DE102022100737A1

DE102022100737A1 - Kugellager

Info

Publication number: DE102022100737A1
Application number: DE102022100737.5A
Authority: DE
Inventors: Iman Nezami; Thomas Klotten
Original assignee: Hanon Systems Corp
Current assignee: Hanon Systems Corp
Priority date: 2021-03-02
Filing date: 2022-01-13
Publication date: 2022-09-08
Also published as: WO2022186483A1; KR20230088773A; CN116529496A; US20240151268A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Kugellager für die Spirale eines Spiralverdichters mit einem Außenring (1), einem Innenring (2) und mehreren dazwischen angeordneten Kugeln (3), dadurch gekennzeichnet, dass die Kugeln (3) in einem Kugellagerkäfig (4) gehaltert und geführt sind, wobei der Kugellagerkäfig (4) als außengeführter Kunststoffkäfig mit einer Verstärkungsstruktur (6) aus Metall als Hybridkäfig ausgebildet ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Kugellager, insbesondere für die orbitierende Spirale eines Spiralverdichters. Das Kugellager weist einen Kugellagerkäfig auf, der als außengeführter Kunststoffkäfig ausgestaltet ist.
Kugellager mit Kugellagerkäfigen müssen teilweise höchsten Anforderungen an Toleranz, Laufruhe, Rundheit und Oberflächengüte genügen. Eingesetzt werden Kugellagerkäfige in diversen Einsatzgebieten, beispielsweise zur Lagerung der orbitierenden Spirale eines Spiralverdichters.
Kugellagerkäfige werden im Stand der Technik aus Kunststoffen wie Polyamidimid, Polyetheretherketon oder aus Phenolharz mit feinmaschigem Baumwollgewebe ausgeführt. Alternativ werden Kugellagerkäfige auch aus Stahl oder Nichteisenmetallen gefertigt.
Neben Außen- und Innenbord geführten Kugellagerkäfigen sind auch genietete Kugellagerkäfige oder Kugellagerkäfige mit verschiedensten Innen- und Außenkonturen bekannt.
Aus der EP 2 932 118 B1 ist beispielsweise ein zweiteiliger Kugellagerkäfig mit mehreren Halteklauen bildenden Zungen bekannt.
Die DE 35 10 467 A1 offenbart einen Kugellagerkäfig für Radialkugellager, bestehend aus einem Ringkörper aus nachgiebigem Material, welcher Taschen zur Aufnahme von Kugeln im Schnappsitz und Führungszapfen zum Leiten der Kugeln in die Taschen aufweist. Ein Haltering auf den Führungszapfen beschränkt eine Verformung des Ringkörpers. Dadurch kann der Ringkörper unter dem Einfluss von zwischen Kugeln und Käfig auftretenden Kontaktkräften bei Betrieb des Lagers nicht ausgestoßen werden.
Aus der DE 199 51 387 A1 ist ein Kugellagerkäfig aus einem elastisch verformbaren Kunststoff mit in Taschen angeordneten sphärischen Kugelsitzflächen bekannt. Die Lagerkugeln sitzen in einer der Längenänderung angepassten Tasche mit vergrößertem Taschenspiel.
In bestimmten Anwendungsgebieten werden an die Kugellager und die Kugellagerkäfige besondere Anforderungen gestellt. Der Einsatz der Kugellager für die orbitierende Spirale eines Spiralverdichters ist ein solcher Einsatzfall mit besonderem Anforderungsprofil an das Kugellager und den eingesetzten Kugellagerkäfig.
Durch die Orbitalbewegung der Spirale in dem Spiralverdichter ist das Kugellager einer Zentrifugalkraft zusätzlich ausgesetzt. Diese Kraft ist abhängig von der Masse, dem Umlaufradius und der Drehzahl der Spirale.
In Modellanwendungen beim Einsatz der Spiralverdichter in Kältemittelkreisläufen in Kraftfahrzeugen werden erhöhte Massenströme des Kältemittels im Kreislauf gefordert, um eine ausreichende Kühlung der verschiedenen Komponenten in den Fahrzeugen sowie der Fahrgastzelle selbst zu erreichen. Ein erhöhter Massenstrom des Kältemittels im Kältemittelkreislauf führt zu höheren Lasten und einer höheren Drehzahl des eingesetzten Spiralverdichters. Durch beide Komponenten erhöht sich auch die Zentrifugalkraft für das Kugellager.
Kugelgeführte Metallkäfige nach Ausgestaltungen aus dem Stand der Technik überschreiten ihre Belastungsgrenzen und versagen erfahrungsgemäß relativ häufig.
Außengeführte Kunststoffkäfige in Kugellagern sind in der Regel besser geeignet als kugelgeführte Metallkäfige, haben aber ein Problem mit der Festigkeit im dünnsten Bereich der Kugellagerkäfige. Dieser dünnste Bereich wird auch als Brücke bezeichnet, welcher durch die Kugeln bedingt ist. Begrenzt durch den Innen- und Außenring des Kugellagers ist der Raum nicht groß genug, um einen entsprechend starken Kunststoffkäfig zu schaffen.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Kugellager bereitzustellen, welches den erhöhten mechanischen Anforderungen durch Zentrifugalkräfte im Kugellager standhält. Dabei soll die Standzeit des Kugellagers erhöht werden, ohne konstruktiv durch raumgreifende Materialverstärkung die Maße des Kugellagers zu verändern.
Die Aufgabe wird durch einen Gegenstand gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Weiterbildungen sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
Die Aufgabe der Erfindung wird insbesondere durch ein Kugellager für die Spirale eines Spiralverdichters mit einem Außenring, einem Innenring und mehreren dazwischen angeordneten Kugeln dadurch gelöst, dass die Kugeln in einem Kugellagerkäfig gehaltert und geführt sind. Der Kugellagerkäfig ist als außengeführter Kunststoffkäfig mit einer Verstärkungsstruktur aus Metall als Hybridkäfig ausgebildet. Unter dem Begriff des Hybridkäfigs ist ein Kugellagerkäfig zu verstehen, der aus verschiedenen Materialien aufgebaut ist, welche durch einen festen Verbund miteinander einen Hybridkäfig gemeinsam ausbilden.
Der Kugellagerkäfig ist als einseitiger Käfig in der Art eines Schnappkäfigs ausgebildet, der auf einer Seite des Kugellagers seitlich in Ausnehmungen des Kunststoffkäfigs die Kugeln aufnimmt. Die Kugeln werden bei der Montage vom Kunststoffkäfig mit einem schnappartigen Vorgang aufgenommen und der Bereich der Aufhängung des Kunststoffkäfigs umfängt die Kugeln zur gegenüberliegenden zweiten Seite des Kugellagers hin. Im Kunststoffkäfig sind die Verstärkungsstrukturen aus Metall angeordnet, die dem Kugellagerkäfig seine mechanische Festigkeit und Widerstandsfähigkeit verleihen.
Unter einer Verstärkungsstruktur im Sinne der Erfindung soll ein ringartiges Element verstanden werden, welches aus Metall besteht und welches mit dem Kunststoffkäfig zusammenwirkt und diesen im Ergebnis der Verbindung des Metalls mit dem Kunststoffkäfig mechanisch verstärkt. Verstärkt wird dabei insbesondere die mechanische Belastbarkeit im Hinblick auf die wirkenden Zentrifugalkräfte.
Der Kugellagerkäfig wird somit gebildet aus dem Kunststoffkäfig mit den Bereichen für die Aufnahme der Kugeln, die durch die Aufhängung zur zweiten Seite hin begrenzt wird.
Vorteilhaft ist die Verstärkungsstruktur innerhalb des Kunststoffkäfigs angeordnet. Dabei nimmt der Kunststoff die Verstärkungsstruktur vollständig auf und umgibt diese.
Alternativ ist die Verstärkungsstruktur mindestens teilweise außerhalb des Kunststoffkäfigs angeordnet und mit dem Kugellagerkäfig mechanisch fest verbunden, so dass eine Verstärkung des gesamten Kugellagerkäfigs durch die außenliegende Verstärkungsstruktur erfolgt.
Bevorzugt ist die Verstärkungsstruktur als Einlage im Kugellagerkäfig ausgeführt, wobei der Stegbereich des Kunststoffkäfigs eine besondere mechanische Verstärkung erfährt.
Der Stegbereich des Kugellagerkäfigs ist der Bereich, dessen Materialstärke durch die Ausnehmungen für die Kugeln am stärksten geschwächt ist, die zur Seite hin dünnste Stelle folglich.
Besonders vorteilhaft ist die Verstärkungsstruktur aus umlaufend geformten Ringen oder Drähten ausgebildet. Die Ringe oder Drähte sind als Verstärkungsstruktur dabei innerhalb oder außerhalb des Kugellagerkäfigs angeordnet. Bei einer Anordnung innerhalb oder teilweise außerhalb des Kugellagerkäfigs sind die Ringe oder Drähte mit dem Kunststoff des Kugellagerkäfigs durch Umspritzen oder teilweises Umspritzen der Verstärkungsstruktur mit dem Kunststoff hergestellt und fest verbunden.
Vorteilhaft ist die Verstärkungsstruktur als umlaufend geformter Ring mit einem I-Profil ausgebildet. Das I-Profil ist im Querschnitt zwischen dem Innen- und dem Außenring des Kugellagers ausgeführt und in radialer Richtung angeordnet. Das I-Profil bildet einen flachen Ring, wobei die Breite des Rings in axialer Richtung und die Höhe in radialer Richtung in Bezug auf das Kugellager ausgerichtet sind.
Alternativ dazu ist die die Verstärkungsstruktur als umlaufend geformter Ring mit einem H-Profil ausgebildet, wobei sich eine seitliche Flanke des H-Profils innerhalb des Kunststoffs des Kugellagerkäfigs und die andere seitliche Flanke außerhalb des Kunststoffs des Kugellagerkäfigs befindet. Verbunden werden die seitlichen Flanken des H-Profils durch den Mittelsteg, welcher eine mechanische Verbindung der Flanken und damit eine Verbesserung der Wirkung des Profils durch einen umspritzten Bereich und einen nicht umspritzten Bereich herstellt.
Alternativ ist die Verstärkungsstruktur als umlaufend geformter Ring mit einem X-Profil ausgebildet, wobei wiederum eine Seite mit zwei im Winkel zueinander angeordneten Stegen von Kunststoff umspritzt sind, wobei beide Seiten beziehungsweise wobei das gesamte X-Profil im Kunststoff des Kugellagerkäfigs eingebettet sind.
Eine vorteilhafte alternative Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, dass die Verstärkungsstruktur als umlaufend geformter Ring mit einem L-Profil ausgebildet ist.
Besonders bevorzugt ist die Verstärkungsstruktur als umlaufend geformter Ring mit einem O-Profil ausgeführt. O-Profile werden auch als O-Ringe bezeichnet. Diese können entweder als Vollprofil oder als Hohlprofile ausgebildet sein.
Weiterhin sind diverse Querschnitte für Verstärkungsstrukturen realisierbar. Die Form kann an den jeweiligen Anwendungsfall spezifisch angepasst werden.
Die Kugellagerkäfige aus Kunststoff sind bevorzugt aus Polyamidimid, Polyetheretherketon oder aus Phenolharz mit feinmaschigem Baumwollgewebe ausgebildet.
Um die geforderte Festigkeit trotz des begrenzten Platzes für den Kugellagerkäfig zu erreichen, wurde konzeptionsgemäß eine Hybridlösung entwickelt. Eine Metallverstärkung im Brückenbereich um die Kugeln herum nimmt die Spannung auf. Diese Verstärkung kann sich innerhalb oder außerhalb des Kunststoffhauptkörpers des Kugellagerkäfigs befinden, solange eine feste Verbindung zwischen den verschiedenen Materialien gewährleistet ist. Als Verstärkung eignen sich Einlagen im Stegbereich, umlaufend geformte Ringe oder Drähte, I-, L-, X- oder O-geformte Profile und auch Stege.
Als besonders vorteilhaft herauszustellen sind die durch die Hybridkugellagerkäfige entstehenden vorteilhaften mechanischen Eigenschaften. Dabei wird die Elastizität des Kunststoffes mit der Stabilität des Metalls kombiniert. Die Ausfallsicherheit des Kugellagers kann signifikant erhöht werden, da die Zentrifugalkräfte besser aufgenommen werden können. Damit können in der Anwendung für Spiralverdichter in Kältemittelkreisläufen größere Massenströme gefördert werden, was prozesstechnische Vorteile hat.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass durch den Einsatz von Kugellagerkäfigen mit Verstärkungsstrukturen aus Metall auch der Bauraum des Kugellagers verringert werden kann. Die durch die Verstärkungsstrukturen erreichte Armierung des Kugellagerkäfigs führt zu derart erhöhter Festigkeit, dass sonst übliche überstehende Materialverstärkungen eingespart werden können und die Kugellager insgesamt somit schmaler dimensioniert werden können.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile von Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen mit Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen. Es zeigen:

1: perspektivische Ansicht und Querschnitt eines Kugellagers mit Hybridkugellagerkäfig und H-Profil
2a: Detailquerschnitt Kugellager mit doppeltem O-Profil als Verstärkungsstruktur
2b: Verstärkungsstruktur als X-Profil
2c: Verstärkungsstruktur als I-Profil.

In 1 ist ein Kugellager im Schnitt und perspektivisch dargestellt. Das Kugellager besteht aus den Grundelementen Außenring 1 sowie dem Innenring 2 und dazwischen angeordneten Kugeln 3. Die Kugeln 3 werden durch einen Kugellagerkäfig 4 in ihrer Position gehalten und zusätzlich ist eine Aufhängung 5 zur Fixierung der Komponenten zueinander und eine Verstärkungsstruktur 6 als Bestandteil des Kugellagerkäfigs 4 gezeigt.
Die Verstärkungsstruktur 6 besitzt in der Ausgestaltung gemäß 1 ein H-Profil. Das H-Profil weist zwei parallele seitliche Flanken beziehungsweise Schenkel auf, welche durch einen Mittelsteg miteinander verbunden sind. Die Form des Buchstabens H ist im Querschnitt dargestellt und entsprechend zwischen dem Außenring 1 und dem Innenring 2 positioniert. Die eine seitliche Flanke ist in die Kunststoffmatrix des Kugellagerkäfigs 4 integriert und von diesem vollständig aufgenommen, wohingegen die andere seitliche Flanke des H-Profils außerhalb des Kunststoffkäfigs, als breiter Ring in der Darstellung gemäß 1 gezeigt, ausgestaltet ist. Der Kugellagerkäfig 4 mit seiner Komponente des Kunststoffkäfigs ist in den Bereichen der Positionierung der Kugel durch Materialausdünnung anfälliger für mechanische Beanspruchung. Die Verstärkungsstruktur 6 stabilisiert diese mechanisch besonders beanspruchten Bereiche durch die Ausbildung des Hybridkugellagerkäfigs. Somit sind höhere Drehzahlen mit entsprechend höheren Fliehkräften und im Ergebnis höhere Massenströme im eingesetzten Spiralverdichter möglich, ohne die Dimensionen des Kugellagers oder des Kugellagerkäfigs 4 zu verändern.
Im Ausführungsbeispiel gemäß 1 ist ein einseitiger Kugellagerkäfig 4 gezeigt. Der obere Schnitt durch das Kugellager zeigt einen Bereich außerhalb der Kugel 3. Der Kunststoffkäfig des Kugellagerkäfigs 4 ist entgegengesetzt zum Schnitt durch die Verstärkungsstruktur 6 schraffiert. Der Bereich der Aufhängung 5 des Kunststoffkäfigs umgreift die Kugel 3 zur offenen rechten Seite des Kugellagers hin und hält und führt diese entsprechend.
Der untere Schnitt des Kugellagers zeigt den Querschnitt im Stegbereich des Kugellagerkäfigs 4. Die Kugel 3 ist in vollem Querschnitt dargestellt. Der Stegbereich ist an dieser Stelle mit der geringsten Materialstärke des Kunststoffes ausgestattet. In diesen Bereichen führt die Verstärkungsstruktur 6 aus Metall zu einer signifikanten Verbesserung der Festigkeits- und Belastbarkeitswerte des Kugellagerkäfigs 4 und somit zur Verbesserung des gesamten Kugellagers.
Die 2a, b, c zeigen jeweils einen Ausschnitt aus einem Kugellager mit besonderem Fokus auf die Ausgestaltung der Verstärkungsstruktur 6 innerhalb des Kugellagerkäfigs 4.
Alle Ausgestaltungen der 2a, 2b und 2c zeigen die Grundkomponenten des Kugellagers mit Außenring 1, Innenring 2 und dazwischen angeordneten Kugeln 3. Die einzelnen Ausgestaltungen unterscheiden sich durch die Art und Weise der Ausgestaltung der Verstärkungsstruktur 6.
2a zeigt zwei O-Profile, die ringförmig in der Art von Drahtringen als Vollprofile in den Kugellagerkäfig 4 integriert sind. Die O-Ringe der Verstärkungsstruktur 6 sind vollständig von dem Kunststoffmaterial des Kugellagerkäfigs 4 umgeben.
In 2b ist die konstruktive Besonderheit der Ausgestaltung der Verstärkungsstruktur 6 innerhalb des Kugellagerkäfigs 4 in der Form des X-Profils dargestellt. Das X-Profil ist im Querschnitt zwischen dem Außenring 1 und dem Innenring 2 angeordnet und vollständig von der Kunststoffmatrix des Kunststoffkäfigs umgeben. Mit dieser Ausgestaltung ist eine besondere Verwindungssteifheit gegeben.
2c zeigt ein I-Profil als Verstärkungsstruktur 6, welche vollständig von der Kunststoffmatrix des Kunststoffkugellagerkäfigs 4 aufgenommen ist. Auch das gezeigte I-Profil ist vollständig von der Kunststoffmatrix des Kunststoffkäfigs umgeben.
Bezugszeichenliste

1: Außenring
2: Innenring
3: Kugel
4: Kugellagerkäfig
5: Aufhängung
6: Verstärkungsstruktur

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 2932118 B1 [0005]
DE 3510467 A1 [0006]
DE 19951387 A1 [0007]

Claims

Kugellager für die Spirale eines Spiralverdichters mit einem Außenring (1), einem Innenring (2) und mehreren dazwischen angeordneten Kugeln (3), dadurch gekennzeichnet, dass die Kugeln (3) in einem Kugellagerkäfig (4) gehaltert und geführt sind, wobei der Kugellagerkäfig (4) als außengeführter Kunststoffkäfig mit einer Verstärkungsstruktur (6) aus Metall als Hybridkäfig ausgebildet ist.
Kugellager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungsstruktur (6) innerhalb des Kunststoffkäfigs angeordnet ist.
Kugellager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungsstruktur (6) außerhalb des Kunststoffkäfigs angeordnet und mit dem Kugellagerkäfig (4) fest verbunden ist.
Kugellager nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungsstruktur (6) als Einlage im Kunststoffkäfig des Kugellagerkäfigs (4) zur Verstärkung des Stegbereiches ausgeführt ist.
Kugellager nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungsstruktur (6) aus umlaufend geformten Ringen oder Drähten ausgebildet sind.
Kugellager nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungsstruktur (6) als umlaufend geformter Ring mit I-Profil ausgebildet ist.
Kugellager nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungsstruktur (6) als umlaufend geformter Ring mit H-Profil ausgebildet ist.
Kugellager nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungsstruktur (6) als umlaufend geformter Ring mit X-Profil ausgebildet ist.
Kugellager nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungsstruktur (6) als umlaufend geformter Ring mit L-Profil ausgebildet ist.
Kugellager nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungsstruktur (6) als umlaufend geformter Ring mit O-Profil ausgebildet ist.
Kugellager nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Kugellagerkäfig (4) aus Polyamidimid ausgebildet ist.
Kugellager nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Kugellagerkäfig (4) aus Polyetheretherketon ausgebildet ist.
Kugellager nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Kugellagerkäfig (4) aus Phenolharz mit feinmaschigem Baumwollgewebe ausgebildet ist.