DE102015202140A1

DE102015202140A1 - Lagerring und zugehöriges Gleitlager oder Wälzlager

Info

Publication number: DE102015202140A1
Application number: DE102015202140.8A
Authority: DE
Inventors: Thomas Lösche
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2015-02-06
Filing date: 2015-02-06
Publication date: 2016-08-11

Abstract

Lagerring (1, 10) für ein Wälzlager (17) oder ein Gleitlager, der als Innenring oder als Außenring ausgebildet ist, wobei der Lagerring (1, 10) in Umfangsrichtung mit Fasern (9, 16) umwickelt ist, die einen negativen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen.

Description

Die Erfindung betrifft einen als Innenring oder als Außenring ausgebildeten Lagerring für ein Wälzlager oder ein Gleitlager.
Für bestimmte Anwendungen werden Lagerringe, insbesondere als Innenring ausgebildete Lagerringe eingesetzt, die aus einem keramischen Werkstoff hergestellt sind. Ein derartiger keramischer Werkstoff hat einen wesentlich kleineren Wärmeausdehnungskoeffizient als beispielsweise Stahl. Innenringe von Wälzlagern werden für Anwendungen mit radialer Belastung häufig durch eine Presspassung auf einer Welle befestigt. Diese Presspassung erzeugt Umfangsspannungen in einem als Innenring ausgebildeten Lagerring. Da sich während des Betriebs eines derartigen Lagers in den meisten Fällen das Lager und die zugehörige Welle erwärmen, dehnen sich beide Komponenten aus. Aufgrund des wesentlich größeren Wärmeausdehnungskoeffizienten von Stahl dehnt sich die Welle viel stärker als der aus dem keramischen Material hergestellte Innenring und gegebenenfalls ein ebenfalls aus dem keramischen Material hergestellter Außenring aus. Dadurch entstehen im Innenring des Lagers noch höhere Umfangsspannungen als diejenigen, die bereits durch den Presssitz erzeugt werden. Die zulässige Betriebstemperatur muss daher begrenzt werden, da es bei höheren Temperaturen aufgrund der zunehmenden Umfangsspannungen ansonsten zu einer Überschreitung der Festigkeitsgrenze des Lagerrings kommen kann.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Lagerring anzugeben, der auch für erhöhte Betriebstemperaturen, bei denen üblicherweise Zugspannungen im Lagerring auftreten, geeignet ist.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist bei einem Lagerring der eingangs genannten Art erfindungsgemäß vorgesehen, dass er in Umfangsrichtung mit Fasern umwickelt ist, die einen negativen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen.
Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass ein verbesserter Lagerring geschaffen werden kann, indem dieser mit Fasern umwickelt wird, die einen negativen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen. Bei zunehmender Temperatur kommt es zu einer Kontraktion der Fasern, wodurch auf den Lagerring einwirkende Druckspannungen erzeugt werden. Diese Druckspannungen wirken denjenigen Spannungen entgegen, die beispielsweise durch eine aus Stahl bestehende Welle erzeugt werden, die durch einen Presssitz mit einem als Innenring ausgebildeten Lagerring verbunden ist, wenn die aus der Welle und dem Lager bestehende Anordnung bei einer erhöhten Temperatur betrieben wird. Da durch die Fasern Druckspannungen erzeugt werden, die den temperaturbedingten Spannungen entgegenwirken, wird eine Überschreitung der Festigkeitsgrenzen des Lagerrings vermieden, dieser kann somit höhere Lasten aufnehmen, bei höheren Temperaturen betrieben werden und/oder höhere Drehzahlen ertragen.
Bei dem erfindungsgemäßen Lagerring wird es besonders bevorzugt, dass es sich bei den Fasern um Kohlenstofffasern (Carbonfasern), Aramidfasern oder Polyethylenfasern mit ultrahoher molarer Masse (UHMW-PE) oder um eine Kombination dieser Fasern handelt. Aramidfasern werden beispielsweise unter der Bezeichnung Kevlar (eingetragene Marke) vertrieben. Polyethylenfasern mit ultrahoher molarer Masse werden beispielsweise unter der Bezeichnung Dyneema (eingetragene Marke) vertrieben. Diese erwähnten Fasern können in Form von Rovings eingesetzt werden, dabei handelt es sich um Bündel unidirektional orientierter Fasern.
Im Rahmen der Erfindung wird es besonders bevorzugt, dass die Fasern in einer Harzmatrix eingebettet sind. Diese Harzmatrix hält die Fasern an der gewünschten Position, beispielsweise können mit Harz getränkte Fasern um einen als Innenring oder einen als Außenring ausgebildeten Lagerring gewickelt werden. Nach dem Aushärten des Harzes entsteht ein Ring, der bei Erwärmung die benötigte Druckspannung erzeugt. Die Harzmatrix, in die die Fasern eingebettet sind, kann beispielsweise aus einem Epoxidharz, einem Polyesterharz, einem Phenylesterharz oder aus einem anderen Harz bestehen, das für die beabsichtigte Betriebstemperatur geeignet ist.
Bei dem erfindungsgemäßen Lagerring wird es bevorzugt, dass die Fasern in mehreren Lagen oder Schichten gewickelt sind. Der erfindungsgemäße Lagerring kann dazu an seiner Außenseite wenigstens eine Nut aufweisen, die zur Aufnahme der Fasern ausgebildet ist. Der mit den Fasern versehene Lagerring kann eine im Wesentlichen oberflächenbündige Mantelfläche aufweisen.
Eine besonders bevorzugte Variante des erfindungsgemäßen Lagerrings sieht vor, dass er bei einer gegenüber einer Einsatztemperatur niedrigeren Herstellungstemperatur mit den Fasern umwickelt worden ist. Wenn ein derartiger Lagerring auf seine Einsatztemperatur erwärmt wird, erzeugen die Fasern aufgrund ihres negativen Wärmeausdehnungskoeffizienten Druckspannungen, die auf den Lagerring wirken.
Der erfindungsgemäße Lagerring kann mit besonderem Vorteil aus einer Stahllegierung hergestellt sein. Stahl weist eine vergleichsweise hohe Wärmedehnung auf, die durch die ringförmig an der Außenseite angebrachten Fasern kompensiert wird, wodurch sich die aufnehmbaren Lasten des Lagerrings erhöhen.
Besonders bevorzugt wird es jedoch, dass der Lagerring aus einem keramischen Werkstoff hergestellt ist. Keramische Werkstoffe besitzen einen im Vergleich zu Stahl niedrigeren Wärmeausdehnungskoeffizienten, der gleichwohl positiv ist. Somit tritt auch bei einem aus einem keramischen Werkstoff hergestellten Lagerring, der mit den erwähnten Fasern umwickelt ist, der Effekt auf, dass die Fasern Druckspannungen erzeugen. Bei bestimmten Anwendungen, beispielsweise wenn ein als Innenring ausgebildeter Lagerring, der aus einem keramischen Werkstoff hergestellt ist, über einen Presssitz mit einer Welle verbunden ist, kann somit den durch den Presssitz hervorgerufenen Zugspannungen entgegengewirkt werden. Als keramischer Werkstoff kann beispielsweise Siliziumnitrid (Si₃N₄) verwendet werden. Alternativ kann der Lagerring aus einem Hartmetall wie Wolframcarbid (WC) hergestellt sein.
Ein erfindungsgemäßer Lagerring, der als Innenring ausgebildet ist, kann an seinem Außenumfang zwei oder mehr axial voneinander beabstandete, mit Fasern umwickelte Bereiche aufweisen. Vorzugsweise sind an dem Außenumfang Nuten vorgesehen, die mit den Fasern umwickelt und somit aufgefüllt sind.
Daneben betrifft die Erfindung ein Gleitlager, mit als Innenring und Außenring ausgebildeten Lagerringen, von denen wenigstens einer als ein mit Fasern umwickelter Lagerring der beschriebenen Art ausgebildet ist. Vorzugsweise ist sowohl der Innenring als auch der Außenring mit Fasern umwickelt.
Daneben betrifft die Erfindung ein Wälzlager, mit als Innenring und Außenring ausgebildeten Lagerringen, von denen wenigstens einer als ein mit Fasern umwickelter Lagerring der beschriebenen Art ausgebildet ist. Vorzugsweise ist sowohl der Innenring als auch der Außenring als mit Fasern umwickelter Lagerring ausgebildet.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. Die Zeichnungen sind schematische Darstellungen und zeigen:
1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Lagerrings in einer geschnittenen Ansicht;
2 ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Lagerrings in einer geschnittenen Ansicht; und
3 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Wälzlagers.
Der in 1 in einer geschnittenen Ansicht gezeigte, als Innenring ausgebildete Lagerring 1 ist im Wesentlichen hohlzylindrisch ausgebildet. An seiner Innenseite weist er eine zylindrische Ausnehmung 2 auf. An seinem Außenumfang 3 (Mantelfläche) ist eine konkave Laufbahn 4 für Wälzkörper ausgebildet. Beiderseits der Laufbahn 4 weist der Lagerring 1 an seinem Außenumfang 3 zwei axial beabstandete Nuten 5, 6 auf. Außenseitig erstrecken sich die Nuten 5, 6 nicht ganz bis zu den Axialseiten 7, 8 des Lagerrings 1, innenseitig erstrecken sich die Nuten 5, 6 nicht ganz bis zur Laufbahn 4. In den Nuten 5, 6 befinden sich Fasern 9, die in Umfangsrichtung um den Lagerring 1 gewickelt sind. In diesem Ausführungsbeispiel handelt es sich bei den Fasern 9 um Kohlenstofffasern (Carbonfasern), die mit einem Harz getränkt sind. Die mit Harz getränkten Fasern liegen in Form von Rovings, das heißt als Faserbündel vor. Die mit Harz getränkten Rovings werden in Umfangsrichtung um die Nuten 5, 6 unter kräftigem Zug gewickelt, so dass die Fasern 9 in mehreren Lagen oder Schichten angeordnet sind. Nach dem Aushärten des als Matrix dienenden Harzes, in diesem Ausführungsbeispiel handelt es sich dabei um Epoxidharz, bilden die Fasern 9 in jeder Nut 5, 6 einen massiven Ring, der näherungsweise oberflächenbündig zur Mantelfläche ausgebildet ist.
In diesem Ausführungsbeispiel ist der Lagerring 1 aus einem keramischen Werkstoff, nämlich Siliziumnitrid (Si₃N₄), hergestellt. Ein derartiger, als Innenring ausgebildeter Lagerring 1 wird für spezielle Anwendungen eingesetzt. Zumeist wird eine Welle in die zentrale Ausnehmung 2 eingepresst, so dass der Lagerring 1 beziehungsweise das daraus gebildete Wälzlager über einen Presssitz mit der Welle verbunden sind. Bei einer Temperaturerhöhung dehnt sich die üblicherweise aus Stahl hergestellte Welle aus, wodurch erhebliche Umfangsspannungen in dem Lagerring 1 entstehen. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel erzeugen die einen Ring bildenden Fasern 9 jedoch Druckspannungen, die den durch die Welle erzeugten Zugspannungen entgegenwirken. Durch diese Kompensation der von innen und von außen auf den Lagerring 1 einwirkenden Spannungen wird eine Überlastung und somit eine Zerstörung des Lagerrings 1 vermieden.
2 ist eine geschnittene Ansicht und zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel eines Lagerrings 10, der als Außenring ausgebildet ist. Der Lagerring 10 besteht aus Stahl und weist an seiner Innenseite eine Laufbahn 11 für Wälzkörper auf. An seinem Außenumfang 12, das heißt an seiner Mantelfläche weist der Lagerring 10 eine umlaufende Nut 13 auf, die von beiden Axialseiten 14, 15 beabstandet ist. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Nut 13 mit unter kräftigem Zug gewickelten Fasern 16 gefüllt, es handelt sich dabei z. B. um Aramidfasern. Aramidfasern besitzen einen negativen Wärmeausdehnungskoeffizient, der beispielsweise –3,5 × 10^–6 K^–1 betragen kann. Analog zu dem vorangehenden Ausführungsbeispiel wird zunächst der als Außenring ausgebildete Lagerring 10 hergestellt. Anschließend werden die Fasern 16 mit einem Harz getränkt, alternativ können auch vorgetränkte Fasern verwendet werden, sogenannte Prepregs. Durch Aushärten des Harzes entsteht ein fester, aus den Fasern 16 bestehender Ring, der den Lagerring 10 umgibt. Bei einer Temperaturerhöhung während des Betriebs eines den Lagerring 10 aufweisenden Wälzlagers dehnt sich der Lagerring 10 entsprechend dem Wärmeausdehnungskoeffizienten von Stahl aus, der beispielsweise 12 × 10^–6 K^–1 beträgt. Andererseits bewirkt der negative Wärmeausdehnungskoeffizient der Aramidfasern, dass der aus den Fasern 16 und dem Harz gebildete Ring geringfügig „schrumpft“, wodurch eine auf den Lagerring 10 von außen einwirkende Druckspannung entsteht. Diese Druckspannung wirkt insbesondere bei hoher Drehzahl einer Überlastung des als Außenring ausgebildeten Lagerrings 10 entgegen, zudem erhöht sich dessen Überrollfestigkeit.
3 ist eine geschnittene Ansicht eines Wälzlagers 17, umfassend den als Innenring ausgebildeten Lagerring 1, den als Außenring ausgebildeten Lagerring 10 und dazwischen angeordnete Wälzkörper 18. In die Ausnehmung 2 des als Innenring ausgebildeten Lagerrings 1 ist eine aus Stahl hergestellte Welle 19 eingepresst. Dieser Presssitz erzeugt bei einer während des Betriebs auftretenden erhöhten Temperatur Druckspannungen an der inneren Ausnehmung 2 des Lagerrings 1 und Zugspannungen an dessen Außenseite, im Bereich der Mantelfläche. Diesen Zugspannungen wird durch die Fasern 9 entgegengewirkt, mit denen der Lagerring 1 umwickelt ist.
In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Lagerring 1 bei einer gegenüber einer Einsatztemperatur oder Betriebstemperatur niedrigeren Herstellungstemperatur mit den Fasern umwickelt worden. In diesem Ausführungsbeispiel erfolgte das Umwickeln bei 0° C. Die Einsatztemperatur beträgt 80° C. Dadurch werden bereits bei einer Erwärmung auf die Einsatztemperatur auf den Außenumfang des Lagerrings 1 wirkende Druckspannungen erzeugt, die von den Fasern 9 verursacht werden.
Die Erfindung ist nicht auf die Anwendung bei einem Rillenkugellager beschränkt. Darüber hinaus kann sie auch bei anderen Wälzlagerbauarten oder bei Gleitlagern eingesetzt werden. Beispiele für derartige Wälzlagerbauarten sind Zylinderrollenlager, Kegelrollenlager, Pendelrollenlager usw.
Bezugszeichenliste

1: Lagerring
2: Ausnehmung
3: Außenumfang
4: Laufbahn
5: Nut
6: Nut
7: Axialseite
8: Axialseite
9: Fasern
10: Lagerring
11: Laufbahn
12: Außenumfang
13: Nut
14: Axialseite
15: Axialseite
16: Fasern
17: Wälzlager
18: Wälzkörper
19: Welle

Claims

Lagerring (1, 10) für ein Wälzlager (17) oder ein Gleitlager, der als Innenring oder als Außenring ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Lagerring (1, 10) in Umfangsrichtung mit Fasern (9, 16) umwickelt ist, die einen negativen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen.
Lagerring nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den Fasern (9, 16) um Kohlenstofffasern, Aramidfasern, Polyethylenfasern mit ultrahoher molarer Masse (UHMW-PE) oder um eine Kombination dieser Fasern (9, 16) handelt.
Lagerring nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern (9, 16) in eine Harzmatrix eingebettet sind.
Lagerring nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern (9, 16) in mehreren Lagen oder Schichten gewickelt sind.
Lagerring nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass er bei einer gegenüber einer Einsatztemperatur niedrigeren Herstellungstemperatur mit den Fasern (9, 16) umwickelt worden ist.
Lagerring nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass er aus einer Stahllegierung hergestellt ist.
Lagerring nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass er aus einem keramischen Werkstoff wie Siliziumnitrid (Si₃N₄) oder aus einem Hartmetall wie Wolframcarbid (WC) hergestellt ist.
Lagerring nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass er als Innenring ausgebildet ist und an seinem Außenumfang zwei oder mehr axial voneinander beabstandete, mit Fasern (9) umwickelte Bereiche aufweist.
Gleitlager, mit als Innenring und Außenring ausgebildeten Lagerringen, von denen wenigstens einer als mit Fasern umwickelter Lagerring nach einem der Ansprüche 1 bis 8 ausgebildet ist.
Wälzlager (17), mit als Innenring und Außenring ausgebildeten Lagerringen (1, 10), von denen wenigstens einer als mit Fasern (9, 16) umwickelter Lagerring (1, 10) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 ausgebildet ist.