DE102005058141A1

DE102005058141A1 - Wälzlager mit Heizelement

Info

Publication number: DE102005058141A1
Application number: DE102005058141A
Authority: DE
Inventors: Stefan GLÜCK
Original assignee: Schaeffler KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2005-12-06
Filing date: 2005-12-06
Publication date: 2007-07-12
Also published as: WO2007065412A1; US7950857B2; EP1957813A1; US20080298733A1; JP2009518606A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Wälzlager (01) mit mindestens einem beheizten Wälzlagerring sowie ein Verfahren zur Montage eines Wälzlagers (01) an einem Gestellelement unter Ausbildung einer Schrumpfpassung. DOLLAR A Ein elektrisches Heizelement (08) ist in gut wärmeleitendem Kontakt auf einem Oberflächenabschnitt des beheizten Wälzlagerringes (02) aufgebracht, wobei die vom Heizelement (08) generierbare Wärmemenge so bemessen ist, dass der beheizte Wälzlagerring (02) beim Aufheizen eine thermische Ausdehnung erfährt, welche die Montage des Wälzlagers an einem Gestellelement unter Ausbildung einer Schrumpfpassung bei nachfolgender Abkühlung ermöglicht.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft Wälzlager, die durch Aufschrumpfen auf eine Welle oder ein ähnliches Gestellelement montiert werden. Im Weiteren betrifft die Erfindung Wälzlager, die für einen verschleißarmen und präzisen Betrieb eine erhöhte Betriebstemperatur benötigen, welche während der Anlaufphase noch nicht zur Verfügung steht. Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Montage eines Wälzlagers.

Bei der Montage von Wälzlagern kommt häufig das Aufschrumpfverfahren zur Anwendung. Soll beispielsweise ein Wälzlager auf eine Welle montiert werden, so wird es zunächst erwärmt. Auf Grund der thermischen Ausdehnung weist es dann einen geringfügig größeren Innendurchmesser auf. Hingegen verbleibt die Welle bei Zimmertemperatur oder wird gegebenenfalls gekühlt, um dann einen kleineren Außendurchmesser aufzuweisen. Die Welle und das Wälzlager sind so bemessen, dass sich das Wälzlager erst durch die geringfügige Innendurchmesservergrößerung auf die Welle aufschieben lässt. Nach dem Aufschieben des Wälzlagers kühlt es sich ab und der Innen durchmesser verkleinert sich. Wälzlager und Welle sind nun reibeschlüssig miteinander verbunden, man spricht auch von einer Schrumpfpassung. Sollte es im Betrieb zu einer Erwärmung kommen, so werden sich das Wälzlager und die Welle auf Grund der räumlichen Nähe und der Wärmeleitung zwischen ihnen gleichzeitig erwärmen. Insofern die Temperaturausdehnungskoeffizienten gleich oder ähnlich sind, werden sich Wälzlager und Welle auch im nahezu gleichen Maße ausdehnen, sodass die reibeschlüssige Verbindung erhalten bleibt. Eine solche Verbindung hat die Vorteile, dass sie sehr große Kräfte aufnehmen kann und dass man keine weiteren Verbindungsteile benötigt.

Die Erwärmung des Wälzlagers erfolgt herkömmlich mit Hilfe von Heizplatten, Schweißbrennern, Öfen, induktiven Anwärmgeräten o. ä. Die Temperatur des Wälzlagers muss nach der Erwärmung so hoch sein, dass die resultierende Vergrößerung des Innendurchmessers eine Montage durch Aufschieben ermöglicht. Jedoch darf die Temperatur nicht so groß werden, dass die Lager geschädigt oder zerstört werden. Insbesondere ist hierbei auf ein gegebenenfalls eingebrachtes Schmiermittel zu achten. Hat das Wälzlager die Montagetemperatur erreicht, so muss der Montagevorgang zügig erfolgen, da sich das Wälzlager nach dem Entfernen von der Wärmequelle schnell abkühlt und sich der Innendurchmesser zu verkleinern beginnt. Sollte sich das Wälzlager während der Montage auf der Weile bereits soweit abgekühlt haben, dass es nicht mehr verschiebbar ist, bevor die endgültige Position erreicht wurde, so wird das Lager meist unbrauchbar. Es kann oft nur durch Schädigung oder Zerstörung von der Welle gelöst werden. In einigen Fällen wird auch die Welle unbrauchbar.

Die Erwärmung des Wälzlagers kann in aufwendigen Vorrichtungen mittels regelbarer Heizplatten erfolgen, bei denen die Temperatur unter Einhaltung kleiner Toleranzbereiche vorgewählt werden kann. Benutzt man hingegen einfache Heizplatten, Öfen oder Schweißbrenner, ist das Risiko einer Zerstörung des Wälzlagers durch eine zu hohe Temperatur oder das Risiko einer erfolglosen Montage wegen einer zu geringen Temperatur deutlich erhöht. Man ist bei allen bekannten Verfahren zur Ausbildung einer Schrumpfpassung von Wälzlagern immer auf externe Vorrichtungen zur Erwärmung angewiesen, was ein seit langem bestehender Nachteil dieser Verbindungsart für Wälzlager ist.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Wälzlager bereitzustellen, dessen auf einer Welle oder einem ähnlichen Gestellelement aufzuschrumpfender Wälzlagerring ohne externe Vorrichtungen auf eine Montagetemperatur erwärmt werden kann und bei Bedarf auch über einen bestimmten Zeitraum auf dieser Temperatur gehalten werden kann. Eine Teilaufgabe wird darin gesehen, während des späteren Betriebs des Wälzlagers eine optimale Temperatur auch in Anlaufphasen zu garantieren, insbesondere eine zusätzliche Wärmeversorgung am Lager bereitzustellen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des im Anspruch 1 angegebenen Gegenstands gelöst.

Ein wichtiger Aspekt der Erfindung besteht in der Integration eines elektrischen Heizelements in bzw. an den zu erwärmenden Wälzlagerring. Es handelt sich insoweit um ein verlorenes Heizelement, da es jeweils nur für die Erwärmung eines Wälzlagers zur Verfügung steht. Ein Vorteil dieser Erfindung besteht insbesondere darin, dass das Risiko einer erfolglosen Montage drastisch gesenkt ist, da die Erwärmung nicht vor der erfolgten Montage beendet werden muss. Bei den bekannten Verfahren musste das Wälzlager zur Montage von der externen Vorrichtung zur Erwärmung entfernt werden, was den Beginn der Abkühlung bewirkt. Erfindungsgemäß erlaubt ein elektrisches Heizelement am Wälzlagerring eine Erwärmung zunächst auf eine vorgegebene, gut reproduzierbare Temperatur und bei Bedarf auch eine fortgesetzte Wärmezufuhr bis zum Abschluss der Montage.

Unter bestimmten Voraussetzungen ist es durch die Erfindung auch möglich, dass in Reibschluss mit der Welle stehende Wälzlager ohne Beschädigung wieder zu demontieren. Dazu muss der Temperaturgradient zwischen Wälzlager und Gestellelement so groß sein, dass das Wälzlager durch das integrierte Heizelement so weit erwärmt werden kann, dass es sich genügend ausdehnt und vom Gestellelement lösbar ist. Dieser hohe Temperaturgradient kann durch eine geringe Wärmeleitung zwischen Wälzlager und Gestellelement oder eine hohe am Wälzlager eingebrachte Wärmeleistung bewirkt sein. Das Gestellelement kann zusätzlich gekühlt werden.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Heizelement als Dickschichtheizwiderstand ausgeführt. Solche Dickschichtheizwiderstände sind kostengünstig herzustellen, sodass die Kosten für ein erfindungsgemäßes Wälzlager nicht deutlich gesteigert sind.

Weiterhin kann ein solcher Dickschichtheizwiderstand so ausgeführt sein, dass er gleichzeitig stromisolierende Wirkung hat bzw. dass er als zusätzliche Funktion auch eine Stromisolierung am Wälzlager bzw. des Wälzlagers bewirkt. In diesem Fall kann eine ursprünglich vorgesehen Stromisolierung durch diese – in diesem Fall – Mehrfunktionsschicht – substituiert werden.

Vorzugsweise ist am Wälzlager ein Temperaturanzeigemittel, beispielsweise ein Folienthermometer am beheizten Wälzlagerring angeordnet. Dadurch ist erkennbar, wann der Wälzlagerring die erforderliche Temperatur erreicht hat, sodass die Montage ohne unnötige Wartezeiten erfolgen kann.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist im Heizelement eine Temperaturkontrolleinheit, insbesondere eine Schmelzsicherung oder ein Thermostat, in das Heizelement integriert, die mit dem Heizelement zu einer Temperaturkontrolle und/oder Temperatursteuerung zusammenwirkt.

Vorzugsweise unterbricht die Schmelzsicherung bei Überschreiten einer vorgegebenen Grenztemperatur den Stromkreis. Ebemfalls bevorzugt schaltet das Thermostat bei Über- und/oder Unterschreiten einer vorgebbaren Grenztemperatur die Energieversorgung zum Heizelement zu- oder ab.

Damit ist gewährleistet, dass das Wälzlager nicht zu heiß wird und dadurch eine Schädigung oder Zerstörung erfährt. Dies kann bei den bekannten Wälzlagern insbesondere dann sehr leicht passieren, wenn man keine aufwändige Vorrichtung zum Erwärmen auf einen eingeschränkten Temperaturbereich zur Verfügung hat.

In einer besonderen Ausführungsform ist eine Versorgung des Wälzlagers mit elektrischer Energie auch während des späteren Betriebes möglich. Dadurch ist es möglich, eine optimale Temperatur des Wälzlagers auch in den Anlaufphasen zu garantieren. Dies ist beispielsweise notwendig, wenn die verwendeten Schmiermittel erst bei Betriebstemperatur die erforderliche Viskosität aufweisen oder/und sich erst bei Betriebstemperatur die erforderlichen Spielverhältnisse im Wälzlager einstellen.

In einer weiteren Ausführungsform weist der beheizte Wälzlagerring Nuten auf, in welchen das Heizelement angeordnet ist. Durch die Nuten ist die Fläche für die Wärmeleitung zwischen Heizelement und Wälzlagerring vergrößert, sodass die Erwärmung des Wälzlagerringes schneller und effizienter erfolgen kann. Zudem kann dadurch das Heizelement größer und leistungsstärker ausgeführt sein.

In einer besonderen Ausführungsform befindet sich der Dickschichtheizwiderstand auf der Lauffläche des beheizten Wälzlagerringes. Dadurch ist es möglich, insbesondere auch bei flachen Wälzlagerringen eine ausreichend große Fläche zur Wärmeübertragung zum Wälzlagerring zur Verfügung zu stellen. Der Dickschichtwiderstand sollte dann so beschaffen sein, dass er im anschließenden Betrieb ohne Beschädigung des Lagers durch die Bewegung der Wälzkörper abgerieben wird.

Ergänzend wird im nebengeordneten Anspruch 10 ein Verfahren zur Lösung der o.g. Aufgabe angegeben. Der besondere Vorteil dieses Verfahrens besteht darin, dass das Wälzlager ohne umständliches Hantieren mit Anwärmgeräten montiert werden kann. Eine Voraussetzung ist, dass der Wärmeleitkoeffizient des beheizten Wälzlageringes eine Erwärmung des Wälzlagerringes bis zur Montagetemperatur ermöglicht. Die meisten Wälzlager sind aus Stahl gefertigt, für welche diese Voraussetzung gegeben ist. In besonderen Fällen kann aber auch eine zusätzliche Erwärmung mit externen Wärmequellen auf eine Grundtemperatur vorgenommen werden, so dass durch das integrierte Heizelement nur noch eine Zusatzheizung bereitgestellt wird.

Von Vorteil ist es, das erfindungsgemäße Verfahren so auszuführen, dass der Dickschichtheizwiderstand bis zum Ansetzen des Wälzlagers am Gestellelement mit elektrischer Energie versorgt wird. Dadurch kühlt das Wälzlager nicht vorzeitig ab, was zu einer erfolglosen Montage führen kann. Damit ist das Verfahren ohne Zeitdruck ausführbar.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben.
Die einzige 1 zeigt eine Seitenansicht eines Wälzlagers mit einem Dickschichtheizwiderstand auf der Stirnseite des inneren Lagerringes.
Bei dem dargestellten Beispiel ist ein Wälzlager 01 als Kugellager ausgebildet, mit einem im Übrigen konventionellen Aufbau aus einem inneren Lagerring 02 und einem äußeren Lagerring 03. Als Wälzkörper fungieren Kugeln 04, die in einem Käfig 06 geführt sind. Die Teile des Käfigs 06 sind mit Hilfe von Nieten 07 miteinander verbunden. Auf der Stirnseite des inneren Wälzlagerringes 02 ist ein Dickschichtheizwiderstand 08 aufgedruckt. Solche Dickschichtwiderstände können in ihrer geometrischen Form dem jeweiligen Träger weitgehend angepasst werden. Dadurch ist es möglich, den Dickschichtheizwiderstand in dieser Ausführungsform als Kreisring zu gestalten, der auf der Stirnseite des Wälzlagerringes 02 eine optimale Form für die Wärmeübertragung darstellt. Die für die Montage erforderliche Erwärmung erfolgt erfindungsgemäß mit Hilfe des Dickschichtheizwiderstandes 08, indem dieser bestromt wird. Man benötigt keine externen Einrichtungen wie Heizplatten oder induktive Aufwärmgeräte zur Erwärmung des Wälzlagers. Daher können solche Lager auch von Monteuren oder Endkunden montiert werden, die solche Montagen nur selten ausführen und daher nicht über geeignete Einrichtungen zur Erwärmung des Wälzlagers verfügen. Man benötigt lediglich eine geeignete Stromquelle, die den Dickschichtheizwiderstand 08 speist. Der Dickschichtheizwiderstand 08 kann so ausgeführt sein, dass eine gewöhnliche Steckdose des Stromversorgungsnetzes oder eine Autobatterie als Stromquelle dienen kann.
An seinen Enden weist der Dickschichtheizwiderstand 08 elektrische Kontakte 09 auf. Für den elektrischen Anschluss des Dickschichtheizwiderstandes 08 sind Leitungen 11 an den Kontakten 09 angeschlossen. Durch das unmittelbare Aufdrucken des Dickschichtheizwiderstandes auf den aus Stahl gefertigten inneren Wälzlagerring ist ein gut wärmeleitender Kontakt zum inneren Wälzlagerring 02 gegeben. Fließt ein Strom über die Leitungen durch den Dickschichtheizwiderstand 08, so erwärmt sich zunächst der Dickschichtheizwiderstand und infolgedessen auch der innere Wälzlagerring 02. Durch die Erwärmung dehnt sich der innere Wälzlagering aus, sodass dessen Innendurchmesser größer wird. Sobald die Montagetemperatur erreicht ist, kann die Montage beginnen. Anders als bei den bekannten Verfahren kann die Montage ohne Zeitdruck erfolgen, da das Lager weiterhin erwärmt wird. Das Wälzlager 01 kann sorgfältig auf die vorgesehene Welle oder einem anderen Gestellelement montiert werden. Eine Zeitbeschränkung ist lediglich dadurch gegeben, dass nach längerer Zeit des Verbleibens des Wälzlagers 01 an einer Position der Welle sich auch die Welle an dieser Position erwärmt.
Beim dargestellten Beispiel ist im Dickschichtheizwiderstand 08 ein Thermostat 12 integriert. Übersteigt die Temperatur des inneren Wälzlagerringes 02 eine festgelegte Temperatur, wird der Stromkreis zum Dickschichtheizwiderstand unterbrochen. Dadurch ist gewährleistet, dass der innere Wälzlagerring 02 nicht so heiß wird, dass das Wälzlager geschädigt oder zerstört wird. Statt eines Thermostates kann auch ein Temperatursensor im Dickschichtheizwiderstand integriert sein, der an eine integrierte oder externe Steuerung der Stromquelle des Dickschichtheizwiderstandes angeschlossen ist.

01: Wälzlager
02: innerer Wälzlagerring
03: äußerer Wälzlagerring
04: Wälzkörper (Kugeln)
05
06: Käfig
07: Nieten
08: Dickschichtheizwiderstand
09: elektrische Kontakte
10
11: elektrische Leitungen
12: Thermostat

Claims

Wälzlager (01) mit mindestens einem beheizten Wälzlagerring (02), dadurch gekennzeichnet, dass ein elektrisches Heizelement (08) in gut wärmeleitendem Kontakt auf einem Oberflächenabschnitt des beheizten Wälzlagerringes (02) aufgebracht ist, wobei die vom Heizelement (08) generierbare Wärmemenge so bemessen ist, dass der beheizte Wälzlagerring (02) beim Aufheizen eine thermische Ausdehnung erfährt, welche die Montage des Wälzlagers an einem Gestellelement unter Ausbildung einer Schrumpfpassung bei nachfolgender Abkühlung ermöglicht.
Wälzlager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement (08) als Dickschichtheizwiderstand ausgeführt ist, der auf den beheizten Wälzlagerring (02) aufgedruckt ist.
Wälzlager nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement (08) auf den Stirnseiten des beheizten Wälzlagerringes (02) aufgebracht ist.
Wälzlager nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass in der Oberfläche des beheizten Wälzlagerringes (02) Nuten eingebracht sind, in welchen das Heizelement (08) angeordnet ist.
Wälzlager nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement (08) auch nach der Montage am Gestell mit elektrischer Energie versorgbar ist, um eine gewünschte Lagertemperatur einstellen zu können.
Wälzlager nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Dickschichtheizwiderstand (08) auf die Lauffläche des Wälzlagerringes (02) aufgedruckt ist und aus einem Material besteht, welches im anschließenden Betrieb durch die Wälzlagerkörper (04) ohne Beschädigung des Lagers abgerieben wird.
Wälzlager nach mindestens einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Dickschichtheizwiderstand (08) als Stromisolation am Wälzlager vorgesehen ist.
Wälzlager nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Temperatursensor und/oder ein Thermostat (12) in das Heizelement (08) integriert ist.
Wälzlager nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass weiterhin ein Temperaturanzeigemittel, insbesondere ein Folienthermometer am beheizten Wälzlagerring (02) angeordnet ist, welches das Erreichen der Montagetemperatur signalisiert.
Wälzlager nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass weiterhin eine Temperaturkontrolleinheit, insbesondere eine Schmelzsicherung oder ein Thermostat, in das Heizelement (08) integriert ist, die mit dem Heizelement zu einer Temperaturkontrolle und/oder Temperatursteuerung zusammenwirkt.
Wälzlager nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass, die Schmelzsicherung bei Überschreiten einer vorgegebenen Grenztemperatur die Energieversorgung zum Heizelement unterbricht und/oder das Thermostat bei Über- und/oder Unterschreiten einer vorgebbaren Grenztemperatur die Energieversorgung zum Heizelement zu- oder abschaltet.
Verfahren zur Montage eines Wälzlagers (01) an einem Gestellelement, unter Ausbildung einer Schrumpfpassung, die folgenden Schritte umfassend: – Aufdrucken eines Dickschichtheizwiderstands (08) auf einen beheizten Wälzlagerring (02) des Wälzlagers; – Aufheizen des beheizten Wälzlagerrings (02) durch elektrische Versorgung des Dickschichtheizwiderstands (08) bis der Wälzlagerring eine Ausdehnung erfahren hat, welche die Montage am Gestellelement gestattet; – Montage des Wälzlagers (01) am Gestellelement; – Abkühlen des beheizten Wälzlagerrings (02) zur Ausbildung der Schrumpfpassung.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet dass der Dickschichtheizwiderstand (08) mit elektrischer Energie versorgt wird, bis das Wälzlager am Gestellelement angesetzt ist.