WO2008055475A1

WO2008055475A1 - Nietverbindung

Info

Publication number: WO2008055475A1
Application number: PCT/DE2007/001950
Authority: WO
Inventors: Rainer Sterker
Original assignee: Schaeffler Kg
Priority date: 2006-11-09
Filing date: 2007-10-30
Publication date: 2008-05-15
Also published as: DE102006052762A1

Abstract

Um insbesondere beim Warmnieten zwischen Käfigkamm (1) und Käfigdeckel (25), insbesondere für Zylinderrollenlager, auftretende Fügeprobleme zu minimieren und bei vorgegebenen Nietparametern bei optimiertem Materialaufwand einwandfreie, insbesondere rissfreie Nietverbindungen und hohe Lochlaibung zu schaffen ist vorgesehen, dass der Niet (14) von der Stirnfläche (12) eines sich axial zum Käfigdeckel (25) erstreckenden Steges (3) ausgeht und eine Käfigdeckelstärke (ID) durchdringt. Dabei weist der Niet (14) vor der Nietverformung eine Nietlänge (IN) und eine Nietquerschnittsfläche (A) aufweist, wobei ein Nietüberstandsverhältnis (NÜ) zwischen 13,2 und 16,5 besteht und sich das Nietüberstandsverhältnis (NÜ) bestimmt nach der Massgabe: Nietüberstandsverhältnis NÜ = Δl / A = (IN - ID)/A mit Δl: Nietüberstand in [mm] IN: Nietlänge in [mm] ID: Käfigdeckelstärke in [mm] A: Nietquerschnittsfläche in [mm2].

Description

Bezeichnung der Erfindung

Nietverbindung

Beschreibung

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Nietverbindung für Wälzlagerkäfige, insbesondere Messing-Massivkäfige für Zylinderrollenlager.

Hochwertige Wälzlager und Hochleistungswälzlager verfügen häufig über so genannte Lagerkörperkäfige, in denen die Wälzkörper - insbesondere Zylinderrollen - gehalten sind. Die Festigkeits- und Lebensdaueranforderungen an Wälzlager haben stetig zugenommen, zumal mit dem Ausfall von Lagern nicht nur häufig Reparaturarbeiten verbunden sind, sondern auch erhebliche Folgeschäden eintreten können. Um mit Wälzlagern bestückten Produkten eine insgesamt möglichst lange Betriebsdauer bzw. lange Wartungsintervalle zu verleihen, besteht ein erheblicher Bedarf an einerseits höchst zuverlässigen und - auch in aggressiven und schwierigen Einsatzumgebungen - langlebigen, aber dennoch materialsparend und kostengünstig hergestellten Wälzlagern. Bei Wälzlagerkäfigen, insbesondere bei den bei Zylinderrollenlagern häufig verwendeten Messing-Massiv-Käfigen, wird üblicherweise ein so genannter Käfigkamm mit einem Käfigdeckel mittels Nietverbindungen dauerhaft form- und kraftschlüssig verbunden. Der Käfigkamm umfasst üblicherweise einen so genannten Deckelboden, von dem sich axial Stege erstrecken, die im Umfang beabstandet sind und zwischen sich so genannte Käfigtaschen ausbilden. In den Käfigtaschen sind die Wälzkörper aufgenommen.

Die Nietverbindung von Käfigkamm und Käfigdeckel hat besonders hohe Qualitätsanforderungen zu erfüllen. Einerseits muss nämlich eine ausreichend feste Verbindung realisiert sein, die auch im Dauerbetrieb unter ungünstigen und anspruchsvollen Betriebsbedingungen keine Risse und/oder Verfärbungen am Nietkopf entstehen lässt. Andererseits ist im Hinblick auf das Gewicht bzw. den Materialbedarf und den Aufwand bei der Nietverfor- mung zur Bildung der Nietverbindung Wert darauf zu legen, dass keine ü- berschüssige Nietlänge besteht. Diese könnte trotz erhöhten Materialaufwandes zu unbefriedigenden Verbindungsergebnissen führen.

Vor diesem Hintergrund liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, die insbesondere beim Warmnieten zwischen Käfigkamm und Käfigdeckel, insbesondere für Zylinderrollenlager, auftretenden Fügeprobleme zu minimieren und bei vorgegebenen (Warm-)Nietparametern bei optimiertem Materialaufwand einwandfreie, insbesondere rissfreie Nietverbindungen zu schaffen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Nietverbindung eines Käfigkammes mit einem Käfigdeckel eines Wälzkörperkäfigs,

- wobei der Niet von der Stirnfläche eines sich axial zum Käfigdeckel erstreckenden Steges ausgeht und eine Käfigdeckelstärke durchdringt, - wobei der Niet vor der Nietverformung eine Nietlänge und eine Nietquerschnittsfläche aufweist,

- wobei ein Nietüberstandsverhältnis zwischen 13,2 und 16,5 besteht und

- wobei das Nietüberstandsverhältnis NÜ bestimmt ist nach der Maßgabe:

Nietüberstandsverhältnis NÜ = Δl / A = (I_N - I_D)/A mit Δl: Nietüberstand in [mm]

IN: Nietlänge IN in [mm] I₀: Käfigdeckelstärke in [mm] A: Nietquerschnittsfläche in [mm²].

Ein wesentlicher Aspekt der Erfindung besteht in dem Nietüberstandsverhältnis als griffige Kenngröße für ein optimiertes Verhältnis zwischen Nietquerschnittsfläche einerseits und der für die anschließende Warmnietung verformbar zur Verfügung stehenden Nietlänge (so genannter Nietüberstand) andererseits. Überraschenderweise hat sich nämlich gezeigt, dass es einen ausgeprägten Optimalbereich gibt, der bei einem Nietüberstandsverhältnis zwischen ca. 13 und ca. 16,5 liegt. Besonders bevorzugte Ergebnisse lassen sich bei einem Nietüberstandsverhältnis zwischen 13,9 und 16,1 erzielen.

Sowohl bei geringeren Nietüberstandsverhältnissen als auch insbesondere überraschenderweise bei Nietüberstandsverhältnissen oberhalb der Obergrenze ist eine deutlich verschlechterte Leistungsfähigkeit der damit hergestellten Nietverbindungen zu beobachten. Daraus ergibt sich, dass ein - fertigungstechnisch und kostenmäßig aufwandserhöhender - zusätzlicher Materialvorrat in einem längeren Nietüberstand keineswegs zu einer verbesser- ten, sondern im Gegenteil zu schlechterer Verbindungsqualität führt. Weitere Versuche haben gezeigt, dass zwar mit dann noch weiter zunehmendem Nietüberstand wieder bessere Festigkeitswerte und Verbindungsergebnisse erzielbar sind, dies jedoch auf Kosten zusätzlichen Materials und damit verbundenem zusätzlichem Gewicht, Unwuchtproblemen und Materi- alkosten, sowie zu geringerer Lochleibung.

Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Nietverbindung ist vorgesehen, dass die Nietquerschnittsfläche annähernd trapezförmig ausgestaltet ist und dabei die gegenüberliegenden Schrägseiten des Trapezes divergierend kreisbogenförmig verlaufen. Bevorzugt ist dabei der Kreisbogenradius der Schrägseiten dem Querschnittsradius der zwischen den Stegen aufgenommenen Wälzkörper gewählt. Dies hat fertigungstechnisch den Vorteil, dass der Niet hinsichtlich seiner den Wälzkörpern zugewandten Außenflächen in einem gleichzeitigen Arbeitsgang zusammen mit der Herstellung der den Wälzkörpern zugewandten Stegseitenflächen bearbeitet bzw. geformt werden kann.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Figuren der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Ausschnitt aus einem Käfigkamm in Aufsicht,

Fig. 2 einen Ausschnitt aus dem Käfigkamm und einen korrespondierenden Käfigdeckel im Längsschnitt,

Fig. 3 ein Detail des Käfigdeckels aus Figur 2,

Fig. 4 eine Aufsicht auf eine Nietstirnfläche und

Fig. 5 ein Diagramm mit den Ergebnissen eines so genannten Käfig- Pulsatortestes zur Darstellung des Einflusses des Nietüberstandes. Figur 1 zeigt einen Käfigkamm 1 mit einem Käfigboden 2, von dem aus sich senkrecht zur Zeichenebene in axialer Richtung des (montierten) Wälzlagers Käfigstege 3 erstrecken. Der radiale Abstand der Käfigstege 3 definiert Käfigtaschen 4, in denen andeutungsweise gezeigte Zylinderrollen 5 als Wälz- körper gehalten sind.

Der Bewegungsraum der Wälzkörper 5 ist als äußerer Hüllkreis 6 bzw. innerer Hüllkreis 7 angedeutet und definiert damit für das jeweilige Lager einen spezifischen äußeren Hüllkreisdurchmesser 8 bzw. inneren Hüllkreisdurch- messer 9. Die Stege 3 weisen jeweils Stirnflächen 12 auf, die im montierten Zustand (siehe dazu auch Figur 2) zur Anlage an die innere Deckelfläche eines Käfigdeckels gelangen. Von den Stirnflächen 12 aus erstreckt sich vertikal zur Zeichenebene jeweils axial ein Niet 14. Die Stege weisen den durch die Bewegungshüllkreise 6, 7 definierten Bewegungsräumen der Zy- linderrollen 5 entsprechend angepasste ausgeformte Seitenwände 16, 17 auf.

Die entsprechenden angrenzenden schrägen Seitenflächen 20, 21 des im Querschnitt annähernd trapezförmig ausgestalteten Niets 14 sind entspre- chend den Seitenwänden 16, 17 geformt. Dies hat fertigungstechnisch den Vorteil, dass diese Nietseiten in einem gemeinsamen Arbeitsgang mit der Formgebung für die Stege 12 erzeugt werden können.

Figur 2 zeigt ausschnittsweise im Längsschnitt den Käfigkamm 1 mit seinem Käfigboden 2 und einem Steg 3, von dessen Stirnfläche 12 sich wie zuvor bereits beschrieben ein Niet 14 axial erstreckt. Zur Verbindung des Käfigkammes 1 mit einem ausschnittsweise (und im Maßstab vergrößert) dargestellten Käfigdeckel 25 wird der Niet 14 durch eine entsprechende Axialbohrung 26 geführt. Der Käfigdeckel 25 hat eine Käfigdeckelstärke (Deckeldicke) im Bereich der Nietverbindung b. Der Niet 14 hat eine Nietlänge IN, die die Bohrung 26 durchdringt und linksseitig über eine Nietkopfsenke 27 axial übersteht, während die Stirnfläche 12 des Steges 3 im montierten Zustand an die innere Deckelfläche 28 anschlägt.

Zur Verdeutlichung der Maße ist in Figur 3 der Bereich der Durchgangsbohrung 26 nochmals vergrößert und mit eingeführtem, sich von der Stirnfläche 12 des Steges 3 aus axial erstreckenden Niet 14 dargestellt. Dabei weist der Niet einen Nietüberstand Δl auf, der sich aus der Differenz zwischen der Nietlänge IN und der Käfigdeckelstärke I₀ ergibt. Bei der anschließenden Warmnietung wird der Nietüberstand Δl in an sich bekannter Weise durch Aufbringen eines entsprechenden Umformdruckes über einen Nietstempel, bei gleichzeitiger Erwärmung beispielsweise durch Strombeaufschlagung für eine vorgegebene Zeit beaufschlagt und damit unter Ausbildung des ge- wünschten Nietkopfes verformt.

Figur 4 zeigt in stark vergrößerter Darstellung eine Sicht in Richtung des Pfeils P in Figur 2 auf die Stirnfläche 30 des Niets 14. Man erkennt die den Seitenflächen 20, 21 (Figur 1) entsprechend ausgeformtem Schrägseiten 31 , 32 der Nietquerschnittsfläche A, die - von der leichten Rundung ihrer Seitenflächen abgesehen - im Wesentlichen trapezförmige Gestalt hat. Damit errechnet sich die Querschnittsfläche A in ausreichend genauer Näherung nach

A [in mm²] = a Hn mml + b fin mmi ^* c [in mm]

Nach der Erfindung wird ein Nietüberstandsverhältnis NU = Δl / A = (IN - b)/A zwischen 13 und 16,5, bevorzugt zwischen 13,9 und 16,1 realisiert. Die sich dabei ergebenden Verbindungseigenschaften sind in Figur 5 als Ergebnisse eines so genannten Käfig-Pulsatortestes dargestellt. Entlang der Horizontalachse ist die in verschiedenen Proben stufenweise variierte Nietlänge IN angetragen, und zwar in einem Bereich von 6,5 mm bis 9,65 mm. Die linke Ordinate zeigt die jeweils gewählte Belastung für eine pulsierende, durch den Nulldurchgang schwingende Belastung [in kN] bei einer entsprechenden Anzahl von beim Bruch erreichten Lastspielen LS (nämlich 1 Mio. bzw. 2 Mio. Lastspiele). Auf der rechten Ordinate sind die sich dabei bis zum Bruch ergebenden Amplituden [in mm] angetragen. Man erkennt ein Maxi- mum der von der Verbindung bis 1 Mio. bzw. bis 2 Mio. Lastspielen getragenen und ein korrespondierendes Minimum in der Amplitude bei Nietlängen zwischen 7,75 und 8,4 mm Nietlänge. Abzüglich der Käfigdeckelstärke b von (in diesem Beispiel 3,4 mm) ergeben sich damit entsprechende Nietüberstände Δl von (7,5 - 3,4) mm = 4,1 mm bzw. (8,5 - 3,4) mm = 5,1 mm und mithin die in Figur 5 angetragenen Nietüberstandsverhältnisse von 13,2 bis 16,5.

Die in diesem Maximalbereich der Belastung (Oberlast) von 4,5 bzw. 4,6 kN bei einer Nietlänge von 8 mm erreichbaren Lastspielzahlen stellen einen optimalen Wert dar, bei dem sich lediglich eine Amplitude von ca. 0,33 mm einstellt und insbesondere der Testabbruch nach dem Erreichen der vorgegebenen Lastspielzahl nicht etwa durch Ermüdung, Riss oder Verformung der Nietverbindung sondern durch einen Bruch im Bereich der Verbindung des Steges 3 mit dem Käfigkammboden 2 (Figur 2) beendet wurde (als SR- Bruch bezeichnet).

Auch wenn in Figur 5 mit weiter zunehmender Nietlänge ab ca. 9 mm erneut vergleichsweise hohe Belastungen/ Oberlastwerte realisierbar sind bei relativ kleiner Amplitude, so waren bei Proben in diesem Bereich eine wesentlich geringere Lochlaibung und eine - unerwünschte und zum Teil unzulässige - Nietverfärbung zu beobachten. Aus den in Figur 5 dargestellten Ergebnissen des Käfig-Pulsatortestes ergibt sich in überraschender und eindeutiger Weise ein optimaler Bereich für die Einstellung der Nietlänge anhand eines vergleichsweise einfachen und griffigen Parameters in Form des Nietüberstandes NL). Bei den entsprechenden Werten für die Nietlänge ist also unter geringstmöglichem Materialeinsatz und damit geringstmöglichen Material- und Fertigungskosten und entsprechend geringerem Käfiggewicht eine optimierte Dauerfestigkeit erreichbar.

Bezugszeichenliste

1 Käfigkamm

2 Käfigboden

3 Käfigstege

4 Käfigtaschen

5 Zylinderrollen / Wälzkörper

6 äußerer Hüllkreis

7 innerer Hüllkreis

8 äußerer Hüllkreisdurchmesser

9 innerer Hüllkreisdurchmesser

12 Stirnfläche

14 Niet

16, 17 Seitenwände

20, 21 Seitenflächen

25 Käfigdeckel

26 Axialbohrung

27 Nietkopfsenke

28 innere Deckelfläche

30 Stirnfläche

31 , 32 Schrägseiten

Δl Nietüberstand

ID Käfigdeckelstärke

IN Nietlänge

A Querschnittsfläche

P Pfeil

Claims

Patentansprüche

1. Nietverbindung eines Käfigkammes (1) mit einem Käfigdeckel (25) eines Wälzkörperkäfigs,

- wobei der Niet (14) von der Stirnfläche (12) eines sich axial zum Käfigdeckel (25) erstreckenden Steges (3) ausgeht und eine Käfigdeckelstärke (b) durchdringt,

- wobei der Niet (14) vor der Nietverformung eine Nietlänge (IN) und eine Nietquerschnittsfläche (A) aufweist,

- wobei ein Nietüberstandsverhältnis (NU) zwischen 13,2 und 16,5 besteht und

- wobei das Nietüberstandsverhältnis (NU) bestimmt ist nach der Maßgabe:

Nietüberstandsverhältnis NL⁾ = Δl / A = (I_N - b)/A mit Δl: Nietüberstand in [mm] I_N: Nietlänge in [mm] ID: Käfigdeckelstärke in [mm]

A: Nietquerschnittsfläche in [cm²].

2. Nietverbindung nach Anspruch 1 , wobei das Nietüberstandsverhältnis (NÜ) zwischen 13,9 und 16,1 liegt.

3. Nietverbindung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Nietquerschnittsfläche (A) annähernd trapezförmig ausgestaltet ist, und wobei die gegenüberliegenden Schrägseiten (31 , 32) des Trapezes divergierend kreisbogenförmig verlaufen und der Kreisbogenradius dem Querschnittsradius der zwischen den Stegen aufgenommenen Wälzkörper (5) entspricht.