DE202018105816U1

DE202018105816U1 - Hochgeschwindigkeitskugellager und zugehöriger Kugelkäfig

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Publication number: DE202018105816U1
Application number: DE202018105816.9U
Authority: DE
Original assignee: TUNG PEI IND CO Ltd; Tung Pei Industrial Co ltd
Current assignee: TUNG PEI IND CO Ltd; Tung Pei Industrial Co ltd
Priority date: 2018-02-26
Filing date: 2018-10-11
Publication date: 2018-11-21
Anticipated expiration: 2028-10-12
Also published as: US10378583B1; TWM573802U; US20190264744A1

Abstract

Hochgeschwindigkeitskugellager (1), umfassend:- einen Außenring (10), dessen Innenumfangsfläche eine Außenring-Laufbahnfläche (11) und eine in der Richtung einer Mittelachse des Kugellagers (1) auf einer Seite ausgebildete Außenring-Schulter (12) aufweist, wobei der Durchmesser der Innenumfangsfläche der Außenring-Schulter (12) geringer als der Durchmesser der Innenumfangsfläche der Außenring-Laufbahnfläche (11) ist,- einen Innenring (20), dessen Außenumfangsfläche eine Innenring-Laufbahnfläche (21) aufweist,- mehrere Kugeln (30), die in gleichem Winkelabstand zueinander unter Ausbildung eines Rollkontakts zwischen der Außenring-Laufbahnfläche (11) und der Innenring-Laufbahnfläche (21) aufgenommen sind, und- einen Kugelkäfig (40), der sich zwischen der Innenumfangsfläche des Außenrings (10) und der Außenumfangsfläche des Innenrings (20) befindet und einen ersten Ringabschnitt (41) und einen zweiten Ringabschnitt (42), welche in der Richtung der Mittelachse des Kugellagers angeordnet sind, wobei der Durchmesser der Außenumfangsfläche des ersten Ringabschnitts (41) größer als der Durchmesser der Außenumfangsfläche des zweiten Ringabschnitts (42) und der Durchmesser der Innenumfangsfläche des ersten Ringabschnitts (41) größer oder gleich dem Durchmesser der Außenumfangsfläche des zweiten Ringabschnitts (42) ist, sowie mehrere Taschenbohrungen (43) aufweist, die in Umfangsrichtung des Kugelkäfigs (40) in gleichem Winkelabstand zueinander in dem Kugelkäfig (40) zwischen dem ersten Ringabschnitt (41) und dem zweiten Ringabschnitt (42) angeordnet und bezüglich ihres Durchmessers und ihrer Position auf die mehreren Kugeln (30) abgestimmt sind, um die mehreren Kugeln (30) aufzunehmen und es zu ermöglichen, dass die mehreren Kugeln (30) beim Rollen zwischen der Außenring-Laufbahnfläche (11) und der Innenring-Laufbahnfläche (21) in gleichem Winkelabstand zueinander gehalten werden, wobei sich die Außenumfangsfläche des ersten Ringabschnitts (41) des Kugelkäfigs (40) in der Nähe der Innenumfangsfläche der Außenring-Schulter (12) befindet, wobei der Spalt zwischen dem ersten Ringabschnitt (41) und der Innenumfangsfläche der Außenring-Schulter (12) als erster Spalt (G1) und der Spalt zwischen der Innenumfangsfläche jeder der Taschenbohrungen (43) und der zugeordneten Kugel (30) als zweiter Spalt (G2) definiert werden, wobei zwischen dem ersten Spalt (G1) und dem zweiten Spalt (G2) die Beziehung W2=(W1-r')xA besteht, in der W1 für die Breite des ersten Spalts (G1), W2 für die Breite des zweiten Spalts (G2), r' für die Ausdehnungsgröße eines Radius des Kugelkäfigs (40) beim Betrieb des Kugellagers mit einer vorbestimmten Drehzahl und A für einen Verstärkungsfaktor stehen, der bei einem Produkt DmN aus einem Teilkreisdurchmesser (DM) des Hochgeschwindigkeitskugellagers und einer vorbestimmten zulässigen Drehzahl N von 1 600 000 1,2 bis 1,5 beträgt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Hochgeschwindigkeitskugellager und einen zugehörigen Kugelkäfig, insbesondere ein Hochgeschwindigkeitskugellager zur Verwendung bei einer Hochgeschwindigkeitsdrehwelle und einen zugehörigen Kugelkäfig.
Dank der hohen Belastbarkeit, des geringen Reibungswiderstands, des geringen rotationsbedingten Seitenschlags und der hohen Steifigkeit der Kugellager kommen diese oft als Drehwellenabstützung in einem Hochgeschwindigkeitsrotationssystem zum Einsatz, um die von der Hochgeschwindigkeitsdrehung des Systems herbeigeführten erheblichen Temperaturerhöhungen und Abriebe zu verhindern.
Mit der schnellen Entwicklung des Maschinenwesens, der Luftfahrtindustrie usw. stellt es eine der heutigen Entwicklungstendenzen dar, die Drehzahl der Drehwelle eines Rotationssystems zu erhöhen und somit die Arbeitseffizienz zu steigern. Zudem werden aufgrund der Entwicklung der präzisen mechanischen Bearbeitungstechnik auch zunehmende Anforderungen an die Präzision der Drehwelle gestellt, was eine entsprechende ständige Verbesserung der Kugellager in Hinsicht auf ihre Hochgeschwindigkeitsleistung und Präzision erfordert.
Die Hochgeschwindigkeitsleistung und Präzision eines Kugellagers sind neben dem Werkstoff, aus dem das Lager besteht, und der Bearbeitungspräzision auch stark von der strukturellen Gestaltung des Lagers abhängig. Ein Kugellager besteht u.a. aus einem Außenring, einem Innenring, Kugeln und einem Kugelkäfig. Dabei dient der Kugelkäfig zur Trennung der einzelnen Kugeln voneinander, so dass diese in gleichem Winkelabstand zueinander zwischen den Kugellaufbahnen des Innenrings und des Außenrings angeordnet sein können. Der Kugelkäfig ist im Wesentlichen ringförmig aufgebaut und bildet in Umfangsrichtung mehrere in gleichem Winkelabstand zueinander angeordnete Taschenbohrungen zur Aufnahme der Kugeln aus. Damit die Kugeln in den Taschenbohrungen des Käfigs frei rollen können, muss der Durchmesser der Taschenbohrung des Käfigs größer als der Außendurchmesser der Kugel sein. Dies führt jedoch dazu, dass zwischen der Taschenbohrung des Kugelkäfigs und der zugeordneten Kugel ein Spalt verbleibt, der beim Betrieb des Kugellagers eine relative Verlagerung zwischen dem Kugelkäfig und der Kugel zulässt.
Bei den bei den bekannten Kugellagern eingesetzten Kugelkäfigen kommen vor allem zwei Führungsarten zur Verwendung. Zum einen ist die sogenannte Kugelführung zu nennen, bei der die für einen Hochgeschwindigkeitsbetrieb des Kugellagers notwendigen Anforderungen in der Regel nicht berücksichtigt werden, so dass es beim Betrieb des Kugellagers mit einer hohen Geschwindigkeit leicht zu Seitenschlägen und zur Störung der Kugeln kommt. Eine Alternative dazu stellt die Außenringführung dar, die bei hohen Geschwindigkeiten einen stabilen und gleichmäßigen Betrieb mit reduzierten Seitenschlägen gewährleisten und bei niedrigen Geschwindigkeiten jedoch zur Kollision von Käfig und Außenring führen kann. Von beiden Führungsarten sind also ein zunehmender Wiederstand beim Betrieb des Kugellagers und zusätzliche Schwingungen zu erwarten, wodurch die Betriebsstabilität und -genauigkeit des Kugellagers beeinträchtigt werden.
Daher strebt die Fachwelt eine verbesserte strukturelle Gestaltung an, mit der die oben erwähnten Nachteile der bestehenden Kugellager überwunden werden können.
Der vorliegenden Erfindung liegt vor allem die Aufgabe zugrunde, eine Ausgestaltung vorzuschlagen, welche die Kugelführung mit der Außenringführung kombiniert, um den Stand der Technik, bei dem es beim Hochgeschwindigkeitsbetrieb des jeweiligen Kugellagers leicht zu Seitenschlägen und damit verbundenen Schwingungen des Kugelkäfigs und beim Betrieb des Kugellagers mit einer niedrigen Geschwindigkeit zur ungewöhnlichen Kollision von Käfig und Außenring kommt, was insgesamt zu einem erhöhten Widerstand und zusätzlichen Schwingungen führen kann, zu verbessern.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung stellt ein Hochgeschwindigkeitskugellager bereit, das einen Außenring, dessen Innenumfangsfläche eine Außenring-Laufbahnfläche und eine in axialer Richtung auf einer Seite ausgebildete Außenring-Schulter aufweist, wobei der Durchmesser der Innenumfangsfläche der Außenring-Schulter geringer als der Durchmesser der Innenumfangsfläche der Außenring-Laufbahnfläche ist, einen Innenring, dessen Außenumfangsfläche eine Innenring-Laufbahnfläche aufweist, mehrere Kugel, die in gleichem Winkelabstand zueinander unter Ausbildung eines Rollkontakts zwischen der Außenring-Laufbahnfläche und der Innenring-Laufbahnfläche aufgenommen sind, und einen Kugelkäfig, der sich zwischen der Innenumfangsfläche des Außenrings und der Außenumfangsfläche des Innenrings befindet, umfasst. Der Kugelkäfig weist einen ersten Ringabschnitt und einen zweiten Ringabschnitt, welche in der Richtung einer Mittelachse des Kugellagers angeordnet sind, wobei der Durchmesser der Außenumfangsfläche des ersten Ringabschnitts größer als der Durchmesser der Außenumfangsfläche des zweiten Ringabschnitts und der Durchmesser der Innenumfangsfläche des ersten Ringabschnitts größer oder gleich dem Durchmesser der Außenumfangsfläche des zweiten Ringabschnitts ist, sowie mehrere Taschenbohrungen auf, die in Umfangsrichtung des Kugelkäfigs in gleichem Winkelabstand zueinander in dem Kugelkäfig zwischen dem ersten Ringabschnitt und dem zweiten Ringabschnitt angeordnet und bezüglich ihres Durchmessers und ihrer Position auf die mehreren Kugeln abgestimmt sind, um die mehreren Kugeln aufzunehmen und es zu ermöglichen, dass die mehreren Kugeln beim Rollen zwischen der Außenring-Laufbahnfläche und der Innenring-Laufbahnfläche in gleichem Winkelabstand zueinander gehalten werden. Dabei befindet sich die Außenumfangsfläche des ersten Ringabschnitts des Kugelkäfigs in der Nähe der Innenumfangsfläche der Außenring-Schulter, wobei der Spalt zwischen dem ersten Ringabschnitt und der Innenumfangsfläche der Außenring-Schulter als erster Spalt und der Spalt zwischen der Innenumfangsfläche jeder der Taschenbohrungen und der zugeordneten Kugel als zweiter Spalt definiert werden, wobei zwischen dem ersten Spalt und dem zweiten Spalt die Beziehung W2=(W1-r')xA besteht, in der W1 für die Breite des ersten Spalts, W2 für die Breite des zweiten Spalts, r' für die Ausdehnungsgröße eines Radius des Kugelkäfigs beim Betrieb des Kugellagers mit einer vorbestimmten Drehzahl und A für einen Verstärkungsfaktor stehen, der bei einem Produkt DmN aus einem Teilkreisdurchmesser DM des Hochgeschwindigkeitskugellagers und einer vorbestimmten zulässigen Drehzahl N von 1 600 000 1,2 bis 1,5 beträgt.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird jede der Taschenbohrungen durch eine auf der Seite des ersten Ringabschnitts angeordnete erste Einbuchtung und eine im zweiten Ringabschnitt angeordnete zweite Einbuchtung gebildet, welche erste Einbuchtung und welche zweite Einbuchtung mit ihren Innenumfangsflächen einander gegenüberliegen, wobei die Innenumfangsfläche der ersten Einbuchtung einen ersten sphärischen Abschnitt und die Innenumfangsfläche der zweiten Einbuchtung einen zweiten sphärischen Abschnitt ausbildet, wobei der erste sphärische Abschnitt und der zweite sphärische Abschnitt auf einer konzentrisch zum Mittelpunkt der Kugel angeordneten gedachten Sphäre liegen, deren Durchmesser größer als der Durchmesser der Kugel ist.
In einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung beträgt die Breite W2 des zweiten Spalts 0,3 bis 0,5 mm.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung sind der Kugelkäfig und die mehreren Kugeln beim Betrieb mit Schmierfett benetzt.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung beträgt der Verstärkungsfaktor 1,4.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist der Kugelkäfig 40 aus einem Harz- oder Nylonmaterial angefertigt.
Das Ausführungsbeispiel der Erfindung stellt ferner einen Kugelkäfig zur Verwendung bei dem oben beschriebenen Hochgeschwindigkeitskugellager bereit.
Mit der vorliegenden Erfindung können vorteilhafterweise die Störungen der Kugeln durch den Kugelkäfig beim Hochgeschwindigkeitsbetrieb wirksam reduziert und mögliche Seitenschläge des Kugelkäfigs verhindert werden, um die Betriebsstabilität des Kugellagers bei hohen Geschwindigkeiten zu erhöhen.
Zum besseren Verständnis der Merkmale und technischen Ausgestaltungen der Erfindung wird diese nachfolgend anhand der beiliegenden Abbildungen näher beschrieben. Die beigefügten Zeichnungen stellen keine Einschränkung der Erfindung dar, sondern dienen lediglich der Erläuterung der Erfindung.
Es zeigen

1 eine räumliche Zusammenbauzeichnung eines erfindungsgemäßen Hochgeschwindigkeitskugellagers,
2 einen Querschnitt durch das erfindungsgemäße Hochgeschwindigkeitskugellager in zusammengesetztem Zustand,
3 einen Längsschnitt durch das erfindungsgemäße Hochgeschwindigkeitskugellager in zusammengesetztem Zustand,
4 in räumlicher Darstellung einen bei der Erfindung verwendeten Kugelkäfig,
5 einen vergrößerten Teilschnitt durch eine Taschenbohrung des bei der Erfindung verwendeten Kugelkäfigs und
6 einen vergrößerten Teilschnitt durch das erfindungsgemäße Hochgeschwindigkeitskugellager zur Offenbarung der strukturellen Merkmale des bei der Erfindung verwendeten Kugelkäfigs.

Die vorliegende Erfindung stellt ein Hochgeschwindigkeitskugellager und einen zugehörigen Kugelkäfig bereit. Wie in 1 bis 3 dargestellt ist, umfasst das erfindungsgemäße Hochgeschwindigkeitskugellager 1 u.a. einen Außenring 10, einen Innenring, mehrere Kugeln 30 und einen Kugelkäfig 40.
Dabei hat der Außenring 10 die Form eines Kreisrings und verfügt über eine Innenumfangsfläche, die, wie in 3 erkennbar, eine Außenring-Laufbahnfläche 11 und eine Außenring-Schulter 12 aufweist. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Außenring-Schulter 12 in der Richtung der Längsachse an einem Seitenrand der Innenumfangsfläche des Außenrings 10 ausgebildet, wobei der Durchmesser der Innenumfangsfläche der Außenring-Schulter 12 geringer als der Durchmesser der Innenumfangsfläche des Außenrings 10 und der Außenring-Laufbahnfläche 11 ist.
Der Durchmesser der Außenumfangsfläche des Innenrings 20 ist geringer als der Durchmesser der Innenumfangsfläche der Außenring-Schulter 12. Die Außenumfangsfläche des Innenrings 20 bildet eine Innenring-Laufbahnfläche 21 aus, die der Außenring-Laufbahnfläche 11 gegenüberliegt, wobei die mehreren Kugeln 30 zwischen dem Außenring 10 und dem Innenring 20 angeordnet und unter Ausbildung eines Rollkontakts zwischen der Außenring-Laufbahnfläche 11 und der Innenring-Laufbahnfläche 21 aufgenommen sind. Der Kugelkäfig 40 befindet sich zwischen der Innenumfangsfläche des Außenrings 10 und der Außenumfangsfläche des Innenrings 20 und sorgt für eine Anordnung der mehreren Kugeln 30 in gleichem Winkelabstand zueinander zwischen der Außenring-Laufbahnfläche 11 und der Innenring-Laufbahnfläche 21.
Aus 4 und 5 wird ersichtlich, dass der erfindungsgemäße Kugelkäfig 40 vorzugsweise aus Harz oder Nylon angefertigt ist. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist der Kugelkäfig 40 im Wesentlichen ringförmig ausgebildet und weist einen ersten Ringabschnitt 41 und einen zweiten Ringabschnitt 42 auf, wobei der erste Ringabschnitt 41 und der zweite Ringabschnitt 42 in der Richtung der Längsachse des Kugellagers hintereinander angeordnet und miteinander verbunden sind. Weiterhin ist der Durchmesser der Außenumfangsfläche des ersten Ringabschnitts 41 größer als der Durchmesser der Außenumfangsfläche des zweiten Ringabschnitts 42 und der Durchmesser der Innenumfangsfläche des ersten Ringabschnitts 41 größer oder gleich dem Durchmesser der Außenumfangsfläche des zweiten Ringabschnitts 42. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel entspricht der Durchmesser der Innenumfangsfläche des ersten Ringabschnitts 41 dem Durchmesser der Außenumfangsfläche des zweiten Ringabschnitts 42, so dass die Innenumfangsfläche des ersten Ringabschnitts 41 und die Außenumfangsfläche des zweiten Ringabschnitts 42 ineinander übergehen.
In dem Kugelkäfig 40 sind mehrere in Umfangsrichtung in gleichem Winkelabstand zueinander angeordnete Taschenbohrungen 43 ausgebildet, deren Durchmesser und Positionen auf die mehreren Kugeln 30 abgestimmt sind und die jeweils zur rollenden Aufnahme einer der mehreren Kugeln 30 dienen. Auf diese Weise können die einzelnen Kugeln 30 in gleichem Winkelabstand zueinander rollend zwischen der Außenring-Laufbahnfläche 11 und der Innenring-Laufbahnfläche 21 gehalten werden.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel befinden sich die mehreren Taschenbohrungen 43 in dem Kugelkäfig 40 zwischen dem ersten Ringabschnitt und dem zweiten Ringabschnitt und werden jeweils durch eine auf der Seite des ersten Ringabschnitts 41 angeordnete erste Einbuchtung 431 und eine im zweiten Ringabschnitt 42 angeordnete zweite Einbuchtung 432 gebildet. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel liegen die erste Einbuchtung 431 und die zweite Einbuchtung 432 mit ihren Innenumfangsflächen einander gegenüber und definieren gemeinsam eine rundlochartige Taschenbohrung 43 zur Aufnahme einer Kugel.
Wie 5 zu entnehmen ist, bildet die Innenumfangsfläche der ersten Einbuchtung 431, vom Schnitt des Kugelkäfigs 40 her betrachtet, einen ersten sphärischen Abschnitt 433 und die Innenumfangsfläche der zweiten Einbuchtung 432 einen zweiten sphärischen Abschnitt 434 aus, wobei der erste sphärische Abschnitt 433 und der zweite sphärische Abschnitt 434 einander gegenüberliegen und auf einer gemeinsamen, konzentrisch zum Mittelpunkt der Kugel 30 angeordneten gedachten Sphäre P liegen. Hierbei ist der Durchmesser D1 der gedachten Sphäre P, auf der der erste sphärische Abschnitt 433 und der zweite sphärische Abschnitt 434 liegen, größer als der Durchmesser D2 der Kugel 30, so dass bei innerhalb der Taschenbohrung 43 aufgenommener Kugel 30 zwischen dem ersten sphärischen Abschnitt 433 und dem zweiten sphärischen Abschnitt 434 der Taschenbohrung 43 einerseits und der Kugel 30 andererseits ein Spalt aufrechterhalten werden kann, der ein ständiges Rollen der Kugel 30 innerhalb der Taschenbohrung 43 erlaubt.
Im zusammengebauten Zustand des erfindungsgemäßen Hochgeschwindigkeitskugellagers 1 gemäß 6 befindet sich die Außenumfangsfläche des ersten Ringabschnitts 41 des Kugelkäfigs 40 in der Nähe der Innenumfangsfläche der Außenring-Schulter 12 des Außenrings 10, wobei zwischen der Außenumfangsfläche des ersten Ringabschnitts 41 und der Innenumfangsfläche der Außenring-Schulter 12 ein erster Spalt G1 entsteht, während zwischen dem ersten sphärischen Abschnitt 433 und dem zweiten sphärischen Abschnitt 434 der Innenumfangsfläche der Taschenbohrung 43 des Kugelkäfigs 40 einerseits und der Kugel 30 andererseits ebenfalls ein zweiter Spalt G2 besteht. Hierbei sind der erste Spalt G1 und der zweite Spalt G2 in einem bestimmten Verhältnis zueinander dimensioniert, damit die gegenseitigen Störungen zwischen dem Kugelkäfig 40 und der Kugel 30 beim Betrieb des Kugellagers mit einer vorbestimmten zulässigen Drehzahl vermindert und die Schwingungen und Unwuchten des Kugelkäfigs 40 während eines Hochgeschwindigkeitsbetriebs reduziert werden können, um die Betriebsstabilität des erfindungsgemäßen Hochgeschwindigkeitskugellagers 1 bei hohen Geschwindigkeiten zu erhöhen.
Die Beziehung zwischen dem ersten Spalt G1 und dem zweiten Spalt G2 lässt sich erfindungsgemäß wie folgt ausdrücken: W2=(W1-r')xA. In dieser Beziehung stehen W1 für die Breite des ersten Spalts G1, W2 für die Breite des zweiten Spalts G2, r' für die Ausdehnungsgröße des Kugelkäfigs 40 beim Betrieb des Hochgeschwindigkeitskugellagers 1 mit einer vorbestimmten zulässigen Drehzahl N und A für einen Verstärkungsfaktor von 1,2 bis 1,5.
In der oben genannten Beziehung muss zunächst die Größe der Breite W2 des zweiten Spalts G2 festgelegt werden, wobei die Breite W2 des zweiten Spalts G2 vorzugsweise im Bereich von 0,3 bis 0,5 mm liegt. Während der Verwendung des erfindungsgemäßen Hochgeschwindigkeitskugellagers 1 kann eine Schmierung durch Benetzung mit Fett, mittels Sprühnebels oder in Form einer Öl-Luft-Schmierung vorgenommen werden, um sowohl den Kugelkäfig 40 als auch die mehreren Kugeln 30 mit Schmierfett zu benetzen. Dadurch, dass der zweite Spalt G2 des Hochgeschwindigkeitskugellagers 1 eine Breite W2 von 0,3 bis 0,5 mm hat, kann während der Hochgeschwindigkeitsrotation zwischen der Kugel 30 und der Innenumfangsfläche (d.h. dem ersten sphärischen Abschnitt 433 und dem zweiten sphärischen Abschnitt 434) der Taschenbohrung 43 des Kugelkäfigs 40 ein ausreichender Raum zur Lagerung des Schmierfetts gewährleistet werden, um einen direkten Kontakt mit der Taschenbohrung 43 des Kugelkäfigs 40 zu vermeiden und zudem eine durch das Schmierfett bewirkte Pufferwirkung zwischen der Innenumfangsfläche der Taschenbohrung 43 und der Kugel 30 zu erzielen.
Nachdem die Breite W2 des zweiten Spalts G2 festgelegt worden ist, soll der Wert der Ausdehnungsgröße r' festgelegt werden. Als Ausdehnungsgröße r' wird eine beim Betrieb des Kugelkäfigs 40 mit einer vorbestimmten zulässigen Drehzahl N durch die Zentrifugalkraft und die Schwingungen verursachte ausdehnende Verformung des Radius der Außenumfangsfläche des Kugelkäfigs 40 definiert. Die Ausdehnungsgröße r' kann anhand der Formel r'= (r2-r1) berechnet werden, wobei r1 für den ursprünglichen Radius des Kugelkäfigs 40 vor Betrieb und r2 für den Radius des Kugelkäfigs 40 beim Betrieb des Hochgeschwindigkeitskugellagers 1 mit einer vorbestimmten zulässigen Drehzahl N stehen.
An dieser Stelle wird besonders darauf hingewiesen, dass die vorbestimmte zulässige Drehzahl N eine maximal mögliche Betriebsdrehzahl des erfindungsgemäßen Kugellagers ist und sich mit einem Teilkreisdurchmesser DM (in 2 und 3 bezeichnet) des Kugellagers ändert. Bei dem erfindungsgemäßen Hochgeschwindigkeitskugellager 1 wird die Ausdehnungsgröße r' des Kugelkäfigs 40 bei einem Produkt DmN aus der vorbestimmten zulässigen Drehzahl N und dem Teilkreisdurchmesser DM von 1 600 000 berechnet. Das heißt, vor der Vermessung oder Berechnung der Ausdehnungsgröße r' kann zunächst anhand der Beziehung DmxN=1 600 000 ein Wertebereich der vorbestimmten zulässigen Drehzahl N ermittelt werden, um dann anhand des Wertebereiches der vorbestimmten zulässigen Drehzahl N die Ausdehnungsgröße r' zu messen oder zu berechnen.
Die Ausdehnungsgröße r' des Kugelkäfigs 40 lässt sich durch praktisches Messen oder mit Hilfe einer Computersimulation ermitteln. Soll die Ausdehnungsgröße r' durch tatsächliches Vermessen ermittelt werden, wird zunächst ein Prüfling für den Kugelkäfig 40 hergestellt und anschließend mit dem Außenring 10, dem Innenring 20 und den Kugeln 30 zu einem Prüfling des Hochgeschwindigkeitskugellagers 1 zusammengesetzt, um dann auf einem Prüfgerät einen beim Hochgeschwindigkeitsbetrieb auftretenden tatsächlichen Außendurchmesser des Prüflings des Kugelkäfigs 40 beim Betrieb des Hochgeschwindigkeitskugellagers 1 mit der vorbestimmten zulässigen Drehzahl N zu testen und einen beim Hochgeschwindigkeitsbetrieb auftretenden Radius r2 des Prüflings des Kugelkäfigs 40 durch Vermessen zu ermitteln. Durch Subtrahieren des ursprünglichen Radius r1 des Prüflings des Kugelkäfigs 40 kann dann die Ausdehnungsgröße r' erhalten werden.
Selbstverständlich lässt sich die Ausdehnungsgröße r' auch mit Hilfe einer Computersimulation ermitteln, wozu eine Simulationssoftware benutzt wird, in welche die näheren Abmessungen, das Materialgewicht, der Elastizitätskoeffizient des Kugelkäfigs 40 sowie der Durchmesser und die Anzahl der Kugeln 30 eingegeben werden, um eine beim Hochgeschwindigkeitsbetrieb mit der vorbestimmten zulässigen Drehzahl N entstehende Ausdehnungsgröße r' des Kugelkäfigs 40 zu errechnen.
Nachdem die Breite W2 des zweiten Spalts G2 festgelegt und die Ausdehnungsgröße r' des Kugelkäfigs 40 errechnet worden ist, kann anhand der Formel W2=(W1-r')xA die Breite W1 des ersten Spalts G1 zwischen der Außenumfangsfläche des Kugelkäfigs 40 und der Innenumfangsfläche der Außenring-Schulter 12 berechnet werden. Durch Subtrahieren der Breite W1 des ersten Spalts G1 von dem Durchmesser der Innenumfangsfläche der Außenring-Schulter 12 lässt sich dann der Durchmesser der Außenumfangsfläche des Kugelkäfigs 40 errechnen. In der Formel wird mit A ein Verstärkungsfaktor bezeichnet, der bei einem Produkt DmN aus der vorbestimmten zulässigen Drehzahl N und dem Teilkreisdurchmesser DM von 1 600 000 1,2 bis 1,5, vorzugsweise 1,4, beträgt.
Auf die oben beschriebene Weise werden der Durchmesser der Außenumfangsfläche des Kugelkäfigs 40 und die Breite des ersten Spalts G1 zwischen der Außenumfangsfläche des Kugelkäfigs und der Innenumfangsfläche der Außenring-Schulter 12 bestimmt, was es möglich macht, dass der Durchmesser der Außenumfangsfläche des Kugelkäfigs 40 eine optimale Größe erreicht, mit der ein dynamisches Gleichgewicht geschaffen werden kann.
Hierbei ist besonders anzumerken, dass unter dem sogenannten dynamischen Gleichgewicht des Kugelkäfigs 40 beim Hochgeschwindigkeitsbetrieb ein Zustand verstanden werden soll, in dem der Kugelkäfig 40 beim Drehen mit den Kugeln 30 während eines Betriebs des Kugellagers mit hoher Drehzahl schwebend zwischen der Innenumfangsfläche des Außenrings 10 und der Außenumfangsfläche des Innenrings 20 gehalten wird. Der erfindungsgemäße Kugelkäfig 40 kann deswegen in ein derartiges dynamisches Gleichgewicht gelangen, weil der Kugelkäfig 40 beim Drehen mit den Kugeln 30 um die Mittelachse des Kugellagers zwar zwischen der Innenumfangsfläche des Außenrings 10 in unbestimmte Richtungen springt. Mit der Erhöhung der Drehzahl des Kugellagers nehmen jedoch die Frequenz, mit der der Kugelkäfig 40 zwischen der Innenumfangsfläche des Außenrings 10 springt, und der Durchmesser der Außenumfangsfläche des Kugelkäfigs 40 zu, während die Breite des ersten Spalts G1 zwischen der Innenumfangsfläche der Außenring-Schulter 12 abnimmt, so dass der Kugelkäfig 40 dann, wenn das Kugellager eine hohe Drehzahl erreicht, zwischen der Innenumfangsfläche des Außenrings 10 mit einer hohen Frequenz springt. Dadurch wird ein stabiles Schweben des Kugelkäfigs 40 zwischen der Innenumfangsfläche des Außenrings 10 und der Außenumfangsfläche des Innenrings 20 ermöglicht und somit das dynamische Gleichgewicht hergestellt.
Bei dem erfindungsgemäßen Hochgeschwindigkeitskugellager 1 kann vorteilhafterweise beim Hochgeschwindigkeitsbetrieb des Hochgeschwindigkeitskugellagers 1 mit Hilfe eines speziell ausgebildeten Kugelkäfigs 40 ein ausreichender Raum zwischen der Innenumfangsfläche der Taschenbohrung 43 und den Kugeln 30 zur Lagerung von Schmierfett geschaffen werden. Ferner kann der Kugelkäfig 40 stabil schwebend zwischen der Innenumfangsfläche des Außenrings 10 und der Außenumfangsfläche des Innenrings 20 gehalten werden, wodurch die gegenseitigen Störungen zwischen dem Kugelkäfig 40 und den Kugeln 30 reduziert und mögliche Seitenschläge des Kugelkäfigs 40 verhindert werden, was zur Erhöhung der Betriebsstabilität des erfindungsgemäßen Hochgeschwindigkeitskugellagers 1 bei hohen Geschwindigkeiten beiträgt.
Das oben Beschriebene stellt keine Einschränkung der Patentansprüche der Erfindung dar, sondern dient lediglich der Darstellung möglicher bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung. Jede gleichwertige Abänderung, die aus der Beschreibung bzw. den Zeichnungen der Erfindung ableitbar ist, fällt daher in den Schutzumfang der Erfindung.
Bezugszeichenliste

1: Hochgeschwindigkeitskugellager
10: Außenring
11: Außenring-Laufbahnfläche
12: Außenring-Schulter
20: Innenring
21: Innenring-Laufbahnfläche
30: Kugel
40: Kugelkäfig
41: Erster Ringabschnitt
42: Zweiter Ringabschnitt
43: Taschenbohrung
431: Erste Einbuchtung
432: Zweite Einbuchtung
433: Erster sphärischer Abschnitt
434: Zweiter sphärischer Abschnitt
P: Gedachte Sphäre
G1: Erster Spalt
G2: Zweiter Spalt
D1: Durchmesser der gedachten Sphäre
D2: Kugeldurchmesser
Dm: Teilkreisdurchmesser

Claims

Hochgeschwindigkeitskugellager (1), umfassend: - einen Außenring (10), dessen Innenumfangsfläche eine Außenring-Laufbahnfläche (11) und eine in der Richtung einer Mittelachse des Kugellagers (1) auf einer Seite ausgebildete Außenring-Schulter (12) aufweist, wobei der Durchmesser der Innenumfangsfläche der Außenring-Schulter (12) geringer als der Durchmesser der Innenumfangsfläche der Außenring-Laufbahnfläche (11) ist, - einen Innenring (20), dessen Außenumfangsfläche eine Innenring-Laufbahnfläche (21) aufweist, - mehrere Kugeln (30), die in gleichem Winkelabstand zueinander unter Ausbildung eines Rollkontakts zwischen der Außenring-Laufbahnfläche (11) und der Innenring-Laufbahnfläche (21) aufgenommen sind, und - einen Kugelkäfig (40), der sich zwischen der Innenumfangsfläche des Außenrings (10) und der Außenumfangsfläche des Innenrings (20) befindet und einen ersten Ringabschnitt (41) und einen zweiten Ringabschnitt (42), welche in der Richtung der Mittelachse des Kugellagers angeordnet sind, wobei der Durchmesser der Außenumfangsfläche des ersten Ringabschnitts (41) größer als der Durchmesser der Außenumfangsfläche des zweiten Ringabschnitts (42) und der Durchmesser der Innenumfangsfläche des ersten Ringabschnitts (41) größer oder gleich dem Durchmesser der Außenumfangsfläche des zweiten Ringabschnitts (42) ist, sowie mehrere Taschenbohrungen (43) aufweist, die in Umfangsrichtung des Kugelkäfigs (40) in gleichem Winkelabstand zueinander in dem Kugelkäfig (40) zwischen dem ersten Ringabschnitt (41) und dem zweiten Ringabschnitt (42) angeordnet und bezüglich ihres Durchmessers und ihrer Position auf die mehreren Kugeln (30) abgestimmt sind, um die mehreren Kugeln (30) aufzunehmen und es zu ermöglichen, dass die mehreren Kugeln (30) beim Rollen zwischen der Außenring-Laufbahnfläche (11) und der Innenring-Laufbahnfläche (21) in gleichem Winkelabstand zueinander gehalten werden, wobei sich die Außenumfangsfläche des ersten Ringabschnitts (41) des Kugelkäfigs (40) in der Nähe der Innenumfangsfläche der Außenring-Schulter (12) befindet, wobei der Spalt zwischen dem ersten Ringabschnitt (41) und der Innenumfangsfläche der Außenring-Schulter (12) als erster Spalt (G1) und der Spalt zwischen der Innenumfangsfläche jeder der Taschenbohrungen (43) und der zugeordneten Kugel (30) als zweiter Spalt (G2) definiert werden, wobei zwischen dem ersten Spalt (G1) und dem zweiten Spalt (G2) die Beziehung W2=(W1-r')xA besteht, in der W1 für die Breite des ersten Spalts (G1), W2 für die Breite des zweiten Spalts (G2), r' für die Ausdehnungsgröße eines Radius des Kugelkäfigs (40) beim Betrieb des Kugellagers mit einer vorbestimmten Drehzahl und A für einen Verstärkungsfaktor stehen, der bei einem Produkt DmN aus einem Teilkreisdurchmesser (DM) des Hochgeschwindigkeitskugellagers und einer vorbestimmten zulässigen Drehzahl N von 1 600 000 1,2 bis 1,5 beträgt.
Hochgeschwindigkeitskugellager nach Anspruch 1, bei dem jede der Taschenbohrungen (43) durch eine auf der Seite des ersten Ringabschnitts (41) angeordnete erste Einbuchtung (431) und eine im zweiten Ringabschnitt (42) angeordnete zweite Einbuchtung (432) gebildet wird, welche erste Einbuchtung (431) und welche zweite Einbuchtung (432) mit ihren Innenumfangsflächen einander gegenüberliegen, wobei die Innenumfangsfläche der ersten Einbuchtung (431) einen ersten sphärischen Abschnitt (433) und die Innenumfangsfläche der zweiten Einbuchtung (432) einen zweiten sphärischen Abschnitt (434) ausbildet, wobei der erste sphärische Abschnitt (433) und der zweite sphärische Abschnitt (434) auf einer konzentrisch zum Mittelpunkt der Kugel (30) angeordneten gedachten Sphäre (P) liegen, deren Durchmesser größer als der Durchmesser der Kugel (30) ist.
Hochgeschwindigkeitskugellager nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Breite W2 des zweiten Spalts (G2) 0,3 bis 0,5 mm beträgt.
Hochgeschwindigkeitskugellager nach Anspruch 3, bei dem der Kugelkäfig (40) und die mehreren Kugeln (30) beim Betrieb mit Schmierfett benetzt sind.
Hochgeschwindigkeitskugellager nach Anspruch 3 oder 4, bei dem der Verstärkungsfaktor 1,4 beträgt.
Hochgeschwindigkeitskugellager nach einem der Ansprüche 3 bis 5, bei dem es sich bei dem Kugelkäfig (40) um einen aus einem Harz- oder Nylonmaterial angefertigten Kugelkäfig handelt.
Kugelkäfig (40) zum Einbau in ein Kugellager (1), das einen Außenring (10), dessen Innenumfangsfläche eine Außenring-Laufbahnfläche (11) und eine in axialer Richtung an einem Seitenrand ausgebildete Außenring-Schulter (12) aufweist, wobei der Durchmesser der Innenumfangsfläche der Außenring-Schulter (12) geringer als der Durchmesser der Innenumfangsfläche der Außenring-Laufbahnfläche (11) ist, einen Innenring (20), dessen Außenumfangsfläche eine Innenring-Laufbahnfläche (21) aufweist, und mehrere Kugeln (30) aufweist, die in gleichem Winkelabstand zueinander unter Ausbildung eines Rollkontakts zwischen der Außenring-Laufbahnfläche (11) und der Innenring-Laufbahnfläche (21) aufgenommen sind, wobei der Kugelkäfig (40) Folgendes aufweist: - einen ersten Ringabschnitt (41) und einen zweiten Ringabschnitt (42), welche in der Richtung einer Mittelachse des Kugellagers angeordnet sind, wobei der Durchmesser der Außenumfangsfläche des ersten Ringabschnitts (41) größer als der Durchmesser der Außenumfangsfläche des zweiten Ringabschnitts (42) und der Durchmesser der Innenumfangsfläche des ersten Ringabschnitts (41) größer oder gleich dem Durchmesser der Außenumfangsfläche des zweiten Ringabschnitts (42) ist, und - mehrere Taschenbohrungen (43), die in Umfangsrichtung des Kugelkäfigs (40) in gleichem Winkelabstand zueinander in dem Kugelkäfig (40) zwischen dem ersten Ringabschnitt (41) und dem zweiten Ringabschnitt (42) angeordnet und bezüglich ihres Durchmessers und ihrer Position auf die mehreren Kugeln (30) abgestimmt sind, um die mehreren Kugeln (30) aufzunehmen und es zu ermöglichen, dass die mehreren Kugeln (30) beim Rollen zwischen der Außenring-Laufbahnfläche (11) und der Innenring-Laufbahnfläche (21) in gleichem Winkelabstand zueinander gehalten werden, wobei sich die Außenumfangsfläche des ersten Ringabschnitts (41) des Kugelkäfigs (40) in der Nähe der Innenumfangsfläche der Außenring-Schulter (12) befindet, wobei der Spalt zwischen dem ersten Ringabschnitt (41) und der Innenumfangsfläche der Außenring-Schulter (12) als erster Spalt (G1) und der Spalt zwischen der Innenumfangsfläche jeder der Taschenbohrungen (43) und der zugeordneten Kugel (30) als zweiter Spalt (G2) definiert werden, wobei zwischen dem ersten Spalt (G1) und dem zweiten Spalt (G2) die Beziehung W2=(W1-r')xA besteht, in der W1 für die Breite des ersten Spalts (G1), W2 für die Breite des zweiten Spalts (G2), r' für die Ausdehnungsgröße des Kugelkäfigs (40) beim Betrieb des Kugellagers (1) mit einer vorbestimmten Drehzahl und A für einen Verstärkungsfaktor stehen, der bei einem Produkt DmN aus einem Teilkreisdurchmesser (DM) des Hochgeschwindigkeitskugellagers (1) und einer vorbestimmten zulässigen Drehzahl N von 1 600 000 1,2 bis 1,5 beträgt.
Kugelkäfig nach Anspruch 7, bei dem jede der Taschenbohrungen (43) durch eine auf der Seite des ersten Ringabschnitts (41) angeordnete erste Einbuchtung (431) und eine im zweiten Ringabschnitt (42) angeordnete zweite Einbuchtung (432) gebildet wird, wobei der Innenumfangsrand der ersten Einbuchtung (431) und die Innenumfangsfläche der zweiten Einbuchtung (432) einander gegenüberliegen, wobei die Innenumfangsfläche der ersten Einbuchtung (431) einen ersten sphärischen Abschnitt (433) und die Innenumfangsfläche der zweiten Einbuchtung (432) einen zweiten sphärischen Abschnitt (434) ausbildet, wobei der erste sphärische Abschnitt (433) und der zweite sphärische Abschnitt (434) auf einer konzentrisch zum Mittelpunkt der Kugel (30) angeordneten gedachten Sphäre (P) liegen.
Kugelkäfig nach Anspruch 7 oder 8, bei dem die Breite W2 des zweiten Spalts (G2) 0,3 bis 0,5 mm beträgt.
Kugelkäfig nach Anspruch 8 oder 9, bei dem der Verstärkungsfaktor 1,4 beträgt.
Kugelkäfig nach einem der Ansprüche 8 bis 10, bei dem es sich bei dem Kugelkäfig (40) um einen aus einem Harz- oder Nylonmaterial angefertigten Kugelkäfig (40) handelt.