WO2008106952A1 - Bearing arrangement for absorbing impact and for compensating for angular errors - Google Patents

Bearing arrangement for absorbing impact and for compensating for angular errors Download PDF

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WO2008106952A1
WO2008106952A1 PCT/DE2008/000385 DE2008000385W WO2008106952A1 WO 2008106952 A1 WO2008106952 A1 WO 2008106952A1 DE 2008000385 W DE2008000385 W DE 2008000385W WO 2008106952 A1 WO2008106952 A1 WO 2008106952A1
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bearing
component
bearing arrangement
arrangement according
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Wolfgang Braun
Stefan GLÜCK
Sergej Schwarz
Jörg SPIELFELD
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Schaeffler Kg
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    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
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    • F16C27/00—Elastic or yielding bearings or bearing supports, for exclusively rotary movement
    • F16C27/04—Ball or roller bearings, e.g. with resilient rolling bodies
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    • F16C2202/00—Solid materials defined by their properties
    • F16C2202/20—Thermal properties
    • F16C2202/28—Shape memory material

Definitions

  • the invention relates to a bearing assembly for damping shocks and to compensate for angular errors of a stored component.
  • this storage can compensate for angular errors on a mounted shaft.
  • spherical roller bearings are known from the prior art, which are also suitable to compensate for tilting a mounted shaft.
  • a disadvantage of such spherical roller bearings is their relatively large space.
  • So-called shape memory alloys or memory-shape alloys which are frequently the subject of application-oriented materials research, are known from the prior art. They are characterized by the fact that, after suitable treatment due to a transformation from austenite to martensite, they change their shape as a function of the temperature or also of the pressure. In their low-temperature form, workpieces of such alloys can be permanently, that is apparently plastic, deformed while they return to their original shape when heated above the transition temperature. If these workpieces are cooled again, they can be plastically deformed again, but, if they are heated appropriately, return to their austenite state upon return of their microstructure macroscopic, original high-temperature form.
  • the one-way effect a material that has been deformed at a low temperature resumes its original shape when heated to a higher temperature. The material, to a certain extent, recalls its original shape during heating and retains it during subsequent cooling.
  • the two-way effect refers to the phenomenon in which the material is pronounced of its trained form both when the temperature is increased and when cooled, that is to say one mold at high temperature and another mold at low temperature.
  • pseudoelasticity is used when the conversion of austenite to martensite is not achieved mechanically by cooling but by mechanical shear in certain temperature ranges.
  • a pseudo-elastic material initially deforms elastically during loading, and only at a critical stress does a stress-induced transformation of austenite to martensite begin, which results in high elastic strain rates at constant stress. When unloaded, the material reverts to its original structure of martensite to austenite and the deformation returns quasi-elastically.
  • Shape memory alloys are also used in bearing arrangements to facilitate assembly operations or to keep the wear-related bearing clearance small.
  • DE 101 20 489 C2 describes a disk cage for a rolling bearing which consists at least partially of a shape memory or memory alloy which, depending on its temperature, allows the disk cage to assume two different geometrical configurations. The utilization of the memory effect is used to mount the disk cage in the rolling bearing.
  • DE 41 22 123 A1 describes a slide bearing with a support body and at least one bearing layer of this bearing as bearing parts. In order to improve such a bearing so that a noise attenuation occurs in the bearing and the noise emission is reduced overall, at least one of the bearing parts consists of a shape memory alloy.
  • a device for adjusting the axial clearance of skew bearings can be found in DE 197 34 998 B4.
  • a Anstellelement is arranged, which consists of a shape memory alloy.
  • the shape memory alloy As a result of the operating temperature of the angular rolling bearing, there is a structural transformation of the shape memory alloy and thus to a growth in length of the Anstellelements. In this way, the unavoidable wear in the storage during use is to be compensated for and the changed by the wear bearing clearance to the desired value.
  • a double-row roller bearing which has an axially divided guide ring between the inner races of the inner bearing ring, which consists of two partial rings.
  • the sub-rings are connected by a plurality of shape memory alloy existing intermediate pieces such that at any operating temperature by automatic changes in length of the intermediate pieces an approximately constant axial preload on the rollers of Rollenla- gers can be generated.
  • shape memory alloy a beta-nickel-titanium alloy having pseudoelasticity is preferably used as the shape memory property.
  • the object of the present invention is to provide a bearing assembly which provides for the uneven impact load and angular error of a stored component, in particular a stored
  • the bearing assembly should be manufactured and assembled with little effort and only need a slightly increased space compared to conventional bearings.
  • a shape memory component can be used, which consists of a shape memory alloy with pseudoelasticity (sometimes referred to as superelasticity) as a shape memory property.
  • the bearing arrangement according to the invention is characterized in that it comprises such a shape memory component arranged between a first bearing surface and the mounted component (preferably a mounted shaft).
  • An advantage of the solution according to the invention is that the use of a pseudoelastic shape memory alloy between the bearing and the shaft limits the maximum occurring stresses due to the elastic shape change of the shape memory component.
  • the component to be introduced does not reduce the contact surface.
  • the bearing capacity of the bearing is completely retained.
  • the elastic shape changes compensate for the current state of development Wellenverkippungen to about 0.1 °. This corresponds to the performance of the solutions with crowned ground track of the inner ring. However, it is quite conceivable that higher wave tilting can be achieved with future alloys.
  • the bearing is a roller bearing, which comprises an outer ring, an inner ring and arranged between outer ring and inner ring rolling elements.
  • the shape memory component is arranged in this embodiment between the shaft and inner ring.
  • the shape memory component can also be arranged between a housing component and a bearing surface arranged on the outer ring of a roller bearing.
  • the component is mounted with a predetermined bias.
  • the pseudoelastic material of the shape memory component is already subjected to a corresponding voltage.
  • the voltage to be applied for triggering the pseudoelastic effect is reduced by the amount of the bias voltage.
  • the shape memory alloy of the shape memory component is designed according to the expected operating temperatures.
  • the transformation of austenite to martensite takes place in a temperature range that depends very much on the composition of the alloy. By changing these alloy components, this temperature range can be specifically influenced and thereby adapted to the respective application.
  • the shape memory alloy for operating temperatures of about -15 ° C to about 120 0 C interpretable. With the currently known alloys, no conversion processes take place outside of these temperature limits. This also destroys the pseudo-elasticity property associated with these transformations. The arrangement would therefore only behave like a conventional storage. The indication of these temperature limits should not have any limiting effect. With future alloys quite different temperature ranges could be achieved.
  • the thickness of the shape memory component follows from the application.
  • the determining parameter is the expected permanent elastic elongation of the used Formgedambanislegtechnik. Taking into account this strain and a maximum required tilt, the necessary component thickness can be determined.
  • nickel-titanium alloy has proven to be particularly advantageous as a pseudoelastic shape memory alloy.
  • Nickel-titanium alloys have particularly good damping properties.
  • other alloys such as copper-zinc, copper-zinc-aluminum, copper-zinc-nickel and iron-nickel-aluminum can be used.
  • the annular shape memory element has a thickness of approximately 2 mm with a component width of approximately 15 mm to 25 mm. With such a design permanently elastic strains of about 2% can be achieved.
  • the required compression of the pseudoelastic alloy to compensate for peak stresses from 80% C r and a tilt of the shaft of 0.1 ° for a 2 mm thick ring made of a shape memory alloy is less than 2%. Thus, the use of a 2 mm thick ring is sufficient for such an application frame.
  • Fig. 1 is a partial view of a constructed as a rolling bearing according to the invention
  • Fig. 2 shows the bearing assembly according to the invention with a stored therein
  • FIG. 4 shows a stress-strain diagram of the pseudoelastic material of a shape memory component.
  • Fig. 1 shows a partial view of a bearing assembly according to the invention in the form of a rolling bearing.
  • the bearing arrangement comprises a ring-shaped shape memory component 01 made of a shape memory alloy with pseudoelasticity as shape memory property. Preferably, a nickel-titanium alloy is used as the alloy.
  • the shape memory component 01 is installed in a rolling bearing.
  • the rolling bearing consists of an outer ring 02, an inner ring 03 and between outer ring 02 and inner ring 03 disposed rolling elements 04.
  • the shape memory component 01 is located on the first bearing surface facing the component to be supported on the inner ring 03 of the roller bearing and is designed such that it rests on the inner ring 03 in full area. In this way, it is ensured that the entire bearing surface of the bearing is still available for the introduction of force and thus the bearing capacity of the bearing is completely retained.
  • Fig. 2 shows a simplified schematic representation of the device according to the invention in the uncompressed state.
  • the shape memory component 01 is located between the inner ring 03 of the rolling bearing and a shaft 05 as a stored component. In the illustrated state, there are no malpositions of the shaft 05 to be compensated, which must be absorbed by the shape memory component 01. The component 01 is therefore in an undeformed state.
  • 3 shows the shape memory component in a deformed state. In the example shown there is a malposition of the shaft 05, which must be compensated by the pseudoelastic behavior of the shape memory component 01.
  • the shape memory component 01 deforms in accordance with the shaft tilt, thereby compensating for the misalignment of the shaft 01, ie the axis of the bearing still has no angular error.
  • the fact that possible misalignments of the shaft 01 can be compensated for by the inventively equipped rolling bearing can reduce the considerable edge stresses occurring in conventional bearings.
  • a major advantage of such bearings thus carried out is that they are exposed to lower loads and thereby, of course, less wear. The associated longer life is not very last for cost reasons very beneficial.
  • Fig. 4 shows a stress-strain diagram of the pseudoelastic material used for the shape memory device.
  • the pseudo-elasticity is based on a phase transformation of austenite to martensite under stress. This change in structure is accompanied by a lattice shear, which results in a change in shape with only slightly increasing tension. This leads to a plateau in the stress-strain diagram.
  • the transition between the structural phases is fast and can therefore dampen voltage spikes by the material evades.

Abstract

The invention relates to a bearing arrangement for absorbing impact and for compensating for angular errors on a supported component (05). The bearing arrangement comprises a shape memory component (01) between a bearing surface (03) and the supported component (05), the shape memory component being made of a shape memory alloy having pseudo-elasticity as a shape memory property. The bearing arrangement is preferably configured as an anti-friction bearing, which supports a shaft (05).

Description

Bezeichnung der Erfindung Name of the invention
Lageranordnung zur Dämpfung von Stößen und zum Ausgleich von WinkelfehlernBearing arrangement for damping shocks and compensating for angular errors
Beschreibungdescription
Gebiet der ErfindungField of the invention
Die Erfindung betrifft eine Lageranordnung zur Dämpfung von Stößen und zum Ausgleich von Winkelfehlern eines gelagerten Bauteils. Insbesondere kann diese Lagerung Winkelfehler an einer gelagerten Welle ausgleichen.The invention relates to a bearing assembly for damping shocks and to compensate for angular errors of a stored component. In particular, this storage can compensate for angular errors on a mounted shaft.
Zyklisch auftretende Kraftmomente bzw. verkippte Wellen können in Wälzlagern mit Linienkontakt zu erheblichen Kantenspannungen führen, welche wiederum einen erhöhten Verschleiß von Welle und Lager zur Folge haben. Derartige Kantenspannungen treten zum Beispiel bei Lagerungen für Vibrationsmaschinen, wie beispielsweise Unwuchtlagerungen für Rüttler und Schwingsiebe, auf. Bei diesen Anwendungen treten sowohl hohe zyklische als auch nicht zyklische Belastungen auf, welche zu den bereits erwähnten Kantenspannungen und einer starken mechanischen Beanspruchung der umgebenden Bauelemente führen. Zur Reduzierung der auftretenden Kantenspannung ist es bekannt, die Laufbahnen der Innenringe des Wälzlagers leicht ballig zu schleifen, um damit eine leichte Verkippung der Welle zu ermöglichen. Dadurch können durch Last und Fluchtungsfehler der Gehäuse hervorgerufene Wellenverkippungen bis etwa 0,1° zwischen Innenring und Außenring aufgenommen werden. Durch das ballige Schleifen der Laufbahnen wird jedoch die Auflagefläche und somit auch die Tragfähigkeit des Lagers reduziert. Im Vergleich mit herkömmlichen Lagern ist die Fertigung derartiger Lager, bedingt durch das zusätzliche Schleifen der Laufbahnen, ziemlich aufwendig.Cyclically occurring force moments or tilted waves can lead to considerable edge stresses in roller bearings with line contact, which in turn have an increased wear of shaft and bearing result. Such edge stresses occur, for example, in bearings for vibration machines, such as imbalance bearings for vibrators and vibrating screens on. In these applications, both high cyclic and non-cyclic loads occur, which lead to the already mentioned edge stresses and a strong mechanical stress of the surrounding components. In order to reduce the edge stress occurring, it is known to slightly slightly grind the raceways of the inner rings of the bearing so as to allow a slight tilting of the shaft. As a result, caused by load and misalignment of the housing Wellenverkippungen be absorbed to about 0.1 ° between the inner ring and outer ring. Due to the convex grinding of the raceways, however, the bearing surface and thus the bearing capacity of the bearing is reduced. In comparison with conventional bearings, the production of such bearings, due to the additional grinding of the raceways, quite expensive.
Relativ hohe Wellenverkippungen von ca. 2° lassen sich über die Kombination eines Gelenklagers mit einem Zylinderrollenlager erreichen. Eine solche Lösung erfordert jedoch eine sehr komplexe Konstruktion und einen großen Bauraum.Relatively high shaft tilting of about 2 ° can be achieved by combining a spherical plain bearing with a cylindrical roller bearing. However, such a solution requires a very complex construction and a large installation space.
Weiterhin sind aus dem Stand der Technik Pendelrollenlager bekannt, welche auch geeignet sind, Verkippungen einer gelagerten Welle auszugleichen. Nachteilig an solchen Pendelrollenlager ist allerdings ihr relativ großer Bauraum.Furthermore, spherical roller bearings are known from the prior art, which are also suitable to compensate for tilting a mounted shaft. However, a disadvantage of such spherical roller bearings is their relatively large space.
Aus dem Stand der Technik sind so genannte Formgedächtnislegierungen oder auch Memory-Shape Legierungen (auch SMA - shape memory alloy) bekannt, die häufig Gegenstand der anwendungsorientierten Materialforschung sind. Sie zeichnen sich dadurch aus, dass sie nach geeigneter Be- handlung auf Grund einer Umwandlung vom Austenit zum Martensit ihre Gestalt in Abhängigkeit von der Temperatur oder auch vom Druck verändern. In ihrer Tieftemperaturform können Werkstücke aus solchen Legierungen bleibend, das heißt scheinbar plastisch, verformt werden, während sie bei Erwärmung über die Umwandlungstemperatur ihre ursprüngliche Form wieder annehmen. Werden diese Werkstücke erneut abgekühlt, können sie erneut plastisch verformt werden, nehmen aber, sofern sie entsprechend erwärmt werden, unter Rückkehr ihrer Mikrostruktur zum Austenit wieder ihre makroskopische, ursprüngliche Hochtemperaturform an. Beim Formgedächtnisverhalten kann man grundsätzlich zwischen dem Einwegeffekt, dem Zweiwegeeffekt und der Pseudoelastizität unterscheiden. Beim Einwegeffekt nimmt ein Material, das bei einer tiefen Temperatur verformt wurde, seine ursprüngliche Form wieder an, wenn es auf eine höhere Temperatur erhitzt wurde. Das Material erinnert sich gewissermaßen beim Aufheizen an seine ursprüngliche Form und behält diese auch bei einer nachfolgenden Abkühlung bei. Als Zweiwegeeffekt bezeichnet man dagegen die Erscheinung, bei der sich das Material sowohl bei Temperaturerhöhung als auch bei Abküh- lung an seine eintrainierte Form erinnert, das heißt eine Form bei einer hohen Temperatur und eine andere Form bei einer tiefen Temperatur. Von Pseudoelastizität spricht man schließlich, wenn die Umwandlung von Auste- nit zum Martensit nicht durch Abkühlen, sondern in bestimmten Temperaturbereichen durch eine Schubspannung mechanisch erreicht wird. Ein pseu- doelastischer Werkstoff verformt sich während der Belastung zunächst rein elastisch und erst ab einer kritischen Spannung setzt eine spannungsindizierte Umwandlung von Austenit zu Martensit ein, durch die hohe elastische Dehnungsbeträge bei konstanter Spannung erzielt werden. Bei Entlastung wandelt sich der Werkstoff wieder in seine Ausgangsstruktur von Martensit zu Austenit um und die Verformung geht quasi-elastisch zurück.So-called shape memory alloys or memory-shape alloys (also known as SMA - shape memory alloys), which are frequently the subject of application-oriented materials research, are known from the prior art. They are characterized by the fact that, after suitable treatment due to a transformation from austenite to martensite, they change their shape as a function of the temperature or also of the pressure. In their low-temperature form, workpieces of such alloys can be permanently, that is apparently plastic, deformed while they return to their original shape when heated above the transition temperature. If these workpieces are cooled again, they can be plastically deformed again, but, if they are heated appropriately, return to their austenite state upon return of their microstructure macroscopic, original high-temperature form. In the shape memory behavior, one can basically distinguish between the one-way effect, the two-way effect and the pseudo-elasticity. In the one-way effect, a material that has been deformed at a low temperature resumes its original shape when heated to a higher temperature. The material, to a certain extent, recalls its original shape during heating and retains it during subsequent cooling. The two-way effect, on the other hand, refers to the phenomenon in which the material is reminiscent of its trained form both when the temperature is increased and when cooled, that is to say one mold at high temperature and another mold at low temperature. Finally, pseudoelasticity is used when the conversion of austenite to martensite is not achieved mechanically by cooling but by mechanical shear in certain temperature ranges. A pseudo-elastic material initially deforms elastically during loading, and only at a critical stress does a stress-induced transformation of austenite to martensite begin, which results in high elastic strain rates at constant stress. When unloaded, the material reverts to its original structure of martensite to austenite and the deformation returns quasi-elastically.
Formgedächtnislegierungen finden auch in Lageranordnungen Anwendung, um Montagevorgänge zu erleichtern oder das verschleißbedingte Lagerspiel klein zu halten.Shape memory alloys are also used in bearing arrangements to facilitate assembly operations or to keep the wear-related bearing clearance small.
In der DE 101 20 489 C2 ist ein Scheibenkäfig für ein Wälzlager beschrieben, der zumindest teilweise aus einer Formgedächtnis- bzw. Memorylegierung besteht, die abhängig von ihrer Temperatur den Scheibenkäfig zwei verschiedene geometrische Ausgestaltungen einnehmen lässt. Die Ausnut- zung des Memory-Effekts wird zur Montage des Scheibenkäfigs in das Wälzlager genutzt. Die DE 41 22 123 A1 beschreibt ein Gleitlager mit einem Stützkörper und mindestens einer von diesem getragenen Lagerschicht als Lagerteile. Um ein derartiges Lager so zu verbessern, dass eine Geräuschdämpfung im Lager auftritt und die Geräuschabstrahlung insgesamt verringert wird, be- steht mindestens eines der Lagerteile aus einer Formgedächtnislegierung.DE 101 20 489 C2 describes a disk cage for a rolling bearing which consists at least partially of a shape memory or memory alloy which, depending on its temperature, allows the disk cage to assume two different geometrical configurations. The utilization of the memory effect is used to mount the disk cage in the rolling bearing. DE 41 22 123 A1 describes a slide bearing with a support body and at least one bearing layer of this bearing as bearing parts. In order to improve such a bearing so that a noise attenuation occurs in the bearing and the noise emission is reduced overall, at least one of the bearing parts consists of a shape memory alloy.
Eine Einrichtung zur Nachstellung des axialen Spiels von Schrägwälzlagern kann der DE 197 34 998 B4 entnommen werden. Zwischen einem axial verschiebbaren Lagerring und einem als Widerlager wirkenden Halteelement ist ein Anstellelement angeordnet, welches aus einer Formgedächtnislegierung besteht. Infolge der Betriebstemperatur des Schrägwälzlagers kommt es zu einer Gefügeumwandlung der Formgedächtnislegierung und damit zu einem Längenwachstum des Anstellelements. Auf diese Weise soll der in der Lagerung im Laufe des Einsatzes unvermeidliche Verschleiß kompensiert und das durch den Verschleiß veränderte Lagerspiel auf den gewünschten Wert nachgestellt werden.A device for adjusting the axial clearance of skew bearings can be found in DE 197 34 998 B4. Between an axially displaceable bearing ring and acting as an abutment retaining element a Anstellelement is arranged, which consists of a shape memory alloy. As a result of the operating temperature of the angular rolling bearing, there is a structural transformation of the shape memory alloy and thus to a growth in length of the Anstellelements. In this way, the unavoidable wear in the storage during use is to be compensated for and the changed by the wear bearing clearance to the desired value.
Aus der DE 10 2004 030 964 A1 ist ein zweireihiges Rollenlager bekannt, welches zwischen den Innenlaufbahnen des inneren Lagerrings einen axial geteilten Führungsring aufweist, der aus zwei Teilringen besteht. Die Teilringe sind durch mehrere aus einer Formgedächtnislegierung bestehende Zwischenstücke derart miteinander verbunden sind, dass bei jeder Betriebstemperatur durch selbsttätige Längenveränderungen der Zwischenstücke eine annähernd konstante axiale Vorspannung auf die Rollen der Rollenla- gers erzeugbar ist. Als Formgedächtnislegierung wird bevorzugt eine Beta- Nickel-Titan-Legierung mit Pseudoelastizität als Formgedächtniseigenschaft eingesetzt.From DE 10 2004 030 964 A1 a double-row roller bearing is known, which has an axially divided guide ring between the inner races of the inner bearing ring, which consists of two partial rings. The sub-rings are connected by a plurality of shape memory alloy existing intermediate pieces such that at any operating temperature by automatic changes in length of the intermediate pieces an approximately constant axial preload on the rollers of Rollenla- gers can be generated. As the shape memory alloy, a beta-nickel-titanium alloy having pseudoelasticity is preferably used as the shape memory property.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Lageranordnung zur Verfügung zu stellen, welche die durch ungleichmäßige Stoßbelastung und Winkelfehler eines gelagerten Bauteils, insbesondere einer gelagertenThe object of the present invention is to provide a bearing assembly which provides for the uneven impact load and angular error of a stored component, in particular a stored
Welle, hervorgerufene Kantenspannungen reduzieren soll, wobei keine uner- wünschte Reduzierung der Tragzahl des Lagers resultieren soll. Die Lageranordnung soll mit geringem Aufwand gefertigt und montiert werden können und im Vergleich zu herkömmlichen Lagern nur einen geringfügig erhöhten Bauraum benötigen.Wave, induced edge stresses should reduce, with no unforeseen Wished to reduce the load capacity of the bearing should result. The bearing assembly should be manufactured and assembled with little effort and only need a slightly increased space compared to conventional bearings.
Zur Lösung dieser Aufgabe dient eine Lageranordnung gemäß dem beigefügten Anspruch 1. Überraschenderweise hat sich gezeigt, dass zur Lösung der Aufgabe, die bislang durch spezielle Formgebung von Lagerteilen oder aufwendige Konstruktionen angestrebt wurde, ein Formgedächtnisbauteil eingesetzt werden kann, welches aus einer Formgedächtnislegierung mit Pseudoelastizität (gelegentlich auch als Superelastizität bezeichnet) als Formgedächtniseigenschaft besteht. Die erfindungsgemäße Lageranordnung zeichnet sich dadurch aus, dass sie ein solches zwischen einer ersten Lagerfläche und dem gelagerten Bauteil (vorzugsweise eine gelagerte Welle) angeordnetes Formgedächtnisbauteil umfasst.Surprisingly, it has been found that to solve the problem, which was previously sought by special shaping of bearing parts or complex structures, a shape memory component can be used, which consists of a shape memory alloy with pseudoelasticity ( sometimes referred to as superelasticity) as a shape memory property. The bearing arrangement according to the invention is characterized in that it comprises such a shape memory component arranged between a first bearing surface and the mounted component (preferably a mounted shaft).
Ein Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung besteht darin, dass durch den Einsatz einer pseudoelastischen Formgedächtnislegierung zwischen Lager und Welle die maximal auftretenden Spannungen durch elastische Formän- derung des Formgedächtnisbauteils begrenzt werden. Das einzubringende Bauteil verringert die Auflagefläche dabei nicht. Die Tragfähigkeit des Lagers bleibt vollständig erhalten. Die elastischen Formänderungen gleichen nach derzeitigem Entwicklungsstand Wellenverkippungen bis etwa 0,1° aus. Dies entspricht der Leistungsfähigkeit der Lösungen mit ballig geschliffener Lauf- bahn des Innenrings. Es jedoch durchaus denkbar, dass mit künftigen Legierungen auch höhere Wellenverkippungen erreichbar sind.An advantage of the solution according to the invention is that the use of a pseudoelastic shape memory alloy between the bearing and the shaft limits the maximum occurring stresses due to the elastic shape change of the shape memory component. The component to be introduced does not reduce the contact surface. The bearing capacity of the bearing is completely retained. The elastic shape changes compensate for the current state of development Wellenverkippungen to about 0.1 °. This corresponds to the performance of the solutions with crowned ground track of the inner ring. However, it is quite conceivable that higher wave tilting can be achieved with future alloys.
Als vorteilhaft hat sich beim Einsatz an einem ringförmigen Lager ein ebenfalls ringförmiges Formgedächtnisbauteil erwiesen. Ein derartig geformtes Bauteil lässt sich besonders einfach herstellen und gemeinsam mit dem Lager auf der Welle montieren. Nach einer bevorzugten Ausführungsform ist das Lager ein Wälzlager, welches einen Außenring, einen Innenring und zwischen Außenring und Innenring angeordnete Wälzkörper umfasst. Das Formgedächtnisbauteil ist bei dieser Ausführung zwischen Welle und Innenring angeordnet. Bei abgewan- delten Ausführungsformen kann das Formgedächtnisbauteil aber auch zwischen einem Gehäusebauteil und einer am Außenring eines Wälzlagers angeordneten Lagerfläche angeordnet sein.When used on an annular bearing, a likewise annular shape memory component has proved to be advantageous. Such a molded component is particularly easy to manufacture and mount together with the bearing on the shaft. According to a preferred embodiment, the bearing is a roller bearing, which comprises an outer ring, an inner ring and arranged between outer ring and inner ring rolling elements. The shape memory component is arranged in this embodiment between the shaft and inner ring. In modified embodiments, however, the shape memory component can also be arranged between a housing component and a bearing surface arranged on the outer ring of a roller bearing.
Von Vorteil ist es, wenn das Bauteil mit einer vorgegebenen Vorspannung montiert ist. Dadurch ist der pseudoelastischer Werkstoff des Formgedächtnisbauteils schon mit einer entsprechenden Spannung beaufschlagt. Auf diese Weise lässt sich die den Umwandlungsvorgang von Austenit zum Mar- tensit einleitende Spannung, welche eine Verformung des Werkstoffs ermöglicht, einstellen. Die zum Auslösen des pseudoelastischen Effekts aufzubrin- gende Spannung reduziert sich um den Betrag der Vorspannung.It is advantageous if the component is mounted with a predetermined bias. As a result, the pseudoelastic material of the shape memory component is already subjected to a corresponding voltage. In this way, the tension initiating the transformation process from austenite to the martensite, which allows a deformation of the material, can be set. The voltage to be applied for triggering the pseudoelastic effect is reduced by the amount of the bias voltage.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist die Formgedächtnislegierung des Formgedächtnisbauteils entsprechend der zu erwartenden Betriebtemperaturen ausgeführt. Die Umwandlung von Austenit zum Martensit erfolgt in einem Temperaturbereich, der sehr stark von der Zusammensetzung der Legierung abhängig ist. Durch Verändern dieser Legierungsbestandteile kann dieser Temperaturbereich gezielt beeinflusst und dadurch an den jeweiligen Einsatzzweck angepasst werden. Nach einer weitergebildeten Ausführung ist die Formgedächtnislegierung für Betriebstemperaturen von etwa -15°C bis etwa 1200C auslegbar. Mit den derzeit bekannten Legierungen finden außerhalb dieser Temperaturgrenzen keine Umwandlungsvorgänge mehr statt. Dadurch geht auch die mit diesen Umwandlungsvorgängen verbundene Eigenschaft der Pseudoelastizität verloren. Die Anordnung würde sich daher nur noch wie eine konventionelle Lagerung verhalten. Die Angabe dieser Temperaturgrenzen soll keine einschränkende Wirkung haben. Mit künftigen Legierungen könnten durchaus andere Temperaturbereiche erreicht werden. Vorteilhafterweise folgt die Dicke des Formgedächtnisbauteils aus der Anwendung. Der bestimmende Parameter ist dabei die zu erwartenden dauerhafte elastische Dehnung der eingesetzten Formgedächnislegierung. Unter Berücksichtigung dieser Dehnung und einer maximal geforderten Verkippung lässt sich die notwendige Bauteildicke bestimmen.In a preferred embodiment, the shape memory alloy of the shape memory component is designed according to the expected operating temperatures. The transformation of austenite to martensite takes place in a temperature range that depends very much on the composition of the alloy. By changing these alloy components, this temperature range can be specifically influenced and thereby adapted to the respective application. According to a further developed embodiment, the shape memory alloy for operating temperatures of about -15 ° C to about 120 0 C interpretable. With the currently known alloys, no conversion processes take place outside of these temperature limits. This also destroys the pseudo-elasticity property associated with these transformations. The arrangement would therefore only behave like a conventional storage. The indication of these temperature limits should not have any limiting effect. With future alloys quite different temperature ranges could be achieved. Advantageously, the thickness of the shape memory component follows from the application. The determining parameter is the expected permanent elastic elongation of the used Formgedächnislegierung. Taking into account this strain and a maximum required tilt, the necessary component thickness can be determined.
In diesem Zusammenhang hat sich die Verwendung einer Nickel-Titan- Legierung als pseudoelastische Formgedächtnislegierung als besonders vorteilhaft erwiesen. Nickel-Titan-Legierungen weisen besonders gute Dämpfungseigenschaften auf. Natürlich können auch andere Legierungen, wie beispielsweise Kupfer-Zink, Kupfer-Zink-Aluminium, Kupfer-Zink-Nickel und Eisen-Nickel-Aluminium eingesetzt werden.In this context, the use of a nickel-titanium alloy has proven to be particularly advantageous as a pseudoelastic shape memory alloy. Nickel-titanium alloys have particularly good damping properties. Of course, other alloys such as copper-zinc, copper-zinc-aluminum, copper-zinc-nickel and iron-nickel-aluminum can be used.
Als zweckmäßig hat es sich erwiesen, wenn das ringförmige Formgedächt- nisbauteil eine Dicke von etwa 2 mm bei einer Bauteilbreite von ungefähr 15 mm bis 25 mm aufweist. Mit einer derartigen Ausführung sind dauerhaft elastische Dehnungen von etwa 2 % erreichbar. Die erforderliche Kompression der pseudoelastischen Legierung zum Ausgleich von Spitzenspannungen ab 80 % Cr bzw. einer Verkippung der Welle von 0,1° beträgt für einen 2 mm dicken Ring aus einer Formgedächtnislegierung weniger als 2 %. Somit ist der Einsatz eines 2 mm dicken Rings für einen derartigen Anwendungsrahmen ausreichend.It has proven to be expedient if the annular shape memory element has a thickness of approximately 2 mm with a component width of approximately 15 mm to 25 mm. With such a design permanently elastic strains of about 2% can be achieved. The required compression of the pseudoelastic alloy to compensate for peak stresses from 80% C r and a tilt of the shaft of 0.1 ° for a 2 mm thick ring made of a shape memory alloy is less than 2%. Thus, the use of a 2 mm thick ring is sufficient for such an application frame.
Weitere Vorteile, Einzelheiten und Weiterbildungen der vorliegenden Erfin- düng ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen, unter Bezugnahme auf die Zeichnung. Es zeigen:Further advantages, details and further developments of the present invention will become apparent from the following description of preferred embodiments, with reference to the drawings. Show it:
Fig. 1 eine Teilansicht einer als Wälzlager aufgebauten erfindungsgemäßenFig. 1 is a partial view of a constructed as a rolling bearing according to the invention
Lageranordnung;Bearing assembly;
Fig. 2 die erfindungsgemäße Lageranordnung mit einer darin gelagertenFig. 2 shows the bearing assembly according to the invention with a stored therein
Welle in einem nicht verformten Zustand; Fig. 3 die erfindungsgemäße Lageranordnung mit der darin gelagerten Welle in einem verformten Zustand;Wave in an undeformed state; 3 shows the bearing assembly according to the invention with the shaft mounted therein in a deformed state.
Fig. 4 ein Spannungs-Dehnungs-Diagramm des pseudoelastischen Werk- Stoffs eines Formgedächtnisbauteils.4 shows a stress-strain diagram of the pseudoelastic material of a shape memory component.
Fig. 1 zeigt eine Teilansicht einer erfindungsgemäßen Lageranordnung in Form eines Wälzlagers. Die Lageranordnung umfasst ein ringförmig ausge- fϋhrtes Formgedächtnisbauteil 01 aus einer Formgedächtnislegierung mit Pseudoelastizität als Formgedächtniseigenschaft. Vorzugsweise wird als Legierung eine Nickel-Titan-Legierung eingesetzt. Das Formgedächtnisbauteil 01 ist in ein Wälzlager eingebaut. Das Wälzlager besteht aus einem Außenring 02, einem Innenring 03 und zwischen Außenring 02 und Innenring 03 angeordneten Wälzkörpern 04.Fig. 1 shows a partial view of a bearing assembly according to the invention in the form of a rolling bearing. The bearing arrangement comprises a ring-shaped shape memory component 01 made of a shape memory alloy with pseudoelasticity as shape memory property. Preferably, a nickel-titanium alloy is used as the alloy. The shape memory component 01 is installed in a rolling bearing. The rolling bearing consists of an outer ring 02, an inner ring 03 and between outer ring 02 and inner ring 03 disposed rolling elements 04.
Das Formgedächtnisbauteil 01 befindet sich bei der hier gezeigten Ausführungsform an der zu einem zu lagernden Bauteil gerichteten ersten Lagerfläche am Innenring 03 des Wälzlagers und ist so ausgebildet, dass es vollflä- chig am Innenring 03 anliegt. Auf diese Weise ist gewährleistet, dass die komplette Auflagefläche des Lagers weiterhin für die Krafteinleitung zur Verfügung steht und somit die Tragfähigkeit des Lagers vollständig erhalten bleibt.In the embodiment shown here, the shape memory component 01 is located on the first bearing surface facing the component to be supported on the inner ring 03 of the roller bearing and is designed such that it rests on the inner ring 03 in full area. In this way, it is ensured that the entire bearing surface of the bearing is still available for the introduction of force and thus the bearing capacity of the bearing is completely retained.
Fig. 2 zeigt in einer vereinfachten Prinzipdarstellung die erfindungsgemäße Vorrichtung im unkomprimierten Zustand. Das Formgedächtnisbauteil 01 befindet sich zwischen dem Innenring 03 des Wälzlagers und einer Welle 05 als gelagertem Bauteil. Im dargestellten Zustand liegen keine zu kompensierenden Fehlstellungen der Welle 05 vor, welche durch das Formge- dächtnisbauteil 01 aufgenommen werden müssen. Das Bauteil 01 befindet sich daher in einem nicht verformten Zustand. Fig. 3 zeigt das Formgedächtnisbauteil in einem verformten Zustand. Im dargestellten Beispiel liegt eine Fehlstellung der Welle 05 vor, welche durch das pseudoelastische Verhalten des Formgedächtnisbauteils 01 ausgeglichen werden muss. Der Darstellung kann entnommen werden, dass sich das Formgedächtnisbauteil 01 entsprechend der Wellenverkippung verformt, dadurch wird die Fehlstellung der Welle 01 kompensiert, d.h. die Achse der Lagerung weist nach wie vor keinen Winkelfehler auf. Dadurch, dass mögliche Fehlstellungen der Welle 01 vom erfindungsgemäß ausgerüsteten Wälzlager ausgeglichen werden können, lassen sich die bei konventionellen La- gerungen auftretenden erheblichen Kantenspannungen reduzieren. Ein großer Vorteil derart ausgeführter Lagerungen besteht somit darin, dass sie geringeren Belastungen ausgesetzt sind und dadurch natürlich auch weniger verschleißen. Die damit verbundene längere Lebensdauer ist nicht zu letzt aus Kostengründen sehr vorteilhaft.Fig. 2 shows a simplified schematic representation of the device according to the invention in the uncompressed state. The shape memory component 01 is located between the inner ring 03 of the rolling bearing and a shaft 05 as a stored component. In the illustrated state, there are no malpositions of the shaft 05 to be compensated, which must be absorbed by the shape memory component 01. The component 01 is therefore in an undeformed state. 3 shows the shape memory component in a deformed state. In the example shown there is a malposition of the shaft 05, which must be compensated by the pseudoelastic behavior of the shape memory component 01. It can be seen from the representation that the shape memory component 01 deforms in accordance with the shaft tilt, thereby compensating for the misalignment of the shaft 01, ie the axis of the bearing still has no angular error. The fact that possible misalignments of the shaft 01 can be compensated for by the inventively equipped rolling bearing can reduce the considerable edge stresses occurring in conventional bearings. A major advantage of such bearings thus carried out is that they are exposed to lower loads and thereby, of course, less wear. The associated longer life is not very last for cost reasons very beneficial.
Fig. 4 zeigt ein Spannungs-Dehnungs-Diagramm des pseudoelastischen Werkstoffs, der für das Formgedächtnisbauteil verwendet wird. Die Pseudo- elastizität beruht auf einer Phasenwandlung von Austenit zu Martensit unter Belastung. Diese Gefügeänderung geht mit einer Gitterscherung einher, wo- durch es zu einer Formänderung bei nur geringfügig ansteigender Spannung kommt. Dies führt zu einem Plateau im Spannungs-Dehnungs-Diagramm. Der Übergang zwischen den Gefügephasen erfolgt schnell und kann daher auch Spannungsspitzen abdämpfen, indem das Material ausweicht.Fig. 4 shows a stress-strain diagram of the pseudoelastic material used for the shape memory device. The pseudo-elasticity is based on a phase transformation of austenite to martensite under stress. This change in structure is accompanied by a lattice shear, which results in a change in shape with only slightly increasing tension. This leads to a plateau in the stress-strain diagram. The transition between the structural phases is fast and can therefore dampen voltage spikes by the material evades.
Die bei der Phasenwandlung aufgenommene Energie spiegelt sich wieder in der Hysterese zwischen Kompression und Entspannung.The energy absorbed during the phase transformation is reflected in the hysteresis between compression and relaxation.
Der Übergang von Austenit zu Martensit, welcher durch das Plateau definiert wird, verschiebt sich für höhere Temperaturen zu höheren Spannungen. Für Temperaturen über ca. 1200C findet bei den heute bekannten Legierungen kein Übergang mehr statt. Diese Temperatur wird auch Martensit-Death- Temperatur genannt. Es handelt sich hierbei um eine Materialeigenschaft. Für sehr hohe Temperaturen verhält sich das Material ähnlich wie Stahl. Im Vergleich zu Stahl ist jedoch der Elastizitätsmodul beispielsweise von Nickel- Titan-Austenit mit 70 - 80 GPa mehr als die Hälfte kleiner als der von Stahl mit 210 GPa. Auch zu tiefen Temperaturen hin gibt es eine Grenze der An- wendung. Für Temperaturen kleiner 00C bzw. je nach Legierung auch -15°C liegt die Legierung im martensitischen Gefüge vor. Eine Umwandlung und die damit verbundene Pseudoelastizität sind dann nicht mehr möglich. Außerhalb der genannten Temperaturgrenzen verhält sich die beschriebene Anordnung wie ein konventionelles Lager. The transition from austenite to martensite, which is defined by the plateau, shifts to higher voltages for higher temperatures. For temperatures above about 120 0 C no transition takes place in the alloys known today. This temperature is also called martensite death temperature. It is a material property. For very high temperatures, the material behaves much like steel. Compared to steel, however, the modulus of elasticity of, for example, nickel-titanium austenite at 70-80 GPa is more than half smaller than that of steel at 210 GPa. Even at low temperatures, there is a limit to the application. The alloy in the martensitic structure is present for temperatures below 0 0 C, and depending on the alloy and -15 ° C. A conversion and the associated pseudo-elasticity are then no longer possible. Outside the stated temperature limits, the described arrangement behaves like a conventional bearing.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
Bauteilcomponent
Außenring des WälzlagersOuter ring of the rolling bearing
Innenring des WälzlagersInner ring of the rolling bearing
Wälzkörperrolling elements
Welle wave

Claims

Patentansprüche claims
1. Lageranordnung zur Dämpfung von Stößen und zum Ausgleich von Winkelfehlern an einem gelagerten Bauteil (05), dadurch gekennzeichnet, dass sie ein zwischen einer Lagerfläche (03) und dem gelagerten Bauteil (05) angeordnetes Formgedächtnisbauteil (01) umfasst, welches aus einer Formgedächtnislegierung mit Pseudoelastizität als Formgedächtniseigenschaft besteht.1. Bearing arrangement for damping shocks and for compensating angular errors on a mounted component (05), characterized in that it comprises a between a bearing surface (03) and the mounted component (05) arranged shape memory component (01), which consists of a shape memory alloy with pseudoelasticity as shape memory property.
2. Lageranordnung nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, dass das Formgedächtnisbauteil (01) ringförmig ist und an eine ringförmige Lagerfläche (03) angekoppelt ist.2. Bearing arrangement according to claim 1, characterized in that the shape memory component (01) is annular and is coupled to an annular bearing surface (03).
3. Lageranordnung nach Anspruch 1 oder 2. dadurch gekennzeichnet, dass sie als Wälzlager ausgebildet ist, welches einen Außenring (02), einen Innenring (03) und zwischen Außenring (02) und Innenring (03) angeordnete Wälzkörper (04) umfasst, und dass das Formgedächtnisbauteil (01) zwischen einer gelagerten Welle (05) und dem Innenring (03) ange- ordnet ist. 3. Bearing arrangement according to claim 1 or 2, characterized in that it is designed as a rolling bearing, which comprises an outer ring (02), an inner ring (03) and between outer ring (02) and inner ring (03) arranged rolling elements (04), and the shape memory component (01) is arranged between a mounted shaft (05) and the inner ring (03).
4. Lageranordnung nach Anspruch 1 oder 2. dadurch gekennzeichnet, dass sie als Wälzlager ausgebildet ist, welches einen Außenring (02), einen Innenring (03) und zwischen Außenring (02) und Innenring (03) angeordnete Wälzkörper (04) umfasst, und dass das Formgedächtnisbauteil (01) zwischen einem Gehäuseteil und dem Außenring (02) angeordnet ist.4. Bearing arrangement according to claim 1 or 2, characterized in that it is designed as a rolling bearing, which comprises an outer ring (02), an inner ring (03) and between outer ring (02) and inner ring (03) arranged rolling elements (04), and the shape memory component (01) is arranged between a housing part and the outer ring (02).
5. Lageranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4. dadurch gekennzeichnet, dass das Formgedächtnisbauteil (01) mit einer vorgegebenen Vorspannung zwischen der Lagerfläche und dem gelagerten Bauteil montiert ist.5. Bearing arrangement according to one of claims 1 to 4, characterized in that the shape memory component (01) is mounted with a predetermined bias between the bearing surface and the mounted component.
6. Lageranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5. dadurch gekennzeichnet, dass die Formgedächtnislegierung des Formgedächtnisbauteils entsprechend der zu erwartenden Betriebstemperaturen so ausgeführt ist, dass im Betriebstemperaturbereich die Formgedächtniseigenschaft erhalten bleibt.6. Bearing arrangement according to one of claims 1 to 5, characterized in that the shape memory alloy of the shape memory component is designed according to the expected operating temperatures so that in the operating temperature range, the shape memory property is maintained.
7. Lageranordnung nach Anspruch 6. dadurch gekennzeichnet, dass die Formgedächtnislegierung in einem Betriebstemperaturbereich von etwa 00C bis 1200C ihre Formgedächtniseigenschaft besitzt.7. Bearing arrangement according to claim 6, characterized in that the shape memory alloy in an operating temperature range of about 0 0 C to 120 0 C has their shape memory property.
8. Lageranordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 7. dadurch oekenn- zeichnet, dass das ringförmige Formgedächtnisbauteil (01) eine Dicke von etwa 2 mm aufweist.8. Bearing arrangement according to one of claims 2 to 7 characterized in that the annular shape memory component (01) has a thickness of about 2 mm.
9. Lageranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8. dadurch gekennzeichnet, dass als pseudoelastische Formgedächtnislegierung des Formgedächtnisbauteils eine Nickel-Titan-Legierung eingesetzt wird. 9. Bearing arrangement according to one of claims 1 to 8, characterized in that a nickel-titanium alloy is used as a pseudoelastic shape memory alloy of the shape memory component.
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