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Die Erfindung betrifft ein Wälzlager mit einem vollkeramischen Innenring mit einer Innenringlaufbahn, einem vollkeramischen Außenring mit einer Außenringlaufbahn, und mit radial dazwischen angeordneten, auf den Laufbahnen abwälzbaren Wälzkörpern.
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Aus der
DE 10 2010 051 840 A1 ist ein Wälzlager bekannt, dessen Lagerringe jeweils aus einem Trägerring und einem Funktionsring bestehen. Der Trägerring besteht aus einem gewickelten Faserverbundwerkstoff, welcher fest mit dem jeweiligen Funktionsring verbunden ist. Der radial äußere Trägerring trägt seinen Funktionsring radial innen, währen der radial innere Trägerring radial außen mit seinem Funktionsring verbunden ist. Die beiden Funktionsringe weisen jeweils eine keramische Funktionsfläche auf, die als Laufbahnen für die Wälzkörper des Wälzlagers dienen.
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Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Wälzlager mit zumindest keramischen Funktionsflächen für die dortigen Wälzkörper vorzustellen, welches insbesondere für Anwendungen bei Medienschmierung und/oder Trockenlauf einer sich drehenden Vorrichtung geeignet ist, eine hohe Festigkeit und gute mechanische Stabilität aufweist sowie einen vergleichsweise geringen Herstellaufwand erfordert.
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Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Wälzlager mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen definiert.
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Demnach geht die Erfindung aus von einem Wälzlager mit einem vollkeramischen Innenring mit einer Innenringlaufbahn, einem vollkeramischen Außenring mit einer Außenringlaufbahn, und mit radial dazwischen angeordneten, auf den beiden Laufbahnen abwälzbaren Wälzkörpern, bei dem zur Lösung der gestellten Aufgabe vorgesehen ist, dass die Wälzkörper als vollkeramische Rollen ausgebildet sind, dass an wenigstens einem axialen Ende des Innenrings und/oder des Außenrings eine gesondert hergestellte vollkeramische Bordscheibe angeordnet ist, dass die Wälzkörper mit wenigstens einer radial ausgerichteten axialen Endfläche an wenigstens einer dieser Bordscheiben zumindest partiell axial anliegen, dass zumindest eine den Wälzkörpern axial zugewandte radiale Führungsfläche der Bordscheiben unter einem Winkel β von mehr als 90° in Bezug zur Außenringlaufbahn und/oder zur Innenringlaufbahn ausgerichtet ist, und dass die radiale Dicke des Innenrings und Außenrings wenigstens 50% bis 75% des Durchmessers der Wälzkörper beträgt. Der Winkel β beträgt vorzugsweise 90,5°
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Die gesonderte Herstellung und gesonderte Montage der wenigstens einen Bordscheibe am Innenring und/oder Außenring erleichtert die Montage des Wälzlagers. Dadurch, dass alle Lagerringe sowie Bordscheiben ausschließlich aus einem Keramikwerkstoff hergestellt sind, können die Herstellkosten im Vergleich zu dem aus der
DE 10 2010 051 840 A1 bekannten und eingangs erwähnten Wälzlager deutlich reduziert werden. Die nicht exakt radiale Ausrichtung der axialen Führungsflächen an den Bordscheiben verringert im Betrieb des Wälzlagers dessen Reibungsverluste, so dass dieses Wälzlager problemlos völlig ohne ein Schmiermittel oder mit einer Schmierung beispielsweise durch ein Fluid mit vergleichsweise schlechten Schmiereigenschaften erfolgen kann.
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Gemäß einer Weiterbildung kann vorgesehen sein, dass eine verdrehsichere Befestigung des Innenrings an einer in eine axiale Innenbohrung des Innenrings geführten Welle mittels einer formschlüssigen Ausbildung des Innenrings und der Welle und/oder mittels einer ein Radialspiel zwischen dem Innenring und der Welle überbrückenden, eine Wärmedehnung zulassenden Klebeverbindung realisiert ist.
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Zur weiteren Reduzierung der Reibungsverluste dieses Wälzlagers kann vorgesehen sein, dass die axialen Endflächen der Wälzkörper kreisballig mit einem bestimmten, vergleichsweise großen Radius ausgebildet sind. Dieser Radius ist vorzugsweise derart gewählt, dass die balligen Endflächen der Wälzkörper ohne Punktkontakt oder Linienkontakt, sondern mit Flächenkontakt an den zugeordneten Führungsflächen der Bordscheiben anliegen.
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Weiter kann vorgesehen sein, dass die Wälzkörper in einem Kunststoffkäfig angeordnet sind, welcher aus PEEK (Polyetheretherketon) besteht, welcher mit Kohlenstofffasern, Grafit, PTFE (Polytetraflurethylen) und/oder MoS2 (Molybdändisulfid) gefüllt oder ungefüllt ist. Dieser Kunststoffkäfig weist bevorzugt eine radial äußere Taschenbreite auf, welche 85 % bis 95 % des Durchmessers der Wälzkörper entspricht. Außerdem ist bei diesem Kunststoffkäfig vorgesehen, dass er eine radial innere Taschenbreite aufweist, welche 105 % bis 120 % des Durchmessers der Wälzkörper entspricht. Schließlich ist es sehr vorteilhaft, wenn der Kunststoffkäfig jeweils Taschenprofile zur Aufnahme der zylindrischen, jedoch endseitig balligen Wälzkörper mit einer Krümmung entsprechend einer Zykloide aufweist, wobei die Krümmung einen Umschließungswinkel α von etwa 30° erzeugt.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels weiter erläutert. In der Zeichnung zeigt
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1 eine perspektivische Darstellung eines erfindungsgemäßen Wälzlagers,
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2 einen teilweisen Längsschnitt durch das Wälzlager gemäß 1,
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3 eine Seitenansicht einer im Wälzlager gemäß 1 verwendeten Wälzkörperrolle,
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4 einen teilweisen Längsschnitt durch eine Bordscheibe am Außenring des Wälzlagers gemäß 1, und
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5 eine schematische, seitliche Teilansicht eines Kunststoffkäfigs zur Führung der im Wälzlager gemäß 1 verwendeten Wälzkörper.
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Das in den 1 und 2 dargestellte Wälzlager 13 besteht aus einem vollkeramischen Innenring 1 mit einer Innenringlaufbahn 1a und einer axialen Innenringbohrung 1b, wobei die Innenringbohrung 1b zwei Abflachungen 2a, 2b aufweist, um eine formschlüssige Verbindung mit einer komplementär ausgebildeten, hier nicht dargestellten Welle herzustellen. Dadurch ist keine sehr enge Passung zwischen der Welle und der Innenringbohrung 1b erforderlich, so dass sich die Welle, die in der Regel aus einer Stahllegierung besteht, mit ihrem größeren Wärmeausdehnungskoeffizienten stärker ausdehnen kann, als der vollkeramische Innenring 1, ohne dass der Innenring 1 durch die Wärmedehnung der Welle gesprengt werden kann.
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Alternativ dazu kann auch auf eine die eine oder beide zwei Abflachungen 2a, 2b der Innenringbohrung 1b verzichtet werden, wenn der Innenring 1 mit der Welle in einer ein Radialspiel zwischen dem Innenring 1 und der Welle überbrückenden Weise mittels einer Klebeverbindung kraftschlüssig verbunden wird, die eine Wärmeausdehnung der Welle zulässt, ohne den Innenring 1 zu sprengen.
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Der vollkeramische Außenring 3 ist ohne eigene Borde ausgebildet und weist dementsprechend eine Breite auf, die nur geringfügig größer ist als die Breite von zwischen dem Innenring 1 und dem Außenring 3 an deren Laufbahnen 1a, 3a angeordneten vollkeramischen zylindrischen Wälzkörper 8. Axial beiderseits des Außenrings 3 sind vollkeramische Bordscheiben 4a, 4b angebracht, die den Innendurchmesser der Außenringlaufbahn 3a radial nach innen überragen und axiale Führungsflächen 5a, 5b für ballige axiale Endflächen 8a, 8b der zylindrischen Rollen 8 bilden (siehe auch 3).
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Durch die bordlose Ausführung des Außenrings 3 mit den beiderseits angeordneten Bordscheiben 4a, 4b ergeben sich Fertigungsvorteile, da diese Bauteile 3, 4a, 4b fertigungstechnisch einfacher und damit kostengünstiger herstellbar sind als ein vollkeramischer Außenring mit integrierten Borden. Des Weiteren wird eine schädliche Kraftwirkung in den Ecken zwischen den Borden 4a, 4b und der Außenringlaufbahn 3a vermieden, die durch dortige Schleiffreistiche verursacht würden. Die Bordscheiben 4a, 4b können axial auftretende Kräfte problemlos aufnehmen, jedoch müssen belastete Bordscheiben 4a, 4b auf der gesamten Höhe ihrer axialen Außenflächen abgestützt werden.
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Die radiale Dicke der Bordscheiben 4a, 4b entspricht etwas der radialen Dicke d1 des Innenrings 1, welche etwa 75 % des Durchmessers DW der Wälzkörper 8 beträgt. Die 1 und 2 zeigen ein Wälzlager 13 mit einem Innenring 1, an dem einseitig eine Bordscheibe 6 axial angesetzt ist. Hierdurch werden die Wälzkörper 8 einseitig auch gegenüber dem Innenring 1 in axialer Richtung geführt.
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Eine andere Ausführungsform des Innenrings kommt ohne Bordscheibe 6 aus. In diesem Fall ist die axiale Breite des Innenrings 1 um die Breite der Bordscheibe 6 vergrößert ausgebildet und entspricht der Breite des Außenrings 3 zusammen mit den beiden Bordscheiben 4a, 4b. Um größere Führungsflächen 5a, 5b an den Bordscheiben 4a, 4b, 6 für die Endflächen 8a, 8b der Wälzkörper 8 zu erzielen, sind diese Endflächen 8a, 8b der Wälzkörper 8 ballig ausgebildet. Dies ist in 3 besonders gut erkennbar. Diese balligen Endflächen 8a, 8b wirken mit den Führungsflächen 5a, 5b der Bordscheiben 4a, 4b, 6 zusammen, wobei diese Führungsflächen 5a, 5b mit einem Winkel β > 90° gegenüber der Wälzkörperlängsachse 8c ausgeführt sind (hier: β = 90,5°), und wobei der Radius R der balligen Endflächen 8a, 8b so groß gewählt ist, dass sich ein Winkel einer Tangente an den balligen Endflächen 8a, 8b von ebenfalls etwa 90,5° ergibt. Siehe hierzu auch 4.
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Das erfindungsgemäße Wälzlager 13 kann vollrollig, also ohne einen Käfig für die Wälzkörper 8 ausgeführt sein, wodurch sich eine erhöhte Tragzahl ergibt. Für schnell rotierende Wälzlager wird es bevorzugt, die Wälzkörper 8 in einem Käfig 9 aus Kunststoff anzuordnen und durch diesen zu führen. Als Käfigwerkstoff wird für trocken laufende und minimal oder initial geschmierte Wälzlager beispielsweise PEEK (Polyetheretherketon) genutzt. Um die selbst schmierenden Eigenschaften von PEEK zu erhöhen, kann dieser Werkstoff mit Kohlenstofffasern, Grafit, PTFE (Polytetraflurethylen) und/oder MoS2 (Molybdändisulfid) gefüllt sein.
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Der Käfig 9 ist beispielsweise als Taschenkäfig ausgebildet und wird vorzugsweise mit einer Tasche 7 weniger für eine geradezahlige Anzahl von Wälzkörpern 8 im Vergleich zu einer Standardausführung aus Wälzlagerstahl ausgelegt, wodurch sich die Stege 10 des Käfig 9 massiver ausführen lassen. Dadurch erlangt der Käfig 9 eine höhere Stabilität, was insbesondere bei Vibrationen sicherheitsfördernd wirkt. Zudem wird dafür Sorge getragen, dass ausreichend Verschleißvolumen in einer Käfigtasche 7 bereitgestellt ist. Die Auswahl einer geradezahligen Rollentaschenanzahl hilft auch bei der spritzgießtechnischen Herstellung des Käfig 9 und erhöht die Festigkeit desselben.
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Die Festigkeit und Stabilität des Käfig 9 lässt sich weiter optimieren, wenn die radial außen liegende Taschenbreite a1 so klein wie möglich gehalten wird, nämlich auf 85 % bis 95 % des Durchmessers DW der Wälzkörper 8 begrenzt wird. Die Taschenbreite a2 am Teilkreis kann dann auf 105 % bis 120 % des Durchmessers DW der Wälzkörper 8 ausgelegt sein. Die Käfigtaschen 7 weisen vorzugsweise ein Taschenprofil 11 mit einer Krümmung entsprechend einer Zykloide auf. Hieraus ergibt sich ein vergrößerter Kontakt der Wälzkörper 8 im Bereich eines Umschließungswinkels α. Die verbesserte Umschließung der Wälzkörper 8 durch die zugeordneten Käfigtaschen 7, auch als Schmiegung oder Kahlraum 12 bezeichnet, die sich zwischen den Stegen 10 und den Wälzkörpern 8 ergibt, führt im Betrieb des Wälzlagers 13 zu einem dynamischen Aufschwimmen des Käfig 9 an der Mantelfläche 8d der Wälzkörper 8 sowie zu einer verringerten Reibung und damit auch zu einem verminderten Verschleiß des Käfig 9.
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Wie 5 veranschaulicht, ist der Umschließungswinkel α dabei von zwei Winkelschenkel eingeschlossen, von denen der erste Winkelschenkel sich vom Mittelpunkt eines Wälzkörpers 8 bis zum radial äußeren Ende einer Käfigtasche 7 im Durchmesserbereich a1 erstreckt, sowie der zweite Winkelschenkel sich vom Mittelpunkt eines Wälzkörpers 8 bis zur maximalen Taschenbreite a2 am Übergang zur Krümmung entsprechend einer Zykloide erstreckt. Der Umschließungswinkel α beträgt etwa 30° oder mehr.
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Sowohl der Innenring 1 als auch der Außenring 3 sowie die Bordscheiben 4a, 4b, 6 und die Wälzkörper 8 bestehen vorzugsweise aus der Hochleistungskeramik Siliziumnitrid (Si3N4). Wie bereits erwähnt, werden der Innenring 1 und der Außenring 3 vollkeramisch und massiver als in einer Standardkonstruktion hergestellt, nämlich mit einer Dicke d1 für den Innenring 1 beziehungsweise mit einer Dicke d2 für den Außenring 3 von mindestens 50 % des Durchmessers DW der Wälzkörper 8. Wie in 2 bezüglich des Innenrings 1 dargestellt, kann dieser vorzugsweise eine Dicke d1 von bis zu 75 % des Durchmessers DW der Wälzkörper 8 aufweisen, wodurch im Vergleich mit einem Standardlager eine höhere Tragfähigkeit erreicht wird.
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Aufgrund der konstruktiven Ausführung der Lagerringe 1, 3 mit den separat gefertigten Bordscheiben 4a, 4b, 6 ist deren Herstellung vereinfacht und eine erleichterte Montage gegeben, ohne dass damit Einbußen bei der Funktion eintreten. Durch das besondere Taschenprofil 11 schwimmt der Käfig 9 bei höheren Drehzahlen auf der Mantelfläche 8d der Wälzkörper 8 auf, wodurch eine hohe Laufgüte, hohe Dynamik sowie ein günstiges Geräuschverhalten des Wälzlagers 13 insgesamt erreicht wird. Die geringe Wärmedehnung Lagerringe 1, 3 ist günstig für die Wälzkörper 8, da sich bei einer Erwärmung der Lagerringe 1, 3 das Radialspiel nicht so stark wie bei Stahlrollen erhöht. Dies ergibt ein Plus an Sicherheit.
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Die modulare Bauweise in Verbindung mit der besonderen stirnseitigen Geometrie der Wälzkörper ermöglicht die Aufnahme von axialen Kräften ohne das Auftreten von schädlichen Kerbwirkungen.
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Die besonderen Vorteile des erfindungsgemäßen Wälzlagers sind darin zu sehen, dass eine Nutzung desselben ohne Schmiermittel beziehungsweise Medienschmierung möglich ist, dabei ein geringer Verschleiß auftritt, das Lager absolut nichtmagnetisch ist und eine hohe Korrosionsbeständigkeit aufweist sowie umweltfreundlich bei der Herstellung und dem Gebrauch ist.
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Die Erfindung ist nicht auf das dargestellte Zylinderrollenlager beschränkt, sondern lässt sich auch als Kegelrollenlager oder Pendelrollenlager mit den gleichen Vorteilen herstellen.
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Alle in der vorstehenden Figurenbeschreibung, in den Ansprüchen und in der Beschreibungseinleitung genannten Merkmale sind sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander einsetzbar. Die Erfindung ist somit nicht auf die beschriebenen und beanspruchten Merkmalskombinationen beschränkt, vielmehr sind alle Merkmalskombinationen als offenbart zu betrachten.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Vollkeramischer Innenring
- 1a
- Innenringlaufbahn
- 1b
- Innenringbohrung
- 2a
- Erste Abflachung an der Innenringbohrung, formschlüssige Ausbildung
- 2b
- Zweite Abflachung an der Innenringbohrung, formschlüssige Ausbildung
- 3
- Vollkeramischer Außenring
- 3a
- Außenringlaufbahn
- 4a
- Erste vollkeramische Bordscheibe am Außenring
- 4b
- Zweite vollkeramische Bordscheibe am Außenring
- 5a
- Führungsfläche an Bordscheibe 4a
- 5b
- Führungsfläche an Bordscheibe 4b
- 6
- Vollkeramische Bordscheibe am Innenring
- 6a
- Führungsfläche an Bordscheibe 6
- 7
- Käfigtasche
- 8
- Wälzkörper, vollkeramische Rolle
- 8a
- Erste axiale Endfläche des Wälzkörpers, ballige Endfläche
- 8b
- Zweite axiale Endfläche des Wälzkörpers, ballige Endfläche
- 8c
- Wälzkörperlängsachse
- 8d
- Mantelfläche des Wälzkörpers
- 9
- Käfig
- 10
- Steg des Käfigs
- 11
- Taschenprofil des Käfigs
- 12
- Kahlraum
- 13
- Wälzlager
- d1
- Radiale Dicke des Innenrings
- d2
- Radiale Dicke des Außenrings
- DW
- Durchmesser der Wälzkörper
- R
- Radius der balligen axialen Endflächen der Wälzkörper
- a1
- Taschenbreite des Käfigs radial außen
- a2
- Taschenbreite des Käfigs am Teilkreis
- α
- Umschließungswinkel
- β
- Winkel der Führungsfläche an den Bordscheiben
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102010051840 A1 [0002, 0006]
