DE102005036239A1 - Wälzlager-Drehverbindung - Google Patents

Wälzlager-Drehverbindung Download PDF

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    • F16ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16CSHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C33/00Parts of bearings; Special methods for making bearings or parts thereof
    • F16C33/30Parts of ball or roller bearings
    • F16C33/58Raceways; Race rings
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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Wälzlager-Drehverbindung (1, 26), bestehend aus zwei konzentrisch ineinander angeordneten Laufringen (2, 6, 27, 28), zwischen denen auf zugehörigen Laufbahnen (16, 17, 18, 19, 29, 30) Wälzkörper (14, 15, 32) abrollen, wobei die Wälzkörper-Drehverbindung (26) zur aktiven Drehung einer der beiden Laufringe (27, 28) mit einer Antriebseinheit verbunden ist. DOLLAR A In erfindungsgemäßer Weise besteht wenigstens eine der Laufbahnen (16, 17, 29, 30) aus einem Kunststoff. DOLLAR A Auf diese Weise wird ein besonders geräuscharmer Lauf der Drehverbindung (1, 26) realisiert.

Description

  • Gebiet der Erfindung
  • Die Erfindung betrifft eine Wälzlager-Drehverbindung, bestehend aus zwei konzentrisch ineinander angeordneten Laufringen, zwischen denen auf zugehörigen Laufbahnen Wälzkörper abrollen, wobei die Wälzlager-Drehverbindung zur aktiven Drehung einer der beiden Laufringe mit einer Antriebseinheit verbunden ist.
  • 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.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und aus den Zeichnungen, in der Ausführungsbeispiele der Erfindung vereinfacht dargestellt sind.
  • Es zeigen:
  • 1 einen teilweisen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Drehverbindung und
  • 2 einen teilweisen Längsschnitt durch eine weitere erfindungsgemäße Drehverbindung mit zugehörigem Antrieb.
  • Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
  • 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.
  • 1
    Wälzlager-Drehverbindung
    2
    äußerer Laufring
    3
    axial verlaufender Teil
    4
    radial verlaufender Teil
    5
    Befestigungsbohrung
    6
    innerer Laufring
    7
    axial verlaufender Teil
    8
    radial verlaufender Teil
    9
    Befestigungsbohrung
    10
    Füllstopfen
    11
    Füllstopfen
    12
    Käfig
    13
    Käfig
    14
    Lagerkugel
    15
    Lagerkugel
    16
    Außenlaufbahn
    17
    Außenlaufbahn
    18
    Innenlaufbahn
    19
    Innenlaufbahn
    20
    Kunststoffband
    21
    Kunststoffband
    22
    Dichtring
    23
    Dichtring
    24
    Dichtlippe
    25
    Dichtlippe
    26
    Wälzlager-Drehverbindung
    27
    äußerer Laufring
    28
    innerer Laufring
    29
    Außenlaufbahn
    30
    Innenlaufbahn
    31
    Käfig
    32
    Lagerkugel
    33
    axial verlaufender Teil
    34
    radial verlaufender Teil
    35
    Ausnehmung
    36
    Statorsegment
    37
    Befestigungsschraube
    38
    axial verlaufender Teil
    39
    radial verlaufender Teil
    40
    Permanentmagnet
    41
    Dichtring
    42
    Dichtlippe
    43
    Kunststoffband
    44
    Kunststoffband
    s
    Luftspalt

Claims (7)

  1. Wälzlager-Drehverbindung (1, 26), bestehend aus zwei konzentrisch ineinander angeordneten Laufringen (2, 6, 27, 28), zwischen denen auf zugehörigen Laufbahnen (16, 17, 18, 19, 29, 30) Wälzkörper (14, 15, 32) abrollen, wobei die Wälzlager-Drehverbindung (26) zur aktiven Drehung einer der beiden Laufringe (27, 28) mit einer Antriebseinheit verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine der Laufbahnen (16, 17, 29, 30) aus einem Kunststoff besteht.
  2. Wälzlager-Drehverbindung (1, 26) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Laufring (2, 27, 28) eine Ausnehmung aufweist, in der die Laufbahn (16, 17, 29, 30) aus Kunststoff aufgenommen ist.
  3. Wälzlager-Drehverbindung (1, 26) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Laufbahn (16, 17, 29, 30) mit dem Laufring (2, 27, 28) unlösbar verbunden ist, beispielsweise durch eine Kleb- oder eine Nietverbindung.
  4. Wälzlager-Drehverbindung (1, 26) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kunststoff ein Polyamid oder ein Polyacetal ist.
  5. Wälzlager-Drehverbindung (1, 26) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wälzkörper (14, 15, 32) unter elastischer Vorspannung gegen die Laufbahnen (16, 17, 29, 30) anliegen.
  6. Wälzlager-Drehverbindung (1, 26) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Laufringe (2, 6, 27, 28) aus Grauguß gefertigt und einer mechanischen Feinbearbeitung unterworfen sind.
  7. Wälzlager-Drehverbindung (26) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebseinheit ein Direktantrieb in Form eines Drehmomentmotors in Segmentbauweise ist, wobei einer der Laufringe (27) mit wenigstens einem, aus Eisenkernen und elektrischen Wicklungen bestehenden Statorsegment (36) und einer der Laufringe (28) mit Permanentmagneten (40) verbunden sind.
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