-
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Wälzlager und ein Verfahren zur Herstellung eines Wälzlagers und insbesondere auf eine kinematische Führung von vollrolligen Zylinderrollenlagern durch zusätzliche Drehkörper, die auch als Vorspanndrehkörper im Folgenden bezeichnet werden.
-
HINTERGRUND
-
Unter hoher Last können verschiedene Mechanismen zu Schäden an den Wälzkörpern von vollrolligen Zylinderrollenlager führen. Ein häufiges Problem besteht beispielsweise darin, dass bei Wälzlagern, die bei geringeren Drehzahlen einer hohen Last ausgesetzt sind, das sogenannte Problem der Anschmierung entsteht. Der Ursprung für die Schäden liegt in den kinematischen Verhältnissen entlang des Umfanges des Wälzlagers. Der Umlauf von radial belasteten Wälzlagern kann in einen belasteten und in einen lastfreien Bereich unterteilt werden. Aufgrund der fehlenden Last rollen die Wälzkörper in dem lastfreien Bereich nicht mehr mit der kinematisch korrekten Drehzahl ab und werden in der Folge erst bei Eintritt in die Lastzone wieder auf die notwendige Drehzahl beschleunigt. Bei diesem Beschleunigungsvorgang kommt es bei hohen Lasten zu Schäden an der Oberfläche der Wälzkörper bzw. der Rollfläche. Da der trennende Schmierfilm zwischen den Wälzkörpern und den Ringen bzw. zwischen den Wälzkörpern selbst nicht mehr intakt ist, verstärkt dieses Problem weiter.
-
Dieses Problem tritt vor allem bei großen Wälzlagern auf, wie sie beispielsweise in bei Windkraftanlagen, im Anlagenbau, Riesenrädern oder ähnlichen Einrichtungen eingesetzt werden. Aufgrund der hohen Tragfähigkeit bei gleichbleibenden äußeren Abmessungen, werden in diesen Anwendungen insbesondere vollrollige Zylinderrollenlager verwendet.
-
5A bis 5C zeigen Beispiele für konventionelle Wälzlager. In der 5A ist ein vollrolliges Zylinderrollenlager zu sehen, welches eine Vielzahl von Wälzkörpern 530 aufweist, die zwischen einem Außenring 510 und einem Innenring 520 rollbar angeordnet sind, um einen Kraftfluss zwischen dem Außenring 510 und dem Innenring 520 zu ermöglichen. Ein Nachteil dieser vollrolligen Zylinderrollenlager besteht darin, dass die Wälzkörper potentiell aneinandergeraten können und somit eine zusätzliche Reibung auftritt, die einen unerwünschten Widerstand darstellt. 5B zeigt ein reguläres Zylinderrollenlager, bei welchem zwischen benachbarten Wälzkörpern 530a, 530b Abstandselemente 540 angeordnet sind, die beispielsweise einen Käfig darstellen, in welchem die Wälzkörper 530 in einem vorbestimmten Abstand voneinander gehalten werden. Ein Nachteil dieser Vorgehensweise besteht darin, dass weniger Wälzkörper 530 aufgrund des gewählten Abstandes zwischen den benachbarten Wälzkörpern 530a, 530b vorhanden sind und somit die tragbare Last sich verringert. 5C zeigt ein weiteres konventionelles vollrolliges Zylinderrollenlager mit einem Käfig 540, wobei die Position des Käfigs 540 von dem Teilkreisdurchmesser TK der Wälzkörper 530 verschoben wurde (hin zum Innenring 520). Dadurch kann der Abstand zwischen den benachbarten Wälzkörpern 530a, 530b verringert und die Anzahl an Wälzkörpern 530 erhöht werden, und zwar, ohne dass es zum Reiben der Wälzkörper 530 aneinander kommt.
-
Das Problem der Anschmierung lässt sich allerdings durch diese konventionellen Wälzlager nicht lösen. Die zusätzliche Reibung zum Käfig 540 verringert nach wie vor die Drehgeschwindigkeit der Wälzkörper 530 im lastfreien Bereich. Konventionelle Lösungen zu dem Problem der Anschmierung basieren daher auch auf einer Anpassung des Schmierstoffs. Beispielsweise kann ein Schmierstoff mit höherer Viskosität oder eine Additivierung mit EP-Zusätzen (EP, extreme pressure, extremer Druck) genutzt werden.
-
Es besteht somit ein Bedarf nach anderen Möglichkeiten, um einerseits die Anzahl der Wälzkörper nicht zu verringern und, andererseits, die Reibung minimal zu halten.
-
KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
-
Zumindest ein Teil der obengenannten Probleme wird durch ein Wälzlager nach Anspruch 1 und ein Verfahren zu dessen Herstellung nach Anspruch 7 gelöst. Die abhängigen Ansprüche definieren weitere vorteilhafte Ausführungsformen für die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche.
-
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Wälzlager zum drehbaren Lagern hoher Lasten. Das Wälzlager umfasst: einen Außenring, einen Innenring, mehrere Wälzkörper und eine Vorspanneinrichtung. Die Wälzkörper leiten eine Kraft zwischen dem Außenring und dem Innenring. Die Vorspanneinrichtung umfasst mehrere Vorspanndrehkörper, wobei zwischen jeweils zwei benachbarten Wälzkörpern zumindest ein Vorspanndrehkörper angeordnet ist. Die Vorspanneinrichtung ist ausgebildet, um eine Vorspannung zwischen den benachbarten Wälzkörpern aufzubauen und dadurch Drehbewegungen zwischen den benachbarten Wälzkörpern zu übertragen.
-
Die Drehung des Wälzlagers (d.h. die relative Drehung zwischen Innen- und Außenring) definiert eine Drehachse und, senkrecht dazu, kann eine radiale Richtung definiert werden. Die Vorspannung wirkt beispielsweise entlang der radialen Richtung. Sie kann aber nach Kraftkomponenten aufgespalten werden, sodass sie gleichzeitig zwischen den Wälzkörpern wirkt und diese auseinanderdrückt. Diese Kraft kann einerseits sicherstellen, dass zwischen benachbarten Wälzkörper kein direkter Kontakt besteht und dass außerdem eine kinematische Kopplung zwischen den Wälzkörpern erfolgt (Drehmomente werden korrekt übertragen). Die Form der Wälzkörper kann beliebig sein. So können es Kugeln (das Wälzlager wäre dann ein Kugellager) oder Zylinderrollelemente sein, die eine glatte Oberfläche aufweisen sollten, um ein gleichmäßigen Abrollen auf einer gleichförmigen Abrollfläche am Innenring bzw. Außenring zu ermöglichen.
-
Optional ist der zumindest eine Vorspanndrehkörper ein zylinderförmige Rollkörper mit einer axialen Erstreckung und einem Durchmesser in radialer Richtung. Der Durchmesser kann so gewählt sein, dass die Vorspanndrehkörper ohne Berührung in einem Freiraum Platz finden, der durch zwei benachbarte Wälzkörper und einer Rollfläche, auf der die Wälzkörper abrollen, gegeben ist. Die axiale Erstreckung kann so gewählt sein, dass der zumindest eine Vorspanndrehkörper entlang seiner Drehachse seitlich über die Wälzkörper hinausragt.
-
Optional können kugelförmige Wälzkörper mit zylinderförmigen Vorspanndrehkörper kombiniert werden. Eine beidseitige Fixierung kann für die nötige Stabilität sorgen (z.B. durch einen Käfig, der gleichzeitig die Vorspannung bereitstellt).
-
Optional sind zwischen zwei benachbarten Wälzkörpern jeweils zwei Vorspanndrehkörper ausgebildet, zwischen denen die Vorspannung in radialer Richtung wirkt.
-
Verschiedene Ausführungsbeispiele können verschiedene Möglichkeiten aufweisen, die Vorspannung zu erreichen. Die einfachste Möglichkeit wäre eine Verspannung durch eine Feder (z.B. Spiralfeder oder ein Umschlingungsmedium), die die Vorspanndrehkörper in radialer Richtung derart vorspannt, dass sie eine Kraft zwischen den benachbarten Wälzkörpern ausüben und so die Drehung von einem Wälzkörper zu dem benachbarten Wälzkörper übertragen. Eine andere Möglichkeit wäre einen Federring oder Gummiring vorzusehen, der alle Vorspanndrehkörper kontaktiert und vorspannt. Daher kann die Vorspanneinrichtung zum Aufbringen der Vorspannung zumindest eines aus dem Folgenden aufweisen: eine Feder, einen Käfig, einen Gummiring oder ein Elastomerring oder andere Elemente, die eine Kraft aufbringen können.
-
Optional umfassen die Vorspanndrehkörper auf ihren gegenüberliegenden Endabschnitten jeweils zumindest eine Nut. In die Nut kann beispielsweise eine Feder, ein Haken oder ein Draht oder Drahtring oder allgemeine ein Umschlingungsmedium eingreifen, um dort einen Kraftangriffspunkt zu schaffen und ein stabiles Angreifen der Vorspannung sicherzustellen.
-
Optional umfasst der Außenring und/oder der Innenring zumindest eine seitliche Wand. Dadurch wird für die Wälzkörper eine vertiefte Abrollfläche bereitgestellt, die gleichzeitig einen seitlichen Halt bietet. Die Vorspanndrehkörper können dann entlang ihrer Drehachse über die seitliche Wand hinausragen.
-
Ausführungsbeispiele beziehen sich auch auf ein Verfahren zur Herstellung eines Wälzlagers zum drehbaren Lagern hoher Lasten. Das Verfahren umfasst:
- - Bereitstellen eines Außenrings und eines Innenrings;
- - Anordnen von mehreren Wälzkörpern zwischen dem Außenring und dem Innenring, um einen Kraftfluss weiterzuleiten; und
- - Ausbilden einer Vorspanneinrichtung mit mehreren Vorspanndrehkörpern, wobei jeweils zwischen zwei benachbarten Wälzkörpern zumindest ein Vorspanndrehkörper angeordnet und eine Vorspannung zwischen den benachbarten Wälzkörpern aufgebaut wird, um Drehbewegungen zwischen den benachbarten Wälzkörpern zu übertragen.
-
Ausführungsbeispiele lösen somit das Problem der Anschmierung dadurch, dass Vorspanndrehkörper vorgesehen sind, die zwischen zwei benachbarten Wälzkörpern eine Vorspannung ausüben und dadurch eine Drehbewegung zwischen den Wälzkörpern übertragen. Damit rotieren alle Wälzkörper idealerweise mit dem gleichen Drehsinn und der gleichen Drehgeschwindigkeit - auch in dem lastfreien Bereich. Eine zusätzliche (schädliche) Beschleunigung der Wälzkörper beim Eintritt in die Lastzone kann somit verhindert werden. Durch die korrekte kinematische Kopplung der Wälzkörper können Oberflächenschäden, die durch die Gleitreibung der Wälzkörper bei konventionellen Lagern ansonsten entstehen, bei Ausführungsbeispielen auch für vollrollige Zylinderrollenlager vermieden werden. Damit kann sich die Lebensdauer der Wälzlager deutlich erhöhen. Schließlich verringert sich die Gesamtreibung der Wälzkörpers, was wiederum die Wirtschaftlichkeit des Systems deutlich steigert.
-
Figurenliste
-
Die Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden besser verstanden anhand der folgenden detaillierten Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen der unterschiedlichen Ausführungsbeispiele, die jedoch nicht so verstanden werden sollten, dass sie die Offenbarung auf die spezifischen Ausführungsformen einschränken, sondern lediglich der Erklärung und dem Verständnis dienen.
- 1 zeigt ein Wälzlager gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
- 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel für ein vollrolliges Zylinderrollenlager, bei dem die zusätzlichen Vorspanndrehkörper über einen Drahtkäfig vorgespannt sind.
- 3 zeigt ein Wälzlager gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel, bei dem die Vorspanndrehkörper mit Federn vorgespannt werden.
- 4 zeigt ein schematisches Flussdiagramm für ein Verfahren zur Herstellung eines Wälzlagers gemäß einem Ausführungsbeispiel.
- 5 zeigt konventionelle Wälzlager.
-
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
-
1 zeigt ein Wälzlager gemäß einem Ausführungsbeispiel, welches einen Außenring 110, einen Innenring 120 und eine Vielzahl von Wälzkörpern 130 aufweist. Die Wälzkörper 130 übertragen eine Kraft F zwischen dem Außenring 110 und dem Innenring 120 und erlauben gleichzeitig eine Drehbewegung R des Innenrings 120 relativ zum Außenring 110. Gemäß Ausführungsbeispielen sind eine Vielzahl von Vorspanndrehkörpern 140 vorgesehen, die ausgebildet sind, um zwischen benachbarten Wälzkörpern 130a, 130b eine Kraft auszuüben, die diese entlang der Umfangsrichtung auseinander gedrückt.
-
Beispielhaft sind in der 1 zwischen zwei benachbarten Wälzkörpern 130a, 130b jeweils zwei Vorspanndrehkörper 140a, 140b angeordnet und die Vorspannkraft V wirkt als Anziehung entlang einer Verbindungslinie zwischen ihren Drehachsen. Dies ist auch die radiale Richtung des Wälzlagers. Als Folge stellt sich entlang des gesamten Umfangs des Wälzlagers zwischen den Wälzkörpern 130 ein (möglichst gleichmäßiger) Mindestabstand ein. Dadurch wird eine direkte Reibung zwischen den Wälzkörpern 130 vermieden. Außerdem bewirkt die Vorspannung V der Vorspanndrehkörper 140 ein kinematische Kopplung zwischen allen benachbarten Wälzkörpern 130a, 130b, sodass Wälzkörper 130 sich gegenseitig antreiben. Idealerweise drehen sich dann alle Wälzkörper 130 mit der gleichen Drehgeschwindigkeit. Es tritt nur eine Rollreibung auf - nicht jedoch die Gleitreibung.
-
2 zeigt ein vollrolliges Zylinderrollenlager, wobei auf der linken Seite keine Vorspanndrehkörper vorhanden sind (konventionelles Wälzlager) und auf der rechten Seite zwischen jeweils zwei benachbarten Wälzkörpern 130 jeweils zwei Vorspanndrehkörper 140 gemäß Ausführungsbeispielen ausgebildet sind. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel umfasst der Außenring 110 eine seitliche Wand 112, die eine Führung für die Wälzkörper 130 bietet. Die Wälzkörper 130 rollen daher in einer Vertiefung, die durch die Wand 112 seitlich begrenzt wird. Ebenso kann der Innenring 120 eine seitliche Führung/Wand aufweisen, wie es in der 2 zu sehen ist, sodass auch der Innenring 120 eine Vertiefung aufweist, in der die Wälzkörper 130 frei rollen können.
-
Gemäß Ausführungsbeispielen haben die Vorspanndrehkörper 140 einen Durchmesser, der im Vergleich zu den Durchmessern der Wälzkörper 130 so klein gewählt ist, dass die Vorspanndrehkörper 140 in radialer Richtung nicht über die Wälzkörper 130 radial hinausragen. Mit anderen Worten, die Vorspanndrehkörper 140 können in einen Freiraum berührungsfrei eingeführt werden, der durch zwei benachbarte Wälzkörper 130a, 130b und der Abrollfläche der Wälzkörper 130 begrenzt wird. Die Berührung erfolgt erst durch die Vorspannung V (siehe 1), wobei der Angriffspunkt für die Vorspannung seitlich neben den Wälzkörpern 130 liegt.
-
Beispielhaft werden die Vorspanndrehkörper 140 über einen Drahtkäfig 150 (nur schematisch zu sehen) vorgespannt. Der Drahtkäfig 150 kann beispielsweise eine Rille oder Vertiefung oder eine kreisförmige Nut aufweisen, in der die Vorspanndrehkörper 140 in radialer Richtung zueinander vorgespannt geführt werden. Hierzu können die Vorspanndrehkörper 140 wiederum entlang ihrer Drehachse seitlich über die Wälzkörper 130 hinausragen, sodass der Käfig 150 seitlich die Vorspanndrehkörper 140 hält und führt.
-
Die Vorspannung V (vgl. 1) bewirkt eine Kraft auf die Wälzkörper 130 entlang der Umfangsrichtung, die diese auseinanderdrückt. Während bei dem konventionellen Wälzlager auf der linken Seite ein Reibkontakt 535 zwischen den benachbarten Wälzkörpern 530 nicht verhindert werden kann, verhindern die zusätzlichen Vorspanndrehkörper 140 diesen Reibkontakt durch den Mindestabstand zwischen den benachbarten Wälzkörpern 130.
-
3A, 3B zeigen ein weiteres Ausführungsbeispiel für das Wälzlager, bei dem die Wälzkörper 130 als auch die Vorspanndrehkörper 140 zylinderförmig ausgebildet sind und zwischen einem Außenring 110 und einem Innenring 120 rollbar gelagert sind. Die Vorspanndrehkörper 140 weisen auf gegenüberliegenden Endabschnitten jeweils eine Nut 141, 142 auf, wie sie in der Detailansicht der 3B zu sehen sind. In die Nuten 141,142 kann beispielsweise eine Feder 160 eingreifen, um die Vorspannung V zwischen den beiden Vorspanndrehkörpern 140a, 140b, die zwischen zwei benachbarten Wälzkörpern 130a, 130b angeordnet sind, bereitzustellen. Die Feder 160 kann beispielsweise als Spiralfeder innerhalb eines Schutzzylinders angeordnet sein.
-
Die Vorspanndrehkörper 140a, 140b können wiederum seitlich über die Wälzkörper 130 hinausragen (parallel zu deren Drehachse), sodass die Federn 160 seitlich neben den Wälzkörpern 130 angeordnet sind und durch die Nut gehalten werden. Um die Reibung gering zu halten, kann an den Enden der Vorspanndrehkörpern 140 auch eine Hülse vorgesehen sein, in die die Vorspanndrehkörper 140 hineinragen und die Federn 160 sind an der Hülse befestigt. Ebenso können die Vorspanndrehkörper 140 selbst hülsenförmig ausgebildet sein, sodass ein Stab zur Halterung der Federn 160 hindurchgeführt werden kann.
-
Alternativ zu der Feder können auch andere Maßnahmen vorgesehen sein, um die Vorspannrollkörper 140 in radialer Richtung derart vorzuspannen, dass sie einen Druck auf die Wälzkörper 130 ausüben. Beispielsweise ist es auch möglich, dass ein Gummiring oder Federring oder allg. ein Umschlingungsmedium sich entlang aller radial außenliegenden Vorspannrollkörper erstreckt, um alle Vorspanndrehkörper radial nach innen zu drücken. In ähnlicher Weise könnte ein Vorspannring auf alle innenliegenden Vorspanndrehkörper 140b einwirken, der diese radial nach außen drückt. Ebenso ist es möglich, dass ein Gummiring oder Federring oder ein Draht sich alternierend zwischen außen- und innenliegende Vorspanndrehkörpern 140a, a40b mäanderförmig in der Umfangsrichtung des Wälzlagers erstreckt, um so jeweils benachbarte Vorspanndrehkörper 140 radial nach innen bzw. die innenliegenden, radial nach außen zu drücken. Wenn ein Draht genutzt wird, können die Enden mit einer Feder zusammengezogen werden.
-
4 zeigt ein schematisches Flussdiagramm für ein Verfahren zur Herstellung eines Wälzlagers gemäß einem Ausführungsbeispiel. Das Verfahren umfasst:
- - Bereitstellen S110 eines Außenrings 110 und eines Innenrings 120,
- - Anordnen S120 von mehreren Wälzkörpern 130 zwischen dem Außenring 110 und dem Innenring 120, um einen Kraftfluss weiterzuleiten; und
- - Ausbilden S130 einer Vorspanneinrichtung 140,150,160 mit mehreren Vorspanndrehkörpern 140, wobei jeweils zwischen zwei benachbarten Wälzkörpern 130a, 130b zumindest ein Vorspanndrehkörper 140 angeordnet und eine Vorspannung V zwischen den benachbarten Wälzkörpern 130a, 130b aufgebaut wird.
-
Alle weiteren oben beschriebenen Funktionen können als weitere optionale Verfahrensschritte in dem Herstellungsverfahren umgesetzt werden.
-
Zusammenfassend kann gesagt werden, dass Ausführungsbeispiele das Problem der Oberflächenschädigung durch zusätzliche Drehkörper (Vorspanndrehkörper 140) lösen. Diese Vorspanndrehkörper 140 sind insbesondere nicht im Kraftfluss der äußeren Last, die sich entlang der Wälzkörper 130 zwischen dem Außenring 110 und dem Innenring 120 ausbreitet, sondern dienen dazu, eine konstante Drehung möglichst aller Wälzkörper 130 zu erreichen. Daher werden die Vorspanndrehkörper 140 vollständig zwischen den Wälzkörpern 130 angeordnet und haben insbesondere keine kinematische Kopplung zum Innenring 120 und/oder zum Außenring 110 des Wälzlagers. Um ihre Funktion der Kopplung zwischen den Wälzkörpern 130 zu erreichen, können die Vorspanndrehkörper 140 über verschiedene Konstruktionen (z.B. einen Käfig 150 oder eine Feder) zwischen den Wälzkörpern 130 in ihrer Position gehalten werden. Die Vorspannung erzeugt gleichzeitig eine kinematisch korrekte Kopplung zwischen benachbarten Wälzkörpern 130. Die Wälzkörper 130 in der Lastzone übertragen somit die kinematisch korrekte Drehzahl auf die Wälzkörper 130 in der lastfreien Zone, sodass diese weiterhin sich auf den Innenring 120 als auch auf den Außenring 110 abwälzen können. Diese Kopplung wird durch den Kontakt zwischen einem Vorspanndrehkörper 140 und jeweils zwei benachbarten Wälzkörpern 130a, 130b erreicht.
-
Das gewünschte Ziel der Schadensminimierung durch die Anschmierung wird somit nicht durch eine Verhinderung des Kontaktes der Flächen oder eine Reduzierung der Folgen durch eine bessere Schmierung erreicht, sondern durch eine Anpassung der Kinematik, indem weitere, zusätzliche Vorspanndrehkörper 140 eingebracht werden.
-
Die in der Beschreibung, den Ansprüchen und den Figuren offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung wesentlich sein.
-
Bezugszeichenliste
-
- 110
- Außenring
- 112
- (seitliche) Wand des Außenrings
- 120
- Innenring
- 122
- (seitliche) Wand des Innenrings
- 130
- mehreren Wälzkörper
- 140
- Vorspanndrehkörper
- 141,142
- Nuten
- 150
- Käfig
- 160
- Feder
- 510
- Außenring eines konventionellen Wälzlagers
- 520
- Innenring eines konventionellen Wälzlagers
- 530
- konventionelle Wälzkörper
- 535
- Reibbereich
- 540
- Käfig eines konventionellen Wälzlagers
- F
- übertragener Kraftfluss
- V
- Vorspannung
- R
- relative Drehrichtung
