-
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Lagerkäfig für Wälzlager, insbesondere einen aus einem titanhaltigen Werkstoff gefertigten Lagerkäfig.
-
Lagerkäfige für Wälzlager bestehen im Allgemeinen aus zwei in einem axialen Abstand angeordneten Seitenringen und mehreren, diese Seitenringe verbindenden und 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 können unter Umständen auch chemische Einwirkungen durch bestimmte Zusätze und Substanzen kommen. Formgebung und Werkstoffwahl sind deshalb für eine Funktionstüchtigkeit des Käfigs ebenso wie für eine Betriebszuverlässigkeit des Lagers, insgesamt von entscheidender Bedeutung.
-
Typischerweise umfassen Wälzlagerkäfige 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.
-
Kunststoffmassivkäfige, die oftmals mittels Spritzgussverfahren gefertigt werden, zeichnen sich durch eine günstige Kombination von Festigkeit und Elastizität aus. Bei Kunststoffen für herkömmlich gespritzte Wälzlagerkäfige kann es sich beispielsweise um Polyamid 66, Polyamid 46, Polyetheretherketon (PEEK), Phenolharz oder auch einen anderen Polymerwerkstoff handeln. 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.
-
Auch im Rennsportbereich, bei dem Wälzlager aufgrund hoher gefahrener Geschwindigkeiten, hoher Beschleunigungen und/oder massiven Fliehkräften besonders hohen Anforderungen in Bezug auf Festigkeit und Hitzebeständigkeit unterliegen, werden bisher vorzugsweise Wälzlagerkäfige aus hochtemperaturfestem Polymer verwendet. Bei besonderen Anforderungen in Bezug auf Hitzebeständigkeit werden aber bislang dennoch auch im Rennsportbereich Stahlkäfige eingesetzt, die hinsichtlich Masse und Gewicht zwar erhebliche Nachteile gegenüber Kunststoffkäfigen aufweisen, demgegenüber jedoch weitaus temperaturfester sind. Gerade Gewicht ist im Rennsport ein enorm wichtiger Faktor, der bei heutigen Leistungsdichten über Sieg oder Niederlage zu entscheiden vermag.
-
Im Stand der Technik sind derzeit keine Lagerkäfige bekannt, die die positiven Eigenschaften von Kunststoffkäfigen in Hinblick auf Gewichtsersparnis mit denen von Stahlkäfigen in Hinblick auf Festigkeit und Hitzebeständigkeit vereinen.
-
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, neue Wälzlagerkäfige, insbesondere für den Rennsportbereich, bereitzustellen, welche die positiven Eigenschaften von Kunststoffkäfigen und Stahlkäfigen in sich vereinen.
-
Es ist eine Erkenntnis der vorliegenden Erfindung, dass diese Problematik durch die Verwendung anderer als den bisher für Wälzlagerkäfige verwendeten Werkstoffen erreicht werden kann. Es ergibt sich ein besonders vorteilhafter, neuartiger Wälzlagerkäfig, wenn zu dessen Herstellung ein titanhaltiges Material verwendet wird, d. h. ein Material was einen signifikanten Titananteil von über 10%, bevorzugt über 50% und noch bevorzugter über 80% aufweist. Insbesondere die gebräuchlichste Titanlegierung TiAl6V4 ist auch in einem hohen Temperaturbereich hochfest und lässt sich – ähnlich wie Hochleistungspolymere – mechanisch relativ gut bearbeiten, wie z. B. fräsen, wodurch sie gut für die Herstellung von neuartigen Wälzlagerkäfigen geeignet ist.
-
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung umfassen einen Wälzlagerkäfig mit zwei in einem axialen Abstand angeordneten Seitenringen und diese verbindende, in einer Umfangsrichtung des Lagerkäfigs hintereinander angeordnete Stege, welche paarweise Taschen zur Aufnahme von Wälzkörpern bilden. Gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung ist dieser Wälzlagerkäfig aus einem titanhaltigen Werkstoff gefertigt, der in seiner Zusammensetzung beispielsweise über 10% Titan aufweist. Beispielsweise kann der Wälzlagerkäfig zu dessen Herstellung aus dem titanhaltigen Material gefräst oder geräumt werden. Idealerweise wird der Lagerkäfig dabei einstückig aus dem titanhaltigen Werkstoff gefertigt. Somit können besonders hohe mechanische Festigkeiten und/oder Temperaturbeständigkeiten des Lagerkäfigs erzielt werden, wie sie beispielsweise vom Rennsport gefordert werden.
-
Obwohl grundsätzlich eine Vielzahl titanhaltiger Werkstoffe, insbesondere Titanlegierungen, als Käfigmaterial infrage kommt, kann der titanhaltige Werkstoff, aus dem der Lagerkäfig gefertigt ist, vorzugsweise Titanium (TiAl6V4) sein. Die Legierung TiAl6V4 ist die meist verwendete hochfeste Titanlegierung. Ihre Dichte, Festigkeit und bemerkenswerte Korrosionsbeständigkeit machen diese Legierung zu einem geeigneten Leichtbauwerkstoff für hochbeanspruchte Wälzlagerkäfige. Insbesondere aufgrund der Festigkeit von TiAl6V4 eignet sich dieser Werkstoff auch vorteilhaft zum Fräsen oder Räumen von einstückigen Wälzlagerkäfigen. Weiterhin sind mit TiAl6V4 verschiedene zusätzliche Oberflächenbehandlungen möglich, um anwendungsspezifische Anforderungen zu erfüllen.
-
Der Werkstoff Titan und seine Legierungen bringt im Vergleich zu herkömmlich gebräuchlichen Käfigmaterialien vor allen Dingen den Vorteil einer höheren Steifigkeit bei gleichzeitig niedrigerem spezifischem Gewicht. Dies bedeutet für mechanisch bearbeitete Wälzlagerkäfige, dass eine Wandstärke der Stege zwischen den Wälzkörpertaschen reduziert werden kann, ohne dass dabei die Festigkeit oder die Bearbeitbarkeit der Wälzlagerkäfige leidet.
-
Eine mögliche Taschenanzahl eines Wälzlagerkäfigs wird bestimmt von dem Teilkreisumfang (der Teilkreis ist der fiktive Kreis, der durch die Mitte der Rollkörper verläuft) und der pro Wälzkörper erforderlichen Lagerkäfigteillänge. Im Vergleich zu herkömmlichen Lagerkäfigwerkstoffen kann eine Stegstärke für Titanlegierungen erheblich kleiner sein, so dass mit Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung bei gleicher Teilkreis- und/oder Lagerinnenringumfang eine beträchtlich höhere Anzahl von Wälzkörpern in dem Lagerkäfig untergebracht werden kann. Gemäß Ausführungsbeispielen kann die Anzahl von Wälzkörpern bei einem sonst gleichgroßen Lagerkäfig mit zunehmendem Titananteil um bis zu 30% erhöht werden, was zu wesentlich höheren möglichen Lastaufnahmen der Wälzlagerkäfige führt.
-
Ausführungsbeispiele umfassen zudem auch ein Verfahren zum Herstellen eines Lagerkäfigs für ein Wälzlager mit zwei in einem axialen Abstand angeordneten Seitenringen und diese verbindende, in einer Umfangsrichtung des Lagerkäfigs hintereinander angeordnete Stege, welche paarweise Taschen zur Aufnahme von Wälzkörpern bilden, wobei das Verfahren einen Schritt des Bereitstellens eines titanhaltigen Werkstoffes, wie z. B. einer Titanlegierung, und einen Schritt des Fertigens des Lagerkäfigs aus dem titanhaltigen Werkstoff umfasst.
-
Dabei kann der Wälzlagerkäfig beispielsweise einstückig mittels Fräsen oder Räumen hergestellt werden. Aufgrund der höheren Festigkeit des titanhaltigen Werkstoffs lässt sich das Fräsen und/oder Räumen des Lagerkäfigs bzw. dessen Käfigstrukturen besser durchführen als mit herkömmlichen Käfigwerkstoffen, wie z. B. Kunststoff.
-
Bei der Herstellung gefräster Lagerkäfige ist der Schritt des Fräsens im Allgemeinen ein erheblicher Kostenfaktor. Da es nun kaum darauf ankommt, welche Art Werkstoff gefräst wird, sind die Kosten für einen gefrästen titanhaltigen Käfig nicht, oder nur unwesentlich höher als bei herkömmlichen Kunststoff-Lagerkäfigen.
-
Vorteilhafte Weiterbildungen und bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der nachfolgenden detaillierten Beschreibung sowie der abhängigen Ansprüche.
-
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden bezugnehmend auf die beiliegenden Figuren nachfolgendend näher erläutert. Es zeigen:
-
1 eine Draufsicht auf einen Teil eines Titan-Lagerkäfigs gemäß einem Ausführungsbeispiel; und
-
2a–c perspektivische Ausschnittsdarstellungen von Titan-Lagerkäfigen gemäß Ausführungsbeispielen.
-
Die 1 zeigt eine Draufsicht auf einen Teil eines Lagerkäfigs 10, welcher aus einem titanhaltigen Werkstoff gefertigt ist.
-
Der Lagerkäfig 10 weist zwei in einem axialen Abstand d (d. h. in Richtung einer Käfigrotationsachse 14) angeordnete Seitenringe 11a, 11b auf. Die Seitenringe 11a, 11b sind durch in einer Tangential- oder Umfangsrichtung des Lagerkäfigs 10 hintereinander angeordnete Stege 12, welche paarweise Taschen 13 zur Aufnahme von (nicht dargestellten) Wälzkörpern bilden, miteinander verbunden.
-
Wie es aus der 1 zu erkennen ist, ist der Wälzlagerkäfig 10 einstückig aus dem titanhaltigen Werkstoff gefertigt. Dazu kann der Lagerkäfig 10 im Ganzen aus einem titanhaltigen Werkstück beispielsweise gefräst oder geräumt werden.
-
„Titanhaltig” ist im Vorliegenden so zu verstehen, dass Wälzlagerkäfigmaterial bzw. der Wälzlagerkäfigwerkstoff einen Titan-Anteil aufweist, der über 10%, bevorzugt über 50% und noch bevorzugter über 80% liegt, wobei unter Anteil ein Stoffmengen-, Volumen- und/oder Gewichtsanteil verstanden werden kann. Vorzugsweise weist der titanhaltige Werkstoff, aus dem der Lagerkäfig 10 gefertigt ist, eine Titanlegierung auf. Insbesondere aber nicht ausschließlich kann es sich dabei um den gängigsten titanhaltigen Werkstoff Ti-6Al-4V (6% Aluminium, 4% Vanadium) handeln. In anderen Worten ausgedrückt kann der Wälzlagerkäfig 10 also einstückig aus Ti-6Al-4V mittels eines Fräs- oder Räumverfahrens gefertigt sein.
-
Die mögliche Anzahl von Wälzkörpertaschen 13 in einem Lagerkäfig wird allgemein bestimmt von einem Teilkreisumfang DPL und einer pro Wälzkörper, wie z. B. einer Zylinderrolle, erforderliche Käfigteillänge SDW (siehe 2a). Die Käfigteillänge SDW ergibt sich aus einem Wälz- oder Rollkörperdurchmesser DW, einem zugehörigen sogenannten Taschenspielfaktor TF, sowie aus einer Stegstärke SDB eines Verbindungsstegs 12. Die mögliche Anzahl z von Wälzkörpertaschen 13 in einem Lagerkäfig kann somit bestimmt werden gemäß z = DPL/SDW, mit SDW = DW·TF + SDB. (1)
-
Die Stegstärke SDB der Verbindungsstege 12 kann für titanhaltige Werkstoffe aufgrund ihrer erhöhten Festigkeit erheblich kleiner gewählt werden als für bisher bekannte Lagerkäfigwerkstoffe. Aus diesem Grund kann man bei Ausführungsbeispielen – je nach Titan-Anteil – eine um bis zu 30% höhere Anzahl z an Wälzkörpertaschen 13 bei ansonsten gleichbleibenden Lagerkäfigparametern DPL, DW und TF unterbringen, d. h. z < zTi ≤ 1.3z, wobei z eine herkömmliche Taschenanzahl und zTi eine Taschenanzahl bei Verwendung eines titanhaltigen Lagerkäfigwerkstoffs bedeuten.
-
Wie es im Vorhergehenden bereits beschrieben wurde, ergeben sich durch die Verwendung des titanhaltigen Lagerkäfigwerkstoffs, wie z. B. eine Titanlegierung, eine bessere mechanische Bearbeitbarkeit des daraus resultierenden Lagerkäfigs. Das heißt, der Lagerkäfig 10 kann durch die erhöhte Festigkeit des titanhaltigen Werkstoffs beispielsweise besser gefräst oder geräumt werden als herkömmliche Kunststoffkäfige. Diese bessere Bearbeitbarkeit bedeutet, dass trotz dünnerer Wand- bzw. Stegstärken die gleichen Maßtoleranzen eingehalten werden können, da sich durch die höhere Steifigkeit weniger Materialverformungen durch auftretende Fräs- oder Räumkräfte ergeben.
-
Die 2a zeigt eine vergrößerte perspektivische Ansicht des Titan Wälzlagerkäfigs 10. Die Stärke SDB der Verbindungsstege 12 kann im Verhältnis zu einer Käfigtaschen- bzw. Wälzkörperlänge LW spezifiziert werden, um eine Machbar- bzw. Herstellbarkeit des Titan-Wälzlagerkäfigs 10 mit ausreichender Genauigkeit zu gewährleisten. Der Betrag der Stegstärke SDB der Verbindungsstege 12 kann für einen Titan-Lagerkäfig 10 basierend auf SDB = 0.5 – 1/LW (2) angegeben werden, wenn man in Gl. (2) bei LW deren Einheit, wie z. B. Millimeter (mm), unberücksichtigt lässt. Für die ermittelte Stegstärke SDB kann dann dieselbe Einheit wie für LW angenommen werden. Für Rennanwendungen ist die Käfigtaschenlänge LW entsprechend verwendeter Wälzkörperlängen auf in etwa 3 bis 15 mm festzulegen. Der Wertebereich für dazu entsprechende Stegstärken ergibt SDB sich somit für Titan-Wälzlagerkäfig zu 0.25 ≤ SDB ≤ 0.45 mm. Für vergleichbare gefräste Käfige aus unvergütetem Stahl oder Polymeren (auch verstärkt) sind hingegen lediglich Stegstärken von wenigstens 0.8 mm realisierbar. Daraus lässt sich erkennen, dass der Werkstoff Titan insbesondere bei einer Herstellung durch Fräsen oder Räumen Vorteile bringt, da es durch dessen Festigkeit auch bei vergleichsweise geringen Materialstärken noch zu keinen unerwünschten Verformungen durch Fräskräfte kommt.
-
Die realisierbare Stärke SDB der Verbindungsstege 12 hängt sowohl von der Größe des Käfigs 10, dargestellt durch den Teilkreisdurchmesser die DPL als auch von der Taschenanzahl z und der Taschengröße in Umfangsrichtung, dargestellt durch den Rollendurchmesser DW, ab. Basierend auf Gleichung (1) kann die Abhängigkeit der Stegstärke SDB von diesen Größen auch gemäß SDB = (DPL – (z·Dw·TF))/z (3) ermittelt werden, wobei TF wieder den Taschenspielfaktor bedeutet, der für Titan-Wälzlagerkäfigs eine Wertebereich von 1.02 ≤ TF ≤ 1.04 annehmen kann.
-
Die Taschenöffnung bzw. das Taschenöffnungsmaß SÖ, welches in 2b dargestellt ist, bedingt die Haltekräfte der Wälzkörper im Lagerkäfig 10 und sollte auf den verwendeten Lagerkäfigwerkstoff angepasst werden. Für den Werkstoff Ti-6Al-4V hat sich ein Taschenöffnungsmaß SÖ in einem Bereich von 0.99DW ≤ SÖ ≤ 0.998DW als sinnvoll und besonders vorteilhaft erwiesen.
-
Ein weiteres Merkmal eines Lagerkäfigs ist die Wandstärke der Verbindungsstege 12 zwischen denen Taschen 13 in einem Bereich 21 an den Taschenecken (siehe 2c). In diesem Bereich 21 (1: Schnittebene BB), in dem die Verbindungsstege 12 jeweils in die Seitenringe 11a, b münden, werden die Wandstärken der Verbindungsstege 12 aufgrund einer Wälzkörpergeometrie, wie beispielsweise bei Zylinderrollen, oftmals dünner ausfallen als die Verbindungsstegstärke in der Mitte der Verbindungsstege 12 (siehe 1: Schnittebene AA). Die Wandstärke in den Eckbereichen 21 der Verbindungsstege 12 kann bei Ausführungsbeispielen von Titan-Wälzlagerkäfigen gemäß SDB = (DPL – (z·Dw·FTR))/z (4) ermittelt werden, wobei FTR einen Tascheneckenfaktor bedeutet, der für Titan-Wälzlagerkäfigs eine Wertebereich von 1.04 ≤ FTR ≤ 1.07 annehmen kann.
-
Aus den oben dargestellten Zusammenhängen wird deutlich, dass mit Ausführungsbeispielen von Titan-Wälzlagerkäfigen aufgrund deren höherer Festigkeit wesentlich dünnere Verbindungsstege 12 im Vergleich zu herkömmlichen Metall- oder Kunststoff-Lagerkäfigen erzielt werden können. Durch die höhere Festigkeit von Titan bzw. Titanlegierungen ergibt sich während der Herstellung eine bessere Bearbeitbarkeit, so dass trotz dünnerer Wandstärken immer noch die gleichen Maßtoleranzen eingehalten werden können, ohne dass sich während der Bearbeitung Verformungen durch Fräs- und/oder Räumkräfte ergeben.
-
Die dünneren Stegbreiten SDB führen wiederum zu einer erhöhten Anzahl z von möglichen Wälzkörpern bei ansonsten gleichen Lagerkäfigdimensionen wie bei vergleichbaren herkömmlichen Wälzlagerkäfigen. Durch die erhöhte Anzahl von Wälzkörpern kann insgesamt eine Tragfähigkeit eines Titan-Wälzlagerkäfigs gegenüber herkömmlichen Lagerkäfigen aus Stahl oder Kunststoff erhöht werden, was insbesondere den hohen Belastungen im Rennsport Rechnung tragen kann.
-
Der Werkstoff Titan bzw. seine Legierungen bringen im Vergleich zu herkömmlichen Käfigmaterialien vor allen Dingen den Vorteil einer höheren Steifigkeit bei niedrigerem spezifischem Gewicht. Das bedeutet für mechanisch bearbeitete Wälzlagerkäfige, dass die Stege zwischen den Taschen in der Wandstärke reduziert werden können, ohne dass Festigkeit oder Bearbeitbarkeit leidet.
-
Bezugszeichenliste
-
- 10
- Lagerkäfig aus titanhaltigem Material
- 11a, b
- Seitenringe
- 12
- Verbindungssteg
- 13
- Tasche für Wälzkörper
- 14
- Käfigrotationsachse
- 21
- Eckbereich
