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Die Erfindung betrifft ein Doppelvierpunktlager nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Derartige Lager werden zum Beispiel als Blattlager bei Windenergieanlagen eingesetzt, also als Schwenklager, über welche die Rotorblätter einer Windenergieanlage um ihre Längsachse verdrehbar an der Rotornabe der Windenergieanlage gelagert sind.
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Auch in Bagger - und Krananlagen kommen Doppelvierpunktlager zum Einsatz und auch in diesen Anwendungsbereichen kann die Erfindung vorteilhaft eingesetzt werden. Im Folgenden soll die Erfindung am Beispiel der Situation bei Windenergieanlagen erläutert werden.
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Im Bereich der Windenergieanlagen geht die technische Entwicklung in die Richtung immer größerer Anlagen mit größerer Leistung. Lagen typische Leistungsstufen von Windenergieanlagen vor einigen Jahren noch bei 3 MW bis 6 MW, so werden heute Leistungen von zum Beispiel 10 MW und mehr gebaut. Die Anlagen mit hohen Leistungen weisen unter Anderem größere Rotorblätter mit größerem Blattwurzeldurchmesser und größerer Blattlänge auf. Auch die Nabe und die Rotorwelle können größer ausgebildet sein als bei Anlagen mit geringerer Leistung.
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Größere Rotorblätter führen dazu, dass die Blattlager, über die die Rotorblätter um ihre Längsachse drehbar mit der Nabe verbunden sind, deutlich größere Kräfte und Momente aufnehmen müssen. Auch die Rotorlager, welche die mit der Nabe verbundene Rotorwelle drehbar lagern, müssen bei Anlagen mit höherer Leistung größere Kräfte und Kippmomente aufnehmen. Diese größeren Belastungen der Lager führen zu größeren Spannungen in den Lagerringen der Blatt-und Rotorlager. Daher ist eine erhöhte Tragfähigkeit der Lagerringe erforderlich.
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Schwächungen und Unstetigkeiten im Lagerringquerschnitt sind Orte, an denen im Lagerbetrieb Spannungsspitzen und Spannungskonzentrationen entstehen. Solche Schwächungen und Unstetigkeiten des Lagerringquerschnitts treten beispielsweise im Bereich der in den Lagerringen angeordneten Füllbohrungen auf, über welche die Wälzkörper in den Zwischenraum zwischen den Lagerringen eingebracht werden. Nachdem alle Wälzkörper eingebracht worden sind wird die Füllbohrung durch einen Füllstopfen verschlossen. Auch im Bereich des Füllstopfens kommt es zu unerwünschten Spannungsspitzen.
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In Windenergieanlagen kommen häufig sogenannte Doppelvierpunktlager als Blattlager und/oder Rotorlager zum Einsatz. Diese Lager weisen zwei in Axialrichtung nebeneinander angeordnete, gehärtete Laufbahnen auf, auf denen die Wälzkörper abrollen. Die Wälzkörper sind als Kugeln ausgebildet.
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Aus der Praxis ist es bekannt, bei Doppelvierpunktlagern für jede Laufbahn eine eigene Füllbohrung vorzusehen, durch welche die Kugeln und ggf. die Zwischenstücke, welche die Kugeln zueinander auf Abstand halten, in den Zwischenraum zwischen den Laufbahnen der Lagerringe des bereits zusammengebauten Großwälzlagers eingebracht werden. Diese Füllbohrungen werden nach dem Einfüllen aller Wälzkörpern (und der gegebenenfalls zwischen den Wälzkörpern angeordneten Distanzelemente) durch Füllstopfen verschlossen. Die den Wälzkörpern zugewandte Oberfläche der Füllstopfen kann - wie die Laufbahnen der Lagerringe - gehärtet sein. Die Füllbohrungen und Füllstoffen sind bei den aus der Praxis bekannten Doppelvierpunktlagern so angeordnet, dass ihre Längsachse die Laufbahnfläche der Lagerringe durchstößt. Die Wälzkörper einer Laufbahn werden also eine speziell dieser Laufbahn zugeordnete Füllbohrung in das Lager eingebracht.
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Um die im Bereich der Füllbohrungen und Füllstopfen auftretenden Spannungsspitzen und Spannungskonzentrationen möglichst gering zu halten ist es bekannt, die Füllbohrungen und damit auch die Füllstopfen in denjenigen Umfangsabschnitten der Lagerringe anzuordnen, in denen beim Betrieb des Lagers die geringsten Belastungen auftreten. Sofern es sich um Lager handelt, deren gehärtete Laufbahnen einen sogenannten „Härteschlupf‟ aufweisen (also einen Umfangsabschnitt der Laufbahnfläche, der im Vergleich zur restlichen Laufbahnfläche eine geringere Härte aufweist), werden die Füllbohrungen und Füllstopfen im Bereich des Härteschlupfes positioniert. Bei Doppelvierpunktlagern sind zwei Füllbohrungen vorgesehen (eine pro Wälzkörperlaufbahn). Diese Füllbohrungen werden häufig um 180° in Umfangsrichtung zueinander versetzt angeordnet.
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Eine zusätzliche, bekannte Maßnahme zur Verringerung der im Bereich des Härteschlupfes auftretenden Spannungen besteht darin, die Laufbahnfläche im Bereich des Härteschlupfes tiefer zu legen, also in radialer Richtung gegenüber der übrigen Laufbahnoberfläche nach außen zurück zu versetzen. Dadurch werden die Flächenpressung und damit die Spannungen zwischen Wälzkörpern und Laufbahn im Bereich des Härteschlupfes reduziert. Ein solches abschnittsweises Tieferlegen der Laufbahnfläche erfordert zusätzliche spanende Bearbeitungsschritte, was sich steigernd auf die Höhe der Herstellkosten auswirkt.
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Weiterhin stehen Großwälzlager für Windenergieanlagen allgemein und damit speziell auch die Doppelvierpunktlager für Windenergieanlagen unter einem großen Kostendruck, weil diese Lager als Serienlager in größeren Stückzahlen produziert werden.
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Aus der
DE 10 2011 076 872 A1 ist eine mehrreihige Kugeldrehverbindung bekannt, bei der eine Mehrzahl von Öffnungen zum Einfüllen oder Entfernen der Kugeln aus den Kugelreihen vorgesehen ist.
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Die Druckschrift
GB 2 126 667 A befasst sich mit Drahtlagern, die im Vergleich zu Doppelvierpunktlagern wesentlich kleinere Wälzkörper aufweisen. Die kugelförmigen Wälzkörper laufen zwischen Laufdrähten. Die Einfüllbohrung zum Einfüllen der Wälzkörper ist mehr als doppelt so groß wie der Durchmesser der Wälzkörper und weist an ihrem laufbahnseitigen Ende keine Ausnehmungen auf.
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Die Druckschrift
AT 226 481 B befasst sich mit einer Drehverbindung zwischen einem inneren und einem äußeren Zylinderteil. Die Kugeln der Drehverbindung werden über eine Kugeleinführungsöffnung eingeführt. Die Kugeleinführungsöffnung ist durch einen Verschlusskörper aus nachgiebigem Werkstoff wie Gummi, Gummiersatzstoff oder Kunststoff verschlossen. Die Kugeleinführungsöffnung weist keine laufbahnseitigen Ausnehmungen auf. Der Durchmesser der Kugeleinführungsöffnung ist um ein Vielfaches größer als der Durchmesser der Kugeln.
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Aus der Druckschrift
DE 10 2009 025 516 A1 ist ein Axial-Schrägwälzlager mit mindestens zwei Wälzkörperreihen bekannt. In den
2 und
3 sind Ausführungsformen mit genau zwei Wälzkörperreihen dargestellt. Die eine Wälzkörperreihe weist kugelförmige Wälzkörper auf, während die andere aus Kugelrollen mit jeweils zwei symmetrisch von einer Kugelgrundform abgeflachten, parallel zueinander angeordneten Seitenflächen besteht. Diese Sonderform der Kugelrollen ist zwingend erforderlich, um die Wälzkörper über eine einzige Füllbohrung einfüllen zu können.
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Der Erfindung liegt ausgehend von dem vorstehend beschriebenen Stand der Technik die Aufgabe zu Grunde, ein Doppelvierpunktlager mit reduzierten Herstellungskosten und verbesserter Tragfähigkeit zur Verfügung zu stellen.
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Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Doppelvierpunktlager mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Die Erfindung geht aus von einem Doppelvierpunktlager für Windenergieanlagen mit einem ersten Lagerring und einem zweiten Lagerring, wobei der erste Lagerring eine erste und eine zweite Wälzkörperlaufbahn aufweist, wobei der zweite Lagerring eine dritte und eine vierte Wälzkörperlaufbahn aufweist, wobei im zusammengebauten Zustand der Lagerringe die erste Wälzkörperlaufbahn und die dritte Wälzkörperlaufbahn einen ersten ringförmigen Aufnahmeraum zur Aufnahme von ersten Wälzkörpern umschließen und ein erstes Laufbahnpaar bilden, wobei im zusammengebauten Zustand der Lagerringe die zweite Wälzkörperlaufbahn und die vierte Wälzkörperlaufbahn einen zweiten ringförmigen Aufnahmeraum zur Aufnahme von zweiten Wälzkörpern umschließen und ein zweites Laufbahnpaar bilden, wobei einer der Lagerringe Mittel zum Einbringen der Wälzkörper in die Aufnahmeräume aufweist. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Mittel eine einzige, in Axialrichtung der Lagerringe zwischen den Laufbahnpaaren angeordnete Einfüllbohrung aufweisen, durch welche sowohl die ersten Wälzkörper in den ersten Aufnahmeraum als auch die zweiten Wälzkörper in den zweiten Aufnahmeraum einbringbar sind.
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Dadurch, dass erfindungsgemäß nur eine einzige Einfüllbohrung in einem der Lagerringe vorgesehen ist, welche zwischen den Laufbahnpaaren angeordnet ist und durch welche sowohl die ersten Wälzkörper in den ersten Aufnahmeraum als auch die zweiten Wälzkörper in den zweiten Aufnahmeraum einbringbar sind, werden mehrere Vorteile erreicht:
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- Reduzierung des Fertigungsaufwands:
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Erfindungsgemäß muss nur eine einzige radiale Bohrung als Einfüllbohrung in einen der Lagerringe (entweder in den Außenring oder in den Innenring) eingebracht werden. Dadurch reduziert sich der Fertigungsaufwand im Vergleich zu den eingangs beschriebenen, aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen, bei denen zwei Einfüllbohrungen eingebracht werden. Der Fertigungsaufwand wird auch dadurch noch weiter verringert, dass erfindungsgemäß nur noch ein einziger Stopfen mit Befestigungselementen (Kegelstift und Kegelbohrung) erforderlich ist, um die Einfüllbohrung nach dem Einfüllen der Wälzkörper zu verschließen. Durch die erfindungsgemäße Lösung werden daher signifikante Einsparungen bei den Fertigungskosten erreicht.
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- Verringerung der Ringspannungen
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Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung ist, dass im Bereich der Einfüllbohrung aufgrund ihrer Anordnung zwischen den Laufbahnpaaren im Betrieb des Lagers geringere Spannungen auftreten als bei den aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen, bei denen zwei Einfüllbohrungen vorgesehen sind, die jeweils mittig zu einem Laufbahnpaar angeordnet sind. Durch die Anordnung der Einfüllbohrung zwischen den Laufbahnpaaren liegt die Mantellinie der Einfüllbohrung näher an der Mitte des Lagerrings, in den die Einfüllbohrung eingebracht ist, als die Mantellinien der Einfüllbohrungen bei den bekannten Lösungen mit zwei jeweils mittig zu den Laufbahnpaaren ausgerichteten Einfüllbohrungen. Dies hat zur Folge, dass die Ringspannungen im Bohrungsbereich geringer sind als bei in Axialrichtung weiter von der Lagerringmitte entfernt angeordneten Einfüllbohrungen. Dies liegt an der bei Doppelvierpunktlagern im Betrieb auftretenden Biegung des Lagerrings in axialer Richtung. Bei dieser Belastung steigt die Ringspannung in axialer Richtung des Rings an, so dass es im Bereich einer weiter entfernt von der Lagerringmitte angeordneten Bohrungsmantellinie zu einer höheren Spannungskonzentration kommt als im Bereich der erfindungsgemäß näher an der Lagerringmitte angeordneten Mantellinie der einzigen, zwischen den Laufbahnpaaren angeordneten Einfüllbohrung.
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Die vorstehend genannten Vorteile treffen auch dann noch zu, wenn die erfindungsgemäße einzige Einfüllbohrung einen größeren Bohrungsdurchmesser aufweist als die jeweilige Einfüllbohrung bei den Lösungen mit zwei Einfüllbohrungen.
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In einer Ausführungsform der Erfindung können die Laufbahnen für die Wälzkörper in Axialrichtung gesehen symmetrisch in dem Lagerring angeordnet sein, in dem die Einfüllbohrung vorgesehen ist. Symmetrisch bedeutet hierbei, dass die Mitte zwischen den beiden benachbarten Laufbahnen des Lagerrings und die Mitte dieses Lagerrings zusammenfallen. Bei einer solchen Anordnung ist die einzige Einfüllbohrung erfindungsgemäß in der Mitte zwischen den Laufbahnpaaren und gleichzeitig auch in der Mitte des Lagerrings angeordnet. Bei einer derartigen Anordnung kann der Durchmesser der einzigen Einfüllbohrung größer gewählt werden als die Durchmesser der beiden Einfüllbohrungen bei der aus dem Stand der Technik bekannten Lösung, und trotzdem liegen im Bereich der Bohrungswand geringere Spannungen vor als an den in Axialrichtung gesehen weiter von der Lagerringmitte weg angeordneten, mit der Mitte der Laufbahnen fluchtenden Einfüllbohrungen.
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- Erhöhung der Steifigkeit des Lagers
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Durch die Verwendung nur einer Einfüllbohrung sowie eines einzigen Stopfens zum Verschließen der Einfüllbohrung ist die Steifigkeit des Lagers größer als bei Lagern mit zwei Einfüllbohrungen und zwei Stopfen.
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Nach einer Ausführungsform der Erfindung weist derjenige Lagerring, in dem die Einfüllbohrung angeordnet ist, an dem laufbahnseitigen Ende der Einfüllbohrung Ausnehmungen auf, welche den den Laufbahnen zugewandten Querschnitt der Einfüllbohrung vergrößern. Anders ausgedrückt: die Einfüllbohrung mündet laufbahnseitig in Ausnehmungen des Lagerrings, so dass die den Laufbahnen zugewandte Querschnittsfläche, durch welche die Wälzkörper den Laufbahnpaaren zugeführt werden, größer ist als die Querschnittsfläche, die allein durch den kreisförmigen Bohrungsdurchmesser der Einfüllbohrung für das Einbringen der Wälzkörper zur Verfügung steht. Die Ausnehmungen, die z.B. in Form einer Nut ausgebildet sein können, bewirken, dass eine größere Querschnittsfläche zur Verfügung steht, durch die die Wälzkörper in die Aufnahmeräume zwischen den Laufbahnen eingebracht werden können. Das Einbringen der Wälzkörper zwischen die einander zugeordneten Laufbahnpaare der Lagerringe durch die einzige Einfüllbohrung wird dadurch erleichtert. Die Ausnehmungen erleichtern es insbesondere, die über die einzige Einfüllbohrung zugeführten Wälzkörper sowohl in den ersten Aufnahmeraum zwischen dem ersten Laufbahnpaar als auch in den zweiten Aufnahmeraum zwischen dem zweiten Laufbahnpaar einzubringen. Wegen der am laufbahnseitigen Ende der Einfüllbohrung angeordneten Ausnehmungen des Lagerrings muss der Bohrungsdurchmesser der Einfüllbohrung nicht so groß gewählt werden, dass allein durch den Bohrungsdurchmesser eine für das Einbringen der Wälzkörper in die Aufnahmeräume ausreichend große Querschnittsfläche zur Verfügung steht. Der Durchmesser der Einfüllbohrung kann wegen der Ausnehmungen also kleiner gewählt werden als er gewählt werden müsste, wenn keine solchen Ausnehmungen vorhanden wären. Die Ausnehmungen tragen daher auch dazu bei, dass die mechanische Schwächung des Lagerrings durch die einzige Einfüllbohrung minimiert wird. Die Wahrscheinlichkeit für einen durch ein Bauteilversagen im Bereich der Einfüllbohrung hervorgerufenen Lagerausfall wird dadurch verringert.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist die Einfüllbohrung in dem Lagerring so ausgerichtet, dass ihre Längsachse in radialer Richtung des Lagerrings den Lagerringmittelpunkt schneidet. Anders gesagt: die Einfüllbohrung ist so in dem Lagerring angeordnet, dass eine gedachte Verlängerung der Längsachse der Einfüllbohrung durch den Mittelpunkt des Lagerrings verläuft. Grundsätzlich wäre es zwar auch denkbar, dass die Längsachse der Einfüllbohrung so ausgerichtet ist, dass sie einen Winkel einschließt mit einer durch den Mittelpunkt des Lagerrings in radialer Richtung verlaufenden Linie. Ein derartiger Bohrungsverlauf wäre jedoch fertigungstechnisch aufwändiger als eine in radialer Richtung verlaufende Einfüllbohrung. Auch ist die Gestaltung, das Herstellen und das Einbringen des die Einfüllbohrung verschließenden Stopfens bei einer in radialer Richtung verlaufenden Einfüllbohrung einfacher und kostengünstiger als bei einer Ausrichtung der Einfüllbohrung, bei der deren Längsachse einen Winkel mit der Radialrichtung des Lagerrings einschließt.
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Nach einer Ausführungsform der Erfindung ist die Einfüllbohrung mittig zwischen den Laufbahnpaaren des Wälzlagers angeordnet. Dadurch wird erreicht, dass der Stopfen, der die Einfüllbohrung nach dem Einbringen der Wälzkörper verschließt, zwei gleich große kreissegmentförmige Laufbahnabschnitte aufweist, von denen im eingebauten Zustand des Stopfens jeweils ein Laufbahnabschnitt einem Laufbahnpaar zugeordnet ist. Der Stopfen kann dadurch einfacher hergestellt werden, als wenn die beiden kreissegmentförmigen Laufbahnabschnitte wegen einer außermittigen Anordnung der Einfüllbohrung zwischen den Laufbahnpaaren unterschiedlich große Kreissegmente als Laufbahnen für die Wälzkörper zur Verfügung stellen und daher unterschiedlich groß ausgebildet sein müssten. Jedem Laufbahnpaar ist ein kreissegmentförmiger Laufbahnabschnitt des Stopfens zugeordnet. In Bezug auf eine gedachte Ebene, in der die Mittellinie des Stopfens verläuft und die mittig zwischen den kreissegmentförmigen Laufbahnabschnitten des Stopfens ausgerichtet ist, sind die kreissegmentförmigen Laufbahnabschnitte symmetrisch an dem Stopfen ausgebildet. Bei dieser Anordnung der kreissegmentförmigen Laufbahnabschnitte am Stopfen steht den Wälzkörpern beider Laufbahnpaare eine gleich große Laufbahnfläche zur Verfügung, auf der die Wälzkörper abwälzen/abrollen können. In radialer Richtung über die Laufbahnabschnitte einwirkende Kräfte belasten den Stopfen symmetrisch.
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Grundsätzlich kann der Stopfen gemäß einer Ausführungsform der Erfindung auch außermittig zwischen den Laufbahnpaaren angeordnet sein. Eine solche außermittige Anordnung hat zur Folge, dass derjenige kreissegmentförmige Laufbahnabschnitt, der näher an einem ersten Laufbahnpaar angeordnet ist als der andere kreissegmentförmige Laufbahnabschnitt an dem zweiten Laufbahnpaar angeordnet ist, eine größere Kontaktfläche für die Wälzkörper des ersten Laufbahnpaares aufweist als der andere kreissegmentförmige Laufbahnabschnitt. Dadurch wirken zwischen den Wälzkörpern und den Laufbahnen wirksame Kräfte unsymmetrisch auf den Stopfen ein. Werden von den Wälzkörpern der beiden Wälzkörperreihen gleich große Kräfte auf die kreissegmentförmigen Laufbahnabschnitte übertragen, dann führen die unterschiedlich großen kreissegmentförmigen Laufbahnabschnitte zu unterschiedlich großen Flächenpressungen auf den Laufbahnabschnitten. Die unsymmetrische Belastung und die unterschiedlich großen Flächenpressungen können durchaus zulässig sein, wenn der Laufbahnabschnitt mit der geringeren Kontaktfläche immer noch ausreichend groß dimensioniert ist, um die im Betrieb auftretenden Belastungen zu ertragen und dabei die geforderte Lebensdauer des Lagers erreicht wird, d.h. insbesondere der Stopfen nicht vorzeitig verschleißt. Die Nachbarrollen auf dem gehärteten Laufbahnsystem übernehmen dann einen Großteil der Last.
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Nach einer Ausführungsform der Erfindung ist die Einfüllbohrung in axialer Richtung des Lagerrings mittig in dem Lagerring angeordnet, d.h. mittig zwischen den Seitenflächen des Wälzlagerrings angeordnet. Bei axial symmetrischer Anordnung der Laufbahnen in dem Lagerring, d.h. wenn die Laufbahnen beider Laufbahnpaare in Axialrichtung gleich groß sind und die Mitte des ersten Laufbahnpaares den gleichen Abstand von der dem ersten Laufbahnpaar nächstliegenden Lagerringseitenfläche aufweist wie die Mitte des zweiten Laufbahnpaares von der dem zweiten Laufbahnpaar nächstliegenden Lagerringseitenfläche, ist die mittig zwischen den Laufbahnpaaren angeordnete Einfüllbohrung gleichzeitig auch mittig zwischen den Seitenflächen des Lagerringes angeordnet. Die einzige Einfüllbohrung mittig zwischen den Lagerringseitenflächen anzuordnen hat den Vorteil, dass die Mantelfläche der Einfüllbohrung wesentlich näher an der Lagerringmitte angeordnet ist als es die Mantelflächen bei den aus dem Stand der Technik bekannten beiden Einfüllbohrungen sind. Die Lagerringe von Doppelvierpunktlagern werden unter Betriebsbedingungen häufig auf Biegung in axialer Richtung beansprucht. Bei dieser Beanspruchung steigt die durch das Biegemoment hervorgerufene Ringspannung in axialer Richtung des Rings an. Je weiter die Mantelfläche einer Einfüllbohrung von der Lagerringmitte weg in Richtung Lagerringseitenfläche verschoben angeordnet ist, desto größer ist die auftretende Spannungskonzentration im Bereich der Mantelfläche der Einfüllbohrung. Die erfindungsgemäße Anordnung einer einzigen Einfüllbohrung, deren Bohrungsmitte in der Lagerringmitte liegt, bewirkt also eine Minimierung der Spannungskonzentrationen im Bereich der Mantelfläche der Einfüllbohrung. Große Spannungsspitzen, die über die Dauer gesehen Einfluss auf die Lebensdauer des Lagerrings, können so im Bereich der Einfüllbohrung vermieden werden.
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Nach einer Ausführungsform der Erfindung ist die Einfüllbohrung des mit Wälzkörpern befüllten Wälzlagers durch einen Stopfen verschlossen. Da erfindungsgemäß nur eine einzige Einfüllbohrung vorhanden ist, ist auch nur ein einziger Stopfen notwendig, und nicht mehrere wie bei den aus dem Stand der Technik bekannten Doppelvierpunktlagern. Das spart Fertigungsaufwand und Kosten.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung weist der Stopfen an seinem den Laufbahnen zugewandten Ende kreissegmentförmige Laufbahnabschnitte auf, auf denen im Betrieb des Lagers die Wälzkörper abwälzen oder abrollen. Erfindungsgemäß ist es ausreichend, an einem einzigen Stopfen zwei kreissegmentförmige Laufbahnabschnitte auszubilden, um den Wälzkörpern im Bereich der Einfüllbohrung eine ausreichende Laufbahn zum Abrollen zur Verfügung zu stellen. Bei den aus dem Stand der Technik bekannten Doppelvierpunktlagern musste an zwei Stopfen jeweils ein im Wesentlichen halbkreisförmiger Laufbahnabschnitt ausgebildet werden. Auch dies zeigt, dass durch die Erfindung sowohl der Herstellungsaufwand als auch die Kosten gesenkt werden.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung weisen die Laufbahnabschnitte einen erhöhten Verschleißwiderstand auf. Dies ist sinnvoll, weil auch die restlichen Laufbahnen der Laufbahnpaare einen erhöhten Verschleißwiderstand aufweisen. Der erhöhte Verschleißwiderstand kann z.B. dadurch erreicht werden, dass die Laufbahnabschnitte des aus einem härtbaren Stahlwerkstoff bestehenden Stopfens gehärtet werden. Das Härten der Laufbahnabschnitte des Stopfens kann durch induktives Randschichthärten erfolgen. Dies ist ein für die Härtung der in den Lagerringen ausgebildeten Laufbahnen in der Praxis erprobtes und gute Härteergebnisse erzielendes Verfahren, bei dem nur die Laufbahnabschnitte des Stopfens randschichtgehärtet werden und das restliche Stopfenmaterial nicht gehärtet wird. Alternativ könnte jedoch auch der gesamte Stopfen durchgehärtet werden, indem der gesamte Stopfen auf Härtetemperatur erwärmt und anschließend abgeschreckt und ggf. einer Anlasserwärmung unterzogen wird. Dabei wird neben den Laufbahnabschnitten auch das übrige Material des Stopfens gehärtet.
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Nach einer Ausführungsform der Erfindung ist der Stopfen aus dem gleichen härtbaren Stahlmaterial wie der Lagerring ausgebildet.
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Grundsätzlich kann der Stopfen jedoch auch aus einem - härtbaren oder nichthärtbaren - Metall oder aus Kunststoff bestehen. In diesen Fällen kann die erforderliche Verschleißbeständigkeit der Laufbahnabschnitte durch sich an dem Stopfen abstützende oder mit diesem verbundene Laufbahnplatten oder Laufbahndrähte sichergestellt werden. Die Laufbahnplatten oder -drähte bestehen aus einem harten Material, welches die erforderliche Verschleißbeständigkeit aufweist.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand einer ein Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung näher erläutert. Es zeigen
- 1 ein Doppelvierpunktlager gemäß Stand der Technik, mit zwei in Umfangsrichtung um 180° zueinander versetzten Einfüllbohrungen, von denen jede mittig einem Laufbahnpaar zugeordnet ist;
- 2 einen Ausschnitt eines erfindungsgemäßen Doppelvierpunktlagers;
- 3 eine erfindungsgemäße Montagehilfe zum Einbringen der Wälzkörper in die zwischen den Laufbahnpaaren ausgebildeten Aufnahmeräume.
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1 zeigt ein aus dem Stand der Technik bekanntes Doppelvierpunktlager. Das Lager weist einen ersten Lagerring 1 und einen zweiten Lagerring 2 auf. Im dargestellten Ausführungsbeispiel bildet der erste Lagerring 1 den Innenring und der zweite Lagerring den Außenring des Doppelvierpunktlagers. Der erste Lagerring 1 weist eine erste Wälzkörperlaufbahn 3 und eine zweite Wälzkörperlaufbahn 4 auf. Der zweite Lagerring 2 weist eine dritte Wälzkörperlaufbahn 5 und eine vierte Wälzkörperlaufbahn 6 auf. Die erste und die dritte Wälzkörperlaufbahn 3, 5 bilden ein erstes Laufbahnpaar 7 und schließen zwischen sich einen ersten ringförmigen Aufnahmeraum 12 ein, der zur Aufnahme der Wälzkörper 8A dient. Die zweite und die vierte Wälzkörperlaufbahn 4, 6 bilden ein zweites Laufbahnpaar 10 und schließen zwischen sich einen zweiten ringförmigen Aufnahmeraum 13 ein, der zur Aufnahme der Wälzkörper 8B dient.
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In dem ersten Lagerring 1 sind zwei Einfüllbohrungen 14', 14" vorgesehen, die in Umfangsrichtung um 180° versetzt zueinander angeordnet sind. Die Einfüllbohrungen 14', 14" sind in Umfangsrichtung in den mechanisch weniger belasteten Bereichen angeordnet, um die Tragfähigkeit des Lagers in der Hauptbelastungsebene nicht zu stören. Die eine Einfüllbohrung 14' ist mittig zu den Wälzkörperlaufbahnen 3, 5 des ersten Laufbahnpaares 7 angeordnet. Die andere Einfüllbohrung 14" ist mittig zu den Wälzkörperlaufbahnen 4, 6 des zweiten Laufbahnpaares 10 angeordnet. Durch die eine Einfüllbohrung 14' können die ersten Wälzkörper 8A in den ersten Aufnahmeraum 12 zwischen die Wälzkörperlaufbahnen 3, 5 eingebracht werden. Durch die andere Einfüllbohrung 14" können die zweiten Wälzkörper 8B in den zweiten Aufnahmeraum 13 zwischen die Wälzkörperlaufbahnen 4, 6 eingebracht werden.
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Die Einfüllbohrungen 14', 14" sind jeweils mit einem Stopfen 16', 16" verschlossen. Die Stopfen 16', 16" sind in den Einfüllbohrungen 14', 14" durch Sicherungsschrauben 20 fixiert. Die Stopfen 16', 16" weisen an ihrem laufbahnseitigen Ende Laufbahnabschnitte 16a, 16b auf, auf denen die Wälzkörper abwälzen/abrollen können.
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Der Bereich der Stopfen 16', 16" und der Einfüllbohrungen 14', 14", d.h. die die Stopfen 16', 16" umgebende Laufbahnfläche und die Oberfläche der Stopfen 16', 16") wird nicht gehärtet (sogenannter „Härteschlupf“). In den nicht gehärteten Bereich werden die Einfüllbohrungen 14', 14" und die Stopfen 16', 16" eingebracht, da an dieser Stelle der Lagerring sowieso geschwächt ist. Auch wird die Laufbahn in diesem Bereich in Radialrichtung zurückgenommen, d.h. tiefer gelegt, damit die Wälzbelastung dieses weichen Bereichs gering ist.
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Die Einfüllbohrungen 16', 16" sind - in Axialrichtung des Lagerrings 1 gesehen - von der Mitte des Lagerrings 1 beabstandet angeordnet. D.h. die Mittellinie der Einfüllbohrung 16' ist parallel zu einer den Lagerring 1 in Axialrichtung halbierenden Ebene in Richtung auf die eine Seitenfläche 21 des Lagerrings 1 hin verschoben. Ebenso ist die Mittellinie der Einfüllbohrung 16" parallel zu der den Lagerring 1 in Axialrichtung halbierenden Ebene in Richtung auf die andere Seitenfläche 22 des Lagerrings 1 hin verschoben. Diese außermittige Anordnung der Einfüllbohrungen 16', 16" relativ zu einer den Lagerring 1 in Axialrichtung halbierenden Ebene führt im Bereich der Einfüllbohrungen 16', 16", insbesondere im Bereich der Mantelflächen der Einfüllbohrungen 16', 16", beim Betrieb des Lagers unter den Betriebsbedingungen und -belastungen zu Spannungsspitzen oder erhöhten Spannungskonzentrationen. Diese können die Lebensdauer des Lagerrings und damit des gesamten Wälzlagers negativ beeinflussen. Unter anderem treten im Betrieb Biegebelastungen der Lagerringe 1, 2 auf, die zu mechanischen Spannungen führen, welche mit zunehmendem Abstand von der axialen Mitte der Lagerringe 1, 2 größer werden. Die in 1 dargestellte Anordnung der Einfüllbohrungen 16', 16" außerhalb der axialen Mitte des Lagerrings 1 führt somit im Bereich der Mantelflächen der Einfüllbohrungen 16', 16" zu erhöhten Spannungsbelastungen, die zu verfrühtem Bauteilversagen und damit verkürzter Lebensdauer führen können.
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2 zeigt das erfindungsgemäße Wälzlager. Es umfasst einen ersten Lagerring 1 und einen zweiten Lagerring 2. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist der erste Lagerring 1 der Innenring und der zweite Lagerring 2 der Außenring des Wälzlagers. Der erste Lagerring 1 weist eine erste Wälzkörperlaufbahn 3 und eine zweite Wälzkörperlaufbahn 4 auf. Der zweite Lagerring 2 weist eine dritte Wälzkörperlaufbahn 5 und eine vierte Wälzkörperlaufbahn 6 auf. Die erste Wälzkörperlaufbahn 3 und die dritte Wälzkörperlaufbahn 5 bilden ein erstes Laufbahnpaar 7 und schließen zwischen sich einen ersten ringförmigen Aufnahmeraum 12 ein, der zur Aufnahme der Wälzkörper 8A dient. Die zweite Wälzkörperlaufbahn 5 und die vierte Wälzkörperlaufbahn 6 bilden ein zweites Laufbahnpaar 10 und schließen zwischen sich einen zweiten ringförmigen Aufnahmeraum 13 ein, der zur Aufnahme der Wälzkörper 8B dient.
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Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist die erfindungsgemäß einzige Einfüllbohrung 14 in dem zweiten Lagerring 2 (Außenring) angeordnet. Es wäre jedoch ebenso möglich, die Einfüllbohrung 14 in dem ersten Lagerring 1 (Innenring) anzuordnen.
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Die Einfüllbohrung 14 ist mittig zwischen dem ersten und dem zweiten Laufbahnpaar 7, 10 angeordnet. D.h. die Mittellinie der Einfüllbohrung 14 halbiert den Abstand zwischen den Mittelpunkten der Laufbahnpaare 7, 10 bzw. der Wälzkörper 8A, 8B. Die Einfüllbohrung 14 verläuft in radialer Richtung, d.h. ihre Mittellinie verläuft durch den Mittelpunkt des Lagerrings 2. Der Durchmesser der Einfüllbohrung 14 ist größer als der Durchmesser der Wälzkörper 8A, 8B, damit die Wälzkörper 8A, 8B von außen durch die Einfüllbohrung 14 in die Aufnahmeräume 12, 13 zwischen den Lagerringen 1, 2 eingebracht werden können.
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Der Durchmesser der Einfüllbohrung 14 kann so groß gewählt werden, dass allein die Einfüllbohrung 14 an ihrem laufbahnseitigen Ende, wo sie in die Laufbahnpaare 7, 10 mündet, eine ausreichend große freie Querschnittsfläche zur Verfügung stellt, durch die die Wälzkörper 8A, 8B in die Aufnahmeräume 12, 13 zwischen den Wälzkörperlaufbahnen 3, 5 bzw. 4, 6 eingebracht werden können. In dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel sind in den Lagerring 2, in dem die Einfüllbohrung 14 angeordnet ist, Ausnehmungen 15A, 15B eingebracht. Die Ausnehmungen 15A, 15B vergrößern den den Wälzkörperlaufbahnen 3, 4, 5, 6 zugewandten Querschnitt der Einfüllbohrung 14 und erleichtern das Einbringen der Wälzkörper 8A, 8B in die zwischen den Laufbahnpaaren 7, 10 angeordneten Aufnahmeräume 12, 13. Auf diese Weise wird erreicht, dass der Durchmesser der Einfüllbohrung 14 kleiner ausgebildet werden kann als er ausgebildet werden müsste, wenn allein der Bohrungsdurchmesser den freien Querschnitt zum Einbringen der Wälzkörper 8A, 8B in die Aufnahmeräume 12, 13 zur Verfügung stellen müsste. Je kleiner der Bohrungsdurchmesser der Einfüllbohrung 14 gewählt werden kann, desto geringer sind die im Betrieb des Lagers im Bereich der Einfüllbohrung 14 auftretenden Spannungsspitzen.
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Die Mantelfläche der Einfüllbohrung 14 in dem Ausführungsbeispiel der Erfindung gemäß 2 ist in Axialrichtung des Lagerrings 2 wesentlich näher an der Mitte des Lagerrings 2 angeordnet als die Mantelflächen der Einfüllbohrungen 14', 14" bei der aus dem Stand der Technik bekannten Konstruktion gemäß 1. Da die aus Biegebelastungen der Lagerringe 1, 2 resultierenden mechanischen Spannungen mit zunehmendem Abstand von der axialen Ringmitte zunehmen, treten bei der erfindungsgemäß mittig zwischen den Laufbahnpaaren 7, 10 angeordneten Einfüllbohrung 14 geringere Spannungen auf als bei den in Axialrichtung weiter von der axialen Lagerringmitte weg angeordneten Einfüllbohrungen 14', 14".
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In der Einfüllbohrung 14 ist ein Stopfen 16 angeordnet, durch den die Einfüllbohrung 14 verschlossen wird. Der Stopfen 14 ist durch eine Sicherungsschraube 23 in der Einfüllbohrung 14 gesichert. An seinem laufbahnseitigen Ende weist der Stopfen kreissegmentförmige Laufbahnabschnitte 17, 18 auf, auf denen die Wälzkörper 8A, 8B abwälzen/abrollen.
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Im Unterschied zu der aus dem Stand der Technik gemäß 1 bekannten Konstruktion weist bei der erfindungsgemäßen Konstruktion gemäß 2 der Lagerring 2, in den die Einfüllbohrung 14 eingebracht ist, zwei in Umfangsrichtung kontinuierlich umlaufende Wälzkörperlaufbahnen 5, 6 auf. Auch im Bereich der Einfüllbohrung 14 sind die Wälzkörperlaufbahnen 5, 6 nicht unterbrochen. Bei der Lösung gemäß 1 sind die Laufbahnen 3, 4 dagegen in Umfangsrichtung im Bereich der Einfüllbohrungen 14', 14" vollständig unterbrochen. Diese Unterbrechung wir durch die an den Stopfen 16', 16" jeweils ausgebildeten Laufbahnabschnitte 16a, 16b überbrückt. Dadurch, dass bei der vorliegenden Erfindung in dem die Einfüllbohrung 14 aufweisenden Lagerring 2 zwei in Umfangsrichtung kontinuierlich umlaufende, nicht vollständig unterbrochene Wälzkörperlaufbahnen 5, 6 vorhanden sind, lassen sich die Laufbahnen einfacher und prozesssicherer Härten als solche Laufbahnen, die in Umfangsrichtung eine die gesamte Laufbahn erfassende Lücke aufweisen, wie bei der Konstruktion gemäß 1.
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Ein weiterer Vorteil der Konstruktion gemäß 2 gegenüber der gemäß 1 besteht darin, dass die Laufbahnen 5, 6 im Bereich der Einfüllbohrung 14 nur über einen Viertelkreis-Umfang und nur teilweise unterbrochen sind. Die an dem Stopfen 16 ausgebildeten Laufbahnabschnitte 17, 18 müssen die Teilunterbrechung der Laufbahnen 5, 6 nur in einem kleinen Bereich überbrücken. Dieser Überbrückungsbereich liegt außerdem sehr nahe an der axialen Lagerringmitte, also in einem Bereich, in dem die Betrieb auftretenden mechanischen Spannungen vergleichsweise gering sind, jedenfalls wesentlich geringer als in den weiter von der Lagerringmitte weg angeordneten Laufbahnbereichen. Daher wirken bei der erfindungsgemäßen Konstruktion auf die an dem Stopfen 16 ausgebildeten Laufbahnabschnitte 17, 18 im Betrieb nur relativ geringe mechanische Belastungen ein, insbesondere wesentlich geringere mechanische Belastungen als diejenigen, die bei der aus dem Stand der Technik gemäß 1 bekannten Konstruktion auf die Laufbahnabschnitte 16a, 16b der Stopfen 16', 16" einwirken. Auch auf diese Weise trägt die erfindungsgemäße Konstruktion zu einer Lebensdauerverlängerung bzw. zur Vermeidung eines vorzeitigen Ausfalls des Lagers infolge eines Bauteilversagens im Bereich der Einfüllbohrung 14 bzw. des Stopfens 16 bei.
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Im Vergleich zu der in 1 dargestellten Konstruktion lässt sich die erfindungsgemäße Lösung gemäß 2 wesentlich einfacher und kostengünstiger herstellen. Anstelle von zwei Bohrungen 14', 14" muss nur eine Bohrung 14 erzeugt werden. Anstelle von zwei Stopfen 16', 16" zum Verschließen der Einfüllbohrungen 14', 14' wird nur ein Stopfen 16 zum Verschließen der Einfüllbohrung 14 benötigt. Auch reduziert sich auch der Herstellungsaufwand für den Stopfen 16 selbst, weil z.B. Laufbahnabschnitte mit einer geringeren Gesamtfläche spanend hergestellt und gehärtet werden müssen.
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In dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Stopfen aus demselben härtbaren Wälzlagerstahl hergestellt wie der zweite Lagerring 2. Die Laufbahnen 3, 4, 5, 6 der Lagerringe 1, 2 sind durch induktives Randschichthärten auf die erforderliche Härte gehärtet. Ebenso sind die Laufbahnabschnitte 17, 18 des Stopfens 16 durch induktives Randschichthärten auf die erforderliche Härte gehärtet.
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In 3 ist eine Montagevorrichtung 24 dargestellt, mit der die kugelförmigen Wälzkörper 8A, 8B in die Aufnahmeräume 12, 13 eingebracht werden können. Die Einfüllbohrung 14 ist so gestaltet, dass die Befüllung beider Laufbahnpaare 7, 10 mit Hilfe dieser Montagevorrichtung 24 durch die einzige Einfüllbohrung erfolgen kann. Die Montagevorrichtung 24 weist einen zylindrischen Außenmantel 25 auf, mit dem die Montagevorrichtung 24 in die Einfüllbohrung 14 eingeführt werden kann. Weiterhin weist die Montagevorrichtung 24 eine innere zylindrische Bohrung 26 auf, durch welche die Wälzkörper 8A, 8B den Aufnahmeräumen 12, 13 zugeführt werden. An dem Ende der Montagevorrichtung 24, das bei in die Einfüllbohrung 14 eingeführter Montagehilfe den Aufnahmeräumen 12, 13, zugewandt ist, geht die innere zylindrische Bohrung 26 in eine gekrümmte Innenwand 27 über, welche die in die Montagevorrichtung 24 eingeführten Wälzkörper 8A, 8B in die Richtung des jeweiligen Aufnahmeraums 12 bzw. 13 lenkt. Die freie Querschnittsfläche der Austrittsöffnung 28 ist so bemessen, dass die Wälzkörper 8A, 8B ohne zu verklemmen in die Aufnahmeräume 12, 13 eintreten können. Im Bereich der gekrümmten Innenwand 27 ist außen an der Montagevorrichtung 24 eine Ausnehmung 29 vorgesehen, in die sich bereits eingefüllte Wälzkörper eines Laufbahnpaares anschmiegen können, während das andere Laufbahnpaar mit Wälzkörpern befüllt wird.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Lagerring
- 2
- Lagerring
- 3
- Wälzkörperlaufbahn/Laufbahn
- 4
- Wälzkörperlaufbahn/Laufbahn
- 5
- Wälzkörperlaufbahn/Laufbahn
- 6
- Wälzkörperlaufbahn/Laufbahn
- 7
- Laufbahnpaar
- 8A
- Wälzkörper
- 8B
- Wälzkörper
- 10
- Laufbahnpaar
- 12
- Aufnahmeraum
- 13
- Aufnahmeraum
- 14
- Einfüllbohrung
- 14'
- Einfüllbohrung
- 14"
- Einfüllbohrung
- 15A
- Ausnehmung
- 15B
- Ausnehmung
- 16
- Stopfen
- 16'
- Stopfen
- 16"
- Stopfen
- 16a
- Laufbahnabschnitt
- 16b
- Laufbahnabschnitt
- 17
- Laufbahnabschnitt
- 18
- Laufbahnabschnitt
- 20
- Sicherungsschraube
- 21
- Seitenfläche
- 22
- Seitenfläche
- 23
- Sicherungsschraube
- 24
- Montagevorrichtung
- 25
- Außenmantel
- 26
- Bohrung
- 27
- Innenwand
- 28
- Austrittsöffnung
- 29
- Ausnehmung
