DE102013215558A1

DE102013215558A1 - Vorrichtung zur Kompensation einer temperaturbedingten radialen Vorspannungsänderung in einer Wälzlageranordnung

Info

Publication number: DE102013215558A1
Application number: DE102013215558.1A
Authority: DE
Inventors: Roland Haas; Bernd Eich; Josef Stork
Original assignee: SKF AB
Current assignee: SKF AB
Priority date: 2013-08-07
Filing date: 2013-08-07
Publication date: 2015-02-12
Anticipated expiration: 2033-08-08
Also published as: DE102013215558B4

Abstract

Ausführungsbeispiele betreffen eine Vorrichtung (20; 30; 40) zur Kompensation einer temperaturbedingten radialen Vorspannungsänderung in einer Wälzlageranordnung (21), mit einem zu der Wälzlageranordnung (21) koaxial angeordneten Kompensationsring (27) mit wenigstens einer abgeschrägten Stirnfläche (28) und einem gegenüber der Wälzlageranordnung (21) höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten; und einem zwischen der Wälzlageranordnung (21) und dem Kompensationsring axial verschiebbar angeordneten Bordring (29) für Wälzkörper (25) der Wälzlageranordnung (21); wobei bei einer Temperaturänderung die wenigstens eine abgeschrägte Stirnfläche (28) des Kompensationsrings (27) mit einer dazu korrespondierenden abgeschrägten Fläche (31) derart zusammenwirkt, dass sich durch eine temperaturbedingte radiale Ausdehnung des Kompensationsrings (27) eine axiale Position des zwischen der Wälzlageranordnung (21) und dem Kompensationsring (27) angeordneten Bordrings (29) verändert.

Description

Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung betreffen Vorrichtungen zur Kompensation von temperaturbedingten Vorspannungsänderungen in einer Wälzlageranordnung, wie sie in vielen industriellen Anwendungen eingesetzt werden können.
In zahlreichen industriellen Anwendungen, beispielsweise in Windkraftgetrieben, werden zur Aufnahme von Radial- und Axiallasten durch eine Achse oder Welle Lagerungen mit häufig zwei (oder mehr) Lagern eingebaut. In Fällen, bei denen besonderer Wert auf hohe Steifigkeit der Lagerung gelegt wird, kommen vorzugsweise angestellte Schräglager, wie z. B. Kegelrollenlager in X-Anordnung, zur Anwendung.
Die 1 zeigt dazu beispielhaft eine herkömmliche angestellte Kegelrollenlagerung 10 in X-Anordnung. Die Lageranordnung 10 umfasst zwei spiegelbildlich angeordnete Kegelrollenlager 11-1, 11-2, bei denen ein Lagerring auf seinem Sitz so weit verschoben wird, bis die Lagerung 10 die notwendige axiale Vorspannung oder das gewünschte Spiel aufweist. Bei der X-Anordnung erfolgt die Anstellung über die Außenringe 12-1, 12-2. Da die Spitzen S der Druckkegel nahe beieinander liegen, ergibt sich ein geringer rechnerischer Lagerabstand. Die Rollkegelspitzen R stellen einen Schnittpunkt der Verlängerung der geneigten Außenringlaufbahn mit der Lagerachse 13 dar. Die beiden Innenringe 14-1, 14-2 sind gemäß der 1 beispielhaft über eine Wellenschulter 15 axial festgelegt. Andere Möglichkeiten zur axialen Festlegung können Spannhülsen, Abziehmuttern, Muttern mit Sicherungsblech, Endscheibe, Bördelband, Querpresspassung, Sicherungsring oder Abstandshülsen sein. Die Außenringe 12-1, 12-2 sind bei dem in 1 gezeigten Beispiel über eine Abstandshülse 16 und zwei Sicherungsringe 17, 18 festgelegt. Andere Alternativen wären beispielsweise eine axiale Festlegung durch einen Lagerdeckel und einem Ansatz in der Gehäusebohrung, einem Lagerdeckel und einem Sicherungsring, zwei Lagerdeckeln oder einem Absatz in der Gehäusebohrung zu sehen.
Um die Steifigkeit solcher Lageranordnung noch weiter zu erhöhen, können die Lager auch radial vorgespannt werden. Beim Anlaufen der Lagerung aus einer Ruhestellung heraus, und damit ausgehend von einer Basistemperatur von beispielsweise 20°C, stellt sich dann normalerweise eine Temperaturverteilung ein, bei der eine zu lagernde Welle eine höhere Temperatur als ein Lagergehäuse aufweist. Diese ungleichmäßige Temperaturverteilung besteht dann so lange, bis sich durch Erreichen einer andauernden Betriebslast und -drehzahl ein Gleichgewicht für die Temperatur einstellt.
Während dieses Anlaufvorgangs und der damit verbundenen Temperaturerhöhung wird die bereits radial vorgespannte Lageranordnung jedoch eine weitere Vorspannungserhöhung erfahren, sofern nicht Maßnahmen zu deren Kompensation ergriffen werden. Ohne eine solche Kompensation der temperaturbedingten radialen Vorspannungserhöhung besteht ein Risiko einer Überbelastung der Lageranordnung, die bis zu deren Ausfall oder zumindest einer dauerhaften Schädigung führen kann. Da eine temperaturgeführte Kompensation im Normalfall nur sehr aufwändig zu erreichen ist, werden solche Lagerungen häufig ohne Vorspannung, ja sogar mit Radialluft ausgeführt, um eine zu starke Belastung während des Anlaufens zu vermeiden. Dafür nimmt man im Gegenzug aber eine suboptimale Auslegung bezüglich der Steifigkeit und/oder der Lebensdauer des Lagers in Kauf.
Aus Literatur und Praxis sind verschiedene Methoden zur Kompensation von thermischen Vorspannungsänderungen durch Feder- oder Hydraulikelemente bekannt. Solche Kompensationselemente werden aus Gründen von Kosten, oder, um den Aufwand zu minimieren, nur einmal in die Lageranordnung eingebaut, wie z. B. gemäß der EP 2035722 B1 . Diese offenbart ein Kegelrollenlager zur Verwendung als eines von zwei einander gegenüberliegenden Lagern, die entlang einer Achse in eine gewünschte Einstellung gegeneinander verstellbar sind, wobei das Lager einen Außenring mit einer konischen, nach innen zur Achse hin gewandten Lauffläche umfasst, einen Konus mit einer von der Achse weg und zur Lauffläche des Außenrings hinweisenden konischen Lauffläche, die eine Anschlagfläche mit einer Neigung bezüglich der Achse aufweist, einen gegenüber der Anschlagfläche des Konus angeordneten Rippenring, der eine Rippenstirnseite am großen Ende der Lauffläche des Konus aufweist, eine Kraft ausübende Feder, die den Rippenring in Richtung und normalerweise gegen die Anschlagfläche des Konus drängt, einen Thermokompensationsring, der so angeordnet ist, dass er eine Kraft auf den Rippenring ausübt, die der durch die Feder ausgeübten Kraft entgegengesetzt ist, sodass der Rippenring von der Anschlagfläche des Konus weg gedrängt wird, wenn die Temperatur des Kompensationsrings eine vorbestimmte Solltemperatur überschreitet, und konische Rollen, die zwischen den Laufflächen des Außenrings und des Konus angeordnet sind und in Kontakt mit diesen stehen und deren großen Stirnflächen an der Rippenstirnfläche des Rippenrings anliegen. Hierbei wird die Kompensation nur auf identische Kegelrollenlager gleichmäßig aufgeteilt.
Bei Lösungen, die komplett in ein Lager integriert sind, wie z. B. gemäß der DE 10 2007 045 252 A1 , ist der zur Verfügung stehende Kompensationsraum derart klein, dass eine Energieaufnahme nur begrenzte Temperaturänderungen kompensieren kann.
Beispielsweise beschreibt die DE 19845877 A1 eine mechanische Kompensationsmethode, die jedoch den Nachteil einer lagerexternen Lösung aufweist und die Lagersitze beeinflusst, um eine Verschiebung von Lagerringen zu ermöglichen, um dadurch erhöhte Vorspannungen abzubauen.
Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine temperaturbedingte radiale Vorspannungsänderung in einer Wälzlagerung auf möglichst einfachem mechanischem Weg zu kompensieren und feste Lagersitze, welche die Funktionalität der Lagerung verbessern, nicht negativ zu beeinflussen.
Es ist ein Grundgedanke der vorliegenden Erfindung, die Vorspannungskompensation im Lager selbst stattfinden zu lassen, da hierdurch eine hochgenaue Umgebung der Lagertechnologie genutzt werden kann. Es ist ein weiterer Kerngedanke der vorliegenden Erfindung, auch für Lageranordnungen, die unterschiedlichen Lager aufweisen und daher unterschiedliche Ausdehnungen bzw. Vorspannungsänderungen bei gleicher Temperaturänderung aufweisen, eine Kompensation der thermisch bedingten Vorspannungsänderung durchzuführen. Gemäß Ausführungsbeispielen wird generell auf Federelemente verzichtet, da diese schwingungsanfällig sind und aufgrund ihrer konstruktiven Ausführung dazu neigen, einseitig anzuliegen und dadurch auch nur einseitig Kompensationskräfte aufzubringen, was zu Schiefstellungen in den Lagerungen mit all den bekannten Nachteilen hinsichtlich Funktion und Lebensdauer führen kann.
Durch Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung wird eine Lösung vorgeschlagen, bei der eine Steuerung der thermischen Vorspannungskompensation außerhalb der Lager selbst liegt, um bezüglich der Dimensionen und damit der Energieumsetzung von der Lagergröße unabhängig zu sein. Gemäß Ausführungsbeispielen kann die Vorspannung über eine axiale Verschiebung der Lagerrollen angepasst werden, um erzwungene Lagerschiebesitze vermeiden zu können. Dabei kann ein Kompensationselement, welches die Umsetzung der Temperaturunterschiede in axiale Wege bewerkstelligen soll, an einer Position angeordnet werden, die eine Dimensionierung unabhängig von den Lagern nur nach der erforderlichen Energieumsetzung erlaubt. Insbesondere bei spiegelsymmetrisch angeordneten Lagern, wie beispielsweise angestellten Kegelrollenlagern in X-Anordnung, kann das Kompensations- bzw. Ausgleichselement derart angeordnet werden, dass es unabhängig auf beide Lager wirken kann.
Zur Lösung der gestellten Aufgabe sehen Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung zur Kompensation einer temperaturbedingten radialen Vorspannungsänderung in einer Wälzlageranordnung vor, mit einem zu der Wälzlageranordnung koaxial angeordneten Kompensationsring mit wenigstens einer abgeschrägten Stirnfläche und einem gegenüber der Wälzlageranordnung höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten, und einem zwischen der Wälzlageranordnung und dem Kompensationsring radial verschiebbar angeordneten Seiten- bzw. Bordring für Wälzkörper der Wälzlageranordnung. Der Kompensationsring ist derart ausgebildet, dass bei einer Temperaturänderung die wenigstens eine abgeschrägte Stirnfläche des Kompensationsrings mit einer dazu korrespondierenden abgeschrägten Fläche derart zusammenwirkt, dass sich durch eine temperaturbedingte radiale Ausdehnung des Kompensationsrings eine axiale Position des zwischen der Wälzlageranordnung und dem Kompensationsring angeordneten Bordrings verändert. Dadurch kann also die temperaturbedingte radiale Vorspannungsänderung durch eine axiale Verschiebung des Bordrings, und damit auch der von diesem seitlich geführten Wälzkörper, insbesondere bei Schräglagerungen, kompensiert werden.
Gemäß Ausführungsbeispielen kann es sich bei der Wälzlageranordnung um eine Schräglageranordnung handeln, insbesondere aus der Gruppe von Kegelrollenlagern, angestellten Wälzlageranordnungen in X- oder O-Anordnung, Schrägzylinderrollenlagern oder Schrägkugellagern. Insbesondere bei den genannten Schräglageranordnungen werden durch Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung die schrägen Funktionsflächen der Wälzlager und/oder -körper ausgenutzt, um die in radialer Richtung wirkende thermische Expansion bzw. Kontraktion und der damit verbundenen Kräfte in axiale Richtung umzulenken. Somit können lagerexterne Kompensationselemente zur Reduzierung der thermischen Ausdehnung zur Anwendung gebracht werden, ohne die Lagersitze zu beeinflussen. Insbesondere bei spiegelsymmetrisch angeordneten Wälzlagern kann das Ausgleichselement, d. h. der Kompensationsring, zwischen beiden Lagern angeordnet werden, um beide gleichzeitig, jedoch unabhängig voneinander, beeinflussen zu können. Die Umsetzung von radialen in axiale Bewegungen kann erfindungsgemäß über geeignete schräge Wirkflächen des Kompensationsrings und weiterer Kompensationselemente erreicht bzw. gesteuert werden.
Bevorzugte Ausführungsformen und Weiterbildungen sind Gegenstand der nachfolgenden detaillierten Beschreibung einiger Ausführungsbeispiele, der Figuren und der abhängigen Patentansprüche.
Einige Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nun nachfolgend bezugnehmend auf die beiliegenden Figuren näher erläutert. Es zeigen:
1 eine Schnittansicht einer herkömmlichen angestellten Kegelrollenlagerung in X-Anordnung;
2 eine schematische Schnittansicht eines ersten Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung zur Kompensation einer temperaturbedingten radialen Vorspannungsänderung in einer Wälzlageranordnung;
3 eine schematische Schnittansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung zur Kompensation einer temperaturbedingten radialen Vorspannungsänderung in einer angestellten Wälzlagerung; und
4 einen Y-förmigen Kompensationsring mit einem radial zwischen Kompensationsringinnendurchmesser und Welle angeordneten axialen Anschlag.
In der nachfolgenden exemplarischen Beschreibung einiger Ausführungsbeispiele können sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche bzw. funktional gleiche Bauteile beziehen.
Die 2 zeigt in einer schematischen Schnittansicht eine Vorrichtung 20 zur Kompensation einer temperaturbedingten radialen Vorspannungsänderung in einer Wälzlageranordnung, gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel.
Die Wälzlageranordnung umfasst hier exemplarisch ein Kegelrollenlager 21 zur Lagerung einer Welle 22. Dazu weist das Kegelrollenlager einen Innenring 23 auf, der mit einem Festsitz auf der Welle 22 montiert ist. Zwischen dem Lagerinnenring 23 und einem Lageraußenring 24 befinden sich Wälzkörper 25 in Form von Kegelrollen. Prinzipiell sind hier neben dem exemplarischen Kegelrollenlager auch andere Schräglager möglich. Das Wälzlager 21 ist gegen ein Lagergehäuse 26 radial vorgespannt.
Die Vorrichtung 20 weist ferner einen zu der Wälzlageranordnung 21 koaxial auf der Welle 22 angeordneten Kompensationsring 27 mit wenigstens einer abgeschrägten Stirnfläche 28 auf, der gegenüber der Wälzlageranordnung 21 einen höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist. Die abgeschrägte Stirnfläche 28 ist hier lediglich exemplarisch dem Kegelrollenlager 21 abgewandt. Genauso gut kann die abgeschrägte Stirnfläche auch dem Lager 21 zugewandt sein. Beispielsweise kann der Kompensationsring 27 aus einer Aluminiumlegierung gefertigt sein, während die Wälzlageranordnung 21 üblicherweise aus einer Stahllegierung gefertigt ist. Zwischen der Wälzlageranordnung 21 und dem Kompensationsring 27 befindet sich, axial verschiebbar, ein loser Seiten- bzw. Bordring 29 zur Führung der Wälzkörper 25 des Wälzlagers 21.
Der Kompensationsring 27 ist derart ausgebildet, dass bei einer Temperaturänderung, und einer damit einhergehenden radialen Dimensionsänderung des Kompensationsrings 27, die wenigstens eine abgeschrägte Stirnfläche 28 des Kompensationsrings 27 mit einer dazu korrespondierenden abgeschrägten Fläche 31 derart zusammenwirkt, dass sich, aufgrund des höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten des Kompensationsrings 27 gegenüber dem Lager 21, dem Bordring 29 und der abgeschrägten Fläche 31, durch eine temperaturbedingte radiale Ausdehnung des Kompensationsrings 27 eine axiale Position des zwischen dem Wälzlager 21 und dem Kompensationsring 27 angeordneten Bordrings 29 verändert, wie es in der 2 schematisch angedeutet ist. Eine radiale Expansion (bei Erwärmung) des Kompensationsrings 27 wird in einer axial nach links gerichtete Bewegung des Bordrings 29 und damit auch der Kegelrollen 25 übersetzt. Demgegenüber führt eine radiale Kontraktion (bei Abkühlung) des Kompensationsrings 27 zu einer axial nach rechts gerichteten Bewegung des Bordrings 29 und der Kegelrollen 25. Dadurch kann eine temperaturbedingte radiale Vorspannungsänderung der Lageranordnung, d. h. eine Vorspannungserhöhung bzw. -erniedrigung, durch eine entsprechende axiale Verschiebung des Bordrings 29 nach links bzw. rechts kompensiert werden. Es werden vorliegend also die schrägen bzw. kegeligen Funktionsflächen der Kompensationselemente 27, 31 und der Wälzlageranordnung 21 ausgenutzt, um die in radialer Richtung wirkenden thermischen Ausdehnungen und der damit verbundenen Kräfte in axiale Richtung umzulenken.
Anstelle des in 2 gezeigten Kegelrollenlagers ist der Einsatz einer erfindungsgemäßen Kompensationsvorrichtung prinzipiell auch bei anderen Wälzlagern, insbesondere Schräglagern, möglich. Beispielsweise könnte es sich bei dem Wälzlager 21 auch um ein Schrägzylinderrollenlager oder um ein Schrägkugellager handeln. Gemäß bevorzugten Ausführungsbeispielen kann eine erfindungsgemäße Kompensationsvorrichtung eingesetzt werden, um eine Kompensation einer temperaturbedingten radialen Vorspannungsänderung bei einer spiegelsymmetrischen, angestellten Wälzlageranordnung zu erreichen. Dazu zeigt die 3, lediglich exemplarisch, eine angestellte Kegelrollenlagerung in X-Anordnung.
Bei dem in der 3 gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Kompensationsring 27 zwischen zwei spiegelbildlich angeordneten Schräglagern (hier: Kegelrollenlagern) 21-1, 21-2 einer angestellten Wälzlageranordnung angeordnet. Bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Lageraußenringe 24-1, 24-2 jeweils beidseitig axial festgelegt. Die Lagerinnenringe 23-1, 23-2 sind jeweils mit einem Festsitz und durch Festanschläge auf ihren (voneinander abgewandten) Außenseiten axial zu der Welle 22 festgelegt. Der Kompensationsring 27 weist hier, im Gegensatz zu dem in der 2 gezeigten Ausführungsbeispiel, zwei jeweils in einem Winkel α abgeschrägte Stirnflächen 28-1, 28-2 auf, die derart geformt sind, dass im Bereich der Stirnflächen 28-1, 28-2 eine radial weiter außen gelegene axiale Erstreckung des Kompensationsrings 27 größer ist als eine radial weiter innen gelegene axiale Erstreckung. Die beiden Stirnflächen verlaufen also, radial nach außen zunehmend, von axial innen nach axial außen. Der Kompensationsring 27 hat in dem dargestellten Querschnitt durch die Lagerrotationsachse also einen konus- bzw. kegelstumpfförmigen Querschnitt, wobei die axiale Erstreckung des Konus radial innen kleiner als radial außen ist.
In axialer Richtung zu beiden Seiten des Kompensationsrings 27 ist gemäß der 3 jeweils ein axial verschiebbarer Bordring 29-1, 29-2 (unmittelbar) benachbart zu dem Kompensationsring 27 angeordnet, wobei jeder der beiden Bordringe 29-1, 29-2 auf seiner dem Kompensationsring 27 zugewandten Seite eine zu der abgeschrägten Stirnfläche 28-1, 28-2 des Kompensationsrings in einem Komplementärwinkel β abgeschrägte Seitenfläche 31-1, bzw. 31-2 aufweist. Das bedeutet, dass sich die beiden Winkel α und β gemäß der in der 3 dargestellten Weise zu einem rechten Winkel ergänzen. Gemäß einer anderen Definition könnte man die beiden Winkel, welche die zueinander korrespondierenden schrägen Stirnflächen des Kompensationsrings 27 und der Bordringe 29 definieren, auch als Supplementwinkel bezeichnen, wenn sie sich zu 180° ergänzen. Im Gegensatz zu dem in der 2 gezeigten Ausführungsbeispiel sind gemäß der 3 zu der abgeschrägten Stirnfläche 28 des Kompensationsrings 27 korrespondierende abgeschrägte Stirnflächen also in den Bordringen 29-1, 29-2 selbst vorgesehen. Gemäß einem solchen Ausführungsbeispiel kann ein Bordring 29-1, 29-2 also auf seiner dem Kompensationsring 27 zugewandten Seite eine zu der abgeschrägten Stirnfläche 28-1, 28-2 des Kompensationsrings korrespondierende (und in einem Komplementärwinkel β) abgeschrägte Stirnfläche 31-1, 31-2 aufweisen, welche unmittelbar mit der abgeschrägten Stirnfläche 28-1, 28-2 des Kompensationsrings 27 zusammenwirkt, um eine temperaturbedingte radiale Dimensionsänderung des Kompensationsrings 27 in eine axiale Verschiebung des Bordrings 29-1, 29-2 und der Wälzkörper 25-1, 25-2 umzuwandeln.
Bei dem in der 3 gezeigten Ausführungsbeispiel dehnt sich der zentral zwischen den Lagern 21-1 und 21-2 platzierte Kompensationsring 27 bei Erwärmung während des Betriebs der Wälzlageranordnung aufgrund seines höheren thermischen Ausdehnungskoeffizienten (z. B. Aluminiumlegierung) in radialer Richtung, d. h. senkrecht zur Rotationsachse der Welle 22, aus. Diese radiale Ausdehnung ist aufgrund größerer radialer als axialer Dimensionen des Kompensationsrings 27 in radialer Richtung größer als in axialer Richtung. Damit die axiale Ausdehnung des Kompensationsrings 27, die dem Ziel der Vorspannungskompensation zuwider läuft, möglichst klein bzw. vernachlässigbar gehalten werden kann, kann das Verhältnis zwischen der axialen Breite des Kompensationsrings 27 und seines radialen mittleren Durchmessers möglichst groß gewählt werden. Das bedeutet, dass also eine radiale Dimension des Kompensationsrings 27 größer ist als dessen axiale Dimension, insbesondere derart, dass ein Verhältnis zwischen axialer und radialer Dimension in einem Bereich von 1:30 bis 1:5, bevorzugt in einem Bereich von 1:20 bis 1:10, liegt. Sollte der Kompensations- bzw. Ausgleichsring 27 in axialer Richtung zu breit sein, dann sollte dessen axiale Ausdehnung in den Berechnungen und Auslegungen besonders berücksichtigt werden.
Durch die radiale Ausdehnung des Kompensationsrings 27 und dessen kegeligen Stirnflächen 28-1, 28-2 entsteht in dem in 3 dargestellten Lagerverbund ein Spiel in axialer Richtung, wodurch die beiden benachbarten und ebenfalls mit kegeligen Stirnflächen versehenen Bordringe 29-1, 29-2 sich bei Erwärmung in axialer Richtung hin zur Mitte bzw. hin zum Kompensationsring 27 bewegen können. Dazu ist es vorteilhaft, wenn diese Bordringe 29-1, 29-2 mit Schiebesitzen auf der Welle 22 montiert sind, d. h. axial beweglich sind. Durch diese axiale Bewegung der schrägen Stirnflächen 31-1, 31-2 zur Mitte der spiegelsymmetrisch angeordneten Lageranordnung hin ergibt sich ein axialer Spalt zwischen den beweglichen Bordringen 29-1, 29-2 und den Lagerinnenringen 23-1, 23-2, welche mit Festsitzen auf der Welle 22 montiert sind und sich daher in axialer Richtung nicht bewegen können. Dabei bewegen sich die entstehenden Axialspalte in einem Bereich von < 0,1 mm pro Lager. Durch die sich verändernde axiale Position der Bordringe 29-1, 29-2 gegenüber den festsitzenden Lagerinnenringen 23-1, 23-2 können die Kegelrollen 25-1, 25-2 ebenfalls axial ausweichen und somit die erhöhte Vorspannung wieder ausgleichen.
Da auch eine Geometrie der Bord- bzw. Zwischenringe 29-1, 29-2 die Kompensation der thermisch bedingten Vorspannungsänderung beeinflusst und speziell die axiale Breite der Ringe 29-1, 29-2 durch eine Erwärmung erhöht wird und somit der Kompensationsrichtung entgegenwirkt, sollte die axiale Dimension der Bordringe 29-1, 29-2 möglichst begrenzt werden. Ein Verhältnis der axialen Breite der Bordringe 29-1, 29-2 zur axialen Breite des Ausgleichsrings 27 sollte in einem Bereich von 1:2 bis 1:6, insbesondere von 1:3 bis 1:5, liegen. Das bedeutet, ein Bord- bzw. Zwischenring 29-1 bzw. 29-2 sollte vorzugsweise ca. 3- bis 5-mal so breit sein wie der Ausgleichs- bzw. Kompensationsring 27. Eine endgültige Festlegung der Dimensionierung sollte aber erst anhand der jeweiligen Konstruktionsauslegung getroffen werden.
Durch eine radiale Ausdehnung der Lagerinnenringe 23-1, 23-2, erzwungen durch die Erwärmung der Welle 22 gegenüber ihrer Umgebung und des Lagerungsgehäuses 26, dehnt sich auch die Wälzkörperlaufbahn der Lagerinnenringe 23-1, 23-2 aus. Dies würde im Normalfall, d. h. im unkompensierten Fall, eine Vorspannungserhöhung in den Lagern 21-1 und 21-2 zur Folge haben. Gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung können nun aber die Wälzkörper 25-1, 25-2, d. h. die Kegelrollen, bei einer Erwärmung den axial nach innen ausweichenden Bordringen 29-1, 29-2 folgen und somit der temperaturbedingten radialen Ausdehnung der Lager 21-1 und 21-2 ausweichen. Hierdurch kann die temperaturbedingte radiale Ausdehnung der Innenringlaufbahn, die zu einer elastischen Verformung und der damit verbundenen Krafterhöhung im Lager führen würde, kompensiert werden, da sich die Kegelrollen 25-1, 25-2 axial derart bewegen, dass sich der wirksame Durchmesser der Kegelrollen verkleinert und der Abstand zwischen Lagerinnen- und -außenring ebenfalls verringert wird. Durch das axiale Ausweichen der Kegelrollen 25 kann die Vorspannungserhöhung im Lager aufgrund von thermischen Ausdehnungen kompensiert werden. Hinsichtlich der Kompensation einer thermischen Kontraktion verhält es sich selbstverständlich analog.
Eine genaue Kompensation der temperaturbedingten radialen Vorspannungsänderung hängt von folgenden Faktoren ab:

• Den Dimensionen der Wälzlageranordnung,
• der möglichen Erwärmung/Abkühlung und den zughörigen Temperaturunterschieden zwischen Welle 22, den Lagern 21-1, 21-2 und dem Gehäuse 26,
• den Kegelwinkeln der Lager 21-1, 21-2,
• den Winkeln α und β der Seiten- bzw. Stirnflächen von Kompensationsring 27 und Bordringen 29-1, 29-2,
• der Geometrie und dem Werkstoff des Ausgleichs- bzw. Kompensationsrings 27, und
• den Abmessungen der Bord- bzw. Zwischenringe 29-1, 29-2 und deren Verhältnis zum Kompensationsring 27.

Beispielhaft ergibt sich für eine X-Anordnung von zwei Kegelrollenlagern mit einem Bohrungsdurchmesser von 200 mm und einem Lagermittenabstand von 100 mm bei einer Erwärmung von 20°C Umgebungstemperatur auf eine Wellentemperatur von 75°C bei gleichzeitiger Temperatur der Lagerinnenringe von 80°C, der Lageraußenringe von 70°C und einer Gehäusetemperatur von 60°C eine Vorspannungserhöhung von 0,132 mm für beide Lager 21-1, 21-2. Das heißt, jedes der beiden einzelnen Lager 21-1, 21-2 würde eine Vorspannungserhöhung von 0,066 mm erleben. Eine Gestaltung der Wälzlageranordnung 30 mit einem Ausgleichs- bzw. Kompensationsring 27 aus einer Aluminiumlegierung und einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten von ca. 24·10^–6 K^–1 im Vergleich zu ca. 12·10^–6 K^–1 von Stahl mit den Abmessungen von 200 × 240 × 10 mm und Kegelwinkeln α der beiden schrägen Stirnflächen von 25° kann diese axialen Wege von 0,066 mm je Seite kompensieren. Bei den beispielhaften Kegelwinkeln α von 25° betragen die Winkel β der schrägen Stirnflächen der beiden Bordringe 29-1, 29-2 gemäß der vorliegenden Definition ca. 65°.
Der Kompensationsring 27 soll gemäß Ausführungsbeispielen eine automatische Kompensation der Vorspannungsänderung aufgrund einer ungleichmäßigen Temperaturverteilung der von innen nach außen angeordneten Lagerkomponenten einer Wälzlagerung während eines Anlauf- bzw. Auslaufvorgangs bewirken. Um zu vermeiden, dass in einem normalen Betrieb mit mehr oder weniger konstanten Temperaturen der einzelnen Lagerkomponenten der Kompensationsring 27 mit den Betriebslasten beaufschlagt wird und sich etwaig auftretende Schwankungen in Temperaturrelationen in laufend ändernden Vorspannungswerten äußern, sehen manche Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung einen axialen Anschlag vor, der bei Erreichen einer vorgegebenen Temperaturdifferenz zwischen Welle 22 und Gehäuse 26 bzw. der daraus folgenden Reduktion der Vorspannung durch den Ausgleichsring 27 bewirkt, dass die einander zugewandten Seiten- bzw. Stirnflächen 31-1, 31-2 der beiden Bord-/Zwischenringe 29-1, 29-2 direkt oder indirekt miteinander in Kontakt treten und damit die Funktion der schrägen bzw. kegeligen Stirnflächen 28-1, 28-2 des Kompensationsrings 27 außer Kraft setzen. Radial unterhalb der Schrägen kann also ein Anschlagelement zur Realisierung eines axialen Anschlags vorgesehen sein. Dies kann beispielsweise durch einen Y-förmigen Querschnitt des Kompensationsrings 27 oder durch eine Anordnung des Kompensationsrings 27 auf einem größeren Durchmesser als dem Wellendurchmesser geschehen, sodass die Bord-/Zwischenringe 29-1, 29-2 innerhalb der gesamten axialen Erstreckung und unterhalb der Schrägen 28-1, 28-2 des Kompensationsrings 27 auf den axialen Anschlag bzw. aufeinander treffen können.
Dazu zeigt die 4 in vergrößerter Darstellung eine mögliche Anordnung 40 mit einem Kompensationsring 27, welcher einen größeren Innendurchmesser aufweist als der Außendurchmesser der Welle 22. Der Kompensationsring 27 gemäß der 4 weist in einer durch die Rotationsachse der Wälzlageranordnung aufgespannten Schnittebene einen Y-förmigen Querschnitt auf. Das bedeutet, dass die beiden Stirnflächen 28-1, 28-2 des Kompensationsrings 27 jeweils sowohl einen radial innenliegenden Abschnitt 41 aufweisen, der im Wesentlichen parallel zur radialen Richtung verläuft (in 4 senkrecht), als auch einen radial außenliegenden und zur radialen Richtung schräg verlaufenden Abschnitt 42. Die beiden Bordringe 29-1, 29-2 sind in dem in der 4 gezeigten Ausführungsbeispiel auf ihren dem Kompensationsring 27 zugewandten Seiten gestuft ausgebildet. Eine erste, radial innenliegende Stufe 43 der beiden Bordringe 29-1 und 29-2 an deren axialen Enden, welche den Lagern 21-1 bzw. 21-2 abgewandt sind, bildet den oben erwähnten axialen Anschlag. Die Höhe h₁ der ersten Stufe 43 entspricht im Wesentlichen der Hälfte der Differenz zwischen Wellenaußendurchmesser und Kompensationsringinnendurchmesser. Eine axiale Erstreckung der ersten Stufe 43 entspricht im Wesentlichen der Hälfte der axialen Erstreckung des Kompensationsrings 27. Bei beiden Maßen ist selbstverständlich ein gewisses Spiel vorgesehen, sodass sich die beiden Bordringe 29-1 und 29-2 bei einer radialen Ausdehnung des Kompensationsrings 27 noch axial verschieben können. Nach der ersten Stufe 43 mit der radialen Erstreckung h₁ folgt eine zweite Stufe 44, welche einen ersten in radiale Richtung weisenden Abschnitt mit einer Höhe h₂ und einen weiteren, schräg zur radialen Richtung verlaufenden Abschnitt der Höhe h₃ aufweist. Die Schrägen der dem Kompensationsring 27 zugewandten Stirnflächen der Bordringe 29-1, 29-2 korrespondieren zu den Schrägen des Y-förmigen Kompensationsrings 27. Das heißt, die Schrägen von Kompensationsring 27 und Bordringen 29-1, 29-2 verlaufen im Wesentlichen parallel zueinander. Die Höhe h₂ entspricht dabei im Wesentlichen der radialen Erstreckung der Kompensationsringstirnflächenabschnitte, die sich im Wesentlichen parallel zur radialen Richtung erstrecken.
Um eine einwandfreie Funktion und Montage von Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung sicherzustellen, kann der Kompensationsring 27 zweckmäßigerweise vermittels einer Spiel- oder Übergangspassung mit der Welle 22 gekoppelt werden. Dies bedeutet allerdings, dass bei einer ungleichmäßigen Ausdehnung aufgrund einer unterschiedlichen Erwärmung der Ausgleichsring 27 den direkten Kontakt zur Welle 22 verlieren kann und infolge dessen die Wärmeleitung von der Welle 22 zum Ausgleichsring 27 verschlechtert wird. Da dies dem Ziel der Kompensation der Vorspannungsänderung zuwider läuft, kann es vorteilhaft sein, zwischen der Welle 22 und dem Ausgleichsring 27 ein Zwischenglied einzuführen, das zum einen die Wärmeleitung zwischen Welle und Kompensationsring verbessert und zum anderen die mechanischen Eigenschaften hinsichtlich Montage und Funktionsverhalten im Betrieb der Wälzlageranordnung nicht verschlechtert. Ein derartiges Zwischenglied kann beispielsweise ein Kupferring sein, der zwischen Welle 22 und Kompensationsring 27 angeordnet wird und der mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten von ca. 16·10^–6 K^–1 und aufgrund seiner hohen Wärmeleitfähigkeit und seiner elastischen Festigkeitseigenschaften die Wärmeleitung von der Welle 22 zum Kompensationsring 27 verbessern kann, ohne durch die etwaig bei negativen Temperaturen auftretenden Zwangskräfte zu starken Verformungen aufzuweisen und weiterzuleiten. In anderen Worten ausgedrückt bedeutet dies, dass zwischen dem Kompensationsring 27 und der Welle 22 ein Zwischenring angeordnet werden kann, welcher einen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist, der zwischen dem Wärmeausdehnungskoeffizienten der Welle und dem Wärmeausdehnungskoeffizienten des Kompensationsrings 27 liegt. Der Innendurchmesser des Zwischenrings ist dabei (leicht) größer als der Außendurchmesser der Welle 22, der Außendurchmesser des Zwischenrings ist (etwas) kleiner als der Innendurchmesser des Kompensationsrings 27.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung können für verschiedene Lageranordnungen eingesetzt werden. Obwohl Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung hierin in erster Linie anhand von Kegelrollenlagern, insbesondere angestellten Kegelrollenlagern in X-Anordnung, beschrieben wurden, wird dem Fachmann einleuchten, dass gleiche oder ähnliche Ausführungsformen auch für andere Lagerarten, wie z. B. Schräg-Zylinderrollenlager oder Schrägkugellager, angewendet werden können. Eine Anpassung auf angestellte Lagerungen in O-Anordnung ist beispielsweise möglich durch eine Verwendung von zwei Kompensationsringen, welche dann jeweils auf der Seite der Spitze der Kontaktwinkel, d. h. nicht zwischen den beiden Lagern, sondern auf deren axialen Außenseiten, angeordnet werden können, wodurch sich beispielsweise eine Anordnung ähnlich zu der in 2 dargestellten ergibt. Ein Vorteil durch die Verwendung von zwei Kompensationsringen bei O-Anordnungen ergibt sich dadurch, dass entweder eine höhere Kompensation der Vorspannungskräfte erreicht werden kann oder alternativ die Kegelwinkel der beiden schrägen Stirnflächen der Ausgleichsringe reduziert werden können. Dies kann unter Umständen einen höheren Installationsaufwand kompensieren.
Die für die Kompensation von Vorspannungsänderung in Lageranordnungen mit Rollenlagern entwickelte Anordnung kann mit entsprechenden Modifikationen auch für Kugellager, wie z. B. Schrägkugellager, eingesetzt werden. Hierzu kann ein Bereich einer Laufbahn eines Schrägkugellagers abgeteilt werden, welcher bevorzugt axiale Kräfte aufnimmt, wohingegen ein Bereich für die radialen Kräfte weiterhin mit Festsitz auf der Welle platziert werden kann. Der abgeteilte Teil des Lagerinnenrings kann analog zu dem axial beweglichen Bordring 29 eines Kegelrollenlagers gestaltet werden und somit die Aufgabe übernehmen, die Vorspannkräfte auf den Kompensationsring zu leiten. Eine derartige Teilung der Laufbahn ist beispielsweise von 4-Punkt-Lagern her bekannt und kann ähnlich konstruiert werden. Weiterhin kann es sinnvoll sein, zur möglichst vollständigen Erhaltung der Lebensdauer eines Schrägkugellagers den Übergang zwischen den beiden Laufbahnpartien z. B. mit Hilfe von elektrochemischem Abtragen (engl.: Electro Chemical Machining, ECM) logarithmisch auszuführen, um Kantenspannungsspitzen an den Wälzkörpern zu vermeiden.
Zusammenfassend wird mit Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung auf vergleichsweise einfachem Weg eine konstruktive Lösung für die Kompensation von thermisch hervorgerufenen, radialen Vorspannungsänderung in Wälzlagerungen ermöglicht. Diese beispielsweise während einer Anlaufphase in Industrie- oder Windkraftanlagengetrieben auftretende Erscheinung, das bis zum Erreichen eines Gleichgewichtszustands die Temperaturdifferenzen zwischen Welle und Gehäuse eine optimierte Lagerauslegung verhindern, kann somit umgangen werden. Durch Ausführungsbeispiele wird es möglich, eine entsprechende Wälzlagerung optimal für Steifigkeit und Lebensdauer auszulegen, ohne dass eine Gefahr eines Frühausfalls besteht. Die anhand von Kegelrollenlagern (in X-Anordnung) beschriebenen Ausführungsformen können für den Fachmann auf einfache Weise auch auf andere Lagerarten und -anordnungen ausgedehnt werden.
Die in der vorstehenden Beschreibung, den Ansprüchen und den Zeichnungen offenbarten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausgestaltungen von Bedeutung sein.
Obwohl manche Aspekte im Zusammenhang mit einer Vorrichtung beschrieben wurden, versteht es sich, dass diese Aspekte auch eine Beschreibung des entsprechenden Verfahrens darstellen, sodass ein Block oder ein Bauelement einer Vorrichtung auch als ein entsprechender Verfahrensschritt oder als ein Merkmal eines Verfahrensschritts, beispielsweise zur Herstellung der Vorrichtung, zu verstehen ist. Analog dazu stellen Aspekte, die im Zusammenhang mit einem oder als ein Verfahrensschritt beschrieben wurden, auch eine Beschreibung eines entsprechenden Blocks oder Details bzw. Merkmals einer entsprechenden Vorrichtung dar.
Die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele stellen lediglich eine Veranschaulichung der Prinzipien der vorliegenden Erfindung dar. Es versteht sich, dass Modifikationen und Variationen der hierin beschriebenen Anordnungen und Einzelheiten anderen Fachleuten einleuchten werden. Deshalb ist beabsichtigt, dass die Erfindung lediglich durch den Schutzumfang der nachstehenden Patentansprüche und nicht durch die spezifisch genannten Einzelheiten, die anhand der Beschreibung und der Erläuterungen der Ausführungsbeispiele hierin präsentiert wurden, beschränkt ist.
Bezugszeichenliste

10: Herkömmliche, angestellte Lagerung in X-Anordnung und Lage von Rollkegelspitzen R
11: Spiegelsymmetrisch angeordnete Kegelrollenlager
12: Lageraußenring
13: Lagerrotationsachse
14: Lagerinnenring
15: Wellenabsatz
20: Vorrichtung zur Kompensation einer temperaturbedingten radialen Vorspannungsänderung in einer Wälzlageranordnung, gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel
21: Wälzlager, Schräglager
22: Welle
23: Lagerinnenring
24: Lageraußenring
25: Wälzkörper, Kegelrollen
26: Lagergehäuse
27: Kompensationsring
28: Abgeschrägte Stirnfläche des Kompensationsrings
29: Axial verschiebbarer Bordring, Zwischenring
30: Vorrichtung zur Kompensation einer temperaturbedingten radialen Vorspannungsänderung, gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel
31: Zum Kompensationsring korrespondierende abgeschrägte Fläche
40: Vergrößerte Querschnittsdarstellung einer Anordnung mit direkt in Kontakt tretenden inneren Seitenflächen der beiden Bord-/Zwischenringe und Y-förmigem Kompensationsring
41: Radial innen gelegener Abschnitt des Y-förmigen Kompensationsrings
42: Radial außen gelegener Abschnitt mit abgeschrägten Stirnflächen des Kompensationsrings
43: Radial innen gelegene Anschlagstufe eines Bord-/Zwischenrings
44: Radial außen gelegene Stufe eines Bord-/Zwischenrings mit Schrägen

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 2035722 B1 [0006]
DE 102007045252 A1 [0007]
DE 19845877 A1 [0008]

Claims

Vorrichtung (20; 30; 40) zur Kompensation einer temperaturbedingten radialen Vorspannungsänderung in einer Wälzlageranordnung (21), mit folgenden Merkmalen: einem zu der Wälzlageranordnung (21) koaxial angeordneten Kompensationsring (27) mit wenigstens einer abgeschrägten Stirnfläche (28) und mit einem gegenüber der Wälzlageranordnung (21) höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten; und einem zwischen der Wälzlageranordnung (21) und dem Kompensationsring axial verschiebbar angeordneten Bordring (29) für Wälzkörper (25) der Wälzlageranordnung (21); wobei bei einer Temperaturänderung die wenigstens eine abgeschrägte Stirnfläche (28) des Kompensationsrings (27) mit einer dazu korrespondierenden abgeschrägten Fläche (31) derart zusammenwirkt, dass sich durch eine temperaturbedingte radiale Ausdehnung des Kompensationsrings (27) eine axiale Position des zwischen der Wälzlageranordnung (21) und dem Kompensationsring (27) angeordneten Bordrings (29) verändert.
Die Vorrichtung (20; 30; 40) nach Anspruch 1, wobei die Wälzlageranordnung (21) eine Schräglageranordnung, insbesondere aus der Gruppe von Kegelrollenlagern, angestellten Wälzlageranordnungen in X- oder O-Anordnung, Schrägzylinderrollenlagern oder Schrägkugellagern, ist.
Die Vorrichtung (20; 30; 40) nach Anspruch 1 oder 2, wobei eine radiale Dimension des Kompensationsrings (27) größer ist als dessen axiale Dimension, sodass ein Verhältnis zwischen seiner axialen und radialen Dimension insbesondere in einem Bereich von 1:20 bis 1:10 liegt.
Die Vorrichtung (20; 30; 40) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Bordring (29) auf seiner dem Kompensationsring (27) zugewandten Seite eine zu der abgeschrägten Stirnfläche (28) des Kompensationsrings (27) korrespondierende und in einem Komplementärwinkel abgeschrägte Stirnfläche (31) aufweist, die bei Temperaturänderung mit der abgeschrägten Stirnfläche (28) des Kompensationsrings (27) zusammenwirkt, um eine temperaturbedingte radiale Dimensionsänderung des Kompensationsrings (27) in eine axiale Verschiebung des Bordrings (29) umzuwandeln.
Die Vorrichtung (20; 30; 40) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Verhältnis zwischen einer axialen Erstreckung des Bordrings (29) und einer axialen Erstreckung des Kompensationsrings (27) größer als 1 ist, und insbesondere einen Wert zwischen 3 und 5 annimmt.
Die Vorrichtung (20; 30; 40) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Kompensationsring (27) in einer durch die Rotationsachse (13) der Wälzlageranordnung (21) aufgespannte Schnittebene einen Y-förmigen Querschnitt aufweist, oder, wobei der Kompensationsring (27) einen größeren Innendurchmesser aufweist als der Bordring (29).
Die Vorrichtung (20; 30; 40) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zwischen dem Kompensationsring (27) und einer Welle (22) ein Zwischenring angeordnet ist, welcher einen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist, der zwischen einem Wärmeausdehnungskoeffizienten der Welle (22) und dem Wärmeausdehnungskoeffizienten des Kompensationsrings (27) liegt.
Die Vorrichtung (20; 30; 40) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Kompensationsring (27) zwischen zwei spiegelbildlich angeordneten Schräglagern (21-1; 21-2) einer angestellten Wälzlageranordnung angeordnet ist und zwei abgeschrägte Stirnflächen (28-1; 28-2) aufweist, sodass im Bereich der abgeschrägten Stirnflächen eine radial weiter außen gelegene axiale Erstreckung des Kompensationsrings (27) größer ist als eine radial weiter innen gelegene.
Die Vorrichtung (20; 30; 40) nach Anspruch 8, wobei in axialer Richtung zu beiden Seiten des Kompensationsrings (27) jeweils ein axial verschiebbarer Bordring (29-1; 29-2) benachbart zu dem Kompensationsring (27) angeordnet ist, wobei jeder der beiden Bordringe (29-1; 29-2) auf seiner dem Kompensationsring (27) zugewandten Seite eine zu der korrespondierenden abgeschrägten Stirnfläche (28-1; 28-2) des Kompensationsrings (27) in einem Komplementärwinkel abgeschrägte Seitenfläche (31-1; 31-2) aufweist.
Die Vorrichtung (20; 30; 40) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Kompensationsring (27) aus einer Aluminiumlegierung und die Wälzlageranordnung (21) inklusive Bordring (29) aus einer Stahllegierung gefertigt sind.