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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft eine Wälzlageranordnung, umfassend ein Wälzlager mit einem Innenring, einem Außenring und dazwischen wälzenden Wälzkörpern, sowie wenigstens einen mit dem Innenring oder dem Außenring verbundenen Drittgegenstand.
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Hintergrund der Erfindung
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Wälzlager kommen in unterschiedlichsten Bauformen und Größen überall dort zum Einsatz, wo zwei Bauteile relativ zueinander drehbar zu lagern sind. Das Wälzlager ist beispielsweise über seinen Außenring in einem Gehäuse festgelegt, während der Innenring mit einer drehbar zu lagernden Welle oder Ähnlichem verbunden ist. Auch umgekehrte Anordnungen sind denkbar, das heißt, dass der Innenring an einem rotationsfesten Bauteil angeordnet ist, während der Außenring mit dem drehbar zu lagernden Gegenstand verbunden ist. Das heißt, dass grundsätzlich mit dem Wälzlager mindestens ein Drittgegenstand verbunden ist. Eine Wälzlageranordnung umfasst demzufolge ein Wälzlager sowie einen mit dem Außenring oder dem Innenring verbundenen Drittgegenstand.
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Für die Funktion des Wälzlagers ist es wichtig, dass es stets gut geschmiert ist, da im Falle eines Schmiermittelverlustes der Reibungsanteil unzulässig ansteigt und mit erhöhtem Verschleiß zu rechnen ist. Einem Schmiermittelverlust versucht man durch Integration von Dichtringen oder Ähnlichem zu begegnen. Jedoch ist auch dann eine hinreichende Schmiermittelverteilung, also beispielsweise keine weitgehend gleichmäßige Verteilung des eingebrachten Fettes, sichergestellt, so dass, nicht zuletzt aufgrund der Konsistenz des Schmiermittels, Bereiche gegeben sein können, die nicht hinreichend geschmiert werden. Auch ist in manchen Einsatzbereichen ein Schutz des Wälzlagers vor Verschmutzung erforderlich, insbesondere wenn das Wälzlager nach seiner Montage nicht mehr zugänglich ist. Ein Beispiel hierfür ist die Verwendung von Wälzlagern bei Unterwasseranwendungen wie Meeresströmungskraftwerken, wo die Lagerstellen zwangsläufig unterhalb des Wasserspiegels verbaut sind. Bei solchen Anwendungen kann es im Bereich des Wälzlagers zu einem Bewuchs der Lagerstelle kommen, es setzt ein sogenanntes „Fouling” ein. Man versucht diesem Umstand durch besondere Beschichtungen auf Basis von TBT (Tributylzinnhydrid) zu begegnen, die jedoch nicht unbegrenzt haltbar sind und aufgrund ihrer chemischen Zusammensetzung keine nachhaltige Lösung darstellen.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Der Erfindung liegt damit das Problem zugrunde, eine Wälzlageranordnung anzugeben, die demgegenüber Abhilfe schafft.
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Zur Lösung dieses Problems ist eine Wälzlageranordnung der eingangs genannten Art vorgesehen, die sich durch wenigstens eine mit dem Wälzlager verbundene oder im Wälzlager integrierte Schwingungserzeugungseinrichtung zum Erzeugen von in einen der Ringe des Wälzlagers oder in die Umgebung des Wälzlagers einzukoppelnden Schwingungen auszeichnet.
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Die Erfindung sieht die Integration einer Einrichtung zur Erzeugung von Schall- insbesondere Ultraschallschwingungen vor, die entweder in einen der Ringe des Wälzlagers eingekoppelt werden, oder die in die Umgebung, also das Umgebungsmedium eingekoppelt werden, so dass sie im Bereich einer Grenzschicht des Wälzlagers zum Umgebungsmedium vorliegen.
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Die Einkopplung der Schwingungen in das Wälzlager selbst, also in einen der Ringe, ist hinsichtlich einer Verbesserung des Fließverhaltens des Schmiermittels, also beispielsweise des Fettes, von Vorteil. Die eingekoppelten Schallwellen bewirken eine Schwingungsanregung des Fettes, also einen Energieeintrag, so dass sich seine Viskosität und damit sein Fließverhalten positiv ändert und es zu einer gleichmäßigeren Verteilung des Fettes im Lager kommt. Durch das verbesserte Fließverhalten ist es auch denkbar, den zusätzlichen Einsatztemperaturbereich in Richtung tieferer Temperaturen zu verschieben, da sich auch bei tieferen Temperaturen das Fließverhalten des Fettes hierdurch positiv beeinflussen lässt. Das Losbrechmoment bei tieferen Temperaturen kann reduziert und die Schmierbedingungen verbessert werden. Auch besteht prinzipiell die Möglichkeit, den nicht nutzbaren Restölgehalt im Fett gegen Ende der Fettgebrauchsdauer stärker aus der Matrix zu lösen und somit auch die Fettgebrauchsdauer zu verlängern.
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Insgesamt ergeben sich also durch die Einkopplung von Schall- bzw. insbesondere Ultraschallschwingungen in das Wälzlager selbst Verbesserungen hinsichtlich des Fließ- und Verteilverhaltens des Schmiermittels, die sich positiv auf die Gebrauchsdauer und damit Verschleißfestigkeit des Wälzlagers auswirken, wie auch auf die Fettgebrauchsdauer.
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Werden die Schall- bzw. Ultraschallschwingungen so eingekoppelt, dass sie auch in die unmittelbare Umgebung des Wälzlagers, also in das Umgebungsmedium eingetragen werden, so sind folglich in einer Grenzschicht zwischen dem Wälzlager und dem Umgebungsmedium Schwingungen gegeben, die zu wenngleich geringen Turbulenzen in diesem Bereich führen. Diese Turbulenzen wirken, wie sich herausgestellt hat, einer Ansiedlung von Bewuchsorganismen, die das „Fouling” verursachen, entgegen, das heißt, dass hierüber mit besonderem Vorteil ein Bewuchs unterdrückt werden kann, der sich, wie einleitend beschrieben, nachteilig auf unter Wasser verbaute Lagerstellen auswirken kann. Das heißt, dass durch Integration einer solchen Schallerzeugungseinrichtung eine Reduzierung des Verschleißes des Wälzlagers auch im Falle einer solchen Anwendung vorteilhaft möglich ist.
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Die Schwingungserzeugungseinrichtung kann mit einer ersten Erfindungsalterative entweder direkt am Außenring oder am Innenring angeordnet sein. Die von ihr erzeugten Schwingungen werden in diesem Fall unmittelbar in den Außenring oder den Innenring, da eben dort erzeugt, eingekoppelt.
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Alternativ besteht die Möglichkeit, die Schwingungserzeugungseinrichtung auch am Drittgegenstand so anzuordnen, dass sie mit dem Außen- oder dem Innenring in schwingungsübertragender Verbindung steht. Die Schwingungserzeugungseinrichtung ist also in diesem Fall mit dem jeweiligen Ring, der rotationsfest ist, verbunden, wenngleich sie am Drittgegenstand, also nicht am Ring selbst, verbaut ist. Durch die Kopplung können Schwingungen von der Erzeugungseinrichtung ohne weiteres auf den jeweiligen Ring übertragen werden.
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Zweckmäßigerweise ist die Schwingungserzeugungseinrichtung in einer entsprechenden Ausnehmung des Außenrings oder des Innenrings oder des Drittgegenstandes, je nachdem, wo sie angeordnet ist, verbaut, wobei sie bevorzugt derart angeordnet ist, dass sie bündig mit der Fläche des Außenrings, des Innenrings oder des Drittgegenstandes, in welcher die Ausnehmung vorgesehen ist, abschließt, so dass sich ein entsprechender radialer Aufbau ergibt, der die Verbindung der jeweiligen Bauteile miteinander ohne weiteres ermöglicht.
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Zur einfachen Fixierung kann die Schwingungserzeugungseinrichtung am Außenring oder am Innenring oder am Drittgegenstand verklebt werden. Auch andere Befestigungsmöglichkeiten sind selbstverständlich denkbar.
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Neben einem radialen Aufbau durch Anordnung der Schwingungserzeugung an der Außenseite des Außenrings respektive der Innenseite des Innenrings wäre es grundsätzlich auch denkbar, die Schwingungserzeugungseinrichtung axial, also stirnseitig auf dem jeweiligen Lagerring zu montieren.
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Die Schwingungserzeugungseinrichtung selbst kann bevorzugt einen Piezoaktor oder eine Magnetspule umfassen, also aktiv ansteuerbare Bauteile, die auch die Erzeugung höherfrequenter Schwingungen ermöglichen.
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Während die zuvor beschriebenen Ausgestaltungen aktive Lösungen zur Schwingungserzeugung betrafen, die in Form von entsprechenden Erregerbauteilen oder Schallköpfen an einem der Ringe oder dem Drittgegenstand selbst angeordnet sind, und die durch entsprechende Ansteuerung in der Lage sind, auch höherfrequente Schwingungen zu erzeugen, sieht eine reine passive Lösung zur Schwingungserzeugung vor, dass die Schwingungserzeugungseinrichtung wenigstens eine an einem ersten Bauteil des ersten Wälzlagers ausgebildete dreidimensionale Struktur und wenigstens ein an einem zweiten Bauteil angeordnetes, an der Struktur angreifendes elastisches Element umfasst, wobei die beiden Bauteile relativ zueinander beweglich sind, so dass das elastische Element durch Entlanggleiten an der Struktur bewegt wird. Bei dieser Ausgestaltung wird ein elastisches Element an einer dreidimensionalen Struktur entlangbewegt, so dass es zu einer bewegungsbedingten Elementverformung kommt, die sich bei fortsetzender Bewegung ständig wiederholt. Durch diese Elementbewegung werden entsprechende Schwingungen erzeugt und in diesem Fall insbesondere in die Umgebung abgegeben, so dass sich diese Ausgestaltung insbesondere für den Einsatz bei unter Wasser verbauten Wälzlagern eignet. Die Frequenz der erzeugten und emittierten Schallwellen hängt dabei insbesondere von der Bewegungsgeschwindigkeit der beiden Bauteile relativ zueinander ab.
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Die Struktur, an der das elastische Element, das bevorzugt in Form einer Federzunge ausgebildet ist, entlanggleitet ist beispielsweise als eine am Innenring oder am Außenring ausgebildete, vorzugsweise radial vorspringende Zahnstruktur ausgeführt. An dieser Zahnstruktur liegt das Element unter leichter Vorspannung an, es wird über die Zahnstruktur bei einer Verdrehung des die Struktur tragenden Bauteils kontinuierlich ausgelenkt und schnappt wieder zurück, so dass eine Art „Ratschenmechanismus” realisiert ist.
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Die Federzunge ist bevorzugt mit einer Verschleißbeschichtung am Zungenende versehen, so dass die Funktion auch auf lange Sicht gewährleistet ist. Denkbar ist auch die Anordnung einer Laufrolle am Federzungenende, insbesondere wenn das Lager eine hinreichende Größe besitzt, wie bei unter Wasser verbauten Lagern, die bei Strömungskraftwerken vorgesehen sind, der Fall.
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Selbstverständlich ist es auch möglich, mehrere solcher Elemente respektive Federzungen umfangsmäßig zu verteilen, bevorzugt äquidistant. Durch Verwendung mehrerer solcher Elemente respektive Federzungen kann beispielsweise bei leicht versetzter Anordnung auch die Frequenz der insgesamt erzeugten Schwingung beeinflusst werden, wie auch durch entsprechende Formgebung respektive geometrische Auslegung der dreidimensionalen Struktur und die Steifigkeit des elastischen Elements die Schwingungsamplitude eingestellt werden kann.
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Die Federzunge selbst kann am Innenring, am Außenring, an einem die Wälzkörper führenden Käfig oder einem Dichtring angeordnet sein, wobei sich natürlich ihre Position danach richtet, an welchem Bauteil die dreidimensionale Struktur, beispielsweise die umlaufende Zahnstruktur, ausgebildet ist. Wird das elastische Element aus Kunststoff gefertigt, was im Hinblick auf die benötigte Elastizität naheliegend ist, so ist es zweckmäßig, wenn das Element am Käfig ausgeformt wird, der seinerseits in der Regel aus Kunststoff gefertigt ist.
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Kurze Beschreibung der Zeichnung
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
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1 eine Prinzipdarstellung einer erfindungsgemäßen Wälzlageranordnung einer ersten Ausführungsform mit am Außenring des Wälzlagers vorgesehen Schwingungserzeugungseinrichtungen,
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2 eine Perspektivansicht des Wälzlagers der Wälzlageranordnung nach 1,
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3 eine Teilstirnansicht des Wälzlagers aus 2,
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4 eine Schnittansicht entlang der Linie III-III in 3,
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5 eine Prinzipdarstellung einer erfindungsgemäßen Wälzlageranordnung einer zweiten Ausführungsform mit am Drittgegenstand angeordneten Schwingungserzeugungseinrichtungen,
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6 eine Prinzipdarstellung einer erfindungsgemäßen Wälzlageranordnung einer dritten Ausführungsform mit einer passiven Schwingungserzeugungseinrichtung,
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7 eine perspektivische Teilansicht des Wälzlagers der Wälzlageranordnung aus 6, und
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8 eine Schnittansicht in Richtung der Linie VIII-VIII in 6 durch das Wälzlager.
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Ausführliche Beschreibung der Zeichnung
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1 zeigt in Form einer Prinzipdarstellung eine erfindungsgemäße Wälzlageranordnung 1, umfassend ein Wälzlager 2 mit einem Innenring 3, einem Außenring 4 sowie mehreren zwischen den beiden Ringen 3, 4 wälzende Wälzkörper 5 (siehe 4), hier in Form von Kugeln. Die Wälzlageranordnung umfasst des Weiteren einen Drittgegenstand 6, im gezeigten Beispiel angenommenermaßen ein Gehäusebauteil, das eine entsprechende Bohrung oder Aufnahme 7 aufweist, in der der Außenring 4 drehfest fixiert ist. Durch den Innenring 3 erstreckt sich in der Montagestellung beispielsweise eine Welle, die über das Wälzlager 2 relativ zum Drittgegenstand drehgelagert ist.
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Im gezeigten Ausführungsbeispiel sind am Außenring 4 in entsprechenden, radialen Ausnehmungen 8 Schwingungserzeugungseinrichtungen 9, im gezeigten Beispiel in Form von Piezoaktoren 10 angeordnet. Diese Piezoaktoren 10 sind dünne, flächige Bauteile, die fest mit dem Außenring 4 in der Ausnehmung 8 verbunden, vorzugsweise verklebt sind. Sie stellen aktive Schwingungserzeugungseinrichtungen dar, das heißt, dass sie über eine entsprechende Steuerungseinrichtung angesteuert kontinuierlich oder in einem bestimmten Zeitraster werden, um die Schwingungen, resultierend aus dem ihnen inhärenten piezoelektrischen Effekt, zu erzeugen. Die Steuerungseinrichtung und die sonstigen Peripheriegeräte sind vorliegend nicht näher gezeigt.
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Im gezeigten Beispiel sind drei solcher Piezoaktoren 10 äquidistant um den Umfang des Außenring 4 verteilt angeordnet. Die von ihnen erzeugten Schallwellen, hier insbesondere Ultraschallwellen, werden unmittelbar in den Außenring 4 eingekoppelt. Sie setzen sich soweit möglich über das Wälzlager 2 fort und werden auch dem Schmiermittel, üblicherweise einem Fett, zugeführt. Das heißt, dass das Fett mit den Schwingungen beaufschlagt wird. Diese Schwingungen beeinflussen sein Fließverhalten, so dass es sich homogener innerhalb des Wälzlagers 2 verteilt.
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In der Schnittansicht gemäß 4 ist erkennbar, dass der Piezoaktor 10 unmittelbar auf die Außenseite 11 des Außenrings 4 aufgeklebt ist, so dass, in Verbindung mit der gegebenenfalls umfangsmäßigen Verspannung innerhalb der Ausnehmung 8, ein unmittelbarer Schwingungseintrag in den Außenring 4 möglich ist. 4 ist des Weiteren zu entnehmen, dass die Wälzlager 5 in einem Käfig 12 geführt sind, wobei der Innenring und der Außenring über eine Abdeckungs- und Dichtungsanordnung 13 beidseits gekapselt sind, auf deren Aufbau nicht näher einzugehen ist.
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Die Piezoaktoren 10 schließen, siehe insbesondere 3, oberflächenbündig mit der Außenseite des Außenrings 4 ab, so dass dieser seine Ringform beibehält und ohne Weiteres in die entsprechende Bohrung oder Ausnehmung 7 des Drittgegenstandes 6 integriert werden kann.
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Während in den 1–4 eine Anordnung der Schwingungserzeugungseinrichtungen 9 in Form der Piezoaktoren 10 am Außenring dargestellt ist, ist es selbstverständlich auch denkbar, diese an der Innenseite des Innenrings 3 anzuordnen. In diesem Fall wären am Innenring 3 radial nach innen laufende Ausnehmungen vorgesehen, in denen die Piezoaktoren 10 verbaut wären, auch hier selbstverständlich oberflächenbündig. Ferner wäre der Innenring mit einem positionsfesten Drittgegenstand verbaut, während der Außenring mit einem sich drehenden Drittgegenstand gekoppelt wäre. Die Schwingungserzeugung erfolgt bei dieser Ausgestaltung vom Innenring her, die Funktion hinsichtlich der Beeinflussung des Fließverhaltens des Fettes wäre die gleiche.
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5 zeigt eine weitere Ausführungsform einer Wälzlageranordnung 1, wobei für gleiche Bauteile die gleichen Bezugszeichen wie zur vorherigen Ausführungsform verwendet werden. Das Wälzlager 2 ist auch hier in einem Drittgegenstand 6, beispielsweise wiederum einem Gehäuse oder Ähnlichem, verbaut. Dort sind entsprechende Ausnehmungen, in die der jeweilige Schwingungserzeuger eingesetzt, vorzugsweise wiederum verklebt ist. Die Anordnung der Schwingungserzeugungseinrichtungen 9 ist dabei derart, dass sie nach Einsetzen des Wälzlagers 2 in schwingungsübertragendem Kontakt zur Außenseite des Außenrings 4 stehen, so dass die von den Schwingungserzeugungseinrichtungen 9 erzeugten Schwingungen unmittelbar in den Außenring eingekoppelt werden.
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Im gezeigten Beispiel sind exemplarisch zwei Piezoaktoren 10 gezeigt, ähnlich wie bei der Ausgestaltung gemäß der 1–4. Beispielhaft ist als weitere Schwingungserzeugungseinrichtung ein Schallkopf 14 gezeigt, der eine oder mehrere Magnetspulen umfasst, die entsprechend angesteuert werden können. Ein solcher Schallkopf ist deutlich größer als die schmalen piezoelektrischen Aktorschichten, die als dünne Keramikschichten oder Ähnliches ausgeführt sein können.
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Auch diese Ausgestaltung könnte in den Bereich des Innenrings verlegt werden. In diesem Fall wären an der Welle, die den Innenring durchgreifen würde, und die in diesem Fall positionsfest wäre, entsprechende radial nach innen laufende Ausnehmungen vorgesehen, in denen die Schwingungserzeugungseinrichtungen 9 angeordnet wären. Diese würden dann in schwingungsübertragendem Kontakt zur Innenseite des Innenrings 3 stehen. Wiederum wäre die Funktion die gleiche, lediglich mit einer Schwingungsaufprägung im Bereich des Innenrings.
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Während die 1–5 die Integration aktiver Schwingungserzeugungseinrichtungen zeigen, ist in den 6–8 eine Ausgestaltung gezeigt, die eine passive Schwingungserzeugung ermöglicht. Wiederum sind soweit möglich für gleiche Bauteile gleiche Bezugszeichen verwendet.
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6 zeigt eine Prinzipdarstellung einer Wälzlageranordnung 1 mit einem Wälzlager 2 mit Innenring 3 und Außenring 4, zwischen denen wiederum Wälzkörper 5, die in einem Käfig 12 geführt sind, wälzen. Das Wälzlager 2 ist über seinen Außenring 4 wiederum in einem Drittgegenstand 6 in einer entsprechenden Bohrung festgelegt.
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Im Detail ist die hier vorgesehene Schwingungserzeugungseinrichtung 9 in 7 gezeigt. Die Schwingungserzeugungseinrichtung 9 umfasst zum einen eine am Außenumfang des Innenrings 3 umlaufend ausgebildete, radial vorspringende dreidimensionale Struktur 15, die hier in Form einer Zahnstruktur 16 ausgeführt ist. Dieser zugeordnet ist ein elastisches Element 17, das hier in Form einer Federzunge 18 ausgeführt ist. Das elastische Element 17 ist am Käfig 12, der vorzugsweise aus Kunststoff ist, ausgeformt respektive angeordnet, so dass es bevorzugt ebenfalls aus Kunststoff besteht und einstückig mit dem Käfig 12 gefertigt werden kann. Die Federzunge 18 kann eine Verschleißbeschichtung aufweisen, oder, bei entsprechender Dimensionierung, eine drehgelagerte Rolle oder Ähnliches an der Zungenspitze.
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Wie 7 zeigt, greift die Federzunge 18 mit ihrem freien Ende in die Zahnstruktur 16 ein. Kommt es nun zu einer Verdrehung des Innenrings 3 relativ zum Käfig 12, was im Betrieb üblich ist, so wandert die Federzunge entlang der Zahnstruktur 16 und wird hierbei ständig bewegt. Sie wird über einen Zahn ausgelenkt und schnappt, wenn der Zahn durchgelaufen ist, gegen den nächsten, so dass eine Art Ratscheneffekt gegeben ist.
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Da diese Ausgestaltung des Wälzlagers 2 respektive der Wälzlageranordung für Unterwasseranwendungen konzipiert ist und beispielsweise bei Meeresströmungskraftwerken eingesetzt wird, werden folglich die durch die dauernde Bewegung der Federzunge 18 erzeugten Schwingungen unmittelbar in das Umgebungsmedium, also das Wasser eingekoppelt. Es bildet sich folglich im Bereich des Übergangs von Wälzlager 2 zum Umgebungsmedium eine Schwingungszone aus, die den Befall mit Bewuchsorganismen verhindern. Es kommt also nicht zu einem „Fouling” des Wälzlagers 2, was verschleißfördernd wäre.
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Die erzeugte Schwingungsfrequenz hängt natürlich von der Relativgeschwindigkeit zwischen Zahnstruktur 16 und Federzunge 18 ab. Darüber hinaus kann sie durch die Geometrie der Struktur 15 wie auch die Steifigkeit der Federzunge 18 variiert werden.
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Während im gezeigten Beispiel das elastische Element 17 am Käfig 12 angeordnet ist, wäre es natürlich auch denkbar, das elastische Element am Außenring 4 anzuordnen, beispielsweise über einen am Außenring 4 aufgeschnappten, eine oder mehrere Federzungen aufweisenden Kunststoffring oder Ähnlichem. Auch könnte natürlich die Struktur 15 am Außenring angeordnet sein, während das elastische Element am Käfig 12 oder am Innenring 3 angeordnet ist. Variationsmöglichkeiten sind folglich auch hier gegeben.
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Wenngleich im gezeigten Beispiel zur Verhinderung des „Fouling” in den 6–8 eine rein passive Schwingungserzeugungseinrichtung dargestellt ist, wäre es natürlich auch denkbar, entsprechende aktive Schwingungserzeuger, wie sie exemplarisch zu den Ausgestaltungen nach den 1–5 beschrieben sind, auch bei Wälzlageranordnungen, die unter Wasser zu verbauen sind, vorzusehen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Wälzlageranordnung
- 2
- Wälzlager
- 3
- Innenring
- 4
- Außenring
- 5
- Wälzkörper
- 6
- Drittgegenstand
- 7
- Aufnahme
- 8
- Ausnehmung
- 9
- Schwingungserzeugungseinrichtung
- 10
- Piezoaktor
- 11
- Außenseite
- 12
- Käfig
- 13
- Dichtungsanordnung
- 14
- Schallkopf
- 15
- Struktur
- 16
- Zahnstruktur
- 17
- Element
- 18
- Federzunge
