DE102009024681B4

DE102009024681B4 - Wälzlager

Info

Publication number: DE102009024681B4
Application number: DE102009024681A
Authority: DE
Inventors: Josef Stork; Bernd Eich
Original assignee: SKF AB
Current assignee: SKF AB
Priority date: 2009-06-12
Filing date: 2009-06-12
Publication date: 2011-04-28
Anticipated expiration: 2029-06-13
Also published as: DE102009024681A1

Abstract

Wälzlager (1), das einen Lagerinnenring (2) und einen Lageraußenring (3) aufweist, wobei Wälzkörper (4) zwischen dem Innen- und Außenring (2, 3) angeordnet sind, die von einem Käfig (5) in Position gehalten werden und wobei zwischen den Lagerringen (2, 3) nur so wenige Wälzkörper (4) angeordnet sind, dass sich die Umfangswinkel (α₁, α₂, ...) zwischen den Wälzkörpern (4) auf mindestens 180° summieren, dadurch gekennzeichnet, dass der Käfig (5) aus einem ringförmigen Grundkörper (6) besteht, der im Umfangsbereich (7) zwischen zwei Aufnahmetaschen (8) für die Wälzkörper (4) mit mindestens einer Ausnehmung (9) versehen ist, wobei mindestens eine Ausnehmung (9) in radiale Richtung betrachtet dreieckförmig ausgebildet ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Wälzlager, das einen Lagerinnenring und einen Lageraußenring aufweist, wobei die Wälzkörper zwischen dem Innen- und Außenring angeordnet sind, die von einem Käfig in Position gehalten werden und wobei zwischen den Lagerringen nur so wenige Wälzkörper angeordnet sind, dass sich die Umfangswinkel zwischen den Wälzkörpern auf mindestens 180° summieren.
Wälzlager dieser klassischen Bauart müssen zumeist so konzipiert werden, dass sie bei gegebenem Gewicht eine möglichst hohe Belastung aufnehmen bzw. übertragen können. Aber auch die gegenteilige Zielsetzung kann relevant sein. Demnach sind die zu übertragenden Kräfte relativ unbedeutend; vielmehr kommt es darauf an, eine präzise Lagerfunktion eines Bauteils bei minimalem Gewicht des Lagers zu gewährleisten. Als Beispiel sei die Lagerung einer Radkappe an einem Sportwagen, insbesondere an einem Formel-1-Wagen genannt. Die Radkappen sollen dabei auch bei sehr drehendem Rad nicht rotieren.
Gattungsgemäße Wälzlager sind aus der US 1 233 583 A , aus der US 2006/0056753 A1 , aus der US 6 715 927 B1 , aus der WO 2009/027149 A2 und aus der JP 2002 227 850 A bekannt. Andere Lösungen sind in der DE 928 020 B , in der DE 2 314 464 A und in der EP 2 075 479 A1 beschrieben.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Lager der genannten Art so auszubilden, dass es eine stabile und präzise Lagerung eines Bauteils relativ zu einem anderen sicherstellt, dabei allerdings ein möglichst geringes Gewicht aufweist.
Die Lösung dieser Aufgabe durch die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Käfig aus einem ringförmigen Grundkörper besteht, der im Umfangsbereich zwischen zwei Aufnahmetaschen für die Wälzkörper mit mindestens einer Ausnehmung versehen ist, wobei mindestens eine Ausnehmung in radiale Richtung betrachtet dreieckförmig ausgebildet ist.
Bevorzugt summieren sich die Umfangswinkel zwischen den Wälzkörpern auf mindestens 270° oder gar auf mindestens 300°.
Über dem Umfang des Käfigs sind dabei bevorzugt nur wenige Wälzkörper angeordnet, konkret sind bevorzugt nur zwischen 5 und 9 Wälzkörper äquidistant um den Umfang angeordnet. Bevorzugt sind zwischen zwei Aufnahmetaschen mehrere Ausnehmungen angeordnet. Dabei ist mindestens eine Ausnehmung – in radiale Richtung betrachtet – dreieckförmig ausgebildet. Mehrere dreieckförmige Ausnehmungen können gegeneinander versetzt in Umfangsrichtung angeordnet sein.
Das Wälzlager ist besonders bevorzugt als Zylinderrollenlager ausgebildet. Dabei kann sowohl der Lagerinnenring als auch der Lageraußenring zwei sich radial erstreckende Borde aufweisen, die axiale Anlageflächen für die Zylinderrollen bilden. Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht dabei vor, dass der Innendurchmesser eines Bordes des Lageraußenrings geringfügig kleiner ist als der radial äußere Durchmesser einer Zylinderrolle in ihrem auf dem Lagerinnenring im Käfig montierten Zustand, so dass ein axiales Aufschieben des Lageraußenrings mit seinem Bord nach Erhitzung des Lageraußenrings und/oder nach Abkühlen des Lagerinnenrings samt Käfig und Wälzkörpern auf den Lagerinnenring samt Käfig mit Zylinderrollen möglich ist.
Der Käfig hat vorzugsweise an seinen beiden axialen Enden je einen sich radial erstreckenden Ringabschnitt (Ringteil), wobei die Ringabschnitte im zusammengebauten Zustand des Wälzlagers zusammen mit dem Lagerinnenring und dem Lageraußenring eine weitgehend bündige Stirnfläche bilden. Zwischen dem Bord des Lageraußenrings und dem sich radial erstreckenden Ringabschnitt des Käfigs verbleibt im zusammengebauten Zustand des Wälzlagers bevorzugt ein radialer Spalt; analog kann auch vorgesehen werden, dass zwischen dem Bord des Lagerinnenrings und dem sich radial erstreckenden Ringabschnitt des Käfigs im zusammengebauten Zustand des Wälzlagers ein radialer Spalt verbleibt. Der radiale Spalt beträgt dabei mit Vorteil zwischen 0,05 mm und 0,15 mm.
Der Lagerinnenring, der Lageraußenring und/oder der Käfig bestehen gemäß einer bevorzugten Lösungsmöglichkeit aus Kunststoff. Alternativ kann auch vorgesehen werden, dass der Lagerinnenring, der Lageraußenring und/oder der Käfig aus Leichtmetall, insbesondere aus Titan oder einer Titanlegierung, bestehen. Die Lagerringe sind dabei bevorzugt ungehärtet.
Es kann allerdings vorgesehen werden, dass der Lagerinnenring, der Lageraußenring und/oder der Käfig mit einer Beschichtung, insbesondere mit einer Hartstoffbeschichtung, versehen sind.
Der Lagerinnenring, der Lageraußenring und/oder der Käfig können einer Gleitschleifoperation unterzogen sein.
Die Wälzkörper bestehen bevorzugt aus Keramikmaterial.
Wie erläutert, sind von der aufzunehmenden Lagerlast her grundsätzlich Lager mit Kunststoffringen möglich. Bevorzugt wird jedoch Leichtmetall eingesetzt, insbesondere eine Titanlegierung. Hier hat sich insbesondere das Material TiAl6V4 bewährt.
Die vorliegende Erfindung macht sich in besonders positiver Weise bemerkbar, wenn es bei der Lageranwendung auf geringstes Gewicht, nicht indes auf hohe Tragfähigkeit ankommt.
Ein Beispiel hierfür sei nochmals ein Radkappenlager bei einem Sportwagen, insbesondere bei einem Formel-1-Wagen genannt, bei dem die Radkappen auch bei sich drehendem Rad nicht rotieren sollen. Das Lagergewicht konnte hier in einem konkreten Falle von ca. 120 g auf ca. 18 g gesenkt werden, was einer Einsparung von ca. 85% entspricht. Dies hat bei dem genannten Anwendungsfall zur Folge, dass eine Reduzierung der ungefederten Massen um mehr als 400 g erreicht werden kann.
Bevorzugt vorgesehen ist eine selbsthaltende Anordnung des Lagers. Hier sind die Borde an den Lagerringen so niedrig gehalten, dass eine Montage des Außenrings über den mit dem Wälzkörpersatz vormontierten Innenring durch Erwärmung des Außenrings und/oder Abkühlung des Innenrings samt Wälzkörpersatz möglich ist. D. h. die durch die Temperaturerhöhung bzw. Temperaturerniedrigung erreichbaren Durchmesserveränderungen reichen aus, das Lager zusammenzubauen.
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Es zeigen:
1 in perspektivischer Darstellung ein im Schnitt dargestelltes Zylinderrollenlager gemäß der Erfindung, wobei die Drehachse des Lagers in der Schnittebene liegt,
2 in perspektivischer Darstellung das Zylinderrollenlager nach 1, wobei die Drehachse des Lagers senkrecht auf der Schnittebene steht,
3 in perspektivischer Darstellung den Käfig des Zylinderrollenlagers nach 1,
4 in perspektivischer Darstellung den Käfig nach 3 im Schnitt, wobei die Drehachse des Lagers in der Schnittebene liegt, und
5 in perspektivischer Darstellung den Käfig nach 3 im Schnitt, wobei die Drehachse des Lagers senkrecht auf der Schnittebene steht.
In den Figuren ist ein Wälzlager 1 in Form eines Zylinderrollenlagers (1 und 2) bzw. dessen Käfig (3 bis 5) zu sehen. Das Zylinderrollenlager 1 hat einen Lagerinnenring 2 und einen Lageraußenring 3, wobei sich zwischen den Lagerringen 2, 3 Zylinderrollen 4 befinden. Diese sind in bekannter Weise in einem Käfig 5 angeordnet und werden durch diesen geführt.
Der Käfig 5 weist eine Anzahl Aufnahmetaschen 8 (s. z. B. 3) auf, in denen die Zylinderrollen 4 platziert werden. Zwischen den Aufnahmetaschen 8 befinden sich Umfangsbereiche 7, die frei von Aufnahmetaschen 8 und folglich frei von Wälzkörpern 4 sind.
Im Ausführungsbeispiel sind sieben Zylinderrollen 4 vorgesehen, die zwischen den beiden Lagerringen 2, 3 angeordnet sind. Dabei sind die Zylinderrollen 4 relativ klein ausgeführt, was zur Folge hat, dass die Umfangsbereiche 7, in denen sich keine Zylinderrollen 4 befinden, den wesentlichen Teil des Umfangs zwischen den Lagerringen bzw. des Käfigs 5 ausmachen.
Konkret ist vorgesehen, dass zwischen den Lagerringen 2, 3 nur so wenige Wälzkörper 4 angeordnet sind, dass sich die Umfangswinkel α₁, α₂, α₃, α₄, α₅, α₆ und α₇ (s. 2) zwischen den Wälzkörpern (4) auf mindestens 180° summieren. Im Ausführungsbeispiel ist sogar vorgesehen, dass sich die 7 Zylinderrollen 4 jeweils über einen Umfangswinkel von α_R = ca. 5° erstrecken, so dass der Umfangswinkel, der frei von Wälzkörpern ist, ergibt zu ca. 360° – (7 × 5°) = 325°.
Der Käfig 5 ist seinerseits ebenfalls in besonderer Weise ausgeführt, um ein geringes Gewicht zu erreichen. Er besteht aus einem ringförmigen Grundkörper 6, der in seinen beiden axialen Seitenbereichen jeweils einen Ringabschnitt 14 und 15 aufweist. Wie in der Zusammenschau der 1 und 3 gesehen werden kann, weisen die beiden Lagerringe 2, 3 jeweils Borde 10 und 11 am Innenring 2 und 12 und 13 am Außenring 3 auf, die sich radial erstrecken und axiale Anlageflächen für die Zylinderrollen 4 bilden. Die jeweiligen Borde und Ringabschnitte bilden Stirnflächen die weitgehend glatt verlaufen.
Der Bord 10 des Lagerinnenrings 2, der Ringabschnitt 14 und der Bord 12 des Lageraußenrings 3 bilden demgemäß die Stirnfläche 16, während der Bord 11 des Lagerinnenrings 2, der Ringabschnitt 15 und der Bord 13 des Lageraußenrings 3 die Stirnfläche 17 bilden.
Die Umfangsabschnitte 7 zwischen den Aufnahmetaschen 8 sind zur Gewichtsreduzierung mit Ausnehmungen 9 versehen, wie sich am besten aus den 3 und 4 ergibt. Die Form der Ausnehmungen 9 ergibt im Ausführungsbeispiel eine strebenartige Struktur, die vorliegend durch drei dreieckförmige Ausnehmungen 9 entsteht, die versetzt zueinander in Umfangsrichtung des Käfigs 5 angeordnet sind. An die Aufnahmetaschen 8 angrenzend sind dann noch jeweils etwas größer ausgebildete Ausnehmungen 9 vorgesehen. Im Ausführungsbeispiel ergeben sich demgemäß fünf Ausnehmungen 9 zwischen zwei Aufnahmetaschen 8.
Die Anzahl der Wälzkörper wird also nur zur ausreichenden Führung und nicht nach der Lagerbelastung bestimmt. Demgemäß befinden sich zwischen den Wälzkörpern über den Umfang die erläuterten erheblichen Leerräume.
Da mit Zylinderrollen ein günstiger Widerstand bezüglich unbestimmter Momentenbelastungen möglich ist, hat sich die Ausbildung des Lagers als Zylinderrollenlager bewährt. Der Einsatz keramischer Wälzkörper ist vorteilhaft mit Blick auf das Lagergewicht. Keramische Rollen verbessern im Übrigen den Kontakt im Lager, speziell im Falle von Verschmutzungen. Weiterhin können keramische Wälzkörper die Oberflächen im Wälzkontakt während des Einlaufvorgangs verbessern bzw. glätten. Keramische Wälzkörper sind auch vorteilhaft, wenn die Schmierbedingungen im Lager nicht optimal sind.
Der Werkstoff der Lagerringe 2, 3 ist bevorzugt eine Titanlegierung, insbesondere TiAl6V4. Die Ringe werden durch spanende Bearbeitung auf ihre Form gebracht. Bei Einsatz des genannten Werkstoffs können problemlos Wandstärken von unter einem Millimeter erreicht werden. Hierdurch kann der Leichtbau begünstigt werden.
Die Naturhärte der genannten Titanlegierung von 30 bis 40 HRC reicht für die zu erwartenden Lagerbelastungen gut aus.
Um eine ausreichende Oberflächenqualität zu erreichen, wird kann nach dem Drehen eine Bearbeitung der Lagerringe und auch des Käfigs durch Gleitschleifen vorgesehen werden. Als ausreichende Oberflächenqualität wird dabei ein Oberflächenrauheitswert von R_a < 0,5 μm angesehen.
Um einen ausreichenden Wälzkontakt zu gewährleisten und eine Sicherheit gegen Verschmutzungen zu erzielen, können die Lagerringe auch mit einer Beschichtung versehen werden, insbesondere mit einer Hartstoffbeschichtung, wofür im Stand der Technik hinreichende Technologien beschrieben sind. Insbesondere ist hier an eine diamantartige Beschichtung gedacht, die unter der Bezeichnung DLC-Beschichtung („Diamond Like Coating”) bekannt ist. Auch der Käfig 5 kann mit einer entsprechenden Beschichtung versehen sein.
Wird auch der Käfig 5 aus Titan bzw. einer Titanlegierung gefertigt, ergeben sich günstige Werte für das Gewicht und die Steifigkeit des Bauteils. Hier sind Wandstärken – namentlich für das ringförmige Grundteil des Käfigs – zwischen 0,3 und 0,7 mm bevorzugt.
Eine weitergehende Abdichtung des Lagers ist nicht erforderlich, weil die Oberflächen des Lagers relativ unempfindlich gegen Verschmutzungen sind.
Es hat sich vielmehr herausgestellt, dass die oben erläuterte Spaltdichtung ausreichend ist. Die radialen Spalte zwischen den seitlich angeordneten Ringabschnitten 14, 15 des Käfigs 5 und den Borden 10, 11, 12, 13 der Lagerringe sind mit ca. 0,1 mm größer als die Radialluft des Lagers.
Der Zusammenbau des Lagers 1 kann in einfacher Weise durch die oben erwähnte Erwärmung des Lageraußenrings 3 und/oder das Abkühlen des Lagerinnenrings 2 samt vormontiertem Käfig 5 mit Wälzkörpern 4 erfolgen. Dann nämlich entsteht temporär ein hinreichendes Übermaß, so dass der Lageraußenring 3 auf die Einheit bestehend aus Lagerinnenring 2, Käfig 5 und Wälzkörpern 4 axial aufgeschoben werden kann.
Bezugszeichenliste

1: Wälzlager
2: Lagerinnenring
3: Lageraußenring
4: Wälzkörper (Zylinderrollen)
5: Käfig
6: Grundkörper
7: Umfangsbereich
8: Aufnahmetaschen
9: Ausnehmung
10: Bord
11: Bord
12: Bord
13: Bord
14: Ringabschnitt
15: Ringabschnitt
16: Stirnfläche
17: Stirnfläche
α1, α2, ...: Umfangswinkel
αR: Winkel

Claims

Wälzlager (1), das einen Lagerinnenring (2) und einen Lageraußenring (3) aufweist, wobei Wälzkörper (4) zwischen dem Innen- und Außenring (2, 3) angeordnet sind, die von einem Käfig (5) in Position gehalten werden und wobei zwischen den Lagerringen (2, 3) nur so wenige Wälzkörper (4) angeordnet sind, dass sich die Umfangswinkel (α₁, α₂, ...) zwischen den Wälzkörpern (4) auf mindestens 180° summieren, dadurch gekennzeichnet, dass der Käfig (5) aus einem ringförmigen Grundkörper (6) besteht, der im Umfangsbereich (7) zwischen zwei Aufnahmetaschen (8) für die Wälzkörper (4) mit mindestens einer Ausnehmung (9) versehen ist, wobei mindestens eine Ausnehmung (9) in radiale Richtung betrachtet dreieckförmig ausgebildet ist.
Wälzlager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Umfangswinkel (α₁, α₂, ...) zwischen den Wälzkörpern (4) sich auf mindestens 270°, vorzugsweise auf mindestens 300°, summieren.
Wälzlager nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass über dem Umfang des Käfigs (5) äquidistant zwischen 5 und 9 Wälzkörper (4) angeordnet sind.
Wälzlager nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen zwei Aufnahmetaschen (8) mehrere Ausnehmungen (9) angeordnet sind.
Wälzlager nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere dreieckförmige Ausnehmungen (9) gegeneinander versetzt in Umfangsrichtung angeordnet sind.
Wälzlager nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass es Zylinderrollenlager ausgebildet ist.
Wälzlager nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl der Lagerinnenring (2) als auch der Lageraußenring (3) zwei sich radial erstreckende Borde (10, 11, 12, 13) aufweist, die axiale Anlageflächen für die Zylinderrollen (4) bilden.
Wälzlager nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Innendurchmesser eines Bordes (12) des Lageraußenrings (3) geringfügig kleiner ist als der radial äußere Durchmesser einer Zylinderrolle (4) in ihrem auf dem Lagerinnenring (2) im Käfig (5) montierten Zustand, so dass ein axiales Aufschieben des Lageraußenrings (3) mit seinem Bord (12) nach Erhitzung des Lageraußenrings (3) und/oder nach Abkühlen des Lagerinnenrings (2) samt Käfig (5) und Wälzkörpern (4) auf den Lagerinnenring (2) samt Käfig (5) mit Zylinderrollen (4) möglich ist.
Wälzlager nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Käfig (5) an seinen beiden axialen Enden je einen sich radial erstreckenden Ringabschnitt (14, 15) aufweist, wobei die Ringabschnitte (14, 15) im zusammengebauten Zustand des Wälzlagers (1) zusammen mit denn Lagerinnenring (2) und dem Lageraußenring (3) eine weitgehend bündige Stirnfläche (16, 17) bilden.
Wälzlager nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Bord (12, 13) des Lageraußenrings (3) und dem sich radial erstreckenden Ringabschnitt (14, 15) des Käfigs (5) im zusammengebauten Zustand des Wälzlagers (1) ein radialer Spalt verbleibt.
Wälzlager nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Bord (10, 11) des Lagerinnenrings (2) und dem sich radial erstreckenden Ringabschnitt (14, 15) des Käfigs (5) im zusammengebauten Zustand des Wälzlagers (1) ein radialer Spalt verbleibt.
Wälzlager nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass der radiale Spalt zwischen 0,05 mm und 0,15 mm beträgt.
Wälzlager nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Lagerinnenring (2), der Lageraußenring (3) und/oder der Käfig (5) aus Kunststoff bestehen.
Wälzlager nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Lagerinnenring (2), der Lageraußenring (3) und/oder der Käfig (5) aus Leichtmetall, insbesondere aus Titan oder einer Titanlegierung, bestehen.
Wälzlager nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagerringe (2, 3) ungehärtet sind.
Wälzlager nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Lagerinnenring (2), der Lageraußenring (3) und/oder der Käfig (5) mit einer Beschichtung, insbesondere mit einer Hartstoffbeschichtung, versehen sind.
Wälzlager nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Lagerinnenring (2), der Lageraußenring (3) und/oder der Käfig (5) einer Gleitschleifoperation unterzogen sind.
Wälzlager nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Wälzkörper (4) aus Keramikmaterial bestehen.