DE102008060760A1

DE102008060760A1 - Kugelkäfig für Radialrillen- oder Schrägkugellager

Info

Publication number: DE102008060760A1
Application number: DE102008060760A
Authority: DE
Inventors: Thomas Grabosch
Original assignee: Schaeffler KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2008-12-05
Filing date: 2008-12-05
Publication date: 2010-06-10

Abstract

Verwendung eines ein- oder zweireihigen Radialrillen- oder Schrägkugellagers mit einem Kugelkäfig (1, 8) aus Kunststoff für Spann- und Umlenkrollen in Riementrieben an Brennkraftmaschinen oder für Bandspannrollen in Industrieanwendungen, wobei der Kugelkäfig (1, 8) segmentiert (2, 3, 10) ist und mindestens eine Kugel (7) in einer zugeordneten Kugeltasche (6, 10) aufnimmt. Die Segmente (10) können untereinander unlösbar durch als Elastomerelemente ausgebildete Verbindungsstege (9) zu mindestens einem geschlossenen Kugelkäfig (8) verbunden sein. Zudem kann vorgesehen sein, dass die als Elastomerelemente ausgebildeten Verbindungsstege (9) aufgrund ihres Werkstoffs und/oder ihrer geometrischen Form elastisch ausgebildet sind.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft die Verwendung eines ein- oder zweireihigen Radialrillen- oder Schrägkugellagers mit einem Kugelkäfig aus Kunststoff für Spann- und Umlenkrollen in Riementrieben an Brennkraftmaschinen oder für Bandspannrollen in Industrieanwendungen.
In der DE 37 06 013 A1 ist ein Käfig für Kugellager, insbesondere für Schrägkugellager beschrieben, der aus zwei durch Stege miteinander verbundenen Seitenringen besteht, die auf der einen Seite oberhalb und auf der anderen Seite unterhalb des Teilkreises angeordnet sind. Damit die auf die Käfigstege einwirkenden Kräfteelastisch aufgefangen werden und diese keine punktförmige Druckbelastung aufnehmen müssen, sind, ausgehend von dem einen Seitenring jeweils unterhalb oder oberhalb eines Steges axial verlaufende, zum anderen Seitenring gerichtete, in Umfangsrichtung elastische Vorsprünge vorgesehen, und ist im Bereich des geringsten Abstandes zwischen den Kugeln jeweils eine durch Vorsprung und Steg begrenzte Ausnehmung gebildet. Hier durch sollen die Käfigstege durch die Kräfte, die durch die unterschiedlichen Abrollgeschwindigkeiten der Kugeln entstehen, weniger stark beansprucht werden. Dieser Käfig ist in einem Gieß- oder Spritzwerkzeug mit axial entformbaren Schiebern aus Kunststoff hergestellt.
In der WO 01/31 214 A1 ist ein Kugellagerkäfig aus einem elastisch verformbaren Kunststoff mit in Taschen angeordneten sphärischen Kugelsitzflächen beschrieben, in dem die Lagerkugeln in der Längenänderung angepassten Taschen mit vergrößertem Taschenspiel über zwei einander entgegen gerichtete Federelemente in deren Mitten in beiden Umfangsrichtungen von den sphärischen Kugelsitzflächen beanstandet gehalten sind.
Durch diese Ausgestaltung des Käfigs wird der durch unterschiedliche Abrollverhältnisse der Lagerkugeln verursachte Längenausgleich des Käfigs innerhalb der Taschen realisiert. Diese Ausbildung des Kugellagerkäfigs beruht auf dem Problem, dass Käfige für Kugellager, insbesondere für Schrägkugellager, durch Verkippung der Laufringe einer erheblichen Beanspruchung unterliegen. Die Kugeln laufen je nach Belastung bzw. Verkippung nicht in einem gleichen Laufkreis. Dadurch kann es zu einem Vor- oder Nachlauf bestimmter Kugeln kommen. Da sich die Kugeln immer an der Taschenwand, d. h. an der sphärischen Kugelsitzfläche orientieren, muss der Käfig die erforderliche Längsdehnung über Verformung aufnehmen. Es können je nach Größe, Belastung oder Taumelweg Längenabweichungen bis in den Millimeterbereich auftreten. Dies führt zu erhöhter Reibung und damit zu Temperaturerhöhung bis hin zu einer möglichen Zerstörung des Käfigs.
Bei dem Kugellagerkäfig gemäß WO 01/31214 A1 werden die durch die unterschiedlichen Abrollgeschwindigkeiten der Lagerkugel entstehenden Kräfte nicht durch den Käfig bzw. dessen Stege, sondern durch die innerhalb der Taschen angeordneten Federelemente abgefangen. Auf diese Weise wird nicht der gesamte Käfig auf Zug bzw. Druck beansprucht, da der Ausgleich durch die Federelemente innerhalb der Taschen erfolgt und der Käfig an sich unbelastet bleibt.
Wälzlagerkäfige, insbesondere für Zylinderrollenlager und Nadellager, welche die Wälzkörper zur Verhinderung der Riffelbildung radial federnd gegen eine Laufbahn drücken, sind aus der DE 90 06 526 U1 , der DE 41 12 506 A1 und der DE 42 22 185 A1 bekannt. Derartige Käfige werden zur Losradlagerung von Zahnrädern auf Wellen in Schaltgetrieben von Kraftfahrzeugen verwendet. Diese Zahnräder laufen teils ohne Belastung auf den Wellen um, während sie in einem anderen Betriebszustand, in denen sie ein Drehmoment übertragen, starr mit der Welle gekuppelt sind. In diesem letzteren Betriebszustand, in dem Zahnrad und Nadelkranz mit ähnlichen Umlaufgeschwindigkeiten wie die Welle rotieren, d. h. sie stehen relativ still zueinander, führt der Nadelkranz kaum eine eigene Rotationsbewegung um seine Achse aus. Es besteht die Gefahr, dass sich die Wälzkörper dabei in ihre Laufbahnen einarbeiten und diese damit beschädigen, was zum vorzeitigen Lagerausfall führt. Diese so genannte Riffelbildung kann durch Wälzlagerkäfige, die einen Schlitz aufweisen, beseitigt werden, weil sich diese unter Wirkung ihrer Eigenelastizität mittels angeformter Federelemente im Schlitzbereich etwas aufweiten und dabei spielfrei gegen die Wälzkörper anlegen können. Dadurch wird erreicht, dass auch in diesem Betriebszustand die Wälzkörper eine Abwälzbewegung durchführen.
Gemäß der DE 90 06 526 U1 ist der Wälzlagerkäfig aus einem elastischen Werkstoff gefertigt, der an mindestens einer Stelle, ausgehend von den Stirnseiten, Einschnitte und zwischen den Einschnitten ein in Umfangsrichtung starres Verbindungsteil aufweist, wobei in Umfangsrichtung auf einer oder beiden Seiten neben den Einschnitten eine sich etwa über die Käfigbreite erstreckende Ausnehmung vorgesehen ist, die elastische Abschnitte begrenzt, wobei die elastischen Abschnitte einstückig mit dem Käfig ausgeführt sind und ihre Elastizität durch ihre Formgebung erhalten.
Bei dem Wälzlagerkäfig gemäß der DE 41 12 506 A1 , der mindestens an einer Stelle seines Umfangs einen durch einander mit Abstand gegenüberliegende Endflächen gebildeten, axial verlaufenden Schlitz aufweist, ist in mindestens einem Seitenteil des Käfigs ein offener Ring aus Federstahldraht angeordnet, so dass die Federkraft zum radialen Andrücken der Wälzkörper an eine Bohrungsfläche einer Lagerbuchse oder dergleichen nur durch die Federstahldrähte erfolgt.
Der Wälzlagerkäfig aus elastischem Kunststoff gemäß der DE 42 22 185 A1 , der ebenfalls zumindest an einer Stelle seines Umfangs einen durch einander gegenüber liegende Begrenzungsflächen gebildeten axial verlaufenden Schlitz aufweist, ist an einer der Begrenzungsflächen mit einer Blattfeder aus Stahl in Form eines gleichschenkligen Trapezes versehen, so dass der Wälzlagerkäfig in weiten Grenzen entsprechend der aufgebrachten Federkraft in Umfangsrichtung elastisch vorgespannt ist, die über einen weiten Temperaturbereich annähernd konstant ist.
Diese bekannten Wälzlagerkäfige sind in der Herstellung verhältnisgemäß kostspielig, da sie kompliziert und/oder mehrteilig gestaltet sind. Hinzu kommt, dass sie nicht optimal an die Belastungsverhältnisse bei Spann- und Umlenkrollen mit ein- oder mehrreihigen Kugellagern in Riementrieben an Brennkraftmaschinen oder für Bandspannrollen in Industrieanwendungen angepasst sind.
Speziell bei diesen Spann- und Umlenkrollen bzw. Bandspannrollen kommt es aufgrund von Fluchtungsfehlern zu einem außermittigen Lauf des Riemens, der ein Verkippen des rotierenden Außenrings gegenüber dem fest am Motor befestigten Innenring verursacht. Dieses Verkippen wirkt sich im Inneren des Wälzlagers direkt auf den Betriebsdruckwinkel und damit wiederum auf die Umfangsgeschwindigkeit und die Drehzahl der einzelnen Wälzkörper aus.
Der statischen Verkippung kann aufgrund der durch Ungleichförmigkeit der Drehung der Kurbelwelle des Motors wechselnden Riemenkräfte eine dynamische Verkippung in Form einer Oszillation überlagert werden. Der dadurch über den Umfang des Kugelsatzes verursachte Vor- und Nachlauf der Wälzkörper zueinander führt in den relativ starren Stegen des Käfigs zu erhöhten Zug- und Druckbeanspruchungen. Auch kommt es in den Käfigtaschen zu erhöhten Reibungskräften, wodurch die Wälzkörper in ihrer Dynamik gebremst werden. Dies führt zu einer zusätzlichen Erwärmung, wobei an Wälzkörpern außerhalb der Scheitellast des die Laufscheibe umschlingenden Riemens aufgrund zu geringer Kontaktkräfte Schlupf bis hin zu Gleitungen auftreten kann.
Aufgabe der Erfindung
Der Erfindung liegt demnach die Aufgabe zugrunde, ein einreihiges oder zweireihiges Radialrillen- oder Schrägkugellager mit einem Kugelkäfig aus Kunststoff vorzuschlagen, das besonders für die Verwendung für Spann- und Umlenkrollen in Riementrieben an Brennkraftmaschinen oder für Bandspannrollen in Industrieanwendungen geeignet ist, einfach aufgebaut ist und dementsprechend kostengünstig herstellbar ist.
Beschreibung der Erfindung
Diese Aufgabe wird durch einen Kugelkäfig aus Kunststoff gelöst, der erfindungsgemäß segmentiert ist und mindestens eine Kugel in einer zugeordneten Kugeltasche aufnimmt. Der Kugelkäfig ist als so genannter Schnappkäfig ausgebildet, so dass jedes Segment eine oder mehrere Kugeln genau positioniert und der Abstand zwischen den Kugeln durch die aneinander stoßenden Segmente eingehalten wird.
Entsprechend der Anzahl und der Kugeln können die Einzelsegmente zu größeren, mehrere Kugeln aufnehmende Segmente kombiniert werden, wobei die Anzahl der Kugeln je Segment verschieden voneinander sein kann. Die Segmente stützten sich so aneinander ab, dass es in den Kontaktflächen nicht zu schädigenden Relativbewegungen durch Gleitungen kommt.
Die Segmente sind vorzugsweise aus einem verschleiß-, druck-, schmierstoff- und temperaturbeständigen Werkstoff hergestellt und bestehen insbesondere aus einem mit Glasfasern gefüllten und/oder mit Trockenschmierstoff gefüllten Polyamid.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung können die Segmente untereinander unlösbar durch Elastomerelemente zu einem geschlossenen Kugelkäfig verbunden sein, der beispielsweise durch Mehrphasenspritzguss hergestellt sein kann.
Die Elastomerelemente müssen gegenüber dem verwendeten Schmierstoff und auch den auftretenden Temperaturen gegenüber ausreichend beständig sein.
Schließlich kann vorgesehen sein, dass die als Elastomerelemente ausgebildeten Verbindungsstege aufgrund ihres Werkstoffs und/oder aufgrund ihrer geometrischen Form elastisch ausgebildet sind. So können die Verbindungsstege beispielsweise eine in axialer oder radialer Draufsicht Z-förmige oder O-förmige Geometrie aufweisen und auch dadurch federnd aufgebildet sein sowie federnd zwischen den benachbarten Kugeltaschen wirken.
Mit dem erfindungsgemäßen Kugelkäfig wird eine Verringerung der Belastung des Käfigs und der Reibungsverluste in den Kugeltaschen durch Ausgleich des in Folge von Verkippung und/oder Oszillation der Lagerringe und der damit verbundenen Änderung des Betriebsdruckwinkels innerhalb eines Kugelsatzes auftretenden Vor- und Nachlaufs erreicht. Die Anzahl der tragenden Kugeln wird durch Selbstausgleich bzw. Vorspannen des Kugelsatzes über den Umfang erhöht. Die durch Überrollungen der Wälzkörper verursachten Geräusche werden durch die federnde und dämpfende Wirkung der Elemente des Kugelkäfigs verringert. Des Weiteren werden Schlupf und Gleitungen im Ein- und Auslaufbereich der Lastzone durch die bessere Anpassung der elastisch verbundenen Segmente des Käfigs an die momentane Richtung und Geschwindigkeit der einzelnen Wälzkörper verringert. Nicht zuletzt lässt sich eine Verlängerung der Gebrauchsdauer der Kugellager durch eine im Vergleich zu einem massiven Käfig größere Fettmenge im Lagerinnern und durch eine bessere Versorgung der Kugeltaschen mit Schmierstoff aus dem mit Fett gefüllten Bereich zwischen den Kugeltaschen erreichen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Der erfindungsgemäß ausgebildete Kugelkäfig wird nachfolgend in zwei bevorzugten Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen:
1 eine schematische Teildraufsicht auf einen Kugelkäfig aus einander anstoßenden, unverbunden Segmenten, und
2 einen Kugelkäfig, dessen Kugeltaschen aus Elastomerelementen bestehende Verbindungsstege aufweisen.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
Ein als Schnappkäfig ausgebildeter Kugelkäfig 1 besteht gemäß 1 aus Segmenten 2 mit einer Kugel 7 in einer Kugeltasche 6 und Abstandshaltern 4, sowie Segmenten 3 mit zwei Kugeln 7 in durch einen Verbindungssteg 5 verbundenen Kugeltaschen 6. Dieser Kugelkäfig 1 ist zu einem vollständigen Ring ergänzt anzusehen, wobei dieser Ring aus Segmenten 2 mit jeweils einer Kugel 7 in einer Kugeltasche 6, aus Segmenten 3 mit zwei Kugeln 7 in durch Verbindungsstege 5 verbundenen Kugeltaschen 6 oder auch mehr Kugeln 7 in jeweils einem Segment oder auch gemischt aus Segmenten mit einer Kugel 7, mit zwei Kugeln 7 oder mit mehr Kugeln 7 bestehen kann.
Der Kugelkäfig 8 gemäß 2 besteht aus Kugeltaschen 10 mit darin eingeschnappten Kugeln 7, wobei die einzelnen Kugeltaschen 10 durch aus Elastomerelementen bestehenden Verbindungsstegen 9 zu einem geschlossenen Kugelkäfig verbunden sind.
Die Kugeltaschen 6, 10, in denen die Kugeln 7 über geeignete Gleitflächen geführt und mit Schmierstoff versorgt werden, bestehen aus einem verschleiß-, druck-, schmierstoff- und temperaturbeständigen Werkstoff, beispielsweise aus einem mit Glasfasern und/oder Trockenschmierstoff gefüllten Polyamid. Beim Ausführungsbeispiel gemäß 2 bestehen die Verbindungsstege 9 vorzugsweise aus einem thermoplastischen Elastomer, so dass sich der Kugelkäfig 8 durch Mehrphasenspritzguss herstellen lässt, indem zunächst die Kugeltaschen 10 gespritzt werden und dann nach dem Wechsel der entsprechenden Werkzeughälfte das die Verbindungsstege 9 bildende thermoplastische Elastomer eingespritzt wird. Dieses thermoplastische Elastomer muss gegenüber dem verwendeten Schmierstoff und auch gegenüber den auftretenden Temperaturen ausreichend beständig sein.

1: Kugelkäfig
2: Segment mit einer Kugel
3: Segment mit zwei Kugeln
4: Abstandshalter
5: Verbindungssteg
6: Kugeltaschen
7: Kugeln
8: Kugelkäfig
9: Aus Elastomerelementen bestehende Verbindungsstege
10: Kugeltaschen

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 3706013 A1 [0002]
- WO 01/31214 A1 [0003, 0005]
- DE 9006526 U1 [0006, 0007]
- DE 4112506 A1 [0006, 0008]
- DE 4222185 A1 [0006, 0009]

Claims

Verwendung eines ein- oder zweireihigen Radialrillen- oder Schrägkugellagers mit einem Kugelkäfig (1, 8) aus Kunststoff für Spann- und Umlenkrollen in Riementrieben an Brennkraftmaschinen oder für Bandspannrollen in Industrieanwendungen, dadurch gekennzeichnet, dass der Kugelkäfig (1, 8) segmentiert (Segmente 2, 3, 10) ausgebildet ist und mindestens eine Kugel (7) in einer zugeordneten Kugeltasche (6, 10) aufnimmt.
Verwendung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der Kugeln (7) je Segment (2, 3) unterschiedlich ist.
Verwendung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Segmente (2, 3, 10) aus einem verschleiß-, schmierstoff- und temperaturbeständigen Werkstoff bestehen.
Verwendung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Segmente (2, 3, 10) aus einem mit Glasfasern gefüllten und/oder mit Trockenschmierstoff gefüllten Polyamid bestehen.
Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Segmente (10) untereinander unlösbar durch als Elastomerelemente ausgebildete Verbindungsstege (9) zu mindestens einem geschlossenen Kugelkäfig (8) verbunden sind.
Verwendung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Kugelkäfig (8) durch Mehrphasenspritzguss hergestellt ist.
Verwendung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die als Elastomerelemente ausgebildeten Verbindungsstege (9) aus einem schmierstoff- und temperaturbeständigen thermoplastischen Elastomer bestehen.
Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die als Elastomerelemente ausgebildeten Verbindungsstege (9) aufgrund ihres Werkstoffs und/oder ihrer geometrischen Form elastisch ausgebildet sind.
Verwendung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die als Elastomerelemente ausgebildeten Verbindungsstege (9) in axialer oder radialer Draufsicht eine Z-förmige oder O-förmige Geometrie aufweisen.