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Die Erfindung betrifft eine Lagerhalterung, die mindestens einen Abschnitt zur Aufnahme eines Lagerrings aufweist.
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Für Lagerringe und Lagergehäuse werden zumeist Stahlwerkstoffe eingesetzt. Die Lagerringe bestehen dabei meist aus Wälzlagerstahl (100 Cr 6). Lagergehäuse werden oft aus Guss hergestellt, beispielsweise aus Stahlguss oder Grauguss. Auch Bleche und faserverstärkte Kunststoffe sind als Material für die genannten Anwendungsfälle bekannt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Lagerhalterung vorzuschlagen, die eine steife, dennoch aber leichte Bauweise aufweist und die kostengünstig zu realisieren ist. Dabei sollen die bauteiltypischen Anforderungen vollumfänglich erfüllt werden, was beispielsweise die Befestigungsmittel anbelangt, mit denen eine Anbindung an andere Maschinenteile erfolgen kann. Auch sollen sich die Lageraufnahmen durch ein gutes Dämpfverhalten auszeichnen, so dass insbesondere Schwingungen gut gedämpft werden können.
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Die Lösung dieser Aufgabe durch die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Lagerhalterung zumindest teilweise aus einem Material besteht, das bei Raumtemperatur (T = 20°C) eine gießfähige Konsistenz aufweisen kann.
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Hierbei handelt es sich bevorzugt um Beton, insbesondere um Mineralguss (Polymerbeton). Aber auch Keramikmaterial stellt eine vorteilhafte Lösung dar.
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Das Material besteht bevorzugt aus Füllstoffen und aus einem Binder, gegebenenfalls noch aus Additiven. Der Füllstoff weist dabei bevorzugt einen Gewichtsanteil zwischen 80 % und 95 % auf. Der Binder hat bevorzugt einen Gewichtsanteil zwischen 5 % und 20 %. Alle Bestandteile des Material haben zusammen 100 Gew.-%.
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Der Binder kann aus einem Harz und einem Härter bestehen. Das Harz ist dabei bevorzugt ein Epoxydharz (mit Epoxid- und Hydroxylgruppen); bewährt haben sich auch Phenolharze, ungesättigte Polyesterharze, Silikonharze, Polyurethan-Gießharze und Melamin/Formaldehyd-Harze. Der Härter kann ein aminischer Härter sein. Die Aushärtung der Harze kann kalt oder warm erfolgen.
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Der Füllstoff kann aus organischem Material bestehen, wobei in diesem Falle besonders an Holz, Lignin, Graphit, Bambusfasern, Kokosfasern, Baumwollfasern, Kunststofffasern, Fließ, Sisal, Hanf, Flachs und/oder geschäumten Kunststoff (insbesondere Polystyrol) gedacht ist.
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Der Füllstoff kann auch aus anorganischem Material bestehen, wobei hier insbesondere an Marmor, Granit, Basalt, Kalkstein, Glas, Keramik, Lavastein, Zeolith, Blähbeton, Feinsteinzeug, gebrannter Keramik, Sand (insbesondere Quarzsand) und/oder Ton gedacht ist.
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Der Füllstoff kann eine kugelförmige oder mehreckige Formung aufweisen. Hierbei können Kugeln, Hohlkugeln und mehreckige Strukturen vorgesehen werden. Die Partikel, aus denen der Füllstoff besteht, können massiv oder hohl sein.
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Die Füllstoffe können geordnet oder ungeordnet, d. h. gerichtet oder nicht gerichtet, eingebracht werden.
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Dem Material können Verstärkungsfasern beigegeben sein. Hierunter sind auch Stahlstäbe, Matten, Armierungseisen, Körbe, Stahlgewebe und ähnliche Elemente zu verstehen, wie sie auch bei normalem Beton verwendet werden.
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In das Material kann auch ein Gewebe eingelagert sein. Die Verstärkungsfasern oder das Gewebe können dabei aus einem Kokosmaterial, einem Baumwollmaterial, aus Glas, aus Kohlenstoff, aus Metall oder aus Metallschaum bestehen. Das Gewebe kann dabei gestrickt, gehäkelt, gewebt oder gewickelt sein. Es können kurze und lange Stahlspäne vorgesehen werden. Damit ist generell eine geordnete Struktur herstellbar. Als weitere Möglichkeit sei das Einbringen sog. Nanotubes genannt.
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Aber auch ungeordnete Strukturen können realisiert werden, indem Späne, los beigemischte Fasern bzw. Partikel aus den oben genannten Materialien eigemischt werden.
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Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, dass dem Material ein Schmierstoff und/oder ein Schmierstoff aufnehmendes bzw. speicherndes Material, wie Lavagestein und/oder mikroporöses Material, wie Zellolit, zugegeben ist.
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Die Schmierstoffe können als mikroverkapseltes Material zugegeben werden. Als Schmierstoffe kommen insbesondere Graphit, Polytetrafluorethylen (PTFE) und mikroverkapselte Schmierstoffe in Frage.
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Es können so poröse und saugfähige Materialien hergestellt werden, die in der Lage sind, Schmierstoffe zu speichern (sog. Solid-Oil-Materialien).
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Bevorzugt kann vorgesehen sein, dass die Lagerhalterung als Lagergehäuse, insbesondere als Stehlagergehäuse, ausgebildet ist, das mindestens einen Befestigungsabschnitt aufweist.
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Der Befestigungsabschnitt weist bevorzugt einen mit einem metallischen Teil verstärkten Bereich auf, wobei das metallische Teil in das Material eingebettet oder eingeklebt ist.
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Bei dem metallischen Teil handelt es sich insbesondere um eine Hülse, um eine Gewindehülse, um einen Gewindebolzen, um ein Positioniermittel (z. B. Passstift), um ein Drehmomentübertragungsmittel (z. B. Passfeder), um einen Befestigungsanker oder um einen Befestigungshaken.
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Die Lagerhalterung weist nach einer vorteilhaften Weiterbildung in mindestens einem Bereich eine Ausnehmung auf. Hierdurch ist eine Optimierung der Geometrie unter Gewichtsgesichtspunkten möglich. Derartige Leichtbaustrukturen lassen demgemäß Material an den Stellen weg, die keine relevante Last übertragen würden. Entsprechend können auch spezielle Bauteilregionen gezielt mit Material verstärkt werden, wenn dort hohe Kräfte zu übertragen sind.
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Eine weitere Fortbildung sieht vor, dass in der Lagerhalterung zumindest ein Kanal angeordnet ist, der zum Durchleiten eines Schmiermittels und/oder eines Temperierfluids ausgebildet ist. Es können also integrierte Kühl- und Schmierkanäle in dem genannten Bauteil angeordnet sein.
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Weiterhin kann vorgesehen sein, dass in der Lagerhalterung zumindest ein Hohlraum angeordnet ist, in dem ein das Schwingungsverhalten des Bauteils beeinflussendes Element angeordnet ist, insbesondere Sand, oder mindestens eine Metallkugel oder ein aktiv angesteuertes Dämpfungselement. Das genannte Bauteil ist in diesem Falle also mit Schwingungsreduzierungsmaßnahmen versehen, wobei in den genannten Hohlräumen passive oder aktive Schwingungsreduzierungselemente angeordnet sind.
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Erfindungsgemäß wird also vorzugsweise Mineralguss als Material statt Metall (Stahl oder Guss) für eine Lagerhalterung eingesetzt. Generell sind hierunter Lagergehäuse und Lagerträger zu verstehen, insbesondere Stehlager.
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Eine Weiterbildung umfasst das Konzept, dass als Einlegeteil eine geordnete Matrix ins Material des Mineralgusses eingebunden wird, die hohen Kontaktspannungen ausgesetzt ist und diesen standhält.
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Beton ist ein Gemisch aus Zement, Gesteinskörnung und Anmachwasser; gegebenenfalls sind auch Betonzusatzstoffe und Betonzusatzmittel enthalten. Der Zement dient als Bindemittel, um die anderen Bestandteile zusammenzuhalten. Die Festigkeit des Betons entsteht durch Auskristallisierung der Klinkerbestandteile des Zements unter Wasseraufnahme.
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Dem Beton können Fasern aus Stahl, Kunststoff, Kohlenstoff oder Glas zugesetzt werden, um Faserbeton zu erhalten.
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Mineralguss (auch Polymerbeton genannt) enthält im Unterschied zu normalem Beton ein Polymer, also ein Kunststoffmaterial, als Bindemittel, das die Gesteinskörnung zusammenhält. Zement wird im Mineralguss, falls überhaupt, nur als Füllstoff eingesetzt und übernimmt keine Bindewirkung. Die am weitesten verbreitete Polymermatrix für Mineralguss ist ungesättigtes Polyesterharz. Mineralguss hat in seinem Anwendungsbereich deutlich bessere mechanische und chemische Eigenschaften als Zement-Beton. Die Gelierzeit dieser Harze kann durch die Menge der verwendeten Katalysatoren und Härter eingestellt werden. Bevorzugt kommt als Polymer, also als Bindemittel, Epoxydharz zum Einsatz, um ein gutes schwingungsdämpfendes Verhalten zu generieren.
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Eine Weiterbildung sieht vor, dass die beschriebenen Bauteile aus Mineralguss beschichtet werden. Damit können folgende Funktionen bzw. Vorteile erzielt werden:
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Es kann eine bessere Entformbarkeit nach dem Abgießen erreicht werden. Lunker können gefüllt werden. Es kann eine gewünschte Farbgebung erreicht werden. Die Reibungsverhältnisse an der Oberfläche können verändert (erhöht/reduziert) werden. Die tribologischen Eigenschaften können verändert werden. Es kann eine Ionisierung erreicht werden. Es ist ein Schutz der Polymere z. B. gegen aggressive Medien möglich. Es können gezielt hydrophobe oder hydrophile Oberflächen erzeugt werden; gleichermaßen sind oleophobe oder oleophile Oberflächen herstellbar. Schließlich kann eine schmutzabweisende oder antistatische Oberfläche hergestellt werden.
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Die Anwendungsmöglichkeiten der vorgeschlagenen Bauteile sind vielfältig. Insbesondere seien genannt die Pharmaindustrie, die Lebensmittelindustrie, die Biotechnologie, die Medizintechnik, die Chemieindustrie, Speicherungsanlagen für CO2, Wasserkraftanlagen, die hydrothermale Karbonisierung, die Photovoltaik, die Anwendung in der E-Mobilität, Biogasanlagen, Güllerührwerke, die Abwasseraufbereitung, die Energiegewinnung mit Lenkdrachen (sog. Enerkite) und die Zementindustrie.
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Eine weitere sehr vorteilhafte Weiterbildung besteht darin, dass gezielt Hohlräume bzw. Kanäle in das Bauteil aus Mineralguss beim Gießvorgang mit eingegossen werden. Hierbei ist insbesondere an Kühlkanäle und Heizkanäle gedacht, durch die Flüssigkeiten und Gase geleitet werden können.
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Damit kann in vorteilhafter Weise eine Leistungssteigerung erreicht werden, die sich beispielsweise infolge einer Kühlung des Bauteils ergibt. Alternativ kann eine Anlage vor dem Start vorgewärmt werden, um beispielsweise das Schmieröl auf Betriebstemperatur zu bringen bzw. die Viskosität des Schmierfetts zu senken. Dadurch können Anlaufmomente reduziert und Lagerschädigungen vermieden werden. Aber integrierte Schmierstoffkanäle sind denkbar.
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Durch das Eingießen besagter Kanäle können nachträgliche Bearbeitungskosten eingespart werden. Auch ist es möglich, die Kanäle in der Geometrie optimiert und an den bestmöglichen Stellen des Bauteils zu positionieren.
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Kühlkanäle können näher und flächiger an der Wärmequelle liegen; die Kühlleistung kann sich erhöhen.
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Eine andere Weiterbildung sieht vor, dass Schwingungselemente bzw. schwingungsbeeinflussende Elemente in die genannten Bauteile integriert werden. Hierbei können Elemente mit eingegossen bzw. hierfür Hohlräume vorgesehen werden, um Schwingungen aktiv (z. B. mittels eines Piezoelements) oder passiv (z. B. mittels eines Gummielements oder durch Sand) zu beeinflussen. Dabei kann sowohl an eine Schwingungsreduzierung also auch an ein gezieltes Einbringen von Schwingungen gedacht werden.
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Das Eingießen von Elementen kann auch hinsichtlich Sensoren ins Auge gefasst werden, (z. B. Schwingungsaufnehmer).
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Es ergeben sich bei Nutzung des vorgeschlagenen Konzepts die unterschiedlichsten Möglichkeiten, beispielsweise können die Bauteile eine große Vielfalt hinsichtlich ihrer Geometrie haben.
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Es ergeben sich auch Vorteile hinsichtlich der Schwingungsdämpfung der Bauteile, die erfindungsgemäß ausgeführt sind. Ferner kann eine Gewichtseinsparung erzielt werden, insbesondere wenn die Möglichkeiten der Forgebung der Bauteile durch das vorgeschlagene Material ausgenutzt werden.
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Es ist ein hohes Maß an Gestaltungsfreiheit möglich, was die geometrische Ausgestaltung der Bauteile anbelangt. Die Konstruktion kann demgemäß so erfolgen, dass eine Optimierung der Belastungen erfolgt, d. h. die Bauteile können so gestaltet werden, dass an den benötigten Stellen hinreichend Material vorhanden ist, indes an weniger belasteten Stellen auch weniger Material eingesetzt wird. Hiernach werden also Aussparungen in das Material eingebracht, um Gewichtseinsparungen beim Gießen zu erzielen.
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Das vorgeschlagene Material weist des weiteren eine hohe Steifigkeit auf, so dass Kräfte bei geringen Verformungen aufgenommen werden können.
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Somit ist eine kostengünstige Herstellung der genannten Bauteile möglich. Dies gilt nicht nur mit Blick auf das Material selber, das sehr viel günstiger ist als beispielsweise Wälzlagerstahl, sondern auch mit Blick auf die Herstellung der Teile, die in einfacher Weise durch Urformen gestaltet werden können; eine aufwändige mechanische Bearbeitung ist demgemäß zumindest über Strecken hinweg vermeidbar.
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Für die Festlegung besagter Bauteile können durch die genannten Maßnahmen Mittel zur Verfügung gestellt werden, die eine hohe Festigkeit gewährleisten.
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Durch das Einbringen, Ummanteln, Umgießen bzw. Einkleben von Verstärkungsteilen kann bei der Verwendung von Mineralguss statt Stahl bzw. Guss dennoch eine hohe Festigkeit der hochbelasteten Bereich der Bauteile gewährleistet werden. Dasselbe gilt hinslichlich mit eingeformter bzw. eingekleber Verstärkungshülsen, Gewindehülsen, Gewindebolzen oder auch Befestigungsnuten.
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Die Lagerhalterungen können dabei nicht nur als Stehlager- oder Flanschlagergehäuse verwirklicht werden, sondern auch in anderen Bauteilen wie Schwenklagerungen mit und ohne Verzahnungen.
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Möglich ist auch eine Faserbeimischungen in das Material, d. h. insbesondere in den Beton, wodurch das Gewicht, die Festigkeit und die Steifigkeit der Bauteile positiv beeinflusst werden können.
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Generell können alle Materialien für die Umsetzung der vorgeschlagenen Idee zum Einsatz kommen, die „kalt“ gegossen werden können, d. h. Materialien, die bei Raumtemperatur (20 °C) eine gießfähige Konsistenz aufweisen können.
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In vorteilhafter Weise kann eine große Formenvielfalt mit dem erfindungsgemäßen Lager bzw. der Lagerhalterung erzielt werden, da die Bauteile aus Guss bestehen. Weiterhin ist die Beständigkeit gegen aggressive Medien vorteilhaft. Bei Anwendungen beispielsweise in Computertomographen ist es vorteilhaft, dass die Bauteile unmangnetisch sind.
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In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Es zeigen:
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1 im Radialschnitt ein Wälzlager in Form eines Rillenkugellagers in erfindungsgemäßer Ausbildung,
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2 im Radialschnitt ein als Flanschlager ausgebildetes Wälzlager,
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3 die Vorderansicht eines teilweise geschnitten dargestellten Stehlagergehäuses, das ein Wälzlager hält,
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4 den Schnitt senkrecht zur Längsachse durch ein Schienenelement eines Linearlager,
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5a schematisch einen Lageraußenring eines Gleitlagers gemäß einer ersten Ausführungsform,
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5b schematisch einen Lageraußenring eines Gleitlagers gemäß einer zweiten Ausführungsform,
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5c schematisch einen Lageraußenring eines Gleitlagers gemäß einer dritten Ausführungsform und
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5d schematisch einen Lagerinnenring eines Gleitlagers.
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In 1 ist ein Rillenkugellager 1 zu sehen, das einen Innenring 3 und einen Außenring 4 aufweist, zwischen denen Wälzkörper 12 in Form von Stahlkugeln angeordnet sind. Das Grundmaterial B der beiden Lagerringe 3, 4 ist Mineralguss; vorliegend bestehen die Lagerringe 3, 4 praktisch vollständig aus diesem Material. Die hochbelasteten Teile des Lagers 1, d. h. insbesondere die Laufbahnen 6 für den Anlauf der Kugeln 12, werden durch Einlegeteile 7 gebildet, d. h. durch Laufbahnringe aus Stahl, die beim Gießen der Lagerringe 3, 4 in die Gießform eingelegt sind und so vom Material B einseitig ummantelt werden. Die Anbringung der Einlegeteile kann aber auch auf andere Weise erfolgen, z. B. durch Kleben, Einpressen, Einschrauben, Schweißen, Löten oder Nieten.
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In 2 ist dieses Prinzip noch weiter entwickelt. Die Lagerringe 3, 4 sind wiederum mit Einlegeteilen 7 in Form von Laufbahnringen versehen. Zusätzlich ist der Lageraußenring 4 mit einem sich radial erstreckenden Befestigungsabschnitt 8 versehen, nämlich mit einem Flanschabschnitt. Um diesen fest und stabil an einem (nicht dargestellten) Anbauteil festlegen, z. B. festschrauben zu können, ist in das Material B eine metallische Hülse 10 eingebracht, die wiederum – wie im Falle der Einlegeteile 7 für die Laufbahnen – beim Gießen des Lagerrings 4 mit in die Gießform eingelegt wird, so dass die Hülse 10 wie dargestellt vom Material B ummantelt wird.
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Diese Vorgehensweise kann auch im Falle einer Lagerhalterung 2 genutzt werden, wie es in 3 für ein Stehlagergehäuse dargestellt ist. Das Lager 1 ist hier in eine kreisförmige Ausnehmung der Lagerhaltung 2 eingesetzt, die beim Gießen der Halterung 2 aus Mineralguss B geschaffen wurde. Ein Verstärken der Gehäusebohrung für die Lageraufnahme durch Stützelemente bzw. Einlagen ist möglich.
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Das Stehlagergehäuse 2 weist zwei Befestigungsabschnitte 9 auf, mit denen es an einem (nicht dargestellten) Anbauteil befestigt werden kann. Hierfür sind wieder metallische Hülsen 10 in das Material B integriert, die eine entsprechende Festigkeit sicherstellen.
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Analog zu den hier genannten Hülsen 10 im Falle der 2 und 3 können auch andere Befestigungselemente vorgesehen werden, wie insbesondere Gewindehülsen oder Gewindebolzen, die bei der Herstellung der Lagerringe bzw. der Lagerhalterung umgossen und so fixiert werden. Genauso kann aber auch ein Festkleben der genannten Teile erfolgen.
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In 3 ist noch eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung zu erkennen, die genauso auch bei Lagerringen zum Einsatz kommen kann: Die Lagerhalterung 2 weist hier im Bodenbereich Ausnehmungen 11 auf. Diese sind beim Urformen der Lagerhalterung 2 ausgebildet, d. h. die Form, in die der noch flüssige, nicht ausgehärtete Mineralguss gegossen wird, ist so ausgebildet, dass am gegossenen Teil die dargestellten Ausnehmungen 11 entstehen.
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Die Bereiche, in denen sich die Ausnehmungen 11 befinden bzw. die von den Ausnehmungen 11 ausgespart werden, sind solche Abschnitte des Bauteils (d. h. der Lagerringe oder der Lagerhalterung), die im Betrieb relativ geringen Belastungen ausgesetzt sind. Demgemäß ist es möglich, zwecks Materialersparnis und Gewichtsreduzierung besagte Ausnehmungen 11 zu realisieren, ohne die Bauteilfestigkeit zu gefährden.
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In 4 ist ein Ausführungsbeispiel dargestellt, das die vorgeschlagene Idee angewendet bei einem Linearlager bzw. bei einem Teil desselben zeigt. Das sich in Richtung senkrecht auf die Zeichenebene erstreckende Schienenelement einer Linearlagerung ist wiederum aus Mineralguss B hergestellt. Die Laufbahnen für den Anlauf von Wälzkörpern werden analog zu den 1 und 2 durch Einlegeteile 7 aus Stahl gebildet, die für die nötige Festigkeit sorgen.
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In den 5a bis 5d sind schematisch verschiedene Ausführungsformen von Gleitlagerringen dargestellt.
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In 5a ist ein Gleitlageraußenring 4 mit hohlzylindrischer Kontur zu sehen, gesehen in Richtung der Drehachse des Gleitlagers, bei dem als Material für den Gleitlagerring Mineralguss B vorgesehen ist. Um die Gleiteigenschaften für den Betrieb des Lagers zu verbessern, ist in den Mineralguss B ein Gleitzusatz 13 eingelagert. Dies ist hier ohne spezielle Orientierung des Gleitzusatzes im Mineralguss erfolgt.
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Bei der Lösung gemäß 5b ist eine Variante der Lösung nach 5a zu sehen, bei der das die Gleiteigenschaften verbessernde Material in Form einer Gleitschicht 14 eingebracht ist. Hierbei umschließt der aus Mineralguss B bestehende hohlzylindrische Lageraußenring 4 die hülsenartig ausgebildete Gleitschicht 14 konzentrisch.
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Bei der Lösung gemäß 5c liegt insofern eine Variante zu 5a vor, weil hier der Gleitzusatz 13 in orientierter Form in den Mineralguss B eingelagert wurde, aus dem der Gleitlager-Außenring 4 besteht. Namentlich wurde der Gleitzusatz 13 in den radial innenliegenden Bereich des Außenrings 4 eingelagert, da hier der Gleitkontakt-Bereich zum Lagerinnenring vorliegt.
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In 5d ist ein Gleitlager-Innenring 3 zu sehen, bei dem in analoger Weise zu 5c ein Gleitzusatz 13 in den radial außenliegenden Bereich eingelagert wurde.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Lager
- 2
- Lagerhalterung
- 3
- Lagerinnenring
- 4
- Lageraußenring
- 5
- Schienenelement
- 6
- Laufbahn des Lagerrings
- 7
- Einlegeteil
- 8
- Befestigungsabschnitt am Lagerring
- 9
- Befestigungsabschnitt an der Lagerhalterung
- 10
- metallisches Teil (Hülse, Gewindehülse, Gewindebolzen)
- 11
- Ausnehmung
- 12
- Wälzkörper
- 13
- Gleitzusatz
- 14
- Gleitschicht
- B
- Material (Mineralguss / Polymerbeton)
