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Gebiet der Erfindung
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Die
Erfindung betrifft einen Wälzlagerkäfig, umfassend
mehrere Käfigsegmente, die jeweils zwei im Wesentlichen
gegenüberliegende Kontaktflächen zum Kontaktieren
benachbarter Käfigsegmente aufweisen. Derartige Wälzlagerkäfige
werden beispielsweise in sogenannten Großwälzlagern
mit einem Teilkreisdurchmesser von mehr als 500 mm eingesetzt. Denkbar
sind dabei grundsätzlich alle Lagertypen, z. B. auch Kegelrollenlager.
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Hintergrund der Erfindung
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Käfige
für Wälzlager sind vielfach bekannt und dienen
dazu, Käfigtaschen bereitzustellen, in denen Wälzkörper
gehalten und geführt werden. Beim Betrieb eines solchen
Wälzlagers kann es jedoch zu einer Quell- und/oder Temperaturausdehnung
des Materials, aus dem die Käfigsegmente gefertigt sind, kommen.
Dies kann zu starken Spannungen im Käfig führen,
weil sich üblicherweise das Material des Käfigs
bzw. der Käfigsegmente wesentlich stärker thermisch
ausdehnt, als das üblicherweise aus Stahl gefertigte Wälzlager.
Die mechanischen Spannungen können zu einer Erhöhung
der Reibung, zu einem Verklemmen oder gar zu einem Bruch des Käfigs
führen.
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In
der
DE 102 46 825
A1 wird vorgeschlagen, einen Käfig aus mehreren
Käfigsegmenten zu bilden, die nicht miteinander verbunden
d. h. lose eingebaut sind und die so dimensioniert sind, dass bei
einer Aneinanderreihung zwischen den benachbarten Stirnseiten eines
letzten und eines ersten Käfigsegmentes ein Zwischenraum
verbleibt, um eine quell- und/oder temperaturbedingte Ausdehnung
aufzunehmen, so dass mechanische Spannungen vermieden werden. Damit
ergibt sich ein Gesamt-Endspiel. Gemäß der
DE 102 46 825 A1 soll
das Gesamt-Endspiel zwischen 0,15% und 1% des Umfangs eines Kreises
betragen, der mittig durch die aneinander gereihten Käfigsegmente
verläuft. Insbesondere soll gemäß der
DE 102 46 825 A1 das
Gesamt-Endspiel den vorgegebenen Wertebereich nicht überschreiten,
da ansonsten ein unvertretbares Aufeinanderschlagen benachbarter
Käfigsegmente entstehen soll.
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Nachteilig
bei dem in der
DE
102 46 825 A1 vorgeschlagenen Wertebereich für
das Gesamt-Endspiel ist jedoch, dass durch den Maximalwert, der
das Aufeinanderschlagen benachbarter Käfigsegmente in Grenzen
halten soll, eine im Betrieb möglicherweise auftretende
quell- und/oder temperaturbedingte Ausdehnung weiterhin zu einem
Verklemmen des Käfigs führen kann.
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Aufgabe der Erfindung
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Wälzlagerkäfig
der Eingangs erwähnten Art zur Verfügung zu stellen,
wobei der Wälzlagerkäfig bei sämtlichen
im Betrieb auftretenden quell- und/oder temperaturbedingten Ausdehnungen
ein Verklemmen einzelner Käfigsegmente verhindert.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Diese
Aufgabe wird durch den Wälzlagerkäfig nach Anspruch
1 sowie durch das Wälzlager gemäß dem
nebengeordneten Anspruch gelöst. Demzufolge ist ein gattungsgemäßer
Wälzlagerkäfig dadurch gekennzeichnet, dass bei
einer Aneinanderreihung der Käfigsegmente in einer Art
wie die Käfigsegmente in einem Wälzlager angeordnet
sind, zwischen den Kontaktflächen der Käfigsegmente
ein oder mehrere Spalte entstehen, wobei jeder Spalt eine kleinste
prozentuale Spaltbreite aufweist, die dem kleinsten Wert der Entfernung
von zwei den Spalt benachbarten Kontaktflächen auf einem
zum Wälzlagerkäfig konzentrisch angeordneten Kreis
bezogen auf den Umfang dieses Kreises entspricht, und wobei die
Summe aller prozentualer Spaltbreiten bei Raumtemperatur größer
als 1,0% ist.
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Erfindungsgemäß soll
somit ein im Vergleich zur
DE
102 46 825 A1 größeres umfängliches
Spiel zwischen den einzelnen Käfigsegmenten vorgesehen
werden. Zwar wird dadurch zunächst die Gefahr des Aufeinanderschlagens
benachbarter Käfigsegmente vergrößert.
Es zeigte sich jedoch, dass dieser Nachteil durch die Vorteile einer
weiteren Reduzierung von quell- und/oder temperaturbedingten Verklemmen
der Käfigsegmente weitaus kompensiert werden kann. Darüber
hinaus kann das Aufeinanderschlagen benachbarter Käfigsegmente
bei Bedarf durch geeignetere Maßnahmen unterbunden bzw. ausreichend
reduziert werden.
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Falls
insgesamt nur ein einziger Spalt zwischen den Käfigsegmenten
auftritt, wie es gemäß der
DE 102 46 825 A1 bei losen
Käfigsegmenten der Fall sein kann, entspricht die Summe
aller prozentualer Spaltbreiten der prozentualen Spaltbreite dieses
einzigen Spaltes. Falls verkette Käfigsegmente wie gemäß der
DE 10 2006 022 951
A1 vorliegen, die bei einer Aneinanderreihung der Käfigsegmente
in einer Art wie die Käfigsegmente in einem Wälzlager
angeordnet sind, nicht einen einzigen, sondern eine Vielzahl von
Spalten bilden, wird die Summe aller prozentualer Spaltbreiten durch
die prozentuale Spaltbreite sämtlicher Spalte gebildet.
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In
jedem Fall wird die prozentuale Spaltbreite bei Raumtemperatur bestimmt,
d. h. bei 20°C. Durch den erfindungsgemäßen
Wert der Summe aller Spaltbreiten wird gewährleistet, dass
der Wälzlagerkäfig Betriebstemperaturen bis zu
180°C, d. h. eine Temperaturdifferenz zwischen Raumtemperatur
und maximaler Betriebstemperatur von 160°C ermöglicht.
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Insbesondere,
wenn gemäß einer bevorzugten Ausführungsform
die Summe aller prozentualer Spaltbreiten größer
als 1,1% ist, vorzugsweise größer 1,2% ist, weiter
vorzugsweise dem Wert 1,25% entspricht, wird gewährleistet
das eine Betriebstemperatur von 180°C ermöglicht
wird, wobei bei dieser Temperatur weiterhin ein ausreichendes umfängliches
Spiel zwischen den Käfigsegmenten verbleibt. Beispielsweise
liegt bei einem Käfig mit einem Käfigteilkreisdurchmesser
von 2075 mm bei einer Betriebstemperatur von 180°C und
einem Wert der Summe der prozentualen Spaltbreite von 1,2% bei Raumtemperatur
immer noch ein umfängliches Spiel bei 180°C von
ca. 0,7%, d. h. ca. 44 mm vor. D. h. auch bei maximaler Betriebstemperatur
liegt pro Spalt noch ein verbleibendes Spiel von durchschnittlich
ca. 2 mm bei einem Käfig mit 22 Käfigsegmenten
vor, wodurch ein Betrieb ohne Verklemmen der Käfigsegmente
gewährleistet wird.
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Andererseits
ist es ausreichend, den Wert der Summe aller prozentualer Spaltbreiten
kleiner als 5%, vorzugsweise kleiner als 4%, weiter vorzugsweise
kleiner als 3% zu halten. Diese Werte ermöglichen bis zu
den notwendigen Betriebstemperaturen ein ausreichendes umfängliches
Spiel. Im Prinzip sind dem Wert der Summe aller prozentualer Spaltbreiten Grenzen
nur durch die geforderte Tragfähigkeit des Lagers bzw.
die notwendige Breite von Stegen zur Begrenzung von Wälzkörpertaschen
gegeben.
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Gemäß einer
Ausführungsform entspricht eine Kontaktfläche
jeweils einem Teil einer Stirnfläche des Käfigsegments.
Grundsätzlich können die Kontaktflächen
beliebige Formen aufweisen, z. B. plan oder gekrümmt sein.
Plane benachbarte Kontaktflächen stehen vorzugsweise senkrecht
zu einem konzentrisch zum Käfig angeordneten Kreis, so
dass im Falle eines Kontaktierens dieser benachbarten Kontaktflächen
ein Kontakt über die gesamten Kontaktflächen erfolgt.
Wenn die Kontaktflächen nur einen Teil einer Stirnfläche
des entsprechenden Käfigsegments umfassen, kann die Kontaktfläche
durch zwei oder mehrere Teilflächen gebildet werden.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform weist zumindest ein Käfigsegment
eine Kopplungseinheit auf, die ausgebildet ist, um das Käfigsegment stirnseitig
mit einem weiteren Käfigsegment zu verbinden. Benachbarte
Käfigsegmente können somit derart miteinander
verbunden werden, dass sich das umfängliche Spiel zwischen
den Käfigsegmenten nicht an einem einzigen Spalt konzentrieren
kann, sondern auf mehrere Spalte verteilt wird. Bei einer losen
Anordnung der Käfigsegmente zeigte sich, dass sich diese
derart umfänglich anordnen können, dass nur ein
einziger Spalt resultiert. Bei vorgespannten Wälzlagern
können sich die einzelnen Segmente nun bei Temperaturerhöhungen
aufgrund der Vorspannung der Wälzkörper zwischen
den Wälzlagerlaufbahnen oftmals nicht umfänglich
ausdehnen, obwohl prinzipiell in dem einzigen Spalt ein ausreichendes umfängliches
Spiel vorhanden ist. Die Kopplungseinheiten verhindern dieses Problem.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform umfasst die Kopplungseinheit
eine Reibschlussverbindung. Eine Reibschlussverbindung stellt hierbei jegliche
Verbindung dar, die bei einer Relativbewegung, insbesondere bei
einer umfänglichen Bewegung, der derart miteinander verbundenen
Käfigsegmente Reibung erzeugt. Diese Reibung vermindert die
entsprechende Relativbewegung, wodurch letztendlich das Aufeinanderschlagen
benachbarter Käfigsegmente reduziert wird bzw. bei entsprechend groß gewählter
Reibung im Betrieb völlig unterbunden werden kann. Diese
Lösung ist gegenüber der aus der
DE 102 46 825 A1 bekannten
Lösung zur Reduzierung des Aufein anderschlagens, nämlich
der Reduzierung des umfänglichen Spiels, zu bevorzugen,
da keine negativen Auswirkungen auf die maximal möglichen
quell- und temperaturbedingten Ausdehnungen der Käfigsegmente
resultieren. Bei einem Käfigsegment mit Umfangsstegen kann
eine Reibschlussverbindung z. B. dadurch bewerkstelligt werden,
dass Kopplungsstege als Verlängerung der Umfangsstege vorgesehen
werden, wobei die Kopplungsstege Verrastungsausnehmungen aufweisen, die
gegen eine Seitenfläche des benachbarten Käfigsegments
drücken, d. h. bei Relativbewegung der zwei Käfigsegmente
Reibung verursachen.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform weist zumindest ein Käfigsegment
radial nach außen und/oder radial nach innen hervorstehende
Führungselemente zum Abstützen an einer Wälzlagerlaufbahn
auf. Das Käfigsegment ist somit in den restlichen Bereichen
radial gegenüber den Wälzlagerlaufbahnen zurückgenommen
und wird kontrolliert über das oder die Führungselemente
geführt. Die Führungselemente können
durch Führungsnoppen, Kufen etc. gebildet werden. Beispielsweise
können radial nach innen gerichtete Führungsnoppen
und radial nach außen gerichtete Führungsstege,
welche in Umfangsrichtung als Kufen ausgebildet sind, vorgesehen
werden.
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Gemäß einer
Ausführungsform weist zumindest ein Käfigsegment
eine oder mehrere Taschen zur Aufnahme von Wälzkörpern
auf.
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Gemäß einer
Ausführungsform bestehen die Käfigsegmente aus
Kunststoff, insbesondere Poly-Ether-Ether-Keton (PEEK). Möglich
sind auch allgemein thermoplastische Kunststoffe, insbesondere mit
einer Glas-/Kohle-/Aramidverstärkung.
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Gemäß einer
Ausführungsform sind die Käfigsegmente zur Aufnahme
von Kegelrollen ausgebildet.
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Die
Erfindung ist weiterhin auf ein Wälzlager mit einem Käfig
der oben beschriebenen Art gerichtet. Dabei werden Wälzkörper
durch die Käfigsegmente geführt. Das Wälzlager
kann weiterhin einen Außen- und/oder Innenring umfassen.
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Vorzugsweise
weist das Wälzlager eine Vorspannung auf. Dadurch wird
das umfängliche Verschieben der Wälzkörper
zueinander und damit auch das umfängliche Verschieben der
Käfigsegmente zueinander reduziert. Somit wird das Aufeinanderschlagen
benachbarter Käfigsegmente vermindert.
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Weitere
Vorteile und Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung
ergeben sich aus den beigefügten Zeichnungen. Darin zeigen:
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 eine
Ausführungsform eines erfindungsgemäßen
Käfigsegments eines Käfigs und
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2 eine
Detaildarstellung zweier ineinander greifender Käfigsegmente
nach 1.
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Detaillierte Beschreibung
der Zeichnung
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In
den 1 und 2 sind eine perspektivische
Darstellung eines Käfigsegments und eine Detaildarstellung
zweier ineinander greifender Käfigsegmente gezeigt. Ein
Wälzlager, umfassend mehrere solcher Käfigsegmente,
kann beispielsweise zur Abstützung eines Rotors einer Windkraftanlage
verwendet werden.
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Zum
Bilden eines Käfigs werden gleichartige Käfigsegmente 1 miteinander
verbunden, so dass ein geschlossener Ring entsteht, der den Käfig
für das Wälzlager bildet. Im Einzelnen weist das
Käfigsegment 1 einen inneren Um fangssteg 2 und
einen äußeren Umfangssteg 3 auf. Der
innere Umfangssteg 2 weist hier einen kleineren Krümmungsradius
auf als der äußere Umfangssteg 3. Die
einzuführenden Wälzkörper weisen hier
eine konische Form auf.
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Zwischen
dem inneren Umfangssteg 2 und dem äußeren
Umfangssteg 3 sind Verbindungsstege 4 angeordnet,
die im Wesentlichen einen gleichen Abstand zueinander aufweisen
und zwischen denen Taschen 5 ausgebildet sind, um jeweils
einen nicht dargestellten Wälzkörper aufzunehmen.
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Zur
Führung der Wälzkörper in den Taschen 5 weisen
die Verbindungsstege 4 Führungselemente 6 auf,
mit denen die Lage der Wälzkörper in den Taschen 5 gesichert
ist. An jedem Verbindungssteg 4 sind für jede
benachbarte Tasche 5 jeweils zwei Führungselemente 6 vorgesehen,
die bezüglich der Achsrichtung des durch die Käfigsegmente 1 zu
bildenden Käfigs in gleicher Richtung von den Verbindungsstegen 4 abstehen.
Daneben dienen die Führungselemente 6 auch als
Abstützelemente, um den Käfig, beispielsweise
im Falle einer temperaturbedingten Ausdehnung, gegenüber
der Laufbahn eines Außenrings abzustützen. In
einer bezüglich der Radialrichtung des Käfigs
gegenüberliegenden Seite der Verbindungsstege 4 ist
jeweils ein nicht dargestellter radialer Vorsprung vorgesehen, der
das Käfigsegmentes 1 im Bedarfsfall auf einer
(nicht gezeigten) Lauffläche des Innenrings abstützt.
Durch die Führungselemente 6 einerseits und die
radialen Vorsprünge andrerseits können ungewollte
Verschiebungen des Käfigs gegenüber den Wälzkörpern
verhindert werden. Bevorzugt ist der durch die Enden der Führungselemente 6 gebildete
Außenumfang geringer als der Umfang der (nicht gezeigten)
Innenringlaufbahn, um geringe Ausdehnungen des Käfigs zu
ermöglichen.
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Das
dargestellte Käfigsegment 1 weist vier Taschen 5 auf,
die durch fünf Verbindungsstege 4 gebildet sind.
Die beiden äußeren Verbindungsstege bilden gleichzeitig
Stirnseiten 9 des Käfigsegmentes 1, die
im zusammengesetzten Zustand Stirnseiten oder Stirnflächen
von weiteren Käfigsegmenten gegenüberliegen. Auf
den Stirnseiten 9 befinden sich Kontaktflächen 9a zum
Kontaktieren benachbarter Käfigsegmente 1. Im
Gegensatz zu den inneren Verbindungsstegen 4 weisen die äußeren
Verbindungsstege, da sie jeweils nur an eine Tasche angrenzen, jeweils
nur zwei Führungselemente 6 auf, um Wälzkörper
in der Tasche des jeweiligen Käfigsegmentes zu führen.
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Das
Käfigsegment 1 weist in dem gezeigten Ausführungsbeispiel
vier Taschen für Wälzkörper auf, es können
jedoch auch mehr oder weniger Taschen und bevorzugt Taschen für
2–10 Wälzkörper vorgesehen sein.
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An
einer ersten der Stirnseiten 9 des Käfigsegmentes 1 sind
zwei Kopplungsstege 10 vorgesehen, die eine Verlängerung
der Umfangsstege 2, 3 darstellen. Die Kopplungsstege 10 weisen
Verrastungsausnehmungen 19 auf, in welche Verrastungsvorsprünge 18 eines
weiteren Käfigsegments eingreifen können. Dabei
ragen die Verrastungsvorsprünge 18 in Längsrichtung
L des Käfigsegments jeweils nach außen.
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2 zeigt
eine Detaildarstellung zweier ineinander greifender Käfigsegmente.
Man erkennt, dass der Verrastungsvorsprung 18 innerhalb
der Verrastungsausnehmung 19 ein gewisses Spiel in Umfangsrichtung
des Käfigsegments aufweist um, wie eingangs erwähnt,
die thermisch bedingten Ausdehnungen aufnehmen zu können.
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Die
Geometrien der Kopplungsstege 10, Verrastungsausnehmungen 19 und
der Verrastungsvorsprünge 18 sind bevorzugt so
angepasst, dass die Verrastungsausnehmungen 19 und der
Verrastungsvorsprünge 18 gleitend aufgenommen
werden können. Diese Geometrien sind vorzugsweise so aufeinander
abgestimmt, dass in dem verrasteten, d. h. ineinander gesteckten
Zustand eine Spielpassung besteht, die ein Verschieben der Käfigsegmente 1 gegeneinander
in Umfangsrichtung des Käfigs um einen bestimmten Weg ermöglicht.
Die Spielpassung ist derart dimensioniert, dass die beim Betrieb
des Wälzlagers auftretenden Quell- und Temperaturausdehnungen
jedes Käfigsegmentes 1 aufgenommen werden. Erfindungsgemäß ist
die Spielpassung so dimensioniert, dass ein Spiel von größer
1% der Umfangslänge des Käfigsegments 1 besteht.
Insbesondere kann die Spielpassung zwischen 1% und 5%, vorzugsweise
zwischen 1,25% und 4%, weiter vorzugsweise zwischen 1,5% und 3%
der Länge des Käfigsegments in Umfangrichtung
betragen. Erfindungsgemäß beträgt bei
dieser Ausführungsform das Gesamtspiel zwischen allen Käfigsegmenten
in Umfangsrichtung zwischen 1,1% und 1,3% der Länge aller
Käfigsegmente in Umfangsrichtung.
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Durch
entsprechende Auslegung der Verrastungsausnehmungen 19 sowie
der Verrastungsvorsprünge 18 kann in das Kopplungselement
eine Reibschlussverbindung integriert werden. Insbesondere können
die Kopplungsstege 10 derart ausgestaltet sein, dass diese
seitlich auf eine Seitenwand 20 des benachbarten Käfigsegments
unter Vorspannung drücken. Diese wirkt bei einer umfänglichen
Bewegung der benachbarten Käfigsegmente als Dämpfung
bzw. Bremse. Dadurch werden die negativen Auswirkungen, die eine
Vergrößerung des Spiels zwischen benachbarten
Käfigsegmenten mit sich bringt, deutlich reduziert bzw.
vollkommen eliminiert. Insbesondere wird dadurch die bisher entstandene Geräuschbildung
durch das Aneinanderschlagen der Käfigsegmente reduziert.
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Das
Käfigsegment 1 ist vorzugsweise aus einem thermoplastischen
Kunststoff mit Glas-/Kohle-/Aramidfaserverstärkung gebildet.
Als Basiswerkstoff kann beispielsweise Poly-Ether-Ether-Keton mit einem
Fasergehalt zwischen 10 und 50 Gewichts-Prozent (vorzugsweise 15–25
Gewichts-Prozent) vorgesehen werden. Weitere Additive wie Zähmodifikatoren
und Alterungsschutzmittel können ebenfalls in dem Material
des Käfigsegmentes 1 vorgesehen sein.
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Der
durch die Käfigsegmente 1 gebildete Käfig
bzw. die Segmente können hinsichtlich der Führung
der Wälzkörper in unterschiedlicher Weise ausgeführt
sein, d. h. im Wesentlichen in beliebigen Kombination aus Innenring bordführung,
Außenringbordführung, Innenringlaufbahnführung,
Außenringlaufbahnführung und/oder Wälzkörperführung.
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- 1
- Käfigsegment
- 2
- Innerer
Umfangssteg
- 3
- Äußerer
Umfangssteg
- 4
- Verbindungssteg
- 5
- Tasche
- 6
- Führungselement
- 9
- Stirnseite
- 9a
- Kontaktfläche
- 10
- Kopplungssteg
- 18
- Verrastungsvorsprung
- 19
- Verrastungsausnehmung
- 20
- Seitenwand
- L
- Längsrichtung
des Käfigsegments
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 10246825
A1 [0003, 0003, 0003, 0004, 0007, 0008, 0014]
- - DE 102006022951 A1 [0008]