DE102020202223A1 - Ring mit Komposit-Metall-Bimaterial-Käfigläufer und Lageranordnung mit Wälzkörpern, die mit einem derartigen Ring ausgestattet ist - Google Patents

Ring mit Komposit-Metall-Bimaterial-Käfigläufer und Lageranordnung mit Wälzkörpern, die mit einem derartigen Ring ausgestattet ist Download PDF

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Alexandre Aury
Florent Fauchery
Yves Maheo
Bruno Sorlier
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SKF Aerospace France SAS
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Abstract

Die Erfindung betrifft einen ringförmigen Ring (3) mit einem Kontaktabschnitt (3-1), mit einer Laufbahn (9) und einem Käfigläufer (3-2), der an dem Kontaktabschnitt (3-1) befestigt ist. Der Kontaktabschnitt (3-1) ist aus einem ersten Metallmaterial und der Käfigläufer (3-2) aus einem zweiten Komposit-artigen Material geformt, das eine Matrix aufweist, in der Verstärkungsfasern eingebettet sind, wobei der durchlöcherte Abschnitt (13) des Käfigläufers (3-2) an einer Außenfläche (8) des Kontaktabschnitts (3-1) angebracht ist. Die Erfindung betrifft auch eine Lageranordnung (1) mit Wälzkörpern, die mit einem Außenring (3), einem Innenring (2), der koaxial zu dem ersten Ring (3) ist, und mit mehreren Wälzkörpern (4), die zwischen der Laufbahn (9) des Kontaktabschnitts (3-1) des Außenrings (3) und einer Laufbahn (6) des zweiten Innenrings (2) aufgenommen sind, ausgestattet ist.

Description

  • Technisches Umfeld der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen Ring mit einem Käfigläufer und einer Lageranordnung mit Wälzkörpern, die mit einem derartigen Ring ausgestattet ist.
  • Stand der Technik
  • In der Luftfahrtindustrie ist es bekannt, eine Lageranordnung mit Wälzkörpern zu verwenden, die mit einem Käfigläufer ausgestattet ist.
  • Eine derartige Lageranordnung umfasst einen Innenring mit einer Innenlaufbahn, einen Außenring mit einer Außenlaufbahn und mehrere Wälzkörper, die zwischen der inneren und äußeren Laufbahn angeordnet sind. Der Außenring ist zusätzlich mit einem Käfigläufer ausgestattet, der sich axial von dem Außenring erstreckt, wobei der Außenring und der Käfigläufer einstückig ausgebildet sind. Der Käfigläufer ist mit einem Flansch ausgestattet, um ihn an einem feststehenden Träger, beispielsweise mittels durchgängiger Schrauben zu befestigen, und muss Kräften widerstehen. Der Käfigläufer umfasst zusätzlich einen axialen Zwischenabschnitt mit mehreren umfänglich verteilten Öffnungen, um einen bestimmten Grad an Flexibilität des Käfigläufers bereitzustellen, um unterschiedlichen Schwingungszuständen der Anordnung zu widerstehen. Es ist ebenfalls bekannte Praxis, einen Schmierfilm zwischen dem Außenring und einer Fläche des feststehenden Trägers bereitzustellen, wobei der Film in einer abgedichteten Kammer zwischen zwei Dichtungen beinhaltet ist, um Schwingungen zu filtern.
  • Heutzutage wird ein Kompromiss gefunden, in dem Materialien verwendet werden, die Eigenschaften haben, die den technischen und strukturellen Erfordernissen derartiger Ringe für Verbindungsanordnungen entsprechen. Beispielsweise können derartige Ringe aus M50NiL ausgebildet sein, wobei die Laufbahnen zusätzlich karboriert sind.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung bezweckt, die zuvor genannten Nachteile zu verbessern.
  • Genauer gesagt bezweckt die vorliegende Erfindung, ein Lagerelement bereitzustellen mit einem Ring, der mit einer Laufbahn ausgestattet ist, die verbesserte spezielle Eigenschaften hat, so wie mit einem Käfigläufer mit verbesserten speziellen Eigenschaften, ohne zwischen ihnen Kompromisse zu treffen, wobei das Lagerelement weniger teuer ist, leichter zu fertigen ist und ein reduziertes Gewicht hat.
  • Die Erfindung betrifft einen ringförmigen Ring mit einem Kontaktabschnitt mit einer inneren Fläche, einer äußeren Fläche und Seitenwänden, die die innere und äußere Fläche verbinden, wobei die Innen- oder Außenflächen mit einer Laufbahn ausgestattet ist. Der Ring umfasst auch einen Käfigläufer, der an dem Kontaktabschnitt befestigt ist, wobei der Käfigläufer einen durchlöcherten Abschnitt, der mit mehreren umfänglich verteilten Löchern ausgestattet ist, und einen Befestigungskragen umfasst, der sich von einem freien Ende des durchlöcherten Abschnitts erstreckt.
  • Gemäß der Erfindung ist der Kontaktabschnitt durch ein erstes Metallmaterial ausgebildet, und der Käfigläufer ist aus einem zweiten Komposit-Material hergestellt, das eine Matrix aufweist, in der Verstärkungsfasern eingebettet sind, wobei der durchlöcherte Abschnitt des Käfigläufers an der äußeren Fläche des Kontaktabschnitts angebracht ist.
  • Dank der Erfindung ist der Kontaktabschnitt, der dazu ausgelegt ist, einem Rollen zu widerstehen, aus einem Material hergestellt, das speziell an diese Funktion angepasst ist. Das Material des Kontaktabschnitts kann aus einer breiten Masse von Materialien gewählt werden, die bekannt sind für ihre Eigenschaften, Verschleiß aufgrund von Rollen und Reibung zu widerstehen.
  • Der Käfigläufer ist für seinen Teil aus einem leichten Material hergestellt, in dem die Orientierung der Fasern eine verbesserte Widerstandsfähigkeit für Kräfte sicherstellt.
  • Insbesondere kann ein Käfigläufer, der aus derartigen Komposit-Materialien hergestellt ist, derart ausgebildet sein, dass die Übertragung der Kräfte nur die Spannung und Komprimierung der Fasern begünstigt, aber nicht das Harz belastet. Das Komposit-Material ist somit aus Lagen von Fasern zusammengesetzt, die in Richtung der Kräfte oder zumindest in die ungefähre Richtung orientiert sind. Die Faserstruktur macht es möglich, dass der Käfigläufer trotz reduziertem Gewicht hohen Spannungs- und/oder Druckkräften ausgesetzt werden kann.
  • Ein weiterer Vorteil ist es, dass es ausreichend ist, die Orientierung der Fasern des Komposit-Materials des Käfigläufers anzupassen, um dessen Young-Modul zu variieren, ohne das Design oder die Abmessungen zu modifizieren. Eine spezifische Stärke kann somit bereits bei einem standardisierten Design definiert und erreicht werden. Es ist auch möglich, die Quantität und die Orientierung der Fasern lokal zu modulieren, um spezifisch verstärkte Bereiche des Käfigs und spezifische Schwingungsmodi bereitzustellen.
  • Letztendlich haben die Fasern des Komposit-Materials schwingungsdämpfende Eigenschaften, wobei ein Käfigläufer, der aus einem derartigen Komposit-Material hergestellt ist, de facto verbesserte schwingungsdämpfende Eigenschaften hat.
  • Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, das Bereitstellen eines Rings mit reduziertem Gewicht, verglichen mit einem Ring, der einstückig aus Metall hergestellt ist. Darüber hinaus ist ein Ring gemäß der vorliegenden Erfindung weniger teuer als ein ähnlicher Ring, der einstückig aus Metall hergestellt ist, aufgrund der zahlreichen Schneid- und maschinellen Bearbeitungen, die ausgeführt werden, was in einem bestimmten Verlust von Material resultiert. Darüber hinaus ist vorgesehen, dass nur der Kontaktbereich mit reduzierter Größe einer Oberflächenbeschichtung oder einer Wärmebehandlung unterzogen wird.
  • Gemäß weiteren vorteilhaften, aber nicht zwingenden Eigenschaften der vorliegenden Erfindung kann ein derartiger Ring auch die folgenden Eigenschaften aufweisen, die allein oder mit irgendwelchen technisch möglichen Kombinationen vorliegen können:
    • - Das erste Material des Kontaktabschnitts ist aus Stahl hergestellt, beispielsweise: AMS6444, AMS6491 oder AMS6278.
    • - Die Fasern des zweiten Komposit-Materials des Käfigläufers sind aus Karbon, Glas, Kevlar, Vectran oder einer Kombination der Fasern von verschiedenen Arten hergestellt.
    • - Die Matrix des zweiten Komposit-Materials des Käfigläufers ist ein Epoxy-, Polyamid- oder Phenolharz.
    • - Der durchlöcherte Abschnitt des Käfigläufers weist eine Fläche auf, die mit einem ringförmigen Schlitz ausgestattet ist, in der der Kontaktbereich aufgenommen ist.
    • - Der durchlöcherte Abschnitt des Käfigläufers weist eine Fläche auf, die mit zwei ringförmigen Nuten ausgestattet ist, die dazu gedacht sind, O-Ring-Dichtungen aufzunehmen, um einen Raum zu begrenzen, der dazu gedacht ist, einen Ölfilm aufzunehmen, um Schwingungen zu dämpfen.
    • - Der Befestigungsabschnitt des Käfigläufers umfasst zumindest ein Durchgangsloch, das dazu gedacht ist, eine Befestigungsschraube aufzunehmen.
    • - Die Oberfläche, die der Laufbahn gegenüberliegt, ist mit einem vertieften Bereich ausgestattet, wobei das Komposit-Material des Käfigläufers in Passweise in dem vertieften Bereich aufgenommen ist.
    • - Der vertiefte Bereich besteht in einer ringförmigen Nut.
  • Die vorliegende Erfindung betrifft auch eine Lageranordnung mit Wälzkörpern, die mit einem ersten Ring gemäß einem der vorhergehenden Ausführungsbeispiele, einem zweiten Ring, der koaxial zu dem Ring ist, und mit mehreren Wälzkörpern, die zwischen der Laufbahn des Kontaktabschnitts des ersten Rings und einer Laufbahn des zweiten Rings angeordnet sind, ausgestattet ist.
  • Die Lageranordnung kann auch die folgenden Eigenschaften aufweisen, die allein oder in technisch beliebigen möglichen Kombinationen vorliegen können:
    • - Der erste Ring ist ein Außenring, und der zweite Ring ist ein Innenring.
    • - Der erste Ring ist ein Innenring, und der zweite Ring ist ein Außenring.
    • - Die Wälzkörper sind Kugeln.
    • - Die Wälzkörper sind Rollen.
    • - Die Wälzkörper werden umfänglich gleichmäßig beabstandet von einem Käfig gehalten.
    • - Die Wälzkörper werden umfänglich gleichmäßig beabstandet von Abstandselementen gehalten, die jeweils umfänglich zwischen zwei benachbarten Wälzkörpern angeordnet sind.
    • - Der Innenring ist aus Stahl, beispielsweise aus AMS6444, AMS6491 oder AMS6278, hergestellt.
  • Figurenliste
  • Die Erfindung wird besser beim Lesen der folgenden Beschreibung, die lediglich als nicht limitierendes Beispiel gegeben ist, verstanden werden.
  • Die Beschreibung wird mit Bezug auf die angehängten Zeichnungen gegeben, in denen:
    • 1 eine Querschnittsdarstellung eines Lagerelements mit Wälzkörpern ist, die mit einem Käfigläufer gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ausgestattet ist.
  • Detaillierte Beschreibung der Erfindung
  • 1 illustriert eine Lageranordnung mit Wälzkörpern, die in ihrer Gesamtheit mit 1 bezeichnet ist und eine Mittelachse X1 hat.
  • Das Lager 1 umfasst einen Innenring 2, einen Außenring 3 und mehrere Wälzkörper 4.
  • Der Innenring 2 ist mit einer im Wesentlichen zylindrischen inneren Fläche 5, einer zylindrischen äußeren Fläche 6, die eine innere Laufbahn für die Wälzkörper 4 bildet, und seitlichen Wänden 7, die die innere Fläche 5 und die äußere Fläche 6 verbinden, ausgestattet.
  • Der Innenring 2 ist aus Stahl, beispielsweise aus AMS6444, AMS6491 oder AMS6278 ausgebildet.
  • Der Außenring 3 ist mit einem Kontaktabschnitt 3-1 und mit einem Käfigläufer 3-2 ausgestattet, der an dem Abschnitt 3-1 befestigt ist.
  • Der Kontaktabschnitt 3-1 umfasst eine im Wesentlichen zylindrische Außenfläche 8, eine zylindrische Innenfläche 9, die eine äußere Laufbahn für die Wälzkörper 4 bildet, und seitliche Wände 10, die die äußeren und inneren Flächen 8, 9 verbinden.
  • Die Wälzkörper 4 sind zwischen der inneren Laufbahn 6 und der äußeren Laufbahn 9 des Innenrings 2 bzw. des Kontaktabschnitts 3-1 des Außenrings 3 beinhaltet. In dem Beispiel, das in 1 dargestellt ist, sind die Wälzkörper zylindrische Rollen, die eine Achse parallel zu der Mittelachse X1 haben. Alternativ können die Wälzkörper andere Arten, beispielsweise Kugeln oder Kegelrollen, sein.
  • Der Außenring 3 ist zusätzlich mit einem Käfigläufer 3-2 ausgestattet, der an dem Kontaktabschnitt 3-1 befestigt ist und sich im Wesentlichen axial erstreckt.
  • Der Käfigläufer 3-2 ist mit einem Befestigungsflansch 11 ausgestattet, der sich im Wesentlichen radial erstreckt, und dazu gedacht ist, fest an einem feststehenden Träger (nicht gezeigt) befestigt zu sein, beispielsweise mittels Gewindeschrauben, die durch Durchgangslöcher 12 verlaufen und in entsprechenden Innengewindeöffnungen in den Träger aufgenommen sind.
  • Der Käfigläufer 3-2 umfasst zusätzlich einen im Wesentlichen axial durchlöcherten Abschnitt 13 mit mehreren umfänglich beabstandeten Löchern 14, um so einen gewissen Grad an Flexibilität des Käfigs 3-2 bereitzustellen, um verschiedenen Schwingungsmodi der Anordnung zu widerstehen. Gemäß dem Ausführungsbeispiel, das in 1 dargestellt ist, umfasst der durchlöcherte Abschnitt 13 zwei axiale Abschnitte 13-1, 13-2, die jeweils mit Löchern 14 ausgestattet sind, wobei der axiale Abschnitt 13-2 einen größeren Durchmesser hat, als der axiale Abschnitt 13-1. Die zwei axialen Abschnitte 13-1, 13-2 sind durch einen Faltabschnitt 13-3 verbunden. Der Befestigungsflansch 11 erstreckt sich radial von einem freien Ende des axialen Abschnitts 13-2 mit dem größeren Durchmesser.
  • Gemäß einem alternativen Ausführungsbeispiel (nicht gezeigt) erstreckt sich der durchlöcherte Abschnitt 13 axial ohne Faltung, wobei sich der Befestigungsabschnitt 11 radial von einem freien Ende des durchlöcherten Abschnitts 13 erstreckt.
  • Vorzugsweise umfasst der Abschnitt 13-1 des durchlöcherten Abschnitts 3-1 eine äußere Fläche mit zwei umfänglichen Schlitzen 15, 16, die jeweils fähig sind, eine O-RingDichtung (nicht gezeigt) aufzunehmen, wobei ein Fluidfilm axial zwischen den zwei Dichtungen, die in den Schlitzen 15, 16 beinhaltet sind, bereitgestellt ist, wobei der Film radial zwischen der Außenfläche des Käfigläufers 3-1 und einer Fläche des feststehenden Trägers (nicht dargestellt) eingezwängt ist, um ein Schwingungsdämpfungsmittel auszubilden.
  • Gemäß der Erfindung ist der Kontaktabschnitt 3-1 aus einem ersten Metallmaterial hergestellt und der Käfig 3-2 wird aus einem zweiten Komposit-artigen Material hergestellt.
  • Der Kontaktabschnitt 3-1 ist vorzugsweise aus Stahl hergestellt, beispielsweise: AMS6444, AMS6491 oder AMS6278. Der Kontaktabschnitt kann durch irgendein geeignetes Verfahren erhalten werden, insbesondere durch Formen oder maschinelle Bearbeitung eines Metallmaterials oder auch durch 3D-Druck. Die Laufbahn 9 kann mit einer Oberflächenbeschichtung ausgestattet sein, insbesondere um den Rollreibkoeffizienten zu reduzieren. Der Kontaktabschnitt 3-1 kann auch einer Wärmebehandlung unterzogen sein, um dessen Härte zu optimieren.
  • Der Käfigläufer 3-2 ist aus einem Komposit-Material mit einer Matrix, in der Verstärkungsfasern eingebettet sind, hergestellt.
  • Die Fasern des Komposit-Materials des Käfigläufers 3-2 sind aus Karbon, Glas, Kevlar, Vectran oder einer Kombination aus Fasern unterschiedlicher Arten hergestellt. Die Matrix des Komposit-Materials des Käfigläufers 3-2 ist ein Epoxy-, Polyamid- oder Phenolharz.
  • Der durchlöcherte Abschnitt 13 des Käfigläufers 3-2 ist an der äußeren Fläche 8 des Verbindungsabschnitts 3-1 angebracht. Gemäß einem Ausführungsbeispiel (nicht gezeigt) umfasst der Abschnitt 13-1 des durchlöcherten Abschnitts 13 eine Fläche, die radial den Schlitzen 15, 16 gegenüberliegt und die mit einem umfänglichen Schlitz ausgestattet ist, in dem der Kontaktabschnitt 3-1 beinhaltet ist.
  • Vorzugsweise ist die Außenfläche 8 des Kontaktabschnitts mit einer ringförmigen Nut (17) ausgestattet, und das Komposit-Material des Käfigläufers 3-2 umgibt äußerlich die Außenfläche 8 des Kontaktabschnitts 3-1 und hat davon ausgehend, in Richtung der Oberfläche 8 radiale auskragende Abschnitte, die in Passweise in der ringförmigen Nut 17 aufgenommen sind. Die feste Verbindung zwischen dem Käfigläufer 3-2 und dem Kontaktabschnitt 3-1 ist somit durch den vergrößerten Kontaktbereich zwischen dem Komposit-Material und dem Metall verstärkt, demgemäß der Hafteffekt zwischen den Komponenten erhöht wird.
  • Darüber hinaus erzeugen die radialen auskragenden Abschnitte Widerstandsreliefs, um Mittel auszubilden, die zwei Komponenten 3-1, 3-2 in beide axialen Richtungen halten.
  • Die ringförmige Nut 17 ist in 1 mit einer rechtwinkligen Form in axialem Querschnitt dargestellt. Alternativ kann die ringförmige Nut 17 jegliche andere angepasste Form haben, beispielsweise eine Schwalbenschwanz- oder Dreiecksform. Gemäß einer anderen Alternative ist die äußere Fläche 8 mit zumindest einem nicht ringförmigen vertieften Bereich ausgestattet.
  • Das Komposit-Material des Käfigläufers 3-2 ist geformt, um die Außenfläche 8 des Kontaktabschnitts 3-1 zu bedecken, insbesondere durch das Ausfüllen der Nut 17. Aufgrund dieses Verfahrensschritts haftet das Komposit-Material fest an dem Kontaktabschnitt 3-2. Es wird somit eine nicht demontierbare Außenringanordnung bereitgestellt, die in 1 dargestellt ist.
  • Zusätzlich können die technischen Eigenschaften der einzelnen Ausführungsbeispiele insgesamt oder nur einige von ihnen mit anderen kombiniert werden. Somit kann die Lageranordnung hinsichtlich Kosten, Performance und Einfachheit des Einbaus, angepasst werden.

Claims (10)

  1. Ringförmiger Ring (3) mit: - einem Kontaktabschnitt (3-1) mit einer Innenfläche (9), einer Außenfläche (8) und Seitenwänden (10), die die Innenfläche (9) und Außenfläche (8) verbinden, wobei die innere oder die äußere Fläche eine Laufbahn (9) bereitstellt, und - einem Käfigläufer (3-2), der an dem Kontaktabschnitt (3-1) befestigt ist, wobei der Käfigläufer (3-2) einen durchlöcherten Abschnitt (13) hat, der mit mehreren umfänglich beabstandeten Löchern (14) und einem Befestigungskragen (11), der sich von einem freien Ende des durchlöcherten Abschnitts (13) erstreckt, ausgestattet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Kontaktabschnitt (3-1) aus einem ersten Metallmaterial geformt ist, und der Käfigläufer (3-2) aus einem zweiten Komposit-artigen Material geformt ist, das eine Matrix aufweist, in der Verstärkungsfasern eingebettet sind, wobei der durchlöcherte Abschnitt (13) des Käfigläufers (3-2) an einer Außenfläche (8) des Kontaktabschnitts (3-1) angebracht ist.
  2. Ring nach Anspruch 1, bei dem das erste Material des Kontaktabschnitts (3-1) aus Stahl hergestellt ist.
  3. Ring nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Fasern des zweiten Komposit-Materials des Käfigläufers (3-2) aus Karbon, Glas, Kevlar, Vectran oder einer Kombination aus Fasern verschiedener Arten hergestellt ist.
  4. Ring nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Matrix des zweiten Komposit-Materials des Käfigläufers (3-2) ein Epoxy-, Polyamid- oder Phenolharz ist.
  5. Ring nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der durchlöcherte Abschnitt (13) des Käfigläufers (3-1) eine Fläche aufweist, die mit einem ringförmigen Schlitz ausgestattet ist, in dem der Kontaktabschnitt (3-1) aufgenommen ist.
  6. Ring nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der durchlöcherte Abschnitt (13) des Käfigläufers (3-2) eine Fläche aufweist, die mit zwei ringförmigen Nuten (15, 16) ausgestattet ist, die dazu ausgelegt sind, O-Ring-Dichtungen aufzunehmen, um einen Raum zu begrenzen, der dazu gedacht ist, einen Ölfilm aufzunehmen, um Schwingungen zu dämpfen.
  7. Ring nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Befestigungsabschnitt (11) des Käfigläufers (3-2) zumindest ein Durchgangsloch (12) aufweist, das dazu gedacht ist, eine Befestigungsschraube aufzunehmen.
  8. Ring nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Fläche (8), die der Laufbahn (9) gegenüberliegt, mit einem vertieften Bereich (17) ausgestattet ist, wobei das Komposit-Material des Käfigläufers (3-2) in Passweise in den vertieften Bereich (17) aufgenommen ist.
  9. Ring nach Anspruch 8, in dem der vertiefte Bereich in einer ringförmigen Nut (17) besteht.
  10. Lageranordnung (1) mit Wälzkörpern, die mit einem ersten Ring (3) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, einem zweiten Ring (2), der koaxial zu dem ersten Ring (3) ist, und mit mehreren Wälzkörpern (4), die zwischen der Laufbahn (9) des Kontaktabschnitts (3-1) des ersten Rings (3) und einer Laufbahn (6) des zweiten Rings (2) aufgenommen sind, ausgestattet ist.
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