
unterschiedliche Motoren durch Zusammenstellen einzelner Module bereitgestellt
werden können,
wobei deren Leistung abhängig
von der verwendeten Statorsegmente ist. Werden nur geringe Drehzahlen
und kleine Drehmomente benötigt,
so können
zwischen den einzelnen Statorsegementen breite Lücken gelassen werden. Der Drehmomentmotor
ist auch dann noch betriebsfähig,
wenn im Extremfall nur ein Statorsegment angeordnet ist. Bei hohem
Leistungsbedarf zur aktiven Drehung der Wälzlager-Drehverbindung sind
dann entsprechend viele Statorsegmente in Umfangsrichtung hintereinander
anzuordnen.
Die
Erfindung wird an nachstehenden Ausführungsbeispielen näher erläutert.
Die
in 1 gezeigte Wälzlager-Drehverbindung 1 besteht
aus dem äußeren Laufring 2,
der den axial verlaufenden Teil 3 und den radial verlaufenden Teil 4 besitzt.
Der radial verlaufende Teil 4 ist mit wenigstens einer
durchgehenden Befestigungsbohrung 5 versehen, mit der er
an einer Anschlusskonstruktion festgelegt werden kann. Im vorliegenden
Ausführungsbeispiel
soll der äußere Laufring 2 feststehend sein.
Zur Wälzlager-Drehverbindung 1 gehört weiter der
drehbare innere Laufring 6, der ebenfalls aus dem axial
verlaufenden Teil 7 und dem radial verlaufenden Teil 8 besteht.
Letztgenannter ist mit wenigstens einer durchgehenden Befestigungsbohrung 9 versehen,
mit deren Hilfe ein Gerät
angeschlossen werden kann, das in Rotation versetzt werden soll.
In Käfigen 12, 13 geführte Lagerkugeln 14, 15 die
aus 100Cr6 bestehen, rollen auf Außen laufbahnen 16, 17 und
Innenlaufbahnen 18, 19 ab. Die Lagerkugeln 14, 15 werden über im inneren
Laufring 6 angeordnete, nicht bezeichnete Zuführungsbohrungen
eingebracht, welche dann wiederum durch die beiden Füllstopfen 10, 11 verschlossen
sind. Schließlich
gehören
zur Wälzlager-Drehverbindung 1 noch
die beiden Dichtringe 22, 23, die im inneren Laufring 6 und
im äußeren Laufring 2 befestigt
sind und mit ihren Dichtlippen 24, 25 schleifend
am gegenüberliegenden Laufring 2, 6 anliegen.
Wie die 1 erkennen lässt, sind im äußeren Laufring 2,
in nicht bezeichneten Ausnehmungen profilierte Kunststoffbänder 20, 21 aus
dem Polyamid PA12 aufgenommen, die die Außenlaufbahn 16, 17 für die Lagerkugeln 14, 15 bilden. Sowohl
der äußere Laufring 2 als
auch der innere Laufring 6 sind aus dem Gußeisen GG-25
mit Lamellengraphit gefertigt und bilden mit den Kunststoffbändern 20, 21 aus
PA12 einen Werkstoffverbund, der in eindrucksvoller Weise die Laufgeräusche der
Wälzlager-Drehverbindung
minimiert. Zum einen ist das durch die als Körperschallsperre wirkenden
Kunststoffbänder 20, 21 und
zum anderen durch die schwingungsdämpfende Wirkung des Graphits
im Gußeisen
bedingt. Ein weiterer Vorteil besteht in der durch die Kunststoffbänder 20, 21 verursachten
fehlenden Stromdurchlässigkeit
der Wälzlager-Drehverbindung 1.
Dies kann insbesondere für
medizinische Anwendungen von Bedeutung sein. Das in die Wälzlager-Drehverbindung 1 eingesetzte,
aus den beiden Kugelreihen 14, 15 bestehende doppelreihige
Wälzlager
könnte
auch durch ein Rollenlager oder ein anderes, unterschiedlich ausgebildetes
Wälzlager
ersetzt sein. Auch ist es denkbar, dass die verwendeten Wälzkörper nicht
aus einem Eisenwerkstoff, sondern aus einem Nichteisenwerkstoff,
beispielsweise aus Keramik, gefertigt sind.
Die
in 2 gezeigte Wälzlager-Drehverbindung 26 besteht
aus dem äußeren Laufring 27 und dem
inneren Laufring 28, zwischen denen auf Laufbahn 29, 30 im
Käfig 31 geführte Lagerkugeln 32 abwälzen. Der äußere Laufring 27 ist
L-förmig
ausgebildet und weist den die Laufbahn 29 tragenden axial verlaufenden
Teil 33 und den radial nach außen verlaufenden Teil 34 auf.
Letztgenannter ist in Umfangsrichtung mit mehreren voneinander beabstandeten Ausnehmung 35 versehen,
in denen Statorsegmente 36 angeordnet sind, die mit Hilfe von
Befestigungsschrauben 37 am äußeren Laufring 27 fixiert
sind. Der innere Laufring 28 weist den axial verlaufenden, die
Laufbahn 30 tragenden Teil 38 und den radial verlaufenden
Teil 39 auf, der ebenfalls nach außen gerichtet ist. An dessen
Mantelfläche
sind Permanentmagnete 40 angeordnet. Innerer Laufring 28 und äußerer Laufring 27 sind
so aufeinander ausgerichtet, dass zwischen dem Statorsegment 36 und
dem Permanentmagnet 40 ein Luftspalt gebildet ist. Wie
die Figur weiter zeigt, ist das Kugellager vor eindringendem Schmutz
durch den Dichtring 41 geschützt, der im äußeren Laufring 27 angeordnet
ist und mit seiner Dichtlippe 42 gleitend am drehbaren
inneren Laufring 28 anliegt.
2 lässt den
unkomplizierten und bauraumsparenden Aufbau der angetriebenen Wälzlager-Drehverbindung 26 gut
erkennen. Die Figur verdeutlicht weiter, dass die Statorsegmente 36 gut
zugänglich
und durch einfaches Lösen
der Befestigungsschrauben 37 ausgetauscht werden können. Sowohl
die Außenlaufbahn 29 als
auch die Innenlaufbahn 30 werden durch Kunststoffbänder 43, 44 gestellt,
die im äußeren Laufring 27 und
im inneren Laufring 28 in einer nicht bezeichneten Ausnehmung angeordnet
sind. Die Kunststoffbänder 43, 44 sind derart
profiliert gestaltet, dass sie entsprechend der Lagerkugel 21 eine
halbkreisförmige
Rille aufweisen. Die Lageranordnung ist so eingestellt, dass die
Lagerkugeln 32 mit Vorspannung an den beiden Kunststofflaufbahnen 29, 30 anliegen.
Die die Laufbahnen 29, 30 tragenden Kunststoffbänder 43, 44 wirken
hier hinsichtlich der Laufgeräusche
ebenfalls in doppelter Weise. Zum einen durch die Vorspannung zwischen Laufbahnen 29, 30 und
Lagerkugeln 32 und zum anderen durch die Wirkung als Körperschallsperre.