DE102009015439A1

DE102009015439A1 - Wälzkörper und Lageranordnung mit Wälzkörpern

Info

Publication number: DE102009015439A1
Application number: DE102009015439A
Authority: DE
Inventors: Arno Stubenrauch; Armin Olschewski; Ileana Nedelcu
Original assignee: SKF AB
Current assignee: SKF AB
Priority date: 2009-03-28
Filing date: 2009-03-28
Publication date: 2010-10-07

Abstract

Bei einem Wälzkörper (101) ist ausgehend von wenigstens einer seiner beiden Stirnseiten eine Höhlung (102, 105) ausgebildet. In der Höhlung (102, 105) ist ein elastisches Material (105, 107, 205) angeordnet.

Description

Die Erfindung betrifft einen Wälzkörper, bei dem ausgehend von wenigstens einer seiner beiden Stirnseiten eine Höhlung ausgebildet ist und eine Lageranordnung mit Wälzkörpern
Anders als bei Gleitlagern wird bei Wälzlagern bekanntlich die Last unter einem Abwälzen übertragen, so dass die Reibung insbesondere auch bei niedrigen Drehzahlen und beim Anfahren gering ist. Die geringe Anlaufreibung und der Umstand, dass kein Einlaufen notwendig ist, sind insbesondere bei Fahrzeugen wichtige Vorteile. Der geringen Reibung entsprechen mit Vorteil geringe Leistungsverluste. Unter den Wälzlagern ist dabei beispielsweise das Kegelrollenlager ein nicht nur in Fahrzeugen weitverbreiteter Wälzlagertyp. Im Sinne eines nachhaltigen Wirtschaftens mit den verfügbaren Rohstoff- und Energiereserven wird weiterhin, und nichtausschließlich auf das Gebiet der Fahrzeuge begrenzt, nach Möglichkeiten gesucht, die Leistungsverluste weiter zu senken.
Aus der DE 10 2006 052 044 A1 ist ein Wälzkörper der eingangs genannten Art bekannt. Er weist ausgehend von seinen beiden Stirnseiten jeweils eine Höhlung auf, zwischen den Höhlungen ein mit Material des Wälzkörpers ausgefüllter Zwischenbereich, dessen minimale axiale Dicke zwischen 20 bis 60% der axialen Wälzkörperlänge ist. Bei guten Laufeigenschaften ist eine hohe Einsparung an Gewicht und Rohstoffen erreicht worden.
Eine Aufgabe der Erfindung ist es, einen weiter verbesserten Wälzkörper und damit eine verbesserte Lageranordnung mit weiter verbesserten Laufeigenschaften zu schaffen.
Die Aufgabe wird hinsichtlich des Wälzkörpers durch den Gegenstand des Anspruchs 1 und hinsichtlich der Lageranordnung durch die Gegenstände der Ansprüche 14 bis 17 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den weiteren Unteransprüchen beschrieben.
Gemäß Anspruch 1 ist bei einem Wälzkörper ausgehend von wenigstens einer seiner beiden Stirnseiten eine Höhlung ausgebildet. In der Höhlung ist ein elastisches Material angeordnet.
Die Erfindung beruht dabei auf der Erkenntnis, dass sich bei Ausbildung eines Wälzkörpers gemäß dem Stand der Technik bereits gute Laufeigenschaften ergeben. Dabei stand bei bekannten Wälzkörpern die Materialeinsparung und Gewichtsreduzierung im Vordergrund. Dies führte zu Wälzkörpern mit vergleichsweise großen Höhlungen. Aufgrund der Höhlungen können im belasteten Betrieb Vibrationen und Schwingungen innerhalb des Wälzkörpers auftreten. Die Seitenwände der Höhlungen können wegen ihrer großen Fläche vibrieren, was den Betrieb des Wälzlagers stört. Zudem werden durch ein mit dem Innenring verbundenes Maschinenbauteil auf diesen beim Betrieb über tragene Schwingungen und Vibrationen durch die Wälzkörper auf den Außenring und damit verbundene Maschinenteile übertragen, was sich nachteilig auf den Betrieb auswirkt. Die Anordnung von elastischem Material innerhalb der Öffnung führt zu einer Reduktion oder vollständigen Unterdrückung von Schwingungen und Vibrationen im Wälzkörper. Zudem wird die Übertragung von Schwingungen und Vibrationen zwischen Innen- und Außenring unterbunden oder gedämpft. Dadurch werden die Laufeigenschaften des mit den Wälzkörpern ausgestatteten Wälzlagers verbessert.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist ausgehend von beiden Stirnseiten jeweils eine Höhlung ausgebildet, wobei zwischen den Höhlungen ein mit Material des Wälzkörpers ausgefüllter Zwischenbereich verbleibt. Dies erhöht die Stabilität des Wälzkörpers, wobei die bei den bekannten Wälzkörpern mit zwei Höhlungen vorliegenden Vorteile erhalten bleiben. Die Aufrechterhaltung und Verbesserung der wälzlagertechnischen Eigenschaften liegt in Kombination mit einer Einsparung an Material und an Gewicht vor. Dabei werden durch die Materialeinsparung die Rohstoffreserven geschont und infolge des geringeren, bei Betrieb zu walzenden Gewichts der Wälzkörper, Leistungsverluste reduziert sind. Weiterhin liegt vorteilhaft die minimale axiale Dicke des Zwischenbereichs zwischen 20 bis 60% der axialen Wälzkörperlänge. Bei Unterschreiten einer minimalen axialen Dicke von 20% der axialen Wälzkörperlänge verschlechtern sich die wälzlagertechnischen Eigenschaften inakzeptabel. Andererseits sollte die minimale axiale Dicke nicht größer als 60% der axialen Wälzkörperlänge sein, da dies hinsichtlich Material- und Gewichtseinsparung kontraproduktiv wäre und weiterhin beim Abrollen des Wälzkörpers auf einer entsprechenden Abrollfläche an den Übergangsbereichen vom Außenmantel des Wälzkörpers hin zu seinen Stirnseiten unerwünscht hohe mechanische Spannungsspitzen auftreten würden. Dadurch, dass die Höhlungen eine gewisse Tiefe aufweisen und die Höhlungen in ihrem im wesentlichen zylindrischen Bereich einen Durchmesser zwischen 40% bis 70% des Wälzkörperaußendurchmessers an der die Öffnung der jeweiligen Höhlung beinhaltenden Stirnseite aufweisen bzw. eine Wandstärke des Wälzkörpers im Bereich der Höhlungen zwischen 15% und 30% des Wälzkörperaußendurchmessers an der die Öffnung der jeweiligen Höhlung beinhaltenden Stirnseite ist, werden besagte unerwünschte Spannungsspitzen dadurch verhindert, dass die axialen Enden des Wälzkörpers eine gewisse Einfederungsmöglichkeit nach innen hin aufweisen. Durch das elastische Material werden jedoch Vibrationen effektiv vermiede. Weiterhin ist zur Verhinderung besagter unerwünschter Spannungsspitzen der Wälzkörper in seinen Übergangsbereichen vom Außenmantel hin zu seinen Stirnseiten mit Verrundungen ausgebildet, die an die jeweilige Belastungsanforderung entsprechend angepasst ausgebildet sein können.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Elastizität des elastischen Materials größer als die Elastizität eines Grundmaterials des Wälzkörpers. Hier ist die Dämpfungswirkung weiter verbessert, so dass Vibrationen effektiv unterbunden werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Material gummiartig. Bei vergleichsweise geringem Herstellungsaufwand weist Gummi gute elastische Eigenschaften auf, so dass Vibrationen gut unterdrückt werden.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten ergeben sich aus dem im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Figuren. Es zeigen:
1 einen aus dem Stand der Technik bekannten Wälzkörper und
2 ein Ausführungsbeispiel der Erfindung,
3 ein alternatives Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Die 1 zeigt einen Längsschnitt durch einen bekannten kegelstumpfartigen Wälzkörper 10. Dabei ist der Wälzkörper 10 ausgehend von seinen beiden Stirnseiten mit Höhlungen 21 und 22 ausgebildet. Zwischen den beiden Höhlungen 21 und 22 verbleibt ein mit Material des Wälzkörpers 10 ausgefüllter Zwischenbereich, dessen minimale axiale Dicke b_min ca. 25% der axialen Wälzkörperlänge L ist. Gemäß dem allgemeinen Grundgedanken der Erfindung ist dabei besagte minimale axiale Dicke b_min zwischen 20 bis 60%, insbesondere zwischen 20 und 40% der axialen Wälzkörperlänge L ausgebildet.
Der Wälzkörper 10 ist dabei materialeinheitlich und einstückig insbesondere aus einem Stahl oder Keramik ausgebildet. Die Höhlungen 21 und 22 sind zum Zwischenbereich hin sphärisch ausgebildet, wobei die Höhlung 22 am durchmessergrößeren axialen Ende des Wälzkörpers 10 tiefer ausgebildet ist als die Höhlung 21 am durchmesserkleineren axialen Ende des Wälzkörpers 10.
Die Höhlung 21 ist dabei in ihrem im Wesentlichen zylindrischen Bereich mit einem Durchmesser d₁ ausgebildet, der in etwa 55% des Wälzkörperaußendurchmessers D₁ an der die Öffnung der Höhlung 21 beinhaltenden Stirnseite des Wälzkörpers 10 ist. Weiterhin ist auch der Durchmesser d₂ der Höhlung 22 in ihrem im Wesentlichen zylindrischen Bereich etwa 60% des Wälzkörperaußendurchmessers D₂ an der die Öffnung der Höhlung 22 beinhaltenden Stirnseite des Wälzkörpers 10. Weiterhin ist die Wandstärke des Wälzkörpers 10 im Bereich der Höhlungen 21 und 22 in etwa 20% des Wälzkörperaußendurchmessers D₁ bzw. D₂. Gemäß dem allgemeinen Gedanken der Erfindung sind die Durchmesser d₁ und d₂ der Höhlungen 21 und 22 in deren im wesentlichen zylindrischen Bereich zwischen 40 bis 70% des jeweiligen Wälzkörperaußendurchmessers D₁ bzw. D₂ und die Wandstärke des Wälzkörpers 10 ist im Bereich der Höhlungen 21 und 22 im Bereich zwischen 15% bis 30% des jeweiligen Wälzkörperaußendurchmessers D₁ bzw. D₂. Dadurch wird eine ausreichende Steifigkeit des Wälzkörpers 10 im Bereich der Höhlungen 21 und 22 erzielt, gleichzeitig aber zur Vermeidung der eingangs genannten, an sich unerwünschten hohen Spannungsspitzen, eine gewisse Einfederungsmöglichkeit des Wälzkörpers im Bereich der Höhlungen 21 und 22 erzielt.
Weiterhin wird zur Vermeidung der eingangs beschriebenen, an sich unerwünschten hohen Spannungsspitzen, der Wälzkörper 10 in Übergangsbereichen von seinem Außenmantel hin zu seinen Stirnseiten mit einer Verrundung ausgebildet, die von Einsatzfall zu Einsatzfall an die jeweilige Belastungsanforderung angepasst ausgebildet sein kann.
Dabei ist der Außenmantel des Wälzkörpers 10 zwischen den Übergangsbereichen zu seinen beiden Stirnseiten hin im wesentlichen eben ausgebildet und auch eine Abrollfläche für den Wälzkörper 10 ist entsprechend eben ausgebildet, so dass sich in Verbindung mit den vorausgehend beschriebenen Maßnahmen zur Vermeidung besagter Spannungsspitzen mit Vorteil eine an sich gleichmäßige mechanischen Spannungsverteilung bei Betrieb des Wälzkörpers 10 ergibt.
In anderen bekannten Ausführungsformen kann aber der Außenmantel des Wälzkörpers zwischen besagten Übergangsbereichen auch nach außen hin ausgebaucht ausgebildet sein, wobei dann auch die Abrollfläche für den Wälzkörper zum Wälzkörper hin ausgebaucht oder nach innen hin eingebaucht ausgebildet sein kann. Auch eine entsprechende Einbauchung des Außenmantels des Wälzkörpers ist in wiederum anderen Ausführungsformen denkbar, wobei dann die Abrollfläche für den Wälzkörper zum Wälzkörper hin ausgebaucht sein sollte.
Die 2 zeigt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung. Ein kegelstumpfartiger Wälzkörper 101 weist analog zum in der 1 dargestellten Wälzkörper 10 zwei Höhlungen 102 und 103 auf, die bezüglich ihrer Eigenschaften beispielsweise den Höhlungen 21 und 22 der 1 entsprechen. Der Wälzkörper 101 weist folglich die gleichen vorteilhaften Eigenschaften auf, wie der Wälzkörper 10 der 1.
Im Unterschied zur Ausführung des Wälzkörpers 10 der 1 ist jedoch die Höhlung 102 mit einem Material 105 und die Höhlung 103 mit einem Material 107 verfüllt. Die Materialien 105 und 107 sind bevorzugt gleichartig, können jedoch auch verschiedenartig sein. Die Materialien 105 und 107 sind elastisch, so dass sie innerhalb der Höhlungen 102 bzw. 103 schwingungsdämpfende Eigenschaften entfalten. Daher können sich keine Vibrationen oder Schwingungen auf dem die Höhlungen umgebenden Außenmantel des Wälzkörpers 101 ausbilden, die den Betrieb eines entsprechenden Wälzlagers stören würden.
Besonders bevorzugt sind die Material 105 und 107 gummiartig, so dass besonders gute elastische Eigenschaften bei gleichzeitig kostengünstiger und einfacher Herstellung und guter Verfügbarkeit vorliegen. Gummi hat zudem den Vorteil, dass es sich in weichem Zustand gut in die Höhlungen 102 und 103 einbringen und durch einen anschließenden Vulkanisationsprozess härten und befestigen lässt. So ergibt sich eine formfeste Verbindung zwischen dem Material des Wälzkörpers 101 und den Materialien 105 und 107.
Insbesondere vorteilhaft eignen sich Materialien wie Fluorkautschuk (FPM), Acrylatkautschuk (ACM), so genannten NBR-Elastomere und hydrierter NBR (HNBR) für den Einsatz in den bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung. Sie weisen in verschiednen Temperaturbereichen stabile Eigenschaften auf.
Besonders vorteilhaft sind die Eigenschaften der erfindungsgemäßen Wälzkörper bei der Verwendung in einem Wälzlager. Hier führen die schwingungsdämpfenden Eigenschaften dazu, dass keine Schwingungen und Vibrationen durch die Wälzkörper zwischen dem Innenring und dem Außenring des Wälzlagers mehr übertragen werden. So werden beispielsweise auf eine gelagerte Welle entstehende Vibrationen auf den Innenring übertragen. Bei bekannten Wälzlagern pflanzen sich die Vibrationen über die Wälzkörper und den Außenring in die umgebende Maschine fort, was zu Störungen im Betrieb und erhöhten Verschleiß führen kann. Durch Einsatz der erfindungsgemäßen Wälzkörper werden die Vibrationen jedoch unterdrückt oder zumindest derart gedämpft, dass sie unschädlich sind. Eine erhöhte Ausfallsicherheit und geringerer Verschleiß sind die resultierenden Vorteile.
In der 3 ist ein alternatives Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Eine Zylinderrolle 201 ist hohlzylinderförmig ausgeführt und weist einen Zylindermantel 203 aus einem Metall auf. Innerhalb einer Höhlung ist ein elastisches Material 205 angeordnet, analog zum Ausführungsbeispiel der 2, wodurch sich dieselben Vorteile ergeben. Alternativ kann auch im Fall der Zylinderrolle mittig ein Bereich aus dem Material des Wälzkörpers verbleiben, so dass zwei mit elastischem Material verfüllte Höhlungen vorliegen.
In den beschriebenen Ausführungsbeispielen wurden exemplarisch ein kegelstumpfartiger und ein hohlzylinderförmiger Wälzkörper gezeigt. Die Erfindung lässt sich analog jedoch mit gleichen Vorteilen bei Pendelrollen für entsprechende Wälzlager einsetzen.

10: Wälzkörper
21, 22: Höhlung
101: Wälzkörper
102, 103: Höhlung
105, 107: elastisches Material
d₁: zylindrischer Bereich mit einem Durchmesser
D₁, D₂: Wälzkörperaußendurchmesser
d₂: Durchmesser der Höhlung
b_min: axiale Dicke
L: Wälzkörperlänge

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 102006052044 A1 [0003]

Claims

Wälzkörper, bei dem ausgehend von wenigstens einer seiner beiden Stirnseiten eine Höhlung (102, 105) ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass in der Höhlung (102, 105) ein elastisches Material (105, 107, 205) angeordnet ist.
Wälzkörper nach Anspruch 1, bei dem ausgehend von seinen beiden Stirnseiten jeweils eine Höhlung (102, 105) ausgebildet ist, wobei zwischen den Höhlungen (102, 105) ein mit Material des Wälzkörpers (101) ausgefüllter Zwischenbereich verbleibt, wobei das elastische Material (105, 107, 205) in wenigstens einer der Höhlungen (102, 105) (105, 107, 205) angeordnet ist
Wälzkörper nach Anspruch 1 oder 2, bei dem eine Elastizität des elastischen Materials (105, 107, 205) größer als die Elastizität eines Grundmaterials des Wälzkörpers ist.
Wälzkörper nach einem der obigen Ansprüche, bei dem das Material (105, 107, 205) fest mit einer Innenwand der Höhlung (102, 105) verbunden ist.
Wälzkörper nach einem der obigen Ansprüche, bei dem das Material (105, 107, 205) gummiartig ist.
Wälzkörper nach einem der obigen Ansprüche, bei dem das Material (105, 107, 205) ein Kautschuk ist.
Wälzkörper nach Anspruch 5 oder 6, bei dem das gummiartige Material (105, 107, 205) durch einen Vulkanisationprozess mit einer Innenwand der Höhlung (102, 105) verbunden ist.
Wälzkörper nach einem der obigen Ansprüche, bei dem das Material (105, 107, 205) in der Höhlung (102, 105) verklebt ist.
Wälzkörper nach einem der obigen Ansprüche, bei dem in den Höhlungen (102, 105) verschiedene Materialien (105, 107, 205) angeordnet sind.
Wälzkörper nach einem der obigen Ansprüche, bei dem der Wälzkörper (101) kegelstumpfförmig ist und die Höhlung (102, 105) am durchmessergrößeren axialen Ende des Wälzkörpers (101) eine größere axiale Tiefe aufweist als die Höhlung (102, 105) am durchmesserkleineren axialen Ende des Wälzkörpers (101).
Wälzkörper nach einem der obigen Ansprüche, wobei wenigstens eine der Höhlungen (102, 105) zum Zwischenbereich hin sphärisch ausgebildet ist.
Wälzkörper nach einem der obigen Ansprüche, wobei der Wälzkörper (101) in wenigstens einem Übergangsbereich von seinem Außenmantel hin zu einer seiner Stirnseiten mit einer Verrundung ausgebildet ist.
Wälzkörper nach Anspruch 12, wobei die Verrundung an die jeweilige Belastungsanforderung angepasst ist.
Lageranordnung mit Wälzkörpern (101) nach einem der Ansprüche 1 bis 13.
Lageranordnung nach Anspruch 14, wobei ein Außenmantel jedes Wälzkörpers (101) zwischen den Übergangsbereichen zu den Stirnseiten hin im wesentlichen eben ist und wenigstens eine der beiden zugehörigen Abrollflächen für die Wälzkörper (101) eben oder zu den Wälzkörpern (101) hin ausgebaucht ist.
Lageranordnung nach Anspruch 14 oder 15, wobei ein Außenmantel jedes Wälzkörpers (101) zwischen den Übergangsbereichen zu den Stirnseiten hin im Wesentlichen nach außen ausgebaucht ausgebildet ist und wenigstens eine der beiden zugehörigen Abrollflächen für die Wälzkörper (101) eben, aus- oder eingebaucht ist.
Lageranordnung nach Anspruch 14, 15 oder 16, wobei ein Außenmantel jedes Wälzkörpers (101) zwischen den Übergangsbereichen zu den Stirnseiten hin im Wesentlichen nach innen eingebaucht ausgebildet ist und wenigstens eine der beiden zugehörigen Abrollflächen für die Wälzkörper (101) zu den Wälzkörpern (101) hin ausgebaucht ist.