Die vorliegende Erfindung betrifft ein Radialwälzlager. Ein derartiges Radialwälzlager
kann in Elektromotoren mit mittleren bzw. großen Abmessungen oder allgemein in Me
chanismen verwendet werden, um die Drehwellen dieser Motoren und anderer Maschi
nenteile zu lagern.
Die allgemein mit den Bezugsziffern 1a bzw. 1b in den Fig. 8 und 9 bezeichneten
Radialwälzlager werden verwendet, um die rotierenden Teile von Elektromotoren oder
anderen Maschinen zu lagern. Das Radialwälzlager 1a (oder 1b) besteht aus einem äu
ßeren Laufring 2a (2b) sowie einem inneren Laufring 3a (3b), die konzentrisch zueinan
der angeordnet sind, einer Mehrzahl von Wälzelementen 4a (4b) sowie aus einem Käfig
5a (5b), um diese Wälzelemente 4a (4b) drehbar zu haltern. Eine äußere Laufbahn 6a
(6b) ist in den axialen Mittelabschnitt der Innenumfangsfläche des äußeren Laufrings 2a
(2b) ausgebildet, wobei eine innere Laufbahn 7a (7b) in dem axialen Mittelabschnitt der
Außenumfangsoberfläche des inneren Laufrings 3a (3b) ausgebildet ist. Die Wälzele
mente 4a (4b) sind drehbar zwischen der äußeren Laufbahn 6a (6b) sowie der inneren
Laufbahn 7a (7b) angeordnet. Der Käfig ist zwischen der inneren Umfangsoberfläche
des äußeren Laufrings 2a (2b) sowie zwischen der äußeren Umfangsfläche des inneren
Laufrings 3a (3b) angeordnet. Die einzelnen Wälzelemente 4a (4b) sind drehbar inner
halb einer Mehrzahl von Taschen 8a (8b) gehalten, die mit Zwischenräumen in Um
fangsrichtung des Käfigs angeordnet sind. Im Falle des Radialwälzlagers 1a (1b), mit
welchem sich die Erfindung beschäftigt, kann der Käfig 5a (5b) verschieden geführt sein,
vorzugsweise von einem durch die Wälzelemente geführten Typ sein, bei dem seine
radiale Verlagerung infolge des Eingriffs zwischen jeder der Taschen 8a (8b) und den
Wälzelementen 4a (4b) begrenzt ist, oder der Käfig 5a (5b) kann von einem durch den
Außenring geführten Typ sein, dem seine radiale Verlagerung von dem äußeren Lauf
ring 2a (2b) begrenzt ist.
Die in Fig. 8 ist ein Radialwalzenlager gezeigt, das zylinderförmige Walzen als Wälzkör
per 4a verwendet, weswegen die äußere Laufbahn 6a ebenso wie die innere Laufbahn
7a zylinderförmige Oberflächen aufweisen. Die in Fig. 9 ist ein Radialkugellager gezeigt,
das Kugeln als Wälzkörper 4b verwendet, aufgrund dessen die äußere Laufbahn 6b
ebenso wie die innere Laufbahn 7b kreissektorförmig ausgespart sind. Der Käfig 5a ent
hält die Taschen 8a, während der Käfig 5b die Taschen 8b enthält, wobei beide Käfige
in Abhängigkeit von der Form der Wälzkörper 4a, 4b unterschiedliche Formen aufwei
sen. Während der Wartung des Radialwälzlagers 1a (1b) wird ein Schmiermittel, wie
z. B. Schmierfett, in die Bereiche eingebracht, in denen die Wälzkörper 4a (4b) einge
setzt sind (d. h., zwischen der inneren Umfangsoberfläche des äußeren Laufrings 2a
(oder 2b) und der äußeren Umfangsoberfläche des inneren Laufrings 3a (3b)), so daß
der Berührungsbereich zwischen der Abwälzoberfläche eines jeden Wälzkörpers 4a (4b)
und die äußere Laufbahn 6a (6b) oder die innere Laufbahn 7a (7b) effektiv geschmiert
werden.
Wenn ein Elektromotor mit einem Radialwälzlager 1a (1b) zur Lagerung der Drehwelle
lediglich mit einer radialen Last betrieben wird, die auf die Drehwelle derart wirkt, daß
der innere Laufring 3a (3b) zusammen mit der Drehwelle mit einer hohen Geschwindig
keit gedreht wird, kann oftmals ein als "Kreischen" bezeichnetes Geräusch vernommen
werden. Dies ist ein metallisches "kreischendes" (schürfendes) Geräusch und sollte in
der Praxis vermieden werden, da es nicht nur einen höheren Schalldruckpegel aufweist
als das Geräusch, wie z. B. das Abrollgeräusch, welches unvermeidbar während des
Betriebs der Wälzlager erzeugt wird, sondern auch noch als störend für das Ohr emp
funden wird. Es ist allgemein bekannt, daß das abnorme Geräusch oder das "Kreischen"
zwischen dem äußeren Laufring 2a (2b) und jedem Wälzelement 4a (4b) aufgrund man
gelnder Schmierung auftritt.
Dieser Sachverhalt wird im folgenden eingehender diskutiert werden. Die Drehwellen
von Elektromotoren und anderen Drehmaschinen sind in den meisten Fällen in einer
horizontalen Richtung installiert. Wenn eine derartige horizontale Drehwelle von einem
Radialwälzlager 1a (1b) abgestützt wird, werden die Wälzelemente 4a (4b) in der unte
ren Hälfte des Lagers, die eine "Lastzone" ist, zwischen der äußeren Laufbahn 6a (6b)
und der inneren Laufbahn 7a (7b) eingezwängt, um normale Rollbewegungen beim Ro
tieren um die Drehwelle durchzuführen, während sie sich um ihre eigene Achse drehen.
Auf der anderen Seite sind die Wälzkörper 4a (4b) der oberen Hälfte des Lagers, die
eine "unbelastete Zone" ist, nicht zwischen der äußeren Laufbahn 6a (6b) und der inne
ren Laufbahn 7a (7b) eingezwängt, so daß sie nur schwer um ihre eigene Achse rotie
ren. Das hat zur Folge, daß die Wälzoberfläche der Wälzkörper 4a (4b) gegen die äußere
Laufbahn 6a (6b) sowie gegen die innere Laufbahn 7a (7b) schleifen, wobei dieses
allgemein als "Rotationsschlupf" bezeichnete Phänomen das abnormale Geräusch oder
das "Kreischen" erzeugt. Hinzu kommt, daß mehr Wärme innerhalb des Radialwälzla
gers 1a (1b) erzeugt wird, so daß seine Leistungsfähigkeit potentiell verschlechtert wird.
Um die Erzeugung der abnormalen Geräusche zu vermeiden, die aus den oben ange
gebenen Gründen auftreten, wurden die folgenden drei Maßnahmen verwendet:
- 1. Der Arbeits- bzw. Betriebsspalt in dem Radialwälzlager 1a (1b) ist reduziert; der in
terne Spalt des Radialwälzlagers 1a (1b) wird auf den kleinstmöglichen Wert festgesetzt,
und zwar unter voller Berücksichtigung des Temperaturanstiegs während des Standard
betriebs, wodurch die Wälzkörper 4a (4b) unterstützt werden, in der "unbelasteten Zone"
effektiv um ihre eigene Achse zu rotieren;
- 2. das Radialwälzlager 1b ist in einer Schubrichtung druckbeaufschlagt; falls das Radi
alwälzlager 1b, das als Wälzkörper 4b Kugeln verwendet, in einer Schubrichtung druck
beaufschlagt ist, werden die Wälzkörper in der "unbelasteten Zone" unterstützt, um ef
fektiv um ihre eigene Achse zu rotieren;
- 3. es werden in der äußeren Laufbahn 6a oder auf den Wälzoberflächen der Wälzkör
per 4a des Radialwälzlagers 1a flache Rinnen ausgebildet, die sich in Umfangsrichtung
erstrecken (geprüfte japanische Patentveröffentlichung Sho 44-15689 und die geprüfte
japanische Gebrauchsmusterveröffentlichung Sho 49-40208); diese Rinnen ermöglichen
es, daß ein Schmiermittel zwischen der äußeren Laufbahn 6a und der Wälzoberfläche
eines jeden Wälzkörpers 4a angeordnet werden kann, wodurch ein Auftreten des ab
normalen Geräuschs vermieden wird.
Unter den drei oben beschriebenen bekannten Maßnahmen ist die erste Maßnahme
nicht nur ungeeignet, vollständig zufriedenstellende Ergebnisse zu erzielen, sondern
birgt auch noch die Einschränkung in sich, daß eine abnormale Wärmeerzeugung oder
ein Klemmen auftritt, falls der Betriebsspalt unangemessen klein ist.
Die zweite Maßnahme ist auf das in Fig. 9 gezeigte Radialkugellager anwendbar, aber
nicht auf das in Fig. 8 gezeigte Radialwalzenlager. Ein weiteres Problem ist darin zu
sehen, daß das Radialkugellager in Abhängigkeit von der strukturellen Auslegung der
Abstützung der gelagerten Drehwelle nicht druckbeaufschlagt werden kann. Aus diesen
Gründen ist die zweite Maßnahme unzureichend.
Die dritte Maßnahme ergibt vollständig zufriedenstellende Ergebnisse, falls sie an Wal
zenlagern angewendet wird, aber andererseits benötigt sie hohen Arbeitsaufwand, um
die Rinnen auszubilden, was zu höheren Kosten führt. Ein weiteres Problem ist darin zu
sehen, daß die dritte Maßnahme nicht auf Kugellager mit mittiger Kugelanordnung an
wendbar ist.
Aus der Schrift "Konstruktion 14", 1962, Heft 12, Seiten 469 bis 480, insbesondere Seite
477, ist ein Radialwälzlager in Form eines sogenannten Ringrillenlagers bekannt. Dieses
Lager weist einen äußeren Laufring und einen inneren Laufring auf. Bei diesem Lager
werden Kugeln als Wälzkörper verwendet, die drehbar zwischen der äußeren Laufbahn
des inneren Laufrings sowie der inneren Laufbahn des äußeren Laufrings angeordnet
sind. Diese Kugeln werden durch einen Massivkäfig gehalten. Der außen geführte Mas
sivkäfig soll gegenüber den Gleitbahnen 2 bis 2,5‰ Lagerspiel im betriebswarmen
Zustand aufweisen. Engere Spiele führen zum Klemmen und zu rascher Erwärmung des
Lagers. Der Spalt zwischen Käfig und Innenring ist für die Ölzufuhr wichtig.
Aus dem Katalog SKF Nr. 1760, Dezember 1947, Seite 148, sind Radialwälzlager mit
Außenlaufring und Innenlaufring bekannt, wobei eine Mehrzahl von Wälzkörpern zwi
schen den Laufringen angeordnet sind. Aus der schematischen Darstellung eines La
gers und der zugehörigen Tabelle lassen sich die spezifischen Systemmaße der jeweili
gen Lager des vorliegenden Typs entnehmen. Weiterhin läßt sich aus dieser Zeichnung
ein außen geführter Käfig entnehmen, der die Wälzkörper hält. Weitere radiale Zylinder
rollenlager sind dem Katalog "The Torrington Company, Service Catalog" 1988, Seite
E10, zu entnehmen. Diese Zylinderrollenlager weisen einen Außen- und einen Innenring
auf, wobei die Wälzkörper durch einen Käfig gehalten werden. Aus den schematischen
Darstellungen dieses Katalogs läßt sich ein ringförmiger Spalt zwischen der Umfangs
oberfläche des Käfigs und der Umfangsoberfläche des gegenüberliegenden Laufrings
entnehmen. Weiterhin zeigen diese schematische Darstellungen, daß die axiale Länge
der Umfangsoberfläche des Käfigs kleiner als die axiale Länge der Umfangsoberfläche
des gegenüberliegenden Laufrings ist.
Aus der Druckschrift DE 43 27 815 A1 ist ein Kugellager für einen Turbolader bekannt.
Dieses Spezialkugellager weist einen Außenlaufring, einen Innenlaufring und einen Kä
fig auf, der die Kugeln des Lagers hält. Unter Berücksichtigung der hohen mechani
schen wie thermischen Belastung eines derartigen Lagers für einen Turbolader wird
vorgeschlagen, die Spaltbreite zwischen dem Käfig und dem Laufring in einem Bereich
von 1% bis 3,5% des Außendurchmessers des Käfigs festzulegen.
Aus der Druckschrift DE 692 06 533 T2 ist ein spezielles Wälzlager bekannt, wobei eine
Laufbahn verschleißfeste Bereiche aufweist. Dieses Wälzlager weist einen Außenlauf
ring, einen Innenlaufring und einen Käfig zum Führen der Rollelemente auf. Zwischen
dem Käfig und dem Laufringstegbereich ergibt sich ein enger Spalt, der in der Größen
ordnung von 0,25 mm ausgebildet sein kann. Zur Verschleißverminderung wird vorge
schlagen, auf dem Laufringstegbereich einen harten dünnen Überzug vorzusehen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Radialwälzlager zu schaffen, das insbe
sondere im hohen Drehzahlbereich eine vergleichsweise hohe Laufruhe aufweist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Radialwälzlager mit den Merk
malen des Anspruchs 1.
Eine bevorzugte Weiterbildung des Erfindungsgegenstandes ist in dem Unteranspruch
dargelegt.
In der Beschreibung bedeutet "ballig drehen oder ballig" einen Maschinenprozeß zum
maschinellen Bearbeiten der zylinderförmigen Walzen in eine spezifische Konfiguration,
in welcher die erzeugende der Wälzoberflächen der zylinderförmigen Walzen zu beiden
Enden einen geringeren Außendurchmesser aufweist als der Mittenabschnitt in axialer
Richtung der zylinderförmigen Walzen, um an beiden axialen Enden der zylinderförmi
gen Walzen auftretende Kontaktspannung zu verhindern und auch um eine Vergröße
rung des inneren Laufrings sowie des äußeren Laufrings zu verhindern und um die
Spannung auf die Wälzoberfläche der zylinderförmigen Walze in axialer Richtung so
einheitlich wie möglich zu verteilen.
Eine Art des "ballig drehen" kann grob in zwei Unterarten aufgeteilt werden, wovon eine
"Vollballigkeits-Typ" genannt wird, und die andere ein allgemein als "Teilballigkeits-Typ"
bezeichnet wird, wie in den Darstellungen von Fig. 7 gezeigt ist. Ein Wälzkörper des
vollballigen Typs weist eine Konfiguration auf, in der eine erzeugende der Wälzoberflä
che in axialer Richtung aus einer einzelnen Bogenform besteht, während ein Wälzkörper
des teilweise balligen Typs eine Konfiguration aufweist, in der eine Erzeugende der
Wälzoberfläche in axialer Richtung aus einem axialen Mittelabschnitt besteht, der sich
gerade parallel zur Achse der Walze erstreckt und geneigte Endabschnitte in axialer
Richtung aufweist, die jeweils sanft zu dem axialen Mittelabschnitt übergehen und von
einer geraden Linie oder einer gekrümmten Linie definiert werden.
Ein Prozeß zum "ballig drehen" ist durch einen Endbearbeitungs- bzw. Finishing-Prozeß
mit einer spitzenlosen Schleifmaschine gegeben, da die abgeschliffene bzw. abgear
beitete Menge verglichen mit dem Durchmesser der zylinderförmigen Walze sehr gering
ist.
Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung und die zugrundeliegende technische Lehre
anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen
näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen:
Fig. 1 einen Teilquerschnitt eines Radialwälzlagers nach einem ersten Ausfüh
rungsbeispiel, das zur Verifizierung der Effektivität der Erfindung angefer
tigt wurde;
Fig. 2 den in Fig. 1 gezeigten Abschnitt X in vergrößertem Maßstab;
Fig. 3 einen Graph zur Darstellung der Ergebnisse eines ersten Experimentes;
Fig. 4 einen vergrößerter Teilquerschnitt eines Radialwälzlagers nach einem
zweiten Ausführungsbeispiel, das zur Verifizierung der Effektivität der Er
findung angefertigt wurde;
Fig. 5 einen Graph zur Darstellung der Ergebnisse eines zweiten Experimentes;
Fig. 6 einen Graph zur Darstellung eines Anwendungsbereiches der Erfindung
auf der Grundlage der Versuchsergebnisse;
Fig. 7 einen Graph zur Darstellung der Ergebnisse eines dritten Experimentes,
das durchgeführt wurde, um zu untersuchen, wie die Geometrie der Wälz
oberflächen von zylinderförmigen Walzen die Erzeugung von "Kreischen"
beeinflußt;
Fig. 8 einen Querschnitt einer ersten Art eines Radialwälzlagers nach der vorlie
genden Erfindung; und
Fig. 9 einen Querschnitt eines anderen, von der Erfindung nicht umfaßten Radi
alwälzlagers.
Das Radialwälzlager nach dem vorerwähnten Ausführungsbeispiel weist einen Aufbau
auf, mit dem das Schmiermittel in dem ringförmigen Spalt zwischen der Umfangsober
fläche des Käfigs und der Umfangsoberfläche des Laufrings eine Dämpfungskraft auf
baut, welche die Bewegung der Wälzkörper in der "unbelasteten Zone" des Lagers über
den Käfig zurückhält. Genauer ausgedrückt, die Stärke H des ringförmigen Spaltes und
der Durchmesser D der Umfangsoberfläche des Käfigs sind so festgelegt, daß die Be
dingung 1,5 × 10-3D ≦ H ≦ 9,0 × 10-3D erfüllt ist, wobei die axiale Länge A der Umfangs
oberfläche des Käfigs so ausgelegt ist, daß sie 60% bis 100% der axialen Länge B der
Umfangsoberfläche des Laufrings aufweist. Dadurch ist der Widerstand gegen den Fluß
des Schmiermittels, das durch den ringförmigen Spalt hindurchströmt, ausreichend er
höht, um ein leichtes Verrücken des Käfigs zu verhindern. Dies bietet den Vorteil, daß
selbst wenn die Wälzkörper in der "unbelasteten Zone" abnormale Bewegungen (d. h.
Rotation um die Drehwelle, ohne um ihre eigene Achse zu rotieren, aber auch radiale
Verschiebungen) aufweisen, der Käfig durch die Bewegung der Wälzkörper nicht verla
gert wird. Zusätzlich wird in dem Fall, in dem der Käfig durch die Wälzkörper geführt
wird, dieses die Bewegung der Wälzkörper regulieren und umgekehrt. Genauer gesagt,
eine radiale Verlagerung des Käfigs ist begrenzt aufgrund des Eingriffes zwischen jeder
der Taschen und des entsprechenden, darin vorhandenen Wälzkörpers, wobei ein
Schmiermittel, wie z. B. Schmierfett, zwischen jeder der Taschen der darin befindlichen
Wälzkörper eingebracht wird. Falls die Stärke H des ringförmigen Spaltes reguliert worden
ist, um die Bewegung des Käfigs zu regulieren, ist die Bewegung der in dem Käfig
gehaltenen Wälzkörper ebenfalls reguliert. Dadurch kann ein Auftreten abnormaler Ge
räusche, die "Kreischen" genannt werden, vermieden werden.
Das Radialwälzlager ist ein Radialwalzenlager, und die Wälzoberflächen der zylinder
förmigen Walzen, die als Wälzkörper verwendet werden, sind vorzugsweise nicht ballig
gedreht, sondern weisen insbesondere eine gerade Form auf. In diesem Fall sind die
Wälzkörper in der Bewegung zustätzlich stabilisiert, um eine weitere Reduzierung ab
normaler Geräusche zu erzielen.
In den vorliegenden Ausführungsbeispielen sind die Stärke H des ringförmigen Spaltes
sowie der Durchmesser D der Umfangsoberfläche des Käfigs so festgelegt, daß sie den
Bereich 1,5 × 10-3D ≦ H ≦ 9,0 × 10-3D erfüllen, wobei die axiale Länge A der Umfangsober
fläche des Käfigs so eingestellt ist, daß sie 60% bis 100% der axialen Länge B der Um
fangsoberfläche des Laufrings einnimmt. Die Gründe für diese numerischen Grenzwerte
sind folgende.
Falls die Stärke H des ringförmigen Spaltes weniger als 1,5 × 10-3D beträgt, ist es vor
allem schwierig sicherzustellen, daß eine ausreichende Menge von Schmiermittel in den
ringförmigen Spalt eingegeben wird; dies kann Ursache für eine übermäßige Abnutzung
sowie einen Temperaturanstieg sein. Falls die Stärke H des ringförmigen Spaltes
9,0 × 10-3D überschreitet, ist der Widerstand gegen den Fluß des durch den ringförmi
gen Spalt durchtretenden Schmiermittels auf einen derart geringen Wert reduziert, daß
das Auftreten eines abnormalen Geräuschs nicht vollständig verhindert werden kann.
Daher wird die Stärke H des ringförmigen Spaltes reguliert, um innerhalb des Bereichs
1,5 × 10-3D bis 9,0 × 10-3D zu liegen. Unter Berücksichtigung weiterer Faktoren, wie z. B.
die Erzeugung von Wärme während des Maschinenbetriebs, ist die Stärke H des ring
förmigen Spaltes bevorzugt derart reguliert, daß sie die Ungleichung 4,5 × 10-3D < H <
7,5 × 10-3D erfüllt.
Ist die axiale Länge A der Umfangsoberfläche des Käfigs geringer als 0,6 × B, ist der Wi
derstand gegen den Fluß des durch den ringförmigen Spalt durchtretenden Schmier
mittels auf einen derart geringen Wert reduziert, daß das Auftreten von abnormalen Ge
räuschen nicht vollständig verhindert werden kann. Falls die axiale Länge A der Umfangsoberfläche
des Käfigs andererseits 1,0 × B übersteigt, wird ein Teil des Käfigs her
ausragen und sich näher an die äußere oder innere Laufbahn annähern, als es norma
lerweise der Fall wäre, oder, alternativ, ragt ein Teil des Käfigs entweder über die axiale
Endfläche des äußeren oder des inneren Laufrings hinaus. Ein derartiges, teilweises
Herausragen des Käfigs ist bezüglich der Auslegung des Radialwälzlagers in keiner
Weise zu bevorzugen. Insbesondere muß der Käfig daran gehindert werden, teilweise
herauszuragen, um näher an die äußere oder innere Laufbahn zu gelangen, als es nor
malerweise der Fall sein sollte, um sicherzustellen, daß der Kontakt zwischen der Wälz
oberfläche eines jeden Wälzkörpers und der äußeren oder inneren Laufbahn in einem
Normalzustand reguliert ist. Auf der anderen Seite muß der Käfig daran gehindert wer
den, teilweise hinter entweder die axiale Endfläche des äußeren oder des inneren Lauf
rings heraus herauszuragen, um sicherzustellen, daß der Käfig nicht mit anderen Teilen
störend in Eingriff gelangt. Bei Berücksichtigung all dieser Faktoren ist die axiale Länge
A der Umfangsoberfläche des Käfigs spezifiziert, so daß sie 60% bis 100% der axialen
Länge B der Umfangsoberfläche des Laufrings einnimmt.
Falls das Konzept der Ausführungsformen auf ein Radialwalzenlager angewandt wird,
sind die Wälzoberflächen der zylinderförmigen Walzen, die als Wälzkörper verwendet
werden, bevorzugt nicht ballig gedreht bzw. abgerundet, sondern weisen eine gerade
Form auf. Um zu wissen, welche Form die Wälzoberflächen am besten einnehmen soll
ten, wurden drei angegeben, eine vollständig ballig gedrehte oder abgerundete Form,
welche über die gesamte axiale Länge der äußeren Umfangsoberfläche abgerundet
wurde, eine teilweise ballig gedrehte bzw. abgerundete Form, welche lediglich in den
Bereichen nahe den zwei axialen Endabschnitten abgerundet wurde, sowie eine voll
ständig gerade Form, welche an keiner Stelle der Wälzoberfläche abgerundet wurde.
Unter Verwendung dieser Prüfkörper wurden die Auswirkungen der entsprechenden
Formen auf das Auftreten von "Kreischen" verglichen, und es wurde herausgefunden,
daß die Radialwalzenlager, welche die zylinderförmigen Walzen mit einer vollständig
geraden Form verwenden, weniger häufig ein "Kreischen" erzeugen als die Radialwal
zenlager, welche die zylinderförmigen Walzen der beiden anderen Formen verwenden.
Es wurde des weiteren herausgefunden, daß das von dem Radialwalzenlager, das die
vollständig geraden zylinderförmigen Walzen verwendet, erzeugte "Kreischen" einen
niedrigeren Schalldruckpegel aufweist. Demgegenüber erzeugen die Radialwalzenlager,
welche die zylinderförmigen Walzen mit teilweise abgerundeter Form und einer vollständig
abgerundeten Form verwendeten, häufiger ein "Kreischen", wobei ihre entsprechen
den Schalldruckpegel höher sind als bei dem Radialwalzenlager, das die zylinderförmi
gen Walzen mit vollständig gerader Form verwendet. Es ist zu bemerken, daß die Radi
alwalzenlager, welche die abgerundeten zylinderförmigen Walzen verwenden, einen
stark variierenden und demzufolge instabilen Schalldruckpegel während des "Krei
schens" erzeugen. Demzufolge haben die Radialwalzenlager mit zylinderförmigen Wal
zen, die abgerundete Wälzoberflächen aufwiesen, eine stärkere Tendenz zum "Krei
schen" als das Radialwalzenlager, das die zylinderförmigen Walzen mit vollständig ge
rader Form der Wälzoberfläche verwendet. Dies liegt daran, daß die zylinderförmigen
Walzen, deren Wälzoberflächen abgerundet sind, eine derartig kurze Berührungslänge
zwischen der Erzeugungslinie für jede Wälzoberfläche und der äußeren oder inneren
Laufbahn aufweisen, daß die Walzen dazu neigen, instabile Bewegungen durchzufüh
ren.
Die Ausführungsbeispiele werden im folgenden beschrieben.
Es werden die Experimente beschrieben, die durchgeführt wurden, um die Effektivität
der erfindungsgemäßen Gestaltung zu verifizieren. Das erste Experiment wurde durch
geführt mit einem Radialwälzlager des in den Fig. 1 und 2 mit 1a bezeichneten Typs,
um zu untersuchen, wie die Stärke H des Spaltes 9 zwischen der äußeren Umfangs
oberfläche eines jeden axialen Endabschnitts (des rechten und des linken Abschnitts
von Fig. 1 und 2) des Käfigs 5a sowie der inneren Umfangsoberfläche des eingreifenden
Endabschnitts des äußeren Laufrings 2a den Schalldruckpegel des abnormalen und
"Kreischen" genannten Geräuschs beeinflußt. Alle Ausführungsformen des in dem ers
ten Experiment verwendeten Radialwälzlagers 1a waren Radialwalzenlager mit folgen
den Abmessungen: der äußere Laufring 2a hatte einen Außendurchmesser D2a von 160 mm
und eine Weite W2a von 30 mm, wohingegen der innere Laufring 3a einen Innen
durchmesser R3a von 90 mm aufwies. Ein Paar Flansche 10 wurde an den inneren Um
fangsoberflächen der beiden axialen Endabschnitte des äußeren Laufrings 2a in dem
Radialwälzlager 1a ausgebildet. Jeder Flansch 10 hatte eine Breite W10 von 5 mm. Der
obengenannte Spalt 9 war zwischen der inneren Umfangsoberfläche von jedem der
Flansche 10 und der äußeren Umfangsoberfläche des eingreifenden axialen Endab
schnitts des Käfigs 5a ausgebildet. Somit entsprechen die innere Umfangsoberfläche
eines jeden Flanschs 10 der "Laufring-Umfangsoberfläche" sowie die Breite eines jeden
Flansches, die mit W10 bezeichnet ist, der "axialen Länge B der Laufring-Umfangsober
fläche". Zusätzlich entspricht die äußere Umfangsoberfläche eines Ringes 11 in jedem
axialen Endabschnitt des Käfigs 5a der "Käfig-Umfangsoberfläche", wobei die Breite des
Rings 11, die mit W11 bezeichnet ist, der "axialen Länge A der Käfig-Umfangsober
fläche" entspricht. Der Außendurchmesser des Ringes 11 entspricht dem "Durchmesser
D der Käfig-Umfangsoberfläche". In dem ersten Experiment wies jeder Flansch 10 eine
Breite W10 von 5 mm und jeder Ring 11 eine Breite W11 von 2,75 mm auf. Daher war das
Verhältnis A/B (= W11/W10) = 0,55. Als Wälzkörper wurden zylinderförmige Walzen 4a
verwendet, und ihre Wälzoberflächen wurden nicht abgerundet, sondern wiesen eine
gerade Form auf.
Für das Experiment wurden 15 Probenlager hergestellt, deren Wert für H oder der Stär
ke des Spaltes 9 variiert wurde in Schritten von 1 × 10-3D über einen Bereich von 1-
15 × 10-3D, und es wurde der Schalldruckpegel des "Kreischens" gemessen, das wäh
rend der Rotation des inneren Laufrings 3a auftrat. Drei Probenlager wurden mit dem
gleichen Wert für H hergestellt, und insgesamt wurde eine Gesamtzahl von 45 Proben
lager in dem ersten Experiment verwendet, das unter folgenden Bedingungen durchge
führt wurde:
Drehgeschwindigkeit: 1.200 Umin-1
Schmiermittel: Schmierfett
Radiale Last: 1.471,5 N
Frequenz, bei der der Schalldruck gemessen wurde 3.500 bis 4.500 Hz (Hauptkomponenten
des "Kreischens")
Material des äußeren Laufrings 2a: SUJ2
Material des Käfigs 5a: Nylon 66 mit 25 Gew.-% Glasfasern
Die Fig. 3 zeigt das Resultat des ersten Experiments, das unter den oben angegebenen
Bedingungen durchgeführt wurde. Die horizontale Achse des Graphen von Fig. 3 zeigt
die Stärke H des ringförmigen Spaltes, während die vertikale Achse den Schalldruckpe
gel des "Kreischens" zeigt, das während des Experiments erzeugt wurde. Das Verhält
nis zwischen der Stärke H des Spaltes und dem Schalldruckpegel wird für jedes Probe
stück mit einem Kreis bezeichnet.
Wie man aus Fig. 3 ersehen kann, fällt der Schalldruckpegel des "Kreischens" mit dem
Abfallen der Stärke H des Spaltes, wobei bei einem Wert von H von 9,0 × 10-3D und we
niger der Schalldruckpegel des "Kreischens" deutlich abfiel mit einem entsprechenden
Abfall der Datenstreuung zwischen den Probestücken. Diese Tatsachen zeigen, daß,
um das "Kreischen" zufriedenstellend zu dämpfen, die Stärke H des ringförmigen Spal
tes 9 bevorzugt auf einen Wert von 9,0 × 10-3D und weniger eingestellt werden sollte.
Falls die Stärke H des ringförmigen Spaltes auf einen Wert von 9,0 × 10-3D und weniger
eingestellt ist, wird das Schmierfett, das aus dem Inneren des Radialwälzlagers 1a auf
grund der Rotation des inneren Laufrings 3a sowie der Wälzelemente 4a herausge
drückt wird, einen angestiegenen Widerstand gegen sein Durchtreten durch die Lücken
bzw. Spalte 9 zeigen, wobei das Radialwälzlager 1a besser dazu geeignet ist, das
Schmierfett in seinem Inneren zu halten, und gleichzeitig das in den Spalten 9 vorhan
dene Schmierfett verbesserte Viskositätsdämpfungscharakteristika aufweist. Somit
arbeitet bereits der oben beschriebene Mechanismus, um die abnormalen Bewegungen
der Wälzkörper 4a in der "unbelasteten Zone" zu steuern, wodurch das "Kreischen"
unterdrückt wird.
Es ist zu bemerken, daß der untere Grenzwert der Stärke H des ringförmigen Spaltes
nicht im Hinblick auf die Unterdrückung des "Kreischens" festgelegt wurde, sondern um
die gewünschten Funktionen des Radialwälzlagers 1a zu sichern. Falls die Stärke H des
Spaltes übermäßig klein ist, wird eine nicht mehr ausreichende Menge an Schmiermit
telschicht in den ringförmigen Spalten 9 vorhanden sein, wodurch die Wahrscheinlichkeit
ansteigt, daß die innere Umfangsoberfläche eines jeden Flansches 10 direkt an der äu
ßeren Umfangsoberfläche des eingreifenden axialen Endabschnittes des Käfigs 5a
scheuert. Falls diese Umfangsoberflächen direkt miteinander scheuernd in Eingriff ge
langen, wird nicht nur der Widerstand gegen die Rotation des Radialwälzlagers 1a er
höht, sondern auch die Wahrscheinlichkeit vergrößert, daß abnormales Abnutzen und
Fressen auftritt. In dem ersten oben beschriebenen Experiment zeigten die zwei Um
fangsoberflächen teilweise eine abnormale Abnutzung, wenn die Stärke H des ringför
migen Spaltes 1 × 10-3D beträgt. Daher ist der untere Grenzwert der Stärke H des ring
förmigen Spaltes auf 1,5 × 10-3D festgelegt.
Das zweite Experiment wurde mit einem Radialwälzlager des in Fig. 4 mit 1a bezeich
neten Typs durchgeführt, um zu untersuchen, wie das Verhältnis von A zu B (A/B =
W11/W10) den Schalldruckpegel des "Kreischens" beeinflussen kann; wobei A oder die
axiale Länge der Umfangsoberfläche des Käfigs gleich W11 ist, welches die Breite des
Ringes 11 ist, der an jedem axialen Endabschnitt (an der rechten und linken Seite von
Fig. 4) des Käfigs 5a angeordnet ist, wobei B, welches die axiale Länge der Laufring-
Umfangsoberfläche ist, gleich W10 ist, welches die Breite des Flansches 10 ist. Die Stär
ke H des zwischen der äußeren Umfangsoberfläche von beiden axialen Endabschnitten
des Käfigs 5a sowie der inneren Umfangsoberfläche des eingreifenden axialen Endab
schnitts des äußeren Laufrings 2a angeordneten ringförmigen Spaltes 9 wurde auf
2,2 × 10-3D in dem Experiment festgesetzt, während A/B oder das Verhältnis zwischen
den zwei axialen Längen mit sieben Werten variiert wurde, und zwar mit 0,5; 0,55; 0,6;
0,7; 0,8; 0,9 und 0,95. Der Schalldruckpegel des erzeugten "Kreischens" wurde bei je
dem der sieben Probenlager gemessen. Die Ergebnisse sind in der Fig. 5 gezeigt. Die
Ringe 11 und die Flansche 10 wurden an beiden Endkanten abgefast, wobei der Abfas
radius der Krümmung minimiert wurde (die Kanten wurden abgeschrägt), um die effekti
ven Breiten der Ringe 11 und der Flansche 10 zu erhöhen.
Wie aus Fig. 5 entnehmbar, fiel der Schalldruckpegel des "Kreischens" mit dem Anstieg
von A/B ab, wobei bei einem Anstieg A/B auf 0,6 der Schalldruckpegel des "Kreischens"
deutlich abfiel. Wie in dem ersten Experiment waren die in dem zweiten Experiment
verwendeten Wälzkörper 4a zylinderförmige Walzen, deren Wälzoberflächen vollständig
gerade in der Form waren.
Das dritte Experiment wurde durchgeführt, wobei sowohl die Stärke H des ringförmigen
Spaltes bzw. der Lücke als auch das axiale Längenverhältnis A/B variiert wurden, und
ihre Auswirkungen auf den Schalldruckpegel des "Kreischens" wurde untersucht. Ein
Teil der Ergebnisse dieses Experiments ist in der Tabelle 1 gezeigt sowie der Bereich
von beiden, nämlich von H (die Stärke der ringförmigen Lücke oder Spaltes 9) und von
A/B (A = axiale Länge der Käfig-Umfangsoberfläche, B = axiale Länge der Laufring-
Umfangsoberfläche), die den Schalldruckpegel des "Kreischens" reduzieren konnten.
Dies ist alles in der Fig. 6 angegeben.
Die horizontale Achse des in Fig. 6 gezeigten Graphs zeigt das Verhältnis A/B (A = axi
ale Länge der Käfig-Umfangsoberfläche; B = axiale Länge der Laufring-Umfangsober
fläche), während die vertikale Achse den Wert für H (Stärke des Spaltes 9) zeigt. Die
Fläche innerhalb des von einer starken Linie definierten Rechtecks liegt im Bereich der
Ausführungsformen der Erfindung. In dem Bereich oberhalb dieses Rechtecks können
Defekte wie übermäßige Abnutzung und Fressen auftreten, während in den Bereichen
zur Rechten des Rechtecks die erhöhte Möglichkeit gegeben ist, daß der Käfig mit an
deren Teilen außerhalb des Lagers störend in Eingriff gelangt. In dem Bereich unterhalb
und links von dem Rechteck kann der Schalldruckpegel des "Kreischens" nicht adäquat
reduziert werden.
Die Fig. 7 zeigt die Ergebnisse des vierten Experimentes, das durchgeführt wurde, um
zu untersuchen, wie die Form der Wälzoberflächen der zylinderförmigen Walzen, die als
Wälzkörper verwendet werden, die Erzeugung von "Kreischen" beeinflussen kann. Um
den Effekt der Geometrie der Wälzoberflächen bezüglich der Erzeugung des "Krei
schens" hervorzuheben, wurden die Stärke H des ringförmigen Spaltes sowie das Axi
allängenverhältnis A/B mit Absicht auf H = 20 × 10-3D sowie A/B = 0,3 festgesetzt, was
außerhalb des Bereichs des Ausführungsbeispieles ist. Mit Ausnahme der Form der
Wälzoberflächen der zylinderförmigen Walzen waren die in dem vierten Experiment
verwendeten Probenlager in allen Aspekten einschließlich der Formen des inneren Lauf
rings, äußeren Laufrings und des Käfigs identisch ausgebildet. Es wurde der Schall
druckpegel des "Kreischens" gemessen, das während des Betriebs des Radialwalzenla
gers erzeugt wurde, und zwar für die drei Fälle von Formen von Wälzoberflächen, näm
lich vollständig abgerundet, teilweise abgerundet und vollständig gerade.
Die Ergebnisse des vierten in dieser Art und Weise durchgeführten Experimentes sind in
der Fig. 7 gezeigt, aus der man entnehmen kann, daß, wenn zylinderförmige Walzen
verwendet werden, deren Wälzoberflächen eine vollständig gerade Form aufweisen, die
Erzeugung von "Kreischen" unterdrückt werden kann, wobei zusätzlich der Schalldruck
pegel des erzeugten "Kreischens" stabil mit einer geringen Streuung von 2 bis 3 dB ist.
Im Gegensatz dazu erzeugten sowohl das Radialwalzenlager, das zylinderförmige Wal
zen mit teilweise gerundeten Wälzoberflächen verwendete, als auch das Radialwalzen
lager, das zylinderförmige Walzen mit vollständig abgerundeten Wälzoberflächen ver
wendete, häufig "Kreischen", wobei zusätzlich die Schalldruckpegel des erzeugten
"Kreischens" um etwa 3 bis 5 dB größer waren als diejenigen des von dem Radialwal
zenlager erzeugten "Kreischens", das zylinderförmige Walzen mit einer vollständig ge
raden Form der Wälzoberflächen verwendet. Hinzu kommt, daß die Streuung der
Schalldruckpegel des erzeugten "Kreischens" wie 5 bis 8 dB ist. Der Grund, warum die
Radialwalzenlager, die abgerundete zylinderförmige Walzen verwendeten, eine größere
Neigung zur Erzeugung von "Kreischen" aufwiesen als die Radialwalzenlager mit voll
ständig geraden zylinderförmigen Walzen, könnte darin liegen, daß die abgerundeten
zylinderförmigen Walzen durch eine derartige kurze Kontaktlänge zwischen der die
Wälzoberfläche erzeugende Linie sowie jeder äußeren und inneren Laufbahn charakte
risiert sind, daß die zylinderförmigen Walzen ein erhöhtes Vermögen aufweisen, insta
bile Bewegungen zu zeigen.
In dem Experiment, dessen Ergebnisse in der Fig. 7 dargestellt sind, wurden die Stärke
H des ringförmigen Spaltes und auch das Axiallängenverhältnis A/B bewußt so einge
stellt, daß sie Werte außerhalb der Ausführungsformen einnahmen, um die Auswirkun
gen der Abrundung bzw. des Abrundens der Wälzoberflächen von den zylinderförmigen
Walzen zu bewerten. Es wurde bestätigt, daß selbst wenn H und A/B außerhalb des Be
reichs der Ausführungsformen liegen, ein Ausgestalten der Wälzoberflächen der zylin
derförmigen Walzen in einer geraden Form effektiv für die Dämpfung des "Kreischens"
ist. Es ist aber zu berücksichtigen, daß der Kern der vorliegenden Erfindung in der Spe
zifizierung der Werte von H sowie A/B liegt, die innerhalb der oben abgegebenen Berei
che liegen sollten. Die genaue Form der zylinderförmigen Wälzkörper ist nicht mehr als
ein untergeordneter Grenzwertfaktor. Die Verwendung zylinderförmiger Walzen als
Wälzkörper mit Wälzoberflächen von gerader Form ist jedenfalls eine Technik, die, wenn
sie mit dem Erfindungskonzept kombiniert wird, die Erzeugung von "Kreischen" noch
weiter unterdrückt.
Obwohl die obigen Erläuterungen sich auf Ausführungen beziehen, bei denen die äuße
re Umfangsoberfläche des Käfigs an dem axialen Endabschnitt der inneren Umfangs
oberfläche des äußeren Laufringes gegenüberliegt, ist die Erfindung hierauf nicht be
schränkt, vielmehr können auch Konstruktionen Anwendung finden, bei denen die inne
re Umfangsoberfläche des Käfigs an dem axialen Endabschnitt der äußeren Umfangs
fläche des inneren Laufringes gegenüberliegt. Beispielsweise ist die Erfindung auch an
wendbar auf ein Radialwalzenlager, bei dem ein Paar von Flanschabschnitten an dem
inneren Laufring angeordnet sind. In diesem Fall ist D gleich dem Durchmesser der
Umfangsoberfläche des Käfigs, welche die innere Umfangsoberfläche in einem axialen
Endabschnitt des Käfigs ist, H gleich der Stärke des ringförmigen Spaltes zwischen der
inneren Umfangsoberfläche des Käfigs und den Flanschabschnitten des inneren Lauf
rings unter der Bedingung, daß der Käfig und der innere Laufring koaxial angeordnet
sind, A die axiale Länge der inneren Umfangsoberfläche des Ringabschnittes des Käfigs
und B die axiale Länge einer der Flanschabschnitte des inneren Laufringes. Im übrigen
gelten die beanspruchten Maßverhältnisse.
Mit vorerläuterten Radialwälzlagern können erhöhte Laufgeräusche, insbesondere bei
Anwendung mit einer horizontal ausgerichteten Drehwelle und lediglich Abstützung einer
radial auf die Welle aufgebrachten Last, gedämpft werden. In der vorhergehenden Be
schreibung steht die Effektivität für die Bedämpfung des "Kreischens" im Vordergrund.
Es ist allerdings selbstverständlich, daß bei derartigen Lagern auch noch das Laufge
räusch des Käfigs selbst unterdrückt werden kann.