DE102009037422A1

DE102009037422A1 - Käfigsegment für einen Kunststoffkäfig eines Wälzlagers und Wälzlager mit einem solchen Käfigsegment

Info

Publication number: DE102009037422A1
Application number: DE102009037422A
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: WO2011018489A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Käfigsegment eines Kunststoffkäfigs für ein Wälzlager, insbesondere für ein als Radial-Rillenkugellager ausgeführtes Großwälzlager. Das Käfigsegment umfasst 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 ist das Käfigsegment in axialer Richtung geteilt. An einer Verbindungsstelle (09) ist ein Axial-Koppelelement (12, 13) vorgesehen. Die Erfindung betrifft außerdem ein Wälzlager mit einem erfindungsgemäßen Käfig.

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 ein Radial-Rillenkugellager, welches unter Betriebstemperaturen bis 150°C betriebsfähig sein soll und einen Teilkreis-Durchmesser größer als 500 mm besitzt.
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 Wälzkörpern. 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 10 2007 048 655 A1 sind Kunststoff-Käfigsegmente für große Wälzlager bekannt, die an den Stirnseiten Kopplungselemente 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-Rillenkugellager (ein- oder mehrreihig) bereit zu stellen, wobei besonderer Wert auf eine einfache Montage bei einem selbsthaltenden Wälzlager Wert gelegt wird. Weiterhin soll eine verbesserte Führung des Käfigs im Wälzlager erreicht werden. Eine weitere Aufgabe ist darin zu sehen, ein Radial-Rillenkugellager 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 13 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 Koppelement des nächsten Segmentes verbunden werden. Vorzugsweise ist an einer ersten Stirnseite ein erstes Koppelement 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 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 in einem vorgegebenen Toleranzbereich entspricht. Je Käfigsegment können eine oder mehrere Taschen ausgebildet sein.
Erfindungsgemäß besitzt das Käfigsegment eine axiale Teilung mit einer Verbindungsstelle. Die Verbindungsstelle kann entweder zwischen einem der Außenstege und den Verbindungsstegen des anderen Außensteges oder jeweils in den Verbindungsstegen vorgesehen sein und soll sich vorzugsweise nicht zerstörungsfrei trennen lassen. Die Verbindungsstelle ist in einer bevorzugten Ausführungsform als Rast- bzw. Schnappverbindung ausgeführt und geometrisch so ausgebildet, dass das Zusammenfügen unter einer gewissen Druckkraft erfolgt und eine selbständige Entkopplung nicht erfolgen kann. Sofern die Verbindungsstelle in der Mitte der Laufbahn in den Verbindungsstegen vorgesehen ist, muss diese in Umfangsrichtung so ausgebildet sein, dass keine Berührung mit dem Wälzkörper erfolgt. Gegebenenfalls ist die Verbindungsstelle geometrisch von der Laufbahn zurückzusetzen.
Die Vorteile der Erfindung sind insbesondere darin zu sehen, dass die Montage des Wälzlagers mit einem Kunststoffkäfig einfach möglich ist. Dazu werden die Wälzkörper zuerst zwischen die beiden Lagerringe eingelegt. Anschließend werden die in axialer Richtung geteilten Käfigsegmente, die vorzugsweise vorher in Umlaufrichtung zu einem ”halben” Käfig zusammengefügt wurden, von beiden Lagerseitenflächen zwischen die Wälzköper eingebracht und miteinander verbunden. Die Verbindungsstelle in Umfangsrichtung ist dabei vorzugsweise konstruktiv so ausgeführt, dass sich die Verbindung beim Überschreiten einer Grenzkraft lösen und beim Unterschreiten der selbigen auch wieder verbinden bzw. einrasten kann. Vorzugsweise ist die Verbindungsstelle als Schnappverbindung, Niet- oder Schraubverbindung ausgeführt.
Die Führung des aus den Segmenten gebildeten Käfigs erfolgt 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.
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. Vorteilhafterweise können die Bordflächen am Außenring 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.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:
1: eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen wälzkörpergeführten, aus Segmenten gebildeten Kunststoffkäfigs;
2: eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen bordgeführten, aus Segmenten gebildeten Kunststoffkäfigs;
3: fünf schematische Darstellungen einer axialen Verbindungsstelle eines Käfigsegmentes;
4: 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-Kopplungselemente 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. Das Käfigsegment 07 ist erfindungsgemäß in axialer Richtung geteilt und an einer Verbindungsstelle 09 verbindbar.
Die Führung des Käfigs erfolgt durch die Kugeln 04 über nicht dargestellte Führungselemente.
Bei der Montage des Lagers werden die Kugeln 04 zuerst zwischen Innenring 02 und Außenring 01 eingelegt. Danach werden die in axialer Richtung geteilten Käfigsegmente 07 von beiden Lagerseitenflächen zwischen die Wälzkörper eingebracht. Dabei werden vorzugsweise die geteilten Käfigsegmente zunächst zu Teilringen zusammengesetzt und anschließend die axiale Verbindung zwischen den Teilringen hergestellt.
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 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.
In 3 sind mehrere beispielhafte Möglichkeiten der axialen Verbindungsstelle 09 dargestellt. Dabei zeigen Abb. a) bis d) Schnappverbindungen und Abb. e) eine Schraub- oder Nietverbindung, jeweils in einer Schnittdarstellung und einer Draufsicht. Selbstverständlich können auch Kombinationen von Schnapp- und Schraub- oder Nietverbindungen ausgewählt werden.
Die Schnappverbindungen sind jeweils mit komplementär geformten Axial-Koppelelementen 12, 13 ausgeführt, die folgende verschiedene Querschnittsformen aufweisen: Abb. a) rechteckig, Abb. b) kugelförmig, Abb. c) halbrundförmig, Abb. d) scheibenförmig (rechteckiger Querschnitt).
In Abb. e) ist eine Verbindung mittels Verbindungsmitteln 14 (Nieten, Stifte, Schrauben oder dergleichen) dargestellt, die gegen selbständiges Lösen durch bekannte Mittel gesichert sein müssen. Zusätzlich kann eine formschlüssige Montagehilfe 16 vorgesehen sein.
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. 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: Verbindungsstelle
10: Bordfläche
11: Führungssteg
12: Axial-Koppelelement
13: Axial-Koppelelement
14: Verbindungsmittel
15
16: Montagehilfe
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 [0003]
- DE 102006022951 A1 [0004]
- DE 102007048655 A1 [0004]

Claims

Käfigsegment eines Kunststoffkäfigs für ein Wälzlager, insbesondere für ein Großwälzlager, mit mindestens zwei Außenstegen (17) und mindestens zwei die Außenstege (17) miteinander verbindende 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 das Käfigsegment in axialer Richtung vor der Montage geteilt ist und bei der Montage an einer Verbindungsstelle (09) über ein Axial-Koppelelement (12, 13) verbunden wird.
Käfigsegment nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Axial-Koppelelement (12, 13) jeweils zwischen jedem der Verbindungsstege (18) und einem der Außenstege (17) vorgesehen ist.
Käfigsegment nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Axial-Koppelelement (12, 13) jeweils an den Verbindungsstegen (18) vorgesehen ist.
Käfigsegment nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass jedes der Verbindungsstege ein Axial-Koppelelement (12, 13) aufweist.
Käfigsegment nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Axial-Koppelselement (12, 13) eine Schnappverbindung und/oder eine Nietverbindung oder eine Schraubverbindung ist.
Käfigsegment nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Schnappverbindung durch zwei komplementär geformte Kopplungselemente (12, 13) gebildet ist.
Käfigsegment nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Kopplungselemente (12, 13) in ihrem Querschnitt rechteckig, kugelförmig, halbrund oder oval gebildet sind.
Käfigsegment nach einem der Ansprüche 1 bis 7, 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 einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass es Führungselemente zur Führung des Käfigs im Wälzlager umfasst.
Käfigsegment nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Führungselemente mit den Wälzkörpern korrespondieren.
Käfigsegment nach Anspruch 9 oder 10, 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 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Führungselemente als kufenförmige Führungsstege (11), die zum Außen- bzw. Innenring (01, 02) gewandt sind, gebildet sind.
Wälzlager, insbesondere Radial-Rillenkugellager mit einem Innenring (02), einem Außenring (01) und dazwischen in einem Käfig angeordneten Wälzkörpern (04), dadurch gekennzeichnet, dass der Käfig aus Käfigsegmenten nach einem der Ansprüche 1 bis 11 zusammengesetzt ist.
Wälzlager nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Außenring (01) geschliffene Bordflächen aufweist.