WO2015172783A1 - Wälzlager und verfahren zum betrieb eines wälzlagers - Google Patents

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Definitions

  • the invention relates to a rolling bearing, namely spindle bearings, and a method for operating such a bearing. Background of the invention
  • Spindle bearings can be designed, for example, as ball bearings, in particular angular contact ball bearings, or as cylindrical roller bearings.
  • Various spindle bearings in the form of cylindrical roller bearings are known, for example, from DE 10 2010 019 587 A1 and from DE 10 2010 054 455 A1.
  • the invention has for its object to provide a comparison with the cited prior art evolved, provided as a spindle bearing bearings, which is characterized in particular by lubricating favorable properties, even at the highest speed characteristics.
  • the rolling bearing has substantially cylindrical rolling elements, which are guided in a cage.
  • a rolling body arrangement which can be formed by a single or by a plurality of rolling elements, is located in a pocket of the cage.
  • the rolling elements roll on components that can be described as an inner ring and outer ring without restricting generality.
  • each rolling element arrangement has at least one taper spaced from its end faces.
  • the taper may be formed either by a groove incorporated in a rolling element or, in the case of a plurality of adjacent rolling elements which together form a rolling element arrangement, at a joint between rolling elements. In both cases, open cross-sectional areas between the Wälz redesignan extract and the inner and outer ring are formed by the taper.
  • the cage guide of each rolling element arrangement ensures that the regions within the cross section of the rolling bearing, in which openings for the passage of lubricant are formed by the taper, do not migrate during operation of the rolling bearing.
  • the rolling bearing is thus suitable for very high rotational speed characteristics of at least 500,000 rpm "1 mm, for example more than 750,000 rpm " 1 mm, in particular more than 1,000,000 rpm "1 mm
  • the cage of the rolling bearing is preferably guided on the outer ring Lubrication of the rolling bearing is in a preferred embodiment, an air-oil lubrication.
  • each rolling element arrangement has only a single taper.
  • the taper is preferably in the middle arranged the rolling element.
  • rolling element shapes can be realized in which a single taper is asymmetrically in the lateral surface.
  • this is described exclusively by a curved contour, wherein, for example, circular-arc-shaped contours and / or other curved contours, such as elliptical or logarithmic contours, may be present.
  • the taper of the rolling element has at least one straight contour.
  • a straight contour section can be combined with a curved contour section of any type.
  • the transitions between the tapered and the cylindrical part of the lateral surface of the rolling body are advantageously rounded rounded.
  • the depth of the taper measured in the radial direction of the rolling element is between 0.02 mm and 1.5 mm in a preferred embodiment. The amount of depth may be more than 5% of the rolling element diameter.
  • the designed as a modified cylindrical rollers rolling elements of the bearing are made of either steel or a ceramic material, such as silicon nitride.
  • FIG. 1 is a sectional view of a roller bearing, namely spindle bearing, with a modified cylindrical roller as a rolling element
  • FIG. 2 shows the roller body of the rolling bearing according to FIG. 1
  • FIG. 3 a detail of a first contour of a rolling element suitable for the rolling bearing according to FIG. 1,
  • FIG. 4 shows a detail of a second contour for the rolling bearing
  • FIG. 1 suitable rolling element
  • FIG. 5 shows a detail of a third contour for the rolling bearing
  • Figure 1 suitable rolling element
  • Figure 6 shows a detail of a fourth contour of the rolling bearing for
  • FIG. 1 suitable rolling element
  • FIG. 7 shows an alternative rolling bearing arrangement for a spindle bearing.
  • rolling bearings namely spindle bearings, shown, with respect to its principal function is made to the cited prior art.
  • rolling elements 4 roll off, which are designed as cylindrical rollers. While the inner ring 2 has ribs 5, 6 in the exemplary embodiment shown, the outer ring 3 has no ribs.
  • the rolling elements 4 are guided in a cage 7, which can be made of plastic and guided on the outer ring 3.
  • the rolling elements 4 has a central, formed as a circumferential groove taper 8.
  • this taper 8 of the rolling elements 4 is significantly spaced in its central region from the inner ring 2 and outer ring 3, so that open cross-sectional areas are formed, which allow the passage of lubricant.
  • the taper 8 represents a convex contour, on both sides of the taper 8 there are combined convex-cylindrical contours.
  • the rolling element 4 is mirror-symmetrical to a plane running centrally through the taper 8. Overall, the rolling elements 4, as is apparent from Figures 1 and 2, an approximately square cross-section.
  • the depth of the taper 8 is denoted by t, the diameter of the rolling element 4 by D.
  • FIG. 3 possible variants of the contour of the taper 8 of the rolling element 4 are outlined. These are circular arc shape (FIG. 3), a rectangular shape (FIG. 4), a triangular shape (FIG. 5), and a trapezoidal shape (FIG. 6).
  • the contours of the taper 8 can be produced in all cases in a simple manner by machining.
  • a single rolling element 8 also referred to in general as a rolling element arrangement 9, is guided in a pocket of the cage 7 designated by 10.
  • the taper 8 is formed in this case at the junction between the two each designed as a cylindrical roller rolling elements 4.
  • Each of the two rolling elements 4 has a diameter D, which is about twice as large as its width, so that the entire rolling element assembly 9, as in the embodiment of Figure 1, has an approximately square cross-section.

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Abstract

Wälzlager (1), nämlich Spindellager, welches eine Anzahl zwischen einem Innenring (2) und einem Außenring (3) in einem Käfig (7) geführte Wälzkörper (4), nämlich Zylinderrollen, aufweist, wobei sich in Taschen (10) des Käfigs (7) jeweils eine Wälzkörperanordnung (9), die entweder aus einem einzigen Wälzkörper (4) oder aus mehreren Wälzkörpern (4) gebildet ist, befindet. Erfindungsgemäß weist jede Wälzkörperanordnung (9) mindestens eine, von ihren Stirnseiten beabstandete Verjüngung (8) auf.

Description

Titel der Erfindung
Wälzlager und Verfahren zum Betrieb eines Wälzlagers Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Wälzlager, nämlich Spindellager, sowie ein Verfahren zum Betrieb eines solchen Lagers. Hintergrund der Erfindung
Spindellager können beispielsweise als Kugellager, insbesondere Schrägkugellager, oder als Zylinderrollenlager ausgebildet sein. Verschiedene Spindellager in Form von Zylinderrollenlagern sind beispielsweise aus der DE 10 2010 019 587 A1 sowie aus der DE 10 2010 054 455 A1 bekannt.
Aus der DE 10 2010 020 347 A1 ist ein rollenförmiger Wälzkörper bekannt, welcher in seiner Mantelfläche mehrere umlaufende Nuten aufweist. Durch diese Nuten werden im Betrieb des Wälzlagers Spalten zwischen Wälzkörper und La- gerring gebildet, durch welche Schmiermittel hindurchtreten kann.
Aufgabe der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein gegenüber dem genannten Stand der Technik weiterentwickeltes, als Spindellager vorgesehenes Wälzlager anzugeben, welches sich insbesondere durch schmierungstechnisch günstige Eigenschaften, selbst bei höchsten Drehzahlkennwerten, auszeichnet.
Beschreibung der Erfindung
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Wälzlager mit den Merkmalen des Anspruchs 1 . Weiter wird die Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zum Betrieb eines Wälzlagers gemäß Anspruch 8. Im Folgenden im Zu- sammenhang mit dem Betriebsverfahren erläuterte Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung gelten sinngemäß auch für die Vorrichtung, das heißt das Spindellager, und umgekehrt. Das Wälzlager weist im Wesentlichen zylindrische Wälzkörper auf, welche in einem Käfig geführt sind. Hierbei befindet sich in einer Tasche des Käfigs jeweils eine Wälzkörperanordnung, welche durch einen einzelnen oder durch mehrere Wälzkörper gebildet sein kann. Die Wälzkörper rollen auf Bauteilen ab, die ohne Beschränkung der Allgemeinheit als Innenring und Außenring be- zeichnet werden können. Diese Bezeichnungen sind rein funktional zu verstehen; tatsächlich kann anstelle eines Innenrings beispielsweise auch eine Welle und anstelle eines Außenrings beispielsweise auch ein Gehäuse vorgesehen sein. In jedem Fall weist jede Wälzkörperanordnung mindestens eine von ihren Stirnseiten beabstandete Verjüngung auf.
Die Verjüngung kann entweder durch eine in einen Wälzkörper eingearbeitete Nut oder, im Fall von mehreren aneinander grenzenden, zusammen eine Wälzkörperanordnung bildenden Wälzkörpern, an einer Stoßstelle zwischen Wälzkörpern gebildet sein. In beiden Fällen sind durch die Verjüngung offene Querschnittsbereiche zwischen der Wälzkörperanordnung und dem Innen- bzw. Außenring gebildet. Die Käfigführung jeder Wälzkörperanordnung sorgt gleichzeitig dafür, dass die Bereiche innerhalb des Querschnitts des Wälzlagers, in denen durch die Verjüngung Öffnungen für den Durchtritt von Schmiermittel gebildet sind, beim Betrieb des Wälzlagers nicht wandern. Das Wälzlager ist damit für sehr hohe Drehzahlkennwerte von mindestens 500.000 min"1 mm, beispielsweise mehr als 750.000 min"1 mm, insbesondere mehr als 1 .000.000 min"1 mm, geeignet. Der Käfig des Wälzlagers ist vorzugsweise am Außenring geführt. Bei der Schmierung des Wälzlagers handelt es sich in bevorzugter Ausgestaltung um eine Luft-Öl-Schmierung.
Gemäß einer möglichen Ausführungsform weist jede Wälzkörperanordnung nur eine einzige Verjüngung auf. Im Fall der Bildung der Wälzkörperanordnung durch einen einzigen Wälzkörper ist die Verjüngung vorzugsweise in der Mitte des Wälzkörpers angeordnet. Ebenso sind auch Wälzkörperformen realisierbar, bei welchen sich eine einzige Verjüngung asymmetrisch in der Mantelfläche befindet. In analoger Weise kann im Fall der Bildung der Wälzkörperanordnung durch zwei aneinanderstoßende Wälzkörper entweder die Verwendung von zwei gleich breiten oder von zwei ungleich breiten Wälzkörpern vorgesehen sein.
Bei einer möglichen geometrischen Variante der Verjüngung ist diese ausschließlich durch eine gekrümmte Kontur beschrieben, wobei beispielsweise kreisbogenförmige Konturen und/oder sonstige gekrümmte Konturen, etwa el- liptische oder logarithmische Konturen, gegeben sein können.
In anderen möglichen Varianten weist die Verjüngung des Wälzkörpers mindestens eine gerade Kontur auf. Ein gerader Konturabschnitt kann mit einem gekrümmten Konturabschnitt beliebiger Art kombiniert sein. In allen Fällen sind die Übergänge zwischen dem verjüngten und dem zylindrischen Teil der Mantelfläche des Wälzkörpers in vorteilhafter Weise abgerundet gestaltet. Die in radialer Richtung des Wälzkörpers gemessene Tiefe der Verjüngung beträgt in bevorzugter Ausgestaltung zwischen 0,02 mm und 1 ,5 mm. Der Betrag der Tiefe kann mehr als 5 % des Wälzkörperdurchmessers sein.
Die als modifizierte Zylinderrollen gestalteten Wälzkörper des Wälzlagers sind entweder aus Stahl oder aus einem keramischen Werkstoff, beispielsweise Siliciumnitrid, gefertigt. Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Nachfolgend werden mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen: Figur 1 in einer Schnittdarstellung ein Wälzlager, nämlich Spindellager, mit einer modifizierten Zylinderrolle als Wälzkörper,
Figur 2 den Wälzkörper des Wälzlagers nach Figur 1 , Figur 3 ausschnittsweise eine erste Kontur eines für das Wälzlager nach Figur 1 geeigneten Wälzkörpers,
Figur 4 ausschnittsweise eine zweite Kontur eines für das Wälzlager nach
Figur 1 geeigneten Wälzkörpers,
Figur 5 ausschnittsweise eine dritte Kontur eines für das Wälzlager nach
Figur 1 geeigneten Wälzkörpers, Figur 6 ausschnittsweise eine vierte Kontur eines für das Wälzlager nach
Figur 1 geeigneten Wälzkörpers,
Figur 7 eine alternative Wälzlageranordnung für ein Spindellager. Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
In Figur 1 ist in einem schematischen Querschnitt ein insgesamt mit dem Bezugszeichen 1 gekennzeichnetes Wälzlager, nämlich Spindellager, dargestellt, hinsichtlich dessen prinzipieller Funktion auf den eingangs zitierten Stand der Technik verwiesen wird. Zwischen einem Innenring 2 und einem Außenring 3 rollen Wälzkörper 4 ab, welche als Zylinderrollen gestaltet sind. Während der Innenring 2 im dargestellten Ausführungsbeispiel Borde 5,6 aufweist, weist der Außenring 3 keine Borde auf. Die Wälzkörper 4 sind in einem Käfig 7 geführt, welcher aus Kunststoff gefertigt und am Außenring 3 geführt sein kann.
Wie aus den Figuren 1 und 2 hervorgeht, weist der Wälzkörper 4 eine mittige, als umlaufende Nut ausgebildete Verjüngung 8 auf. Durch diese Verjüngung 8 ist der Wälzkörper 4 in seinem mittleren Bereich vom Innenring 2 sowie Außenring 3 signifikant beabstandet, sodass offene Querschnittsbereiche gebildet sind, die den Durchtritt von Schmiermittel ermöglichen. Somit muss beim Abrollen des Wälzkörpers 4 auf den Lagerringen 2,3 höchstens in untergeordnetem Maß Schmiermittel zur Seite, das heißt in Richtung zu den Borden 5,6, ver- drängt werden, was die Eignung des Wälzlagers 1 für sehr hohe Drehzahlkennwerte von mehr als 500.000 min"1 mm begünstigt.
Während die Verjüngung 8 eine konvexe Kontur darstellt, befinden sich beider- seits der Verjüngung 8 kombiniert konvex-zylindrische Konturen. Der Wälzkörper 4 ist zu einer mittig durch die Verjüngung 8 verlaufenden Ebene spiegelsymmetrisch. Insgesamt weist der Wälzkörper 4, wie aus den Figuren 1 und 2 hervorgeht, einen annähernd quadratischen Querschnitt auf. Die Tiefe der Verjüngung 8 ist mit t, der Durchmesser des Wälzkörpers 4 mit D bezeichnet.
In den Figuren 3 bis 6 sind mögliche Varianten der Kontur der Verjüngung 8 des Wälzkörpers 4 skizziert. Hierbei handelt es sich um Kreisbogenform (Fig. 3), eine Rechteckform (Fig. 4), eine dreieckige Form (Fig. 5), sowie eine Trapezform (Fig. 6). Die Konturen der Verjüngung 8 sind in allen Fällen auf einfache Weise durch Zerspanung herstellbar.
In den Ausführungsbeispielen nach den Figuren 1 bis 6 ist jeweils ein einzelner Wälzkörper 8, allgemein auch als Wälzkörperanordnung 9 bezeichnet, in einer mit 10 bezeichneten Tasche des Käfigs 7 geführt.
Im Unterschied hierzu ist im Ausführungsbeispiel nach Figur 7 eine Wälzkörperanordnung 9, welche sich in ein und derselben Tasche 10 des Käfigs 7 befindet, durch zwei aneinander stoßende Wälzkörper 4 gebildet. Die Verjüngung 8 ist in diesem Fall an der Stoßstelle zwischen den beiden jeweils als Zylinder- rolle gestalteten Wälzkörpern 4 gebildet. Jeder der beiden Wälzkörper 4 weist einen Durchmesser D auf, der etwa doppelt so groß wie seine Breite ist, sodass die gesamte Wälzkörperanordnung 9, wie im Ausführungsbeispiel nach Figur 1 , einen etwa quadratischen Querschnitt hat. Bezugszeichenliste Wälzlager
Innenring
Außenring
Wälzkörper
Bord
6 Bord
7 Käfig
8 Verjüngung
9 Wälzkörperanordnung
10 Tasche
D Durchmesser
t Tiefe

Claims

Patentansprüche
1 . Wälzlager (1 ), nämlich Spindellager, mit einer Anzahl zwischen einem Innenring (2) und einem Außenring (3) in einem Käfig (7) geführter Wälzkör- per (4), nämlich Zylinderrollen, wobei sich in Taschen (10) des Käfigs (7) jeweils eine Wälzkörperanordnung (9) befindet, dadurch gekennzeichnet, dass jede Wälzkörperanordnung (9) mindestens eine von ihren Stirnseiten beabstandete Verjüngung (8) aufweist.
2. Wälzlager (1 ) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass jede Wälzkörperanordnung (9) durch einen einzigen Wälzkörper (4) gebildet ist.
3. Wälzlager (1 ) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Wälz- köper(4) eine einzige Verjüngung (8) aufweist.
4. Wälzlager (1 ) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Verjüngung (8) des Wälzkörpers (4) ausschließlich durch eine gekrümmte Kontur beschrieben ist.
5. Wälzlager (1 ) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Verjüngung (8) des Wälzkörpers (4) mindestens eine gerade Kontur aufweist.
6. Wälzlager (1 ) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Wälz- körperanordnung (9) durch mehrere Wälzkörper (4) gebildet ist, wobei sich die Verjüngung (8) an einer Stoßstelle zwischen den Wälzkörpern (4) befindet.
7. Wälzlager (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Käfig (7) am Außenring (3) geführt ist.
8. Verfahren zum Betrieb eines Wälzlagers (1 ), mit folgenden Merkmalen:
- eine Spindel wird durch ein Wälzlager (1 ), nämlich Zylinderrollenlager, gelagert,
- dem Wälzlager (1 ) wird Schmiermittel zugeführt, welches durch einen zwischen Wälzkörper (4) und Lagerring (2,3) des Wälzlagers (1 ) gebildeten Spalt, der zwischen zwei Wälzkörperstirnseiten aufgeweitet ist, hindurchtritt.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Wälzla- ger (1 ) mit Luft-Öl-Schmierung betrieben wird.
10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Wälzlager (1 ) mit einem Drehzahl kennwert von mindestens 500.000 min"1 mm betrieben wird.
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