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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft ein Zylinderrollenlager, wobei das Zylinderrollenlager eine Drehachse definiert, mit einem Lagerring, wobei der Lagerring eine Bordwand aufweist, wobei die Bordwand gegenüber einer Radialebene zu der Drehachse um einen Kegelwinkel geneigt ist und mit einer Mehrzahl von Zylinderrollen, wobei die Zylinderrollen auf der der Bordwand zugewandten Seite eine kreisballige Stirnfläche aufweisen. Die Erfindung betrifft auch eine Pumpe mit dem Zylinderrollenlager.
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Wälzlager werden in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt, um Wellen oder andere drehende Teile gegenüber Lagerpartnern bewegbar zu lagern. Die Wälzlager weisen üblicherweise eine Mehrzahl von Wälzkörpern auf, welche auf Laufbahnen abwälzen und dadurch eine Relativbewegung zwischen den drehenden Teilen und den Lagerpartnern erlauben.
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Beispielsweise ist aus der Druckschrift
DE 1575616 , die wohl den nächstkommenden Stand der Technik bildet, ein Zylinderrollenlager mit mindestens einem Lagerring und einer Mehrzahl von Zylinderrollen bekannt, wobei die Rollenstirnflächen ballig und die Anlaufflächen der Führungsborde abgeschrägt, das heißt, unter einem Winkel zur Senkrechten zur Lagerachse geneigt, ausgeführt sind.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Wälzlager für weitere Anwendungsgebiete in der Lagertechnik vorzuschlagen.
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Diese Aufgabe wird durch ein Zylinderrollenlager mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch eine Pumpe mit dem Zylinderrollenlager mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst. Bevorzugte oder vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung sowie den beigefügten Figuren.
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Im Rahmen der Erfindung wird ein Zylinderrollenlager vorgeschlagen, welches insbesondere als ein Radiallager ausgebildet ist. Das Zylinderrollenlager definiert durch seine Lagerachse eine Drehachse. Insbesondere erlaubt das Zylinderrollenlager eine Relativdrehung oder -schwenkung von zwei Lagerpartnern um die Lagerachse und somit um die Drehachse.
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Das Zylinderrollenlager umfasst mindestens einen Lagerring, wobei der Lagerring als ein Innenring oder als ein Außenring ausgebildet sein kann. Der Lagerring bildet eine Laufbahn für Wälzkörper des Zylinderrollenlagers aus. Der Lagerring umfasst mindestens eine Bordwand, welche besonders bevorzugt einem Führungsbord zugeordnet ist, wobei die Bordwand gegenüber einer Radialebene, also einer senkrechten Ebene, zu der Drehachse um einen Kegelwinkel geneigt ist. Insbesondere ist die Bordwand in einem Längsschnitt durch die Drehachse axial nach außen geneigt.
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Ferner umfasst das Zylinderrollenlager eine Mehrzahl von Zylinderrollen als Wälzkörper, wobei die Zylinderrollen auch als Nadeln ausgebildet sein können, sodass das Zylinderrollenlager ein Nadellager darstellt.
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Die Zylinderrollen weisen an der der Bordwand zugewandten Stirnseite eine kreisballige Stirnfläche auf. Unter einer kreisballigen Stirnfläche wird eine Stirnfläche verstanden, welche in einem Längsschnitt durch die Rollendrehachse zumindest im Randbereich der Stirnseite, vorzugsweise vollflächig, eine kreisförmige Kontur aufweist, wobei der Mittelpunkt des Kreises der kreisförmigen Kontur auf der Rollendrehachse oder einer gedachten Verlängerung der Rollendrehachse angeordnet ist. Insbesondere ist es ausreichend, wenn die Zylinderrollen nur in dem Bereich kreisballig ausgebildet sind, in dem diese mit der Bordwand in Kontakt treten. Aus fertigungstechnischen Gründen ist es jedoch bevorzugt, dass der kreisballige Charakter über die vollständige Stirnfläche verläuft. Insbesondere ist die Stirnfläche der Zylinderrollen jeweils als eine Kugelkappe oder als eine Kugelhaube ausgebildet.
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Im Rahmen der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die Zylinderrollen aus Keramik sind. Insbesondere sind die Zylinderrollen vollständig aus Keramik gefertigt.
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Während übliche Rollen für Wälzlager aus Metall gebildet sind, weisen Zylinderrollen aus Keramik besondere Funktionseigenschaften auf, welche in Sonderanwendungen genutzt werden können. So zeichnen sich Keramikzylinderrollen durch eine hohe chemische Resistenz aus, sodass Keramikzylinderrollen beispielsweise in aggressiver Atmosphäre betrieben werden können. Ferner sind Keramikzylinderrollen nicht leitend ausgebildet, sodass beispielsweise ein entsprechendes Zylinderrollenlager auch als ein Isolationselement genutzt werden kann.
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Allerdings führen ungünstige Kontaktverhältnisse zwischen der Keramikzylinderrolle und der Bordwand aufgrund der großen Härte von Keramikzylinderrollen zur erhöhten Reibung und zu einem Abrieb im Bereich der Bordwand. In diesem Zusammenhang hat es sich als vorteilhaft erwiesen, die Stirnseiten der Keramikzylinderrollen kreisballig auszubilden und zugleich die Bordwand leicht anzustellen, um auf diese Weise die Reibungsverluste zu verkleinern.
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Ein besonderer Vorteil der kreisballigen Stirnfläche liegt darin, dass das kreisballige Profil mit wenig Aufwand sehr genau vermessen werden kann, dass nur ein Profilradius vorgesehen wird, sodass nur geringe Werkzeugkosten zu erwarten sind und durch einfache Messwerkzeuge eine günstige Qualitätsprüfung ermöglicht wird.
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Die Vorteile der kreisballigen Stirnfläche liegen bei einigen Anwendungen zudem in einem bis zu 50 Prozent kleineren Reibungsmoment unter Axiallast und einer dadurch verursachten Energieeinsparung. Daraus resultieren eine geringere Temperaturentwicklung und eine längere Lebensdauer. Insgesamt führt die Ausbildung zu einem geringeren Verschleiß der Stirnflächen bzw. der Bordwände. Zudem ist aufgrund der Kontaktgeometrie eine deutlich höhere axiale Belastung bei verminderter Flächenpressung möglich.
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Insbesondere kann die erfindungsgemäße Ausgestaltung auch bei radial vorgespannten Zylinderrollenlagern vorteilhaft eingesetzt werden, da diese in dieser Ausgestaltung immer noch den Vorteil der Reibungsverminderung aufweisen.
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Bei einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist in einem Übergangsbereich des Lagerrings zwischen der Bordwand und einer Laufbahn für die Zylinderrollen ein umlaufender Freistich, der die Form einer umlaufenden Nut hat, eingebracht. Der Freistich wird benötigt, um Eckbereiche in dem Lagerring freizuräumen, um Eckkontakte zwischen den Zylinderrollen und dem Lagerring zu vermeiden. Bei der Weiterbildung wird vorgeschlagen, dass der Freistich als ein Radialfreistich ausgebildet ist, der ausschließlich auf der der Laufbahn zugewandten Seite der Bordwand ausgebildet ist. Legt man somit eine Radialebene senkrecht zu der Drehachse an einem Endbereich der Bordwand, so befindet sich der Freistich vollständig auf der der Laufbahn zugewandten Seite der Radialebene. Ein derartiger Radialfreistich wird insbesondere durch ein Werkzeug erzeugt, welches ausschließlich in radialer Richtung, nicht jedoch in axialer Richtung zugestellt wird. Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass der Lagerring hartgedreht ist, dass also der Freistich eingebracht wird, wenn der Lagerring im Bereich der Bordwand bereits gehärtet und insbesondere endbearbeitet ist. Diese Weiterbildung führt zu einer weiteren Verbesserung der Kontaktgeometrie zwischen Zylinderrolle und Bordwand und somit zu einer weiteren Verminderung der Reibung.
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Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist der Keilwinkel zwischen 0,2 Grad und 1,0 Grad gewählt und beträgt vorzugsweise 0,5 Grad. Dieser Keilwinkel hat sich in Versuchen als besonders vorteilhaft erwiesen.
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Bei einer möglichen Weiterbildung der Erfindung entspricht der Radius der kreisballigen Stirnfläche dem mindestens 50-fachen, vorzugsweise dem mindestens 100-fachen Wert des Durchmessers der Zylinderrollen. Der Radius wird somit – im Vergleich zu Metallzylinderrollen – extrem groß gewählt. Der große Radius ist bei dem erfindungsgemäßen Zylinderrollenlager vorteilhaft, da die Keramikzylinderrollen im Vergleich zu Metallzylinderrollen wesentlich härter und weniger nachgiebig sind. Durch den vergrößerten Radius wird erreicht, dass trotzdem vorteilhafte Druckflächen bei einer axialen Belastung entstehen.
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Von einem fertigungstechnischen Standpunkt betrachtet kann die Erfindung besonders vorteilhaft bei einem Durchmesser der Zylinderrollen kleiner als 30 Millimeter, vorzugsweise kleiner als 15 Millimeter, eingesetzt werden. Gerade bei diesem kleinen Durchmesser können andere gekrümmte Stirnflächenprofile nicht mehr eingesetzt werden, da diese fertigungstechnisch zu teuer sind oder zu vertretbaren Kosten nicht ausreichend genau hergestellt werden können. Die kreisballige Stirnfläche kann dagegen sogar bei Durchmessern kleiner als 10 Millimeter reproduzierbar und mit geringen Toleranzen hergestellt werden, sodass das resultierende Zylinderrollenlager enge Bauteiltoleranzen aufweist und dadurch in der Serienfertigung u.a. eine geringe Streuung bei der Lebensdauer hat.
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Bei einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung besteht der Lagerring aus einem nichtrostenden Edelstahl. Diese Weiterbildung berücksichtigt, dass das Zylinderrollenlager in aggressiver Umgebung eingesetzt werden kann.
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Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist der Mittenrauwert der Keramikzylinderrollen an der Stirnfläche und/oder der Mittenrauwert der Bordwand kleiner als 0,05, vorzugsweise kleiner als 0,04 und insbesondere kleiner als 0,03. Insbesondere wird der Mittenrauwert als arithmetischer Mittenrauwert nach DIN EN ISO 4287: 1998 festgelegt. Durch den geringen Mittenrauwert sind die genannten Oberflächen in der Rauheitsklasse N = 1 oder N = 2 eingetragen, sodass durch diese Ausgestaltung das Ziel unterstützt wird, die Reibung in dem Zylinderrollenlager zu vermindern.
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Bei einer möglichen Weiterbildung der Erfindung weist das Zylinderrollenlager einen Kunststoffkäfig zur Führung der Zylinderrollen auf. Beispielsweise ist der Kunststoffkäfig aus PEEK ausgebildet. Die Materialwahl für den Käfig ermöglicht den Einsatz des Zylinderrollenlagers in einer aggressiven Umgebung.
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In einer bevorzugten Anwendung der Erfindung ist das Zylinderrollenlager wassergeschmiert, insbesondere süßwassergeschmiert. Bei dieser Anwendung treten die Vorteile des Zylinderrollenlagers besonders stark hervor, da Wasser nur einen sehr geringen Schmierfilm ausbilden kann. Durch die Kombination der kreisballigen Stirnfläche und der angestellten Bordwand wird jedoch der Kontaktbereich für ein derartiges Medium optimiert. Werden zusätzlich sehr große Radien für die kreisballige Stirnfläche gewählt, so vergrößert sich der Spalt ausgehend von dem Kontaktbereich zwischen Zylinderrolle und Bordwand nur sehr langsam, sodass auch ein Medium, welches nur einen geringen Schmierfilm ausbilden kann, eine effektive Schmierung erreichen kann.
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Ein weiterer Gegenstand der Erfindung betrifft eine Pumpe zum Pumpen eines Fluids, wobei die Pumpe einen Pumpenrotor aufweist und wobei der Pumpenrotor durch ein Zylinderrollenlager, wie dies zuvor beschrieben wurde, beziehungsweise nach einem der vorhergehenden Ansprüche gelagert ist. Das Fluid, welches mit der Pumpe gepumpt wird, bildet zugleich den Schmierstoff für das Zylinderrollenlager, sodass das Zylinderrollenlager mediengeschmiert ist. Insbesondere ist das Fluid Wasser, im speziellen Süßwasser, wobei das Wasser eine aggressive Umgebung für gängige Wälzlager bildet, so dass das erfindungsgemäße Zylinderrollenlager besonders vorteilhaft eingesetzt werden kann.
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Weitere Merkmale, Vorteile und Wirkungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung sowie der beigefügten Figuren. Dabei zeigt:
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1 einen schematischen Längsschnitt durch ein Zylinderrollenlager als ein Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Die 1 zeigt ein Zylinderrollenlager 1 in einem schematischen Längsschnitt durch die Drehachse 2 des Zylinderrollenlagers 1 als ein Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Das Zylinderrollenlager 1 ist als ein Radialwälzlager ausgebildet, welches zugleich axiale Kräfte übertragen kann. In der 1 sind von dem Zylinderrollenlager 1 nur eine der Zylinderrollen 3 sowie ein Lagerring 4 dargestellt, welcher als ein Außenring ausgebildet ist. Das Zylinderrollenlager 1 kann einen Innenring (nicht dargestellt) umfassen, es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass die Zylinderrollen 3 auf einer Laufbahn ablaufen, die Teil eines komplexen Gebildes, wie zum Beispiel einer Welle, sind. Der nicht dargestellte Lagerpartner weist mindestens einen Bord, vorzugsweise zwei Borde zur Übertragung von Axialkräften auf die Zylinderrollen 3 auf.
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Der Lagerring 4 umfasst zwei Borde 5a, b, welche als Führungsborde ausgebildet sind, sodass diese die Zylinderrollen 3 seitlich bzw. in axialer Richtung führen. Hierzu weist jeder der Borde 5a, b eine der Zylinderrolle 3 zugewandte Bordwand 6a, b auf. Die Höhen der Borde betragen in etwa 20 Prozent des Durchmessers D der Zylinderrollen 3. Wie beispielhaft an dem Bord 5b dargestellt, sind beide Bordwände 6a, b gegenüber einer Radialebene 7, welche senkrecht zu der Drehachse 2 ausgerichtet ist, um einen Keilwinkel alpha von 0,5 Grad angestellt. Der Zwischenwinkel zwischen einer Laufbahn 8 für die Zylinderrollen 3 auf dem Lagerring 4 und der Bordwand 6a oder 6b beträgt somit 90,5 Grad.
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Im Übergangsbereich zwischen den Bordwänden 6a, b und der Laufbahn 8 ist jeweils ein Freistich 9a, b eingebracht, welcher als eine umlaufende Nut ausgebildet ist. Der Freistich 9a, b ist als ein Radialfreistich gefertigt und zum Beispiel durch ein Werkzeug erzeugt, welches ausschließlich in radialer Richtung zugestellt wurde. Insbesondere ist der Freistich 9a, b innerhalb eines Bereichs angeordnet, welcher axial innenliegend zu den gedanklich verlängerten Bordwänden 6a, b angeordnet ist. Diese Radialfreistiche 9a, b haben den Vorteil, dass keine Störkonturen im Eckbereich der Zylinderrollen 3 gebildet werden und somit die Reibung zwischen Zylinderrollen 3 und Bordwänden 6a, b verringern. Die Freistiche 9a, b können wie in diesem Fall besonders einfach in in Bezug auf die Bordwände 6a, b endbearbeitete Lagerringe 4 eingebracht werden. Insbesondere sind die Freistiche 9a, b hartgedreht, da das Einstechen des Einstechkörpers zur Bildung der Freistiche 9a, b nur möglich ist, wenn die Bordwände 6a, b nicht mehr nachgeschliffen werden brauchen. Der Lagerring 4 besteht aus einem nicht rostenden Edelstahl, wie zum Beispiel dem Edelstahl mit dem Markennamen Cronidur.
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Die Zylinderrollen 3 sind als Keramikzylinderrollen ausgebildet und sind in einem Mittelbereich zylinderförmig realisiert. Die Stirnflächen 10a, b sind kreisballig ausgeführt, weisen somit in dem gezeigten Längsschnitt einen Krümmungsradius R auf, deren Mittelpunkte auf einer durch die Rollendrehachse 11 definierten Geraden liegt. Die Mittelpunkte M liegen nicht innerhalb der Zylinderrolle 3, wie dies in der 1 zeichnerisch dargestellt ist, sondern auf einer gedachten Verlängerung der Rollendrehachse 11.
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Nicht dargestellt ist ein Wälzkörperkäfig, welcher die Zylinderrollen 3 führt. Der Wälzkörperkäfig ist aus einem Kunststoff, zum Beispiel PEEK, hergestellt.
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Durch die kreisballige Ausbildung der Stirnflächen 10a, b und die um den Keilwinkel alpha angestellte Bordwände 9a, b wird der Kontakt zwischen der Zylinderrolle 3 und der Bordwand 6a beziehungsweise 6b, insbesondere bei axialer Belastung, deutlich verbessert, da in diesem Bereich eine Druckfläche ausgebildet wird, die insbesondere Druckspitzen auf die Bordwände 6a beziehungsweise 6b vermindert. Insbesondere sind die Druckflächen kreisförmig, oval oder ellipsenförmig ausgebildet. Durch diese konstruktive Ausgestaltung wird somit insbesondere bei axialer Belastung die Reibung zwischen der Zylinderrolle 3 und dem Lagerring 4 vermindert.
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Die Länge L der Zylinderrolle 3 beträgt beispielsweise zwischen 10 und 40 Millimeter. Der Durchmesser D der Zylinderrolle 3 ist kleiner als 30 Millimeter gewählt. Der Radius R der Stirnflächen 10a, b beträgt als Auslegungsrichtlinie R > 100*D. Auf diese Weise wird ein in radialer Richtung ausgedehnter Druckbereich bei axialer Belastung gefördert, sodass die Druckspitzen besonders gering gehalten werden können und der Druck großflächig verteilt werden kann.
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Das Zylinderrollenlager 1 wird beispielsweise als Rotorlagerung in einer Pumpe eingesetzt, wobei das Zylinderrollenlager 1 in dieser Ausgestaltung mediengeschmiert ist.
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Beispielsweise dient die Pumpe zum Pumpen von Wasser, insbesondere von Süßwasser, sodass das Wasser auch zur Schmierung des Zylinderrollenlagers 1, insbesondere zur Schmierung der Reibungsbereiche zwischen den Zylinderrollen 3 und der Bordwand 6a, b eingesetzt ist. Nachdem die Schmierfähigkeit von Wasser sehr gering ist, wird durch den großen Radius R der Stirnflächen 10a, b der Spalt ausgehend von einem Berührpunkt zwischen Zylinderrolle 3 und Bordwand 6a, b sehr langsam vergrößert, sodass das Wasser als Schmiermedium ausreichend ist. Um die Reibung weiter zu verringern, kann vorgesehen sein, dass ein Mittenrauwert Ra für die Bordwand 6a, b beziehungsweise für die Stirnfläche 10a, b im Bereich der Bordwand 6a, b kleiner als 0,03 gewählt ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Zylinderrollenlager
- 2
- Drehachse
- 3
- Zylinderrollen
- 4
- Lagerring
- 5a, b
- Borde
- 6a, b
- Bordwände
- 7
- Radialebene
- 8
- Laufbahn
- 9a, b
- Freistiche
- 10a, b
- Stirnflächen
- 11
- Rollendrehachse
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- DIN EN ISO 4287: 1998 [0021]
