DE102020004062A1

DE102020004062A1 - Großlager mit Lagerspielkompensation

Info

Publication number: DE102020004062A1
Application number: DE102020004062.4A
Authority: DE
Inventors: Hubertus Frank; Wolfgang Schnapp
Original assignee: IMO Holding GmbH
Current assignee: IMO Holding GmbH
Priority date: 2020-07-06
Filing date: 2020-07-06
Publication date: 2022-01-13

Abstract

Eine Großlageranordnung umfasst ein Wälzlager mit einem ersten Lagerring, der ein erstes Fertigungsmaterial aufweist; einen zweiten Lagerring der ein zweites Fertigungsmaterial aufweist; zumindest vier zwischen den Lagerringen angeordneten Laufbahndrahtelementen und mehreren zwischen den Laufbahndrahtelementen angeordneten Wälzkörpern. Die Lagerringe sind hierbei relativ zueinander um eine gemeinsame Mittellängsachse drehbar. Der erste und der zweite Lagerring weisen jeweils eine umlaufende Ringnut auf, in welcher jeweils zumindest zwei der Laufbahndrahtelemente zumindest teilweise angeordnet sind, wobei die zumindest vier Laufbahndrahtelemente jeweils voneinander beabstandet sind und gemeinsam zumindest eine Laufbahn für die mehreren zwischen den Laufbahndrahtelementen angeordneten Wälzkörper ausbilden. Weiter ist zumindest ein erster Kompensationsring zumindest teilweise in der umlaufenden Ringnut des ersten Lagerrings angeordnet, wobei der erste Kompensationsring ein drittes Fertigungsmaterial mit einem temperaturabhängigen Raumausdehnungskoeffizienten, der ungleich einem temperaturabhängigen Raumausdehnungskoeffizienten des ersten Fertigungsmaterials ist, aufweist.

Description

Hintergrund
Eine hier beschriebene Lageranordnung, welche insbesondere als Großlager ausgebildet sein kann, dient zum Beispiel zur Lagerung von Vorrichtungskomponenten in Umgebungen mit stark wechselnden Temperaturverhältnissen oder zur Lagerung von wärmeabgebenden Vorrichtungen, zum Beispiel Motoren, in kalten Umgebungen.
Als Großlager sind hier Lager bezeichnet, die einen Laufring mit einem Durchmesser von wenigstens einem Meter aufweisen. Es können auch andere Kriterien, zum Beispiel eine Traglast, und insbesondere auch andere Durchmesser-Werte für die Definition von Großlagern herangezogen werden. Entscheidend ist dabei, dass es sich um Lager handelt, die deutlich größer sind als solche, die üblicherweise in Alltagsanwendungen, wie beispielsweise in Personenkraftwagen eingesetzt sind und einen Außendurchmesser von einigen Zentimetern aufweisen.
Stand der Technik
Stark wechselnde (Umgebungs-)Temperaturverhältnisse können zum Beispiel für Lageranordnungen für Windkraftanlagen von erheblicher Bedeutung sein. Insbesondere können in Wüstengegenden oder in Gegenden mit hochkontinentalem Klima eingesetzte Windkraftanlagen jahreszeitlich und teilweise täglich erheblich schwankenden Temperaturverhältnissen sowie erheblich schwankenden Sonneneinstrahlungsintensitäten ausgesetzt sein. So kann sich ein aus Metall gefertigtes Lager bei heißem Wüstenklima mit hoher Sonneneinstrahlung auf bis zu 50°C oder mehr aufheizen, während dasselbe Lager in der Wüstenumgebung nachts durchaus bis unter 0°C auskühlen kann.
Ferner kann zu Beispiel in arktischen Umgebungen eine Außentemperatur bis unter -40°C sinken, wobei zum Beispiel eine in einem mittenfrei ausgestalteten Großwälzlager angeordnete wärmeabgebende Vorrichtung, zum Beispiel ein Motor oder ein Generator, zumindest den Innenring eines Großwälzlagers bis auf zweistellig positive Celsiustemperaturen aufheizen kann, während der Außenring eines solchen Großwälzlager kaum oder zumindest weniger Wärme von der wärmeabgebenden Vorrichtung aufnimmt.
Es können somit für Großlageranordnungen sowohl zeitlich schwankende Temperaturverhältnisse als auch für die einzelnen Lagerringe sehr unterschiedliche Temperaturverhältnisse auftreten. Hierdurch kann es aufgrund einer unterschiedlichen Wärmeausdehnung der einzelnen Lagerkomponenten zu einem unerwünscht vergrößerten Lagerspiel und/oder zu einem Verklemmen bzw. zu einer Fehlfunktion der Lager kommen.
Werden ferner Lagerkomponenten aus unterschiedlichen Materialien verwendet, zum Beispiel Wälzkörper aus Keramik und Lagerringe aus Wälzlagerstahl und/oder Lagerringe aus unterschiedlichen Stahlsorten, können durch zeitlich schwankende Temperaturverhältnisse und/oder hohe Temperaturgradienten innerhalb des Wälzlagers bedingte Fehlfunktionen und/oder ein zum Teil stark erhöhter Verschleiß des Lagers weiter befördert werden.
Anders als kleinere Lageranordnungen sind Großlager, insbesondere Großlager mit zumindest teilweise aus Keramik gefertigten Komponenten, besonders von dieser Problematik betroffen, da diese, einerseits, üblicherweise unterschiedliche Fertigungsmaterialen mit unterschiedlichen temperaturabhängigen Raumausdehnungskoeffizienten umfassen und, andererseits, bereits aufgrund ihrer räumlichen Ausdehnung eine uneinheitliche Temperaturverteilung aufweisen.
Um einer Veränderung des Lagerspiels entgegenzuwirken ist es bekannt, Fertigungsmaterialien mit niedrigen Temperaturausdehnungskoeffizienten für die Lagerringe eines Großlagers zu verwenden. Dieses schränkt die Auswahl eines Fertigungsmaterials für die Lageringe jedoch erheblich ein und ist, sofern aus anderen technischen Gründen weitere Anforderungen an die Materialauswahl der Lagerringe gestellt werden, nur bedingt realisierbar.
Technische Aufgabenstellung
Es besteht somit weiter Bedarf an einer verbesserten Großlageranordnung, die über einen weiten Temperaturbereich einsetzbar ist und auch eine asymmetrische Temperaturverteilung innerhalb des Lagers toleriert, wobei die Fertigungsmaterialien für die Komponenten des Lagers nicht auf Materialien mit einem bestimmten Temperaturausdehnungskoeffizienten eingeschränkt werden sollen.
Vorgeschlagene Lösungen, Ausgestaltungen und Vorteile
Zur Lösung der technischen Aufgabenstellung wird eine Vorrichtung nach dem Anspruch 1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen werden durch die abhängigen Ansprüche definiert.
Eine Großlageranordnung umfasst ein Wälzlager mit einem ersten Lagerring, der ein erstes Fertigungsmaterial aufweist und einem zweiten Lagerring der ein zweites Fertigungsmaterial aufweist. Die Lagerringe, welche jeweils als Innenlagerring oder als Außenlagerring ausgebildet sein können, sind relativ zueinander um eine gemeinsame Mittellängsachse drehbar bzw. rotierbar. Die gemeinsame Mittellängsachse bildet hierbei die Drehachse des Wälzlagers.
Das erste Fertigungsmaterial und das zweite Fertigungsmaterial können hierbei jeweils zueinander gleiche oder zueinander unterschiedliche Fertigungsmaterialien sein. Ausdrücklich ist es möglich, dass der erste Lagerring und/oder der zweite Lagerring aus mehreren Teilelementen bzw. aus mehreren Teilringen zusammengesetzt sind, wobei die jeweiligen Teilelemente bzw. Teilringe nicht notwendigerweise dieselben Fertigungsmaterialien aufweisen müssen. Selbstverständlich sind jedoch auch Ausführungsformen möglich, bei denen die Teilelemente bzw. Teilringe jeweils dieselben oder zumindest sehr ähnliche Fertigungsmaterialien aufweisen.
Der erste Lagerring kann insbesondere ein Innenring des Wälzlagers sein und der zweite Lagerring kann insbesondere ein Außenring des Wälzlagers sein. In alternativen Ausführungsformen kann der erste Lagerring ein Außenring des Wälzlagers sein und der zweite Lagerring kann ein Innenring des Wälzlagers sein.
Ferner hat das Wälzlager zumindest vier zwischen den Lagerringen angeordnete Laufbahndrahtelemente, die zueinander jeweils gleichartig oder zueinander verschiedenartig ausgeformt bzw. ausgestaltet sind.
Die zumindest vier Laufbahndrahtelemente sind jeweils voneinander beabstandet und bilden gemeinsam zumindest eine Laufbahn für die mehreren zwischen den Laufbahndrahtelementen angeordneten Wälzkörper aus. Mit anderen Worten berühren die zumindest vier Laufbahndrahtelemente einander zumindest abschnittsweise jeweils nicht und definieren zusammen zumindest eine Laufbahn, entlang welcher mehrere Wälzkörper des Wälzlagers abrollen können.
In einer Ausführungsform des Wälzlagers bilden ausschließlich die Laufbahndrahtelemente des Wälzlagers die zumindest eine Laufbahn des Wälzlagers aus. Mit anderen Worten können die Laufbahndrahtelemente die zumindest eine Laufbahn derart ausbilden, dass die entlang dieser Laufbahn abrollenden Wälzkörper stets einen Abstand zu den Lagerringen aufweisen bzw. die Lagerringe jeweils nicht berühren.
Weiter umfasst das Wälzlager mehrere Wälzkörper, die zwischen den Laufbahndrahtelementen angeordnet sind und/oder die entlang der durch die Laufbahndrahtelemente ausgebildeten Laufbahn abrollen. Die Wälzkörper können zum Beispiel als kugelförmige Wälzkörper oder als zylinder- oder rollenförmige Wälzkörper ausgebildet sein und/oder aus einem Wälzlagerstahl oder aus einem Keramikmaterial gefertigt sein.
Der erste und der zweite Lagerring weisen jeweils eine umlaufende Ringnut auf, in welcher jeweils zumindest zwei der Laufbahndrahtelemente zumindest teilweise angeordnet sind. Mit anderen Worten haben der erste Lagerring und der zweite Lagerring jeweils eine umlaufende Ringnut/Vertiefung, wobei jeweils zumindest zwei Laufbahndrahtelemente zumindest teilweise in einer dieser Ringnuten/Vertiefungen positioniert sind.
In einer Variante sind der erste und/oder der zweite Lagerring im Bereich der Ringnut in im Wesentlichen radialer Richtung in einen jeweils ersten Teilring und in einen jeweils zweiten Teilring geteilt. In dieser Variante ist es möglich, dass der erste Teilring und der zweite Teilring in axialer Richtung zum Beispiel durch Schrauben miteinander fest verbunden sind.
Ferner ist zumindest ein erster Kompensationsring zumindest teilweise in der umlaufenden Ringnut des ersten Lagerrings angeordnet, wobei der erste Kompensationsring ein drittes Fertigungsmaterial mit einem temperaturabhängigen Raumausdehnungskoeffizienten, γ₃, der ungleich einem temperaturabhängigen Raumausdehnungskoeffizienten des ersten Fertigungsmaterials, γ₁ ist, aufweist.
Ein Vorteil ist, dass die Laufbahndrahtelemente an ihrem Umfang mindestens einen Spalt aufweisen und damit in gewissen Bereichen Unterschiede im Raumausdehnungskoeffizienten zwischen den Laufbahndrahtelementen und dem umschließenden Ringmaterial durch Änderung der Spaltbreite ausgleichen können. Mit anderen Worten können Durchmesseränderungen zwischen Ringmaterial und den Laufbahndrahtelementen zumindest bis zu einen Bestimmten Ausmaß durch eine mögliche „Längenänderung“ im Spalt der Laufbahndrahtelemente kompensiert. Bei einer durch besonders niedrige Temperaturen bedingten Zusammenziehung des Lagermaterials bzw. der Lagermaterialen können die zumindest vier Laufbahndrahtelemente ihren Kontakt zu den Wälzelementen, zumindest im Bereich der Tragwinkel der Wälzelemente, wahren, wobei der Kompensationsring mit dem anderen, insbesondere im Vergleich zum temperaturabhängigen Raumausdehnungskoeffizienten des ersten Fertigungsmaterials, γ₁, abweichenden, temperaturabhängigen Raumausdehnungskoeffizienten, γ₃, das Entstehen eines für den Betrieb des Wälzlagers zu großen Lagerspiels verhindert.
Ferner kann der Kompensationsring mit dem zum temperaturabhängigen Raumausdehnungskoeffizienten des ersten Fertigungsmaterials, γ₁, ungleichen, insbesondere niedrigeren, temperaturabhängigen Raumausdehnungskoeffizienten, γ₃, bei einer asymmetrischen Erwärmung der Lagerringe sicherstellen, dass zumindest in einem vorbestimmten Arbeitstemperaturbereich ein bestimmtes Lagerspiel bzw. eine bestimmte Lagervorspannung erhalten bleibt bzw. jeweilige vorbestimmte Grenzwerte für das Lagerspiel und/oder die Lagervorspannung nicht überschritten bzw. unterschritten werden.
Mit anderen Worten vermindert der in der Ringnut des ersten Lagerrings angeordnete Kompensationsring mit dem temperaturabhängigen Raumausdehnungskoeffizienten, y3, eine temperaturabhängige Schwankung des Ringnutvolumens relativ zur temperaturabhängigen Schwankung eines Ringnutvolumens einer Anordnung ohne Kompensationsring. Das Volumen und der temperaturabhängige Raumausdehnungskoeffizient, y3, des Kompensationsrings können hierbei so ausgewählt werden, dass eine Volumenausweitung der Ringnut bei besonders niedrigen Temperaturen auf ein zum Betrieb des Wälzlagers noch akzeptables Maß begrenzt werden kann, wobei eine durch hohe Temperaturen bedingte Volumenreduzierung der zur Aufnahme der Laufbahndrahtelemente dienenden Ringnuten zumindest bis zu einem durch die voneinander beabstandeten Laufbahndrahtelemente kompensierbaren Grad hingenommen werden kann.
Der erste und der zweite Lagerring können einen in etwa zylindrischen Ringspalt zwischen sich einschließen, der konzentrisch um die gemeinsame Mittellängsachse der Lagerringe angeordnet ist.
Das Wälzlager kann ferner einen zweiten Kompensationsring aufweisen, der zumindest teilweise in der umlaufenden Ringnut des ersten Lagerrings angeordnet ist, wobei der zweite Kompensationsring ein viertes Fertigungsmaterial mit einem temperaturabhängigen Raumausdehnungskoeffizienten, γ₄, der ungleich dem temperaturabhängigen Raumausdehnungskoeffizienten des ersten Fertigungsmaterials, γ₁, ist, aufweisen kann.
Das dritte Fertigungsmaterial und das vierte Fertigungsmaterial können hierbei jeweils zueinander gleiche oder zueinander unterschiedliche Fertigungsmaterialien sein. Insbesondere können der temperaturabhängige Raumausdehnungskoeffizient des dritten Fertigungsmaterials und der temperaturabhängige Raumausdehnungskoeffizient des vierten Fertigungsmaterials einen identischen oder unterschiedlichen Wert aufweisen. Ferner kann der zweite Kompensationsring eine zum ersten Kompensationsring identische oder unterschiedliche Ausformung bzw. Formgebung aufweisen.
Ein Vorteil der Verwendung von zwei Kompensationsringen in einer Ringnut ist es, dass diese einen symmetrischen Aufbau der Anordnung innerhalb der Ringnut und, hierdurch bedingt, die Vermeidung einer asymmetrischen Verformung der Ringnut des ersten Lagerrings relativ zur Ringnut des zweiten Lagerrings im Falle einer Temperaturänderung erlauben. Die Vermeidung einer asymmetrischen Verformung der Ringnut ist vorteilhaft, weil hierdurch eine unerwünschte Verschiebung der Laufbahndrahtelemente und/oder der durch die Laufbahndrahtelemente ausgebildeten Laufbahn, insbesondere in axialer Richtung, verhindert werden kann.
Der erste Kompensationsring kann in einer zur Mittellängsachse radialen Richtung zwischen einem oder mehreren Laufbahndrahtelementen und dem ersten Lagerring angeordnet sein.
Hierdurch kann insbesondere eine unerwünschte Lageraufweitung und/oder Lagerverengung in zur Mittellängsachse radialen Richtung des Wälzlagers vermindert werden.
Alternativ können der erste und/oder der zweite Kompensationsring in einer zur Mittellängsachse axialen Richtung zwischen einem oder mehreren Laufbahndrahtelementen und dem ersten Lagerring angeordnet sein.
Hierdurch kann insbesondere eine unerwünschte Lageraufweitung und/oder Lagerverengung in zur Mittellängsachse axialen Richtung des Wälzlagers vermindert werden.
Ferner sind ausdrücklich Ausführungsformen möglich, die sowohl in zur Mittellängsachse radialer und axialer Richtung zwischen einem oder mehreren Laufbahndrahtelementen und dem ersten Lagerring angeordnete Kompensationsringe umfassen. In einer solchen Ausführungsform kann ein dritter Kompensationsring in einer zur Mittellängsachse radialen Richtung zwischen einem oder mehreren Laufbahndrahtelementen und dem ersten Lagerring angeordnet sein und der erste und der zweite Kompensationsring können jeweils in einer zur Mittellängsachse axialen Richtung zwischen einem oder mehreren Laufbahndrahtelementen und dem ersten Lagerring angeordnet sein. Der erste und der zweite Kompensationsring können hierbei an/auf einander gegenüberliegenden Oberflächen der Ringnut angeordnet sein. Der dritte Kompensationsring kann ein fünftes Fertigungsmaterial mit einem temperaturabhängigen Raumausdehnungskoeffizienten, γ₃, der ungleich einem temperaturabhängigen Raumausdehnungskoeffizienten des ersten Fertigungsmaterials, γ₁, ist, aufweisen.
Ein Vorteil hierbei ist, dass eine temperaturabhängige Verformung der Ringnut in jeder Raumrichtung entgegengewirkt werden kann, wobei die Kompensationsringe mit den voneinander beabstandeten Laufbahndrahtelementen zur Vermeidung einer temperaturbedingten Betriebsunfähigkeit des Lagers zusammenwirken.
Das Wälzlager kann ferner einen vierten und/oder fünften Kompensationsring aufweisen, der zumindest teilweise in der umlaufenden Ringnut des zweiten Lagerrings angeordnet ist, wobei der vierte und/oder der fünfte Kompensationsring ein sechstes und/oder siebtes Fertigungsmaterial mit einem temperaturabhängigen Raumausdehnungskoeffizienten, γ₆, γ₂, der ungleich einem temperaturabhängigen Raumausdehnungskoeffizienten des zweiten Fertigungsmaterials, γ₂, ist, aufweist.
Der vierte Kompensationsring kann in einer zur Mittellängsachse radialen Richtung zwischen einem oder mehreren der Laufbahndrahtelemente und dem zweiten Lagerring angeordnet sein. Alternativ können der vierte und/oder der fünfte Kompensationsring in einer zur Mittellängsachse axialen Richtung zwischen einem oder mehreren Laufbahndrahtelementen und dem zweiten Lagerring angeordnet sein.
Weiter kann das Wälzlager einen sechsten Kompensationsring umfassen, der in einer zur Mittellängsachse radialen Richtung zwischen einem oder mehreren Laufbahndrahtelementen und dem zweiten Lagerring angeordnet ist, wobei der sechste Kompensationsring ein achtes Fertigungsmaterial mit einem temperaturabhängigen Raumausdehnungskoeffizienten, γ₈, der ungleich einem temperaturabhängigen Raumausdehnungskoeffizienten des zweiten Fertigungsmaterials ist, aufweist.
Ein Vorteil der Verwendung von Kompensationsringen für beide Lagerringe besteht darin, dass die Lagerringe, insbesondere die Ringnuten der Lagerringe, zueinander symmetrisch aufgebaut werden können und insbesondere auch ein unter veränderlichen Temperaturverhältnissen veränderliches Ringnutvolumen zueinander symmetrisch angelegt werden kann.
Jedoch sind ausdrücklich auch Ausführungsformen möglich, bei denen eine symmetrische Ausgestaltung der Kompensationsringe explizit nicht verwirklicht wird. Soll zum Beispiel eine von einer Maschine, zum Beispiel von einem Motor oder einem Generator, auf einen inneren Lagerring ausstrahlende Wärme beim Betrieb einer Großlageranordnung in einer kalten Betriebsumgebung berücksichtigt werden, können die temperaturabhängigen Raumausdehnungskoeffizienten für die Fertigungsmaterialen der Kompensationsringe des inneren Lagerrings und/oder die Volumina der Kompensationsringe des inneren Lagerrings im Vergleich zu den Raumausdehnungskoeffizienten für die Fertigungsmaterialen der Kompensationsringe des äußeren Lagerrings und/ oder die Volumina der Kompensationsringe des äußeren Lagerrings jeweils geringer sein. Schwankungen der kalten Umgebungstemperaturen beeinflussen bei einer solchen Anordnung vornehmlich eine räumliche Ausdehnung des jeweils äußeren Lagerrings, sodass einer asymmetrischen Verformung der Lagerringe durch schwankende Temperaturgradienten innerhalb des Lagers aufgrund schwankender Umgebungstemperaturen durch eine asymmetrische Verwirklichung der Kompensationsringe entgegengewirkt werden kann.
Insbesondere können die temperaturabhängigen Raumausdehnungskoeffizienten von Fertigungsmaterialien für Kompensationsringe eines äußeren Lagerrings, zum Beispiel die temperaturabhängigen Raumausdehnungskoeffizienten γ₃, γ₄ und/oder γ₅, zueinander gleich und/oder jeweils geringer sein, als die temperaturabhängigen Raumausdehnungskoeffizienten von Fertigungsmaterialien für Kompensationsringe eines inneren Lagerrings, zum Beispiel die temperaturabhängigen Raumausdehnungskoeffizienten γ₆, γ₈ und/oder γ₉. Hierdurch kann der jeweils innere Lagerring „temperatursensibler“ ausgestaltet werden als der jeweils äußere Lagerring, sodass eine von außen auf die Lagerringe einwirkende Änderung einer Betriebsumgebungstemperatur trotz eines hierdurch im Innern der Großlageranordnung auftretenden Temperaturgradients zu einer zumindest im Wesentlichen gleichartigen Verformung der Ringnuten der Lagerringe führt. Umgekehrt kann selbstverständlich auch der jeweils äußere Lagerring „temperatursensibler“ als der jeweils innere Lagerring ausgestaltet werden, sodass eine aus dem Innern der Großlageranordnung abstrahlende Wärme, zum Beispiel eine Betriebs- oder Abwärme eines Motors oder Generators, zu einer zumindest im Wesentlichen gleichartigen Verformung der Ringnuten der Lagerringe führt obwohl der innere Lagerring durch die Betriebs- oder Abwärme des Motors oder Generators stärker erhitzt wird als der äußere Lagerring.
Eine asymmetrische Temperatursensibilität der Lagerringe kann insbesondere auch durch einen ausschließlich im ersten Lagerring verwirklichten Kompensationsring oder durch ausschließlich im ersten Lagerring verwirklichte Kompensationsringe erreicht werden.
Optional kann das Wälzlager als Kreuzrollenlager oder als Vierpunktkugellager mit einem Tragwinkel von 30° bis 60°, insbesondere mit einem Tragwinkel von 45°, ausgebildet sein.
Kreuzrollenlager oder Vierpunktkugellager eignen sich besonders als Implementierungsformen des hier beschriebenen Wälzlagers für die Großlageranordnung, da die Laufbahndrahtelemente hierbei sowohl in zur Mittellängsachse radialer als auch in zur Mittellängsachse axialer Richtung voneinander beabstandet werden können. Mit anderen Worten können die zumindest vier jeweils voneinander beabstandeten Laufbahndrahtelemente sowohl in zur Mittellängsachse radial als auch in zur Mittellängsachse axial verlaufende Zwischenräume/Spalten zwischeneinander ausbilden, die einen Kompensation einer Materialausdehnung der Lagerringe gleichzeitig in axialer und radialer Richtung erlauben.
Die Wälzkörper können in einer Variante ein Wälzkörperfertigungsmaterial aus einem Keramikmaterial aufweisen, dessen temperaturabhängiger Raumausdehnungskoeffizient, γw, einen niedrigeren Wert aufweist als der temperaturabhängige Raumausdehnungskoeffizient des ersten Fertigungsmaterials, γ₁, und/oder der temperaturabhängige Raumausdehnungskoeffizient des zweiten Fertigungsmaterials, γ₂.
Das sehr harte und daher für Wälzkörper besonders geeignete Keramikmaterial weist keine oder nur eine geringe temperaturabhängige Ausdehnung bzw. Formveränderung auf. Jedoch wird die Verwendung von Keramikmaterialien für die Wälzkörper einer über einen weiten Temperaturbereich einsetzbaren Großlageranordnung durch die voneinander beabstandeten Laufbahndrahtelemente und den/die Kompensationsring/e als solche überhaupt erst ermöglicht, da die zumindest nahezu vollständig unelastischen und daher sensibel auf Veränderungen eines Lagerspiels reagierenden Keramikmaterialen über einen weiten Temperaturbereich nur dann in einer Großlageranordnung eingesetzt werden können, wenn diese eine temperaturabhängige Lagerspielkompensation sowohl für niedrige als auch für hohe Temperaturen aufweist.
Der temperaturabhängige Raumausdehnungskoeffizient des ersten Fertigungsmaterials, γ₁, kann zumindest im Wesentlichen den gleichen Wert aufweisen wie der temperaturabhängige Raumausdehnungskoeffizient des zweiten Fertigungsmaterials γ₂.
Weiter kann der temperaturabhängige Raumausdehnungskoeffizient des dritten Fertigungsmaterials, γ₃, einen Wert aufweisen, der ungleich dem temperaturabhängigen Raumausdehnungskoeffizienten des ersten Fertigungsmaterials, γ₁, und/oder des zweiten Fertigungsmaterials, γ₂, ist. Insbesondere kann der temperaturabhängige Raumausdehnungskoeffizient des dritten Fertigungsmaterials, γ₃, einen Wert aufweisen, der niedriger als der Wert des temperaturabhängigen Raumausdehnungskoeffizienten des ersten Fertigungsmaterials, γ₁, und/oder des zweiten Fertigungsmaterials, γ₂, ist.
Ebenso können das vierte und/oder fünfte und/oder sechste und/oder siebte und/ oder achte Fertigungsmaterial einen temperaturabhängige Raumausdehnungskoeffizient mit einen Wert aufweisen, der ungleich dem temperaturabhängigen Raumausdehnungskoeffizienten des ersten Fertigungsmaterials, γ₁, und/oder des zweiten Fertigungsmaterials, γ₂, ist. Insbesondere kann der temperaturabhängige Raumausdehnungskoeffizient des vierten und/oder fünften und/oder sechsten und/oder siebten und/oder achten Fertigungsmaterials einen Wert aufweisen, der niedriger als der Wert des temperaturabhängigen Raumausdehnungskoeffizienten des ersten Fertigungsmaterials, γ₁, und/oder des zweiten Fertigungsmaterials, γ₂, ist.
Alternativ oder ergänzend kann der temperaturabhängige Raumausdehnungskoeffizient des vierten Fertigungsmaterials, γ₄, einen Wert aufweisen, der gleich oder ungleich dem Wert des temperaturabhängige Raumausdehnungskoeffizienten des dritten Fertigungsmaterials, γ₃, und/oder der ungleich einem temperaturabhängigen Raumausdehnungskoeffizienten des ersten Fertigungsmaterials, γ₁, und/oder des zweiten Fertigungsmaterials, γ₂, ist.
In einer Variante hat der erste und/oder zweite Lagerring eine radial orientierte (Außen- oder Innen-)Verzahnung, die unmittelbar angeformt oder anderweitig ausgebildet ist. Die Verzahnung erlaubt eine gesteuerte, motorisch getriebene Verdrehung eines der Lagerringe um die Mittellängsachse.
In einer weiteren Variante hat der erste oder zweite Lagerring eine Außen- oder Innen-Verzahnung in Gestalt einer Triebstockverzahnung (lantern gear toothing). Diese kann jeweils einzeln austauschbare, bolzenförmige Zähne aufweisen und dazu eingerichtet sein, mit einem entsprechenden Antrieb eine gesteuerte, motorisch getriebene Drehung eines Lagerrings um die Mittellängsachse zu bewirken.
In einer weiteren Variante kann der erste oder der zweite Lagerring ferner einstückig oder lösbar mit einem in axialer Richtung vorstehenden Anschlusselement versehen sein.
Das erste und/oder das zweite Fertigungsmaterial kann ein, insbesondere gehärtetes oder härtbares, Stahlmaterial, ein Niro-Material bzw. Edelstahlmaterial, ein Sonderstahl oder ein anderer Metallwerkstoff sein. Ein Fertigungsmaterial für Laufbahndrähte kann insbesondere einen härtbaren Stahl umfassen.
Das dritte und/oder das vierte und/oder das fünfte und/oder das sechste und/oder das siebte und/oder das achte Fertigungsmaterial kann ein Metallmaterial, zum Beispiel Aluminium, Zink, Kupfer, eine Messinglegierung, eine Invar-Legierung, ein Halbmetallmaterial, zum Beispiel Silizium, oder ein glas- und/oder kohlefaserverstärktes Material, zum Beispiel ein POM-, PEEK-, PA- oder PP-Material, sein.
Die vorstehend erläuterten Details des Großlagers sind im Zusammenhang dargestellt. Sie sind aber auch unabhängig voneinander und auch frei miteinander kombinierbar.
Figurenliste
Weitere Merkmale, Eigenschaften, Vorteile und mögliche Abwandlungen werden für einen Fachmann anhand der nachstehenden Beschreibung deutlich, in der auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen ist. Dabei zeigen die Zeichnungen schematisch Varianten eines Großlagers ohne die Varianten der beschriebenen Gegenstände auf diese zu beschränken.

1 zeigt schematisch und beispielhaft ein Beispiel für ein Wälzlager mit vier Laufbahndrahtelementen und zwei Kompensationsringen.
2 zeigt schematisch und beispielhaft ein Beispiel für einen Querschnitt durch ein Wälzlager mit vier Laufbahndrahtelementen und zwei Kompensationsringen.

Im Folgenden werden im Zusammenhang mit der 1 und der 2 Ausführungsbeispiele des vorliegend offenbarten Großlagers näher beschrieben und hinsichtlich ihres Aufbaus und ihrer Funktionsweise erläutert. Gleiche Bezugszeichen in den Figuren bezeichnen dabei gleiche oder gleichwirkende Teile in den gezeigten Großlageranordnungen.
Die 1 zeigt schematisch vereinfacht eine Großlageranordnung mit einem Wälzlager 100, das einen ersten Lagerring 12 und einen zweiten Lagerring 14 umfasst. Im gezeigten Beispiel ist der erste Lagerring 12 als Innenring des Wälzlagers 100 und der zweite Lagerring 14 als Außenring des Wälzlagers 100 ausgebildet. Dieses ist jedoch nicht in allen Ausführungsformen des Wälzlagers notwendig.
Die gezeigten Lagerringe 12, 14 sind relativ zueinander um eine Mittellängsachse M drehbar bzw. rotierbar. Das gezeigte Wälzlager 100 ist ein Vierpunktlager mit einem Tragwinkel von 45° und weist eine Reihe von kugelförmigen Wälzkörpern auf (aus Übersichtsgründen nicht gezeigt), die entlang einer von vier einander nicht berührenden Laufbahndrahtelementen ausgebildeten Laufbahn abrollen.
Die Laufbahnringe 12, 14 sind jeweils aus Teilringen gebildet, die mittels Schraubverbindungen, welche in der 1 lediglich schematisch angedeutet werden, miteinander verbunden sind. Ein Vorteil von miteinander zu einem Laufbahnring 12, 14 verbundenen Teilringen besteht darin, dass diese einfach als zumindest im Wesentlichen L-förmige (Teil-)Ringe oder als im Querschnitt rechteckförmige (Teil-)Ringe ausgebildet und Anschließend zu einem eine Ringnut aufweisenden Lagerring verbunden werden können. Wie auch in der 2, die schematisch und beispielhaft einen Querschnitt durch ein Wälzlager mit vier Laufbahndrahtelementen und zwei Kompensationsringen zeigt, dargestellt, können die Teilringe 12a, 12b, 14a und 14b den Innenring 12 und den Außenring 14 ausbilden, wobei die Teilringe 12a, 12b, 14a, und 14b jeweils aus dem gleichen Stahlmaterial gefertigt sind. Dieses ist jedoch nicht in allen Ausführungsformen notwendig.
Ferner weist das gezeigte Wälzlager die Kompensationsringe 24 und 26 auf, die in der Nut des ersten Lagerrings 12 angeordnet sind. Die Kompensationsringe 24 und 26 sind hierbei aus einem anderen Material als der erste Lagerring 12 gefertigt, wobei das Fertigungsmaterial der Kompensationsringe einen niedrigeren temperaturabhängigen Raumausdehnungskoeffizienten aufweist als das Fertigungsmaterial des ersten Lagerrings 12. Im Falle einer Erwärmung des Wälzlagers 100 dehnt sich das Fertigungsmaterial der Kompensationsringe 24 und 26 somit weniger stark aus als das Fertigungsmaterial der Lagerringe 12, 14. Bei einer gleichmäßigen Erwärmung des gesamten Wälzlagers 100 reduziert sich das Volumen der Nut des ersten Lagerrings 12, in der zwei der vier einander nicht berührenden Laufbahndrahtelemente 18c, 18d teilweise aufgenommen sind, somit weniger stark als das Volumen der Nut des zweiten Lagerrings 14, in der ebenfalls zwei der vier einander nicht berührenden Laufbahndrahtelemente 18a, 18b teilweise aufgenommen sind. Im Falle einer asymmetrischen Erwärmung der Lagerringe 12, 14, zum Beispiel durch die Abwärme eines durch die Ringe des Wälzlagers zumindest teilweise umformten Motors oder Generators oder durch von außen auf die Großlageranordnung einwirkende Änderungen der Umgebungstemperatur, und einer hierdurch entstehenden asymmetrischen Temperaturverteilung innerhalb des Wälzlagers können die gezeigten Kompensationsringe 24 und 26 aus den von den Fertigungsmaterialien der Lagerringe verschiedenen Materialien jedoch einer unerwünschten asymmetrischen Volumenreduzierung der Nuten der Lagerringe entgegenwirken.
Ferner erlauben es die vier jeweils voneinander beabstandeten Laufbahndrahtelemente 18a, 18b, 18c und 18d, welche die Laufbahn für die kugelförmigen Wälzkörper 16 ausbilden (aus Übersichtsgründen nicht gezeigt) eine temperaturbedingte Materialausdehnung der Lagerringe 12 und 14 sowie der Kompensationsringe 24 und 26, zumindest bis zu einem bestimmten Grad, durch eine Expansion bzw. Verformung in die zwischen den beabstandeten Laufbahndrahtelementen 18a, 18b, 18c und 18d ausgebildeten radialen und axialen Zwischenräume hinein auszugleichen. Die Laufbahndrahtelemente 18a, 18b, 18c und 18d sind hierzu aus einem gegenüber den Fertigungsmaterialien der Lageringe und dem Fertigungsmaterial der Kompensationsringe 24 und 26 härteren und verschleißfesteren Material gefertigt.
Somit sind die in den 1 und 2 gezeigten Großlageranordnungen, einerseits, dazu eingerichtet, über einen weiten Temperaturbereich hinweg eingesetzt zu werden und eine erwärmungsbedingte Reduktion des Lagerspiels zu kompensieren und, andererseits, dazu eingerichtet eine Beeinflussung des Lagerspiels und/oder einer Laufbahngeometrie aufgrund einer asymmetrischen Erwärmung der Lagerringe zu kompensieren.
Die gezeigten Großlageranordnungen eignen sich daher insbesondere für Windkraftanlagen oder andere Anlagen, die den Einsatz von Großlageranordnungen in Umgebungen mit schwankenden Umgebungstemperaturen sowie hierdurch bedingten schwankenden Temperaturen - als solche - und, darüber hinaus, schwankenden Temperaturverteilungen innerhalb der Großlageranordnungen, erfordern.
Die vorangehend beschriebenen Varianten der Großlageranordnung sowie deren Aufbauaspekte dienen lediglich dem besseren Verständnis der Struktur, der Funktionsweise und der Eigenschaften; sie schränken die Offenbarung nicht etwa auf die Ausführungsbeispiele ein. Die Figuren sind schematisch, wobei wesentliche Eigenschaften und Effekte zum Teil deutlich vergrößert dargestellt sind, um die Funktionen, Wirkprinzipien, technischen Ausgestaltungen und Merkmale zu verdeutlichen. Dabei können jede Funktionsweise, jedes Prinzip, jede technische Ausgestaltung und jedes Merkmal, welches/welche in den Figuren oder im Text offenbart ist/sind, mit allen Ansprüchen, jedem Merkmal im Text und in den anderen Fig., anderen Funktionsweisen, Prinzipien, technischen Ausgestaltungen und Merkmalen, die in dieser Offenbarung enthalten sind oder sich daraus ergeben, frei und beliebig kombiniert werden, so dass alle denkbaren Kombinationen der beschriebenen Vorgehensweise zuzuordnen sind. Dabei sind auch Kombinationen zwischen allen einzelnen Ausführungen im Text, das heißt in jedem Abschnitt der Beschreibung, in den Ansprüchen und auch Kombinationen zwischen verschiedenen Varianten im Text, in den Ansprüchen und in den Figuren umfasst. Auch die Ansprüche limitieren nicht die Offenbarung und damit die Kombinationsmöglichkeiten aller aufgezeigten Merkmale untereinander. Alle offenbarten Merkmale sind explizit auch einzeln und in Kombination mit allen anderen Merkmalen hier offenbart.

Claims

Großlageranordnung, umfassend ein Wälzlager (100) mit - einem ersten Lagerring (12), der ein erstes Fertigungsmaterial aufweist; - einem zweiten Lagerring (14) der ein zweites Fertigungsmaterial aufweist; - zumindest vier zwischen den Lagerringen (12, 14) angeordneten Laufbahndrahtelementen (18a... 18d); und - mehreren zwischen den Laufbahndrahtelementen angeordneten Wälzkörpern (16); wobei die Lagerringe (12, 14) relativ zueinander um eine gemeinsame Mittellängsachse (M) drehbar sind, und der erste und der zweite Lagerring (12, 14) jeweils eine umlaufende Ringnut (20, 22) aufweisen, in welcher jeweils zumindest zwei der Laufbahndrahtelemente (18a... 18d) zumindest teilweise angeordnet sind, und die zumindest vier Laufbahndrahtelemente (18a... 18d) jeweils voneinander beabstandet sind und gemeinsam zumindest eine Laufbahn für die mehreren zwischen den Laufbahndrahtelementen angeordneten Wälzkörper (16) ausbilden, und wobei zumindest ein erster Kompensationsring (24) zumindest teilweise in der umlaufenden Ringnut (20) des ersten Lagerrings (12) angeordnet ist, wobei der erste Kompensationsring (24) ein drittes Fertigungsmaterial mit einem temperaturabhängigen Raumausdehnungskoeffizienten (γ₃), der ungleich einem temperaturabhängigen Raumausdehnungskoeffizienten des ersten Fertigungsmaterials (γ₁) ist, aufweist.
Großlageranordnung nach dem vorangegangenen Anspruch, wobei der erste Lagerring ein Innenring des Wälzlagers (100) ist und der zweite Lagerring ein Außenring des Wälzlagers (100) ist, oder der erste Lagerring ein Außenring des Wälzlagers (100) ist und der zweite Lagerring ein Innenring des Wälzlagers (100) ist.
Großlageranordnung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei das Wälzlager (100) ferner einen zweiten Kompensationsring (26) umfasst, der zumindest teilweise in der umlaufenden Ringnut (20) des ersten Lagerrings (12) angeordnet ist, wobei der zweite Kompensationsring (26) ein viertes Fertigungsmaterial mit einem temperaturabhängigen Raumausdehnungskoeffizienten (γ₄), der ungleich einem temperaturabhängigen Raumausdehnungskoeffizienten des ersten Fertigungsmaterials (γ₁) ist, aufweist.
Großlageranordnung nach dem vorangegangenen Anspruch, wobei der erste Kompensationsring (24) in einer zur Mittellängsachse (M) radialen Richtung (X) zwischen einem oder mehreren Laufbahndrahtelementen (18a... 18d) und dem ersten Lagerring (12) angeordnet ist, oder der erste und/oder der zweite Kompensationsring (24, 26) in einer zur Mittellängsachse (M) axialen Richtung (Y) zwischen einem oder mehreren Laufbahndrahtelementen (18a... 18d) und dem ersten Lagerring (12) angeordnet ist, und/oder die Laufbahndrahtelemente jeweils einen Trennspalt am Umfang aufweisen.
Großlageranordnung nach dem vorangegangenen Anspruch, wobei das Wälzlager ferner einen dritten Kompensationsring umfasst, der in einer zur Mittellängsachse (M) radialen Richtung (X) zwischen einem oder mehreren Laufbahndrahtelementen (18a... 18d) und dem ersten Lagerring (12) angeordnet ist, wobei der dritte Kompensationsring ein fünftes Fertigungsmaterial mit einem temperaturabhängigen Raumausdehnungskoeffizienten (γ₅), der ungleich einem temperaturabhängigen Raumausdehnungskoeffizienten des ersten Fertigungsmaterials (γ₁) ist, aufweist.
Großlageranordnung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei das Wälzlager (100) ferner einen vierten und/oder fünften Kompensationsring aufweist, der zumindest teilweise in der umlaufenden Ringnut (22) des zweiten Lagerrings (14) angeordnet ist, wobei der vierte und/oder der fünfte Kompensationsring ein sechstes und/oder siebtes Fertigungsmaterial mit einem temperaturabhängigen Raumausdehnungskoeffizienten (γ₆, γ₇)_, der ungleich einem temperaturabhängigen Raumausdehnungskoeffizienten des zweiten Fertigungsmaterials (γ₂) ist, aufweist, und/oder wobei der vierte Kompensationsring in einer zur Mittellängsachse (M) radialen Richtung (X) zwischen einem oder mehreren Laufbahndrahtelementen (18a... 18d) und dem zweiten Lagerring (14) angeordnet ist, oder der vierte und/oder der fünfte Kompensationsring in einer zur Mittellängsachse (M) axialen Richtung (Y) zwischen einem oder mehreren Laufbahndrahtelementen (18a... 18d) und dem zweiten Lagerring (14) angeordnet ist.
Großlageranordnung nach dem vorangegangenen Anspruch, wobei das Wälzlager ferner einen sechsten Kompensationsring umfasst, der in einer zur Mittellängsachse (M) radialen Richtung (X) zwischen einem oder mehreren Laufbahndrahtelementen (18a... 18d) und dem zweiten Lagerring (14) angeordnet ist, wobei der sechste Kompensationsring ein achtes Fertigungsmaterial mit einem temperaturabhängigen Raumausdehnungskoeffizienten (γ₈), der ungleich einem temperaturabhängigen Raumausdehnungskoeffizienten des zweiten Fertigungsmaterials (γ₂) ist, aufweist.
Großlageranordnung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei das Wälzlager (100) als Kreuzrollenlager oder als Vierpunktkugellager mit einem Tragwinkel von 30° bis 60° oder mit einem Tragwinkel von 45° ausgebildet ist.
Großlageranordnung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Wälzkörper (16) ein Wälzkörperfertigungsmaterial aus einem Keramikmaterial aufweisen, dessen temperaturabhängiger Raumausdehnungskoeffizient (γ_w) einen niedrigeren Wert aufweist als der temperaturabhängige Raumausdehnungskoeffizient des ersten Fertigungsmaterials (γ₁) und/oder der temperaturabhängige Raumausdehnungskoeffizient des zweiten Fertigungsmaterials (γ₂) ist.
Großlageranordnung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei der temperaturabhängige Raumausdehnungskoeffizient des ersten Fertigungsmaterials (γ₁) zumindest im Wesentlichen den gleichen Wert aufweist wie der temperaturabhängige Raumausdehnungskoeffizient des zweiten Fertigungsmaterials (γ₂), und/oder wobei der temperaturabhängige Raumausdehnungskoeffizient des dritten Fertigungsmaterials (γ₃) einen Wert aufweist, der ungleich dem temperaturabhängigen Raumausdehnungskoeffizienten des ersten Fertigungsmaterials (γ₁) und/oder des zweiten Fertigungsmaterials (γ₂) ist, und/oder, wobei der temperaturabhängige Raumausdehnungskoeffizient des vierten Fertigungsmaterials (γ₄) einen Wert aufweist, der gleich oder ungleich dem Wert des Raumausdehnungskoeffizienten des dritten Fertigungsmaterials (γ₃) und/oder der ungleich einem temperaturabhängigen Raumausdehnungskoeffizienten des ersten Fertigungsmaterials (γ₁) und/oder des zweiten Fertigungsmaterials (γ₂) ist.