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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft einen Wälzlagerkäfig, mit zwei parallel zueinander angeordneten Seitenringen und einer Mehrzahl von diese beiden Seitenringe verbindende Stege, bei dem die Seitenringe und zwei unmittelbar benachbarte Stege jeweils eine Käfigtasche zur Aufnahme jeweils eines Wälzkörpers bilden, bei dem die Seitenringe mit den Stegen einen einstückigen Korpus bilden, und bei dem der Korpus aus einer faserverstärkten Kunststoffmatrix besteht. Außerdem betrifft die Erfindung ein Spindellager mit einem solchen Wälzlagerkäfig.
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Hintergrund der Erfindung
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Es sind Wälzlagerkäfige bekannt, die aus einem ausgehärteten Kunstharz mit darin eingebetteten Fasern besteht. Das ausgehärtete Kunstharz wird üblicherweise als Matrix eines solchen Faserverbundwerkstoffs bezeichnet. Als Kunstharz kann beispielsweise ein Epoxydharz oder ein Phenolharz genutzt werden. Die Fasern bestehen üblicherweise aus Glas, Kohlenstoff, Aramid oder aus Baumwolle. Sie sind beispielsweise als Gewebe und/oder als unidirektionale Fasern im Faserverbundwerkstoff angeordnet. Derartige Käfige aus Faserverbundwerkstoffen können in Spindellagern eingesetzt werden, in denen sie meisten an einem Lageraußenring außenbordgeführt oder durch die Wälzkörper wälzkörpergeführt angeordnet sind.
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Die
DE 10 2006 007 925 A1 zeigt beispielsweise ein als einreihiges Schrägkugellager ausgebildetes Wälzlager zur Lagerung einer Werkzeugmaschinen-Hauptspindel, wobei ein Lagerkäfig dieses Wälzlagers als ein Hartgewebekäfig oder Kunststoffkäfig ausgebildet ist, der aus zwei Seitenringen und aus mehreren diese Seitenringe miteinander verbindenden Querstegen besteht, und der an einem äußeren Lagerring des Wälzlagers geführt ist.
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Ein derartiger Spindellagerkäfig muss in der Regel für sehr hohe Lagerdrehzahlen geeignet sein. Gleichzeitig soll er im Betrieb möglichst verschleißarm sein. Daher kommt den Eigenschaften eines Verstärkungsgewebes des Käfigs eine besondere Bedeutung zu. Eine homogene Faserverstärkung kann jedoch immer nur einem Kompromiss an die Anforderungen wie Steifigkeit, Notlaufeigenschaften, Feuchtequellung und Wärmeausdehnung genügen. Bei der Auswahl des Fasermaterials für die Verstärkung der Harzmatrix führt eine Priorisierung einer bestimmten Eigenschaft so zu einer Verschlechterung einer oder mehrerer anderen Eigenschaften des Käfigs.
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Für Hartgewebe-Käfige von Spindellagern sind neben den herkömmlichen, quasi sortenreinen Verstärkungsgeweben, bereits Mischgewebe entwickelt worden, die zwar durchgehend einheitlich in der Kunststoffmatrix eines Wälzlagerkäfigs enthalten sind, aber anisotrope Eigenschaften aufweisen. Dadurch sollen diese Käfige hohen Fliehkräften sowie hohen thermischen Belastungen besser widerstehen. Gleichzeitig wird eine möglichst filigrane Konstruktion des Käfigs angestrebt.
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Aus der
DE 10 2013 225 339 A1 ist ein außenbordgeführter Wälzlagerkäfig bekannt, bei dem der Korpus des Käfigs aus zwei Seitenringen besteht, welche unter Bildung von Käfigtaschen durch eine Anzahl Stege einstückig miteinander verbunden sind. Der Korpus ist aus einer Kunststoffmatrix aufgebaut, in die zu dessen Verstärkung ein Mischgewebe eingebettet ist, welches im gesamten Korpus durchgehend enthalten ist. Das Mischgewebe ist aus zwei oder mehr Fasertypen von Kunstfasern und/oder Naturfasern aufgebaut, die sich in ihren Eigenschaften unterscheiden. Beispielsweise verlaufen in dem Mischgewebe in Kettrichtung, also in Umfangsrichtung, je ein Anteil aus Aramidfasern und Baumwollfasern, während in Schussrichtung, also in Axialrichtung, ausschließlich Baumwollfasern verlaufen. Dieses Mischgewebe weist richtungsabhängige Eigenschaften auf. Ein derart aufgebauter Käfig besitzt insbesondere in Umfangsrichtung eine höhere Zugfestigkeit und ein höheres Elastizitätsmodul, also eine höhere Steifigkeit als in Axialrichtung. Der Wärmeausdehnungskoeffizient des Käfigs ist in Umfangsrichtung niedriger als in Axialrichtung. Eine geringe Aufweitung des Käfigs bei hohen thermischen und mechanischen Belastungen erlaubt ein relativ geringes Spiel zwischen Käfig und Lageraußenring bei der Außenbordführung.
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Aufgabe der Erfindung
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Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen gattungsgemäßen Wälzlagerkäfig hinsichtlich seines Verschleißverhaltens, seiner Eignung für hohe Drehzahlen und seiner konstruktiven Gestaltungsfreiheit weiterzuentwickeln. Insbesondere soll ein solcher Wälzlagerkäfig für die Nutzung in einem schnell drehenden Spindellager geeignet sein.
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Beschreibung der Erfindung
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Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass bei einem faserverstärkten Wälzlagerkäfig durch einen mehrschichtigen, schichtspezifischen Aufbau, die günstigen Eigenschaften verschiedener Fasermaterialien, wie Schmierstoffspeicherfähigkeit, Gleitreibungskoeffizient, Zugfestigkeit, Steifigkeit, Wärmeausdehnungskoeffizient und so weiter, jeweils an denjenigen Stellen beziehungsweise in denjenigen Bereichen des Käfigs genutzt werden können, an denen die jeweiligen Eigenschaften besonders benötigt werden und/oder besonders vorteilhaft wirken.
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Die Erfindung geht daher aus von einem Wälzlagerkäfig, mit zwei parallel zueinander angeordneten Seitenringen und einer Mehrzahl von diese beiden Seitenringe verbindende Stege, bei dem die Seitenringe und zwei unmittelbar benachbarte Stege jeweils eine Käfigtasche zur Aufnahme jeweils eines Wälzkörpers bilden, bei dem die Seitenringe mit den Stegen einen einstückigen Korpus bilden, und bei dem der Korpus aus einer faserverstärkten Kunststoffmatrix besteht.
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Zur Lösung der gestellten Aufgabe sieht die Erfindung vor, dass der Korpus mehrere Schichten und/oder mehrere Bereiche aufweist, dass diese Schichten und/oder Bereiche einen gemeinsamen Matrixwerkstoff aufweisen, in dem verschiedene Faseranordnungen eingebettet sind, und dass sich die Faseranordnungen in ihrem Material und/oder in ihrer Struktur voneinander unterscheiden.
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Eine Schicht oder ein Bereich wird als ein Gebilde aus einer Gewebelage oder mehreren aneinander liegenden, zusammengehörigen gleichen Gewebelagen beziehungsweise als ein Gebilde aus einer Endlosfaserlage oder mehreren aneinander liegenden, zusammengehörigen gleichen Endlosfaserlagen definiert.
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Unter einem Gewebe wird eine Faseranordnung verstanden, bei der Fasern unter einem Winkel zueinander angeordnet sind. Unter einer Endlosfaser wird eine unidirektional gewickelte Faseranordnung verstanden.
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Durch einen mehrschichtigen oder einen mehrere Bereiche aufweisenden Aufbau des Korpus, welcher die Vorteile mehrerer Werkstoffe durch eine lokal differenzierte Kombination verschiedener Materialien in sich vereint, kann ein Wälzlagerkäfig für ein schnell drehendes Wälzlager, wie etwa ein Spindellager, in seinen Eigenschaften besser an die Anforderungen und Belastungen einer solcher Lagerung im Betrieb angepasst werden. Der Zusammenhalt der einzelnen Schichten oder Bereiche mit unterschiedlichen Faseranordnungen wird gemäß der Erfindung durch einen gemeinsamen Matrixwerkstoff aus einem Harz oder aus einem harzähnlichen Material hergestellt. Die einzelnen Schichten oder Bereiche enthalten unterschiedliche Faseranordnungen, um die Eigenschaften des Käfigs zu optimieren.
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Insbesondere kann die Reibung des Käfigs an Kontaktstellen mit den Lagerringen verringert und damit das Gleitreibungs- und Verschleißverhalten des Käfigs verbessert werden, wodurch sich die Lebensdauer des Käfigs erhöht und der Wartungsaufwand für eine Spindel, die mit einem solchen Lager gelagert wird, verringert. Weiterhin kann ein verbessertes Wärmeausdehnungsverhalten und Feuchtequellungsverhalten eines solchen Käfigs erreicht werden. Dadurch kann ein Führungsspiel des Käfigs an den Lagerringen und/oder ein Spiel der Wälzkörper in den Käfigtaschen verringert werden. Dennoch bleiben die Notlaufeigenschaften des Lagers im Falle einer Mangelschmierung des Käfigs, welche bei Wälzlagern mit sehr hohen Drehzahlen auftreten kann, auch bei einem geringen Führungsspiel uneingeschränkt erhalten oder werden sogar noch verbessert. Der geometrische Aufbau des Korpus mit unterschiedlichen Faserschichten und/oder Faserbereichen kann variabel an die Anforderungen einer jeweiligen Anwendung angepasst und dementsprechend verschieden ausgeführt werden.
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An dieser Stelle sei angemerkt, dass die Matrix des Faserverbundwerkstoffs anstelle eines Harzes, also eines Duroplasts, auch aus einem thermoplastischen Werkstoff gebildet sein kann, ohne dass dabei von dem beschriebenen Kern der Erfindung abgewichen wird. Selbstverständlich wird dabei darauf zu achten sein, dass die Plastifizierungstemperatur eines solchen thermoplastischen Werkstoffs deutlich über der zu erwartenden Betriebstemperatur eines solchen Lagers liegt.
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Gemäß einer ersten Ausführungsform eines Wälzlagerkäfigs mit den Merkmalen der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Korpus aus einem mehrschichtigen Aufbau besteht, wobei die einzelnen Schichten radial aufeinander angeordnet sind. Demnach können zwei oder mehrere Schichten mit verschiedenen Eigenschaften der schichtspezifisch eingebrachten Faseranordnungen übereinander gewickelt angeordnet sein. Es können auch zwei Arten von Schichten in einer alternierenden Abfolge von Schichten im genannten Korpus des Wälzlagerkäfigs angeordnet sein.
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Gemäß einer anderen Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass der Korpus aus einem mehrschichtigen Aufbau besteht, wobei die einzelnen Schichten axial nebeneinander angeordnet sind. Demnach können zwei oder mehrere Schichten mit verschiedenen Verstärkungseigenschaften axial nebeneinander gewickelt und in dem Korpus angeordnet sein.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Korpus aus einem mehrschichtigen Aufbau besteht, wobei der mehrschichtige Aufbau radial aufeinander und axial nebeneinander angeordnete Schichten aufweist. Demnach können radial angeordnete und axial angeordnete Schichten mit verschiedenen Verstärkungseigenschaften in dem Korpus miteinander kombiniert sein.
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Gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung kann vorgesehen sein, dass eine Schicht eine Faserverstärkung aufweist, welche im Vergleich zu anderen Schichten oder Bereichen eine erhöhte Steifigkeit aufweist.
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In Weiterbildung dieses Merkmals kann vorgesehen sein, dass eine am oder nahe am Innendurchmesser des Korpus angeordnete Schicht eine Faserverstärkung aufweist, welche im Vergleich zu anderen Schichten oder Bereichen eine erhöhte Steifigkeit aufweist.
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Die Erfindung ermöglicht eine Konfigurierung des Wälzlagerkäfigs mit faserverstärkten Schichten, die jeweils gezielt bestimmte Eigenschaft des Käfigs, wie eine besondere Eignung für hohe Drehzahlen, ein besonders gutes Reibungs-und Verschleißverhalten sowie eine konstruktive Gestaltungsfreiheit verbessern und damit in der Kombination dieser Eigenschaften sich vorteilhaft auf den gesamten Käfig auswirken.
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Die Eignung für hohe Drehzahlen ist insbesondere bei Spindellagern ein wichtiges Auslegungskriterium. Die Lagerkäfige solcher Spindellager sind meistens außenbordgeführt. Dabei soll ein notwendiges radiales Führungsspiel zwischen der Außenseite des Käfigs und einem Bord am Lageraußenring möglichst klein sein, um die durch Exzentrizität des Käfigs hervorgerufenen Fliehkräfte und Reibungskräfte möglichst gering zu halten. Andererseits muss ein ausreichendes radiales Führungsspiel vorhanden sein, um bei einer Aufweitung des Käfigs aufgrund von Fliehkräften sowie aufgrund der Wärmeausdehnung bei Erreichen der Betriebstemperatur und gegebenenfalls aufgrund einer Quellung durch den Einfluss von Feuchtigkeit, ein ausreichendes Restspiel sicherzustellen und damit die Betriebssicherheit jederzeit zu gewährleisten.
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Bei einem Wälzlagerkäfig mit den Merkmalen der Erfindung kann die Eignung für hohe Drehzahlen demnach dadurch verbessert werden, dass eine Faserverstärkung, welche einen hohen Elastizitätsmodul, also eine hohe Steifigkeit aufweist, an geeigneter Stelle, beispielsweise in einer Schicht am oder im Bereich des Innendurchmessers des Käfigs angeordnet wird. Dadurch können Veränderungen des Käfigdurchmessers durch Betriebseinflüsse und/oder Umwelteinflüsse begrenzt oder wesentlich verringert werden. Durch eine erhöhte Steifigkeit bestimmter faserverstärkter Schichten kann zudem die konstruktive Gestaltung eines Käfigs mit Eignung für hohe Drehzahlen vereinfacht werden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann vorgesehen sein, dass eine Schicht oder ein Bereich des Korpus des Wälzlagerkäfigs, dessen Oberfläche mit einer Führungsfläche an einem Lageraußenring oder an einem Lagerinnenring in Kontakt steht, eine Faserverstärkung aufweist, welche im Vergleich zu anderen Schichten oder Bereichen einen niedrigeren Gleitreibungskoeffizient aufweist. Ein geringer Gleitreibungskoeffizient einer solchen Schicht ist beispielsweise dadurch erreichbar, dass diese Schicht an ihrer Oberfläche kleine Senken oder Nuten aufweist, in denen sich ein Schmiermittel einlagern kann.
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Da die Kontaktfläche eines außenbordgeführten Wälzlagerkäfigs mit einer benachbarten Führungsfläche am Lageraußenring ein Gleitlager bildet, sind die tribologischen Eigenschaften dieser Kontaktfläche besonders wichtig. Bei einem Wälzlagerkäfig gemäß der Erfindung kann das Reibungs- und Verschleißverhalten demnach dadurch verbessert werden, dass eine faserverstärkte Schicht oder ein faserverstärkter Bereich, welche/welcher einen vergleichsweise niedrigen Gleitreibungskoeffizient aufweist, an den betreffenden Kontaktstellen, beispielsweise am Außendurchmesser des Wälzlagerkäfigs, angeordnet und wirksam ist.
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An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass die Ausführungen für Lagerkäfige mit einer Außenbordführung nun beispielhaft zu verstehen sind. Für Lagerkäfige mit einer Innenbordführung oder mit einer Wälzkörperführung sind hinsichtlich der Gestaltung des Korpus mit den genanten Schichten oder Bereichen besonderer Gleitfähigkeit oder Steifigkeit entsprechende Konzepte möglich und können durch den Fachmann in Kenntnis der vorliegenden Erfindung leicht ausgeführt werden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann vorgesehen sein, dass eine Schicht oder ein Bereich des Korpus des Wälzlagerkäfigs eine Faserverstärkung mit einer im Vergleich zu anderen Schichten oder Bereichen erhöhten Zugfestigkeit aufweist. Demnach kann die Gestaltung des Wälzlagerkäfigs und gegebenenfalls anderer Lagerbauteile, wie Dichtelemente, mit Hilfe zumindest einer Schicht oder eines Bereichs mit einer erhöhten Zugfestigkeit vereinfacht und freier konzipiert werden. Insbesondere werden dadurch Wälzlagerkäfige mit relativ filigranen Stegen zwischen den Käfigtaschen ermöglicht. Gegebenenfalls kann dadurch die Anzahl der Wälzkörper auf einem vorgegebenen Teilkreis erhöht und damit die Tragfähigkeit des Lagers vergrößert werden, ohne weiteren Bauraum zu benötigen.
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Gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung kann vorgesehen sein, dass eine erste Faserverstärkung als ein Verstärkungsgewebe ausgebildet ist, welches in Umfangsrichtung und in Axialrichtung aus identischen Fasern aufgebaut ist.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann vorgesehen sein, dass eine zweite Faserverstärkung als ein Mischverstärkungsgewebe ausgebildet ist, welches in Umfangsrichtung und/oder in Axialrichtung aus einer oder aus mehreren Sorten an Fasermischungen aufgebaut ist.
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Gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung kann vorgesehen sein, dass eine dritte Faserverstärkung aus unidirektional gewickelten Endlosfasern aus einer Fasersorte aufgebaut ist.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann vorgesehen sein, dass eine vierte Faserverstärkung aus unidirektional gewickelten Endlosfasern aus mehreren Fasersorten aufgebaut ist.
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Demnach können eine oder mehrere Schichten aus einem Gewebe, also einer kreuzweise aufgebauten Faseranordnung bestehen, während eine oder mehrere andere Schichten aus Endlosfasern, also aus einer unidirektional gewickelten Faseranordnung nur in Umfangsrichtung bestehen. Es können auch nur Gewebeschichten oder nur Endlosfaserschichten für alle Schichten in einem Wälzlagerkäfig mit den Merkmalen der Erfindung vorgesehen sein.
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Ein Gewebe kann im einfachsten Fall aus identischen Fasern in Kettrichtung und in Schussrichtung aufgebaut sein. Ein anderes Gewebe kann in Kettrichtung aus einer Fasersorte und in Schussrichtung aus einer anderen Fasersorte aufgebaut sein. Komplexer aufgebaute Gewebe können innerhalb einer Richtung aus einer Fasermischung mit zwei oder mehr verschiedenen Fasersorten bestehen. Dabei kann in Kettrichtung eine andere Fasermischung als in Schussrichtung verwendet werden. Bei einer weiteren Variante können in einer Richtung sortenreine Fasern verwendet werden und in der anderen Richtung eine Fasermischung. Anordnungen von in Kettrichtung gewickelten Endlosfasern können aus einer Fasersorte oder aus Fasermischungen aufgebaut sein.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Faseranordnungen aus Einzelfasern, Fäden und/oder Garnen bestehen. Anstelle von Einzelfasern können demnach auch zu Fäden oder Garnen miteinander verbundene oder verdrehte Fasern verwendet werden, um ein Gewebe oder ein Endlosfasergebilde herzustellen. Diese Fäden oder Garne können wiederum sortenrein sein oder aus Fasermischungen bestehen.
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Der strukturelle Aufbau der Faseranordnungen für die einzelnen Schichten oder Bereiche des Käfigs kann durch diese Vielfalt an möglichen Varianten von Faseranordnungen somit sehr variabel an die Anforderungen der jeweiligen Anwendung angepasst werden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Faseranordnungen mindestens einen Typ von Fasern aus der Gruppe von Baumwollfasern, Kohlenstofffasern, Aramidfasern, Keramikfasern, Glasfasern, Borfasern, Polyetheretherketonfasern, Basaltfasern, Polytetrafluorethylenfasern, Polyethylenterephthalatfasern, Flachsfasern, Hanffasern, Jutefasern, Sisalfasern, Bambusfasern, Ramiefasern aufweist.
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Die Materialauswahl an Fasern für die einzelnen Käfigschichten oder Käfigbereiche kann demnach variabel an die Anforderungen der jeweiligen Anwendung angepasst werden. Fasern aus Polyamiden, wie Aramidfasern, weisen eine hohe Festigkeit auf. Fasern aus thermoplastischen Kunststoffen wie PEEK, PTFE, PET zeichnen sich durch ihre Säurebeständigkeit, Temperaturbeständigkeit und/oder ihren niedrigen Gleitreibungskoeffizienten aus. Kohlenstofffasern weisen ein hohe Festigkeit und ein geringes Gewicht auf. Glasfasern eignen sich als Verstärkungsmaterial für die meisten Kunststoffe beziehungsweise Harze. Keramikfasern halten sehr hohen Temperaturen stand. Naturfasern aus nachwachsenden Rohstoffen wie Baumwolle, Flachs, Hanf, Jute, Sisal, Bambus oder Ramie weisen eine gute Speicherfähigkeit für Schmierstoffe auf und gelten zudem als umweltfreundlich.
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Beispielsweise ist bei einem außenbordgeführten Käfig die Verwendung von Verstärkungen aus Baumwollfasern insbesondere in Axialrichtung wegen der guten Schmierstoffspeicherfähigkeit an der mit dem Lageraußenring in Kontakt stehenden äußeren Käfigoberfläche besonders vorteilhaft, während an der Innenseite und im Inneren des Wälzlagerkäfigs die Verwendung von Kohlenstofffasern insbesondere in Umfangsrichtung wegen der geringen Wärmeausdehnung und der hohen Steifigkeit zweckmäßig ist. Bei einem mehrschichtigen Aufbau in Axialrichtung können zumindest in einer der Axialschichten, welche die Käfigtaschen umfasst, die Kontaktflächen zwischen den Käfigtaschen und den darin aufgenommenen Wälzkörpern aus einem Fasermaterial mit tribologisch besonders günstigen Eigenschafen ausgeführt werden.
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Dem Fachmann stehen zahlreiche weitere zweckmäßige und vorteilhafte Kombinationsmöglichkeiten der hier angeführten Ausführungsformen der Erfindung zur Erzielung von bestimmten gewünschten Eigenschaften von Wälzlagerkäfigen zur Verfügung.
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Schließlich betrifft die Erfindung auch ein Spindellager, beispielsweise ein schnell drehendes Schrägkugellager, zur Lagerung einer Spindel, beispielsweise zur Lagerung einer Hauptspindel in einer Werkzeugmaschine, mit einem Wälzlagerkäfig, welcher gemäß den erfindungsgemäßen Merkmalen ausgebildet ist.
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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 ein als Schrägkugellager ausgebildetes Wälzlager in einem Querschnitt,
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2 einen Wälzlagerkäfig eines Wälzlagers gemäß 1 in einer radialen Draufsicht, mit einem darin enthaltenen schematisierten Verstärkungsgewebe gemäß der Erfindung,
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3 einen Wälzlagerkäfig im Schnitt B-B gemäß 2, mit einem ersten schematisierten radialen Schichtaufbau,
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4 einen Wälzlagerkäfig im Schnitt B-B gemäß 2, jedoch mit einem zweiten radialen Schichtaufbau,
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5 einen Wälzlagerkäfig im Schnitt A-A gemäß 2, mit einem schematisierten radialen Schichtaufbau,
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6 einen Wälzlagerkäfig im Schnitt C-C gemäß 2, mit einem schematisierten axialen Schichtaufbau,
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7 einen Wälzlagerkäfig im Schnitt C-C gemäß 2, jedoch mit einem anderen axialen sowie schematisiert dargestellten Schichtaufbau, und
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8 einen Wälzlagerkäfig eines Wälzlagers gemäß 1, in einer radialen Draufsicht, mit einer weiteren Ausführungsform eines darin enthaltenen schematisierten Verstärkungsgewebes gemäß der Erfindung.
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Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
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Zur Vereinfachung zeigen die Figuren jeweils Ausschnitte eines Wälzlagers beziehungsweise von Wälzlagerkäfigen, in denen die für die Erläuterung der Erfindung wesentlichen Informationen dargestellt sind.
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So zeigt
1 ein als einreihiges Schrägkugellager ausgebildetes Wälzlager
1 mit einer Rotationsachse R, wie es beispielsweise als ein schnell drehendes Spindellager in einer Werkzeugmaschine verwendet wird. Die eingangs genante
DE 10 2006 007 925 A1 zeigt beispielsweise eine elektromotorisch angetriebene Hauptspindel einer Werkzeugmaschine, die mittels zwei solcher Schrägkugellager gelagert ist.
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Das Wälzlager 1 weist einen Lageraußenring 2, einen Lagerinnenring 3, einen Wälzlagerkäfig 4 sowie eine Anzahl von als Kugeln ausgebildeten Wälzkörper 5 auf, die jeweils in Käfigtaschen 6 des Wälzlagerkäfigs 4 aufgenommen und geführt sind. Die Wälzkörper 5 sind dabei in Umfangsrichtung des Lagerkäfigs 4 in gleichmäßigen Abständen zueinander gehalten. Die Wälzkörper 5 rollen auf einer Innenringlaufbahn 7 des Lagerinnenrings 3 und auf einer Außenringlaufbahn 8 des Lageraußenrings 2 ab.
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Der Wälzlagerkäfig 4 besteht aus einem ersten Seitenring 9 und einem zweiten Seitenring 10, welche mittels einer Mehrzahl von Stegen 11 einstückig miteinander verbunden sind. Jeweils zwei unmittelbar benachbarte Stege 11 sowie die zugeordneten Seitenringabschnitte zwischen diesen beiden Stegen 11 bilden jeweils eine Käfigtasche 6, in welcher jeweils ein Wälzkörper 5 angeordnet ist. Die Wandungen der Käfigtaschen 6 sind in dem gezeigten Beispiel einfach zylindrisch ausgebildet. Alternativ dazu können die Käfigtaschen 6 sphärisch geformt oder den Wälzkörpern 5 mit einer anderen Geometrie angepasst sein.
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Der Wälzlagerkäfig 4 ist in dem in 1 gezeigten Beispiel am Lageraußenring 2 geführt, also als ein außenbordgeführter Käfig ausgebildet, wobei zwischen dem radialen Außenumfang des Wälzlagerkäfigs 4 und dem radialen Innenumfang des Lageraußenrings 2 im Bereich einer Führungsfläche 35 ein radiales Führungsspiel FS vorhanden ist. Alternativ dazu kann der Wälzlagerkäfig 4 innenbordgeführt oder wälzkörpergeführt sein.
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Der Korpus des Wälzlagerkäfigs 4 besteht aus einer faserverstärkten Kunststoffmatrix. 2 veranschaulicht dies in einer radialen Draufsicht auf einen Ausschnitt des Käfigs 4 mit einer schematisierten Darstellung einer als Gewebe 12 ausgebildeten Faserverstärkung, welche in eine Kunststoffmatrix, beispielsweise aus einem Epoxydharz oder einem Phenolharz, eingebunden ist. Das Gewebe 12 besteht aus einer Vielzahl von ersten Fasern 13, welche in Umfangsrichtung, hier in der Kettrichtung des Gewebes, verlaufen, und aus einer Vielzahl von zweiten Fasern 14, welche in Axialrichtung, hier der Schussrichtung des Gewebes 12, verlaufen. Die Fasern 13, 14 sind kreuzweise zur Herstellung des Gewebes 12 miteinander verbunden. Eine Gewebelage oder mehrere gleiche solche Gewebelagen aufeinander gelegt bilden eine Schicht mit Verstärkungsfasern.
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Der Wälzlagerkäfig 4 ist zweischichtig oder mehrschichtig aufgebaut, mit verschiedenen Faseranordnungen, welche in die gemeinsame Harzmatrix eingebettet sind. Die 2 bis 8 zeigen verschiedene Ausführungsformen dieses mehrschichtigen Aufbaus.
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3 zeigt einen in radialer Richtung zweischichtigen Wälzlagerkäfig 4a im Schnitt B-B gemäß 2, mit einer radial äußeren Schicht 15, an die unmittelbar eine radial innere Schicht 16 angrenzt. Die Oberfläche der äußeren Schicht 15 steht bei einem außenbordgeführten Käfig unter Berücksichtigung des Führungsspiels FS mit dem Lageraußenring 2 in Kontakt. Die äußere Schicht 15 ist daher beispielsweise aus einem besonders gleitreibungsarmen Verstärkungsgewebe aufgebaut. Die radial innere Schicht 16 ist hingegen vorteilhaft aus einem in Umfangsrichtung besonders zugfesten Verstärkungsgewebe aufgebaut. Die radial äußere, gleitreibungsarme Schicht 15 weist in dem gezeigten Beispiel eine geringere Dicke als die radial innere, festigkeitsmaximierte Schicht 16 auf.
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4 zeigt einen in radialer Richtung vierschichtigen Wälzlagerkäfig 4b, mit vier radial übereinander angeordneten Schichten, 17, 18, 19, 20. Alle diese vier Schichten 17, 18, 19, 20 weisen in ihrem Material und/oder in ihrer Struktur unterschiedliche Faseranordnungen auf. Alternativ dazu können jeweils zwei eigenschaftsgleiche Schichten 17, 19; 18, 20 in einem Aufbau einander abwechseln. Die Schichtdicken sind in dem in 4 gezeigten Ausführungsbeispiel in etwa gleich.
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5 zeigt einen in radialer Richtung zweischichtigen Wälzlagerkäfig 4c im Schnitt A-A gemäß 2. Dieser Wälzlagerkäfig 4c weist eine radial äußere Schicht 21 und eine daran unmittelbar angrenzende radial innere Schicht 22 auf. Die radial äußere Schicht 21 weist eine geringere Dicke als die radial innere Schicht 22 auf. Die beiden Schichten 21, 22 weisen andere Materialeigenschaften auf als die beiden Schichten 15, 16 gemäß 3, die Materialeigenschaften können aber auch identisch sein.
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6 zeigt einen in Axialrichtung dreischichtigen Wälzlagerkäfig 4d im Schnitt C-C gemäß 2. Dieser Wälzlagerkäfig 4d weist zwei schmale, axial äußere Schichten 23, 24 auf, zwischen denen eine breitere, axial mittlere Schicht 25 angeordnet ist. Die beiden äußeren Schichten 23, 24 können beispielsweise größtenteils die beiden Seitenringe 9, 10 des Käfigs 4d bilden. Die mittlere Schicht 25 kann größtenteils einen die Seitenringe 9, 10 verbindenden Steg 11 und die Wandungen einer Käfigtaschen 6 bilden. Die beiden axial äußeren Schichten 23, 24 können die gleiche Faserverstärkung aufweisen. Die mittlere Schicht 25 weist eine von den axial äußeren Schichten 23, 24 verschiedene Faserverstärkung auf. Die mittlere Schicht 25 kann aus einer Faserverstärkung mit einem niedrigen Gleitreibungskoeffizienten aufgebaut sein, so dass die Reibung an den Kontaktflächen zwischen Wälzkörper 5 und Käfigtasche 6 niedrig ist.
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7 zeigt einen in Axialrichtung fünfschichtigen Wälzlagerkäfig 4e im Schnitt C-C gemäß 2. Dieser Wälzlagerkäfig 4e ist aus fünf etwa gleich breiten axial nebeneinander angeordneten Schichten 26, 27, 28, 29, 30 aufgebaut. Bei diesem Aufbau können zwei unterschiedliche Faseranordnungen in den Schichten 26, 27, 28, 29, 30 alternierend angeordnet sein. Alternativ dazu können alle Schichten 26, 27, 28, 29, 30 dieses Wälzlagerkäfigs 4e unterschiedliche Faseranordnungen und damit unterschiedliche Materialeigenschaften aufweisen.
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8 zeigt schließlich in einer radialen Draufsicht einen Wälzlagerkäfig 4f, der in Axialrichtung einen dreischichtigen Aufbau aufweist. Demnach weist dieser Wälzlagerkäfig 4f drei etwa gleich breite sowie axial nebeneinander angeordnete Schichten 31, 32, 33 auf. Diese Schichten 31, 32, 33 sind durch ein streifenförmiges Verstärkungsgewebe 34 gebildet, wobei in Kettrichtung beziehungsweise Umfangsrichtung des Wälzlagerkäfigs 4f die beiden axial äußeren Schichten 31, 32 aus den gleichen Fasern bestehen, und bei dem die axial mittlere Schicht 33 aus von den äußeren Schichten 31, 32 unterschiedlichen Fasern besteht. In Schussrichtung, also in Axialrichtung des Wälzlagerkäfigs 4f besteht das Verstärkungsgewebe 34 aus einheitlichen Fasern. Ein solcher Wälzlagerkäfig kann aber auch mehr als nur drei Schichten aus gleichen oder unterschiedlichen Fasern aufweisen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Wälzlager
- 2
- Lageraußenring
- 3
- Lagerinnenring
- 4
- Wälzlagerkäfig
- 4a
- Wälzlagerkäfig (1. Ausführungsform)
- 4b
- Wälzlagerkäfig (2. Ausführungsform)
- 4c
- Wälzlagerkäfig (3. Ausführungsform)
- 4d
- Wälzlagerkäfig (4. Ausführungsform)
- 4e
- Wälzlagerkäfig (5. Ausführungsform)
- 4f
- Wälzlagerkäfig (6. Ausführungsform)
- 5
- Wälzkörper
- 6
- Käfigtasche
- 7
- Innenringlaufbahn
- 8
- Außenringlaufbahn
- 9
- Erster Seitenring
- 10
- Zweiter Seitenring
- 11
- Steg
- 12
- Gewebe des Wälzlagerkäfigs 4
- 13
- Erste Faser in Kettrichtung
- 14
- Zweite Faser in Schussrichtung
- 15
- Erste Schicht des Wälzlagerkäfigs 4a
- 16
- Zweite Schicht des Wälzlagerkäfigs 4a
- 17
- Erste Schicht des Wälzlagerkäfigs 4b
- 18
- Zweite Schicht des Wälzlagerkäfigs 4b
- 19
- Dritte Schicht des Wälzlagerkäfigs 4b
- 20
- Vierte Schicht des Wälzlagerkäfigs 4b
- 21
- Erste Schicht des Wälzlagerkäfigs 4c
- 22
- Zweite Schicht des Wälzlagerkäfigs 4c
- 23
- Erste Schicht des Wälzlagerkäfigs 4d
- 24
- Zweite Schicht des Wälzlagerkäfigs 4d
- 25
- Dritte Schicht des Wälzlagerkäfigs 4d
- 26
- Erste Schicht des Wälzlagerkäfigs 4e
- 27
- Zweite Schicht des Wälzlagerkäfigs 4e
- 28
- Dritte Schicht des Wälzlagerkäfigs 4e
- 29
- Vierte Schicht des Wälzlagerkäfigs 4e
- 30
- Fünfte Schicht des Wälzlagerkäfigs 4e
- 31
- Erste Schicht des Wälzlagerkäfigs 4f
- 32
- Zweite Schicht des Wälzlagerkäfigs 4f
- 33
- Dritte Schicht des Wälzlagerkäfigs 4f
- 34
- Gewebe des Wälzlagerkäfigs 4f
- 35
- Führungsfläche am Lageraußenring
- FS
- Führungsspiel
- R
- Rotationsachse
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102006007925 A1 [0003, 0051]
- DE 102013225339 A1 [0006]
