DE102015201101A1

DE102015201101A1 - Wälzlager

Info

Publication number: DE102015201101A1
Application number: DE102015201101.1A
Authority: DE
Inventors: Ernst Masur; Daniel Brehm
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2015-01-23
Filing date: 2015-01-23
Publication date: 2016-07-28
Also published as: WO2016116086A1; EP3247916A1; CN107110214A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Wälzlager (1), aufweisend einen Außenring (2) mit einer Außenringlaufbahn (3) und wenigstens einen axial seitlich dazu angeordneten Bord (4), einen Innenring (8) mit einer Innenringlaufbahn (9) und wenigstens einen axial seitlich dazu angeordneten Bord (10), sowie mit radial zwischen der Außenringlaufbahn (3) und der Innenringlaufbahn (9) angeordneten, in einem bordgeführten Käfig (11) aufgenommenen Wälzkörpern (12). Um eine sichere Führung des Käfigs (11) im Wälzlager (1) zu erreichen, ist vorgesehen, dass der Käfig (11) aus einem Material besteht, dessen Wärmeausdehnungskoeffizient größer ist als der Wärmeausdehnungskoeffizient des Materials des Außenrings (2), des Innenrings (8) und der Wälzkörper (12), dass der Käfig (11) so gestaltet ist, dass eine einer Außenumfangsfläche (10a) wenigstens eines Bordes (10) des Innenrings (8) radial gegenüberliegende, komplementäre Innenumfangsfläche (11a) des Käfigs (11) im kalten Zustand des Wälzlagers (1) nur an dieser Außenumfangsfläche (11a) mit geringem ersten radialen Spiel (S1) geführt ist, und dass eine einer Innenumfangsfläche (4a) wenigstens eines Bordes (4) des Außenrings (2) gegenüberliegende, komplementäre Außenumfangsfläche (11b) des Käfigs (11) im betriebswarmen Zustand des Wälzlagers (1) an dieser Innenumfangsfläche (4a) des Bordes (4) des Außenrings (2) mit geringem zweiten radialen Spiel (S2) geführt ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Wälzlager, aufweisend einen Außenring mit einer Außenringlaufbahn und wenigstens einen axial seitlich dazu angeordneten Bord, einen Innenring mit einer Innenringlaufbahn und wenigstens einen axial seitlich dazu angeordneten Bord, sowie mit radial zwischen der Außenringlaufbahn und der Innenringlaufbahn angeordneten, in einem bordgeführten Käfig aufgenommenen Wälzkörpern.
Ein derartiges Wälzlager ist in der DE 195 30 903 A1 offenbart. Es handelt sich um ein Wälzlager, dessen Wälzkörper in einem am Lageraußenring geführten, einteiligen Käfig geführt sind. Zur Schmierstoffversorgung ist vorgesehen, die Berührzone zwischen Käfig und Lageraußenring auf einen Durchmesserbereich zu legen, der größer als der kleinste Innendurchmesser der Wälzkörperlaufbahn im Lageraußenring ist.
In der DE 10 2008 025 766 A1 ist ein Wälzlagerkäfig für Außen- und Innenbordwälzlager offenbart, mit die Wälzkörper auf Abstand haltenden, an Stirnträgern befestigten Käfigstegen, wobei der Wälzlagerkäfig Bordbereiche mit einem maximalen Außendurchmesser oder einem minimalen Innendurchmesser des Wälzlagerkäfigs zur Abstützung an jeweils einem Lagerring und zwischen den Bordbereichen Ausnehmungen zur Aufnahme von Schmierstoff aufweist.
Wälzlager, die stark durch Beschleunigung und Vibration beansprucht werden, sind meistens mit einem bordgeführten Käfig ausgestattet. Man erreicht damit, dass sich der Wälzkörpersatz mit Käfig am Lagerring abstützen kann. Dabei ist eine Abstützung am Außenring (Außenbordführung/Außenringführung) als auch am Innenring (Innenbordführung/Innenringführung) möglich. Die Abstützung ist im Allgemeinen umso wirkungsvoller, je größer die Kontaktfläche zwischen Käfig und Lagerring ist.
Wenn der Außenring, der Innenring und die Wälzkörper aus Materialien gefertigt sind, die einen im Wesentlichen gleichen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen, bleibt das für eine Führung des Käfigs erforderliche geringe radiale Spiel zwischen dem Käfig und dem Außenring oder dem Innenring auch bei Erwärmung im Wesentlichen erhalten, jedoch können insbesondere bei fettgeschmierten Wälzlagern Probleme mit der Schmierung des Käfigs gegenüber dem Außenring oder dem Innenring auftreten. Dies ist beispielsweise der Fall, wenn alle Elemente des Wälzlagers aus Stahl bestehen.
Häufig werden jedoch die Käfige für derartige Wälzlager aus einem Material gefertigt, das einen merklich größeren thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist als der der Lagerringe und der Wälzkörper, so dass entweder die Führung bei Erwärmung des Wälzlagers durch eine Vergrößerung des radialen Spiels zwischen dem Käfig und dem Außenring oder dem Innenring verschlechtert wird oder sich der Käfig sogar soweit ausdehnt, dass er bei Betriebstemperatur zum Klemmen am Außenring neigt, insbesondere wenn keine ausreichende Schmierung gegeben ist.
Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Wälzlager der eingangs erwähnten Art mit einem bordgeführten Käfig so zu gestalten, dass sowohl im kalten Zustand des Wälzlagers als auch im betriebswarmen Zustand eine einwandfreie Führung des Käfigs gewährleistet ist.
Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Wälzlager mit den Merkmalen des Anspruchs 1, welches einen Außenring mit einer Außenringlaufbahn und wenigstens einen axial seitlich dazu angeordneten Bord, einen Innenring mit einer Innenringlaufbahn und wenigstens einen axial seitlich dazu angeordneten Bord, sowie radial zwischen der Außenringlaufbahn und der Innenringlaufbahn angeordnete, in einem bordgeführten Käfig aufgenommene Wälzkörper aufweist. Bei diesem Wälzlager ist gemäß der Erfindung vorgesehen, dass der Käfig aus einem Material besteht, dessen Wärmeausdehnungskoeffizient größer ist als der Wärmeausdehnungskoeffizient des Materials des Außenrings, des Innenrings und der Wälzkörper, dass der Käfig so gestaltet ist, dass eine einer Außenumfangsfläche wenigstens eines Bordes des Innenrings radial gegenüberliegende, komplementäre Innenumfangsfläche des Käfigs im kalten Zustand des Wälzlagers nur an dieser Außenumfangsfläche mit geringem ersten radialen Spiel geführt ist, und dass eine einer Innenumfangsfläche wenigstens eines Bordes des Außenrings gegenüberliegende, komplementäre Außenumfangsfläche des Käfigs im betriebswarmen Zustand des Wälzlagers an dieser Innenumfangsfläche des Bordes des Außenrings mit geringem zweiten radialen Spiel geführt ist.
Die Innenbordführung wirkt somit bei vergleichsweise niedrigen Temperaturen, also beispielsweise im Bereich von –30°C bis +30°C. Bei einer Erwärmung des Wälzlagers dehnt sich, aufgrund unterschiedlicher Wärmeausdehnungskoeffizienten, der Käfig stärker aus als die übrigen Wälzlagerbestandteile. Der Käfig ist dafür so ausgelegt, dass sich dadurch eine Außenbordführung ergibt, die entweder zusammen mit der Innenbordführung die Führung des Käfigs übernimmt, oder diese Führung auch nur allein übernimmt. Dadurch ist der Käfig unter allen Betriebsbedingungen genauer geführt als bei bekannten gattungsgemäßen Wälzlagern. Die Freiheitsgrade des Käfigs werden dadurch eingeschränkt und Käfigschwingungen werden vermieden oder minimiert.
An dieser Stelle sei erwähnt, dass unter dem Begriff Außenbordführung eine Führung des Käfigs an einem im Wälzlager radial nach innen ragenden Bord des Außenrings, und unter einer Innenbordführung eine Führung des Käfigs an einem im Wälzlager radial nach außen ragenden Bord des Innenrings verstanden wird.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung dieses Wälzlagers ist bei diesem vorgesehen, dass das radiale Spiel zwischen der Außenumfangsfläche des Bordes des Innenrings und der gegenüberliegenden, komplementären Innenumfangsfläche des Käfigs sowie das radiale Spiel zwischen der Innenumfangsfläche des Bordes des Außenrings und der gegenüberliegenden, komplementären Außenumfangsfläche des Käfigs so bemessen sind, dass der Käfig im kalten Zustand des Wälzlagers nur an der Außenumfangsfläche des Bordes des Innenrings geführt ist, und dass der Käfig im betriebswarmen Zustand des Wälzlagers sowohl an der Außenumfangsfläche des Bordes des Innenrings als auch an der Innenumfangsfläche des Bordes des Außenrings geführt ist.
Da der für Massivkäfige für Wälzlager üblicherweise verwendete Kunststoff einen größeren thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist als der Außenring, der Innenring und die Wälzkörper aus Wälzlagerstahl, lässt sich durch entsprechende Bemessung des Käfigs und des radialen Spiels zwischen dem Käfig und den Borden des Außenrings sowie des Innenrings erreichen, dass eine Käfigführung am Innenring im kalten Zustand des Wälzlagers gegeben ist, und dass sich im betriebswarmen Zustand des Wälzlagers das radiale Spiel zwischen dem Käfig und dem Außenring so weit verringert, dass die Führung des Käfigs auch am Außenring erfolgt.
Sowohl die Abmessungen des Käfigs als auch die Wahl des radialen Spiels zwischen dem Innenring und dem Käfig sowie des radialen Spiels zwischen dem Außenring und dem Käfig als auch die Masse des Käfigs im Bereich der Führungen sind entscheidend für die einwandfreie Führung des Käfigs bei allen Betriebstemperaturen.
Um eine einwandfreie Schmierung der Führungsflächen des Käfigs zu erreichen, können die Innenumfangsfläche und/oder die Außenumfangsfläche des Käfigs Bereiche mit einem maximalen Außendurchmesser und einem minimalen Innendurchmesser zur Führung an einem Bord des Innenrings oder des Außenrings aufweisen, sowie umfangsbezogen dazwischen Ausnehmungen zur Aufnahme von Schmierstoff aufweisen. Eine derartige Ausführung des Käfigs ist in der DE 10 2008 025 766 A1 beschrieben, deren diesbezüglicher Inhalt hier vollständig zum Gegenstand der Offenbarung der Erfindung gemacht ist.
Die Erfindung wird nachstehend anhand eines in der beigefügten Zeichnung dargestellten Wälzlagers weiter erläutert.
In der Zeichnung ist ein axialer Teilschnitt durch ein erfindungsgemäßes Wälzlager 1 dargestellt. Es handelt sich um ein Schrägkugellager, wie es beispielsweise als Ausrücklager in einer Kupplung eines Kraftfahrzeuges verwendet wird. Das Wälzlager 1 verfügt über einen Außenring 2 mit einer Außenringlaufbahn 3 sowie einen rechten Bord 4 mit einer Innenumfangsfläche 4a und einen linken Bord 6. Die beiden Borde 4, 6 des Außenrings 2 ragen nach radial innen und begrenzen die Außenringlaufbahn 3 axial. Axial außen weisen die beiden Außenringborde 4, 6 jeweils ringförmige Ausnehmungen zur Aufnahme und Halterung jeweils eines Dichtringes 5, 7 auf.
Konzentrisch zum Außenring 2 ist ein Innenring 8 angeordnet, welcher eine Innenringlaufbahn 9, einen rechten Bord 10, der eine Außenumfangsfläche 10a aufweist, und einem linken Bord 13 hat. Die beiden Innenringborde 10, 13 ragen nach radial außen und begrenzen die Innenringlaufbahn 9 axial. Radial zwischen dem Außenring 2 und dem Innenring 8 sind kugelförmige Wälzkörper 12 angeordnet, welche auf der Außenringlaufbahn 3 und der Innenringlaufbahn 9 abrollen sowie durch einen massiven Kunststoffkäfig 11 geführt sind.
Der Käfig 11 weist eine radiale Innenumfangsfläche 11a auf, die zu der Außenumfangsfläche 10a des rechten Bordes 10 des Innenrings 8 geometrisch komplementär ausgebildet ist und dieser radial gegenüber liegt. Im kalten Zustand des Wälzlagers 1 ist ein erstes radiales Spiel S1 zwischen der Außenumfangsfläche 10a des Bordes 10 des Innenrings 8 und der Innenumfangsfläche 11a des Käfigs 11 vorhanden. Dieses erste radiale Spiel S1 ist so bemessen, dass der Käfig 11 mit den Wälzkörpern 12 an der Außenumfangsfläche 10a des Bordes 10 am Innenring 8 ohne zu klemmen geführt ist, sowie weiterhin so bemessen ist, dass eine ausreichende Schmierung im kalten Zustand des Wälzlagers 1 gewährleistet ist.
Die Zeichnung zeigt das Wälzlager 1 im kalten Zustand, also beispielsweise bei –30°C. Dementsprechend ist ein zweites radiales Spiel S2 zwischen der Innenumfangsfläche 4a des rechten Bordes 4 am Außenring 2 und der Außenumfangsfläche 11b am Käfig 11 größer als das erste radiale Spiel S1 zwischen der Außenumfangsfläche 10a des rechten Bordes 10 des Innenrings 8 und der Innenumfangsfläche 11a des Käfigs 11 dargestellt.
Wenn sich das Wälzlager 1 erwärmt, dehnt sich der Käfig 11, der als Massivkäfig aus Kunststoff gefertigt ist, stärker aus als der Außenring 2, der Innenring 8 und die Wälzkörper 12. Dadurch verkleinert sich das zweite radiale Spiel S2 zwischen der Innenumfangsfläche 4a des rechten Bordes 4 am Außenring 2 und der Außenumfangsfläche 11b am Käfig 11 bei Betriebstemperatur auf einen Wert, der dem Wert des ersten radialen Spiels S1 zwischen der Außenumfangsfläche 10a des rechten Bordes 10 des Innenrings 8 und der Innenumfangsfläche 11a des Käfigs 11 bei kaltem Wälzlager 1 entspricht.
Da sich der Käfig 11 bei einer Erwärmung dreidimensional ausdehnt, lässt sich durch entsprechende Bemessung des ersten radialen Spiels S1, des zweiten radialen Spiels S2 und der Masse des Käfigs 11 erreichen, dass sich das erste radiale Spiel S1 bei Erwärmung nur unwesentlich verändert oder vergrößert, während das zweite radiale Spiel S2 bei Betriebstemperatur einen für die Führung des Käfigs 11 geeigneten, geringen Wert erreicht, der nicht zu einem Klemmen des Käfigs 11 an der Innenumfangsfläche 4a des ersten Bordes 4 am Außenring 2 führt, sondern so groß bleibt, dass eine ausreichende Schmierung gewährleistet ist.
Zusätzlich kann das Kunststoffmaterial für den Käfig 11 selbst oder durch geeignete Zusätze schmierfähige Eigenschaften aufweisen, die eine genaue Führung des Käfigs 11 mit sehr geringem zweitem radialem Spiel S2 ermöglichen.
Um eine einwandfreie Schmierung der radialen Führungsflächen 11a, 11b des Käfigs 11 zu erreichen, können die Innenumfangsfläche 11a und/oder die Außenumfangsfläche 11b des Käfigs 11 Bereiche mit einem maximalen Außendurchmesser und einem minimalen Innendurchmesser zur Führung an einem Bord 4, 10 des Außenrings 2 oder des Innenrings 8 aufweisen, und dazwischen Ausnehmungen zur Aufnahme von Schmierstoff aufweisen. Eine derartige Ausführung des Käfigs ist in der DE 10 2008 025 766 A1 beschrieben, deren diesbezüglicher Inhalt hier vollständig zum Gegenstand der Offenbarung gemacht ist.
Das in der Zeichnung dargestellte Wälzlager 1 ist, wie bereits erwähnt, als Schrägkugellager ausgebildet, jedoch ist das beschriebene Konstruktionsprinzip auch bei Rillenkugellagern, Zylinderrollenlagern oder Kegelrollenlagern anwendbar, um die Führung des Käfigs 11 entsprechend der Erfindung zu gestalten.
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.
Bezugszeichenliste

1: Wälzlager
2: Außenring
3: Außenringlaufbahn
4: Rechter Bord
4a: Innenumfangsfläche am Bord 4
5: Dichtring
6: Linker Bord
7: Dichtring
8: Innenring
9: Innenringlaufbahn
10: Rechter Bord am Innenring
10a: Außenumfangsfläche des Bordes 10
11: Käfig
11a: Innenumfangsfläche des Käfigs
11b: Außenumfangsfläche des Käfigs
12: Wälzkörper
13: Linker Bord am Innenring
S1: Erstes radiales Spiel zwischen Außenumfangsfläche 10a und Innenumfangsfläche 11a
S2: Zweites radiales Spiel zwischen Innenumfangsfläche 4a und Außenumfangsfläche 11b

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 19530903 A1 [0002]
DE 102008025766 A1 [0003, 0014, 0023]

Claims

Wälzlager (1), aufweisend einen Außenring (2) mit einer Außenringlaufbahn (3) und wenigstens einen axial seitlich dazu angeordneten Bord (4), einen Innenring (8) mit einer Innenringlaufbahn (9) und wenigstens einen axial seitlich dazu angeordneten Bord (10), sowie mit radial zwischen der Außenringlaufbahn (3) und der Innenringlaufbahn (9) angeordneten, in einem bordgeführten Käfig (11) aufgenommenen Wälzkörpern (12), dadurch gekennzeichnet, dass der Käfig (11) aus einem Material besteht, dessen Wärmeausdehnungskoeffizient größer ist als der Wärmeausdehnungskoeffizient des Materials des Außenrings (2), des Innenrings (8) und der Wälzkörper (12), dass der Käfig (11) so gestaltet ist, dass eine einer Außenumfangsfläche (10a) wenigstens eines Bordes (10) des Innenrings (8) radial gegenüberliegende, komplementäre Innenumfangsfläche (11a) des Käfigs (11) im kalten Zustand des Wälzlagers (1) nur an dieser Außenumfangsfläche (11a) mit geringem ersten radialen Spiel (S1) geführt ist, und dass eine einer Innenumfangsfläche (4a) wenigstens eines Bordes (4) des Außenrings (2) gegenüberliegende, komplementäre Außenumfangsfläche (11b) des Käfigs (11) im betriebswarmen Zustand des Wälzlagers (1) an dieser Innenumfangsfläche (4a) des Bordes (4) des Außenrings (2) mit geringem zweiten radialen Spiel (S2) geführt ist.
Wälzlager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste radiale Spiel (S1) zwischen der Außenumfangfläche (10a) des Bordes (10) des Innenrings (8) und der gegenüberliegenden, komplementären Innenumfangsfläche (11a) des Käfigs (11) sowie das zweite radiale Spiel (S2) zwischen der Innenumfangsfläche (4a) des Bordes (4) des Außenrings (2) und der gegenüberliegenden, komplementären Außenumfangsfläche (11b) des Käfigs (11) so bemessen sind, dass der Käfig (11) im kalten Zustand des Wälzlagers (1) nur an der Außenumfangsfläche (10a) des Bordes (10) des Innenrings (8) geführt ist, und dass der Käfig (11) in betriebswarmen Zustand des Wälzlagers (1) sowohl an der Außenumfangsfläche (10a) des Bordes (10) des Innenrings (8) als auch an der Innenumfangsfläche (4a) des Bordes (4) des Außenrings (2) geführt ist.
Wälzlager nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Käfig (11) als Massivkäfig aus Kunststoff hergestellt ist, und dass der Außenring (2), der Innenring (8) und die Wälzkörper (12) aus Wälzlagerstahl hergestellt sind.
Wälzlager nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenumfangsfläche (11a) und/oder die Außenumfangfläche (11b) des Käfigs (11) Bereiche mit einem maximalen Außendurchmesser und einem minimalen Innendurchmesser zur Führung an einem Bord (4, 10) des Außenrings (2) oder des Innenrings (8) aufweisen, und dass umfangsbezogen zwischen diesen Bereichen Ausnehmungen zur Aufnahme von Schmierstoff vorhanden sind.