DE102016202149A1 - Seilscheibenlageranordnung - Google Patents

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Dino Kaempffer
Serge Kursawe
Milan Madron
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Schaeffler Technologies AG and Co KG
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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Seilscheibenlageranordnung (1) mit mindestens zwei Seilscheiben (3), wobei jede Seilscheibe (3) mittels eines zweireihigen Seilscheibenlagers (4) gelagert ist, das einen Lagerinnenring (5) mit an jedem seiner beiden axialen Enden ausgebildeten Bord (8), einen Lageraußenring (6), eine Vielzahl dazwischen angeordneter Wälzkörper (7) umfassend zwei Stirnseiten und weiterhin zwei Käfige (14), die die Wälzkörper (7) führen, aufweist, wobei der Lagerinnenring (5) auf einer Welle (2) angeordnet ist, und wobei die Wälzkörper (7) und/oder der Lagerinnenring (5) zumindest in einem Kontaktbereich, in welchem eine Stirnseite (9, 9´) in Kontakt zu dem Lagerinnenring (5) steht, eine Beschichtung (11) umfassend eine amorphe Kohlenstoffschicht aufweisen.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Seilscheibenlageranordnung mit mindestens zwei Seilscheiben, wobei jede Seilscheibe mittels eines zweireihigen Seilscheibenlagers gelagert ist, das einen Lagerinnenring mit an beiden axialen Enden ausgebildetem Lagerinnenringbord, einen Lageraußenring, eine Vielzahl dazwischen angeordneter Wälzkörper sowie zwei Käfige, die die Wälzkörper führen, aufweist, und wobei der Lagerinnenring auf einer Welle angeordnet ist.
  • Seilscheibenlageranordnungen werden vor allem, aber nicht ausschließlich, bei Kränen verwendet. Die Kräne weisen mindestens ein Tragseil auf, das von den Seilscheiben umgelenkt wird. Die Seilscheiben dienen somit als Umlenk- und Führungselement des Tragseils. Durch das Umschlingen der Seilscheiben mit dem Tragseil entstehen vor allem radiale Kräfte. Allerdings können durch einen Schrägzug des Tragseils auch Axialkräfte oder sogar Kippmomente auftreten. Seilscheibenlageranordnungen sind neben eine Anwendung bei Kränen auch in Kompensationssystemen für Bohr- und Förderplattformen beziehungsweise Bohr- und Förderschiffen, Förderanlagen für den Bergbau, bei Aufzügen sowie bei Bergbahnen zu finden.
  • In der DE 10 2012 219 513 A1 ist eine Seilscheibe mit einem Lager offenbart, wobei die Seilscheibe aus einem Kunststoffmaterial besteht und durch Umspritzen oder Umgießen des Lagers als einstückiges, integrales Bauteil hergestellt ist. Neben den hier erwähnten Kunststoffausführungen bestehen Seilscheiben vor allem aus gegossenem Stahl.
  • Ebenfalls zum Stand der Technik zählen die Druckschriften DE 10 2010 030 648 A1 , DE 10 2009 036 688 A1 , WO 2008/106330 A1 sowie DE 10 2006 057 484 B4 . Hier werden beschichtete Wälzlager offenbart.
  • In der DE 10 2010 030 648 A1 und in der WO 2008/106330 A1 ist jeweils ein Kegelrollenlager offenbart, deren Wälzkörper, zumindest ein Teil der Oberfläche der Wälzkörper und/oder die den Wälzkörpern zugewandte Seite des Führungsbunds, mit einer reibungsarmen Beschichtung versehen sind. Als reibmindernde Beschichtung wird in beiden Druckschriften eine diamantähnliche Kohlenstoff-Beschichtung (DLC; Diamond-like Carbon) aufgeführt.
  • In der DE 10 2009 036 688 A1 ist ein Rollenlager offenbart, deren Wälzkörper mit einer Gleitreibung vermindernden Beschichtung versehen sind.
  • In der DE 10 2006 057 484 B4 wird ein Wälzlager mit einer Mehrzahl von Wälzkörpern sowie einem zylindrischen Lagerkäfig offenbart, wobei der Lagerkäfig mit einer Oberflächenbeschichtung aus einem metallfreien amorphen Kohlenwasserstoff versehen ist und die Wälzkörper und/oder die Lagerringe mit einer Oberflächenbeschichtung aus einem metallhaltigen amorphen Kohlenwasserstoff versehen sind.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine im Vergleich zum Stand der Technik verschleißärmere Seilscheibenlageranordnung zu entwickeln.
  • Zur Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe wird die im Anspruch 1 angegebene Seilscheibenlageranordnung vorgeschlagen. Optionale vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich ganz oder teilweise aus den abhängigen Ansprüchen.
  • Seilscheiben, speziell in Kompensationssystemen für die Öl- und Gasexploration, führen auch oszillierende Bewegungen durch. Dadurch wird der Schmierstoff in den Seilscheibenlagern zwischen Wälzkörper und Lagerinnenringbord verdrängt. Trotz optimierter Schmierstoffzufuhr in einem Seilscheibenlager kann eine Mangelschmierung zustande kommen, die wiederum zu einem starken Verschleiß von Lagerinnenringborden und Wälzkörpern führen kann. Die Folge daraus ist ein vorzeitiger Ausfall der Seilscheibenlager. Begünstigt wird der Ausfall auch durch einen, durch die Oszillationsbewegung entstehenden Zustand der Mangelschmierung zwischen der Mantelfläche der Wälzkörper und den Laufbahnen der Lagerringe.
  • Die erfindungsgemäße Seilscheibenlageranordnung mit mindestens zwei Seilscheiben, wobei jede Seilscheibe mittels eines zweireihigen Seilscheibenlagers gelagert ist, weist einen Lagerinnenring mit an beiden axialen Enden ausgebildetem Bord, einen Lageraußenring, eine Vielzahl dazwischen angeordneter Wälzkörper sowie zwei Käfige, die die Wälzkörper führen, auf, wobei der Lagerinnenring auf einer Welle angeordnet ist, und zeichnet sich dadurch aus, dass die Wälzkörper und/oder der Lagerinnenring zumindest in einem Kontaktbereich, in welchem eine Stirnseite in Kontakt zu dem Lagerinnenring steht, eine Beschichtung umfassend mindestens eine amorphe Kohlenstoffschicht aufweisen.
  • Die Beschichtung besteht aus oder umfasst mindestens eine amorphe Kohlenstoffschicht. Amorphe Kohlenstoffschichten sind auch unter dem Namen Diamond-Like-Carbon-Schichten (DLC-Schichten) bekannt. Insbesondere besteht die Beschichtung aus oder umfasst die Beschichtung eine metalldotierte amorphe Kohlenstoffschicht. Durch die Wahl einer derartigen Schicht als eine die freie Oberfläche der Beschichtung bildende Schicht werden sehr günstige Lagereigenschaften erreicht.
  • Die Seilscheiben können dabei axial nebeneinander auf einer Welle und / oder radial übereinander angeordnet sein. Bei der reinen radial übereinander angeordneten Ausführung ist jede Seilscheibe auf einer Welle angeordnet. Bei der reinen axialen Anordnung der Seilscheiben hingegen ist nur eine Welle notwendig, auf der die Seilscheiben angeordnet sind. Eine Kombination aus axialer und radialer Anordnung der Seilscheiben ist ebenfalls denkbar.
  • Des Weiteren ist mindestens einer der beiden Lagerringe, vorzugsweise der Lagerinnenring, zweiteilig ausgebildet. Es ist somit auch möglich, dass der Lagerinnenring sowie der Lageraußenring zweiteilig ausgebildet sind.
  • Vorzugsweise ist lediglich die größere der beiden Stirnseiten der Wälzkörper beschichtet. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Seilscheibenlageranordnung ist die größere der beiden Stirnseiten der Wälzkörper und weiterhin die Mantelfläche der Wälzkörper beschichtet. Es ist auch möglich, dass die Flächen der Lagerringe, die mit den Wälzkörpern in Kontakt kommen, ebenfalls oder anstatt der Wälzkörper, nur im Bereich dieser Kontaktflächen mit der Beschichtung beschichtet sind. Durch die Beschichtung wird der Mangelschmierung zwischen Wälzkörper und Lagerinnenringbord sowie zwischen Wälzkörper und Laufbahnen vorgebeugt.
  • Die Beschichtung umfasst vorzugsweise eine wasserstoffhaltige amorphe Kohlenstoffschicht. Die wasserstoffhaltige amorphe Kohlenstoffschicht ist des Weiteren vorzugsweise mit geeigneten Metallen oder Nichtmetallen, wie zum Beispiel Wolfram oder Silizium, dotiert. Das bedeutet, dass die Beschichtung beispielsweise eine die freie Oberfläche der Beschichtung bildende metalldotierte wasserstoffhaltige amorphe Kohlenstoffschicht aufweist. Dadurch werden eine hohe Verschleißfestigkeit sowie ein geringer Reibkoeffizient erreicht.
  • Besonders geeignet sind die unter dem Markennamen Triondur® bekannten Schichtsysteme der Anmelderin, insbesondere das Schichtsystem Triondur® C. Bei diesem Schichtsystem ist Wolfram als Metalldotierung vorgesehen. Wolfram gehört zu den Übergangsmetallen und weist eine hohe Härte, Dichte und Festigkeit auf. Es handelt sich bei der Triondur® C-Beschichtung um eine harte, mehrlagig aufgebaute amorphe Kohlenwasserstoffschicht mit Anteilen von Wolfram und Wolframkarbiden.
  • Es werden vorzugsweise Kegelrollenlager oder Zylinderrollenlager als Seilscheibenlager verwendet. Das heißt, die Wälzkörper sind bevorzugt entweder als Kegelrollen oder als Zylinderrollen ausgebildet.
  • Des Weiteren ist es vorteilhaft, wenn die Beschichtung eine Schichtdicke von 0,2 µm bis 10 µm, insbesondere 0,5 µm bis 4 µm, aufweist. Unter Schichtdicke ist die gesamte aufgetragene Materialdicke zu verstehen, unabhängig davon, aus wie vielen verschiedenen Lagen die Beschichtung besteht.
  • Es ist allerdings zweckmäßig, wenn die Beschichtung mehrlagig aufgebaut ist. Beispielsweise weist die mehrlagige Beschichtung mindestens eine Haftvermittlungsschicht und mindestens eine Funktionsschicht auf, wobei die Haftvermittlungsschicht(en) metallhaltig ist/sind und die Funktionsschicht(en) eine wasserstoffhaltige amorphe Kohlenstoffschicht umfasst/umfassen. Die mindestens eine Haftvermittlungsschicht dient zur Verbesserung der Haftung der Beschichtung an der Oberfläche des Wälzkörpers und besteht vorzugsweise aus Metallen, deren Nitriden, Karbiden, metallhaltigen amorphen, wasserstoffhaltigen Kohlenstoffschichten oder Kombinationen daraus. Die mindestens eine Funktionsschicht, welche auf die mindestens eine Haftvermittlerschicht aufgetragen wird, hingegen besteht vorzugsweise aus einer oder mehreren amorphen wasserstoffhaltigen Kohlenstoffschichten, die wahlweise ohne Dotierung oder mit Dotierung aus Metallen oder Nichtmetallen eingesetzt wird/werden. Dabei kann ein mehrlagiger Aufbau der Funktionsschicht vorliegen.
  • Ein mehrlagiger Aufbau einer Beschichtung ist beispielsweise aus der DE 10 2007 054 181 A1 bekannt. Des Weiteren können die einzelnen Schichten der Beschichtung, wie in der DE 10 2006 029 415 A1 , Nanopartikel aufweisen.
  • Des Weiteren ist es vorteilhaft, wenn jedes Seilscheibenlager mit zwei Dichtungen ausgebildet ist. Die Dichtungen dichten die Seilscheibenlager nach außen hin ab.
  • Weitere Einzelheiten, Merkmale, Merkmalskombinationen und Wirkungen auf der Basis der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter, beispielhafter Ausführungsformen der Erfindung sowie aus den Zeichnungen. Diese zeigen in:
  • 1 eine erfindungsgemäße Seilscheibenlageranordnung im Schnittbild mit drei axial nebeneinander angeordneten Seilscheiben,
  • 2 einen stark vergrößerten Ausschnitt aus 1,
  • 3 ein weiteres Seilscheibenlager im Schnittbild, und
  • 4 eine Seilscheibenlageranordnung mit einer Kombination aus radial übereinander und axial nebeneinander angeordneten Seilscheiben.
  • In der 1 ist eine erfindungsgemäße Seilscheibenlageranordnung 1 im Schnittbild mit drei auf einer Welle 2 axial nebeneinander angeordneten Seilscheiben 3 dargestellt. Die Welle 2 dreht sich um ihre Drehachse 2a, wobei aufgrund ihrer Rotationsymmetrie lediglich eine Hälfte der Seilscheibenanordnung 1 im Schnittbild dargestellt ist. Die Seilscheibenlageranordnung 1 umfasst gemäß 1 drei Seilscheibenlager 4, mittels denen die Seilscheiben 3 auf der Welle 2 gelagert sind. Alle drei Seilscheibenlager 4 sind identisch aufgebaut und hier jeweils als zweireihiges Kegelrollenlager mit O-Anordnung ausgebildet. Die Seilscheibenlager 4 weisen jeweils einen geteilten Lagerinnenring 5, einen geteilten Lageraußenring 6, eine Vielzahl dazwischen in zwei Reihen angeordneter Wälzkörper 7 sowie zwei Käfige 14, in denen die Wälzkörper 7 geführt werden, auf. Die Lagerinnenringe 5 weisen an beiden axialen Enden jeweils einen Lagerinnenringbord 8 auf. Die drei geteilten Lagerinnenringe 5 sind axial nebeneinander auf der Welle 2 angeordnet. Die zweiteiligen Lageraußenringe 6 stehen jeweils mit einer Seilscheibe 3 in direktem Kontakt. Die zwischen Lagerinnenring 5 und Lageraußenring 6 abrollenden Wälzkörper 7 sind als Kegelrollen ausgebildet. Die Wälzkörper 7 weisen jeweils eine Mantelflächen 10, eine größere Stirnseite 9 und eine kleinere Stirnseite 9´ auf, wobei die größeren Stirnseiten 9 mittels einer kohlenstoffhaltigen Beschichtung 11 (siehe 2) beschichtet sind.
  • In der 2 ist ein stark vergrößerter Ausschnitt der 1 dargestellt. Gleiche Bezugszeichen wie in 1 kennzeichnen gleiche Elemente. Dieser Ausschnitt zeigt einen Teil des Lagerinnenringbords 8 und einen Teil eines Wälzkörpers 7. Des Weiteren ist hier eine mehrlagig aufgebaute Beschichtung 11, die auf der größeren Stirnseite 9 des Wälzkörpers 7 aufgebracht ist, dargestellt. Die Beschichtung 11 umfasst eine Haftvermittlungsschicht 12, die direkt auf den Wälzkörper 7 aufgetragen ist, und weist einen Gradientenwerkstoff aus Chrom (Cr) / Wolframkarbid (WC) auf. Die Beschichtung 11 umfasst weiterhin eine Funktionsschicht 13, welche direkt auf der Haftvermittlungsschicht 12 aufgebracht ist. Die Funktionsschicht 13 besteht aus einer mehrlagigen wasserstoffhaltigen amorphen Kohlenstoffschicht (angedeutet durch die gestrichelte Linie), die mit Wolfram dotiert ist. Des Weiteren beträgt die Schichtdicke DS der Beschichtung 11 hier insgesamt 3 µm.
  • In der 3 ist ein weiteres beispielhaftes Seilscheibenlager 4 vergrößert im Schnittbild dargestellt. Gleiche Bezugszeichen wie in 1 kennzeichnen gleiche Elemente. Auch hier ist aufgrund der Rotationssymmetrie lediglich eine Hälfte des Seilscheibenlagers 4 dargestellt. Dieses Seilscheibenlager 4 ist ebenfalls als Kegelrollenlager ausgebildet, wobei im Unterschied zu in 1 dargestellte Kegelrollenlager, der Lageraußenring 6 einteilig ausgebildet ist. Des Weiteren sind in diesem Ausführungsbeispiel eines Seilscheibenlagers 4 die Lagerringe 5, 6 partiell mit einer Beschichtung 11 beschichtet. Dabei sind nur die Flächen des Lagerinnenrings 5 beschichtet, die in Kontakt mit der größeren Stirnseite 9 der Wälzkörper 7 kommen. Es sind des Weiteren zwei Dichtungen 15 am Seilscheibenlager 4 angeordnet, die das Seilscheibenlager 4 nach außen hin abdichten.
  • In der 4 ist eine erfindungsgemäße Seilscheibenlageranordnung 1 mit einer Kombination aus radial übereinander und axial nebeneinander angeordneten Seilscheiben 3 dargestellt. Diese Figur zeigt sehr schematisch den Aufbau eines Kompensationssystems für Öl- und Gasplattformen beziehungsweise für Schiffe. Seitlich sind jeweils zwei Seilscheiben 3 radial übereinander angeordnet. Jede der Seilscheiben 3 ist über ein Seilscheibenlager 4 auf einer Welle 2 gelagert. Oberhalb der vier Seilscheiben 3 sind mittig zwischen den vier seitlichen Seilscheiben 3 mehrere Seilscheiben 3 auf einer Welle 2 axial nebeneinander angeordnet. Die Wälzkörper 7 der Seilscheibenlager 4 sind dabei mit einer wie in 2 beschriebenen Beschichtung 11 versehen.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Seilscheibenlageranordnung
    2
    Welle
    2a
    Drehachse der Welle
    3
    Seilscheibe
    4
    Seilscheibenlager
    5
    Lagerinnenring
    6
    Lageraußenring
    7
    Wälzkörper
    8
    Lagerinnenringbord
    9, 9´
    Stirnseiten eines Wälzkörpers
    10
    Mantelfläche eines Wälzkörpers
    11
    Beschichtung
    12
    Haftvermittlungsschicht
    13
    Funktionsschicht
    14
    Käfig
    15
    Dichtung
    DS
    Schichtdicke der Beschichtung
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
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Claims (9)

  1. Seilscheibenlageranordnung (1) mit mindestens zwei Seilscheiben (3), wobei jede Seilscheibe (3) mittels eines zweireihigen Seilscheibenlagers (4) gelagert ist, das einen Lagerinnenring (5) mit an jedem seiner beiden axialen Enden ausgebildeten Bord (8), einen Lageraußenring (6), eine Vielzahl dazwischen angeordneter Wälzkörper (7) umfassend zwei Stirnseiten und weiterhin zwei Käfige (14), die die Wälzkörper (7) führen, aufweist, wobei der Lagerinnenring (5) auf einer Welle (2) angeordnet ist, und wobei die Wälzkörper (7) und/oder der Lagerinnenring (5) zumindest in einem Kontaktbereich, in welchem eine Stirnseite (9, 9´) in Kontakt zu dem Lagerinnenring (5) steht, eine Beschichtung (11) umfassend eine amorphe Kohlenstoffschicht aufweisen.
  2. Seilscheibenlageranordung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (11) eine wasserstoffhaltige amorphe Kohlenstoffschicht aufweist, die mit mindestens einem Metall dotiert ist.
  3. Seilscheibenlageranordung (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die amorphe Kohlenstoffschicht als Metalldotierung Wolfram vorgesehen ist.
  4. Seilscheibenlageranordung (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wälzkörper (7) der Seilscheibenlager (4) als Kegelrollen ausgebildet sind.
  5. Seilscheibenlageranordung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Wälzkörper (7) der Seilscheibenlager (4) als Zylinderrollen ausgebildet sind.
  6. Seilscheibenlageranordung (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (11) eine Schichtdicke (DS) von 0,2 µm bis 10 µm, insbesondere 0,5 µm bis 4 µm, aufweist.
  7. Seilscheibenlageranordung (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (11) mehrlagig aufgebaut ist.
  8. Seilscheibenlageranordung (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die mehrlagige Beschichtung (11) mindestens eine Haftvermittlungsschicht (12) und mindestens eine Funktionsschicht (13) aufweist, wobei die mindestens eine Haftvermittlungsschicht (12) metallhaltig ist und die Funktionsschicht (13) mindestens eine wasserstoffhaltige amorphe Kohlenstoffschicht umfasst.
  9. Seilscheibenlageranordung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Seilscheibenlager (4) mit zwei Dichtungen (15) ausgebildet ist.
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