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Die
Erfindung betrifft ein Laufbahnelement einer Wälzlagerung mit einer Mantelfläche zum
Herstellen einer Passung mit einem Lagersitz nach dem Oberbegriff
des Anspruchs 1.
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Aus
dem Stand der Technik ist es bekannt, Wälzlageraußenringe mit einer Passung
in einen Lagersitz einzusetzen. Ferner ist es bekannt, zum Abdichten
des Lagersitzes die radiale Außenfläche des Wälzlageraußenrings
mit einer umlaufenden Nut auszustatten und in die umlaufende Nut
einen Kunststoffring mit einer konvex gewölbten Ringoberfläche einzusetzen,
der dichtend an einer radialen Innenfläche des Lagersitzes anliegt.
Der Wälzlageraußenring bzw.
die radiale Außenfläche ist
dann üblicherweise nicht über eine
Passung mit dem Lagersitz verbunden, sondern die Durchmesser sind
derart gewählt, dass
ein Spalt zwischen dem Außenring
und dem Lagersitz besteht, der von dem Kunststoffring abgedichtet
wird. Eine Ringoberfläche
des Kunststoffrings liegt über
die gesamte Breite des Rings radial außerhalb der Außenfläche des
Wälzlageraußenrings.
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Beim
Einschieben eines solchen Wälzlageraußenrings
in einen Lagersitz kann die Ringoberfläche an den axialen Rändern des
Kunststoffrings an einer Kante des Lagersitzes zur Anlage kommen
und hängenbleiben.
Dadurch kann das Einschieben erschwert werden und es können Schäden am Kunststoffring
entstehen, der dadurch seine dichtenden Eigenschaften verlieren
kann. Durch den Spalt zwischen dem Außenring und dem Lagersitz und
die Tatsache, dass die Kraft vollständig über die Kunststoffringe übertragen
wird, entsteht zudem eine Elastizität, die häufig unerwünscht ist. Eine Passung, die
insbesondere durch einen direkten Kontakt zwischen den vorzugsweise
metallischen Außen-
und Innenflächen
des Außenrings
bzw. Lagersitzes charakterisiert ist, wurde bisher nicht durch einen
Kunststoffring ergänzt,
da die oben beschriebenen Schäden
beim Einschieben des Kunststoffrings unvermeidlich erschienen.
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Passungen
zwischen Außenringen
und Lagersitzen leiden insbesondere bei stark vibrationsbelasteten
Lagern unter Problemen im Zusammenhang mit einer Reibkorrosion,
die auch „Fretting” genannt wird.
Es ist bekannt, dem Fretting durch Beschichtungen wie Phosphatieren
oder Molybdänflammspritzen zu
begegnen. Solche Verfahren sind einerseits teuer, da die Schicht
nur partiell aufgetragen werden kann und insbesondere die Laufbahn
des Rings unbeschichtet bleiben muss.
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Der
Erfindung liegt insbesondere die Aufgabe zugrunde, die oben beschriebenen
Probleme mit der Reibkorrosion in Lagersitzen von Wälzlagern
zu lösen.
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Die
Erfindung geht insbesondere aus von einem Laufbahnelement eines
Wälzlagers
mit einer Mantelfläche
zum Herstellen einer Passung mit einem Lagersitz, wenigstens einer
umlaufenden Nut in der Mantelfläche
und einem in die umlaufende Nut eingesetzten Kunststoffring mit
einer konvex gewölbten
radialen Ringoberfläche.
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Es
wird vorgeschlagen, dass die Ringoberfläche mit ihren axialen Randbereichen
radial innerhalb der Mantelfläche
liegt und in einem mittleren Bereich die Mantelfläche radial überragt.
Dadurch kann sicher vermieden werden, dass ein axialer Rand des Kunststoffrings
sich beim Einschieben in den Lagersitz verhakt. Es ist möglich, einen
Presssitz bzw. eine Passung zwischen der radialen Mantelfläche und dem
Lagersitz zu erreichen, in welchem insbesondere direkter metallischer
Kontakt bestehen kann, wobei dieser Presssitz durch eine Kraftübertragung durch
den Kunststoffring ergänzt,
aber nicht notwendigerweise vollständig ersetzt wird. Das Fretting-Phänomen ist
durch kleinskalige Reibbewegungen zwischen dem Außenring
und dem Lagersitz bedingt. Die Amplitude dieser Bewegungen kann
insbesondere im Bereich von Mikrometern oder auch im Bereich von
Nanometern liegen.
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In
einem erfindungsgemäßen Lagerring
gehen solche Bewegungen zwingend mit einer Deformation des Kunststoffmaterials
des Kunststoffrings einher. Diese Deformation absorbiert Energie,
was letztlich zu einer Dämpfung
einer Reibschwingung zwischen der Außenfläche und dem Lagersitz führt. Die
Verschiebekräfte
des Rings im Gehäuse
können erhöht werden,
ohne dass dafür
die Stahlpassung enger gewählt
werden müsste,
was zu einem erhöhten
Schwierigkeitsgrad bei der Montage führen würde. Ein weiterer Vorteil des
Kunststoffrings in der Passung liegt in einer Abdichtung des Lagersitzes gegen
Gase, die ansonsten mit abgeriebenen Stahlpartikeln im Lagersitz
reagieren könnten
und so die Reibkorrosion verstärken
würden.
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Auch
wenn aufgrund des üblicherweise
festeren Sitzes zwischen Innenring und einer Achse oder Welle in
dieser Verbindung die Probleme mit dem Fretting in der Regel geringer
sind, kann der Erfindungsgedanke prinzipiell auch zur Verbesserung einer
Passung zwischen einem Innenring und einer Welle oder Achse eines
Wälzlagers
verwendet werden. Entsprechend müsste
eine radiale Innenfläche eines
Innenrings mit einer umlaufenden Nut ausgestattet sein, in die ein
Kunststoffring eingesetzt ist, der an seinen axialen Enden radial
hinter die Innenfläche
zurücktritt
bzw. radial außerhalb
der Innenfläche
liegt und der in einem mittleren Bereich radial innerhalb der Innenfläche liegt.
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Der
Erfindungsgedanke ist prinzipiell für jede Art von Wälzlagern
anwendbar, insbesondere für
Kugellager, Kegelrollenlager, Nadellager und dergleichen, die jeweils
einreihig oder mehrreihig ausgebildet sein könnten.
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Nach
einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen,
dass die Nut einen radial ausgebauchten Nutgrund hat, der an seinen
beiden axialen Rändern
tiefer ist als in seinem Mittelbereich. Dadurch kann die Form der
Ringoberfläche
in einer geeigneten Weise unterstützt werden. Der Kunststoffring
kann insbesondere aus einem schlauchartigen Material mit einer in
axialer Richtung konstant bleibenden Dicke hergestellt werden. Ein schneller
Ausfall von spanabtragenden Werkzeugen bei der Herstellung der Nut
bzw. ein starker Verschleiß solcher
Werkzeuge kann vermieden werden, wenn die tiefsten Stände des
Nutgrunds als Radius ausgeformt sind. Dabei kann der Kunststoffring
in einem kraftfreien Zustand einen rechteckigen Querschnitt haben.
Dadurch kann der Kunststoffring insbesondere aus einem schlauchartigen
Material herausgeschnitten werden. Eine Längsseite kann insbesondere
mit einer Vorspannung auf dem Nutgrund aufliegen, so dass eine Deformation
des Querschnitts über
dem ausgebrachten Nutgrund die konvexe Wölbung der Ringoberfläche erzeugt.
Dadurch kann eine komplizierte Gestaltung der Oberfläche des
Kunststoffrings bei der Herstellung des Kunststoffrings vermieden
werden.
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Die
Vorteile der Erfindung können
verstärkt werden,
wenn das Laufbahnelement zwei oder mehr umlaufende Nuten mit jeweils
einem in die Nut eingesetzten Kunststoffring der oben beschriebenen
Art umfasst. Die Anzahl, der Abstand und die Breite des Kunststoffrings
können
insbesondere abhängig
vom Radius und von der Breite des Laufbahnelements bestimmt werden.
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In
einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen,
dass die Nut einen rechteckigen Querschnitt hat und der Kunststoffring
in einem kraftfreien Zustand einen außenballigen Querschnitt hat.
Der außenballige
Querschnitt kann insbesondere als kreissegmentförmiger Querschnitt ausgebildet
sein, der die konvex gewölbte
radiale Ringoberfläche
bildet.
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Ferner
wird vorgeschlagen, dass der Kunststoffring aus Epoxidharz ausgebildet
ist. Dadurch kann in einer einfachen Weise eine stoffschlüssige Verbindung
zwischen dem Kunststoffring, dem Wälzlageraußenring und dem Lagersitz hergestellt
werden. Dazu kann das Epoxidharz nach dem Einsetzen des Wälzlagers
in den Lagersitz auf eine Temperatur von 150°C oder mehr erhitzt werden,
so dass es schmilzt. Nach dem Abkühlen entsteht eine stoffschlüssige Klebeverbindung
zwischen dem Außenring
und dem Lagersitz. Im Bereich der Nut eingeschlossene Luft kann
sich in einem oberen Bereich der Nut sammeln. Die Klebewirkung wird
dadurch nur unwesentlich abgeschwächt, wenn die Luftmenge weniger
als ein Viertel oder ein Fünftel
des von der Nut eingeschlossenen Volumens ausmacht.
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Die
Herstellung des Kunststoffrings kann besonders einfach erfolgen,
wenn der Kunststoffring aus einer Epoxidharzfolie gebildet ist,
die zu einem Streifen von der Breite der Nut und von der Länge des
Umfangs der Nut im Nutgrund zugeschnitten wird und in die Nut eingelegt
wird.
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In
besonders vorteilhaften Ausgestaltungen der Erfindung hat der Kunststoff
des Kunststoffrings eine sehr hohe Shore-Härte, so dass er im Vergleich zu üblichen
Dichtungselementen eine geringe Nachgiebigkeit und sehr geringe
Kriechneigung besitzt. Bei der Montage des Rings dichtenden die
Kunststoffelemente nicht nur die Passung ab, sondern führen auch
zu einem erhöhten
Andruck zwischen Ring und Gehäuse.
Bei sonst unveränderten
Stahlpassungen wird diese zusätzliche
Kraft nun über
die Kunststoffelemente übertragen
und die bei sonst unveränderten
Verhältnissen
auftretenden Bewegungen müssen
nun entweder den angepressten Kunststoff mitbewegen oder eine elastische
Deformation desselben erwirken. Beides ist mit Energieabbau verbunden
und reduziert somit den schädlichen
Reibweg. In besonders vorteilhaften Ausgestaltungen der Erfindung
hat der Kunststoff eine Shore-D-Härte von mehr als 70, insbesondere
eine Shore-D-Härte
von mehr als 85.
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Das
Einbringen des Kunststoffrings in die Nut kann beispielsweise durch
thermische Schrumpfung erreicht werden.
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Die
Passung kann als Übermaßpassung oder
als Untermaßpassung
oder auch als Übergangspassung
ausgebildet sein. Die Außenfläche des
Wälzlageraußenrings
und der Lagersitz haben insbesondere den gleichen Nenndurchmesser.
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Weitere
Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden
Figurenbeschreibung, die Ausführungsbeispiele
der Erfindung betrifft. Die Zeichnung, die Figurenbeschreibung und
die Ansprüche
enthalten zahlreiche Merkmale in speziellen Kombinationen. Der Fachmann
wird die Merkmale auch einzeln und in weiteren Kombinationen betrachten,
um den Erfindungsgedanken in speziellen Anwendungsbereichen nutzbar
zu machen.
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Es
zeigen:
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1 einen
Wälzlageraußenring
mit zwei umlaufenden Nuten in einer Schnittdarstellung,
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2 einen
Ausschnitt aus 1 mit einer Detaildarstellung
von einer der Nuten und dem Kunststoffring,
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3 einen
Lagersitz und den Wälzlageraußenring
aus den 1 und 2 in einem
montierten Zustand,
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4 einen
Wälzlageraußenring
mit zwei umlaufenden Nuten nach einer alternativen Ausgestaltung
der Erfindung mit einem außenballigen Kunststoffring,
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5 einen
Wälzlageraußenring
mit zwei umlaufenden Nuten nach einer alternativen Ausgestaltung
der Erfindung mit einem Kunststoffring aus Epoxidharz und
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6 einen
Lagersitz und den Wälzlageraußenring
nach 4 in einem verklebten Zustand.
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Die 1 und 2 zeigen
einen Wälzlageraußenring
mit einer radialen Außenfläche 10,
die einer Laufbahn 40 gegenüberliegend angeordnet ist und
die bis auf gegebenenfalls schwache Fasen an den axialen Rändern und
zwei in die Außenfläche 10 eingearbeitete
Nuten 14, 16 zylindermantelförmig ist.
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Die
Seitenränder
der Nuten 14, 16 verlaufen radial und gehen in
Radien in einen Nutgrund 30, 30, 32 über. Die
tiefsten Punkte 34, 36 des Nutgrunds 30, 32 (2)
sind durch diese Radien rund ausgestaltet und bilden den Übergang
zwischen dem Nutgrund 30, 32 und den Seitenflächen. Der
Nutgrund 30, 32 ist an seinen beiden axialen Rändern tiefer
als in einem Mittelbereich, so dass der Nutgrund 30, 32 konvex
ausgebaucht ist und dem Profil einer stetigen und wenigstens einfach
stetig differenzierbaren Kurve folgt. Der Nutgrund 30, 32 kann
insbesondere in der Form eines Kreissegments ausgeformt sein.
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Die
beiden Nuten 14, 16 sind in der Nähe der axialen
Ränder
der Außenfläche 10,
jedoch mit einem gewissen Abstand von diesen Rändern, angeordnet. Dieser Abstand
macht ca. 10% bis 30% der axialen Breite des Außenrings aus.
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In
die Nuten 14, 16 ist durch thermische Schrumpfung
jeweils ein Kunststoffring 18, 20 eingesetzt,
der in einem kraftfreien Zustand vor dem Einsetzen in die Nuten 14, 16 einen
rechteckigen Querschnitt hat, wobei eine Längsseite 38 des Querschnitts,
deren Länge
einer Breite der entsprechenden Nut 14, 16 entspricht,
mit einer Vorspannung auf dem Nutgrund 30, 32 aufliegt.
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Ein
Innendurchmesser der Kunststoffringe 18, 20 im
kraftfreien Zustand ist demnach vorzugsweise kleiner als der Durchmesser
des Außenrings
in den tiefsten Stellen 34, 36 des Nutgrunds 30, 32. Eine
Dicke der Kunststoffringe 18, 20 ist geringer
als die Tiefe der Nuten 14, 16 in den tiefsten
Stellen 34, 36 und größer als die Tiefe der Nuten
in der Mitte des Nutgrunds 30, 32. Die Mitte des
Nutgrunds 30, 32 ist der Punkt, an dem die Nut 14, 16 am
flachsten ist. Der ausgebauchte Nutgrund 30, 32 drückt sich
damit durch den mit einem flachen Profil ausgebildeten Kunststoffring 18, 20 durch
und bewirkt eine Deformation des gesamten Querschnitts, die bewirkt,
dass die Ringoberfläche 22 des
Kunststoffrings 18, 20 konvex gewölbt ist.
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Aufgrund
der oben beschriebenen Abmessungen sind die axialen Randbereiche 24, 26 der Ringoberfläche 22 radial
innerhalb der Außenfläche 10 des
Außenrings
angeordnet, während
ein mittlerer Bereich 28 der radialen Ringoberfläche 22 die
Außenfläche 10 radial überragt.
Das Profil der Nuten 14, 16 ist identisch und
jeweils bezogen auf eine Mittelebene der Nuten 14, 16 spiegelsymmetrisch.
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Die
Kunststoffringe 18, 20 sind aus einem Kunststoffmaterial
mit einer Shore-D-Härte
von mehr als 70 hergestellt. Die Kunststoffringe 18, 20 sind durch
thermisches Schrumpfen in die Nuten 14, 16 eingespannt.
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3 zeigt
den Wälzlageraußenring
aus den 1 und 2 in einem
in einen Lagersitz 12 eingesetzten Zustand. Die Außenfläche 10 ist
in den Lagersitz 12 eingepasst und liegt mit einer Anpresskraft
unmittelbar an einer radialen Innenseite des Lagersitzes 12 an.
Die Außenfläche 10 und
der Lagersitz 12 haben den gleichen Nenndurchmesser und die
Passung kann abhängig
von einer erforderlichen Stabilität der Verbindung zwischen dem
Lagersitz 12 und dem Wälzlageraußenring
als Übermaßpassung oder
als Übergangspassung
ausgebildet sein. Bei der konstruktiven Auslegung der Passung wird
der Fachmann berücksichtigen,
dass durch die Kunststoffringe 18, 20 eine zusätzliche,
stabilisierende Anpresskraft erzeugt wird.
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Die 4 bis 6 zeigen
alternative Ausgestaltungen der Erfindung. Die folgende Beschreibung
beschränkt
sich im Wesentlichen auf Unterschiede zu dem in 1 bis 3 dargestellten
Ausführungsbeispiel,
während
im Hinblick auf gleichbleibende Merkmale auf die Beschreibung auf
die 1 bis 3 verwiesen wird, um Wiederholungen
zu vermeiden. Für
gleiche oder ähnliche
Merkmale werden die gleichen Bezugszeichen verwendet.
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4 zeigt
einen Wälzlageraußenring
mit zwei umlaufenden Nuten 14, 16, in welche jeweils
ein Kunststoffring 18, 20 eingesetzt ist. Die
Kunststoffringe 18, 20 nach dem zweiten Ausführungsbeispiel
der Erfindung haben eine außenballig
gewölbte
Ringoberfläche 22.
Die Ringoberfläche 22 ist
auch in einem kraftfreien Zustand (nicht dargestellt) gewölbt. Ein Nutgrund 30, 32 der
Nuten 14, 16 ist flach, wodurch die Nuten 14, 16 kostengünstig herstellbar
sind. Das Profil der Kunststoffringe 18, 20 nimmt
zu den axialen Rändern
der Kunststoffringe 18, 20 hin stetig ab, und zwar
derart, dass eine Dicke des Profils in der Mitte des Kunststoffrings 18, 20 größer ist
als eine Tiefe der Nuten 14, 16, während die
Dicke der Kunststoffringe 18, 20 in den axialen
Randbereichen 24, 26 geringer ist als die Tiefe
der Nuten 14, 16. Beim Einschieben des Wälzlageraußenrings
in einen Lagersitz (nicht dargestellt) können die axialen Randbereiche 24, 26 daher
nicht an die Stirnseite des Lagersitzes anstoßen, wie dies auch schon in
dem in 1 bis 3 dargestellten Ausführungsbeispiel
der Fall war.
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5 zeigt
einen Wälzlageraußenring
mit zwei umlaufenden Nuten 14, 16 nach einer weiteren alternativen
Ausgestaltung der Erfindung. In die Nuten 14, 16 sind
Kunststoffringe 18, 20 eingesetzt, die aus Epoxidharz
gebildet sind und ansonsten im Hinblick auf die Formen und Abmessungen
den Ausführungsbeispielen
aus den 1 bis 4 entsprechen
können.
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6 zeigt
einen Lagersitz 12 und den Wälzlageraußenring nach 4 mit
den Kunststoffringen 18, 20 aus Epoxidharz in
einem verklebten Zustand in einem Radialschnitt. Nach dem Einsetzen des
Wälzlageraußenrings
in den Lagersitz 12 wird die Anordnung auf 150°C oder etwas
mehr erhitzt, so dass das Epoxidharz der Kunststoffringe 18, 20 schmilzt
und eine Klebeverbindung zwischen dem Außenring und dem Lagersitz 12 erzeugt.
Zu der Montage oder zum Ausbau des Lagers muss das Lager erneut
erhitzt werden, um das Epoxidharz zu verflüssigen. Anschließend lässt sich
der Außenring
problemlos aus dem Lagersitz 12 entfernen. Epoxidharz-Rückstände im Lagersitz 12 können durch
ein geeignetes Reinigungsmittel entfernt werden.
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- 10
- Außenfläche
- 12
- Lagersitz
- 14
- Nut
- 16
- Nut
- 18
- Kunststoffring
- 20
- Kunststoffring
- 22
- Ringoberfläche
- 24
- Randbereich
- 26
- Randbereich
- 28
- Bereich
- 30
- Nutgrund
- 32
- Nutgrund
- 34
- Stelle
- 36
- Stelle
- 38
- Längsseite
- 40
- Laufbahn