DE102010042849A1

DE102010042849A1 - Lagerkäfig und Verfahren zur Herstellung desselben

Info

Publication number: DE102010042849A1
Application number: DE102010042849A
Authority: DE
Inventors: Bernd Eich; Josef Stork
Original assignee: SKF AB
Current assignee: SKF AB
Priority date: 2010-10-25
Filing date: 2010-10-25
Publication date: 2012-04-26
Anticipated expiration: 2030-10-26
Also published as: DE102010042849B4

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Lagerkäfig (10) aus einem durch Spritzguss hergestelltem Kunststoff, mit zwei in einem axialen Abstand angeordneten Seitenringen (12a; 12b) und diese verbindende, in einer Umfangsrichtung des Lagerkäfigs hintereinander angeordnete Stege (14), welche paarweise Taschen (16) zur Aufnahme von Wälzkörpern bilden, wobei wenigstens einer der Seitenringe (12b) aus dem Kunststoff (18) und einem zusätzlichen Verstärkungsring (19) aus einem Material mit einer gegenüber dem Kunststoff erhöhten Festigkeit gebildet ist, um wenigstens einen verstärkten Seitenring zu erhalten.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Lagerkäfig für Wälzlager, insbesondere einen gespritzten Kunststofflagerkäfig, und ein Verfahren zu dessen Herstellung.
Lagerkäfige für Wälzlager bestehen im Allgemeinen aus zwei in einem axialen Abstand angeordneten Seitenringen und diese Seitenringe verbindende, in einer Umfangsrichtung des Lagerkäfigs hintereinander angeordneten Stegen, welche paarweise Taschen zur Aufnahme von Wälzkörpern bilden. Ein Lagerkäfig hält die Wälzkörper mittels der dafür vorgesehenen Taschen auf Abstand zueinander und verhindert eine unmittelbare Berührung benachbarter Wälzkörper, was Reibung und damit Wärmeentwicklung im Lager typischerweise verringert. Er sorgt außerdem für eine gleichmäßige Verteilung der Wälzkörper über einen gesamten Umfang des Käfigs bzw. Wälzlagers und ermöglicht so eine gleichmäßige Lastverteilung sowie einen ruhigen und gleichmäßigen Lauf.
Wälzlagerkäfige werden im Betrieb durch Reibungs-, Zerr- und Trägheitskräfte mechanisch stark beansprucht. Dazu kommen unter Umständen auch chemische Einwirkungen durch bestimmte Zusätze. Formgebung und Werkstoffwahl sind deshalb für eine Funktionstüchtigkeit des Käfigs ebenso wie für eine Betriebszuverlässigkeit des Lagers insgesamt von entscheidender Bedeutung.
Wälzlagerkäfige umfassen gepresste Käfige und Massivkäfige. Gepresste Käfige für Wälzlager werden meist aus Stahlblech, in einigen Fällen auch aus Messingblech gefertigt. Massivkäfige für Wälzlager können beispielsweise aus Messing, Stahl, Aluminium, Polymeren oder Phenolharz hergestellt sein.
Kunststoffkäfige, die oftmals mittels Spritzgussverfahren gefertigt werden, zeichnen sich durch eine günstige Kombination von Festigkeit und Elastizität aus. Gute Gleiteigenschaften von Kunststoff auf geschmierten Stahlflächen und eine geringe Rauheit der Käfigoberflächen an Berührungsstellen mit Wälzkörpern haben eine niedrige Käfigreibung, eine entsprechend geringe Wärmeentwicklung im Lager und einen kaum messbaren Verschleiß zur Folge. Wegen der geringen Werkstoffdichte bleiben auch Kräfte aus der Massenträgheit des Käfigs klein. Dank sehr guter Notlaufeigenschaften von Kunststoffkäfigen bleibt ein Lager selbst bei völligem Versagen der Schmierung noch für einige Zeit funktionsfähig, ohne dass es zum Blockieren des Lagers oder zu weiteren Folgeschäden kommt.
Bei Kunststoffen für herkömmlich gespritzte Lagerkäfige für Wälzlager kann es sich beispielsweise um Polyamid 66, Polyamid 46, Polyetheretherketon (PEEK), Phenolharz oder auch einen anderen Polymerwerkstoff, ein Leichtmetall oder einen besonderen Gusseisen-Werkstoff handeln.
Polyamide zeichnen sich beispielsweise durch eine relativ günstige Kombination von Festigkeit und Elastizität aus. Bei besonderen Anforderungen an Drehvermögen, chemische und thermische Beständigkeit der Käfige, kann auf den Werkstoff Polyetheretherketon (PEEK) zurückgegriffen werden. Herausragende Eigenschaften von PEEK liegen in der besonderen Kombination von Festigkeit und Elastizität, hoher Temperatur- und Chemikalienbeständigkeit, hoher Verschleißfestigkeit und guter Verarbeitbarkeit. Für Lagerungen im Hochgeschwindigkeitsbereich sind die maximal zulässigen Betriebstemperaturen jedoch auf +150°C begrenzt, da ab dieser Temperatur PEEK weich wird. Phenolharz kommt für Käfige in Leichtbauweise in Frage, die hohen Zentrifugal- und Beschleunigungskräften widerstehen müssen, aber keinen hohen Temperaturen ausgesetzt sind.
Sämtlichen herkömmlich gespritzten Kunststoffkäfigen ist jedoch gemein, dass eine Einspritzrichtung des entsprechenden Kunststoffs in ein Spritzgusswerkzeug normalerweise axial, d. h. in Richtung der Rotationsachse des Lagerkäfigs, verläuft. Dazu wird ein Werkstoff in einen einem ersten Seitenring entsprechenden Hohlraum des Spritzgusswerkzeugs eingespritzt, durchfließt dann einen den Verbindungsstegen entsprechenden Hohlraum und gelangt schließlich in einen einem zweiten Seitenring entsprechenden Hohlraum des Spritzgießwerkzeugs. Da hier das Kunststoffmaterial von jeweils zwei (zwei Stegen entsprechenden) Hohlräumen in den dem zweiten Seitenring entsprechenden Hohlraum fließt, trifft der Kunststoffmaterialstrom etwa in der Mitte einer Taschenstirnfläche aufeinander. Diese Zusammenflussstellen, an denen das Kunststoffmaterial aufeinandertrifft, werden auch Bindenähte genannt. Eine solche Bindenaht weist gegenüber den restlichen Querschnitten des gespritzten Kunststoffkäfigs eine erhebliche verminderte Festigkeit auf, da hier durch Temperaturverminderung und weitere Effekte eine Verschmelzung des Kunststoffs nicht mehr vollständig gelingt. Solche Bindenähte bzw. Zusammenflussstellen stellen daher Schwachstelle von herkömmlich gespritzten Polymerkäfigen dar.
Demzufolge ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen gegenüber dem Stand der Technik verbesserten gespritzten Polymer- bzw. Kunststoffkäfig zu schaffen.
Die Erkenntnis der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass verbesserte, durch Spritzgießen hergestellte, Polymerkäfige durch eine Verstärkung der oben beschriebenen Bindenähte bzw. Zusammenflussstellen bereitgestellt werden können. Dazu schaffen Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung einen Polymerlagerkäfig mit einem Verstärkungsring an einem der Seitenringe des Käfigs und ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Lagerkäfigs.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird ein Lagerkäfig aus einem durch Spritzguss hergestellten Kunststoff bereitgestellt, wobei der Lagerkäfig zwei in einem axialen Abstand angeordnete Seitenringe und diese verbindende, in einer Umfangsrichtung des Lagerkäfigs hintereinander angeordnete Stege, welche paarweise Taschen zur Aufnahme von Wälzkörpern bilden, aufweist. Dabei ist wenigstens einer der Seitenringe aus dem Kunststoff und einem zusätzlichen Verstärkungsring aus einem Material mit einer gegenüber dem Kunststoff erhöhten Festigkeit gebildet, um wenigstens einen verstärkten Seitenring zu erhalten.
Das Material des Verstärkungsrings kann dabei beispielsweise ein Metall, insbesondere ein Leichtmetall, bevorzugt eine Aluminium- oder Titanlegierung sein. Das Material des Verstärkungsrings kann aber auch Kunststoff sein, welcher auf mechanischem Wege durch z. B. Drehen oder auch durch Spritzgießen hergestellt werden kann. Das Material eines Verstärkungsrings sollte dabei aber eine mindestens gleichwertige oder höherwertige Temperaturbeständigkeit als der durch Spritzguss hergestellte Kunststoff des Käfigs aufweisen.
Gemäß Ausführungsbeispielen kann der Verstärkungsring zumindest auf einer seiner Stirnseiten formschlüssig mit dem Kunststoff des Seitenrings verbunden sein. Der Verstärkungsring könnte also beispielsweise entweder in einem Kunststoffbereich des Seitenrings, d. h. in dem Seitenring eingebettet sein, oder aber auch eine Außenwand des Seitenrings bilden, d. h. lediglich auf einer Seite mit dem Kunststoff des Seitenrings kraftschlüssig verbunden sein. Eine derartige kraftschlüssige Verbindung kann beispielsweise durch Form- und/oder Reibschluss zwischen Verstärkungsring und Kunststoffbereich des Seitenrings erfolgen. Gemäß machen Ausführungsbeispielen weist also zumindest eine mit dem Kunststoff in Verbindung stehende Seite des Verstärkungsrings eine Oberfläche auf, die eine form- und/oder reibschlüssige Verbindung zwischen Verstärkungsring und Kunststoffbereich des Seitenrings ermöglicht.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung kann auch jeder der beiden Seitenringe aus dem Kunststoff und einem zusätzlichen Verstärkungsring aus einem Material mit einer gegenüber dem Kunststoff erhöhten Festigkeit gebildet sein, um einen Lagerkäfig mit zwei verstärkten Seitenringen zu erhalten.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Herstellen eines Lagerkäfigs aus einem Kunststoff mittels Spritzguss bereitgestellt, wobei der Lagerkäfig zwei in einem axialen Abstand angeordnete Seitenringe und diese verbindende, in einer Umfangsrichtung hintereinander angeordnete Stege umfasst, welche paarweise Taschen zur Aufnahme von Wälzkörpern bilden. Das Verfahren umfasst ein Einlegen eines Verstärkungsrings aus einem Material mit einer gegenüber dem Kunststoff erhöhten Festigkeit in einen einem Seitenring zugeordneten Bereich eines Spritzgießwerkzeugs, und ein Einspritzen des Kunststoffs in das Spritzgießwerkzeug durch eine Einspritzöffnung, so dass sich ein dem Lagerkäfig entsprechender Hohlraum des Spritzgießwerkzeugs mit dem Kunststoff füllt und der Kunststoff eine form- und/oder reibschlüssige Verbindung mit dem in das Spritzgießwerkzeug eingelegten Verstärkungsring eingeht.
Beim Herstellen eines Lagerkäfigs mit lediglich einem verstärkten Seitenring kann der Verstärkungsring in einen dem verstärkten Seitenring zugeordneten und der Einspritzöffnung abgewandten Bereich des Spritzgießwerkzeugs eingelegt werden. Die Einspritzöffnung kann hier also beispielsweise einem dem nicht verstärkten Seitenring zugeordneten Hohlraum des Spritzgießwerkzeugs zugewandt sein, so dass der eingespritzte Kunststoff diesen der Einspritzöffnung zugewandten Hohlraum beim Einspritzen als erstes durchströmt.
Beim Herstellen eines Lagerkäfigs mit zwei verstärkten Seitenringen können die Verstärkungsringe jeweils in die den verstärkten Seitenringen zugeordneten Bereiche des Spritzgießwerkzeugs eingelegt werden. Eine Anspritzung des Kunststoffes kann dann beispielsweise in die die beiden Seitenringe verbindenden Stege bzw. deren zugeordnete Hohlräume des Spritzgießwerkzeugs erfolgen, so dass der eingespritzte Kunststoff die den Stegen zugeordneten Hohlräume beim Einspritzen als erstes durchströmt und sich danach von innen nach außen in Richtung der den verstärkten Seitenringen zugeordneten Hohlräume ausbreitet.
Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Gegenstände und Verfahren vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche, wobei sich der Schutzumfang nicht nur auf die jeweiligen Einzelmerkmale, sondern auch auf deren Kombination erstreckt.
Durch Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung kann die Festigkeit von durch Spritzguss hergestellten Kunststoff-Lagerkäfigen auf verblüffend einfache Weise effizient erhöht werden. Mittels des zusätzlich vorgesehenen Verstärkungsrings an oder in wenigstens einem der Seitenringe können negative Folgen der Bindenähte verringert, wenn nicht gar gänzlich aufgehoben werden, so dass höchst beanspruchbare Kunststoff-Lagerkäfige verfügbar werden. Die vorliegende Erfindung kann insbesondere auch bei geringen Produktionsvolumina eingesetzt werden.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend bezugnehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 eine perspektivische Ansicht eines Lagerkäfigs aus einem durch Spritzguss hergestelltem Kunststoff gemäß einem Ausführungsbeispiel;
2 einen Schnitt durch einen Lagerkäfig mit Verstärkungsring gemäß einem Ausführungsbeispiel;
3a, b Querschnitte durch einen Verstärkungsring gemäß einem Ausführungsbeispiel;
4a, b alternative Querschnitte von Verstärkungsringen gemäß weiteren Ausführungsbeispielen;
5a, b schematische Darstellungen von reibwerterhöhenden Oberflächenstrukturen eines Verstärkungsrings; und
6 ein schematisches Flussdiagramm eines Verfahrens zum Herstellen eines Lagerkäfigs gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
1 zeigt in einer perspektivischen Ansicht einen Lagerkäfig 10 für ein Wälzlager gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Der Lagerkäfig 10 besteht größtenteils aus einem durch Spritzguss hergestelltem Kunststoff und umfasst zwei in einem axialen Abstand angeordnete Seiten- bzw. Bordringe 12a, 12b. Dabei meint „axial” im Folgenden stets eine Richtung einer (nicht gezeigten) Rotationsachse des rotationssymmetrischen Lagerkäfigs 10. Die Seitenringe werden durch in einer Umfangsrichtung des Lagerkäfigs 10 hintereinander angeordnete Stege 14 verbunden. Die Stege 14 bilden paarweise Taschen 16 zur Aufnahme von (nicht dargestellten) Wälzkörpern.
Während ein dem Betrachter von 1 abgewandter Seitenring 12a des Lagerkäfigs 10 und die Stege 14 sämtlich aus gespritztem Kunststoff bestehen können, kann ein dem Betrachter von 1 zugewandter Seitenring 12b des Lagerkäfigs 10 sowohl aus einem aus dem gespritztem Kunststoff bestehenden Seitenringteil bzw. Kunststoffbereich 18 und einem zusätzlichen Verstärkungsring 19 aus einem Material mit einer gegenüber dem Kunststoff erhöhten Festigkeit gebildet sein, so dass es sich bei dem Seitenring 12b um einen verstärkten Seitenring des Lagerkäfigs 10 handelt.
Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel kann sowohl der dem Betrachter von 1 abgewandte Seitenring 12a als auch der dem Betrachter von 1 zugewandte Seitenring 12b des Lagerkäfigs 10 jeweils aus einem gespritztem Kunststoffbereich 18 und einem zusätzlichen Verstärkungsring 19 aus dem Material mit der gegenüber dem gespritzten Kunststoff erhöhten Festigkeit gebildet sein, so dass der Lagerkäfig 10 auch zwei verstärkte Seitenringe 12a und 12n aufweisen kann.
Bei dem (gespritzten) Kunststoff des Lagerkäfigs 10 kann es sich, wie oben bereits beschrieben wurde, einerseits beispielsweise um ein Polyamid, Polyetheretherketon (PEEK), Phenolharz oder um einen anderen für Lagerkäfige üblichen Polymerwerkstoff handeln.
Bei dem Material des Verstärkungsrings 19 kann es sich bei Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung andererseits beispielsweise um ein Metall, insbesondere um ein Leichtmetall, handeln. Bevorzugt kann als Material für den Verstärkungsring 19 eine Aluminiumlegierung (z. B. AlMgSi1) oder eine Titanlegierung (z. B. TiAl6V4) eingesetzt werden. Das Material des Verstärkungsrings 19 kann aber auch Kunststoff sein, welcher auf mechanischem Wege durch z. B. Drehen oder auch durch Spritzgießen hergestellt werden kann. Das Material des Verstärkungsrings 19 sollte dabei aber eine mindestens gleichwertige oder höherwertige Temperaturbeständigkeit als der durch Spritzguss hergestellte Kunststoff des Käfigs aufweisen.
Im Nachfolgenden soll in größerem Detail auf den Aufbau des verstärkten Seitenrings 12b eingegangen werden. Dazu zeigt 2 einen vergrößernden Ausschnitt eines erfindungsgemäßen Lagerkäfigs 10.
2 zeigt schematisch Zusammenflussstellen bzw. Bindenähte 21 in dem Kunststoffbereich 18, die bei einem Spritzgießen des Lagerkäfigs 10 in dem einer (nicht dargestellten) Einspritzöffnung abgewandten Kunststoffbereich 18 des Seitenrings 12b entstehen. Eine Anspritzseite beim Spritzgießen ist mit dem Bezugszeichen 23 angedeutet. Diese Bindenähte 21, die normalerweise Schwachstellen eines reinen Kunststoff-Lagerkäfigs darstellen, werden nun vorteilhaft durch den mit dem Kunststoffseitenringteil 18 gekoppelten Verstärkungsring 19 verstärkt, so dass insgesamt der verstärkte Seitenring 12b erhalten wird.
Eine mögliche Kopplung des Kunststoffseitenringteils bzw. des Kunststoffbereichs 18 des verstärkten Seitenrings 12b mit dem Verstärkungsring 19 ist in 2 mit dem Bezugszeichen 22 angedeutet. Gemäß dem skizzierten Ausführungsbeispiel ist der Verstärkungsring 19 zumindest auf einer (dem Kunststoffbereich 18 zugewandten) Seite formschlüssig mit dem Kunststoffbereich 18 des verstärkten Seitenrings 12b verbunden. Hier weist der Verstärkungsring 19 für eine formschlüssige Verbindung mit dem Kunststoffbereich 18 beispielsweise einen T-förmigen Querschnitt auf, so dass ein Teil des Verstärkungsrings 19, insbesondere ein federartiger Ring 24, von dem Kunststoff des Kunststoffbereichs 18 nutartig umspritzt bzw. umgeben ist. Vorzugsweise kann der federartige Ring 24, also der axiale Schenkel des „T”, eine zur formschlüssigen Verbindung geeignete konische Querschnittsform aufweisen, wobei eine Schmalseite des Konus zu dem Verstärkungsring 19 und eine Breitseite des Konus zu dem Kunststoffbereich 18 des verstärkten Seitenrings 12b weist. Gemäß anderen Ausführungsbeispielen könnte eine dem Kunststoffbereich 18 zugewandte Oberfläche des Verstärkungsrings 19, insbesondere eine Oberfläche des federartigen Rings 24, auch eine Rauheit aufweisen, die zusätzlich oder alternativ eine reibschlüssige Verbindung zwischen dem Verstärkungsring 19 und dem Kunststoff 18 ermöglicht.
Eine detailliertere Darstellung des Verstärkungsrings 19 mit dessen in seinem radialen Endbereich A angeordneten federartigen Ring 24 (Ringfeder) ist in den 3a, b gezeigt.
Der in 3a im Querschnitt gezeigte Verstärkungsring 19 weist in radialer bzw. achsnormaler Richtung einen Innendurchmesser Di und einen Außendurchmesser Da auf. Gemäß dem in den 1 und 2 skizzierten Ausführungsbeispiel, bei dem der Verstärkungsring 19 quasi eine axial außen gelegene Stirnfläche des ringformigen Lagerkäfigs 10 bildet, also lediglich auf einer Seite des Verstärkungsrings 19 mit dem Kunststoffbereich 18 des Seitenrings 12b (ggf. formschlüssig) verbunden ist, kann der größte Durchmesser des Verstärkungsrings 19, d. h. dessen Außendurchmesser Da, auch einem Außendurchmesser des Kunststoffbereichs 18 des verstärkten Seitenrings 12b entsprechen. In anderen Worten ausgedrückt ist in diesem Fall der Außendurchmesser Da des Verstärkungsrings 19 gleich dem Außendurchmesser des Kunststoffbereichs 18. Selbiges gilt vorzugsweise auch für die jeweiligen Innendurchmesser. D. h., der Verstärkungsring 19 sollte gemäß diesem Ausführungsbeispiel in radialer Richtung dieselbe Dimension wie der Kunststoffbereich 18 des Lagerkäfigs 10 aufweisen.
Der in 3b vergrößert dargestellte radiale Endbereich A des Verstärkungsrings 19 weist einen T-förmigen Querschnitt auf. Dies resultiert aus dem federartigen Vorsprung 24 an einer dem Kunststoffbereich 18 zugewandten Stirnseite des Verstärkungsrings 19, die sich gemäß 3b rechts befindet. Auch wenn dies aus der Prinzipdarstellung der 3b nicht explizit hervorgeht, verläuft der Querschnitt des federartigen Vorsprungs bzw. der Ringfeder 24 nicht notweniger- aber vorzugsweise konisch, so dass ein schmalerer Bereich des federartigen Vorsprungs 24 zum Verstärkungsring 19 hin (links) und ein breiterer Endbereich des Vorsprungs 24 zum (nicht gezeigten) Kunststoffbereich 18 hin (rechts) gewandt ist bzw. in diesen hineinragt. Diese konische Formgebung des „T” fördert eine formschlüssige Kunststoff-Verstärkungsring-Verbindung.
Eine axiale Wandstärke a des Verstärkungsrings 19 ergibt sich aus einer Differenz aus einer gesamten axialen Ausdehnung a3 des Verstärkungsrings 19 und einer axialen Ausdehnung a1 des Vorsprungs 24, d. h. a = (a3 – a1). Vorzugsweise liegt die axiale Wandstärke a des Verstärkungsrings 19 in einem Bereich von 1/4 bis 2/3 einer Wandstärke des verstärkten Seitenrings 12b. Besonders bevorzugt liegt die axiale Wandstärke a des Verstärkungsrings 19 in einem Bereich von 1/3 der Wandstärke des verstärkten Seitenrings 12b. Die Gesamtbreite a3 des Verstärkungsringes 19 sollte vorzugsweise nicht mehr als 2/3 der Seitenringwandstärke des verstärkten Seitenrings 12b betragen, um sicherzustellen, dass der Verstärkungsring 19 in seinem Kontaktbereich, insbesondere der Vorsprung 24, noch ausreichend mit Kunststoff bedeckt ist.
Mögliche Maße für den Verstärkungsring sind in 3b allgemein mit a1, a2, a3, r1, D1, D2, D3 und D4 bezeichnet. Gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung könnte für diese Maße und deren Toleranzen beispielsweise gelten:
a1 = 0,7; a2 = 0,3 × 45°; a3 = 1,2_–0,1
r1 = 0,7
phi = 85°
D1 = 61,6; D2 = 63,2; D3 = 65,19_–0,04; D4 = 59,3^+0,2
Eine Einheit der dargestellten Maße könnte beispielsweise Millimeter (mm) sein. Insgesamt sind die hier angegebenen natürlich lediglich exemplarisch zu verstehen.
Neben T-förmigen Profilen sind selbstverständlich auch andere rotationssymmetrische Ausgestaltungen des Verstärkungsrings 19 zur Ausbildung einer formschlüssigen Verbindung mit dem Kunststoffbereich 18 denkbar. Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel könnte der Verstärkungsring 19 auch auf seinen beiden Seiten bzw. Stirnflächen von Kunststoff des verstärkten Seitenrings 12b umgeben sein. In diesem Fall wäre der Verstärkungsring 19 quasi in den Kunststoffbereich 18 des verstärkten Seitenrings 12b eingebettet. Hierzu müsste der Verstärkungsring 19 allerdings eine Form, insbesondere einen (Innen- und/oder Außen-)Durchmesser aufweisen, der es erlaubt, beim Spritzgießen in einem Spritzgießwerkzeug von dem eingespritzten Kunststoff umflossen zu werden. Federartige Vorsprünge, ähnlich dem in 3b dargestellten Vorsprung 24, waren bei einer derartigen Ausgestaltung zwar nicht notwendig, aber dennoch möglich.
Des Weiteren könnte ein in axialer Richtung an dem Lagerkäfig 10 außen platzierter Verstärkungsring 19 anstatt dem in 3b exemplarisch gezeigten T-förmigen auch einen rotationssymmetrischen U-förmigen Querschnitt (4a) oder einen rotationssymmetrischen Doppel-T-förmigen bzw. Pi-förmigen Querschnitt (4b) mit entsprechenden Nasen bzw. Vorsprüngen 24 im Profil aufweisen, um mit dem Kunststoffbereich 18 eine formschlüssige Verbindung eingehen zu können. Auch in diesem Fall sind konische Vorsprünge bzw. Ringfedern 24, wie sie in den 4a und 4b dargestellt sind, vorteilhaft. Dabei entsprechen die 4a, b dem in 3b vergrößert dargestellten Ausschnitt A.
Zusätzlich zu einer der alternativen Querschnittsformen kann der Verstärkungsring 19 gemäß einem Ausführungsbeispiel eine mit dem Kunststoff bzw. mit dem Kunststoffbereich 18 in Verbindung stehende Oberfläche mit einer mittleren Rauheit R_a von wenigstens 2 μm aufweisen, um zusätzlich eine reibschlüssige Verbindung des Verstärkungsrings 19 mit dem Kunststoffbereich 18 des verstärkten Seitenrings 12b bzw. eine erhöhte Reibung zum Polymer ermöglichen. Unter Rauheit soll dabei eine Unebenheit einer Oberflächenhöhe verstanden werden. Unter mittlerer Rauheit, soll insbesondere ein mittlerer Abstand eines Messpunktes – auf einer Oberfläche – zu einer Mittellinie verstanden werden. Diese Mittellinie schneidet innerhalb einer Bezugsstrecke das wirkliche Profil der Oberfläche so, dass die Summe der Profilabweichungen (bezogen auf die Mittellinie) minimal wird. Die mittlere Rauheit R_a entspricht also dem arithmetischen Mittel der Abweichung von der Mittellinie.
Zur Erhöhung der Rauheit bzw. der Oberflächenreibung könnte die mit dem Kunststoff in Verbindung stehende Stirnfläche des Verstärkungsrings 19 beispielsweise mit einer spiralförmig verlaufenden Oberflächenstruktur 52 versehen sein, wie es in 5a in einer Frontalansicht eines exemplarischen Verstärkungsrings 19 gezeigt ist. Eine derartige spiralförmig verlaufende Oberflächenstruktur 52, die insbesondere eine spiralförmig verlaufende Vertiefung in der Oberfläche der mit dem Kunststoff in Verbindung stehenden Stirnfläche aufweisen kann, lässt sich z. B. vorteilhaft mittels einer Überlagerung einer Drehbewegung des Verstärkungsrings 19 und einer Radialbewegung eines Kerbwerkzeugs o. ä. herstellen.
Ebenso könnte gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der Vorsprung bzw. ringartige Feder 24 selbst spiralförmig verlaufen (5b).
Zusammenfassend wird anhand eines in 6 gezeigten schematischen Ablaufdiagramms ein Herstellungsverfahren 60 für einen gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung verstärkten Hybrid-Lagerkäfig 10 mit Ringverstärkung beschrieben.
Dazu wird in einem ersten Schritt 62 der Verstärkungsring 19 aus einem Material (z. B. Metall) mit einer gegenüber dem Kunststoff erhöhten Festigkeit in einen einem (verstärkten) Seitenring 12b zugeordneten Bereich eines Spritzgießwerkzeugs eingelegt. Dies ist insbesondere dann relativ unkompliziert möglich, wenn Innen- und Außendurchmesser des Verstärkungsrings 19 mit Innen und Außendurchmesser des Kunststoffbereichs 18 übereinstimmen und der Verstärkungsrings 19 eine äußere Stirnfläche des verstärkten Seitenrings 12b bilden soll. In diesem Fall kann der Verstärkungsring 19 nämlich einfach auf den Boden des dem verstärkten Seitenring 12b zugeordneten Bereichs bzw. Hohlraums des Spritzgießwerkzeugs gelegt werden. Soll der Verstärkungsring 19 hingegen beidseitig von dem Kunststoff eingeschlossen werden, so sollten in dem dem verstärkten Seitenring 12b zugeordneten Hohlraum des Spritzgießwerkzeugs entsprechende Abstandshalter vorgesehen sein, auf die der im Innen- und/oder Außendurchmesser im Vergleich zum Kunststoffbereich 18 kleinere Verstärkungsring 19 in den Hohlraum des Spritzgießwerkzeugs gegeben wird.
Optional könnte vor dem Einlegen 62 eine zur Verbindung mit dem Kunststoff vorgesehene Oberfläche des Verstärkungsrings 19 mit einer Oberflächenstruktur versehen werden, die eine mittlere Rauheit von wenigstens 2 μm aufweist, um eine bessere Reibung zwischen Verstärkungsring 19 und Kunststoff des Lagerkäfigs zu erhalten. Eine beispielsweise spiralförmig verlaufende Oberflächenstruktur könnte z. B. vorteilhaft mittels einer Überlagerung einer Drehbewegung des Verstärkungsrings 19 und einer Radialbewegung eines Kerbwerkzeugs hergestellt werden.
Des Weiteren kann es vorteilhaft sein, den Verstärkungsring 19 in einem temperierten, d. h. erhitzten, Zustand in den dem verstärkten Seitenring 12b zugeordneten Bereich des Spritzgießwerkzeugs einzulegen.
In einem weiteren Schritt 64 wird der Kunststoff in das Spritzgießwerkzeug durch eine Einspritzöffnung eingespritzt, so dass sich ein dem Lagerkäfig 10 entsprechender Hohlraum des Spritzgießwerkzeugs mit dem Kunststoff füllt und der Kunststoff in dem dem verstärkten Seitenring 12b zugeordneten Hohlraum des Spritzgießwerkzeugs eine kraftschlüssige (d. h. form- und/oder reibschlüssig) Verbindung mit dem in das Spritzgießwerkzeug eingelegten Verstärkungsring 19 eingeht.
Ein erhitzter Verstärkungsring 19 ermöglicht dabei u. U. eine verbesserte form- und/oder reibschlüssige Verbindung zwischen dem eingespritzten Kunststoff 18 und dem Verstärkungsring 19. Zudem kann die nachteilige Bildung der Bindenähte 21 durch die Temperatur des Verstärkungsrings 19 (zumindest in der Nähe eines Kontaktbereichs zwischen Verstärkungsring 19 und Kunststoff 18) besser unterdrückt werden.
Nach dem Spritzgießen kann der verstärkte Lagerkäfig aus dem Spritzgießwerkzeug entnommen werden.
Beim Herstellen eines Lagerkäfigs mit lediglich einem verstärkten Seitenring 12b kann der Verstärkungsring 19 in einen dem verstärkten Seitenring 12b zugeordneten und der Einspritzöffnung abgewandten Bereich des Spritzgießwerkzeugs eingelegt werden. Die Einspritzöffnung kann hier also beispielsweise einem dem nicht verstärkten Seitenring 12a zugeordneten Hohlraum des Spritzgießwerkzeugs zugewandt sein, so dass der eingespritzte Kunststoff diesen Hohlraum beim Einspritzen als erstes durchströmt und sich dann durch den Stegen 14 entsprechende Hohlräume in Richtung des eingelegten Verstärkungsrings ausbreitet.
Beim Herstellen eines Lagerkäfigs mit zwei verstärkten Seitenringen 12a, 12b können die Verstärkungsringe jeweils in den verstärkten Seitenringen 12a, 12b zugeordnete Bereiche des Spritzgießwerkzeugs eingelegt werden. Eine Anspritzung des Kunststoffes kann in diesem Fall beispielsweise in die beiden Seitenringe verbindenden Stege bzw. in deren zugeordnete Hohlräume erfolgen, so dass der eingespritzte Kunststoff die den Stegen 14 zugeordneten Hohlräume beim Einspritzen als erstes durchströmt und sich danach von innen nach außen in Richtung der den verstärkten Seitenringen 12a, 12b zugeordneten Hohlräume des Spritzgießwerkzeugs ausbreitet.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung stellen also quasi einen Hybridkäfig in Form eines gespritzten Polymerkäfigs mit metallischer Ringverstärkung bereit. Derartige, gemäß Ausführungsbeispielen verstärkte Lagerkäfige können erhalten werden mit einem ins Spritzwerkzeug eingelegten und mit Kunststoff umspritzten Verstärkungsring 19 vorzugsweise aus Metall, insbesondere aus Leichtmetall, vorzugsweise aus einer Aluminium- oder Titanlegierung. Der Verstärkungsring 19 sollte mit seinem größten Durchmesser höchstens einem Außendurchmesser des Käfigs entsprechen, damit er an den größten Durchmesser in der Werkzeugform angelegt werden kann. Des Weiteren sollte der Verstärkungsring 19 möglichst dünnwandig konstruiert sein, da ein Gesamtquerschnitt des Käfigs nicht vergrößert werden darf. Eine axiale Wandstärke des Verstärkungsringes sollte dazu vorzugsweise 1/3 der Wandstärke des verstärkten Käfigseitenrings 12b betragen. Der Verstärkungsring 19 sollte eine Querschnittsform aufweisen, die eine formschlüssige Verbindung mit dem Polymer bzw. Kunststoff erlaubt. Bevorzugt weist der Verstärkungsring 19 dazu eine T-Form auf, wobei ein axialer Schenkel des T eine konische Querschnittsform zeigt, bei der die Schmalseite zum Ring 19 hin und die Breitseite hin zum Käfig bzw. dessen Kunststoffbereich 18 weist. Alternativ könnte der Verstärkungsring auch eine U-Form aufweisen, bei der Innenseiten der Schenkel ebenfalls konisch ausgeführt sind, mit Schmalseiten zum Ring 19 hin. Weiterhin sollte der Verstärkungsring bei manchen Ausführungsbeispielen in radialer Richtung dieselbe Dimension wie der Kunststoffteil des Käfigs aufweisen. Eine Gesamtbreite (in axialer Richtung) des Verstärkungsringes 19 sollte vorzugsweise nicht mehr als 2/3 der Seitenringwandstärke betragen, um sicherzustellen, dass der Ring 19 noch ausreichend von Kunststoff bedeckt ist. Der Verstärkungsring 19 kann durch eine Drehoperation hergestellt werden, wobei ein Teil seiner Oberfläche, die dem Kunststoff zugewandt ist, eine ausreichend hohe Rauheit aufweisen sollte, um eine gute Verbindung zum Polymer zu gewährleisten. Die Rauheit R_a sollte größer als 2,0 μm sein und die Drehstruktur sollte vorzugsweise spiralförmig verlaufen.
Bezugszeichenliste

10: Lagerkäfig
12: Seitenring des Lagerkäfigs
14: Stege des Lagerkäfigs
16: Taschen zur Aufnahme von Wälzkörpern
18: Kunststoffbereich des verstärkten Seitenrings
19: Verstärkungsring
21: Bindenaht
22: Formschlüssige Verbindung
23: Anspritzseite
24: Vorsprung in Stirnfläche des Verstärkungsrings
52: Spiralstruktur
60: Verfahren zum Herstellen eines Lagerkäfigs
62: Einlegeschritt
64: Einspritzschritt

Claims

Ein Lagerkäfig (10) aus einem durch Spritzguss hergestelltem Kunststoff (18), mit zwei in einem axialen Abstand angeordneten Seitenringen (12a; 12b) und diese verbindende, in einer Umfangsrichtung des Lagerkäfigs (10) hintereinander angeordnete Stege (14), welche paarweise Taschen (16) zur Aufnahme von Wälzkörpern bilden, wobei einer der Seitenringe (12b) aus dem Kunststoff (18) und einem zusätzlichen Verstärkungsring (19) aus einem Material mit einer gegenüber dem Kunststoff (18) erhöhten Festigkeit gebildet ist, um einen verstärkten Seitenring (12b) zu erhalten.
Der Lagerkäfig nach Anspruch 1, wobei das Material des Verstärkungsrings (19) ein Metall, insbesondere ein Leichtmetall, bevorzugt eine Aluminium- oder Titanlegierung ist.
Der Lagerkäfig nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Verstärkungsring (19) zumindest auf einer Seite form- und/oder reibschlüssig mit dem Kunststoff (18) des verstärkten Seitenrings (12b) verbunden ist.
Der Lagerkäfig nach Anspruch 3, wobei der Verstärkungsring (19) zur formschlüssigen Verbindung einen T-förmigen oder U-förmigen Querschnitt aufweist, so dass federartige Teile (24) des Verstärkungsrings (19) von dem Kunststoff (18) des verstärkten Seitenrings (12b) nutartig umspritzt sind.
Der Lagerkäfig nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Verstärkungsring (19) eine mit dem Kunststoff (18) des verstärkten Seitenrings (12b) in Verbindung stehende Oberfläche mit einer mittleren Rauheit (R_a) von wenigstens 2 μm aufweist, um eine reibschlüssige Verbindung des Verstärkungsrings (19) mit dem Kunststoff (18) des verstärkten Seitenrings (12b) zu ermöglichen.
Der Lagerkäfig nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine mit dem Kunststoff (18) des verstärkten Seitenrings (12b) in Verbindung stehende Stirnfläche des Verstärkungsrings (19) mit einer spiralförmig verlaufenden Oberflächenstruktur (24; 52) versehen ist.
Der Lagerkäfig nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in radialer Richtung ein größter Durchmesser (Da) des Verstärkungsrings (19) einem Außendurchmesser des Kunststoffs (18) des verstärkten Seitenrings (12b) entspricht.
Der Lagerkäfig nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine axiale Wandstärke des Verstärkungsrings (19) in einem Bereich von 1/4 bis 2/3 einer Wandstärke des verstärkten Seitenrings (12b) liegt.
Ein Verfahren (60) zum Herstellen eines Lagerkäfigs (10) aus einem Kunststoff (18) mittels Spritzguss, wobei der Lagerkäfig (10) zwei in einem axialen Abstand angeordnete Seitenringe (12a; 12b) und diese verbindende, in einer Umfangsrichtung hintereinander angeordnete Stege (14) umfasst, welche paarweise Taschen (16) zur Aufnahme von Wälzkörpern bilden, mit folgenden Schritten: – Einlegen (62) eines Verstärkungsrings (19) aus einem Material mit einer gegenüber dem Kunststoff erhöhten Festigkeit in einen einem Seitenring (12b) zugeordneten Bereich eines Spritzgießwerkzeugs; und – Einspritzen (64) des Kunststoffs (18) in das Spritzgießwerkzeug durch eine Einspritzöffnung, so dass sich ein dem Lagerkäfig (10) entsprechender Hohlraum des Spritzgießwerkzeugs mit dem Kunststoff (18) füllt und der Kunststoff (18) eine kraftschlüssige Verbindung mit dem in das Spritzgießwerkzeug eingelegten Verstärkungsring (19) eingeht.
Das Verfahren nach Anspruch 9, wobei vor dem Einlegen (62) eine zur Verbindung mit dem Kunststoff (18) vorgesehene Oberfläche des Verstärkungsrings (19) mit einer Oberflächenstruktur (24; 52) versehen wird, die eine mittlere Rauheit von wenigstens 2 μm aufweist.