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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Wälzlagerkäfig insbesondere für ein Axialwälzlager, ein Wälzlager mit einem solchen Wälzlagerkäfig sowie ein Verfahren zum Herstellen eines entsprechenden Wälzlagerkäfigs. Unter Axialwälzlager werden vorliegend insbesondere auch Axial-Radial-Wälzlager verstanden.
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Bei Axialwälzlagern zum Lagern des Drehtisches einer Werkzeugmaschine, wie sie die vorliegende Erfindung insbesondere betrifft, werden Wälzlager mit einem großen Durchmesser, insbesondere von 100 mm oder mehr, eingesetzt. Dabei kommen zum Beispiel Axial-Zylinderrollenlager zur Verwendung, das heißt die Drehachsen der Rollen verlaufen in einer gemeinsamen Ebene, die senkrecht zur Drehachse des Lagers steht. Gemäß einer Ausführungsform werden die Wälzkörper in Wälzkörpertaschen eingeclipst, wobei die Wälzkörpertaschen wiederum in einen ringförmigen Trägerring eingesetzt werden. Der Trägerring ist beispielsweise aus Metall hergestellt, die Taschen aus Kunststoff. Bei einer anderen Ausführungsform werden die Wälzkörper unmittelbar in einen entsprechenden Trägerring eingesetzt, der dann entsprechend einen Wälzlagerkäfig ausbildet. Die vorliegende Erfindung betrifft die letztgenannte Ausführungsform.
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Wenn die Wälzkörper unmittelbar in einen ringförmigen Wälzlagerkäfig eingeclipst werden, so kann der Wälzlagerkäfig beispielsweise aus Kunststoff hergestellt werden. Aufgrund der vergleichsweise großen Abmessungen des Kunststoffkäfigs wird dieser beispielsweise durch spanabhebende Fertigung hergestellt. Es versteht sich, dass das Fertigungsverfahren umso aufwändiger wird, je komplexer die Struktur des Wälzlagerkäfigs ist. Man ist daher bestrebt, die Geometrie eines solchen Wälzlagerkäfigs möglichst hinsichtlich der spanabhebenden Fertigung zu optimieren.
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Prinzipiell können Wälzlagerkäfige für Wälzlager auch durch Stanzen oder durch Spritzgießen hergestellt werden, wie beispielsweise in
GB 255 14 34 A offenbart wird. Spritzgießen und Stanzen eignen sich dabei aufgrund der Werkzeugkosten nur für große Stückzahlen.
GB 2 551 434 A schlägt daher für kleinere Stückzahlen bei der Fertigung ebenfalls spanabhebende Verfahren oder die Herstellung im additiven Verfahren vor. Bei einem solchen additiven Verfahren, auch 3D-Druck oder selektives Lasersintern genannt, wird der Wälzlagerkäfig sukzessive aus einzelnen Schichten aufgebaut.
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Das dargestellte additive Verfahren hat den Vorteil, dass auch vergleichsweise komplexe Formen des Wälzlagerkäfigs erzeugt werden können. So schlägt
GB 255 14 34 A vor, den Wälzlagerkäfig als netzartiges Gebilde mit einer signifikanten Porosität auszubilden und vor der Verwendung des Wälzlagers die Maschen oder Poren des Netzes mit einem Schmiermittel zu füllen. Damit werden die Schmiereigenschaften des Wälzlagers verbessert. Gleichzeitig kann ein sehr leichter Wälzlagerkäfig erzeugt werden. Hinterschnitte sowie komplexe Formen, insbesondere zum Einclipsen, sind realisierbar, welche im Gegensatz beim spanabhebenden Verfahren sehr schwer bis gar nicht umsetzbar sind und beim Spritzgießen nur durch spezielle teure Schieber oder gar nicht umsetzbar sind.
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Obwohl der vorgeschlagene netzartige Aufbau eines Wälzlagerkäfigs mit schmiermittelgefüllten Maschen zu einer verbesserten Schmiermittelversorgung der Wälzkörper beziehungsweise von Wälzkörperlaufbahnen führt, ist die dargestellte Ausführungsform für höher belastete Wälzlagerkäfige, beispielsweise in Axialwälzlagern, insbesondere in der Lagerung eines Werkzeugmaschinendrehtisches, nicht geeignet, da die Festigkeit nicht ausreichend ist.
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Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Wälzlagerkäfig, insbesondere Axialwälzlagerkäfig, beispielsweise für eine Werkzeugmaschinendrehtischlagerung, anzugeben, der zum einen hohen Belastungen widersteht und zum anderen eine reibungsarme Führung der Wälzkörper im Betrieb ermöglicht.
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Die erfindungsgemäße Aufgabe wird durch einen Wälzlagerkäfig mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. In den abhängigen Ansprüchen werden vorteilhafte und besonders zweckmäßige Ausgestaltungen eines erfindungsgemäßen Wälzlagerkäfigs sowie ein erfindungsgemäßes Wälzlager angegeben. Ferner wird die erfindungsgemäße Aufgabe durch ein Herstellungsverfahren mit den Schritten gemäß Anspruch 19 gelöst.
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Ein erfindungsgemäßer Wälzlagerkäfig weist einen ringförmigen Grundkörper auf, der in einer Umfangsrichtung geschlossen ist. In dem Grundkörper ist eine Vielzahl von Wälzkörpertaschen vorgesehen, wobei jede Wälzkörpertasche einen Aufnahmeraum für wenigstens einen Wälzkörper ausbildet. Insbesondere bildet jede Wälzkörpertasche einen Aufnahmeraum für einen einzigen Wälzkörper auf. Prinzipiell ist es jedoch auch möglich, dass beispielsweise zwei Wälzkörper koaxial zueinander in eine gemeinsame Wälzkörpertasche eingesetzt werden.
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Die Wälzkörpertaschen in dem Grundkörper sind in der Umfangsrichtung durch Stege voneinander getrennt und der Grundkörper ist zumindest teilweise oder insgesamt aus einem porösen Material mit einer Vielzahl von Poren hergestellt.
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Die Poren ermöglichen es, dass analog zum dargestellten Stand der Technik Schmiermittel in den Grundkörper eingebracht wird, das einen reibungsarmen Betrieb des Wälzlagerkäfigs beziehungsweise der entsprechenden Wälzlagerung begünstigt.
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Erfindungsgemäß ist nun zusätzlich zu den Poren im Material des Grundkörpers wenigstens eine Aussparung in den Stegen zwischen den Wälzkörpertaschen vorgesehen.
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Der Querschnitt einer solchen Aussparung kann ein Vielfaches des größten Querschnittes der Poren betragen. Beispielsweise ist die Aussparung als Langloch ausgeführt.
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Der Grundkörper ist bevorzugt aus Kunststoff, insbesondere aus Polyamid, hergestellt. Beispielsweise kommt PA 2200, insbesondere auf Basis von Polyamid 12 in Betracht.
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Bevorzugt ist in die Poren und/oder die wenigstens eine Aussparung ein Schmiermittel eingebracht.
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Die Poren sind bevorzugt an einer Oberfläche des Grundkörpers randoffen ausgeführt. In anderen Worten ist das Material des Grundkörpers offenporig.
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Die Aussparung kann beispielsweise als Durchgangsöffnung ausgeführt sein. Bei einer Ausführungsform des Wälzlagerkäfigs als Axialwälzlager, wie dies bevorzugt vorgesehen ist, durchdringen die Aussparungen den Grundkörper in der Axialrichtung, das heißt in Richtung der Drehachse des Lagers.
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Die Aussparungen weisen bevorzugt einen geschlossenen Umfang auf.
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Die Aussparungen münden insbesondere ausschließlich außerhalb der Wälzkörpertaschen.
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Jeder Steg zwischen zwei Wälzkörpertaschen im Grundkörper kann mit wenigstens einer erfindungsgemäßen Aussparung versehen sein. Alternativ weisen nur ausgewählte Stege, beispielsweise jeder zweite Steg oder jeder dritte Steg, wenigstens eine entsprechende Aussparung auf. Gemäß einer Ausführungsform ist eine einzige Aussparung je Steg oder für ausgewählte Stege vorgesehen. Eine andere Ausführungsform sieht mehrere Aussparungen je Steg oder für ausgewählte Stege vor.
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Wenn der Wälzlagerkäfig als Axialwälzlagerkäfig ausgeführt ist, sind die Wälzkörpertaschen angeordnet, um Wälzkörper aufzunehmen, beispielsweise Zylinderrollen, die sich um in Radialrichtung des Grundkörpers ausgerichtete Wälzkörperdrehachsen drehen. Diese Radialrichtung ist entsprechend auch radial zur Axialrichtung beziehungsweise zur Drehachse des Lagers angeordnet.
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Bevorzugt ist der Grundkörper in einem additiven Verfahren, insbesondere 3D-Druck, hergestellt. Beispielsweise wird der Grundkörper durch selektives Lasersintern hergestellt.
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Bevorzugt erstrecken sich einzelne im additiven Verfahren sukzessive erzeugte Materialschichten des Grundkörpers in der Radialrichtung beziehungsweise innerhalb einer Radial-Tangential-Ebene. Somit sind diese Materialschichten in der Axialrichtung des Grundkörpers sehr homogen aufeinander gestapelt. Somit ist eine axiale Schicht stoßfrei ausgebildet, im Gegensatz zur Herstellung durch Spritzgießen, bei welcher sich die extrudierte Masse in der Form an mindestens einer Stelle trifft, was die Gefahr eines teilweise inhomogenen Gefüges birgt.
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Gemäß einer Ausführungsform weisen die Wälzkörpertaschen in ihrer Durchgangsrichtung gesehen einen knochenförmigen Querschnitt auf. Bei einem solchen knochenförmigen Querschnitt sind die Ecken eines zumindest im Wesentlichen rechteckförmigen Querschnitts radial erweitert, sodass sich anstelle der Ecken in der Längsrichtung und Querrichtung senkrecht zur Durchgangsrichtung eine beispielsweise kreisförmige Erweiterung ergibt.
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Eine Ausführungsform sieht vor, dass die Wälzkörper von einer gemeinsamen Seite in alle Wälzkörpertaschen über eine entsprechende Einschuböffnung der Wälzkörpertaschen eingesetzt werden. Bevorzugt weisen jedoch verschiedene, insbesondere jeweils in Umfangsrichtung benachbart zueinander positionierte Wälzkörpertaschen, wechselseitig angeordnete Einschuböffnungen für die Wälzkörper auf, sodass die Wälzkörper von entgegengesetzten Seiten aus in die entsprechenden Wälzkörpertaschen einsetzbar sind. Dies gewährleistet, dass auf beiden Seiten des Wälzlagerkäfigs, insbesondere in der Axialrichtung bei Ausgestaltung des Wälzlagerkäfigs als Axialwälzlagerkäfig, ein Anlaufen des Wälzlagerkäfigs an die Laufbahnen der Wälzkörper sicher vermieden wird.
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Die Aufnahmeräume in den Wälzkörpertaschen sind bevorzugt derart gestaltet, dass die Wälzkörper formschlüssig in den Aufnahmeräumen gehalten werden. Bevorzugt sind die Wälzkörper in die Wälzkörpertaschen einclipsbar, das heißt das Material der Wälzkörpertasche wird beim Einschieben des Wälzkörpers in die Wälzkörpertasche elastisch verformt und schnappt, wenn sich der jeweilige Wälzkörper vollständig innerhalb der Wälzkörpertasche in der vorgegebenen Betriebsposition befindet, in seine Ausgangslage zurück.
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Wie dargestellt, kann der Wälzlagerkäfig beziehungsweise dessen Grundkörper aus einem Kunststoff hergestellt werden. Jedoch kommen auch andere Werkstoffe, beispielsweise Metall oder Keramik, in Betracht.
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Wenn der Grundkörper durch selektives Lasersintern hergestellt wird, wird insbesondere ein pulverförmiger Werkstoff als Ausgangsmaterial verwendet.
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Um die Steifigkeit und Festigkeit des Grundkörpers zu verbessern, insbesondere wenn dieser aus Polymer, beispielsweise Polyamid, hergestellt ist, kann der Werkstoff strahlenvernetzt werden. Durch Elektronenbestrahlung treten auf makromolekularer Ebene insbesondere in den amorphen beziehungsweise gering kristallinen Bereichen Vernetzungsreaktionen auf, die zu einer erhöhten Festigkeit, Temperaturbeständigkeit und Verschleißfestigkeit führen.
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Beim Strahlenvernetzen kann dem Werkstoff bevorzugt vor dem additiven Herstellen, insbesondere dem Lasersintern, ein Vernetzungsbeschleuniger zugefügt werden. Für die Bestrahlung kann insbesondere eine Beta-GammaStrahlung verwendet werden.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung werden dem Werkstoff Füllstoffe, wie zum Beispiel Glaspartikel, insbesondere Glaskugeln, zur Erhöhung der Steifigkeit und Festigkeit beigefügt.
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Wenn der Grundkörper im 3D-Druck-Verfahren hergestellt wird, kommt insbesondere das SLM-Verfahren (selektives Laserschmelzen) oder das MJM-Verfahren (Multi Jet Modeling) in Betracht.
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Der Grundkörper weist insbesondere eine dünnwandige kreiszylindrische Form auf.
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Durch das Füllen der Poren mit einem Schmiermittel, beispielsweise durch Öl-Imprägnieren, wird die Tribologie verbessert. Insbesondere kann auch eine Notlaufschmierung erreicht werden, wenn von außen dem entsprechenden Lager zugeführter Schmierstoff nicht ausreichend vorhanden ist oder gar ganz fehlt. Die Größe und die Verbindung der Poren untereinander kann durch das additive Herstellverfahren optimiert werden.
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Das in das Material integrierte Schmiermittel ist vorteilhaft mit einem dem Lager von außen zugeführten Schmiermittel bezüglich tribologischer Wirksamkeit, Kompatibilität und Mischbarkeit abgestimmt. Durch diese Kombination der Schmiermittel wird die Benetzung nicht beeinträchtigt, sondern begünstigt, was vorteilhaft für das Vorhandensein von Schmiermittel auf der Käfigoberfläche ist und den Aufbau eines Schmierfilms, insbesondere EHD-Films (elastohydrodynamischer Film), begünstigt.
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Die Gestaltung des Aufnahmeraumes in den Wälzkörpertaschen ist bevorzugt derart optimiert, dass einerseits die Wälzkörper in den Käfig mit einer definierten Kraft einschnappen, die Wälzkörper sicher in den Wälzkörpertaschen gehalten werden und gleichzeitig ein Drehen der Wälzkörper durch Reibung im Wälzlagerkäfig nicht beeinträchtigt wird. Durch das bevorzugt formschlüssige Halten der Wälzkörper im Wälzkörperkäfig kann der mit Wälzkörpern bestückte Käfig als ein Bauteil gehandhabt werden, ohne dass die Gefahr besteht, dass Wälzkörper herausfallen. Somit ist eine Vormontage zu einem Käfigkranz möglich, wodurch die Gesamtmontagezeit optimiert wird. Zugleich wird die Möglichkeit der Verwendung von Wälzkörpern mit ungleichen Abmessungen minimiert.
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Bevorzugt weisen die Wälzkörpertaschen in ihrer Durchgangsrichtung zwei einander gegenüberstehende innere konkav gewölbte Wandabschnitte auf, an die sich jeweils ein ebener Wandabschnitt, insbesondere auf der Seite der Einschuböffnung, anschließt. Insbesondere grenzen die konkav gewölbten Wandabschnitte auf der anderen Seite, das heißt auf der der Einschuböffnung entgegengesetzten Seite, unmittelbar an der äußeren Oberfläche des Wälzlagerkäfigs an. Damit werden die Wälzkörper in einer Dickenrichtung des Wälzlagerkäfigs, bei einem Axialwälzlagerkäfig in der Axialrichtung, außermittig im Wälzlagerkäfig gehalten, wodurch jeder Wälzkörper auf einer Seite weiter aus dem Wälzlagerkäfig hervorsteht als auf der entgegengesetzten Seite.
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Wenn nun entsprechend die Einschuböffnungen wechselseitig für verschiedene Wälzkörpertaschen vorgesehen werden, so wird sichergestellt, dass auf beiden Seiten des Wälzlagerkäfigs vergleichsweise weiter hervorstehende Bereiche der Wälzkörper erreicht werden. Damit kann ein vergleichsweise großer Abstand der Laufbahnen in einem entsprechenden Wälzlager auf beiden Seiten des Wälzlagerkäfigs erreicht werden. Durch das wechselseitige Befüllen durch Einclipsen, ist sichergestellt, dass der Käfig immer mittig zwischen den Laufbahnen geführt ist. Wenn hingegen die Einfüllöffnungen stets auf derselben Seite positioniert sind, besteht die Gefahr, dass sich alle Wälzkörper aus der Tasche lösen beziehungsweise ausclipsen und der Käfig somit zur gegenüberliegenden Axiallaufbahn gleitet.
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Ein erfindungsgemäßes Wälzlager weist einen erfindungsgemäßen Wälzlagerkäfig und eine Vielzahl von in den Wälzlagertaschen eingeclipsten Wälzlagerkörpern auf.
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Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Herstellen eines solchen Wälzlagerkäfigs wird der Grundkörper des Wälzlagerkäfigs im additiven Verfahren hergestellt. Beispielsweise kommen die zuvor genannten Verfahren in Betracht.
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Wenn der Wälzlagerkäfig als Axialwälzlagerkäfig hergestellt wird, mit Wälzkörpertaschen, die angeordnet sind, um Wälzkörper aufzunehmen, die sich um in Radialrichtung des Grundkörpers ausgerichtete Wälzkörperdrehachsen drehen, werden die einzelnen Materialschichten bevorzugt sukzessive in Axialrichtung des Grundkörpers aufeinander aufgetragen.
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Bevorzugt wird der Grundkörper aus einem Polyamidmaterial mit wenigstens einem vergleichsweise härteren Füllstoff, beispielsweise den genannten Glaspartikeln, insbesondere Glaskugeln, hergestellt.
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Durch die Erfindung kann zum einen ein Wälzlagerkäfig erreicht werden, der eine vergleichsweise große Festigkeit aufweist, da die Poren im Material des Grundkörpers vergleichsweise klein sein können und somit eine vergleichsweise hohe Dichte des Grundkörpers erreicht wird. Auf der anderen Seite wird durch die wenigstens eine zusätzliche Aussparung in Stegen zwischen den Wälzkörpertaschen ein Schmiermittelreservoir geschaffen, das einen besonders reibungsarmen Betrieb gewährleistet.
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Die Erfindung soll nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels und den Figuren exemplarisch beschrieben werden.
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Figurenliste
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- 1 eine axiale Draufsicht auf ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Wälzlagerkäfigs;
- 2 einen Axialschnitt durch den Wälzlagerkäfig aus der 1 in einer zwei Wälzkörpertaschen schneidenden Ebene;
- 3 einen Axialschnitt durch den Wälzlagerkäfig aus der 1 in einer zwei Aussparungen schneidenden Ebene;
- 4 einen Axialschnitt durch eine Wälzkörpertasche des Wälzlagerkäfigs aus der 1;
- 5 eine Einzelheit in der axialen Draufsicht;
- 6 eine Einzelheit mit zwei nebeneinander in der Umfangsrichtung positionierten Wälzkörpertaschen mit zwischenliegender Aussparung;
- 7 eine perspektivische Ansicht des erfindungsgemäßen Wälzlagerkäfigs.
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In der 1 ist eine Draufsicht in der Axialrichtung 9, das heißt in Richtung der Drehachse eines Wälzlagers dargestellt, in dem der gezeigte Wälzlagerkäfig eingesetzt werden kann. Somit spannen die Radialrichtung 8 und die Umfangsrichtung 7 (oder eine entsprechende Tangentialrichtung) die Ansichtsebene auf. Die 7 zeigt den Wälzlagerkäfig in einer perspektivischen Ansicht.
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In der Umfangsrichtung 7 weist der Grundkörper 1 eine geschlossene Ringform, hier Kreisringform, auf. In der Umfangsrichtung 7 ist eine Vielzahl von Wälzkörpertaschen 2 vorgesehen, wobei zwei benachbart zueinander positionierte Wälzkörpertaschen 2 jeweils durch einen Steg 4 voneinander getrennt sind. Dies ist auch besonders aus der vergrößerten Einzelheit in der 6 ersichtlich.
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In die Wälzkörpertaschen 2 kann jeweils ein Wälzkörper 3 eingeclipst werden, der eine Zylinderrollenform aufweist. Die Drehachse, um welche die Wälzkörper 3 umlaufen, verläuft in Radialrichtung 8.
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Die Gestaltung der Wälzkörpertaschen 2 ist in der axialen Draufsicht knochenförmig, das heißt im Bereich der Ecken sind die Wälzkörpertaschen 2 in der Radialrichtung 8 und in der Umfangsrichtung 7 (oder Tangentialrichtung) durch bogenförmige Aussparungen, insbesondere kreisförmige beziehungsweise kreissektorförmige Aussparungen, erweitert.
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In jedem Steg 4 zwischen zwei Wälzkörpertaschen 2 ist eine Aussparung 6 vorgesehen, die im gezeigten Ausführungsbeispiel die Form eines Langloches hat. Diese Aussparung 6 kann mit einem Schmiermittel gefüllt werden.
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Ferner ist der Grundkörper 1 aus einem porösen Material hergestellt, mit Poren 5, die in der 6 schematisch angedeutet sind. Auch diese Poren 5 können mit einem Schmiermittel gefüllt werden, insbesondere demselben oder einem anderen Schmiermittel wie die Aussparung 6.
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Die Aussparungen 6 weisen insbesondere in der Axialrichtung 9 einen gleichbleibenden Querschnitt auf, wie aus der 3 ersichtlich ist. Bei den Wälzkörpertaschen 2 hingegen variiert der Querschnitt in der Axialrichtung, wie aus den 2 und 4 ersichtlich ist.
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Im gezeigten Ausführungsbeispiel weist jede Wälzkörpertasche 2 auf nur einer Axialseite eine Einschuböffnung 10 auf, sodass die Wälzkörper 3, die durch gestrichelte Linien angedeutet sind, nur von einer Seite in die Wälzkörpertaschen 2 eingeclipst werden können. Demgemäß weist die Einschuböffnung 10 einen größeren Durchmesser auf als die Mündung der Wälzkörpertasche 2 auf der entgegengesetzten Axialseite. Um ein formschlüssiges Halten der Wälzkörper 3 in den Wälzkörpertaschen 2 zu gewährleisten, erweitert sich der Querschnitt in dem gezeigten Axialschnitt jedoch hinter den Einschuböffnungen 10. Im Einzelnen weist jede Wälzkörpertasche 2 ausgehend von der der Einschuböffnung 10 entgegengesetzten Axialseite zwei konkav gewölbte Wandabschnitte 11 auf, die einander gegenüberstehen und an die sich zwei ebene Wandabschnitte 12 auf der Seite der Einschuböffnung 10 anschließen, wobei sich auch die beiden ebenen Wandabschnitte 12 gegenüberstehen.
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Dadurch, dass, wie man es besonders aus der 6 erkennt, einander benachbarte Wälzkörpertaschen 2 mit wechselseitig positionierten Einschuböffnungen 10 versehen sind und entsprechend der Querschnitt in der Axialrichtung umgekehrt ist, stehen die Wälzkörper 3 in Umfangsrichtung 7 wechselseitig auf der ersten und auf der zweiten Axialseite vergleichsweise weiter aus dem Wälzlagerkäfig beziehungsweise dem Grundkörper 1 hervor.
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Radial innen und gegebenenfalls auch radial außen ist der Grundkörper 1 mit in der Umfangsrichtung 7 zueinander beabstandeten Vorsprüngen 13 versehen, die eine Reibung zwischen dem Wälzlagerkäfig und einer durch den Wälzlagerkäfig geführten Welle oder Anlagefläche minimieren.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Grundkörper
- 2
- Wälzkörpertasche
- 3
- Wälzkörper
- 4
- Steg
- 5
- Pore
- 6
- Aussparung
- 7
- Umfangsrichtung
- 8
- Radialrichtung
- 9
- Axialrichtung
- 10
- Einschuböffnung
- 11
- konkav gewölbter Wandabschnitt
- 12
- ebener Wandabschnitt
- 13
- Vorsprung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- GB 2551434 A [0004, 0005]
