DE102009037421A1

DE102009037421A1 - Käfigsegment für einen Kunststoffkäfig eines Wälzlagers und Wälzlager mit einem solchen Käfigsegment

Info

Publication number: DE102009037421A1
Application number: DE102009037421A
Authority: DE
Inventors: Rudolf Zeidlhack
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2009-08-13
Filing date: 2009-08-13
Publication date: 2011-02-17
Also published as: WO2011018490A1

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 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-Kugellager, welche unter 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.
Derartige Kunststoff-Käfigsegmente sind 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 10 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.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Käfigsegment für einen Kunststoffkäfig, insbesondere für ein Radial- oder Axial-Rillenkugellager oder ein Schrägkugellager (ein- oder mehrreihig) bereit zu stellen, wobei besonderer Wert auf eine einfache Montage bei einem selbsthaltenden Wälzlager gelegt wird. Weiterhin soll eine verbesserte Führung des Käfigs im Wälzlager erreicht werden. Eine weitere Aufgabe ist darin zu sehen, ein Radial-, Axial- oder Schrägkugellager 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 6 gelöst.
Ein erfindungsgemäßes Käfigsegment umfasst zunächst in bekannter Weise zwei Außenstege, welche untereinander durch Verbindungsstege verbunden sind. Für Radial-Rillenkugellager 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 Übergangspassung in Richtung leichte Presspassung versehen. Dadurch kann eine Quell- oder Temperaturausdehnung des durch mehrere Segmente gebildeten Käfigs in den Koppelelementen aufgenommen werden, ohne dass mechanische Spannungen entstehen. Die Passung weist eine Größe auf, die einer Quell- oder Temperaturausdehnung des Käfigmaterials 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 die Wälzkörper. Dabei ist die Berührung der Wälzkörper in der Käfigtasche geometrisch so zu lösen, dass der Wälzkörper (z. B. die Kugel) rechts und links von seinem größten Durchmesser die Käfigtasche berührt. Der halbe Kugeldurchmesser sollte in der Mitte frei laufen. Dadurch erfolgt kein Abstreifen des Schmierstoffes.
Die Vorteile der Erfindung sind insbesondere darin zu sehen, dass die Montage des Kugellagers mit einem Kunststoffkäfig einfach möglich ist. Dazu werden die Kugeln bei Radialkugellagern über ein Füllloch zwischen die beiden Lagerringe eingelegt und in den dort bereits eingelegten Käfig eingerastet. Bei der Verwendung mit Axialkugellagern werden die Wälzkörper mit den Käfig-Segmenten in die Laufbahn des einen Lagerringes eingelegt (Lagerring waagerecht, Laufbahn oben). Anschließend wird der zweite Lagerring mit der Laufbahn nach unten auf die Wälzkörper aufgelegt. Das Lager ist nun komplett.
Vorzugsweise wird das Segment über Führungsnoppen oder -stege sowohl nach außen als auch nach innen zu den Borddurchmessern 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.
Ein erfindungsgemäßes Wälzlager, insbesondere ein Radial-Rillenkugellager umfasst einen Innenring, einen Außenring und dazwischen in einem Käfig angeordnete Wälzkörper, wobei der Käfig aus den zuvor beschriebenen Segmenten zusammengesetzt ist. Der Außenring weist mindestens ein Füllloch auf, über das die Kugeln in das Lager eingefüllt und im bereits montierten Käfig eingeschnappt werden. Das Füllloch ist in dem Lagerring vorgesehen, welcher Punktlast erhält. Bei der Lagermontage wird dann dieser Lagerring so eingebaut und gegen Verdrehen gesichert, dass das Füllloch immer in der lastfreien Zone ist und bleibt. Bei einem Axial-Rillenkugellager sind entsprechend 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 sind in der Höhe so abgestimmt, dass 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 Kugel, den Käfig nur in einem kleinen Durchmesserbereich berührt und das Segment auch nur in diesem Bereich von den Kugeln berührt und geführt wird. Dadurch wird die Abstreifung des Schmierstoffes weitgehend verhindert.
In einer alternativen Ausführungsform kann die Führung der Segmente auch über die Laufbahnen der Wälzkörper erfolgen.
Die erfindungsgemäßen Käfigsegmente können selbstverständlich auch für zwei- oder mehrreihige Lager bei entsprechender Abwandlung verwendet werden.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:
1: eine schematische Darstellung eines Radial-Rillenkugellagers mit einem erfindungsgemäßen wälzkörpergeführten, aus Segmenten gebildeten Kunststoffkäfig;
2: eine schematische Darstellung eines Radial-Rillenkugellagers mit einem erfindungsgemäßen bordgeführten, aus Segmenten gebildeten Kunststoffkäfig;
3: eine schematische Darstellung eines Axial-Rillenkugellagers mit einem erfindungsgemäßen wälzkörpergeführten, aus Segmenten gebildeten Kunststoffkäfig;
4: eine schematische Darstellung eines Axial-Rillenkugellagers mit einem erfindungsgemäßen bordgeführten, aus Segmenten gebildeten Kunststoffkäfig;
5: vier Varianten von Radial-Koppelelementen in räumlichen Darstellungen.
1 zeigt eine schematische Darstellung einer Detailansicht eines Radial-Rillenkugellagers mit einem wälzkörpergeführten Kunststoffkäfig. Das Lager umfasst in bekannter Weise einen Außenring 01 und einen Innenring 02, welche konzentrisch zu einer Lagerbohrung 03 angeordnet sind. Mehrere Kugeln 04 sind als Wälzkörper zwischen Außenring 01 und Innenring 02 in einer Laufbahn 06 angeordnet und gehalten. Das Lager ist selbsthaltend. Die Kugeln 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 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 durch die Kugeln 04 über nicht dargestellte Führungselemente.
Das Lager weist an seinem Außenring 01 ein Füllloch 09 auf, durch den bei der Montage des Lagers die Kugeln 04 eingefüllt werden. Bei der Montage des Lagers werden zunächst der Außenring 01, der Innenring 02 und der Käfig, bestehend aus mehreren zusammengesteckten Käfigsegmenten 07, montiert. Anschließend werden die Kugeln durch das Füllloch 09 in jeweils eine Käfigtasche eingeführt und dort eingerastet.
2 zeigt ebenfalls in schematischer Darstellung ein Radial-Rillenkugellager mit einem bordgeführten 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 auf Bordflächen 10 des Innenrings 02 und des Außenringes 01. Als Führungselemente sind hier im Unterschied zu der in 1 dargestellten Ausführungsform Führungsstege 11 zur Führung des Käfigs an den Bordflächen 10 ausgebildet. Vorzugsweise sind die Führungsstege 11 kufenförmig gebildet, um Reibungskräfte zu minimieren. Bei dieser Variante hat die Kugel mehr Spiel in der Käfigtasche.
Die 3 und 4 zeigen Ausführungsformen der Erfindung für Axial-Rillenkugellager, welche jeweils eine Wellenscheibe 12 und eine Gehäusescheibe 13 in paralleler Anordnung jeweils anstelle des Außen- und Innenringes umfasst. Die Lagerbohrung 03 ist bekannterweise so angeordnet, dass Wellenscheibe 12 und Gehäusescheibe 13 in axialer Richtung versetzt sind. Die Käfigsegmente 07 haben dabei den gleichen Aufbau, wie in den zuvor beschriebenen Varianten. In 3 ist ein wälzkörpergeführter Käfig analog zu 1 dargestellt, während 4 einen bordgeführten Käfig analog zu 2 zeigt.
In 5 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 Kugelführungen werden hier nicht näher erläutert, da dem Fachmann solche geläufig sind.
Bezugszeichenliste

01: Außenring
02: Innenring
03: Lagerbohrung
04: Kugel
05
06: Laufbahn
07: Käfigsegment
08: Radial-Koppelelemente
09: Füllloch
10: Bordfläche
11: Führungssteg
12
13
14
15
16
17: Außensteg
18: Verbindungssteg
19: Tasche
20
21: Stirnseite
22: Koppelsteg
23: Koppelausnehmung
24: Rastvorsprung
25
26: Rastausnehmung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 10246825 A1 [0003]
- DE 102006022951 A1 [0004]
- DE 102007048655 A1 [0004]

Claims

Käfigsegment eines Kunststoffkäfigs für ein Wälzlager, insbesondere für ein Großwälz-Kugellager, 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 auf Bordflächen des Wälzlagers und/oder an den Wälzkörpern erfolgt.
Käfigsegment nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es an seinen Stirnseiten (21) Radial-Kopplungselemente (22, 23, 24, 26) zum kettenartigen Aneinanderreihen mehrerer Käfigsegmente zu einem Käfig umfasst.
Käfigsegment nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Führungselemente mit Bordflächen (09) des Wälzlagers korrespondieren, die ein- oder beidseitig der Laufflächen an dessen Innenring (02) und/oder an dessen Außenring (01) ausgebildet sind.
Käfigsegment nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Führungselemente als kufenförmige Führungsstege (11), die zum Außen- bzw. Innenring (01, 02) gewandt sind, gebildet sind.
Käfigsegment nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass es Rastelemente zum Einrasten des Wälzkörpers in das Käfigsegment bei der Montage umfasst.
Wälzlager, insbesondere Radial- oder Axial-Kugellager mit einem Kunststoffkäfig, dadurch gekennzeichnet, dass der Käfig aus Käfigsegmenten nach einem der Ansprüche 1 bis 5 zusammengesetzt ist.
Wälzlager nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass es einen Innenring (02), einen Außenring (01) und dazwischen in einem Käfig angeordnete Wälzkörper (04) umfasst, wobei auf dem Außenring mindestens ein Füllloch zum Einsetzen der Wälzkörper bei der Montage des Wälzlagers vorgesehen ist.
Wälzlager nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Außenring (01) geschliffene Bordflächen aufweist.