DE102006014108A1 - Wälzlager - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Wälzlager (1), mit einem Außenring (2), einem Innenring (3) und zwischen diesen angeordneten Wälzkörpern (4), wobei die Wälzkörper (4) von einem Käfig (5) auf Abstand gehalten werden, wobei der Käfig (5) mindestens eine radial innenliegende oder radial außenliegende Fläche (6, 7) aufweist, deren Radius (r) sich beim Fortschreiten in Achsrichtung (A) auf die Wälzkörper (4) zu zumindest abschnittsweise vergrößert. Um das Wälzlager für sehr hohe Drehzahlen optimal tauglich zu machen, sieht die Erfindung vor, dass der Käfig (5) mit seiner radial innenliegenden (6) oder radial außenliegenden (7) Fläche so ausgebildet und angeordnet ist, dass er zusammen mit dem Innenring (3) oder Außenring (2) einen beim Fortschreiten in Achsrichtung (A) auf die Wälzkörper (4) zu sich verkleinernden Spalt (8) bildet, wobei der Abstand (a) an der engsten Stelle (9) zwischen Käfig (5) und Innenring (3) oder Außenring (3) zwischen 0 mm und 2 mm beträgt.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Wälzlager, mit einem Außenring, einem Innenring und zwischen diesen angeordneten Wälzkörpern, wobei die Wälzkörper von einem Käfig auf Abstand gehalten werden, wobei der Käfig mindestens eine radial innenliegende oder radial außenliegende Fläche aufweist, deren Radius sich beim Fortschreiten in Achsrichtung auf die Wälzkörper zu zumindest abschnittsweise vergrößert.
• Ein Wälzlager dieser Art ist aus der JP 2001 099 161 A bekannt. Dort wird das Problem erkannt, dass eine spezielle strukturelle Ausbildung des Lagers nötig ist, um es insbesondere für den Einsatz bei hohen und höchsten Drehzahlen tauglich zu machen. In dem genannten Dokument wird daher ein Käfig vorgesehen, dessen radial innenliegende Fläche konisch ausgebildet ist, wobei sich der radiale Abstand der inneren radialen Oberfläche zur Lagermitte zu vergrößert. Hierdurch kann die Zuleitung von Schmierstoff in den Bereich zwischen Wälzkörper und Laufbahnen verbessert werden, so dass das Lager auch für den Einsatz bei hohen Drehzahlen tauglich ist.
• Eine ähnliche Ausgestaltung zeigt auch die RU 706 595 . Auch hier ist der Käfig an seiner radial innenliegenden Seite konisch ausgebildet, so dass der genannte verbesserte Fördereffekt für das Schmiermittel erreicht werden kann.
• Es hat sich herausgestellt, dass die mit diesen Lösungen erreichbare Gebrauchsdauer des Lagers beim Einsatz von höchsten Drehzahlen immer noch nicht ausreicht. Dies gilt insbesondere bei der Anwendung in Spindeln, die teilweise mit sehr hoher Drehzahl rotieren müssen und auch vorgespannt sind. Als charakteristische Größe für die Drehzahl wird bei Lagern zumeist das Produkt aus Drehzahl und mittlerem Lagerdurchmesser (n × dm) herangezogen. Bei Drehzahlen von mehr als 1,5 Mio. n × dm bilden die Wälzkörper quasi eine Wand, die für das Schmiermittel nur schwer durchdringbar ist. Dies gilt auch dann, wenn – wie bei hohen Drehzahlen zumeist üblich – Ölnebel zur Schmierung eingesetzt wird.
• Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, ein Wälzlager der eingangs genannten Art so fortzubilden, dass es noch besser für den Einsatz bei hohen Drehzahlen geeignet ist. Das Lager soll insbesondere zur Lagerungen von Spindeln tauglich sein, die mit hoher Drehzahl rotieren, dennoch aber exakt gelagert werden müssen.
• Die Lösung dieser Aufgabe durch die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Käfig mit seiner radial innenliegenden oder radial außenliegenden Fläche so ausgebildet und angeordnet ist, dass er zusammen mit dem Innenring oder Außenring einen beim Fortschreiten in Achsrichtung auf die Wälzkörper zu sich verkleinernden Spalt bildet, wobei der Abstand an der engsten Stelle zwischen Käfig und Innenring oder Außenring zwischen 0 mm und 2 mm beträgt. Bevorzugt betragt der Abstand an der engsten Stelle zwischen Käfig und Innenring oder Außenring zwischen 0 mm und 0,8 mm.
• Der Spalt zwischen der Fläche und dem Lagerring kann sich hinter der engsten Stelle beim Fortschreiten in Achsrichtung auf die Wälzkörper zu wieder vergrößern. Hierdurch wird in besonders bevorzugter Weise eine düsenspaltartige Struktur erzeugt, die die Förderung von Schmierstoff ins Lagerinnere begünstigt.
• Die radial innenliegende oder radial außenliegende Fläche ist bevorzugt zumindest abschnittsweise kegelförmig ausgebildet. Der Kegelwinkel der radial innenliegenden Fläche liegt dabei zumeist zwischen 1 ° und 20°, wobei besonders bevorzugt ein Wertebereich zwischen 7° und 13° vorgesehen ist.
• Der Innenring weist mit Vorteil zumindest in einem Seitenbereich im Radialschnitt einen S-förmigen Verlauf im radial außenliegenden Bereich auf.
• Eine besondere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der Käfig bezüglich einer Mittenebene des Wälzlagers unsymmetrisch ausgebildet ist. Wie noch zu sehen sein wird, kann sich dadurch eine besonders einfache Möglichkeit beim Zusammenbau des Lagers ergeben. Der Käfig kann dabei auf einer der beiden Seiten der Mittenebene eine in Achsrichtung verlaufende radial innenliegende Fläche aufweisen, die einem in Achsrichtung verlaufenden Abschnitt des Innenrings in einem Abstand gegenüberliegt. Dieser Abstand liegt bevorzugt zwischen 0 mm und 2 mm, besonders bevorzugt zwischen 0 und 0,8 mm.
• Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die axiale Erstreckung des Käfigs größer ist als die axiale Erstreckung des Außenrings und/oder Innenrings. Auch hierdurch wird der Effekt der Schmiermittelförderung ins Lagerinnere verbessert. Der axiale Überstand des Käfigs über den Außenring und/oder Innenring liegt dabei bevorzugt zwischen 3 % und 25 % der axialen Breite der Wälzkörper.
• Die Erfindung kommt besonders bevorzugt bei Zylinderrollenlager zum Einsatz, wenngleich sie sich auch durchaus für andere Lagertypen eignet.
• Der Käfig kann am Außenring, am Innenring, oder an den Wälzkörpern geführt sein.
• Bevorzugt besteht der Käfig aus Kunststoff.
• In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Es zeigen:
• 1 den Radialschnitt durch ein Zylinderrollenlager gemäß einer ersten Ausgestaltung der Erfindung,
• 2 den Radialschnitt durch ein Zylinderrollenlager gemäß einer zweiten Ausgestaltung der Erfindung und
• 3 den linken unteren Bereich von 1 in vergrößerter Darstellung.
• In 1 ist ein Wälzlager 1 in Form eines Zylinderrollenlagers zu sehen, das in üblicher Weise einen Außenring 2, einen Innenring 3 und zwischen Außenring und Innenring angeordnete Wälzkörper 4 in Form von Zylinderrollen aufweist. Ein Käfig 5 sorgt für die Halterung und Führung der Wälzkörper 4.
• Der Käfig 5 ist vorliegend nicht symmetrisch ausgebildet, d. h. er weist bezüglich einer Mittenebene 11 des Lagers 1 eine Unsymmetrie auf. Im linken Bereich ist der Käfig 5 mit zwei kegelförmig ausgebildeten Flächen versehen, nämlich mit einer radial innenliegenden Fläche 6 und einer radial außenliegenden Fläche 7. Der Kegelwinkel α der radial innenliegenden Fläche 6 liegt dabei etwa bei 10°, wobei Werte zwischen 1 ° und 20° bevorzugt sind. Der Kegelwinkel β der radial außenliegenden Fläche 7 ist größer und liegt im Ausführungsbeispiel bei ca. 30°, wobei Werte zwischen 20° und 50° bevorzugt sind.
• Der Innenring 3 hat im Radialschnitt den dargestellten S-förmigen Verlauf, der am besten aus 3 hervorgeht. Von der Stirnseite 13, an der eine kleine Fase 14 angebracht ist, steigt der Radius des Innenrings in Achsrichtung A auf die Wälzkörper 4 zu zunächst stark an, erreicht dann einen Wendepunkt 15 und läuft dann weiter in Richtung auf die Wälzkörper 4 zu flacher aus. Im Endbereich 16 läuft das Profil in eine tangentiale Richtung 17 aus, die der Achsrichtung A entspricht.
• Im Zusammenwirken mit der radial innenliegenden Fläche 6 des Käfigs 5 ergibt sich damit folgendes: Der Spalt 8, der zwischen dem Innenring 3 und dem Käfig 5 verbleibt, nimmt in Achsrichtung A auf die Wälzkörper 4 hin (also zur Lagermitte hin) von der Stirnseite 13 aus allmählich ab, bis er an der engsten Stelle 9 einen minimalen Wert, nämlich den Abstand a, erreicht. Weil die radial innenliegende Fläche 6 weiter konisch verläuft, der Innenring 3 jedoch im Endbereich 16 in Achsrichtung A ausläuft (tangentiale Richtung 17), steigt der Abstand zwischen Innenring 3 und Käfig 5 hinter der engsten Stelle 9 wieder an, d. h. der Spalt 10 weist eine radiale Erstreckung auf, die größer ist als die engste Stelle 9.
• Der Abstand a an der engsten Stelle 9 ist dabei sehr klein, wobei die Werte zwischen 0 mm und 2 mm liegen können. Bevorzugt ist ein Wertebereich zwischen 0 mm und 0,8 mm. Die genannten Werte sind vor dem Hintergrund dessen zu verstehen, dass sich für den aus Kunststoff bestehenden Käfig stets gewisse und nicht unerhebliche Formabweichungen ergeben, so dass auch bei einem Abstand a von 0 mm im Betrieb stets eine gewisse Toleranz gegeben ist, die einen Abstand von ungleich Null zur Folge hat. Darüber hinaus öffnet sich auch der Spalt an der engsten Stelle 9, wenn es – was im Betrieb unvermeidlich ist – zu Bewegungen des Käfigs 5 in Achsrichtung A kommt. Damit liegt auch bei einer Auslegung des Abstands a auf 0 mm im Betrieb eine gewisse Öffnung der engsten Stelle 9 vor, so dass hierdurch Schmierstoff ins Lagerinnere gelangen kann.
• Die gewählte Größe des Abstands – zwischen 0 mm und 2 mm – führt also dazu, dass der Käfig 5 gegebenenfalls auf dem Innenring 3 mit Linienberührung anläuft und der Käfig 5 hierdurch auf dem Innenring 3 geführt wird. Im Normalbetrieb und insbesondere bei hohen Drehzahlen liegt indes ein kleiner Abstand a bis zu 2 mm vor, so dass der Käfig 5 nicht am Innenring 3 reibt. Hierfür ist konstruktionsgemäß der Abstand a im Bereich der engsten Stelle 9 zumeist zwischen 0,1 bis 0,5 mm ausgelegt. Zur Anlage des Käfigs 5 mit Linienberührung am Innenring 3 kommt es lediglich dann, wenn z. B. eine axiale Verschiebung des Käfigs 5 relativ zum Innenring 3 stattfindet.
• Durch die Ausbildung des Innenrings 3 und des Käfigs 5 wird erreicht, dass die engste Stelle 9 sowie die beiderseits angeordneten Spalte 8 und 10 eine Art Düsenquerschnitt bilden, der im Zusammenwirken mit hohen Drehzahlen dafür sorgt, dass Schmiermittel ins Lagerinnere gelangt. Das von der Stirnseite her zur Verfügung gestellte Schmiermittel – meist in Form eines Ölnebels – wird durch den kegelförmigen Verlauf der radial innenliegenden Fläche 6 infolge der Zentrifugalkraft in Richtung Wälzkörper 4 in Achsrichtung A gefördert. Die S-förmige Ausbildung des Innenrings 3 im Zusammenwirken mit der kegelförmigen radial innenliegenden Fläche 6 sorgt dafür, dass das Schmiermittel über die engste Stelle 9 ins Lagerinnere gelangt.
• Wie in 1 weiter gesehen werden kann, ist nur der linke Teil des Käfigs 5, d. h. links der Mittenebene 11 wie erläutert ausgebildet. Der rechte Teil des Käfigs 5 weist indes eine radial innenliegende Fläche 6' auf, die in Achsrichtung A verläuft. Diese Fläche 6' liegt mit kleinem Abstand b, der ebenfalls bevorzugt zwischen 0 mm und 2 mm beträgt, dem Abschnitt 12 des Innenrings 3 gegenüber, der ebenfalls in Achsrichtung A verläuft.
• Durch die Asymmetrie des Käfigs 5 kann gegebenenfalls eine Erhöhung des Pumpeffekts des Schmiermittels erzielt werden. Darüber hinaus erleichtert die in Achsrichtung A verlaufende radial innenliegende Fläche 6' den Zusammenbau des Lagers 1. Es ist namentlich beim Einschieben des Käfigs 5 von der linken Seite aus in den Raum zwischen Außenring und Innenring kein Hinterschnitt zu überwinden. Allerdings ist es auch möglich, im Falle dessen, dass eine symmetrische Ausbildung des Käfigs 5 ins Auge gefasst wird, Hinterschnitte dadurch zu überwinden, dass die zusammenzubauenden Teile erwärmt bzw. abgekühlt werden, um für den Zusammenbau erforderliche Abmessungen zu erreichen.
• Weiterhin ist sehen, dass der Käfig 5 axial beidseitig über die Erstreckung der Lageringe 2, 3 hinaus reicht. Der Überstand ist mit dem Abstand c angegeben. Dieser Überstand c kann einige Prozent der axialen Breite B der Wälzkörper 4 betragen. Hierdurch wird die das Schmiermittel auffangende Fläche, d. h. die radial innenliegende Fläche 6, vergrößert.
• Die Lösung gemäß 2 zeigt eine Ausgestaltung, bei der der Käfig 5 bezüglich der Mittenebene 11 symmetrisch ausgeführt ist. Hier ist allerdings der sich in Achsrichtung auf die Wälzkörper 4 zu verjüngende Spalt 8 zwischen der radial außenliegenden Fläche 7 und dem Außenring 2 vorgesehen. Analog ergibt sich auch hier eine engste Stelle 9, in der der Käfig 5 vom Außenring 3 nur noch um einen kleinen Betrag a beabstandet ist.
• Im bevorzugten Anwendungsfall der schnell rotierenden Spindel ermöglicht es das Erfindungskonzept, dass eine vorgespannte Lagerung möglich ist und dass eine optimale Schmierung sichergestellt ist. Dabei sind n × dm – Werte von über 2,5 Mio. problemlos zu erreichen.

1

Wälzlager

2

Außenring

3

Innenring

4

Wälzkörper

5

Käfig

6

radial innenliegende Fläche

6'

radial innenliegende Fläche

7

radial außenliegende Fläche

8

Spalt

9

engste Stelle

10

Spalt

11

Mittenebene

12

Abschnitt

13

Stirnseite

14

Fase

15

Wendepunkt

16

Endbereich

17

tangentiale Richtung

A

Achsrichtung

r

Radius

α

Winkel

β

Winkel

a

Abstand

b

Abstand

c

axialer Überstand

B

axiale Breite der Wälzkörper

Claims (17)

1. Wälzlager (1), mit einem Außenring (2), einem Innenring (3) und zwischen diesen angeordneten Wälzkörpern (4), wobei die Wälzkörper (4) von einem Käfig (5) auf Abstand gehalten werden, wobei der Käfig (5) mindestens eine radial innenliegende oder radial außenliegende Fläche (6, 7) aufweist, deren Radius (r) sich beim Fortschreiten in Achsrichtung (A) auf die Wälzkörper (4) zu zumindest abschnittsweise vergrößert, dadurch gekennzeichnet, dass der Käfig (5) mit seiner radial innenliegenden (6) oder radial außenliegenden (7) Fläche so ausgebildet und angeordnet ist, dass er zusammen mit dem Innenring (3) oder Außenring (2) einen beim Fortschreiten in Achsrichtung (A) auf die Wälzkörper (4) zu sich verkleinernden Spalt (8) bildet, wobei der Abstand (a) an der engsten Stelle (9) zwischen Käfig (5) und Innenring (3) oder Außenring (3) zwischen 0 mm und 2 mm beträgt.
2. Wälzlager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand (a) an der engsten Stelle (9) zwischen Käfig (5) und Innenring (3) oder Außenring (3) zwischen 0 mm und 0,8 mm beträgt.
3. Wälzlager nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Spalt (10) zwischen der Fläche (6, 7) und dem Lagerring (2, 3) hinter der engsten Stelle (9) beim Fortschreiten in Achsrichtung (A) auf die Wälzkörper (4) zu wieder vergrößert.
4. Wälzlager nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die radial innenliegende oder radial außenliegende Fläche (6, 7) zumindest abschnittsweise kegelförmig ausgebildet ist.
5. Wälzlager nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Kegelwinkel (α) der radial innenliegenden Fläche (6) zwischen 1 ° und 20° liegt.
6. Wälzlager nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Kegelwinkel (α) der radial innenliegenden Fläche (6) zwischen 7° und 13 ° liegt.
7. Wälzlager nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenring (3) zumindest in einem Seitenbereich im Radialschnitt einen S-förmigen Verlauf im radial außenliegenden Bereich aufweist.
8. Wälzlager nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Käfig (5) bezüglich einer Mittenebene (11) des Wälzlagers (1) unsymmetrisch ausgebildet ist.
9. Wälzlager nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Käfig (5) auf einer der beiden Seiten der Mittenebene (11) eine in Achsrichtung verlaufende radial innenliegende Fläche (6') aufweist, die einem in Achsrichtung verlaufenden Abschnitt (12) des Innenrings (3) in einem Abstand (b) gegenüberliegt.
10. Wälzlager nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand (b) zwischen 0 mm und 2 mm, vorzugsweise zwischen 0 und 0,8 mm, beträgt.
11. Wälzlager nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die axiale Erstreckung des Käfigs (5) größer ist als die axiale Erstreckung des Außenrings (2) und/oder Innenrings (3).
12. Wälzlager nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der axiale Überstand (c) des Käfigs (5) über den Außenring (2) und/oder Innenring (3) zwischen 3 % und 25 % der axialen Breite (B) der Wälzkörper (4) beträgt.
13. Wälzlager nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass es ein Zylinderrollenlager ist.
14. Wälzlager nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Käfig (5) am Außenring (2) geführt ist.
15. Wälzlager nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Käfig (5) am Innenring (3) geführt ist.
16. Wälzlager nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Käfig (5) an den Wälzkörpern (4) geführt ist.
17. Wälzlager nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Käfig (5) aus Kunststoff besteht.