DE102011075049A1

DE102011075049A1 - Lagerring für ein Wälzlager

Info

Publication number: DE102011075049A1
Application number: DE102011075049A
Authority: DE
Inventors: Sven Claus
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2011-05-02
Filing date: 2011-05-02
Publication date: 2012-11-08

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Lagerring für ein Wälzlager, umfassend einen Laufbahnring (6), der eine Laufbahn (7) für Wälzkörper (4) aufweist. Die Aufgabe, eine einfache Möglichkeit anzugeben, um bei einem Blockieren eines Wälzlagers zumindest kurzzeitig die Funktion der drehenden Lagerung aufrechtzuerhalten, wird für den eingangs genannten Lagerring erfindungsgemäß gelöst durch einen Trägerring (5), der mit dem Laufbahnring (6) einen festen Verbund ausbildet, wobei an oder in dem Trägerring (5) eine in Umfangsrichtung umlaufende, in radialer Richtung begrenzte Zwischenschicht (8) ausgebildet ist, die ein Gleitmaterial enthält.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft einen Lagerring nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 für ein Wälzlager, sowie ein Wälzlager nach Anspruch 9.
Aus dem Stand der Technik sind Wälzlager mit ggf. käfiggeführten Wälzkörpern bekannt, wobei das Wälzlager eine drehbare Lagerung beispielsweise einer Welle an einer feststehenden Lageraufnahme ermöglicht.
Aus der Praxis ist ferner bekannt, dass die Drehbewegung bzw. die Umlaufbewegung der Wälzkörper durch Fremdkörper, beispielsweise Abrieb, gestört werden kann, so dass das Wälzlager die drehbare Lagerung der Welle nicht mehr sicherstellt und blockiert. Dabei wird das Wälzlager sehr schnell zerstört. Zudem wird die Anlage, in die das Wälzlager eingebaut ist, beschädigt; beispielsweise kann ein Walzwerk oder eine Druckmaschine als Anlage insgesamt ausfallen.
DE 24 18 056 A1 beschreibt ein Wälzlager mit einem inneren und einem äußeren Lagerring und zwischen den beiden Lagerringen angeordneten Wälzkörpern. Der innere und der äußere Lagerring ist jeweils als Laufbahnring ausgebildet und weist eine Laufbahn auf, auf der die Wälzkörper abrollen. Tritt ein Fremdkörper zwischen die Lagerringe ein, so dass mindestens einer der Wälzkörper in der Bewegung gehemmt wird, so dass das Wälzlager blockiert, ist vorgesehen, dass ein Hilfswälzlager die Funktion der drehenden Lagerung übernimmt. Das Hilfswälzlager umfasst eine Reihe von Hilfswälzkörpern, die zwischen der Stirnfläche des inneren Lagerrings und einem Zusatzring, der an dem äußeren Lagerring befestigt ist, abrollen, wobei eine hydraulische Vorrichtung vorgesehen ist, die das Hilfswälzlager in Funktion setzt und dazu den inneren Lagerring verschiebt, so dass ein Kontakt zwischen der Stirnfläche des inneren Lagerrings, den Hilfswälzkörpern und dem Zusatzring entsteht. Blockiert das Wälzlager plötzlich, muss das Hilfswälzlager betätigt werden, was bei einem kurzfristigen Ausfall des Lagers ungünstig ist.
Aufgabe der Erfindung
Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine einfache Möglichkeit anzugeben, um bei einem Blockieren eines Wälzlagers zumindest kurzzeitig die Funktion der drehenden Lagerung aufrechtzuerhalten.
Zusammenfassung der Erfindung
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Wälzlager mit einem Lagerring gelöst, der einen Trägerring umfasst, der mit dem Laufbahnring einen festen Verbund ausbildet, wobei an oder in dem Trägerring eine in Umfangsrichtung umlaufende, in radialer Richtung begrenzte Zwischenschicht ausgebildet ist, die ein Gleitmaterial enthält.
Der feste Verbund aus dem Trägerring und dem Lagerring stellt die Funktion des Wälzlagers im normalen Betrieb sowie die Montierbarkeit des Wälzlagers sicher. Blockiert das Wälzlager, treten in dem Lagerring Spannungen insbesondere auch tangential zu der Umfangsrichtung auf, so dass die Zwischenschicht sich kontrolliert löst, sobald die Tangentialspannungen in der Zwischenschicht einen kritischen Wert überschreiten, und der Schmierstoff einen Betrieb des blockierten Wälzlagers durch eine gleitende Lagerung im Bereich der Zwischenschicht mindestens so lange kurzfristig sicherstellt, bis das Wälzlager bzw. nur der Laufbahnring ausgetauscht werden können. Die in radialer Richtung, bezogen auf die Drehachse, begrenzte Zwischenschicht gibt dabei eine sich in Umfangsrichtung, konzentrisch zu der Drehachse, sich erstreckende Sollbruchlinie vor, entlang derer der Verbund aus dem blockierenden Laufbahnring und dem Trägerring aufbricht und eine gleitende Lagerung ausgebildet wird, die Kräfte in radialer Richtung und ggf. auch in axialer Richtung aufnehmen kann. Diese gleitende Lagerung tritt insbesondere dann auf, wenn das Wälzlager bei hohen Lagerkräften sehr kurzfristig blockiert und weiterhin hohe Lagerkräfte einwirken.
Die Zwischenschicht kann innerhalb des Trägerrings, also radial zwischen den beiden Mantelflächen des Trägerrings, vorgesehen sein, oder an der von der Laufbahn fort weisenden Mantelfläche des Trägerrings.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Zwischenschicht zwischen dem Trägerring und dem Laufbahnring angeordnet ist. Blockiert der Lagerring des Wälzlagers, tritt eine nur begrenzte Beschädigung des Laufbahnrings ein, der von der Drehbewegung mitgenommen wird. Der Laufbahnring kann dabei aus einem Material wie einem Stahl, beispielsweise einem Wälzlagerstahl, oder einer Keramik hergestellt sein und ggf. wiederverwendet werden. Der Trägerring kann aus einem preiswerten, im Gleitbetrieb nicht zu schnell verschleißenden Material ausgebildet sein und soll bei der gleitenden Lagerung möglichst nicht oder nur unwesentlich abgetragen werden. Bei der Herstellung des festen Verbundes aus dem Laufbahnring und dem Trägerring lässt sich die Zwischenschicht zwischen den beiden Teilen leicht anordnen und vermittelt die Haftung der beiden Teile aneinander.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass der Trägerring aus einem harzgetränkten gewickelten Fasermaterial gebildet ist. Bei dem Wickeln des Fasermaterials lässt sich die Zwischenschicht leicht erzeugen, beispielsweise, indem während des Wickelprozesses oder nach Abschluss des Wickelprozesses das Material des Schmiermittels zugegeben wird und dann der Verbund mit dem Laufbahnring hergestellt wird. Alternativ hierzu kann vorgesehen sein, das harzgetränkte, ggf. mit Partikeln eines Festschmierstoffes versehene Fasermaterial zuerst auf den Laufbahnring zu wickeln, und dann später den Wickelvorgang ohne die Partikel des Festschmierstoffes, ggf. mit einem anderen Material des Harzes oder des Faserstoffes, fortzusetzen, wobei ein Trocknungsschritt zwischengeschaltet sein kann.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Zwischenschicht einen Schmierstoff, insbesondere einen Festschmierstoff in Form von Partikeln, insbesondere in Form von Mikro- oder Nanopartikeln, umfasst. Der Festschmierstoff kann durch Partikel aus beispielsweise Graphit, Molybdändisulfid oder Wolframdisulfid bzw. Polytetrafluoroethylen (PTFE) gebildet sein, die als Partikel dem Material der Zwischenschicht, beispielsweise einem Kunststoff oder einem Harz, die beide spröde Materialeigenschaften aufweisen, zugegeben werden. Die Partikel schwächen die Festigkeit der Zwischenschicht, die dann bei dem Blockieren des Lagers leicht brechen kann.
Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass die Zwischenschicht aus einem ausgehärteten, faserverstärkten Kunststoff ausgebildet ist, wobei der Festschmierstoff in den Kunststoff, insbesondere in das ausgehärtete Harz, eingelagert ist. Die Zwischenschicht umfasst dabei ein zwei- oder dreidimensionales Gewebe aus Fasern, die der Zwischenschicht Festigkeit und Verschleißbeständigkeit verleihen, wobei der Kunststoff, speziell das ausgehärtete Harz, die Verbindung zwischen der Zwischenschicht und den angrenzenden Abschnitten des Lagerrings sowie den Verbund der Fasern untereinander herstellt. Der Kunststoff bzw. das Harz nimmt weiter die darin dispergierten Partikel des Festschmierstoffs auf, die die Gleiteigenschaften der Zwischenschicht verbessern sollen.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass eine radiale Erstreckung der Zwischenschicht weniger als ca. ein Siebtel der radialen Erstreckung des Lagerrings beträgt. Aufgrund der nur geringen radialen Erstreckung bildet sich im Fall des Blockierens eine gut definierte in Umfangsrichtung verlaufende Bruchlinie, die die gleitende Lagerung sicherstellt. Die Dicke, also die radiale Erstreckung, der Zwischenschicht beträgt dabei ca. 0,1 bis ca. 5,0 Millimeter, abhängig vom Anwendungsfall und den zu erwartenden Belastungen.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass eine radiale Erstreckung des Trägerrings größer als eine radiale Erstreckung des Laufbahnrings ist. Der Trägerring ist dabei dicker, ggf. deutlich dicker als der Laufbahnring, der aus einem aufwendig zu verarbeitenden Material wie Keramik bestehen kann und im Fall des Blockierens des Lagerrings wiederverwendet werden könnte.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Zwischenschicht eine Grenzfläche mit dem angrenzenden Abschnitt des Laufbahnrings ausbildet. Die Grenzfläche bildet eine scharfe Berandung der Zwischenschicht aus, wobei entlang der Grenzfläche der Verbund reißen und die gleitende Lagerung ausgebildet werden kann.
Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen sowie aus der folgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung.
Die Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die anliegende Zeichnung näher beschrieben und erläutert.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt schematisch eine teilweise geschnittene Ansicht eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Lagerrings.
Detaillierte Beschreibung der Zeichnung
1 zeigt ein Wälzlager 1 mit einem äußeren Lagerring 2, einem inneren Lagerring 3 sowie einem kugelförmigen Wälzkörper 4 aus einer Keramik.
Der äußere Lagerring 2 umfasst einen Trägerring 5, einen Laufbahnring 6 mit einer Laufbahn 7, auf der der Wälzkörper 4 abrollt, sowie eine Zwischenschicht 8, wobei der äußere Lagerring 2 als fester Verbund ausgebildet ist, der den Trägerring 5 und den Laufbahnring 6 umfasst. Die Zwischenschicht 8 ist zwischen dem Trägerring 5 und dem Laufbahnring 6 und insbesondere an dem Trägerring 5 ausgebildet. Die Zwischenschicht 8 umläuft eine Drehachse 9 des Wälzlagers 1 und ist konzentrisch zu dieser Drehachse 9 ausgebildet. Die Zwischenschicht 8 ist in radialer Richtung, also senkrecht zu der Erstreckung der Drehachse 9, begrenzt ausgebildet und bildet mit dem Trägerring 5 eine erste Grenzfläche 10 und mit dem Laufbahnring 6 eine zweite Grenzfläche 11 aus. Eine radiale Erstreckung der Zwischenschicht 8, also die Dicke der Zwischenschicht 8 in einer Richtung senkrecht zu der Drehachse 9, beträgt weniger als ca. ein Siebtel der Erstreckung des äußeren Lagerrings 2, also des Verbundes aus dem Trägerring 5, dem Laufbahnring 6 mit der Zwischenschicht 8 und somit weniger als ca. ein Siebtel der Wandstärke des äußeren Lagerrings 2. Die Zwischenschicht weist eine Dicke von ca. 0,1 bis ca. 5,0 mm auf, in dem dargestellten Ausführungsbeispiel eine Dicke von ca. 1,0 mm. Die Zwischenschicht 8 erstreckt sich entlang der gesamten axialen Erstreckung des äußeren Lagerrings 2, also in Richtung parallel zu der Drehachse 9, und hält einen konstanten Abstand zu der Drehachse 9 ein. Eine radiale Erstreckung des Trägerrings 5 ist größer als eine radiale Erstreckung des Laufbahnrings 6.
Der Laufbahnring 6 ist aus einer Keramik ausgebildet, in die die Laufbahn 7 für den Wälzkörper 4 eingearbeitet ist. Der Laufbahnring 6 weist eine glatte äußere Mantelfläche auf, an der die Zwischenschicht 8 anliegt. Der Trägerring 5 ist aus einem erhärteten, harzgetränkten Fasermaterial gebildet und als Wickelkörper ausgestaltet, der, unter Vermittlung der zwischengeschalteten Zwischenschicht 8, mit dem Laufbahnring 6 fest verbunden ist. Als Fasermaterial ist beispielsweise Aramid, Kohlenstoff oder Glas vorgesehen, als Harz ein Epoxid- oder ein Phenolharz oder eine Mischung dieser beiden Harzsorten. Dem Harz können Zusatzstoffe beigemischt sein, beispielsweise Partikel wie Keramikpartikel, Glaspartikel mit Abmessungen von mehreren Nanometern oder nanometergroße Kohlenstoffröhrchen.
Die Zwischenschicht 8 ist als erhärtetes, harzgetränktes Fasermaterial ausgebildet, dem als Gleitmaterial lange PTFE-Fäden als Fasern sowie kleinere PTFE-Partikel als Zusatzstoff zugegeben wurde, wobei die Konzentration der PTFE-Fäden sowie der PTFE-Partikel in der Zwischenschicht 8 deutlich höher ist als in dem Material des Trägerrings 5. Bei der Herstellung der Zwischenschicht 8 wird diese zusammen mit dem Trägerring 5 in einem kontinuierlichen Wickelprozess hergestellt, wobei nach dem Wickeln des Trägerrings 5 zu einem bestimmten Zeitpunkt zusätzlich PTFE-Fäden sowie zusätzlich PTFE-Partikel zugeführt werden, so dass sich die erste Grenzfläche 10 zu dem Trägerring 5 ergibt, zugleich aber der Trägerring 5 mit der Zwischenschicht 8 als homogener, einteiliger Wickelkörper herstellen lässt. Die Konzentration der PTFE-Fäden sowie der PTFE-Partikel in der Zwischenschicht 8 nimmt zu der zweiten Grenzfläche 11 mit dem Laufbahnring 6 hin zu und ist unmittelbar an der zweiten Grenzfläche 11 am größten. Die Zwischenschicht 8 umfasst weiter einen Schmierstoff, nämlich einen Festschmierstoff in Form von Partikeln aus Graphit, Molybdändisulfid, Wolframdisulfid oder einem anderen Festschmierstoff, bzw. aus einer Kombination von mindestens zwei Festschmierstoffen, wobei die Konzentration des Schmierstoffs, nämlich der Partikel des Festschmierstoffes in der Zwischenschicht 8 hin zu der zweiten Grenzfläche 11 mit dem Laufbahnring 6 zunimmt und an der zweiten Grenzfläche 11 an höchsten ist.
Die Zwischenschicht 8 ist so ausgelegt, dass der Verbund aus dem Trägerring 5 und dem Laufbahnring 6 als einstückiges Teil montiert werden kann und im normalen Betrieb des Wälzlagers 1 der äußere Lagerring 2 ein einstückiger Lagerring wirkt. Blockiert dagegen das Wälzlager 1, beispielsweise, wenn der Wälzkörper 4 an seiner Drehung bzw. Umlaufbewegung gehindert wird, wird ein Moment auf den äußeren Lagerring 2 übertragen, so dass im Bereich der Zwischenschicht 8 der Verbund aus dem Trägerring 5 und dem Laufbahnring 6 gelöst wird; insbesondere reißt die Verbindung der Zwischenschicht 8 mit dem Laufbahnring 6 entlang der zweiten Grenzfläche 11, so dass blockierte Wälzlager 1 eine gleitende Lagerung der Welle ausführt und die Gleitflächen durch die äußere Mantelfläche des Laufbahnrings 6 und die Zwischenschicht 8 gebildet werden. Die hohe Konzentration des Festschmierstoffes an der zweiten Grenzfläche 11 sowie die Konzentration des Gleitmaterials in der Zwischenschicht 8 nahe der zweiten Grenzfläche 11 stellt sicher, dass die gleitende Lagerung über eine kurze Zeit aufrecht erhalten werden kann, bis das Wälzlager 1 ausgetauscht ist.
Der innere Lagerring 3 des Wälzlagers 1 ist wie der zuvor ausführlich beschriebene äußere Lagerring 2 ebenfalls als fester Verbund aus einem Trägerring 5’ und einem Laufbahnring 6’ ausgebildet, mit einer dazwischen angeordneten Zwischenschicht 8’, wobei der Trägerring 5’, der Laufbahnring 6’ und die Zwischenschicht 8’ entsprechend wie oben für den äußeren Lagerring 2 beschrieben ausgebildet sind. Blockiert das Wälzlager 1, ist damit sichergestellt, dass sowohl der äußere Lagerring 2 als auch der innere Lagerring 3 gleichzeitig die behelfsweise gleitende Lagerung der gelagerten Welle ausführen können. Es ist für die Praxis aber in vielen Fällen ausreichend, wenn nur einer der beiden Lagerringe 2, 3 eine Zwischenschicht aufweist. Insbesondere ist es angebracht, wenn der äußere Lagerring 2 mit der Zwischenschicht versehen ist.
Bei dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel war die Zwischenschicht 8 durch ein ausgehärtetes, harzgetränktes Fasermaterial gebildet worden. Es versteht sich, dass die Zwischenschicht auch durch ein ausgehärtetes, harzgetränktes Gewebe aus einem Gleitmaterial gebildet sein kann, wobei das harzgetränkte Gewebe beispielsweise nach dem Wickelprozess auf den Wickelkörper aufgebracht werden kann. Es versteht sich, dass die Zwischenschicht auch durch einen Kunststoff mit Gleiteigenschaften gebildet sein kann, beispielsweise einem Kunststoff, dem PTFE-Partikel zugeführt sind, oder durch eine Buchse aus einem Kunststoff mit Gleiteigenschaften, speziell durch eine Buchse aus PTFE. Es versteht sich weiter, dass die Zwischenschicht auch durch eine Harzschicht gebildet sein kann, der Partikel mit Gleiteigenschaften zugefügt sein können.
Bei dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel war der Laufbahnring 6 aus einer Keramik gefertigt. Es versteht sich, das der Laufbahnring auch aus einem anderen, im Wälzlagerbetrieb insbesondere überrollfesten Material gebildet sein kann, beispielsweise aus einem Wälzlagerstahl.
Bei dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel wies der Laufbahnring 6, 6’ eine im wesentlichen zylindrische äußere Mantelfläche auf. Es versteht sich, dass der Laufbahnring 6, 6’ eine Strukturierung der äußeren Mantelfläche aufweisen kann, die drehsymmetrisch zu der Drehachse 9 des Wälzlagers 1 ausgebildet ist, wobei die Strukturierung beispielsweise im Umfangsrichtung umlaufende Nuten oder Vorsprünge bzw. Hinterschnitte aufweisen kann.
Bei dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel war die Zwischenschicht 8 so ausgebildet, dass im Fall des Blockierens des Wälzlagers 1 die Trennung des Verbundes aus dem Trägerring 5, 5’ und dem Laufbahnring 6, 6’ entlang der zweiten Grenzfläche 11 erfolgte. Es versteht sich, dass die Zwischenschicht so ausgebildet sein kann, dass, beispielsweise durch einen Gradienten des Gleitmaterials oder durch Festschmierstoff-Partikel in der Zwischenschicht, die Trennung entlang der ersten Grenzfläche 10 erfolgen kann. Es kann weiter auch vorgesehen sein, dass die Trennung nicht entlang einer der beiden Grenzflächen 11, 10 zu den angrenzenden Teilringen 5, 5’ bzw. 6, 6’, sondern innerhalb der Zwischenschicht erfolgt, so dass eine neue Grenzfläche innerhalb der Zwischenschicht ausgebildet wird, wenn das Wälzlager 1 blockiert.
Bei dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel war die Zwischenschicht 8 zwischen dem Trägerring 5, an dessen innerer Mantelfläche befestigt, und dem Laufbahnring, an dessen äußerer Mantelfläche befestigt, angeordnet. Es versteht sich, dass die Zwischenschicht auch an der äußeren Mantelfläche des Trägerringes 5 angeordnet sein kann, oder beispielsweise innerhalb des Trägerringes 5, also zwischen den beiden Mantelflächen des Trägerringes 5, wobei bei dem Wickelprozess, bei dem der Trägerring gebildet wird, im Verlauf des Wickelns für eine kurze Zeit das Gleitmaterial der Zwischenschicht dem Harz als Zusatzstoff zugeführt wird, und danach der Wickelprozess wie zuvor begonnen fortgesetzt wird.
Bezugszeichenliste

1: Wälzlager
2: äußerer Lagerring
3: innerer Lagerring
4: Wälzkörper
5: Trägerring
6: Laufbahnring
7: Laufbahn
8: Zwischenschicht
9: Drehachse
10: erste Grenzfläche
11: zweite Grenzfläche

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 2418056 A1 [0004]

Claims

Lagerring für ein Wälzlager, umfassend einen Laufbahnring (6), der eine Laufbahn (7) für Wälzkörper (4) aufweist, gekennzeichnet durch einen Trägerring (5), der mit dem Laufbahnring (6) einen festen Verbund ausbildet, wobei an oder in dem Trägerring (5) eine in Umfangsrichtung umlaufende, in radialer Richtung begrenzte Zwischenschicht (8) ausgebildet ist, die ein Gleitmaterial enthält.
Lagerring nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenschicht (8) zwischen dem Trägerring (5) und dem Laufbahnring (6) angeordnet ist.
Lagerring nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Trägerring (5) aus einem harzgetränkten gewickelten Fasermaterial gebildet ist.
Lagerring nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenschicht (8) einen Schmierstoff, insbesondere einen Festschmierstoff in Form von Partikeln, insbesondere von Mikro- oder Nanopartikeln, umfasst.
Lagerring nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenschicht aus einem ausgehärteten, faserverstärkten Kunststoff ausgebildet ist, wobei der Festschmierstoff in den Kunststoff, insbesondere in das ausgehärtete Harz, eingelagert ist.
Lagerring nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine radiale Erstreckung der Zwischenschicht (8) weniger als ca. ein Siebtel der radialen Erstreckung des Lagerrings (2) beträgt.
Lagerring nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine radiale Erstreckung des Trägerrings (5) größer als eine radiale Erstreckung des Laufbahnrings (6) ist.
Lagerring nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenschicht (8) eine Grenzfläche mit dem angrenzenden Abschnitt des Laufbahnrings (6) ausbildet.
Wälzlager, umfassend einen Lagerring (2; 3) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8.