DE102009020988A1

DE102009020988A1 - Lageranordnung mit Lagerelementen unterschiedlicher Profilierung

Info

Publication number: DE102009020988A1
Application number: DE200910020988
Authority: DE
Inventors: Andreas Ens; Alban Kronenberger
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2009-05-12
Filing date: 2009-05-12
Publication date: 2010-11-18

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Lageranordnung mit zumindest einer ersten und einer zweiten Lagerreihe zylindrischer Wälzkörper gleicher Wälzkörperlänge, wobei jede Lagerreihe eine Außenlaufbahnfläche als erstes Lagerelement, eine Innenlaufbahnfläche als zweites Lagerelement und eine Vielzahl von Wälzkörpermantelflächen als drittes Lagerelement aufweist. Eine solche Lageranordnung ist beispielsweise als Getriebelagerung bei Windkraftanlagen geeignet, z. B. zur Lagerung eines Planetenrades eines Planetengetriebes. Die Erfindung betrifft ebenfalls ein Planetengetriebe, umfassend eine erfindungsgemäße Lageranordnung. Die erfindungsgemäße Lageranordnung ist dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Lagerelement der ersten Lagerreihe eine Profilierung aufweist, die dieses Lagerelement von einem entsprechenden Lagerelement der zweiten Lagerreihe unterscheidet.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Lageranordnung mit zumindest einer ersten und einer zweiten Lagerreihe zylindrischer Wälzkörper gleicher Wälzkörperlänge, wobei jede Lagerreihe eine Außenlaufbahnfläche als erstes Lagerelement, eine Innenlaufbahnfläche als zweites Lagerelement und eine Vielzahl von Wälzkörpermantelflächen als drittes Lagerelement aufweist. Eine solche Lageranordnung ist beispielsweise als Getriebelagerung bei Windkraftanlagen geeignet, z. B. zur Lagerung eines Planetenrades eines Planetengetriebes. Die Erfindung betrifft ebenfalls ein Planetengetriebe, umfassend eine erfindungsgemäße Lageranordnung.
Aufgabe der Erfindung
Bei Windkraftanlagen wird zur Drehzahlumsetzung an der Hauptwelle, die durch die Rotorblätter angetrieben wird, gewöhnlich ein Planetengetriebe verwendet, wobei einstufige oder mehrstufige Planetengetriebe möglich sind. Ein Planetengetriebe ist allgemein bekannt, beispielsweise aus EP 1 553 315 A1 . Es besteht aus einem Hohlrad mit Innenverzahnung, üblicherweise drei Planetenrädern und einer Sonne. In der Regel wird bei Windkraftanlagen ein feststehendes Hohlrad eingesetzt. Die drei durch die Hauptwelle angetriebenen Planeten laufen in diesem ab und treiben, weil im Eingriff mit der Sonne, die sich im Mittelpunkt befindliche Sonne an.
Das Planetenrad ist auf einem Lagerbolzen typischerweise durch mehrere axial nebeneinander angeordnete Lagereihen gelagert, die jeweils zylindrische Wälzkörper aufweisen. Gewöhnlich weisen diese Lagerreihen jeweils Wälzkörper mit gleicher Wälzkörperlänge auf, d. h. die axiale Erstreckung der Wälzkörper entlang einer Wälzkörperachse ist gleich lang, und zwar sowohl innerhalb einer Lagerreihe als auch unter den Lagerreihen.
Aus dem Stand der Technik ist das Problem bekannt, dass die Lastverteilung über diese Lagerreihen nicht gleichmäßig ist. Unter Lastverteilung ist hierbei die Verteilung der zwischen Lagerbolzen und Planetenrad übertragenen Kraft auf die einzelnen Lagerreihen zu verstehen.
Eine nicht gleichmäßige Lastverteilung führt dazu, dass die Wälzkörper der einzelnen Lagerreihen unterschiedlich große Kräfte zwischen Innen- und Außenring übertragen müssen. Letztendlich führt dies bei gleicher Dimensionierung der Lagerreihen zu einer Reduzierung der Lebensdauer der Lageranordnung, da je nach Lastverteilung bestimmte Lagerreihen stärker belastet sind und früher ausfallen. Um einen frühzeitigen Ausfall der Lageranordnung zu vermeiden, müsste die Tragzahl aller Lagerreihen entsprechend erhöht werden. Dies führt jedoch zu einer kostspieligen Überdimensionierung solcher Lagerreihen, die bei einer ungleichen Lastverteilung nur geringer belastet sind. Eine Überdimensionierung ist auch insbesondere aufgrund des sich daraus ergebenden größeren axialen Bauraums der Lageranordnung zu vermeiden.
Aus der DE 10 2005 049 185 A1 ist eine Lagerung eines Planetengetriebes für eine Windkraftanlage mit mehreren axial nebeneinander liegenden Lagerreihen bekannt, wobei gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Laufbahndurchmesser eines vom axialen Rand des Planetenrades entfernten, d. h. axial innen liegenden, Bohrungsabschnittes kleiner ist als der Laufbahndurchmesser eines vom axialen Rand des Planetenrades benachbarten, d. h. axial außen liegenden, Bohrungsabschnittes. Gemäß einer weiteren Ausführungsform der DE 10 2005 049 185 A1 ist der Durchmesser der Zylinderrollen eines axial innen liegenden Zylinderrollenlagers größer ist als der Durchmesser der Zylinderrollen eines axial außen liegenden Zylinderrollenlagers.
Aus der nachveröffentlichten DE 10 2007 053 526 A1 der gleichen Anmelderin ist eine Anordnung zur Lagerung eines Planetenrades eines Planetengetriebes auf einem Lagerbolzen umfassend mindestens drei axial nebeneinander angeordnete Lagerreihen mit jeweils zylindrischen und innerhalb einer Lagerreihe gleich langen Wälzkörpern bekannt, wobei die Lagerreihen im Vergleich zueinander Wälzkörper mit mindestens zwei unterschiedlichen Wälzkörperlängen aufweisen.
Nachteilig bei der aus dem Stand der Technik bekannten Konstruktion mit unterschiedlichem Laufbahndurchmesser bei einzelnen Lagerreihen ist der hohe Aufwand bei Fertigung und Montage, da in jedem Fall sowohl die Laufbahn der jeweiligen Lagerreihe separat bearbeitet werden muss als auch eigens für diese Lagerreihe vorgesehene Wälzkörper bestimmten Durchmessers hergestellt und bei der Montage dieser Lagerreihe zugeordnet werden müssen.
Die aus dem Stand der Technik bekannte Methode Wälzkörper unterschiedlicher Länge für verschiedene Lagerreihen einzusetzen weist den Nachteil auf, dass aufgrund der Bordführung der Wälzkörper kein Standardlagerring als führender Lagerring eingesetzt werden kann, da die Position der Borde der Länge der jeweils verwendeten Wälzkörper folgt, und zusätzlich stets Wälzkörper mit unterschiedlicher Wälzkörperlänge benötigt werden.
Aufgabe der Erfindung
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, in einer eingangs genannten Lageranordnung die beschriebenen Nachteile des Standes der Technik zu vermeiden.
Zusammenfassung der Erfindung
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß dadurch, dass zumindest ein Lagerelement der ersten Lagerreihe eine Profilierung aufweist, die dieses Lagerelement von einem entsprechenden Lagerelement der zweiten Lagerreihe unterscheidet.
Die erfindungsgemäßen Lagerelemente, die Laufbahnen bzw. Laufbahnflächen beschreiben, eignen sich grundsätzlich alle dafür profiliert zu werden.
Eine Profilierung derartiger Lagerelemente bedeutet eine Abweichung von der jeweiligen Grundform. Grundformen für ein Zylinderrollenlager in Radialbauweise sind in 1 dargestellt. 1a) zeigt eine Hälfte einer Schnittdarstellung durch ein Zylinderrollenlager 1, umfassend einen Innenring 2, einen Außenring 3 sowie zwischen Innenring 2 und Außenring 3 um eine gemeinsame Lagerachse 4 angeordnete Wälzkörper 5. Die 1b)–d) zeigen die jeweiligen Grundformen von Innenring 2, Wälzkörper 5 und Außenring 3. Die Grundform des Innenrings 2 ist dadurch gekennzeichnet, dass sie eine zylindrische Laufbahn 6 aufweist, die die Innenlaufbahnfläche des Wälzlagers 1 darstellt und die rotationssymmetrisch zur Lagerachse 4 ausgebildet ist. Die Grundform des Wälzkörpers 5 ist dadurch gekennzeichnet, dass sie eine zylindrische Lauffläche 7 aufweist, die der Wälzkörpermantelfläche des zylindrischen Wälzkörpers 5 entspricht. Diese Lauffläche 7 ist rotationssymmetrisch bezüglich einer Wälzkörperachse 8 angeordnet, wobei die Wälzkörperachse 8 parallel zur Lagerachse 4 verläuft. Die Grundform des Außenrings 3 ist dadurch gekennzeichnet, dass sie eine zylindrische Laufbahn 9 aufweist, die die Außenlaufbahnfläche des Wälzlagers 1 darstellt und die rotationssymmetrisch zur Lagerachse 4 ausgebildet ist. Sofern die drei Lagerelemente, nämlich Außenlaufbahnfläche als erstes Lagerelement, Innenlaufbahnfläche als zweites Lagerelement und die Vielzahl von Wälzkörpermantelflächen als drittes Lagerelement, ihre entsprechenden Grundformen aufweisen, liegen somit koaxial angeordnete Laufbahnen vor. Das dritte Lagerelement steht somit über einen Linienkontakt mit dem ersten und dem zweiten Lagerelement in Kontakt.
Beispielhaft für eines der Lagerelemente ist in 2 die Abweichung eines der Wälzkörper 5 von seiner Grundform dargestellt, indem dieser profiliert wurde. 2a) zeigt eine kreisballige Profilierung, 2b) zeigt eine zylindrischballige Profilierung und 3c) zeigt eine logarithmische Profilierung. Einzelheiten zu diesen Typen von Profilierungen sind im Folgenden angegeben.
Die Erfindung macht sich nun zu Nutze, dass der Einsatz von Lagerelementen in einer Lagerreihe, die im Vergleich zu den entsprechenden, d. h. korrespondierenden, Lagerelementen einer anderen Lagerreihe unterschiedlich gestaltet sind, auf einfache und kostengünstige Weise ermöglicht, die Lastverteilung der Lageranordnung zu optimieren, um eine größere Lebensdauer zu erreichen bzw. eine Überdimensionierung zu vermeiden. Die erfindungsgemäß unterschiedliche Profilierung umfasst dabei sowohl den Fall das in einer, z. B. der ersten, Lagerreihe, ein profiliertes Lagerelement vorhanden ist, während in einer anderen, z. B. der zweiten, Lagerreihe ein entsprechendes nicht profiliertes Lagerelement vorhanden ist, als auch den Fall, dass in der anderen Lagerreihe ein entsprechendes Lagerelement vorhanden ist, dass andersartig profiliert ist. Andersartige Profilierungen können durch Wahl eines unterschiedlichen Typs einer Profilierung und/oder durch eine unterschiedliche Stärke der Profilierung erzielt werden wie es weiter unten ausgeführt wird.
Entscheidend für die Erfindung ist die Ausnützung des Zusammenhangs zwischen der Lastverteilung und der radialen Steifigkeit der Lagerreihen.
Während des Betriebs der Lageranordnung stellt sich eine bestimmte Lastverteilung über die Lagerreihen ein. Diese Lastverteilung ist spezifisch für einen Anwendungsfall und hängt ab von der fallspezifischen Lastsituation und der Wälzkörpersteifigkeit.
Ein Faktor, der die Lastsituation bei Planentenradlagerungen auch beeinflusst, ist die Art der Verzahnung des Planetenrades, z. B. eine Schrägverzahnung, da der entsprechende Eingriff des Planetenrades mit dem Hohlrad zu einer charakteristischen Kraftverteilung auf das Planetenrad führt. In der Regel ist aber während der Dauer des jeweiligen Anwendungsfalls die Lastsituation, d. h. die zwischen Lagerbolzen und Planetenrad zu übertragende Kraft, konstant.
Die Steifigkeit eines Körpers beschreibt den Zusammenhang zwischen der Kraft, die auf diesen einwirkt und seiner daraus resultierenden elastischen Verformung. Je größer die Steifigkeit eines Körpers ist, desto geringer wird er sich bei einer bestimmten Krafteinwirkung verformen. Grundsätzlich hängt die Steifigkeit eines Körpers von seiner Geometrie und seinem Material ab. So hängt beispielsweise die Wälzkörpersteifigkeit zylindrischer Wälzkörper von der Länge der Wälzkörper, also deren Erstreckung entlang der Wälzkör perachse, dem Durchmesser der Wälzkörper sowie einer etwaigen Profilierung ihrer Mantelflächen ab. Weiterhin kann die Wälzkörpersteifigkeit auch durch die Materialauswahl beeinflusst werden. Die radiale Steifigkeit einer Lagerreihe beschreibt den Zusammenhang zwischen einer über einen Außenring durch die Wälzkörper auf einen Innenring wirkenden Kraft und der daraus resultierenden radialen elastischen Einfederung von Außenring zu Innenring. Diese radiale Steifigkeit ist, da der Außenring, der Innenring und Wälzkörper beteiligt sind, von der Geometrie beziehungsweise dem Material dieser Elemente abhängig. Bei einer Lagerung eines Planetenrades beschreibt die radiale Steifigkeit einer Lagerreihe den Zusammenhang zwischen einer zwischen Planetenrad und Lagerbolzen wirkenden Radialkraft und der daraus resultierenden elastischen, radialen Einfederung von Planetenrad in Bezug zu dem Lagerbolzen.
Um bei einem gegebenen Anwendungsfall eine gleichmäßige Lastverteilung zu erreichen, muss somit die radiale Steifigkeit bestimmter Lagerreihen variiert werden. Eine gleichmäßige Lastverteilung bedeutet hierbei eine Lastverteilung wie sie z. B. bei einer in axialer Sicht symmetrischen Lastsituation und Lagerreihen mit gleicher radialer Steifigkeit in der Praxis eintreten würde. Das heißt, die in der Realität stets vorhandenen geringen Schwankungen der Lastverteilung werden nicht berücksichtigt.
Dieses erkennend schlägt die Erfindung vor, unterschiedliche radiale Steifigkeiten in den zumindest zwei Lagerreihen dadurch zu erreichen, dass zumindest ein Lagerelement einer Lagerreihe derart profiliert wird, dass sich dieses von einem entsprechenden Lagerelement einer anderen Lagerreihe unterscheidet. Weitere Unterschiede zwischen den entsprechenden Lagerelementen sind – mit Ausnahme der Wälzkörperlänge – natürlich denkbar. Unter entsprechenden Lagerelementen werden z. B. die beiden Außenlaufbahnflächen der beiden Lagerreihen verstanden. Ebenso bilden die beiden Innenlaufbahnflächen entsprechende Lagerflächen oder die Wälzkörpermantelflächen zweier Lagerreihen.
Durch die erfindungsgemäße Lösung ist es möglich, die radialen Steifigkeiten der Lagerreihen der jeweiligen Lastsituation anzupassen.
Wird dabei die radiale Steifigkeit der Lagerreihe reduziert, die zunächst bei der gegebenen Lastsituation am stärksten belastet wird, so tritt bei dieser Lagerreihe eine größere Einfederung von Außenring zu Innenring auf. Dies wiederum führt dazu, dass die übrigen Lagerreihen, deren radiale Steifigkeiten größer sind, stärker belastet werden. Auf diese Weise können die radialen Steifigkeiten sämtlicher Lagerreihen derart festgelegt werden, dass sich eine gleichmäßige Lastverteilung ergibt.
Die optimale Profilierung eines oder mehrerer Lagerelemente einer oder mehrerer Lagerreihen für einen bestimmten Anwendungsfall kann durch Berechnungen, Simulationen oder Experimente festgelegt werden. Dabei kann in einem ersten Schritt die gewünschte radiale Steifigkeit der Lagerreihe bestimmt werden. Anschließend kann festgelegt werden auf welche Art und Weise diese radiale Steifigkeit erzielt werden soll, z. B. welches Lagerelement profiliert werden soll, den Typ der Profilierung sowie die Stärke der Profilierung.
Erfindungsgemäß kann somit die erwünschte Optimierung der Lastverteilung über alle Lagerreihen auf einfache und kostengünstige Weise erreicht werden. Somit kann eine Überdimensionierung der Lageranordnung vermieden werden und die axiale Ausdehnung der Anordnung minimiert werden.
Die erfindungsgemäße Lösung kann in einer Lageranordnung mit mehreren einreihigen Lagern, einem mehrreihigen Lager oder einer Kombination dieser Bauformen eingesetzt werden. Bevorzugte Ausführungen sehen mehrreihige Lager mit zwei, drei, vier oder fünf Lagerreihen vor. Es ist auch möglich eine Direktlagerung einzusetzen, wobei der Außenring und/oder der Innenring wegfällt und die Wälzkörper stattdessen direkt auf einer Laufbahn der entsprechenden Anschlusskonstruktion abrollen. Das erste Lagerelement, also die Außenlaufbahnfläche, bzw. das zweite Lagerelement, also die Innenlaufbahnfläche, sind in diesem Fall in der jeweiligen Anschlusskonstruktion ausgebildet. Diese Anschlusskonstruktion kann dann bereits eine entsprechende Verzahnung für ein Getriebe vorsehen. Grundsätzlich können entweder vollrollige oder käfiggeführte Lagerreihen eingesetzt werden. Dabei können innerhalb der Lageranordnung sowohl vollrollige als auch käfiggeführte Lagerreihen kombiniert werden.
Ausführungsformen der Erfindung werden durch die beigefügten Unteransprüche angegeben.
Gemäß einer Ausführungsform weist lediglich das dritte Lagerelement der ersten Lagerreihe eine Profilierung auf, die dieses Lagerelement von dem dritten Lagerelement der zweiten Lagerreihe unterscheidet. Somit unterscheiden sich die beiden Lagerreihen durch die Profile der Wälzkörpermantelflächen nicht jedoch durch die Profile der Innenlaufbahnflächen oder Außenlaufbahnflächen. Es können somit herkömmliche Innenringe und Außenringe bzw. Innenringlaufbahnen und Außenringlaufbahnen eingesetzt werden. Da die radialen Steifigkeiten der Lagerreihen lediglich durch die Ausgestaltung der Wälzkörper verändert wird, können bestehende Lageranordnungen entsprechend nachgerüstet werden bzw. experimentelle Untersuchungen einfach und schnell durchgeführt werden. In dieser Ausführungsform bleibt offen, ob die (beiden) ersten und die (beiden) zweiten Lagerelemente profiliert sind oder der Grundform entsprechen. In jedem Fall besteht kein Unterschied des Profils zwischen den (beiden) ersten Lagerelementen und kein Unterschied des Profils zwischen den (beiden) zweiten Lagerflächen. Von Vorteil ist, dass Verschiebungen des Wälzkörpers während des Betriebs, z. B. Verschiebungen entlang der Lagerachse, keinen Einfluss auf das Steifigkeitsverhalten der jeweiligen Lagerreihe haben, da sich Kontakte zwischen Walzkörpermantelfläche und Außen- bzw. Innenlaufbahnfläche nicht verändern.
Gemäß einer Ausführungsform weist lediglich das erste und/oder das zweite Lagerelement der ersten Lagerreihe eine Profilierung auf, die dieses Lagerelement oder diese Lagerelemente von einem entsprechenden Lagerelement oder entsprechenden Lagerelementen der zweiten Lagerreihe unterscheidet. Die Lageranordnung unterscheidet sich somit nicht bezüglich des Profils der Wälzkörper. In dieser Ausführungsform wird entweder nur die Außenlaufbahnfläche oder die Innenlaufbahnfläche der ersten Lagerreihe profiliert, um einen Unterschied zur entsprechenden Laufbahnfläche der zweiten Lagerreihe zur erzielen oder aber beide Laufbahnflächen der ersten Lagerreihe werden profiliert. Eine Profilierung der Innenlaufbahnfläche hat den Vorteil, dass diese im Kontakt mit der Wälzkörpermantelfläche eine größere Flächenpressung aufweist im Vergleich zum Kontakt Wälzkörpermantelfläche/Außenlaufbahnfläche; eine Profilierung der Innenlaufbahnfläche hat daher eine größere Wirkung gegenüber einer vergleichbaren Profilierung der Außenlaufbahnfläche.
Gemäß einer Ausführungsform wird die Profilierung des Lagerelements der ersten Lagerreihe dadurch erreicht, dass dieses Lagerelement ein kreisballiges, zylindrischballiges oder logarithmisches Profil aufweist, während das entsprechende Lagerelement der zweiten Lagerreihe keine Profilierung oder eine Profilierung eines unterschiedlichen Typs aufweist. Falls das entsprechende Lagerelement der zweiten Lagerreihe keine Profilierung aufweist, kann die Optimierung der Lastverteilung ausschließlich durch Wahl einer Profilierung für das oder die Lagerelemente der ersten Lagerreihe erfolgen, wodurch – insbesondere wenn nur die Wälzkörpermantelfläche profiliert werden soll – eine einfache und kostengünstige Lösung vorliegt. Die unterschiedlichen Typen von Profilierungen, also kreisballig, zylindrischballig und logarithmisch, werden bereits in Zylinderrollenlagern eingesetzt. Bei einer kreisballigen Profilierung, z. B. einer Wälzkörpermantelfläche, folgt die Mantellinie in einer Schnittdarstellung entlang der Wälzkörperachse einem Kreisbogen, siehe 2a). Bei einer zylindrischballigen Profilierung, z. B. einer Wälzkörpermantelfläche, verläuft die Mantellinie in einem Mittenbereich pa rallel zur Wälzkörperachse und wird an den beiden Endbereichen mit den beiden Stirnseiten verrundet, siehe 2b). Bei einer logarithmischen Profilierung, z. B. einer Wälzkörpermantelfläche, folgt die Mantellinie einem logarithmischen Profil, siehe 2c). Es ist bekannt, dass die Steifigkeit eines Wälzkörpers mit logarithmischer Profilierung der Wälzkörpermantelfläche im Allgemeinen einerseits geringer ist als eine zylindrischballige Profilierung andererseits größer ist als eine kreisballige Profilierung. Diese Verhältnisse gelten gleichermaßen für entsprechende Profilierungen der Außen- bzw. Innenlaufbahnflächen. Selbstverständlich können neben diesen festgelegten Typen von Profilierungen auch Freiformprofilierungen eingesetzt werden. Die jeweils resultierende Steifigkeit, z. B. der Wälzkörper oder der gesamten Lagerreihe, kann einfach durch beispielsweise Finite Elemente Simulationen ermittelt und ausgelegt werden.
Gemäß einer Ausführungsform weisen das profilierte Lagerelement der ersten Lagerreihe und das entsprechende Lagerelement der zweiten Lagerreihe eine Profilierung gleichen Typs aber unterschiedlicher Stärke auf. Die Stärke einer Profilierung beschreibt den Grad der Abweichung des profilierten Lagerelements von der Grundform, d. h. der unprofilierten Form. So können beispielsweise entsprechende Lagerelemente der ersten und der zweiten Lagerreihe jeweils eine kreisballige Profilierung aufweisen, wobei jedoch ein Krümmungsradius der Laufbahnfläche bzw. der Wälzkörpermantelfläche unterschiedlich zwischen der ersten und der zweiten Lagerreihe ist. Eine unterschiedliche Profilierungsstärke bei zylindrischballigem Profil kann z. B. durch unterschiedlich lange Mittenbereiche erreicht werden.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Lageranordnung durch drei Lagerreihen gekennzeichnet, wobei zumindest ein Lagerelement einer axial mittig angeordneten Lagerreihe eine Profilierung aufweist, die dieses Lagerelement von einem entsprechenden Lagerelement zumindest einer der beiden anderen Lagerreihen unterscheidet. Gemäß einer alternativen Ausführungsform weist die Lageranordnung drei Lagerreihen auf, wobei zumindest ein Lagerelement einer axial außen angeordneten Lagerreihe eine Profilierung aufweist, die dieses Lagerelement von einem entsprechenden Lagerelement zumindest einer der beiden anderen Lagerreihen unterscheidet. Vorzugsweise ist bei diesen beiden Ausführungsformen die Profilierung des zumindest einen Lagerelements derart ausgebildet, dass eine geringere radiale Steifigkeit einer oder beider axial außen angeordneten Lagerreihen im Vergleich zur axial mittig angeordneten Lagerreihe bewirkt wird. Es zeigte sich, dass zumindest eine der beiden axial weiter außen liegenden Lagerreihen in vielen Anwendungsfällen stärker belastet ist, als die übrigen Lagerreihen. Um in diesem Ausgangsfall dennoch eine gleichmäßige Lastverteilung zu erreichen, weisen erfindungsgemäß daher diese entsprechende axial weiter außen liegenden Lagerreihen eine geringere radiale Steifigkeit auf. Eine solche Profilierung kann vorzugsweise in einer Lagerung eines Planetenrades eines Planetengetriebes eingesetzt werden, um dort eine optimale Lastverteilung sicherzustellen.
Gemäß einer Ausführungsform weist das dritte Lagerelement der ersten Lagerreihe eine Profilierung auf, die dieses Lagerelement von dem dritten Lagerelement der zweiten Lagerreihe unterscheidet, und die Wälzkörper der ersten Lagerreihe und/oder die Wälzkörper der zweiten Lagerreihe weisen optische und/oder haptische Erkennungsmerkmale als Montageerleichterung auf. Da die Profilierungen der Wälzkörpermantelflächen nicht unbedingt mit dem bloßen Auge erkennbar oder mit der Hand ertastbar sind, ist es vorteilhaft zusätzliche Merkmale an die profilierten Wälzkörper der ersten Lagerreihe und/oder die Wälzkörper der anderen Lagerreihe(n) anzubringen, um eine einfache Identifikation ohne Hilfsmittel zu ermöglichen. Als optische Erkennungsmerkmale eignen sich Bohrungen oder Markierungen an einer oder beiden Stirnseiten. Als haptische Erkennungsmerkmale eignen sich z. B. Oberflächenbehandlungen, wie Anrauhungen, an einer oder beiden Stirnseiten.
Zusätzlich zur erfindungsgemäßen Maßnahme zur Veränderung der radialen Steifigkeit der Lagerreihen mittels Einsatz von Profilierungen, können auch noch weitere Maßnahmen zur Veränderung der radialen Steifigkeiten eingesetzt werden.
So weisen gemäß einer Ausführungsform zwei Lagerreihen im Vergleich zueinander eine unterschiedliche Anzahl von Wälzkörpern auf. Dabei gilt, dass die Lagerreihe mit einer größeren Anzahl von Wälzkörpern, bei ansonsten gleichen Voraussetzungen, wie Profilierung, Material, Wälzkörperform etc., eine höhere radiale Steifigkeit aufweist als die Lagerreihe mit weniger Wälzkörpern.
Ebenso kann gemäß einer Ausführungsform die Lageranordnung sowohl mindestens eine käfiggeführte Lagerreihe als auch mindestens eine vollrollige Lagerreihe. Eine vollrollige Lagereihe weist in aller Regel eine höhere radiale Steifigkeit als eine käfiggeführte Lagerreihe auf, nämlich dann, wenn bei der vollrolligen Lagerreihe mehr Wälzkörper eingesetzt sind als bei der käfiggeführten Lagerreihe. Welche der Lagerreihen käfiggeführt und welche vollrollig ausgeführt wird kann dabei z. B. durch Versuche oder Simulationen bestimmt werden.
Gemäß einer Ausführungsform weisen mindestens zwei Lagerreihen im Vergleich zueinander Wälzkörper mit unterschiedlichem Durchmesser auf. Wie eingangs beschrieben kann auch hierdurch die Wälzkörpersteifigkeit und somit die radiale Steifigkeit einer Lagerreihe beeinflusst werden, wenngleich die dort beschriebenen Nachteile einer solchen Lösung beachtet werden sollten.
Gemäß einer Ausführungsform besteht mindestens ein Lagerelement der ersten Lagerreihe aus einem unterschiedlichen Material als das entsprechende Lagerelement der zweiten Lagerreihe. Beispielsweise kann es sich dabei um das profilierte Lagerelement der ersten Lagerreihe handeln. Hier bei können beispielsweise unterschiedliche Metalle gewählt werden. Denkbar ist auch eine unterschiedliche Oberflächenbehandlung der Lagerelemente, wie Einsatzhärten oder Durchhärten, oder der Einsatz von Keramikwälzkörpern in einer Lagerreihe in Kombination mit Metallwälzkörpern in einer anderen Lagerreihe.
Auch wenn die Erfindung nur in Bezug auf Zylinderrollenlager eingehend beschrieben wurde, so ist dennoch ohne Weiteres erkennbar, dass der Kern der Erfindung, nämlich eine Lageranordnung mit mindestens zwei Lagerreihen zu schaffen, wobei die Innenringlaufbahn, die Außenringlaufbahn und/oder die Wälzkörpermantelflächen einer Lagerreihe profiliert sind, während die entsprechende(n) Laufbahnflächen der anderen Lagerreihe nicht oder andersartig profiliert sind, auch auf andere Lagertypen wie Kegelrollenlager oder Nadellager anwendbar sind.
Die Erfindung betrifft weiterhin ein Planetengetriebe, umfassend eine erfindungsgemäße Lageranordnung. Eine derartiges Planetengetriebe weist vorzugsweise drei Lagerreihen auf, wobei durch entsprechende Profilierung(en) die radiale Steifigkeit der beiden axial äußeren Lagereihen im Vergleich zur axial mittig angeordneten Lagereihe geringer ist. Ein erfindungsgemäßes Planetengetriebe kann beispielsweise in einer Windkraftanlage eingesetzt sein.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den beigefügten Figuren. Hierbei zeigt:
1: Grundformen für ein Zylinderrollenlager in Radialbauweise,
2: unterschiedliche Profilierungen einer Wälzkörpermantelfläche,
3: Ausführungsbeispiele der Erfindung.
Detaillierte Beschreibung der Zeichnungen
3a) zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung, nämlich eine schematische Schnittdarstellung einer Lageranordnung 10, umfassend drei Lagerreihen 11, 12, 13 mit Zylinderrollenlagern, wobei die Wälzkörper 5 jeweils eine gleiche Wälzkörperlänge aufweisen. Die erste sowie die dritte Lagerreihe weisen profilierte Wälzkörper 5 auf, d. h. hier ist jeweils das dritte Lagerelement, nämlich die Wälzkörpermantelfläche 7, profiliert. Diese Profilierung ist dabei in 3a) stark vergrößert dargestellt. Die übrigen Lagerelemente sind nicht profiliert. Eine solche Ausführung eignet sich insbesondere zum Nachrüsten bestehender Lageranordnungen. Die Profilierung der Wälzkörper der ersten und dritten Lagerreihen besteht aus einer kreisballigen Profilierung. Da das dritte Lagerelement alle Wälzkörpermantelflächen der jeweiligen Lagerreihe umfasst, weisen alle Wälzkörpermantelflächen die gleiche Profilierung auf. In diesem Beispiel ist die axial mittig angeordnete Lagerreihe 12 vollrollig ausgeführt, während die axial außen angeordneten Lagerreihen 11, 13 käfiggeführt sind, wobei der Käfig selbst nicht dargestellt ist.
Die erfindungsgemäße Erkenntnis liegt also darin, dass zumindest der Innenring, der Außenring oder die Wälzkörper einer Lagerreihe von seiner Grundform abweicht, also profiliert ist, wobei das entsprechende Element einer anderen Lagerreihe nicht profiliert ist oder eine andersartige Profilierung aufweist. Insbesondere soll also zumindest der Innenring, der Außenring oder die Wälzkörper der ersten Lagerreihe eine profilierte Laufbahn aufweisen.
3b) zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung, wobei wiederum eine schematische Schnittdarstellung der Lageranordnung 10 dargestellt ist. Die Lageranordnung 10 umfasst hierbei vier Lagerreihen 11, 12, 13, 17. Jeweils zwei Lagerreihen sind zu einem zweireihigen Lager zusammengefasst, so dass zwei separate Außenringe 3 und zwei separate Innenringe 2 vorhanden sind.
Jede Lagereihe 11, 12, 13, 17 stellt ein Zylinderrollenlager mit zylindrischen Wälzkörpern 5 dar. Sämtliche Wälzkörper 5 bestehen aus dem gleichen Material und weisen die gleiche Wälzkörperlänge auf. Denkbar wäre auch Wälzkörper aus unterschiedlichem Material in die einzelnen Lagerreihen einzusetzen. Der Nenndurchmesser sämtlicher Wälzkörper 5 ist identisch.
Gemäß diesem Ausführungsbeispiel weisen die Wälzkörper der beiden axial außen angeordneten Lagerreihen, also der Lagerreihen 11 und 17 profilierte Wälzkörper 5 auf. Insbesondere weisen die Wälzkörper 5 der Lagerreihen 11 und 17 ein logarithmisches Profil auf. Aufgrund der nur geringfügigen Abweichung der Wälzkörperlaufbahn von der Grundform, ist die Profilierung in der 3b) nicht zu erkennen. Die Außenlaufbahnflächen 9 sowie die Innenlaufbahnflächen 6 der axial außen angeordneten Lagerreihen 11, 17 entsprechen jeweils der Grundform. D. h. das dritte Lagerelement der axial außen angeordneten Lagerreihen 11, 17 wurde profiliert, während das erste und das zweite Lagerelement dieser Lagerreihen in der Grundform belassen wurde. Ebenfalls der Grundform entsprechen sämtliche Lagerelemente der axial innen angeordneten Lagerreihen 12, 13. Da die beiden zweireihigen Lager somit einen symmetrischen Aufbau aufweisen, wird die Herstellung und Montage vereinfacht.
Durch diese Art der Profilierung wird erreicht, dass die beiden axial außen angeordneten Lagerreihen eine geringere radiale Steifigkeit aufweisen.
Zur Montageerleichterung weisen die Wälzkörperstirnseiten 16 der profilierten Wälzkörper ein haptisches und optisches Erkennungsmerkmal in Form einer aufgerauten Oberfläche auf.
Die Lagereihen sind gemäß diesem Ausführungsbeispiel alle vollrollig ausgeführt.

1: Zylinderrollenlager
2: Innenring
3: Außenring
4: Lagerachse
5: Wälzkörper
6: zylindrische Laufbahn (Innenlaufbahnfläche)
7: zylindrische Lauffläche (Wälzkörpermantelfläche)
8: Wälzkörperachse
9: zylindrische Laufbahn (Außenlaufbahnfläche)
10: Lageranordnung
11: erste Lagerreihe
12: zweite Lagerreihe
13: dritte Lagerreihe
14: Mittenbereich
15: Verrundung
16: Stirnseite
17: vierte Lagerreihe

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- EP 1553315 A1 [0002]
- DE 102005049185 A1 [0006, 0006]
- DE 102007053526 A1 [0007]

Claims

Lageranordnung mit zumindest einer ersten und einer zweiten Lagerreihe zylindrischer Wälzkörper gleicher Wälzkörperlänge, wobei jede Lagerreihe eine Außenlaufbahnfläche als erstes Lagerelement, eine Innenlaufbahnfläche als zweites Lagerelement und eine Vielzahl von Wälzkörpermantelflächen als drittes Lagerelement aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Lagerelement der ersten Lagerreihe eine Profilierung aufweist, die dieses Lagerelement von einem entsprechenden Lagerelement der zweiten Lagerreihe unterscheidet.
Lageranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass lediglich das dritte Lagerelement der ersten Lagerreihe eine Profilierung aufweist, die dieses Lagerelement von dem dritten Lagerelement der zweiten Lagerreihe unterscheidet.
Lageranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass lediglich das erste und/oder das zweite Lagerelement der ersten Lagerreihe eine Profilierung aufweist, die dieses Lagerelement oder diese Lagerelemente von einem entsprechenden Lagerelement oder entsprechenden Lagerelementen der zweiten Lagerreihe unterscheidet.
Lageranordnung nach einem der Ansprüche 1–3, dadurch gekennzeichnet, dass die Profilierung des Lagerelements der ersten Lagerreihe dadurch erreicht wird, dass dieses Lagerelement ein kreisballiges, zylindrischballiges oder logarithmisches Profil aufweist, während das entsprechende Lagerelement der zweiten Lagerreihe keine Profilierung oder eine Profilierung eines unterschiedlichen Typs aufweist.
Lageranordnung nach einem der Ansprüche 1–3, dadurch gekennzeichnet, dass das profilierte Lagerelement der ersten Lagerreihe und das entsprechende Lagerelement der zweiten Lagerreihe eine Profilierung gleichen Typs aber unterschiedlicher Stärke aufweisen.
Lageranordnung nach einem der Ansprüche 1–5, gekennzeichnet durch drei Lagerreihen, wobei zumindest ein Lagerelement einer axial mittig angeordneten Lagerreihe eine Profilierung aufweist, die dieses Lagerelement von einem entsprechenden Lagerelement zumindest einer der beiden anderen Lagerreihen unterscheidet.
Lageranordnung nach einem der Ansprüche 1–5, gekennzeichnet durch drei Lagerreihen, wobei zumindest ein Lagerelement einer axial außen angeordneten Lagerreihe eine Profilierung aufweist, die dieses Lagerelement von einem entsprechenden Lagerelement zumindest einer der beiden anderen Lagerreihen unterscheidet.
Lageranordnung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Profilierung des zumindest einen Lagerelements eine geringere radiale Steifigkeit einer oder beider axial außen angeordneten Lagerreihen im Vergleich zur axial mittig angeordneten Lagerreihe bewirkt.
Lageranordnung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das dritte Lagerelement der ersten La gerreihe eine Profilierung aufweist, die dieses Lagerelement von dem dritten Lagerelement der zweiten Lagerreihe unterscheidet, und die Wälzkörper der ersten Lagerreihe und/oder die Wälzkörper der zweiten Lagerreihe optische und/oder haptische Erkennungsmerkmale als Montageerleichterung aufweisen.
Lageranordnung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Lagerreihen im Vergleich zueinander eine unterschiedliche Anzahl von Wälzkörpern aufweisen.
Lageranordnung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine käfiggeführte Lagerreihe und mindestens eine vollrollige Lagerreihe vorhanden ist.
Lageranordnung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Lagerreihen im Vergleich zueinander Wälzkörper mit unterschiedlichem Durchmesser aufweisen.
Lageranordnung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Lagerelement der ersten Lagerreihe aus einem unterschiedlichen Material besteht als das entsprechende Lagerelement der zweiten Lagerreihe.
Planetengetriebe, umfassend eine Lageranordnung nach einem der vorangegangenen Ansprüche zur Lagerung eines Planetenrades.
Planetengetriebe nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass es in einer Windkraftanlage eingesetzt ist.