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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft einen Wälzlagerkäfig mit Schmiermittelaufnahmestrukturen, das heißt zur Speicherung und/oder Leitung von Schmiermittel vorgesehenen Strukturen. Der Wälzlagerkäfig, insbesondere Kugellagerkäfig, weist zwei Käfigringen auf, die durch Stege miteinander verbunden sind, wobei in Umfangsrichtung zwischen den Stegen Wälzkörpertaschen zur Aufnahme jeweils eines Wälzkörpers gebildet sind.
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Hintergrund der Erfindung
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Ein derartiger Wälzlagerkäfig ist beispielsweise aus der
DE 10 2014 212 531 A1 bekannt. Dieser Wälzlagerkäfig weist mindestens eine zur Aufnahme von Schmiermittel hervorgesehene Kammer auf, welche über verschiedene Kanäle mit Außenflächen des Wälzlagerkäfigs verbunden ist.
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Ein weiterer Wälzlagerkäfig mit Schmiermittelkanälen ist beispielsweise in der
EP 2 562 437 A1 offenbart. In diesem Fall enden mehrere schräg durch den Wälzlagerkäfig verlaufende Schmiermittelkanäle in einer einzigen umlaufenden Nut an der Innenseite des Wälzlagerkäfigs.
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Ein als Kugelschnappkäfig ausgebildeter Wälzlagerkäfig, welcher Oberflächenstrukturen, nämlich Nuten, aufweist, die der Schmiermittelförderung dienen sollen, ist zum Beispiel in der
DE 103 53 098 B4 beschrieben.
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Ein Kunststoffkäfig mit innenliegenden Schmiermittelförderstrukturen, welcher als kronenförmiger Käfig bezeichnet ist, ist in der
EP 1 069 328 B1 offenbart.
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Aufgabe der Erfindung
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen insbesondere für mit hohen Drehzahlkennwerten betriebene Lageranordnungen geeigneten, gegenüber dem genannten Stand der Technik weiterentwickelten Wälzlagerkäfig anzugeben, welcher sich durch eine besonders geringe Reibleistung, auch bei hoher Lagerbelastung, auszeichnet.
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Beschreibung der Erfindung
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Wälzlagerkäfig mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Der Wälzlagerkäfig, welcher besonders zur Verwendung in einem Spindellager, insbesondere einer Werkzeugmaschine, geeignet ist, weist in an sich bekanntem Grundaufbau zwei an den Stirnseiten des Käfigs angeordnete Käfigringe auf, die durch eine Vielzahl an Stegen miteinander verbunden sind. Zwischen den Stegen sind Wälzkörpertaschen gebildet, die jeweils einen Wälzkörper, insbesondere eine Kugel, aufnehmen. Erfindungsgemäß sind durch die Stege sowohl auf der Außenseite des Wälzlagerkäfigs als auch auf der Innenseite des Wälzlagerkäfig verschiedene Strukturen gebildet, die unterschiedliche Aufgaben erfüllen: Zum einen existieren auf der Außenseite der Stege Haltevorsprünge, die zur Kontaktierung der Wälzkörper vorgesehen sind, womit der Wälzlagerkäfig wälzkörpergeführt ist. Zum anderen sind auf der Innenseite der Stege vorzugszugsweise mittig zwischen den Stirnseiten des Wälzlagerkäfigs angeordnete Schmiermitteltaschen, das heißt Schmiermittelaufnahmestrukturen, insbesondere für Schmierfett, gebildet.
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Im Fall von Wälzkörpern, deren Oberfläche zumindest teilweise sphärisch ist, das heißt im Fall von Kugeln, Kugelrollen oder Tonnenrollen, verringert sich die Breite der Stege zur Mitte des Wälzlagerkäfigs hin. Anders ausgedrückt: Jeder Steg ist in einer Mittelebene, welche mittig zwischen den Stirnseiten des Wälzlagerkäfigs liegt, am schmalsten. Überraschenderweise hat sich gezeigt, dass die Anordnung der Schmiermitteltaschen genau an diesen schmalsten Stellen der Stege besonders günstig ist. Durch den Kontakt der Wälzkörper mit dem Wälzlagerkäfig, insbesondere mit dessen Stegen, wird die Förderung des Schmierfetts von der Innenseite des Wälzlagerkäfigs zu dessen Außenseite begünstigt. Wesentlich trägt zu dieser Schmiermittelförderung auch die Rotation des Wälzlagerkäfigs beim Betrieb des Wälzlagers, die bei hohen Drehzahlkennwerten zu beträchtlichen Zentrifugalkräften führt, bei.
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Das Schmiermittel wird beim Betrieb des Lagers an der Oberfläche der Stege entlang radial nach außen bis zu den Kontaktstellen zwischen den Haltvorsprüngen und den Wälzkörpern transportiert. Da Kräfte zwischen den Wälzkörpern und dem Wälzlagerkäfig im Wesentlichen an den Haltevorsprüngen aufgenommen werden, sind die an diesen Stellen erzielten günstigen Schmierungsbedingungen von besondere Bedeutung für einen langfristig zuverlässigen, reibungsarmen Betrieb des Wälzlagers.
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Die Haltevorsprünge des Wälzlagerkäfigs befinden sich beim Betrieb des Wälzlagers radial außerhalb des Teilkreises des Wälzlagers, das heißt desjenigen Kreises, welcher durch die Mittelpunkte der Wälzkörper gelegt ist. Treten beim Betrieb des Wälzlagers Unwuchtkräfte auf, die auf den Wälzlagerkäfig wirken, so sind diese Kräfte durch Haltevorsprünge an diametral gegenüberliegenden Wälzkörpertaschen aufzunehmen. Indem die Haltevorsprünge signifikant in radialer Richtung von den Mittelpunkten der Wälzkörpertaschen und damit auch der Wälzkörper beabstandet sind, liegen im Vergleich zu Käfigkonstruktionen, bei denen die Wälzkörper näher am Teilkreis geführt werden, günstigere Bedingungen der Kraftübertragung zwischen Wälzkörpern und Wälzlagerkäfig vor. In grober Annäherung sind die Haltevorsprünge, welche die Wälzkörper nahe am Außenring des Wälzlagers kontaktieren, dazu geeignet, abstützende Kräfte aufzunehmen, welche in Radialrichtung des Wälzlagers zwischen den Wälzkörpern und dem Wälzlagerkäfig wirken. Auf diese Weise wird zum einen die mechanische Belastung des Wälzlagerkäfigs selbst bei signifikanter Unwucht im Lager auf moderate Werte begrenzt, zum anderen entsteht lediglich ein geringes auf die Wälzkörper wirkendes Bremsmoment. Insgesamt tragen die radial im Vergleich zum Teilkreis weit außen angeordneten Haltevorsprünge wesentlich dazu bei, die Erwärmung des Wälzlagers auch bei hohen Drehzahlkennwerten nicht zu stark ansteigen zu lassen. Dies gilt auch bei Bauformen, bei denen sich an der Innenseite der Stege keine als Schmiermittelreservoirs fungierenden Aussparungen befinden.
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In bevorzugter Ausgestaltung ragen die Haltevorsprünge in Radialrichtung des Wälzlagerkäfigs über die seitlichen, geschlossenen Käfigringe hinaus. Vorzugsweise ist die in Radialrichtung des Wälzlagerkäfigs gemessene Gesamthöhe des Wälzlagerkäfigs, das heißt der radiale Abstand zwischen dem Innenumfang des Wälzlagerkäfigs und den höchsten Erhebungen am Außenumfang des Wälzlagerkäfigs, um mindestens 45 % und höchstens 70 %, insbesondere um 50–60 %, größer als die in derselben Richtung gemessene Käfigringstärke. Kein Punkt am Außenumfang des Wälzlagerkäfigs ist in bevorzugter Ausgestaltung weiter von der Mittelachse des Wälzlagerkäfigs, das heißt von der Rotationsachse des Wälzlagers, entfernt als die Haltevorsprünge, wobei eventuelle Abrundungen an den Haltevorsprüngen bei dieser Betrachtung außer Acht bleiben.
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Da die Schmiermitteltaschen komplett innerhalb der Stege liegen, ist die in Radialrichtung des Wälzlagerkäfigs gemessene Höhe jeder Schmiermitteltasche zwangsläufig geringer als die in derselben Richtung gemessene Steghöhe. Die Steghöhe entspricht in den Übergangsbereichen zwischen den Stegen und den Käfigringen vorzugsweise der Käfigringstärke. Die Schmiermitteltaschen sind vorzugsweise vollständig radial außerhalb der Innenkontur der Käfigringe angeordnet, wobei sie sich nach innen, das heißt zur Mittelachse des Wälzlagerkäfigs hin, bis zum Innenumfang des Wälzlagerkäfigs erstrecken.
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Gemäß einer ersten Ausführungsform verbindet jede Schmiermitteltasche eine Wälzkörpertasche mit der in Umfangsrichtung nächsten Wälzkörpertasche des Wälzlagerkäfigs. Das heißt, ein und dieselbe Schmiermitteltasche ist zu zwei Wälzkörpertaschen hin offen – ebenso wie sie zum Innenumfang des Wälzlagerkäfigs hin offen ist. Eine übermäßige Schwächung des Steges, in welchem sich die Schmiermitteltasche befindet, wird vorzugsweise dadurch vermieden, dass der Steg auf der Außenseite des Wälzlagerkäfigs durch die Haltevorsprünge sowie in Umfangsrichtung zwischen den Haltevorsprüngen angeordnetes Material des Steges verstärkt ist.
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Gemäß einer alternativen Ausgestaltung des Wälzlagerkäfigs ist der Steg zusätzlich dadurch verstärkt, dass sich auf der Innenseite des Steges eine Mittelleiste befindet, welche parallel zur Mittelachse des Wälzlagerkäfigs ausgerichtet ist und zwei Schmiermitteltaschen, die jeweils zu einer Wälzkörpertasche hin offen sind, voneinander trennt. Stege eines Wälzlagerkäfigs können teilweise mit durchgehenden, das heißt zu zwei Wälzkörpertaschenhin offenen Schmiermitteltaschen versehen sein, während andere Stege desselben Wälzlagerkäfigs jeweils mehrere Schmiermitteltaschen aufweisen, die durch Mittelleisten voneinander getrennt sind.
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Unabhängig davon, ob sich in einem Steg eine einzige Schmiermitteltasche befindet oder mehrere Schmiermitteltaschen befinden, beträgt die in Radialrichtung gemessene Höhe einer Schmiermitteltasche vorzugsweise mindestens 45 % und höchstens 65 % der in derselben Richtung gemessenen Höhe der Käfigringe, das heißt der Käfigringstärke. Die in Radialrichtung gemessene Gesamthöhe des Wälzlagerkäfigs einschließlich der Haltevorsprünge beträgt vorzugsweise mindestens das 2,5 fache und höchstens das 3 fache der ebenfalls in radialer Richtung gemessenen Höhe einer Schmiermitteltasche.
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Günstige Relationen zwischen Abstützkräften, die durch die Haltevorsprünge aufzunehmen sind, Befüllung mit Wälzkörpern, sowie Stabilität der Stege sind erreichbar, indem sich jeder Steg von der Innenseite des Wälzlagerkäfigs zu den Haltevorsprüngen hin um ein mehrfaches aufweitet. In vorteilhafter Ausgestaltung ist die am inneren Rand einer Schmiermitteltasche, das heißt am Innenumfang eines Steges, in Umfangsrichtung gemessene Stegbreite mindestens 25 % und höchstens 35 % so breit wie der in derselben Richtung gemessene Abstand zwischen den Haltvorsprüngen am selben Steg. Die zwischen Haltevorsprüngen zweier Stege in Umfangsrichtung gemessene Öffnungsweite einer Wälzkörpertasche ist vorzugsweise geringer als der genannte Abstand zwischen den Haltevorsprüngen ein und desselben Steges.
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Der Wälzlagerkäfig ist rationell aus Kunststoff, insbesondere faserverstärktem Kunststoff, herstellbar, wobei die Haltevorsprünge integrale Bestandteile des Wälzlagerkäfigs sind. Der Wälzlagerkäfig ist insbesondere in einem Spindellager, beispielsweise einer Werkzeugmaschine, verwendbar.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Der erfindungsgemäß ausgebildete Wälzlagerkäfig wird nachfolgend in mehreren bevorzugten Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen:
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1 ausschnittsweise ein erstes Ausführungsbeispiel eines Wälzlagerkäfigs in perspektivischer Ansicht,
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2 ein Detail des Wälzlagerkäfigs nach 1 in einer Schnittdarstellung,
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3 ein zweites Ausführungsbeispiel eines Wälzlagerkäfigs in perspektivischer Ansicht,
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4 ein Detail des Wälzlagerkäfigs nach 3 sowie zugehöriger Lagerkomponenten in einer Schnittdarstellung,
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5 ein Detail einer weiteren Ausführungsform eines Wälzlagerkäfigs sowie zugehöriger Wälzlagerkomponenten.
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Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
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Einander entsprechende oder prinzipiell gleich wirkende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet. Die folgenden Erläuterungen beziehen sich, soweit nicht anders erwähnt, auf sämtliche Ausführungsbeispiele.
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Ein insgesamt mit dem Bezugszeichen 1 gekennzeichneter Wälzlagerkäfig ist als Kunststoffkäfig zur Lagerung von Kugeln als Wälzkörper 2 ausgebildet. Bei dem Wälzlagerkäfig 1 handelt es sich um einen Fensterkäfig, welcher zwei stirnseitig angeordnete Käfigringe 3, 4 aufweist, die durch Stege 5 miteinander verbunden sind. Jeweils zwischen zwei Stegen 5 ist eine Wälzkörpertasche 6 gebildet, die zur Aufnahme eines Wälzkörpers 2 vorgesehen ist.
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Die in Radialrichtung des Wälzlagerkäfigs 1 gemessene Stärke der Käfigringe 3, 4 ist als hk oder Käfigringhöhe bezeichnet und entspricht der ebenfalls in Radialrichtung gemessenen Stärke der Stege 5 in den beiden Übergangsbereichen zwischen den Käfigringen 3, 4 und dem Steg 5. Am Innenumfang der Käfigringe 3, 4 ragt keine Komponente des Wälzlagerkäfigs 1 radial nach innen über die Käfigringe 3, 4 hinaus. Im Unterschied hierzu ragen am Außenumfang der Käfigringe 3, 4 Haltevorsprünge 7, 8, welche integrale Bestandteile der Stege 5 und damit auch des gesamten Wälzlagerkäfigs 1 sind, in Radialrichtung über die Käfigringe 3, 4 hinaus.
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Jeder Steg 5 weitet sich – in Radialrichtung des Wälzlagerkäfigs 1 betrachtet – von innen nach außen auf. Die geringste Breite des Steges 5 ist hierbei im Bereich mindestens einer Schmiermitteltasche 9, 10 gegeben, welche sich auf der Innenseite des Steges 5 befindet. Die in Umfangsrichtung gemessene, mit bS gekennzeichnete Stegbreite bezeichnet die Breite des Steges 5 auf dessen Innenseite unmittelbar neben der Schmiermitteltasche 9 beziehungsweise neben den Schmiermitteltaschen 9, 10. Im Bereich radial zwischen der Innenseite des Käfigrings 3, 4 und der Außenseite des Käfigrings 3, 4 weitet sich der Steg 5 nach außen lediglich moderat auf. Eine wesentlich stärker ausgeprägte Aufweitung ist radial außerhalb des Außenumfangs des Käfigrings 3, 4, zu den Haltevorsprüngen 7, 8 hin, gegeben. Der in tangentialer Richtung gemessene Abstand zwischen den Haltevorsprüngen 7, 8 ein und desselben Steges 5 ist mit aH bezeichnet. Die Stegbreite bS an der Innenseite des Steges 5 beträgt ca. 25 % des Abstandes aH zwischen den Haltevorsprüngen 7, 8.
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Die in Radialrichtung gemessene Höhe einer Schmiermitteltasche 9, 10 ist mit hS bezeichnet und beträgt ca. 60 % der Käfigringhöhe hK. Die Gesamthöhe des Wälzlagerkäfigs 1, gemessen in radialer Richtung von der Innenseite eines Käfigrings 3, 4 bis zur höchsten Erhebung eines Steges 5 ist mit hW bezeichnet und beträgt ca. 5/3 der Käfigringhöhe hK. Die Haltevorsprünge 7, 8 gehen am Außenumfang des Steges 5 in Umfangsrichtung ineinander über. Hierbei sind die Haltevorsprünge 7, 8 von beiden Stirnseiten des Wälzlagerkäfigs 1 beabstandet, wobei sie mittig zwischen den Käfigringen 3, 4 angeordnet sind. Die Haltevorsprünge 7, 8 stellen somit eine Verstärkung der Stege 5 genau in denjenigen Bereichen der Stege 5 dar, in welchen diese auf der Innenseite durch die Schmiermitteltaschen 9, 10 geschwächt sind. Die axial in der Mitte zwischen den Käfigringen 3, 4 in Radialrichtung gemessene, mit hV bezeichnete Höhe der Haltevorsprünge 7, 8 einschließlich der im Bereich der Schmiermitteltaschen 9, 10 verbleibenden Höhe des Steges 5 ist in den dargestellten Ausführungsbeispielen mit der Käfigringhöhe hk identisch.
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Jeder Wälzkörper 2 wird durch die Haltevorsprünge 7, 8 nahe am Außenumfang der gesamten Wälzkörperanordnung, das heißt signifikant außerhalb des Teilkreises, geführt, wobei die Wälzkörper 2 den Wälzlagerkäfig 1 in Radialrichtung abstützen. Der Teilkreis ist derjenige Kreis, der durch die Mittelpunkte der Wälzkörper 2 gelegt ist. Die einander zugewandten Haltevorsprünge 8, 7 verschiedener Stege 5 begrenzen eine Wälzkörpertasche 6, wobei der in tangentialer Richtung gemessene Abstand zwischen den Haltevorsprüngen 8, 7 mit wT gekennzeichnet und auch als Öffnungsweite einer Wälzkörpertasche 6 bezeichnet wird. Die Öffnungsweite wT einer Wälzkörpertasche 6 ist geringer als der in Umfangsrichtung gemessene Abstand aH zwischen den Haltevorsprüngen 7, 8 ein und desselben Steges 5.
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Im Ausführungsbeispiel nach den 1 und 2 ist durch jeden Steg 5 lediglich eine einzige Schmiermitteltasche 9 gebildet. Diese Schmiermitteltasche 9 ist zur Innenseite des Wälzlagerkäfigs 1 hin am Innenumfang der Käfigringe 3, 4 offen. In Umfangsrichtung erstreckt sich die Schmiermitteltasche 9 von einer Wälzkörpertasche 6 zur nächsten Wälzkörpertasche 6, wobei sie zu den Wälzkörpertaschen 6 hin ebenfalls offen ist. In der Schmiermitteltasche 9 befindliches Schmiermittel, insbesondere Fett, wird durch die Rotation der Wälzkörper 2 sowie durch beim Betrieb des Wälzlagers auftretende Zentrifugalkräfte zu den Haltevorsprüngen 7, 8 gefördert.
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Im Ausführungsbeispiel nach den 3 und 4 befinden sich an der Innenseite des Steges 5 zwei durch eine Mittelleiste 11 voneinander getrennte Schmiermitteltaschen 9, 10. Im Vergleich zum Ausführungsbeispiel nach den 1 und 2 verleiht die Mittelleiste 11 den Stegen 5 und damit dem Wälzlagerkäfig 1 insgesamt zusätzliche mechanische Stabilität.
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Der Wälzlagerkäfig 1 gemäß 5 unterscheidet sich vom Ausführungsbeispiel nach den 3 und 4 dadurch, dass im radial äußeren Bereich der Schmiermitteltaschen 9, 10 an einer sprunghaften Verbreiterung des Steges 5 eine im Querschnitt erkennbare Stegabrundung 12 gegeben ist, welche den Schmiermitteltransport von der Schmiermitteltasche 9, 10 zu den Haltevorsprüngen 7, 8 begünstigt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Wälzlagerkäfig
- 2
- Wälzkörper
- 3
- Käfigring
- 4
- Käfigring
- 5
- Steg
- 6
- Wälzkörpertasche
- 7
- Haltevorsprung
- 8
- Haltevorsprung
- 9
- Schmiermitteltasche
- 10
- Schmiermitteltasche
- 11
- Mittelleiste
- 12
- Stegabrundung
- aH
- Abstand zwischen Haltevorsprüngen ein und desselben Steges
- bS
- Stegbreite
- hK
- Käfigringhöhe
- hS
- Höhe einer Schmiermitteltasche
- hV
- Höhe der Haltevorsprünge
- hW
- Gesamthöhe des Wälzlagerkäfigs
- wT
- Öffnungsweite einer Wälzkörpertasche
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102014212531 A1 [0002]
- EP 2562437 A1 [0003]
- DE 10353098 B4 [0004]
- EP 1069328 B1 [0005]
