DE102015213232A1

DE102015213232A1 - Kronenkäfig für ein Wälzlager und Verfahren zu seiner Herstellung

Info

Publication number: DE102015213232A1
Application number: DE102015213232.3A
Authority: DE
Inventors: Volker Wendt; Padelis Katsaros
Original assignee: SKF AB
Current assignee: SKF AB
Priority date: 2015-07-15
Filing date: 2015-07-15
Publication date: 2017-01-19

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Kronenkäfig (1) für ein Wälzlager, umfassend einen ringförmigen Grundkörper (2), von dem aus sich eine Anzahl an Halterungen (3) für Wälzkörper (4) erstrecken, wobei jede Halterung (3) als Abschnitt ausgebildet ist, der den Wälzkörper (4) nur teilweise umfasst und ihn über einen Umfangsabschnitt unumfasst belässt. Um einen solchen Käfig zum Einsatz bei hohen Drehzahlen besser tauglich zu machen, sieht die Erfindung vor, dass der Grundkörper (2) eine der Anzahl der Halterungen (3) gleiche Anzahl an Verstärkungslaschen (5) aufweist, wobei jede Verstärkungslasche (5) mit dem Materialbereich (6) des Kronenkäfigs (1) zwischen zwei Halterungen (3) zumindest abschnittsweise verbunden ist. Des weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Käfigs.

Description

Die Erfindung betrifft einen Kronenkäfig für ein Wälzlager, umfassend einen ringförmigen Grundkörper, von dem aus sich eine Anzahl an Halterungen für Wälzkörper erstrecken, wobei jede Halterung als Abschnitt ausgebildet ist, der den Wälzkörper nur teilweise umfasst und ihn über einen Umfangsabschnitt unumfasst belässt. Des weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Käfigs.
Bei Lageranwendungen, die für hohe Drehzahlen auszulegen sind (beispielsweise Lagerungen von Turboladern) besteht eine wichtige Forderung darin, dass der Wälzlager-Käfig sich unter hohen Drehzahlen aufgrund der auftretenden Zentrifugalbelastung nicht über Gebühr bzw. über ein zulässiges Maß hinaus verformt.
Bei solchen Anwendungsfällen wird daher zumeist ein Fensterkäfig eingesetzt – bei der also der Wälzkörper in einem geschlossenen Profil eingesetzt ist –, der der Zentrifugalkraft einen relativ hohen Widerstand entgegensetzt, so dass die Verformungen klein bleiben.
Bei manchen Anwendungen ist es allerdings von Vorteil oder aufgrund der gegebenen konstruktiven Ausführungen möglicherweise auch sogar zwingend, dass der Käfig als einseitig montierbares Element ausgebildet ist, d.h. dass ein oben genannter gattungsgemäße Kronenkäfig (oder auch Schnappkäfig genannt) zum Einsatz kommt. Diese Käfigform hält die Wälzkörper über auskragende Stege in Position (nachfolgend Halterungen genannt), die an einem Käfigrücken (auch „Backbone“ genannt) angeordnet sind.
Durch die im Unterschied zu Fensterkäfigen fehlende ringförmige Versteifung, die auf der axial gegenüberliegenden Seite des Käfigs nicht vorgesehen werden kann, sind die oben genannten gattungsgemäßen Kronenkäfige nur für relativ geringe Drehzahlen geeignet. Unter der Zentrifugallast biegen sich die auskragenden Stege, also die Halterungen für die Wälzkörper, nach außen und berühren ab einer bestimmten Drehzahl die Außenringlaufbahn (dies wird auch als „Umbrella-Effekt“ bezeichnet). Dies führt unweigerlich zu einer erhöhten Lagererwärmung und in der Folge auch zum Lagerausfall.
Da dieser Effekt nicht zu verhindern ist, wird für Lager, die diese Art von Käfigen verwenden, eine entsprechend niedrige Referenzdrehzahl angegeben.
Die jüngsten Entwicklungen im Bereich der Formgebung des Kronenkäfigs bzw. Schnappkäfigs in Kunststoff ging in die Richtung, die Masse der auskragenden Stege auf das Nötigste zu reduzieren, um damit die Zentrifugallast zu begrenzen. Hierdurch konnten die Referenzdrehzahlen zwar deutlich gesteigert werden, doch liegen sie noch lange nicht in den Bereichen der Fensterkäfige, wie sie in den oben genannten schnelllaufenden Anwendungen (z. B. bei Turboladern) benötigt werden.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Kronenkäfig bzw. Schnappkäfig der eingangs genannten Art so fortzubilden, dass er in verbesserter Weise für den Einsatz bei hohen Drehzahlen tauglich ist. Ferner soll ein wirtschaftliches Verfahren zur Herstellung eines solchen Käfigs vorgeschlagen werden.
Die Lösung dieser Aufgabe durch die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper eine der Anzahl der Halterungen gleiche Anzahl an Verstärkungslaschen aufweist, wobei jede Verstärkungslasche mit dem Materialbereich des Kronenkäfigs zwischen zwei Halterungen zumindest abschnittsweise verbunden ist.
Die Verstärkungslaschen bestehen bevorzugt aus dem Material des Grundkörpers und sind mit diesem einstückig ausgebildet. Dabei ist bevorzugt vorgesehen, dass der Grundkörper, die Halterungen und die Verstärkungslaschen durch einen Stanz- und Umformprozess hergestellt sind, wobei die Verstärkungslaschen durch einen Umbiegeprozess in ihre Position gebracht sind, in der sie die Materialbereiche zwischen zwei Halterungen kontaktieren.
Die Verbindung zwischen den Verstärkungslaschen und den Materialbereichen zwischen zwei Halterungen ist bevorzugt stoffschlüssig ausgebildet. Hierbei ist insbesondere vorgesehen, dass die Verbindung eine Verschweißung, insbesondere eine Laserverschweißung, ist.
Der Kronenkäfig besteht bevorzugt aus Blech.
Die Verstärkungslaschen erstrecken sich bevorzugt in axiale Richtung des Kronenkäfigs.
Der Kronenkäfig kann zumindest abschnittsweise mit einem Beschichtungsmaterial versehen sein, insbesondere mit Polyetheretherketon (PEEK).
Das Verfahren zur Herstellung eines solchen Kronenkäfigs weist erfindungsgemäß die Schritte auf:

a) Ausstanzen des gesamten Käfigmaterials aus einem ebenen Blech, wobei am Grundkörper eine der Anzahl der Halterungen gleiche Anzahl an Verstärkungslaschen vorhanden bleiben, die sich radial nach innen erstrecken;
b) Ausformen der Grundstruktur des Kronenkäfigs, wobei die Halterungen in ihre gewünschte Endposition durch Umformen verbracht werden;
c) Umformen der Verstärkungslaschen, so dass diese im Materialbereich des Kronenkäfigs zwischen zwei Halterungen zu liegen kommen;
d) zumindest abschnittsweises Verbinden der Verstärkungslaschen und der Materialbereiche des Kronenkäfigs zwischen zwei Halterungen.

Das Verbinden gemäß obigem Merkmal d) ist dabei bevorzugt ein Verschweißen, insbesondere ein Laser-Verschweißen.
Da mit Blechkäfigen eine materialbedingt steifere Struktur erreicht werden kann als mit Kunststoffkäfigen, wurde also die vorhandene Käfigkonstruktion eines Kronenkäfigs dahingehend geändert, dass er am Innendurchmesser des Verstärkungsrückens (also des ringförmigen Grundkörpers) zusätzliche, auskragende Stege (also die Verstärkungslaschen) aufweist, die in radialer Richtung von unten an die Enden der auskragenden Halterungen zwischen den Wälzkörpern (Kugeln) anliegen.
Hier wird dann mit einer geeigneten Methode, wie z. B. dem Laserschweißen, eine vorzugsweise stoffschlüssige Verbindung zwischen den beiden zumeist in axiale Richtung auskragenden Elementen, also den Verstärkungslaschen einerseits und den Materialbereichen zwischen zwei Halterungen andererseits, hergestellt. Somit weisen die auf dem größeren Durchmesser liegenden Halterungen für die Wälzkörper nicht nur einen Biegewiderstand über den Verstärkungsrücken auf, sondern sie werden zusätzlich von denen darunter liegenden Stegen (Verstärkungslaschen) mit der Funktion von Zugstreben deutlich verstärkt.
Hierdurch wird das Verhältnis von Auslenkung zu Drehzahl der die Kugeln positionierenden Stege (Halterungen) deutlich verringert. Folglich können höhere Drehzahlen von dieser verstärkten Ausführung der Schnappkäfige gefahren werden, d.h. die Referenzdrehzahl der Wälzlager kann gesteigert werden.
Für den Fall, dass die gängigen Beschichtungen für Käfige nicht die gewünschte Reibungsarmut sicherstellen, kann die Form der Kugeltaschen (Halterungen) vergrößert werden und der gesamte Käfig beispielsweise mit einer Schicht PEEK überspritzt werden. Hierbei kann der Kunststoff den Kontakt mit den Kugeln herstellen und seine vorteilhaften Eigenschaften in Bezug auf Reibung genutzt werden.
Die material- und strukturbedingte höhere Steifigkeit der auskragenden Stege dieser Schnappkäfigkonstruktion ermöglicht also eine Erhöhung der Betriebsdrehzahlen, die mit der gattungsgemäßen Art von Käfigen bisher nicht erreichbar erschien. Hiermit eröffnen sich neue konstruktive Möglichkeiten im Bereich der Hochgeschwindigkeitslager.
Somit wird ein Kronenkäfig geschaffen, der einen erhöhten Widerstand gegen Verformungen unter Zentrifugallast aufweist.
Bevorzugte Anwendungsfälle sind Turbinenlagerungen und hier insbesondere die Lagerungen von Turboladern.
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Die einzige Figur zeigt in perspektivischer Darstellung einen Kronenkäfig (ohne eingesetzte Wälzkörper) der erfindungsgemäß gestaltet ist.
In der Figur ist ein Kronenkäfig 1 zu sehen, der bereits komplett gefertigt ist. Er weist einen ringförmigen Grundkörper 2 auf, an dem Halterungen 3 zum Halten der Wälzkörper 4 angeordnet sind, die in der Figur allerdings nur durch das Bezugszeichen schematisch angedeutet sind. Die Drehachse des Lagers, in dem der Kronenkäfig 1 verwendet wird, ist als axiale Richtung a angegeben. Gleichermaßen ist die radiale Richtung r eingezeichnet.
Typisch für die Bauart des vorliegenden Kronenkäfigs 1 ist, dass die Halterungen 3 als Abschnitte des Käfigs ausgebildet sind, die den Wälzkörper 4 – hierbei handelt es sich zumeist um Kugeln – nur teilweise umfassen; über einen gewissen Umfangsabschnitt (der in der Figur zur rechten Seite hin angrenzt) lässt die Halterung 3 den Wälzkörper 4 unumfasst, also frei. Dies ermöglicht in manchen Anwendungsfällen bzw. bei manchen Konstruktionen die Montage des Käfigs durch axiales Einschieben zwischen den Lagerinnenring und den Lageraußenring.
Wesentlich ist, dass der Grundkörper 2 eine der Anzahl der Halterungen 3 gleiche Anzahl an Verstärkungslaschen 5 aufweist. Die Verstärkungslaschen 5 bestehen aus dem Basismaterial des Käfigs, d.h. – wie nachfolgend noch gesehen werden wird – aus einem ebenen Blech, aus dem per Ausstanzen und Umformen der Kronenkäfig 1 hergestellt wird. Die in Rede stehenden Verstärkungslaschen 5 sind dabei in die in der Figur dargestellte Position gebogen und dann mit dem Materialbereich 6 des Kronenkäfigs 1 verbunden, der zwischen zwei Halterungen 3 liegt.
Die Herstellung des Käfigs erfolgt wie folgt:
Aus einem ebenen Blech wird die benötigte Materialform ausgestanzt und dann die Halterungen 3 durch einen Umformprozess in die in der Figur dargestellte Form gebracht. Die Verstärkungslaschen 5 erstrecken sich zunächst noch vom ringförmigen Grundkörper 2 aus radial nach innen.
In einem weiteren Prozess – der allerdings auch simultan mit der vorstehenden Umformung ausgeführt werden kann – werden dann die Verstärkungslaschen 5 in axiale Richtung a umgebogen, so dass sie in der dargestellten Position zu liegen kommen.
Ist dies erfolgt, wird bevorzugt mittels Verschweißen, insbesondere Laser-Verschweißen, eine Verbindung zwischen den einzelnen Verstärkungslaschen 5 und den Materialbereichen 6 zwischen zwei Halterungen 3 hergestellt.
Das Ergebnis ist der dargestellte Käfig, der sich nun durch eine erhöhte Resistenz gegen Fliehkräfte auszeichnet und daher in Applikationen verwendet werden kann, bei denen das Lager, das mit dem vorgeschlagenen Käfig versehen ist, hohen Drehzahlen ausgesetzt ist.
Bezugszeichenliste

1: Kronenkäfig
2: ringförmiger Grundkörper
3: Halterung
4: Wälzkörper
5: Verstärkungslasche
6: Materialbereich zwischen zwei Halterungen
a: axiale Richtung
r: radiale Richtung

Claims

Kronenkäfig (1) für ein Wälzlager, umfassend einen ringförmigen Grundkörper (2), von dem aus sich eine Anzahl an Halterungen (3) für Wälzkörper (4) erstrecken, wobei jede Halterung (3) als Abschnitt ausgebildet ist, der den Wälzkörper (4) nur teilweise umfasst und ihn über einen Umfangsabschnitt unumfasst belässt, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper (2) eine der Anzahl der Halterungen (3) gleiche Anzahl an Verstärkungslaschen (5) aufweist, wobei jede Verstärkungslasche (5) mit dem Materialbereich (6) des Kronenkäfigs (1) zwischen zwei Halterungen (3) zumindest abschnittsweise verbunden ist.
Kronenkäfig nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungslaschen (5) aus dem Material des Grundkörpers (2) bestehen und mit diesem einstückig ausgebildet sind.
Kronenkäfig nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper (2), die Halterungen (3) und die Verstärkungslaschen (5) durch einen Stanz- und Umformprozess hergestellt sind, wobei die Verstärkungslaschen (5) durch einen Umbiegeprozess in ihre Position gebracht sind, in der sie die Materialbereiche (6) zwischen zwei Halterungen (3) kontaktieren.
Kronenkäfig nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung zwischen den Verstärkungslaschen (5) und den Materialbereichen (6) zwischen zwei Halterungen (3) stoffschlüssig ist.
Kronenkäfig nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung eine Verschweißung, insbesondere eine Laserverschweißung, ist.
Kronenkäfig nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass er aus Blech besteht.
Kronenkäfig nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Verstärkungslaschen (5) in axiale Richtung (a) des Kronenkäfigs (1) erstrecken.
Kronenkäfig nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass er zumindest abschnittsweise mit einem Beschichtungsmaterial versehen ist, insbesondere mit Polyetheretherketon (PEEK).
Verfahren zur Herstellung eines Kronenkäfigs (1) für ein Wälzlager nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der Kronenkäfig (1) einen ringförmigen Grundkörper (2) aufweist, von dem aus sich eine Anzahl an Halterungen (3) für Wälzkörper (4) erstrecken, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren die Schritte aufweist: a) Ausstanzen des gesamten Käfigmaterials aus einem ebenen Blech, wobei am Grundkörper (2) eine der Anzahl der Halterungen (3) gleiche Anzahl an Verstärkungslaschen (5) vorhanden bleiben, die sich radial (r) nach innen erstrecken; b) Ausformen der Grundstruktur des Kronenkäfigs (1), wobei die Halterungen (3) in ihre gewünschte Endposition durch Umformen verbracht werden; c) Umformen der Verstärkungslaschen (5), so dass diese im Materialbereich (6) des Kronenkäfigs (1) zwischen zwei Halterungen (3) zu liegen kommen; d) zumindest abschnittsweises Verbinden der Verstärkungslaschen (5) und der Materialbereiche (6) des Kronenkäfigs (1) zwischen zwei Halterungen (3).
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbinden gemäß Merkmal d) von Anspruch 10 ein Verschweißen, insbesondere ein Laser-Verschweißen, ist.