DE102013221685A1

DE102013221685A1 - Wälzlager

Info

Publication number: DE102013221685A1
Application number: DE201310221685
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Braun; Vasilios Bakolas
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2013-10-25
Filing date: 2013-10-25
Publication date: 2015-04-30
Also published as: US20160273584A1; WO2015058758A1; EP3060820A1

Abstract

Ein Wälzlager (1) weist Kugeln (4) aus einer Formgedächtnislegierung, insbesondere Nitinol 60, als Wälzkörper auf, welche auf mindestens einem eine rillenförmige Laufbahn (5) aufweisenden Lagerring (2, 3) abrollen. Die Kugeln (4) kontaktieren die Laufbahn (5) mit einer Schmiegung von mindestens 108%.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Wälzkörper, nämlich Kugeln, aus einer Formgedächtnislegierung, insbesondere einer Nickel-Titan-Legierung, aufweisendes Wälzlager nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Hintergrund der Erfindung
Aus der US 6,886,986 B1 sind Wälzlager aus einer Nickel-Titan-Legierung, nämlich Nitinol 60, bekannt. Zur Herstellung der Wälzkörper wird eine keramische Gussform verwendet. Nach dem Gießen sind weitere Bearbeitungsschritte vorgesehen, welche ein Polieren der Nitinol-Kugeln einschließen.
Nickel-Titan-Legierungen zeichnen sich durch eine hohe Korrosionsbeständigkeit bei gleichzeitig hoher Härte aus, wodurch sie für Wälzkörper in Lagern, die unter ungünstigen Umgebungsbedingungen, insbesondere mangelnder Schmierung und/oder Beaufschlagung mit aggressiven Medien, betrieben werden, grundsätzlich geeignet sind.
Aufgabe der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Einsatzmöglichkeiten von Wälzlagern, nämlich Kugellagern, mit Wälzkörpern aus einer Formgedächtnislegierung gegenüber dem genannten Stand der Technik zu erweitern.
Beschreibung der Erfindung
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein als Kugellager ausgebildetes Wälzlager mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Das Wälzlager weist in an sich bekanntem Grundaufbau Wälzkörper aus einer Formgedächtnislegierung auf, welche zwischen zwei Laufbahnen von Lagerringen oder zwischen einer Laufbahn eines Lagerrings und einer direkt auf einer Welle befindlichen Laufbahn abrollen, wobei zumindest eine Laufbahn rillenförmig ist. Eine Laufbahn des Wälzlagers kann auch direkt durch ein Gehäusebauteil gebildet sein. Erfindungsgemäß kontaktieren die Kugeln die rillenförmige Laufbahn mit einer Schmiegung von mindestens 108%. Unter Schmiegung wird in diesem Fall das Verhältnis zwischen dem Radius der die Laufbahn bildenden Rille und dem Radius der Kugel verstanden.
Als Werkstoff zur Herstellung des ohne Beschränkung der Allgemeinheit als Lagerring bezeichneten, die rillenförmige Laufbahn aufweisenden Lagerteils des Wälzlagers ist beispielsweise eine Nickel-Titan-Legierung geeignet. Vorzugsweise weist die Legierung einen in Gewichtsprozent angegebenen Nickel-Gehalt von mehr als 55% auf. Insbesondere ist die Legierung Nitinol 60 (60% Nickel, 40% Titan) zur Herstellung des Lagerrings geeignet.
Im Vergleich zum Stand der Technik weist die Schmiegung einen relativ hohen Wert auf. Dies bedeutet, dass die Laufbahn, auf welcher die Kugel abrollt, relativ flach ausgebildet ist, sodass die Kontaktfläche zwischen der Kugel und dem Lagerring tendenziell verkleinert ist. Dies bewirkt grundsätzlich eine Verringerung der Tragfähigkeit des Wälzlagers. Im vorliegenden Fall, dank der Verwendung von Wälzkörpern aus einer Formgedächtnislegierung, insbesondere einer Nickel-Titan-Legierung, ist dieser Effekt jedoch gering, da derartige Legierungen ein deutlich niedrigeres Elastizitätsmodul als Stahl aufweisen. Durch die hohe elastische Nachgiebigkeit von Formgedächtnislegierungen, insbesondere Nickel-Titan-Legierungen, im Vergleich zu Stahl ist der die Belastbarkeit verringernde Effekt eines in Relation zur Dimensionierung der Kugeln vergleichsweise großen Radius der Rille, in welcher die Kugeln abrollen, überkompensiert.
In vorteilhafter Ausgestaltung sind die Kugeln des Wälzlagers aus einem Werkstoff gefertigt, dessen Elastizitätsmodul weniger als 60% des Elastizitätsmoduls des Lagerrings, auf welchem die Kugeln abrollen, beträgt. Vorzugseise beträgt das Elastizitätsmodul der Kugeln höchstens 120 GPa. Dagegen weisen die Lagerringe vorzugsweise ein Elastizitätsmodul von über 200 GPa auf.
Durch die mit der Vergrößerung des Wertes der Schmiegung einhergehende Verringerung der Kontaktfläche zwischen Lagerring und Wälzkörper ist im Vergleich zu herkömmlichen Lagern mit engerer Schmiegung insbesondere beim Betrieb mit geringen Lasten die Reibung und damit auch die Wärmeentwicklung im Lager reduziert. Das mit einem Wert von mindestens 108% eine besonders weite Schmiegung aufweisende Wälzlager ist daher besonders für den Betrieb unter ungünstigen Schmierungsbedingungen und damit in vielen Fällen auch ungünstigen Bedingungen der Wärmeabfuhr geeignet.
Der genannte Mindestwert der Schmiegung in Höhe von 108% gilt in bevorzugten Ausgestaltungen für den Innenring eines als Rillenkugellager ausgebildeten Wälzlagers, während der Außenring eines solchen Kugellagers eine Schmiegung von mindestens 110% aufweist. Auch bei Ausführungsformen des Wälzlagers, welche am Innenring eine Schmiegung von mehr als 108% aufweisen, ist am Außenring bevorzugt eine nochmals größere Schmiegung gegeben. Der Wert der Schmiegung am Außenring beträgt beispielsweise mehr als das 1,05-fache des Wertes der Schmiegung am Innenring.
Mit 108% Schmiegung am Innenring ergibt sich eine Pressung, die etwa der Pressung bei einem herkömmlichen Innenring aus Stahl mit 103% Schmiegung entspricht. Am Außenring entspricht die Pressung bei einem gemäß der Erfindung gestalteten Wälzlager mit 117% Schmiegung der Pressung bei einem herkömmlichen Lager mit etwa 105% Schmiegung am Außenring.
Ein weiterer Vorteil der Fertigung der Kugeln des Wälzlagers aus einer Nickel-Titan-Legierung, vorzugsweise Nitinol 60, liegt in der im Vergleich zu Stahl wesentlich niedrigeren Dichte einer solchen Legierung. Das Wälzlager eignet sich damit besonders für hohe Drehzahlen, selbst unter ungünstigen Schmierungsbedingungen.
Die Oberflächenhärte der Wälzkörper beträgt in bevorzugter Ausgestaltung mehr als 58 HRC, wobei Härtewerte bis 62 HRC erreichbar sind. Die Wälzkörper des Wälzlagers können einer Wärmebehandlung unterzogen werden. Weitere Vorteile der aus einer Formgedächtnislegierung gefertigter Wälzkörper liegen in ihrer Kompatibilität mit Schmierstoffen, ihrer Korrosionsbeständigkeit und ihrer Verschleißfestigkeit.
Die Lagerringe des Wälzlagers sind aus Stahl, beispielsweise aus gängigem Wälzlagerstahl oder aus einem korrosionsbeständigen Stahl, gefertigt. Als besonders geeignet hat sich Stahl, welcher unter der Bezeichnung Cronidur (X 30 CrMoN 15 1; Werkstoffnummer 1.4108) erhältlich ist, herausgestellt.
Ein bevorzugtes Anwendungsgebiet des Walzlagers sind schnelldrehende sowie mediengeschmierte Lager. Unter einer Medienschmierung wird allgemein eine Beaufschlagung der Wälzkontaktflächen mit einem Medium verstanden, welches nicht primär zur Schmierung vorgesehen ist. Hierbei kann es sich beispielsweise um eine Fluid handeln, welches in einer mit dem Wälzlager ausgerüsteten Pumpe oder einem Verdichter gefördert wird. Auch der nicht oder nur unvollständig abgedichtete Einsatz eines Wälzlagers unter Wasser, insbesondere in Meerwasser, gilt als mediengeschmierter Betrieb eines Wälzlagers.
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Hierin zeigen:
Kurze Beschreibung der Zeichnung
1 ein Wälzlager mit Wälzkörpern aus einer Formgedächtnislegierung in einer Schnittdarstellung,
2 in einem Diagramm den Zusammenhang zwischen Schmiegung und Pressung beim erfindungsgemäßen Wälzlager einerseits und einem Vergleichswälzlager andererseits.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnung
Die 1 zeigt ein insgesamt mit dem Bezugszeichen 1 gekennzeichnetes Wälzlager, welches zwei Lagerringe 2, 3, nämlich einen Außenring 2 und einen Innenring 3 aufweist, zwischen welchen Wälzkörper 4 abrollen. Die Wälzkörper 4 sind als Kugeln aus Nitinol 60 (60% Ni, 40% Ti) ausgebildet. Die rillenförmigen Laufbahnen der Lagerringe 2, 3, auf welchen die Kugeln 4 abrollen, sind mit dem Bezugszeichen 5 gekennzeichnet. Am Beispiel des Innenrings 3 ist zusätzlich zur gezeigten Laufbahn 5 des Wälzlagers 1 eine Vergleichslaufbahn 6 angedeutet, die sich enger an die Kugel 4 schmiegt und der Kontur eines Lagerrings eines nicht beanspruchten, herkömmlichen Wälzlagers, nämlich Radial-Rillenkugellagers, entspricht.
Der Radius der Kugel 4 ist in 1 mit r_K, der Radius der Laufbahn 5 mit r_L bezeichnet. Das Verhältnis zwischen dem Laufbahnradius r₁ und dem Kugelradius r_K beträgt deutlich mehr als 108% und ist als Schmiegung definiert. Im Vergleich zu herkömmlichen Lagerkonstruktionen, die durch die Kontur der Vergleichslaufbahn 6 angedeutet sind, ist die Schmiegung des Wälzlagers 1 außergewöhnlich weit. Im mechanisch unbelasteten oder gering belasteten Zustand, wie in 1 dargestellt, ergibt sich hieraus eine im Vergleich zu Lagern mit engerer Schmiegung wesentlich geringere Kontaktfläche zwischen dem Wälzkörper 4 und der Laufbahn 5.
Dies wird jedoch, zumindest beim Betrieb des Wälzlagers 1 unter hoher mechanischer Belastung, dadurch überkompensiert, dass das Elastizitätsmodul des Wälzkörpers 4 mit 114 GPa nur etwas mehr als halb so groß ist wie das Elastizitätsmodul der Lagerringe 2, 3. Die Lagerringe 2, 3 sind aus Stahl mit einem Elastizitätsmodul von 208 GPa gefertigt. Die Dichte des Formgedächtniseigenschaften aufweisenden Materials, aus welchem der Wälzkörper 4 gefertigt ist, liegt zwischen 6 und 7 g/cm³ und ist damit erheblich geringer als die Dichte von Stahl. Dementsprechend sind beim Betrieb des Wälzlagers 1 auftretende Fliehkräfte im Vergleich zu herkömmlichen Wälzlagern mit Wälzkörpern aus Stahl deutlich reduziert.
Die Zusammenhänge zwischen Schmiegung S (in %) des Wälzlagers 1, maximaler Pressung P (in MPa) im Kontakt zwischen Wälzkörpern 4 und Laufbahn 5, sowie Elastizitätsmodul der Wälzkörper 4 sind in 2 veranschaulicht. Eigenschaften eines herkömmlichen Rillenkugellagers, welches Kugeln aus gängigem Wälzlagerstahl, beispielsweise 100Cr6, aufweist, sind in 2 durch eine gestrichelte Linie skizziert. Zu höheren Werten der Schmiegung hin, das heißt bei flacher werdender Laufbahn, nimmt die maximale Pressung im Wälzkontakt signifikant zu. Dieser Zusammenhang ist grundsätzlich auch beim erfindungsgemäßen Wälzlager 1 nach 1, wie in 2 durch eine ansteigende durchgezogene Linie beschrieben, ersichtlich. Aufgrund des beim erfindungsgemäßen Wälzlager 1 im Vergleich zum herkömmlichen Wälzlager wesentlich geringeren Elastizitätsmodul der Wälzkörper 4 ist die Pressung P, welche im Wälzkontakt wirkt, drastisch reduziert. Der bevorzugte Bereich der Schmiegung des Wälzlagers 1 ist in 2 durch eine über die durchgezogene Linie gelegte Schraffur hervorgehoben.
Die gesamte durchgezogene Linie, welche Eigenschaften von Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Wälzlagers 1 (ab 108% Schmiegung) aufzeigt, liegt signifikant unter der gestrichelten Linie, die Eigenschaften eines herkömmlichen Vergleichswälzlagers zeigt. Selbst der höchste Punkt innerhalb des schraffierten Bereichs, welcher für ein Lager mit sehr weiter Rille im Vergleich zum Kugelradius steht, liegt unterhalb der maximalen Pressung, die bei einem herkömmlichen Lager mit Stahlkugeln und extrem enger Schmierung (unterster Punkt der gestrichelten Linie) auftritt.
Ein weiterer Vorteil der sehr weiten Schmiegung des erfindungsgemäßen Wälzlagers 1 liegt darin, dass im Vergleich zu herkömmlichen Rillenkugellagern ein größerer axialer Versatz zwischen den Lagerringen 2, 3 möglich ist, sowie ein größerer Winkelfehler zwischen den relativ zueinander rotierbaren, mittels des Wälzlagers 1 gelagerten Teilen akzeptabel ist.
Aufgrund des Werkstoffs der Wälzkörper 4 sowie der beschriebenen geometrischen Relationen zeichnet sich das Wälzlager 1 durch eine besonders hohe Korrosionsfestigkeit und Verschleißfestigkeit aus, wobei unterschiedlichste Schmierstoffe verwendbar sind und selbst ein ungeschmierter Betrieb innerhalb begrenzter Drehzahl- und Lastbereiche möglich ist.
Bezugszeichenliste

1: Wälzlager
2: Außenring
3: Innenring
4: Wälzkörper, Kugel
5: Laufbahn
6: Vergleichslaufbahn
P: Pressung
r_L: Radius der Laufbahn
r_K: Kugelradius
S: Schmiegung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 6886986 B1 [0002]

Claims

Wälzlager (1), mit Kugeln (4) aus einer Formgedächtnislegierung als Wälzkörpern, welche auf mindestens einem eine rillenförmige Laufbahn (5) aufweisenden Lagerring (2, 3) abrollen, dadurch gekennzeichnet, dass die Kugeln (4) die Laufbahn (5) mit einer Schmiegung von mindestens 108% kontaktieren.
Wälzlager (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kugeln (4) aus einer Nickel-Titan-Legierung mit einem Nickel-Gehalt von mehr als 55 Gew.-% gefertigt sind.
Wälzlager (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kugeln (4) 60 Gew.-% Nickel und 40 Gew.-% Titan enthalten.
Wälzlager (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kugeln (4) eine Oberflächenhärte von mehr als 58 HRC aufweisen.
Wälzlager (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kugeln (4) ein Elastizitätsmodul von höchstens 120 GPa aufweisen.
Wälzlager (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Elastizitätsmodul der Kugeln (4) weniger als 60% des Elastizitätsmoduls der Lagerringe (2, 3) beträgt.
Wälzlager (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagerringe (2, 3) aus einem nichtrostenden Stahl, insbesondere Stahl mit der Werkstoffnummer 1.4108, gefertigt sind.
Wälzlager (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kugeln (4) einen als Außenring (2) ausgebildeten Lagerring mit einer weiteren Schmiegung als einen als Innenring (3) ausgebildeten Lagerring kontaktieren.
Wälzlager (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Schmiegung am Außenring (2) mindestens 110% beträgt.
Verwendung eines Wälzlagers (1) nach Anspruch 1 als wassergeschmiertes, insbesondere seewassergeschmiertes, Lager.