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Technisches Gebiet
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Die Erfindung befasst sich mit der vereinfachten Ausbildung eines Pendelrollenlagers, zwischen dessen innerem und äußerem Lagerring Wälzkörper in zwei Reihen abrollen.
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Hintergrund der Erfindung
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Pendelrollenlager besitzen zwei Rollenreihen mit einer gemeinsamen hohlkugelförmigen Laufbahn am Außenring. Der Innenring weist zwei zur Lagerachse geneigte Laufbahnen auf.
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Infolge dieser Ausgestaltung kombinieren Pendelrollenlager, die in dieser Ausführung Radiallager sind, eine Reihe von vorteilhaften Eigenschaften.
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Sie sind insbesondere winkelbeweglich und deshalb unempfindlich gegen Fluchtungsfehler einer Welle zum Gehäuse bzw. gegen Durchbiegungen der Welle. Pendelrollenlager haben daher die Eigenschaft, auch dann ordnungsgemäß zu rotieren, wenn sich die Welle verbiegt bzw. im Verhältnis zur Achse des Außenrings schräg geneigt dreht. Das Lager besitzt also ein Selbstausrichtungsvermögen. Solche Lager werden häufig dort eingesetzt, wo die Zentrierung zwischen Welle und dem Gehäuse Probleme bereitet oder die Abweichung zur Welle so groß ist, dass der Innenring in schräg gestelltem Zustand rotiert. Sie sind radial sehr hoch belastbar und können zusätzlich auch relativ hohe Axiallasten in beiden Richtungen aufnehmen.
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Neben der Winkelbeweglichkeit sind Pendelrollenlager geeignet, nicht nur radiale Lasten, sondern auch axiale Lasten zu übertragen. Maßgeblich dafür ist, dass die Drehachsen der Wälzkörper nicht parallel zur Drehachse des Pendelrollenlagers verlaufen, sondern zur Drehachse des Pendelrollenlagers angestellt sind, also unter Einhaltung eines Druckwinkels α, β über die Laufbahnen rotieren.
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Ein doppelreihiges Pendelrollenlager ist beispielsweise aus
DE 196 11 723 A1 bekannt. Es weist einen Außenring mit der hohlkugelförmigen, sphärischen Laufbahn auf, wobei sich der Krümmungsmittelpunkt im Lagermittelpunkt befindet. Auf dieser Laufbahn laufen in zwei Reihen tonnenförmige Wälzkörper ab, die in einem Lagerkäfig zur Beabstandung gehaltert sind. Ferner ist ein Innenring mit zwei zueinander geneigten Laufbahnen vorgesehen. Dadurch, dass die beiden Wälzkörperreihen symmetrisch zum Lagermittelpunkt angeordnet sind, ist der Druckwinkel α der einen Wälzkörperreihe gleich dem Druckwinkel β der anderen Wälzkörperreihe.
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Um auch höhere axiale Lasten, die hauptsächlich in einer Richtung entlang einer von einem Pendelrollenlager gelagerten Welle abzuführen, können die Druckwinkel α; β der beiden Wälzkörperreihen auch verschieden groß sein. Ein solches Pendelrollenlager ist in
DE 10 20122 086 925 A1 gezeigt. Dadurch, dass der Druckwinkel ß der einen Wälzkörperreihe größer dem Druckwinkel α der anderen Wälzkörperreihe ist, können im Vergleich zu einer Anordnung gemäß
DE 196 11 723 A1 mit gleichen Druckwinkeln α; β in beiden Wälzkörperreihen sehr viel größere axiale Lasten, die entlang der Drehachse des Pendelrollenlagers wirken, von der „axialen“, einen größeren Druckwinkel β habenden Wälzkörperreihe übertragen werden.
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Gleichwohl werden die Komponenten jeder Rollpartnerschaft durch radiale und axiale Lasten erheblich belastet.
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Unter Komponenten, die zu einer Rollpartnerschaft im Sinne dieser Anmeldung gehören, werden die Wälzkörper der jeweiligen Wälzkörperreihe und die Laufbahnen am inneren und äußeren Lagerring verstanden, auf welchen die Wälzkörper dieser Wälzkörperreihe im Betrieb des Lagers abrollen.
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Mit Rücksicht auf die erhebliche Belastung der Komponenten der jeweiligen Rollpartnerschaften während des Betriebs des Lagers und vor dem Hintergrund, dass von solchen Lagern eine gleichgute Performance über 10 oder mehr Jahre gefordert wird, werden die jeweiligen Komponenten der jeweiligen Rollpartnerschaften aus besonders verschleißfesten Wälzlagerstählen gefertigt. Oftmals ist aber die bloße Verwendung von besonderen Wälzlagerstählen nicht ausreichend. Daher ist man dazu übergegangen, Randbereiche von Komponenten der entsprechenden Rollpartnerschaften mit einem besonderen Verschleißschutz zu versehen. Allgemein lassen sich Maßnahmen, die einen besonderen Verschleißschutz bewirken, in auftragende Maßnahmen und gefügeverändernde Maßnahmen unterscheiden. Bei den auftragenden Maßnahmen, wird zumindest eine zusätzliche Schicht auf die Oberfläche der aus Wälzlagerstahl gefertigten Komponenten aufgebracht. Letztes ist beispielsweise in
JP 2004 301 225 A2 gezeigt, wo zur Erhöhung der Verschleißfestigkeit der äußere Lagerring und die Wälzkörper mit einer sogenannten DLC-Beschichtung (DLC = diamond-like carbon) versehen sind. Bei gefügeverändernden Maßnahmen erhält die äußere Randsicht gegenüber inneren Bereichen bzw. tieferen Schichten der aus Wälzlagerstahl gebildeten Komponenten eine geänderte Gefügestruktur oder Zusammensetzung, indem beispielsweise Stoffe in die Randschichten eindiffundieren und/oder temperaturbasiert erzeugte Gefügestrukturen durch Abkühlung „eingefroren“ werden, also für Temperaturen im Anwendungsbereich der Wälzlager nutzbar gemacht werden. So zeigt beispielsweise
WO08143031 A1 ein doppelreihiges Pendelrollenlager, dessen Lagerringe und Wälzkörper aus Wälzlagerstahl gefertigt sind. Zu Erhöhung der Verschleißfestigkeit sind sämtliche Wälzkörper und alle Laufbahnen von Lagerringen dieses Pendelrollenlagers mit einer äußeren Randschichten versehen, die durch Karbonitrieren oder Karburieren gegenüber den inneren Bereichen einen höheren Kohlenstoffgehalt und daher nach Abschluss der Wärmebehandlung auch eine größere Härte als die inneren Bereiche aufweisen.
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Wenngleich derartige Maßnahmen geeignet sind, die Verschleißfestigkeit von Oberflächen von Wälzkörpern und Laufbahnen zu erhöhen, ist jedoch die Herstellung von verschleißfesten Oberflächen grundsätzlich sehr aufwändig.
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Daher liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein zweireihiges Pendelrollenlager anzugeben, dessen Verschleißschutz weniger aufwändig herstellbar ist.
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Darstellung der Erfindung
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Diese Aufgabe wird mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen der Erfindung sind den Ansprüchen 2 bis 7 entnehmbar. Eine ausreichende Langzeitstabilität eines Pendelrollenlagers ist bereits dann realisiert, wenn die zweite Rollpartnerschaften einer größeren Axialbelastung ausgesetzt ist,
wenn die jeweilige Härte von Mantelflächen und Oberflächen der Komponenten der ersten Rollpartnerschaft gleich ist und wenn die Härte von Mantelflächen oder Oberflächen wenigstens einer Komponente der zweiten Rollpartnerschaft größer ist als die Härte von Mantelflächen und Oberflächen von Komponenten der ersten Rollpartnerschaft.
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Dabei geht die Erfindung von der Erkenntnis aus, dass nur Komponenten derjenigen Rollpartnerschaft, welche neben Radialbelastungen auch dauerhaft großen Axialbelastungen ausgesetzt sind, im Vergleich zu den Komponenten der anderen, überwiegend nur radialbelasteten Rollpartnerschaft durch die gleichzeitig wirkenden axialen und radialen Lastanteile besonders verschleißanfällig sind und daher auch nur Komponenten, die gleichzeitig wirkenden axialen und radialen Lastanteilen ausgesetzt sind, eines höheren Verschleißschutzes in der Form einer größeren Härte bedürfen. Was dabei unter einer größeren Axialbelastung verstanden wird, sei nun erörtert. Wird ein Pendelrollenlager zur Lagerung einer Welle verwendet, kann nicht ausgeschlossen werden, dass axiale Kräfte aus unterschiedlichen Richtungen entlang der Längserstreckung auf das Lager einwirken. Sind die Kraftwirkungen aus unterschiedlichen Richtungen im Wesentlichen gleichverteilt, wird das Lager bzw. werden die verschiedenen Wälzkörperreihen dieses Lagers gleich beansprucht und daher gleich abgenutzt, so dass ein Verschleißschutz in beiden Wälzkörperreihen angebracht ist. Allerdings gibt es auch Anwendungsfälle, in denen axiale Kräfte lediglich in einer Richtung auf das Lager einwirken. Solche Verhältnisse sind beispielsweise bei Windkraftanlagen gegeben, wo zu einer effektiven Stromgewinnung axiale Kräfte fast ausnahmslos aus Richtung des mit dem einen Wellenende verbundenen Rotors auf das Wälzlager einwirken. Diese hauptsächlich einseitige Belastung mit axialen Kräften hat zur Folge, dass die Rollpartnerschaft, welche dem Rotor abgewandt ist, im Vergleich zu der anderen Rollpartnerschaft dauerhaft axial höher belastet ist. Ähnlich hohe, überwiegend aus nur einer axialen Richtung auf ein Pendelrollenlager einwirkende Kräfte sind auch gegeben, wenn dieses Pendelrollenlager zur Lagerung einer Mischertrommel entsprechend
DE 10 2012 214 432 A1 verwendet wird.
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Eine besonders gute Übertragung von Axialkräften ist dann gegeben, wenn die Wälzkörper der ersten Rollpartnerschaft unter einem Druckwinkel α abrollen, der kleiner als der Druckwinkel β ist, unter welchem die Wälzkörper der zweiten Rollpartnerschaft abrollen.
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Großserienmäßig gut beherrschbar ist es, wenn der Verschleißschutz in der Form einer größeren Härte entweder eine auftragende Beschichtung oder eine in die Randschicht der jeweiligen Komponente eingebrachte Gefügeveränderung ist, wobei unter Gefügeveränderungen nur solche verstanden werden, bei denen in den Randschichten, etwa durch reine Wärmebehandlung, die Struktur des Gefüges verändert ist, sondern auch solche, bei denen durch eindiffundierte Elemente die chemische Zusammensatzung der Randschicht gegenüber tieferen Bereichen der jeweiligen Komponenten verändert ist.
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Ein dauerhaft wirkender Verschleißschutz mit hoher Härte ist dann gegeben, wenn die Beschichtung eine kohlenstoffbasierte Deckschicht ist.
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Ein ausreichender Verschleißschutz ist bereits dann gegeben, wenn die Komponenten der zweiten Rollpartnerschaft, welche gegenüber den Komponenten der ersten Rollpartnerschaft eine höhere Härte aufweisen, nur die Wälzkörper und/oder die Laufbahn des inneren Lagerrings sind. Dies beruht auf der Erkenntnis, dass die Flächenpressung beim äußeren Lagerring gegenüber dem inneren Lagerring geringer ist, so dass der äußere Lagerring sogar ohne besonderen Verschleißschutz auskommt, was die Herstellung weiter vereinfacht.
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Die Erfindung schließt nicht aus, dass auch die Komponenten der ersten Rollpartnerschaft, welche der geringeren Axialbelastung während des Betriebs des Wälzlagers ausgesetzt sind, nicht auch mit einem üblichen Verschleißschutz versehen, also beispielsweise gehärtet, sind. Ist dies der Fall, dann können die Vorteile der Erfindung auch dann erreicht werden, wenn über den üblichen Verschleißschutz hinaus lediglich die jeweiligen Komponenten der zweiten Rollpartnerschaft, welche im Betrieb des Wälzlagers der höheren Axialbelastung ausgesetzt sind, mit einem darüber hinausgehenden Verschleißschutz in der Form einer größeren Härte versehen sind. Dies kann beispielsweise sehr einfach dadurch erreicht werden, dass ausgehend von der Härte der Randschicht von Komponenten der ersten Rollpartnerschaft mit geringerer Axialbelastung, die Randschichten von Komponenten der Rollpartnerschaft, die während des Betriebs des Wälzlagers höheren Axialbelastung ausgesetzt sind, eine größere Härte und/oder eine zusätzliche Beschichtung aufweisen.
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Figurenliste
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Es zeigen:
- 1 ein symmetrisches Pendelrollenlager,
- 2 ein asymmetrisches Pendelrollenlager,
- 3 einen Ausschnitt zwischen Wälzkörper und Laufbahn,
- 4 einen weiteren Ausschnitt zwischen Wälzkörper und Laufbahn, und
- 5 einen Wälzkörper.
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Wege zum Ausführen der Erfindung
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Die Erfindung soll nun anhand der Figuren näher beschrieben werden.
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In 1 ist ein doppelreihiges Pendelrollenlager 1 gezeigt. Dieses Pendelrollenlager wird von einem äußeren Lagerring 2, einem inneren Lagerring 3, tonnenförmigen Wälzköpern 4 und einem Käfig 5 gebildet. Der einteilige äußere Lagerring 2 ist mit einer sphärischen Laufbahn 6.1 versehen. Der innere Lagerring 3 weist zwei Laufbahnen 6.2 und 6.3 auf, die jeweils von einem Bord 7 axial begrenzt sind. Die Wälzkörper 4 sind in zwei Reihen angeordnet, wobei die Wälzkörper 4; 4.1, 4.2 von beiden Reihen auf der gemeinsamen Laufbahn 6.1 des äußeren Lagerrings 2 und die Wälzkörper 4.1 der linken Reihe auf der Laufbahn 6.2 und die Wälzkörper 4.2 der rechten Reihe auf der Laufbahn 6.3 des inneren Lagerrings 3 abrollen. Dabei bilden die Wälzköper 4.1 der linken Reihe zusammen mit der Laufbahn 6.1 und der Laufbahn 6.2 eine erste Rollpartnerschaft 8.1 und die Wälzkörper 4.2 der rechten Reihe zusammen mit der Laufbahn 6.1 und der Laufbahn eine zweite Rollpartnerschaft 8.2.
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Dieses Pendelrollenlager 1 ist symmetrisch ausgebildet. Dies bedeutet, dass bezogen auf die Hauptdrehachse HDA dieses Pendelrollenlagers 1 die Anstellwinkel der Drehachsen DA der Wälzkörper 4.1 der linken Reihe gleich den Anstellwinkeln der Drehachsen DA der Wälzkörper 4.2 der rechten Reihe ist. Diese gleichen Anstellwinkel der Wälzkörper 4: 4.1. 4.2 in beiden Reihen hat zur Folge, dass bezogen auf eine Senkrechte zur Hauptdrehachse HDA die Druckwinkel α, β von beiden Reihen gleich und daher symmetrisch sind.
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Der innere Lagerring 3 ist von eine Welle 9 durchdrungen. Diese Welle 9 ist an ihrem der ersten Rollpartnerschaft 8.1 nahen Ende 10 mit einem Rotor 11 einer nicht näher gezeigten Windkraftanlage versehen. Dies bedeutet, dass bei auf den Rotor 11 wirkenden Windkräften F1 das Pendelrollenlager 1 axial einseitig belastet wird. Im Einzelnen setzen sich die Windkräfte F1 entlang der Welle 9 fort und werden, vermittelt über den inneren Lagerring 3 lediglich von den Wälzkörpern 4.2 der rechten Reihe auf den äußeren Lagerring 2 übertragen. Folglich ist an der Ausnahme von Axiallasten ausschließlich die zweite Rollpartnerschaft 8.2 beteiligt.
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Ebenso verhält es sich beim Pendelrollenlager 1 gemäß 2. Dieses unterscheidet sich von dem Pendelrollenlager gemäß 1 lediglich dadurch, dass die Drehachsen DA der Wälzkörper 4.2 der rechten Reihe gegenüber den Drehachsen DA der Wälzkörpern 4.1 der linken Reihe einen größeren Anstellwinkel bezogen auf die Hauptdrehachse HDA des Pendelrollenlagers 1 haben, also der Druckwinkel β im Vergleich zum Druckwinkel α größer ausgebildet ist und daher das Pendelrollenlager 1 gemäß 2 ein asymmetrisches Pendelrollenlager zum Gegenstand hat. Im Vergleich zur symmetrischen Ausführungsform gemäß 1 ist, wie leicht einzusehen ist, der größere Druckwinkel β bei der asymmetrischen Ausführungsform gemäß 2 sehr viel besser geeignet, axiale und der Windkräften F1 eingebrachte Belastungen aufzunehmen.
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Damit die Pendelrollenlager 1 der 1 oder 2 axialen, von der Windkraft F1 hervorgerufenen Belastungen besser standhalten, sind lediglich die Wälzkörper 4.2, welche Teil der jeweiligen Rollpartnerschaft 8.2 sind, mit einem höheren Verschleißschutz 12 versehen, der in den 1 und 2 lediglich durch eine dick ausgezogene Linie dargestellt ist und auf welche nachfolgend noch näher eingegangen wird.
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In 3 ist ein Wälzkörper 4. 2 eines Pendelrollenlagers 1 gemäß den 1 oder 2 vergrößert dargestellt, welcher auf einer nur ausschnittweise dargestellten Laufbahn 6.3 eines inneren Lagerrings 3 abrollt. Dieser Wälzkörper 4.2 ist als Wälzlagerstahl hergestellt. Die äußere Mantelfläche 13.1 dieses Wälzkörpers 4.2 ist zur Bildung eines Verschleißschutzes 12 mit einer Beschichtungslage 14 versehen, welche in diesem Ausführungsbeispiel eine DLC Beschichtung ist und eine Härte von > 800 HVC hat. Damit liegt die Härte dieser Beschichtungslage 14 deutlich über den Härten der Mantelflächen der Wälzkörper 4.1, und sämtlicher Laufbahnen 6.1, 6.2 und 6.3, die bei max. 700 HVC liegen.
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Da im Vergleich zur Laufbahn 6.1 am äußeren Lagerring 2 die Laufbahn 6.3 am inneren Lagerring 3 einen kleineren radialen Abstand zur Hauptdrehachse HDA einhält, sind während des Betriebs des Pendelrollenlagers 1 auch an der Laufbahn 6.3 des inneren Lagerrings 3 im Vergleich zu der Laufbahn 6.1 höhere Flächenpressungen zu erwarten. Daher kann es sinnvoll sein, auch die Laufbahn 6.3 des inneren Lagerrings 3, welche zusammen mit den Wälzkörpern 4.2 und der Laufbahn 6.1 des äußeren Lagerings 2 die zweite Rollpartnerschaft 8.2 bilden, mit einem Verschleißschutz 12 zu versehen. Letzteres ist in 4 gezeigt, wo die Oberfläche 13.2 des aus Wälzlagerstahl gebildeten inneren Lagerrings 3, welche gemäß 4 die Laufbahn 6.3 bildet, mit einem Verschleißschutz 12' in der Form einer Beschichtungslage 14' ebenfalls aus DLC Material versehen ist. Da bei 3 der Wälzkörper 4.2 entsprechend 4 ebenfalls mit einer Beschichtungslage 14 versehen ist, stehen in 4 am inneren Lagerring 3 zwei Beschichtungslagen 14. 14' großer Härte miteinander im Wälzkontakt. Durch die gestrichelte Linie L am äußeren Lagerring 2 in 4 ist angedeutet, dass auch die Laufbahn 6.1 am äußeren Lagerring 2 mit einem Verschleißschutz in der Form einer Beschichtungslage versehen sein kann.
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Ist - wie in den 3 und 4 gezeigt - neben dem Wälzkörper 4.2 zumindest eine der Laufbahnen 6.1; 6.3 mit einem Verschleißschutz 12, 12' in der Form einer Beschichtungslage 14' versehen, können die verschiedenen Beschichtungslagen 14, 14' auch unterschiedliche Materialzusammensetzungen haben, sofern sichergestellt ist, dass deren jeweilige Härten dieser Beschichtungslagen stets größer der Härte der Mantelflächen bzw. Oberflächen der Komponenten 4.1, 6.1, 6.2 ist, die im Rollkontakt der ersten Rollpartnerschaft 8.1 stehen.
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Auch ist die Erfindung nicht auf einen Verschleißschutz 12 in der Form von auftragenden Beschichtungslagen 14 beschränkt, deren Härte größer ist als die Härte der jeweiligen, zur zweiten Rollpartnerschaft 8.2 gehörenden Komponente 4.2, 6.1, 6.3 selbst. So kann in einem anderen Ausführungsbeispiel der Verschleißschutz 12 auch durch Veränderung von Randschichten 15 der aus Wälzlagerstahl gebildeten Komponenten 4.2, 6.1, 6.3 der zweiten Rollpartnerschaft 8.2 bewirkt werden. Dies soll anhand 5 exemplarisch für einen Wälzkörper 4.2 erläutert werden. Dieser Wälzkörper 4.2 ist aus Wälzlagerstahl hergestellt und weist eine Randschicht 15 auf, die durch Eindiffundieren von Kohlenstoffatomen 16 in die Randschicht 15 gegenüber tieferen Schichten des Wälzkörpers 4.2 einen höheren Kohlenstoffgehalt hat, was nach dem Abschrecken und anschließenden Anlassen für eine sehr harte und daher verschließfeste Randschicht 15 sorgt. Der höhere Anteil von Kohlenstoffatomen 16 in der Randschicht 15 ist in 5 lediglich schematisch gezeigt.
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Sofern entsprechend den 3, 4 auch die Laufbahnen 6.1, 6.3 eines erhöhten Verschleißschutzes bedürfen, können natürlich neben dem Wälzkörper 4.2 auch die jeweiligen Laufbahnen besonders harte und widerstandsfähige Randschichten 15 mit höherem Kohlenstoffgehalt aufweisen.
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Nur der Vollständigkeit halber sei bemerkt, dass der höhere Verschleißschutz von Komponenten 4.1, 6.1 und 6.3 der zweiten Rollpartnerschaft 8.2 nicht notwendig „sortenrein“ ausgebildet sein muss. So können beispielsweise die Wälzkörper 4.2, die entsprechend 3 mit einer Beschichtungslage 14 aus DLC verschleißfest gemacht sind, auf einer Laufbahn 6.3 am inneren Lagerring 3 abrollen, die durch eine Gefügeveränderung der Randschicht 15 ihre höhere Verschleißfestigkeit erhalten hat.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Pendelrollenlager
- 2
- Äußerer Lagerring
- 3
- Innerer Lagerring
- 4; 4.1, 4.2
- Wälzkörper
- 5
- Käfig
- 6; 6.1-6.3
- Laufbahn
- 7
- Bord
- 8.1, 8.2
- Erste und zweite Rollpartnerschaft
- 9
- Welle
- 10
- Ende
- 11
- Rotor
- 12
- Verschleißschutz
- 13; 13.1, 13.2
- Mantelfläche
- 14
- Beschichtungslage
- 15
- Randschicht
- 16
- Kohlenstoffatom
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 19611723 A1 [0006, 0007]
- DE 1020122086925 A1 [0007]
- JP 2004301225 A2 [0010]
- WO 08143031 A1 [0010]
- DE 102012214432 A1 [0014]
