DE4411287C2 - Lager - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft generell Lager und insbesondere Lager mit inneren und äußeren Laufringen, die durch eine Vielzahl von Kugeln oder anderen Wälz- oder Rollelementen getrennt sind. Insbesondere handelt es sich um zusammengesetzte Lager.

Kugellager weisen typischerweise innere und äußere Laufringe auf, wobei die Laufringe jeweils mit einer entgegengesetzten, ringförmigen Rollbahn ausge­ bildet sind, in der Kugelelemente für eine relative Rollbewegung lokalisiert sind. Ringförmige Dichtungen sind zwischen den inneren und äußeren Lauf­ ringen auf deren gegenüberliegenden axialen Seiten zur Begrenzung einer inneren, ringförmigen Kammer fixiert, in der die Kugeln angeordnet sind und in der Schmiermittel eingeschlossen ist. Es ist erwünscht, daß ein solches Lager eine lange Standzeit oder Lebensdauer hat, da ein Versagen des Lagers ein kostspieliges Zerlegen und eine kostspielige Reparatur der Maschine oder Vor­ richtung erfordert, in der das Lager verwendet wird. Ausgedehnte Benutzung solcher Lager führt dennoch zu einem Lagerversagen. Obwohl die Ursachen noch nicht vollständig verstanden sind, wird oft als Grund für das Versagen das Unvermögen angenommen, die sich relativ bewegenden Lagerteile in einem adäquat geschmierten Zustand zu halten, was in einer Überhitzung und mechanischen Deformation und Beschädigung resultiert. Folglich besteht ein Bedarf an Kugel- und ähnlichen Rollagern (Wälzlagern) mit verbesserter Standzeit.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Kugel- oder ähn­ liches Rollager mit verbesserter Standzeit zu schaffen, das für ein effektiveres Beibehalten der sich relativ bewegenden Lagerteile in einem adäquat ge­ schmierten Zustand zur Verhinderung von Überhitzung, mechanischer Defor­ mation und Beschädigung angepaßt ist, das eine relativ einfache Konstruktion aufweist und das sich für eine ökonomische Herstellung und zuverlässige, aus­ gedehnte Benutzung eignet.

Die US 5 002 406 offenbart in Fig. 2 ein Rollenlager mit einem inneren und einem hierzu koaxial angeordneten äußeren Lagerring, welche mit Laufbahnen für zwischen den Laufringen angeordnete Rollelemente in Form von Rollen sowie mit Seitenflächen versehen sind, die sich beidseits der Laufbahnen axial auswärts erstrecken; ferner sind ringförmige Dichtungsmittel zwischen den Lagerringen auf einander gegenüberliegenden axialen Seiten der Lagerringe vorgesehen, wobei die Seitenflächen und die Dichtungsmittel auf einander axial gegenüberliegenden Seiten der Rollelemente Schmiermittel aufnehmende ringförmige Kammern definieren. Zwischen den axial ausgerichteten Seiten­ flächen und den Rollelementen bilden die Laufbahnen des äußeren Lagerrings ringförmige Flächenabschnitte, welche sich von den Rollelementen in axialer Richtung der Lagerringe ungefähr konisch zulaufend erstrecken, im Schnitt bilden die Laufbahnen des äußeren Lagerrings jedoch eine einem flachen Kreisbogen entsprechende Kontur. Bei diesem bekannten Lager hat der äußere Lagerring an seinem Innenumfang also drei Flächen, nämlich eine Laufbahn für die Rollelemente sowie zwei axial außenseitige Seitenflächen, bei denen es sich um zur Lagerachse konzentrische Kreiszylinderflächen handelt.

Ausgehend von einem solchen Lager mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 wird die vorstehend erwähnte Aufgabe erfindungsgemäß durch die Merkmale des Kennzeichens des Anspruchs 1 gelöst.

Aus der US 3 096 129 ergibt sich ein Kugellager mit einem inneren und einem hierzu koaxial angeordneten äußeren Lagerring, wobei die Laufbahn der als Kugeln gestalteten Rollelemente durch eine im Querschnitt kreisbogen­ förmig gestaltete Fläche des äußeren Lagerrings definiert wird. An diese im Querschnitt kreisbogenförmige Fläche schließen sich auf einander axial gegen­ überliegenden Seiten der Rollelemente axial auswärts erstreckende, bezüglich der Lagerachse konisch zulaufende Seitenflächen des äußeren Lagerrings sowie in diesem gehaltene scheibenförmige seitliche Schutzringe an, welche mit zentralen Öffnungen in einem geringen radialen Abstand vom inneren Lagerring enden und dadurch eine Schmiermittelleckage verhindern sollen. Zwischen den Rollelementen und diesen Schutzringen ist noch ein Kugelkäfig für die Rollelemente angeordnete.

Merkmale vorteilhafter Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen 2 bis 7.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen noch näher erläutert; es zeigen:

Fig. 1 einen vertikalen Schnitt eines konventionellen Kugellagers;

Fig. 2 eine perspektivische Ansicht einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Lagers, wobei in dieser Ansicht ein Abschnitt weggebrochen wurde;

Fig. 3 einen vergrößerten, unvollständigen Schnitt des in Fig. 2 gezeigten Lagers;

Fig. 4 eine Abwicklung eines Abschnitts des in den Fig. 2 und 3 gezeigten Lagers;

Fig. 5 einen Teilschnitt ähnlich der Fig. 3, der aber eine zweite Aus­ führungsform des erfindungsgemäßen Lagers zeigt, und

Fig. 6 einen Teilschnitt ähnlich der Fig. 3 durch eine dritte Aus­ führungsform des erfindungsgemäßen Lagers.

Fig. 1 der Zeichnung zeigt ein konventionelles Rollelemente-Lager 10 des Kugeltyps, also ein Kugellager, zu dem die vorliegende Erfindung eine Ver­ besserung darstellt. Das Lager 10 weist einen inneren und einen äußeren Lagerring 11, 12 auf, die eine Menge von Lagerkugeln 14 dazwischen gefangen halten. Der innere und der äußere Lager- bzw. Laufring 11, 12 sind mit ent­ gegengesetzt gekrümmten Lauf- bzw. Rollbahnen 15, 16 ausgebildet, in denen die Kugeln 14 zur relativen Roll- bzw. Wälzbewegung lokalisiert sind. Der innere und der äußere Lagerring 11, 12 sind mit jeweiligen Seitenflächen (lands) 18, 19 ausgebildet, die sich auswärts auf entgegengesetzten axialen Seiten der Rollbahnen 15, 16 erstrecken und zwischen denen scheibenförmige Dichtungsringe 20 eingefügt sind. Zur Festlegung der Dichtungsringe 20 sind die Seitenflächen 18, 19 mit ringförmigen Nuten 21, 22 ausgebildet, um innere und äußere periphere Kanten der Dichtungsringe 20 jeweils zu halten. Zur Vereinfachung der Sicherung der Dichtungsringe in der montierten Position sind die inneren und äußeren peripheren Abschnitte jedes Dichtungsrings 20 mit einem jeweils nach auswärts konisch verlaufenden Sicherungsflansch 24 zum Eingriff in eine auswärts exponierte zylindrische Nase (Zylinderabschnitt) 25, 26 des jeweiligen Lagerrings 11, 12 ausgebildet. Die Seitenflächen 18, 19, die sich axial auswärts von den Rollbahnen 15, 16 in paralleler Relation zu der Achse der Lagerringe 11, 12 erstrecken, begrenzen zusammen mit den Dich­ tungsscheiben 20, Kammern 28 auf entgegengesetzten Seiten der Kugeln 14 zum Aufnehmen und Zurückhalten von Schmiermittel und zum Ausschließen von äußeren Kontaminationsmitteln. Trotz einer solchen Schmierung, wie oben angedeutet, sind Lager dieses Typs noch anfällig, bei einer ausgedehnten Be­ nutzung zu versagen, was in teuren Reparaturen der Maschine oder Vorrich­ tung, in der das Lager enthalten ist, resultieren kann.

Eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Lagers 50 ist in den Fig. 2 bis 4 gezeigt und verwendet Dichtungsmittel auf entgegengesetzten axialen Seiten eines inneren und eines äußeren, Rollbahnen bildenden Laufrings 51 bzw. 52. Hierbei weist jedes Dichtungsmittel innere und äußere Halter oder Ringe 53 und 54 auf, die ein Dichtungselement 55 festlegen, das einen rechteckigen Querschnitt aufweist und aus Filz, Gummi oder einem anderen flexiblen Dichtungsmaterial hergestellt ist. Jeder innere Ring 53 ist generell L-förmig im Querschnitt ausgebildet und umfaßt einen Flansch 56, der am inneren Laufring 51 befestigt ist. Ein zweiter Flansch 57 ist einstückig mit dem Flansch 56 ausgebildet und erstreckt sich entlang der äußeren Seite des anliegenden Dichtungselements 55.

Jeder äußere Haltering 54 ist generell Z-förmig im Querschnitt ausgebildet und umfaßt einen ersten Flansch 58, der sich entlang der äußeren Seite des äuße­ ren Laufrings 52 erstreckt und an dieser befestigt ist. Ein anderer Flansch 59 erstreckt sich entlang der inneren Seite des Dichtungselements 55. Die zwei Flansche 58 und 59 sind einstückig durch einen Schenkel 60 (Hohlzylinderabschnitt) miteinander verbunden, der sich im wesentlichen parallel zu der Achse der inneren und äußeren Laufringe 51 und 52 erstreckt und zwischen der Seitenfläche 64 des äußeren Laufrings und der äußeren Peripherie des Dichtungselements geschichtet oder eingeklemmt ist.

Erfindungsgemäß ist jede Seitenfläche 64 des äußeren Laufrings 52 des Lagers 50 der Ausführungsform nach den Fig. 2 bis 4 nicht nur mit einem konisch zulaufenden Abschnitt 64A, sondern auch mit einem (im Schnitt) geraden außenseitigen Abschnitt 64B ausgebildet, der sich parallel zu der Achse der inneren und äußeren Laufringe 51 und 52 und daher parallel zum anliegenden Schenkel 60 des Halterings 54 erstreckt. Dies hat zur Folge, daß der Schenkel 60 Fläche auf Fläche an dem geraden Abschnitt 64B der Seitenfläche 64 an­ liegt, um einen soliden und stabilen Sitz für den Schenkel vorzusehen und das zu erwartende Durchsickern des Schmiermittels durch die Grenzfläche zwischen dem Schenkel und dem geraden Abschnitt zu reduzieren. Obwohl der Abschnitt 64B jeder Seitenfläche 64 parallel zu der Achse der Laufringe 51 und 52 verläuft, läuft der Abschnitt 64A mit einem Winkel von etwa 10° relativ zur Lagerachse konisch zu. Somit tragen die konischen Seitenflächenabschnitte 64A dazu bei, einen Wiederumlauf des Schmiermittels zu erleichtern. Gleich­ zeitig bilden die geraden Abschnitte 64B Paßsitze für die Schenkel 60 der Ringe 54.

Das Lager 50 nach den Fig. 2 bis 4 umfaßt auch einen Käfig 65 (Fig. 4), der die Kugeln 66 in Umfangsrichtung beabstandet zueinander hält und der die Kugeln axial einschließt. In diesem Fall weist der Käfig ein Paar ringförmiger Halteelemente oder Scheiben 67 auf, die an entgegengesetzten axialen Seiten der Kugeln 66 angeordnet sind und dem axialen Einschließen der Kugeln dienen. Zwischen aufeinanderfolgenden Kugeln ist jede Scheibe so nach innen verformt, daß eine Vertiefung 68 gebildet wird, um die Kugeln in Umfangs­ richtung beabstandet zu halten. Während einer relativen Rotation der Laufringe 51 und 52 treibt oder schwimmt der Käfig radial zwischen den Laufringen.

Eine andere Version eines Lagers 70 ist in Fig. 5 gezeigt, und in diesem Fall umfaßt jede Seitenfläche 74 des äußeren Lagerrings 72 einen generell konisch zulaufenden innenseitigen Abschnitt 74A und einen (im Schnitt) geraden außenseitigen Abschnitt 74B. Wie bei der Ausführungsform nach den Fig. 2 bis 4 definiert der gerade außenseitige Abschnitt einen Paßsitz für den Schenkel 60 des Halterings 54.

Obwohl der konische Abschnitt 74A jeder Seitenfläche 74 des Lagers 70 ge­ mäß Fig. 5 generell konisch verläuft, ist er auch mit einer konvex gekrümm­ ten Kontur ausgebildet. Bei dem Lager nach Fig. 5 verläuft die Krümmung relativ allmählich, und eine Tangente 76 an die gekrümmte Kontur des Seiten­ flächenabschnitts 74A ist mit einem Winkel α von etwa 10° relativ zu dem geraden außenseitigen Abschnitt 74B geneigt. Die gekrümmte Kontur führt zu einem glatteren, sanfteren Übergang zwischen dem konischen und dem geraden Abschnitt 74A und 74B.

Eine weitere Version eines Lagers 80 ist in Fig. 6 gezeigt, und wie das Lager 70 nach Fig. 5 umfaßt jede Seitenfläche 84 des äußeren Lagerrings 82 einen geraden außenseitigen Abschnitt 84B und einen generell konisch verlaufenden innenseitigen Abschnitt 84A, der mit einer konvex gekrümmten Kontur ausge­ bildet ist. Die gekrümmte Kontur des innenseitigen Abschnitts 84A jeder Seitenfläche 84 ist jedoch wesentlich steiler als die gekrümmte Kontur des innenseitigen Abschnitts 84A jeder Seitenfläche 74 des Lagers 70. Wie in Fig. 6 gezeigt, ist eine Tangente 86 an die gekrümmte Kontur des innenseitigen Abschnitts 84A jeder Seitenfläche 84 mit einem Winkel β von etwa 25° relativ zu dem angrenzenden außenseitigen geraden Abschnitt 84B geneigt. Bei dieser Anordnung sind die Haltescheiben 67 des Käfigs 65 axial auswärts zu den konisch verlaufenden Abschnitten 84A der Seitenflächen 84 beabstandet und die äußere Peripherie der Scheiben 67 ist gegenüberliegend den geraden außenseitigen Abschnitten 84B lokalisiert. Dies hat zur Folge, daß, wenn sich der Käfig 65 radial nach außen bewegt (schwimmt), die äußere Peripherie der Scheiben 67 mit den ähnlich geformten und konzentrischen außenseitigen Seitenflächenabschnitten 84B in Eingriff kommt (an diese anstößt und ent­ langgleitet), und an diese besser als bei einem Eingriff an eine geneigte oder gekrümmte Oberfläche angepaßt ist. Somit wird eine Abnutzung, ein Fressen oder dergleichen, das vom Eingriff des Käfigs mit den Seitenflächen resultiert, reduziert.

Aus dem Vorangehenden ist offensichtlich, daß die Ausführungen nach den Fig. 2 bis 6 Seitenflächen aufweisen, die insbesondere gut an eine Be­ nutzung mit Dichtungsmitteln angepaßt sind, die einen äußeren Haltering 54 mit einem (im Schnitt) geraden Zwischenschenkel 60 aufweisen. Auch bilden die gekrümmten Konturen der Seitenflächen der Ausführungsformen nach den Fig. 5 und 6 einen glatten, weichen Übergang zu den geraden außenseiti­ gen Abschnitten. In der Ausführungsform nach Fig. 6 sind die gekrümmten Abschnitte 84A in einem solchen Maße innenseitig angeordnet, daß die äußere Peripherie der Scheiben 67 an ähnlich geformten Oberflächen gleitet, die durch die geraden außenseitigen Seitenflächenabschnitte 84B definiert sind.

Obwohl die Theorie der Arbeitsweise noch nicht vollständig verstanden ist, ist anzunehmen, daß die konischen Abschnitte 64A dazu beitragen, einen Wieder­ umlauf des innerhalb des durch die Ringe 53, 54 und das Dichtelement 55 ab­ gedichteten abgeteilten Raums enthaltenen Schmiermittels dadurch zu er­ leichtern, daß eine Umleitung des Schmiermittels auf die Kugeln 66 unterstützt wird. Eine solche Zirkulationsbewegung des Schmiermittels unter dem Einfluß der Schwerkraft und/oder von Zentrifugalkräften, die durch die relative Be­ wegung der Lagerteile verursacht werden, wird dementsprechend gesteigert, wie sich die Temperatur des Schmiermittels als eine Folge eines andauernden Betriebes erhöht, wodurch weiter die Fähigkeit des Schmiermittels, die sich relativ bewegenden Lagerteile in einem ausreichend geschmierten Zustand zur Verhinderung einer mechanischen Beschädigung und einem Lagerversagen zu halten, gesteigert wird.

Vergleichstests zwischen konventionellen Lagern des Typs, wie in Fig. 1 ge­ zeigt, und gleichartig ausgebildeten Lagern mit konisch zulaufenden äußeren Seitenflächen gemäß der vorliegenden Erfindung haben eine deutlich erhöhte Standzeit der letztgenannten Lager gezeigt. In einem Test mit acht Lagern von jedem Typ unter gleichen Betriebsbedingungen vergleicht die folgende Tabelle die Lager in jeder Gruppe in der Reihenfolge ihrer Lebensdauer oder Standzeit während des Tests. Der L-10-Lebensdauerwert repräsentiert die Anzahl der Stunden, die 90% der Lager jeder Gruppe überstanden haben. Es ist zu er­ kennen, daß der L-10-Lebensdauerwert für die Lager mit konisch zulaufenden Flächen 830 Stunden gegenüber 389 Stunden für die konventionellen Lager beträgt. Die mittlere Lebensdauer (L-AVG) betrug für die Lager mit den konisch zulaufenden Seitenflächen 17.838 Stunden gegenüber einer mittleren Lebensdauer von 6.975 Stunden für die konventionellen Lager.

Folglich ist zu erkennen, daß die Lager nach der vorliegenden Erfindung eine wesentlich erhöhte Lebensdauer oder Standzeit gegenüber konventionellen Lagern haben. Außerdem sind solche Lager relativ einfach in der Konstruktion und eignen sich für eine ökonomische Herstellung und eine sichere langfristige Benutzung. Obwohl hier ein erfindungsgemäßes Kugellager gezeigt und be­ schrieben wurde, ist die Erfindung auch auf andere Typen von Lagern, wie Wälzlager allgemein, Zylinderrollenlager oder Nadellager, anwendbar.

Es wird also ein Lager mit koaxialen inneren und äußeren Lagerringen, einer Vielzahl von Rollelementen, die zwischen jeweiligen Rollbahnen in dem inneren und äußeren Laufring laufen, und mit ringförmigen Dichtungselementen vorge­ schlagen, die zwischen dem inneren und äußeren Laufring zur Begrenzung ringförmiger, Schmiermittel enthaltender Kammern auf entgegengesetzten axialen Seiten der Rollelemente angeordnet sind. Zur Erleichterung der Zirku­ lation des Schmiermittels zwischen bewegenden Teilen während der Be­ nutzung des Lagers ist der äußere Lagerring mit Seitenflächen ausgebildet, die sich von der Laufbahn mit einem leicht radial nach innen gerichteten Konus relativ zur Lagerachse axial nach auswärts erstrecken. In einigen Ausfüh­ rungsformen sind die konisch zulaufenden Seitenflächen mit einer konvex gekrümmten Kontur versehen.

Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist, daß aufgrund der geneigten Seiten­ flächen bzw. Flanken neben der Rollbahn des in den Ausführungsbeispielen äußeren Lagerrings die axiale Breite der Rollbahn des äußeren Lagerrings geringer als die des inneren Lagerrings ist. Dies hat zur Folge, daß die Kugeln in den Bereichen der reduzierten äußeren Rollbahn Schmiermittel an ihrer Oberfläche aufnehmen und auf der inneren Rollbahn abrollen. So verteilt sich das Schmiermittel besonders gut auf der inneren und durch die abrollenden Kugeln dann auch auf der äußeren Abrollfläche, so daß die Schmierung ins­ gesamt verbessert wird.

Claims (7)

1. Lager mit einem inneren und einem äußeren Lagerring, die koaxial zu­ einander für eine relative Rotationsbewegung angeordnet sind, mit einer Vielzahl von zwischen den Lagerringen angeordneten Rollelementen, wobei an den Lagerringen Seitenflächen ausgebildet sind, welche sich beidseits der Laufbahn der Rollelemente axial auswärts erstrecken, und mit ringförmigen Dichtungsmitteln zwischen den Lagerringen auf ein­ ander axial gegenüberliegenden Seiten der Lagerringe, wobei die Seiten­ flächen und die Dichtungsmittel auf einander axial gegenüberliegenden Seiten der Rollelemente Schmiermittel aufnehmende ringförmige Kammern definieren und die Seitenflächen des äußeren Lagerrings an die Laufbahn der Rollelemente angrenzende innenseitige Abschnitte auf­ weisen, welche sich von den Rollelementen in bezüglich der Achse der Lagerringe generell konisch zulaufender Relation erstrecken, dadurch gekennzeichnet, daß die Seitenflächen (64) des äußeren Lagerrings (52) axial außenseitige Abschnitte (64B) aufweisen, welche absatzlos in die innenseitigen Abschnitte (64A) übergehen und sich im wesentlichen parallel zur Achse der Lagerringe (51, 52) erstrecken.

2. Lager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtungs­ mittel (53, 54, 55) Halteringe (53, 54) aufweisen, die jeweils eine im wesentlichen gerade Oberfläche besitzen, welche sich im wesentlichen parallel zur Achse der Lagerringe (51, 52) erstreckt, wobei diese geraden Oberflächen Fläche auf Fläche an den außenseitigen Abschnitten (64B) der Seitenflächen (64) des äußeren Lagerrings (52) aufliegen.

3. Lager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die generell konisch zulaufenden innenseitigen Abschnitte (64A) gerade Konturen aufweisen.

4. Lager nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die innerseitigen Abschnitte (64A) gegenüber der Achse der Lagerringe (51, 52) um un­ gefähr 10° geneigt sind.

5. Lager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die generell konisch zulaufenden innerseitigen Abschnitte (74A) ähnlich konvex gekrümmte Konturen aufweisen.

6. Lager nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß jede der konvex gekrümmten Konturen derart verläuft, daß eine Tangente (76) an die Kontur mit einem Winkel (α) von ungefähr 10° relativ zum angrenzenden außenseitigen Abschnitt (74B) geneigt ist.

7. Lager nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß jede der konvex gekrümmten Konturen derart verläuft, daß eine Tangente (86) an die Kontur mit einem Winkel (β) von ungefähr 25° relativ zum angrenzenden außenseitigen Abschnitt (84B) geneigt ist.