DE10225572A1 - Radial-Pendelwälzlager - Google Patents

Abstract

Radial-Pendelwälzlager (1), bestehend aus einem Außenring (2), einem Innenring (3), und dazwischen angeordneten, in denselben Laufbahnen abrollenden Kugeln (5) und Tonnenrollen (6) als Wälzkörper, die in einem Käfig (4) geführt werden, wobei die Kugeln (5) im Durchmesser größer als die Tonnenrollen (6) sind, wobei bei einer geringen Lagerbelastung die Kugeln (5) ausschließlich die gesamte Lagerbelastung aufnehmen.

Description

Gebiet der Erfindung
• Die Erfindung betrifft ein Radial-Pendelwälzlager mit Kugeln und Tonnenrollen als Wälzkörper.
Hintergrund der Erfindung
• Pendelrollenlager und Tonnenrollenlager werden in vielen radial belasteten Anwendungen eingesetzt, bei denen ein Winkelfehler zwischen Gehäuse und Welle auszugleichen ist. Durch die Verwendung des Wälzkörpers Rolle mit Linienberührung zwischen Außen- und Innenring sind diese Lager für hohe Belastungen nutzbar. Problematisch wird diese Lagerung dann, wenn die Belastung auf das Wälzlager zu gering wird, und so die Rollenreihen dazu neigen, nicht mehr wälzend abzulaufen, sondern in den Laufbahnen zu gleiten. Dieses Gleiten der Wälzkörper in den Laufbahnen ist dann auch mit einem Abfallen der Drehzahl des Käfigs mit den Wälzkörpern verbunden. Erhöht sich nun schlagartig die Belastung auf das Wälzlager, so muss der Wälzkörper der dann in den Eingriff zwischen Außen- und Innenring kommt, den gesamten Käfig mit allen anderen Wälzkörpern innerhalb von Bruchteilen einer Sekunde auf die richtige Drehzahl beschleunigen. Bei diesem Beschleunigungsvorgang treten sehr hohe Kräfte verbunden mit hoher Gleitreibung auf, die die Wälzkörper und die Laufbahnen des Außen- bzw. des Innenringes beschädigen können. Dieses Problem tritt z. B. bei Anwendungen auf, bei denen im Normalbetrieb die Wälzkörper nur gering belastet sind. Tritt nun durch eine Erhöhung der Belastung durch Störgrößen, bzw. Lastspitzen auf, führt dies dazu, dass kurzzeitig die Wälzlager eine Spitzenbelastung erfahren, und der oben beschriebene Effekt möglicherweise eintritt.
• In der DE 88 03 970 U1 ist ein Radial-Wälzlager beschrieben, in dem Rollen und Kugeln als Wälzkörper gemeinsam gleichzeitig eingesetzt werden. Das Problem dieser Anwendung besteht darin, dass durch die zusätzliche Kugel die Lagertragzahl dieses kombinierten Pendelkugellagers erhöht werden soll. Das Problem des Gleitens der Wälzkörper bzw. des kurzfristigen Beschleunigens einer ganzen Rollenreihe wird mit dieser Ausführung nicht gelöst.
• Des weiteren wird in der DE 29 18 601 ein Zylinderrollenlager mit Zylinderrollen und Kugeln als Wälzkörper gezeigt. Das Problem dieser Anwendung besteht darin, dass bei gleich schnell drehendem Außenring und Innenring eine Riffelbildung durch die Wälzkörper vermieden werden soll.
Aufgabe der Erfindung
• Es besteht also die Aufgabe, ein Radial-Pendelwälzlager aufzuzeigen, bei dem einerseits bei geringen Belastungen das Gleiten der Wälzkörper in der Laufbahn vermieden wird und die andererseits genug Tragzahl aufweist, um bei Belastungsspitzen nicht beschädigt zu werden.
• Zusammenfassung der Erfindung
• Mit den Merkmalen im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 wird diese Aufgabe gelöst.
• Der wesentliche Kern der Erfindung besteht darin, dass in einem Radial- Pendelwälzlager Kugeln und Rollen gleichzeitig eingesetzt werden, wobei die Kugeln einen geringfügig größeren Durchmesser aufweisen als die Rollen. Werden Kugeln und Rollen in Umfangsrichtung abwechselnd angeordnet, so tragen die Kugeln die Radiallast bei geringer Belastung des Lagers und bei Spitzenbelastungen tragen die Rollen mit. Der Vorteil der tragenden Kugeln bei Minimalbelastung ist der, dass durch die Punktberührung zwischen Laufbahn und Kugel, höhere Hertz'sche Pressungen auftreten, als bei einer Linienberührung zwischen Rolle und Laufbahn, und so die Neigung zum Gleiten deutlich reduziert wird. Vergrößert wird dieser Effekt noch dadurch, dass nur die Hälfte der Wälzkörper jetzt im Eingriff sind. Durch diese Maßnahme dreht sich der Rollenkranz, bestehend aus Rollen und Käfig, im Wälzlager und ein Drehzahlabfall des Rollenkranzes wird verhindert. Im Moment der Lastspitze werden die minimal größeren Kugeln entsprechend ihrer Federkennlinie zusammengedrückt, so dass dann die Rollen mit ihrer Linienberührung zusätzlich tragen. Damit wird verhindert, dass Pressungen im Lager entstehen, die zu einer plastischen Verformung einzelner Wälzkörper führen würden. Da der Rollenkranz keinen Drehzahlabfall mehr hat, treten diese schlagartigen Beschleunigungskräfte jetzt auch nicht mehr auf, da die Rollen mit der richtigen Drehzahl mitdrehen.
• Gemäß Anspruch 6 ist der Bereich beschrieben, in dem der Durchmesser unterschiedlich zwischen Kugel und Rolle liegen kann. Der Wert 0,4% stellt die Grenze des Größenunterschiedes zwischen Kugeldurchmesser und Rollendurchmesser dar. Ist die Kugel 0,4% größer im Durchmesser als die Rolle, verformen sich die Kugeln bei Belastung plastisch bevor die Rollen tragen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
• In der Fig. 1 wird ein Radial-Pendelwälzlager in 3D-Darstellung mit Kugeln und Rollen als Wälzkörper gezeigt.
• In der Fig. 2 wird ein Radial-Pendelwälzlager im Schnitt parallel zur Rotationsachse des Lagers gezeigt.
• In der Fig. 3 wird eine Tabelle der zusammengesetzten Federkennlinie dargestellt.
Detaillierte Beschreibung der Zeichnungen
• In Fig. 1 wird eine bevorzugte Ausführungsform des Radial-Pendelwälzlagers gezeigt. Diese Figur zeigt ein Pendelrollenlager 1 mit einem Außenring 2, einem Innenring 3 und zwischen Außen- und Innenring angeordneten Wälzkörpern 5 und 6. Die Wälzkörper werden in dieser Darstellung von einem gemeinsamen Käfig 4 geführt. Für Sonderanwendungen ist jedoch auch ein in Umfangsrichtung geteilter Käfig vorstellbar, der jede Rollen-Kugelreihe einzeln führt. Die Kugeln 5 sind im Durchmesser minimal größer als die Rollen 6. In dieser Abbildung sind die Rollen 5 und Kugeln 6 in Umfangsrichtung abwechselnd angeordnet. Bei der Dimensionierung der Durchmesser der Kugeln 5 sowie der Rollen 6 ist darauf zu achten, dass bei einer geringen Wälzlagerbelastung die Rollen zwischen zwei benachbarten Kugeln im Wälzkontakt nicht beide Laufbahnen gleichzeitig berühren. Bei dieser Betriebsweise tragen nur die Kugeln 5 die Last, während die Rollen 6 unbelastet im Wälzlager abwälzen. Bei der Dimensionierung des Durchmesserunterschiedes der Kugel 5 sowie Rolle 6 ist darauf zu achten, dass bei einer möglichen Maximalbelastung des Radial-Pendelwälzlagers die Kugeln keine plastische Deformation bekommen. In der Fig. 3 wird das Zusammenspiel der Federkonstanten der Kugeln als auch der Rollen gezeigt. Ein mögliches praktisches Maß für den Durchmesserunterschied zwischen der größeren Kugel 5 und der kleineren Rolle 6 ist z. B. zwei hundertstel Millimeter. Eine weitere Ausführungsform besteht darin, dass zwischen zwei Kugeln mehrere Rollen angeordnet sind. Hierbei ist zu beachten, dass mit einem Reduzieren der tragenden Kugelanzahlen die Welle zunehmend radial unruhiger läuft.
• In den Fig. 2 ist das Radial-Pendelwälzlager im Schnitt gezeigt. In der Fig. 2a ist die tragende Kugel 5 bei geringer Belastung dargestellt. In der Fig. 2b ist die Kontaktsituation einer nicht tragenden Rolle 6 bei leichter Belastung dargestellt. Der Durchmesserunterschied ist in dieser Darstellung zur Verdeutlichung des Lageraufbaus überzeichnet. Der Durchmesserunterschied trägt in dieser Figur das Bezugszeichen 7.
• In der Fig. 3 ist beispielhaft für ein Radial-Pendelwälzlager das Zusammenspiel der zwei Federkonstanten der Kugel 5 in dem Koordinatensystem mit dem Bezugszeichen B versehen und der Rolle 6 in dem Koordinatensystem mit dem Bezugszeichen A versehen dargestellt. In der Ordinate ist die Wälzlagerbelastung in KN dargestellt und in der Abszisse der Federweg des Lagers bzw. der Welle in diesem Lager. Die Federkennlinie B der Kugel 5 beginnt in diesem Beispiel bei 0,060 mm und einer Belastung von 0 KN. Der Startpunkt der Linie B entspricht also der Lagerluft zwischen Außenring, Kugel und Innenring. Von 0 KN bis in diesem Beispiel 4 KN trägt ausschließlich die Kugel die Belastung des Radial-Pendelwälzlagers. In diesem Bereich läuft die Rolle 6 ohne Belastung. Am Punkt C beginnt die kleinere Rolle 6 zusätzlich zu der Kugel 5 die Belastung des Wälzlagers aufzunehmen. Die maximale Federung des Radial- Pendelwälzlagers ist in diesem Beispiel bei 0,1 mm eingezeichnet (Punkt B, E). Diese Federung entspricht eine Lagerbelastung 30 KN. Der Bereich der Federkennlinie B der Kugel 5, der oberhalb von 0,1 mm liegt, ist ein theoretischer Bereich, der dann auftreten würde, wenn in diesem Lager keine Rollen tragen würden. Bezugszeichen 1 Radial-Pendelwälzlager
  2 Außenring
  3 Innenring
  4 Käfig
  5 Kugel
  6 Rolle
  7 Durchmesserunterschied zwischen Kugel und Rolle
  8 Durchmesser der Rolle 6
  A Federkennlinie der Rolle
  B Federkennlinie der Kugel
  C Schnittpunkt der beiden Federkennlinien
  D maximale Federung der Kugel
  E maximale Federung der Rolle
  

Claims (6)

1. Radial-Pendelwälzlager (1), bestehend aus einem Außenring (2), einem Innenring (3), und dazwischen angeordneten, in denselben Laufbahnen abrollenden Kugeln (5) und Tonnenrollen (6) als Wälzkörper, die in einem Käfig (4) geführt werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Kugeln (5) im Durchmesser größer als die Tonnenrollen (6) sind, wobei bei einer geringen Lagerbelastung die Kugeln (5) ausschließlich die gesamte Lagerbelastung aufnehmen.

2. Radial-Pendelwälzlager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kugeln (5) und Rollen (6) wechselnd in Umfangsrichtung angeordnet sind.

3. Radial-Pendelwälzlager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer höheren Belastung Kugeln (5) und Rollen (6) die Wälzlagerbelastung aufnehmen.

4. Radial-Pendelwälzlager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Lager zwei Laufreihen mit Kugeln (5) und Rollen (6) als Wälzkörper aufweist.

5. Radial-Pendelwälzlager nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass beide Laufreihen in einem gemeinsamen Käfig geführt werden.

6. Radial-Pendelwälzlager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kugel (5) im Durchmesser zwischen 0,01% und 0,4% größer ist als der Durchmesser (8) der Rolle (6).