DE102008044907A1

DE102008044907A1 - Profilierung von Führungsflächen bei Wälzlagern mit bordgeführtem Käfig

Info

Publication number: DE102008044907A1
Application number: DE102008044907A
Authority: DE
Inventors: Khosrow Sultani
Original assignee: Schaeffler KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2008-08-29
Filing date: 2008-08-29
Publication date: 2010-03-04
Also published as: WO2010022708A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Wälzlager, umfassend einen Außenring (5a), einen Innenring (5b) sowie einen bordgeführten Käfig (6), wobei der Käfig (6) eine erste zylindrische und zu einer Lagerachse (X) konzentrisch angeordnete Führungsfläche (8a) aufweist, über die der Käfig (6) durch eine zweite zylindrische und zu der Lagerachse (X) konzentrisch angeordnete Führungsfläche (8b), die an einem Bord (9a, 9b) einer der beiden Ringe (5a, 5b) ausgebildet ist, an diesem Ring (5a, 5b) radial geführt wird. Um ein derartiges Wälzlager bereitzustellen, das eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserte Schmierung ermöglicht und gleichzeitig einen einfachen und kostengünstigen Aufbau aufweist, wird vorgeschlagen, dass diejenige Führungsfläche (8a, 8b) der ersten und der zweiten Führungsfläche (8a, 8b), die radial außen liegt, eine Profilierung aufweist.

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Wälzlager, umfassend einen Außenring, einen Innenring sowie einen bordgeführten Käfig, wobei der Käfig eine erste zylindrische und zu einer Lagerachse konzentrisch angeordnete Führungsfläche aufweist über die der Käfig durch eine zweite zylindrische und zu der Lagerachse konzentrisch angeordnete Führungsfläche, die an einem Bord einer der beiden Ringe ausgebildet ist, an diesem Ring radial geführt wird.
Hintergrund
Im Gegensatz zu wälzkörpergeführten Käfigen werden bordgeführte Käfige an einem Lagerring der Wälzlagers radial geführt. Hierfür weist sowohl der Käfig als auch der entsprechende Lagerring jeweils mindestens eine Füh rungsfläche auf. Bei einem außenbordgeführten Käfig befindet sich hierfür zumindest an einem Bord des Außenrings eine entsprechende Führungsfläche. Bei einem innenbordgeführten Käfig befindet sich hierfür zumindest an einem Bord des Innenrings eine entsprechende Führungsfläche.
Die Führungsflächen an dem Käfig und an dem entsprechenden Lagerring sind dabei konzentrisch bezüglich der Lagerachse angeordnet. Zwischen den Führungsflächen von Käfig und Lagerring bildet sich ein ringförmiger Spalt. Dieser Spalt muss in seiner radialen Erstreckung derart bemessen sein, dass zu jedem Betriebszeitpunkt eine ausreichende radiale Führung des Käfigs ermöglicht wird, insbesondere darf dieser Spalt nicht zu groß gewählt werden.
Aufgrund dieses relativ kleinen Spaltes können jedoch Probleme bezüglich der Schmierung zwischen Käfig und dem, den Käfig führenden Lagerring auftreten, insbesondere an den Führungsflächen. Bei eingebauten Wälzlagern mit wälzkörpergeführten Käfigen, wie exemplarisch in 1 dargestellt, ist der Raum zwischen Wälzlager 1 und Anschlusskonstruktion 2, z. B. Deckel oder Dichtung, mit Schmiermittel gefüllt. Hierdurch wird das Schmiermitteldepot 3 ausgebildet. Es wird somit ein kontinuierlicher Austausch von Schmiermittel zwischen Schmiermitteldepot 3 und Laufbahn 4a, 4b ermöglicht. Bei einem bordgeführten Käfig hingegen kann nun jedoch aufgrund des geringen radialen Abstandes zwischen den Führungsflächen von Käfig und Lagerring ein Austausch des Schmiermittels zwischen dem Schmiermitteldepot und der Laufbahn nur schwer stattfinden. Der Austritt von Schmiermittel aus der Laufbahn beziehungsweise der Eintritt von Schmiermittel in die Laufbahn wird erschwert, d. h. es tritt ein Schmiermittelstau auf, und unter Umständen wird eine ausreichende Schmierung nicht mehr sichergestellt. Weiterhin ist die Schmierung des Kontakts zwischen Käfig und Lagerring unzureichend. Diese Mangelschmierung führt zu Verschleiß, vor allem im Kontakt zwischen Käfig und Lagerring, d. h. in den Führungsflächen. Letztendlich führt dies zu einem frühzeitigen Ausfall der Wälzlagers.
Aus der DE 10 2005 008 668 A1 ist ein Wälzlagerkäfig bekannt, der eine bessere Schmierung des Wälzlagers dadurch erreichen soll, dass Schmiertaschen, die in seiner Mantelfläche angeordnet sind, lagezugeordnete und kanalförmige Schmiernuten aufweisen. Nachteilig ist jedoch, neben der relativ komplexen Form der Käfigs, die über den Umfang ungleichmäßig stattfindende Schmierung.
Aufgabe der Erfindung
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Wälzlager der Eingangs genannten Art bereitzustellen, dass eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserte Schmierung ermöglicht und gleichzeitig einen einfachen und kostengünstigen Aufbau aufweist.
Zusammenfassung der Erfindung
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs gelöst.
Demzufolge wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass diejenige Führungsfläche der ersten und der zweiten Führungsfläche, die radial außen liegt, eine Profilierung aufweist.
Die Erfindung beruht dabei auf der Erkenntnis, dass bereits durch diese relativ einfache, konstruktive Maßnahme eine deutliche Verbesserung der Schmierwirkung erzielt werden kann. So bildet die erfindungsgemäße Profilierung einerseits ein zusätzliches Schmiermitteldepot aus. Da dieses zusätzliche Schmiermitteldepot axial im Bereich den beiden konzentrisch angeordneten Führungsflächen auf dem Käfig und auf dem Lagerring ausgebildet ist, wird bereits hierdurch eine deutliche Verbesserung der Schmierung des Wälzlagers erreicht. So befindet sich das zusätzliche Schmiermitteldepot genau an der Stelle, die gemäß dem Stand der Technik aufgrund der bisherigen Mangelschmierung eine Schwachstelle darstellte.
Die erfindungsgemäße Profilierung ermöglicht es andererseits auch, dass dadurch der Schmiermitteltransport zwischen Schmiermitteldepot und Laufbahn verbessert werden kann. So wird bereits grundsätzlich das sich in der Profilierung befindliche Schmiermittel einen Austausch des Schmiermittels zwischen Schmiermitteldepot und Laufbahn verbessern. Durch eine entsprechende Wahl der Profilierung, z. B. Kanäle, Nuten, Einkerbungen, etc. die das Schmiermitteldepot und die Laufbahn verbinden, kann dieser Aspekt der Erfindung noch deutlich verbessert werden.
Erfindungsgemäß soll die Profilierung jeweils an der radial außen liegenden Führungsfläche ausgebildet sein. Aufgrund der durch die relative Rotation vom Innenring, Außenring und Käfig erzeugten Zentrifugalkraft auf das Schmiermittel wird das Schmiermittel radial nach außen gefördert. Indem nun die Profilierung in der jeweils radial äußeren Führungsfläche ausgebildet ist, wird das Schmiermittel in diese Profilierung gedrückt. Die durch die Profilierung erzielten Vorteile zeigen somit eine höhere Wirkung, als wenn die Profilierung in der radial inneren Führungsfläche ausgebildet wäre. Auch wenn erfindungsgemäß keine Profilierung der radial inneren Führungsfläche vorgesehen ist, ist es jedoch grundsätzlich denkbar, dennoch auch an dieser Führungsfläche eine Profilierung vorzusehen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist der Käfig eine dritte zylindrische und zu der Lagerachse konzentrisch angeordnete Führungsfläche auf, über die der Käfig durch eine vierte zylindrische und zu der Lagerachse konzentrisch angeordnete Führungsfläche, die an einem Bord einer der beiden Ringe ausgebildet ist, an diesem Ring radial geführt wird, wobei diejenige Führungsfläche der dritten und der vierten Führungsfläche, die radial außen liegt, eine Profilierung aufweist. Insbesondere können die zweite und die vierte Führungsfläche auf unterschiedlichen Borden des gleichen Lagerringes angeordnet werden, d. h. die zweite Führungsfläche ist auf einem ersten Bord und die vierte Führungsfläche auf einem zweiten Bord eines gemeinsamen Lageringes angeordnet.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist der Käfig außenbordgeführt und die Führungsfläche, die jeweils radial außen liegt, ist auf mindestens einem Bord des Außenrings ausgebildet. Denkbar ist selbstverständlich auch, den Käfig innenbordgeführt auszuführen, wobei in diesem Fall die radial äußere Führungsfläche Teil des Käfigs ist und somit der Käfig entsprechend profiliert ausgebildet werden muss.
Um einen Schmiermittelfördereffekt in axialer Richtung durch das Wälzlager zu erreichen, umfasst gemäß einer bevorzugten Ausführungsform die Profilierung mindestens eine Nut. Wird diese Nut nun unter einem von 90 Grad verschiedenen Winkel zur Lagerachse angeordnet, so wirkt im Betrieb des Wälzlagers eine Kraftkomponente entlang der Erstreckung der Nut auf das sich in der Nut befindliche Schmiermittel, bedingt durch den Kontakt des Schmiermittels mit der radial inneren Führungsfläche sowie der Relativbewegung zwischen der radial äußeren und radial inneren Führungsfläche. Diese Kraftkomponente erzeugt einen Schmiermittelfördereffekt entlang der Erstreckung der Nut. Vorteilhafterweise erstreckt sich diese Nut axial über die gesamte Ausdehnung der ersten und/oder zweiten bzw. dritten und/oder vierten Führungsfläche, wodurch eine optimale Benetzung dieser Führungsfläche mit Schmiermittel ermöglicht wird.
Zwar ist grundsätzlich bereits eine Nut ausreichend, im Rahmen der Erfindung sind aber auch mehrere parallel oder winklig zueinander verlaufende Nuten mit gleichem oder unterschiedlichem Querschnittsprofil denkbar. Möglich sind auch Kombinationen der mindestens einen Nut mit anderen Profilierungsarten, z. B. kreisförmigen Vertiefungen, die als Schmiermittelreservoir dienen können.
Gemäß einer Ausführungsform verläuft die Nut spiralförmig über die zylindrische Führungsfläche. Dabei kann der Steigungswinkel der spiralförmig verlaufenden Nut über deren gesamte Länge konstant sein oder aber variieren. Denkbar ist, dass der Steigungswinkel der mindestens einen Nut bezogen auf die axiale Erstreckung der Führungsfläche derart gewählt wird, dass die mindestens eine Nut im Wesentlichen eine einzige Windung aufweist. D. h. die mindestens eine Nut läuft in axialer Richtung komplett über die Führungsfläche und umschließt dabei einen Winkel von 360 Grad. Dabei können mehrere Nuten versetzt zueinander mit gleichem oder unterschiedlichem Steigungswinkel angeordnet werden. Vorzugsweise hegt der Steigungswinkel der mindestens einen Nut in einem Bereich von 0 Grad bis 5 Grad, insbesondere in einem Bereich von 0 Winkelminuten bis 5 Winkelminuten, weiter insbesondere in einem Bereich von 0 Winkelsekunden bis 5 Winkelsekunden. Falls die mindestens eine Nut auf zwei Führungsflächen des Käfigs bzw. eines Lagerrings ausgebildet werden soll, werden vorzugsweise Steigungswinkel mit gleichem Vorzeichen auf beiden Führungsflächen gewählt. Somit ergibt sich ein Schmiermittelfördereffekt, der das Schmiermittel axial durch das Wälzlager fördert.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform liegt bei Raumtemperatur des Wälzlagers das Verhältnis von Nuttiefe zu radialen Abstand zwischen der ersten und zweiten Führungsfläche bzw. Nuttiefe zu radialen Abstand zwischen der dritten und vierten Führungsfläche im Bereich von 1 zu 2 bis 1 zu 1, insbesondere bei einem Wert von 1 zu 1. Letzteres bedeutet, dass die Nuttiefe und der radiale Abstand zwischen der ersten und zweiten Führungsfläche bzw. die Nuttiefe und der radiale Abstand zwischen der dritten und vierten Führungsfläche bei Raumtemperatur gleich groß ist. Bei einem Durchmesser der ersten und zweiten bzw. der dritten und vierten Führungsfläche von etwa jeweils 800 mm kann als Nuttiefe z. B. 0,5 mm gewählt werden, wobei dieser Wert für das Wälzlager bei Raumtemperatur gilt.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Nut ein kreissegmentförmiges, ein rechteckiges, ein u-förmiges oder ein v-förmiges Querschnittsprofil auf. Das Querschnittsprofil ergibt sich im Wesentlichen aus den benutzten Werkzeugen zum Einbringen der Nut. Beim Eindrehen in den Außenring, im Falle eines außenbordgeführten Käfigs, weist die Nut daher z. B. ein kreissegmentförmiges Querschnittsprofil auf.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist das Wälzlager mit Fett geschmiert. Es zeigte sich, dass besonders bei hochviskosem Schmiermittel die Eingangs beschriebene Mangelschmierung im Kontaktbereich von Käfig und Lagerring auftritt. Schließlich ist der Schmiermitteltransport im Vergleich zu niedrigviskosem Schmiermittel, wie z. B. Schmieröl, durch den schmalen Spalt zwischen den Führungsflächen stärker beeinträchtigt. Die Vorteile des erfindungsgemäßen Wälzlagers kommen daher insbesondere bei fettgeschmierten Lagern zum Tragen. Hierbei kann es sich um eine Lebensdauerschmierung handeln. Dabei kann das Wälzlager abgedichtet sein, sodass kein Schmiermittelaustausch nach außen hin erfolgt.
Grundsätzlich ist die Erfindung auf unterschiedliche Wälzlagerarten anwendbar, z. B. bei Kugellagern oder bei Zylinderrollenlagern einsetzbar.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist das Wälzlager in einer Windkraftanlage eingesetzt. Beispielsweise kann das Wälzlager als Hauptlager, Getriebelager oder Generatorlager verwendet werden. Denkbar sind auch Anwendungen in Elektromotorlagerungen bzw. generell in abgedichteten Großwätzlagern.
Kurze Beschreibung der Figuren
Ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird im Folgenden anhand der beigefügten Figuren erläutert. Hierbei zeigen
1 ein Wälzlager mit einer Anschlusskonstruktion gemäß dem Stand der Technik,
2 eine Axialansicht eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Wälzlagers,
3 eine Schnittdarstellung eines Wälzlagers gemäß dem Ausführungsbeispiel nach 2, und
4 eine Detailansicht eines Außenrings des Ausführungsbeispiels nach 2.
Detaillierte Beschreibung der Figuren
2 zeigt eine Axialansicht eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Wälzlagers 1, umfassend Außenring 5a, Innenring 5b, bordgeführten Käfig 6 sowie Wälzkörper 7. Die Wälzkörper 7 werden durch den Käfig 6 umfänglich geführt, also auf Abstand gehalten. Radial wird der Käfig 6 jedoch durch den Außenring 5a geführt, indem der Käfig an beiden Borden des Außenrings anläuft. Hierzu sind entsprechende Führungsflächen am Käfig 6 und am Außenring 5a ausgebildet.
Zwischen den Führungsflächen des Käfigs 6 und den Führungsflächen des Außenrings 5a bildet sich ein Spalt, dessen radiale Erstreckung in 2 mit 'a' gekennzeichnet ist. Das Maß 'a' ist entsprechend klein gewählt, um den Käfig radial zu führen, d. h. zu gewährleisten, dass dieser im Wesentlichen konzentrisch zur aus der Zeichenebene senkrecht hervorstehenden Lagerachse 'X' angeordnet bleibt. Ein zu groß gewähltes Maß für 'a' würde ein radiales Wandern des Käfigs ermöglichen, wodurch die umfängliche Führung der Wälzkörper beeinträchtigt würde.
Eine erste, radial nach außen weisende Führungsfläche 8a ist auf dem einstückigen Käfig 6 ausgebildet. Die erste Führungsfläche 8a ist auf dem rotationssymmetrischen Käfig 6 umlaufend angeordnet und besteht aus einer zylindrischen Fläche. Eine zweite, radial nach innen weisende Führungsfläche 8b ist auf dem einstückigen Außenring 5a angeordnet. Auch die zweite Führungsfläche 8b ist umlaufend angeordnet und besteht aus einer zylindrischen Fläche. Die erste Führungsfläche 8a und die zweite Führungsfläche 8b sind konzentrisch zueinander angeordnet und weisen eine etwa gleichlange axiale Erstreckung entlang der Lagerachse X auf. In der Ansicht gemäß 2 hinten liegend befinden sich nicht dargestellt eine dritte Führungsfläche auf dem Käfig und eine vierte Führungsfläche auf dem Außenring. Beide Führungsflächen auf dem Außenring 5a befinden sich auf dessen zwei, die Laufbahn umschließende Borde.
Das Wälzlager 1 nach diesem Ausführungsbeispiel ist ein Kugellager.
3 zeigt eine Schnittdarstellung eines Wälzlagers gemäß dem Ausführungsbeispiel nach 2. Erkennbar sind die Nuten 10 mit einem kreissegmentförmigen Querschnittsprofil. Die Nuten 10 sind auf dem ersten Bord 9a und dem zweiten Bord 9b des Außenrings 5a ausgebildet, nämlich auf dessen Führungsflächen für den Käfig, also der zweiten Führungsfläche 8b und der vierten Führungsfläche 8d. In diesem Ausführungsbeispiel ist der Wert des Abstandes 'a' im Wesentlichen bei Raumtemperatur so groß wie die Tiefe der Nuten 10.
4 zeigt eine Detailansicht eines Außenrings des Ausführungsbeispiels nach 2. Die Laufbahn 4a des Außenrings 5a zur Aufnahme der Kugeln ist durch die beiden Borde 9a, 9b eingefasst. Auf dem ersten Bord 9a ist die zweite Führungsfläche 8b angeordnet und auf dem zweiten Bord 9b ist die vierte Führungsfläche 8d angeordnet.
Auf beiden Führungsflächen 8b, 8d des Außenrings 5a befinden sich Profilierungen in Form von Nuten 10. Diese weisen ein kreissegmentförmiges Querschnittsprofil auf und sind unter einem Winkel 'alpha' senkrecht zur Lagerachse X angeordnet. Der Winkel 'alpha' entspricht dem Steigungswinkel einer Nut und beträgt in diesem Ausführungsbeispiel ca. 6 Grad. Aufgrund der relativ geringen axialen Erstreckung der Borde 9a, 9b bzw. dem relativ großen Winkel 'alpha', laufen die Nuten 10 somit nicht vollständig auf den Führungsflächen 8b, 8d um. Der Steigungswinkel ist für alle Nuten 10 beider Führungsflächen 8b, 8d konstant, insbesondere weist dieser stets das gleiche Vorzeichen auf. Bei einer Rotation zwischen Käfig 6 und Außenring 5a zueinander wird somit aufgrund des Steigungswinkels 'alpha' Schmiermittel in einer Richtung axial durch das Wälzlager 1 gefördert. Eine Umkehr der Drehrichtung bewirkt eine Umkehr dieser Förderrichtung.
In diesem Ausführungsbeispiel weist der Käfig 6 auf seinen Führungsflächen keine Profilierung auf.

1: Wälzlager
2: Anschlusskonstruktion
3: Schmiermitteldepot
4a: Laufbahn Außenring
4b: Laufbahn Innenring
5a: Außenring
5b: Innenring
6: Käfig
7: Wälzkörper
8a: erste Führungsfläche
8b: zweite Führungsfläche
8c: dritte Führungsfläche
8d: vierte Führungsfläche
9a: erster Bord
9b: zweiter Bord
10: Nut

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 102005008668 A1 [0005]

Claims

Wälzlager, umfassend einen Außenring (5a), einen Innenring (5b) sowie einen bordgeführten Käfig (6), wobei der Käfig (6) eine erste zylindrische und zu einer Lagerachse (X) konzentrisch angeordnete Führungsfläche (8a) aufweist, über die der Käfig (6) durch eine zweite zylindrische und zu der Lagerachse (X) konzentrisch angeordnete Führungsfläche (8b), die an einem Bord (9a, 9b) einer der beiden Ringe (5a, 5b) ausgebildet ist, an diesem Ring (5a, 5b) radial geführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass diejenige Führungsfläche (8a, 8b) der ersten und der zweiten Führungsfläche (8a, 8b), die radial außen liegt eine Profilierung aufweist.
Wälzlager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Käfig eine dritte zylindrische und zu der Lagerachse konzentrisch angeordnete Führungsfläche (8c) aufweist über die der Käfig (6) durch eine vierte zylindrische und zu der Lagerachse konzentrisch angeordnete Führungsfläche (8d), die an einem Bord (9a, 9b) einer der beiden Ringe (5a, 5b) ausgebildet ist, an diesem Ring (5a, 5b) radial geführt wird, wobei diejenige Führungsfläche (8c, 8d) der dritten und der vierten Führungsfläche (8c, 8d), die radial außen liegt, eine Profilierung aufweist.
Wälzlager nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Käfig (6) außenbordgeführt ist und die Führungsfläche (8b, 8d), die jeweils radial außen liegt, auf mindestens einem Bord (9a, 9b) des Außenrings (5a) ausgebildet ist.
Wälzlager nach einem der vorangegangen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Profilierung mindestens eine Nut (10) umfasst.
Wälzlager nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Nut (10) spiralförmig über die zylindrische Führungsfläche (8a, 8b, 8c, 8d) verläuft.
Wälzlager nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Steigungswinkel der spiralförmig verlaufenden Nut (10) im Bereich von 0 Winkelsekunden bis 5 Winkelsekunden liegt.
Wälzlager nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Nuttiefe und ein radialer Abstand zwischen der ersten (8a) und zweiten Führungsfläche (8b) bzw. die Nuttiefe und ein radialer Abstand zwischen der dritten (8c) und vierten (8d) Führungsfläche bei Raumtemperatur gleich groß ist.
Wälzlager nach einem der Ansprüche 4–7, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Nut (10) ein kreissegmentförmiges, ein rechteckiges, ein u-förmiges oder ein v-förmiges Querschnittsprofil aufweist.
Wälzlager nach einem der vorangegangen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Wälzlager mit Fett geschmiert ist.
Wälzlager nach einem der vorangegangen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Wälzlager abgedichtet ist.
Wälzlager nach einem der vorangegangen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Wälzlager ein Kugellager, ein Zylinderrollenlager oder ein Kegelrollenlager ist.
Wälzlager nach einem der vorangegangen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Wälzlager in einer Windkraftanlage eingesetzt wird.