DE102017102577A1

DE102017102577A1 - Wälzlager

Info

Publication number: DE102017102577A1
Application number: DE102017102577.4A
Authority: DE
Inventors: Michael Pausch; Tobias Hock; Jürgen Hilbinger
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2016-11-10
Filing date: 2017-02-09
Publication date: 2018-05-17

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Wälzlager (01) umfassend einen Außenring (02) mit einer Außenlaufbahn und einen Innenring (03) mit einer Innenlaufbahn. Zwischen dem Außen- und dem Innenring (02, 03) sind an der Außenlaufbahn und der Innenlaufbahn abrollende Wälzkörper (04) angeordnet. Weiterhin umfasst das Wälzlager (01) einen Käfig (05) mit mehreren über seinen Umfang verteilten Taschen (06), die zur Aufnahme der Wälzkörper (01) ausgebildet sind. Jede Tasche (06) weist mindestens eine Fläche (09) auf, die beim Wälzvorgang mit den Wälzkörpern (04) in Kontakt tritt.Erfindungsgemäß ist jede dieser Flächen (09) mit einer Oberflächenstrukturierung (10) mit gegenüber der Oberfläche vertieften und zur Oberfläche geöffneten Bereichen ausgebildet, um ein Schmierstoffreservoir zu bilden.

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Wälzlager mit einem Käfig. Das Wälzlager kann insbesondere als Spindellager ausgebildet sein, welches als Hochgenauigkeitslager Verwendung findet.
Hintergrund der Erfindung
Schnelldrehende Wälzlager, die insbesondere als Hochgenauigkeitslager eingesetzt werden, umfassen einen Außenring und einen Innenring mit entsprechenden Laufbahnen. Zwischen der Innenringlaufbahn und der Außenringlaufbahn sind Wälzkörper in einem Käfig angeordnet. Käfige dienen bei Wälzlagern bekanntlich zur Führung der Wälzkörper und sorgen dafür, dass sich die Wälzkörper untereinander nicht berühren oder gegenläufig aneinander reiben. Sie gewährleisten durch eine gleichmäßige Verteilung der Wälzkörper im Lager die Lastverteilung.
Weitere Anforderungen an einen Käfig sind gute Laufeigenschaften bei hoher Fliehkraftbelastung und thermischer Einwirkung infolge hoher Drehzahlen. So sind in der DE 10 2011 014 078 A1 außenbordgeführte Lagerkäfige für schnelldrehende Wälzlager beschrieben. Für einen störungsfreien Betrieb ist der Lagerkäfig so ausgelegt, dass sich das Spiel zwischen Lagerkäfig und Außenbord im zulässigen Bereich durch thermische bzw. fliehkraftbedingte Einflüsse verringert. Dazu ist die Außenkontur des Käfigs polygonförmig gestaltet. Zusätzliche Gewichte am Käfig steuern die fliehkraftbedingte Aufweitung. Die Verstärkung mit Fasermaterial, welches einen hohen E-Modul und eine geringe thermische Ausdehnung aufweist, minimiert thermische Einflüsse.
Eine effiziente Schmierung durch einen Fett- oder Öl-Luft-Strom minimiert unerwünschte Reibung und verbessert somit die Laufeigenschaften von Wälzlagern. Die DE 10 2008 047 268 A1 beschreibt verbesserte Strömungseigenschaften bei mediengeschmierten Wälzlagern durch einen Käfig für Wälzlager, der zwischen den Wälzkörpertaschen Stege aufweist, auf denen Erhebungsbereiche ausgebildet sind, die von der Oberfläche des Steges hervorstehen.
Die DE 10 2015 224 645 A1 beschreibt einen Käfig, bei dem durch eine ungleichmäßige Führung von Wälzkörpern, insbesondere Kugeln, um eine Käfigmittelachse auftretender Verschleiß vermieden werden soll, indem die Winkelabstände zwischen einer fest definierten Anzahl von acht Käfigtaschen unterschiedlich groß gestaltet sind und um bis zu 8,1 Grad variieren. Der auftretende Verschleiß wird beispielsweise durch Laufgeräusche erkennbar, die durch einen langandauernden Betrieb bei gleicher Drehzahl und Frequenz maximiert werden. Zudem können Laufgeräusche durch Eigenfrequenzen des Lagers oder angrenzender Körper verstärkt werden.
Die DE 10 2009 039 719 A1 beschreibt ein Lager aus Kunststoff, dass für eine robuste und einfache Montage kalottenförmige Ausnehmungen in dem Bereich der Taschen aufweist, der nicht benachbart zu weiteren Taschen angeordnet ist.
Die DE 10 2009 048 952 A1 betrifft ein Lager mit einem außenbordgeführten Käfig, dessen Lagerringe als Führungsflächen ausgebildet sind und eine Oberflächenstrukturierung zur Speicherung von Schmierstoffen aufweisen.
Aus dem Stand der Technik sind bisher Wälzlager bekannt, die entweder hinsichtlich ihrer Laufgeräusche oder ihrer tribologischen Eigenschaften Nachteile aufzeigen. Insbesondere bei Wälzlagern mit bordgeführten Käfigen treten unerwünschte Laufgeräusche auf. Der Betrieb von Wälzlagern mit wälzkörpergeführten Käfigen bei hohen Drehzahlen führt durch ungünstige tribologische Eigenschaften zu höherem Verschleiß.
Aufgabe der Erfindung
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht ausgehend vom Stand der Technik darin, ein Wälzlager mit einem Käfig zur Verfügung zu stellen, das ein geräuscharmes Laufverhalten zeigt, bei hohen Drehzahl betreibbar ist und einen geringen Verschleiß aufweist. Das Wälzlager soll außerdem einfach herzustellen sein.
Beschreibung der Erfindung
Erfindungsgemäß erfolgt die Lösung der Aufgabe durch ein Wälzlager gemäß dem beigefügten Anspruch 1.
Das erfindungsgemäße Wälzlager umfasst einen Außenring mit einer Außenlaufbahn und einen Innenring mit einer Innenlaufbahn. Zwischen Außen- und Innenring sind Wälzkörper angeordnet, welche an der Außenlaufbahn und der Innenlaufbahn abrollen. Die Wälzkörper befinden sich in einem Käfig mit mehreren über seinen Umfang verteilten Taschen zur Aufnahme und Beabstandung der Wälzkörper. Die Wälzkörper sind bevorzugt als Kugeln ausgebildet, können aber auch in anderer Weise geformt sein. Jede der Taschen ist als eine Durchgangsöffnung ausgebildet und durch Taschenwände begrenzt. Erfindungswesentlich ist, dass mindestens eine beim Wälzvorgang mit den Wälzkörpern in Kontakt tretende Fläche jeder Tasche eine Oberflächenstrukturierung aufweist. Oberflächenstrukturierung im Sinne der Erfindung bedeutet, dass es Bereiche gibt, die gegenüber der Oberfläche vertieft bzw. erhöht ausgebildet sind, wobei in der Oberfläche befindliche offene Abschnitte ausgebildet sind, in welche Schmierstoff eingelagert werden kann. Die Oberflächenstrukturierung stellt somit in den Wandbereichen der Taschen, die mit den Wälzkörpern in Berührung kommen kleine Öffnungen oder Poren bereit, die als Schmiermittelreservoire dienen, da sich der in das Wälzlager eingebrachte Schmierstoff in diesen Poren einlagert und bei betriebsbedingtem Verbrauch von Schmierstoff auch wieder abgegeben werden kann.
In einer bevorzugten Ausführungsform des Wälzlagers ist der Käfig wälzkörpergeführt ausgebildet. Dafür weist der Käfig in jeder der Taschen mindesten eine in Richtung der Wälzkörper erhabene Führungsnase auf. Die Führungsnasen liegen in einer nicht den Mittelpunkt des Wälzlagers schneidenden Meridianebene. Die Führungsnasen berühren den Wälzkörper in mindestens einem Punkt bzw. entlang einer Linie, die bevorzugt in einer den Mittelpunkt des Wälzlagers nicht schneidenden Meridianebene liegt. Die Führungsnasen sind einstückig und abschnittsweise an der Taschenwand angeformt. Die Führungsnasen erstrecken sich bevorzugt in Richtung des Innenringes. Der Abstand zwischen Führungsnase und Innenring ist bevorzugt kleiner als der Abstand zwischen Führungsnase und Außenring.
Ein wesentlicher Vorteil von Wälzlagern mit wälzkörpergeführtem Käfig besteht in deren geräuscharmen Verhalten im Betrieb, weshalb solche Lager bevorzugt als Hochgenauigkeitslager bei hohen Drehzahlen betrieben werden. Die erfindungsgemäße Gestaltung führt zu verbesserten Standzeiten.
Das erfindungsgemäße Wälzlager, das bevorzugt als Spindelkugellager ausgebildet ist, hat den Vorteil, dass ein wälzköpergeführter Käfig zur Anwendung kommt, der bei hohen Drehzahlen nur einem geringeren Verschleiß unterliegt. Der Käfig ist bevorzugt als Kunststoffkäfig ausgebildet, auf dessen Taschenwänden die Oberflächenstrukturierung ausgebildet ist. Durch die Oberflächenstrukturierung der Taschen des Käfigs werden Schmiermittelreservoirs im Wälzlager ausgebildet, die eine dauerhafte und gleichmäßige Schmierung der Wälzkörper realisieren. Die Schmierung der Wälzkörper kann die Lebensdauer des Wälzlagers insgesamt im schnelldrehenden Betrieb erhöhen.
In einer bevorzugten Ausführungsform des Wälzlagers weisen die Taschen bzw. die Taschenwand des Käfigs vertiefte bzw. erhöhte Bereiche auf, die mit einer definierten Form ausgebildet sind. Die Form der Vielzahl der durch die Strukturierung bereitgestellten Schmiermittelreservoire entspricht bevorzugt einer Nut, einem Tetraeder, einer Kalotte, einem Tropfen bzw. einer Pyramide. Zur Bildung der Oberflächenstrukturierung sind weitere Formen nicht ausgeschlossen.
Die bevorzugt geometrisch definierten Formen zur Oberflächenstrukturierung werden vorzugsweise durch Vorgänge nach der eigentlichen Herstellung des Käfigs auf dessen Oberfläche erzeugt. Hierzu dienen Verfahren wie abrasives oder oberflächendeformierendes Strahlen, z. B. Sandstrahlen, Kugelstrahlen oder Wasserstrahlen, die Oberflächenbehandlung mit Laserstrahlen, wodurch ein Eindampfen oder Einschmelzen von Material erreichbar ist, oder das Gravieren als Variante eines spanenden Verfahrens. Alternativ kann ein Beschichten der Oberfläche erfolgen, um abschnittsweise erhöhte Bereiche zu schaffen, zwischen denen dann Vertiefungen verbleiben, die als Schmiermittelreservoir dienen.
Die Oberfläche kann auch durch hier nicht genannte Vorgänge nachbehandelt werden, die zu einer Oberflächenstrukturierung im Sinne der Erfindung führen. Ebenso ist die Oberflächenstrukturierung direkt während der Herstellung des Käfigs erzeugbar, beispielsweise durch Verwendung einer abschnittsweise strukturierten Werkzeugoberfläche beim Spritzgießen des Käfigs. Ein weiteres Verfahren zur Oberflächenstrukturierung während der Formgebung des Käfigs bilden generative Herstellungsverfahren, bei denen die Oberflächenstruktur unmittelbar porös ausgebildet werden kann.
In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wälzlagers beträgt die maximale Ausdehnung der Tiefe bei vertieften Bereichen gegenüber der Oberfläche weniger als einen Millimeter. Weiterhin beträgt die maximale Ausdehnung der Höhe bei erhöhten Bereichen weniger als einen Millimeter. Die vertieften bzw. erhöhten Bereiche besitzen eine flächenmäßige Ausdehnung von weniger als einem Millimeter in sämtlichen Richtungen.
Der Käfig des erfindungsgemäßen Wälzlagers ist bevorzugt aus Kunststoff mittels eines Spritzgießverfahren oder durch generative Verfahren, wie beispielsweise 3D-Druck herstellbar. Das Wälzlager ist bevorzugt als ein Hochgenauigkeitslager, insbesondere als ein Spindelkugellager ausgebildet.
Figurenliste
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung sowie deren Vorteile und Einzelheiten wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen:

1 einen Ausschnitt eines erfindungsgemäßen Wälzlagers in einer Schnittansicht;
2 eine Ansicht des Wälzlagers entlang einer achsparallelen Schnittebene mit einer zugehörigen Detailansicht einer Oberflächenstrukturierung im Bereich einer Tasche eines Käfigs.

Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt einen Ausschnitt eines erfindungsgemäßen Wälzlagers 01 als Schnittansicht entlang einer senkrecht zur Lagerachse stehenden Schnittebene. Das Wälzlager 01 ist vorzugsweise als Spindelkugellager ausgebildet. Es umfasst einen Außenring 02 mit einer Außenlaufbahn und einen Innenring 03 mit einer Innenlaufbahn. Zwischen Außen- und Innenring 02, 03 sind mehrere Wälzkörper 04 angeordnet, welche auf der Außenlaufbahn und der Innenlaufbahn abrollen. Wie 1 entnommen werden kann, sind die Wälzkörper 04 beispielsweise als Kugeln ausgebildet.
Die Wälzkörper 04 sind von einem Kä05 geführt und gehalten. Der Kä05 erstreckt sich entlang der Umlaufbahn im Wälzlager 01 und besteht bevorzugt aus Kunststoff. Der Kä05 ist wälzkörpergeführt ausgebildet. Entlang der Umlaufbahn des Wälzlagers 01 sind mehrere Taschen 06 in Form von Durchgangsöffnungen im Kä05 ausgebildet, die durch Taschenwände 07 begrenzt sind. In jeder der Taschen 06 ist ein Wälzkörper 04 angeordnet. Jede Taschenwand 07 weist zur Führung der Wälzkörper 04 erhabene Führungsnasen 08 auf, die sich in Richtung zum Wälzkörper 04 erstrecken. Die Führungsnasen 08 sind einstückig am Kä05 angeformt und liegen in einer nicht den Mittelpunkt des Wälzkörpers 04 schneidenden Meridianebene. Die Führungsnasen 08 sind vorzugsweise in einem kleineren Abstand zum Innenring 03 im Vergleich zu einem größeren Abstand zum Außenring 02 angeordnet. Die Führungsnase 08 ist in Richtung zum Innenring 03 geneigt.
2 zeigt in der linken Abbildung eine Ansicht des Wälzlagers entlang einer achsparallelen Schnittebene und in der rechten Abbildung eine Detailansicht im Bereich der Taschenwand 07 des Käfigs 05. Ein Bereich der Innenfläche der Taschenwand 07 des Käfigs 05 bildet eine beim Wälzvorgang mit den Wälzkörpern 04 kontaktierende Fläche 09. Die Fläche 09 erstreckt sich über Abschnitte der Taschenwand 07 und ggf. auch über Abschnitte der Führungsnase 08 und weist eine Oberflächenstrukturierung 10 in der Art einer Porosität auf. Die Oberflächenstrukturierung 10 ist durch vertiefte bzw. erhöhte Bereiche gegenüber der Oberfläche der Taschenwand 07 gebildet. Weiterhin weist die Oberflächenstrukturierung 10 einen zur Oberfläche der Tasche 06 geöffneten Bereich auf. Es ist beispielhaft gezeigt, dass die Oberflächenstrukturierung 10 die Form von Waben aufweist. Weitere geometrische Formen der Oberflächenstrukturierung, wie beispielsweise Nuten, Tetraeder, Kalotten, Tropfen oder Pyramiden sind nicht ausgeschlossen. Solche geometrischen Formen der Oberflächenstrukturierung 10 werden durch Vorgänge während oder nach der Herstellung des Käfigs 05 erzeugt. Durch die derart ausgebildete Oberflächenstrukturierung 10 wird ein Schmierstoffreservoir bereitgestellt, in welchem Schmierstoff eingelagert wird.
Bezugszeichenliste

01: Wälzlager
02: Außenring
03: Innenring
04: Wälzkörper
05: Käfig
06: Tasche
07: Taschenwand
08: Führungsnase
09: kontaktierende Fläche
10: Oberflächenstrukturierung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102011014078 A1 [0003]
DE 102008047268 A1 [0004]
DE 102015224645 A1 [0005]
DE 102009039719 A1 [0006]
DE 102009048952 A1 [0007]

Claims

Wälzlager (01), umfassend einen Außenring (02) mit einer Außenlaufbahn, einen Innenring (03) mit einer Innenlaufbahn, zwischen Außen- und Innenring (02, 03) angeordnete und an der Außenlaufbahn und Innlaufbahn abrollende Wälzköper (04), sowie einen Käfig (05) mit mehreren über seinen Umfang verteilten Taschen (06) zur Aufnahme der Wälzkörper (01), wobei jede der Taschen (06) als Durchgangsöffnung ausgebildet ist, die durch Taschenwände (07) begrenzt ist, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine beim Wälzvorgang mit den Wälzkörpern (04) in Kontakt tretende Fläche (09) jeder Taschenwand (07) eine Oberflächenstrukturierung (10) mit gegenüber der Oberfläche vertieften und zur Oberfläche geöffneten Bereichen aufweist.
Wälzlager (01) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Käfig (05) wälzkörpergeführt ausgebildet ist, wobei in jeder der Taschen (06) mindestens eine in Richtung der Wälzkörper (04) erhabene Führungsnase (08) ausgebildet ist, die in einer nicht den Mittelpunkt des Wälzkörpers (04) schneidenden Meridianebene liegt.
Wälzlager (01) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die vertieften Bereiche der Oberflächenstrukturierung (10) in den Taschen (06) mindestens teilweise mit Schmierstoff gefüllt sind und bevorzugt eine Form aufweisen, die ausgewählt ist aus der Gruppe Nut, Tetraeder, Kalotte, Tropfen oder Pyramide.
Wälzlager (01) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenstrukturierung (10) der Taschen (06) erzeugt ist durch ein Strukturierungsvorgang, der nach der Herstellung des Käfigs (05) ausgeführt wurde, insbesondere durch abrasives oder oberflächendeformierendes Strahlen, Laserbestrahlung oder Gravieren der Oberfläche.
Wälzlager (01) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenstrukturierung (10) der Taschen (06) außerdem gegenüber der Oberfläche der Taschen (06) erhöhte Bereiche aufweist, die durch eine der Herstellung des Käfigs (05) nachgelagerte Beschichtung der Oberfläche erzeugt sind.
Wälzlager (01) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenstrukturierung (10) in den Taschen (06) während der Formgebung oder dem generativen Aufbau des Käfigs (05) als eine poröse Oberfläche erzeugt ist.
Wälzlager (01) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die maximale Ausdehnung der Tiefe bzw. Höhe von vertieften bzw. erhöhten Bereichen gegenüber der Oberfläche weniger als einen Millimeter beträgt.
Wälzlager (01) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass jeder der vertieften bzw. erhöhten Bereiche eine Ausdehnung von weniger als einem Millimeter besitzt.
Wälzlager (01) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Käfig (05) durch Spritzgießen oder durch generative Verfahren, wie beispielsweise 3D-Druck, aus Kunststoff hergestellt ist.
Wälzlager (01) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass es als ein Hochgenauigkeitslager, insbesondere als ein Spindelkugellager ausgebildet ist.