DE102010022348A1

DE102010022348A1 - Wälzlager in Unterwasseranwendungen

Info

Publication number: DE102010022348A1
Application number: DE102010022348A
Authority: DE
Inventors: Dr. Schweigert Arndt; Eduard Beresch; Christian Dittner; Ahmed Hafit; Sebastian Heldt
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2010-06-01
Filing date: 2010-06-01
Publication date: 2011-12-01

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Wälzlager (1) in Unterwasseranwendungen mit zwei um eine Drehachse (5) radial übereinander angeordneten Laufringen (3, 4) und zwischen diesen in Laufbahnen (11, 12) der Laufringe (3, 4) abwälzenden, mittels eines Wälzkörperkäfigs (13) über den Umgang verteilt positionierten und mediumsgeschmierten Wälzkörpern (10) aufweist. Um eine hohe Belastbarkeit des Wälzlagers (1) bei großen Wellendurchmessern und gleichzeitiger Unempfindlichkeit gegen Verschmutzungen bei Mediumsschmierung und einen verminderten Materialeinsatz zu erzielen, weist zumindest einer der Laufringe (3, 4) ein Verhältnis von einer radialen Dicke (d1, d2, d3, d4) zwischen einem Außen- beziehungsweise Innenumfang und/oder einer Laufbahn (11, 12) zu einer der Breite (b) entlang der Drehachse (5) von kleiner gleich 0,5 auf und zumindest einer der Laufringe (3, 4) ist aus Hartmetall hergestellt.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Wälzlager in Unterwasseranwendungen mit zwei um eine Drehachse radial übereinander angeordneten Laufringen und zwischen diesen in Laufbahnen der Laufringe abwälzenden, mittels eines Wälzkörperkäfigs über den Umgang verteilt positionierten und mediumsgeschmierten Wälzkörpern, wobei zumindest einer der Laufringe ein Verhältnis einer radialen Dicke zwischen einem Außen beziehungsweise Innenumfang und Laufbahn zu einer der Breite entlang der Drehachse von kleiner gleich 0,5 aufweist.
Hintergrund der Erfindung
Gattungsgemäße Wälzlager sind aus der DE 10 2008 029 483 A1 bekannt. Diese werden in Unterwasseranwendungen beispielsweise in Wasserkraftturbinen, zur Lagerung von Wellen im Schiffsbau und dergleichen eingesetzt und weisen große Durchmesser auf. Diese Wälzlager sind mediumsgeschmiert, was bedeutet sie von Süß- oder Salzwasser umspült werden und deswegen aus korrosionsbeständigen Materialien hergestellt sein müssen. Infolge des hohen Materialeinsatzes in derartigen Lagern werden diese zusätzlich bezüglich der Ringdicke wie Ringstärke ihrer Laufringe so ausgebildet, dass sie ein Dünnringlager bilden, bei denen zumindest ein Laufring bezüglich seiner Ringdicke bezüglich des Außendurchmessers des Wälzlagers zur Einsparung von Material optimiert ist.
Bei den bekannten Stoffpaarungen, beispielsweise für Lagerringe üblichen beziehungsweise rostfreien Stählen wie beispielsweise Eisen-Chrom-Molybdän-Stählen in Verbindung mit Wälzkörpern aus demselben Material oder keramischen Werkstoffen tritt über Lebensdauer des Wälzlagers Verschleiß insbesondere dann auf, wenn im Wasser korrosive Bestandteile enthalten sind und/oder sich mikrobiotische Beläge auf dem Lager bilden und eine Einsatzdauer des nur unter erschwerten Bedingungen auswechselbaren Wälzlagers verkürzt. Weiterhin ist durch die Materialspezifikationen der verwendeten Stähle eine weitere Verminderung des Materialeinsatzes durch bei vorgegebener Belastung mit geringerer Ringdicke ausgestatteter Lagerringe nicht möglich.
Aufgabe der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Einsatzbereich von Wälzlagern in Unterwasseranwendungen zu erweitern. Insbesondere sollen bei vermindertem Materialeinsatz Wälzlager mit einer Erhöhung einer möglichen Belastung vorgeschlagen werden.
Lösung der Aufgabe
Die Aufgabe wird durch ein Wälzlager in Unterwasseranwendungen mit zwei um eine Drehachse radial übereinander angeordneten Laufringen und zwischen diesen in Laufbahnen der Laufringe abwälzenden, mittels eines Wälzkörperkäfigs über den Umgang verteilt positionierten und mediumsgeschmierten Wälzkörpern gelöst, wobei zumindest einer der Laufringe ein Verhältnis einer radialen Dicke zwischen einem Außen- beziehungsweise Innenumfang und/oder einer Laufbahn zu einer der Breite entlang der Drehachse von kleiner gleich 0,5 aufweist und aus Hartmetall hergestellt sind. Bereits durch die Ausbildung eines Lagerringes kann die Festigkeit eines Wälzlagers als Dünnringlager vorgesehen wenden. Hierbei kann insbesondere der höher belastete Innenring aus Hartmetall ausgebildet werden. Es hat sich jedoch als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn beide Lagerringe aus Hartmetall hergestellt werden. Auf diese Weise kann nicht nur die statische Belastbarkeit des Wälzlagers gesteigert und/oder die Lagerringe dünner ausgebildet werden, vielmehr können die Oberflächen der Lagerringe insbesondere der Laufbahnen für die Wälzköper mit gleichen Eigenschaften ausgebildet werden.
Die Verwendung von Hartmetall ermöglicht bei ausreichender Korrosionsbeständigkeit in Salz- und Süßwasseranwendungen eine hohe Oberflächenhärte, so dass der Verschleiß der Laufringe auch unter Einfluss von Verunreinigungen wie beispielsweise externen Fremdpartikeln, Bewuchs mit Mikroorganismen und dergleichen vermindert werden kann. Infolge der hohen Oberflächengüte der Laufbahnen kann vielmehr auf Beschichtungen und Schmierstoffschichten verzichtet werden und auch verschmutztes Wasser als Medienschmierung verwendet werden.
Das Hartmetall kann beispielsweise Carbidmetall, beispielsweise mit Anteilen aus Wolframcarbid, Titancarbid oder dergleichen sein. Weiterhin können sich sogenannte Cermet-Werkstoffe als Verbundwerkstoffe mit Keramik-Anteilen, die in einer metallischen Matrix eingebunden sind, als vorteilhaft erweisen. Die Herstellung der Lagerringe mit einem Durchmesser von 0,1 m bis 10 m erfolgt vorteilhafterweise mittels Sinterverfahren der Hartmetallwerkstoffe oder mittels Gießverfahren.
Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Wälzkörper des Wälzlagers, beispielsweise Kugeln, ebenfalls aus Hartmetall hergestellt sind. Hierdurch können die Oberflächen der Laufbahnen der Lagerringe und der Wälzkörper bezüglich ihrer Oberflächenhärte und -rauhigkeiten ähnlich beziehungsweise gleich ausgebildet werden, so dass optimale Gleiteigenschaften zwischen Laufringen und Wälzkörpern hergestellt werden können und ein Verschleiß der Laufbahnen der Laufringe und der Wälzkörper gering ausfällt.
Alternativ können die Wälzlager aus Keramikmaterial hergestellt sein. Durch den Einsatz von Laufringen aus Hartmetall können aufseiten der Laufbahnen zur den Oberflächenflächeneigenschaften von Wälzkörpern aus keramischen Werkstoffen an den Laufbahnen ähnliche Oberflächeneigenschaften ausgebildet werden, die zu einer Verringerung des Verschleißes gegenüber aus rostfreien Stählen hergestellten Laufringen führen.
Um weiterhin auch den Wälzlagerkäfig vor Korrosion zu schützen, hat es sich als vorteilhaft erwiesen, den Wälzkörperkäfig aus Kunststoff auszubilden. Aus Vollkunststoff hergestellte Wälzlagerkäafige können dabei einteilig oder bei größeren Laufbahndurchmessern mehrteilig und nachträglich miteinander beispielsweise verrastet, ineinander gesteckt oder in anderer Weise verbunden mittels eines Spritzgussverfahren hergestellt sein. Als Kunststoffmaterialien haben sich Thermoplast mit hoher Kerbzahl und Verschleißfestigkeit wie beispielsweise Polyetherketon (PEK), Polyetheretherketon (PEEK) und dergleichen erwiesen. Insbesondere bei Wälzlagern mit großen Durchmessern kann auch vorteilhaft sein, wenn ein aus Metall hergestellter Wälzlagerkäfig mit Kunststoff beschichtet wird, beispielsweise umspritzt oder pulverbeschichtet wird.
Das als Dünnringlager ausgebildete Wälzlager ist nach dem erfinderischen Gedanken bevorzugt als Schrägkugellager ausgebildet, so dass zusätzlich der Materialeinsatz durch jeweils einseitige Verminderung der Schulterhöhe vermindert werden kann. Je nach Anwendungsfall haben sich hierbei Druckwinkel zwischen 15° und 30° als vorteilhaft erwiesen.
Kurze Beschreibung der Figur
Die Erfindung wird anhand eines in der einzigen Figur dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Diese zeigt ein Wälzlager als Dünnringlager im Schnitt.
Ausführliche Beschreibung der Figur
Die einzige Figur zeigt das in Form eines Schrägkugellagers ausgebildete Wälzlager 1 im Schnitt. Die Laufringe 3, 4 sind aus Hartmetall gebildet. Durch die enorme Festigkeit dieses Werkstoffs wird eine Ausgestaltung des Wälzlagers 1 als Dünnringlager 2 sehr kleinen Verhältnissen der radialen Dicken d1, d1 wie Ringdicken zu der Breite b der Laufringe 3, 4 entlang der Drehachse 5 ermöglicht. Hierdurch wird der Materialeinsatz und damit das Gewicht des Wälzlagers 1 verringert, so dass abhängig vom Lagerdurchmesser D geringe spezifische Lagergewichte erzielt werden.
Das Verhältnis der radialen Dicken d1, d2 zu der Breite b ist dabei kleiner gleich 0,5, im gezeigten Beispiel 0,33.
Durch den vergleichsweise geringen Druckwinkel α zwischen 15° und 30° – hier 20° – kann die Höhe der sich in den Laufringen 3, 4 gegenüberliegenden Schultern 6, 7 zudem radial verringert werden, so dass die radialen erniedrigten Schultern 8, 9 eine weitere Verringerung der Dicke d3, d4 und die Verhältnisse der Dicken d3, d4 zu der Breite b von kleiner gleich 0,45 – hier 0,25 ermöglichen.
In den Laufringen 3, 4 sind umlaufende, an den Radius der Wälzkörper 10 angepasste Laufbahnen 11, 12 vorgesehen. Die Wälzkörper 10 sind aus Hartmetall oder Keramikmaterial ausgebildet, so dass Laufbahnen 11, 12 und die Oberflächen der Wälzkörper 10 ähnliche Oberflächeneigenschaften aufweisen und somit infolge der Wälztätigkeit des Wälzlagers 1 eine einseitige Abnutzung der Laufbahnen 11, 12 oder der Wälzkörper 10 ausscheidet. Die Ausbildung der Oberflächen infolge der Verwendung von Hartmetall beziehungsweise Keramikmaterial ist im Weiteren so spröde und kerbfest, dass in dem Anwendungsmedium wie Süß- oder Salzwasser enthaltene Schmutzanteile nicht oder nur in geringem Maße zur Abrasion der Oberflächen führen und damit ein besonders verschleißfestes Wälzlager für Unterwasseranwendungen im Schiffbau, im Wasserkraftwerksbau, in der Fluidtechnologie und in kritischen, beispielsweise mit Fremdpartikel und/oder Bewuchs mit Mikroorganismen belasteten Fluiden vorgeschlagen werden kann.
Zur Komplettierung der Korrosionsbeständigkeit des gesamten Wälzlagers 1 bei Verwendung von korrosionsbeständigen Laufringen 3, 4 aus Hartmetall und Wälzkörpern 10 aus Hartmetall oder keramischen Werkstücken wird der die Wälzkörper 10 in Umfangsrichtung beabstandende und verliersicher aufnehmende Wälzkörperkäfig 13 bevorzugt einteilig aus Kunststoff hergestellt.
Bezugszeichenliste

1: Wälzlager
2: Dünnringlager
3: Laufring
4: Laufring
5: Drehachse
6: Schulter
7: Schulter
8: Schulter
9: Schulter
10: Wälzkörper
11: Laufbahn
12: Laufbahn
13: Wälzkörperkäfig
α: Druckwinkel
b: Breite
d1: Dicke
d2: Dicke
d3: Dicke
d4: Dicke
D: Lagerdurchmesser

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102008029483 A1 [0002]

Claims

Wälzlager (1) in Unterwasseranwendungen mit zwei um eine Drehachse (5) radial übereinander angeordneten Laufringen (3, 4) und zwischen diesen in Laufbahnen (11, 12) der Laufringe (3, 4) abwälzenden, mittels eines Wälzkörperkäfigs (13) über den Umgang verteilt positionierten und mediumsgeschmierten Wälzkörpern (10), dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einer der Laufringe (3, 4) ein Verhältnis von einer radialen Dicke (d1, d2, d3, d4) zwischen einem Außen- und Innenumfang beziehungsweise einem Außen- beziehungsweise Innenumfang und einer Laufbahn (11, 12) zu einer der Breite (b) entlang der Drehachse (5) von kleiner gleich 0,5 aufweist und aus Hartmetall hergestellt ist.
Wälzlagerlager (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wälzkörper (10) aus Hartmetall hergestellt sind.
Wälzlager (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wälzkörper (10) aus Keramikmaterial hergestellt sind.
Wälzlager (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Wälzkörperkäfig (13) aus Kunststoff hergestellt ist.
Wälzlager (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Hartmetall ein gesintertes Carbidhartmetall ist.
Wälzlager (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagerringe aus Hartmetall gegossen sind.
Verwendung eines Wälzlagers (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6 in einer Unterwasseranwendung.
Verwendung eines Wälzlagers (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 in einer mediumsgeschmierten Umgebung.