DE102022102659A1 - Wälzlager - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein als Kugellager ausgebildetes Wälzlager (1), das in Radialrichtung zwischen einem Außenring (4) und einem Innenring (3) einen Käfig (5) umfasst, der ausgehend von einem Käfigring (6), in Axialrichtung radial nach innen versetzte und radial verschlankte Haltekrallen (9, 10) aufweist, welche Wälzkörpertaschen (8) zur drehbaren Aufnahme von Kugelwälzkörpern (7) bilden, wobei die Haltekrallen (9, 10) im statischen Zustand des Wälzlagers (1) einen geringeren Innendurchmesser (d2) aufweisen als den Durchmesser (d1) der Kugelwälzkörper (7) und ein Abschnitt der Wälzkörpertaschen (8) in Umlaufrichtung parallel zum Käfigring (6) verläuft und die Zwischenabschnitte (11) wechselseitige Aussparungen (a1, a2) aufweisen.

Description

• Gebiet der Erfindung
• Die Erfindung betrifft ein als Kugellager ausgebildetes Wälzlager mit Innenring und einem Außenring sowie einem Käfig mit Käfigring, von welchem axial einseitig radial verschlankte, radial nach innen versetzte, Haltekrallen ausgehen, welche zur drehbaren Aufnahme jeweils eines Kugelwälzkörpers vorgesehene Wälzkörpertaschen bilden und welche durch Zwischenabschnitte miteinander verbunden, wobei die Wälzkörpertaschen einen sphärisch geformten Abschnitt aufweisen, der Innendurchmesser der Haltekrallen im statischen Zustand geringer ist als der Durchmesser der Kugelwälzkörper und die Zwischenabschnitte in Axialrichtung wechselseitige Aussparungen aufweisen.
• Hintergrund der Erfindung
• Wälzlager mit Kugelwälzkörpern sind beispielsweise aus DE 10 2007 061 589 B4 bekannt, solche mit Käfig beispielsweise aus DE 11 2015 003 253 T5 .
• In WO 2021/ 177380 A 1 wird ein Kugellager mit einem Kugelschnappkäfig beschrieben, welcher radial verschlankte Zwischenabschnitte und Haltekrallen aufweist, wobei die Haltekrallen radial in Richtung des Innenrings versetzt sind. Die Wälzkörpertaschen weisen ein Plateau in Richtung des Außenrings auf. Dabei ist die axiale Dicke des Käfigs im Bereich der Wälzkörpertaschen größer als die axiale Dicke eines Wandabschnitts, der sich zwischen der axial äußeren Seitenfläche einer Haltekralle und der inneren Wandfläche eines Zwischenabschnittes befindet.
• Der in DE 201710115881 A1 dargelegte Käfig weist Schwächungen der Zwischenabschnitte in radialer Richtung auf. Das Material im Käfig wird reduziert, um eine Reduktion der Gesamtmasse sowie des Trägheitsmoments des Käfigs unter weitgehender Beibehaltung der mechanischen Stabilität des statischen Käfigs zu erzielen. Zudem können durch die Schwächung an den Zwischenabschnitten bei Fertigung des Käfigs im Spritzgussverfahren entstehende Materialanhäufungen vermieden werden, welche durch ungleichmäßiges Schrumpfungsverhalten zu geringerer Präzision des fertigen Käfigs führen können.
• Aufgabe der Erfindung
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein gegenüber dem Stand der Technik weiterentwickeltes, für höhere Drehzahlen geeignetes, Wälzlager anzugeben.
• Beschreibung der Erfindung
• Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Wälzlager, umfassend
• • einen um eine Rotationsachse radial angeordneten Innenring und einen dazu konzentrisch angeordneten Außenring sowie einen Käfig mit Käfigring, welcher Kugelwälzkörper mit einem Durchmesser drehbar gelagert in Wälzkörpertaschen führt,
• • wobei die Wälzkörpertaschen durch einseitig axial vom Käfigring ausgehende Haltekrallen gebildet werden und durch in Axialrichtung an den Käfigring anschließende, gleichmäßig zwischen den Wälzkörpertaschen in Umlaufrichtung verteilte, Zwischenabschnitte miteinander verbunden sind,
• • wobei die einen Innendurchmesser aufweisenden Haltekrallen radial verschlankt sind und, ausgehend von einer in Umfangsrichtung verlaufenden radialen Mittellinie des Käfigrings, radial in Richtung des Innenrings versetzt angeordnet sind, wobei der Innendurchmesser der Haltekrallen im zumindest annähernd statischen Zustand des Wälzlagers geringer ist als der Durchmesser der Kugelwälzkörper, wobei die Wälzkörpertaschen einen sphärisch geformten Abschnitt mit einem Durchmesser aufweisen und der Käfig an den Zwischenabschnitten axial, bezogen auf die Rotationsachse, wechselseitige Aussparungen in Umlaufrichtung aufweist.
• Das Wälzlager umfasst kugelförmige Wälzkörper mit einem Durchmesser, welche zwischen einem Lagerinnenring und einem Lageraußenring durch einen Käfig geführt werden und konzentrisch und parallel um eine Rotationsachse angeordnet sind. Der Käfig setzt sich zusammen aus einem Käfigring und davon in axialer Richtung ausgehenden Haltekrallen, welche axial einseitig offene Wälzkörpertaschen bilden. Der beschriebene Käfig kann auch als Kugelschnappkäfig bezeichnet werden. Zwischen jeweils zwei in Umlaufrichtung, also in Richtung des Umfangs des Wälzlagers, benachbarten Wälzkörpertaschen sind die Haltekrallen durch in Axialrichtung an den Käfigring anschließende, Zwischenabschnitte miteinander verbunden, welche gleichmäßig in Umlaufrichtung verteilt sind. Dabei bilden die Haltekrallen eine Bogenform und sind paarweise einander zugeneigt, wobei die Haltekrallen einen Innendurchmesser aufweisen. Die Haltekrallen sind geschwächt. Sie weisen in radiale Richtung, bezogen auf die Rotationsachse, eine geringere Breite auf als der Käfigring in diesem Bereich. Darüber hinaus befinden sich die Haltekrallen nicht radial zentriert, bezogen auf den Käfigring, sondern sind radial, bezogen auf die Rotationsachse, in Richtung des Innenrings des Wälzlagers versetzt positioniert. Die Haltkrallen befinden sich demnach näher an der Begrenzung des Käfigrings, an welcher der Innendurchmesser des Käfigrings anliegt, als an der Begrenzung des Käfigrings, an welcher der Außendurchmesser anliegt.
• Wälzlager sind im Hochgeschwindigkeitsbetrieb enormen Belastungen ausgesetzt. Zum einen handelt es sich dabei, wie bei herkömmlichen Lagern, um Spannungen, welche durch die Dynamik des Lagers im Betrieb verursacht werden. Durch einen im Betrieb auftretenden Vorlauf und Nachlauf der Wälzkörper wird der Käfig stark gedehnt, eine übermäßig starke Belastung des Käfigs im Käfigrücken stellt sich ein und führt dort zu Spannungserhöhungen. Mit zunehmender Drehzahl des Lagers skalieren solche Effekte und können zu Käfigbruch und Lagerausfall führen. Zum anderen verursacht, bedingt durch die enorm hohen Geschwindigkeiten im Hochdrehzahlbetrieb, die Fliehkraft große Spannungen im Lager. Dabei fällt die Masse der Lagerkomponenten ins Gewicht. Die Eigenmasse der Haltekrallen führt im Betrieb dazu, dass diese aufweiten und so der Käfig deformiert. Dies resultiert in Spannungen, welche sich im Käfigrücken konzentrieren und wiederum bei Spannungsüberhöhung zum Käfigbruch im Taschenrücken führen können. Die Aufweitung der Haltekrallen hat zudem zur Folge, dass die Kugelwälzkörper nicht mehr flächig in den Wälzkörpertaschen liegen, wodurch die stabile Führung der Wälzkörper durch den Käfig negativ beeinträchtigt wird, weitere Spannungen im Käfig auf Grund der Lagerdynamik generiert werden und die Lagerperformance abnimmt. Zusätzlich zum Käfig wirkt sich die fliehkraftbedingte Deformation des Käfigs auf den Au-ßenring des Lagers aus. Durch die Aufweitung der Krallen schiebt sich der Käfigring, insbesondere im Krallenbereich, radial nach außen, sodass sich die Kante, an welcher der Außendurchmesser des Käfigrings anliegt, in den Außenring eingräbt. Dies führt zu erhöhter Reibung und folglich auch zu einer Temperaturerhöhung im Lager, welche wiederum zu Verschleiß und Lagerausfall führt.
• Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, dass zur Erhöhung der maximalen Drehzahl in einem Wälzlager für Hochdrehzahlanwendungen zum einen Spannungskonzentrationen im Taschengrund vorzubeugen ist und zum anderen das Gesamtspannungsniveau im Käfig gering und homogen verteilt zuhalten ist. Eine bloße Materialreduktion, beispielsweise im Bereich der Haltekrallen und der Zwischenabschnitte, kann diesen Effekt nicht hervorrufen - auch nicht in Kombination mit radial versetzten Haltekrallen wie in WO 2021/ 177380 A 1 dargestellt. Denn dem liegt der Ansatz zu Grunde, die Auswirkung der Fliehkraft auf die Käfigkomponenten, welche signifikant von ihr betroffen sind, zu reduzieren - indem Masse genommen oder Masse versetzt wird. Dabei bleibt die maximal erreichbare Lagerdrehzahl durch die Masse der Lagerkomponenten beschränkt. Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass ein zielführender Ansatz darin besteht, fliehkraftbedingte Effekte, welche im Betrieb auftreten, vorauszusehen und das Wälzlager im Vorfeld so zu konzipieren, dass es mit diesen Effekten unter geringen und homogen verteilten Spannungen stabil, langlebig und mit hoher Performance läuft. Um nun zu gewährleisten, dass die Kugelwälzkörper bei hoher Drehzahl an den Innenflächen der Wälzkörpertaschen flächig anliegen und durch den Käfig stabil geführt werden, müssen sowohl der Taschengrund als auch die Haltekrallen im Vorfeld so ausgelegt werden, dass sie die Wälzkörper bei hoher Drehzahl stabil führen können. Im statischen oder nahezu statischen Zustand befindet sich das Lager dagegen nur vergleichsweise kurz, daher müssen die Käfigparameter insbesondere für den Hochdrehzahlbetrieb ausgelegt werden. Da die Haltekrallen im Betrieb durch die Fliehkraft aufweiten, muss demnach deren Innendurchmesser im laufenden Betrieb an den Durchmesser der Kugelwälzkörper angepasst sein. Dies bedeutet wiederum, dass der Innendurchmesser im statischen oder nahezu statischen Zustand des Wälzlagers geringer sein muss als der Durchmesser der Kugelwälzkörper, sodass der Kugelwälzkörper in diesem Zustand noch nicht voll flächig an den Haltekrallen anliegt, sondern beispielsweise nur an der dem Wälzkörper zugewandten Kanten der Haltekrallen, welche auf der Seite des Außenrings liegen. Analysen haben dabei gezeigt, dass diese vorübergehende Form des Kontaktes zwischen Haltekralle und Wälzkörper zu keinerlei erhöhten Kontaktkräften führt und damit keinerlei negative Auswirkung auf das Wälzlager zur Folge haben. Wie zuvor ausgewiesen muss neben den Haltekrallen auch der Taschengrund entsprechend ausgelegt werden, um den Wälzkörper über den statischen und nahezu statischen Zustand bis hin zum Lauf bei hoher Drehzahl zuverlässig aufzunehmen. Der Erfindung liegt die Erkenntnis zu Grunde, dass dazu eine Aufteilung des Taschengrundes in Abschnitte erforderlich ist - ähnlich der Bewegungsabschnitte im eingesetzten Lager: Vom statischen oder nahezu statischen Zustand hin zum Hochdrehzahlbetrieb. Für den statischen und nahezu statischen Zustand weist der Taschengrund einen Flächenabschnitt auf, welchem ein weiterer Flächenabschnitt folgt. Dazwischen kann sich ein Übergangsabschnitt befinden, welcher beispielsweise zylindrisch geformt sein kann. Der weitere Flächenabschnitt weist eine sphärische Form auf, welche auf der dem Wälzkörper zugewandten Seite konkav ausgestaltet ist, also die Form einer hohlen Kugelkalotte aufweist. Dabei ist der Durchmesser des sphärisch gestalteten Flächenabschnitts so ausgelegt, dass er im Hochdrehzahlbetrieb flächigen Kontakt zum Wälzkörper aufweist. Mit zunehmender Geschwindigkeit des drehenden Lagers wandert der Kugelwälzkörper aus dem Flächenabschnitt im nahezu statischen Zustand hinein in den sphärisch geformten Flächenabschnitt am Taschengrund.
• Ist der konstante Hochdrehzahlbetrieb erreicht liegt der Wälzkörper voll flächig im Taschengrund und an den Haltekrallen an. Auf diese Weise wird eine Konzentration von fliehkraftbedingten Spannungen im Taschengrund vermieden. Dies allein genügt jedoch nicht um die Dauerfestigkeit eines Wälzlagers für Hochdrehzahlanwendungen zu gewährleisten. Vielmehr müssen, wie eingangs angeführt, in Kombination dazu Spannungen, welche durch die Dynamik im Lager entstehen, reduziert werden. Wie eingangs dargelegt kann es unter hochdynamischen Betriebsbedingungen zu hohen Spannungen und damit zu starker Deformation des Käfigs kommen. Der Erfindung liegt die Erkenntnis zu Grunde, dass die aus diesen dynamischen Zuständen resultierenden Spannungen zur Vermeidung von Spannungserhöhungen im Käfig abzuführen sind, ohne den Käfig zu schädigen. Die Erfindung geht davon aus, dass dies durch eine gezielt einstellbare Flexibilität des Käfigs realisierbar ist. Um die auftretenden Spannungen abführen zu können, ist eine einstellbare elastische Verformung des Käfigs erforderlich, also ein dynamisches Käfigverhalten. Dazu muss der Käfig im Vorfeld so ausgelegt werden, dass die elastischen Verformungen an den dafür vorgesehen Stellen auftreten und nicht zufällig. Der Erfindung liegt die Erkenntnis zu Grunde, dass hierfür wechselseitige Aussparungen an den Zwischenabschnitten in axialer Richtung, bezogen auf die Rotationsachse, zielführend sind. Dabei befindet sich eine Aussparung am Käfigringrücken auf der Käfigseite, von welcher die Haltekrallen ausgehen. Eine andere Aussparung befindet sich auf der dieser Seite in Radialrichtung gegenüberliegenden Seite des Käfigrings und dort an der Stirnseite. Im Betrieb drückt der Wälzkörper in tangentialer Richtung auf eine der beiden Haltekrallen. Ein Teil der daraus resultierenden Spannungen soll über die Kralle aufgenommen werden und verbleibt in der Wälzkörpertasche, ein Teil der Spannungen soll sich in den übrigen Käfig verlagern. Die rückenseitige Aussparung erzeugt nun ein Drehgelenk, welches dazu dient, dass die Kralle als Ganzes einfedern kann. So wird vermieden, dass sich Spannungen im Taschenbereich oder am Zwischenabschnitt konzentrieren, sondern in Form von kontrollierter, elastischer Deformation abgeführt werden. Die Aussparung an der Stirnseite des Zwischenabschnitts ist gegenläufig zur Aussparung an der Rückseite und dient der Vermeidung übermäßige Käfigtorsionen und zur Stabilisierung des Käfigs. Demnach lassen die wechselseitigen Aussparungen an den Zwischenabschnitten ein Einfedern des Käfigs bei gleichzeitiger Stabilisierung bei hoher Lagerdynamik im Betrieb zu. Gemeinsam mit der Auslegung der Haltekrallen und des Taschengrunds, welche sich ebenfalls am laufenden Betrieb und nicht am statischen Zustand orientieren, kann das Gesamtspannungsniveau auf einen gering und homogen belasteten Käfig reduziert werden. Anstelle eines einzigen Spannungsmaximum ergeben sich dadurch mehrere, lokale Spannungsmaxima auf geringerem Niveau, welche sich auf den Taschengrund, den Taschenrücken und die Zwischenabschnitte homogen verteilen, sodass damit die Dauerfestigkeit und Performance des Lagers im Hochdrehzahlbetrieb sichergestellt werden kann. Selbst bei perspektivischer weiterer Reduktion der Masse von Lagerkomponenten kann dieser Lösungsansatz die maximal zu erreichende Lagerdrehzahl steigern. Damit trägt die Erfindung zu gegenüber dem Stand der Technik verbesserten Lagereigenschaften bei.
• In einer weiteren Ausführungsform weist das Wälzlager Wälzkörpertaschen auf, welche jeweils einen weiteren sphärisch geformten Abschnitt aufweisen, dessen Durchmesser vom Durchmesser des ersten sphärischen Abschnitts abweicht. Bevorzugtermaßen weist das Wälzlager Wälzkörpertaschen auf, welche neben dem ersten sphärisch geformten Abschnitt mit einem Durchmesser einen weiteren sphärisch geformten Abschnitt mit einem zweiten Durchmesser aufweisen. Dabei weicht der Durchmesser des weiteren sphärisch geformten Abschnitts vom Durchmesser des ersten sphärischen Abschnitts ab und ist so ausgelegt, dass der Taschengrund im statischen und nahezu statischen Zustand den Wälzkörper flächig kontaktiert. Erhöht sich die Drehgeschwindigkeit des Lagers, gleitet der Kugelwälzkörper weiter den Taschenbereich, welcher den ersten sphärisch geformten Abschnitt aufweist und für den Hochdrehzahlbetrieb ausgelegt ist. Zwischen den sphärisch geformten Abschnitten kann sich eine Übergangszone befinden, welche beispielsweise zylindrisch ausgeführt sein kann. Durch die unterschiedlichen Abschnitte in der Wälzkörpertasche wird sichergestellt, dass der Wälzkörper sowohl im statischen und nahezu statischen Zustand als auch während eines Übergangs bis hin zum Hochdrehzahlbetrieb flächig in der Wälzkörpertasche anliegen kann.
• Vorzugsweise weisen die Wälzkörpertaschen des Wälzlagers einen Flächenabschnitt auf, welcher in Umlaufrichtung parallel zum Rücken des Käfigrings verläuft. Bevorzugtermaßen weisen die Wälzkörpertaschen des Wälzlagers ein Plateau auf, welches parallel in Umlaufrichtung zum Käfigringrücken verläuft. Fliehkraftbedingt kann der Kugelwälzkörper im Betrieb radial-axial, bezogen auf die Rotationsachse, auf die Kalottenform im Taschengrund der Wälzkörpertasche, also des sphärischen Abschnitts in der Wälzkörpertasche, drücken. Dabei entstehen Kräfte, die zu einen zu Spannungen im Taschengrund führen, und sich zu den dort bereits vorhandenen Spannungen aufaddieren. Zum anderen führen diese Kräfte zu Spannungen und können letztlich zur Folge haben, dass der Käfig axial aus den Lagerringen gedrängt wird. Um diesen Effekten vorzubeugen, weisen die Wälzkörpertaschen bevorzugtermaßen im Taschengrund in radialer Richtung, bezogen auf die Rotationsachse, an der dem Außenring oder dem Innenring oder beiden zugewandten Seiten Plateaus auf. Die Wälzkörpertaschen können also ein oder beidseitig einen ebenen Flächenabschnitt aufweisen. Dabei können beidseitige Plateaus dieselbe Höhe in axialer Richtung aufweisen oder unterschiedliche Höhen haben. Darüber hinaus können die Wälzkörpertaschen auch weitere Flächenabschnitte neben dem Flächenabschnitt, welcher parallel zum Rücken des Käfigrings verläuft, aufweisen, welche eine Steigung in beliebige Richtung bilden. Durch diese ebenen Flächenabschnitte werden die Spannungsspitzen aus dem Taschengrund ausgeleitet und verteilt, sodass die Wälzkörpertaschen damit belastbarer werden. Auch dem Herauswandern des Käfigs aus den Lagerringen wird durch das Einbringen der Plateaus vorgebeugt.
• In einer weiteren Ausführungsform des Wälzlagers weist der Käfig im Bereich der Zwischenabschnitte zumindest annähernd die gleiche axiale Dicke, bezogen auf die Rotationsachse, auf wie im Bereich der Wälzkörpertaschen. Bevorzugtermaßen ist der Käfig im Bereich der Wälzkörpertaschen in axialer Richtung in etwa so dick wie im Bereich der Zwischenabschnitte ausgelegt. Eine wesentliche Schwankung in der axialen Käfigdicke birgt das Potenzial, Spannungskonzentrationen im Käfig an axial schmalen Abschnitten zu verursachen und damit den Käfig anfällig für Deformationen außerhalb der vorgesehenen Bereiche und damit für einen Käfigbruch werden zu lassen.
• In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Wälzlagers weist der Käfigring im Bereich der Zwischenabschnitte eine auf die Rotationsachse bezogene radiale, in Umlaufrichtung verlaufende, Aussparung auf. Bevorzugtermaßen gleicht eine in Umfangsrichtung verlaufende radiale Mittellinie der Aussparung der in Umfangsrichtung verlaufenden radialen Mittellinie des Käfigrings. Bevorzugtermaßen sind die Zwischenabschnitte des Wälzlagerkäfigs durchbrochen. Diese Durchbrechung oder Aussparung ist in radialer Richtung, bezogen auf die Rotationsachse, ausgerichtet und verläuft in Umlaufrichtung. Dabei kann es sich grundsätzlich um eine durchgängige Aussparung im Bereich des Zwischenabschnitts handeln oder um mehrere Durchbrüche oder Löcher. Diese können neben Massereduktion eine weitere gezielte Einfederung im Bereich der Zwischenabschnitte realisieren. In einer vorteilhaften Variante fällt eine in Umfangsrichtung an den Zwischenabschnitten verlaufende radiale Mittellinie der Aussparung mit der radialen Mittellinie des Käfigrings zusammen. Die Aussparung würde in diesem Fall also radial mittig im Zwischenabschnitt positioniert sein oder verlaufen. In einer weiteren vorteilhaften Variante teilt die Aussparung den Käfigring im Bereich der Zwischenabschnitte in Stege. In einer vorteilhaften Ausführung folgt die Aussparung an einem der Stege in ihrer Kontur der Kontur der Wälzkörpertasche. Bevorzugtermaßen teilt die radial in Umlaufrichtung verlaufende Aussparung die Zwischenabschnitte in Stege. Beispielsweise würde eine mittige Aussparung an je einem Zwischenabschnitt dazu führen, dass zwei Stege des Käfigrings an je einem Zwischenabschnitt verbleiben. Bevorzugtermaßen ist die axiale Aussparung im Bereich der Zwischenabschnitte, welche an der Seite des Käfigringrückens auftritt, dergestalt, dass sich die Kontur der Aussparung an einem der Stege an der spezifisch gekrümmten Form einer Wälzkörpertasche orientiert.
• In einer weiteren vorteilhaften Ausführung des Wälzlagers weist der Außenring eine radiale, bezogen auf die Rotationsachse, umlaufende Aussparung auf, welche einen Teil des Käfigrings aufnimmt. Vorzugsweise weist der Außenring an seiner radialen Innenseite eine umlaufende Vertiefung, beispielsweise eine Kerbe oder Rille auf. Hier kann der radial, bezogen auf die Rotationsachse, außenliegende Bereich des Käfigs im Betrieb eintauchen.
• In einer weiteren vorteilhaften Ausführung des Wälzlagers weist der Käfig im Bereich der Zwischenabschnitte eine Auswerferfläche für eine Entformung aus einem Spritzgusswerkzeug auf. Bevorzugtermaßen ist im Bereich der Zwischenabschnitte ein Flächenabschnitt vorgesehen, welcher zum Ausstoß des Käfigs bei der Entformung aus einem Spritzgusswerkzeug dient. Dieser Flächenabschnitt zum Ausstoß wird auch als Ausstoßfläche bezeichnet und kann kreisförmig sein und von einem Zwischenabschnitt eingefasst oder auch aus diesem herausragen. Durch die vorgesehene Ausstoßfläche wird ein schonender Auswurf des Käfigs aus einem Spritzgusswerkzeug realisiert und das Einbringen von Spannungen oder Deformationen, welche eine Schädigung des Käfigs als direkte oder indirekte Folge haben, wird unterbunden.
• Figurenliste
• Das erfindungsgemäß ausgebildete Kugelwälzlager wird nachfolgend in mehreren bevorzugten Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Dabei zeigen:
• 1 eine axiale Draufsicht auf das Wälzlager mit einer Ausführungsform des Wälzlagers gemäß der Erfindung;
• 2 eine Draufsicht aus axialer Richtung auf den Käfig des Wälzlagers;
• 3 eine perspektivische Ansicht aus axialer Richtung auf eine Wälzkörpertasche des Wälzlagers;
• 4 eine perspektivische Ansicht aus axialer Richtung auf einen Abschnitt des Käfigringrückens des Wälzlagers.
• Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
• 1 zeigt eine axiale Draufsicht auf ein als Kugellager ausgebildetes Wälzlager 1, das sich aus einem um eine Rotationsachse 2 angeordneten Innenring 3 und einem dazu konzentrisch angeordneten Außenring 4 größeren Durchmessers zusammensetzt. Zwischen dem Innenring 3 und dem Außenring 4 befindet sich ein Käfig 5, welcher Haltekrallen 9, 10 aufweist, welche sich axial an einen Käfigring 6 anschließen und in Axialrichtung einseitig offen sind. Je ein Kugelwälzkörper 7 ist durch je zwei zueinander hin gekrümmte, in Umfangsrichtung benachbarte, Haltekrallen 9, 10 in einer schalenförmigen Wälzkörpertasche 8 aufgenommen. Die Haltekrallen 9, 10 sind auf dem Kreisring 6 radial nach innen, also in Richtung des Innenrings 3, versetzt angeordnet und weisen im statischen und nahezu statischen Zustand des Wälzlagers 1 den Innendurchmesser d₂ auf. Die Wälzkörpertaschen 8 sind in Umlaufrichtung gleichmäßig verteilt und werden durch sich axial in Umlaufrichtung anschließende Zwischenabschnitte 11 miteinander verbunden. Die Kugelwälzkörper 7 weisen einen Durchmesser d₁ auf und sind zwischen dem Innenring 3 und dem Außenring 4 im Käfig 5 drehbar gelagert. Der Käfig 5 trennt benachbarte Kugelwälzkörper 7 durch die Zwischenabschnitte 11 räumlich voneinander und führt sie gleichmäßig zwischen dem Innenring 3 und dem Außenring 4. Der Käfigring 6 weist im Bereich der Zwischenabschnitte 11 je eine radiale Aussparung 16 in Umlaufrichtung auf, welche die Zwischenabschnitte 11 in einen ersten Steg 18 und einen zweiten Steg 19 teilt. Der erste Steg 18 weist eine zusätzliche Kreisfläche auf, welche teilweise den Steg 18 integriert ist und eine Auswerferfläche 22 bildet. In axialer Richtung weisen die Zwischenabschnitte 11 wechselseitige Aussparungen a₁ und a₂ auf. Dabei resultiert a₁ in einer Aussparung am Rücken des Käfigrings 6 und a₂ in einer Aussparung an der den Kugelwälzkörpern 7 zugewandten Seite.
• Gemäß 1 zeigt 2 eine axiale Draufsicht auf den zum Wälzlager 1 zugehörigen Käfig 5. Der Käfig 5 weist einen kreisförmigen, um eine Rotationsachse 2 angeordneten, eine radiale Mittellinie 12 aufweisenden, Käfigring 6 auf, von welchem in Axialrichtung Paare an zu einander gekrümmten Haltekrallen 9, 10 ausgehen. Die Haltekrallen 9, 10 weisen einen Innendurchmesser d₂ auf, sind gleichmäßig in Umlaufrichtung verteilt und bilden Wälzkörpertaschen 8, welche Kugelwälzkörper 7 mit einem Durchmesser d₁ drehbar lagern. Die Wälzkörpertaschen 8 sind in Umlaufrichtung durch Zwischenabschnitte 11 miteinander verbunden. Die Haltekrallen 9, 10 sind nicht radial mittig auf dem Kreisring 6 positioniert, sondern sind, ausgehend von der radialen Mittellinie 12 des Käfigrings 6, radial nach innen, also in Richtung der Rotationsachse 2, versetzt. Die Wälzkörpertaschen 8 weisen voneinander verschiedene Flächenabschnitte auf. Von radial innen nach radial außen reihen sich ein erster ebener Flächenabschnitt 15, ein erster sphärisch geformter Abschnitt 13 mit einem Durchmesser d₃, ein zweiter sphärisch geformter Abschnitt 14 mit einem Durchmesser d₄ und ein zweiter ebener Flächenabschnitt 23 aneinander. Der Käfigring 6 weist im Bereich der Zwischenabschnitte 11 je eine radiale Aussparung 16 in Umlaufrichtung auf, welche die Zwischenabschnitte 11 radial in einen ersten Steg 18 und einen zweiten Steg 19 teilt. Der erste Steg 18 weist eine zylinderförmige Teilgeometrie auf, welche überwiegend in den Steg 18 integriert ist und eine Auswerferfläche 22 aufweist. Der zweite Steg 19 weist eine axiale Aussparung a₂ in Umlaufrichtung an der Stirnseite des Käfigrings 6 auf, also an der Seite des Käfigrings 6, von welcher axial die Haltekrallen 9, 10 ausgehen. Der vorliegenden Käfig 5 weist also Haltekrallen 9, 10 auf, deren Innendurchmesser d₂ kleiner ist als der Durchmesser d₁ der Kugelwälzkörper 7. Zudem sind die Wälzkörpertaschen 8 nicht durchgängig zylinderförmig, sondern weisen unterschiedliche Flächenabschnitte auf. Der Käfig 5 ist so ausgelegt, dass die Käfigparameter im Hochdrehzahlbetrieb eine hohe Dauerfestigkeit und Lagerperformance realisieren. Die statischen und nahezu statischen Lagerzustände sind dem untergeordnet, da sie lediglich von vergleichsweise kurzer Dauer sind und geringerer Belastung ausgesetzt. Vor Betriebszustand liegen die Kugelwälzkörper 7 in einem sphärisch geformten Abschnitt 14 im Taschengrund 24 der Wälzkörpertaschen 8, welcher für den statischen und nahezu statischen Zustand ausgelegt ist und den Durchmesser d₄ aufweist. Aufgrund des geringeren Innendurchmessers d₂ der Haltekrallen 9, 10 liegen die Kugelwälzkörper 7 mit dem Durchmesser d₁ nicht vollflächig an den Haltekrallen 9, 10 an, sondern haben lediglich Kontakt zu den Kanten der Haltekrallen 9, 10. Mit zunehmender Drehzahl weitet die Fliehkraft die Haltekrallen 9, 10 auf und führt zudem zu einer leichten Torsion der Haltekrallen 9, 10, wobei die Kugelwälzkörper 7 innerhalb der Wälzkörpertaschen 8 wandern. Dies geht so lange von statten bis eine konstante Betriebsgeschwindigkeit erreicht ist. Inzwischen sind die Kugelwälzkörper 7 in den anderen sphärisch geformten Abschnitt 13 mit dem Durchmesser d3 geglitten, welcher für den Hochdrehzahlbetrieb ausgelegt ist. Nun liegen die Kugelwälzkörper 7 vollflächig im Taschengrund 24 der Wälzkörpertaschen 8 an und werden flächig von den Haltekrallen 9, 10 umschlossen. Auf diesen Zustand des Hochdrehzahlbetriebs sind die Käfigparameter im Vorfeld ausgelegt. Die Auslegung des Käfigrings 6 mit Stegen 18, 19 an den Zwischenabschnitten 11 unterstützt dabei eine gezielte Einfederung der Zwischenabschnitte 11 bei Aufweitung der Haltekrallen 9, 10 im Betrieb. Die axiale Aussparung a₂ am Käfigring 6 gewährleistet eine Homogenisierung der auftretenden Spannungen bei gleichzeitiger Stabilisierung des Käfigs 5. Durch die Aussparung a₂ wird ein Teil der im Betrieb auftretenden Spannungen aus der stark belasteten Wälzkörpertasche 8 in den Zwischenabschnitt 11 geleitet. Die Aufweitung der Haltekrallen 9, 10 durch die Fliehkraft wird durch diese Ausgestaltung ermöglicht, ohne dass es zu plastischer Deformation des Käfigs 5 kommt oder gar zum Käfigbruch. Die ebenen Flächenabschnitte 15 und 23 verhindern, dass der Kugelwälzkörper 7 fliehkraftbedingt radial-axial gegen den Käfig 5 drückt, was zu Spannungskonzentrationen im Taschengrund führt sowie ein axiales Herausschieben des Käfigs 5 aus dem Innenring 3 und/ oder dem Außenring 4 durch die Kugelwälzkörper 7 zur Folge haben kann. Dem hier gezeigten Käfig 5 liegt das Herstellungsverfahren des Spritzgusses zu Grunde. Die eigens hierfür konzipierten Auswerferflächen 22 dienen einer schonenden Entformung des Käfigs 5, sodass ein Einbringen von Vorspannungen in den Käfig 5 bis hin zu Schädigung oder Bruch des Käfigs 5 vermieden werden kann. So kann durch das spannungsreduzierte Wälzlager 1 im Hochdrehzahlbetrieb eine hohe Dauerfestigkeit und Lagerperformance gewährleistet werden.
• 3 stellt eine perspektivische axiale Draufsicht auf einen Abschnitt des Käfigs 5 mit einer Wälzkörpertasche 8 dar. Ausgehend von der Stirnseite des Käfigrings 6 ragt ein Paar zueinander gekrümmter Haltekrallen 9, 10 in axiale Richtung empor und bildet eine Wälzkörpertasche 8 mit Taschengrund 24. Die Haltekrallen 9, 10 sind radial, bezogen auf die Rotationsachse 2, nach innen versetzt. Die Wälzkörpertasche 8 mit Taschengrund 24 weist voneinander verschiedene Flächenabschnitte auf. Von radial innen nach radial außen reihen sich ein ebener Flächenabschnitt 15, ein erster sphärisch geformter Abschnitt 13 mit einem Durchmesser d₃, ein zweiter sphärisch geformter Abschnitt 14 mit einem Durchmesser d₄ und ein zweiter ebener Flächenabschnitt 23 aneinander. Dabei ist die Wälzkörpertasche 8 so gestaltet, dass sie sowohl dem statischen und nahezu statischen Zustand des Wälzlagers 1 als auch dem Zustand im Hochdrehzahlbetrieb durch die verschiedenen Durchmesser d₃ und d₄ der sphärisch geformten Abschnitte 13 und 14 Rechnung trägt. Durch die ebenen Flächenabschnitte 15 und 23, welche radial innen und außen an die sphärisch geformten Abschnitte 13, 14 angrenzen, werden Spannungsspitzen im Taschengrund 24 durch eine Spannungsverteilung vermieden. Scharfkantige Endabschnitte in den Wälzkörpertaschen 8, welche sich im Hochdrehzahlbetrieb in Wechselwirkung mit dem Kugelwälzkörper 7 durch erhöhte Reibung, Wärmeentwicklung und Verschleiß auswirken können, werden durch die Plateaus gebrochen. Die Plateaus ersetzen die bogenförmigen Flächenabschnitte, welche die Wälzkörpertaschen 8 bei der hier vorhandenen hohlen Kugelkalottenform der Wälzkörpertasche 8 radial innen und außen aufweisen würden. Die Form der hohlen Kugelkalotte in den Randbereichen der Wälzkörpertaschen 8 hätte den Effekt, dass die Kugelwälzkörper 7 im Betrieb Kräfte auf die bogenförmigen Flächenabschnitte ausüben. Dies kann dazu führen, dass der Käfig 5 axial aus dem Innenring 3 und/ oder dem Außenring 4 wandert.
• 4 zeigt eine perspektivische axiale Ansicht eines Abschnitts des Rückens des Käfigs 5. Der Abschnitt weist zwei Wälzkörpertaschen 8 mit je einem Paar zueinander gekrümmter Haltekrallen 9, 10 mit einem Innendurchmesser d₂ im statischen und nahezu statischen Zustand auf. Die Wälzkörpertaschen 8 sind durch einen Zwischenabschnitt 11 miteinander verbunden, welcher eine radiale Aussparung 16 in Umlaufrichtung am Käfigring 6 mit einer radialen Mittellinie 17 aufweist. Die radiale Mittellinie 17 der radialen Aussparung 16 teilt den Zwischenabschnitt 11 in einen ersten Steg 18 und einen zweiten Steg 19. Der erste Steg 18 weist eine axiale Aussparung a₁ in Umlaufrichtung auf, deren Kontur 20 sich an der Kontur der benachbarten Wälzkörpertaschen 8 orientiert. Der zweite Steg 19 weist eine axiale Aussparung a₂ an der Stirnseite des Käfigrings 6 in Umlaufrichtung auf. Dabei ermöglichen die axialen Aussparungen a₁ und a₂ in den Zwischenabschnitten 11, dass Spannungen, welche im Betrieb durch das fliehkraftbedingte Aufweiten der Haltkrallen 9, 10 in den Wälzkörpertaschen 8 entstehen, zum Teil in die Zwischenabschnitte 11 abgeführt werden können und das Spannungsniveau im Käfig 5 homogenisiert wird. Die Aussparung a₁ unterstützt das Abführen der eingebrachten Spannungen in Form von elastischer Deformation. Dazu erzeugt die Aussparung a₁ in Umlaufrichtung an jeweils einer Seite eines Paares an Haltekrallen 9, 10 ein Drehgelenk. Die Drehgelenke an den Paaren an Haltekrallen 9, 10 ermöglichen, dass der Käfig 5 gezielt einfedert und so Spannungen in Form von elastischer Deformation abgeführt werden. Der verbleibende Zwischenabschnitt 11 hat nun die Aufgabe, den Käfigring 6 zu stabilisieren und eine übermäßige Torsion des Käfigs 5 verhindern, ohne dabei durch eine hohe axiale Dicke einer Homogenisierung der Spannungszustände im Käfig 5 entgegenzuwirken. Weist der verbleibende Teil des Zwischenabschnitts 11 eine hohe axiale Dicke auf, verbleiben die auftretenden Spannungen in der Wälzkörpertasche 8 oder werden lediglich an die Seite des Zwischenabschnitts 11 mit der axialen Aussparung a₁ abgeführt, was in beiden Fällen zu einer lokalen Spannungsüberhöhung bis hin zum Käfigbruch führen kann. Die zweite axiale Aussparung a₂, welche sich an der Stirnseite des Käfigrings 6 befindet, wirkt dem entgegen. Die gegenläufige Richtung der Aussparung a₁, a₂ stabilisiert den Käfig 5 und reduziert Torsionen, während die Reduktion der axialen Dicke an dieser Seite des Zwischenabschnitts 11 eine Homogenisierung des Spannungszustands im Käfig 5 ermöglicht. Damit führen die wechselseitigen Aussparungen a₁, a₂ zu einem anteiligen Ausleitung von Spannungen aus den Wälzkörpertaschen 8 und halten durch eine homogene Verteilung von dadurch niedrigeren Spannungsmaxima auf die Zwischenabschnitte 11 das Gesamtspannungsniveau des Käfigs 5 gering.
• Bezugszeichenliste

1

Wälzlager

2

Rotationsachse

3

Innenring

4

Außenring

5

Käfig

6

Käfigring

7

Kugelwälzkörper

8

Wälzkörpertasche

9

erste Haltekralle

10

zweite Haltekralle

11

Zwischenabschnitt

12

radiale Mittellinie des Käfigrings

13

erster sphärisch geformter Abschnitt

14

zweiter sphärisch geformter Abschnitt

15

erster ebener Flächenabschnitt

16

Aussparung am Käfigring

17

radiale Mittellinie der Aussparung am Käfigring

18

erster Steg

19

zweiter Steg

20

Kontur am ersten Steg

21

Aussparung am Außenring

22

Auswerferfläche

23

zweiter ebener Flächenabschnitt

24

Taschengrund

a1

erste axiale Aussparung am Zwischenabschnitt

a2

zweite axiale Aussparung am Zwischenabschnitt

d1

Durchmesser der Kugelwälzkörper

d2

Innendurchmesser der Haltekrallen

d3

Durchmesser des ersten sphärisch geformten Abschnitts

d4

Durchmesser des zweiten sphärisch geformten Abschnitts

• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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• Zitierte Patentliteratur
• DE 102007061589 B4 [0002]
• DE 112015003253 T5 [0002]
• DE 201710115881 A1 [0004]

Claims (10)

1. Wälzlager (1) umfassend • einen um eine Rotationsachse (2) radial angeordneten Innenring (3) und einen dazu konzentrisch angeordneten Außenring (4) sowie einen Käfig (5) mit Käfigring (6), welcher Kugelwälzkörper (7) mit einem Durchmesser (d₁) drehbar gelagert in Wälzkörpertaschen (8) führt, • wobei die Wälzkörpertaschen (8) durch einseitig axial vom Käfigring (6) ausgehende Haltekrallen (9, 10) gebildet werden und durch in Axialrichtung an den Käfigring (6) anschließende, gleichmäßig zwischen den Wälzkörpertaschen (8) in Umlaufrichtung verteilte, Zwischenabschnitte (11) miteinander verbunden sind, • wobei die einen Innendurchmesser (d₂) aufweisenden Haltekrallen (9, 10) radial verschlankt sind und, ausgehend von einer in Umfangsrichtung verlaufenden radialen Mittellinie (12) des Käfigrings (6), radial in Richtung des Innenrings (3) versetzt angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Innendurchmesser (d₂) der Haltekrallen (9, 10) im zumindest annähernd statischen Zustand des Wälzlagers (1) geringer ist als der Durchmesser (d₁) der Kugelwälzkörper (7), wobei die Wälzkörpertaschen (8) einen sphärisch geformten Abschnitt (13) mit einem Durchmesser (d₃) aufweisen und der Käfig (5) an den Zwischenabschnitten (11) axial, bezogen auf die Rotationsachse (2), wechselseitige Aussparungen (a₁, a₂) in Umlaufrichtung aufweist.
2. Wälzlager (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wälzkörpertaschen (8) jeweils einen weiteren sphärisch geformten Abschnitt (14) aufweisen, dessen Durchmesser (d₄) vom Durchmesser (d₃) des ersten sphärisch geformten Abschnitts (13) abweicht.
3. Wälzlager (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wälzkörpertaschen (8) einen Flächenabschnitt (15) aufweisen, welcher in Umlaufrichtung parallel zum Rücken des Käfigrings (6) verläuft.
4. Wälzlager (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Käfig (5) im Bereich der Zwischenabschnitte (11) zumindest annähernd die gleiche axiale Dicke, bezogen auf die Rotationsachse (2), aufweist wie im Bereich der Wälzkörpertaschen (8).
5. Wälzlager (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Käfigring (6) im Bereich der Zwischenabschnitte (11) eine auf die Rotationsachse (2) bezogene radiale, in Umlaufrichtung verlaufende, Aussparung (16) aufweist.
6. Wälzlager (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine in Umfangsrichtung verlaufende radiale Mittellinie (17) der Aussparung (16) der in Umfangsrichtung verlaufenden radialen Mittellinie (12) des Käfigrings (6) gleicht.
7. Wälzlager (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Aussparung (16) den Käfigring (6) im Bereich der Zwischenabschnitte (11) in Stege (18, 19) teilt.
8. Wälzlager (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Aussparung (a₁) an einem der Stege (18) in ihrer Kontur (20) der Kontur der Wälzkörpertasche (8) folgt.
9. Wälzlager (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Außenring (4) eine radiale, bezogen auf die Rotationsachse (2), umlaufende Aussparung (21) aufweist, welche einen Teil des Käfigrings (6) aufnimmt.
10. Wälzlager (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Käfig (5) im Bereich der Zwischenabschnitte (11) eine Auswerferfläche (22) für eine Entformung aus einem Spritzgusswerkzeug aufweist.

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