DE102015219155B4

DE102015219155B4 - Wälzlager

Info

Publication number: DE102015219155B4
Application number: DE102015219155.9A
Authority: DE
Inventors: Johannes Bedenk
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2015-10-05
Filing date: 2015-10-05
Publication date: 2017-07-06
Anticipated expiration: 2035-10-06
Also published as: DE102015219155A1

Abstract

Wälzlager, umfassend einen Außenring, einen Innenring bestehend aus einem ersten und einem zweiten Innenringabschnitt, die jeweils einen Abschnitt einer Wälzkörperlaufbahn aufweisen und mit ihren Schmalseiten axial aneinander liegen, sowie zwischen dem Außen- und dem Innenring wälzende, in einem Käfig geführte Wälzkörper, wobei am Innenumfang wenigstens des ersten Innenringabschnitts wenigstens eine sich von einer Schmiermitteleintrittsseite des ersten Innenringabschnitts zur gegenüberliegenden Schmalseite erstreckende Axialnut sowie wenigstens eine zur Wälzkörperlaufbahn führende und mit der Axialnut kommunizierende Radialnut vorgesehen ist, wobei über die Axialnut zugeführtes Schmiermittel über die Radialnut der Wälzkörperlauffläche zuführbar ist, wobei an der Kante (18) der Schmalseite (17) des ersten Innenringabschnitts (4) im Bereich, in dem die Axialnut (15) mündet, eine Umfangsnut (19) vorgesehen ist, die sich zu einer Seite der Axialnutmündung erstreckt und in der umfangsmäßig zur Axialnut (15) versetzten Radialnut (20) mündet, dadurch gekennzeichnet, dass sich die radiale Höhe und/oder axiale Tiefe der oder jeder Umfangsnut (19) von der Axialnutmündung zur Radialnutmündung hin dergestalt vergrößert oder verkleinert, dass die Verweildauer des Schmiermittels in der Umfangsnut verkürzt oder verlängert wird, wobei die Umfangsnuttiefe an der Radialnutmündung der Tiefe der Radialnut entspricht.

Description

Die Erfindung betrifft ein Wälzlager, umfassend einen Außenring, einen Innenring bestehend aus einem ersten und einem zweiten Innenringabschnitt, die jeweils einen Abschnitt einer Wälzkörperlaufbahn aufweisen und mit ihren Schmalseiten axial aneinander liegen, sowie zwischen dem Außen- und dem Innenring wälzende, in einem Käfig geführte Wälzkörper, wobei am Innenumfang wenigstens des ersten Innenringabschnitts wenigstens eine sich von einer Schmiermitteleintrittsseite des ersten Innenringabschnitts zur gegenüberliegenden Schmalseite erstreckende Axialnut sowie wenigstens eine zur Wälzkörperlaufbahn führende und mit der Axialnut kommunizierende Radialnut vorgesehen ist, wobei über die Axialnut zugeführtes Schmiermittel über die Radialnut der Wälzkörperlaufbahn zuführbar ist.
Wälzlager der beschriebenen Art kommen in vielerlei Anwendungen zum Einsatz. Ein Beispiel ist die Verwendung bei fliegenden oder stationären Gasturbinen, wo solche Wälzlager häufig als Schublager verwendet werden. Sie sind als Drei- oder Vierpunktlager ausgeführt. Die in einem Käfig mit Seitenborden geführten Wälzkörper wälzen in bekannter Weise auf den entsprechenden Laufbahnen des Außen- und des Innenrings ab, wobei bei einem Wälzlager der eingangsgenannten Art der Innenring geteilt ist und aus zwei axial aneinander anliegenden, jedoch separaten Innenringabschnitten besteht, die jeweils eine Hälfte der Innenringlaufbahn, auf der die Wälzkörper abwälzen, aufweisen.
Soll ein Wälzlager der eingangs genannten Art mit hoher Drehzahl betrieben werden, wie bei Verwendung in Gasturbinen üblicherweise der Fall, so ist eine effiziente Schmierung und Kühlung insbesondere im Bereich der Wälzkörperkontakte erforderlich. Zu diesem Zweck wird das üblicherweise an einer Wälzlagerseite anstehende Schmiermittel über wenigstens eine am Innenumfang eines Innenringabschnitts ausgebildete Axialnut und eine Radialnut, die sich unmittelbar an die Axialnut anschließt respektive in der die Axialnut mündet, in den Laufflächenbereich geführt. Über das Kühlmittel ist folglich eine Kühlung im Bereich des Wälzkontaktes gegeben. Jedoch erwärmt sich im Betrieb das Wälzlager nicht nur im Bereich der Wälzkontakte oder der Wälzkörperlauffläche, vielmehr erwärmt sich auch der Innenring. Dieser wird jedoch lediglich insoweit gekühlt, als über die schmale Axialnut und die schmale Radialnut oder, sofern mehrere solcher Nutpaarungen vorgesehen sind, über diese lokal das Kühlmittel fließt, wobei hierbei natürlich nur die Schmiermittelzufuhr in den Wälzkörperlaufflächenbereich im Vordergrund steht, nicht aber die innere Kühlung.
Die EP 527 052 A1 beschreibt ein Wälzlager mit einem geteilten Innenring, wobei an der Trennlinie Durchlasse vorgesehen sind.
Die US 2013/0004109 A1 beschreibt eine Schmierung eines Wälzlagers mit axialen Nuten und radialen Nuten.
Die DE 25 55 923 A1 beschreibt einen Wälzlagerlaufring mit axial verlaufenden Nuten.
Die US 7,931,407 B2 beschreibt die Beölung eines Wälzlagers über axiale Kanäle und radiale Bohrungen.
Die WO 2014/130 662 A1 beschreibt ein Wälzlager, dessen Innenring Passagen aufweist, die mit einem axial verlaufenden Kanal fluidisch gekoppelt sind, der eine Rinne umfasst, die sich radial in den und axial innerhalb des Innenrings erstreckt. Der Erfindung liegt damit das Problem zugrunde, ein Wälzlager anzugeben, das eine verbesserte Innenringkühlung ermöglicht.
Zur Lösung dieses Problems ist bei einem Wälzlager der eingangs genannten Art erfindungsgemäß vorgesehen, dass an der Kante der Schmalseite des ersten Innenringabschnitts im Bereich, in dem die Axialnut mündet, eine Umfangsnut vorgesehen ist, die sich zu einer Seite der Axialnutmündung erstreckt und in der umfangsmäßig zur Axialnut versetzten Radialnut mündet.
Mit der Ausbildung der Umfangsnut im Bereich der Schmalseitenkante wird ein zusätzlicher Kühlmittelkanal am Innenring im Bereich der Schmalseite, also benachbart zur Wälzkörperlaufbahn realisiert. Das Kühlmittel strömt axial über die Axialnut und von dieser in die Umfangsnut, längs welcher es weiter zur umfangsmäßig zur Axialnut versetzt angeordneten Radialnut strömt, über welche es sodann in den Bereich der Wälzkörperlaufbahn strömt. Je nachdem, wie weit die Radialnut und die Axialnut umfangsmäßig zueinander versetzt angeordnet sind, variiert die Länge der Umfangsnut. Das in dieser Umfangsnut strömende Kühlmittel trägt folglich zur effektiven Kühlung des Innenrings bei, der hierüber demzufolge gezielt gekühlt werden kann.
Besonders bevorzugt ist es, wenn mehrere äquidistant verteilt angeordnete Axialnuten und umfangsmäßig versetzte Radialnuten vorgesehen sind, wobei sich zwischen jeweils einer Axialnut und einer Radialnut eine Umfangsnut erstreckt. Es werden also mehrere Axialnut-Radialnut-Paare ausgebildet, die jeweils über eine Umfangsnut miteinander kommunizieren. Da natürlich die jeweiligen Nutpaare umfangsmäßig versetzt zueinander ausgebildet sind, sind demzufolge auch die Umfangsnuten umfangsmäßig versetzt zueinander angeordnet. Auf diese Weise ergeben sich folglich mehrere um definierte Winkelinkremente umlaufende, über die Umfangsnuten gebildete zusätzliche Kühlmittelkanäle, so dass eine aktive Kühlung des Innenrings nahezu im gesamten Innenumfangsbereich möglich ist. Sind beispielsweise vier Axialnuten und jeweils zugeordnete vier Radialnuten vorgesehen, so sind die Axialnuten und Radialnuten jeweils zueinander um 90° versetzt, wobei innerhalb eines Axialnut-Radialnut-Paares die Axialnut und die Radialnut beispielsweise um 80° zueinander versetzt sind. Hieraus ergibt sich, dass auch jede Umfangsnut sich über ca. 80° erstreckt. Bei im Beispielsfall gegebenen vier Umfangsnuten mit jeweils einer Länge von ca. 80° ergibt sich somit ein „Gesamtkühlkanal” von ca. 320°, das heißt, dass eine aktive Kühlung des Innenrings um nahezu den gesamten Umfang möglich ist.
Um die Länge jeder Umfangsnut möglichst groß auslegen zu können ist es zweckmäßig, wenn bei Ausbildung mehrerer Axialnut-Radialnut-Paare die Axialnut und die Radialnut zweier benachbarter Paare umfangsmäßig eng benachbart zueinander angeordnet sind. Das heißt, dass die Umfangsnut eines Nutpaares nur um wenige Winkelgrad beabstandet zu einer Radialnut des benachbarten Nutpaares beginnt, so dass im Endeffekt nur ein minimaler Ringbereich gegeben ist, nämlich dieser schmale Nutabstand, in dem kein Umfangsnutabschnitt gegeben ist, in welchem Kühlmittel strömt. Je enger die Nuten beieinander sind, umso länger ist der sich ergebende „Gesamtkühlkanal”.
Gemäß der Erfindung vergrößert oder verkleinert sich die radiale Höhe der oder jeder Umfangsnut in Richtung der Radialnut. Das heißt bei Vergrößern, dass die radiale Höhe der Umfangsnut von der Axialnutmündung zur Radialnutmündung hin ansteigt. Durch Vergrößern kann der Kühlmittelfluss zur Radialnut hin unterstützt werden. Alternativ oder zusätzlich kann dies auch dadurch unterstützt werden, dass die axiale Tiefe der oder jeder Umfangsnut in Richtung der Radialnut vergrößert wird, mithin also die Nut zunehmend tiefer wird, wobei die Umfangsnuttiefe am Nutende der Tiefe der Radialnut entspricht.
Durch die alternativ erfindungsgemäß vorgesehene Nutgeometrie, dass sich die radiale Höhe und/oder axiale Tiefe der oder jeder Umfangsnut in Richtung der Radialnut verkleinert, kann erreicht werden, dass die Verweilzeit des Kühlmittels, also üblicherweise eines Öls, in der Umfangsnut verlängert wird, was eine Optimierung des Schmiermitteltemperaturgradienten und ein Erreichen des maximalen Kühleffektes ermöglicht. Es sind also je nach Bedarf zwei unterschiedliche Nutausgestaltungen möglich.
Die Tiefe der oder jeder Umfangsnut sollte im Bereich zwischen 0,1–1,0 mm liegen, sie sollte vorzugsweise mehrere Zehntel Millimeter betragen. Natürlich richtet sich die jeweilige Nutgeometrie, sei es die Höhe, sei es die maximale Tiefe, nach der konkreten Größe des Innenringabschnitts.
Die Querschnittsgeometrie der oder jeder Umfangsnut kann eckig oder gerundet sein, wobei die Umfangsnut mittels eines entsprechenden Werkzeugs spanabhebend an der Schmalseite eingearbeitet wird.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert. Die Zeichnungen sind schematische Darstellungen und zeigen:
1 eine Schnittansicht durch ein zur Verwirklichung der Erfindung vorgesehenes Wälzlager, und
2 eine Aufsicht auf den ersten Innenringabschnitt mit Blick auf dessen Schmalseite.
1 zeigt in einer Schnittansicht ein zur Verwirklichng der Erfindung vorgesehenes Wälzlager 1 in seiner Montagestellung auf einer hier nicht näher gezeigten Welle. Das Wälzlager 1 umfasst einen Außenring 2 sowie einen Innenring 3 bestehend aus zwei Innenringabschnitten, nämlich einem ersten Innenringabschnitt 4 und einem zweiten Innenringabschnitt 5. Am Außenring 2 ist eine äußere Laufbahn 6 ausgebildet, an den Innenringabschnitten 4, 5 sind separate Laufbahnabschnitte 7, 8 ausgebildet, die, nachdem die Innenringabschnitte 4, 5 axial einander anliegen, sich zu einer Wälzkörperlaufbahn ergänzen. Auf den Laufbahnen laufen Wälzkörper 9, die in einem Käfig 10 geführt sind. Der Käfig 10 weist zwei seitliche Käfigborde 11, 12 auf, mit denen er auf entsprechenden Innenringborden 13, 14 geführt ist, von denen er aber auch etwas beabstandet sein kann.
Um das Wälzlager 1 im Bereich des Wälzkörperkontaktes schmieren zu können, sind spezielle Vorkehrungen getroffen. Es sei angenommen, dass das Schmiermittel an der Seite des ersten Innenringabschnitts 4 ansteht, wie durch die Pfeile S angedeutet ist.
Um das Schmiermittel in den Bereich der Laufbahnabschnitte 7, 8 und damit den Wälzkontaktbereich zu bringen, sind am ersten Innenringabschnitt 4 im gezeigten Beispiel mehrere Axialnuten 15 ausgebildet, die sich von der Stirnseite 16, an der das Schmiermittel ansteht, bis zur gegenüberliegenden Schmalseite 17 erstrecken. Wie 2 zeigt, sind am Innenumfang des ersten Innenringabschnitts 4 insgesamt vier Axialnuten 15 ausgebildet, die exemplarisch um 90° versetzt zueinander angeordnet sind. Die in 1 gezeigte Schnittansicht des Innenringabschnitts 4 zeigt diesen in Blickrichtung der in 2 gezeigten Pfeile.
An der Schmalseite 17 im Bereich der Innenkante 18, der Anzahl an Axialnuten 15 entsprechend, sind vier Umfangsnuten 19 ausgebildet, die sich um ein definiertes Winkelinkrement umfangsmäßig um die Schmalseite 17 erstrecken. Sie erstrecken sich zu einer Seite der jeweiligen Axialnut 15, im gezeigten Beispiel nach links. Jede Umfangsnut 19 mündet in einer an der Schmalseite 17 ausgebildeten Radialnut 20, die ihrerseits an dem Laufbahnabschnitt 7 mündet. Die Umfangsnut 19 kommuniziert also im Bereich ihres einen Endes mit der Axialnut 15 und im Bereich ihres anderen Endes mit der Radialnut 20. Da, siehe die Pfeile S, das Schmiermittel von der Stirnseite 17 her in die Axialnut 15 eintritt, gelangt es auf seinem weiteren Strömungsweg, siehe die in 2 eingezeichneten Strömungspfeile P, in die jeweilige Umfangsnut 19 und strömt sodann von dieser in die Radialnut 20, von wo aus es in den Wälzkörperkontaktbereich gelangt, der hierüber geschmiert und gekühlt wird.
Damit einher geht natürlich auch eine Kühlung des Innenringabschnitts 4 respektive des gesamten Innenrings, da aufgrund der Länge der im gezeigten Beispiel gegebenen vier Umfangsnuten 19 ein eine beachtliche Gesamtlänge aufweisender „Gesamtkühlmittelkanal” im Bereich der Stirnfläche 17 gebildet ist. Wie 2 zeigt, streckt sich jede Umfangsnut aufgrund des Umfangsversatzes der jeweiligen Axialnut 15 zur jeweiligen Radialnut 20 um ca. 80°, so dass sich bei vier Umfangsnuten 19 eine „Gesamtkühlmittelkanallänge” von ca. 320 Windelgrad ergibt.
Um die Umfangsnuten 19 möglichst lang gestalten zu können, ist die Axialnut 15 eines ersten Axialnut-Radialnut-Paares möglichst nahe benachbart zur Radialnut 20 eines zweiten, benachbarten Axialnut-Radialnut-Paares angeordnet, das heißt, sie sind nur wenige Winkelgrad versetzt positioniert. Wie 2 deutlich zeigt, ist das Ende der Umfangsnut 19, an dem die jeweilige Axialnut mündet, nur minimal beabstandet von der benachbarten Radialnut 20. Bei einer entsprechenden radialen Höhe der jeweiligen Umfangsnut 19, die je nach Lagergröße im Bereich mehrerer mm liegen kann, und einer Tiefe von mehreren Zehntel Millimetern bis in den Millimeterbereich, ergibt sich so einbeachtliches Kanal- und damit Kühlmittelvolumen, das quasi durch den Innenring zirkuliert und diesen kühlt.
Die radiale Höhe jeder Umfangsnut steigt je nach gewünschter Kühlmittelführung zur jeweiligen Radialnut 20 hin an, wodurch der Kühlmittelfluss zur Radialnut 20 unterstützt wird, bzw. alternativ oder zusätzlich nimmt die axiale Tiefe der jeweiligen Umfangsnut 19 zur Radialnut 20 hin zu.
Alternativ wird eine umgekehrte Geometrie verwendet, das heißt, dass sich die radiale Höhe und/oder die axiale Tiefe der jeweiligen Umfangsnut 19 zur Radialnut 20 hin reduziert. Hierüber wird erreicht, dass das jeweilige Kühlmittel länger in der jeweiligen Umfangsnut 19 gehalten wird, mithin also die Verweilzeit des Kühlmittels und damit die Zeit, innerhalb welcher ein Wärmeübertrag stattfinden kann, verlängert ist.
Wenngleich im gezeigten Beispiel vier Axialnut-Radialnut-Paare gezeigt sind, ist es selbstverständlich auch denkbar, weniger als vier oder mehr als vier solcher Nutpaare zu realisieren. Ziel ist es jedoch stets, eine möglichst große Länge der jeweiligen Umfangsnuten 19 und damit eine möglichst große Länge des „Gesamtkühlmittelkanals” an der Stirnseite 17, also im Inneren des Innenrings 3, zu realisieren, um diesen aktiv zu kühlen.
Während in der in 2 gezeigten Prinzipdarstellung die Umfangsnuten 19 im Querschnitt rundlich ausgeführt sind, ist es gleichermaßen denkbar, sie auch mit rechteckigem Querschnitt auszubilden. Die konkrete Nutgeometrie hängt von der Art des verwendeten Werkzeugs, mit dem die jeweilige Umfangsnut 19 spanend herausgearbeitet wird, ab.
Bezugszeichenliste

1: Wälzlager
2: Außenring
3: Innenring
4: Innenringabschnitt
5: Innenringabschnitt
6: Laufbahn
7: Laufbahnabschnitt
8: Laufbahnabschnitt
9: Wälzkörper
10: Käfig
11: Käfigbord
12: Käfigbord
13: Innenringbord
14: Innenringbord
15: Axialnut
16: Stirnseite
17: Schmalseite
18: Innenkante
19: Umfangsnut
20: Radialnut
S: Pfeil
P: Strömungspfeil

Claims

Wälzlager, umfassend einen Außenring, einen Innenring bestehend aus einem ersten und einem zweiten Innenringabschnitt, die jeweils einen Abschnitt einer Wälzkörperlaufbahn aufweisen und mit ihren Schmalseiten axial aneinander liegen, sowie zwischen dem Außen- und dem Innenring wälzende, in einem Käfig geführte Wälzkörper, wobei am Innenumfang wenigstens des ersten Innenringabschnitts wenigstens eine sich von einer Schmiermitteleintrittsseite des ersten Innenringabschnitts zur gegenüberliegenden Schmalseite erstreckende Axialnut sowie wenigstens eine zur Wälzkörperlaufbahn führende und mit der Axialnut kommunizierende Radialnut vorgesehen ist, wobei über die Axialnut zugeführtes Schmiermittel über die Radialnut der Wälzkörperlauffläche zuführbar ist, wobei an der Kante (18) der Schmalseite (17) des ersten Innenringabschnitts (4) im Bereich, in dem die Axialnut (15) mündet, eine Umfangsnut (19) vorgesehen ist, die sich zu einer Seite der Axialnutmündung erstreckt und in der umfangsmäßig zur Axialnut (15) versetzten Radialnut (20) mündet, dadurch gekennzeichnet, dass sich die radiale Höhe und/oder axiale Tiefe der oder jeder Umfangsnut (19) von der Axialnutmündung zur Radialnutmündung hin dergestalt vergrößert oder verkleinert, dass die Verweildauer des Schmiermittels in der Umfangsnut verkürzt oder verlängert wird, wobei die Umfangsnuttiefe an der Radialnutmündung der Tiefe der Radialnut entspricht.
Wälzlager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere äquidistant verteilt angeordnete Axialnuten (15) und umfangsmäßig versetzte Radialnuten (20) vorgesehen sind, wobei sich zwischen jeweils einer Axialnut (15) und einer Radialnut (20) eine Umfangsnut (19) erstreckt.
Wälzlager nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei Ausbildung mehrerer Axialnut-Radialnut-Paare die Axialnut (15) und die Radialnut (20) zweier benachbarter Paare umfangsmäßig eng benachbart zueinander angeordnet sind.
Wälzlager nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die oder jede Umfangsnut (19) eine Tiefe von 0,1–1,0 mm aufweist.
Wälzlager nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die oder jede Umfangsnut (19) eine eckige oder gerundete Querschnittsform aufweist.