DE102009037420A1 - Käfigsegment für einen Kunststoffkäfig eines Wälzlagers und Wälzlager mit einem solchen Käfigsegment - Google Patents

Käfigsegment für einen Kunststoffkäfig eines Wälzlagers und Wälzlager mit einem solchen Käfigsegment Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Käfigsegment eines Kunststoffkäfigs für ein Wälzlager und ein Wälzlager mit einem aus Segmenten zusammengesetzten Kunststoffkäfig. Ein solches Käfigsegment umfasst mindestens zwei Außenstege (17) und mindestens zwei die Außenstege (17) miteinander verbindende Verbindungsstege (18), wobei jeweils zwischen den Außenstegen (17) und zwei Verbindungsstegen (18) eine Tasche (19) zur Aufnahme eines Wälzkörpers (04) gebildet ist. Erfindungsgemäß erfolgt die Führung der Käfigsegmente im Wälzlager mittels Führungselementen auf Bordflächen und/oder Laufflächen des Wälzlagers und/oder an den Wälzkörpern.

Description

  • Gebiet der Erfindung
  • Die Erfindung betrifft ein Käfigsegment für einen Kunststoffkäfig gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Gattungsgemäße Käfigsegmente umfassen zwei konzentrische Umfangsstege und dazwischen angeordnete Verbindungsstege. Jeweils zwischen zwei Verbindungsstegen und den Umfangsstegen ist eine Tasche zur Aufnahme eines Wälzkörpers gebildet. Die Erfindung betrifft insbesondere ein Käfigsegment für Radial-, Axial- und Schräg-Zylinderrollenlager, welche bei Betriebstemperaturen bis 150°C betriebsfähig sein sollen und einen Teilkreis-Durchmesser größer als 500 mm besitzen. Die Erfindung betrifft außerdem ein Wälzlager mit einem aus Segmenten zusammengesetzten Kunststoffkäfig.
  • Radial-Zylinderrollenlager werden beispielsweise als Loslager in Windkraftanlagen eingesetzt. Axial-Zylinderrollenlager werden beispielsweise bei mehrreihigen Radial-Axial-Zylinderrollenlagern verbaut (Einlagerkonzept). Sie werden unter anderem auch in Teiltisch-Lagerungen von Werkzeugmaschinen eingesetzt. Schräg-Zylinderrollenlager können beispielsweise Kegelrollenlager ersetzen.
  • Einreihige Zylinderrollenlager mit Käfig sind Einheiten, die aus massiven Außen- und Innenringen und Zylinderrollenkränzen bestehen. Die Außenringe haben beidseitig feste Borde oder sind bordlos, die Innenringe haben einen oder zwei feste Borde oder sind ohne Borde ausgeführt. Der Käfig verhindert, dass sich die Zylinderrollen beim Abwälzen gegenseitig berühren. Die Zylinderrollenlager sind sehr steif, radial bzw. axial hoch belastbar und durch den Käfig für höhere Drehzahlen geeignet als vollrollige Ausführungen.
  • Kunststoff-Käfigsegmente sind prinzipiell aus dem Stand der Technik seit längerer Zeit bekannt und besonders wegen ihres geringen Gewichtes und der kostengünstigen Herstellung geschätzt. Es gibt verschiedene Lösungen, Quell- oder Temperaturausdehnungen des Käfigmaterials zuzulassen und dadurch starke Spannungen in Käfig und Lager zu verhindern, welche durch das sich stärker thermisch ausdehnende Kunststoff-Material des Käfigs als die üblicherweise aus Stahl gefertigten restlichen Komponenten des Wälzlagers verursacht werden.
  • Die DE 102 46 825 A1 beschreibt einen Kunststoff-Käfig, der aus mehreren Segmenten besteht. Der beschriebene Käfig eignet sich besonders für den Einsatz bei sehr großen Wälzlagern mit verhältnismäßig kleinen Rollen. Die Käfigsegmente liegen an ihren nach außen gerichteten konkaven Stirnflächen lose aneinander an. Die Dimensionierung der Segmente ist so zu wählen, dass bei einer spaltfreien Aneinanderreihung der Segmente zwischen den benachbarten Stirnflächen des ersten und des letzten Segmentes ein Zwischenraum verbleibt, um eine quell- und/oder temperaturbedingte Ausdehnung der Segmente aufzunehmen. Der mögliche Zwischenraum zwischen den Käfigsegmenten hat jedoch den Nachteil, dass im Betrieb in und zwischen den Käfigsegmenten höhere Kräfte auftreten, die zu einer plastischen Verformung oder Rissbildung an den Käfigsegmenten führen können. Erhöhte Lagerreibung, -geräusche, Temperaturen und damit eine verkürzte Lagerlebensdauer sind die Folge.
  • Aus der DE 1 0 2006 022 951 A1 und der DE 1 0 2007 048 655 A1 sind Kunststoff-Käfigsegmente für große Wälzlager bekannt, die an den Stirnseiten Koppelelemente tragen, um eine spielbehaftete Verbindung der Segmente zu dem Käfig zu erreichen. Durch die gleichmäßige Verteilung des Spiels zwischen den Käfigsegmenten können mechanische Spannungen vermieden werden. Die beschriebenen Käfigsegmente sind für Kegelrollenlager ausgeführt. Das relativ große Führungsspiel der Käfigsegmente zwischen den Laufbahnen kann zu gewissen Verkippungen der Segmente führen, besonders, wenn unterschiedliche Umfangskräfte auf die Segmente einwirken. Dies kann zu erhöhter Reibung an den Laufbahnen und den Wälzkörpern führen, was eine höhere Lagertemperatur und einen erhöhten Verschleiß an den Berührungsflächen verursachen kann.
  • Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Käfigsegment für einen Kunststoffkäfig, insbesondere für ein Radial-, Axial- oder Schräg-Zylinderrollenlager (ein- oder mehrreihig) bereit zu stellen, wobei besonderer Wert auf eine einfache Montage und kostengünstige Herstellung gelegt wird. Weiterhin soll eine verbesserte Führung und eine verringerte Reibung des Käfigs im Wälzlager und damit eine erhöhte Lebensdauer erzielt werden. Eine weitere Aufgabe ist darin zu sehen, ein Zylinderrollenlager mit einem aus Segmenten gebildeten Kunststoffkäfig bereit zu stellen.
  • Die Aufgabe wird durch ein Käfigsegment mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch ein Wälzlager mit den Merkmalen des Anspruchs 7 gelöst.
  • Ein erfindungsgemäßes Käfigsegment umfasst zunächst in bekannter Weise zwei Außenstege, welche untereinander durch Verbindungsstege verbunden sind. Für Radial-Zylinderrollenlager sind die Außenstege axial versetzt. Mehrere Segmente sind zu einem Käfig miteinander verbindbar. Dazu weisen die Segmente an ihren Stirnseiten Koppelelemente auf, die jeweils mit dem Koppelelement des nächsten Segmentes verbunden werden. Vorzugsweise sind an einer ersten Stirnseite ein erstes Koppelelement und an einer zweiten Stirnseite ein zweites Koppelelement vorgesehen, die jeweils komplementär zueinander geformt und formschlüssig miteinander verbindbar sind. Dadurch ist eine einfache Verbindung zu einem Käfig (Ring) möglich.
  • Jeweils zwischen den Außenstegen und zwei Verbindungsstegen sind Käfigtaschen für die Aufnahme je eines Wälzkörpers gebildet. Die Verbindungen an den Koppelstellen sind mit einer Spielpassung versehen. Dadurch kann eine Quell- oder Temperaturausdehnung des durch mehrere Segmente gebildeten Käfigs in den Koppelelementen aufgenommen werden, ohne dass mechanische Spannungen entstehen. Die Spielpassung weist eine Größe auf, die einer Quell- oder Temperaturausdehnung des Käfigmaterials (je Segment) in einem vorgegebenen Toleranzbereich entspricht. Je Käfigsegment können eine oder mehrere Taschen ausgebildet sein.
  • Erfindungsgemäß erfolgt die Führung des aus den Segmenten gebildeten Käfigs über die Bordflächen des Lagers und/oder über Laufflächen und/oder über die Wälzkörper.
  • Die Vorteile der Erfindung sind insbesondere darin zu sehen, dass die Montage des Zylinderrollenlagers mit einem Kunststoffkäfig einfach möglich ist. Die erfindungsgemäßen Käfigsegmente zeichnen sich außerdem durch günstige Herstellungskosten aus. Weiterhin wird bei der Verwendung der erfindungsgemäßen Käfigsegmente eine Geräuschreduzierung im Lager, sowie eine geringere Reibung und damit eine verringerte Lagertemperatur erreicht.
  • Vorzugsweise wird das Segment über Führungsnoppen und/oder -stege sowohl nach außen als auch nach innen zu den Borddurchmessern hin oder zu den Laufflächen hin in seiner Position gehalten und geführt.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Führungsstege in Kufenform ausgebildet, um die Reibung und das Gleiten auf den Bordflächen zu verbessern. Im Falle einer Führung auf den Laufflächen weisen die Führungsnoppen vorzugsweise zumindest abschnittsweise eine Kufenform auf.
  • Ein erfindungsgemäßes Wälzlager, insbesondere ein Radial-Zylinderrollenlager umfasst einen Innenring, einen Außenring und dazwischen in einem Käfig angeordnete Wälzkörper, wobei der Käfig aus den zuvor beschriebenen Segmenten zusammengesetzt ist. Bei einem Axial-Zylinderrollenlager sind entsprechend zu Außen- und Innenring Wellenscheibe und Gehäusescheibe vorhanden.
  • Vorteilhafterweise können die Bordflächen am Außenring bzw. an der Wellenscheibe oder Gehäusescheibe zur Verbesserung der Gleiteigenschaften geschliffen sein.
  • Der Fachmann kennt die Varianten der geometrischen Gestaltung solcher Käfige, deshalb wird auf Einzelheiten dieser nicht näher eingegangen.
  • Die Außenstege der Käfigsegmente sind in der Höhe so abgestimmt, dass zwischen den Lagerringen noch ein genügend großer Freiraum verbleibt, durch den ein Schmierstoff ins Lagerinnere zugeführt werden kann. An den Verbindungsstegen sind die Wanddicken so ausgeführt, dass der Wälzkörper, speziell die Zylinderrollen, den Käfig nur in ihren axialen Endbereichen berührt und das Segment auch nur in diesem Bereich von den Wälzkörpern berührt und geführt wird. Dadurch wird die Abstreifung des Schmierstoffes weitgehend verhindert.
  • Besonders bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:
  • 1: eine schematische Darstellung eines Zylinderrollenlagers mit einem erfindungsgemäßen aus Segmenten gebildeten Kunststoffkäfig, der über Wälzkörper und Laufbahnen geführt ist;
  • 2: eine schematische Darstellung eines Zylinderrollenlagers mit einem erfindungsgemäßen bord- und laufbahngeführten, aus Segmenten gebildeten Kunststoffkäfig;
  • 3: eine schematische Darstellung eines Zylinderrollenlagers mit einem erfindungsgemäßen bordgeführten, aus Segmenten gebildeten Kunststoffkäfig;
  • 4: vier Varianten von Radial-Koppelelementen in räumlichen Darstellungen.
  • 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Detailansicht eines Zylinderrollenlagers mit einem wälzkörper- und laufbahngeführten Kunststoffkäfig. Das Lager umfasst als Radiallager in bekannter Weise einen Außenring 01 und einen Innenring 02, welche konzentrisch zu einer Lagerbohrung 03 angeordnet sind. Bei der Ausführung als Axial-Zylinderrollenlager ist die Lagerbohrung mit 03' gekennzeichnet. Außenring 01 und Innenring 02 werden dann entsprechend als Wellenscheibe und Gehäusescheibe bezeichnet. Die Lagerbohrung 03' ist bekannterweise so angeordnet, dass Wellenscheibe und Gehäusescheibe in axialer Richtung versetzt sind.
  • Mehrere Zylinderrollen 04 sind als Wälzkörper zwischen Außenring 01 und Innenring 02 in einer Laufbahn 06 angeordnet. Die Zylinderrollen 04 werden durch einen Kunststoffkäfig, der aus mehreren Käfigsegmenten 07 zusammengesetzt ist, auf Abstand gehalten.
  • Das Käfigsegment 07 umfasst Radial-Koppelelemente 08, mit denen mehrere Käfigsegmente 07 zu einem Käfig verbindbar sind. Die Radial-Koppelelemente 08 sind in prinzipiell bekannter Bauart ausgeführt und werden weiter unten näher erläutert. Die Führung des Käfigs erfolgt in dieser Ausführungsform durch kufenförmig ausgebildete Führungsstege 09. Zur Laufbahn 06 des Außenringes 01 hin sind am Käfigsegment 07 Führungsnoppen 10 vorgesehen, welche bei Bedarf eine zusätzliche und sichere Abstützung gewährleisten. Die Führungsnoppen 10 sind zur Laufbahn 06 hin gut verrundet, um bei Berührung gute Gleiteigenschaften zu bieten.
  • Die Führung erfolgt vorzugsweise gegenüber dem Innenring 02 auf Kufen der Führungsstege 09, da durch diese Ausführung die bei der Herstellung des Lagers auszuführenden Montageschritte vereinfacht werden.
  • Bei der Montage des Lagers werden zunächst die Zylinderrollen 04 in die Laufbahn 06 das liegenden Außenringes 01 mit den Käfigsegmenten eingelegt. Anschließend werden für die Montage eines Radiallagers die Käfigsegmente 07 durch beidseitiges Einlegen eines offenen Ringes 11 (beispielsweise aus Rundstahl) fixiert, bevor der Innenring eingeschoben wird. Bei der Montage eines Axiallagers ist diese Montagehilfe nicht erforderlich.
  • Es ist aber ebenso denkbar, die Führungsschienen 09 kufenförmig zum Außenring 01 hin auszuführen, dann müssten bei der Montage zuerst die Käfigsegmente 07 in den Außenring 01 eingesetzt werden, weil die Führungsschienen 09 die Zylinderrollen teilweise umschließen. Hier müssen die Wälzkörper beim Einführen des Innenringes in den Außenring gegen Herausfallen gesichert werden. Dabei muss selbstverständlich sichergestellt werden, dass die Zylinderrollen 04 auf der Laufbahn 06 abwälzen und dies nicht durch die Führungsstege 09 gestört wird. Die Führungsnoppen 10 sind in Richtung Innenring 02 ausgeführt.
  • 2 zeigt ebenfalls in schematischer Darstellung ein Zylinderrollenlager mit einem bord- und laufbahngeführten Kunststoffkäfig. Das Lager hat grundsätzlich denselben bekannten Aufbau, daher tragen gleiche Bauteile die gleichen Bezugsziffern, wie in 1.
  • Die Führung des Käfigs erfolgt in dieser Ausführungsform einerseits auf Bordflächen 12 des Außenrings 01 und andererseits auf einer Laufbahn 13 des Innenringes 02. Als Führungselemente sind hier im Unterschied zu der in 1 dargestellten Ausführungsform zusätzliche Führungsstege 14 zur Führung des Käfigs an den Bordflächen 12 des Außenringes 01 ausgebildet. Vorzugsweise sind die Führungsstege 14 kufenförmig gebildet, um Reibungskräfte zu minimieren. Die Führungsnoppen 10 können zum Innenring 02 hin ebenfalls als Kufen ausgebildet sein.
  • Die 3 zeigt eine besonders bevorzugte Ausführungsform der Erfindung. Die Käfigsegmente 07 haben dabei prinzipiell den gleichen Aufbau, wie in den zuvor beschriebenen Varianten. Bei dieser Ausführungsform erfolgt die Führung des Käfigs auf der Bordfläche 12 des Außenringes 01 und auf einer Mantelfläche 16 des Innenringes 02. Die Führungsstege 14 sind dabei außerhalb der Laufbahn 06 der Zylinderrollen 04 als Kufen gegenüber der Bordfläche 14 ausgebildet. Gegenüber der Mantelfläche 16 des Innenringes 02 können weitere Führungsnoppen 15 vorgesehen sein, die bei Bedarf eine Abstützung bzw. ein Gleiten der Käfigsegmente ermöglichen. Zwischen den Zylinderrollen 04 sind die Führungsnoppen 10 vorgesehen, die die Zylinderrollen 04 gegeneinander auf Abstand halten und diese zusätzlich weit außen von der Zylinderrollenlänge führen. Zum Innenring 02 hin umschließen die Führungsnoppen 10 die Zylinderrollen 04 mit Abstand zur Laufbahn 13 des Innenringes 02.
  • Die beschriebenen Ausführungsformen können selbstverständlich hinsichtlich der Führung am Innen- und/oder Außenring, auf den Bordflächen und/oder Laufflächen und/oder an den Wälzkörpern verschieden kombiniert und auf die konstruktiven Besonderheiten verschiedener Zylinderrollenlager angepasst werden.
  • In 4 sind verschiedene Möglichkeiten von Radial-Koppelelementen dargestellt. Dabei zeigen die Abbildungen jeweils ein Käfigsegment mit Außenstegen 17, welche durch Verbindungsstege 18 miteinander verbunden sind. Zwischen den Verbindungsstegen 18 sind Taschen 19 zur Aufnahme jeweils eines Wälzkörpers ausgebildet.
  • An einer der Stirnseiten 21 des Käfigsegmentes sind in Verlängerung der Außenstege 17 Koppelstege 22 vorgesehen (Abb. a). An der gegenüberliegenden Stirnseite weisen die Außenstege 17 Koppelausnehmungen 23 auf, in welche die entsprechenden Koppelstege 22 eines weiteren, gleich aufgebauten Käfigsegmentes eingreifen können. Im Bereich der Koppelstege 22 sind Rastvorsprünge 24 vorgesehen, welche in Rastausnehmungen 26 der Koppelausnehmung 23 bei der Montage einrasten. Die Zergliederung in solche Segmente erleichtert gerade bei großen Lagerdurchmessern die Herstellung.
  • Die verschiedenen konstruktiven Möglichkeiten sind in den weiteren Abbildungen dargestellt. Abb. b) zeigt, dass die Koppelstege 22 die Rastausnehmungen 26 aufweisen, in welche Rastvorsprünge 24 des nächsten Käfigsegmentes einrasten können. Dabei ragen bei dieser Ausführungsform die Rastvorsprünge 24 in Längsrichtung des Käfigsegmentes jeweils nach außen. In der Detaildarstellung der Abb. b) ist zu erkennen, dass der Rastvorsprung 24 innerhalb der Rastausnehmung 26 ein Spiel s in Umfangsrichtung des Käfigsegmentes aufweist, um Ausdehnungen aufnehmen zu können.
  • Abb. c) zeigt eine asymmetrische Gestaltung der Radial-Koppelelemente. An jeder der Stirnseiten 21 sind jeweils ein Koppelsteg 22 und eine Koppelausnehmung 23 vorgesehen. Die Koppelstege 22 tragen die Rastvorsprünge 24, während an den Koppelausnehmungen 23 die Rastausnehmungen 26 vorgesehen sind.
  • In Abb. d) ist eine schwalbenschwanzartige Radial-Koppelstelle gezeigt, bei der auf den Koppelstegen 22 schwalbenschwanzförmige Rastausnehmungen 26 ausgebildet sind, während an den Koppelausnehmungen 23 komplementär geformte Rastvorsprünge 24 vorgesehen sind.
  • Führungselemente für Wälzkörperführungen werden hier nicht näher erläutert, da dem Fachmann solche geläufig sind.
  • Bezugszeichenliste
    • 01
    Außenring
    02
    Innenring
    03
    Lagerbohrung
    04
    Zylinderrolle
    05
    06
    Laufbahn
    07
    Käfigsegment
    08
    Radial-Koppelelement
    09
    Führungssteg
    10
    Führungsnoppen
    11
    Ring, offen
    12
    Bordfläche
    13
    Laufbahn
    14
    Führungssteg
    15
    Führungsnoppen
    16
    Mantelfläche
    17
    Außensteg
    18
    Verbindungssteg
    19
    Tasche
    20
    21
    Stirnseite
    22
    Koppelsteg
    23
    Koppelausnehmung
    24
    Rastvorsprung
    25
    26
    Rastausnehmung
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • - DE 10246825 A1 [0005]
    • - DE 102006022951 A1 [0006]
    • - DE 102007048655 A1 [0006]

Claims (8)

  1. Käfigsegment eines Kunststoffkäfigs für ein Wälzlager, insbesondere für ein Großwälz-Zylinderrollenlager, mit mindestens zwei Außenstegen (17) und mindestens zwei die Außenstege (17) miteinander verbindenden Verbindungsstegen (18), wobei jeweils zwischen den Außenstegen (17) und zwei Verbindungsstegen (18) eine Tasche (19) zur Aufnahme eines Wälzkörpers (04) gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Führung der Käfigsegmente im Wälzlager mittels Führungselementen (09, 10, 14, 15) auf Bordflächen (12, 16) des Wälzlagers oder/und auf Laufflächen (06, 13) des Wälzlagers und/oder an den Wälzkörpern (04) erfolgt.
  2. Käfigsegment nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es an seinen Stirnseiten (21) Radial-Koppelelemente (22, 23, 24, 26) zum kettenartigen Aneinanderreihen mehrerer Käfigsegmente zu einem Käfig umfasst.
  3. Käfigsegment nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Radial-Koppelelemente (22, 23, 24, 26) bei zusammengesetztem Käfig ein Spiel in Umfangsrichtung aufweisen, welches eine Quell- oder Temperaturausdehnung des Käfigsegmentes aufnimmt.
  4. Käfigsegment nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Führungselemente als Führungsstege (14) mit Bordflächen (12) des Wälzlagers korrespondieren, die ein- oder beidseitig einer Lauffläche (06) am Außenring (01) oder am Innenring (02) ausgebildet sind.
  5. Käfigsegment nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Führungsstege (14) kufenförmig gebildet und zum Außenring (01) oder zum Innenring (02) gewandt sind.
  6. Käfigsegment nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass als Führungselemente Führungsnoppen (10) zwischen den Zylinderrollen (04) an einer Lauffläche (06) auf dem Außenring (01) und/oder auf dem Innenring (02) geführt sind.
  7. Wälzlager, insbesondere Zylinderrollenlager mit einem Kunststoffkäfig, dadurch gekennzeichnet, dass der Käfig aus Käfigsegmenten nach einem der Ansprüche 1 bis 6 zusammengesetzt ist.
  8. Wälzlager nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Außenring (01) geschliffene Bordflächen aufweist.
DE102009037420A 2009-08-13 2009-08-13 Käfigsegment für einen Kunststoffkäfig eines Wälzlagers und Wälzlager mit einem solchen Käfigsegment Withdrawn DE102009037420A1 (de)

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