DE102009032628A1

DE102009032628A1 - Käfig, Wälzlager mit dem Käfig sowie Verfahren

Info

Publication number: DE102009032628A1
Application number: DE102009032628A
Authority: DE
Inventors: Alexander Tietz
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2009-07-10
Filing date: 2009-07-10
Publication date: 2011-01-13
Also published as: WO2011003391A1

Abstract

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Käfig für ein Wälzlager, das Wälzlager sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung vorzuschlagen, wobei der Käfig kostengünstig herstellbar und robust ausgeführt sein soll. Hierzu wird ein Käfig 2 zur Aufnahme von Wälzkörpern 4 für ein Wälzlager vorgeschlagen mit Seitenringen 5 und Stegen 6, wobei die Stege 6 die Seitenringe 5 derart verbinden, dass Käfigtaschen 7 für die Wälzkörper 4 gebildet werden,rdnet sind und ausgebildet sind, vor einer Umformung ein Einlegen der Wälzkörper 4 in die Käfigtaschen 7 zu erlauben und nach der Umformung ein Herausfallen der Wälzkörper 4 aus den Käfigtaschen 7 zu verhindern, wobei die Umformbereiche 9 so ausgebildet sind, dass die Umformung mit einer radial gerichteten Kraft F erfolgt.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft einen Käfig zur Aufnahme von Wälzkörpern für ein Wälzlager mit Seitenringen und Stegen, wobei die Stege die Seitenringe derart verbinden, dass Käfigtaschen für die Wälzkörper gebildet werden, mit Umformbereichen, die auf den Stegen angeordnet sind und ausgebildet sind, vor einer Umformung ein Einlegen der Wälzkörper in die Käfigtaschen zu erlauben und nach der Umformung ein Herausfallen der Wälzkörper aus den Käfigtaschen zu verhindern. Die Erfindung betrifft auch ein Wälzlager mit diesem Käfig sowie ein Verfahren zur Herstellung dieses Wälzlagers.
Wälzlager sind für eine Vielzahl von Anwendungsbereichen bekannt und bestehen üblicher Weise aus einem Außenring, einem Innenring, welche zueinander über Wälzkörper drehbar gelagert sind. Zur Führung und für ein Einhalten eines definierten Abstandes zwischen den Wälzkörpern wird oftmals ein Käfig eingesetzt, der zwischen Außenring uns Innenring positioniert ist und der Käfigtaschen für die Wälzkörper bereit stellt. Dieser Käfig wird je nach Bauart des Wälzlagers über die Wälzkörper, den Innenbord oder den Außenbord des Wälzlagers geführt.
Obwohl ein Wälzlager prinzipiell nur aus wenigen Komponenten besteht, können sich Problemstellungen beim Zusammenbau ergeben. Da Innenring, Käfig und Außenring konzentrisch und koaxial zueinander angeordnet werden müssen und sich in stirnseitiger Draufsicht Wälzköperbereiche, Käfig, Innenbord bzw. Außenbord zumindest abschnittsweise überlappen, muss eine vorgegebene Montagereihenfolge eingehalten werden.
Besondere Beachtung verdient dabei die Frage des Zeitpunkts der Montage von den Wälzköppern, da diese bei manchen Wälzlagerarten in den bereits auf einem Ring montierten Käfig eingelegt werden müssen.
Die Druckschrift DE 24 500 797 C2 offenbart z. B. ein Zylinderrollenlager mit einem einstückigen, rollengeführten Käfig, wobei der Käfig aus zwei Seitenringen, welche über Stege miteinander verbunden sind, gebildet ist. Um ein Herausfallen der Zylinderrollen aus dem Käfig zu verhindern, weist der Käfig radial nach innen und radial fluchtend zu den Stegen angeordnete, freie Endabschnitte als Anformungen auf. Die Endabschnitte sind in axialer Richtung geschlitzt, was ermöglicht, dass nach dem Einlegen der Zylinderrollen in die Käfigtaschen ein Keil axial in die Endabschnitte eingetrieben und diese unter Krafteinwirkung in Umfangsrichtung auseinandergedrückt werden, so dass ein Herausfallen der Zylinderrollen aus den Käfigtaschen verhindert wird.
Die Druckschrift US 3,295,899 , die wohl den nächstkommenden Stand der Technik bildet, beschreibt einen Käfig für ein Wälzlager, welcher zwei Seitenringe aufweist, die über Stege miteinander verbunden sind, wobei auf jedem Steg radial nach außen weisend eine ambossförmige Anformung mit vier freien Schenkeln vorgesehen ist. Nach dem Einlegen von Zylinderrollen in den Käfig werden die freien Schenkel durch eine axial gerichtete Krafteinwirkung in Umfangsrichtung auseinander gedrückt, so dass jede benachbarte Zylinderrolle durch zwei der freien Schenkel vor einem Herausfallen gesichert ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Käfig für ein Wälzlager, das Wälzlager sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung vorzuschlagen, wobei der Käfig kostengünstig herstellbar und robust ausgeführt sein soll.
Diese Aufgabe wird durch einen Käfig mit den Merkmalen des Anspruches 1, ein Wälzlager mit den Merkmalen des Anspruches 10 sowie durch ein Verfahren zur Herstellung des Wälzlagers mit den Merkmalen des Anspruches 15 gelöst. Bevorzugte oder vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung sowie den beigefügten Figuren.
Der erfindungsgemäße Käfig ist zum Einbau in ein Wälzlager, insbesondere in ein Radialwälzlager, geeignet und/oder ausgebildet und dient insbesondere zur Führung und/oder Beabstandung der Wälzkörper des Wälzlagers. In einer möglichen konstruktiven Ausführung weist das Wälzlager einen Innenring, einen Außenring sowie Wälzkörper auf, welche zwischen Innenring und Außenring abwälzend gelagert sind und durch den Käfig geführt sind. Insbesondere drehen sich der Innenring und der Außenring relativ zueinander um eine Drehachse des Wälzlagers, auf die sich die Richtungsangaben ”radial” und ”axial” beziehen. Optional kann das Wälzlager auch mehrreihig ausgebildet sein.
Der Käfig weist beidseitig jeweils einen Seitenring sowie Stege auf, die die beiden Seitenringe derart verbinden, dass Käfigtaschen für die Wälzkörper gebildet werden.
Auf den Stegen, also radial außen, radial innen und/oder in Umlaufrichtung, sind auf einer Mehrzahl, vorzugsweise auf allen Stegen, Umformbereiche angeordnet, welche im Rahmen der Herstellung, insbesondere Montage des Wälzlagers umgeformt werden. Diese Umformbereiche sind so angeordnet und/oder ausgebildet, dass vor einer Umformung der Umformbereiche ein Einlegen der Wälzkörper in die Käfigtaschen möglich ist, nach der Umformung jedoch ein Herausfallen der Wälzkörper aus den Käfigtaschen verhindert wird. Durch die Umformung wird der freie Durchmesser der Käfigtasche an einem Eingang derart verringert, dass dieser kleiner ist, als der Durchmesser der Wälzkörpers an der dazu korrespondierenden Stelle. Insbesondere bilden die Umformbereiche nach der Umformung eine formschlüssige Halterung für die Wälzkörper.
Diese nachträgliche Verriegelung der Käfigtasche hat den Vorteil, dass die Wälzkörper nach der Umformung der Umformbereiche selbsthaltend und/oder verliersicher in dem Käfig angeordnet sind. Optional kann vorgesehen sein, dass die Käfigtaschen so dimensioniert sind, dass bereits vor der Umformung der Wälzkörper in die Käfigtaschen eingeschnappt, das heißt, mit einem gewissen Druck eingesetzt werden muss.
Im Rahmen der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die Umformbereiche so ausgebildet bzw. angeordnet sind, dass die Umformung mit einer radial gerichteten Kraft erfolgt. Die Kontaktfläche, auf die die Umformkraft einwirken soll, ist somit radial, vorzugsweise radial nach außen gerichtet und/oder orientiert und/oder geöffnet. Die Kraftrichtung liegt bei einer engen Ausführung der Erfindung in einer Radialebene und ist in Richtung der Drehachse ausgerichtet. Bei einer etwas weiteren Ausführung der Erfindung kann die Kraftrichtung von der Radialebene und/oder von der Ausrichtung zur Drehachse um bis 15°, vorzugsweise um bis zu 10° und insbesondere um bis zu 5° abweichen.
Durch den Einsatz von Umformbereichen, welche über eine radiale Kraft umgeformt werden, wird vorteilhafter Weise erreicht, dass die Montage gegenüber einer Konstruktion, bei der die Umformkraft in axialer Richtung eingeleitet wird, vereinfacht ist, da radial außen bzw. radial innen meist weniger Störkonturen und damit ausreichend Platz für ein Umformwerkzeug ist.
Besonders vorteilhaft kann der erfindungsgemäße Käfig bei Großlagern eingesetzt werden. Es ist daher bevorzugt, dass der Käfig einen Teilkreisdurchmesser größer als 20 cm, vorzugsweise größer als 30 cm und insbesondere größer als 50 cm aufweist. Der Teilkreisdurchmesser wird hierbei durch die Position der Wälzkörperachsen in Einbaulage definiert.
Bei derartigen Großlagern ist es heutzutage üblich, Montagehilfen einzusetzen, die das Herausfallen der Rollen verhindern, wobei zum Beispiel ein Montageband verwendet wird. Es ist alternativ auch möglich, die Käfigtaschen so zu dimensionieren, dass diese einen freien Durchmesser geringfügig kleiner als den Außendurchmesser der Wälzkörper ausweisen, wobei bei der Montage der Käfig erwärmt wird. Die Warmmontage ist jedoch ausgesprochen aufwändig und es ist nicht auszuschließen, dass Toleranzen zu einem Herausfallen der Wälzkörper führen können. Durch den erfindungsgemäßen Käfig sind die Wälzkörper nach dem Umformen der Umformbereiche verliersicher gehaltert. Ferner sind die Käfige bei Großlagern entsprechend stark dimensioniert, so dass eine Umformung erfolgen kann, ohne den Käfig in seiner Gesamtgeometrie zu deformieren oder zu beschädigen.
Besonders bevorzugt ist der Käfig einstückig, vorzugsweise spanabhebend und/oder als Messingkäfig, ausgeführt. Es wäre allerdings auch vorteilhaft, wenn zumindest die Umformbereiche einstückig auf den Stegen angeformt sind. Durch die einstückige Anformung ist nämlich gewährleistet, dass während der Umformung ausreichend Material zum Fließen vorhanden ist, zudem ist die Herstellung der Umformbereiche vereinfacht.
Bei einer besonders bevorzugten, konstruktiven Ausgestaltung der Erfindung ist der Käfig innenbordgeführt ausgebildet und/oder die Umformbereiche sind radial außen auf den Stegen angeordnet. Bei dieser möglichen Variante ist der Käfig besonders vorteilhaft einsetzbar, da aufgrund des Innenbords des Innenrings eine Montage des bereits mit den Wälzkörpern bestückten Käfigs nicht möglich ist, so dass konstruktionsbedingt vorgegeben ist, zunächst den Käfig auf den Innenring und dann die Wälzkörper in dem Käfig zu montieren. Bei dieser Montagereihenfolge kann das nachträgliche Sperren der Käfigtaschen durch Umformen der radial außen angeordneten Umformbereiche umgesetzt werden.
Bei einer möglichen Realisierung der Erfindung weisen die Umformbereiche eine axial verlaufende Vertiefung zur Aufnahme und/oder Zentrierung eines Umformwerkzeuges auf. Diese Vertiefung kann in einfacher Weise, zum Beispiel spanabhebend oder auch umformtechnisch, eingebracht sein.
Es ist prinzipiell möglich, dass sich die Umformbereiche in axialer Richtung vollständig, über die gesamte Steglänge erstrecken. Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind jedoch auf mindestens einem der Stege, vorzugsweise auf einigen, insbesondere auf allen Stegen, jeweils mehrere, voneinander beabstandete Umformbereiche angeordnet. Hierbei wird ausgenutzt, dass der Wälzkörper nur punktuell abgestützt und vor dem Herausfallen gesichert werden muss, eine linienförmige Sicherung ist nicht unbedingt notwendig.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind die Umformbereiche auf dem Steg so angeordnet, dass der axiale Mittelabschnitt des Stegs frei von Umformbereichen ausgebildet und/oder dass diese Umformbereiche randseitig angeordnet sind. Diese Weiterbildung hat den Vorteil, dass der Mittelbereich der Wälzkörper, welcher im Betrieb des Wälzlagers die Lastzone bildet, frei von den Umformbereichen ist, so dass vermieden wird, dass in diesem Mittelbereich durch die Umformbereiche der für die Schmierung des Wälzlagers notwendige Schmierstoff- oder Ölfilm abgestreift wird.
Auf der anderen Seite kann es sich als vorteilhaft erweisen, wenn die Umformbereiche nicht unmittelbar an den Seitenringen angrenzen, sondern beabstandet zu diesen angeordnet sind, da ansonsten zu befürchten ist, dass durch die Seitenringe das Umformverhalten der Umformbereiche negativ beeinflusst ist. Ein guter Kompromiss scheint es zu sein, die Umformbereiche angrenzend an den Rundungen in den Ecken der Käfigtaschen angrenzen zu lassen.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung betrifft ein Wälzlager, welches einen Käfig, wie er soeben beschrieben wurde bzw. nach einem der vorhergehenden Ansprüche aufweist. Besonders bevorzugt ist das Wälzlager als ein Zylinderrollenlager und die Wälzkörper als Zylinderrollen realisiert. Besonders bevorzugt weist das Wälzlager einen Innenring mit einem vorzugsweise angeformten und/oder einstückig angeordneten Innenbord auf.
Insbesondere wird beansprucht, dass bei dem erfindungsgemäßen Wälzlager die Umformbereiche bereits umgeformt sind, wie es zuvor beschrieben wurde. Zum einen können die zuvor beschriebenen Umformbereiche vollständig umgeformt sein, alternativ ist es auch möglich, zum Beispiel Umformbereiche über weite Teile oder vollständig entlang der Stege zu erstrecken, jedoch nur einen Teil der Umformbereiche tatsächlich umzuformen.
Ein letzter Gegenstand der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung des Wälzlagers mit den Merkmalen des Anspruches 15, wobei mindestens ein Wälzkörper in eine der Käfigtaschen eingelegt wird und der zugehörige Umformbereich durch eine radial gerichtete Kraft umgeformt wird.
Weitere Merkmale, Vorteile und Wirkungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung. Dabei zeigen:
1 einen Ausschnitt einer schematischen, dreidimensionalen Draufsicht auf eine Baueinheit, bestehend aus Innenring, Käfig und Wälzkörpern als ein Ausführungsbeispiel der Erfindung;
2 einen Querschnitt durch die Baueinheit in der 1;
3 a, b ebenfalls in schematischer Querschnittdarstellung die Baueinheit der vorhergehenden Figuren mit einem angesetzten Umformwerkzeug vor der Umformung;
4 a, b in gleicher Darstellung wie die 3 a, b die Baueinheit der vorhergehenden Figuren während oder nach der Umformung.
Die 1 zeigt eine Baueinheit 1 umfassend einen Käfig 2, einen Innenring 3 sowie Zylinderrollen 4 als Wälzkörper als einen Ausschnitt aus einem Radialwälzlager. Der Käfig 2 ist als ein einstückiger Messingkäfig ausgebildet und umfasst seitlich jeweils einen Seitenring 5, welche über Stege 6 miteinander verbunden sind, so dass Käfigtaschen 7 gebildet sind, in die die Zylinderrollen 4 eingelegt werden. Beispielsweise ist der Käfig spanabhebend gefertigt. Der Käfig 2 wird durch ein einstückig an dem Innenring 3 angeformten Innenbord 8 seitlich geführt. Er dient zur Beabstandung und zur Führung der Zylinderrollen 4. Der Innenring 3 weist einen freien Durchmesser von größer als 15 cm auf. Der Teilkreisdurchmesser des Käfigs, definiert durch die Drehachsen der Zylinderrollen 4 in Einbaulage gemäß 2 ist beispielsweise größer als 20 cm.
Wie sich am besten aus der 2 ergibt, ist der freie Innendurchmesser des Käfigs 2 größer ausgebildet als der Außendurchmesser des Innenbords 8, so dass bei der Montage der Baueinheit 1 zunächst der leere Käfig 2 in Einbaulage gebracht werden muss. In einem nächsten Montageschritt werden in die Käfigtaschen 7 die Zylinderrollen 4 eingeführt. Um dies zu ermöglichen, sind die radial nach außen geöffneten Bereiche der Käfigtaschen 7 so bemessen, dass ein freier Durchmesser Ta größer als der Durchmesser D der Zylinderrollen 4 ist. Bei abgewandelten Ausführungsformen kann Ta auch gleichgroß zu D oder sogar geringfügig kleiner sein, so dass die Zylinderrollen 4 gegen einen Widerstand in die Käfigtaschen 7 eingedrückt werden müssen. In diesem Zustand der Baueinheit 1 können die Zylinderrollen 4 jedoch durch ihr Eigengewicht wieder aus den Käfigtaschen 7 herausfallen.
Mit dem Ziel, ein Herausfallen der Zylinderrollen 4 zu verhindern, sind auf den Stegen 6 Umformbereiche 9 einstückig angeformt. Auf jedem Steg 6 befinden sich genau 2 Umformbereiche 9, welche sich nach der Eckenrundung 11 der Käfigtasche 7 anschließen und zueinander durch einen freien Mittelbereich 10 beabstandet angeordnet sind.
Wie sich insbesondere aus den 3 a, b ergibt, welche die Baueinheit 1 der vorhergehenden Figuren in einem Querschnitt bzw. in einer Detaildarstellung mit einem angesetzten Umformwerkzeug 12 zeigen, erfolgt die Umformung der Umformbereiche 9 über eine radial von außen nach innen wirkende Kraft F. Dies ist besonders vorteilhaft, da die Baueinheit 1 von dieser Richtung frei und damit problemlos zugänglich ist. Die Umformbereiche 9 sind im unverformten Zustand mit einer axial verlaufenden, halbrunden Vertiefung 13 ausgebildet, welche eine Führung bzw. eine Positionierhilfe für das Umformwerkzeug 12 bildet. In dem Randbereich der Vertiefung 13 erstrecken sich Randabschnitte 14, die den freien Durchmesser Ta definieren. Optional kann der Umformbereich 9 im Halsbereich eine Schwächung 15 aufweisen, um das Umformverhalten zu verbessern.
Das Umformwerkzeug 12 weist eine Stempelfläche auf, die in dem gezeigten Querschnitt gekrümmt ausgebildet ist, wobei der Krümmungsradius größer als der Radius der halbrunden Vertiefung 13 ist.
Die 4 a, b zeigen die Baueinheit 1 mit dem Umformwerkzeug 12 während bzw. nach der Umformung, wobei die Randabschnitte 14 des Umformbereiches 9 in Umlaufrichtung auseinander gedrückt und plastisch verformt wurden. Durch diese Verformung wird der freie Durchmesser Ta kleiner als der Durchmesser D, so dass die Zylinderrollen 4 vor einem Herausfallen gesichert sind. Die umgeformten Umformbereiche 9 bzw. Randabschnitte 14 können auch als Schnapp- und/oder Haltenasen bezeichnet werden. Die Differenz zwischen Ta und D ist vorzugsweise größer als 0,01 mm und insbesondere größer als 0,05 mm gewählt.
Dadurch, dass – verglichen mit konventionellen Methoden – der freie Durchmesser Ta der Käfigtaschen 7 durch die Umformung stark verringert wird, ist auch bei einer Erwärmung des Käfigs 2 gewährleistet, dass die Zylinderrollen 4 nicht unbeabsichtigt herausfallen können.
Bezugszeichenliste

1: Baueinheit
2: Käfig
3: Innenring
4: Zylinderrollen
5: Seitenring
6: Stege
7: Käfigtaschen
8: Innenbord
9: Umformbereich
10: Mittelbereich
11: Eckenrundung
12: Umformwerkzeug
13: Vertiefung
14: Randabschnitte
15: Schwächung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 24500797 C2 [0005]
- US 3295899 [0006]

Claims

Käfig (2) zur Aufnahme von Wälzkörpern (4) für ein Wälzlager mit Seitenringen (5) und Stegen (6), wobei die Stege (6) die Seitenringe (5) derart verbinden, dass Käfigtaschen (7) für die Wälzkörper (4) gebildet werden, mit Umformbereichen (9), die auf den Stegen (6) angeordnet sind und ausgebildet sind, vor einer Umformung ein Einlegen der Wälzkörper (4) in die Käfigtaschen (7) zu erlauben und nach der Umformung ein Herausfallen der Wälzkörper (4) aus den Käfigtaschen (7) zu verhindern, dadurch gekennzeichnet, dass die Umformbereiche (9) so ausgebildet sind, dass die Umformung mit einer radial gerichteten Kraft (F) erfolgt.
Käfig (2) nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Teilkreisdurchmesser größer als 20 cm, vorzugsweise größer als 30 cm und insbesondere größer als 50 cm.
Käfig (2) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Käfig einstückig und/oder die Umformbereiche einstückig auf den Stegen (6) angeformt sind.
Käfig (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Käfig (2) innenbordgeführt ist und/oder dass die Umformbereiche (9) radial außen auf den Stegen (6) angeordnet sind.
Käfig (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Umformbereiche (9) eine axial verlaufende Vertiefung (13) zur Aufnahme und/oder Zentrierung eines Umformwerkzeugs (12) aufweisen.
Käfig (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf einem der Stege (6) mehrere Umformbereiche (9) angeordnet sind.
Käfig (2) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der axiale Mittelabschnitt (10) des Stegs (6) frei von Umformbereichen (9) ausgebildet und/oder die Umformbereiche (9) randseitig auf den Stegen (6) angeordnet sind.
Käfig (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass zwei zueinander beabstandete Umformbereiche (9) auf dem Steg (6) angeordnet sind.
Käfig (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Umformbereiche (9) beabstandet zu den Seitenringen (5) angeordnet sind.
Wälzlager, gekennzeichnet durch einen Käfig (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Wälzlager nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Wälzkörper (4) als Zylinderrollen ausgebildet sind.
Wälzlager nach einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, der Käfig (2) innenbordgeführt ist.
Wälzlager nach einem der vorhergehenden Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Umformbereiche (9) umgeformt sind.
Wälzlager nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der axiale Mittelabschnitt (10) des Stegs (6) frei von umgeformten Bereichen ausgebildet und/oder die umgeformten Bereiche randseitig auf dem Steg (6) angeordnet sind.
Verfahren zur Herstellung des Wälzlagers nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Wälzkörper (4) in eine der Käfigtaschen (7) eingelegt wird und der zugehörige Umformbereich (9) durch eine radial gerichtete Kraft (F) umgeformt wird.