DE102006019984B4 - Radialwälzlager - Google Patents
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Abstract
Description
- Anwendungsgebiet der Erfindung
- Die Erfindung betrifft ein Radialwälzlager, welches im Wesentlichen aus einem äußeren Lagerring mit einer inneren Laufbahn und einem inneren Lagerring mit einer äußeren Laufbahn sowie einer Vielzahl zwischen den Lagerringen angeordneter Wälzkörper besteht, die mit ihren Laufflächen auf den Laufbahnen der Lagerringe abrollen und durch einen Lagerkäfig in Umfangsrichtung in gleichmäßigen Abständen zueinander gehalten sind, wobei zur Vermeidung von Schlupf zwischen den Wälzkörpern und Lagerringen ein oder mehrere elastische Spannelemente angeordnet sind, welche die Wälzkörper zwischen den Laufbahnen radial vorspannen.
- 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 der Lagerringe abrollen. Desweiteren ist es von niedrig belasteten, schweren Radialwälzlagern bekannt, dass sich der aus den Wälzkörpern und deren Lagerkäfig bestehende Wälzkörperkranz aufgrund der Reibung im Lager bzw. aufgrund der hohen Massenkraft des Wälzkörperkranzes und der geringen Kontaktkraft zwischen den Wälzkörpern und den Laufbahnen nicht mit der kinematischen Drehzahl dreht. Die Drehzahl des Wälzkörperkranzes bleibt folglich gegenüber der kinematischen Drehzahl zurück, so dass sich die Wälzkörper in einem kinematischen 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 der Schlupf behafteten Kontaktstelle 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 trennten Schmierfilms ist somit ursächlich dafür, dass es in den Oberflächen der Laufbahn und der Wälzkörper zu hohen Tangentialspannung kommt, die mit starken Verschleißerscheinungen, wie Aufrauhung der Laufbahn, 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 sind bereits Radiallager bekannt geworden, die an wenigstens einer Umfangsstelle elastisch ausgebildete Wälzkörper einsetzen.
- So ist beispielsweise in der
DE 511 985 A ein Radialwälzlager beschrieben, das federnde Wälzkörper in Form einer Schraubenfeder verwendet, so dass das Lager in radialer Richtung vorgespannt ist. Nachteilig dabei ist, dass sich solche federartigen Wälzkörper nur in sehr aufwendiger Weise herstellen lassen und außerdem besteht die Gefahr einer Tribokorrosion innerhalb der Feder. - Eine andere Art von elastischen Wälzkörpern ist aus der
JP 032 778 09 A1 - Aus der
US 3,930,693 ist ein Radialwälzlager bekannt geworden, dessen Wälzkörper als elastische Hohlrollen ausgebildet sind. Dabei ist jedoch von Nachteil, dass solche Hohlrollen aufgrund der aufzuwendenden Energie zu ihrer Verformung ein hohes Lagerreibmoment aufweisen. Außerdem dürfte durch die Hohlrollen die Tragfähigkeit eines solchen Lagers ebenfalls eingeschränkt sein. In der Praxis hat sich auch herausgestellt, dass solche Hohlrollen den auftretenden Biegewechselspannungen oftmals nicht gewachsen sind und daher auch mehrteilig ausgeführt werden müssen. - Hierneben ist aus
GB 2410772 A - Zusammenfassung der Erfindung
- Ausgehend von den dargelegten Nachteilen des bekannten Standes der Technik liegt der Erfindung deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Radialwälzlager bereit zu stellen, bei dem zur Vermeidung von Schlupf zwischen den Wälzkörpern und deren Laufbahnen ein Spannelement verwendet wird, das die Tragfähigkeit nicht wesentlich eingeschränkt.
- Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe nach Anspruch 1 dadurch gelöst, dass das Spannelement als eine beidseitig an den Stirnflächen der Wälzkörper angeordnete Antriebsscheibe ausgebildet ist, die im Durchmesser geringfügig größer als der Durchmesser der Wälzkörper ist, wobei die Antriebsscheibe in radialer Richtung im elastischen Bereich verform- oder verschiebbar ist, wobei die Antriebsscheibe in radialer Richtung im elastischen Bereich verformbar ist, wobei der elastische Bereich der Antriebsscheibe im Randbereich angeordnet ist und im Bereich des Außendurchmessers der Antriebscheibe gleichmäßig in Umfangsrichtung voneinander beabstandete Durchbrechungen angeordnet sind.
- Eine nebengeordnete Lösung sieht nach Anspruch 2 vor, dass das Spannelement als eine beidseitig an Stirnflächen der Wälzkörper angeordnete Antriebsscheibe ausgebildet ist, die im Durchmesser geringfügig größer als der Durchmesser der Wälzkörper ist, wobei die Antriebsscheibe in radialer Richtung verschiebbar ist, wobei die Wälzkörper als Zylinderrollen ausgebildet sind, die an ihren beiden Stirnseiten je einen axial hervorstehenden Vorsprung aufweisen, der von einer Aufnahmeöffnung der Antriebsscheibe umschlossen ist und in einer zentrischen Aufnahmebohrung der Antriebsscheibe ein in radialer Richtung federndes Element angeordnet ist.
- Der Vorteil der erfindungsgemäßen Lösungen besteht im Wesentlichen darin, dass ohne Beeinträchtigung der Tragzahl die Wälzkörper über eine kraftschlüssige Verbindung zwischen diesen und den Lagerringen stetig angetrieben werden und somit auch außerhalb der Lastzone keinen Schlupf zeigen. Die Anordnung der Antriebsscheiben beidseitig an den Stirnflächen der Wälzkörper wirkt sich somit auf die reduzierte Wälzkörperlänge in axialer Richtung weit weniger auf die Tragfähigkeit aus, als beispielsweise das Ersetzen von wenigstens drei Wälzkörpern durch weniger tragfähige Hohlrollen oder federartig ausgebildete Wälzkörper. Dadurch, dass die Antriebsscheiben im Durchmesser größer sind als die Wälzkörper, sorgen sie auch außerhalb der Lastzone trotz des Lagerspiels für einen ständigen Kontakt zwischen Scheiben und Lagerringe. Durch diesen kraftschlüssigen Kontakt rotieren die Scheiben stets mit der kinematischen Drehzahlen und treiben die Wälzkörper an, deren Drehzahl sich ansonsten außerhalb der Lastzone verringern würde. Es ist weiter von Vorteil, dass durch die spezielle Geometrie der Scheiben sehr wenig Verformungsarbeit im Lager zu überwinden ist. Die Scheiben sorgen aufgrund ihrer verminderten Steifigkeit dafür, dass die aufgrund des Übermaßes auftretende Hertzsche Pressung sehr gering ist.
- Bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des erfindungsgemäß ausgebildeten Radialwälzlagers sind in den Unteransprüchen beschrieben.
- So ist nach Anspruch 3 vorgesehen, dass die Antriebsscheibe mit den Wälzkörpern form- oder stoffschlüssig verbunden ist.
- Nach einem weiteren Merkmal gemäß Anspruch 4 ist vorgesehen, dass die Wälzkörper als Zylinderrollen ausgebildet sind, die an ihren beiden Stirnseiten je einen axial hervorstehenden Vorsprung aufweisen, der von einer Aufnahmeöffnung der Antriebsscheiben umschlossen ist. Die Montage eines solchen Zylinderrollenlagers lässt sich deshalb in einfacher Weise bewerkstelligen, weil die Antriebsscheiben lediglich auf die hervorstehenden Zapfen aufgeschoben werden müssen.
- Schließlich ist nach einem letzten Merkmal der Erfindung gemäß Anspruch 5 vorgesehen, dass in einem der Lagerringe zur Aufnahme der Antriebsscheiben ein Freistich angeordnet ist. Diese sorgen dafür, dass die Antriebsscheiben in radialer Richtung im Bereich des Freistiches keinen Kontakt zum jeweiligen Lagerring aufweisen.
- Kurze Beschreibung der Zeichnungen
- Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und aus den Zeichnungen, in denen Ausführungsbeispiele der Erfindung in vereinfachter Form dargestellt sind.
- Es zeigen:
-
1 eine Draufsicht auf eine erfindungsgemäße Antriebsscheibe, -
2 einen Längsschnitt durch ein Zylinderrollenlager mit beidseitig angeordneten Antriebsscheiben, -
3 eine vergrößerte Darstellung der Antriebsscheibe gemäß2 außerhalb der Lastzone, -
4 eine vergrößerte Darstellung der Antriebsscheibe gemäß2 in der Lastzone, -
5 einen Längsschnitt durch ein Zylinderrollenlager mit einer weiteren Variante der Antriebsscheibe, -
6 einen Querschnitt entlang der Linie VI in5 , -
7 eine vergrößerte Darstellung der Antriebsscheibe gemäß6 außerhalb der Lastzone und -
8 eine vergrößerte Darstellung der Antriebsscheibe gemäß6 in der Lastzone - Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
- Aus den
1 ,2 ,3 und4 geht deutlich jeweils ein als Zylinderrollenlager ausgebildetes Radialwälzlager1 hervor, welches im Wesentlichen aus dem äußeren Lagerring2 und dem inneren Lagerring3 besteht, zwischen denen auf zugehörigen Laufbahnen4 ,5 Wälzkörper6 abrollen, die durch einen nicht dargestellten Käfig in Umfangsrichtung gleichmäßig auf Abstand gehalten sind. Während der äußere Laufring2 beidseitig mit radial nach innen gerichteten Borden7 ,8 ausgestattet ist, ist der innere Laufring3 lediglich an einer Seite mit dem radial nach auswärts gerichteten Bord9 versehen. Der als Zylinderrolle ausgebildete Wälzkörper6 ist beidseitig an seinen Stirnflächen mit axial hervorstehenden kreisrunden Vorsprüngen10 ausgestattet, die beidseitig Antriebsscheiben11 über deren zentrische Aufnahmeöffnung12 so aufnehmen, dass die Antriebsscheiben11 gegenüber den Wälzkörpern12 nicht verdrehbar sind. Wie weiter erkennbar, sind die Antriebsscheiben11 im Durchmesser etwas größer als der Wälzkörper6 , so dass auch außerhalb der Lastzone trotz des Lagerspiels für ständigen Kontakt zwischen Antriebsscheibe11 und Lagerring3 gesorgt ist. Der Durchmesser der Antriebsscheibe11 muss dabei im Vergleich zum Durchmesser der Wälzkörper6 zumindest soviel größer sein, dass vorhandenes Radialspiel zwischen den Wälzkörpern6 und beiden Lagerringen2 ,3 ausgeglichen ist. Die Wirkungsweise der Antriebsscheiben11 wird nachstehend anhand der3 und4 erläutert, die die Bereiche X und Y gemäß2 in vergrößerter Darstellung außerhalb und innerhalb der Lastzone zeigen. - Wie diese erkennen lassen, ist die Antriebsscheibe
11 im Randbereich mit durchgehenden Durchbrechungen13 versehen, so dass sie in zwei Bereiche aufgeteilt ist. Zum einen der mit14 bezeichnete starre innere Teil und zum anderen der mit15 bezeichnete federnde Randbereich, der vom starren Teil14 durch die Durchbrechungen13 abgetrennt ist. Wie der untere Teil von3 erkennen lässt, besteht außerhalb der Lastzone zwischen Wälzkörper6 und Innenlaufbahn5 kein direkter Kontakt, was durch den nicht näher bezeichneten Spalt zeichnerisch zwischen beiden dargestellt ist. Der Kontakt zwischen Wälzkörper6 und Innenring3 erfolgt indirekt über die Antriebsscheibe11 , die mit dem Wälzkörper6 fest verbunden ist und mit ihrer Mantelfläche an der Laufbahn5 anliegt. Wie der obere Teil von3 im unbelasteten Bereich zeigt, ist die Antriebsscheibe11 in einem Freistich16 untergebracht, der sich im äußeren Lagerring2 befindet. Wenn sich also der Wälzkörper6 außerhalb der Lastzone befindet, so verläuft der Kraftfluss vom inneren Lagerring3 über die Antriebsscheiben11 auf die Wälzkörper6 und den äußeren Lagerring2 . Oder anders ausgedrückt, die Antriebsscheiben11 pressen die Wälzkörper6 aufgrund ihres größeren Durchmessers gegen die Laufbahn4 des Außenringes2 und sorgen somit auch im lastfreien Bereich für eine kinematische Umwälzung. In der Lastzone hingegen, die zeichnerisch in4 dargestellt ist, sind die Wälzkörper6 sowohl mit der äußeren Laufbahn4 des äußeren Lagerringes2 als auch mit der inneren Laufbahn5 des inneren Lagerringes3 in unmittelbarem Kontakt, der dadurch ermöglicht ist, dass sich die Antriebsscheiben11 im elastischen Bereich verformen. Dies erfolgt derart, dass eine Durchmesserverkleinerung der Antriebsscheiben11 durch die Durchbrechungen13 möglich ist, wobei der federnde Randbereich15 radial nach innen bewegt ist. Ein Vergleich der unteren Bildhälften der3 und4 zeigt, dass dabei die mit a1 bezeichnete lichte Weite der Durchbrechung13 im unbelasteten Bereich größer als die a2 bezeichnete lichte Weite in der Lastzone ist. - In den
5 bis9 ist eine weitere erfindungsgemäße Variante eines Radialwälzlagers17 gezeigt, dessen Antriebsscheiben18 aber andersartig ausgebildet ist. Soweit Übereinstimmung mit den1 bis4 besteht, sind auch die gleichen Bezugszeichen verwendet worden, so dass eine ausführliche Erläuterung der gesamten Lageranordnung entbehrlich ist, da diese in vielen Details mit dem Lager gemäß den1 bis4 übereinstimmt. Wie insbesondere aus den5 und6 erkennbar, ist vom Vorsprung10 des Wälzkörpers6 ein kreisrundes Federelement19 aufgenommen, das wiederum in der Aufnahmeöffnung12 der Antriebsscheibe18 aufgenommen ist. Diese Ausbildung hat zur Folge, dass die Antriebsscheibe18 an sich nicht federnd sein muss, sondern das Federelement19 eine Radialverschiebung der in sich stabilen Antriebsscheibe18 ermöglicht. - Die Wirkungsweise dieser Antriebsscheibe
18 mit intrigiertem Federelement19 wird anhand der7 und8 erläutert, wobei wiederum in7 die Verhältnisse außerhalb der Lastzone und in8 die Verhältnisse in der Lastzone zeichnerisch dargestellt sind. Wie der untere Teil der7 zeigt, ist im unbelasteten Zustand wiederum kein direkter Kontakt zwischen der Lauffläche des Wälzkörpers6 mit der Innenlaufbahn5 des Innenringes3 gegeben. Kontakt liegt aber zwischen Laufbahn5 und der Antriebsscheibe18 vor, die, wie bereits erläutert, mit dem Wälzkörper6 bzw. mit dessen Vorsprung10 über das Federelement19 verbunden ist. Durch die Wirkung dieses Federelementes19 liegt der Wälzkörper6 im oberen Bereich im entlasteten Zustand mit seiner Mantelfläche an der äußeren Laufbahn4 des äußeren Lagerringes2 an, während die Antriebsscheibe18 in den Freistich16 im äußeren Laufring2 hineinragt. Wird nun die Lastzone erreicht, die in8 dargestellt ist, ist die Mantelfläche des Wälzkörpers6 sowohl mit der inneren Laufbahn5 des Lagerringes3 als auch mit der äußeren Laufbahn4 des äußeren Lagerringes2 in Kontakt. Dies hat zur Folge, dass, wie aus dem oberen Bereich von8 ersichtlich, die Antriebsscheibe18 weiter in den Freistich16 eintaucht. Durch die federnde Wirkung des Elementes19 wird die Antriebsscheibe18 in radialer Richtung nach oben verschoben, d. h., sie kann in sich stabil bleiben, während das in ihrem Zentrum angeordnete Federelement19 reagieren muss. Zeichnerisch ist das derart dargestellt, dass der linksseitig im lastfreien Bereich mit b1 bezeichnete radiale Abstand von der Antriebsscheibe18 bis zum Grund des Freistiches16 größer ist, als der mit b2 bezeichnete gleichartige Abstand in der Lastzone. - In beiden Ausführungsvarianten gemäß den
1 bis8 sind die Radialwälzlager1 ,17 jeweils mit Freistichen16 im äußeren Lagerring2 ausgestattet. Dies hat zur Folge, dass die radiale Verformung der Antriebsscheibe11 beziehungsweise deren radiale Verschiebung im Lastbereich den doppelten Wert annimmt, der sich ohne Freistich einstellen würde. Im zweiten Fall, nämlich ohne Freistich16 , würde die elastische Verformung der Antriebsscheibe11 sowohl am inneren Lagerring3 als auch am äußeren Lagerring4 an einander gegenüberliegenden Umfangsstellen erfolgen. - Bezugszeichenliste
-
- 1
- Radialwälzlager
- 2
- äußerer Lagerring
- 3
- innerer Lagerring
- 4
- äußere Laufbahn
- 5
- innere Laufbahn
- 6
- Wälzkörper
- 7
- Bord
- 8
- Bord
- 9
- Bord
- 10
- Vorsprung
- 11
- Antriebsscheibe
- 12
- Aufnahmeöffnung
- 13
- Durchbrechung
- 14
- starrer Teil
- 15
- federnder Randbereich
- 16
- Freistich
- 17
- Radialwälzlager
- 18
- Antriebsscheibe
- 19
- Federelement
- a1, a2
- lichte Weite
- b1, b2
- radialer Abstand
Claims (5)
- Radialwälzlager (
1 ), welches im Wesentlichen aus einem äußeren Lagerring (2 ) mit einer äußeren Laufbahn (4 ) und einem inneren Lagerring (3 ) mit einer inneren Laufbahn (5 ) sowie einer Vielzahl zwischen den Lagerringen (2 ,3 ) angeordneter Wälzkörper (6 ) besteht, die mit ihren Laufflächen auf den Laufbahnen (4 ,5 ) der Lagerringe (2 ,3 ) abrollen und durch einen Lagerkäfig in Umfangsrichtung in gleichmäßigen Abständen zueinander gehalten sind, wobei zur Vermeidung von Schlupf zwischen den Wälzkörpern (6 ) und den Lagerringen (2 ,3 ) ein oder mehrere elastische Spannelemente angeordnet sind, welche die Wälzkörper (6 ) zwischen den Laufbahnen (4 ,5 ) radial vorspannen, wobei das Spannelement als eine beidseitig an Stirnflächen der Wälzkörper (6 ) angeordnete Antriebsscheibe (11 ) ausgebildet ist, die im Durchmesser geringfügig größer als der Durchmesser der Wälzkörper (6 ) ist, wobei die Antriebsscheibe (11 ) in radialer Richtung im elastischen Bereich verformbar ist, wobei der elastische Bereich der Antriebsscheibe (11 ) im Randbereich angeordnet ist und im Bereich des Außendurchmessers der Antriebscheibe (11 ) gleichmäßig in Umfangsrichtung voneinander beabstandete Durchbrechungen (13 ) angeordnet sind. - Radialwälzlager (
17 ), welches im Wesentlichen aus einem äußeren Lagerring (2 ) mit einer äußeren Laufbahn (4 ) und einem inneren Lagerring (3 ) mit einer inneren Laufbahn (5 ) sowie einer Vielzahl zwischen den Lagerringen (2 ,3 ) angeordneter Wälzkörper (6 ) besteht, die mit ihren Laufflächen auf den Laufbahnen (4 ,5 ) der Lagerringe (2 ,3 ) abrollen und durch einen Lagerkäfig in Umfangsrichtung in gleichmäßigen Abständen zueinander gehalten sind, wobei zur Vermeidung von Schlupf zwischen den Wälzkörpern (6 ) und den Lagerringen (2 ,3 ) ein oder mehrere elastische Spannelemente angeordnet sind, welche die Wälzkörper (6 ) zwischen den Laufbahnen (4 ,5 ) radial vorspannen, wobei das Spannelement als eine beidseitig an Stirnflächen der Wälzkörper (6 ) angeordnete Antriebsscheibe (18 ) ausgebildet ist, die im Durchmesser geringfügig größer als der Durchmesser der Wälzkörper (6 ) ist, wobei die Antriebsscheibe (18 ) in radialer Richtung verschiebbar ist, wobei die Wälzkörper (6 ) als Zylinderrollen ausgebildet sind, die an ihren beiden Stirnseiten je einen axial hervorstehenden Vorsprung (10 ) aufweisen, der von einer Aufnahmeöffnung (12 ) der Antriebsscheibe (18 ) umschlossen ist und in einer zentrischen Aufnahmebohrung (12 ) der Antriebsscheibe (18 ) ein in radialer Richtung federndes Element (19 ) angeordnet ist. - Radialwälzlager (
1 ,17 ) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebscheibe (11 ,18 ) mit den Wälzkörpern (6 ) form- oder stoffschlüssig verbunden ist. - Radialwälzlager (
1 ,17 ) nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Wälzkörper (6 ) als Zylinderrollen ausgebildet sind, die an ihren beiden Stirnseiten je einen axial hervorstehenden Vorsprung (10 ) aufweisen, der von einer Aufnahmeöffnung (12 ) der Antriebsscheibe (11 ) umschlossen ist. - Radialwälzlager (
1 ,17 ) nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass in einem der Lagerringe (2 ) zur Aufnahme der Antriebsscheiben (11 ,18 ) ein Freistich (16 ) angeordnet ist.
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