DE102010026008A1

DE102010026008A1 - Wälzkörperkäfig sowie Windkraftanlage mit einem Lager mit diesem Wälzkörperkäfig

Info

Publication number: DE102010026008A1
Application number: DE102010026008A
Authority: DE
Inventors: Robert Godau; Dirk Holweger; Udo Mattenheimer; Wolfgang Klinger
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2010-07-03
Filing date: 2010-07-03
Publication date: 2012-01-05

Abstract

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, neue Anwendungsgebiete für Wälzkörperkäfige zu erschließen. Hierzu wird ein Wälzkörperkäfig für eine Mehrzahl von Wälzkörpern mit zwei Metallringen 1 und mit einer Mehrzahl von Stegeinsätzen 3 aus Kunststoff vorgeschlagen, welche zwischen den Metallringen 1 so angeordnet sind, dass sich Taschen für die Wälzkörper bilden, wobei die Metallringe als Käfigscheiben 1 ausgebildet sind.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft einen Wälzkörperkäfig für eine Mehrzahl von Wälzkörpern mit zwei Metallringen und mit einer Mehrzahl von Stegeinsätzen aus Kunststoff, welche zwischen den Metallringen so angeordnet sind, dass sich Taschen für die Wälzkörper bilden. Die Erfindung betrifft auch eine Windkraftanlage mit einem Lager, das einen derartigen Wälzkörperkäfig aufweist.
Wälzkörperlager bestehen bei vielen Bauformen aus einem Außenring, einem Innenring und einer Mehrzahl von Wälzkörpern, die zwischen Außenring und Innenring abwälzen. Zur Führung der Wälzkörper sind oftmals Käfige vorgesehen. Es sind verschiedene Bauformen von derartigen Käfigen bekannt, so gibt es beispielsweise Blechkäfige, Massivkäfige, Kunststoffkäfige etc. In vielen Bauformen weisen die Käfige Taschen für die Wälzkörper auf, so dass diese zueinander getrennt geführt werden.
In der Druckschrift DE 107 98 99 , die wohl den nächstkommenden Stand der Technik bildet, wird ein Käfig für Rollkörper in einem Wälzlager vorgeschlagen. Der Käfig weist eine Mehrzahl von Einzelelementen aus Kunststoff auf, die die Taschen für die Rollkörper bilden. Die Einzelelemente werden durch zwei randseitige Metallringe zusammengehalten, wobei es sich aus den Figuren ergibt, dass die Metallringe aus einem dünnen Blech gefertigt sind, die die Einzelelemente aus Kunststoff u-förmig umklammern, um diese zu fixieren.
Beschreibung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, neue Anwendungsgebiete für Wälzkörperkäfige zu erschließen.
Diese Aufgabe wird durch einen Wälzkörperkäfig mit den Merkmalen des Anspruches 1 sowie durch die Windkraftanlage mit den Merkmalen des Anspruches 11 gelöst. Bevorzugte oder vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung sowie den beigefügten Figuren.
Im Rahmen der Erfindung wird ein Wälzkörperkäfig für ein Wälzkörperlager vorgeschlagen, wobei das Wälzkörperlager vorzugsweise als ein Rollenlager, insbesondere als ein Zylinderrollenlager ausgebildet ist. Insbesondere ist das Wälzkörperlager als ein Radiallager ausgebildet. In der einfachsten Variante der Erfindung ist der Wälzkörperkäfig einreihig ausgeführt, bei abgewandelten Ausführungsformen kann der Wälzkörperkäfig auch mehrreihig realisiert sein.
Der Wälzkörperkäfig umfasst zwei Metallringe sowie eine Mehrzahl von Stegeinsätzen aus Kunststoff, wobei die Stegeinsätze zwischen den Metallringen so angeordnet sind, dass sich Taschen für die Wälzkörper bilden. Die Stegeinsätze bilden insbesondere Querstege in dem Wälzkörperkäfig und dienen zur Führung und/oder Beabstandung der Wälzkörper in dem Wälzkörperlager.
Im Rahmen der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die Metallringe als Käfigscheiben ausgebildet sind. Vorzugsweise sind die Käfigscheiben flach und/oder eben ausgebildet und/oder erstrecken sich nur in einer Ebene. Die Käfigscheiben sind insbesondere als ebene Ringscheiben ausgebildet. Beispielsweise sind die Käfigscheiben aus einem Blech als Halbzeug trennend herausgearbeitet worden. Insbesondere sind die Käfigscheiben als Ringscheiben mit einem umlaufenden Ringbereich und/oder mit einem freiem Innenbereich ausgebildet.
Ein derartiger Wälzkörperkäfig hat den Vorteil, dass die Käfigscheiben in Bezug auf die Blechdicke sehr stark ausgeführt werden können, da diese zur Befestigung der Stegeinsätze nicht umgeformt werden müssen – wie es beispielsweise aus dem Stand der Technik bekannt ist. Zudem sind die Käfigscheiben sehr einfach bei zugleich niedrigen Fertigungskosten herstellbar. Die Käfigscheiben sind vorzugsweise aus einem Stahl, insbesondere einem Baustahl, zum Beispiel St 52-3, gefertigt. Dieser Werkstoff ist im Vergleich zu anderen Werkstoffen, wie z. B. Messing, kostengünstig. Die Stegeinsätze können dagegen z. B. aus Polyamid oder PEEK (Polyetheretherketon) oder einem anderen Polyaryletherketone gefertigt sein. Insbesondere ist es bevorzugt, wenn der Kunststoff temperaturverträglich und/oder ölverträglich ausgebildet ist.
Der Vorteil dieses aus Kunststoff und Metall bestehenden Hybridkäfigs ist darin zu sehen, dass die Bereiche mit dem größten Kontakt, nämlich dem Kontakt der Wälzkörper mit den Querstegen, unter Umständen aufgrund des Kunststoffes der Stegeinsätze reibungsreduziert ist. Die Stabilität des Wälzkörperkäfigs ist dagegen durch die Käfigscheiben gewährleistet. Ein weiterer Vorteil kann eine Gewichtsersparnis des erfindungsgemäßen Wälzkörperkäfigs im Gegensatz zu einem massiven Wälzkörperkäfig sein.
Besondere Vorteile werden bei der Erfindung erreicht, wenn das Konzept für einen Wälzkörperkäfig mit einem Teilkreisdurchmesser größer als 1000 mm, vorzugsweise größer als 1200 mm und insbesondere größer als 1500 mm eingesetzt wird. Bei derartigen Wälzkörperkäfigen für Großlager kann die Eigenstabilität durch die massiven Käfigscheiben sichergestellt und die Wettbewerbsfähigkeit hinsichtlich der Kosten durch die Materialwahl für die Käfigscheiben erreicht werden.
Bei einer besonders bauraumsparenden oder kostengünstigen Version des Wälzkörperkäfigs ist dieser so ausgelegt, dass die Wälzkörper stirnseitig an die Käfigscheiben anlaufen können und/oder dass die Stegeinsätze die Wälzkörper nur in umlaufender und/oder in radialer Richtung führen. Insbesondere weisen die Stegeinsätze keine Mittel zur Führung der Wälzkörper in Axialrichtung auf. In dieser Version können die Stegeinsätze auf die Querstegbereiche beschränkt werden, so dass zum einen der Wälzkörperkäfig in axialer Richtung schmal baut und zum anderen die Stegeinsätze ein geringes Volumen sowie eine geringe Bauteilkomplexität aufweisen.
Zur Fixierung der Stegeinsätze in Umlaufrichtung ist es bevorzugt, wenn die Stegeinsätze auf jeder Stirnseite einen Fortsatz aufweisen, der in eine Aufnahme in der Käfigscheibe eingreift. Durch die formschlüssige Kopplung in Umlaufrichtung zwischen Stegeinsatz und Käfigscheibe ist sichergestellt, dass die Stegeinsätze mit den Käfigscheiben rotieren und gegen ein Lösen gesichert sind.
Eine mögliche Ausführungsvariante sieht vor, dass der Fortsatz als ein Stiftfortsatz ausgebildet ist, der in eine Aufnahmebohrung in der Käfigscheibe eingreift. Besonders bevorzugt ist der Stiftfortsatz bezüglich seiner Längserstreckung rotationssymmetrisch ausgebildet, so dass er in der Aufnahmebohrung prinzipiell drehbar wäre. Allerdings ist vorzugsweise durch andere Mittel sichergestellt, dass eine derartige Verdrehung des Stegeinsatzes nicht stattfindet.
Bei einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist nämlich vorgesehen, dass der Stegeinsatz einen Ringbereich der Käfigscheibe beidseitig, z. B. u-förmig umgreift. Der Stegeinsatz weist somit einen radial äußeren Absatz, der den Ringbereich der Käfigscheibe radial außen übergreift, und/oder einen radial inneren Absatz auf, der den Ringbereich der Käfigscheibe radial innen umgreift. Die Absätze sind dabei so ausgeführt, dass der Stegeinsatz gegen ein Verdrehen um den Fortsatz, insbesondere um den Stiftfortsatz, gesichert ist.
Bei einer möglichen konstruktiven Realisierung der Erfindung weist der Stegeinsatz auf der Stirnseite eine Nut auf, welche in Umlaufrichtung der Käfigscheibe verläuft und in die die Käfigscheibe eingelegt ist. Insbesondere ist in der Nut der Fortsatz angeordnet.
Um eine verliersichere Montage des Wälzkörperkäfigs zu erreichen, ist es bevorzugt, wenn die Stegeinsätze mit der Käfigscheibe verbunden sind. Eine Möglichkeit ist dabei, dass der Stegeinsatz die aufgenommene Käfigscheibe formschlüssig gegen eine Demontage sichert. Z. B. kann der Stegeinsatz auf die Käfigscheibe aufgeclipst oder aufgeschnappt sein. Hierzu kann es sich anbieten, Schnappnasen auf dem Stegeinsatz anzuformen, die beispielsweise auf den Absätzen des Stegeinsatzes positioniert sind.
Bei einer möglichen Ausführungsform der Erfindung sind die Seitenflächen des Stegeinsatzes im radial äußeren Bereich gegenüber dem radial inneren Bereich abgewinkelt oder gekrümmt ausgebildet, so dass die Wälzkörper vor einem Herausfallen in der radialen Außenrichtung gesichert sind.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung betrifft eine Windkraftanlage mit einem Lager zur Lagerung des Rotors oder zur Lagerung eines Planetenträgers in einem Getriebe, wobei das Lager einen Wälzkörperkäfig nach einem der vorhergehenden Ansprüche bzw. wie es zuvor beschrieben wurde, aufweist. Das Lager kann somit als eine Hauptlagerung oder Rotorlagerung ausgebildet sein, welche üblicher Weise einen sehr großen Teilkreisdurchmesser aufweisen. Gerade in dieser Ausführung hat der erfindungsgemäße Hybridkäfig große Kostenvorteile gegenüber den ansonst üblich verwendeten Messingkäfigen.
In einer anderen Ausführungen kann das Lager auch in einem Planetengetriebe, insbesondere als Planetenträgerlager eingesetzt sein. Das Planetengetriebe dient bei der Windkraftanlage zur Umsetzung des Drehmoments des Rotors auf eine Abtriebswelle. Diese Ausführung ist besonders bevorzugt, da bei vielen Windkraftanlagenkonzepten die Belastungen des Planetenträgers und damit des Hybridkäfigs im Vergleich zu der Ausführung in der Hauptlagerung oder Rotorlagerung gering sind.
Weitere Merkmale, Vorteile und Wirkungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung sowie den beigefügten Figuren. Dabei zeigen:
1 eine schematische axiale Draufsicht auf eine Käfigscheibe eines Wälzkörperkäfigs als ein Ausführungsbeispiel der Erfindung;
2 einen schematischen Längsschnitt durch die Käfigscheibe in der 1;
3 eine schematische dreidimensionale Darstellung eines Stegeinsatzes für die Käfigscheibe in den vorhergehenden Figuren.
Die 1 zeigt in einer schematischen axialen Draufsicht einen Ausschnitt einer Käfigscheibe 1 eines Wälzkörperkäfigs für ein Radiallager.
Die Käfigscheibe 1 weist einen Teilkreisdurchmesser D von größer 1500 mm auf. Die Dicke d in axialer Richtung ist mit 10 mm bis 20 mm, insbesondere mit 15 mm bemessen, so dass die Käfigscheibe 1 eine ausreichende Eigenstabilität aufweist. Als Material für die Käfigscheibe 1 wurde Baustahl, in diesem Beispiel St 52-3, gewählt. In Umlaufrichtung sind Durchgangsbohrungen 2 in axialer Richtung angeordnet, deren Zweck später noch erläutert wird. Beispielsweise sind die Durchgangsbohrungen in einem Abstand von 6° angeordnet.
Wie sich insbesondere aus der 2 ergibt, die einen schematischen Längsschnitt durch die Drehachse der Käfigscheibe 1 zeigt, sind die Randbereiche der Käfigscheibe 1 sowie der Durchgangsbohrung 2 angefasst. Der Durchmesser der Durchgangsbohrung beträgt beispielsweise 10 mm. Die Käfigscheibe ist als eine flache oder ebene Ringscheibe ausgebildet.
Die 3 zeigt in einer stark schematischen und leicht verzerrten dreidimensionalen Darstellung einen Stegeinsatz 3, der als Quersteg zwischen zwei der Käfigscheiben 1 der vorhergehenden Figuren eingesetzt werden kann, so dass sich zwischen den Querstegen Taschen für Wälzkörper ergeben. Der Stegeinsatz 3 ist aus einem Kunststoff, z. B. Polyamid, gefertigt.
An der Stirnseite zeigt der Stegeinsatz 3 einen Stiftfortsatz 4, welcher vom Durchmesser an die Durchgangsbohrungen 2 angepasst ist, welche den Stiftfortsatz 4 im montierten Zustand aufnimmt. Der Stiftfortsatz 4 ist in einem stirnseitigen Nutbereich 5 des Stegeinsatzes 3 angeordnet, dessen Breite in radialer Richtung der Breite der Käfigscheibe 1 ebenfalls in radialer Richtung entspricht und diese im montierten Zustand aufnimmt. Um eine verliersichere Montage zu erreichen, sind an den Nutwänden Schnappbereiche 6 angeformt, die die Käfigscheibe 1 nach erfolgter Montage in dem Nutbereich 5 zurückhalten. Bei der Montage wird der Stegeinsatz 3 auf die Käfigscheibe 1 aufgeclipst. Der Nutbereich 5 stellt durch die formschlüssige Aufnahme der Käfigscheibe 1 sicher, dass der Stegeinsatz 3 im Betrieb nicht um die Längserstreckung des Stiftfortsatzes 4 oder in anderer Weise verkippen kann.
In axialer Richtung weist der Stegeinsatz 3 eine Länge zwischen 70 mm und 140 mm, in diesem Beispiel von ca. 90 mm auf. Die Breite in Umlaufrichtung ist zwischen 10 mm und 50 mm, in diesem Beispiel mit 25 mm gewählt.
Die den Wälzkörpern zugewandte Seitenflächen 7 bilden Führungsflächen für die Wälzkörper. Die Seitenflächen 7 zeigen in radialer Erstreckung z. B. eine konkave Krümmung, so dass der Wälzkörper radial außen etwas übergriffen wird.
Der durch die zwei Käfigscheiben 1 und eine Mehrzahl der Stegeinsätze 3 gebildete Wälzkörperkäfig wird beispielsweise zur Lagerung eines Planetenträgers in einem Planetengetriebe zur Umwandlung eines hohen Drehmoments und geringer Drehzahl von einem Rotor einer Windkraftanlage zu einem Generator mit relativ geringem Drehmoment und hoher Drehzahl eingesetzt. Insbesondere weisen die Planetenträgerlager oft einen großen Teilkreisdurchmesser auf, wobei in manchen Ausführungsformen aber keine zu große Belastbarkeit verlangt wird, so dass z. B. statt eines konventionellen Messingkäfigs, welcher sehr aufwändig herzustellen ist, der wesentlich kostengünstigere Hybridkäfig gemäß der Erfindung eingesetzt werden kann.
Bezugszeichenliste

1: Käfigscheibe
2: Durchgangsbohrung
3: Stegeinsatz
4: Stiftfortsatz
5: Nutbereich
6: Schnappbereiche
7: Seitenflächen

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 1079899 [0003]

Claims

Wälzkörperkäfig für eine Mehrzahl von Wälzkörpern mit zwei Metallringen (1) und mit einer Mehrzahl von Stegeinsätzen (3) aus Kunststoff, welche zwischen den Metallringen (1) so angeordnet sind, dass sich Taschen für die Wälzkörper bilden, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallringe als Käfigscheiben (1) ausgebildet sind.
Wälzkörperkäfig nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der oder die Käfigscheibe(n) (1) flach und/oder eben ausgebildet ist bzw. sind.
Wälzkörperkäfig nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Wälzkörperkäfig einen Teilkreisdurchmesser größer als 1000 mm, vorzugsweise größer als 1200 mm und insbesondere größer als 1500 mm aufweist.
Wälzkörperkäfig nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wälzkörper stirnseitig an die Käfigscheiben (1) anlaufen und/oder dass die Stegeinsätze (3) die Wälzkörper nur in umlaufender und/oder in radialer Richtung führen.
Wälzkörperkäfig nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stegeinsätze (3) auf jeder Stirnseite einen Fortsatz (4) aufweisen, der in eine Aufnahme (2) in der Käfigscheibe (1) eingreift.
Wälzkörperkäfig nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Fortsatz als ein Stiftfortsatz (4) ausgebildet ist, der in eine Aufnahmebohrung (2) der Käfigscheibe (1) eingreift.
Wälzkörperkäfig nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stegeinsatz (3) die Käfigscheibe (1), insbesondere einen Ringbereich der Käfigscheibe (1), beidseitig umgreift.
Wälzkörperkäfig nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stegeinsatz (3) an der Stirnseite eine Nut (5) aufweist, in die die Käfigscheibe (1) eingelegt ist.
Wälzkörperkäfig nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stegeinsatz (3) auf die Käfigscheibe (1) aufgeclipst und/oder aufgeschnappt ist.
Wälzkörperkäfig nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Seitenflächen des Stegeinsatzes (3) als Führungsflächen für die Wälzkörper ausgebildet sind.
Windkraftanlage mit einem Lager zur Lagerung des Rotors oder zur Lagerung eines Planetenträgers in einem Getriebe, dadurch gekennzeichnet, dass das Lager einen Wälzkörperkäfig nach einem der vorhergehenden Ansprüche aufweist.