DE102006024376B4

DE102006024376B4 - Wälzlager mit unterschiedlichen Führungstaschen

Info

Publication number: DE102006024376B4
Application number: DE102006024376.5A
Authority: DE
Inventors: Dr. Pecher Alfred; Karl Bywalez; Joachim Schleifenbaum
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2006-05-24
Filing date: 2006-05-24
Publication date: 2016-03-24
Anticipated expiration: 2026-05-25
Also published as: CN101484714B; KR20090018969A; EP2019929A1; US20090290826A1; WO2007134591A1; DE102006024376A1; JP2009537773A; CN101484714A

Abstract

Wälzlager mit ausschließlich gleichen Wälzkörpern oder mit mehreren Gruppen gleicher Wälzkörper und mit einem Käfig (01) mit mindestens einer ersten Gruppe von Führungstaschen (02, 04, 06, 07, 08), in denen die gleichen Wälzkörper mit Spiel geführt sind; wobei das Spiel zumindest in einer ersten Führungstasche (04) der ersten Gruppe anders als das Spiel in einer zweiten Führungstasche (06) dieser ersten Gruppe von Führungstaschen ausgelegt ist; und wobei alle Führungstaschen (02) der ersten Gruppe in ihrer Form übereinstimmen und das unterschiedliche Spiel aus abweichenden Abmessungen resultiert, dadurch gekennzeichnet, dass für eine Mehrheit der Führungstaschen (02) in der ersten Gruppe gilt, dass keine der Führungstaschen (02) dieser Mehrheit das gleiche Spiel wie eine andere der Führungstaschen (02) dieser Mehrheit aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft Wälzlager mit einem Käfig zur Führung der Wälzkörper.
Wälzlager verursachen in bestimmten Betriebszuständen ein erhöhtes Laufgeräusch, welches in vielen Anwendungen störend ist. Bislang ging man davon aus, dass diese speziell bei höheren Drehzahlen zu beobachtende Geräuschentwicklung aufgrund einer chaotischen Käfigbewegung entsteht, die auch als Käfiginstabilität bezeichnet wird.
Aus der DE 197 81 320 B4 ist ein geräuschreduziertes Wälzlager mit einem Laufring bekannt, der als zusammengesetzter Hohlring ausgebildet ist. Der Hohlring besteht aus einem ersten Ringteil, welches mit den Wälzkörpern in Kontakt steht, und einem zweiten Ringteil, der das erste Ringteil umschließt. Zwischen den Ringteilen ist ein Spalt ausgebildet, der mit Öl oder einer anderen Flüssigkeit gefüllt ist. Die Laufbahn des ersten Ringteiles weicht durch eine oder mehrere elastische Laufbahnwölbungen abschnittsweise von der Kreisform ab. Zu jedem Zeitpunkt sind einige Wälzkörper vorgespannt, wodurch die gelagerte Welle ebenfalls eine radiale Vorspannung erhält. Die Welle hat somit nur eine geringe Möglichkeit zur Eigenbewegung, sodass eine Geräuschentwicklung reduziert ist. Nachteilig an dieser Lösung ist der hohe Aufwand, der für die Montage des mit Flüssigkeit gefüllten Spaltes notwendig ist. Die Flüssigkeit muss unter Druck stehen, wofür entsprechende Maßnahmen zur Abdichtung erforderlich sind. Weiterhin ist nachteilig, dass aufgrund der Vorspannung die Rollreibung der Wälzkörper auf den Laufringen erhöht ist. Des Weiteren ist das durch das Zusammenspiel zwischen dem Käfig und den Wälzkörpern entstehende Geräusch nur geringfügig gedämpft.
Zur Geräuschreduzierung werden, wie beispielsweise aus der EP 1 083 353 A2 bekannt ist, auch spezielle Fette eingesetzt, welche eine dämpfende Wirkung zeigen. Allerdings lassen sich diese Fette aufgrund ihrer geringen Temperaturbeständigkeit nicht bei höheren Lagertemperaturen verwenden.
Die JP H01-153817 A lehrt einen Käfig für ein Kugellager, welcher unterschiedlich geformte Kugeltaschen besitzt, um das Betriebsgeräusch des Kugellagers zu mindern. Die unterschiedlich geformten Kugeltaschen geben den Kugeln unterschiedliche Freiheitsgrade, da sie die Bewegungen der Kugeln unterschiedlich begrenzen. So geben beispielsweise einige der Kugeltaschen die Bewegung radial nach innen und radial außen frei, während andere der Kugeltaschen die Bewegung radial nach außen begrenzen.
Die DE 42 28 579 A1 zeigt einen Führungskäfig für eine Rollkontakt-Linearbewegungseinheit mit schlitzförmigen Taschen für Kugeln. Die schlitzförmigen Taschen sind bevorzugt unterschiedlich lang, sodass die Taschen unterschiedlich geformt und unterschiedlich groß sind.
Die gattungsbildende US 5,394,284 zeigt eine besondere Ausführung eines Käfigs eines Kugellagers für eine Festplatte. Der Käfig umfasst zwei unterschiedliche Ausführungen von Kugeltaschen, nämlich zum einen kleinere Führungskugeltaschen und zum anderen größere Kugeltaschen. Es gibt somit zwei Gruppen der Kugeltaschen, wobei die Kugeltaschen innerhalb der Gruppen gleich sind. Die Führungskugeltaschen weisen ein statisches Spiel C gegenüber den Kugeln auf, welches sich bei Rotation der Kugeln auf ein dynamisches Spiel C' reduziert. Die größeren Kugeltaschen weisen ein statisches Spiel C'' gegenüber den Kugeln auf, welches mindestens doppelt so groß wie das Spiel C der Führungskugeltaschen ist.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht ausgehend von der US 5,394,284 darin, Wälzlager mit einem Käfig bereitzustellen, deren Betriebsgeräusch durch eine einfache zu realisierende Maßnahme gesenkt ist, ohne dass die Rollreibung der Wälzkörper gesteigert wird.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Wälzlager gemäß dem beigefügten Anspruch 1.
Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, dass bei Wälzlagern mit einem Käfig, der z. B. aus Blech, Messing oder Hartgewebe besteht und der Führung der Wälzkörper dient, Geräusche insbesondere durch eine Erregung des Käfigs auftreten, die aufgrund einer konzertierten Bewegung der Wälzkörper im Verbund mit dem Käfig entstehen. In Abkehr von der bisherigen Annahme der Fachwelt, wonach beim Auftreten der o. g. Käfiginstabilität eine chaotische Käfigbewegung auftritt, geht die vorliegende Erfindung davon aus, dass die Wälzkörper in dem Käfig eines herkömmlichen Wälzlagers zu einer geordneten Bewegung angeregt werden. Die Wälzkörper in einem Wälzlager führen im Verbund mit dem Käfig keine chaotische sondern eine deterministische Bewegung aus. Das Wälzlager wechselt beim Auftreten von Käfiggeräuschen von einem stabilen Zustand eines geräuscharmen Betriebes in einen stabilen Zustand eines geräuschvollen Betriebes.
Der stabile Zustand des geräuschvollen Betriebes ist dadurch gekennzeichnet, dass die Wälzkörper während ihrer Bewegung in den Taschen periodisch einen bestimmten Zustand aufweisen, der zur Anregung des Käfigs führt. Für diese Anregung ist allerdings ohne Belang, dass Abschnitte der Bewegung der Wälzkörper ungleich, unregelmäßig oder chaotisch sein können. Die gleiche Ausführung der Wälzkörper und derer Taschen im Käfig bewirkt, dass zumindest die Mehrzahl der Wälzkörper periodisch einen gleichen Zustand während der Bewegung in der Tasche aufweist, das heißt, eine konzertierte Bewegung ausführen. Dieser Zustand kann durch den Ort des Wälzkörpers innerhalb der Tasche oder auch den Geschwindigkeitsvektor oder den Beschleunigungsvektor in Bezug auf die Tasche gekennzeichnet sein. Dieser periodische Zustand führt zu einer periodischen Anregung des Käfigs und schließlich zum Schwingen des Käfigs. Das Schwingen des Käfigs stellt eine Hauptursache für das erhöhte Betriebsgeräusch des Wälzlagers dar. Das Schwingen des Käfigs kann sich auf weitere Teile des Wälzlagers und der Maschine übertragen.
Wesentlich für die Erfindung ist zunächst, dass die Wälzkörper mit einem Spiel in den Führungstaschen des Käfigs geführt werden, welches sich zumindest in einer dieser Taschen von dem Spiel in einer anderen Tasche des Käfigs unterscheidet.
Die Unterschiedlichkeit der Spiele in diesen Führungstaschen kann dabei sowohl durch unterschiedliche Ausbildung der jeweiligen Führungstaschen, insbesondere bei gleichen Wälzkörpern, als auch durch unterschiedliche Ausbildung der jeweiligen Wälzkörper, insbesondere Wälzkörper unterschiedlicher Abmessungen, erreicht werden.
Bei einem erfindungsgemäßen Wälzlager kann der stabile Zustand eines geräuschvollen Betriebes daher nicht eintreten. Folglich ist eine periodische Anregung des Käfigs durch jeden der Wälzkörper nicht möglich und ein konzertierter Bewegungsablauf zwischen den Wälzkörpern und dem Käfig kann nicht auftreten.
Ein besonderer Vorteil dieser Erfindung besteht darin, dass durch eine einfach zu realisierende konstruktive Veränderung eine weitestgehende Reduktion der im Bereich des Käfigs eines Wälzlagers entstehenden Geräusche erzielt wird. Es bedarf keiner zusätzlichen Bauteile oder konstruktiver Ergänzungen, welche den Aufwand für die Herstellung eines erfindungsgemäßen Wälzlagers erhöhen würden.
Bevorzugt weisen viele Wälzlager ausschließlich gleiche, d. h. im Rahmen üblicher Fertigungstoleranzen gleiche, Wälzkörper auf. Anders ausgedrückt, die Wälzkörper liegen innerhalb einer bestimmten Sortierung (gleiches Nennmaß). Einige Wälzlager weisen mehrere Gruppen gleicher Wälzkörper auf, die in einem oder mehreren Käfigen geführt werden. Eine periodische Anregung des Käfigs eines solchen Wälzlagers kann gemäß der Erfindung dadurch vermieden werden, dass das Spiel innerhalb zumindest einer der Gruppen gleicher Wälzkörper unterschiedlich gestaltet wird.
Besonders bevorzugt handelt es sich bei erfindungsgemäßen Wälzlagern um Kugellager, wobei in diesem Fall die Wälzkörper als Kugeln ausgebildet sind.
Die Ausführungen des Spiels in den einzelnen Taschen sind weitgehend unregelmäßig gestaltet, sodass in einer Mehrheit der Taschen keine Tasche dieser Gruppe das gleiche Spiel wie eine andere Tasche dieser Gruppe aufweist. Einige der Taschen können trotzdem gleich ausgeführt sein, insbesondere wenn die gleich ausgeführten Taschen nicht nebeneinander oder gegenüberliegend angeordnet sind. Bevorzugt gleicht keine Tasche einer anderen Tasche exakt.
In einer nicht zur Erfindung gehörigen Ausführungsform unterscheidet sich das Spiel in den Taschen einer Gruppe zur Führung gleicher Wälzkörper aufgrund unterschiedlicher Formen der Taschen. Beispielsweise können die Taschen einen elliptischen Querschnitt aufweisen, wobei diese Ellipsen nicht geometrisch ähnlich sind, jedoch einen gleichen oder ähnlichen Umfang aufweisen. Die unterschiedliche Form der Taschen kann auch durch spezielle Formgebungen wie lokale Aufweitungen oder Einkerbungen erzielt werden. Bei Käfigen, in denen die Führung der Wälzkörper an einer oder mehreren führenden Kanten erfolgt, können die Kanten unterschiedlich ausgeführt sein. Beispielweise können bei kastenartigen Taschen, in denen die Wälzkörper an vier Kanten geführt sind, die Kantenabstände der Taschen variieren.
Das Spiel in den Taschen einer Gruppe zur Führung gleicher Wälzkörper unterscheidet sich nicht aufgrund einer unterschiedlichen Form der Taschen. Alle Taschen einer Gruppe zur Führung gleicher Wälzkörper sind geometrisch ähnlich und unterscheiden sich nur durch einen Skalierungsfaktor.
Taschen zur Führung von Wälzkörpern lassen sich meist durch einen Radius kennzeichnen, welcher die Größe des Volumens beschreibt, in dem der Wälzkörper rotieren kann. Dieses Volumen wird durch die Geometrie des Käfigs bestimmt.
Bei Kugellagern sind die Taschen meist kalottenförmig ausgebildet. Die Unterschiedlichkeit des Spiels in den Taschen kann in solchen Fällen durch unterschiedlich große Radien beschrieben werden.
Andere auch mitumfasste Taschenformen sind beispielsweise eine Kastenform oder eine Rahmenform. Bei einer vorteilhaften Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Wälzlagers sind daher die Radien der Taschen unterschiedlich groß, insbesondere sind im Falle eines erfindungsgemäßen Kugellagers mit Kugeln die Radien der kalottenförmigen Taschen unterschiedlich groß.
In einer nicht zur Erfindung gehörigen Ausführungsform unterscheidet sich das Spiel in den Taschen einer Gruppe zur Führung der Wälzkörper nicht aufgrund einer unterschiedlichen Form der Taschen, sondern durch unterschiedliche Ausbildung der jeweiligen Wälzkörper. D. h., hier werden unterschiedliche Wälzkörper bzw. Wälzkörper unterschiedlicher Abmessungen eingesetzt, die sich bzw. deren Abmessungen sich über die übliche Fertigungstoleranz hinaus unterscheiden.
Weitere Vorteile, Einzelheiten und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mehrerer Ausführungsformen, unter Bezugnahme auf die Zeichnung.
Die einzige 1 zeigt zwei Ansichten eines Käfigs 01 eines erfindungsgemäßen Wälzlagers. der 1 zeigt eine seitliche Schnittansicht einen Abschnittes mit vier Taschen einer Käfighälfte des Käfigs 01. der 1 zeigt eine Draufsicht auf einen Abschnitt mit vier Taschen der Käfighälfte des Käfigs 01.
Die in 1 gezeigte Hälfte des Käfigs 01 dient der Führung von acht Kugeln (nicht gezeigt), die als Wälzkörper in einem Kugellager (nicht gezeigt) fungieren. Der Käfig 01 weist hierfür acht kalottenförmige Taschen 02 auf. Zwischen den Taschen 02 sind Löcher 03 für die Durchführung von Nieten oder anderen Verbindungsmitteln (nicht gezeigt) angeordnet. Für die Montage des Kugellagers werden zwischen den beiden Hälften des Käfigs die acht Kugeln angeordnet und die beiden Hälften des Käfigs 01 mit acht Nieten miteinander verbunden. Bei der gezeigten Ausführung weist der Käfig 01 einen äußeren Durchmesser von etwa 70 mm und einen inneren Durchmesser von 65 mm auf und besteht aus einem Blech mit einer Dicke von 1 bis 2 mm.
Die acht Taschen 02 sind gleichmäßig über den ringförmigen Käfig 01 verteilt. Folglich weisen die Mittelpunkte der Taschen 02 jeweils einen Winkel von 45 Grad zueinander auf. Die Kugeln haben einen an die Taschengröße angepassten Durchmesser. Die kalottenförmigen Taschen 02 sind geringfügig größer als die Kugeln ausgeführt, sodass die Kugeln mit einem Spiel in den Taschen 02 geführt werden. Das Spiel ermöglicht ein freies Rollen der Kugeln in dem Käfig 01. Des Weiteren befindet sich ein Schmiermittel in den Zwischenräumen zwischen den Kugeln und den Taschen 02, sodass die Kugeln reibungsarm in den Taschen 02 rollen können.
Die Radien der acht kalottenförmigen Taschen 02 sind unterschiedlich groß ausgeführt. Hierbei handelt es sich nicht um eine unterschiedliche Größe, welche durch Fertigungstoleranzen bedingt ist, da diese bei heutiger Präzisionsfertigung zu klein wären, um ein regelmäßiges Anregen des Käfigs zu verhindern. Die Radien der Taschen 02 stehen in der gezeigten Ausführung in folgenden Verhältnissen zueinander:
erste Tasche 04: R1 = 8,45 mm
zweite Tasche 06: R2 = R1 + 1,4 mm
dritte Tasche 07: R3 = R1 – 0,41 mm
vierte Tasche (nicht gezeigt): R4 = R1
fünfte Tasche (nicht gezeigt): R5 = R2
sechste Tasche (nicht gezeigt): R6 = R3
siebente Tasche (nicht gezeigt): R7 = R2 + 0,5 mm
achte Tasche 08: R8 = R1 + 0,35 mm.
Die Taschen 02 weisen in diesem Beispiel einen durchschnittlichen Radius von 8,979 Millimeter auf. Die Radien der Taschen 02 sind bis zu 1,37 Millimeter größer und bis zu 0,94 Millimeter kleiner als der durchschnittliche Radius der Taschen 02. Diese Abweichungen betragen ein Mehrfaches der üblichen Fertigungstoleranz.
Die Radien der Taschen 02 sind in einer vorgegeben Bandbreite zufällig ausgewählt. Sie sind vorzugsweise bis zu 20 Prozent größer bzw. kleiner als der durchschnittliche Radius der Taschen 02.
Die Maße für das Spiel in den Taschen 02 reichen bei dem o. g. Beispiel von 0,29 Millimeter bis 2,6 Millimeter und unterscheiden sich daher etwa um den Faktor 10. Diese relative Angabe ist eine Richtgröße zur Ausführung des Spiels in den Taschen 02 eines erfindungsgemäßen Wälzlagers. Die Unterschiedlichkeit der Maße für das Spiel in den Taschen wird begrenzt durch das minimal zulässige Maß für das Spiel und das maximal zulässige Maß für das Spiel. Das minimal zulässige Spiel ist dann gegeben, wenn ein noch kleineres Spiel eine deutliche Vergrößerung der Rollreibung und eine dadurch bedingte Erwärmung zur Folge hätte. Das maximal zulässige Spiel ist dann gegeben, wenn ein noch größeres Spiel keine sichere Führung der Kugel ermöglichen würde. Bei einem erfindungsgemäßen Wälzlager müssen diese Grenzen zur Bemessung des Spiels nicht unbedingt ausgenutzt werden. Das erfindungsgemäße Wälzlager kann so ausgeführt sein, dass die Maße für das Spiel deutlich größer als das minimal zulässige Spiel und deutlich kleiner als das maximal zulässige Spiel sind. Die Relation zwischen dem kleinsten und dem größten Maß für das Spiel kann beispielsweise vom Zweifachen bis zum Hundertfachen betragen. Diese Relation ist entsprechend dem Wälzlager und dessen Betriebskenngrößen anzupassen.
Der obigen Beispiel-Aufstellung der Radien der Taschen 02 ist zu entnehmen, dass die dritte Tasche 07 und die sechste Tasche 02; die erste Tasche 04 und die vierte Tasche 02 sowie die zweite Tasche 06 und die fünfte Tasche jeweils gleich groß sind. Die jeweils gleich großen Taschen 02 sollten nicht nebeneinander und auch nicht gegenüberliegend angeordnet sein. Eine Mehrheit von fünf der acht Taschen 02, welche beispielsweise durch die erste, zweite, dritte, siebente und achte Tasche 02 gebildet wird, weist keine Tasche 02 auf, bei der das Spiel genauso groß wie das Spiel einer anderen Tasche 02 dieser Mehrheit ausgeführt ist. Die genannten Übereinstimmungen führen nicht dazu, dass es zu einer regelmäßigen Erregung des Käfigs 01 und somit zu einer erhöhten Geräuschentwicklung kommt. Die Anzahl der Übereinstimmungen und der Wertebereich für die Maße des Spiels sind entsprechend dem Wälzlager und dessen Betriebsverhaltens zu wählen. Beispielsweise können für ein Wälzlager mit einer intensiven Schmierung und geringen Drehzahlen mehrere Übereinstimmungen und ein kleiner Wertebereich für die Maße des Spiels gewählt werden, da ein solches Wälzlager weniger dazu neigt, in einen Zustand des geräuschvollen Betriebes zu wechseln. Hingegen sind die Maße für das Spiel in den Taschen 02 eines Wälzlagers mit sehr hohen Drehzahlen deutlich unregelmäßiger und in einem größeren Wertebereich zu wählen.
Bezugszeichenliste

01: Käfig
02: Tasche
03: Nietloch
04: erste Tasche
05
06: zweite Tasche
07: dritte Tasche
08: achte Tasche

Claims

Wälzlager mit ausschließlich gleichen Wälzkörpern oder mit mehreren Gruppen gleicher Wälzkörper und mit einem Käfig (01) mit mindestens einer ersten Gruppe von Führungstaschen (02, 04, 06, 07, 08), in denen die gleichen Wälzkörper mit Spiel geführt sind; wobei das Spiel zumindest in einer ersten Führungstasche (04) der ersten Gruppe anders als das Spiel in einer zweiten Führungstasche (06) dieser ersten Gruppe von Führungstaschen ausgelegt ist; und wobei alle Führungstaschen (02) der ersten Gruppe in ihrer Form übereinstimmen und das unterschiedliche Spiel aus abweichenden Abmessungen resultiert, dadurch gekennzeichnet, dass für eine Mehrheit der Führungstaschen (02) in der ersten Gruppe gilt, dass keine der Führungstaschen (02) dieser Mehrheit das gleiche Spiel wie eine andere der Führungstaschen (02) dieser Mehrheit aufweist.
Wälzlager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass alle Wälzkörper als Kugeln ausgebildet sind und die Führungstaschen (02) eine Kalottenform aufweisen, wobei das Spiel zwischen den Kugeln und dem Käfig durch einen Radius der Kalottenform festgelegt ist.
Wälzlager nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Radien der Kalottenform der Führungstaschen (02) einen Wert im Intervall zwischen dem 0,8-fachen und dem 1,2-fachen eines durchschnittlichen Radiusmaßes aufweisen, wobei der größte Radius mindestens das 1,1-fache des kleinsten Radius beträgt.
Wälzlager nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Käfig (01) mehrere Gruppen von Führungstaschen (02) umfasst.
Wälzlager nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Käfig (01) einteilig oder mehrteilig ausgebildet ist, insbesondere aus zwei komplementären Käfighälften besteht, die an Verbindungsstellen zwischen den einzelnen Führungstaschen (02) mit Verbindungsmitteln verbunden sind.
Wälzlager nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Käfig aus Blech, Kunststoff, Messing oder Hartgewebe besteht.
Wälzlager nach mindestens einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Wälzlager ein Kugellager ist und die zugehörigen Wälzkörper als Kugeln ausgebildet sind.