WO2014056491A2 - Käfig für ein wälzlager sowie verfahren zu dessen herstellung - Google Patents

Käfig für ein wälzlager sowie verfahren zu dessen herstellung Download PDF

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WO2014056491A2
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Gabriele Laugisch
Michael Pausch
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Schaeffler Technologies AG & Co. KG
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    • F16C33/3887—Details of individual pockets, e.g. shape or ball retaining means

Definitions

  • the invention relates to a method according to the preamble of claim 1 for producing a cage for a roller bearing, wherein the cage in pockets guides the rolling elements of the rolling bearing, and a method according to the cage according to claim 5.
  • Cages are known from the prior art, which are made of a cured matrix of a fiber or fabric reinforced resin, in particular a fiber or fabric reinforced epoxy or phenolic resin. Such so-called hard tissue cages are especially for fast-moving
  • the method provides the step of wrapping a mandrel with the resin-wetted fibers so that fibers, including the fibers of a fabric, are wetted with the resin in a liquid resin and the composite is wound around a mandrel prior to curing of the resin in that the composite can harden on the mandrel to form a substantially cylindrical semi-finished product result.
  • a machining step is provided, namely a turning, drilling and grinding. In the process, the fibers of the cured composite become
  • the cage obtained which has a body made of a cured, fiber-reinforced resin matrix, wherein pockets are formed in the body for receiving rolling elements, has at high speeds or at high temperatures just in the circumferential direction only a reduced strength. To make matters worse still further, that some of the guided in the pockets balls in the circumferential direction and run after other balls, so that due to the ball lead or the ball tracking just in the circumferential direction a tensile load occurs, which is superimposed on a centrifugal force expansion of the cage.
  • a burr may be present at the edges of the pockets, wherein the burr may be removed, for example by means of vibratory grinding, so that the finishing grinding is the only material removal by machining.
  • the cage produced according to the method therefore has no weakening of the material in the region of the webs between adjacent pockets.
  • the dimensions of the placeholders are dimensioned to correspond in the section of the dimension wrapped by the resin-impregnated composite, in particular the diameter of a spherical rolling element, plus a play to be provided.
  • the placeholders are detachably fastened to the mandrel, for example by means of a screw connection or a plug connection.
  • the cage is designed to receive in particular spherical rolling elements, and that an extension of a pocket in the circumferential direction of the cage is greater than an extension of the pocket perpendicular to the circumferential direction.
  • the placeholders have an oval or elliptical outline and are arranged so that the respective long axis extends in the circumferential direction. In this way, possible damage to the cage by the ball lead or the
  • the cage may also be provided for receiving roller-shaped rolling elements, including the
  • the invention further relates to a cage, the body of a
  • FIG. 1 schematically shows a method step in an exemplary implementation of the inventive method for producing a cage according to the invention, in a viewing direction along the axis of the cage (left partial image) and perpendicular to this axis (right partial image).
  • FIG. 1 shows the step of winding a winding mandrel 1 with the resin-wetted fibers, in particular with epoxy-resin wetted fibers
  • Carbon fibers wherein the schematically illustrated step is part of a method for producing a cage for a rolling bearing, and wherein the
  • cage has a body made of a cured, fiber-reinforced resin matrix, wherein in the body pockets for receiving rolling elements are formed. From the long strand formed fibers 2 is one in the right part of Fig. 1 by the reference numeral '2'.
  • Fig. 1 shows in the left part of the figure that along the circumference of the mandrel 1 at equal intervals several, in particular eight, similar, each rotationally symmetrical placeholder are attached, one of which with the
  • the placeholder 4 is attached to the winding mandrel 1 with a detachable connection 5, in particular by means of a
  • the fibers 2 are guided laterally past the respective placeholder 4 on the cylindrical outer surface of the winding mandrel 1; the fiber of the right partial image designated by the reference symbol '2' is moved to the left in the axial direction with reference to the cylinder axis 3 of the winding mandrel 1, on the right and on the circumferentially adjacent spacer 4 '.
  • the wrapping of the winding mandrel 1 with the resin-impregnated fibers 2 is performed so that the resin-impregnated fibers on the axially first side, for example, left, of the first placeholder (for example, the
  • Ball bearing cage serve.
  • the cured fiber reinforced matrix can be cut laterally to give the body of the manufactured cage a defined axial dimension 6.
  • a diameter 7 of the placeholders 4, 4 ' is at least in the portion where the placeholder 4, 4' is surrounded by the still flowable, fiber-reinforced matrix, so dimensioned that the diameter of the pockets obtained the
  • the resin matrix not shown additives in particular fibers or particles of a solid lubricant, are added.
  • fibers or particles for example, carbon fibers, glass fibers or aramid fibers or natural fibers such as cotton into consideration.
  • the cage produced is designed for receiving spherical rolling elements, and that an extension of a pocket in the circumferential direction of the cage is greater than an extension of the pocket perpendicular to the
  • the pockets were provided for receiving spherical rolling elements, so that the placeholders 4, 4 'were formed substantially rotationally symmetrical. It is understood that the placeholders, for example, have a rectangular section, on the side past in the wrapping the fiber-reinforced still flowable resin matrix is guided, so that the cage obtained for receiving non-spherical rolling elements, in particular cylindrical or
  • the fibers 2 were formed as single long fibers, in particular as carbon fibers. It is understood that the fibers may also be parts of a fabric or web, which in the wrapping of the winding mandrel 1 alternately to in

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Käfigs für ein Wälzlager, wobei der Käfig ein Korpus aus einer ausgehärteten, faserverstärkten Harzmatrix aufweist, wobei in dem Korpus Taschen zur Aufnahme von Wälzkörpern ausgebildet sind, umfassend den Schritt: Umwickeln eines Wickeldorns (1) mit den harzbenetzten Fasern (2). Die Aufgabe, ein Verfahren zur Herstellung eines aus einer ausgehärteten, faserverstärkten Harzmatrix gebildeten Käfigs anzugeben, wobei der Käfig für hohe Drehzahlen besser geeignet ist, wird erfindungsgemäß für das eingangs genannte Verfahren dadurch gelöst, dass an dem Wickeldorn (1) an der Stelle der Taschen Platzhalter (4, 4') angeordnet sind, und dass die Fasern (2) an dem Platzhaltern (4, 4') vorbei geführt werden.

Description

Bezeichnung der Erfindung
Käfig für ein Wälzlager sowie Verfahren zu dessen Herstellung Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zur Herstellung eines Käfigs für ein Wälzlager, wobei der Käfig in Taschen die Wälzkörper des Wälzlagers führt, und einen verfahrensgemäß hergestellten Käfig nach Anspruch 5.
Aus dem Stand der Technik sind Käfige bekannt, die aus einer ausgehärteten Matrix eines faser- oder gewebeverstärkten Harzes, insbesondere eines faser- oder gewebeverstärkten Epoxid- oder Phenolharzes, hergestellt sind. Derartige sogenannte Hartgewebekäfige sind insbesondere für schnelldrehende
Spindellager bekannt und als Kugellagerkäfige ausgebildet, wobei höhere Temperaturen auftreten können, die zu einem Ansengen der Kontaktfläche des Wälzkörpers zu der auf den Wälzkörper weisenden Innenwandung der Taschen führen können. Ein Ansengen kann auch an einer Kontaktfläche zwischen dem Käfig und einem Lagerringbord auftretren. In Umfangsrichtung des Käfigs wirken hohe Kräfte, so dass insbesondere im Bereich der engsten Stelle von Stegen, die in Umfangsrichtung benachbarte Taschen des Käfigs trennen, Stegbrüche auftreten können. DE 10 2004 058 518 A1 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines Käfigs für ein Wälzlager, wobei der Käfig Taschen aufweist, in denen die Wälzkörper des Wälzlagers aufgenommen sind. Das Verfahren sieht den Schritt des Umwickeins eines Wickeldorns mit den harzbenetzten Fasern vor, so dass Fasern, einschließlich der Fasern eines Gewebes, in einem flüssigen Harz mit dem Harz benetzt werden und der Verbund noch vor dem Aushärten des Harzes um einen Wickeldorn gewickelt wird, so dass der Verbund an dem Wickeldorn aushärten kann, um ein im wesentlichen zylindrische Halbzeug zu ergeben. Um die Taschen in das zylindrische Halbzeug einzubringen, ist ein spanender Bearbeitungsschritt vorgesehen, nämlich ein Drehen, Bohren und Schleifen. Dabei werden die Fasern des ausgehärteten Verbundes
abschnittsweise durchtrennt, so dass insbesondere auch die Festigkeit des zwischen des Taschen verbliebenen Stegs reduziert wird. Der erhaltene Käfig, der ein Korpus aus einer ausgehärteten, faserverstärkten Harzmatrix aufweist, wobei in dem Korpus Taschen zur Aufnahme von Wälzkörpern ausgebildet sind, weist dabei bei hohen Drehzahlen bzw. bei hohen Temperaturen gerade in Umfangsrichtung nur eine verminderte Festigkeit auf. Erschwerend tritt weiter hinzu, dass einzelne der in den Taschen geführten Kugeln in Umfangsrichtung vorlaufen und andere Kugeln nachlaufen, so dass aufgrund des Kugelvorlaufs bzw. des Kugelnachlaufs gerade in Umfangsrichtung eine Zugbelastung auftritt, die sich einer fliehkraftbedingten Aufweitung des Käfigs überlagert.
Aufgabe der Erfindung
Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung eines aus einer ausgehärteten, faserverstärkten Harzmatrix gebildeten Käfigs anzugeben, wobei der Käfig für hohe Drehzahlen besser geeignet ist.
Zusammenfassung der Erfindung Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß für das eingangs genannte Verfahren dadurch gelöst, dass an dem Wickeldorn an der Stelle der Taschen Platzhalter angeordnet sind, und dass die Fasern an dem Platzhaltern vorbei geführt werden. Die noch nicht ausgehärtete Matrix, insbesondere aus einem Epoxidharz oder einem Phenolharz, mit den Fasern ist noch fließfähig und legt sich um die Wandungen der Platzhalter eng an. Nach dem Aushärten des Harzes werden die Platzhalter entfernt und das Halbzeug von dem Wickeldorn abgenommen, wobei in dem Halbzeug bereits Taschen eingefügt sind, ohne dass ein wesentlicher spanender Materialabtrag und insbesondere ohne dass ein Auftrennen der Fasern erforderlich ist. Nach dem Entfernen kann ein Grat an den Rändern der Taschen vorhanden sein, wobei der Grat beispielsweise mittels Gleitschleifen entfernt werden kann, so dass das Gleitschleifen der einzige spanende Materialabtrag ist. Der verfahrensgemäß hergestellte Käfig weist daher keine Schwächung des Materials im Bereich der Stege zwischen benachbarten Taschen auf.
Die Abmessungen der Platzhalter sind so bemessen, dass sie in dem von dem harzgetränkten Verbund umwickelten Abschnitt der Abmessung, insbesondere dem Durchmesser eines kugelförmigen Wälzkörpers, zuzüglich eines vorzusehenden Spiels entsprechen.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Platzhalter an dem Wickeldorn lösbar, beispielsweise mittels einer Schraubverbindung oder einer Steckverbindung, befestigt sind. Vorzugsweise ist vorgesehen, dass der Käfig zur Aufnahme von insbesondere kugelförmigen Wälzkörpern ausgelegt ist, und dass eine Erstreckung einer Tasche in Umfangsrichtung des Käfigs größer ist als eine Erstreckung der Tasche senkrecht zu der Umfangsrichtung. Die Platzhalter weisen dabei einen ovalen oder elliptischen Umriss auf und sind so angeordnet, dass sich die jeweils lange Achse in Umfangsrichtung erstreckt. Auf diese Weise werden mögliche Schäden an dem Käfig durch den Kugelvorlauf oder den
Kugelnachlauf bei hohen Drehzahlen reduziert. Der Käfig kann auch zur Aufnahme von rollenförmigen Wälzkörpern vorgesehen sein, wozu die
Platzhalter einen elliptischen oder rechteckigen Umriss aufweisen, wobei zur Reduzierung des Rollenvorlaufs und des Rollennachlaufs die Erstreckung des Platzhalters in Unmfangsrichtung größer ist als senkrecht zu der
Umfangsrichtung. Die Erfindung betrifft weiter einen Käfig, der ein Korpus aus einer
ausgehärteten, faserverstärkten Harzmatrix aufweist, wobei in dem Korpus Taschen zur Aufnahme von Wälzkörpern ausgebildet sind, und wobei der Käfig gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt ist.
Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen sowie aus der Beschreibung eines Ausführungsbeispiels. Die Erfindung wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen näher beschrieben und erläutert.
Kurze Beschreibung der Figuren
Fig. 1 zeigt schematisch einen Verfahrensschritt bei einer beispielhaften Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Käfigs, und zwar in einer Blickrichtung entlang der Achse des Käfigs (linkes Teilbild) und senkrecht zu dieser Achse (rechtes Teilbild).
Detaillierte Beschreibung der Figuren Fig. 1 zeigt den Schritt eines Umwickeins eines Wickeldorns 1 mit den harzbenetzten Fasern, insbesondere mit von Epoxidharz benetzten
Kohlenfasern, wobei der schematisch dargestellte Schritt Teil eines Verfahrens zur Herstellung eines Käfigs für ein Wälzlager ist, und wobei der
verfahrensgemäß hergestellte Käfig ein Korpus aus einer ausgehärteten, faserverstärkten Harzmatrix aufweist, wobei in dem Korpus Taschen zur Aufnahme von Wälzkörpern ausgebildet sind. Von den als langer Strang ausgebildeten Fasern 2 ist eine in dem rechten Teilbild von Fig. 1 mit dem Bezugszeichen ,2' ausgewiesen.
Bei dem Umwickeln des im wesentlichen zylindrischen Wickeldorns 1 werden harzgetränkte, noch feuchte und insbesondere noch fließfähige Fasern 2 um die Zylinderachse 3 des Wickeldorns 1 gelegt, und zwar nach einem an sich bekannten Kreuzmuster. Der Durchmesser des Wickeldorns 1 ist auf den Durchmesser des Korpus des herzustellenden Käfigs abgestimmt. Für die Durchführung des Verfahrens ist vorgesehen, dass bei dem Schritt des Umwickeins des Wickeldorns 1 mit den harzgetränkten, noch fließfähigen Fasern 2 an dem Wickeldorn 1 an der Stelle der Taschen des herzustellenden Käfigs Platzhalter angeordnet sind, und dass die Fasern 2 an dem Platzhaltern vorbei geführt werden.
Fig. 1 zeigt in dem linken Teilbild, dass entlang des Umfangs des Wickeldorns 1 in gleichen Abständen mehrere, insbesondere acht, gleichartige, jeweils drehsymmetrische Platzhalter befestigt sind, deren einer mit dem
Bezugszeichen ,4' ausgewiesen ist. Der Platzhalter 4 ist an dem Wickeldorn 1 mit einer lösbaren Verbindung 5 befestigt, insbesondere mittels einer
Steckverbindung oder einer Schraubverbindung.
Die Fasern 2 werden seitlich an dem jeweiligen Platzhalter 4 vorbeigeführt auf der zylindrischen Mantelfläche des Wickeldorns 1 abgelegt; die beispielhaft mit dem Bezugszeichen ,2' ausgewiesene Faser des rechten Teilbilds wird an dem mit dem Bezugszeichen ,4' ausgewiesenen Platzhalter in axialer Richtung, bezogen auf die Zylinderachse 3 des Wickeldorns 1 , rechts und an dem in Umfangsrichtung benachbarten Platzhalter 4' links vorbeigeführt. Insbesondere wird das Umwickeln des Wickeldorns 1 mit den harzgetränkten Fasern 2 so durchgeführt, dass die harzgetränkten Fasern auf der axial ersten Seite, beispielsweise links, von dem ersten Platzhalter (beispielsweise dem
Platzhalter 4) und auf der axial gegenüberliegenden, anderen Seite, also rechts von dem in Umfangshchtung benachbarten Platzhalter 4' jeweils seitlich vorbeigeführt werden.
Nach dem Aushärtenlassen der im wesentlichen noch fließfähigen Matrix aus dem Harz mit den diese verstärkenden Fasern 2 an dem Wickeldorn 1 werden sämtliche Platzhalter 4, 4' entfernt und die ausgehärtete, faserverstärkte Matrix von dem Wickeldorn 1 abgenommen. An der Stelle der Platzhalter 4, 4' sind Aussparungen in der ausgehärteten faserverstärkten Matrix ausgebildet, die, abgesehen von einem möglichen Entgraten des Randes der Aussparung, ohne weitere materialabtragende, insbesondere ohne spanabtragende
Nachbearbeitung als Taschen für die kugelförmigen Wälzkörper des
Kugellager-Käfigs dienen. Die ausgehärtete faserverstärkte Matrix kann seitlich zugeschnitten werden, um dem Korpus des hergestellten Käfigs eine definierte axiale Abmessung 6 zu geben.
Ein Durchmesser 7 der Platzhalter 4, 4' ist zumindest in dem Abschnitt, an dem der Platzhalter 4, 4' von der noch fließfähigen, faserverstärkten Matrix umgeben ist, so bemessen, dass der Durchmesser der erhaltenen Taschen dem
Durchmesser der in den Taschen als Wälzkörper aufzunehmenden Kugeln zuzüglich eines für die Kugeln vorzusehenden Taschenspiels beträgt.
Bei dem vorstehend näher beschriebenen Ausführungsbeispiel war
vorgesehen, dass der Harzmatrix nicht weiter dargestellte Zusatzstoffe, insbesondere Fasern oder Partikel eines Festschmierstoffs, zugesetzt sind. Als Fasern oder Partikel kommen beispielsweise Kohlefasern, Glasfasern oder Aramidfasern bzw. natürliche Fasern wie Baumwolle in Betracht.
In einer Abwandlung des dargestellten Ausführungsbeispiels kann vorgesehen sein, dass der hergestellte Käfig zur Aufnahme von kugelförmigen Wälzkörpern ausgelegt ist, und dass eine Erstreckung einer Tasche in Umfangshchtung des Käfigs größer ist als eine Erstreckung der Tasche senkrecht zu der
Umfangsrichtung, um einem Vorlauf bzw. einem Nachlauf einiger der Wälzkörper bei schneller Drehung des Käfigs zu ermöglichen. In diesem Fall weisen die bei dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel
drehsymmetrischen Platzhalter 4, 4' eine Erstreckung in Umfangsrichtung des zylindrischen Wickeldorns 1 auf, die größer ist als eine Erstreckung parallel zu der Richtung der Zylinderachse 3, also eine in Draufsicht auf die Achse der Platzhalter 4, 4' oval oder elliptisch verzerrten Querschnitt.
Bei dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel waren die Taschen zur Aufnahme von kugelförmigen Wälzkörpern vorgesehen, so dass die Platzhalter 4, 4' im wesentlichen drehsymmetrisch ausgebildet waren. Es versteht sich, dass die Platzhalter beispielsweise einen rechteckigen Abschnitt aufweisen, an dem seitlich vorbei bei dem Umwickeln die faserverstärkte noch fließfähige Harzmatrix geführt wird, so dass der erhaltene Käfig für die Aufnahme von nicht-kugelförmigen Wälzkörpern, insbesondere zylindrischen oder
nadeiförmigen Rollkörpern mit einem rechteckigen Umriss, ausgebildet ist. Es versteht sich weiter, dass durch eine passende Wahl der Form der Platzhalter 4, 4' auch andere Taschengeometrien zu erhalten sind.
Bei dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel waren die Fasern 2 als einzelne Langfasern, insbesondere als Kohlenstoff-Fasern, ausgebildet. Es versteht sich, dass die Fasern auch Teile eines Gewebes oder Gespinstes sein können, das bei dem Umwickeln des Wickeldorns 1 abwechselnd um in
Umfangsrichtung benachbarte Platzhalter 4, 4' seitlich an diesen vorbeigeführt auf den Wickeldorn 1 gelegt wird. Bezugszeichenliste
1 Wickeldorn
2 Faser
3 Zylinderachse
4, 4' Platzhalter
5 lösbare Verbindung
6 axiale Abmessung
7 Durchmesser des Platzhalters 4, 4'

Claims

Patentansprüche
1 . Verfahren zur Herstellung eines Käfigs für ein Wälzlager,
wobei der Käfig ein Korpus aus einer ausgehärteten, faserverstärkten Harzmatrix aufweist,
wobei in dem Korpus Taschen zur Aufnahme von Wälzkörpern ausgebildet sind,
umfassend den Schritt: Umwickeln eines Wickeldorns (1 ) mit den harzbenetzten Fasern (2),
dadurch gekennzeichnet,
dass an dem Wickeldorn (1 ) an der Stelle der Taschen Platzhalter (4, 4') angeordnet sind, und
dass die Fasern (2) an dem Platzhaltern (4, 4') vorbei geführt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die
Platzhalter (4) an dem Wickeldorn (1 ) lösbar, beispielsweise mittels einer Schraubverbindung oder einer Steckverbindung (5), befestigt sind.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Harzmatrix Zusatzstoffe, insbesondere Fasern oder Partikel eines
Festschmierstoffs, zugesetzt sind.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Käfig zur Aufnahme von insbesondere kugelförmigen
Wälzkörpern ausgelegt ist, und dass eine Erstreckung einer Tasche in
Umfangsrichtung des Käfigs größer ist als eine Erstreckung der Tasche senkrecht zu der Umfangsrichtung.
5. Käfig, hergestellt gemäß dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4.
PCT/DE2013/200081 2012-10-12 2013-07-31 Käfig für ein wälzlager sowie verfahren zu dessen herstellung WO2014056491A2 (de)

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DE102012218617.4 2012-10-12
DE102012218617.4A DE102012218617A1 (de) 2012-10-12 2012-10-12 Käfig für ein Wälzlager sowie Verfahren zu dessen Herstellung

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