WO2015059198A1 - Lagerring - Google Patents

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WO2015059198A1
WO2015059198A1 PCT/EP2014/072666 EP2014072666W WO2015059198A1 WO 2015059198 A1 WO2015059198 A1 WO 2015059198A1 EP 2014072666 W EP2014072666 W EP 2014072666W WO 2015059198 A1 WO2015059198 A1 WO 2015059198A1
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WO
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layer
bearing ring
ring
bearing
struts
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PCT/EP2014/072666
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English (en)
French (fr)
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Thomas Heege
Werner Horn
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Aktiebolaget Skf
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    • F16C39/00—Relieving load on bearings
    • F16C39/02—Relieving load on bearings using mechanical means

Definitions

  • Bearing ring embodiments relate to a bearing ring.
  • Bearing rings can be attached to other components using a variety of conventional methods.
  • Another component may, for. B. be a wave.
  • the bearing ring may be an inner ring.
  • the component may also be a housing.
  • the bearing ring may be an outer ring.
  • some conventional ways of setting bearing rings they are pressed onto or into the other component. For this example, fixed fits can be selected with an overlap.
  • This overlap can create a stress in the bearing ring.
  • the tension from the assembly can affect up to a tread or raceway of the bearing ring.
  • a term for this tension from the mounting on the tread is hoop-stress (of English: "hoop stresses").
  • extreme cases must be taken into account when designing the bearing. These extreme cases often do not occur at all or sometimes only very rarely.
  • the design and choice of fit often takes into account other safety factors. This may mean that for rolling bearings in which high Hertzian stresses occur due to the rolling contact, in some cases only minor overlaps or fits can be selected for the assembly. In cases where high overlappings are necessary for assembly, the bearing can then often only be subjected to low Hertzian pressures. Similar difficulties can occur in the design of plain bearings.
  • Embodiments relate to an at least two-layer bearing ring.
  • a surface of a first layer forms a sliding or running surface of the bearing ring.
  • a second layer is arranged on a side of the first layer facing away from the sliding or running surface.
  • the second layer can be deformed at a lower stress than the first layer.
  • the second layer may act as a crash zone.
  • a bearing ring can be, for example, any component which has a running surface for a plurality of rolling elements of a roller bearing or a guide surface for a sliding bearing.
  • the bearing ring may be an inner ring or an outer ring.
  • the running surface of the bearing ring may be a surface of the bearing ring, roll on the rolling elements in an assembled state.
  • the tread may be a surface of the first layer that is directed in a radial direction.
  • the second layer may be arranged on a side of the first layer which is remote from the tread in the radial direction.
  • the tread may also be directed in an axial direction.
  • the sliding surface can, as described for the tread, be formed on the bearing ring.
  • the bearing ring has at least one recess.
  • the recess should at least partially receive a material of the second layer when the second layer is deformed.
  • the second layer may be allowed to deform.
  • the at least one recess can be formed, for example, in the first layer. In some embodiments, it is thus effected that the second layer can be produced in a simple manner, namely without a recess. Additionally or alternatively, the at least one recess may be formed in the second layer. In some embodiments, this can influence a deformation behavior of the second layer.
  • the second layer consists of a solid body into which the at least one recess is made.
  • a total volume of the second layer is accordingly formed from a volume of the solid and a total volume of the at least one recess of the second layer.
  • One volume of the solid can be between 40% and 90% of the total volume of the second Make up shift.
  • the second layer may be caused to deform more easily than the first layer.
  • the second layer is irreversibly deformable only from a voltage between 100 MPa and 200 MPa.
  • the first layer may be made of a steel having a yield strength of at least 500 MPa. This first layer can be combined with a structural steel as the second layer, whose yield strength is a maximum of 200 MPa. Due to the selected combination of materials can be possible in some embodiments that the bearing ring can be made in a simple manner. In some embodiments of this combination of materials, the bearing ring without recesses, but solid, be formed.
  • the second layer is at least partially formed from a plurality of struts.
  • the at least one recess can be formed in the second layer in a simple manner.
  • a strut may have an extension in an axial direction and in a radial direction.
  • the strut may also have an extent in the circumferential direction.
  • the strut may have a cuboid as a shape.
  • the struts are arranged to extend lengthwise in a circumferential direction of the bearing ring. Additionally or alternatively, the struts may extend in length in an axial direction of the bearing ring.
  • a ratio of a yield strength of the material of the second layer or the struts, to a width of the struts, may be in a range between 50 and 400 MPa / mm.
  • the second layer may be caused to deform under a load that could lead to bearing failure.
  • a width of the strut may be an extension of the strut in a circumferential direction or an axial direction. Additionally or alternatively, a width of the strut may be a smallest extension of the strut.
  • the struts of the second layer protrude from a ring.
  • the ring is arranged concentrically to the bearing ring.
  • the struts may protrude from the ring toward the first layer.
  • the second layer has the ring as the base body.
  • the ring may abut the other component, for example the shaft or the housing.
  • the bearing ring has a flat contact surface for the other component to which it is attached.
  • the struts can connect the first ring with a second ring. This can also be arranged concentrically to the bearing ring. Thus, in some embodiments, a planar contact surface for the first layer can be provided.
  • the two layers can be rotatably connected to each other. This may, in some embodiments, result in the sliding or tread being positioned circumferentially.
  • the bearing ring has a third layer.
  • the second layer which can act as a crash zone, is arranged in the radial direction between the first and the third layer.
  • a stable abutment surface may be provided between the component and the second layer.
  • a connection between the first layer and the third layer could be improved.
  • the first and the third layer may have substantially the same material properties, etc.
  • the first and / or the third layer may at least partially comprise a fiber-reinforced material.
  • the first and / or the second layer may be made entirely of the fiber reinforced material.
  • the fiber-reinforced material are glass fiber, carbon fiber, carbon fiber or the like.
  • Fig. 1 shows a schematic representation of a sectional view of a bearing ring according to an embodiment of a shaft
  • Fig. 2 shows a schematic representation of the bearing ring of Figure 1 with a deformed second layer.
  • FIG. 3 shows a schematic representation of a stress distribution in the bearing ring according to an exemplary embodiment
  • Fig. 4 is a schematic illustration of a sectional view of a conventional bearing ring on a shaft
  • FIG. 5 shows a schematic representation of a stress distribution in the conventional bearing ring according to FIG. 4;
  • Fig. 6 shows a schematic representation of a stress distribution in the bearing ring according to an embodiment
  • Fig. 7 shows a schematic representation of a stress distribution in a conventional bearing ring
  • Fig. 8 shows a schematic representation of a side view of a bearing ring according to another embodiment
  • FIG. 9 shows a schematic representation of a side view of a bearing ring according to another embodiment
  • FIG. 10 is a schematic diagram showing a voltage waveform diagram of a conventional bearing ring mounted on an oversized shaft;
  • FIG. 11 shows a schematic representation of a diagram of a voltage profile in the case of a bearing ring mounted on an oversized shaft according to one exemplary embodiment.
  • Fig. 1 shows a schematic representation of a sectional view of a bearing ring according to an embodiment of a shaft.
  • a bearing ring 1 comprises a first layer 2 and a second layer 3.
  • One surface of the first layer 2 forms a sliding or running surface 4 of the bearing ring 1.
  • the second layer 3 is on one of the sliding or tread 4 opposite, opposite side of the first layer 2 arranged.
  • the second layer 3 can be deformed in a mounted state at a lower voltage than the first layer 2.
  • the bearing ring 1 of Fig. 1 is an inner ring for an unillustrated rolling bearing (e.g., rolling bearing inner race).
  • the bearing ring 1 is arranged on a shaft 5.
  • the bearing ring may be formed as a sliding bearing ring.
  • the second layer 3 is arranged in the radial direction on a side of the first layer 2 facing away from the running surface 4.
  • the wave 5 is around a full wave.
  • the shaft 5 has an outer diameter D.
  • the outer diameter D is 200 mm.
  • the shaft 5 may comprise as a material a tempered steel. Between an outer diameter D of the shaft 5 and an inner diameter of the bearing ring 1 and the second layer 3 is an oversize of 2 mm.
  • the second layer 3 has a thickness e 2 of 10 mm.
  • the thickness e 2 of the second layer 3 is an extension of the layer 3 in a radial direction R.
  • the layer 3 has an outer diameter d 2 of 220 mm.
  • the bearing ring 1 has an outer diameter di of 258 mm.
  • the first layer 2 has a thickness ei of 19 mm.
  • a width B is an extension of the bearing ring 1 in an axial direction M.
  • the two layers 2 and 3 also have the width B of the bearing ring 1.
  • the first layer 2 comprises as material 100 Cr6.
  • the second layer 3 is constructed as a metallic strut structure.
  • the strut structure comprises structural steel ST33 or S158 (for example with the material number
  • the strut structure of the second layer 3 comprises a plurality of individual struts 6, which are cuboid-shaped.
  • a width bs of the strut 6 is 1.8 mm.
  • the width bs is a smallest extent of the strut 6.
  • the struts 6 are arranged in a zigzag shape to each other, so that two adjacent struts 6-a and 6-b touch at their ends.
  • the struts 6-a and 6-b enclose an angle ⁇ of 90 °.
  • the struts 6 are arranged in the radial direction between a first ring 7 and a second ring 8.
  • the rings 7 and 8 are part of the second layer 3.
  • the rings 7 and 8 are each arranged concentrically to the bearing ring 1.
  • each of the struts 6 with the second ring 8 encloses an angle ⁇ of 45 °.
  • each of the struts 6 with the ring 7 also includes an angle ⁇ of 45 °.
  • the first ring 7 has a smaller diameter than the second ring 8.
  • the second ring 7 bounds the second layer 3 in the direction of the shaft 5.
  • the second ring 8 defines the second layer 3 in the direction of the first layer 2.
  • the two rings 7 and 8 each have a width bR of 1 mm.
  • the width bR is an extension of the rings 7 and 8 in a radial direction.
  • the first and the second ring may have different widths.
  • a recess 9 results with a triangular cross-section.
  • the second layer 3 or a total volume of the second layer 3 is thus composed of a solid in the form of the struts 6 and the rings 7 and 8 and the recesses 9 filled with ambient air. For a ratio of the total volume of the second layer 3 to a volume of the solid or material volume of the layer 3, a value of 1.86 results.
  • the bearing ring and / or its layers may also have other dimensions. These dimensions may have similar proportions to each other as the dimensions described.
  • the second layer may have any other shape.
  • the strut structure may have a different geometry.
  • a width bs of the struts may for example be between 0.5 mm to 3 mm.
  • a width b R of the first ring 7 and / or the second ring 8 to the outer and inner boundary of the struts are each between 0.5 mm and 3 mm.
  • the angle ⁇ between two adjacent struts lies in a range of values whose starting and / or end value can be respectively 60 °, 70 °, 80 °, 90 °, 100 °, 110 ° and / or 120 °.
  • the angle ⁇ which includes a strut with one of the rings, lies in a range whose initial and / or final value can be respectively 30 °, 40 °, 50 ° and / or 60 °.
  • the struts 6 each form the legs of an isosceles triangle. In some other embodiments, not shown, the struts may have different lengths. Further, the struts may be arranged in further, not shown embodiments so that they do not touch each other or are spaced from each other. For example, the struts may be arranged parallel to each other.
  • the ratio of the total volume of the second layer 3 to the material of the strut structure or of the solid of the second layer 3 may be between 1.1 and 2.5.
  • a value between 50 MPa / mm and 400 MPa / mm may result for this ratio.
  • the bearing ring 1 of FIG. 1 is a bearing inner ring or hybrid ring shrunk onto the shaft 5 in which two different materials are combined.
  • the outer layer, so the first layer 2, consists of a hardened bearing steel. This should absorb the voltages from rolling contacts.
  • the inner, ie the second layer 3, is intended to limit the matching pressure and the resulting circumferential stresses of the outer layer 2, in particular on the raceway 4.
  • the second layer 3 is fanned out or formed as a strut structure.
  • the material of the second layer 3 which begins to flow from a certain voltage, find alternative spaces in which it can flow. These alternative spaces are the recesses 9.
  • a quasi-compression of the second layer 3 could be achieved at a certain voltage.
  • the stresses can only grow slowly with the increase in the excess.
  • Fig. 2 shows a schematic representation of the bearing ring of Fig. 1 with a deformed second layer.
  • the struts 6 deform at least in sections when a certain stress in the bearing ring 1 occurs.
  • the second ring 8 is also deformed at least in sections.
  • a lattice structure deforms from the struts 6 and the rings 7 and 8 after material plastification of the second layer 3 has occurred, so that the stresses in the first layer 2 and the outer layer increase only slowly.
  • the reduced increase of the stresses in the outer layer or the first layer 2 takes place according to a tangent module of the material selected for the outer layer. It is assumed that a tangent module with a bilinear characteristic of 1,250 MPa.
  • the tangent module is a slope of the stress-strain diagram for the material of the second layer 3. In the case of loading shown in FIG.
  • the highest voltages occur in the densely hatched areas. These areas are located in the first ring 7 and at a point 10 at which the strut 6 is connected to the first ring 7. In the direction of the second ring 8, the voltages decrease. This is represented by a different hatching. In the first ring 7 and the first layer 2, the lowest voltages which are close to a possible voltage minimum occur.
  • FIG. 3 shows a schematic illustration of a stress distribution in the bearing ring according to one exemplary embodiment.
  • FIG. 3 shows a diagram 12 in which a curve 13 of a matching pressure profile with respect to a time is entered. For this purpose, voltage values in the unit MPa relative to time values on an x-axis are shown on a y-axis of the diagram 12.
  • FIG. 13 shows a schematic representation of a sectioned view of a conventional inner ring 21 which is mounted on a shaft 25.
  • FIG. 5 shows a schematic representation of a stress distribution in the conventional inner ring 21 according to FIG. 4.
  • FIGS. 1 to 3 In a conventional dressing between the inner ring 21 and the shaft 25, a different stress distribution or a different Passungsdruckverlauf occurs as in the embodiment of FIGS. 1 to 3.
  • a uniformly high voltage occurs along a contact surface 24 between the inner ring 21 and the shaft 25, a uniformly high voltage occurs.
  • a region 26 in which a highest stress 26 occurs is marked with a dense hatching.
  • the pressure or voltage values in the unit MPa on the y axis are also plotted against time values on the x axis. As can be seen from curve 15, the voltage has a constant value. This is 429.3 MPa. 6 shows a schematic representation of a stress distribution in the bearing ring according to an exemplary embodiment.
  • hoop stress By mounting the bearing ring 1 on the shaft 5 with an excess tensions also occur on the tread 4 and the track. These are called hoop stress.
  • a curve 17 is plotted, which reproduces the course of the hoop stress on the track 4, at a point marked by an arrow P.
  • voltage values in MPa are plotted along the y-axis with respect to the time values shown along the x-axis.
  • the curve 17 has a kink 18.
  • Kink 18 occurs at a tension at which the material of the second layer 3 begins to flow. This stress is approximately 190 MPa for the bearing ring 1 according to FIG.
  • a bearing steel eg 100Cr6
  • the second layer 3 in some embodiments, it is possible to allow the hoop stresses (eg: hoop stress) or tangential stresses on a surface of the bearing ring 1 and the raceway 4, respectively can be maintained between 100 and 200 MPa.
  • hoop stresses eg: hoop stress
  • tangential stresses on a surface of the bearing ring 1 and the raceway 4 respectively can be maintained between 100 and 200 MPa.
  • stress values below 100 MPa a tight fit between the bearing ring 1 and the shaft 5 may under certain circumstances not be guaranteed.
  • voltage values above 200 MPa the risk of breakage of the bearing ring could rise sharply.
  • a bearing ring 31 shown in Fig. 8 also comprises a first layer 32 and a second layer 33. On the first layer 32, a sliding or running surface 34 is formed.
  • the first layer 32 is made of a material having a yield strength of at least 500 MPa.
  • the first layer 32 comprises as a material a hardened bearing steel (eg 100Cr6).
  • the material of the second layer 33 is a structural steel. Alternatively, the second layer 33 may comprise or consist of a material having a lower yield strength than 500 MPa.
  • the material of the first layer 32 is combined with the second layer 33 of another material that has a lower yield strength than the material of the first layer 32.
  • the layer 33 serves to reduce the voltages.
  • the voltages are shown schematically as arrows 35.
  • the stresses are due to an overlap between the shaft 5 and the inner ring 31. Since a material of the second layer 33 has a lower yield strength than the hardened bearing steel of the first layer 32, in some embodiments, a bore of the inner ring 31 can be made with a lower accuracy become. This could be compensated by a deformability of the structural steel of the layer 33.
  • the second layer 33 has no recess, but is solid. Alternatively, the material of the second layer or the second layer itself may have a structure.
  • the yield strength of the second layer or the structure may be at most 200 MPa.
  • some embodiments relate to a two-layered tube or roller bearing inner ring comprising as a first layer the material 100Cr6 and as a second layer a steel with a yield strength of less than 500 MPa.
  • the layers 32 and 33 are rotatably connected to each other.
  • the layers 32 and 33 for non-rotatable connection have a toothing 36.
  • the toothing 36 may serve to transmit rotation of the second layer 33 to the first layer 32.
  • the toothing 36 can be produced by large roughness peaks in the first layer 32 and / or the second layer 33.
  • connection or rotationally fixed connection of the two layers can be made by means of adhesion, positive locking, gluing or other types of connections.
  • a bearing ring 41 shown in FIG. 9 comprises a first layer 42 and a second layer 43.
  • the first layer 42 may comprise any material, for example a hardened bearing steel or a plastic.
  • the first layer 42 has a plurality of recesses 46.
  • the second layer 43 comprises as material an elastic material.
  • the material may be rubber. When a certain voltage is exceeded, the second layer 43 is compressed. The material of the second layer 43 then begins to flow into the recesses 46.
  • the recesses may be introduced into the second layer as a supplement or alternatively.
  • the recesses may be arranged on a surface or peripheral surface of the second layer.
  • the second layer may have further recesses.
  • the recesses may be introduced in the form of holes in the second layer. 10 shows a schematic representation of a diagram of a voltage profile in the case of a conventional bearing ring mounted on a shaft with an oversize.
  • FIG. 11 shows a schematic representation of a diagram of a voltage profile in the case of a bearing ring mounted on an oversized shaft according to one exemplary embodiment.
  • a voltage curve as shown in a diagram 60 of FIG. 11, sought.
  • Voltage values are plotted along a y-axis.
  • excess values are plotted on a shaft for mounting the bearing ring.
  • a curve 61 extends from an excess value xl in a certain frame parallel to the x-axis.
  • the stresses can be dissipated in the second layer 3, 33 or 43 of the bearing ring 1, 31 or 41, which acts as a so-called crash zone ("impact zone").
  • the second layer or the crash zone is formed as an intermediate layer. In some embodiments, this may limit or at least minimize the influence of the tension of the fit on the raceway. For example, an effect of non-linearity of the voltage rise could be used for this purpose. Such non-linearities may in some embodiments be generated by a material or by a specific geometry of the second layer. In embodiments where nonlinearity is caused by a material, the material begins to flow. This can also cause a plastic deformation of the material. In order to allow the deformation, the material requires space. Therefore, in these embodiments, spaces or recesses are provided, in which the material can expand or deform.
  • Examples of such spaces or layers may be a strut structure, a foam structure, a lattice structure or at least one bore introduced into the layer.
  • the shape of the material may be selected so that parts of the material elastically buckle. Even so, a non-linear voltage curve could be generated.
  • some embodiments relate to a tubular body having an internal stress relieving layer.
  • it may be a fiber composite ring.
  • the tubular body can be used in a fiber composite lightweight bearing.
  • the bearing ring can, as described for some training examples, be used as a rolling bearing ring in a rolling bearing.
  • the bearing ring can be used in any other bearing type.
  • the bearing ring can be constructed as a lightweight hybrid ring made of a fiber-reinforced plastic.
  • the second layer or the crash zone may at least partially consist of a metallic material, a plastic, a gas or a lattice structure.
  • the stress-relieving function of the layer could possibly be realized by means of an elastic compression, a compression or a predetermined breaking point in the layer.
  • the second layer may be constructed of steel foam.
  • the steel foam or cells of the steel foam could be destroyed above a certain voltage. As a result, for example, contact voltage spikes could be reduced.
  • the layer or crash zone may be activated.
  • this layer can be available reversibly or only for a single reduction of voltages.
  • the layer may be between two equal layers or between two layers of different materials.
  • the layer may be disposed between a layer of a steel and a fiber reinforced plastic.
  • the crash zone or crash zone layer could be a bonding surface of the two materials.
  • the layer of deformability as described for the second layer may be disposed directly on a shaft or housing seat.
  • an early failure of the bearing for example, by superimposing stresses on the bearing ring, can be prevented or at least reduced.
  • the real maximum overlaps could be used to lay out the bearing.
  • the bearing ring can also be an outer ring, which is mounted, for example, with a tight fit or cover in a housing act.
  • the second layer can also be arranged on the outer ring and / or on a boundary surface of a bore or of a housing.
  • a security against unintentional exceeding a hoop stress limit, z. B. by a temperature, a roundness, a manufacturing quality and / or a fit of the shaft can be avoided. This could possibly prevent a bearing failure.

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Abstract

Ein Lagerring (1) weist eine erste Schicht (2) auf. Eine Oberfläche der ersten Schicht (2) bildet eine Gleit- oder Lauffläche (4) des Lagerrings (1). Ferner umfasst der Lagerring (1) eine zweite Schicht (3). Die zweite Schicht (3) ist auf einer der Gleit- oder Lauffläche (4) abgewandten Seite der ersten Schicht (2) angeordnet. Die zweite Schicht (3) lässt sich in einem montierten Zustand bei einer geringeren Spannung als die erste Schicht (2) verformen.

Description

B e s c h r e i b u n g
Lagerring Ausführungsbeispiele beziehen sich auf einen Lagerring.
Lagerringe können mit einer Vielzahl von konventionellen Methoden an anderen Bauteilen befestigt werden. Ein anderes Bauteil kann z. B. eine Welle sein. In diesem Fall kann der Lagerring ein Innenring sein. Ferner kann das Bauteil auch ein Gehäuse sein. In diesem Fall kann der Lagerring ein Außenring sein. Bei manchen konventionellen Möglichkeiten zum Festsetzen von Lagerringen werden diese auf oder in das andere Bauteil gepresst. Dazu können beispielsweise feste Passungen mit einer Überdeckung gewählt werden.
Diese Überdeckung kann eine Spannung in dem Lagerring erzeugen. Die Spannung aus der Montage kann sich bis in eine Lauffläche oder Laufbahn des Lagerrings auswirken. Eine Bezeichnung für diese Spannung aus der Montage an der Lauffläche ist Hoop-Stress (von engl:„Umfangsspannungen").
An der Lauffläche können weitere Spannungen durch einen Gleit- oder Wälzkontakt auf- treten. Bei Lagerringen für ein Gleitlager kann ein Gleitkontakt zu einem anderen Lagerring bestehen. Bei einem Lagerring für ein Wälzlager rollen in einem Betrieb des Wälzlagers die Wälzkörper ab. Über den Gleit- oder Wälzlagerkontakt können also weitere Spannungen an der Laufbahn auftreten. Eine Bezeichnung für diese zusätzlichen Spannungen, die aus dem Gleit- oder Wälzkontakt herrühren, ist Hertz'sche Pressung. Bei manchen Be- lastungsfällen kann es zu einer Überlagerung der beiden Spannungen kommen. Dies kann zu einer Beschädigung des Lagerrings bzw. der Lauffläche führen. Eine Beschädigung des Lagerrings kann einen Ausfall des Lagers nach sich ziehen. Um einen Lagerausfall zu vermeiden, sind bei konventionellen Lagern die maximalen Überdeckungen und somit auch die Passungen oft so gewählt, dass es nicht zu Überlagerungen kommen kann, die zu einem Lagerausfall führen können. Basis für die Wahl der maximalen Überdeckungen sind oft Erfahrungswerte oder einzelne Tests. Diese Auslegung der maximalen Überdeckung bzw. Passung stellt allerdings oft nur einen Kompromiss dar. Bei vielen Anwendungs- oder Belastungsfällen könnte eigentlich eine höhere Überdeckung zwischen dem Lagerring und dem Bauteil, an dem er befestigt ist, benötigt werden.
Außerdem müssen bei der Auslegung des Lagers auch Extremfälle berücksichtigt werden. Diese Extremfälle treten oft gar nicht oder manchmal nur sehr selten auf. Ferner werden bei der Auslegung und der Wahl der Passung oft weitere Sicherheitsfaktoren berücksichtigt. Dies kann dazu führen, dass für Wälzlager, bei denen hohe Hertz'sche Pressungen durch den Wälzkontakt auftreten, für die Montage in manchen Fällen nur geringe Überdeckungen bzw. Passungen gewählt werden können. In Fällen, in denen hohe Überdeckungen zur Montage notwendig sind, kann das Lager dann oft nur mit geringen Hertz'schen Pressungen beaufschlagt werden. Ähnliche Schwierigkeiten können bei der Auslegung von Gleitlagern auftreten.
Es besteht daher ein Bedarf daran, einen Kompromiss zwischen einer Wahl der Über- deckung bei einer Montage und der Fähigkeit des Lagerrings Belastungen durch einen
Gleit- oder Wälzkontakte aufzunehmen, zu verbessern. Diesem Bedarf trägt ein Lagerring nach dem Anspruch 1 Rechnung.
Ausführungsbeispiele betreffen einen zumindest zweischichtigen Lagerring. Eine Oberflä- che einer ersten Schicht bildet eine Gleit- oder Lauffläche des Lagerrings aus. Eine zweite Schicht ist auf einer der Gleit- oder Lauffläche abgewandten Seite der ersten Schicht angeordnet. In einem montierten Zustand lässt sich die zweite Schicht bei einer geringeren Spannung als die erste Schicht verformen. Dadurch, dass sich die zweite Schicht bei einer geringeren Spannung als die erste Schicht verformen lässt, kann bei manchen Ausführungsbeispielen ermöglicht werden, dass Spannungen, die sich aus der gewählten Überdeckung und/oder einem Gleit- oder Wälzkontakt ergeben, abgebaut werden können. So kann bei manchen Ausführungsbeispielen verhindert werden, dass eine aus einem Gleit- oder Wälzkontakt resultierende Spannung zu einer Be- Schädigung der Gleit- bzw. Lauffläche führen kann. Die zweite Schicht kann also bei manchen Ausführungsbeispielen als Crash-Zone wirken.
Ein Lagerring kann dabei beispielsweise jedwedes Bauteil sein, das eine Lauffläche für eine Mehrzahl von Wälzkörpern eines Wälzlagers oder eine Geleitfläche für ein Gleitlager aufweist. Der Lagerring kann ein Innenring oder ein Außenring sein.
Die Lauffläche des Lagerrings kann eine Fläche des Lagerrings sein, auf der in einem montierten Zustand Wälzkörper abrollen. Beispielsweise kann die Lauffläche eine Ober- fläche der ersten Schicht sein, die in eine radiale Richtung gerichtet ist. Analog kann die zweite Schicht auf einer in radialer Richtung der Lauffläche abgewandten Seite der ersten Schicht angeordnet sein. Bei Ausführungsbeispielen, die einen Lagerring für ein Axiallager betreffen, kann die Lauffläche auch in eine axiale Richtung gerichtet sein. Die Gleitfläche kann, wie für die Lauffläche beschrieben, an dem Lagerring ausgebildet sein.
Bei einigen weiteren Ausführungsbeispielen weist der Lagerring zumindest eine Ausnehmung auf. Die Ausnehmung soll bei einem Verformen der zweiten Schicht zumindest teilweise ein Material der zweiten Schicht aufnehmen. Dadurch kann bei manchen Ausführungsbeispielen zugelassen werden, dass sich die zweite Schicht verformt.
Die zumindest eine Ausnehmung kann beispielsweise in der ersten Schicht ausgebildet sein. Bei manchen Ausführungsbeispielen wird so bewirkt, dass die zweite Schicht auf einfache Art und Weise, nämlich ohne Ausnehmung, hergestellt werden kann. Ergänzend oder alternativ kann die zumindest eine Ausnehmung in der zweiten Schicht ausgebildet sein. Dies kann bei manchen Ausführungsbeispielen ein Verformungsverhalten der zweiten Schicht beeinflussen.
Bei einigen weiteren Ausführungsbeispielen besteht die zweite Schicht aus einem Festkör- per, in den die zumindest eine Ausnehmung eingebracht ist. Ein Gesamtvolumen der zweiten Schicht wird demnach aus einem Volumen des Festkörpers und einem Gesamtvolumen der zumindest einen Ausnehmung der zweiten Schicht gebildet. Ein Volumen des Festkörpers kann dabei einen Anteil zwischen 40% und 90% des Gesamtvolumens der zweiten Schicht ausmachen. So kann bei manchen Ausführungsbeispielen bewirkt werden, dass sich die zweite Schicht leichter verformen lässt als die erste Schicht.
Bei einigen Ausführungsbeispielen ist die zweite Schicht erst ab einer Spannung zwischen 100 MPa und 200 MPa irreversibel verformbar. So kann bei manchen Ausführungsbeispielen sichergestellt werden, dass der Lagerring trotzdem mit einer ausreichenden Überdeckung an einem anderen Bauteil, beispielsweise auf einer Welle oder in einem Gehäuse, montiert werden kann. Die erste Schicht kann aus einem Stahl bestehen, der eine Streckgrenze von wenigstens 500 MPa aufweist. Diese erste Schicht kann mit einem Baustahl als zweite Schicht kombiniert sein, dessen Streckgrenze bei maximal 200 MPa liegt. Durch die gewählte Materialkombination kann bei manchen Ausführungsbeispielen ermöglicht werden, dass der Lagerring auf einfache Art und Weise hergestellt werden kann. Bei einigen Ausführungsbeispie- len dieser Materialkombination kann der Lagerring ohne Ausnehmungen, sondern massiv, ausgebildet sein.
Bei einigen weiteren Ausführungsbeispielen ist die zweite Schicht zumindest teilweise aus einer Mehrzahl von Streben ausgebildet. So kann bei manchen Ausführungsbeispielen auf einfache Art und Weise die zumindest eine Ausnehmung in der zweiten Schicht gebildet werden. Eine Strebe kann dabei eine Ausdehnung in eine axiale Richtung und in eine radiale Richtung aufweisen. Ferner kann die Strebe auch eine Ausdehnung in Umfangsrichtung aufweisen. Beispielsweise kann die Strebe als Form einen Quader aufweisen. Bei manchen Ausführungsbeispielen sind die Streben so angeordnet, dass sie sich ihrer Länge nach in eine Umfangsrichtung des Lagerrings erstrecken. Ergänzend oder alternativ können sich die Streben ihrer Länge nach auch in eine axiale Richtung des Lagerrings erstrecken.
Ein Verhältnis aus einer Streckgrenze des Werkstoffs der zweiten Schicht bzw. der Streben, zu einer Breite der Streben, kann in einem Bereich zwischen 50 und 400 MPa/mm liegen. So kann bei manchen Ausführungsbeispielen bewirkt werden, dass sich die zweite Schicht bei einer Belastung, die zu einem Lagerausfall führen könnte, verformt. Eine Breite der Strebe kann dabei eine Ausdehnung der Strebe in eine Umfangsrichtung oder eine axiale Richtung sein. Ergänzend oder alternativ kann eine Breite der Strebe eine kleinste Ausdehnung der Strebe sein. Bei einigen weiteren Ausführungsbeispielen ragen die Streben der zweiten Schicht von einem Ring ab. Der Ring ist konzentrisch zu dem Lagerring angeordnet. Die Streben können von dem Ring in Richtung der ersten Schicht abragen. Dies kann bei manchen Ausfüh- rungsbeispielen das Verformungsverhalten der zweiten Schicht bestimmen. Mit anderen Worten ausgedrückt, weist die zweite Schicht als Basiskörper den Ring auf. Der Ring kann an dem anderen Bauteil, beispielsweise der Welle oder dem Gehäuse, anliegen. So könnte bewirkt werden, dass der Lagerring eine flächige Anlagefläche für das andere Bauteil, an dem er befestigt wird, aufweist.
Ergänzend können die Streben den ersten Ring auch mit einem zweiten Ring verbinden. Dieser kann ebenfalls konzentrisch zu dem Lagerring angeordnet sein. So kann bei manchen Ausführungsbeispielen eine flächige Anlagefläche für die erste Schicht bereitgestellt werden.
Die beiden Schichten können drehfest miteinander verbunden sein. Dies kann bei manchen Ausführungsbeispielen dazu führen, dass die Gleit- oder Lauffläche in Umfangsrichtung positioniert ist. Bei einigen weiteren Ausführungsbeispielen weist der Lagerring eine dritte Schicht auf. Die zweite Schicht, die als Crash-Zone wirken kann, ist in radialer Richtung zwischen der ersten und der dritten Schicht angeordnet. So kann bei manchen Ausführungsbeispielen eine stabile Anlagefläche zwischen dem Bauteil und der zweiten Schicht bereitgestellt werden. Ferner könnte eine Verbindung zwischen der ersten Schicht und der dritten Schicht verbessert werden. Beispielsweise können die erste und die dritte Schicht im Wesentlichen gleiche Material eigenschaften etc. aufweisen.
Ergänzend oder alternativ können die erste und/oder die dritte Schicht zumindest teilweise einen faserverstärkten Werkstoff umfassen. Bei manchen Ausführungsbeispielen können die erste und/oder die zweite Schicht vollständig aus dem faserverstärkten Werkstoff bestehen. Beispiele für den faserverstärkten Werkstoff sind Glasfaser, Kohlefaser, Karbonfaser oder dergleichen. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen werden nachfolgenden anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen, auf welche Ausführungsbeispiele jedoch nicht beschränkt sind, näher beschrieben. So zeigen die Figuren schematisch die nachfolgenden Ansichten.
Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung einer geschnittenen Ansicht eines Lagerrings gemäß einem Ausführungsbeispiel an einer Welle; Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung des Lagerrings der Fig. 1 mit einer verformten zweiten Schicht;
Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung einer Spannungsverteilung in dem Lagerring gemäß einem Ausführungsbeispiel;
Fig. 4 zeigt eine schematische Darstellung einer geschnittenen Ansicht eines konventionellen Lagerrings an einer Welle;
Fig. 5 zeigt eine schematische Darstellung einer Spannungsverteilung in dem konventio- nellen Lagerring gemäß Figur 4;
Fig. 6 zeigt eine schematische Darstellung einer Spannungsverteilung in dem Lagerring gemäß einem Ausführungsbeispiel; Fig. 7 zeigt eine schematische Darstellung einer Spannungsverteilung in einem konventionellen Lagerring;
Fig. 8 zeigt eine schematische Darstellung einer Seitenansicht eines Lagerrings gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel;
Fig. 9 zeigt eine schematische Darstellung einer Seitenansicht eines Lagerrings gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel; Fig. 10 zeigt eine schematische Darstellung eines Diagramms zu einem Spannungsverlauf bei einem auf einer Welle mit einem Übermaß montierten konventionellen Lagerring; und
Fig. 11 zeigt eine schematische Darstellung eines Diagramms zu einem Spannungsverlauf bei einem auf einer Welle mit einem Übermaß montierten Lagerring gemäß einem Ausführungsbeispiel.
Bei der nachfolgenden Beschreibung der beigefügten Darstellungen bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder vergleichbare Komponenten. Ferner werden zusammenfassen- de Bezugszeichen für Komponenten und Objekte verwendet, die mehrfach in einem Ausführungsbeispiel oder in einer Darstellung auftreten, jedoch hinsichtlich eines oder mehrerer Merkmale gemeinsam beschrieben werden. Komponenten oder Objekte, die mit gleichen oder zusammenfassenden Bezugszeichen beschrieben werden, können hinsichtlich einzelner, mehrerer oder aller Merkmale, beispielsweise ihrer Dimensionierungen, gleich, jedoch gegebenenfalls auch unterschiedlich ausgeführt sein, sofern sich aus der Beschreibung nicht etwas anderes explizit oder implizit ergibt.
Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung einer geschnittenen Ansicht eines Lagerrings gemäß einem Ausführungsbeispiel an einer Welle.
Wie in Fig. 1 gezeigt, umfasst ein Lagerring 1 eine erste Schicht 2 und eine zweite Schicht 3. Eine Oberfläche der ersten Schicht 2 bildet eine Gleit- oder Lauffläche 4 des Lagerrings 1. Die zweite Schicht 3 ist auf einer der Gleit- oder Lauffläche 4 gegenüberliegend, abgewandten Seite der ersten Schicht 2 angeordnet. Die zweite Schicht 3 lässt sich in einem montierten Zustand bei einer geringeren Spannung verformen als die erste Schicht 2.
Bei dem Lagerring 1 der Fig. 1 handelt es sich um einen Innenring für ein nicht dargestelltes Wälzlager (z.B. Wälzlagerinnenring). Der Lagerring 1 ist an einer Welle 5 angeordnet. Bei weiteren, nicht dargestellten Ausführungsbeispielen kann der Lagerring als ein Gleit- lagerring ausgebildet sein.
Die Lauffläche 4, als Laufbahn für Wälzkörper, der ersten Schicht 2 ist in eine radiale Richtung R gerichtet. Die zweite Schicht 3 ist in radialer Richtung auf einer, der Lauffläche 4 abgewandten, Seite der ersten Schicht 2 angeordnet. Bei der Welle 5 handelt es sich um eine Vollwelle. Die Welle 5 weist einen Außendurchmesser D auf. Der Außendurchmesser D beträgt 200 mm. Beispielsweise kann die Welle 5 als Werkstoff einen vergüteten Stahl umfassen. Zwischen einem Außendurchmesser D der Welle 5 und einem Innendurchmesser des Lagerrings 1 bzw. der zweiten Schicht 3 besteht ein Übermaß von 2 mm.
Die zweite Schicht 3 weist eine Dicke e2 von 10 mm auf. Die Dicke e2 der zweiten Schicht 3 ist eine Ausdehnung der Schicht 3 in eine radiale Richtung R. Die Schicht 3 weist einen Außendurchmesser d2 von 220 mm auf. Der Lagerring 1 weist einen Außendurchmesser di von 258 mm auf. Die erste Schicht 2 weist eine Dicke ei von 19 mm auf. Eine Breite B ist eine Ausdehnung des Lagerrings 1 in eine axiale Richtung M. Die beiden Schichten 2 und 3 weisen ebenfalls die Breit B des Lagerrings 1 auf.
Bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 1 umfasst die erste Schicht 2 als Werkstoff 100 Cr6. Die zweite Schicht 3 ist als eine metallische Strebenstruktur aufgebaut. Als Material um- fasst die Strebenstruktur Baustahl ST33 bzw. S158 (z.B. mit der Werkstoffnummer
1.0035), also einem weichen Baustahl. Die Strebenstruktur der zweiten Schicht 3 umfasst eine Mehrzahl einzelner Streben 6, welche quaderförmig ausgebildet sind. Eine Breite bs der Strebe 6 beträgt 1,8 mm. Bei der Breite bs handelt es sich um eine kleinste Ausdehnung der Strebe 6. Die Streben 6 sind in einer Zickzackform zueinander angeordnet, sodass sich zwei benachbarte Streben 6-a und 6-b an ihren Enden berühren. Dabei schließen die Streben 6-a und 6-b einen Winkel α von 90° ein.
Ferner sind die Streben 6 in radialer Richtung zwischen einem ersten Ring 7 und einem zweiten Ring 8 angeordnet. Die Ringe 7 und 8 sind Teil der zweiten Schicht 3. Die Ringe 7 und 8 sind jeweils konzentrisch zu dem Lagerring 1 angeordnet. In einem unbelasteten Zustand schließt jede der Streben 6 mit dem zweiten Ring 8 einem Winkel ß von 45° ein. Analog schließt jede der Streben 6 mit dem Ring 7 ebenfalls einen Winkel ß von 45° ein. Der erste Ring 7 weist einen kleineren Durchmesser als der zweite Ring 8 auf. Der zweite Ring 7 begrenzt die zweite Schicht 3 in Richtung der Welle 5. Der zweite Ring 8 begrenzt die zweite Schicht 3 in Richtung der ersten Schicht 2. Die beiden Ringe 7 und 8 weisen jeweils eine Breite bR von 1 mm auf. Die Breite bR ist dabei eine Ausdehnung der Ringe 7 bzw. 8 in eine radiale Richtung. Bei weiteren, nicht dargestellten Ausführungsbeispielen können der erste und der zweite Ring unterschiedliche Breiten aufweisen. Jeweils zwischen zwei Streben 6 und einem der Ringe 7 oder 8 ergibt sich eine Ausnehmung 9 mit einem dreieckigen Querschnitt. Die zweite Schicht 3 bzw. ein Gesamtvolumen der zweiten Schicht 3 setzt sich also aus einem Festkörper in Form der Streben 6 und der Ringe 7 und 8 und den mit Umgebungsluft gefüllten Ausnehmungen 9 zusammen. Für ein Verhältnis des Gesamtvolumens der zweiten Schicht 3 zu einem Volumen des Festkörpers bzw. Materialvolumens der Schicht 3 ergibt sich ein Wert von 1,86.
Bei einigen weiteren, nicht dargestellten Ausführungsbeispielen können der Lagerring und/oder dessen Schichten auch andere Abmessungen aufweisen. Diese Abmessungen können ähnliche Verhältnisse zueinander aufweisen, wie die beschrieben Abmessungen. Bei einigen weiteren, nicht dargestellten Ausführungsbeispielen kann die zweite Schicht jedwede andere Form aufweisen. Beispielsweise kann die Strebenstruktur eine andere Geometrie aufweisen. Eine Breite bs der Streben kann beispielsweise zwischen 0,5 mm bis 3 mm liegen. Ergänzend oder alternativ kann eine Breite bR des ersten Ringes 7 und/oder des zweiten Rings 8 zur äußeren und inneren Begrenzung der Streben jeweils zwischen 0,5 mm und 3 mm liegen. Der Winkel α zwischen zwei benachbarten Streben liegt in einem Wertebereich, dessen Anfangs- und/oder Endwert jeweils 60°, 70°, 80°, 90°, 100°, 110° und/oder 120° betragen können. Der Winkel ß, den eine Strebe mit einem der Ringe einschließt, liegt in einem Bereich, dessen Anfangs- und/oder Endwert jeweils 30°, 40°, 50° und/oder 60° betragen können.
Bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 1 bilden die Streben 6 jeweils die Schenkel eines gleichschenkligen Dreiecks. Bei einigen weiteren, nicht dargestellten Ausführungsbeispielen können die Streben unterschiedliche Längen aufweisen. Ferner können die Streben bei weiteren, nicht dargestellten Ausführungsbeispielen so angeordnet sein, dass sie sich gegenseitig nicht berühren bzw. voneinander beabstandet sind. Beispielsweise können die Streben parallel zueinander angeordnet sein.
Ergänzend oder alternativ kann sich bei einigen weiteren, nicht dargestellten Ausführungs- beispielen für das Verhältnis des Gesamtvolumens der zweiten Schicht 3 zu dem Material der Strebenstruktur bzw. des Festkörpers der zweiten Schicht 3 ein Wert zwischen 1,1 und 2,5 ergeben. Bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 1 ergibt sich für ein Verhältnis aus der Streckgrenze des Werkstoffs der Streben zu einer Breite bs der Streben der Wert 100 MPa/mm. Bei einigen weiteren, nicht dargestellten Ausführungsbeispielen kann sich für dieses Verhältnis ein Wert zwischen 50 MPa/mm und 400 MPa/mm ergeben.
Mit anderen Worten ausgedrückt handelt es sich bei dem Lagerring 1 der Fig. 1 um einen auf die Welle 5 aufgeschrumpften Lagerinnenring bzw. Hybridring bei dem zwei unterschiedliche Materialien kombiniert sind. Die äußere Schicht, also die erste Schicht 2, besteht aus einem gehärteten Wälzlagerstahl. Dieser soll die Spannungen aus Wälzkontakten aufnehmen. Die innere, also die zweite Schicht 3, soll den Passungsdruck und daraus resultierende Umfangsspannungen der äußeren Schicht 2, insbesondere an der Laufbahn 4 begrenzen. Dazu ist die zweite Schicht 3 aufgefächert bzw. als Strebenstruktur ausgebildet. So kann das Material der zweiten Schicht 3, das ab einer bestimmten Spannung zu fließen beginnt, Ausweichräume finden, in die es fließen kann. Diese Ausweichräume sind die Ausnehmungen 9. Dadurch könnte ab einer bestimmten Spannung eine QuasiKompression der zweiten Schicht 3 erreicht werden. Durch diese Kompression bzw. Verformung können die Spannungen bei manchen Ausführungsbeispielen dann mit der Erhöhung des Übermaßes nur noch langsam wachsen. Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung des Lagerrings der Fig. 1 mit einer verformten zweiten Schicht.
Wie in Fig. 2 gezeigt, verformen sich die Streben 6 zumindest abschnittsweise bei Auftreten einer bestimmten Spannung in dem Lagerring 1. Auch der zweite Ring 8 verformt sich zumindest abschnittsweise. Mit anderen Worten ausgedrückt verformt sich eine Gitterstruktur aus den Streben 6 und den Ringen 7 und 8 nach Eintritt einer Materialplastifi- zierung der zweiten Schicht 3, sodass die Spannungen in der ersten Schicht 2 bzw. der Außenschicht nur noch langsam ansteigen. Das reduzierte Ansteigen der Spannungen in der Außenschicht bzw. der ersten Schicht 2 erfolgt gemäß einem Tangentenmodul des für die Außenschicht gewählten Materials. Es wird von einem Tangentenmodul mit einer bilinearen Kennlinie von 1.250 MPa ausgegangen. Bei dem Tangentenmodul handelt es sich um eine Steigung des Spannungs-Dehnungs-Diagramms für den Werkstoff der zweiten Schicht 3. Bei dem in Fig. 2 gezeigten Belastungsfall treten die höchsten Spannungen in den dicht schraffierten Bereichen auf. Diese Bereiche liegen in dem ersten Ring 7 und an einer Stelle 10, an der die Strebe 6 mit dem ersten Ring 7 verbunden ist. In Richtung des zweiten Rings 8 nehmen die Spannungen ab. Dies ist durch eine andere Schraffur dargestellt. In dem ers- ten Ring 7 und der ersten Schicht 2 treten die geringsten Spannungen auf, die sich nahe an einem möglichen Spannungsminimum befinden.
Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung einer Spannungsverteilung in dem Lagerring gemäß einem Ausführungsbeispiel.
Wie in Fig. 3 gezeigt, treten bei einem schrittweisen Aufbringen des Übermaßes Spannungen hauptsächlich in der zweiten Schicht 3 auf. Diese Spannungen treten vor allem in dem ersten Ring 7 der zweiten Schicht 3 auf. In einer Mehrzahl von am dichtesten schraffierten Bereichen 11 treten die größten Spannungen auf. Die Bereiche 11 liegen jeweils zwischen zwei Stellen 10, an denen die Streben 6 mit dem Ring 7 verbunden sind. Mit anderen Worten ausgedrückt sind die Bereiche 11, Bereiche des ersten Rings 7, der an der Welle anliegt, der nicht mit einer Strebe 6 in Kontakt ist. Ferner zeigt Fig. 3 auch ein Diagramm 12, in das eine Kurve 13 eines Passungsdruckverlaufs gegenüber einer Zeit eingetragen ist. Dazu sind an einer y- Achse des Diagramms 12 Spannungswerte in der Einheit MPa ge- genüber Zeitwerte auf einer x- Achse dargestellt. Wie an der Kurve 13 erkennbar, steigt die Spannung bis zu einem Wert von ca. 160 MPa relativ steil an und nimmt dann nur noch geringfügig zu. Höhere Spannung können also durch eine Verformung der zweiten Schicht 3 zumindest teilweise abgebaut werden. Fig. 4 zeigt eine schematische Darstellung einer geschnittenen Ansicht eines konventionellen Innenrings 21, der an einer Welle 25 montiert ist. Fig. 5 zeigt eine schematische Darstellung einer Spannungsverteilung in dem konventionellen Innenring 21 gemäß Figur 4.
Bei einem konventionellen Verband zwischen dem Innenring 21 und der Welle 25 tritt eine andere Spannungsverteilung bzw. ein anderer Passungsdruckverlauf als bei dem Ausfüh- rungsbeispiel der Fig. 1 bis 3 auf. Entlang einer Kontaktfläche 24 zwischen dem Innenring 21 und der Welle 25 tritt eine gleichmäßig hohe Spannung auf. Ein Bereich 26, in dem eine höchste Spannung 26 auftritt, ist mit einer dichten Schraffur markiert. In einem Diagramm 14 sind ebenfalls die Druck- bzw. Spannungswerte in der Einheit MPa an der y- Achse gegenüber Zeitwerten auf der x- Achse eingetragen. Wie aus der Kurve 15 erkennbar ist, weist die Spannung einen konstanten Wert auf. Dieser liegt bei 429,3 MPa. Fig. 6 zeigt eine schematische Darstellung einer Spannungsverteilung in dem Lagerring gemäß einem Ausführungsbeispiel.
Durch die Montage des Lagerrings 1 an der Welle 5 mit einem Übermaß treten auch an der Lauffläche 4 bzw. der Laufbahn Spannungen auf. Diese werden Hoop-Stresses genannt. In einem Diagramm 16 ist eine Kurve 17 eingezeichnet, die den Verlauf der Hoop-Stresses an der Laufbahn 4, an einer mit einem Pfeil P markierten Stelle, wiedergibt. Dazu sind entlang der y- Achse Spannungswerte in MPa gegenüber den entlang der x- Achse dargestellten Zeitwerten aufgetragen. Die Kurve 17 weist einen Knick 18 auf. Knick 18 entsteht bei einer Spannung, bei der das Material der zweiten Schicht 3 zu fließen beginnt. Diese Span- nung beträgt für den Lagerring 1 nach der Fig. 1 ca. 190 MPa.
Mit anderen Worten ausgedrückt kann durch eine Kombination aus einem Wälzlagerstahl (z.B. 100Cr6) und der zweiten Schicht 3 bei manchen Ausführungsbeispielen ermöglicht werden, dass die Umfangsspannungen (z.B.: Hoop-Stresses) bzw. Tangentialspannungen an einer Oberfläche des Lagerrings 1 bzw. der Laufbahn 4 auf einen Wert zwischen 100 und 200 MPa gehalten werden können. Bei Spannungswerten unter 100 MPa kann unter Umständen keine feste Passung mehr zwischen dem Lagerring 1 und der Welle 5 gewährleistet werden. Bei Spannungswerten über 200 MPa könnte beispielsweise die Gefahr eines Bruchs des Lagerrings stark ansteigen.
Analog ist in einem Diagramm 19 der Fig. 7 eine Kurve 20 für einen Verlauf der Hoop- Stresses, die sich an einer Laufbahn des konventionellen Lagerrings 21 beim schrittweisen Aufbringen des Übermaßes durch die Montage an der Welle 25 ergeben, eingezeichnet. In dem Diagramm 19 ist der Spannungsverlauf an der mit dem Pfeil markierten Stelle P dar- gestellt.
Fig. 8 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausschnitts einer Seitenansicht eines Lagerrings gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel. Ein in Fig. 8 gezeigter Lagerring 31 umfasst ebenfalls eine erste Schicht 32 und eine zweite Schicht 33. An der ersten Schicht 32 ist eine Gleit- oder Lauffläche 34 ausgebildet. Die erste Schicht 32 besteht aus einem Werkstoff mit einer Streckgrenze von mindestens 500 MPa. Die erste Schicht 32 umfasst als Werkstoff einen gehärteten Wälzlagerstahl (z.B. 100Cr6). Der Werkstoff der zweiten Schicht 33 ist ein Baustahl. Alternativ kann die zweite Schicht 33 einen Werkstoff mit einer niedrigeren Streckgrenze als 500 MPa aufweisen bzw. aus diesem bestehen.
Mit anderen Worten ausgedrückt wird das Material der ersten Schicht 32 mit der zweiten Schicht 33 aus einem anderen Material, das eine niedrigere Streckgrenze als das Material der ersten Schicht 32 aufweist, kombiniert. Die Schicht 33 dient zum Abbau der Spannungen. Die Spannungen sind schematisch als Pfeile 35 dargestellt. Die Spannungen ergeben sich durch eine Überdeckung zwischen der Welle 5 und dem Innenring 31. Da ein Material der zweiten Schicht 33 eine geringere Streckgrenze als der gehärtete Wälzlagerstahl der ersten Schicht 32 aufweist, kann bei manchen Ausführungsbeispielen eine Bohrung des Innenrings 31 mit einer geringeren Genauigkeit gefertigt werden. Dies könnte durch ein Verformungsvermögen des Baustahls der Schicht 33 ausgeglichen werden. Die zweite Schicht 33 weist keine Ausnehmung auf, sondern ist massiv ausgebildet. Alternativ kann das Material der zweiten Schicht bzw. die zweite Schicht selbst eine Struktur aufweisen. Beispielsweise kann die Streckgrenze der zweiten Schicht bzw. der Struktur maximal 200 MPa betragen. Mit anderen Worten ausgedrückt betreffen einige Ausführungsbeispiele ein zweischichtiges Rohr bzw. einen Wälzlagerinnenring, der als eine erste Schicht den Werkstoff 100Cr6 und als zweite Schicht einen Stahl mit einer Streckgrenze von weniger als 500 MPa umfasst.
Die Schichten 32 und 33 sind drehfest miteinander verbunden. Beispielsweise können die Schichten 32 und 33 zum drehfesten Verbinden eine Verzahnung 36 aufweisen. Die Verzahnung 36 kann dazu dienen, eine Drehung der zweiten Schicht 33 auf die erste Schicht 32 zu übertragen. Beispielsweise kann die Verzahnung 36 durch große Rauheitsspitzen in der ersten Schicht 32 und/oder der zweiten Schicht 33 hergestellt werden.
Bei einigen weiteren, nicht dargestellten Ausführungsbeispielen kann die Verbindung bzw. drehfeste Verbindung der beiden Schichten mittels Kraftschluss, Formschluss, Kleben oder anderen Verbindungsarten hergestellt werden. Fig. 9 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausschnitts einer Seitenansicht eines Lagerrings gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel. Ein in Fig. 9 gezeigter Lagerring 41 umfasst eine erste Schicht 42 und eine zweite Schicht 43. Die erste Schicht 42 kann jedweden Werkstoff, beispielsweise einen gehärteten Wälzlagerstahl oder einen Kunststoff umfassen. Die erste Schicht 42 weist eine Mehrzahl von Ausnehmungen 46 auf. Die zweite Schicht 43 umfasst als Werkstoff ein elastisches Material. Beispielsweise kann der Werkstoff Gummi sein. Bei einem Überschreiten einer be- stimmten Spannung wird die zweite Schicht 43 komprimiert. Das Material der zweiten Schicht 43 beginnt dann, in die Ausnehmungen 46 zu fließen.
Bei einigen weiteren, nicht dargestellten Ausführungsbeispielen können die Ausnehmungen ergänzend oder alternativ in die zweite Schicht eingebracht sein. Beispielsweise kön- nen die Ausnehmungen an einer Oberfläche oder Umfangsfläche der zweiten Schicht angeordnet sein. Ergänzend oder alternativ kann die zweite Schicht weitere Ausnehmungen aufweisen. Beispielsweise können die Ausnehmungen in Form von Bohrungen in die zweite Schicht eingebracht sein. Fig. 10 zeigt eine schematische Darstellung eines Diagramms zu einem Spannungsverlauf bei einem auf einer Welle mit einem Übermaß montierten konventionellen Lagerring.
Bei einem in Fig. 10 gezeigten Diagramm 50 sind entlang der y- Achse Spannungswerte aufgetragen. Entlang der x- Achse ist ein Wert für ein Übermaß bei einer Montage des La- gerrings auf einer Welle aufgetragen. Konventionelle Wälzlager werden dabei so ausgelegt, dass maximale Hoop-Stresses, also Spannungen, die durch die Montage an einer Lauffläche auftreten können, bei 200 MPa liegen. Deshalb endet bei dem Diagramm 50 die Kurve 51 bei einem Übermaß wert xl , der zu einem Spannungswert yl von 200 MPa korrespondiert.
Fig. 11 zeigt eine schematische Darstellung eines Diagramms zu einem Spannungsverlauf bei einem auf einer Welle mit einem Übermaß montierten Lagerring gemäß einem Ausführungsbeispiel. Mit den Lagerringen 1, 31 und 41 wird ein Spannungsverlauf, wie in einem Diagramm 60 der Fig. 11 dargestellt, angestrebt. Entlang einer y- Achse sind Spannungswerte aufgetragen. Entlang einer x- Achse sind Übermaßwerte für eine Montage des Lagerrings an einer Welle aufgetragen. Bei einem Übermaßwert xl nimmt ein Spannungswert yl in dem La- gerring trotz eines sich erhöhenden Übermaßes nicht oder nur noch unwesentlich zu. Deshalb verläuft eine Kurve 61 ab einem Übermaßwert xl in einem gewissen Rahmen parallel zu der x-Achse. Die Spannungen können in der zweiten Schicht 3, 33 oder 43 des Lagerrings 1, 31 oder 41, die als eine sogenannte Crash-Zone (von engl:„Aufprall-Zone") wirkt, abgebaut werden.
Gemäß einigen weiteren, nicht dargestellten Ausführungsbeispielen, ist die zweite Schicht bzw. die Crash- Zone als eine Zwischenschicht ausgebildet. Diese kann bei manchen Ausführungsbeispielen den Einfluss der Spannung der Passung auf die Laufbahn begrenzen oder zumindest minimieren. Hierzu könnte beispielsweise ein Effekt einer Nichtlinearität des Spannungsanstiegs verwendet werden. Solche Nicht linearitäten können bei manchen Ausführungsbeispielen durch ein Material oder durch eine spezielle Geometrie der zweiten Schicht erzeugt werden. Bei Ausführungsbeispielen, bei denen die Nichtlinearität durch ein Material bewirkt wird, beginnt das Material zu fließen. Dies kann ebenfalls ein plastisches Verformen des Materials bedingen. Um das Verformen zuzulassen, benötigt das Material Platz. Deshalb sind bei diesen Ausführungsbeispielen Räume oder Ausnehmungen vorgesehen, in die sich das Material ausdehnen bzw. verformen kann. Beispiele für solche Räume oder Schichten können eine Strebenstruktur, eine Schaumstruktur, eine Gitterstruktur oder zumindest eine in die Schicht eingebrachte Bohrung sein. Bei Ausführungsbeispielen, bei denen das nichtlineare Verhalten der Schicht durch eine Geometrie erzeugt wird, kann die Form des Materials so gewählt werden, dass Teile des Materials elastisch knicken bzw. beulen. Auch so könnte eine nichtlineare Spannungskurve erzeugt werden. Zusammenfassend betreffen manche Ausführungsbeispiele einen röhrenförmigen Körper mit einer innenliegenden Schicht zum Abbau von Spannungen. Beispielsweise kann es sich dabei um einen Faserverbundring handeln. Beispielsweise kann der röhrenförmige Körper in einem Faserverbund-Leichtbau-Lager eingesetzt sein. Der Lagerring kann, wie für einige Ausbildungsbeispiele beschrieben, als Wälzlagerring in einem Wälzlager verwendet werden. Ferner kann der Lagerring jedoch in jedwede andere Lagerbauart eingesetzt werden. Beispielsweise kann der Lagerring als ein Leichtbau- Hybridring aus einem faserverstärkten Kunststoff aufgebaut sein.
Bei manchen Ausführungsbeispielen kann die zweite Schicht bzw. die Crash- Zone zumindest teilweise aus einem metallischen Material, einem Kunststoff, einem Gas oder einer Gitterstruktur bestehen. Die spannungsabbauende Funktion der Schicht könnte ggf. über ein elastisches Einfedern, eine Kompression oder eine Sollbruchstelle in der Schicht realisiert werden. Bei einigen weiteren, nicht dargestellten Ausführungsbeispielen kann die zweite Schicht aus Stahlschaum aufgebaut sein. Beispielsweise könnte der Stahlschaum bzw. Zellen des Stahlschaums ab einer bestimmten Spannung zerstört werden. Dadurch könnten beispielsweise Kontaktspannungsspitzen abgebaut werden.
Sobald eine maximal zulässige Spannung erreicht wird, kann bei manchen Ausführungsbeispielen die Schicht bzw. die Crash-Zone in Aktion treten. Beispielsweise kann diese Schicht reversibel oder nur für einen einmaligen Abbau von Spannungen zur Verfügung stehen. Die Schicht kann sich beispielsweise zwischen zwei gleichen Schichten oder zwischen zwei Schichten unterschiedlicher Materialien befinden. Insbesondere bei Ausführungsbeispielen, die Hybridringe betreffen, kann die Schicht zwischen einer Schicht aus einem Stahl und einem faserverstärktem Kunststoff angeordnet sein. Die Crash-Zone oder Crash-Zonen- Schicht könnte eine Verbindungsfläche der beiden Materialien darstellen. Alternativ kann die Schicht mit dem Verformungsvermögen, wie für die zweite Schicht beschrieben, direkt an einem Wellen- oder Gehäusesitz angeordnet sein.
Bei manchen Ausführungsbeispielen kann ein früher Ausfall des Lagers, beispielsweise durch Überlagern von Spannungen an dem Lagerring, verhindert oder zumindest reduziert werden. Ferner könnten bei manchen Ausführungsbeispielen zum Auslegen des Lagers die realen maximalen Überdeckungen herangezogen werden. Dadurch kann beispielsweise ein besserer Sitz der Ringe an der Welle oder in einem Gehäuse ermöglicht werden. Beispielsweise könnte so ein Bewegen, Verdrehen oder Verschieben des Lagerrings verhindert oder zumindest reduziert werden. Ferner kann es sich bei dem Lagerring auch um einen Außenring, der beispielsweise mit einer festen Passung oder Überdeckung in ein Gehäuse montiert wird, handeln. Die zweite Schicht kann auch an dem Außenring und/oder an einer Begrenzungsfläche einer Bohrung oder eines Gehäuses angeordnet sein.
Zusammenfassend kann bei dem Lagerring nach manchen Ausführungsbeispielen eine Sicherheit gegen ein unbeabsichtigtes Übersteigen eines Hoop-Stress-Limits, z. B. durch eine Temperatur, eine Unrundheit, eine Fertigungsqualität und/oder eine Passung der Welle vermieden werden. So könnte ggf. ein Lagerausfall vermieden werden.
Die in der vorstehenden Beschreibung, den nachfolgenden Ansprüchen und den beigefügten Figuren offenbarten Ausführungsbeispiele sowie deren einzelne Merkmale können sowohl einzeln wie auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung eines Ausführungsbeispiels in ihren verschiedenen Ausgestaltungen von Bedeutung sein und implementiert werden.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e
Lagerring
Lagerring (1) mit folgenden Merkmalen:
einer ersten Schicht (2), wobei eine Oberfläche der ersten Schicht
(2) eine Gleit- oder Lauffläche (4) des Lagerrings (1) bildet;
einer zweiten Schicht
(3), die auf einer der Gleit- oder Lauffläche
(4) abgewandten Seite der ersten Schicht (2) angeordnet ist, wobei sich die zweite Schicht (3) in einem montierten Zustand bei einer geringeren Spannung als die erste Schicht (2) verformen lässt.
Lagerring (1) nach Anspruch 1, wobei der Lagerring (1) zumindest eine Ausnehmung (9) aufweist, die ausgebildet ist, um bei einem Verformen der zweiten Schicht (3) ein Material der zweiten Schicht (3) zumindest teilweise aufzunehmen.
Lagerring (1) nach Anspruch 2, wobei die zumindest eine Ausnehmung (9) in der ersten Schicht (2) ausgebildet ist und/oder wobei die zumindest eine Ausnehmung in der zweiten Schicht (3) ausgebildet ist.
Lagerring (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2 oder 3, wobei die zumindest erste Schicht (2) einen Festkörper umfasst, wobei ein Gesamtvolumen der zweiten Schicht (3) ein Volumen des Festkörpers und ein Gesamtvolumen der zumindest einen Ausnehmung (9) umfasst, wobei das Volumen des Festkörpers der zweiten Schicht (3) einem Gesamtvolumen zwischen 40% und 90% der zweiten Schicht (3) entspricht.
5. Lagemng (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die zweite Schicht (3) erst bei einer Spannung zwischen 100 MPa und 200 MPa irreversibel verformbar ist.
6. Lagerring (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Schicht (2) einen Stahl umfasst, der eine Streckgrenze von wenigstens 500 MPa aufweist und die zweite Schicht (3) einen Baustahl ausweist, der eine Streckgrenze von maximal 200 MPa aufweist.
7. Lagerring (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die zweite Schicht (3) eine Mehrzahl von Streben (6) umfasst.
8. Lagerring (1) nach Anspruch 7, wobei ein Verhältnis aus einer Streckgrenze eines Werkstoffs der Streben (6) zu einer Breite (bs)der Streben in einem Bereich zwischen 50 und 400 MPa/mm liegt.
9. Lagerring (1) nach Anspruch 7 oder 8, wobei die zweite Schicht (3) einen Ring (7) umfasst, der konzentrisch zu dem Lagerring (1) angeordnet ist, wobei die Streben (6) von dem Ring (7) in Richtung der ersten Schicht (2) abragen.
10. Lagerring (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend eine dritte Schicht, wobei die zweite (3) Schicht radial zwischen der ersten (2) und der dritten Schicht angeordnet ist und/oder die erste (2) und/oder eine dritte Schicht zumindest teilweise aus einem faserverstärkten Werkstoff besteht.
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Citations (4)

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