DE102013221509A1

DE102013221509A1 - Lagerring

Info

Publication number: DE102013221509A1
Application number: DE201310221509
Authority: DE
Inventors: Thomas HEEGE; Werner Horn
Original assignee: SKF AB
Current assignee: SKF AB
Priority date: 2013-10-23
Filing date: 2013-10-23
Publication date: 2015-04-23
Also published as: WO2015059198A1

Abstract

Ausführungsbeispiele betreffen einen Lagerring (1). Der Lagerring (1) weist eine erste Schicht (2) auf. Eine Oberfläche der ersten Schicht (2) bildet eine Gleit- oder Lauffläche (4) des Lagerrings (1). Ferner umfasst der Lagerring (1) eine zweite Schicht (3). Die zweite Schicht (3) ist auf einer der Gleit- oder Lauffläche (4) abgewandten Seite der ersten Schicht (2) angeordnet. Die zweite Schicht (3) lässt sich in einem montierten Zustand bei einer geringeren Spannung als die erste Schicht (2) verformen.

Description

Ausführungsbeispiele beziehen sich auf einen Lagerring.
Lagerringe können mit einer Vielzahl von konventionellen Methoden an anderen Bauteilen befestigt werden. Ein anderes Bauteil kann z. B. eine Welle sein. In diesem Fall kann der Lagerring ein Innenring sein. Ferner kann das Bauteil auch ein Gehäuse sein. In diesem Fall kann der Lagerring ein Außenring sein. Bei manchen konventionellen Möglichkeiten zum Festsetzen von Lagerringen werden diese auf oder in das andere Bauteil gepresst. Dazu können beispielsweise feste Passungen mit einer Überdeckung gewählt werden.
Diese Überdeckung kann eine Spannung in dem Lagerring erzeugen. Die Spannung aus der Montage kann sich bis in eine Lauffläche oder Laufbahn des Lagerrings auswirken. Eine Bezeichnung für diese Spannung aus der Montage an der Lauffläche ist Hoop-Stress (von engl.: „Umfangsspannungen“).
An der Lauffläche können weitere Spannungen durch einen Gleit- oder Wälzkontakt auftreten. Bei Lagerringen für ein Gleitlager kann ein Gleitkontakt zu einem anderen Lagerring bestehen. Bei einem Lagerring für ein Wälzlager rollen in einem Betrieb des Wälzlagers die Wälzkörper ab. Über den Gleit- oder Wälzlagerkontakt können also weitere Spannungen an der Laufbahn auftreten. Eine Bezeichnung für diese zusätzlichen Spannungen, die aus dem Gleit- oder Wälzkontakt herrühren, ist Hertz'sche Pressung. Bei manchen Belastungsfällen kann es zu einer Überlagerung der beiden Spannungen kommen. Dies kann zu einer Beschädigung des Lagerrings bzw. der Lauffläche führen. Eine Beschädigung des Lagerrings kann einen Ausfall des Lagers nach sich ziehen.
Um einen Lagerausfall zu vermeiden, sind bei konventionellen Lagern die maximalen Überdeckungen und somit auch die Passungen oft so gewählt, dass es nicht zu Überlagerungen kommen kann, die zu einem Lagerausfall führen können. Basis für die Wahl der maximalen Überdeckungen sind oft Erfahrungswerte oder einzelne Tests. Diese Auslegung der maximalen Überdeckung bzw. Passung stellt allerdings oft nur einen Kompromiss dar. Bei vielen Anwendungs- oder Belastungsfällen könnte eigentlich eine höhere Überdeckung zwischen dem Lagerring und dem Bauteil, an dem er befestigt ist, benötigt werden.
Außerdem müssen bei der Auslegung des Lagers auch Extremfälle berücksichtigt werden. Diese Extremfälle treten oft gar nicht oder manchmal nur sehr selten auf. Ferner werden bei der Auslegung und der Wahl der Passung oft weitere Sicherheitsfaktoren berücksichtigt. Dies kann dazu führen, dass für Wälzlager, bei denen hohe Hertz'sche Pressungen durch den Wälzkontakt auftreten, für die Montage in manchen Fällen nur geringe Überdeckungen bzw. Passungen gewählt werden können. In Fällen, in denen hohe Überdeckungen zur Montage notwendig sind, kann das Lager dann oft nur mit geringen Hertz'schen Pressungen beaufschlagt werden. Ähnliche Schwierigkeiten können bei der Auslegung von Gleitlagern auftreten.
Es besteht daher ein Bedarf daran, einen Kompromiss zwischen einer Wahl der Überdeckung bei einer Montage und der Fähigkeit des Lagerrings Belastungen durch einen Gleit- oder Wälzkontakte aufzunehmen, zu verbessern. Diesem Bedarf trägt ein Lagerring nach dem Anspruch 1 Rechnung.
Ausführungsbeispiele betreffen einen zumindest zweischichtigen Lagerring. Eine Oberfläche einer ersten Schicht bildet eine Gleit- oder Lauffläche des Lagerrings aus. Eine zweite Schicht ist auf einer der Gleit- oder Lauffläche abgewandten Seite der ersten Schicht angeordnet. In einem montierten Zustand lässt sich die zweite Schicht bei einer geringeren Spannung als die erste Schicht verformen.
Dadurch, dass sich die zweite Schicht bei einer geringeren Spannung als die erste Schicht verformen lässt, kann bei manchen Ausführungsbeispielen ermöglicht werden, dass Spannungen, die sich aus der gewählten Überdeckung und/oder einem Gleit- oder Wälzkontakt ergeben, abgebaut werden können. So kann bei manchen Ausführungsbeispielen verhindert werden, dass eine aus einem Gleit- oder Wälzkontakt resultierende Spannung zu einer Beschädigung der Gleit- bzw. Lauffläche führen kann. Die zweite Schicht kann also bei manchen Ausführungsbeispielen als Crash-Zone wirken.
Ein Lagerring kann dabei beispielsweise jedwedes Bauteil sein, das eine Lauffläche für eine Mehrzahl von Wälzkörpern eines Wälzlagers oder eine Geleitfläche für ein Gleitlager aufweist. Der Lagerring kann ein Innenring oder ein Außenring sein.
Die Lauffläche des Lagerrings kann eine Fläche des Lagerrings sein, auf der in einem montierten Zustand Wälzkörper abrollen. Beispielsweise kann die Lauffläche eine Oberfläche der ersten Schicht sein, die in eine radiale Richtung gerichtet ist. Analog kann die zweite Schicht auf einer in radialer Richtung der Lauffläche abgewandten Seite der ersten Schicht angeordnet sein. Bei Ausführungsbeispielen, die einen Lagerring für ein Axiallager betreffen, kann die Lauffläche auch in eine axiale Richtung gerichtet sein. Die Gleitfläche kann, wie für die Lauffläche beschrieben, an dem Lagerring ausgebildet sein.
Bei einigen weiteren Ausführungsbeispielen weist der Lagerring zumindest eine Ausnehmung auf. Die Ausnehmung soll bei einem Verformen der zweiten Schicht zumindest teilweise ein Material der zweiten Schicht aufnehmen. Dadurch kann bei manchen Ausführungsbeispielen zugelassen werden, dass sich die zweite Schicht verformt.
Die zumindest eine Ausnehmung kann beispielsweise in der ersten Schicht ausgebildet sein. Bei manchen Ausführungsbeispielen wird so bewirkt, dass die zweite Schicht auf einfache Art und Weise, nämlich ohne Ausnehmung, hergestellt werden kann.
Ergänzend oder alternativ kann die zumindest eine Ausnehmung in der zweiten Schicht ausgebildet sein. Dies kann bei manchen Ausführungsbeispielen ein Verformungsverhalten der zweiten Schicht beeinflussen.
Bei einigen weiteren Ausführungsbeispielen besteht die zweite Schicht aus einem Festkörper, in den die zumindest eine Ausnehmung eingebracht ist. Ein Gesamtvolumen der zweiten Schicht wird demnach aus einem Volumen des Festkörpers und einem Gesamtvolumen der zumindest einen Ausnehmung der zweiten Schicht gebildet. Ein Volumen des Festkörpers kann dabei einen Anteil zwischen 40% und 90% des Gesamtvolumens der zweiten Schicht ausmachen. So kann bei manchen Ausführungsbeispielen bewirkt werden, dass sich die zweite Schicht leichter verformen lässt als die erste Schicht.
Bei einigen Ausführungsbeispielen ist die zweite Schicht erst ab einer Spannung zwischen 100 MPa und 200 MPa irreversibel verformbar. So kann bei manchen Ausführungsbeispielen sichergestellt werden, dass der Lagerring trotzdem mit einer ausreichenden Überdeckung an einem anderen Bauteil, beispielsweise auf einer Welle oder in einem Gehäuse, montiert werden kann.
Die erste Schicht kann aus einem Stahl bestehen, der eine Streckgrenze von wenigstens 500 MPa aufweist. Diese erste Schicht kann mit einem Baustahl als zweite Schicht kombiniert sein, dessen Streckgrenze bei maximal 200 MPa liegt. Durch die gewählte Materialkombination kann bei manchen Ausführungsbeispielen ermöglicht werden, dass der Lagerring auf einfache Art und Weise hergestellt werden kann. Bei einigen Ausführungsbeispielen dieser Materialkombination kann der Lagerring ohne Ausnehmungen, sondern massiv, ausgebildet sein.
Bei einigen weiteren Ausführungsbeispielen ist die zweite Schicht zumindest teilweise aus einer Mehrzahl von Streben ausgebildet. So kann bei manchen Ausführungsbeispielen auf einfache Art und Weise die zumindest eine Ausnehmung in der zweiten Schicht gebildet werden. Eine Strebe kann dabei eine Ausdehnung in eine axiale Richtung und in eine radiale Richtung aufweisen. Ferner kann die Strebe auch eine Ausdehnung in Umfangsrichtung aufweisen. Beispielsweise kann die Strebe als Form einen Quader aufweisen. Bei manchen Ausführungsbeispielen sind die Streben so angeordnet, dass sie sich ihrer Länge nach in eine Umfangsrichtung des Lagerrings erstrecken. Ergänzend oder alternativ können sich die Streben ihrer Länge nach auch in eine axiale Richtung des Lagerrings erstrecken.
Ein Verhältnis aus einer Streckgrenze des Werkstoffs der zweiten Schicht bzw. der Streben, zu einer Breite der Streben, kann in einem Bereich zwischen 50 und 400 MPa/mm liegen. So kann bei manchen Ausführungsbeispielen bewirkt werden, dass sich die zweite Schicht bei einer Belastung, die zu einem Lagerausfall führen könnte, verformt. Eine Breite der Strebe kann dabei eine Ausdehnung der Strebe in eine Umfangsrichtung oder eine axiale Richtung sein. Ergänzend oder alternativ kann eine Breite der Strebe eine kleinste Ausdehnung der Strebe sein.
Bei einigen weiteren Ausführungsbeispielen ragen die Streben der zweiten Schicht von einem Ring ab. Der Ring ist konzentrisch zu dem Lagerring angeordnet. Die Streben können von dem Ring in Richtung der ersten Schicht abragen. Dies kann bei manchen Ausführungsbeispielen das Verformungsverhalten der zweiten Schicht bestimmen. Mit anderen Worten ausgedrückt, weist die zweite Schicht als Basiskörper den Ring auf. Der Ring kann an dem anderen Bauteil, beispielsweise der Welle oder dem Gehäuse, anliegen. So könnte bewirkt werden, dass der Lagerring eine flächige Anlagefläche für das andere Bauteil, an dem er befestigt wird, aufweist.
Ergänzend können die Streben den ersten Ring auch mit einem zweiten Ring verbinden. Dieser kann ebenfalls konzentrisch zu dem Lagerring angeordnet sein. So kann bei manchen Ausführungsbeispielen eine flächige Anlagefläche für die erste Schicht bereitgestellt werden.
Die beiden Schichten können drehfest miteinander verbunden sein. Dies kann bei manchen Ausführungsbeispielen dazu führen, dass die Gleit- oder Lauffläche in Umfangsrichtung positioniert ist.
Bei einigen weiteren Ausführungsbeispielen weist der Lagerring eine dritte Schicht auf. Die zweite Schicht, die als Crash-Zone wirken kann, ist in radialer Richtung zwischen der ersten und der dritten Schicht angeordnet. So kann bei manchen Ausführungsbeispielen eine stabile Anlagefläche zwischen dem Bauteil und der zweiten Schicht bereitgestellt werden. Ferner könnte eine Verbindung zwischen der ersten Schicht und der dritten Schicht verbessert werden. Beispielsweise können die erste und die dritte Schicht im Wesentlichen gleiche Materialeigenschaften etc. aufweisen.
Ergänzend oder alternativ können die erste und/oder die dritte Schicht zumindest teilweise einen faserverstärkten Werkstoff umfassen. Bei manchen Ausführungsbeispielen können die erste und/oder die zweite Schicht vollständig aus dem faserverstärkten Werkstoff bestehen. Beispiele für den faserverstärkten Werkstoff sind Glasfaser, Kohlefaser, Karbonfaser oder dergleichen.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen werden nachfolgenden anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen, auf welche Ausführungsbeispiele jedoch nicht beschränkt sind, näher beschrieben.
So zeigen die Figuren schematisch die nachfolgenden Ansichten.
1 zeigt eine schematische Darstellung einer geschnittenen Ansicht eines Lagerrings gemäß einem Ausführungsbeispiel an einer Welle;
2 zeigt eine schematische Darstellung des Lagerrings der 1 mit einer verformten zweiten Schicht;
3 zeigt eine schematische Darstellung einer Spannungsverteilung in dem Lagerring gemäß einem Ausführungsbeispiel;
4 zeigt eine schematische Darstellung einer geschnittenen Ansicht eines konventionellen Lagerrings an einer Welle;
5 zeigt eine schematische Darstellung einer Spannungsverteilung in dem konventionellen Lagerring gemäß 4;
6 zeigt eine schematische Darstellung einer Spannungsverteilung in dem Lagerring gemäß einem Ausführungsbeispiel;
7 zeigt eine schematische Darstellung einer Spannungsverteilung in einem konventionellen Lagerring;
8 zeigt eine schematische Darstellung einer Seitenansicht eines Lagerrings gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel;
9 zeigt eine schematische Darstellung einer Seitenansicht eines Lagerrings gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel;
10 zeigt eine schematische Darstellung eines Diagramms zu einem Spannungsverlauf bei einem auf einer Welle mit einem Übermaß montierten konventionellen Lagerring; und
11 zeigt eine schematische Darstellung eines Diagramms zu einem Spannungsverlauf bei einem auf einer Welle mit einem Übermaß montierten Lagerring gemäß einem Ausführungsbeispiel.
Bei der nachfolgenden Beschreibung der beigefügten Darstellungen bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder vergleichbare Komponenten. Ferner werden zusammenfassende Bezugszeichen für Komponenten und Objekte verwendet, die mehrfach in einem Ausführungsbeispiel oder in einer Darstellung auftreten, jedoch hinsichtlich eines oder mehrerer Merkmale gemeinsam beschrieben werden. Komponenten oder Objekte, die mit gleichen oder zusammenfassenden Bezugszeichen beschrieben werden, können hinsichtlich einzelner, mehrerer oder aller Merkmale, beispielsweise ihrer Dimensionierungen, gleich, jedoch gegebenenfalls auch unterschiedlich ausgeführt sein, sofern sich aus der Beschreibung nicht etwas anderes explizit oder implizit ergibt.
1 zeigt eine schematische Darstellung einer geschnittenen Ansicht eines Lagerrings gemäß einem Ausführungsbeispiel an einer Welle.
Wie in 1 gezeigt, umfasst ein Lagerring 1 eine erste Schicht 2 und eine zweite Schicht 3. Eine Oberfläche der ersten Schicht 2 bildet eine Gleit- oder Lauffläche 4 des Lagerrings 1. Die zweite Schicht 3 ist auf einer der Gleit- oder Lauffläche 4 gegenüberliegend, abgewandten Seite der ersten Schicht 2 angeordnet. Die zweite Schicht 3 lässt sich in einem montierten Zustand bei einer geringeren Spannung verformen als die erste Schicht 2.
Bei dem Lagerring 1 der 1 handelt es sich um einen Innenring für ein nicht dargestelltes Wälzlager (z.B. Wälzlagerinnenring). Der Lagerring 1 ist an einer Welle 5 angeordnet. Bei weiteren, nicht dargestellten Ausführungsbeispielen kann der Lagerring als ein Gleitlagerring ausgebildet sein.
Die Lauffläche 4, als Laufbahn für Wälzkörper, der ersten Schicht 2 ist in eine radiale Richtung R gerichtet. Die zweite Schicht 3 ist in radialer Richtung auf einer, der Lauffläche 4 abgewandten, Seite der ersten Schicht 2 angeordnet. Bei der Welle 5 handelt es sich um eine Vollwelle. Die Welle 5 weist einen Außendurchmesser D auf. Der Außendurchmesser D beträgt 200 mm. Beispielsweise kann die Welle 5 als Werkstoff einen vergüteten Stahl umfassen. Zwischen einem Außendurchmesser D der Welle 5 und einem Innendurchmesser des Lagerrings 1 bzw. der zweiten Schicht 3 besteht ein Übermaß von 2 mm.
Die zweite Schicht 3 weist eine Dicke e₂ von 10 mm auf. Die Dicke e₂ der zweiten Schicht 3 ist eine Ausdehnung der Schicht 3 in eine radiale Richtung R. Die Schicht 3 weist einen Außendurchmesser d₂ von 220 mm auf. Der Lagerring 1 weist einen Außendurchmesser d₁ von 258 mm auf. Die erste Schicht 2 weist eine Dicke e₁ von 19 mm auf. Eine Breite B ist eine Ausdehnung des Lagerrings 1 in eine axiale Richtung M. Die beiden Schichten 2 und 3 weisen ebenfalls die Breit B des Lagerrings 1 auf.
Bei dem Ausführungsbeispiel der 1 umfasst die erste Schicht 2 als Werkstoff 100 Cr6. Die zweite Schicht 3 ist als eine metallische Strebenstruktur aufgebaut. Als Material umfasst die Strebenstruktur Baustahl ST33 bzw. S158 (z.B. mit der Werkstoffnummer 1.0035), also einem weichen Baustahl. Die Strebenstruktur der zweiten Schicht 3 umfasst eine Mehrzahl einzelner Streben 6, welche quaderförmig ausgebildet sind. Eine Breite b_S der Strebe 6 beträgt 1,8 mm. Bei der Breite b_S handelt es sich um eine kleinste Ausdehnung der Strebe 6. Die Streben 6 sind in einer Zickzackform zueinander angeordnet, sodass sich zwei benachbarte Streben 6-a und 6-b an ihren Enden berühren. Dabei schließen die Streben 6-a und 6-b einen Winkel α von 90° ein.
Ferner sind die Streben 6 in radialer Richtung zwischen einem ersten Ring 7 und einem zweiten Ring 8 angeordnet. Die Ringe 7 und 8 sind Teil der zweiten Schicht 3. Die Ringe 7 und 8 sind jeweils konzentrisch zu dem Lagerring 1 angeordnet. In einem unbelasteten Zustand schließt jede der Streben 6 mit dem zweiten Ring 8 einem Winkel β von 45° ein. Analog schließt jede der Streben 6 mit dem Ring 7 ebenfalls einen Winkel β von 45° ein. Der erste Ring 7 weist einen kleineren Durchmesser als der zweite Ring 8 auf. Der zweite Ring 7 begrenzt die zweite Schicht 3 in Richtung der Welle 5. Der zweite Ring 8 begrenzt die zweite Schicht 3 in Richtung der ersten Schicht 2. Die beiden Ringe 7 und 8 weisen jeweils eine Breite b_R von 1 mm auf. Die Breite b_R ist dabei eine Ausdehnung der Ringe 7 bzw. 8 in eine radiale Richtung. Bei weiteren, nicht dargestellten Ausführungsbeispielen können der erste und der zweite Ring unterschiedliche Breiten aufweisen.
Jeweils zwischen zwei Streben 6 und einem der Ringe 7 oder 8 ergibt sich eine Ausnehmung 9 mit einem dreieckigen Querschnitt. Die zweite Schicht 3 bzw. ein Gesamtvolumen der zweiten Schicht 3 setzt sich also aus einem Festkörper in Form der Streben 6 und der Ringe 7 und 8 und den mit Umgebungsluft gefüllten Ausnehmungen 9 zusammen. Für ein Verhältnis des Gesamtvolumens der zweiten Schicht 3 zu einem Volumen des Festkörpers bzw. Materialvolumens der Schicht 3 ergibt sich ein Wert von 1,86.
Bei einigen weiteren, nicht dargestellten Ausführungsbeispielen können der Lagerring und/oder dessen Schichten auch andere Abmessungen aufweisen. Diese Abmessungen können ähnliche Verhältnisse zueinander aufweisen, wie die beschrieben Abmessungen. Bei einigen weiteren, nicht dargestellten Ausführungsbeispielen kann die zweite Schicht jedwede andere Form aufweisen. Beispielsweise kann die Strebenstruktur eine andere Geometrie aufweisen. Eine Breite b_S der Streben kann beispielsweise zwischen 0,5 mm bis 3 mm liegen. Ergänzend oder alternativ kann eine Breite b_R des ersten Ringes 7 und/oder des zweiten Rings 8 zur äußeren und inneren Begrenzung der Streben jeweils zwischen 0,5 mm und 3 mm liegen. Der Winkel α zwischen zwei benachbarten Streben liegt in einem Wertebereich, dessen Anfangs- und/oder Endwert jeweils 60°, 70°, 80°, 90°, 100°, 110° und/oder 120° betragen können. Der Winkel β, den eine Strebe mit einem der Ringe einschließt, liegt in einem Bereich, dessen Anfangs- und/oder Endwert jeweils 30°, 40°, 50° und/oder 60° betragen können.
Bei dem Ausführungsbeispiel der 1 bilden die Streben 6 jeweils die Schenkel eines gleichschenkligen Dreiecks. Bei einigen weiteren, nicht dargestellten Ausführungsbeispielen können die Streben unterschiedliche Längen aufweisen. Ferner können die Streben bei weiteren, nicht dargestellten Ausführungsbeispielen so angeordnet sein, dass sie sich gegenseitig nicht berühren bzw. voneinander beabstandet sind. Beispielsweise können die Streben parallel zueinander angeordnet sein.
Ergänzend oder alternativ kann sich bei einigen weiteren, nicht dargestellten Ausführungsbeispielen für das Verhältnis des Gesamtvolumens der zweiten Schicht 3 zu dem Material der Strebenstruktur bzw. des Festkörpers der zweiten Schicht 3 ein Wert zwischen 1,1 und 2,5 ergeben.
Bei dem Ausführungsbeispiel der 1 ergibt sich für ein Verhältnis aus der Streckgrenze des Werkstoffs der Streben zu einer Breite b_S der Streben der Wert 100 MPa/mm. Bei einigen weiteren, nicht dargestellten Ausführungsbeispielen kann sich für dieses Verhältnis ein Wert zwischen 50 MPa/mm und 400 MPa/mm ergeben.
Mit anderen Worten ausgedrückt handelt es sich bei dem Lagerring 1 der 1 um einen auf die Welle 5 aufgeschrumpften Lagerinnenring bzw. Hybridring bei dem zwei unterschiedliche Materialien kombiniert sind. Die äußere Schicht, also die erste Schicht 2, besteht aus einem gehärteten Wälzlagerstahl. Dieser soll die Spannungen aus Wälzkontakten aufnehmen. Die innere, also die zweite Schicht 3, soll den Passungsdruck und daraus resultierende Umfangsspannungen der äußeren Schicht 2, insbesondere an der Laufbahn 4 begrenzen. Dazu ist die zweite Schicht 3 aufgefächert bzw. als Strebenstruktur ausgebildet. So kann das Material der zweiten Schicht 3, das ab einer bestimmten Spannung zu fließen beginnt, Ausweichräume finden, in die es fließen kann. Diese Ausweichräume sind die Ausnehmungen 9. Dadurch könnte ab einer bestimmten Spannung eine Quasi-Kompression der zweiten Schicht 3 erreicht werden. Durch diese Kompression bzw. Verformung können die Spannungen bei manchen Ausführungsbeispielen dann mit der Erhöhung des Übermaßes nur noch langsam wachsen.
2 zeigt eine schematische Darstellung des Lagerrings der 1 mit einer verformten zweiten Schicht.
Wie in 2 gezeigt, verformen sich die Streben 6 zumindest abschnittsweise bei Auftreten einer bestimmten Spannung in dem Lagerring 1. Auch der zweite Ring 8 verformt sich zumindest abschnittsweise. Mit anderen Worten ausgedrückt verformt sich eine Gitterstruktur aus den Streben 6 und den Ringen 7 und 8 nach Eintritt einer Materialplastifizierung der zweiten Schicht 3, sodass die Spannungen in der ersten Schicht 2 bzw. der Außenschicht nur noch langsam ansteigen. Das reduzierte Ansteigen der Spannungen in der Außenschicht bzw. der ersten Schicht 2 erfolgt gemäß einem Tangentenmodul des für die Außenschicht gewählten Materials. Es wird von einem Tangentenmodul mit einer bilinearen Kennlinie von 1.250 MPa ausgegangen. Bei dem Tangentenmodul handelt es sich um eine Steigung des Spannungs-Dehnungs-Diagramms für den Werkstoff der zweiten Schicht 3.
Bei dem in 2 gezeigten Belastungsfall treten die höchsten Spannungen in den dicht schraffierten Bereichen auf. Diese Bereiche liegen in dem ersten Ring 7 und an einer Stelle 10, an der die Strebe 6 mit dem ersten Ring 7 verbunden ist. In Richtung des zweiten Rings 8 nehmen die Spannungen ab. Dies ist durch eine andere Schraffur dargestellt. In dem ersten Ring 7 und der ersten Schicht 2 treten die geringsten Spannungen auf, die sich nahe an einem möglichen Spannungsminimum befinden.
3 zeigt eine schematische Darstellung einer Spannungsverteilung in dem Lagerring gemäß einem Ausführungsbeispiel.
Wie in 3 gezeigt, treten bei einem schrittweisen Aufbringen des Übermaßes Spannungen hauptsächlich in der zweiten Schicht 3 auf. Diese Spannungen treten vor allem in dem ersten Ring 7 der zweiten Schicht 3 auf. In einer Mehrzahl von am dichtesten schraffierten Bereichen 11 treten die größten Spannungen auf. Die Bereiche 11 liegen jeweils zwischen zwei Stellen 10, an denen die Streben 6 mit dem Ring 7 verbunden sind. Mit anderen Worten ausgedrückt sind die Bereiche 11, Bereiche des ersten Rings 7, der an der Welle anliegt, der nicht mit einer Strebe 6 in Kontakt ist. Ferner zeigt 3 auch ein Diagramm 12, in das eine Kurve 13 eines Passungsdruckverlaufs gegenüber einer Zeit eingetragen ist. Dazu sind an einer y-Achse des Diagramms 12 Spannungswerte in der Einheit MPa gegenüber Zeitwerte auf einer x-Achse dargestellt. Wie an der Kurve 13 erkennbar, steigt die Spannung bis zu einem Wert von ca. 160 MPa relativ steil an und nimmt dann nur noch geringfügig zu. Höhere Spannung können also durch eine Verformung der zweiten Schicht 3 zumindest teilweise abgebaut werden.
4 zeigt eine schematische Darstellung einer geschnittenen Ansicht eines konventionellen Innenrings 21, der an einer Welle 25 montiert ist. 5 zeigt eine schematische Darstellung einer Spannungsverteilung in dem konventionellen Innenring 21 gemäß 4.
Bei einem konventionellen Verband zwischen dem Innenring 21 und der Welle 25 tritt eine andere Spannungsverteilung bzw. ein anderer Passungsdruckverlauf als bei dem Ausführungsbeispiel der 1 bis 3 auf. Entlang einer Kontaktfläche 24 zwischen dem Innenring 21 und der Welle 25 tritt eine gleichmäßig hohe Spannung auf. Ein Bereich 26, in dem eine höchste Spannung 26 auftritt, ist mit einer dichten Schraffur markiert.
In einem Diagramm 14 sind ebenfalls die Druck- bzw. Spannungswerte in der Einheit MPa an der y-Achse gegenüber Zeitwerten auf der x-Achse eingetragen. Wie aus der Kurve 15 erkennbar ist, weist die Spannung einen konstanten Wert auf. Dieser liegt bei 429,3 MPa.
6 zeigt eine schematische Darstellung einer Spannungsverteilung in dem Lagerring gemäß einem Ausführungsbeispiel.
Durch die Montage des Lagerrings 1 an der Welle 5 mit einem Übermaß treten auch an der Lauffläche 4 bzw. der Laufbahn Spannungen auf. Diese werden Hoop-Stresses genannt. In einem Diagramm 16 ist eine Kurve 17 eingezeichnet, die den Verlauf der Hoop-Stresses an der Laufbahn 4, an einer mit einem Pfeil P markierten Stelle, wiedergibt. Dazu sind entlang der y-Achse Spannungswerte in MPa gegenüber den entlang der x-Achse dargestellten Zeitwerten aufgetragen. Die Kurve 17 weist einen Knick 18 auf. Knick 18 entsteht bei einer Spannung, bei der das Material der zweiten Schicht 3 zu fließen beginnt. Diese Spannung beträgt für den Lagerring 1 nach der 1 ca. 190 MPa.
Mit anderen Worten ausgedrückt kann durch eine Kombination aus einem Wälzlagerstahl (z.B. 100Cr6) und der zweiten Schicht 3 bei manchen Ausführungsbeispielen ermöglicht werden, dass die Umfangsspannungen (z.B.: Hoop-Stresses) bzw. Tangentialspannungen an einer Oberfläche des Lagerrings 1 bzw. der Laufbahn 4 auf einen Wert zwischen 100 und 200 MPa gehalten werden können. Bei Spannungswerten unter 100 MPa kann unter Umständen keine feste Passung mehr zwischen dem Lagerring 1 und der Welle 5 gewährleistet werden. Bei Spannungswerten über 200 MPa könnte beispielsweise die Gefahr eines Bruchs des Lagerrings stark ansteigen.
Analog ist in einem Diagramm 19 der 7 eine Kurve 20 für einen Verlauf der Hoop-Stresses, die sich an einer Laufbahn des konventionellen Lagerrings 21 beim schrittweisen Aufbringen des Übermaßes durch die Montage an der Welle 25 ergeben, eingezeichnet. In dem Diagramm 19 ist der Spannungsverlauf an der mit dem Pfeil markierten Stelle P dargestellt.
8 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausschnitts einer Seitenansicht eines Lagerrings gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel.
Ein in 8 gezeigter Lagerring 31 umfasst ebenfalls eine erste Schicht 32 und eine zweite Schicht 33. An der ersten Schicht 32 ist eine Gleit- oder Lauffläche 34 ausgebildet. Die erste Schicht 32 besteht aus einem Werkstoff mit einer Streckgrenze von mindestens 500 MPa. Die erste Schicht 32 umfasst als Werkstoff einen gehärteten Wälzlagerstahl (z.B. 100Cr6). Der Werkstoff der zweiten Schicht 33 ist ein Baustahl. Alternativ kann die zweite Schicht 33 einen Werkstoff mit einer niedrigeren Streckgrenze als 500 MPa aufweisen bzw. aus diesem bestehen.
Mit anderen Worten ausgedrückt wird das Material der ersten Schicht 32 mit der zweiten Schicht 33 aus einem anderen Material, das eine niedrigere Streckgrenze als das Material der ersten Schicht 32 aufweist, kombiniert. Die Schicht 33 dient zum Abbau der Spannungen. Die Spannungen sind schematisch als Pfeile 35 dargestellt. Die Spannungen ergeben sich durch eine Überdeckung zwischen der Welle 5 und dem Innenring 31. Da ein Material der zweiten Schicht 33 eine geringere Streckgrenze als der gehärtete Wälzlagerstahl der ersten Schicht 32 aufweist, kann bei manchen Ausführungsbeispielen eine Bohrung des Innenrings 31 mit einer geringeren Genauigkeit gefertigt werden. Dies könnte durch ein Verformungsvermögen des Baustahls der Schicht 33 ausgeglichen werden. Die zweite Schicht 33 weist keine Ausnehmung auf, sondern ist massiv ausgebildet. Alternativ kann das Material der zweiten Schicht bzw. die zweite Schicht selbst eine Struktur aufweisen. Beispielsweise kann die Streckgrenze der zweiten Schicht bzw. der Struktur maximal 200 MPa betragen. Mit anderen Worten ausgedrückt betreffen einige Ausführungsbeispiele ein zweischichtiges Rohr bzw. einen Wälzlagerinnenring, der als eine erste Schicht den Werkstoff 100Cr6 und als zweite Schicht einen Stahl mit einer Streckgrenze von weniger als 500 MPa umfasst.
Die Schichten 32 und 33 sind drehfest miteinander verbunden. Beispielsweise können die Schichten 32 und 33 zum drehfesten Verbinden eine Verzahnung 36 aufweisen. Die Verzahnung 36 kann dazu dienen, eine Drehung der zweiten Schicht 33 auf die erste Schicht 32 zu übertragen. Beispielsweise kann die Verzahnung 36 durch große Rauheitsspitzen in der ersten Schicht 32 und/oder der zweiten Schicht 33 hergestellt werden.
Bei einigen weiteren, nicht dargestellten Ausführungsbeispielen kann die Verbindung bzw. drehfeste Verbindung der beiden Schichten mittels Kraftschluss, Formschluss, Kleben oder anderen Verbindungsarten hergestellt werden.
9 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausschnitts einer Seitenansicht eines Lagerrings gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel.
Ein in 9 gezeigter Lagerring 41 umfasst eine erste Schicht 42 und eine zweite Schicht 43. Die erste Schicht 42 kann jedweden Werkstoff, beispielsweise einen gehärteten Wälzlagerstahl oder einen Kunststoff umfassen. Die erste Schicht 42 weist eine Mehrzahl von Ausnehmungen 46 auf. Die zweite Schicht 43 umfasst als Werkstoff ein elastisches Material. Beispielsweise kann der Werkstoff Gummi sein. Bei einem Überschreiten einer bestimmten Spannung wird die zweite Schicht 43 komprimiert. Das Material der zweiten Schicht 43 beginnt dann, in die Ausnehmungen 46 zu fließen.
Bei einigen weiteren, nicht dargestellten Ausführungsbeispielen können die Ausnehmungen ergänzend oder alternativ in die zweite Schicht eingebracht sein. Beispielsweise können die Ausnehmungen an einer Oberfläche oder Umfangsfläche der zweiten Schicht angeordnet sein. Ergänzend oder alternativ kann die zweite Schicht weitere Ausnehmungen aufweisen. Beispielsweise können die Ausnehmungen in Form von Bohrungen in die zweite Schicht eingebracht sein.
10 zeigt eine schematische Darstellung eines Diagramms zu einem Spannungsverlauf bei einem auf einer Welle mit einem Übermaß montierten konventionellen Lagerring.
Bei einem in 10 gezeigten Diagramm 50 sind entlang der y-Achse Spannungswerte aufgetragen. Entlang der x-Achse ist ein Wert für ein Übermaß bei einer Montage des Lagerrings auf einer Welle aufgetragen. Konventionelle Wälzlager werden dabei so ausgelegt, dass maximale Hoop-Stresses, also Spannungen, die durch die Montage an einer Lauffläche auftreten können, bei 200 MPa liegen. Deshalb endet bei dem Diagramm 50 die Kurve 51 bei einem Übermaßwert x1, der zu einem Spannungswert y1 von 200 MPa korrespondiert.
11 zeigt eine schematische Darstellung eines Diagramms zu einem Spannungsverlauf bei einem auf einer Welle mit einem Übermaß montierten Lagerring gemäß einem Ausführungsbeispiel.
Mit den Lagerringen 1, 31 und 41 wird ein Spannungsverlauf, wie in einem Diagramm 60 der 11 dargestellt, angestrebt. Entlang einer y-Achse sind Spannungswerte aufgetragen. Entlang einer x-Achse sind Übermaßwerte für eine Montage des Lagerrings an einer Welle aufgetragen. Bei einem Übermaßwert x1 nimmt ein Spannungswert y1 in dem Lagerring trotz eines sich erhöhenden Übermaßes nicht oder nur noch unwesentlich zu. Deshalb verläuft eine Kurve 61 ab einem Übermaßwert x1 in einem gewissen Rahmen parallel zu der x-Achse. Die Spannungen können in der zweiten Schicht 3, 33 oder 43 des Lagerrings 1, 31 oder 41, die als eine sogenannte Crash-Zone (von engl.: „Aufprall-Zone“) wirkt, abgebaut werden.
Gemäß einigen weiteren, nicht dargestellten Ausführungsbeispielen, ist die zweite Schicht bzw. die Crash-Zone als eine Zwischenschicht ausgebildet. Diese kann bei manchen Ausführungsbeispielen den Einfluss der Spannung der Passung auf die Laufbahn begrenzen oder zumindest minimieren. Hierzu könnte beispielsweise ein Effekt einer Nichtlinearität des Spannungsanstiegs verwendet werden. Solche Nichtlinearitäten können bei manchen Ausführungsbeispielen durch ein Material oder durch eine spezielle Geometrie der zweiten Schicht erzeugt werden. Bei Ausführungsbeispielen, bei denen die Nichtlinearität durch ein Material bewirkt wird, beginnt das Material zu fließen. Dies kann ebenfalls ein plastisches Verformen des Materials bedingen. Um das Verformen zuzulassen, benötigt das Material Platz. Deshalb sind bei diesen Ausführungsbeispielen Räume oder Ausnehmungen vorgesehen, in die sich das Material ausdehnen bzw. verformen kann. Beispiele für solche Räume oder Schichten können eine Strebenstruktur, eine Schaumstruktur, eine Gitterstruktur oder zumindest eine in die Schicht eingebrachte Bohrung sein.
Bei Ausführungsbeispielen, bei denen das nichtlineare Verhalten der Schicht durch eine Geometrie erzeugt wird, kann die Form des Materials so gewählt werden, dass Teile des Materials elastisch knicken bzw. beulen. Auch so könnte eine nichtlineare Spannungskurve erzeugt werden.
Zusammenfassend betreffen manche Ausführungsbeispiele einen röhrenförmigen Körper mit einer innenliegenden Schicht zum Abbau von Spannungen. Beispielsweise kann es sich dabei um einen Faserverbundring handeln. Beispielsweise kann der röhrenförmige Körper in einem Faserverbund-Leichtbau-Lager eingesetzt sein.
Der Lagerring kann, wie für einige Ausbildungsbeispiele beschrieben, als Wälzlagerring in einem Wälzlager verwendet werden. Ferner kann der Lagerring jedoch in jedwede andere Lagerbauart eingesetzt werden. Beispielsweise kann der Lagerring als ein Leichtbau-Hybridring aus einem faserverstärkten Kunststoff aufgebaut sein.
Bei manchen Ausführungsbeispielen kann die zweite Schicht bzw. die Crash-Zone zumindest teilweise aus einem metallischen Material, einem Kunststoff, einem Gas oder einer Gitterstruktur bestehen. Die spannungsabbauende Funktion der Schicht könnte ggf. über ein elastisches Einfedern, eine Kompression oder eine Sollbruchstelle in der Schicht realisiert werden. Bei einigen weiteren, nicht dargestellten Ausführungsbeispielen kann die zweite Schicht aus Stahlschaum aufgebaut sein. Beispielsweise könnte der Stahlschaum bzw. Zellen des Stahlschaums ab einer bestimmten Spannung zerstört werden. Dadurch könnten beispielsweise Kontaktspannungsspitzen abgebaut werden.
Sobald eine maximal zulässige Spannung erreicht wird, kann bei manchen Ausführungsbeispielen die Schicht bzw. die Crash-Zone in Aktion treten. Beispielsweise kann diese Schicht reversibel oder nur für einen einmaligen Abbau von Spannungen zur Verfügung stehen. Die Schicht kann sich beispielsweise zwischen zwei gleichen Schichten oder zwischen zwei Schichten unterschiedlicher Materialien befinden. Insbesondere bei Ausführungsbeispielen, die Hybridringe betreffen, kann die Schicht zwischen einer Schicht aus einem Stahl und einem faserverstärktem Kunststoff angeordnet sein. Die Crash-Zone oder Crash-Zonen-Schicht könnte eine Verbindungsfläche der beiden Materialien darstellen. Alternativ kann die Schicht mit dem Verformungsvermögen, wie für die zweite Schicht beschrieben, direkt an einem Wellen- oder Gehäusesitz angeordnet sein.
Bei manchen Ausführungsbeispielen kann ein früher Ausfall des Lagers, beispielsweise durch Überlagern von Spannungen an dem Lagerring, verhindert oder zumindest reduziert werden. Ferner könnten bei manchen Ausführungsbeispielen zum Auslegen des Lagers die realen maximalen Überdeckungen herangezogen werden. Dadurch kann beispielsweise ein besserer Sitz der Ringe an der Welle oder in einem Gehäuse ermöglicht werden. Beispielsweise könnte so ein Bewegen, Verdrehen oder Verschieben des Lagerrings verhindert oder zumindest reduziert werden.
Ferner kann es sich bei dem Lagerring auch um einen Außenring, der beispielsweise mit einer festen Passung oder Überdeckung in ein Gehäuse montiert wird, handeln. Die zweite Schicht kann auch an dem Außenring und/oder an einer Begrenzungsfläche einer Bohrung oder eines Gehäuses angeordnet sein.
Zusammenfassend kann bei dem Lagerring nach manchen Ausführungsbeispielen eine Sicherheit gegen ein unbeabsichtigtes Übersteigen eines Hoop-Stress-Limits, z. B. durch eine Temperatur, eine Unrundheit, eine Fertigungsqualität und/oder eine Passung der Welle vermieden werden. So könnte ggf. ein Lagerausfall vermieden werden.
Die in der vorstehenden Beschreibung, den nachfolgenden Ansprüchen und den beigefügten Figuren offenbarten Ausführungsbeispiele sowie deren einzelne Merkmale können sowohl einzeln wie auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung eines Ausführungsbeispiels in ihren verschiedenen Ausgestaltungen von Bedeutung sein und implementiert werden.
Bezugszeichenliste

1: Lagerring
2: erste Schicht
3: zweite Schicht
4: Gleit-/Laufläche
5: Welle
6: Strebe
7: erster Ring
8: zweiter Ring
9: Ausnehmung
10: Bereich
11: Bereich
12: Diagramm
13: Kurve
14: Diagramm
15: Kurve
16: Diagramm
17: Kurve
18: Knick
19: Diagramm
20: Kurve
21: Innenring
25: Welle
26: Bereich
31: Lagerring
32: erste Schicht
33: zweite Schicht
34: Gleit-/Lauffläche
35: Pfeil
41: Lagerring
42: erste Schicht
43: zweite Schicht
46: Ausnehmung
50: Diagramm
51: Kurve
60: Diagramm
61: Kurve
x₁: Übermaßwert
y₁: Spannungswert
x: X-Achse,
y: Y-Achse
B: Breite Lagerring
b_R: Breite Ring
b_S: Breite Strebe
α: Winkel zwischen Streben
β: Winkel zwischen Strebe und Ring
R: radiale Richtung
D: Durchmesser Welle
d₁: Außendurchmesser erste Schicht
d₂: Außendurchmesser zweite Schicht
e₁: Dicke erste Schicht
e₂: Dicke zweite Schicht
P: Bereich Spannung

Claims

Lagerring (1) mit folgenden Merkmalen: einer ersten Schicht (2), wobei eine Oberfläche der ersten Schicht (2) eine Gleit- oder Lauffläche (4) des Lagerrings (1) bildet; einer zweiten Schicht (3), die auf einer der Gleit- oder Lauffläche (4) abgewandten Seite der ersten Schicht (2) angeordnet ist, wobei sich die zweite Schicht (3) in einem montierten Zustand bei einer geringeren Spannung als die erste Schicht (2) verformen lässt.
Lagerring (1) nach Anspruch 1, wobei der Lagerring (1) zumindest eine Ausnehmung (9) aufweist, die ausgebildet ist, um bei einem Verformen der zweiten Schicht (3) ein Material der zweiten Schicht (3) zumindest teilweise aufzunehmen.
Lagerring (1) nach Anspruch 2, wobei die zumindest eine Ausnehmung (9) in der ersten Schicht (2) ausgebildet ist und/oder wobei die zumindest eine Ausnehmung in der zweiten Schicht (3) ausgebildet ist.
Lagerring (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2 oder 3, wobei die zumindest erste Schicht (2) einen Festkörper umfasst, wobei ein Gesamtvolumen der zweiten Schicht (3) ein Volumen des Festkörpers und ein Gesamtvolumen der zumindest einen Ausnehmung (9) umfasst, wobei das Volumen des Festkörpers der zweiten Schicht (3) einem Gesamtvolumen zwischen 40% und 90% der zweiten Schicht (3) entspricht.
Lagerring (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die zweite Schicht (3) erst bei einer Spannung zwischen 100 MPa und 200 MPa irreversibel verformbar ist.
Lagerring (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Schicht (2) einen Stahl umfasst, der eine Streckgrenze von wenigstens 500 MPa aufweist und die zweite Schicht (3) einen Baustahl ausweist, der eine Streckgrenze von maximal 200 MPa aufweist.
Lagerring (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die zweite Schicht (3) eine Mehrzahl von Streben (6) umfasst.
Lagerring (1) nach Anspruch 7, wobei ein Verhältnis aus einer Streckgrenze eines Werkstoffs der Streben (6) zu einer Breite (b_S) der Streben in einem Bereich zwischen 50 und 400 MPa/mm liegt.
Lagerring (1) nach Anspruch 7 oder 8, wobei die zweite Schicht (3) einen Ring (7) umfasst, der konzentrisch zu dem Lagerring (1) angeordnet ist, wobei die Streben (6) von dem Ring (7) in Richtung der ersten Schicht (2) abragen.
Lagerring (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend eine dritte Schicht, wobei die zweite (3) Schicht radial zwischen der ersten (2) und der dritten Schicht angeordnet ist und/oder die erste (2) und/oder eine dritte Schicht zumindest teilweise aus einem faserverstärkten Werkstoff besteht.