DE102013225998A1 - Kunststoff-Wälzlagerkäfig für ein Radiallager und Radiallager - Google Patents

Abstract

Ein Kunststoff-Wälzlagerkäfig (1), nämlich Radialkugellagerkäfig, welcher insbesondere für mangelgeschmierte Anwendungen geeignet ist, weist einen einzigen Käfigring (2) und eine Anzahl durch den Käfigring (2) sowie durch Käfigstege (3) begrenzter, zur Aufnahme jeweils eines Wälzkörpers ausgebildeter Käfigtaschen (4) auf. Der Käfigring (2) ist mit den Käfigstegen (3) einstückig ausgebildet und enthält Festschmierstoff, wobei das Verhältnis zwischen der Breite (BS) des Käfigsteges (3) und der Quadratwurzel aus dem Käfigtaschendurchmesser (DW) weniger als 2,0 mm1/2 beträgt.

Description

• Gebiet der Erfindung
• Die Erfindung betrifft einen Kunststoff-Wälzlagerkäfig, nämlich Käfig eines Radialkugellagers, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Es handelt sich hierbei um einen Kugellagerkäfig, welcher Festschmierstoff enthält.
• Hintergrund der Erfindung
• Ein gattungsgemäßer Wälzlagerkäfig ist beispielsweise aus der EP 1 830 082 B1 bekannt. Dieser Wälzlagerkäfig ist aus einer Harzzusammensetzung gefertigt, die Verstärkungsfasern und 3 bis 40 Gew.-% kugelförmigen Kohlenstoff enthält. Der als Festschmierstoff verwendete kugelförmige Kohlenstoff kann einen durchschnittlichen Teilchendurchmesser von 100 µm oder weniger aufweisen.
• Ein weiterer Kugellagerkäfig mit einem Festschmierstoff ist aus der JP 2010-053971 A bekannt. Bei diesem Kugellagerkäfig sind Substanzen, welche für eine Verminderung der Reibung sorgen sollen, ungleich verteilt, wobei die maximale Dichte dieser Substanzen an den Innenoberflächen von Käfigtaschen gegeben ist.
• Aufgabe der Erfindung
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Wälzlagerkäfig, nämlich Kugellagerkäfig für ein Radiallager, der aus Festschmierstoff enthaltendem Kunststoff gefertigt ist, gegenüber dem genannten Stand der Technik insbesondere hinsichtlich Dauerhaltbarkeit, auch unter ungünstigen Umgebungsbedingungen, weiterzuentwickeln.
• Beschreibung der Erfindung
• Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Kunststoff-Wälzlagerkäfig mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Weiter wird die Aufgabe gelöst durch ein einen solchen Kunststoff-Wälzlagerkäfig aufweisendes Wälzlager nach Anspruch 9.
• Der als Radialkugellagerkäfig ausgebildete Kunststoff-Wälzlagerkäfig weist in an sich bekannter Grundform genau einen Käfigring und eine Anzahl durch den Käfigring sowie durch an diesen anschließende Käfigstege begrenzte, auf der dem Käfigring abgewandten Stirnseite des Wälzlagerkäfigs offene, zur Aufnahme jeweils eines Wälzkörpers, nämlich einer Kugel, ausgebildete, partiell sphärisch geformte Käfigtaschen auf, wobei der Käfigring sowie die mit diesem einstückig verbundenen Käfigstege Festschmierstoff enthalten.
• Erfindungsgemäß beträgt das Verhältnis zwischen der mittleren Breite des Käfigsteges und der Quadratwurzel aus dem Käfigtaschendurchmesser weniger als 2,0 mm^1/2 sowie vorzugsweise mehr als 0,5 mm^1/2.
• Die Breite der Käfigstege wird in Umfangsrichtung des Käfigs gemessen; die Breite des Käfigrings wird dagegen in axialer Richtung des Lagers gemessen. Die mittlere Breite eines jeden Käfigsteges beträgt in bevorzugter Ausgestaltung mindestens 15% des Wälzkörperdurchmessers.
• Der Wälzkörperdurchmesser entspricht annähernd dem Käfigtaschendurchmesser; die genannten quantitativen Zusammenhänge, in welchen der Wälzkörperdurchmesser genannt ist, gelten auch für den Käfigtaschendurchmesser und umgekehrt.
• Der Kunststoff-Wälzlagerkäfig ist insbesondere für die Verwendung in einem mangelgeschmierten oder lediglich initial geschmierten Wälzlager geeignet. Unter einem mangelgeschmierten Wälzlager werden auch Wälzlager, welche – abgesehen von dem in dem Wälzlagerkäfig enthaltenen Festschmierstoff – vollständig ungeschmiert betrieben werden, sowie mediengeschmierte Wälzlager verstanden. Bei einer Medienschmierung ist an Stelle eines Schmiermittels ein Stoff, welcher nicht primär Schmierungsfunktion hat, im Lager vorhanden. Ein solcher Stoff kann beispielsweise ein verflüssigtes Gas sein, welches in einer mit dem Wälzlager ausgerüsteten Pumpe gefördert wird. Ebenso kann es sich bei dem Medium, welches das Wälzlager beaufschlagt, insbesondere Flächen, die Wälzbelastungen ausgesetzt sind, benetzt, um eine Säure oder Lauge handeln. Auch bei Wälzlagern, die unter Wasser, insbesondere in Meerwasser, betrieben werden und deren Komponenten aufgrund fehlender oder nicht vollständiger Abdichtung direkt dem umgebenden Wasser ausgesetzt sind, spricht man von mediengeschmierten Lagern.
• Als Kunststoff zur Herstellung des Wälzlagerkäfigs ist insbesondere Polyetheretherketon (PEEK) geeignet. Ein besonders geeigneter Werkstoff ist PEEK 10/10/10. Dem Grundwerkstoff Polyetheretherketon sind bei diesem Material, welches auch mit der Kennzeichnung FC30 am Markt erhältlich ist, jeweils 10% PTFE (Polytetrafluorethylen), Graphit, sowie Kohlenstofffasern zugesetzt. Zusätzlich oder alternativ zum Festschmierstoff Graphit kann auch Molybdändisulfid (MoS₂) im Kunststoff des Wälzlagerkäfigs enthalten sein. Als geeigneter Käfigwerkstoff neben PEEK 10/10/10 ist insbesondere PEEK 10/10/2 zu nennen. Während Graphit auch bei vorhandener Luftfeuchtigkeit für gute Schmiereigenschaften des Käfigs sorgt, ist bei fehlender Luftfeuchtigkeit oder unter Vakuum besonders MoS₂ als Festschmierstoff geeignet.
• Weitere PEEK enthaltende Werkstoffe, die zur Herstellung des Wälzlagerkäfigs geeignet sind, sind beispielsweise in folgender Dissertation beschrieben:
  Géraldine Theiler: PTFE- and PEEK-Matrix Composites for Tribological Applications at Cryogenic Temperatures and in Hydrogen; Fakultät III – Prozesswissenschaften – der TU Berlin; Berlin 2005
• Als Grundwerkstoffe, aus welchen der Wälzlagerkäfig gefertigt sein kann, sind neben PEEK insbesondere Polyamidimide (PAI) und Polyimide (PI) zu nennen. Eine gemeinsame Eigenschaft der genannten Werkstoffe ist deren Eignung für den Betrieb bei hohen Temperaturen. Die Dauereinsatztemperatur, bei der der Kunststoff-Wälzlagerkäfig betreibbar ist, liegt vorzugsweise über 150° C, insbesondere über 200° C. Auch bei Erreichen der genannten Temperaturgrenzen ist die Festigkeit des Kunststoff-Wälzlagerkäfigs nur geringfügig herabgesetzt.
• Der Kunststoff-Wälzlagerkäfig ist vorzugsweise als Schnappkäfig ausgebildet. Hierbei umschließt jede aus einem Abschnitt des Käfigrings sowie zwei an diesen angeformte Stege gebildete Käfigtasche einen Wälzkörper, nämlich eine Kugel, nur soweit, dass die Kugel bei der Montage des Wälzlagers in die Käfigtasche einschnappbar ist. In bevorzugter Ausgestaltung umgreifen die eine Käfigtasche bildenden Stege den Wälzkörper an dessen Umfang um maximal 212,5 Grad, insbesondere um maximal 210 Grad. Das sogenannte Schnappmaß, das heißt die Weite der Öffnung einer Käfigtasche auf der dem Käfigring abgewandten Stirnseite des Wälzlagerkäfigs, beträgt in dieser Ausgestaltung mindestens 96% des Wälzkörperdurchmessers.
• Am Umfang des Käfigrings befinden sich gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung mehrere, beispielsweise drei, radial nach außen gerichtete Materialerhebungen, welche am Außenring des Wälzlagers anlaufen können. Ebenso sind Bauformen realisierbar, bei welchen sich auf jedem Steg des Wälzlagerkäfigs oder im Übergangsbereich zwischen jedem Steg und dem Käfigring eine Materialerhebung befindet. Unabhängig davon, ob sich die Materialerhebungen am Käfigring und/oder an den Käfigstegen befinden, kann ein Kontakt zwischen dem Käfig und dem Außenring des Lagers beziehungsweise einem eine Bohrung aufweisenden Gehäusebauteil, welches eine Laufbahn für die Wälzkörper bildet, entweder permanent oder nur unter bestimmten Betriebsbedingungen gegeben sein. Im letztgenannten Fall stellen beispielsweise starke Vibrationen des Lagers solche Betriebsbedingungen dar. Das Anlaufen der Materialerhebungen des Käfigs an dem Außenring hat in diesem Fall eine dämpfende Wirkung. Gleichzeitig wird hierdurch vermehrt Festschmierstoff auf die Laufbahn und von dort wiederum auf die Wälzkörper übertragen.
• In jedem Fall ist die Anzahl der Käfigtaschen vorzugsweise gerade, was fertigungstechnische Vorteile, insbesondere bei Herstellung des Wälzlagerkäfigs im Spritzgussverfahren, bietet.
• Die minimale Breite eines jeden Käfigsteges des Radiallager-Schnappkäfigs ist je nach Größe des Wälzlagerkäfigs vorzugsweise folgendermaßen dimensioniert:
  Bei einem Durchmesser der Wälzkörper, das heißt Kugeln, von 3,175 bis 5,556 mm liegt die Stegbreite vorzugsweise im Bereich von 50–75 % des Kugeldurchmessers.
• Von 6,000 bis 14,288 mm Durchmesser der Wälzkörper beträgt die Stegbreite vorzugsweise mindestens 25 % und höchstens 50 % des Kugeldurchmessers.
• Ist der Durchmesser der Wälzkörper größer als 15,081 mm, so beträgt die Stegbreite des Wälzlagerkäfigs vorzugsweise mindestens 15 % und maximal 25 % des Kugeldurchmessers.
• Die minimale Breite des Käfigrings beträgt in jedem der genannten Größenbereiche des als Radiallager gestalteten Wälzlagers vorzugsweise mindestens 25 % des Wälzkörperdurchmessers.
• Der erfindungsgemäße Kunststoff-Wälzlagerkäfig ist insbesondere in einreihigen Rillenkugellagern einsetzbar. Ebenso ist eine Mehrzahl solcher Kunststoff-Wälzlagerkäfige für mehrreihige Kugellager geeignet.
• Kurze Beschreibung der Zeichnung
• Nachfolgend werden zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Hierin zeigen:
• 1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines als Schnappkäfig ausgebildeten Kunststoff-Wälzlagerkäfigs,
• 2 und 3 ein zweites Ausführungsbeispiel eines als Schnappkäfig ausgebildeten Kunststoff-Wälzlagerkäfigs.
• Ausführliche Beschreibung der Zeichnung
• Einander entsprechende oder gleich wirkende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet. Soweit nicht anders erwähnt, beziehen sich die folgenden Ausführungen, beispielsweise zu verwendeten Werkstoffen, auf beide Ausführungsbeispiele.
• Ein Kunststoff-Wälzlagerkäfig 1, nämlich Kugellagerkäfig, ist als Schnappkäfig für ein Radial-Rillenkugellager ausgebildet. Der Wälzlagerkäfig 1 weist einen einzigen Käfigring 2 auf, an welchen sich in axialer Richtung des nicht weiter dargestellten Wälzlagers erstreckende Käfigstege 3 angeformt sind. Zwischen jeweils zwei in Umfangsrichtung des Wälzlagerkäfig 1 benachbarten Käfigstegen 3 und dem Käfigring 2 ist jeweils eine Käfigtasche 4 gebildet, in welche ein Wälzkörper, nämlich eine Kugel, einschnappbar ist. Die Wälzkörper können aus Stahl, beispielsweise aus Wälzlagerstahl 100Cr6 oder einem korrosionsbeständigen Stahl, oder aus einem keramischen Werkstoff, beispielsweise Siliciumnitrid, gefertigt sein.
• Der Wälzlagerkäfig 1 ist im Spritzgussverfahren hergestellt und weist zusätzlich zu dem als Basismaterial verwendeten Kunststoff, nämlich PEEK, einen Festschmierstoff, nämlich Graphit und/oder MoS₂, auf, welcher im Wege der Transferschmierung von Oberflächen des Wälzlagerkäfig 1, insbesondere von den Käfigtaschen 4, über die Wälzkörper auf die nicht dargestellten Laufbahnen des Wälzlagers übertragbar ist. In Vergleich zu herkömmlichen Kugellager-Schnappkäfigen ist der Wälzlagerkäfig 1 nach 1 wesentlich dickwandiger ausgebildet und stellt ein nennenswertes Verschleißvolumen zur Verfügung, das zur permanenten Nachschmierung des Wälzlagers während dessen Betriebs beiträgt, wobei gleichzeitig die Funktion des in vorgesehener Weise verschleißenden Wälzlagerkäfig 1 langfristig erhalten bleibt. Der Wälzlagerkäfig 1 ist insbesondere für trocken laufende sowie lediglich minimal oder initial geschmierte Wälzlager geeignet. Die Dauertemperatur, bei der das mit dem Kunststoff-Wälzlagerkäfig 1 ausgerüstete Wälzlager betreibbar ist, liegt bei mindestens 150° C. Das Wälzlager ist beispielsweise für den Einsatz in der Lebensmittelindustrie sowie in pharmazeutischen Produktionsanlagen geeignet.
• Jeder Käfigsteg 3 weist eine in Umfangsrichtung des Wälzlagerkäfig 1 gemessene mittlere Breite auf, die mit BS bezeichnet ist und mindestens 25 % des Durchmessers der in den Käfigtaschen 4 geführten Kugeln entspricht. Bei der Bestimmung der mittleren Breite BS des Käfigsteges 3 wird ausschließlich der axial ausgerichtete Bereich des Käfigsteges 3 berücksichtigt. Ein sphärisch abgerundeter Bodenbereich 6, welcher durch den Käfigring 2 gebildet ist und zwischen zwei Käfigstegen 3 liegt, bleibt ebenso wie Kantenverrundungen 7 an der dem Bodenbereich 6 gegenüberliegenden, offenen Stirnseite des Wälzlagerkäfigs 1 bei der Bestimmung der mittleren Breite BS unberücksichtigt.
• Der Durchmesser der als Wälzkörper verwendeten Kugeln ist, abgesehen von einem Käfigtaschenspiel der Wälzkörper in den Käfigtaschen 4, mit dem Käfigtaschendurchmesser DW, das heißt dem Innendurchmesser der partiell sphärisch geformten Käfigtaschen 4 identisch. Im Neuzustand des Wälzlagerkäfig 1 sind die Wälzkörper sehr spielarm in den Käfigtaschen 4 geführt.
• Der Käfigring 2 weist jeweils mittig in Umfangsrichtung zwischen zwei Käfigstegen 3, das heißt mittig am Bodenbereich 6 der Käfigtasche 4, die geringste in Axialrichtung des Wälzlagerkäfig 1 und damit des Wälzlagers gemessene Breite BK auf. Zwischen der minimalen Käfigringbreite BK und dem Käfigtaschendurchmesser DW gilt folgende Relation:
  0,4 mm² < BK³/DW < 1,5 mm²
• Die dem Käfigring 2 gegenüberliegende, offene Seite jeder Käfigtasche 4 ist, anders als bei herkömmlichen Schnappkäfigen, nicht oder nur minimal verjüngt. Die Weite der Käfigtasche 4 an deren offener Seite beträgt mindestens 96 % des Wälzkörperdurchmessers. Beim Einsetzen der Wälzkörper in die Käfigtaschen 4 werden daher die Käfigstege 3 höchstens minimal verformt. Es können somit auch wenig elastische, spröde Materialien für die Herstellung des Wälzlagerkäfig 1 verwendet werden. Im Wälzlagerkäfig 1 enthaltene Festschmierstoffe können gleichmäßig oder ungleichmäßig in dessen Volumen sowie an dessen Oberfläche verteilt sein.
• Zwischen dem in Millimetern angegebenen Käfigtaschendurchmesser DW und der in derselben Einheit angegebenen Breite BS des Käfigsteges 3 ist folgender Zusammenhang gegeben:
  0,5 mm^1/2 < BS/DW^1/2 < 2,0 mm^1/2
• Dieser Zusammenhang gilt auch für das Ausführungsbeispiel nach den 2 und 3. Wie aus diesen Figuren hervorgeht, weist der Wälzlagerkäfig 1 im Übergangsbereich eines jeden Käfigstegs 3 zum Käfigring 2 eine radial nach außen gerichtete, in radialer Draufsicht rechteckige Materialerhebung 5 auf. Die Materialerhebungen 5 können insbesondere im Fall von Vibrationen des den Wälzlagerkäfig 1 aufweisenden Wälzlagers an dessen Außenring anlaufen. Hierbei wird zum einen die Vibration gedämpft und zum anderen Festschmierstoff auf die Laufbahn des Außenrings übertragen. Im Laufe des Betriebs des Wälzlagers unterliegen die Materialerhebungen 5 einem planmäßigen Verschleiß. Durch die sphärische Form der Käfigtaschen 4 ist auch bei teilweise oder vollständig abgetragenen Materialerhebungen 5 eine Führung der Wälzkörper im Wälzlagerkäfig 1 gegeben.
• Bezugszeichenliste

1

Kunststoff-Wälzlagerkäfig

2

Käfigring

3

Käfigsteg

4

Käfigtasche

5

Materialerhebung

6

Bodenbereich

7

Kantenverrundung

BS

mittlere Breite eines Käfigsteges

BK

minimale Breite des Käfigrings

DW

Käfigtaschendurchmesser

• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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• Zitierte Patentliteratur
• EP 1830082 B2 [0002]
• JP 2010-053971 A [0003]
• Zitierte Nicht-Patentliteratur
• Géraldine Theiler: PTFE- and PEEK-Matrix Composites for Tribological Applications at Cryogenic Temperatures and in Hydrogen; Fakultät III – Prozesswissenschaften – der TU Berlin; Berlin 2005 [0012]

Claims (10)

1. Kunststoff-Wälzlagerkäfig (1), nämlich Radialkugellagerkäfig, mit einem einzigen Käfigring (2) und einer Anzahl durch den Käfigring (2) sowie durch Käfigstege (3) begrenzter, zur Aufnahme jeweils eines Wälzkörpers ausgebildeter Käfigtaschen (4), welche jeweils einen Käfigtaschendurchmesser (DW) aufweisen, wobei der Käfigring (2) mit den Käfigstegen (3) einstückig ausgebildet ist und Festschmierstoff enthält, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis zwischen der Breite (BS) des Käfigsteges (3) und der Quadratwurzel aus dem Käfigtaschendurchmesser (DW) weniger als 2,0 mm^1/2 beträgt.
2. Wälzlagerkäfig (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dieser als Schnappkäfig ausgebildet ist und jede Käfigtasche (4) zu maximal 210° geschlossen ist.
3. Wälzlagerkäfig (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass dieser mehrere radial nach außen gerichtete Materialerhebungen (5) aufweist.
4. Wälzlagerkäfig (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass sich Materialerhebungen (5) jeweils am Übergang zwischen dem Käfigring (2) und einem Käfigsteg (3) befinden.
5. Wälzlagerkäfig (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass dieser Polyetheretherketon als Grundwerkstoff enthält.
6. Wälzlagerkäfig (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass dieser Graphit als Festschmierstoff enthält.
7. Wälzlagerkäfig (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass dieser faserverstärkt ist.
8. Wälzlagerkäfig (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass dieser durch Kohlenstofffasern verstärkt ist.
9. Wälzlager, umfassend eine Anzahl Wälzkörper, nämlich Kugeln, sowie einen Kunststoff-Wälzlagerkäfig (1) nach Anspruch 1.
10. Verwendung eines Wälzlagerkäfigs (1) nach Anspruch 1 in einem mangelgeschmierten Wälzlager.

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