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Die Erfindung betrifft einen Lagerkäfig zur Führung von Lagerkörpern zwischen einem Innenring und einem Außenring eines Wälzlagers gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 und ein Wälzlager, insbesondere ein Kugellager, das einen solchen Lagerkäfig aufweist.
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Kugellager werden in zahlreichen Bereichen der Technik eingesetzt. Moderne Kugellager weisen häufig einen Kugellagerkäfig auf, um die Wälzkörper zu führen und sicherzustellen, dass sich die Wälzkörper nicht gegenseitig berühren oder gegenläufig aneinander reiben. Ein Lagerkäfig gewährleistet eine gleichmäßige Verteilung der Wälzkörper im Lager und somit eine gleichmäßige Lastverteilung. Bei zerlegbaren Lagern oder während der Montage des Lagers können die Lagerkäfige die Wälzkörper zusammenhalten und ein Herausfallen verhindern.
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Es sind Lagerkäfige aus Metall, Kunststoff und Verbundwerkstoffen bekannt, die für unterschiedliche Drehzahlen und Drehmomente oder auch abhängig von dem gewünschten Fettverteilungsverhalten gewählt werden. Grundsätzlich unterscheidet man zwischen Wälzkörpergeführten Käfigen, Außen- und Innenring-geführten Lagerkäfigen.
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In der Praxis hat sich herausgestellt, dass die Lebensdauer von Kugellagern und anderen Wälzlagern weitgehend durch die Lebensdauer des Lagerkäfigs begrenzt wird. Der Lagerkäfig ist dabei den größten Krafteinwirkungen ausgesetzt. Er steht in Kontakt mit den schnell rotierenden Wälzkörpern sowie mit dem Innenring und/oder dem Außenring des Lagers, wobei der Innenring oder der Außenring ebenfalls um eine Drehachse rotiert. Kleinbauende Kugellager für hochtourige Anwendungen, beispielsweise für Dentalturbinen, sind für Drehzahlen von 500.000 U/min und mehr ausgelegt. In der Dentaltechnik sind Bohrungsdurchmesser der Kugellager in der Größenordnung von beispielsweise 3,175 mm und externe Durchmesser in der Größenordnung von beispielsweise 6,35 mm üblich. Bei diesem Beispiel ergibt sich ein Kugelmittelkreis-Durchmesser dm, der etwa einem mittleren Durchmesser des Lagers von 4,76 mm entspricht. Das Produkt aus Drehzahl n und Kugelmittelkreis-Durchmesser dm beträgt dann ungefähr 2.400.000 mm/min. Wenn man beispielsweise davon ausgeht, dass der Außenring des Lagers feststeht und dass sich der Innenring mit einer Drehzahl von 500.000 U/min dreht, so drehen sich die Lagerkugeln mit einer Drehzahl von ungefähr 1.000.000 U/min um ihre eigene Achse; der Kugellagerkäfig rotiert dann beispielsweise mit einer Drehzahl von ca. 200.000 U/min um die Drehachse. Es ist leicht verständlich, dass auf den Lagerkäfig enorme Kräfte wirken.
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Der Lagerkäfig dient nicht nur zur Führung der Wälzlager, sondern auch zur Verteilung des Schmiermittels sowie als Schmiermittelreservoir. Der Lagerkäfig wird daher im Stand der Technik häufig aus Metallen, Kunststoffen oder Verbundwerkstoffen, insbesondere Faserverbundwerkstoffen, hergestellt, die Schmiermittel speichern können, um Notlaufeigenschaften des Kugellagers sicherzustellen. Beispiele der verwendeten Materialien sind Messing, Phenolharz in Kombination mit Baumwollfasern oder anderen Fasern und Epoxidharz in Kombination mit Naturfasern oder synthetischen Fasern. Auch die Verwendung von PEEK (Polyetheretherketon), PI (Polyimid) oder PAI (Polyamidimid) sowie derartige Materialien, die mit einem Fluor(Co)Polymer gekoppelt sind, ist bekannt. Ferner ist es auch bekannt, Kohlenstoffverbundmaterialien zu verwenden, wie Kohlenstofffasern in einer Kohlenstoffmatrix.
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Beispiele für Materialien von Lagerkäfigen sind beschrieben in der
DE 20 2004 021 277 U1 , in der
US 2008/0131277 A1 , in der
US 2010/0021098 A1 sowie in der
JP 2004 036686 A .
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Werden solche Kugellager z. B. in Dentalanwendungen oder anderen medizinischen Anwendungen eingesetzt, dann müssen sie ferner erhöhten Temperaturbedingungen, erhöhtem Druck und erhöhtem Luftfeuchtigkeitsgehalt standhalten, da die Gerate mit den Kugellagern häufig autoklaviert werden müssen. Bei diesem Sterilisationsverfahren werden die Geräte beispielsweise einem Druck von 1 Bar, einer Temperatur ≥ 134°C sowie einer gesättigten Dampfatmosphäre über einen Zeitraum von etwa 3 min ausgesetzt. Kugellagerkäfige aus herkömmlichen Verbundmaterialien, wie Phenolharz in Kombination mit Baumwollfasern, halten diesen Bedingungen nicht oder nicht lange stand. Es kann zu Auflösungsprozessen des Kugelkäfigmaterials kommen, welche die Zerstörung des genannten Kugellagers zur Folge haben.
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Kugellagerkäfige aus anderen Materialien, wie PEEK, PI oder PAI sind dagegen nicht in der Lage, Schmiermittel im Käfig selbst zu speichern, sie haben also keine Notlaufeigenschaften.
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Dies kann zur unmittelbaren Zerstörung des Kugellagers führen, wenn kein Schmiermittel mehr im Kugellager vorhanden ist. Kugellager aus Faserverbundwerkstoffen geben dagegen in solchen Situationen noch immer kleine Mengen des gespeicherten Schmiermittels an die Laufflächen und/oder die Wälzkörper ab. In der
DE 20 2004 021 277 U1 wurde daher die Verwendung eines Verbundmaterials aus Epoxidharz und aus Fasern zum Aufbau des Lagerkäfigs vorgeschlagen. Dieses Material gewährleistet sowohl die Notlaufeigenschaften des Kugellagers als auch die geforderte Beständigkeit bei hohen Drehzahlen sowie bei ungünstigen Umgebungsbedingungen, wie sie beispielsweise bei der Sterilisation in der Medizintechnik angetroffen werden.
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Die Auswahl des geeigneten Materials für Kugellagerkäfige ist somit ein Kompromiss zwischen zwei grundsätzlich gegensätzlichen Kriterien: Zum einen soll das Material geringe Gleitreibungseigenschaften haben und als Speichermedium für Schmierstoffe dienen. Zum anderen soll der Werkstoff ausreichend widerstandsfähig sein, um den hohen Belastungen bei Rotation des Kugellagers und der Wälzkörper standzuhalten.
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Insbesondere Miniaturkugellager für Spezialanwendungen, wie Dentalturbinen und andere medizinische Anwendungen, sind Spezialbauteile, die in der Regel nicht in sehr hohen Stückzahlen hergestellt werden. Die Herstellungsverfahren müssen daher einfach und kostengünstig sein.
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Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, einen Lagerkäfig zur Führung von Lagerkörpern anzugeben, der die widerstreitenden Kriterien der geringen Gleitreibung sowie der hohen mechanischen Festigkeit erfüllt und gleichwohl einfach und kostengünstig herzustellen ist.
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Diese Aufgabe wird durch einen Lagerkäfig mit den Merkmalen von Patentanspruch 1 sowie durch ein Wälzlager gemäß Patentanspruch 13 gedöst. Bevorzugte Ausführungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Erfindungsgemäß ist der Lagerkäfig aus wenigstens zwei Bauteilen mit unterschiedlichen tribologischen Eigenschaften aufgebaut. Diese Bauteile umfassen insbesondere ein Träger-Bauteil aus einem ersten Werkstoff und ein Kontakt-Bauteil aus einem zweiten Werkstoff. Der erste Werkstoff hat eine höhere Steifigkeit und Festigkeit als der zweite Werkstoff, und der zweite Werkstoff ist zum Speichern von Schmiermittel geeignet. Die Erfindung löst somit die widerstreitenden Anforderungen an die Eigenschaften eines Lagerkäfigs durch Kombination von zwei Bauteilen, die jeweils wenigstens eine der Anforderungen erfüllen. Das Träger-Bauteil liefert die notwendige Steifigkeit und Festigkeit des Lagerkäfigs, und das Kontakt-Bauteil, das mit den Wälzkörpern und/oder den Ringen des Lagers in Kontakt kommt, hat die gewünschten niedrigen Gleitreibungseigenschaften und kann darüber hinaus ein Schmiermittelreservoir bereitstellen.
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In der bevorzugten Ausführung der Erfindung wird das Träger-Bauteil durch ein Spritzgussverfahren hergestellt; es kann aber auch durch mechanische Bearbeitung hergestellt oder zunächst durch Spritzgießen hergestellt und dann nachbearbeitet werden. Das Kontakt-Bauteil kann ebenfalls durch Spritzgießen oder durch mechanische Bearbeitung, etwa mittels spanabhebenden Verfahren hergestellt werden. Ist es durch Spritzgießen hergestellt, so wird es vorzugsweise mechanisch nachbearbeitet.
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In einer Ausführung der Erfindung wird das Kontakt-Bauteil auf das Träger-Bauteil aufgespritzt. Besonders bevorzugt werden sowohl das Träger-Bauteil, als auch das Kontakt-Bauteil entsprechend einem Zwei-Komponenten Spritzguss-Verfahren innerhalb desselben Spritzguss-Werkzeuges nacheinander gespritzt. Hierzu wird beispielsweise die sogenannte Kernrückzugstechnik verwendet, um nach dem Einspritzen einer ersten Kunststoff-Komponente Platz für eine zweite Kunststoff-Komponente zu schaffen.
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In einer anderen Ausführung der Erfindung werden das Kontakt-Bauteil und das Träger-Bauteil separat hergestellt und miteinander verbunden, beispielsweise durch Kleben, Stecken und/oder Rastverbindung. In einer bevorzugten Ausführung wird das Träger-Bauteil auf das Kontakt-Bauteil z. B. aufgeklipst. Allgemeiner gesagt können das Kontakt-Bauteil und das Träger-Bauteil formschlüssig und/oder reibschlüssig miteinander verbunden werden.
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Das Träger-Bauteil sollte eine hohe Steifigkeit sowie Widerstandskraft bzw. Festigkeit gegenüber den Gleitkörpern und den Ringen des Kugellagers haben und besteht beispielsweise aus Metall, wie rostfreiem Stahl, oder einem Faserverbundwerkstoff, wie einem kohlenfaser- oder glasfaserverstärkten Kunststoff. Das Kontakt-Bauteil sollte geringe Gleitreibungseigenschaften aufweisen und als Schmiermittelreservoir dienen, d. h. kleine Mengen eines Schmiermittels speichern können. Es besteht beispielsweise aus einem Metall, wie Messing, einem Kunststoff oder einem Faserverbundwerkstoff, wie Epoxidharz in Verbindung mit Naturfasern und/oder synthetischen Fasern. Geeignete Materialien sind beispielsweise in der
DE 20 2004 021 277 U1 beschrieben.
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In einer Ausführungsform umfasst das Träger-Bauteil einen oder zwei Ringe, die in einem Bereich des Kontakt-Bauteil mit diesem verbunden sind, welcher mit den Wälzkörpern und den Lagerringen nicht in Berührung kommt. Zwei Ringe können beispielsweise im Bereich der beiden axialen Enden der Lagerkäfigs auf das Kontakt-Bauteil aufgeschoben sein.
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Die Erfindung sieht auch ein Wälzlager mit einem Innenring und einem Außenring und mit Wälzkörpern, wie etwa Kugellager-Kugeln sowie mit einem Lagerkäfig der oben beschriebenen Art vor. Das Kontakt-Bauteil ist innerhalb des Lagerkäfigs so angeordnet, dass es demjenigen Kugellagerring zugewandt ist, an dem der Lagerkörper geführt ist. Vorzugsweise erfolgt der Kontakt des Lagerkäfigs zu den Lagerkörpern ausschließlich über das Kontakt-Bauteil.
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In der bevorzugten Ausführung der Erfindung handelt es sich um ein Kugellager.
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Die Erfindung ist im Folgenden anhand bevorzugter Ausführung mit Bezug auf die Zeichnungen näher erläutert. In den Figuren zeigen:
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1 bis 3 schematische Schnittdarstellungen durch verschiedene Ausführungen von Lagerkäfigen gemäß der Erfindung;
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4 bis 5 vereinfachte isometrische Darstellungen verschiedener Kugellagerkäfige gemäß der Erfindung;
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6 eine geschnittene isometrische Darstellung eines Kugellagers, in dem ein erfindungsgemäßer Lagerkäfig eingesetzt ist;
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7 eine Schnittdarstellung durch das Kugellager der 6.
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1 zeigt eine Schnittdarstellung durch eine Ausführung eines Lagerkäfigs gemäß der Erfindung mit einem ersten und einem zweiten Käfig-Bauteil 10, 12. Die beiden Käfig-Bauteile 10, 12 können durch Spritzgießen und mechanische Nachbearbeitung oder unmittelbar durch mechanische Bearbeitung, insbesondere spanabhebende Verfahren hergestellt sein. Ein Bauteil kann an das andere unmittelbar angeformt sein, oder die beiden Bauteile 10, 12 können auf andere Weise verbunden sein, beispielsweise durch Kleben, Stecken, Aufklipsen, Rastverbindung oder Kombinationen hiervon. Bei einem innengeführten Käfig dient das Bauteil 10 als Träger-Bauteil und das Bauteil 12 als Kontakt-Bauteil. Bei einem außengeführten Käfig ist das Bauteil 10 das Kontakt-Bauteil und das Bauteil 12 das Träger-Bauteil. Während Kontakt-Bauteil und Träger-Bauteil mit den Wälzkörpern in Kontakt kommen können, ist das Wälz- bzw. Kugellager so ausgelegt, dass lediglich das Kontakt-Bauteil des Lagerkäfigs mit dem führenden Innen- oder Außenring des Lagers in Kontakt kommt.
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Das Kontakt-Bauteil besteht aus einem Werkstoff mit geringen Gleitreibungseigenschaften, wie oben erläutert, während das Trägerbauteil eine höhere Steifigkeit und Widerstandskraft bzw. Festigkeit hat. Während bei der in 1 gezeigten Ausführung Kontakt-Bauteil und Träger-Bauteil nebeneinander liegen, kann das Kontakt-Bauteil das Träger-Bauteil auch vollständig umgeben, indem das Träger-Bauteil beispielsweise umspritzt wird.
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2 zeigt eine andere Ausführung eines Lagerkäfigs gemäß der Erfindung, der als innengeführter Käfig ausgebildet ist. In dieser Ausführung sind Kontakt-Bauteil 14 und Träger-Bauteil 16 nicht austauschbar. Das Kontakt-Bauteil 14 ist so ausgebildet, dass der Kontakt zum Innenring des Wälzlagers sowie zu den Wälzkörpern ausschließlich über das Kontakt-Bauteil 14 hergestellt wird. In der gezeigten Ausführung hat das Kontakt-Bauteil 14 an seinen beiden stirnseitigen Außenkanten Einstiche, in denen jeweils ein Trägerring aufgenommen ist. Das Träger-Bauteil 16 umfasst in der gezeigten Ausführung einen oder zwei einfache Ringe, beispielsweise Metallringe, die auf das Kontakt-Bauteil 14 aufgeschoben, aufgeklipst, aufgepresst oder auf ähnliche Weise aufgebracht werden. Hinsichtlich der Materialeigenschaften gilt das oben Gesagte.
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Eine weitere Ausführung eines Lagerkäfigs gemäß der Erfindung, der als außengeführter Lagerkäfig konzipiert ist, ist in 3 gezeigt. In dieser Ausführung ist das Kontakt-Bauteil 18 so ausgebildet, dass der Lagerkäfig ausschließlich über das Kontakt-Bauteil 18 mit dem Außenring des Lagers und den Wälzkörpern in Kontakt kommt. In der gezeigten Ausführung hat das Kontakt-Bauteil 18 an seinen beiden stirnseitigen Innenkanten Einstiche, in denen jeweils ein Trägerring 20 aufgenommen ist. Das Träger-Bauteil 20 umfasst in der gezeigten Ausführung einen oder zwei einfache Ringe, beispielsweise Metall- oder Kunststoffringe, die auf das Kontakt-Bauteil 18 aufgeschoben, aufgeklipst, aufgepresst oder auf ähnliche Weise aufgebracht werden. Kontakt-Bauteil 18 und Träger-Bauteil 20 können miteinander verklebt sein. Hinsichtlich der Materialeigenschaften gilt das oben Gesagte.
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Wie erläutert, kann der Lagerkäfig ganz oder teilweise durch Spritzgießen sowie durch mechanische Bearbeitung oder durch Spritzgießen und mechanische Nachbearbeitung hergestellt werden, wodurch ein präziser Innen- und Außendurchmesser sowie Öffnungen 22 zur Aufnahme der Wälzkörper definiert werden. In einer ersten vorteilhaften Ausführung der Erfindung kann zunächst ein Zweikomponenten-Rohling, durch Spritzgießen hergestellt werden. Dieser Rohling kann z. B. so aufgebaut sein, dass an einen Trägerring ein Kontakt-Bauteil angespritzt oder der Trägerring von dem Kontakt-Bauteil umspritzt ist. Dieser Zweikomponenten-Rohling, der beispielsweise die Form eines einfachen Zylinderabschnitts hat, wird mechanisch nachbearbeitet, beispielsweise durch Fräsen, wobei ein Einstich für den Innendurchmesser und Öffnungen für die Wälzkörper mit hoher Präzision hergestellt werden. Durch die mechanische Bearbeitung erhält man einen Lagerkäfig mit der erforderlichen hohen Genauigkeit, wobei ungewollte Fließgrenzen durch den Spritzgussprozess vermieden oder beseitigt werden. In einer anderen Ausführung der Erfindung kann der Lagerkäfig auf herkömmliche Art mit den notwendigen Einstichgeometrien aus einem einheitlichen Material hergestellt werden, welches letztendlich das Kontakt-Bauteil bildet, und anschließend wird in einem zweiten Schritt ein Ring aus einem anderen Material, welches das Träger-Bauteil bildet, aufgeschoben, aufgeklipst und/oder verklebt.
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4 bis 5 zeigen beispielhaft verschiedene Geometrien von Lagerkörpern, die erfindungsgemäß mit einem Träger-Bauteil 26 und einem Kontakt-Bauteil 24 aufgebaut sind. In den 4 bis 5 ist das Träger-Bauteil 26 durch Grauschattierung abgesetzt dargestellt. Die 4 zeigt einen außengeführten Lagerkäfig, wobei die zwei Lagerkäfige im Schnitt jeweils der Ausführung der 1 ähnlich sind. In der Ausführung der 5 ist in einen außengeführten Lagerkäfig ein Träger-Bauteil 26 in Form eines Metallrings eingesetzt, entsprechend der Ausgestaltung der 3.
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Die 6 und 7 zeigen schematisch eine teilweise geschnittene isometrische Darstellung sowie eine Schnittdarstellung eines Kugellagers, das einen Lagerkäfig verwendet, der ähnlich aufgebaut ist wie der in der 5 dargestellte Lagerkäfig. Das Kugellager umfasst einen äußeren Lagerring 28, einen inneren Lagerring 30, eine axiale Abdeckung 32, Lagerkugeln 34 und den Lagerkäfig 36. In dem Innen- und dem Außenring 28, 30 sind auf bekannte Weise Lagerrillen ausgebildet. Die Lagerkugeln 34 und der Lagerkäfig 36 sind zwischen Innen- und Außenring 28, 30 geführt, wobei in dem gezeigten Ausführungsbeispiel ein Innenringgeführtes Lager gezeigt ist. D. h., der Spalt zwischen Lagerkäfig 36 und Innenring 30 ist kleiner als der Spalt zwischen Lagerkäfig 36 und Außenring 28. Durch Grauschattierung ist der Zweikomponenten-Aufbau des Lagerkäfigs 36, mit einem Kontakt-Bauteil 24 und einem Träger-Bauteil 26 dargestellt.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- erstes Käfig-Bauteil
- 12
- zweites Käfig-Bauteil
- 14
- Kontakt-Bauteil
- 16
- Träger-Bauteil
- 18
- Kontakt-Bauteil
- 20
- Träger-Bauteil
- 22
- Öffnungen
- 24
- Träger-Bauteil
- 26
- Kontakt-Bauteil
- 28
- Außenring
- 30
- Innenring
- 32
- axiale Abdeckung
- 34
- Lagerkugeln/Wälzkörper
- 36
- Lagerkäfig
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 202004021277 U1 [0006, 0009, 0018]
- US 2008/0131277 A1 [0006]
- US 2010/0021098 A1 [0006]
- JP 2004036686 A [0006]
