DE102010034216A1

DE102010034216A1 - Wälzlager

Info

Publication number: DE102010034216A1
Application number: DE102010034216A
Authority: DE
Inventors: Matthias Huhnke; Andreas Schäfer; Bernhard Böck
Original assignee: Minebea Co Ltd
Current assignee: MinebeaMitsumi Inc
Priority date: 2010-08-07
Filing date: 2010-08-07
Publication date: 2012-02-09
Also published as: US20120033907A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Wälzlager mit einem inneren Lagerring mit einer Laufbahn und einem äußeren Lagerring mit einer Laufbahn und mehreren zwischen den Laufbahnen angeordneten Wälzkörpern, die durch ein Schmiermittel geschmiert sind. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass die den Wälzkörpern zugewandte Oberfläche des inneren Lagerrings und/oder des äußeren Lagerrings und/oder die Oberfläche eines die Wälzkörper haltenden Käfigs eine Oberflächenstruktur aufweist.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Wälzlager, wie z. B. ein Kugellager oder Rollenlager, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Stand der Technik
Funktionsoberflächen von Wälzlagern werden in der Regel mit hoher Genauigkeit geschliffen und ggf. gehont, wobei als Anforderung an die erzeugten Oberflächen besondere Rauhigkeiten und Welligkeiten gestellt werden. Beim Honen der Laufbahnen wird versucht, über einen so genannten Kreuzschliff Schmierstoffreservoire zu schaffen, um den notwendigen Schmierfilm zwischen Kugel und Laufbahn sicher zu stellen.
Durch Fliehkräfte und äußere Einflüsse, beispielsweise durch Druckunterschiede, wird der Schmierstoff in Wälzlagern an undefinierte Stellen transportiert und fehlt dann an den eigentlichen Schmierstellen wie Kugel/Rolle zum Käfig oder Laufbahn und Käfig zu Innen- oder Außenringen. Dies kann zu einer Reduzierung der Lebensdauer der Wälzlager führen oder/und zu einer größeren Schwankung der Lebensdauer der Einzellager innerhalb einer Produktionsserie.
In der Praxis taucht das Problem insbesondere bei sehr schnell drehenden Wälzlagern auf, wie sie zum Beispiel für die Lagerung eines Druckluft-Turbinenantriebs eines Dentalbohrers oder zur Lagerung der Laufräder in Turboladern eingesetzt werden. Konkret besteht z. B. bei den Dentalturbinen das Problem, dass das Schmiermittel durch die Druckluft aus dem Lager gedrängt werden kann, oder sich das Schmiermittel durch Fliehkräfte an für das Lager ungünstigen Stellen innerhalb des Lagers ansammelt. Außerdem werden Dentalturbinen regelmäßig in einem Desinfektionsbad gereinigt, wodurch ebenfalls Schmiermittel aus dem Wälzlager gespült wird. Nach der Desinfektion werden die Wälzlager durch Schmiermittel undefiniert nachgeschmiert. Durch diese Maßnahme wird das Lager zwar erneut mit Schmiermittel versorgt, aber das Schmiermittel erreicht nicht zuverlässig die zu schmierenden Stellen im Wälzlager.
Offenbarung der Erfindung
Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein Wälzlager hinsichtlich der Schmiermitteldistribution zu verbessern.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Wälzlager mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Ein Verfahren zur Schmierung eines Wälzlagers ist in Anspruch 12 angegeben.
Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung und weitere vorteilhafte Merkmale sind in den Unteransprüchen angegeben.
Durch geeignete, gewollte und beeinflusste Strukturierung der Oberflächen der Bohrung des Außenringes oder des Außendurchmessers des Innenringes, sowie eventuell Teilen der Laufbahnen, oder des Käfigs wird die Transportrichtung des Schmiermittels zwischen Ring und Käfig, sowie Kugel und Laufbahn in gewünschtem Maße beeinflusst. Die Oberflächenstrukturierung kann durch Laserabtrag, elektrochemische Abtragungsverfahren, Umformung oder spanabhebende Verfahren erfolgen. Die Form und Tiefe der Oberflächenstruktur kann abhängig von der späteren Wälzlagerdrehzahl variiert werden, um die Schmiermittelmenge, die transportiert wird, zu beeinflussen.
Erfindungsgemäß werden die dem Käfig zugewandten Oberflächen von Innen- und/oder Außenring oder Oberflächen des Käfigs mit Oberflächenstrukturen versehen, die im Betrieb des Wälzlagers eine Art Pumpwirkung auf das Schmiermittel erzeugen. Diese Oberflächenstrukturen bestehen vorzugsweise aus gegenläufigen schraubengewindeförmigen Rillen oder Spiralrillen. Die Schrauben- oder Spiralrillen erstrecken sich von den axialen Enden des jeweiligen Lagerrings nach innen in Richtung der Laufbahn für die Wälzkörper. Die Schrauben- oder Spiralrillen können direkt in die Laufbahn bis zum bzw. in den Kugelberührungsbereich münden oder in eine als Reservoir dienende Rille im Bereich neben den Laufbahnen. Von hier nehmen die Kugeln dann Schmiermittel auf und transportieren es zu dem Kugelkäfig und sogar zum anderen Lagerring. Es versteht sich, dass bei dieser Anordnung die Wälzlager nur in einer bestimmten Drehrichtung betrieben werden können, da ansonsten das Schmiermittel von den Laufbahnen weg nach Außen an den Rand der Lagerringe transportiert würde.
Die entsprechenden Rillen können auch als Rillen mit Fischgrätstruktur oder dergleichen ausgestaltet sein, wobei die Anzahl, der Winkel, die Tiefe und Breite der Rillen die Variablen sind, um eine gewünschte Pumpwirkung abhängig von der Drehzahl und der Größe des Wälzlagers und natürlich den Schmiermitteleigenschaften zu erzeugen. Die Rillen können zum Beispiel durch Laserabtrag, spanabhebende Verfahren, Umformung oder ECM hergestellt werden und haben eine bevorzugte Tiefe von rund 3 Mikrometer bis etwa 50 Mikrometer und eine bevorzugte Breite von 10 bis 400 Mikrometern.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels mit Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Aus den Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung ergeben sich weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt einen Teilschnitt durch ein erfindungsgemäßes Wälzlager.
2 zeigt einen Teilschnitt durch ein erfindungsgemäßes Wälzlager mit Käfig.
3 zeigt eine Draufsicht auf die äußere Oberfläche des inneren Lagerrings.
4 zeigt eine Draufsicht auf die äußere Oberfläche des inneren Lagerrings mit einer äußeren, umlaufenden Rille.
5 zeigt eine Draufsicht auf die äußere Oberfläche des inneren Lagerrings, wobei die Struktur in der Krümmung der Laufbahn endet.
6 zeigt einen Käfig mit Struktur.
Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen der Erfindung
In 1 ist ein Teilschnitt durch ein Rillenkugellager dargestellt, wie es erfindungsgemäß verwendet werden kann. Die Erfindung ist jedoch nicht auf Rillenkugellager beschränkt, sondern lässt sich mit jeder Art von Wälzlager, also z. B. Kugellager, Rollenlager oder Nadellager realisieren.
Das Kugellager aus 1 umfasst einen inneren Lagerring 10 sowie einen äußeren Lagerring 16, die jeweils Laufbahnen 12, 18 aufweisen, zwischen denen mehrere Wälzkörper 22 in Form von Kugeln angeordnet sind. Die Kugeln 22 werden in der Regel von einem Kugelkäfig in Position relativ zueinander gehalten, welcher hier nicht dargestellt ist. Ein Kugelkäfig ist für die Erfindung nicht zwangsweise erforderlich, wenn eine Strukturierung der Laufbahn selbst für den Schmiermitteltransport ausreichend ist.
Die sich berührenden Flächen zwischen den Laufbahnen 12, 18 und den Kugeln 22 bzw. zwischen Kugeln 22 und Kugelkäfig sind mit einem Schmiermittel, beispielsweise einem Öl oder Fett, mit geeigneter Viskosität benetzt, um den Reibungswiderstand und Materialabrieb zu reduzieren und die Lebensdauer des Kugellagers zu vergrößern. Im Betrieb des Kugellagers wird das Schmiermittel durch Druckunterschiede und Fliehkräfte undefiniert im Lager verteilt und gelangt teilweise nicht zu den zu schmierenden Stellen.
Erfindungsgemäß ist es vorgesehen, dass die einander zugewandten Umfangsflächen des inneren Lagerrings 10 und/oder des äußeren Lagerrings 16 und/oder der Laufbahnen 12, 18 eines oder beider Lagerringe mit einer Oberflächenstruktur 14, 20 versehen sind. In 1 sind die gesamten, einander zugewandten Flächen beider Lagerringe 10, 16 mit Ausnahme der Laufbahnen 12, 18 mit einer Oberflächenstruktur 14, 20 versehen. Die Erfindung umfasst jedoch auch Ausgestaltungen, bei denen nur die in Richtung der Kugeln 22 weisende Oberfläche des inneren Lagerrings 10 oder die entsprechende Oberfläche des äußeren Lagerrings 16 mit Oberflächenstrukturen 14, 20 versehen ist. Ferner ist es möglich, sowohl die in Bezug auf die dargestellte Kugel 22 linksseitigen Oberflächen als auch die rechtsseitigen Oberflächen der Lagerringe 10, 16 mit Oberflächenstrukturen 14, 20 zu versehen, oder aber nur die linksseitigen Flächen oder die rechtsseitigen Flächen der beiden Lagerringe 10, 16 oder aber nur eine Zinkseitige oder rechtseitige Fläche eines oder beider Lagerringe.
In der dargestellten Ausgestaltung sind die Oberflächenstrukturen 14, 20 als schraubenförmige Rillen ausgebildet, die sich gewindeförmig von den äußeren Enden der Lagerringe 10, 16 in Richtung der Kugeln 22 bis hin zu den Laufbahnen 12, 18 erstrecken.
2 zeigt einen Teilschnitt durch ein erfindungsgemäßes Wälzlager mit Käfig 24, wobei sich die erfindungsgemäß aufgebrachte Struktur 14, 20 auf den Lagerringen 10, 16 und/oder Strukturen 28 an den Oberflächen des Käfigs 24 befinden können.
3 zeigt eine Draufsicht auf den inneren Lagerring 10, wobei man die Lauffläche 12 für die Kugeln 22 erkennt und links und rechts der Lauffläche entsprechende Rillen 14. Die Rillen 14 sind so angeordnet, dass sie im Betrieb des Lagers, in welchem sich sowohl die Lagerringe als auch die Kugeln relativ zueinander bewegen, scheinbar nach innen in Richtung der Laufbahn 12 laufen. Entsprechendes Schmiermittel, das sich auf der Oberfläche des Lagerrings 10 befindet, wird dann durch die nach innen in Richtung der Laufbahn 12 gerichtete scheinbare Schraubenbewegung der Rillen 14 nach innen mitgenommen und gefördert und gelangt in den Bereich der Laufbahn 12. Wichtig ist hierbei, dass die Drehrichtung des Wälzlagers (relative Drehrichtung des Innenrings angedeutet durch den Pfeil) auf die Geometrie der Rillen 14 ausgerichtet ist, damit sich eine Förderwirkung für das Schmiermittel nach innen in Richtung der Laufbahn 12 ergibt und nicht nach außen.
4 zeigt eine Draufsicht auf die äußere Oberfläche des inneren Lagerrings 10 gemäß 3. Die Oberfläche des Lagerrings 10 ist mit einer äußeren, umlaufenden Rille 26 versehen. Dabei wird Schmiermittel von dieser Rille 26 über die erfindungsgemäß aufgebrachten rillenförmigen Strukturen 14 in den Bereich der Laufbahn 12 und der darin laufenden Wälzkörper gefördert.
5 zeigt eine Draufsicht auf die äußere Oberfläche des inneren Lagerrings 10 gemäß 3, wobei die rillenförmigen Strukturen 14 in dem Krümmungsbereich der Laufbahn 12 enden.
6 zeigt einen Käfig 24 mit einer erfindungsgemäß aufgebrachten rillenförmigen Struktur 28 an dessen äußerer Oberfläche. Die rillenförmige Struktur 28 kann vorzugsweise in den Aussparungen 30 für die Wälzkörper enden. Dabei können Strukturelemente an einzelnen oder mehreren Abschnitten der Oberfläche angebracht sein.
Die Rillen 14, 20, 26, 28 können entweder durch spanabhebende Verfahren, Laserabtrag, Umformung oder elektrochemische Abtragungsverfahren in die Oberfläche der Lagerringe 10, 16 oder des Käfigs 24 eingebracht werden. Die Tiefe der Rillen 14, 20, 26, 28 beträgt beispielsweise 3 bis 50 Mikrometer und ist abhängig im Wesentlichen von der Drehgeschwindigkeit des Wälzlagers als auch dessen Größe und der Viskosität des Schmiermittels. Auch die Breite der Rillen 14, 20, 26, 28 sowie der Abstand und die Steigung der Spiralrillen 14, 20, 28 sind abhängig von den oben angegebenen Parametern des Wälzlagers.
An den Rändern der Laufbahnen 12, 18 können ferner separate Rillen (4) angeordnet sein, in welchen die Rillen 14, 20 münden. Diese zusätzlichen Rillen dienen als Reservoir für das Schmiermittel, das sich dort sammelt. Die Oberflächenstrukturen sind vorzugsweise dort angeordnet, wo der Kugelkäfig durch den entsprechenden Lagerring geführt wird, um die Reibung von Käfig und Ring zusätzlich zu reduzieren. Wenn die Strukturierung der Führungsfläche gegenüber angeordnet wird, dann dient die Strukturierung ausschließlich dem Schmiermitteltransport. Die zu wählende Variante ist von der Lageranforderung abhängig.
In bekannter Weise können die Lagerringe an den Außenrändern entsprechende Dichtmittel (nicht dargestellt) zur Abdichtung umfassen, so dass kein Schmiermittel aus dem Lager austreten kann.
Bezugszeichenliste

10: innerer Lagerring
12: Laufbahn
14: Rillen
16: äußerer Lagerring
18: Laufbahn
20: Rillen
22: Wälzkörper
24: Käfig
26: Außenrille
28: Rillen am Käfig
30: Aussparungen für Wälzkörper

Claims

Wälzlager mit einem inneren Lagerring (10) mit einer Laufbahn (12) und einem äußeren Lagerring (16) mit einer Laufbahn (18) und mehreren zwischen den Laufbahnen angeordneten Wälzkörpern (22), die durch ein Schmiermittel geschmiert sind, dadurch gekennzeichnet, dass die den Wälzkörpern (22) zugewandte Oberfläche des inneren Lagerrings (10) und/oder des äußeren Lagerrings (16) und/oder die Oberfläche eines die Wälzkörper haltenden Käfigs (24) eine Oberflächenstruktur (14; 20, 26, 28) aufweist.
Wälzlager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenstruktur (14; 20, 26, 28) derart ausgebildet ist, dass sie im Betrieb des Wälzlagers das Schmiermittel in Richtung der Laufbahnen (12; 18) der Wälzkörper (22) transportiert.
Wälzlager nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenstruktur (14; 20, 26, 28) außerhalb der Laufbahnen (12; 18) der Wälzkörper (22) angeordnet ist.
Wälzlager nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenstruktur aus Rillen (14; 20, 26, 28) besteht, die am Außenumfang des inneren Lagerrings (10) und/oder am Innenumfang des äußeren Lagerrings (16) und/oder am Außenumfang des Käfigs (24) und/oder am Innenumfang des Käfigs (24) angeordnet sind.
Wälzlager nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Rillen (14; 20, 28) schraubengewindeförmig oder spiralförmig ausgestaltet sind.
Wälzlager nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Rillen (14; 20, 28) sich von den axialen Enden des jeweiligen Lagerrings (10; 16) nach innen in Richtung der Laufbahn (12; 18) erstrecken.
Wälzlager nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Rillen (14; 20, 28) direkt in die Laufbahn (12; 18) münden.
Wälzlager nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Rillen (14; 20, 28) in eine als Reservoir dienende Rille (26) münden.
Wälzlager nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Tiefe der Rillen (14; 20, 26, 28) etwa 3 bis 50 Mikrometer beträgt.
Wälzlager nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenstruktur (14; 20, 26, 28) durch spanabhebende Verfahren, Laserverfahren, Umformung oder elektrochemische Abtragungsverfahren hergestellt ist.
Verfahren zur Schmierung eines Wälzlagers, worin ein Schmiermittel zur Aufrechterhaltung eines Schmierfilms zwischen einer Laufbahn (12) eines inneren Lagerrings (10), einer Laufbahn (18) eines äußern Lagerrings (16) und mehreren Wälzkörpern (22) eingebracht ist, dadurch gekennzeichnet, dass im Betrieb des Lagers das Schmiermittel aktiv in den Bereich mindestens einer Laufbahn (12; 18) gefördert wird durch Verwendung von Oberflächenstrukturen (14, 20, 26, 28), die auf den Wälzkörpern (22) zugewandten Oberflächen des inneren Lagerrings (10) und/oder des äußeren Lagerrings (16) und/oder einer Oberfläche eines die Wälzkörper (22) haltenden Käfigs (24) angeordnet sind.