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Gebiet der
Erfindung
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Die
Erfindung betrifft ein Wälzlager
mit einem Außenring,
einem konzentrischen Innenring sowie mit zwischen dem Außen- und
Innenring angeordnete, im Wesentlichen zylindrische Wälzkörper.
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Hintergrund
der Erfindung
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Derartige
Wälzlager
sind beispielsweise für die
radiale und axiale Lagerung von Wellen in einem Gehäuse oder
von Gehäusen
auf einer Welle vorgesehen. Unter Wellen sind im Zusammenhang mit
dieser Patentanmeldung alle denkbaren drehenden Maschinenelemente,
wie angetriebene sowie antreibende Wellen oder Wellenstümpfe, Achsen
und somit auch die Wellenabsätze
an rotierenden Bauteilen von Verdichtern in Maschinensystemen zu
verstehen. Der Begriff Gehäuse
definiert alle denkbaren Maschinenteile oder Systeme, die mittels
der Wälzlager drehbar
zu oder auf der Welle gelagert sind oder in bzw. an denen die Wellen
mittels der Lageranordnungen gelagert sind.
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Axialfreie
Radialstützen
sind Lager, die entweder aufgrund ihrer konstruktiven Merkmale nur
gegen Radialkräfte
bzw. Radialkraftkomponenten abstützen,
oder Lager, die zwar auch für
die Aufnahme von schräg
zur Lagerachse wirkenden Kräften
oder zur Aufnahme von Axialkräften
ausgelegt sind, die aber in besonderen Anwendungen aus den verschiedensten
Gründen
nur gegen Radialkräfte
abstützen sollen.
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Radialfreie
Axialstützen
sind Lager, die entweder aufgrund ihrer konstruktiven Merkmale nur
gegen Axialkräfte
bzw. Axialkraftkomponenten abstützen,
oder aber Lager, die zwar auch für
die Aufnahme von schräg
zur Lagerachse wirkenden Kräften
oder zur Aufnahme von Radialkräften
ausgelegt sind, die aber in besonderen Anwendungen aus den bestimmten
Gründen
nur gegen Axialkräfte
abstützen
sollen.
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Derartige
Lageranordnungen gibt es in Verdichtern, zum Beispiel in Schraubenverdichtern.
In dieser Lageranordnung nimmt zumindest ein Lager die Radialkräfte auf
und stützt
dabei beispielsweise den Schaft eines Rotors gegen ein Gehäuse drehbar ab.
Als Rollensatz werden hierbei üblicherweise
zylindrische Wälzkörper eingesetzt.
In der Lageranordnung ist weiterhin wenigstens eine Axialstütze vorgesehen, über die
zum Beispiel beim Verdichten auftretende Axialkraftkomponenten an
den Rotoren aufgenommen werden.
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Bedingt
durch die kinematischen Verhältnisse
in herkömmlichen
Wälzlagern
treten zwischen deren Wälzkörpern in
belastetem Zustand der Maschinenelemente hohe Zwangskräfte auf.
Diese Zwangskräfte
bewirken ein hohes Reibmoment und führen zu einem erhöhten Verschleiß der Wälzkörper.
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Der
Verschleiß der
Wälzlager
tritt dabei verstärkt
durch einen Schlupf der Wälzkörper auf.
Ein solcher Schlupf entsteht überwiegend
dann, wenn die Last, die auf das Lager wirkt und zwischen den Lagerringen übertragen
wird, vergleichsweise gering ist. Wenn sich ein Wälzkörper mit
Schlupf bewegt bedeutet dies, dass dieser Wälzkörper sich nicht optimal auf
den Lagerrin gen abwälzt
und die Kontaktstellen entsprechend der Schmierung aufeinander „gleiten". Verschleiß tritt
dann auf, wenn der Schmierfilm abrupt abreißt und der Wälzkörper dann
wieder Last überträgt.
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Im
Betrieb eines Wälzlagers
durchlaufen die Wälzkörper bei
einer Lagerumdrehung eine Lastzone, eine Übergangszone und eine entlastete
Zone. In allen Zonen ist Schlupf und damit erhöhter Verschleiß möglich, welcher
das Verhalten der Wälzkörper in den
anderen Zonen ungünstig
beeinflussen kann.
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Aufgabe der
Erfindung
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Wälzlager zu schaffen welches
einen Schlupf der Wälzkörper verhindert
oder zumindest verringert, wodurch der Verschleiß des Wälzlagers reduziert und eine
lange Lebensdauer des Wälzlagers
ermöglicht wird.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Der
Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass eine im Betrieb teilweise
auftretende geringe Last beziehungsweise Kraft an der Kontaktstelle
zwischen den Wälzkörpern und
der Laufbahnoberfläche des
Wälzlagers,
welche ursächlich
für den
auftretenden Schlupf ist, durch eine zusätzliche radiale Kraftkomponente
vergrößert werden
kann. Diese zusätzliche
Kraftkomponente wird gemäß der Erfindung durch
eine gezielt eingestellte Unwucht der Wälzkörper hervorgerufen. Dadurch
sind die Wälzkörper in allen
Betriebszuständen
und insbesondere in der entlasteten Zone in Berührung mit der umlaufenden Laufbahn
des Wälzlagers,
so dass plötzliche
Beschleunigungen und somit Anschmierungen nach einer Gleitphase
vermieden werden.
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Die
Erfindung geht daher aus von einem Wälzlager mit einem Außenring,
einem konzentrischen Innenring sowie mit zwischen dem Außen- und Innenring
angeordneten im Wesentlichen zylindrischen Wälzkörpern. Bei diesem Wälzlager
ist zudem vorgesehen, dass die Wälzkörper jeweils
eine exzentrische Bohrung aufweisen, die sich im Wesentlichen parallel
zu Längsachse
der Wälzkörper erstreckt.
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Durch
diesen Aufbau wird vorteilhaft erreicht, dass die Wälzkörper jeweils
eine Unwucht ausweisen und bei einer Drehung um ihre Längsachse
jeweils eine Unwuchtkraft erfahren, welche im Betrieb eine zusätzliche
Kraftkomponente auf die Wälzkörper erzeugt.
Durch diese zusätzliche
Kraftkomponente wird die Last an der Kontaktstelle zwischen den Wälzkörper und
Laufbahnoberfläche
verstärkt,
wodurch ein Gleiten (Schlupf) der Wälzkörper verhindert wird. Dadurch
wälzen
sich die Wälzkörper in
allen Betriebssituationen kontinuierlich an der Laufbahnoberfläche des
Wälzlagers
ab.
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Außerdem und
bevorzugt kann vorgesehen sein, dass die exzentrische Bohrung der
jeweiligen Wälzkörper mit
einem Material ausgefüllt
ist, welches sich vom Material der Wälzkörper unterscheidet. Durch eine
derartige Ausgestaltung kann die Größe der Unwucht der Wälzkörper durch
eine entsprechende Wahl des Materials in der exzentrischen Bohrung
an die jeweilige Nutzungsart angepasst werden.
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In
einer weiteren Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass das in der
exzentrischen Bohrung eingebrachte Material eine höhere Dichte
als das Material des Wälzkörpers hat.
Durch eine derartige Ausgestaltung kann die auf die Wälzkörper wirkende
Unwucht an Betriebssituationen angepasst werden, die eine solche
Maßnahme
erfordern.
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In
einer anderen Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass das in der
exzentrischen Bohrung befindliche Material eine geringere Dichte
als das Material des Wälzkörpers hat.
Auch durch eine derartige Ausgestaltung kann die Unwucht der Wälzkörper an
jeweilige Betriebssituationen angepasst werden. Im einfachsten Fall
sind die Bohrungen der Wälzkörper ungefüllt.
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Schließlich wird
es als vorteilhaft erachtet, wenn die exzentrische Bohrung derart
im Wälzkörper positioniert
ist, dass diese näher
an der Außenseite als
an der Längsachse
des Wälzkörpers angeordnet ist,
wodurch sich vergleichsweise hohe Unwuchtkräfte erzielen lassen.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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Die
Erfindung wird im Folgenden anhand der beiliegenden Zeichnungen
an einigen Ausführungsformen
näher erläutert. Darin
zeigt
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1A und 1B einen
zylindrischen Wälzköper eines
erfindungsgemäß ausgebildeten Wälzlagers
in einer schematischen Darstellung,
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2 ein
herkömmliches
Wälzlager
im normalen Betrieb,
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3 ein
herkömmliches
Wälzlager
mit Schlupf, und
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4 ein
erfindungsgemäßes Wälzlager ohne
Schlupf.
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Detaillierte
Beschreibung der Zeichnungen
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2 zeigt
einen Schnitt senkrecht zur Längsachse
durch ein herkömmliches
Wälzlager 14 mit
Wälzkörpern 10 in
dessen normalen Betrieb. Das Wälzlager 14 umfasst
einen beispielsweise ringförmigen
oder zylindrischen Außenring 16 sowie
einen koaxial zum Außenring 16 angeordneten
und relativ zum Außenring 16 beweglichen
Innenring 18. Der Innenring 18 kann beispielsweise
die Form eines Rings oder eines Zylinders aufweisen. In einem Freiraum 20 zwischen
dem Außenring 16 und
dem Innenring 18 ist eine Mehrzahl von Wälzkörpern 10 mit
Abstand zueinander angeordnet. Bei den Wälzkörpern 10 handelt es
sich hierbei um Rollen beziehungsweise Zylinder mit kreisförmigem Querschnitt.
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Im
normalen Betrieb ist die Last beziehungsweise Radialkraft an der
durch Kraftpfeile F dargestellten Kontaktstelle zwischen den Wälzkörpern 10 und
Laufbahnoberfläche
des Wälzlagers 14 so
groß, dass
sich die Wälzkörper 10 an
der Laufbahnoberfläche
gut abwälzen;
dargestellt durch den Pfeil im oberen Wälzkörper 10. In diesem
Betrieb ist der Verschleiß am
Wälzkörper 10 und
an der Laufbahnoberfläche
des Wälzlagers 14 sehr
gering, welches insgesamt zu einer hohen Lebensdauer des Wälzlagers 14 führt.
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3 zeigt
ebenso wie 2 eine schematische Querschnittsdarstellung
des bekannten Wälzlagers 14.
In diesem Beispiel wirkt auf das Wälzlager 14 eine vergleichsweise
geringe Last, welches durch die kleineren Kraftpfeile F angedeutet
ist. Dadurch wirkt auf die Wälzkörper 10 eine
vergleichsweise geringe Radialkraft, so dass sich die Wälzkörper 10 mit Schlupf
bewegen, wie der horizontale Pfeil im oberen Wälzkörper 10 andeutet.
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Bei
diesem Schlupfbetrieb bewegt sich die Oberfläche der Wälzkörper 10 nicht mit
der gleichen Geschwindigkeit wie die gegenüberliegende Oberfläche des
sich drehenden Lagerringes 18. Dies bedeutet, dass der
jeweilige Wälzkörper 10 sich
nicht optimal auf den Lagerringen 16, 18 abwälzt und
die Kontaktstellen entsprechend der Schmierung aufeinander „gleiten". Verschleiß tritt
dann auf, wenn der Schmierfilm abrupt abreißt und der Wälzkörper 10 dann
wieder Last überträgt.
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Im
Betrieb eines Wälzlagers
durchlaufen die Wälzkörper 10 wie
bereits erwähnt
eine Lastzone, eine Übergangszone
und eine entlastete Zone. In all diesen Zonen ist Schlupf und damit
Verschleiß möglich, und
dieser kann das Verhalten der Wälzkörper 10 in
den anderen Zonen ungünstig
beeinflussen.
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Somit
ist bei dem in 3 gezeigten Betrieb der Verschleiß am Wälzkörper 10 und
an der Laufbahnoberfläche
des Wälzlagers 14 sehr
hoch, welches zu einer geringen Lebensdauer des Wälzlagers 14 insgesamt
führt.
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Die
in 1A und 1B gezeigten
Wälzkörper 10' eines gemäß 4 erfindungsgemäß ausgebildeten
Wälzlagers 15 weisen
jeweils eine exzentrische Bohrung 12 auf. Bei dem in 1B gezeigten
Wälzkörper 10' ist die exzentrische
Bohrung 12 zudem mit einem Material 13 ausgefüllt, welches sich
vom Material des Wälzkörpers 10' unterscheidet.
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Dabei
kann das in der Bohrung 12 eingebrachte Material 13 eine
Dichte aufweisen, welche geringer oder höher ist als die Dichte des
Materials vom Wälzkörper 10' selbst. Die
exzentrische Bohrung 12 bewirkt im Betrieb des Wälzlagers
eine Unwucht der einzelnen Wälzkörper 10' im Wälzlager. Durch
diese Unwucht der jeweiligen Wälzkörpers 10' entstehen durch
diese zusätzliche
Kraftkomponenten F',
die ein Gleiten des Wälzkörpers 10' auf den Laufbahnoberflächen des
Wälzlagers 14 verhindern.
Dadurch wird ein Schlupf der Wälzkörper 10' im Wälzlager
verhindert, welches den Verschleiß des Wälzlagers insgesamt zu einem
großen
Teil reduziert.
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4 zeigt
ein erfindungsgemäß ausgebildetes
Wälzlager 15 mit
den in 1 dargestellten Wälzkörpern 10', welche jeweils
eine exzentrische Bohrung 12 aufweisen. In dem hier gewählten Beispiel
sind die Bohrungen 12 mit einem Material 13 ausgefüllt, welches
sich vom Material des Wälzkörpers 10' hinsichtlich
seiner Dichte bzw. seines spezifischen Gewichts unterscheidet.
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Wie
durch die kleineren Kraftpfeile F dargestellt, ist auch hier die
auf das Wälzlager 15 wirkende Last
so klein, dass bei einem herkömmlichen
Wälzlager 14 ein
Schlupf entstehen würde
(siehe 3). Hingegen weisen bei dem gemäß der Erfindung
ausgebildeten Wälzlager 15 die
jeweiligen Wälzkörper 10' durch deren
exzentrische Bohrung 12 und das dort eingefüllte Material 13 eine
Unwucht auf, welche jeweils eine zusätzliche Kraftkomponente F' erzeugt, die zusätzlich zu
der Last an der Kontaktstelle zwischen den Wälzkörpern 10' und den Laufbahnoberflächen des
Wälzlagers 15 wirkt.
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Durch
diese zusätzliche
Kraftkomponente F' addiert
sich eine Gesamtlast an der Kontaktstelle auf insgesamt F + F', wodurch ein Gleiten
der Wälzkörpers 10' verhindert
wird. Dieses unterbindet den Schlupf, wodurch insgesamt eine hohe
Lebensdauer des Wälzlagers 15 erzielt
wird.
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- 10
- Wälzkörper gemäß Stand
der Technik
- 10'
- Wälzkörper gemäß der Erfindung
- 12
- Exzentrische
Bohrung
- 13
- Material
in der Bohrung
- 14
- Wälzlager
gemäß Stand
der Technik
- 15
- Wälzlager
gemäß der Erfindung
- 16
- Außenring
- 18
- Innenring
- 20
- Freiraum
- F
- Kraft
an Kontaktstelle
- F'
- Zusätzliche
Kraftkomponente