DE102005006210A1

DE102005006210A1 - Lageranordnung, insbesondere für Wälzlager und Gleitlager

Info

Publication number: DE102005006210A1
Application number: DE102005006210A
Authority: DE
Inventors: Harald Dipl.-Phys. Schäfer
Original assignee: Schaeffler KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2005-02-11
Filing date: 2005-02-11
Publication date: 2006-08-17
Also published as: WO2006084587A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Lageranordnung, insbesondere für Wälzlager und Gleitlager, zur Lagerung von drehbaren Maschinenteilen (6) mit geräusch- und schwingungsdämmender Wirkung, aufweisend mindestens einen Lagerring (2, 3, 11) und einen Lagersitz zwischen Lagerring (2, 3, 11) und Maschinenteil (6). Zudem ist vorgesehen, dass zwischen mindestens einem Lagerring (2, 3, 11) und dem Maschinenteil (6) eine Schicht (7) aus über den Lagersitz (8) verteilter harter Partikel (9) definierter Größe ausgebildet ist, wobei die Härte der Partikel (9) die Härte der Materialien des angrenzenden Lagerringes (2, 3, 11) und des Maschinenteils (6) übersteigt. Durch diesen Aufbau kann auf einfache Weise eine Reduzierung von Geräuschen und von axialen sowie radialen Schwingungen am Lager (1) und dem damit verbundenen Maschinenteil (6, 12) erreicht werden.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung bezieht sich auf eine Lageranordnung, insbesondere für Wälzlager und Gleitlager, zur Lagerung von drehbaren Maschinenteilen mit geräusch- und schwingungsdämmender Wirkung, aufweisend mindestens einen Lagerring und einen Lagersitz zwischen Lagering und Maschinenteil.
Hintergrund der Erfindung
Probleme hinsichtlich der Dämpfung von Schwingungen und Geräuschen treten beispielsweise bei stufenlos verstellbaren Getrieben, aber auch bei Werkzeugmaschinen, Textilmaschinen usw. auf. Besonders schallleitungsreduzierende Wirkungen werden bisher meist nur aus theoretischen Überlegungen heraus postuliert.
Naturgemäß bilden Lagerstellen eine Verbindung zwischen ansonsten mechanisch getrennten Strukturteilen. Lager, wie Wälz- und Gleitlager, sind in ihren Ausführungen in der Regel auf ihre Funktion und Lebensdauer optimiert ausgebildet. Oftmals werden in diesen Strukturen durch betriebsbedingte Anregungen unerwünschte Schwingungen und Geräusche erzeugt. Daher sind solche Lagerstellen oft auch die Hauptkomponente für die Übertragung störender Vibrationen und Geräusche. Außerdem sind insbesondere Wälzlager ohnehin gute Körperschallleiter.
Maßnahmen zur Verringerung der Schalldurchleitung und Schwingungsreduzierung an Lagerstellen werden häufig genutzt und sind vielfältig bekannt. Die bekannten Maßnahmen bestehen entweder aus festen, eventuell elastischen Materialien oder einem Ölfilm, insbesondere bei Gleitlagern.

Die DE 34 42 519 A1 zeigt ein Gleitlager mit einer zwischen einer Welle und dem Lagergehäuse angeordneten elastischen Einlage aus Metall, insbesondere aus Federstahl, für eine Brennkraftmaschine zur Dämpfung der vom Brennraum in das Triebwerk eingeleiteten Gaskraftschwingungen und Geräusche. Dabei besteht die Einlage aus mehreren geschlitzten dünnwandigen Metallbuchsen, die mit Spiel zwischen der Lagerbuchse und dem Lagergehäuse eingesetzt sind und die in dem durch das Spiel gebildeten Ringspalt in einer Schmierölschicht gehalten werden. Bei dieser Lösung werden keine Wälzlager verwendet und sie erfordert einen Schmierölfilm zwischen der Welle und dem Lagergehäuse. Darüber hinaus sind die mehreren geschlitzten dünnwandigen Metallbuchsen aufwändig herzustellen und in das Lager einzubauen.

Aus der DE 38 13 223 A1 ist eine Körperschallübertragung vermindernde Lagerstelle für eine Hubkolbenmaschine bekannt, wobei die von der Lagerstelle übertragenen Schwingungen gegenüber dem umgebenden Gehäuse dämpfbar sind. Dazu ist zwischen den das Lagergehäuse bildenden Gleitlagerschalen und dem diese umgebenden Gehäuse eine die Körperschallübertragung vermindernde Schicht aus einem festen Material, beispielsweise eine Sinterlegierung, ein Kunststoffkörper oder ein poröser Keramikkörper, angeordnet. Auch bei dieser Lösung werden keine Wälzlager verwendet. Darüber hinaus benutzen die beiden vorgenannten Lösungen feste, unnachgiebige Dämpfungsmittel, deren Wirkungsgrad hinsichtlich der Dämpfung der Vibrations- bzw. Geräuschübertragung für viele Anwendungsfälle im Bereich des Maschinen- und Anlagenbaus nicht ausreichend ist. Darüber hinaus unterliegen diese Dämpfungsmittel werkstoffbedingt einem hohen Verschleiß.

Des Weiteren offenbart die DE 103 07 842 A1 eine Entkopplungsvorrichtung für eine Lagerung einer Welle in einem Grundkörper mit einem mit einer kreiszylindrischen Außenfläche ausgebildeten Lagering, innerhalb dessen die Welle gelagert ist, und einer starr mit dem Grundkörper verbundenen, die Außenfläche umgebenden Innenfläche. Zwischen diesen ist wenigstens eine metallische Radialwellfeder angeordnet, die unter elastischer Verformung eine begrenzte relative Radialbewegung zwischen der Innenfläche und der Außenfläche zulässt. Die Radialwellfeder ist abschnittsweise mit Auflage- bzw. Anschlaghöckern versehen. Diese Lösung ist wegen der Wellung bzw. Verdickungen der Radialwellfeder in Anwendungsfällen mit nur geringem Bauraum nicht geeignet.

Ferner ist aus der DE 102 03 307 A1 eine Lageranordnung insbesondere zur Lagerung von drehbaren Wellen eines Getriebes im Antriebsstrang eines Fahrzeuges mit einem Lager mit einem Außenring bekannt. Der Außenring ist in einer Aufnahme an deren Seitenflächen axial gesichert. Zwischen dem Außenring und der Innenwandung der Aufnahme ist in radialer Richtung ein flexibles Element angeordnet. Dieses besteht aus zumindest einem in radialer Richtung gewellten oder mit Vorsprüngen versehenem Ringelement, das in axialer Richtung zur Schwingungsdämpfung vorgesehen ist. Dieses flexible Element besteht aus metallischem Draht oder Blech. Das Element kann zwar in bestimmten Grenzen Geräusche dämmen, jedoch ist der Grad der Geräuschdämmung infolge der Anlage des flexiblen Elementes am Außenring und an der Aufnahme begrenzt. Bei Lagern, die solche festen Dämpfungselemente, wie Metall- und Keramikteile, verwenden, ist die Dämpfung von Schwingungen ebenfalls sehr gering.

Einige der vorgenannten Lösungen sind nur unter bestimmten Anwendungsbedingungen einsetzbar. Außerdem ist oftmals eine Verbesserung des Wirkungsgrades wünschenswert.

Schließlich zeigt die DE 198 23 928 A1 ein Verbindungselement zur kraft schlüssigen Verbindung von Bauteilen, mit dem eine reibungserhöhende Verbindung von zu fügenden Werkstücken ermöglicht werden soll. Dieses Verbindungselement besteht aus einer dünnen flexiblen Schicht, beispielsweise einem Metallband, die an ihrer Oberfläche Partikel, z.B. Hartstoffe, definierter Größe trägt, wobei diese Partikel aus einem Material mit einer Druck- und Scherfestigkeit bestehen, welche jene der zu fügenden Werkstücke übertrifft. Somit dient diese Lösung ausschließlich der kraftschlüssigen, reibungserhöhenden Verbindung zu fügender Werkstücke.

Aufgabe der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Lageranordnung, insbesondere für Wälzlager und Gleitlager, zu schaffen, mit der auf einfache Weise eine Reduzierung von Geräuschen und von axialen sowie radialen Schwingungen am Lager und dem damit verbundenen Maschinenteil erreicht wird.

Zusammenfassung der Erfindung

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zu Grunde, dass auch Hartstoffe eine Körperschall und Vibrationen dämmende Wirkung in beteiligten Maschinenteilen haben können.

Die gestellte Aufgabe wird gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 für eine Lageranordnung, insbesondere für Wälzlager und Gleitlager, zur Lagerung von drehbaren Maschinenteilen mit geräusch- und schwingungsdämpfender Wirkung, aufweisend mindestens einen Lagerring und einen Lagersitz zwischen Lagering und Maschinenteil, dadurch gelöst, dass zwischen mindestens einem Lagering und dem Maschinenteil eine Schicht aus über den Lagersitz verteilter harter Partikel definierter Größe ausgebildet ist, wobei die Härte der Partikel die Härte der Materialien des angrenzenden Lageringes und des Maschinenteils übersteigt.

Diese Partikelschicht bewirkt eine Dämmung von Geräuschen und Schwingun gen des Lagers sowie des damit verbundenen Maschinenteils und führt zu einer erheblich verbesserten Laufruhe der Lageranordnung. Gleichzeitig wird auch die Lebensdauer der Lageranordnung und der damit verbundenen Maschinenteile deutlich verlängert, da weniger Teileverschleiß vorhanden ist und die Härte der mikroskopisch kleinen Partikel größer ist als die Härte der Materialien des angrenzenden Lageringes und des Maschinenteils.

Die Erfindung ist nahezu bei allen Maschinen und Aggregaten einsetzbar, bei denen Schall- und Vibrationsprobleme auftreten, bevorzugt bei den eingangs genannten Getrieben, beispielsweise stufenlos verstellbaren Getrieben in der Fahrzeugtechnik, und beispielsweise in Werkzeugmaschinen sowie Textilmaschinen. Des Weiteren ist die Erfindung einsetzbar zur Reduzierung von radialen und axialen Vibrationen und in Anwendungen, in denen unter Last nur eine geringe radiale Verschiebung erlaubt ist, sowie in Anwendungen, in denen Axialkräfte über die radiale Pressung in der Verbindung Lagerring/Lagersitz übertragen werden und nicht über eine zusätzliche axiale Anlage. Ferner ist sie einsetzbar in Anwendungen, in denen wenig Bauraum zur Verfügung steht.

Der Schallübergang zwischen den verschiedenen Schichten, nämlich dem Lagering und dem Maschinenteil einerseits und der Schicht härterer Partikel andererseits, wird durch den Wechsel von akustischen Impedanzen verringert. Bekanntermaßen wird etwa im Gebäudebaubereich zwischen schallharten metallischen Schichten, wie Stahl- und Aluminiumbauteilen, eine Schicht, wie z.B. ein Elastomer eingefügt. Dadurch wird ein Impedanzsprung erzielt. Die Nutzung einer harten Schicht aus Partikeln ist im maschinebautechnischen Bereich nicht bekannt und daher neu. Eine zusätzliche Änderung der akustischen Impedanz wird durch die Querschnittswechsel zwischen den Flächen des Lagerringes und Lagersitzes sowie den kleinen Querschnitten der Partikel erreicht, denn diese sind von der Theorie her als kleine Körperschallbrücken zu betrachten.

Die Unteransprüche beschreiben bevorzugte Weiterbildungen oder Ausgestaltungen der Erfindung.

Demnach ist vorgesehen, dass die Partikel eine unterschiedliche Größe aufweisen, beispielsweise von nicht mehr als 20 μm. Des Weiteren sind die Partikel weniger elastisch als die Materialien des angrenzenden Lageringes und des Maschinenteils, um eine Änderung der akustischen Impedanz zu bewirken. Bevorzugt werden die Partikel aus einer Gruppe der Hartstoffe ausgewählt. Beispielsweise bestehen die Partikel aus mineralischen Werkstoffen, wie Carbide, Nitride oder Boride.

Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind die Zwischenräume zwischen den Partikeln mit einer relativ weichen Materialschicht ausgefüllt, die als Trägermedium für die Partikel dient.

Ferner kann in Abhängigkeit von der Größe der Partikel die zwischen den Partikeln eingebrachte Materialschicht ein- oder mehrlagig ausgebildet sein. Vorzugsweise besteht die zwischen den Partikeln eingebrachte Materialschicht aus einer Folie organischen Materials, beispielsweise aus Lackrohstoffen oder Dispersionen, oder einem Metallband mit ausreichender Eigenfestigkeit, wobei die Partikel mittels einer Bindephase auf dem Metallband fixiert werden. Besonders Federstahl erfüllt die Anforderungen nach Beschichtbarkeit, Ebenheit, Planparallelität, Flexibilität und Elastizität hinreichend.

Die zwischen den Partikeln eingebrachte Materialschicht weist eine kleinere Dicke auf als die darin gelagerten Partikel. Des Weiteren sind die Partikel in der Materialschicht unregelmäßig verteilt oder gezielt angeordnet. Darüber hinaus weisen die Partikel in der Materialschicht eine unregelmäßige Geometrie auf, welches die Impedanzwirkung weiter erhöht.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Lageranordnung sind die Partikel bei Anwendungen mit geringer Last oder geringer Steifigkeit der Lagerstelle derart in der Materialschicht verteilt sind, dass in der Lastzone nur wenige oder keine Partikel vorhanden sind. Dadurch wird die Wirkung der Geräuschminderung weiter verbessert, indem die Stellen der Körperschallbrü cken von der Stelle der besten Schallleitung in der Lastzone getrennt werden.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der beiliegenden Zeichnungen verschiedener Ausführungsformen näher erläutert. Darin zeigt
1 eine Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Lageranordnung, nämlich eines Radial-Wälzlagers mit drehbarer Welle,
2 eine Schnittansicht einer Lageranordnung, nämlich eines Gleitlagers mit drehbarer Welle,
3 eine vergrößerte Ansicht des Abschnittes Z der Lageranordnung gemäß 1,
4 eine Querschnittsansicht einer Partikelschicht für eine Lageranordnung in einer ersten Ausführungsform, und
5 eine Querschnittsansicht einer Partikelschicht für eine Lageranordnung in einer zweiten Ausführungsform.
Detaillierte Beschreibung der Zeichnungen
Die in 1 und 3 gezeigte Lageranordnung 1 eines Radial-Wälzlagers weist einen Außenring 2 und einen Innenring 3 auf, zwischen denen in einem Käfig 4 geführte Wälzkörper 5 angeordnet sind. In der Lageranordnung 1 wird eine Welle 6 eines nicht gezeigten Maschinenteils drehbar gelagert. Zwischen dem Innenring 3 des Wälzlagers und der Welle 6 ist eine Materialschicht 7 aus über den Lagersitz 8 zufällig verteilter harter Partikel 9 definierter Größe oder Größenverteilung ausgebildet, die in eine einlagige relativ weiche Folie 10 eingebracht sind. Wie aus 4 ersichtlich ist, weist diese Folie 10 eine kleinere Dicke auf als die darin gelagerten Partikel 9, die unterschiedlich große Durchmesser besitzen.
In den 1 und 2 ist die aus den Partikeln 9 und der Folie 10 bestehende Materialschicht 7 der Übersicht wegen vereinfacht als ein Teil dargestellt. Hingegen zeigt 3 einen vergrößerten Ausschnitt Z gemäß 1, in welchem die Materialschicht 7 detaillierter dargestellt ist. Dennoch muss betont werden, dass die die Partikel 9 und die Folie 10 enthaltende Materialschicht 7 in der Praxis weitaus kleinere Abmessungen besitzt, da die Korngröße der Partikel in der Regel 20 μm nicht übersteigt. Entsprechend dünn ist die umgebende Folie 10 ausgebildet.
Die als Gleitlager ausgebildete Lageranordnung 1 gemäß 2 weist einen Gleitlagerring 11 auf, in dem eine drehbare Welle 6 gelagert ist. Zwischen dem Gleitlagerring 11 und der Welle 6 ist die in 5 gezeigte Materialschicht 7 eingebracht. Diese ist, in Abänderung der Materialschicht nach 4, zweilagig ausgebildet, wobei die Partikel 9 unterschiedlicher Größe unterschiedlich auf der Folie 10 verteilt angeordnet sind.

1: Lageranordnung
2: Außenring
3: Innenring
4: Käfig
5: Wälzkörper
6: Welle
7: Materialschicht
8: Lagersitz
9: Partikel
10: Folie
11: Gleitlagerring

Claims

Lageranordnung, insbesondere für Wälzlager und Gleitlager, zur Lagerung von drehbaren Maschinenteilen (6) mit geräusch- und schwingungsdämmender Wirkung, aufweisend mindestens einen Lagerring (2, 3, 11) und einen Lagersitz zwischen Lagering (2, 3, 11) und Maschinenteil (6), dadurch gekennzeichnet, dass zwischen mindestens einem Lagering (2, 3, 11) und dem Maschinenteil (6) eine Schicht (7) aus über den Lagersitz (8) verteilter harter Partikel (9) definierter Größe ausgebildet ist, wobei die Härte der Partikel (9) die Härte der Materialien des angrenzenden Lageringes (2, 3, 11) und des Maschinenteils (6) übersteigt.
Lageranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel (9) unterschiedliche Größen aufweisen.
Lageranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel (9) eine maximale Größe von 20 μm aufweisen.
Lageranordnung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel (9) weniger elastisch sind als die Materialien des angrenzenden Lageringes (2, 3, 11) und des Maschinenteils (6).
Lageranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel (9) aus einer Gruppe der Hartstoffe, wie beispielsweise wie Carbide, Nitride oder Boride ausgewählt sind.
Lageranordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenräume zwischen den Partikeln (9) mit einer vergleichsweise weichen Materialschicht (7) ausgefüllt sind.
Lageranordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die zwischen den Partikeln (9) eingebrachte Materialschicht (7) ein- oder mehrlagig ausgebildet ist.
Lageranordnung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die zwischen den Partikeln (9) eingebrachte Materialschicht (7) vorzugsweise aus einer Folie (10) oder einem Metallband besteht.
Lageranordnung nach wenigstens einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die zwischen den Partikeln (9) eingebrachte Materialschicht (7) eine kleinere Dicke aufweist als die darin gelagerten Partikel (9).
Lageranordnung nach wenigstens einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel (9) in der Materialschicht (7) unregelmäßig oder gezielt verteilt sind.
Lageranordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel (9) in der Materialschicht (7) eine unregelmäßige Geometrie aufweisen.
Lageranordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel (9) bei Anwendungen mit geringer Last oder geringer Steifigkeit der Lagerstelle derart in der Materialschicht (7) verteilt sind, dass in der Lastzone nur wenige oder keine Partikel (9) vorhanden sind.