DE102020134472B4 - Rolling bearings for use in temperature-changing environments and their use - Google Patents

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Abstract

Wälzlager für den Einsatz in temperaturwechselnder Umgebung, aufweisend mindestens einen Innenring und einen Außenring mit mindestens dazwischen angeordneten Wälzkörpern, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenring aus ZrO und der Außenring aus Ti, W, Pt, Hartmetall, Al2O3, AIN und/oder einer Kombination der Außenringmaterialien besteht, wobei sich der thermische Ausdehnungskoeffizient des Materials des Innenringes vom thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Außenringes unterscheidet.Rolling bearing for use in a temperature-changing environment, having at least one inner ring and one outer ring with at least rolling elements arranged in between, characterized in that the inner ring is made of ZrO and the outer ring is made of Ti, W, Pt, hard metal, Al2O3, AlN and/or a combination of the Outer ring materials, whereby the thermal expansion coefficient of the material of the inner ring differs from the thermal expansion coefficient of the outer ring.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft das technische Gebiet des Maschinenbaus und bezieht sich auf Wälzlager, die insbesondere für den Einsatz in temperaturwechselnder Umgebung vorgesehen sind. Die erfindungsgemäßen Wälzlager können beispielsweise in technischen Anlagen mit kryogener Umgebung zum Einsatz kommen.The present invention relates to the technical field of mechanical engineering and relates to rolling bearings which are intended in particular for use in environments with fluctuating temperatures. The roller bearings according to the invention can be used, for example, in technical systems with a cryogenic environment.

Herkömmliche Wälzlager bestehen aus einem Innen- und einem Außenring, zwischen denen meist in einem Käfig gehaltene Wälzkörper in Form von Kugeln oder Rollen angeordnet sind. Zur Verbesserung der Standzeit und Verringerung des Reibungswiderstandes ist bekannt, beispielsweise gehärtete Stahlflächen im Kontaktbereich der Innen- und Außenringe und der Wälzkörper bereitzustellen.Conventional roller bearings consist of an inner and an outer ring, between which rolling elements in the form of balls or rollers are usually held in a cage. In order to improve the service life and reduce the frictional resistance, it is known, for example, to provide hardened steel surfaces in the contact area of the inner and outer rings and the rolling elements.

Auch sind sogenannte Hybrid-Wälzlager bekannt, bei denen sich das Material der Lagerringe vom Material des Wälzkörpers unterscheidet. Eine bekannte Bauart ist die des Rillenkugellagers mit herkömmlichen Lagerringen aus Wälzlagerstahl und Kugeln aus einer hochfesten Keramik.So-called hybrid rolling bearings are also known, in which the material of the bearing rings differs from the material of the rolling element. A well-known design is that of the deep groove ball bearing with conventional bearing rings made of roller bearing steel and balls made of high-strength ceramic.

Aus der EP 1 212 543 A1 ist ein hybrides Schrägkugellager mit einem Außenring aus Stahl mit zwei inneren Laufrillen, die im Wesentlichen Rücken an Rücken ausgebildet sind und durch Ausnehmungen im Lager gebildet sind, deren Konkavität radial zur Rollachse hin gedreht ist und axial seitlich zu jeweils einer Seite des Lagers hin einem Innenring aus Stahl, bestehend aus zwei halben Innenringen, die nebeneinander angeordnet sind und axial gegeneinander vorbelastbar sind, welche Innenringe jeweils eine äußere Laufrille aufweisen, die durch eine Ausnehmung im Lager gebildet ist, deren Konkavität radial in Richtung des Äußeren des Lagers und axial in Richtung des anderen halben Innenrings gedreht ist, so dass die äußere Laufrille jedes halben Innenrings jeweils einer der beiden inneren Laufrillen des Außenrings gegenüber liegt von zwei Reihen von Kugeln, wobei die Kugeln jeder Reihe zwischen den beiden Laufrillen eines jeweiligen Paares von gegenüberliegenden Laufrillen und in schrägem Kontakt mit diesen Laufrillen angeordnet sind, und zwei Kugelkäfigen, von denen jeder eine der Reihen von Kugeln hält und zwischen dem Außenring und dem entsprechenden halben Innenring angeordnet ist. Die Kugeln der beiden Reihen sind zumindest an ihrer Oberfläche aus Keramik und die Stahlringe sind zumindest im Bereich ihrer Laufrillen mit einer Beschichtung aus einer Chromlegierung versehen.From the EP 1 212 543 A1 is a hybrid angular contact ball bearing with an outer ring made of steel with two inner raceways formed essentially back to back and formed by recesses in the bearing, the concavity of which is turned radially towards the roll axis and axially laterally to each side of the bearing towards an inner ring made of steel, consisting of two half inner rings arranged side by side and axially preloadable against each other, which inner rings each have an outer race formed by a recess in the bearing, the concavity of which extends radially towards the outside of the bearing and axially towards the other half inner race is rotated so that the outer raceway of each half inner race faces each of the two inner raceways of the outer race of two rows of balls, the balls of each row being between the two raceways of a respective pair of opposing raceways and in oblique contact with these running grooves are arranged, and two ball cages, each of which holds one of the rows of balls and is arranged between the outer ring and the corresponding half inner ring. The balls of the two rows are made of ceramic, at least on their surface, and the steel rings are provided with a coating of a chromium alloy, at least in the area of their running grooves.

Aus der DE 603 03 217 T2 ist ein Wälzlager für Subminiatur-Anwendungen auf dem Gebiet des Uhrenbaus bekannt, umfassend eine vorbestimmte Anzahl von Wälzkörpern, die in einem Käfig gehalten und zwischen einem Außenring und zwei aneinander befestigten Innenringen angeordnet sind, wobei der Käfig und die Ringe aus Stahl oder ähnlichem gefertigt sind. Die Wälzkörper sind aus einer Zirkoniumoxidkeramik gefertigt, wobei jeder Wälzkörper drei oder vier Kontaktstellen mit den Ringen aufweist.From the DE 603 03 217 T2 discloses a rolling bearing for subminiature applications in the field of watchmaking, comprising a predetermined number of rolling elements held in a cage and arranged between an outer ring and two inner rings fixed to each other, the cage and the rings being made of steel or the like . The rolling elements are made of a zirconium oxide ceramic, with each rolling element having three or four points of contact with the rings.

Aus der DE 101 49 070 A1 ist ein Wälzlager bekannt, umfassend einen ersten Laufring und einen zweiten Laufring, von denen jeder zumindest eine Laufbahnfläche aufweist, und eine Vielzahl von Wälzelementen, die drehbar zwischen dem ersten Laufring und dem zweiten Laufring angeordnet sind, wobei jedes der Wälzelemente eine Wälzkontaktumfangsfläche aufweist, die durch Rotieren einer gekrümmten Buslinie um eine Rotationsachse des Wälzelementes begrenzt ist. Als Material für den Außenring und den Innenring wird Lagerstahl beispielhaft genannte, während als Material für das Wälzelement Keramik, wie beispielsweise Siliziumnitrid, ist.From the DE 101 49 070 A1 there is known a rolling bearing comprising a first race and a second race each having at least one raceway surface, and a plurality of rolling elements rotatably disposed between the first race and the second race, each of the rolling elements having a rolling contact peripheral surface which is limited by rotating a curved bus line around a rotation axis of the rolling element. As the material for the outer ring and the inner ring, bearing steel is exemplified, while as the material for the rolling element, ceramics such as silicon nitride is exemplified.

Auch bekannt aus der US 5 605 401 A ist ein Wälzlager, bei dem der Außenring aus COPNA-Harz und der Innenring sowie die Kugeln aus martensitischem Edelstahl SUS440C oder dergleichen gebildet sind, Der Käfig ist aus SUS304 oder dergleichen gebildet.Also known from U.S. 5,605,401A is a rolling bearing in which the outer ring is made of COPNA resin and the inner ring and balls are made of martensitic stainless steel SUS440C or the like. The cage is made of SUS304 or the like.

Zudem ist aus der US 2006 / 0 029 318 A1 Wälzlager mit zwei zusammenwirkenden Wälzteilen bekannt, von denen eines aus Keramik und das andere aus Stahl ist. Das Stahlteil ist derart aufgebaut und/oder werkstofflich hergestellt, dass sich unter der Kontaktfläche des Stahlteils zumindest im lastfreien Zustand bis in die Tiefe Druckeigenspannungen ausbilden.In addition, US 2006/0 029 318 A1 discloses roller bearings with two interacting roller parts, one of which is made of ceramic and the other of steel. The steel part is constructed and/or materially manufactured in such a way that compressive residual stresses develop deep down under the contact surface of the steel part, at least in the unloaded state.

Aus der US 2004 / 0 208 409 A1 ist ein Wälzlager bekannt, dass einen Außen- und Innenring umfasst, von denen mindestens einer aus Keramik besteht. Zudem weist das Wälzlager eine Vielzahl von Rollelementen auf, die zwischen den Außen- und Innenringen angeordnet sind. Außerdem ist eine Dichtungsnut vorhanden, deren Querschnittsform in einer axialen Richtung im Wesentlichen durch einen Teilkreisbogen gebildet ist, und die an einem Schulterabschnitt einer Laufbahn eines der Außen- und Innenringe gebildet ist. Zudem ist ein Harzdichtungselement vorhanden, das einen Umfangskantenabschnitt umfasst, der in die Dichtungsnut eingepasst ist.A roller bearing is known from US 2004/0 208 409 A1 that comprises an outer and inner ring, at least one of which consists of ceramic. In addition, the rolling bearing has a large number of rolling elements which are arranged between the outer and inner rings. In addition, there is a seal groove whose cross-sectional shape in an axial direction is formed substantially by a pitch arc, and which is formed at a shoulder portion of a raceway of one of the outer and inner rings. There is also a resin sealing member including a peripheral edge portion fitted into the sealing groove.

Und auch ist aus der US 6 250 812 B1 ein Wälzlager mit hoher Korrosionsbeständigkeit und Zähigkeit bekannt, das bei einer hohen Rotationsgeschwindigkeit betrieben werden kann. Zumindest der Innenring besteht aus einer Titanlegierung und die Wälzkörper bestehen aus Keramik. Alternativ ist mindestens einer von Innenring und Außenring aus einer Titanlegierung vom Beta-Typ gebildet.And also is from the U.S. 6,250,812 B1 a rolling bearing with high corrosion resistance and toughness that can be operated at a high rotational speed is known. At least the inner ring is made of titanium alloy and the rolling elements are made of ceramic. Alternatively, min at least one of the inner ring and the outer ring is formed from a beta type titanium alloy.

Nachteilig ist, dass bekannte Wälzlager nur für einen bestimmten Temperaturbereich konzipiert sind, wodurch sich bei wechselnden Einsatztemperaturen das Lagerspiel als Funktion der Temperatur verändert. Eine Erhöhung der Einsatztemperatur kann zu einem größeren Lagerspiel führen, während ein Absenken der Einsatztemperatur das Klemmen des Wälzlagers verursachen kann. Letzterem könnte damit entgegengewirkt werden, die Wälzlager mir einer größeren Lagerluft auszustatten, was wiederum bei erhöhten Temperaturen zum Klappern und Verschleiß des Wälzlagers führt.The disadvantage is that known roller bearings are only designed for a specific temperature range, which means that the bearing clearance changes as a function of temperature when the operating temperatures change. An increase in the operating temperature can lead to greater bearing clearance, while a lowering of the operating temperature can cause the roller bearing to seize. The latter could be counteracted by equipping the roller bearings with a larger bearing clearance, which in turn leads to rattling and wear of the roller bearing at elevated temperatures.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, Wälzlager für den Einsatz in temperaturwechselnder Umgebung bereitzustellen, die bei sich ändernden Einsatztemperaturen ein im Wesentlichen konstantes Lagerspiel und eine verbesserte Standzeit aufweisen.The object of the present invention is to provide roller bearings for use in temperature-changing environments which have a substantially constant bearing clearance and an improved service life when the operating temperatures change.

Die Aufgabe wird durch die in den Patentansprüchen angegebene Erfindung gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche, wobei die Erfindung auch Kombinationen der einzelnen abhängigen Patentansprüche im Sinne einer Und-Verknüpfung einschließt, solange sie sich nicht gegenseitig ausschließen.The object is achieved by the invention specified in the patent claims. Advantageous configurations are the subject matter of the subclaims, the invention also including combinations of the individual dependent patent claims in the sense of an AND link, as long as they are not mutually exclusive.

Erfindungsgemäß wird ein Wälzlager für den Einsatz in temperaturwechselnder Umgebung bereitgestellt, aufweisend mindestens einen Innenring und einen Außenring mit mindestens dazwischen angeordneten Wälzkörpern, wobei mindestens der Innenring aus ZrO und der Außenring aus Ti, W, Pt, Hartmetall, Al2O3, AIN und/oder einer Kombination der Außenringmaterialien besteht, wobei sich der thermische Ausdehnungskoeffizient des Materials des Innenringes vom thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Außenringes unterscheidet.According to the invention, a rolling bearing for use in a temperature-changing environment is provided, having at least one inner ring and one outer ring with at least one rolling element arranged in between, wherein at least the inner ring is made of ZrO and the outer ring is made of Ti, W, Pt, hard metal, Al 2 O 3 , AlN and /or a combination of the outer ring materials, where the thermal expansion coefficient of the material of the inner ring differs from the thermal expansion coefficient of the outer ring.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Wälzlagers weist bei Raumtemperatur von 295 K das Material des Innenringes gegenüber dem Material des Außenringes einen um den Faktor 1,2 bis 2,5 größeren Ausdehnungskoeffizienten auf.In an advantageous embodiment of the roller bearing, at a room temperature of 295 K, the material of the inner ring has a coefficient of expansion that is 1.2 to 2.5 times greater than the material of the outer ring.

Verwendung finden die vorgenannten Wälzlager in technischen Anlagen, Maschinen oder Apparaten in kryogener Umgebung. Besonders vorteilhaft können die Wälzlager in einem Temperaturbereich von 10mK bis 600 K eingesetzt werden.The aforementioned roller bearings are used in technical systems, machines or apparatus in a cryogenic environment. The roller bearings can be used particularly advantageously in a temperature range from 10 mK to 600 K.

Die erfindungsgemäßen Wälzlager können in temperaturwechselnder Umgebung eingesetzt werden, da sie bei sich ändernden Einsatztemperaturen ein im Wesentlichen konstantes Lagerspiel und eine verbesserte Standzeit aufweisen.The roller bearings according to the invention can be used in temperature-changing environments, since they have a substantially constant bearing clearance and an improved service life when the operating temperatures change.

Erreicht wird dies durch neuartige Wälzlager, bei denen mindestens der Innenring aus einem vom Außenring unterschiedlichen Material hergestellt ist. Durch den Einsatz unterschiedlicher Materialien für den Innen- und Außenring wird erreicht, dass über einen sehr großen Temperaturbereich im Einsatz eine konstante radiale und/oder axiale Lagerluft erhalten bleibt.This is achieved by innovative roller bearings in which at least the inner ring is made of a different material than the outer ring. By using different materials for the inner and outer ring, a constant radial and/or axial internal clearance is maintained over a very large temperature range.

Erfindungswesentlich dabei ist, dass mindestens der Innenring und der Außenring aus unterschiedlichen Materialien hergestellt sind, wobei sich der thermische Ausdehnungskoeffizient des Materials des Innenringes vom thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Außenringes unterscheidet.
So wird es einerseits möglich, dass bei sich ändernder Einsatztemperatur des Wälzlagers über den gesamten Temperaturbereich eine im Wesentlichen konstante axiale und/oder radiale Lagerluft vorhanden ist. Durch die unterschiedlichen Materialien von Innen- und Außenring und der Berücksichtigung, dass der thermische Ausdehnungskoeffizient des Innenringes sich vom thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Außenringes unterscheidet, wird insbesondere das unterschiedliche Schrumpfen oder Ausdehnen der Materialien von Innenring und Außenring berücksichtigt, kompensiert und damit ein zu großen Lagerspiel oder ein Klemmen des Wälzlagers verhindert.It is essential to the invention that at least the inner ring and the outer ring are made of different materials, with the thermal expansion coefficient of the material of the inner ring being different from the thermal expansion coefficient of the outer ring.
On the one hand, this makes it possible for a substantially constant axial and/or radial bearing clearance to be present over the entire temperature range when the operating temperature of the roller bearing changes. Due to the different materials of the inner and outer ring and the fact that the thermal expansion coefficient of the inner ring differs from the thermal expansion coefficient of the outer ring, the different shrinkage or expansion of the materials of the inner ring and outer ring is taken into account and compensated for and thus too large a bearing clearance or prevents the roller bearing from jamming.

Als besonders vorteilhaft hat sich insbesondere in kryogener Umgebung herausgestellt, wenn die Materialien des Außenringens und des Innenringes eine Kombination aus Metall und Keramik sind.It has been found to be particularly advantageous, particularly in a cryogenic environment, if the materials of the outer ring and the inner ring are a combination of metal and ceramic.

Erfindungsgemäß besteht der Innenring aus ZrO und der Außenring aus Ti, W, Pt, Hartmetall, Al2O3, AIN und/oder einer Kombination der Außenringmaterialien.According to the invention, the inner ring consists of ZrO and the outer ring consists of Ti, W, Pt, hard metal, Al 2 O 3 , AlN and/or a combination of the outer ring materials.

Mit den vorgenannten Materialkombinationen von Innen- und Außenring lassen sich die Wälzlager gerade bei hohen Temperaturwechseln im Bereich Kryotechnik von beispielsweise 293K bis 2 K einsetzen.With the aforementioned material combinations of the inner and outer ring, the roller bearings can be used with high temperature changes in the field of cryogenics, for example 293K to 2K.

Besonders gute Laufeigenschaften der erfindungsgemäßen Wälzlager lassen in einem breiten Temperaturfenster dann erreichen, wenn eine Materialkombination von Innen- und Außenring gewählt ist, bei der das Material des Innenringes gegenüber dem Material des Außenringes einen um den Faktor 1,2 bis 2,5 verschiedenen thermischen Ausdehnungskoeffizienten bei Raumtemperatur von 295K aufweist.Particularly good running properties of the rolling bearings according to the invention can be achieved in a wide temperature window if a material combination of inner and outer ring is selected in which the material of the inner ring has a thermal expansion coefficient that differs by a factor of 1.2 to 2.5 from the material of the outer ring at room temperature of 295K.

Die erfindungsgemäßen Wälzlager werden durch die Auswahl unterschiedlicherer Materialien von Innen- und Außenring mit den unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten insbesondere in technischen Anlagen, Maschinen oder Apparaten in kryogener Umgebung eingesetzt und können bei Einsatztemperaturen von 10 mK bis 600 K Verwendung finden.The rolling bearing according to the invention are in particular through the selection of different materials for the inner and outer ring with the different thermal expansion coefficients Others are used in technical systems, machines or apparatus in a cryogenic environment and can be used at operating temperatures of 10 mK to 600 K.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.The invention is explained in more detail below using an exemplary embodiment.

Ausführungsbeispiel 1Example 1

In einer erfindungsgemäßen Ausführungsform wird ein Wälzlager als Rillenkugellager bereitgestellt, bei dem der Außenring aus Titan, der Innenring und die Kugeln aus ZrO hergestellt sind, wobei die Kugeln in einem Käfig aus PTFE im gleichen Abstand zwischen dem Innenring und Außenring gehalten werden. Das Wälzlager hat eine Abmessung von Außendurchmesser, Innendurchmesser und Breite von 32mmx25mmx4mm und wird zur Lagerung einer Welle in eine Versuchsapparatur bei einer Umgebungstemperatur von 295 K eingesetzt.
Im Anschluss wird die Versuchsapparatur mittels flüssigen Stickstoffs auf eine Temperatur von 4,2 K abgekühlt und gestartet. Während der Versuchsdurchführung befindet sich die Welle und Wälzlager in flüssigem Helium, wobei der Innenraum der Versuchsapparatur evakuiert und um weitere 2K abgekühlt wird. Die in der Versuchsapparatur gelagerte Welle wird mit Umdrehungen im Bereich von 30 U/min über einen Zeitraum von 15 Minuten betrieben. Während der Versuchsdurchführung wurde mittels eines Drehmomentsensors ein konstanter Drehwiderstand und mittels einer Sensorlagereinheit ein gleichbleibendes Lagerspiel des Wälzlagers festgestellt.In an embodiment of the invention, a rolling bearing is provided as a deep groove ball bearing, in which the outer ring is made of titanium, the inner ring and the balls are made of ZrO, the balls being held in a cage made of PTFE at the same distance between the inner ring and outer ring. The roller bearing has an outer diameter, inner diameter and width of 32mmx25mmx4mm and is used to support a shaft in a test apparatus at an ambient temperature of 295 K.
The test apparatus is then cooled to a temperature of 4.2 K using liquid nitrogen and started. During the test, the shaft and roller bearing are in liquid helium, with the interior of the test apparatus being evacuated and cooled by a further 2K. The shaft mounted in the test apparatus is operated at speeds in the range of 30 rpm over a period of 15 minutes. During the test, a constant resistance to rotation was determined by means of a torque sensor and a constant bearing clearance of the roller bearing by means of a sensor bearing unit.

Claims (4)

Wälzlager für den Einsatz in temperaturwechselnder Umgebung, aufweisend mindestens einen Innenring und einen Außenring mit mindestens dazwischen angeordneten Wälzkörpern, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenring aus ZrO und der Außenring aus Ti, W, Pt, Hartmetall, Al2O3, AIN und/oder einer Kombination der Außenringmaterialien besteht, wobei sich der thermische Ausdehnungskoeffizient des Materials des Innenringes vom thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Außenringes unterscheidet.Rolling bearing for use in a temperature-changing environment, having at least one inner ring and one outer ring with at least one rolling element arranged in between, characterized in that the inner ring is made of ZrO and the outer ring is made of Ti, W, Pt, hard metal, Al 2 O 3 , AlN and/or a combination of the outer ring materials, whereby the thermal expansion coefficient of the material of the inner ring differs from the thermal expansion coefficient of the outer ring. Wälzlager nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem bei Raumtemperatur von 295 K das Material des Innenringes gegenüber dem Material des Außenringes einen um den Faktor 1,2 bis 2,5 größeren Ausdehnungskoeffizienten aufweist.Rolling bearing according to at least one of the preceding claims, in which, at a room temperature of 295 K, the material of the inner ring has a coefficient of expansion that is 1.2 to 2.5 times greater than the material of the outer ring. Verwendung der nach Anspruch 1 oder 2 genannten Wälzlager in technischen Anlagen, Maschinen oder Apparaten in kryogener Umgebung.use of the after claim 1 or 2 mentioned rolling bearings in technical systems, machines or apparatus in a cryogenic environment. Verwendung nach Anspruch 3, bei der die Wälzlager in einem Temperaturbereich von 10mK bis 600 K eingesetzt werden.use after claim 3 , in which the roller bearings are used in a temperature range from 10 mK to 600 K.
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