DE102009058811A1

DE102009058811A1 - Käfigloses Wälzlager

Info

Publication number: DE102009058811A1
Application number: DE102009058811A
Authority: DE
Inventors: Christian 91166 Hoffinger; Alexander 90766 Weidner
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2009-12-18
Filing date: 2009-12-18
Publication date: 2011-06-22

Abstract

Die Erfindung betrifft ein käfigloses Wälzlager, umfassend eine Vielzahl von zwischen zwei Laufbahnen (4, 6) abrollenden, metallischen Wälzkörpern (7, 8). Um ein Wälzlager bereitzustellen, das bei gegebenem Bauraum eine maximal mögliche Tragzahl aufweist, das eine geringe Reibung besitzt und welches einfach und vor allem kostengünstig herzustellen ist wird vorgeschlagen, dass zwei benachbarte Wälzkörper (7, 8) an sich kontaktierenden Oberflächen eine unterschiedliche Oberflächenbeschaffenheit aufweisen.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein käfigloses Wälzlager, umfassend eine Vielzahl von zwischen zwei Laufbahnen abrollenden, metallischen Wälzkörpern. Derartige Wälzlager weisen eine hohe Tragzahl auf und werden beispielsweise in Getriebelagern von Windkraftanlagen eingesetzt.
Stand der Technik
Durch Erhöhung der Anzahl der Wälzkörper in z. B. einem Radialwälzlager mit vorgegebenem Teilkreisdurchmesser kann die Tragfähigkeit, also der Betrag der maximal zu übertragenden Kräfte zwischen einem Innenring und einem Außenring, gesteigert werden. Die Leistungsfähigkeit des Wälzlagers wird dadurch erhöht, ohne weiteren Bauraum zu benötigen.
In bestimmten Anwendungen, in denen die Tragfähigkeit bei geringen Bauraum maximiert werden muss, z. B. in Getriebelagerungen von Windkraftanlagen, werden daher teilweise käfiglose Wälzlager eingesetzt. Käfiglose Wälzlager entsprechen im Rahmen der Erfindung Wälzlagern, die weder einen einteiligen noch einen mehrteiligen Käfig aufweisen und deren Wälzkörper auch nicht durch zwischen den Wälzkörpern angeordnete Distanzstücke beabstandet sind. Derartige Wälzlager werden auch vollrollige Wälzlager genannt. Käfiglose Wälzlager ermöglichen den Einsatz der umfänglich maximal möglichen Anzahl von Wälzkörpern und bieten somit bei gegebenem Bauraum eine maximale Tragfähigkeit.
Bei käfiglosen Wälzlagern können sich benachbarte Wälzkörper, also solche Wälzkörper, die auf einer Laufbahn eines Lagerrings in direkter Folge abrollen, kontaktieren. So bildet sich z. B. bei einem käfiglosen Radialzylinderrollenlager zwischen zwei benachbarten Zylinderrollen ein Linienkontakt an Mantelflächen der Zylinderrollen aus. Aufgrund des gleichen Drehsinns der Zylinderrollen, wälzen diese an der Stelle des Kontaktes nicht aneinander ab, sondern gleiten gegenläufig aneinander ab. Dieses Abgleiten ist problematisch für die Schmierverhältnisse im Wälzlager, da sich an den Wälzkörpern befindlicher Schmierstoff von diesen abscheren kann. Dies führt einerseits zu erhöhter Reibung des Wälzlagers und andererseits zu erhöhtem Abrieb, der wiederum einen verfrühten Wälzlagerausfall nach sich ziehen kann.
Aus der DE 197 29 450 A1 ist ein Wälzlager bekannt, das unter anderem eine lange Lebensdauer aufweisen soll und wobei Keramikkugeln auf Laufringen aus einem korrosionsbeständigen hochlegierten Chromstahl abrollen. Von Nachteil ist, dass der Einsatz von Keramikkugeln teuer ist und diese hinsichtlich des möglichen herstellbaren Durchmessers und der möglichen Tragzahl eingeschränkt sind. Insbesondere die Fertigung von Keramikrollen ist sehr teuer.
Aus der DE 196 12 571 A1 ist ein käfigloses Wälzlager für schnelllaufende, medizinische Geräte mit zwischen Keramikwälzkörpern eingesetzten Plastikwälzkörpern bekannt, wobei die Plastikwälzkörper mit Schmierstoff getränkt sind, schmierstoffabgebend sind oder aus selbstschmierendem Material bestehen. Zwar ermöglicht das Wälzlager der DE 196 12 571 A1 eine Schmierstoffspeicherung/-abgabe direkt an Kontakten zwischen Plastikwälzkörper und Laufbahnen; von Nachteil ist jedoch, dass die Tragfähigkeit durch den Einsatz von Plastikwälzkörpern stark reduziert wird und wiederum durch den Einsatz von Keramikwälzkörpern ein sehr teures Wälzlager vorliegt.
Aufgabe der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Wälzlager bereitzustellen, das bei gegebenem Bauraum eine maximal mögliche Tragzahl aufweist, das eine geringe Reibung besitzt und welches einfach und vor allem kostengünstig herzustellen ist und eine erhöhte Toleranz gegenüber Schlupfschäden aufweist.
Zusammenfassung der Erfindung
Diese Aufgabe wird durch ein käfigloses Wälzlager gemäß dem unabhängigen Anspruch gelöst. Demzufolge ist ein gattungsgemäßes Wälzlager dadurch gekennzeichnet, dass zwei benachbarte Wälzkörper an sich kontaktierenden Oberflächen eine unterschiedliche Oberflächenbeschaffenheit aufweisen.
Ein Wälzlagersatz, bestehend aus allen Wälzkörpern des Wälzlagers, weist erfindungsgemäß somit zumindest zwei verschiedene Oberflächenbeschaffenheiten an den Oberflächen auf, an denen sich benachbarte Wälzkörper kontaktieren. Sofern es sich bei den Wälzkörpern um Zylinderrollen handelt, umfasst der Wälzlagersatz Zylinderrollen mit zumindest zwei Arten von Oberflächenbeschaffenheiten an den Mantelflächen.
Am Kontakt zwischen den beiden benachbarten Wälzkörpern liegt also eine Reibung von zwei Oberflächen mit unterschiedlicher Oberflächenbeschaffenheit vor.
Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass ein adhäsiver Verschleiß, also ein Verschleiß aufgrund von mangelnder Schmierung bei unter starken Druck aufeinander gleitenden Oberflächen, stark von der Oberflächenbeschaffenheit der zusammenwirkenden Oberflächen abhängt. So wurde erkannt, dass insbesondere Oberflächen mit gleicher Oberflächenbeschaffenheit einen adhäsiven Verschleiß begünstigen. Umgekehrt wird die Gefahr des adhäsiven Verschleißes durch Verwendung unterschiedlicher Oberflächenbeschaffenheiten reduziert.
Weiterhin beruht die Erfindung auf der Erkenntnis, dass durch die Verwendung metallischer Wälzkörper einerseits eine hohe Tragzahl erreicht werden kann. Andererseits erlauben metallische Wälzkörper auf relativ kostengünstige Weise das Ausbilden von unterschiedlichen Oberflächenbeschaffenheiten.
Bevorzugte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Gemäß einer Ausführungsform entspricht die Oberflächenbeschaffenheit einer Oberflächenrauhigkeit, einer Beschichtung, einer thermischen Oberflächenbehandlung und/oder einer Oberflächenhärte. Demzufolge umfasst das erfindungsgemäße Wälzlager zumindest zwei benachbarte Wälzkörper, die sich hinsichtlich Oberflächenrauhigkeit, einer Beschichtung, einer thermischen Oberflächenbehandlung und/oder einer Oberflächenhärte an sich kontaktierenden Oberflächen unterscheiden. Sofern sich die Wälzkörper hinsichtlich der Oberflächenrauhigkeit unterscheiden, kann dieser Unterschied beispielsweise durch eine unterschiedliche Bearbeitung, z. B. beim Schleifen und/oder Honen, erreicht werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist ein Wälzkörper brüniert und ein benachbarter Wälzkörper weist eine kohlenstoffbasierte Deckschicht auf. Das Brünieren erfolgt z. B. durch Eintauchen des Wälzkörpers in saure bzw. alkalische Lösungen (z. B. Natronlauge) oder Salzschmelzen, wodurch sich Mischoxidschichten aus FeO und Fe2O3 von tiefschwarzer Farbe bilden. Vorteilhaft ist, dass durch das Brünieren nur eine geringe Schichtdicke von circa 1 μm entsteht und die brünierten Wälzkörper weitestgehend maßhaltig bleiben. Eine kohlenstoffbasierte Deckschicht kann z. B. durch Plasmabeschichtung mit diamantähnlichem Kohlenstoff (diamond like carbon, d. h. DLC) erfolgen.
Grundsätzlich können mehr als zwei unterschiedliche Oberflächenbeschaffenheiten für die Wälzkörper eingesetzt werden. Zur Verwirklichung der Erfindung sind jedoch bereits zwei unterschiedliche Oberflächenbeschaffenheiten ausreichend. Gemäß einer weiteren Ausführungsform werden insgesamt für alle Wälzkörper zwei Oberflächenbeschaffenheiten eingesetzt, wobei die Wälzkörper alternierend die zwei Oberflächenbeschaffenheiten aufweisen. Somit wird sichergestellt, dass jeder Kontakt von Wälzkörper zu Wälzkörper durch zwei verschiedenartige Oberflächenbeschaffenheiten bewerkstelligt wird.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist ein Wälzkörper auf seiner gesamten Oberfläche die gleiche Oberflächenbeschaffenheit auf. Zwar ist es grundsätzlich ausreichend nur solche Oberflächen mit einer bestimmten Oberflächenbeschaffenheit zu versehen, die während des Betriebs des Wälzlagers einen Kontakt zu einem benachbarten Wälzkörper darstellen. Aus fertigungstechnischen Gründen kann es jedoch einfacher und kostengünstiger sein, den kompletten Wälzkörper mit einer einheitlichen Oberflächenbeschaffenheit zu versehen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform bestehen alle Wälzkörper aus dem gleichen Basiswerkstoff. Der Basiswerkstoff bezeichnet dabei das Material aus dem der Wälzkörper, abgesehen von einer möglichen Oberflächenbeschichtung, besteht. Vorzugsweise bestehen alle Wälzkörper aus Wälzlagerstahl (100Cr6).
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weisen Wälzkörper mit einer ersten Oberflächenbeschaffenheit haptische oder optische Erkennungsmerkmale gegenüber Wälzkörpern mit einer zweiten Oberflächenbeschaffenheit aufweisen. Zwar sind unterschiedliche Oberflächenbeschaffenheiten denkbar, die ohne weiteres z. B. optisch voneinander unterschieden werden können (z. B. schwarze Farbe einer brünierten Oberfläche). Unter Umständen ist es für einen Monteur jedoch zeitaufwendig bzw. schwierig die Wälzkörper mit den unterschiedlichen Oberflächenbeschaffenheiten entsprechend im Wälzlager anzuordnen. Erkennungsmerkmale erleichtern daher den Zusammenbau. Optische Erkennungsmerkmale können Markierungen an Stirnseiten und/oder den Laufbahnen sein. Haptische Erkennungsmerkmale können durch Vorsprünge und/oder Vertiefungen an Stirnseiten der Wälzkörper gebildet werden.
Grundsätzlich eignet sich die Erfindung zur Anwendung in jedem Wälzlagertyp. Am besten kommen die Vorteile jedoch zur Geltung in Wälzlagern, bei denen zwischen benachbarten Wälzkörpern ein verhältnismäßig großer Kontakt besteht. Demzufolge ist gemäß einer weiteren Ausführungsform das Wälzlager ein Rollenlager, da in diesem Fall ein Linienkontakt zwischen benachbarten Wälzkörpern vorliegt. Beispielsweise handelt es sich dabei um ein Radialzylinderrollenlager. Im Falle eines Radialzylinderrollenlagers stellen die Mantelflächen der Zylinderrollen jene Flächen dar, die sich im Betrieb gegenseitig kontaktieren und die daher unterschiedliche Oberflächenbeschaffenheiten aufweisen müssen.
In jedem Fall kann das erfindungsgemäße Wälzlager die gleichen Abmessungen aufweisen wie ein Standardlager oder Kataloglager. D. h. erfindungsgemäß kann auch ein bereits vorhandenes Wälzlager mit entsprechenden Wälzkörpern zu einem erfindungsgemäßen Wälzlager nachgerüstet werden.
Vorzugsweise wird das erfindungsgemäße Wälzlager dort eingesetzt, wo eine hohe Tragfähigkeit bei geringem Bauraum gefordert wird. Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist das Wälzlager als Getriebelager einer Windkraftanlage eingesetzt.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
Ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird anhand der beigefügten Figur erläutert.
Die Figur zeigt ein erfindungsgemäßes Wälzlager, nämlich ein Zylinderrollenlager.
Detaillierte Beschreibung der Zeichnung
Die einzige Figur zeigt ein Zylinderrollenlager 1 in einer senkrecht zu einer Lagerachse 2 stehenden Ebene.
Das Zylinderrollenlager 1 umfasst einen Innenring 3 mit einer Laufbahn 4 sowie einen Außenring 5 ebenfalls mit einer Laufbahn 6.
Auf den Laufbahnen 4, 6 rollen zylindrische Wälzkörper 7, 8 ab. Da es sich um ein käfigloses, also vollrolliges Zylinderrollenlager 1 handelt, kontaktieren sich jeweils zwei benachbarte Wälzkörper 7, 8 an einer Kontaktstelle 9.
Um die Reibung zwischen zwei benachbarten Wälzkörpern 7, 8 zu beeinflussen, insbesondere um die Gefahr eines adhäsiven Verschleißes durch die Kontaktstelle 9 zu verringern, weisen die Wälzkörper 7, 8 zwei unterschiedliche Oberflächenbeschaffenheiten auf. Somit kann ein Anschmieren und Fressen der Wälzkörpermantelflächen verhindert werden. Da es sich jedoch um metallische Wälzkörper 7, 8 handelt, ist weiterhin eine hohe Tragfähigkeit gewährleistet.
Eine erste Gruppe von Wälzkörpern 7 wurde brüniert, so dass diese Wälzkörper 7 eine Oberflächenbeschaffenheit eines brünierten Werkstückes aufweisen. Eine zweite Gruppe von Wälzkörpern 8 weist eine kohlenstoffbasierte Deckschicht auf (DLC). Diese beiden Oberflächenbeschaffenheiten können verhältnismäßig einfach und kostengünstig auf die Wälzkörper aufgebracht werden. Gegenüber einem Wälzlager mit kohlenstoffbasierten Deckschichten auf allen Wälzkörpern, ist das Wälzlager 1 außerdem wesentlich kostengünstiger, da nur halb so viele Wälzkörper diese in der Fertigung teure Deckschicht aufweisen.
Die Oberflächenbeschaffenheit eines jeden Wälzkörpers 7, 8 ist über die komplette Oberfläche des Wälzkörpers 7, 8 konstant.
Die zweite Gruppe Wälzkörper 8 weist – in der Figur nicht sichtbare – optische Erkennungsmerkmale an den Stirnseiten auf.
Bezugszeichenliste

1: Zylinderrollenlager
2: Lagerachse
3: Innenring
4: Laufbahn
5: Außenring
6: Laufbahn
7: Wälzkörper
8: Wälzkörper
9: Kontaktstelle

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 19729450 A1 [0005]
DE 19612571 A1 [0006]

Claims

Käfigloses Wälzlager, umfassend eine Vielzahl von zwischen zwei Laufbahnen (4, 6) abrollenden, metallischen Wälzkörpern (7, 8), dadurch gekennzeichnet, dass zwei benachbarte Wälzkörper (7, 8) an sich kontaktierenden Oberflächen eine unterschiedliche Oberflächenbeschaffenheit aufweisen.
Wälzlager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenbeschaffenheit einer Oberflächenrauhigkeit, einer Beschichtung, einer thermischen Oberflächenbehandlung und/oder einer Oberflächenhärte entspricht.
Wälzlager nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Wälzkörper (7, 8) brüniert ist und ein benachbarter Wälzkörper (7, 8) eine kohlenstoffbasierte Deckschicht aufweist.
Wälzlager nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Wälzkörper (7, 8) auf seiner gesamten Oberfläche die gleiche Oberflächenbeschaffenheit aufweist.
Wälzlager nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass insgesamt für alle Wälzkörper (7, 8) zwei Oberflächenbeschaffenheiten eingesetzt werden, wobei die Wälzkörper alternierend die zwei Oberflächenbeschaffenheiten aufweisen.
Wälzlager nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass alle Wälzkörper (7, 8) aus dem gleichen Basiswerkstoff bestehen.
Wälzlager nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Wälzkörper (7) mit einer ersten Oberflächenbeschaffenheit haptische oder optische Erkennungsmerkmale gegenüber Wälzkörpern (8) mit einer zweiten Oberflächenbeschaffenheit aufweisen.
Wälzlager nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Wälzlager ein Rollenlager ist.
Wälzlager nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Wälzlager als Getriebelager einer Windkraftanlage eingesetzt ist.