EP3060820A1 - Wälzlager - Google Patents

Wälzlager

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EP3060820A1
EP3060820A1 EP14799329.9A EP14799329A EP3060820A1 EP 3060820 A1 EP3060820 A1 EP 3060820A1 EP 14799329 A EP14799329 A EP 14799329A EP 3060820 A1 EP3060820 A1 EP 3060820A1
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EP
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bearing
rolling bearing
balls
rolling
osculation
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Ceased
Application number
EP14799329.9A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Wolfgang Braun
Vasilios Bakolas
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Schaeffler Technologies AG and Co KG
Original Assignee
Schaeffler Technologies AG and Co KG
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Publication date
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Definitions

  • the invention relates to a rolling body, namely balls, rolling bearings having a shape memory alloy, in particular a nickel-titanium alloy, according to the preamble of claim 1.
  • US Pat. No. 6,886,986 B1 discloses antifriction bearings made of a nickel-titanium alloy, namely Nitinol 60. To produce the rolling elements, a ceramic casting mold is used. After casting, additional processing steps are provided which include polishing the nitinol beads.
  • Nickel-titanium alloys are distinguished by high corrosion resistance combined with high hardness, which makes them fundamentally suitable for rolling elements in bearings which are operated under unfavorable environmental conditions, in particular lack of lubrication and / or exposure to aggressive media.
  • the invention has for its object to extend the applications of rolling bearings, namely ball bearings, with rolling elements of a shape memory alloy over the cited prior art. Description of the invention
  • the rolling bearing has in known per se basic structure rolling elements of a shape memory alloy, which roll between two raceways of bearing rings or between a raceway of a bearing ring and a career located directly on a shaft, wherein at least one raceway is grooved.
  • a raceway of the rolling bearing can also be formed directly by a housing component.
  • the balls contact the groove-shaped raceway with an osculation of at least 108%. By oscillation in this case, the ratio between the radius of the groove forming the track and the radius of the ball understood.
  • the groove-shaped raceway bearing part of the rolling bearing for example, a nickel-titanium alloy is suitable.
  • the alloy has a weight percent nickel content greater than 55%.
  • the alloy Nitinol 60 (60% nickel, 40% titanium) is suitable for the production of the bearing ring.
  • the osculation has a relatively high value.
  • this effect is low, since such alloys have a significantly lower modulus of elasticity than steel. Due to the high elastic compliance of shape memory alloys, in particular nickel-titanium alloys, in comparison to steel, the load-reducing effect of a relative to the dimensioning of the balls is reduced. The radius of the groove, in which the balls roll, is overcompensated.
  • the balls of the rolling bearing are made of a material whose modulus of elasticity is less than 60% of the modulus of elasticity of the bearing ring on which the balls roll.
  • the modulus of elasticity of the balls is at most 120 GPa.
  • the bearing rings preferably have a modulus of elasticity of over 200 GPa. Due to the associated with the increase in the value of the oscillation reduction of the contact surface between the bearing ring and rolling elements, the friction and thus the heat in the bearing is reduced in comparison to conventional bearings with closer osculation, especially when operating with low loads.
  • the bearing with a value of at least 108%, which has a particularly wide osculation, is therefore particularly suitable for operation under unfavorable lubrication conditions and thus in many cases also unfavorable conditions of heat dissipation.
  • the mentioned minimum amount of osculation of 108% applies in preferred embodiments for the inner ring of a roller bearing designed as a deep groove ball bearing, while the outer ring of such a ball bearing has a osculation of at least 1 10%. Also in embodiments of the rolling bearing which have an osculation of more than 108% on the inner ring, a further greater osculation is preferably given on the outer ring.
  • the value of the osculation on the outer ring is, for example, more than 1.05 times the value of the osculation on the inner ring.
  • the surface hardness of the rolling elements is in a preferred embodiment more than 58 HRC, with hardness values up to 62 HRC can be achieved.
  • the rolling elements of the rolling bearing can be subjected to a heat treatment. Further advantages of the rolling elements made of a shape memory alloy are their compatibility with lubricants, their corrosion resistance and their wear resistance.
  • the bearing rings of the rolling bearing are made of steel, for example, from conventional bearing steel or from a corrosion-resistant steel. Steel which is available under the name Cronidur (X 30 CrMoN 15 1, material number 1 .4108) has proven particularly suitable.
  • a preferred application of the rolling bearing are fast-moving and media-lubricated bearings.
  • Under a media lubrication is generally understood to act on the Wälz. lake with a medium which is not intended primarily for lubrication. This may be, for example, a fluid which is conveyed in a pump equipped with the roller bearing or a compressor.
  • the use of a roller bearing under water, especially in seawater, which is not or only partially sealed, is also considered to be the medium-lubricated operation of a roller bearing.
  • Fig. 2 is a diagram of the relationship between osculation and pressure in the rolling bearing according to the invention on the one hand and a
  • FIG. 1 shows a roller bearing, designated overall by the reference numeral 1, which has two bearing rings 2, 3, namely an outer ring 2 and an inner ring 3, between which rolling elements 4 roll.
  • the rolling elements 4 are formed as balls of Nitinol 60 (60% Ni, 40% Ti).
  • the groove-shaped raceways of the bearing rings 2, 3, on which the balls 4 roll, are identified by the reference numeral 5.
  • a comparative race 6 is indicated, which snuggles closer to the ball 4 and corresponds to the contour of a bearing ring of an unclaimed conventional rolling bearing, namely a radial deep groove ball bearing.
  • the radius of the ball 4 is designated in Figure 1 with r K , the radius of the raceway 5 with r L.
  • the ratio between the raceway radius r L and the ball radius r K is significantly more than 108% and is defined as osculation.
  • the osculation of the rolling bearing 1 is exceptionally far. In the mechanically unloaded or slightly loaded state, as shown in FIG. 1, this results in a considerably smaller contact surface between the rolling body 4 and the raceway 5 than bearings with a narrower osculation.
  • the rolling bearing 1 Due to the material of the rolling elements 4 and the described geometric relationships, the rolling bearing 1 is characterized by a particularly high corrosion resistance and wear resistance, a variety of lubricants are used and even an unlubricated operation within limited speed and load ranges is possible.

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Abstract

Ein Wälzlager (1) weist Kugeln (4) aus einer Formgedächtnislegierung, insbesondere Nitinol 60, als Wälzkörper auf, welche auf mindestens einem eine rillenformige Laufbahn (5) aufweisenden Lagerring (2, 3) abrollen. Die Kugeln (4) kontaktieren die Laufbahn (5) mit einer Schmiegung von mindestens 108%.

Description

Bezeichnung der Erfindung
Wälzlager
Beschreibung
Gebiet der Erfindung Die Erfindung betrifft ein Wälzkörper, nämlich Kugeln, aus einer Formgedäch- tnislegierung, insbesondere einer Nickel-Titan-Legierung, aufweisendes Wälzlager nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 .
Hintergrund der Erfindung
Aus der US 6,886,986 B1 sind Wälzlager aus einer Nickel-Titan-Legierung, nämlich Nitinol 60, bekannt. Zur Herstellung der Wälzkörper wird eine keramische Gussform verwendet. Nach dem Gießen sind weitere Bearbeitungsschritte vorgesehen, welche ein Polieren der Nitinol-Kugeln einschließen.
Nickel-Titan-Legierungen zeichnen sich durch eine hohe Korrosionsbeständigkeit bei gleichzeitig hoher Härte aus, wodurch sie für Wälzkörper in Lagern, die unter ungünstigen Umgebungsbedingungen, insbesondere mangelnder Schmierung und/oder Beaufschlagung mit aggressiven Medien, betrieben wer- den, grundsätzlich geeignet sind.
Aufgabe der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Einsatzmöglichkeiten von Wälz- lagern, nämlich Kugellagern, mit Wälzkörpern aus einer Formgedächtnislegierung gegenüber dem genannten Stand der Technik zu erweitern. Beschreibung der Erfindung
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein als Kugellager ausgebildetes Wälzlager mit den Merkmalen des Anspruchs 1 . Das Wälzlager weist in an sich bekanntem Grundaufbau Wälzkörper aus einer Formgedächtnislegierung auf, welche zwischen zwei Laufbahnen von Lagerringen oder zwischen einer Laufbahn eines Lagerrings und einer direkt auf einer Welle befindlichen Laufbahn abrollen, wobei zumindest eine Laufbahn rillenförmig ist. Eine Laufbahn des Wälzlagers kann auch direkt durch ein Gehäusebauteil gebildet sein. Erfindungsgemäß kontaktieren die Kugeln die rillenförmige Laufbahn mit einer Schmiegung von mindestens 108%. Unter Schmiegung wird in diesem Fall das Verhältnis zwischen dem Radius der die Laufbahn bildenden Rille und dem Radius der Kugel verstanden. Als Werkstoff zur Herstellung des ohne Beschränkung der Allgemeinheit als Lagerring bezeichneten, die rillenförmige Laufbahn aufweisenden Lagerteils des Wälzlagers ist beispielsweise eine Nickel-Titan-Legierung geeignet. Vorzugsweise weist die Legierung einen in Gewichtsprozent angegebenen Nickel- Gehalt von mehr als 55% auf. Insbesondere ist die Legierung Nitinol 60 (60% Nickel, 40% Titan) zur Herstellung des Lagerrings geeignet.
Im Vergleich zum Stand der Technik weist die Schmiegung einen relativ hohen Wert auf. Dies bedeutet, dass die Laufbahn, auf welcher die Kugel abrollt, relativ flach ausgebildet ist, sodass die Kontaktfläche zwischen der Kugel und dem Lagerring tendenziell verkleinert ist. Dies bewirkt grundsätzlich eine Verringerung der Tragfähigkeit des Wälzlagers. Im vorliegenden Fall, dank der Verwendung von Wälzkörpern aus einer Formgedächtnislegierung, insbesondere einer Nickel-Titan-Legierung, ist dieser Effekt jedoch gering, da derartige Legierungen ein deutlich niedrigeres Elastizitätsmodul als Stahl aufweisen. Durch die hohe elastische Nachgiebigkeit von Formgedächtnislegierungen, insbesondere Nickel-Titan-Legierungen, im Vergleich zu Stahl ist der die Belastbarkeit verringernde Effekt eines in Relation zur Dimensionierung der Kugeln ver- gleichsweise großen Radius der Rille, in welcher die Kugeln abrollen, über- kompensiert.
In vorteilhafter Ausgestaltung sind die Kugeln des Wälzlagers aus einem Werkstoff gefertigt, dessen Elastizitätsmodul weniger als 60% des Elastizitätsmoduls des Lagerrings, auf welchem die Kugeln abrollen, beträgt. Vorzugseise beträgt das Elastizitätsmodul der Kugeln höchstens 120 GPa. Dagegen weisen die Lagerringe vorzugsweise ein Elastizitätsmodul von über 200 GPa auf. Durch die mit der Vergrößerung des Wertes der Schmiegung einhergehende Verringerung der Kontaktfläche zwischen Lagerring und Wälzkörper ist im Vergleich zu herkömmlichen Lagern mit engerer Schmiegung insbesondere beim Betrieb mit geringen Lasten die Reibung und damit auch die Wärmeentwicklung im Lager reduziert. Das mit einem Wert von mindestens 108% eine be- sonders weite Schmiegung aufweisende Wälzlager ist daher besonders für den Betrieb unter ungünstigen Schmierungsbedingungen und damit in vielen Fällen auch ungünstigen Bedingungen der Wärmeabfuhr geeignet.
Der genannte Mindestwert der Schmiegung in Höhe von 108% gilt in bevorzug- ten Ausgestaltungen für den Innenring eines als Rillenkugellager ausgebildeten Wälzlagers, während der Außenring eines solchen Kugellagers eine Schmiegung von mindestens 1 10% aufweist. Auch bei Ausführungsformen des Wälzlagers, welche am Innenring eine Schmiegung von mehr als 108% aufweisen, ist am Außenring bevorzugt eine nochmals größere Schmiegung ge- geben. Der Wert der Schmiegung am Außenring beträgt beispielsweise mehr als das 1 ,05-fache des Wertes der Schmiegung am Innenring.
Mit 108% Schmiegung am Innenring ergibt sich eine Pressung, die etwa der Pressung bei einem herkömmlichen Innenring aus Stahl mit 103% Schmiegung entspricht. Am Außenring entspricht die Pressung bei einem gemäß der Erfindung gestalteten Wälzlager mit 1 17% Schmiegung der Pressung bei einem herkömmlichen Lager mit etwa 105% Schmiegung am Außenring. Ein weiterer Vorteil der Fertigung der Kugeln des Wälzlagers aus einer Nickel- Titan-Legierung, vorzugsweise Nitinol 60, liegt in der im Vergleich zu Stahl wesentlich niedrigeren Dichte einer solchen Legierung. Das Wälzlager eignet sich damit besonders für hohe Drehzahlen, selbst unter ungünstigen Schmie- rungsbedingungen.
Die Oberflächenhärte der Wälzkörper beträgt in bevorzugter Ausgestaltung mehr als 58 HRC, wobei Härtewerte bis 62 HRC erreichbar sind. Die Wälzkörper des Wälzlagers können einer Wärmebehandlung unterzogen werden. Wei- tere Vorteile der aus einer Formgedächtnislegierung gefertigten Wälzkörper liegen in ihrer Kompatibilität mit Schmierstoffen, ihrer Korrosionsbeständigkeit und ihrer Verschleißfestigkeit.
Die Lagerringe des Wälzlagers sind aus Stahl, beispielsweise aus gängigem Wälzlagerstahl oder aus einem korrosionsbeständigen Stahl, gefertigt. Als besonders geeignet hat sich Stahl, welcher unter der Bezeichnung Cronidur (X 30 CrMoN 15 1 ; Werkstoffnummer 1 .4108) erhältlich ist, herausgestellt.
Ein bevorzugtes Anwendungsgebiet des Wälzlagers sind schnelldrehende so- wie mediengeschmierte Lager. Unter einer Medienschmierung wird allgemein eine Beaufschlagung der Wälzkontaktflächen mit einem Medium verstanden, welches nicht primär zur Schmierung vorgesehen ist. Hierbei kann es sich beispielsweise um eine Fluid handeln, welches in einer mit dem Wälzlager ausgerüsteten Pumpe oder einem Verdichter gefördert wird. Auch der nicht oder nur unvollständig abgedichtete Einsatz eines Wälzlagers unter Wasser, insbesondere in Meerwasser, gilt als mediengeschmierter Betrieb eines Wälzlagers.
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Hierin zeigen:
Kurze Beschreibung der Zeichnung Fig. 1 ein Wälzlager mit Wälzkörpern aus einer Formgedächtnislegierung in einer Schnittdarstellung,
Fig. 2 in einem Diagramm den Zusammenhang zwischen Schmiegung und Pressung beim erfindungsgemäßen Wälzlager einerseits und einem
Vergleichswälzlager andererseits.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnung Die Figur 1 zeigt ein insgesamt mit dem Bezugszeichen 1 gekennzeichnetes Wälzlager, welches zwei Lagerringe 2, 3, nämlich einen Außenring 2 und einen Innenring 3 aufweist, zwischen welchen Wälzkörper 4 abrollen. Die Wälzkörper 4 sind als Kugeln aus Nitinol 60 (60% Ni, 40% Ti) ausgebildet. Die rillenförmi- gen Laufbahnen der Lagerringe 2, 3, auf weichen die Kugeln 4 abrollen, sind mit dem Bezugszeichen 5 gekennzeichnet. Am Beispiel des Innenrings 3 ist zusätzlich zur gezeigten Laufbahn 5 des Wälzlagers 1 eine Vergleichslaufbahn 6 angedeutet, die sich enger an die Kugel 4 schmiegt und der Kontur eines Lagerrings eines nicht beanspruchten, herkömmlichen Wälzlagers, nämlich Radial-Rillenkugellagers, entspricht.
Der Radius der Kugel 4 ist in Figur 1 mit rK, der Radius der Laufbahn 5 mit rL bezeichnet. Das Verhältnis zwischen dem Laufbahnradius rL und dem Kugelradius rK beträgt deutlich mehr als 108% und ist als Schmiegung definiert. Im Vergleich zu herkömmlichen Lagerkonstruktionen, die durch die Kontur der Vergleichslaufbahn 6 angedeutet sind, ist die Schmiegung des Wälzlagers 1 außergewöhnlich weit. Im mechanisch unbelasteten oder gering belasteten Zustand, wie in Figur 1 dargestellt, ergibt sich hieraus eine im Vergleich zu Lagern mit engerer Schmiegung wesentlich geringere Kontaktfläche zwischen dem Wälzkörper 4 und der Laufbahn 5.
Dies wird jedoch, zumindest beim Betrieb des Wälzlagers 1 unter hoher mechanischer Belastung, dadurch überkompensiert, dass das Elastizitätsmodul des Wälzkörpers 4 mit 1 14 GPa nur etwas mehr als halb so groß ist wie das Elastizitätsmodul der Lagerringe 2, 3. Die Lagerringe 2, 3 sind aus Stahl mit einem Elastizitätsmodul von 208 GPa gefertigt. Die Dichte des Formgedächtniseigenschaften aufweisenden Materials, aus welchem der Wälzkörper 4 gefertigt ist, liegt zwischen 6 und 7 g/cm3 und ist damit erheblich geringer als die Dichte von Stahl. Dementsprechend sind beim Betrieb des Wälzlagers 1 auftretende Fliehkräfte im Vergleich zu herkömmlichen Wälzlagern mit Wälzkörpern aus Stahl deutlich reduziert.
Die Zusammenhänge zwischen Schmiegung S (in %) des Wälzlagers 1 , maxi- maier Pressung P (in MPa) im Kontakt zwischen Wälzkörpern 4 und Laufbahn 5, sowie Elastizitätsmodul der Wälzkörper 4 sind in Figur 2 veranschaulicht. Eigenschaften eines herkömmlichen Rillenkugellagers, welches Kugeln aus gängigem Wälzlagerstahl, beispielsweise 100Cr6, aufweist, sind in Figur 2 durch eine gestrichelte Linie skizziert. Zu höheren Werten der Schmiegung hin, das heißt bei flacher werdender Laufbahn, nimmt die maximale Pressung im Wälzkontakt signifikant zu. Dieser Zusammenhang ist grundsätzlich auch beim erfindungsgemäßen Wälzlager 1 nach Figur 1 , wie in Figur 2 durch eine ansteigende durchgezogene Linie beschrieben, ersichtlich. Aufgrund des beim erfindungsgemäßen Wälzlager 1 im Vergleich zum herkömmlichen Wälzlager wesentlich geringeren Elastizitätsmodul der Wälzkörper 4 ist die Pressung P, welche im Wälzkontakt wirkt, drastisch reduziert. Der bevorzugte Bereich der Schmiegung des Wälzlagers 1 ist in Figur 2 durch eine über die durchgezogene Linie gelegte Schraffur hervorgehoben. Die gesamte durchgezogene Linie, welche Eigenschaften von Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Wälzlagers 1 (ab 108% Schmiegung) aufzeigt, liegt signifikant unter der gestrichelten Linie, die Eigenschaften eines herkömmlichen Vergleichswälzlagers zeigt. Selbst der höchste Punkt innerhalb des schraffierten Bereichs, welcher für ein Lager mit sehr weiter Rille im Ver- gleich zum Kugelradius steht, liegt unterhalb der maximalen Pressung, die bei einem herkömmlichen Lager mit Stahlkugeln und extrem enger Schmierung (unterster Punkt der gestrichelten Linie) auftritt. Ein weiterer Vorteil der sehr weiten Schmiegung des erfindungsgemäßen Wälzlagers 1 liegt darin, dass im Vergleich zu herkömmlichen Rillenkugellagern ein größerer axialer Versatz zwischen den Lagerringen 2, 3 möglich ist, sowie ein größerer Winkelfehler zwischen den relativ zueinander rotierbaren, mittels des Wälzlagers 1 gelagerten Teilen akzeptabel ist.
Aufgrund des Werkstoffs der Wälzkörper 4 sowie der beschriebenen geometrischen Relationen zeichnet sich das Wälzlager 1 durch eine besonders hohe Korrosionsfestigkeit und Verschleißfestigkeit aus, wobei unterschiedlichste Schmierstoffe verwendbar sind und selbst ein ungeschmierter Betrieb innerhalb begrenzter Drehzahl- und Lastbereiche möglich ist.
Bezugszahlenliste
1 Wälzlager
2 Außenring
3 Innenring
4 Wälzkörper, Kugel
5 Laufbahn
6 Vergleichslaufbahn P Pressung
rL Radius der Laufbahn
rK Kugelradius
S Schmiegung

Claims

Patentansprüche
1 . Wälzlager (1 ), mit Kugeln (4) aus einer Formgedächtnislegierung als Wälzkörpern, welche auf mindestens einem eine rillenförmige Laufbahn (5) auf- weisenden Lagerring (2,3) abrollen, dadurch gekennzeichnet, dass die Kugeln (4) die Laufbahn (5) mit einer Schmiegung von mindestens 108% kontaktieren.
2. Wälzlager (1 ) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Ku- geln (4) aus einer Nickel-Titan-Legierung mit einem Nickel-Gehalt von mehr als 55 Gew.-% gefertigt sind.
3. Wälzlager (1 ) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kugeln (4) 60 Gew.-% Nickel und 40 Gew.-% Titan enthalten.
4. Wälzlager (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kugeln (4) eine Oberflächenhärte von mehr als 58 HRC aufweisen.
5. Wälzlager (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kugeln (4) ein Elastizitätsmodul von höchstens 120 GPa aufweisen.
6. Wälzlager (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeich- net, dass das Elastizitätsmodul der Kugeln (4) weniger als 60% des Elastizitätsmoduls der Lagerringe (2,3) beträgt.
7. Wälzlager (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagerringe (2,3) aus einem nichtrostenden Stahl, insbeson- dere Stahl mit der Werkstoffnummer 1 .4108, gefertigt sind.
8. Wälzlager (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kugeln (4) einen als Außenring (2) ausgebildeten Lagerring mit einer weiteren Schmiegung als einen als Innenring (3) ausgebildeten Lagerring kontaktieren.
9. Wälzlager (1 ) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Schmiegung am Außenring (2) mindestens 1 10% beträgt.
10. Verwendung eines Wälzlagers (1 ) nach Anspruch 1 als wassergeschmier- tes, insbesondere seewassergeschmiertes, Lager.
EP14799329.9A 2013-10-25 2014-09-30 Wälzlager Ceased EP3060820A1 (de)

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EP14799329.9A Ceased EP3060820A1 (de) 2013-10-25 2014-09-30 Wälzlager

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US (1) US20160273584A1 (de)
EP (1) EP3060820A1 (de)
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WO (1) WO2015058758A1 (de)

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