DE102015224859A1

DE102015224859A1 - Kugellagerkäfig

Info

Publication number: DE102015224859A1
Application number: DE102015224859.3A
Authority: DE
Inventors: Jörg Neukirchner; Tobias Hock; Marco Hornung; Michael Pausch
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2015-12-10
Filing date: 2015-12-10
Publication date: 2017-06-14
Also published as: US20180363706A1; CN108368882A; WO2017097295A1; EP3387277A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Kugellagerkäfig (1) mit einer eine Anzahl jeweils durch Abschnitte umlaufender Seitenringe (3, 4) sowie die Seitenringe (3, 4) verbindende Stege (5) gebildete Wälzkörpertaschen (6), welche zur Führung jeweils eines Wälzkörpers (7) mit Spiel in Umfangsrichtung ausgebildet sind, wobei seitliche Führungskonturen (8) der Wälzkörpertaschen (6) zu den Seitenringen (3, 4) parallel sind. Erfindungsgemäß weisen die Wälzkörpertaschen (6) an den Übergängen von den seitlichen Führungskonturen (8) zu den Stegen (3, 4) nach innen ragende, zur Kontaktierung eines Wälzkörpers (7) vorgesehene Eckvorsprünge (11) auf.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft einen insbesondere zur Verwendung in einem Spindellager geeigneten Kugellagerkäfig nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Hintergrund der Erfindung
Ein derartiger Kugellagerkäfig ist beispielsweise aus der EP 2 787 229 A1 bekannt. Dieser Kugellagerkäfig weist sowohl kreisrunde, als auch längliche, sich in Umfangsrichtung des Lagerkäfigs erstreckende Wälzkörpertaschen auf.
Weitere Kugellagerkäfige mit nicht kreisrunden Wälzkörpertaschen sind beispielsweise aus der DE 10 2010 047 962 A1 , aus der US 2007/0116395 A1 , sowie aus der WO 2010/066293 A1 bekannt.
Aufgabe der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Kugellagerkäfig, welcher Wälzkörpertaschen aufweist, die eine Führung von Wälzkörpern, das heißt Kugeln, mit Spiel in Umfangsrichtung des Kugellagers ermöglichen, gegenüber dem genannten Stand der Technik weiterzuentwickeln, wobei ein Betrieb des Kugellagers auch bei hohen Drehzahlkennwerten, wie sie beispielsweise in Spindellagern in Werkzeugmaschinen auftreten, möglich sein soll.
Beschreibung der Erfindung
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Kugellagerkäfig mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Der Kugellagerkäfig ist als Fensterkäfig gestaltet, wobei vorzugsweise sämtliche Wälzlagertaschen, das heißt Fenster des Kugellagerkäfigs, identisch geformt sind.
In an sich bekannter Grundform weist der Kugellagerkäfig zwei umlaufende Seitenringe auf, die durch Stege vorzugsweise einstückig miteinander verbunden sind. Die einzelnen Wälzkörpertaschen werden jeweils durch Abschnitte der Seitenringe sowie durch zwei in Umfangsrichtung benachbarte Stege begrenzt. Seitliche Führungskonturen jeder Wälzkörpertasche sind zueinander sowie zu den Seitenringen parallel. Im Unterschied zu den seitlichen Führungskonturen werden die durch die Stege gebildeten Begrenzungen der Wälzkörpertaschen als Randabschnitte bezeichnet. Im Gegensatz zu den seitlichen Führungskonturen sind die Randabschnitte jedoch nicht zwangsläufig dafür vorgesehen, dass ein Wälzkörper, das heißt eine Kugel, an ihnen anläuft. Vielmehr ragen an den Übergängen zwischen den seitlichen Führungskonturen und den Stegen insgesamt vier Eckvorsprünge in die Wälzkörpertasche, welche zur Kontaktierung des in der Wälzkörpertasche befindlichen Wälzkörpers vorgesehen sind. Der Wälzkörper ist somit mit Hilfe der seitlichen Führungskonturen mit Spiel in Umfangsrichtung des Kugellagers geführt, wobei zugleich die Kontaktbereiche zwischen den Wälzkörpern und dem Kugellagerkäfig, welche beim Anlaufen des Wälzkörpers an die Begrenzung der Wälzkörpertasche in Umfangsrichtung, hinsichtlich Käfigreibung relevant sind, mittels der Eckvorsprünge minimiert sind.
Die komplexe Geometrie der Wälzkörpertaschen mit geraden seitlichen Führungskonturen und in die Wälzkörpertasche hinein ragenden Eckvorsprünge stellt zugleich Schmiermittelreservoirs bereit, so dass Schmiermittel, insbesondere Fett, auf sehr kurzem Weg in die Kontaktbereiche zwischen Wälzkörper und Kugellagerkäfig gelangen kann. Durch die geringe Reibung ist der Kugellagerkäfig auch für Anwendungen mit hohen Drehzahlkennwerten geeignet, wobei im Unterschied zu herkömmlichen Lagerkonstruktionen selbst bei extremer Beanspruchung noch ein Betrieb ohne äußere Kühlung des Lagers möglich ist.
Die nach innen in jede Wälzkörpertasche ragenden Eckvorsprünge weisen in vorteilhafter Ausgestaltung jeweils eine Abrundung auf, deren Abrundungsradius mindestens einem Übergangsradius entspricht, welcher zwischen dem Eckvorsprung und der seitlichen, durch einen Seitenring gebildeten Führungskontur existiert. Die am Eckvorsprung gebildete Abrundung beschreibt hierbei eine Krümmung, welche der Krümmung, die im Übergangsbereich zwischen dem Eckvorsprung und der seitlichen Führungskontur gegeben ist, entgegengerichtet ist. Insgesamt sind damit am Rand der Wälzkörpertasche Wechsel zwischen konkaven und konvexen Konturen gegeben.
Die im Wesentlichen parallel zur Kugellagerachse ausgerichteten Randabschnitte zwischen jeweils zwei Eckvorsprüngen bilden vorzugsweise gerade Begrenzungen der Wälzkörpertasche, welche senkrecht zu den seitlichen Führungskonturen ausgerichtet sind. Dies gilt zumindest im Übergangsbereich zwischen dem Randabschnitt und dem Außenumfang des Stegs. In Draufsicht auf den Kugellagerkäfig radial von außen zur Lagerachse hin beschreibt die Wälzkörpertasche somit eine geschlossene rechteckige Grundform, wobei dieses Rechteck durch die auf die Mitte der Wälzkörpertasche zuweisenden Eckvorsprünge modifiziert ist, so dass näherungsweise ein Zwölfeck gegeben ist.
Jede Wälzkörpertasche verjüngt sich in vorteilhafter Ausgestaltung radial von außen nach innen, zumindest was die seitlichen Führungskonturen betrifft. Hierbei laufen die seitlichen Führungskonturen zum Innenumfang des Kugellagerkäfigs hin in Form von Führungsleisten aus. Die Führungsleisten sind dabei zur Führung eines Wälzkörpers in radialer Richtung unter Aufrechterhaltung eines Umfangsspiels des Wälzkörpers innerhalb der Wälzkörpertasche vorgesehen. Die Gesamtheit aller Führungsleisten liegt auf einem Kreis, welcher kleiner als der Teilkreis des Kugellagerkäfigs ist. Unter dem Teilkreis wird der durch die Mittelpunkte der Kugeln des Lagers gelegte Kreis verstanden. Der Kugellagerkäfig ist damit durch die Wälzkörper auf der Innenseite der Kugeln in Radialrichtung abgestützt. Die Differenz zwischen dem Radius des Kreises, auf welchem die Führungsleisten liegen, und dem Teilkreis des Wälzlagers ist vorzugsweise auf der einen Seite groß genug, dass eine ausreichend stabile Abstützung zwischen den Wälzkörpern und dem Lagerkäfig in radialer Richtung gegeben ist, und auf der anderen Seite derart gering, dass die einzelnen Kugeln nahe deren jeweiliger Rotationsachse durch den Kugellagerkäfig kontaktiert werden, so dass die Relativgeschwindigkeit zwischen Kugeloberfläche und Lagerkäfig und damit auch die Reibung zwischen den Wälzkörpern und dem Kugellagerkäfig gering gehalten wird.
Die beiden äußeren Stirnseiten der Seitenringe sind vorzugsweise eben, so dass der Kugellagerkäfig insgesamt eine zylindrische, durch die ebenen Stirnseiten begrenzte Form aufweist. Die Verjüngung der Wälzkörpertaschen radial nach innen ist gleichbedeutend damit, dass sich die Seitenringe radial nach innen aufweiten. Im Gegensatz hierzu nimmt die in Umfangsrichtung gemessene Stärke der Stege radial von außen nach innen vorzugsweise ab. Während am Außenumfangs des Kugellagerkäfigs die Stege vorzugsweise glatt in die Seitenringe übergehen, das heißt der Außenumfang der Seitenringe, welcher mit dem Außenumfang des gesamten Kugellagerkäfigs identisch ist, mit dem Umfang eines unmittelbar um die Stege gelegten Kreises übereinstimmt, ragen die Innenseiten der Stege vorzugsweise weniger weit radial nach innen als die Seitenringe. Auf der Innenseite des Kugellagerkäfigs sind somit durch die Stege Aussparungen beschrieben. Diese Aussparungen stellen zusätzliche Volumina zur Aufnahme von Schmiermittel dar.
Der Kugellagerkäfig ist rationell aus Kunststoff, insbesondere faserverstärktem Kunststoff, herstellbar. Der Kugellagerkäfig ist beispielsweise in einem Rillenkugellager, einem Vierpunktlager, oder einem Schrägkugellager verwendbar.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Der erfindungsgemäß ausgebildete Kugellagerkäfig wird nachfolgend in zwei bevorzugten Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen:
1 in perspektivischer Darstellung ein erstes Ausführungsbeispiel eines Kugellagerkäfigs,
2 ein Detail des Kugellagerkäfigs nach 1 mit einer in diesem geführten Kugel,
3 in einer Schnittdarstellung Komponenten eines Kugellagers mit dem Kugellagerkäfig nach 1,
4 ausschnittsweise eine Draufsicht auf den Kugellagerkäfig nach 1 in radialer Richtung,
5 eine modifizierte Ausführungsform eines Kugellagerkäfigs.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
Die nachfolgenden Ausführungen beziehen sich, soweit nicht anders erwähnt, auf beide Ausführungsbeispiele. Einander entsprechende oder prinzipiell gleichwirkende Teile sind stets mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
Ein Kugellagerkäfig 1 ist als Fensterkäfig aus Kunststoff ausgebildet und zur Verwendung in einem mit 2 bezeichneten Kugellager vorgesehen. Der Kugellagerkäfig 1 ist aufgebaut aus zwei Seitenringen 3, 4, welche durch Stege 5 miteinander verbunden sind, wobei zwischen Abschnitten der Seitenringe 3, 4 und den Stegen 5 Wälzkörpertaschen 6 gebildet sind, die jeweils zur Führung eines Wälzkörpers 7, das heißt einer Kugel, vorgesehen sind.
Zu den Stirnseiten der Seitenringe 3, 4 parallele, eine Wälzkörpertasche 6 begrenzende Führungskonturen 8 sind derartig ausgedehnt, dass der Wälzkörper 7 innerhalb der Wälzkörpertasche 6 Spiel in Umfangsrichtung des Kugellagerkäfigs 1 hat. An der Innenseite der Seitenringe 3, 4 laufen die Führungskonturen 8 in Form von Führungsleisten 9 aus, welche den Wälzkörper 7 untergreifen. Die Führungsleisten 9 befinden sich nahe an einem mit 10 bezeichneten Innenring des Kugellagers 2, auf welchem die Wälzkörper 7 abrollen. Die am Innenumfang der Seitenringe 3, 4 ausgebildeten Führungsleisten 9 beschreiben jeweils einen Kreis, welcher radial innerhalb des Teilkreises des Kugellagers 2 liegt. Der Teilkreis ist derjenige Kreis, der durch Mittelpunkte der Wälzkörper 7 gelegt ist.
Während die Führungsleisten 9 den Kugellagerkäfig 1 an den Wälzkörpern 7 in Radialrichtung des Kugellagers 2 abstützen, sorgen in die Wälzkörpertaschen 6 hineinragende Eckvorsprünge 11 dafür, dass jeder Wälzkörper 7 unter Vermeidung eines großflächigen Kontaktes in Umfangsrichtung spielbehaftet durch die Wälzkörpertaschen 6 geführt wird. Im Kontaktbereich zwischen Wälzkörper 7 und Eckvorsprung 11 weist der Eckvorsprung 11 eine Abrundung auf, deren Abrundungsradius mit r_E bezeichnet ist. In die Seitenringe 3, 4 gehen die Eckvorsprünge 11 mit einem Übergangsradius r_U über. Der Übergangsradius r_U ist kleiner als der Abrundungsradius r_E eines jeden Eckvorsprungs 11.
Im Bereich zwischen zwei jeweils an einen Seitenring 3, 4 anschließenden Eckvorsprüngen 11 ist die Wälzkörpertasche 6 durch einen in Axialrichtung des Kugellagers 2 verlaufenden Randabschnitt 12 begrenzt. Ein Übergangsradius zwischen dem Randabschnitt 12 und dem Eckvorsprung 11 entspricht dem Übergangsradius r_U zwischen dem Eckvorsprung 11 und der seitlichen Führungskontur 8. Wie insbesondere aus 2 hervorgeht, kontaktiert der Wälzkörper 6, wenn er an die Eckvorsprünge 11 anläuft, nicht den Randabschnitt 12, so dass ein Fettraum 13 zwischen dem Wälzkörper 7 und dem Randabschnitt 12 verbleibt.
Eine Verjüngung jeder Wälzkörpertasche 6 radial nach innen ist – wie beschrieben – durch die Gestalt der Seitenringe 3, 4, welche radial nach innen, zu den Führungsleisten 9 hin, stärker werden, gegeben. Im Gegensatz hierzu werden die Stege 5, ausgehend von den Randabschnitten 12, radial von außen nach innen – in Umfangsrichtung des Kugellagerkäfigs 1 gemessen – schwächer. Auf diese Weise wird ein besonders großer Fettraum 13 bereitgestellt. Besonders ausgeprägt ist dieser Effekt in der Ausführungsform nach 5, bei der die Stege 5 auf deren Innenseite, das heißt in Richtung zur Rotationsachse des Kugellagers 2, Aussparungen 14 aufweisen. Die in Radialrichtung gemessene Höhe der Stege 5 des Kugellagerkäfigs nach 5 ist somit geringer als die in derselben Richtung gemessene Höhe der Seitenringe 3, 4.
Bezugszeichenliste

1: Kugellagerkäfig
2: Kugellager
3: Seitenring
4: Seitenring
5: Steg
6: Wälzkörpertasche
7: Wälzkörper
8: seitliche Führungskontur
9: Führungsleiste
10: Innenring
11: Eckvorsprung
12: Randabschnitt
13: Fettraum
14: Aussparung
r_E: Abrundungsradius
r_U: Übergangsradius

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 2787229 A1 [0002]
DE 102010047962 A1 [0003]
US 2007/0116395 A1 [0003]
WO 2010/066293 A1 [0003]

Claims

Kugellagerkäfig (1), mit einer Anzahl jeweils durch Abschnitte umlaufender Seitenringe (3, 4) sowie die Seitenringe (3, 4) verbindende Stege (5) gebildeter Wälzkörpertaschen (6), welche zur Führung jeweils eines Wälzkörpers (7) mit Spiel in Umfangsrichtung ausgebildet sind, wobei seitliche Führungskonturen (8) der Wälzkörpertaschen (6) zu den Seitenringen (3, 4) parallel sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Wälzkörpertaschen (6) an den Übergängen von den seitlichen Führungskonturen (8) zu den Stegen (3, 4) nach innen ragende, zur Kontaktierung eines Wälzkörpers (7) vorgesehene Eckvorsprünge (11) aufweisen.
Kugellagerkäfig (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die nach innen ragenden Eckvorsprünge (11) eine Abrundung aufweisen, dessen Abrundungsradius (r_E) mindestens einem Übergangsradius (r_U) entspricht, welcher zwischen dem Eckvorsprung (11) und der seitlichen Führungskontur (8) gebildet ist.
Kugellagerkäfig (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein axial zwischen zwei Eckvorsprüngen (11) liegender Randabschnitt (12) der Wälzkörpertasche (6) eine gerade, zu den seitlichen Führungskonturen (8) orthogonale Begrenzung der Wälzkörpertasche (6) beschreibt.
Kugellagerkäfig (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Wälzkörpertasche (6) radial nach innen verjüngt.
Kugellagerkäfig (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die seitlichen Führungskonturen (8) radial nach innen in Form von in Umfangsrichtung verlaufenden Führungsleisten (9), welche zur Führung eines Wälzkörpers (7) in radialer Richtung unter Aufrechterhaltung eines Umfangsspiels vorgesehen sind, auslaufen.
Kugellagerkäfig (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die in Umfangsrichtung gemessene Stärke der Stege (5) radial von außen nach innen abnimmt.
Kugellagerkäfig (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Innenkontur des Steges (5) radial weiter außen als die Innenkonturen der Seitenringe (3, 4) angeordnet ist.
Kugellagerkäfig (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass dieser ausschließlich identisch geformte Wälzkörpertaschen (6) aufweist.
Kugellagerkäfig (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass dieser aus Kunststoff, insbesondere faserverstärktem Kunststoff, gefertigt ist.
Verwendung eines Kugellagerkäfigs (1) nach Anspruch 1 in einem Spindellager, insbesondere einer Werkzeugmaschine.