DE102015201170A1

DE102015201170A1 - Wälzlagerkäfig

Info

Publication number: DE102015201170A1
Application number: DE102015201170.4A
Authority: DE
Inventors: Albrecht Nestle
Original assignee: SKF AB
Current assignee: SKF AB
Priority date: 2015-01-23
Filing date: 2015-01-23
Publication date: 2016-07-28
Anticipated expiration: 2035-01-24
Also published as: CN105822674A; CN105822674B; US20160215823A1; US10724576B2; DE102015201170B4

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Wälzlagerkäfig (1), der aus mehreren Käfigsegmenten (2, 3, 4) besteht, die sich in Umfangsrichtung (U) zu einer ringförmigen Struktur ergänzen, wobei jedes Käfigsegment (2, 3, 4) mindestens zwei benachbarte Aufnahmetaschen (5, 6, 7, 8) aufweist, wobei jede Aufnahmetasche (5, 6, 7, 8) durch zwei benachbarte Käfigstege (9, 10, 11, 12) begrenzt wird, wobei die Käfigstege (9, 10, 11, 12) an ihrer der Aufnahmetasche (5, 6, 7, 8) zugewandten Oberfläche eine Anlauffläche (13, 14) für einen Wälzkörper (15) aufweist. Um das dynamische Verhalten des Wälzlagers mit einem solchen Käfig zu verbessern, sieht die Erfindung vor, dass die Anlaufflächen (13, 14) mindestens einer Aufnahmetasche (5, 6, 7, 8) bezüglich einer die Aufnahmetasche (5, 6, 7, 8) teilende Mittenebene (E) unsymmetrisch ausgebildet sind.

Description

Die Erfindung betrifft einen Wälzlagerkäfig, der aus mehreren Käfigsegmenten besteht, die sich in Umfangsrichtung zu einer ringförmigen Struktur ergänzen, wobei jedes Käfigsegment mindestens zwei benachbarte Aufnahmetaschen aufweist, wobei jede Aufnahmetasche durch zwei benachbarte Käfigstege begrenzt wird, wobei die Käfigstege an ihrer der Aufnahmetasche zugewandten Oberfläche eine Anlauffläche für einen Wälzkörper aufweist.
Segmentkäfige der gattungsgemäßen Art sind bei manchen Wälzlagern gebräuchlich, vor allem bei Großlagern. Dabei werden gemäß einer bevorzugten Bauweise, die hier gattungsbildend ist, eine Anzahl Wälzkörper in einem Wälzlagersegment untergebracht. Das Wälzlagersegment hat die Aufgabe, die Wälzkörper in definiertem Umfangsabstand zueinander zu führen sowie diese zu beschleunigen, wenn sie sich in einer lastfreien Zone des Wälzlagers befinden. So sind Bauformen bekannt, bei denen vier Wälzkörper (Rollen oder auch Kugeln) in einem Wälzlagersegment aufgenommen sind und von diesem geführt werden. Die Käfigsegmente können dabei aus Kunststoff bestehen.
Zusammen mit den Wälzkörpern kann ein Käfigsegment leicht über 10 kg wiegen.
Aufgrund der Funktion des Lagers und von Fertigungstoleranzen ist es unabdingbar, dass zwischen den jeweiligen Käfigsegmenten in Umfangsrichtung Spiel vorliegt. Dieses Spiel kann einige Millimeter bis hin zu einigen Zentimetern betragen. Im Falle spezieller Lastzustände kann es dabei passieren, dass ein mit Wälzkörpern gefülltes Käfigsegment in der lastfreien Zone des Lagers auf das benachbarte Käfigsegment aufschlägt. Dies hat hohe Stoßkräfte und entsprechende Spannungen zur Folge. Demgemäß stellt dies eine hohe Belastung des Käfigs bzw. seiner Segmente dar, was zu Bruchschäden und vorzeitigen Lagerausfällen führen kann.
Die Stoßbelastung des gesamten Käfigs ist abhängig davon, wie stark der Stoß ist, der von einem Wälzkörper auf den in Bewegungsrichtung vor ihm liegenden Käfigsteg ausgeübt wird. Wenn zwei benachbarte Käfigsegmente aufeinander treffen, kann folgendes passieren.
Zunächst kann das Käfigsegment auf die Außenoberfläche des ersten bzw. letzten Käfigstegs des benachbarten Käfigsegments aufschlagen. Dies führt zu einer Abbremsung des Käfigs.
Infolge der Massenträgheit können die Wälzkörper auf den Käfigsteg aufschlagen, der in Bewegungsrichtung benachbart ist. Abhängig von der Position des Wälzkörpers innerhalb der Aufnahmetasche und des Umfangsspiels kann der Abstand zwischen dem Wälzkörper und dem Käfigsteg von Aufnahmetasche zu Aufnahmetasche unterschiedlich sein. Demgemäß können alle Wälzkörper gleichzeitig auf die jeweiligen Käfigstege aufschlagen oder auch zu verschiedenen Zeitpunkten. Als Konsequenz kann die Intensität des Aufschlagens (im Falle von vier Wälzkörpern pro Käfigsegment) bis zu vier Mal so groß sein wie das Aufschlagen eines einzelnen Wälzkörpers auf seinem Käfigsteg. Demgemäß muss die Stabilität des Käfigsegments für die größte Belastung ausgelegt sein, d. h. für den Fall, dass alle Wälzkörper gleichzeitig auf ihren Käfigsteg aufschlagen.
Weiterhin ist festzustellen, dass der Impuls durch das Aufschlagen eines Wälzkörpers auf die Käfigstege seiner Aufnahmetasche auf den gesamten Käfig übertragen wird, d. h. der Stoß wird von Käfigsegment zu Käfigsegment weitergegeben. Dies hat nachteilig Vibrationen und einen unruhigen Lauf des Wälzlagers zur Folge. Ferner ist das Material des Käfigs bzw. dessen Segmente einer entsprechend hohen Belastung ausgesetzt.
Die bekannten Abhilfemaßnahmen, die die Stoßbelastung vermindern sollen, sind bislang nicht immer befriedigend. Möglich ist zunächst die Verminderung des Spiels in Umfangsrichtung, was allerdings aufgrund der verfügbaren Fertigungsmethoden und der damit einher gehenden Kosten Grenzen hat. Dann kann auch die Masse des mit Wälzkörpern besetzten Käfigsegments vermindert werden. Dies allerdings vermindert die Tragfähigkeit des Wälzlagers. Es kann auch versucht werden, die lastfreie Zone zu reduzieren bzw. zu vermeiden; dies ist aber nicht immer möglich.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Wälzlagerkäfig der eingangs genannten Art so auszugestalten, dass diesbezüglich Verbesserungen erreicht werden können. Demgemäß soll das dynamische Verhalten des Wälzlagers mit einem solchen Käfig verbessert werden. Erreicht soll dies dadurch werden, dass die oben beschriebene Stoßbelastung in den Käfigsegmenten und zwischen denselben vermindert wird. Dabei wird auf einfache Mittel abgezielt, die sich kostengünstig realisieren lassen und die Nachteile der oben genannten vorbekannten Abhilfemaßnahmen nicht aufweisen.
Die Lösung dieser Aufgabe durch die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Anlaufflächen mindestens einer Aufnahmetasche bezüglich einer die Aufnahmetasche teilende Mittenebene unsymmetrisch ausgebildet sind.
Bevorzugt sind dabei die Anlaufflächen aller Aufnahmetaschen bezüglich jeweils einer die Aufnahmetasche teilende Mittenebene unsymmetrisch ausgebildet.
Jedes Käfigsegment hat bevorzugt drei, vier oder fünf benachbarte Aufnahmetaschen.
Die Anlaufflächen können dabei in mindestens einem Schnitt senkrecht auf die Drehachse des Wälzlagerkäfigs gerade ausgebildet sein. In diesem Falle sieht eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung vor, dass die Verlängerung des Schnitts einer der beiden Anlaufflächen durch die Drehachse des Wälzlagerkäfigs verläuft, während die Verlängerung des Schnitts der anderen der beiden Anlaufflächen nicht durch die Drehachse des Wälzlagerkäfigs verläuft.
Die Anlaufflächen definieren zumeist aufgrund ihrer Krümmung einen Kontaktpunkt oder eine Kontaktlinie für den sich in der Aufnahmetasche befindlichen Wälzkörper, wobei nach einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen ist, dass der Kontaktpunkt oder die Kontaktlinie der einen Anlauffläche – in Richtung der Drehachse des Wälzlagerkäfigs betrachtet – auf einer anderen Höhe liegt als der Kontaktpunkt oder die Kontaktlinie der anderen Anlauffläche.
Der Wälzlagerkäfig kann zur Aufnahme von Zylinderrollen, Kegelrollen oder auch Kugeln ausgebildet sein. Er besteht bevorzugt aus Kunststoff.
Bevorzugt sind Anwendungen in Großlagern, die einen Außenring-Außendurchmesser von mindestens 500 mm aufweisen.
Während im Stand der Technik die Gestaltung der sich gegenüberliegenden Anlaufflächen der Aufnahmetasche stets symmetrisch ist, stellt die vorliegende Erfindung dem gegenüber auf eine asymmetrische Gestaltung der sich gegenüberliegenden Anlaufflächen einer Aufnahmetasche für einen Wälzkörper ab.
Die vorgeschlagene Lösung zielt also darauf ab, die Stoßbelastung des mit Wälzkörpern besetzten Käfigsegments zu reduzieren; wie oben erläutert, ist dies bei einem mit mehreren Wälzkörpern besetzten Käfigsegments die Summe der Einzelstöße der jeweiligen Wälzkörper, wenn diese auf die Käfigstege ihrer Aufnahmetaschen aufschlagen.
Dies wird in einfacher und effizienter Weise durch die gezielte asymmetrische Ausgestaltung der Käfigsteg-Anlaufflächen der Aufnahmetaschen erreicht. Hierdurch kommt es bei einem Aufschlagen bzw. Anlauf der Wälzkörper an den Käfigstegen zu einem definierten (zeitlichen) Versatz. Somit kann es gezielt vermieden werden, dass alle Wälzkörper gleichzeitig auf ihren Käfigstegen aufschlagen und so zu einer hohen Lastspitze führen.
Die Käfigstege sind demgemäß asymmetrisch ausgebildet, d. h. die Anlauffläche für die Wälzkörper ist an dem in Bewegungsrichtung vorderen Käfigsteg anders gestaltet als an dem in Bewegungsrichtung hinteren Käfigsteg.
Zum Kontakt kommt es hier nur, wenn der Käfig die Wälzkörper verzögert, was nur beim Aufschlag des Käfigsegments auf ein benachbartes Segment der Fall ist. Ansonsten führt bzw. beschleunigt der Käfig die Wälzkörper, so dass Kontakt nur zum in Bewegungsrichtung hinteren Käfigsteg vorliegt. Konsequenter Weise ist es vorteilhaft, wenn die in Bewegungsrichtung vorne liegenden Anlaufflächen bzw. Käfigstege unsymmetrisch gestaltet sind, die in Bewegungsrichtung hinten liegenden indes symmetrisch (s. hierzu die nachfolgend beschriebene 2).
Es kann auch vorgesehen werden, dass der Kontakt zwischen den Wälzkörpern und den Käfigstegen insofern unsymmetrisch ist, als dass der Kontaktpunkt bzw. die Kontaktlinie zwischen in Bewegungsrichtung vorderem und hinterem Käfigsteg verändert wird (s. hierzu die nachfolgend beschriebene 4). Dies ist bei vorbekannten Lösungen nicht der Fall; hier befinden sich die Kontaktpunkte bzw. -linien stets auf demselben Durchmesser. Durch die Veränderung der Ausformung der Anlaufflächen, insbesondere der gekrümmten und geraden Abschnitte, kann somit die Kontaktpunkt bzw. die Kontaktlinien von Käfigsteg zu Käfigsteg variiert werden.
Durch die vorgeschlagene asymmetrische Ausgestaltung der Anlaufflächen können größere Wälzkörper eingesetzt werden, ohne die Gefahr eines hohen Aufschlagimpulses in Kauf nehmen zu müssen; indes wird hierdurch die Tragfähigkeit des Wälzlagers erhöht. Fernern können größere Spiele zwischen den Käfigsegmenten und größere lastfreie Zonen in Kauf genommen werden.
Es ergeben sich ein ruhigerer Lauf des Wälzlagers und geringere Vibrationen im Betrieb.
In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Es zeigen:
1 schematisch drei in Umfangsrichtung eines Wälzlagers aufeinander folgende Käfigsegmente eines Wälzlagerkäfigs, gesehen in Richtung der Drehachse des Wälzlagers bzw. des Wälzlagerkäfigs, und zwar am Beispiel eines Zylinderrollenlagers oder Kegelrollenlagers,
2 eines der drei Käfigsegmente gemäß 1, wobei die Ausgestaltung der Anlaufflächen für die Wälzkörper näher dargestellt ist, gesehen in Richtung der Drehachse des Wälzlagers bzw. des Wälzlagerkäfigs, und zwar am Beispiel eines Zylinderrollenlagers oder Kegelrollenlagers,
3 einen Schnitt durch den Wälzlagerkäfig eines Zylinderrollenlagers oder Kegelrollenlagers, gesehen in Richtung der Achse der Wälzkörper, wobei zwei benachbarte Käfigstege zu sehen sind und wobei eine Lösung nach dem Stand der Technik dargestellt ist, und
4 in der Darstellung gemäß 3 eine erfindungsgemäße Lösung.
In 1 ist ein Teil eines Wälzlagerkä1 zu sehen, der als Segmentkäfig ausgebildet ist. Dargestellt sind drei in Umfangsrichtung U aufeinanderfolgende Käfigsegmente 2, 3 und 4 (nur das mittlere Käfigsegment 3 ist vollständig zu sehen). Die Drehachse des Wälzlagerkäfigs bzw. des Wälzlagers ist mit a angegeben.
Jedes Käfigsegment 2, 3, 4 hat im Ausführungsbeispiel vier Aufnahmetaschen 5, 6, 7 und 8 für je einen Wälzkörper 16, der schematisch in eine Aufnahmetasche eingezeichnet ist. Die Wälzkörper 16, die hier Zylinder- oder Kegelrollen sind, haben eine Achse b.
Eine Aufnahmetasche 5, 6, 7, 8 wird in Umfangsrichtung U durch Käfigstege 9, 10, 11, 12, 13 begrenzt. Der Wälzkörper 16 hat in seiner Aufnahmetasche ein gewisses Spiel s₂ in Umfangsrichtung U.
Ansonsten liegt zwischen den einzelnen Käfigsegmenten 2, 3, 4 ein Spiel s₁ vor, das aus funktionalen und fertigungstechnischen Gründen benötigt wird, allerdings die oben erläuterte Stoßentwicklung nachteilig ermöglicht.
Jede Aufnahmetasche 5, 6, 7, 8 wird also durch jeweilige Käfigstege 9, 10, 11, 12, 13 begrenzt, wobei diese Anlaufflächen 14 und 15 für die Wälzkörper 16 aufweisen.
Bei einer Bewegung gegen den Uhrzeigersinn schiebt das Käfigsegment 4 auf das Käfigsegment 3 auf, wobei dann das Käfigsegment 3 nach Überwindung des Spiels s₁ auf das Käfigsegment 2 aufschlagen kann.
Wesentlich ist nunmehr, dass die Anlaufflächen 14 und 15 zumindest einer, bevorzugt aber aller Aufnahmetaschen 5, 6, 7, 8 unsymmetrisch ausgebildet sind, und zwar bezüglich einer Mittenebene E, die die Aufnahmetasche 5, 6, 7, 8 teilt.
Dies ist in 2 näher illustriert. Angenommen wird hier (wie auch in den anderen Figuren), dass sich das hier dargestellte Käfigsegment gegen den Uhrzeigersinn bewegt. Die in Bewegungsrichtung daher hinten liegenden Anlaufflächen 15 sind insofern klassisch ausgebildet, als dass ihre Verlängerung durch die Drehachse a hindurch läuft. Indes gilt dies nicht für die in Bewegungsrichtung vorne liegenden Anlaufflächen 14. Wie aus 2 hervorgeht, verläuft deren Verlängerung nicht durch die Drehachse a. Dabei können im Übrigen durchaus für alle Anlaufflächen 14 des Käfigsegments unterschiedliche Ausrichtungen vorgesehen werden, was insofern vorteilhaft ist, als dass dann für alle Wälzkörper in ihren Aufnahmetaschen unterschiedliche Anlaufbedingungen vorliegen und so die Gefahr minimiert wird, dass es zu einem gleichzeitigen Aufschlagen der Wälzkörper auf den Käfigstegen kommt.
In 3 ist eine Ausgestaltung zu sehen, die nach dem Stand der Technik ausgeführt ist. Demnach befinden sich die Wälzkörper 16 hier in Aufnahmetaschen, wobei die Anlaufflächen 14 und 15 der Käfigstege bezüglich einer Mittenebene E symmetrisch ausgebildet sind. Zu erkennen sind hier die Kontaktlinien 17 zwischen Käfigsteg und Wälzkörper an den Anlaufflächen. Diese Kontaktlinien 17 befinden sich alle auf demselben Durchmesser.
Dem gegenüber zeigt 4 eine erfindungsgemäße Ausgestaltung, bei der durch die asymmetrische Gestaltung der Anlaufflächen 14 und 15 die Kontaktlinien 17 auf unterschiedlichen Durchmessern zu liegen kommen. Demgemäß ergeben sich unterschiedliche Anlaufverhältnisse der Wälzkörper 16 an den Käfigstegen, je nachdem, ob der in Bewegungsrichtung vordere (in 4 der linke) oder hintere (in 4 der rechte) Käfigsteg vom Wälzkörper kontaktiert wird.
Bezugszeichenliste

1: Wälzlagerkäfig
2: Käfigsegment
3: Käfigsegment
4: Käfigsegment
5: Aufnahmetasche
6: Aufnahmetasche
7: Aufnahmetasche
8: Aufnahmetasche
9: Käfigsteg
10: Käfigsteg
11: Käfigsteg
12: Käfigsteg
13: Käfigsteg
14: Anlauffläche
15: Anlauffläche
16: Wälzkörper
17: Kontaktpunkt / Kontaktlinie
U: Umfangsrichtung
E: Mittenebene
a: Drehachse des Wälzlagerkäfigs
b: Achse des rollenförmigen Wälzkörpers
s₁: Spiel zwischen den Käfigsegmenten
s₂: Spiel des Wälzkörpers in der Aufnahmetasche

Claims

Wälzlagerkäfig (1), der aus mehreren Käfigsegmenten (2, 3, 4) besteht, die sich in Umfangsrichtung (U) zu einer ringförmigen Struktur ergänzen, wobei jedes Käfigsegment (2, 3, 4) mindestens zwei benachbarte Aufnahmetaschen (5, 6, 7, 8) aufweist, wobei jede Aufnahmetasche (5, 6, 7, 8) durch zwei benachbarte Käfigstege (9, 10, 11, 12, 13) begrenzt wird, wobei die Käfigstege (9, 10, 11, 12, 13) an ihrer der Aufnahmetasche (5, 6, 7, 8) zugewandten Oberfläche eine Anlauffläche (14, 15) für einen Wälzkörper (16) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Anlaufflächen (14, 15) mindestens einer Aufnahmetasche (5, 6, 7, 8) bezüglich einer die Aufnahmetasche (5, 6, 7, 8) teilende Mittenebene (E) unsymmetrisch ausgebildet sind.
Wälzlagerkäfig nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Anlaufflächen (14, 15) aller Aufnahmetaschen (5, 6, 7, 8) bezüglich jeweils einer die Aufnahmetasche (5, 6, 7, 8) teilende Mittenebene (E) unsymmetrisch ausgebildet sind.
Wälzlagerkäfig nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Käfigsegment (2, 3, 4) drei, vier oder fünf benachbarte Aufnahmetaschen (5, 6, 7, 8) aufweist.
Wälzlagerkäfig nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Anlaufflächen (14, 15) in mindestens einem Schnitt senkrecht auf die Drehachse (a) des Wälzlagerkäfigs (1) gerade ausgebildet sind.
Wälzlagerkäfig nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Verlängerung des Schnitts einer der beiden Anlaufflächen (14) durch die Drehachse (a) des Wälzlagerkäfigs (1) verläuft, während die Verlängerung des Schnitts der anderen der beiden Anlaufflächen (15) nicht durch die Drehachse (a) des Wälzlagerkäfigs (1) verläuft.
Wälzlagerkäfig nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Anlaufflächen (14, 15) aufgrund ihrer Krümmung einen Kontaktpunkt oder eine Kontaktlinie (17) für den sich in der Aufnahmetasche (5, 6, 7, 8) befindlichen Wälzkörper (16) definieren, wobei der Kontaktpunkt oder die Kontaktlinie (17) der einen Anlauffläche (14) in Richtung der Drehachse (a) des Wälzlagerkäfigs (1) betrachtet auf einer anderen Höhe liegt als der Kontaktpunkt oder die Kontaktlinie (17) der anderen Anlauffläche (15).
Wälzlagerkäfig nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass er zur Aufnahme von Zylinderrollen ausgebildet ist.
Wälzlagerkäfig nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass er zur Aufnahme von Kegelrollen ausgebildet ist.
Wälzlagerkäfig nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass er zur Aufnahme von Kugeln ausgebildet ist.
Wälzlagerkäfig nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass er aus Kunststoff besteht.