DE102011006330A1

DE102011006330A1 - Wälzlager mit hohlen Wälzkörpern

Info

Publication number: DE102011006330A1
Application number: DE102011006330A
Authority: DE
Inventors: Sven Lautner; Tsche-Hyun Park; Bernd Dehner; Markus Mantau; Thorsten Schlegel; Jürgen Döppling; Rainer Messerschmidt; Holger Grieser; Armin Necker; Andreas Klauda
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2011-03-29
Filing date: 2011-03-29
Publication date: 2012-10-04

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Wälzlager (10) mit mindestens einem Innenring (12) und einem Außenring (14), wobei zwischen den beiden Lagerringen (12, 14) mehrere Wälzkörper (16) angeordnet sind, und mindestens ein Wälzkörper (16) einen hermetisch versiegelten Hohlraum (26) aufweist, in den eine Füllung (28) eingebracht ist. Erfindungsgemäß befindet sich die Füllung (28) zumindest teilweise im festen Aggregatzustand und nimmt den Hohlraum (26) zumindest teilweise ein. Durch eine geeignete Variation des zur Schaffung der Füllung (28) eingesetzten Materials bzw. der Materialzusammensetzung kann das Eigenschaftsspektrum des Wälzlagers (10) im Vergleich zu konventionellen Wälzlagern erweitert werden. So kann beispielsweise eine Füllung (28) aus einem bei geringer Temperatur schmelzendem Material einen Kühleffekt bewirken, wohingegen eine Füllung (28) mit einem aushärtbaren duroplastischen Kunststoffmaterial eine Adaption an eine gegebene Sollgeometrie des Innen- und des Außenrings (12, 14) im Wege einer plastischen Verformung der Wälzkörper (16) erlaubt, wobei die Geometrieänderungen der Wälzkörper (16) durch das Aushärten des Kunststoffmaterials dauerhaft konservierbar sind. Mithilfe einer Füllung (28) aus einem thermoplastischen Material können zum Beispiel die elastischen und/oder die akustischen Eigenschaften der Wälzkörper (16) gezielt beeinflusst werden.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Wälzlager mit mindestens einem Innenring und einem Außenring, wobei zwischen den beiden Lagerringen mehrere Wälzkörper angeordnet sind, und mindestens ein Wälzkörper einen hermetisch versiegelten Hohlraum aufweist, in den eine Füllung eingebracht ist.
Hintergrund der Erfindung
Aus der DE 101 49 833 A1 sind ein hohler Wälzkörper sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Wälzkörpers bekannt. Die beispielsweise hohlzylindrischen Wälzkörper verfügen über einen nach außen dicht abgeschlossenen Hohlraum, der mit einem unter Druck stehenden Gas befüllt sein kann. Aufgrund des Hohlraums weisen die Wälzkörper im Vergleich zu massiv ausgeführten Wälzkörpern eine geringere Masse auf. Infolge des unter Überdruck stehenden Hohlraums ergibt sich eine mechanische Vorspannung des Wälzkörpers, wodurch dessen Verschleißanfälligkeit durch Materialermüdungseffekte, wie zum Beispiel Walkbewegungen, verringert wird.
Die DE 566 062 A betrifft eine Rolle für ein Rollenlager. Rollen für Rollenlager werden beispielsweise aus Rohlingen geschliffen, die zwischen zwei Spitzen drehbar aufgenommen sind. Im Bereich der Zentrierbohrungen können sich nach dem Härtevorgang Risse bilden, die die betreffende Rolle vollständig durchsetzen und somit zu einem Totalausfall des Wälzlagers führen können. Um dies zu verhindern, ist die Rolle mit einem zylindrischen Rollenkern gebildet, der mit mehreren konzentrischen Mantelschichten versehen ist, die fest mit dem Rollenkern verbunden sind. Infolge des zwiebelschalenartigen Aufbaus der Rolle können sich Risse immer nur bis zur nächsten Mantelschicht ausbilden, wodurch ein Rissfortschritt durch die gesamte Rolle verhindert wird.
Die DE 10 2007 062 391 A1 betrifft einen Wälzkörper mit einer Hohlrolle und einem darin koaxial aufgenommenen Überlastkörper. Zwischen dem Überlastkörper und der Hohlrolle besteht infolge eines Ringspaltes ein geringes Spiel. Das Spiel sorgt dafür, dass sich die Hohlrolle bereits durch eine relativ geringfügige radiale Last deformieren kann. Die Deformation der Hohlrolle wird durch den Überlastkörper begrenzt, über den sich die Hohlrolle abstützt, wenn ein definierter Belastungsgrenzwert des Lagen überschritten wird.
Aus der DE 10 2007 060 621 A1 ist ein Hohlwälzkörper für ein Wälzlager bekannt. Um einen weitgehend spielfreien sowie schlupf- und geräuscharmen Betrieb zu gewährleisten, ist ein Hohlraum mit einem Schmierstoff gefüllt, der während der Gebrauchsdauer sukzessiv in das Lager abgegeben wird. Um eine gleichmäßige Abgabe des Schmierstoffes während des Lagerbetriebs zu ermöglichen, ist der Hohlraum nicht hermetisch gegenüber dem Wälzlager abgeschlossen.
Aus der DE 10 2004 026 246 A1 ist ein Rollkörper insbesondere zum Einsatz in einem Wälzlager bekannt. Der Rollkörper ist zumindest teilweise aus einem keramischen Material gebildet und verfügt über mindestens einen Sensor zur Erfassung wenigstens einer Einflussgröße auf den Rollkörper. In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Rollkörper hohlraumfrei mit einer Abfolge von sieben keramischen Schichten aufgebaut.
Die FR 946 559 A hat ein Wälzlager mit elastisch deformierbaren Hohlwälzkörpern zum Gegenstand. Hierdurch wird unter anderem ein Toleranzausgleich zwischen einem Lagerinnenring und einem Lageraußenring ermöglicht. Eine hermetische Abdichtung der Hohlräume in den Wälzkörpern ist nicht vorgesehen. Die Hohlräume der Wälzkörper können leer bleiben oder zumindest teilweise mit einem anderen, nicht näher spezifizierten Material gefüllt sein.
Die DE 10 2008 053 444 A1 offenbart ferner ein Wälzlager, insbesondere ein Radlager. Zur Erhöhung der Verschleißfestigkeit, vor allem zur Minimierung des so genannten ”Pitting-Effektes” ist neben den lasttragenden Wälzkörpern mindestens ein so genannter aufnehmender Wälzkörper zur Aufnahme von schädlichen Fremdpartikeln vorgesehen, der vorzugsweise zumindest teilweise mit einem Kunststoffmaterial gebildet ist. Um die Aufnahme und Speicherung einer größeren Anzahl von Fremdpartikeln zu ermöglichen, kann der aufnehmende Wälzkörper Hohlräume aufweisen, in die die Fremdpartikel über Bohrungen in der Außenhülle des Wälzkörpers hinein gelangen.
Aufgabe der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Funktionalität von konventionellen Wälzlagern durch eine geeignete Modifikation der Werkstoffzusammensetzung der Wälzkörper zu erweitern.
Zusammenfassung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass konventionelle Wälzlager üblicherweise mit massiven metallischen Wälzkörpern aufgebaut sind, die im Allgemeinen neben ihrer primären Aufgabe die Lasten des sich drehenden Lagers zu übertragen keine weiteren Funktionalitäten übernehmen können.
Die Erfindung geht aus von einem Wälzlager mit mindestens einem Innenring und einem Außenring, wobei zwischen den beiden Lagerringen mehrere Wälzkörper angeordnet sind, und mindestens ein Wälzkörper einen hermetisch versiegelten Hohlraum aufweist, in den eine Füllung eingebracht ist. Zur Lösung der Aufgabe ist vorgesehen, dass sich die Füllung zumindest teilweise im festen Aggregatzustand befindet und den Hohlraum zumindest teilweise einnimmt. Grundsätzlich erlaubt die Füllung, unbeschadet vom jeweils eingesetzten Füllmaterial, die definierte Herbeiführung neuer und unter Umständen vom Betriebszustand des Wälzlagers abhängiger Eigenschaften, die mit konventionellen Wälzlagern mit massiven Wälzkörpern entweder überhaupt nicht oder nur unter erheblichem Aufwand realisierbar sind.
Zum Beispiel kann mittels der gefüllten Wälzkörper die Massenträgheit des Wälzlagers durch eine lokal begrenzte Anordnung der Füllung im Wälzkörperhohlraum gezielt beeinflusst werden, um zum Beispiel höhere Drehzahleinsatzbereiche zu erschließen und/oder den Verschleiß zu vermindern. Eine geeignete Füllung kann ferner eine gezielte Geometrieänderung der Wälzkörper in Abhängigkeit von einem bestimmten Betriebszustand des Wälzlagers herbeiführen und/oder das Wärmeisolationsvermögen des Lagers verändern.
Die Wälzkörper verfügen üblich über eine kugelförmige, eine zylindrische, eine kegelförmige oder eine tonnenförmige äußere Gestalt. Hiervon abweichende räumliche Gestaltungsformen sind gleichfalls möglich. Vorzugsweise nimmt die Füllung, unbeschadet des hierfür eingesetzten Materials bzw. der verwendeten Materialzusammensetzung, den gesamten Wälzkörperhohlraum ein, um insbesondere das Auskondensieren von flüssigen Medien, wie zum Beispiel der Luftfeuchtigkeit, in den Hohlräumen der Wälzkörper zu vermeiden.
Die Füllung kann beispielsweise durch einen kompakten Feststoff gebildet sein, der weitgehend frei von inneren Kavitäten ist, oder mit einem stückten Feststoff, wie zum Beispiel einem Granulat oder einem Pulver. Alternativ dazu können andere Raumformen, wie zum Beispiel mikroskopisch kleine Kugeln, Hohlkugeln oder andere dreidimensionale Füllkörper eingesetzt werden.
Bei dem Feststoff kann es sich beispielsweise um ein Kunststoffmaterial und/oder eine metallische Legierungszusammensetzung handeln. Als Kunststoffmaterialen kommen grundsätzlich thermoplastische oder duroplastische Kunststoffe in Betracht. Ist die Füllung beispielsweise mit einem sinterfähigen Metall- oder Keramikpulver gebildet, so könnte dieses zum Beispiel nach einer Einlaufphase des Lagen gesintert werden, um eine in der Einlaufphase erzielte Geometrieänderung der Wälzkörper zur Anpassung an die Laufbahnen des Innenrings und des Außenring dauerhaft zu erhalten. Hierdurch können zum Beispiel die Toleranzanforderungen bei der Fertigung des Innenrings, des Außenrings und/oder der Wälzkörper verringert werden.
Ist die Füllung beispielsweise mit einem thermoplastischen, weitgehend hohlraumfreien Kunststoffmaterial als Feststoff gebildet, ist gleichfalls ein Toleranzausgleich zwischen den Wälzkörpern und den Ringen erreichbar, da das Kunststoffmaterial in gewissen Grenzen eine federnd-elastische Deformation der Wälzkörper zulässt, sofern deren Materialstärke nicht zu hoch gewählt ist. Somit ermöglicht eine massive Kunststofffüllung der Hohlräume in den Wälzkörpern zum Beispiel die Herstellung eines weitgehend spiel- und schlupffreien Wälzlagers, da die infolge der Kunststofffüllung bedingt elastischen, hohlen Wälzkörper bereits mit einer geringfügigen mechanischen Vorspannung zwischen die Lagerringe eingesetzt werden können.
Darüber hinaus kann aufgrund der in der Regel geringen Wärmeleitfähigkeit von Kunststoffmaterialien die Füllung zur thermischen Isolation des Wälzlagers benutzt werden. Hierdurch kann beispielsweise der Wärmeübergang vom Außenring des Wälzlagers auf eine Lagerwelle am Innenring reduziert werden, um zum Beispiel die Verflüssigung und den Austritt eines im Wälzlager üblicherweise befindlichen Schmiermittels und einen hiermit einhergehenden Abriss des Schmierfilms zu vermeiden. Mittels einer Füllung aus einem Kunststoffmaterial können darüber hinaus die akustischen Eigenschaften des Wälzlagers durch eine Dämpfung der Schallausbreitung optimiert werden.
Um die mechanischen Eigenschaften eines Kunststoffmaterials zu beeinflussen, kann dieses beispielsweise mit einer Armierung in der Form von bevorzugt kurzen organischen oder anorganischen Faserabschnitten oder Hohlkügelchen (so genante ”Mikroballons”) versetzt sein. Ferner kann die Füllung auch mit einem thermoplastischen und/oder duroplastischen, federnd-elastischen Schaumkunststoff gebildet sein, der ein Gemisch aus einem Feststoff und einem Gas verkörpert.
Es können prinzipiell ein, zwei, drei oder auch sämtliche Wälzkörper des Wälzlagers mit Hohlräumen versehen sein, in den oder die zumindest teilweise eines der vorstehend näher erläuterten Füllmaterialien eingebracht ist.
Grundsätzlich kann der Aggregatzustand der Füllung in dem oder den Wälzkörpern über die gesamte Einsatzdauer bzw. Gebrauchsdauer des Wälzlagers hinweg unverändert bleiben oder aber sich in Abhängigkeit von bestimmten physikalischen Umgebungs- bzw. Einsatzparametern des Wälzlagers, insbesondere in Abhängigkeit von der Wälzlagertemperatur, einer vom Wälzlager aufgenommenen mechanischen Last, der Drehzahl des Wälzlagers, der Umgebungstemperatur oder anderen Einflussgrößen definiert ändern. Hierbei ist insbesondere ein Wechsel des Aggregatzustandes von fest nach flüssig sowie von flüssig nach gasförmig möglich, um die Eigenschaften des Wälzlagers dynamisch an die jeweiligen äußeren Betriebsbedingungen anzupassen. Darüber hinaus kann die Füllung im Einzelfall einen Phasenübergang von gasförmig bis hin zu einem Plasma durchlaufen.
Die hohl ausgebildeten Wälzkörper können mit derselben oder mit einer Füllung aus unterschiedlichen Materialien versehen sein. Ein Wechsel des Aggregatzustandes bzw. des Phasenzustandes der Füllung kann hierbei reversibel oder irreversibel verlaufen.
Eine Weiterbildung des Wälzlagers sieht vor, dass sich die Füllung zumindest teilweise im flüssigen Aggregatzustand befindet. Hierbei ist zunächst eine permanent niedrig- bis hochviskose Konsistenz der Füllung möglich, die praktisch von einer wasserartigen bis hin zu einer zähflüssigen, gelartigen Beschaffenheit der Füllung reicht. Zum Beispiel kann der mindestens eine hohle Wälzkörper mit einem Flüssigkunststoff zumindest teilweise befüllt sein. Alternativ dazu können die Wälzkörper auch mit einem Gemisch aus einem Feststoff und einer Flüssigkeit, wie zum Beispiel einem Gemisch aus Wasser und Sand zumindest teilweise befüllt sein. Weiterhin kann die Füllung mit einem flüssigen Schaumkunststoffmaterial hergestellt sein, das eine Verbindung aus einer Flüssigkeit mit einem Gas ist.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Wälzlagers ist vorgesehen, dass sich die Füllung teilweise im gasförmigen Aggregatzustand befindet.
Infolge der teilweisen Befüllung des Hohlraums mit einem gasförmigen Medium kann beispielsweise die Federwirkung von insbesondere dünnwandig ausgebildeten hohlen Walzkörpern in Verbindung mit einer festen und/oder flüssigen Füllung aufgrund der Wirkung des Gasdrucks erhöht werden. Das Gasvolumen macht hierbei höchstens bis zu 50% des Volumens des Wälzkörperhohlraums aus.
Eine teilweise Füllung des Hohlraums mit einer gasförmigen Substanz liegt beispielsweise auch vor, wenn der Wälzkörper mit einer schaumartigen, im wesentlichen flüssigen Substanz, d. h. einem Gemisch aus einer Flüssigkeit und einem Gas zumindest teilweise befüllt ist. Darüber hinaus geht üblich stets ein wenn auch geringer Anteil einer Flüssigkeit in den gasförmigen Zustand über, wenn der Hohlraum des Wälzkörpers nicht vollständig mit der Flüssigkeit ausgefüllt ist.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist vorgesehen, dass zum Modifizieren mindestens einer physikalischen Eigenschaft des Wälzlagers der Aggregatzustand der Füllung in Abhängigkeit von einem Betriebszustand des Wälzlagers, insbesondere von einer Wälzlagertemperatur, einen reversiblen oder einen irreversiblen Wechsel vollzieht.
Hierdurch wird eine dynamische Anpassung mindestens einer Eigenschaft des Wälzlagers an sich verändernde Betriebsbedingungen möglich. Beispielsweise können die Wälzkörper zumindest teilweise mit einem metallischen Material mit einem niedrigen Schmelzpunkt, wie zum Beispiel Natrium oder Quecksilber ausgefüllt sein, das bereits bei relativ geringen Temperaturen vom festen Aggregatzustand zumindest in den flüssigen Aggregatzustand übergeht.
Hierdurch ergibt sich zum einen ein Abkühlungseffekt, da die zum Verflüssigen bzw. zum Verdampfen des Natriums erforderliche Wärme aus dem Wälzlager abgeführt wird. Daneben kann das in dieser Konstellation höchstens teilweise in gasförmiger Phase vorliegende Natrium eine erhebliche Druckerhöhung im hohlen Wälzkörper bewirken, wodurch sich dessen mechanische Tragfähigkeit erhöht. Verfügt der Wälzkörper darüber hinaus beispielsweise über eine von der Kugelform abweichende geometrische Gestalt, kann durch die Erhöhung des Gasdrucks eine definierte Geometrieänderung des Wälzkörpers bewirkt werden. Hierdurch ist es beispielsweise möglich, etwaige Maßabweichungen der Innen- und der Außenringe zumindest teilweise auszugleichen.
Zur Unterstützung einer dauerhaften, das heißt insbesondere auf einer plastischen Verformung des Wälzkörper basierenden Geometrieänderung, können Solldeformationszonen vorgesehen sein. Dies können zum Beispiel Zonen des Wälzkörper mit einer im Vergleich zu den übrigen Bereichen reduzierten Materialstärke sein. Alternativ dazu können die Solldeformationszonen mit Sicken, faltenartigen Zonen im Bereich der Wandungen des Wälzkörper gebildet sein, die sich vorrangig verformen sollen. Prinzipiell können die Solldeformationszonen auch federnd-elastische, das heißt reversible Geometrieändenungen des oder der Wälzkörper unterstützen.
Anstelle eines metallischen Materials oder einer metallischen Legierung kann die Füllung auch mit einer leicht verdunstenden organischen oder anorganischen Flüssigkeit gebildet sein, um infolge des Verdunstungseffektes eine Kühlung des Wälzlagers zu bewirken. Darüber hinaus kann die Füllung auch mit einem bereits bei niedriger Temperatur schmelzenden, d. h. vom festen Aggregatzustand in den flüssigen bzw. den gasförmigen Aggregatzustand übergehenden organischen und/oder anorganischen Feststoff, wie zum Beispiel einem Wachs, einem Kristall oder dergleichen gebildet sein. Beispielsweise kann die Füllung auch mit Kohlendioxid-Eis gebildet sein, das bei einer Temperaturerhöhung zumindest teilweise zu gasförmigem Kohlendioxid verdampft und eine erhebliche Gasdruckerhöhung im Hohlraum des Wälzkörpers erzeugt.
Die Änderung des Aggregatzustandes bzw. der Phasenwechsel der Füllung wird vorzugsweise durch eine Änderung der Wälzlagertemperatur, die sich üblicherweise in einem Bereich zwischen –60°C und +250°C bewegt, hervorgerufen. Darüber hinaus kann eine Änderung des Aggregatzustandes der Füllung auch durch andere physikalische Einflussgrößen, wie beispielsweise die auf das Wälzlager einwirkende mechanische Kraft, die Lagerdrehzahl oder andere Mechanismen definiert ausgelöst werden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Wälzlagers ist vorgesehen, dass die Füllung mit einem duroplastischen Kunststoffmaterial gebildet ist. Hierdurch kann zum Beispiel auf einfache Art und Weise eine dynamische Anpassung der Eigenschaften des Wälzlagers an sich während der Gebrauchsdauer des Wälzlagers verändernde äußere Randbedingungen erfolgen. Befindet sich das Wälzlager beispielsweise nach der Montage in der Einlaufphase, bei der eine Anpassung der Wälzkörper an die Laufbahnen des Innenrings und des Außenrings durch eine plastische Geometrieänderung der Wälzkörper erfolgt, kann eine einmal erreichte Anpassung der Geometrie durch einfaches Aushärten des anfänglich flüssigen duroplastischen Kunststoffmaterials auf einfache Art und Weise dauerhaft konserviert werden. Aufgrund der dann verfestigten Füllung der Wälzkörper erhöht sich zugleich die mechanische Belastbarkeit des Wälzlagers. Die Aushärtung der duroplastischen Füllung kann beispielsweise durch eine Erhöhung der Wälzlagertemperatur, die normalerweise im Dauerbetrieb des Wälzlagers von selbst auftritt, oder durch eine lokal begrenzte Zufuhr von Wärme, zum Beispiel durch eine elektrische Widerstandsheizung oder Infrarotstrahler, bewirkt werden.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des Wälzlagers sieht vor, dass der mindestens eine Wälzkörper mit einem Hohlzylinder, insbesondere durch einen Rohrabschnitt gebildet ist, dessen Endabschnitte jeweils mit einer Scheibe versehen sind. Infolge dieser Ausgestaltung ist eine fertigungstechnisch rationelle und hierdurch kostengünstige Herstellung der Wälzkörper auf der Basis von einfachen Rohrabschnitten in der Großserienfertigung möglich.
Zur Schaffung des hermetisch dichten Hohlraums innerhalb der Wälzkörper ist jeder der beiden Endabschnitte des Hohlzylinders jeweils mit einer Scheibe verschlossen, die mit dem jeweiligen Endabschnitt unter Schaffung einer umlaufenden Fügenaht thermisch zusammengefügt ist. Das thermische Fügen der Scheiben mit dem Hohlzylinder bzw. mit dem Rohrabschnitt kann in Abhängigkeit von den räumlichen Abmessungen der Wälzkörper beispielsweise durch Laserschweißen, Reibschweißen, Reibrührschweißen, Elektronenstrahlschweißen, Lichtbogenschweißen, Hartlöten oder andere thermische Fügeverfahren erfolgen. Die erfindungsgemäß vorgesehene Füllung wird vorzugsweise vor dem Anfügen der letzten Scheibe in den Hohlraum eingebracht.
Alternativ dazu kann der Wälzkörper auch zunächst komplett fertig gestellt werden. Das Einbringen der Füllung erfolgt dann über eine vorzugsweise vorab in mindestens eine Scheibe eingebrachte Einfüllöffnung bzw. Bohrung, die nach dem Befüllen verschlossen wird. Ein nachträgliches Einbringen der bevorzugt zylindrischen Einfüllöffnung bzw. Einfüllbohrung in den bereits hermetisch versiegelten Wälzkörper ist gleichfalls möglich, erfordert jedoch gegebenenfalls das nachträgliche Entfernen etwaiger Späne.
Die bevorzugt dauerhafte Versiegelung der Einfüllöffnung erfolgt gleichfalls durch ein geeignetes thermisches Fügeverfahren. Die Einfüllöffnung kann gegebenenfalls auch wiederverschließbar ausgeführt sein.
Die hohlzylindrischen Wälzkörper weisen unter anderem den Vorteil eines relativ einfachen und kostengünstigen Herstellungsprozesses auf. Darüber hinaus können die hohlzylindrischen Wälzkörper insbesondere hohe radiale Lasten zwischen dem Innenring und dem Außenring übertragen, wobei eine Lasttragfähigkeit im Hinblick auf axiale Lasten eher gering zu bewerten ist.
Gemäß weiterer Ausgestaltungen des Wälzlagers sind die Wälzkörper als Hohlkugel, als Kugelrolle, als Hohlkegel oder als tonnenförmiger Hohlkörper gebildet. Hohlkugelförmige Wälzkörper erlauben sowohl die Übertragung von radialen als auch axialen Lasten, wohingegen hohlkegelförmige Wälzkörper insbesondere im Verhältnis zu hohlzylindrischen Wälzkörpern ein erhöhtes Lastübertragungsvermögen in axialer Richtung aufweisen. Hohl ausgebildete tonnenförmige Wälzkörper gestatten hingegen beispielsweise die Ausführung des erfindungsgemäßen Wälzlagers als so genanntes Pendelrollenlager, das im Betrieb von 0° verschiedene Winkel zwischen der Innenringlängsachse und der Außenringlängsachse erlaubt. Hierdurch kann beispielsweise ein Toleranzausgleich zwischen nicht vollständig zueinander fluchtenden, sich drehenden Bauteilen erreicht werden, die mittels des erfindungsgemäßen Wälzlagers gelagert werden sollen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der beiliegenden Zeichnung an einer bevorzugten Ausführungsform weiter erläutert. Darin zeigt
1 eine Querschnittsdarstellung eines erfindungsgemäßen Wälzlagers mit einem hohlzylindrischen Wälzkörper,
2 eine vergrößerte Darstellung des Ausschnittes II von 1 mit einer duroplastischen, anfänglich noch flüssigen Füllung in den Wälzkörpern, und
3 das Wälzlager nach 2 mit ausgehärteter Füllung.
Detaillierte Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt demnach in einer schematischen Querschnittsdarstellung den Aufbau einer exemplarischen Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Wälzlagers 10. Das Wälzlager 10 umfasst unter anderem einen Innenring 12 und einen Außenring 14, zwischen denen die hier beispielhaft hohlzylindrisch ausgebildeten Wälzkörper 16 angeordnet sind. Die Wälzkörper 16 können, insbesondere zur Sicherstellung eines gleichmäßigen Abstandes zueinander, in einem nicht dargestellten Käfig aufgenommen sein. Der Innenring 12 ist auf einer Welle 18 aufgenommen. Der Außenring 14 dient zur Lagerung eines nicht dargestellten weiteren Bauteils. Die Wälzkörper 16 rollen auf einer Innenlauffläche 20 des Innenrings 12 und einer Außenlauffläche 22 des Außenrings 14 ab.
Die Innenlauffläche 20 und die Außenlauffläche 22 sind jeweils näherungsweise leicht wannenförmig-konkav ausgebildet, damit das Wälzlager 10 zumindest in geringem Umfang Axiallkräfte, die parallel zur Längsachse 24 des Wälzlagers 10 angreifen, aufnehmen kann.
Die hohlzylindrischen Wälzkörper 16 weisen jeweils einen in etwa zylindrischen Hohlraum 26 auf in den hier erfindungsgemäß eine Füllung 28 eingebracht ist. Die Füllung 28 kann aus einer Vielzahl von Materialien bzw. Materialzusammensetzungen gebildet sein, wie eingangs bereits erläutert wurde. Im gezeigten Ausführungsbeispiel der 1 verfügt jeder hohl ausgebildete Wälzkörper 16 über eine Einfüllöffnung 30, die zum Einbringen der Füllung 28 in den Hohlraum 26 dient und die nach dem Abschluss des Einfüllvorgangs beispielsweise durch eine Fügestelle, wie zum Beispiel eine Schweiß- oder Lötstelle, hermetisch versiegelt wird (2). Hierdurch wird verhindert, dass die Füllung 28 aus dem Hohlraum 26 austreten kann. Gleichzeitig wird das Eindringen von Fremdpartikeln und/oder Feuchtigkeit in den Wälzkörper 16 unterbunden.
Die 2 zeigt eine vergrößerte Darstellung des Ausschnittes II aus 1, der lediglich den oberen Wälzkörper 16 zeigt. Das Wälzlager 10 umfasst unter anderem den erfindungsgemäß ausgebildeten Wälzkörper 16, der zwischen dem Innenring 12 und dem Außenring 14 aufgenommen ist. Die Einfüllöffnung 30 ist bereits hermetisch versiegelt bzw. geeignet dauerhaft abgedichtet, so dass die Füllung 28 nicht aus den Hohlräumen 26 des Wälzkörpers 16 austreten kann.
Der Wälzkörper 16 ist im hier gezeigten Ausführungsbeispiel der 2 aus einem Rohrabschnitt 40 (Hohlzylinder) hergestellt worden, an dessen nicht bezeichneten axial gegenüberliegenden Endabschnitten jeweils eine Scheibe 42, 44 zur Schaffung des hermetisch abgeschlossenen Hohlraums 26 angeschweißt ist. Eine nicht bezeichnete Wandstärke des Rohrabschnittes 40 sowie eine gleichfalls nicht mit einer Bezugsziffer versehene Materialstärke der beiden Scheiben 42, 44 sind im gezeigten Ausführungsbeispiel annähernd gleich gewählt, jedoch im Verhältnis zu einem äußeren Wälzkörperdurchmesser 46 vorzugsweise klein bemessen. Hierdurch wird eine Geometrieänderung des Wälzkörpers 16 beim Einwirken entsprechender äußerer Kräfte F erleichtert. Sowohl der Rohrabschnitt 40 als auch die beidseitig angeschweißten Scheiben 42, 44 sind vorzugsweise aus demselben metallischen Material gebildet, das einerseits über eine hinreichende mechanische Belastbarkeit und andererseits über eine ausreichende plastische Verformbarkeit verfügen muss.
Auf den Außenring 14 des Wälzlagers 10 wirkt in dem gezeigten Ausführungsbeispiel eine radiale Kraft 50 ein. Ist die Füllung 28 beispielsweise mit einem anfänglich flüssigen, jedoch durch Temperaturerhöhung aushärtbaren und verfestigbaren duroplastischen Kunststoffmaterial gefüllt, so kann sich der Wälzkörper 16 soweit plastisch verformen, bis die Außenringlauffläche 22 am Wälzkörper 16 im Idealfall vollflächig anliegt und eine maximale Lasttragfähigkeit des Wälzlagers 10 erreicht ist. Dieser Anpassungsvorgang erfolgt beispielsweise nach dem Einbau des Wälzlagers 10 in eine Maschine während der Einlaufphase.
Zur Unterstützung dieses Adaptionsprozesses kann es von Vorteil sein, den Hohlraum 26 nicht vollständig mit dem duroplastischen Kunststoffmaterial zu füllen, so dass sich zumindest ein kleinvolumiges, hier nicht eingezeichnetes, jedoch leicht kompressibles Gaspolster innerhalb des Hohlraums 26 bildet. Im Verhältnis zu einem Gesamtvolumen des Hohlraums 26 weist das Gaspolster ein sehr geringes Volumen auf und wird bei einer aushärtungsbedingten Volumenvergrößerung des duroplastischen Kunststoffmaterials fast vollständig aufgebraucht.
Ausgehend vom flüssigen Zustand kann das die Füllung 28 hier exemplarisch bildende duroplastische Kunststoffmaterial beispielsweise durch die gezielte Zufuhr von Wärme ausgehärtet werden und damit der erreichte Anpassungszustand des Wälzkörpers 16 dauerhaft konserviert werden. Hierbei vollzieht die Füllung 28 einen Wechsel des Aggregatzustandes, d. h. es erfolgt ein Übergang vom flüssigen in den festen Zustand (Phasenwechsel).
Eine Zufuhr der notwendigen Wärme kann beispielsweise durch eine lokal wirkende elektrische Widerstandsheizung oder einen Infrarotstrahler erfolgen. Weiterhin ist es möglich, für den Aushärtungsprozess die innerhalb des Wälzlagers 10 während des Betriebs üblicherweise freiwerdende Reibungswärme zu nutzen, sofern diese zur Initiierung des Aushärtungsprozesses ausreichend ist.
Üblicherweise liegt der Aushärtung von duroplastischen Kunststoffmaterialien eine exotherme chemische Vernetzungsreaktion zugrunde, so dass nach einer einmaligen Initiierung des Aushärtungsprozesses bis zur vollständigen Durchhärtung und Verfestigung der Füllung 28 keine weitere Wärme mehr zugeführt werden muss.
Um die Lasttragfähigkeit weiter zu erhöhen, kann es von Vorteil sein, das zur Bildung der Füllung 28 hier exemplarisch angeführte duroplastische Kunststoffmaterial mit einer geeigneten Armierung, beispielsweise mit kurzen Abschnitten von Verstärkungsfasern und/oder mit mikroskopisch kleinen Hohlkugeln (”Microballons”) zu versehen. Eine Armierung erlaubt es zudem, eine gegebenenfalls unerwünschte Schrumpfung des duroplastischen Kunststoffmaterials und eine hiermit einhergehende Bildung von Kavitäten im Hohlraum 26 des Wälzkörpers 16 infolge des Aushärtungsprozesses zumindest teilweise zu verhindern. Entsprechend kann eine Armierung gegebenenfalls auch eine aushärtungsbedingte Volumenvergrößerung des duroplastischen Kunststoffmaterials nach der Aushärtung, die zu einer undefinierten Geometrieänderung des Wälzkörper 16 infolge des hierdurch im Hohlraum 26 entstehenden Überdrucks führen könnte, zumindest teilweise ausgleichen.
Die 3 zeigt den Ausschnitt des Wälzlagers 10 nach 2 nach dem Abschluss der plastischen Anpassung des Wälzkörpers 16 an die Sollkontur der Außenringlauffläche 22 infolge der Einwirkung der radialen Kraft 50 mit der vollständig ausgehärteten Füllung 28 im Hohlraum 26. Der vollständig ausgehärtete bzw. verfestigte Zustand der Füllung 28 ist hier durch die Kreuzschraffur angedeutet. Wie 3 im Vergleich zur 2 verdeutlicht, ist die Lasttragfähigkeit des Wälzlagers 10 im dargestellten Zustand durch die ausgehärtete Füllung 28 erhöht.
Infolge des vollständig ausgehärteten duroplastischen Kunststoffmaterials ist dieser bereits nach kurzer Einlaufzeit des Wälzlagers 10 erreichte Zustand des Wälzkörpers 16 über die gesamte Gebrauchsdauer des Wälzlagers 10 hinweg dauerhaft manifestiert. Entsprechend kann sich der Wälzkörper 16 auch einer vorgegebenen Sollkontur der Innenringlauffläche 20 des Innenrings 12 anpassen. Darüber hinaus erlauben die hohlen, mit dem Kunststoffmaterial 28 gefüllten Wälzkörper 16 eine Masseverringerung des Wälzlagers 10 im Vergleich zu Wälzlagern mit massiv-metallischen Wälzkörpern. Infolge der reduzierten Masse der Wälzkörper 16 verringert sich auch deren Massenträgheit, wodurch eine maximal zulässige Betriebsdrehzahl des Wälzlagers 10 sowie das Beschleunigungsvermögen des gelagerten Bauteils erhöht werden kann.
Abweichend von der vorstehend lediglich exemplarisch beschriebenen Geometrieänderung des Wälzkörpers 16 und dessen Konservierung durch das anfänglich flüssige, während der Einlaufphase jedoch aushärtende duroplastische Kunststoffmaterial als Füllung 28, kann das Wälzlager 10 durch eine entsprechende Auswahl des Materials bzw. der Materialkomposition der Füllung 28 mit einer Vielzahl anderer und/oder weiterer Funktionalitäten ausgestattet werden.
Wird die Füllung 28 beispielsweise mit einem niedrig schmelzenden Metall oder einer derartigen Metalllegierung gebildet, so kann beispielsweise Wärme, die vom Innenring 12 abgegeben wird, in effektiver Weise über die Wälzkörper 16 an den Außenring 14 abgegeben werden (”Heatpipe”-Effekt). Zur Intensivierung dieses Kühleffektes kann die Füllung 28 beispielsweise mit Kohlendioxid-Eis und/oder einer organischen oder anorganischen Flüssigkeit gebildet sein, die eine niedrige Schmelz- bzw. Siedetemperatur aufweist. Umgekehrt kann für den Fall, dass die Füllung 28 mit einem wärmedämmenden Kunststoffmaterial gebildet ist, eine thermische Isolation zwischen dem Innenring 12 und dem Außenring 14 geschaffen werden.
Eine Füllung 28 aus einem thermoplastischen Kunststoffmaterial kann darüber hinaus beispielsweise die federnd-elastischen Eigenschaften und/oder die akustischen Eigenschaften der Wälzkörper 16 (Laufgeräusche) verändern und unter Umständen zugleich deren Masse verringern. Infolge der Masseverringerung der Wälzkörper 16 reduziert sich auch das Trägheitsmoment des gesamten Wälzlagers, so dass höhere Betriebsdrehzahlen bei einem zugleich geringen Verschleiß erreichbar sind. Darüber hinaus kann die Füllung 28 aus einem Stoffgemisch gebildet sein, um beispielsweise bestimmte, unterschiedliche physikalische Eigenschaften von zwei Stoffen in einer Füllung 28 in vorteilhafter Weise zu kombinieren.
Bezugszeichenliste

10: Wälzlager
12: Innenring
14: Außenring
16: Wälzkörper
18: Welle
20: Innenringlauffläche
22: Außenringlauffläche
24: Längsachse des Wälzlagers
26: Hohlraum des Wälzkörpers
28: Füllung des Wälzkörpers
30: Einfüllöffnung
40: Rohrabschnitt eines Wälzkörpers
42: Scheibe am Wälzkörper
44: Scheibe am Wälzkörper
46: Äußerer Wälzkörperdurchmesser
50: Kraft F (radial einwirkend)

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 10149833 A1 [0002]
DE 566062 A [0003]
DE 102007062391 A1 [0004]
DE 102007060621 A1 [0005]
DE 102004026246 A1 [0006]
FR 946559 A [0007]
DE 102008053444 A1 [0008]

Claims

Wälzlager (10) mit mindestens einem Innenring (12) und einem Außenring (14), wobei zwischen den beiden Lagerringen (12, 14) mehrere Wälzkörper (16) angeordnet sind, und mindestens ein Wälzkörper (16) einen hermetisch versiegelten Hohlraum (26) aufweist, in den eine Füllung (28) eingebracht ist, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Füllung (28) zumindest teilweise im festen Aggregatzustand befindet und den Hohlraum (26) zumindest teilweise einnimmt.
Wälzlager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Füllung (28) zumindest teilweise im flüssigen Aggregatzustand befindet.
Wälzlager nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Füllung (28) teilweise im gasförmigen Aggregatzustand befindet.
Wälzlager nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zum Modifizieren mindestens einer physilcalischen Eigenschaft des Wälzlagers (10) der Aggregatzustand der Füllung (28) in Abhängigkeit von einem Betriebszustand des Wälzlagers (10) einen reversiblen oder einen irreversiblen Wechsel vollzieht.
Wälzlager nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Füllung (28) in Abhängigkeit von der Temperatur des Wälzlagers (10) einen reversiblen oder einen irreversiblen Wechsel seines Aggregatzustands vollzieht.
Wälzlager nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Füllung (28) mit einem thermoplastischen oder duroplastischen Kunststoffmaterial gebildet ist.
Wälzlager nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Wälzkörper (16) aus einem Hohlzylinder (40) gebildet ist, dessen Endabschnitte jeweils mit einer Scheibe (42, 44) verschlossen sind.
Wälzlager nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Wälzkörper als eine Hohlkugel ausgebildet ist.
Wälzlager nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Wälzkörper als ein Hohlkegel ausgebildet ist.
Wälzlager nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Wälzkörper (16) als ein tonnenförmiger Hohlkörper ausgebildet ist.