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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Wälzlageranordnung mit einem Außenring und einem zumindest teilweise innerhalb des Außenrings gelagerten Innenring, wobei der Außenring und der Innenring um eine Drehachse relativ zueinander drehbar sind, wobei zwischen dem Außenring und dem Innenring eine Mehrzahl von Wälzkörpern angeordnet sind, wobei der Außenring und/oder der Innenring mindestens einen Laufdraht mit einer Laufbahnseite aufweisen, auf der die Wälzkörper abrollen.
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Aus dem Stand der Technik sind Ausführungsformen von Wälzlageranordnungen bekannt, bei denen die Laufbahnkörper direkt von Außenring und Innenring gebildet werden. Die Lagerringe weisen dabei jeweils bezüglich der Drehachse rotationssymmetrische Funktionsflächen auf, auf denen die Wälzkörper abrollen. Diese Laufflächen besitzen dabei quer zur Laufrichtung entweder ein geradliniges Profil oder erzeugen durch ein konkav gekrümmtes Profil eine Schmiegung zwischen Laufbahn und Wälzkörper.
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Um die Materialeigenschaften der Laufbahn unabhängig von der Beschaffenheit der Lagerringe gestalten zu können und darüber hinaus die Laufbahnkörper erneuern zu können, ohne die Lagerringe als Ganzes austauschen zu müssen, sind zum Beispiel aus der Druckschrift
DE 10 2008 035 003 A1 Laufdrähte bekannt, mit denen die Lagerringe ausgestattet werden und auf denen die Wälzkörper abrollen. Üblicherweise werden diese Laufdrähte aus gezogenem Flachmaterial hergestellt und weisen auf der Laufbahnseite ein gerades bzw. ebenes Profil auf. Bedingt durch Form und Anordnung kommt es dabei bei der Belastung durch die Wälzkörper zu Spannungsspitzen an den Rändern der Drähte.
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Ein analoges Phänomen ist die Konzentration von Spannung an den Enden von Zylinderrollen, die auf Laufbahnen mit geradlinigem bzw. ebenem Profil abrollen. Aus dem Stand der Technik sind dazu spezielle Ausgestaltungen der Wälzkörperform bekannt, die das Kontaktverhalten zwischen Wälzkörper und Laufbahn so verändern, dass sich ein möglichst flacher Spannungsverlauf ohne Spitzen ergibt. Im Gegensatz zum geradlinigen Profil von Zylinderrollen werden dazu die Wälzkörper ballig ausgestaltet, so dass durch die Verjüngung zu den Enden des Wälzkörpers hin die entsprechenden Randbereiche entlastet und die Spannung zum Mittelbereich hin verlagert wird. Eine optimierte Form ist dabei zum Beispiel das in DIN 26281 beschriebene logarithmische Wälzkörperprofil, dessen Verlauf so konstruiert ist, dass sich unter Belastung ein in axialer Richtung gleichförmiger Spannungsverlauf ausbildet.
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Offenbarung der Erfindung
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die bei den aus dem Stand der Technik bekannten Laufdrähten auftretenden Spannungsspitzen zu vermeiden und einen gleichmäßigen Spannungsverlauf zu gewährleisten.
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Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Wälzlageranordnung mit einem Außenring und einem zumindest teilweise innerhalb des Außenrings gelagerten Innenring, wobei der Außenring und der Innenring um eine Drehachse relativ zueinander drehbar sind, wobei zwischen dem Außenring und dem Innenring mindestens ein Wälzlager angeordnet ist, wobei der Außenring und/oder der Innenring mit mindestens einem Laufdraht versehen ist, auf dem die Wälzkörper abrollen, wobei der Laufdraht ferner im unbelasteten Zustand zumindest auf der Laufbahnseite ein balliges Profil aufweist.
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Erfindungsgemäß ist aufgrund der balligen Form der Kontakt zwischen Wälzkörper und Laufdraht im Zustand geringer Belastung im Wesentlichen punkt- oder linienförmig, wodurch sich beim Abrollen ein günstiges Reibungsverhalten ergibt. Bei erhöhter Belastung vergrößert sich dieser zunächst punkt- oder linienförmige Kontakt durch die elastische Einfederung des Wälzkörpers in den Laufdraht zu einer flächigen Kontaktzone. Dadurch verteilt sich die Belastung auf einen größeren Bereich und erzeugt im Material einen durch die Kontaktzone bestimmten Spannungsverlauf. Die Pressung ist dabei zur Mitte des Kontaktbereichs hin am größten und fällt nach außen hin ab, wodurch sich ein allgemein günstigerer Spannungsverlauf ergibt und die Spannungsspitzen im Bereich der Ränder vermieden werden.
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Im Folgenden wird durchgehend die Bezeichnung „Laufdraht“ verwendet, wodurch sich jedoch keine Einschränkung der Ausgestaltung ergibt und der Fachmann in der Lage ist, die beschriebenen Merkmale auf allgemeinere Ausführungsformen des Laufbahnkörpers zu übertragen. Im Sinne der vorliegenden Erfindung ist daher der Laufdraht ganz allgemein ein Körper, der sich an einen Lagerring anlegen lässt und dadurch auf dem gesamten Umfang eine Lauffläche für einen Wälzkörper bereitstellt.
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Die sich unter Belastung ausbildende Kontaktfläche und der zugehörige Spannungsverlauf zwischen zwei Körpern sind allgemein gesprochen neben den elastischen Eigenschaften in erster Linie durch die geometrische Form der beiden Körper im Bereich des Kontakts bestimmt. In der die Erfindung betreffenden Situation sind das die Krümmungsradien von Wälzkörper und Laufdraht. Während die Krümmung des am Lager anliegenden Laufdrahts in Abrollrichtung durch den Radius des Lagers vorgegeben ist, ist die Krümmung quer zur Rollrichtung durch die erfindungsgemäße Balligkeit gegeben, so dass über eine geeignete Wahl dieser Balligkeit die Form und Ausdehnung der sich daraus ergebenden Kontaktzone beeinflusst werden kann. Eine stärkere Krümmung des Laufdrahtprofils führt dabei quer zur Abrollrichtung zu einer schmaleren Kontaktzone und damit einhergehend zu einer stärkeren Konzentration der Flächenspannung. Werden im Kontaktbereich nicht nur Kräfte senkrecht zur Kontaktfläche übertragen, sondern wirken zusätzlich auch tangentiale Kräfte zwischen Laufdraht und Wälzkörper, zum Beispiel aufgrund von Reibung, dann ergeben sich Scherspannungen in beiden Körpern, die bei der Optimierung des Laufdrahtprofils berücksichtigt werden sollten.
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Die Ausbildung der Kontaktzone unter Belastung und die resultierende Verteilung der Spannung kann erfindungsgemäß durch das Profil des Laufdrahts beeinflusst werden. Dabei ist es erfindungsgemäß bevorzugt, dass sich die Gestaltung des Profils an den spezifischen Anforderungen der technischen Anwendungssituation orientiert. Für den Zusammenhang zwischen der Form zweier sich berührender Körper und dem zugehörigen Kontakt- und Spannungsverhalten sind dem Fachmann Berechnungsverfahren bekannt, die es erlauben, die Eignung einer gewählten Balligkeit im konkreten Anwendungsfall zu überprüfen. Neben dem genannten Kontaktverhalten können dabei auch andere Erwägungen in die Gestaltung mit einbezogen werden, wie zum Beispiel, dass die durch den Laufdraht bzw. die Laufdrähte gebildete Laufbahn mögliche Schiefstellungen des Wälzkörpers ausgleicht oder abfängt.
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Erfindungsgemäß bevorzugt kann die Balligkeit des Laufdrahts auch so gewählt werden, dass sie im unbelasteten Zustand einem logarithmischen Profil entspricht, bei dem die Verjüngung des Profils in Abhängigkeit von der Position x in Querrichtung zum Draht durch die Beziehung
gegeben ist. Dabei ist D
we die maximale Dicke und L
we die effektive Breite des Laufdrahts. Der Logarithmuskoeffizient c bestimmt dabei bei vorgegebenem D
we und L
we die Balligkeit des Profils, wobei größere Werte von c einer größeren Balligkeit entsprechen. Die Profilfunktion ist dem Fachmann grundsätzlich aus der DIN-Norm 26281 bekannt, wo D
we und L
we den Durchmesser und die effektive Länge des Wälzkörpers bezeichnen. Bei Wälzkörpern ergibt sich mit den in der DIN-Norm angegebenen Referenzwerten für den Logarithmuskoeffizienten ein besonders günstiges Profil. Für das Profil eines erfindungsgemäßen Laufdrahts lassen sich diese Referenzwerte als Orientierungshilfen benutzen, wobei der Logarithmuskoeffizient aber grundsätzlich den Anforderungen der jeweiligen Verwendung entsprechend angepasst werden kann.
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Erfindungsgemäß ist es insbesondere auch möglich, dass das Profil des Laufdrahts asymmetrisch bezüglich der Mittelachse ausgestaltet ist. Dadurch ist es vorteilhaft möglich, zum Beispiel eine asymmetrische Form des Wälzkörpers aufzunehmen oder asymmetrische Belastungsverhältnisse auszugleichen. Die Form der Asymmetrie richtet sich hierbei nach den Erfordernissen, die durch die Wälzkörperform und die Belastungsverhältnisse gegeben sind.
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Der Laufdraht wird neben dem Drahtrücken und der Laufbahnseite von zwei Seitenflächen begrenzt, die im Falle eines symmetrischen Profils dieselbe Höhe aufweisen. In bestimmten Anwendungsfällen kann es jedoch erfindungsgemäß vorteilhaft sein, dass die Höhen der Seitenflächen unterschiedlich gewählt werden. Dadurch entsteht eine Neigung der durch die Laufbahnseite des Drahts bereitgestellten Laufbahn gegenüber der Fläche des Lagerrings, an der der Laufdraht anliegt. Eine solche Situation kann beispielsweise dann gegeben sein, wenn es einerseits aus fertigungstechnischen oder anderen Gründen einfacher ist, eine solche Fläche zur Aufnahme des Drahts im Wesentlichen parallel zur Drehachse herzustellen, es aber andererseits vorgesehen ist, dass der Wälzkörper zum Beispiel aufgrund eines bevorzugten Druckwinkels auf einer dazu schräg verlaufenden Fläche abrollen soll. Denkbar ist ebenfalls, dass sich durch einen derartig gestalteten Laufdraht auf einer Zylinderfläche eine Laufbahn für einen kegelförmigen Wälzkörper bilden lässt, bei der die für das Abrollen der Kegelform erforderliche Neigung der Laufbahn gegenüber der Zylinderfläche durch den Laufdraht bereitgestellt wird. Ein weiterer Anwendungsfall könnte dadurch gegeben sein, dass die Laufbahn von mehreren, nebeneinander liegenden Laufdrähten gebildet wird und die, den äußeren Rand dieser Laufbahn bildenden Laufdrähte vorteilhafterweise eine ansteigende Keilform bilden, die eine Führung des abrollenden Wälzkörpers erlaubt.
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Erfindungsgemäß bevorzugt ist es möglich, dass die Laufbahn von mehreren, nebeneinander liegenden Laufdrähten gebildet wird. Dadurch wird in einfacher Weise eine größere Lauffläche zur Verfügung gestellt, ohne dass dafür entsprechend breite Laufdrähte hergestellt werden müssen. Zudem wird dadurch eine größere Flexibilität erreicht, die Form und Beschaffenheit der Laufbahn zu gestalten. Unter entsprechenden Umständen ist darüber hinaus die Anbringung mehrerer paralleler Laufdrähte gegenüber einem einzigen größeren Laufdraht einfacher durchzuführen. Eine aus mehreren nebeneinander liegenden Laufdrähten gebildete Laufbahn weist darüber hinaus gegenüber einer einteiligen Laufbahn ein verändertes Verhalten in Bezug auf Spannung- und Schwingungsübertragung auf, das in diesen Ausführungsformen vorteilhaft ausgenutzt werden kann.
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Erfindungsgemäß ist es so möglich, durch nebeneinander liegende, ballige Laufdrähte ein allgemeineres Laufbahnprofil zur Verfügung zu stellen, das konvexe und konkave Bereiche enthält. Dadurch entstehen zwischen dem Wälzkörper und der Laufbahn mehrere räumlich getrennte Kontaktzonen oder es bilden sich mit zunehmender Belastung zusätzliche Kontaktzonen aus, die bei hoher Belastung auch zu einem einzigen zusammenhängenden Bereich zusammenwachsen können. Dadurch ist es vorteilhaft möglich, dass die Belastung räumlich ausgedehnt auf die Laufbahn verteilt wird, ohne dass durch eine große Kontaktfläche die Reibung übermäßig stark zunimmt. Des Weiteren ist es vorteilhaft möglich, für ein Wälzkörperprofil, das selbst konvexe und konkave Bereiche aufweist, durch entsprechende konvexe und konkave Bereiche der Laufbahn eine Schmiegung zwischen Laufbahn und Wälzkörper zu erreichen.
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Bei den Ausführungsformen mit mehreren nebeneinander liegenden Laufdrähten ist es darüber hinaus erfindungsgemäß möglich, dass die nebeneinander liegenden Laufdrähte verschiedene Profile aufweisen. So kann zum Beispiel die Balligkeit der Laufdrähte zur Mitte der Laufbahn hin zu- oder abnehmen, so dass die sich dadurch ergebenden Kontaktzonen und der zugehörige Spannungsverlauf über die Laufbahnbreite eine zusätzliche Modulation erfahren. Es ist generell erfindungsgemäß auch möglich, die nebeneinander liegenden Laufdrähte aus unterschiedlichen Materialien zu fertigen, bzw. durch unterschiedliche Härtung oder sonstige Veränderungen die Materialeigenschaften der Laufdrähte zu variieren. So kann zum Beispiel der mittlere Teil der Laufbahn gezielt gegen Abrieb und Verschleiß geschützt werden. Erfindungsgemäß ist es auch möglich über die Elastizität die Einfederung benachbarter Laufdrähte unterschiedlich zu gestalten, so dass die sich auf den verschiedenen Laufdrähten ausbildenden Kontaktzonen an den Belastungsverlauf zwischen Wälzkörper und Laufbahn angepasst werden können. Es ist ebenfalls denkbar, durch die Wahl geeigneter Materialien die thermischen Eigenschaften benachbarter Laufdrähte zu variieren, so dass verschiedene Bereiche der Laufbahn unterschiedlich auf Temperaturerhöhung reagieren. So kann zum Beispiel die Wärmeleitfähigkeit so eingerichtet werden, dass die Bereiche mit der größten Wärmeentwicklung einen schnelleren Wärmetransport aufweisen um eine lokale Erhitzung auszugleichen. Es ist auch möglich, dass sich durch unterschiedliche Wärmeausdehnung die durch die Laufdrähte gebildete Laufbahn entsprechend der Erhitzung in vorteilhafter Weise verformt oder verspannt.
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Erfindungsgemäß ist es ebenfalls möglich, dass die Laufdrähte des Außen- und Innenrings unterschiedlich geformte Profile aufweisen, sich zum Beispiel in ihrer Balligkeit unterscheiden. Da die Form und Ausdehnung der Kontaktzone nicht ausschließlich durch die Krümmung von Wälzkörper und Laufbahn quer zur Abrollrichtung bestimmt wird, sondern auch durch die Krümmung in Rollrichtung, also auch durch die Radien von innerer und äußerer Laufbahn, fallen die Kontaktzonen zwischen Wälzkörper und Laufbahn notwendigerweise unterschiedlich aus. Neben diesem unvermeidbaren Unterschied zwischen äußerer und innerer Laufbahn sind weitere Unterschiede denkbar, wie zum Beispiel, dass Innen- und Außenring sich unter starker Belastung oder hoher Temperatur unterschiedlich verformen. Daher kann es für eine günstige Gestaltung der Kontaktzonen von Vorteil sein, die Balligkeit von innerem und äußerem Laufdraht unterschiedlich zu wählen.
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Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Laufdraht für eine Wälzkörperanordnung, wobei der Laufdraht eine ballige Laufbahnseite aufweist, auf der Wälzkörper der Wälzkörperanordnung abrollen. Vorteilhafterweise lässt sich ein solcher Laufdraht in eine beispielsweise schon bestehende Wälzlageranordnung integrieren, so dass das oben beschriebene günstige Kontaktverhalten zwischen Wälzkörper und Laufdraht ausgenutzt werden kann.
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Figurenliste
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- 1 zeigt schematisch den Querschnitt eines Laufdrahts gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
- 2 zeigt eine schematische Schnittbildansicht einer Wälzlageranordnung gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Ausführungsformen der Erfindung
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In den verschiedenen Figuren sind gleiche Teile stets mit den gleichen Bezugszeichen versehen und werden daher in der Regel auch jeweils nur einmal benannt bzw. erwähnt.
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In 1 ist schematisch der Querschnitt eines Laufdrahts 4 gemäß einer möglichen Ausführung der Erfindung dargestellt. Der Laufdraht 4 weist im Querschnitt auf einer Seite einen Drahtrücken 6 mit einem geradlinigen Profil auf und wird mit dieser Seite an eine Fläche des Außenrings 2 oder des Innenrings 3 angelegt. Auf der gegenüber liegenden Seite weist der Laufdraht 4 eine Laufbahnseite 7 mit einem balligen Profil auf, die beim Anlegen an den Innen- oder Außenring dem Wälzkörper 5 zugewandt ist und so eine Laufbahn bereitstellt, auf der der Wälzkörper 5 abrollt. Des Weiteren wird der Laufdraht links und rechts von zwei Seitenflächen 8 und 9 begrenzt, die in der dargestellten Ausführungsform gleiche Höhen aufweisen.
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In 2 ist schematisch eine axiale Schnittansicht einer Wälzlageranordnung 1 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung dargestellt. In dieser Ausführungsform sind jeweils mehrere Laufdrähte 4 sowohl auf dem Außenring 2, als auch auf dem Innenring 3 angelegt. Die Lagerringe 2 und 3 weisen dafür Aussparungen auf, in die die Laufdrähte 4 eingelegt werden. Die Drahtrücken 6 sind dabei dem jeweiligen Lagerring 2 oder 3 zugewandt, während die ballige Laufbahnseite 7 dem Wälzkörper zugewandt ist und so eine Laufbahn bereitstellt, auf der der Wälzkörper 5 abrollt. Die Laufdrähte 7 liegen dabei parallel nebeneinander und weisen weder gegenüber dem jeweils benachbarten Laufdraht noch gegenüber den Rändern der Aussparung Spiel auf. In der dargestellten Ausführungsform ist der Wälzkörper 5 zylinderförmig, so dass er im unbelasteten Zustand mit den balligen Laufbahnseiten 7 der Laufdrähte 4 mehrere, im Wesentlichen punktförmige Kontakte bildet. Bei erhöhter Belastung bilden sich diese punktförmigen Kontakte durch die Einfederung des Wälzkörpers 5 in die Laufdrähte 4 zu ausgedehnten Flächenkontakten aus, wodurch sich die Belastung auf einen größeren Bereich verteilt und sich gleichzeitig die Reibung vergrößert. Die Form und Ausdehnung eines Kontaktbereichs ist allgemein neben den elastischen Eigenschaften im Wesentlichen durch die geometrische Form der sich berührenden Körper bestimmt. Im abgebildeten Beispiel ist also im Wesentlichen die Balligkeit der Laufdrähte 4 der entscheidende Faktor für das Kontaktverhalten.
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Die in dargestellte Ausführungsform mit mehreren nebeneinander angeordneten Laufdrähten 4 lässt gegenüber Ausführungen mit nur einem Laufdraht 4 einen größeren Gestaltungsspielraum für Form und Beschaffenheit der durch die Laufdrähte 4 bereitgestellten Laufbahn. Der Wälzkörper 5 steht dabei im Allgemeinen mit mehreren Laufdrähten 4 in Kontakt, wie es beispielhaft in für einen zylinderförmigen Wälzkörper 5 dargestellt ist. Unter Belastung bildet sich durch die Einfederung des Wälzkörpers 5 auf jedem Laufdraht 4 eine flächige Kontaktzone aus, in der die Spannung zwischen Wälzkörper 5 und Laufdraht 4 übertragen wird. Weist der Wälzkörper 5 ein balliges Profil auf, ist es auch möglich, dass er im belastungsfreien Fall zunächst nur mit einem Laufdraht 4 in Kontakt steht und erst unter Belastung Kontaktzonen mit weiteren Laufdrähten 4 ausbildet. Dabei verteilt sich die Last ungleichmäßig auf die verschiedenen Laufdrähte 4 und erzeugt entsprechend ein ungleichförmiges Lastprofil über die Laufbahnbreite. Einem solchen ungleichförmigen Lastprofil kann nun erfindungsgemäß bevorzugt durch eine unterschiedliche Ausgestaltung der nebeneinander liegenden Laufdrähte 4 Rechnung getragen werden. So ist es zum Beispiel möglich, die Balligkeit der Laufdrähte 4 über die Laufbahnbreite hinweg zu variieren. Bei einem konvexen Wälzkörperprofil nehmen die durch die Last hervorgerufenen Kräfte von der Mitte der Laufbahn nach außen hin ab. Wird die Balligkeit der Laufdrähte 4 zum Rand der Laufbahn hin stärker, ergeben sich auf den weiter außen liegenden Laufdrähten 4 schmalere Kontaktzonen, so dass sich zusammen mit den geringeren Kräften ähnliche Spannungen bilden wie bei den breiteren Kontaktzonen und größeren Kräften der Laufbahnmitte. Nimmt die Balligkeit umgekehrt zur Mitte hin zu, werden die Kräfte zum Rand hin durch größere Kontaktzonen aufgefangen.
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In ähnlicher Weise lassen sich andere Profileigenschaften der Laufdrähte 4 über die Laufbahnbreite hinweg variieren. Durch Drähte 4 verschiedener Dicke lässt sich die Laufbahn als Ganzes in ihrem Profil modulieren. Möglich ist es beispielsweise, zum Rand hin dickere Drähte 4 zu verwenden, so dass sich die Laufbahn insgesamt zur Mitte hin nach unten wölbt. Umgekehrt lässt sich eine Wölbung nach oben durch dickere Laufdrähte 4 in der Mitte erreichen.
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Analog lassen sich Laufdrähte 4 mit variierenden Material- und Oberflächeneigenschaften verwenden. Da die Belastung in der Regel in der Mitte am größten ist, lassen sich gezielt in diesem Bereich Laufdrähte 4 mit höherer Härte einsetzen, um dort den Abrieb möglichst gering zu halten. In ähnlicher Weise lassen sich räumlich variierende Wärmeentwicklung und Temperaturverteilungen gezielt beeinflussen, indem die entsprechenden thermischen Eigenschaften der Laufdrähte 4 passend gewählt werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Wälzlageranordnung
- 2
- Außenring
- 3
- Innenring
- 4
- Laufdraht
- 5
- Wälzkörper
- 6
- Laufbahnseite des Laufdrahts
- 7
- Drahtrücken
- 8
- erste Seitenfläche
- 9
- zweite Seitenfläche
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008035003 A1 [0003]
