DE102010018653A1

DE102010018653A1 - Schwingungsoptimiertes Kugellager

Info

Publication number: DE102010018653A1
Application number: DE102010018653A
Authority: DE
Inventors: Rolf Schwandtke; Adam Gladysiewicz
Original assignee: Artur Kuepper & Co KG GmbH
Current assignee: Artur Kuepper & Co KG GmbH
Priority date: 2010-04-28
Filing date: 2010-04-28
Publication date: 2011-11-03

Abstract

Bei einem Wälzlager (1) das einen Außenring (2), einen Innenring (3) und zwischen diesen umfangsmäßig in unterschiedlich großen Winkelabständen unsymmetrisch angeordnete Wälzkörper (4) aufweist, soll eine Lösung geschaffen werden, die eine verminderte Lärmentwicklung bewirkt. Dies wird dadurch erreicht, dass die Wälzkörper (4) derart unsymmetrisch angeordnet und dadurch ein von dem Wälzlager (1) bei betriebsgemäßer Rotation durch induzierte Schwingungsanregung des Wälzlagers (1) und/oder der damit in Wirkverbindung stehenden Bauelemente messbares Frequenzspektrum derart eingestellt ist, dass von dem Wälzlager (1) eine im Vergleich zu einer symmetrischen Anordnung der Wälzkörper (4) hörbar verminderte, insbesondere minimierte, Lärmentwicklung ausgeht.

Description

Die Erfindung richtet sich auf ein Wälzlager, das einen Außenring, einen Innenring und zwischen diesen umfangsmäßig in unterschiedlich großen Winkelabständen unsymmetrisch angeordnete Wälzkörper aufweist.
Weiterhin richtet sich die Erfindung auf ein Verfahren zur Reduzierung der von einem Außenring, einem Innenring sowie zwischen diesen umfangsmäßig angeordnete Wälzkörper aufweisenden Wälzlager bei betriebsgemäßer Rotation durch induzierte Schwingungsangregung des Wälzlagers und/oder damit in Wirkverbindung stehender Bauelemente ausgehenden Lärmentwicklung.
Schließlich richtet sich die Erfindung auf eine Tragrolle mit einem Wälzlager, das einen Außenring, einen Innenring und zwischen diesen umfangsmäßig angeordnete Wälzkörper aufweist, wobei der Innenring mit einer Tragrollenachse und der Außenring mit einem um die Tragrollenachse rotierenden Tragrollenmantel verbunden ist.
Bei Wälzlagern handelt es sich um Lager, bei denen zwei zueinander bewegliche Komponenten, der so genannte Innenring und der so genannte Außenring über dazwischen angeordnete, abrollbare Körper, die Wälzkörper, miteinander in Verbindung stehen. Die Wälzlager und die Wälzkörper dienen der Abstützung von radialen und axialen Kräften bei damit ausgestatteten Achsen und Wellen. Beim Umlaufen der Wälzkörper im Wälzlager entstehen Wechselkräfte, die das Wälzlager und damit in Wirkverbindung stehende Bauelemente oder Strukturen wie eine Achse, eine Welle, eine Nabe oder Ähnliches zum Schwingen anregen. Diese Schwingungen werden an die umgebende Luft übertragen, so dass eine hörbare Lärmentwicklung entsteht. Je nach Art der sich in einem Wälzlager bei der Rotation der Wälzkörper einstellenden Schläge und in Abhängigkeit von der Rotationsgeschwindigkeit der Wälzlager stellt sich ein Frequenzspektrum ein, das vom menschlichen Ohr als laut und unangenehm wahrgenommen wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Lösung zu schaffen, die eine verminderte Lärmentwicklung bewirkt.
Bei einem Wälzlager der eingangs näher bezeichneten Art wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Wälzkörper derart unsymmetrisch angeordnet und dadurch ein von dem Wälzlager bei betriebsgemäßer Rotation durch induzierte Schwingungsanregung des Wälzlagers und/oder der damit in Wirkverbindung stehenden Bauelemente messbares Frequenzspektrum derart eingestellt ist, dass von dem Wälzlager eine im Vergleich zu einer symmetrischen Anordnung der Wälzkörper hörbar verminderte, insbesondere minimierte, Lärmentwicklung ausgeht.
Bei einem Verfahren der eingangs näher bezeichneten Art wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Wälzkörper derart unsymmetrisch in unterschiedlich großen Winkelabständen angeordnet werden und dadurch ein von dem Wälzlager bei betriebsgemäßer Rotation durch induzierte Schwingungsanregung des Wälzlagers und/oder der damit in Wirkverbindung stehenden Bauelemente messbares Frequenzspektrum derart eingestellt wird, dass von dem Wälzlager eine im Vergleich zu einer symmetrischen Anordnung der Wälzkörper hörbar verminderte, insbesondere minimierte, Lärmentwicklung ausgeht.
Bei einer Tragrolle der eingangs näher bezeichneten Art wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Wälzkörper umfangsmäßig unsymmetrisch in unterschiedlich großen Winkelabständen angeordnet sind.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche.
Durch die Erfindung wird somit erreicht, dass die Wälzlager für den jeweiligen Anwendungszweck schwingungsoptimiert im Hinblick auf die durch die Schwingungsoptimierung erzielte Lärmverminderung ausgebildet werden. Die Wälzkörper werden derart unsymmetrisch in unterschiedlich großen Winkelabständen angeordnet, dass jeweils ein Frequenzspektrum eingestellt wird, das zwar eine erhöhte Anzahl an Peaks oder Ausschlägen im Frequenzspektrum feststellbar ist, diese aber eine geringere Amplitude aufweisen. Durch Verschieben der Wälzkörper in Bezug auf ihre Winkelabstände zueinander lassen sich die im Frequenzspektrum feststellbaren Peaks relativ zueinander verschieben und lässt sich damit im Endeffekt die hörbare Lärmentwicklung beeinflussen. Erfindungsgemäß werden diese Peaks des Frequenzspektrums derart eingestellt, dass die Geräuschentwicklung vom menschlichen Ohr als leise und insbesondere leiser als bei einer symmetrischen Anordnung oder einer anderen unsymmetrischen Anordnung der Wälzkörper wahrgenommen wird.
Eine Schwingung ist im Sinne des vorstehenden Absatzes schwingungsoptimiert, wenn sie weniger Schallemission verursacht. Dies bedeutet, dass die Schwingungen in oder bei Frequenzen auftreten, wo die Schallabstrahlung gegenüber vorherigen oder Vergleichszuständen kleiner oder geringer ist. Im vorliegenden Fall werden, wie aus dem Ausführungsbeispiel ersichtlich ist, die Schwingungen geflattert, d. h. im Frequenzspektrum gibt es eine erhöhte Anzahl an Spitzen oder Peaks, deren Höhe und damit Amplitude aber kleiner ist. Hierbei ist es beabsichtigt, dass die Anregung der Schwingungen so gestaltet wird, dass das menschliche Ohr die entstehenden Geräusche oder Schallemissionen als angenehm oder angenehmer empfindet. Das menschliche Ohr empfindet Töne in unterschiedlichen Tonhöhen unterschiedlich laut. Nach der A-Bewertung sind die Frequenzen von 1000 Hz bis 5000 Hz diejenigen, auf welche das menschliche Ohr am empfindlichsten reagiert. Ziel der Erfindung ist es, die Anregung und Schwingung so zu gestalten, dass die Luftschwingungen zu anderen, höheren Frequenzen verschoben werden. Bildlich ausgesprochen führt dies dazu, dass anstelle eines klappernden Geräusches ein Rauschen erzielt wird. Hierbei ist die Anregung optimal und damit das Kugellager schwingungsoptimiert ausgelegt, wenn von dem Kugellager oder dem damit ausgestatteten Bauteil so wenig Schallemission wie möglich verursacht wird. In diesem Falle ist die Maschine auch leiser als bei Vergleichszuständen, da der Schallleistungspegel der Maschine dann kleiner oder geringer ist.
Ein Wälzlager mit in unterschiedlich großen Winkelabständen unsymmetrisch in einem Wälzlagerkäfig eingesetzten Wälzkörpern ist aus der EP 1 266 774 A2 bekannt. Allerdings werden in diesem Falle die Wälzkörper an die Krafteinleitung in das Wälzlager angepasst angeordnet. Eine Anordnung der Wälzkörper unter dem Gesichtspunkt einer Lärmreduzierung ist in diesem Dokument nicht offenbart.
Die Erfindung ist nachstehend anhand der Zeichnung beispielhaft näher erläutert. Diese zeigt in
1 ein erfindungsgemäß ausgestaltetes Wälzlager,
2 das sich bei dem Wälzlager nach 1 einstellende zeitabhängige Auftreten der Wechselkraft,
3 ein sich analog zur Darstellung der 2 bei einem Wälzlager mit symmetrisch angeordneten Wälzkörpern einstellendes zeitabhängiges Auftreten der Wechselkraft,
4 die mit einer Fast Fourier Transformation in Frequenzspektren umgerechneten zeitabhängigen Kurvenverläufe der 2 und 3 und in
5a und 5b die sich aufgrund der Frequenzspektren der 4 ergebenden Schalldruckpegel einer über ihren Tragrollenmantel Schall abstrahlenden Tragrolle.
Die 1 zeigt in schematischer Aufsicht ein Wälzlager 1, das einen Außenring 2 und einen Innenring 3 aufweist, wobei zwischen dem Außenring 2 und dem Innenring 3 umfangsmäßig acht Kugeln als Wälzkörper 4 ausgebildet sind, so dass das Wälzlager 1 als Kugellager ausgebildet ist. Das Wälzlager 1 ist Bestandteil einer nicht näher dargestellten Tragrolle, wobei der Innenring 3 ortsfest auf einer im Betriebszustand der Tragrolle stehenden Tragrollenachse angeordnet ist und an dem Außenring 2 der Tragrollenmantel der Tragrolle befestigt ist, so dass der Tragrollenmantel zusammen mit dem Außenring 2 um den Innenring 3 und die nicht dargestellte Tragrollenachse rotiert. Wie aus der 1 ersichtlich ist, sind die acht Kugeln 4 umfangsmäßig unsymmetrisch in jeweils unterschiedlich großen Winkelabständen α1–α8 angeordnet. Im Ausführungsbeispiel beträgt der Winkel α1 39°, der Winkel α2 63°, der Winkel α3 30°, der Winkel α4 54°, der Winkel α5 51°, der Winkel α6 33°, der Winkel α7 58° und der Winkel α8 32°. Im Betriebs- und Einbauzustand des Wälzlagers 1 wirkt auf dieses eine statische Belastung in Wirkrichtung des Pfeiles 5, so dass in dem Moment, in welchem eine jede Kugel 4 den Punkt 6 überläuft, eine Impulskraft entsteht. Hierdurch bilden sich bei der Rotation und dem Umlauf der Kugeln 4 im Wälzlager Schläge und Wechselkräfte zwischen dem Innenring 3 und den Kugeln 4 aus, die je nach Anordnung der Kugeln 4 zu einem ganz spezifischen Frequenzspektrum führen. Ein solches Frequenzspektrum lässt sich aus dem zeitabhängigen Verlauf der Wechselkraft ableiten. Ausgangspunkt ist eine Funktion der Kraft, die im Wälzlager als Summe der von den acht Kugeln 4 ausgeübten Kräfte bestimmt ist. Hierzu geeignet ist folgende Gleichung:
In dieser Gleichung bezeichnet F(t) die im Wälzlager 1 entstehende Kraft, die Größe Fa einen Wert 100-mal einer Amplitude, r den Mittelradius des Wälzlagers, rkugel den Radius der Kugeln, n die Drehzahl der Kugeln in U/min und t die Zeit in Sekunden. Auf Basis dieser Berechnungen ergibt sich dann die entstehende Wechselkraft als Funktion der Zeit was in der bildlichen Darstellung der 2 für das Wälzlager 1 gemäß 1 dargestellt ist. Ein solcher zeitlicher Verlauf der Wechselkraft unterscheidet sich von einem bei einer symmetrischen Anordnung von Kugeln 4 in einem Wälzlager gleicher Art gemäß 3 entstehenden Verlauf dadurch, dass die Peaks oder Spitzen nun unregelmäßig (2) und nicht mehr regelmäßig (3) auftreten. Zudem sind die Peaks bei dem daraus abgeleiteten Frequenzspektrum nach der 4 in ihrer Höhe und damit in ihrer Amplitude verringert. Die jeweils in den 2 und 3 dargestellten Zeitfunktionen der Wechselkraft (F(t)) gemäß vorstehender Formel lässt sich mittels einer Fast Fourier Transformation in das in der 4 dargestellte Frequenzspektrum umrechnen, wobei die Peaks 7, die in regelmäßigen Abständen auftreten, einem Wälzlager mit symmetrisch über den Umfang verteilten Kugeln 4 entsprechen und sich aus 3 ableiten sowie die dazwischen angeordneten Peaks dem Wälzlager 1 mit unsymmetrischer Anordnung der Kugeln 4 gemäß 1 und 2 zuzuordnen sind. Mithilfe dieses Frequenzspektrums lässt sich dann mithilfe der Methode der Finiten Elemente die Schwingung des mit dem Außenring 2 verbundenen Tragrollenmantels berechnen, die aufgrund des Frequenzspektrums gemäß 4 zur Schwingung angeregt wird. Diese Schwingungen des Tragrollenmantels können dann weiterhin mit der Methode der Finiten Elemente in eine Schallabstrahlung umgerechnet werden, die dann wie in den 5a und 5b dargestellt als Schalldruckpegel berechnet und dargestellt werden. Hierbei ist in der 5b der mit dem Wälzlager 1 nach der 1 erreichte Schallpegelverlauf dargestellt, wohingegen der über die aufgetragene Frequenz erreichte Schalldruckpegelverlauf eines Wälzlagers 1 mit symmetrischer Kugelanordnung in 5a dargestellt ist. Aus der Darstellung der 5a und 5b ist ersichtlich, dass sich durch die Anordnung der Kugeln 4 in der in 1 dargestellten Art eine Schalldruckpegelabsenkung um 2 dB(A) von 41 dB(A) bei einem Lager mit symmetrischer Kugelanordnung auf 39 dB(A) beim Lager mit einer unsymmetrischen Kugelanordnung gemäß 1 absenken lässt. Insofern liegt im Ergebnis bei der Ausführungsform nach 1 ein schwingungsoptimiertes Kugellager vor, das gegenüber einer symmetrischen Kugel- oder Wälzlagerandordnung eine verminderte Lärmentwicklung der damit ausgestatteten Tragrolle bewirkt. Mit der erfindungsgemäßen Methode können also je nach Kugellager- oder Wälzlagerbauart und je nach Anwendungszweck die durch die Wälzkörper 4 induzierte Schwingungsanregung und die damit verbundene hörbare Lärmentwicklung des mit dem jeweiligen Wälzlager ausgestatteten Bauteils oder der mit dem Wälzlager 1 jeweils ausgestatteten Struktur gezielt beeinflusst und gesteuert werden, so dass eine optimale Anregung, d. h. Schwingungsanregung, im Hinblick auf eine Lärmverminderung erreicht und die jeweilige Maschine oder Struktur oder Bauteilkomposition, die mit dem Wälzlager 1 in Wirkverbindung steht, leiser wird.
In nicht dargestellter Art und Weise sind die Kugeln 4 in ihrem jeweiligen Winkelabstand mithilfe eines wie bei üblichen Kugellagern hergestellten Wälzkörper- oder Kugel-Käfigs gehalten.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 1266774 A2 [0012]

Claims

Wälzlager (1), das einen Außenring (2), einen Innenring (3) und zwischen diesen umfangsmäßig in unterschiedlich großen Winkelabständen unsymmetrisch angeordnete Wälzkörper (4) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Wälzkörper (4) derart unsymmetrisch angeordnet und dadurch ein von dem Wälzlager (1) bei betriebsgemäßer Rotation durch induzierte Schwingungsanregung des Wälzlagers (1) und/oder der damit in Wirkverbindung stehenden Bauelemente messbares Frequenzspektrum derart eingestellt ist, dass von dem Wälzlager (1) eine im Vergleich zu einer symmetrischen Anordnung der Wälzkörper (4) hörbar verminderte, insbesondere minimierte, Lärmentwicklung ausgeht.
Wälzlager (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Wälzlager (1) ein Kugellager ist und die Wälzkörper Kugeln (4) sind.
Wälzlager (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenring (3) stehend und der Außenring (2) rotierbar angeordnet ist.
Wälzlager (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Wälzlager (1) Bestandteil einer Tragrolle ist.
Wälzlager (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Außenring (2) in rotationsfester Verbindung mit dem außenseitigen Tragrollenmantel steht.
Wälzlager (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wälzkörper (4) in einem Wälzlagerkäfig angeordnet sind.
Verfahren zur Reduzierung der von einem einen Außenring (2), einen Innenring (3) sowie zwischen diesen umfangsmäßig angeordnete Wälzkörper (4) aufweisenden Wälzlager (1) bei betriebsgemäßer Rotation durch induzierte Schwingungsanregung des Wälzlagers (1) und/oder damit in Wirkverbindung stehender Bauelemente ausgehenden Lärmentwicklung, dadurch gekennzeichnet, dass die Wälzkörper (4) derart unsymmetrisch in unterschiedlich großen Winkelabständen angeordnet werden und dadurch ein von dem Wälzlager (1) bei betriebsgemäßer Rotation durch induzierte Schwingungsanregung des Wälzlagers (1) und/oder der damit in Wirkverbindung stehenden Bauelemente messbares Frequenzspektrum derart eingestellt wird, dass von dem Wälzlager (1) eine im Vergleich zu einer symmetrischen Anordnung der Wälzkörper (4) hörbar verminderte, insbesondere minimierte, Lärmentwicklung ausgeht
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Frequenzspektrum mit im Messspektrum im Vergleich zu einer symmetrischen Anordnung der Wälzkörper (4) größeren Anzahl an Frequenzpeaks mit geringerer Amplitudenhöhe eingestellt wird.
Tragrolle mit einem Wälzlager (1), das einen Außenring (2), einen Innenring (3) und zwischen diesen umfangsmäßig angeordnete Wälzkörper (4) aufweist, wobei der Innenring (3) mit einer Tragrollenachse und der Außenring (2) mit einem um die Tragrollenachse rotierenden Tragrollenmantel verbunden ist; dadurch gekennzeichnet, dass die Wälzkörper (4) umfangsmäßig unsymmetrisch in unterschiedlich großen Winkelabständen angeordnet sind.
Tragrolle nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass sie ein Wälzlager (1) nach einem der Ansprüche 1–6 aufweist.