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WO2008116443A1 - Wälzlager - Google Patents

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WO2008116443A1
WO2008116443A1 PCT/DE2008/000449 DE2008000449W WO2008116443A1 WO 2008116443 A1 WO2008116443 A1 WO 2008116443A1 DE 2008000449 W DE2008000449 W DE 2008000449W WO 2008116443 A1 WO2008116443 A1 WO 2008116443A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
bearing
ring
recess
rolling
elastic element
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/DE2008/000449
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Arnd Heeg
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
IHO Holding GmbH and Co KG
Original Assignee
Schaeffler KG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Schaeffler KG filed Critical Schaeffler KG
Publication of WO2008116443A1 publication Critical patent/WO2008116443A1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
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    • F16C25/00—Bearings for exclusively rotary movement adjustable for wear or play
    • F16C25/06—Ball or roller bearings
    • F16C25/08—Ball or roller bearings self-adjusting
    • F16C25/083—Ball or roller bearings self-adjusting with resilient means acting axially on a race ring to preload the bearing
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F16C27/00—Elastic or yielding bearings or bearing supports, for exclusively rotary movement
    • F16C27/06—Elastic or yielding bearings or bearing supports, for exclusively rotary movement by means of parts of rubber or like materials
    • F16C27/066—Ball or roller bearings
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    • F16C19/02—Bearings with rolling contact, for exclusively rotary movement with bearing balls essentially of the same size in one or more circular rows
    • F16C19/04—Bearings with rolling contact, for exclusively rotary movement with bearing balls essentially of the same size in one or more circular rows for radial load mainly
    • F16C19/06—Bearings with rolling contact, for exclusively rotary movement with bearing balls essentially of the same size in one or more circular rows for radial load mainly with a single row or balls
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
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    • F16C19/16—Bearings with rolling contact, for exclusively rotary movement with bearing balls essentially of the same size in one or more circular rows for both radial and axial load with a single row of balls
    • F16C19/163—Bearings with rolling contact, for exclusively rotary movement with bearing balls essentially of the same size in one or more circular rows for both radial and axial load with a single row of balls with angular contact
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    • F16C19/543—Systems consisting of juxtaposed rolling bearings including at least one angular contact bearing with two rolling bearings with angular contact in O-arrangement

Definitions

  • the invention relates to a rolling bearing with at least one bearing ring, rolling on the running surface rolling elements.
  • Rolling bearings are known in a variety of embodiments (see for example DE 4221 802 A1, DE 28 33 769 C2) and proven.
  • a roller bearing comprises a number of rolling elements, which may be formed, for example, as balls, cylindrical rollers, needle rollers, tapered rollers or barrel rollers.
  • the rolling elements allow a rotational relative movement by being mounted on an inner race, e.g. in the bearing inner ring, and an outer tread, e.g. in the bearing outer ring, unroll.
  • the rolling elements are usually fixed in a cage.
  • spring elements in the form of e.g. Wellfedern or star springs are provided.
  • the roller bearings are subjected to an axial pretensioning force, so that the rolling elements perform a correct rolling movement independently of the operating situation on the assigned running surfaces.
  • spring elements can by design only partially apply relatively low spring forces. As a result, it is not guaranteed in every operating situation that no slippage of the rolling elements occurs.
  • an object of the present invention is to provide a rolling bearing which is reliably protected against slippage of the rolling elements in the load-free state with minimal axial space requirement and is optimized with regard to the external sealing with simple means.
  • the rolling bearing according to the invention comprises at least one bearing ring (the inner or outer ring), which has a recess which has a lateral opening. Inserted into the recess is an elastic element which is so dimensioned and protrudes axially out of the opening in such a way that it exerts a defined axial preload force on the bearing ring of the correspondingly designed mounting in the installed state by compression.
  • the flow of power via the elastic element, the bearing ring, the rolling elements and other components such as a second storage up to a corresponding mechanical abutment.
  • the bearing is advantageously provided with an integral pretensioning device, which is supported and compressed depending on the specific installation position and thus produces the desired axial pretensioning force.
  • Another significant advantage of the invention is that by the placement of the elastic element in the bearing-side recess no - apart from a slight protrusion of the elastic element out of the recess - additional axial space is required.
  • the rolling bearing according to the invention is characterized by a very compact design and yet is reliably protected by the integrated biasing device against unwanted slippage in load-free operating condition.
  • the prestressed elastic element additionally exerts a sealing function depending on the installation situation.
  • the elastic element fulfills a dual function and provides an integral outer seal, which is realized without additional space and advantageously without additional processing of corresponding components, such as bearing caps or the like.
  • the recess can also in mass-produced bearings in one complementary manufacturing step can be produced with relatively little effort.
  • the elastic element is an O-ring.
  • O-rings are available as standard components in a variety of designs. O-rings have inherently outstanding sealing properties, which in the context of the present invention mate with the spring-force-generating properties provided according to the invention.
  • FIG. 2 shows two roller bearings according to the invention in a floating bearing
  • FIG. 3 shows a roller bearing according to the invention in a vertical-rotor construction
  • FIG. 4 shows an inventive rolling bearing in installation combination with an angular contact ball bearing
  • FIG. 5 shows two roller bearings according to the invention in the so-called O arrangement
  • FIG. 6 shows two roller bearings according to the invention in the so-called X arrangement
  • FIG. 7 shows by way of example the determination of the total pressing force of an O
  • FIG. 8 shows examples of the size of the pressing force of O-rings as a function of the ring cross-section and of the material for 10% and 20% cross-sectional compression.
  • FIG. 1 shows a schematic diagram of a fixed / loose bearing of an end 1 of a shaft 2.
  • the inner ring 5 of a rolling bearing (deep groove ball bearing) 6 according to the invention is slipped onto a shaft shoulder 4.
  • rolling elements 9 held in a bearing cage roll off in the form of bearing balls.
  • the outer ring 10 of the rolling bearing 6 is held axially displaceable by a suitable choice of fit in a bore 12 of a bearing housing 14.
  • the rolling elements 9 roll on the running surface 15 of the outer ring 10.
  • the shoulder-remote area 18 of the shaft end 1 is mounted in a manner known per se with a deep groove ball bearing designed as a fixed bearing 20 with an inner 21 and an outer bearing ring 22.
  • the outer bearing ring 22 is held axially fixed in the bore 12 of the bearing housing 14 with a snap ring.
  • the two bearing inner rings 5, 21 are fixed on the shaft axially on the shaft shoulder 4, an intermediate ring 23 and a screwed to the shaft end cover.
  • the outer ring 10 is provided with a circumferential recess 24, which may be produced for example by twisting off a standard outer ring. This has the advantage that the present invention can be readily implemented in standard components or standard rolling bearings.
  • the recess could - depending on the thickness of the bearing ring, in which it is to be introduced - are turned as Einstechnut, which can still form an axial web to the lateral surface 27 of the bearing ring 10.
  • the groove is dimensioned in its width so that it ends straight on the lateral surface 27. It thus forms the recess 24 formed in the form of a shoulder, which thus has an opening 30 towards the axial end face 29 of the roller bearing 6.
  • an elastic element 32 in the form of a circumferential ring preferably an O-ring used.
  • the O-ring holds with appropriate dimensioning due to its residual stress in the recess and advantageously forms with the other components of the rolling bearing 6 a structural unit.
  • the bearing housing 14 is closed by a fixed by not shown screws bearing cap 38.
  • the bearing cap exerts on the elastic element 32 a force acting in the axial direction A from.
  • the elastic element (O-ring cross-section) is dimensioned so that it has a cross-sectional compression in the assembled state, which is not more than 30% even under unfavorable operating conditions. Unfavorable operating conditions can then occur when due to relative thermal movements and changes in length of the shaft 2 with respect to the bearing housing 14, the proposed axial gap 40 between the end face 29 of the rolling bearing and the inside of the bearing cap 38 is minimized.
  • the cross-sectional compression of the elastic member 32 should not exceed 30% due to the geometric configuration of the groove.
  • An essential aspect of the invention is that the elastic member 32 as described above exerts an axial bias on the outer ring 10, starting from him, a power flow through the rolling elements 9, the inner ring 5, the intermediate ring 23, the inner ring 21 and again over the rolling elements extends to the outer ring 22, in which the element 32 fulfills a spring function.
  • the elastic member 32 in dual function also exerts an excellent sealing effect to the bearing cap 38 (sealing function). Both of these functions are realized without significant increase in the axial space requirement.
  • FIGS. 2 to 6 illustrate the versatility of the possible applications of the roller bearing according to the invention, which basically has the configuration described in detail in connection with FIG. 1 in the variant embodiments.
  • Figure 2 shows a schematic diagram of a floating bearing with two rolling bearings 6 (deep groove ball bearings) according to the invention, which are arranged mirror-symmetrically and are held with their respective outer ring 10 in the bore 12 of the bearing housing 14. Both outer rings 10 can move in the axial direction A and are mutually provided in the manner described above with an elastic element 32 which is inserted into the circumferential recess 24.
  • FIG. 3 shows the use of a roller bearing 6 according to the invention in a vertical-rotor construction shown in principle.
  • the axial forces are absorbed by an angular contact ball bearing 50.
  • the angular contact ball bearing is designed radially free by a circumferential radial gap 51, so that when radial relief designed as a deep groove ball bearing according to the invention rolling bearing 6 could get into the undesirable slip run.
  • a height h of, for example, also 2.25 mm see Figure 1
  • an O-ring is used as the elastic element 32.
  • the outer ring 10 undergoes an axial bias in the vertical direction V, which is generated via the screwed-housing cover 53 via the outer ring 54 of the angular contact ball bearing 50 on the elastic member 32.
  • V vertical direction
  • the respective inner ring 5, 55 and the associated outer ring 10, 54 which permits sufficient compression of the elastic element 32.
  • a gap 40 between the outer ring 10 and another bearing cap 58 is provided.
  • Figure 4 shows a schematic diagram of a one-sided axial load and separate load bearing by a rolling bearing 6 according to the invention and a conventional angular contact ball bearing 60, which is held radially free by an axial gap 61 with its outer ring 62.
  • a risk of slippage of the angular contact ball bearing with axial relief is the bearing in a centrifugal pump, which has a high axial load in operation, which is taken up by the angular contact ball bearing in operation.
  • switching off the centrifugal pump operating conditions may occur in which the angular contact ball bearings is relieved and thus exposed to a risk of slipping.
  • Figure 5 shows an arrangement with two rolling bearings 70 according to the invention, which are each designed as angular contact ball bearings with defined ring projection between the bearing inner ring and bearing outer ring.
  • At least one outer ring 71 has a recess 72, which is introduced as a circumferential groove in the wider side (on-board side) 73 and in principle the same manner as described above repeatedly receives an elastic element 74 in the form of an O-ring 75.
  • the two bearings 70 are with respect to their Installation position in the so-called O-arrangement mounted (wide outer ring sides 73 are mutually), the inner rings 77 are axially braced against each other on the shaft 78. In this arrangement, there is a risk of slipping in operating conditions with very low external loads.
  • Figure 6 shows a schematic diagram of an arrangement of two designed as angular contact ball bearings according to the invention in a so-called X-arrangement.
  • the bearings 70 correspond to the roller bearings described in FIG. 5, but in the installation situation according to FIG. 6, the respective broad sides (on-board sides) 73 of the angular contact ball bearings 70 are oriented outward.
  • the recesses 72 introduced there into the outer ring 71 are oriented such that their openings 76 face the bearing caps 84, 85, ie are oriented laterally outward.
  • the bearing covers 84, 85 due to their screw connection with the bearing housing 88 in cooperation with the defined gap 86, respectively exert inwardly directed biasing forces F 3 , F 4 on the elastic elements 74 and O-rings 75.
  • a shim 90 of defined thickness is inserted between the inner rings 89 of the two rolling bearings 70. This allows the necessary displacement of the outer ring to ensure a slip-free run even at high axial load. If there is only one Axiallastides, also a conventional rolling bearing can be used for the always loaded thrust bearing.
  • FIG. 7 shows the determination of the total compressive force of a commercially available O-ring based on FIG. 8.
  • an O-ring with an inner ring diameter of 134 mm and a ring cross-section of 3 mm, material NBR 72 has been used (in the example: Freudenberg Simrit KG, article designation O-ring NBR72Shore14452146).
  • the resulting total force as a function of the respective spring stiffness (applied linear profile) or pressing force is shown for different cross-sectional crimpings (indicated in% of the cross-sectional area or in mm).
  • FIG. 8 schematically shows the size of the pressing force in N / cm of O-rings as a function of the ring cross-section and of the material for 10% (solid line) and 20% (dashed line) cross-sectional compression (source: Freudenberg Simrit KG).
  • the rolling bearing according to the invention using standard bearings with simple mechanical processing - for example, a cheap turning for grooving the groove on the bearing ring face or the turning off a corresponding paragraph - can be produced.
  • Another advantage is that the bearings prepared in this way could also be used elsewhere without a spring-elastic element being inserted into the recess. It would be conceivable to use the recess, for example, for a snap ring, which then fixes the outer ring in the axial direction in a particularly space-saving manner.
  • the antifriction bearing according to the invention is distinguished by a reduced axial space requirement, in spite of its additional features that are outstanding over the prior art (avoidance of slippage and integrated sealing function).

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Rolling Contact Bearings (AREA)

Abstract

Ein Wälzlager (6) hat Lagerringe (5, 10), auf deren Laufflächen (7, 15) Wälzkörper (9) abrollen. Dieses Wälzlager soll bei minimiertem axialen Bauraumbedarf gegen Schlupf der Wälzkörper im lastfreien Betriebszustand zuverlässig geschützt und hinsichtlich der Außenabdichtung mit einfachen Mitteln optimiert sein. Dazu ist vorgesehen, dass der Lagerring (5, 10) mit einer maßlich abgestimmten Ausnehmung (24) versehen ist, die eine seitliche Öffnung (30) hat. In die Ausnehmung (24) ist ein elastisches Element (32) eingebracht, das so bemessen ist und so weit aus der Öffnung (30) axial hervorsteht, dass es durch Kompression im Einbauzustand eine axiale Vorspannkraft (F) auf einen Lagerring (10; 54) im Zusammenspiel mit dem Gegenlager und /oder der Umgebungskonstruktion erzeugt.

Description

Bezeichnung der Erfindung
Wälzlager
Beschreibung
Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Wälzlager mit mindestens einem Lagerring, auf dessen Lauffläche Wälzkörper abrollen.
Wälzlager sind in einer Vielzahl von Ausführungsformen bekannt (siehe beispielsweise DE 4221 802 A1 ; DE 28 33 769 C2) und bewährt. In seinem grundsätzlichen Aufbau umfasst ein Wälzlager eine Anzahl von Wälzkörpern, die beispielsweise als Kugeln, Zylinderrollen, Nadelrollen, Kegelrollen oder Tonnenrollen ausgebildet sein können. Die Wälzkörper ermöglichen eine rotatorische Relativbewegung dadurch, dass sie auf einer inneren Lauffläche, z.B. im Lagerinnenring, und einer äußeren Lauffläche, z.B. im Lageraußenring, abrollen. Die Wälzkörper werden meist in einem Käfig fixiert.
Bei Wälzlagern besteht ein im Betrieb auftretendes Problem darin, dass zuweilen keine ausreichende Lastbeaufschlagung der Wälzkörper durch äußere Kräfte vorliegt. In diesen Betriebszuständen rollen die Wälzkörper bei entsprechend hoher Betriebsdrehzahl des Lagers nicht ideal auf der jeweiligen Lauffläche ab, sondern gleiten in teilweise Undefinierter Relativbewegung auf der jeweiligen Lauffläche - nachfolgend auch als (lastfreier) Schlupflauf bezeichnet. Bei dann einsetzender erneuter Belastung besteht die Gefahr, dass die Wälzkörper den Schmierfilm durchschlagen, was zu Lagerschädi- gungen führen kann. Außerdem treten beim Schlupflauf erhöhte Geräuschentwicklungen auf.
Zur Vermeidung dieser Betriebszustände können insbesondere bei Rillenkugellagern oder Schrägkugellagern, wie sie üblicherweise im Elektromotoren- bereich, beim Lüfterbau, beim Pumpenbau und im allgemeinen Maschinenbau Anwendung finden, Federelemente in Form von z.B. Wellfedern oder Sternfedern vorgesehen werden. Durch diese Federn werden die Wälzlager mit einer axialen Vorspannkraft beaufschlagt, so dass die Wälzkörper betriebssituationsunabhängig eine korrekte Abrollbewegung auf den zuge- ordneten Laufflächen ausführen.
Hierbei ist allerdings ein zusätzlicher axialer Bauraum erforderlich. Zudem können Federelemente konstruktionsbedingt zum Teil nur vergleichsweise geringe Federkräfte aufbringen. Dadurch ist nicht in jeder Betriebssituation gewährleistet, dass kein Schlupflauf der Wälzkörper auftritt.
Vor diesem Hintergrund besteht eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung in der Schaffung eines Wälzlagers, das bei minimiertem axialen Bauraumbedarf gegen Schlupf der Wälzkörper im lastfreien Zustand zuverlässig ge- schützt ist und hinsichtlich der Außenabdichtung mit einfachen Mitteln optimiert ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Wälzlager mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Demgemäß umfasst das erfindungsgemäße Wälzlager mindestens einen Lagerring (den Innen- oder Außenring), der eine Ausnehmung aufweist, die eine seitliche Öffnung hat. In die Ausnehmung eingebracht ist ein elastisches Element, das so bemessen ist und derart aus der Öffnung axial hervorsteht, dass es im Einbauzustand durch Kompression eine definierte axiale Vorspannkraft auf den Lagerring der entsprechend ausgeführten Lagerung ausübt. Dabei verläuft natürlich der Kraftfluss über das elastische Element, den Lagerring, die Wälzkörper und weitere Komponenten z.B. einer zweiten Lagerung bis zu einem entsprechenden mechanischen Gegenlager.
Durch das in die umlaufende Ausnehmung eingesetzte elastische Element ist das Lager vorteilhafter Weise mit einer integralen Vorspanneinrichtung versehen, die sich je nach spezifischer Einbaulage abstützt und komprimiert und so die gewünschte axiale Vorspannkraft erzeugt. Ein weiterer wesentli- eher Vorteil der Erfindung besteht darin, dass durch die Unterbringung des elastischen Elements in der lagerseitigen Ausnehmung kein - von einem geringfügigen Vorstehen des elastischen Elements aus der Ausnehmung heraus abgesehen - zusätzlicher axialer Bauraum erforderlich ist. Das erfindungsgemäße Wälzlager zeichnet sich so durch eine sehr kompakte Bau- form aus und ist dennoch durch die integrierte Vorspannvorrichtung gegen einen unerwünschten Schlupflauf im lastfreien Betriebszustand zuverlässig geschützt.
Ein weiterer vorteilhafter Effekt der Erfindung besteht darin, dass das vorge- spannte elastische Element zusätzlich je nach Einbausituation eine Dichtfunktion ausübt. Damit erfüllt das elastische Element eine Doppelfunktion und stellt eine integrale Außenabdichtung bereit, wobei diese ohne zusätzlichen Bauraum und vorteilhafter Weise ohne zusätzliche Bearbeitung korrespondierender Bauelemente, wie beispielsweise Lagerdeckel oder ähnliches, realisiert ist. Besonders bevorzugte Anwendung findet die Erfindung bei Schrägkugellagern, Rillenkugellagern oder Kegelrollenlagern.
Die Ausnehmung kann auch bei serienmäßig hergestellten Lagern in einem ergänzenden Fertigungsschritt mit vergleichsweise geringem Aufwand hergestellt werden. In diesem Zusammenhang ist es fertigungstechnisch besonders vorteilhaft, wenn die Ausnehmung als umlaufende Nut ausgebildet ist. Diese kann z.B. durch Drehbearbeitung am Außenring oder Innenring hergestellt sein.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das elastische Element ein O-Ring. O-Ringe sind an sich als Standardbauelemente in vielfältigen Ausführungen erhältlich. O-Ringe haben von sich aus hervorragende Dichtungseigenschaften, die sich im Rahmen der vorliegenden Erfindung mit den erfindungsgemäß vorgesehenen federkrafterzeugenden Eigenschaften paaren.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung lassen sich bei guten Dichtungseigenschaften ausreichend hohe Vorspannkräfte erreichen, wenn das elastische Element im Einbauzustand eine Querschnittsverpressung von nicht mehr als 25 bis 30% seiner Querschnittsfläche erfährt.
Weitere Vorteile und Aspekte der Erfindung ergeben sich auch oder ergän- zend aus der nachfolgenden Beschreibung der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung; darin zeigen:
Figur 1 ein erfindungsgemäßes Wälzlager in einer Fest/Loslagerung,
Figur 2 zwei erfindungsgemäße Wälzlager in einer schwimmenden Lagerung,
Figur 3 ein erfindungsgemäßes Wälzlager bei einer Senkrechtläufer- konstruktion,
Figur 4 ein erfindungsgemäßes Wälzlager in Einbaukombination mit einem Schrägkugellager, Figur 5 zwei erfindungsgemäße Wälzlager in so genannter O-An- ordnung,
Figur 6 zwei erfindungsgemäße Wälzlager in so genannter X-An- ordnung,
Figur 7 beispielhaft die Ermittlung der Gesamtpresskraft eines O-
Ringes auf Basis von Figur 8 und
Figur 8 Beispiele für die Größe der Presskraft von O-Ringen in Abhängigkeit des Ringquerschnittes sowie des Materials für 10% und 20% Querschnittsverpressung.
Figur 1 zeigt in einer Prinzipskizze eine Fest/Loslagerung eines Endes 1 einer Welle 2. An einer Wellenschulter 4 anliegend ist der Innenring 5 eines erfindungsgemäßen Wälzlagers (Rillenkugellager) 6 aufgeschoben. Auf der Lauffläche 7 des Innenrings rollen in einem Lagerkäfig 8 gehaltene Wälzkörper 9 in Form von Lagerkugeln ab. Der Außenring 10 des Wälzlagers 6 ist durch entsprechende Passungswahl axial verschieblich in einer Bohrung 12 eines Lagergehäuses 14 gehalten. Die Wälzkörper 9 rollen auf der Lauffläche 15 des Außenrings 10 ab. Der schulterferne Bereich 18 des Wellenendes 1 ist in an sich bekannter Weise mit einem als Festlager ausgebildeten Rillenkugellager 20 mit einem inneren 21 und einem äußeren Lagerring 22 gelagert. Der äußere Lagerring 22 ist mit einem Sprengring axial fixiert in der Bohrung 12 des Lagergehäuses 14 gehalten. Die beiden Lagerinnenringe 5, 21 sind auf der Welle axial über die Wellenschulter 4, einen Zwischenring 23 und einen an der Wellenstirn verschraubten Deckel fixiert. Der Außenring 10 ist mit einer umlaufenden Ausnehmung 24 versehen, die beispielsweise durch Abdrehen eines standardmäßigen Außenrings erzeugt sein kann. Dies hat den Vorteil, dass die vorliegende Erfindung ohne weiteres in Standardbauteile bzw. Standardwälzlager implementiert werden kann. Die Ausnehmung könnte - je nach Dicke des Lagerringes, in den sie einzubringen ist - als Einstechnut gedreht werden, die zur Mantelfläche 27 des Lagerringes 10 noch einen axialen Steg ausbilden kann. Im Ausführungsbeispiel ist die Nut in ihrer Breite so bemessen, dass sie gerade an der Mantelfläche 27 endet. Sie bildet damit die in Form eines Absatzes ausgebildete Ausnehmung 24, die zur axialen Stirnseite 29 des Wälzlagers 6 hin somit eine Öffnung 30 aufweist.
In die Ausnehmung 24 ist ein elastisches Element 32 in Form eines umlaufenden Ringes, bevorzugt eines O-Ringes, eingesetzt. Im Anlieferungszu- stand hält der O-Ring bei entsprechender Dimensionierung aufgrund seiner Eigenspannung in der Ausnehmung und bildet vorteilhafter Weise mit den übrigen Komponenten des Wälzlagers 6 eine Baueinheit.
In dem in Figur 1 gezeigten Einbauzustand ist das Lagergehäuse 14 von einem durch nicht dargestellte Schraubverbindungen fixierten Lagerdeckel 38 verschlossen. Der Lagerdeckel übt auf das elastische Element 32 eine in axialer Richtung A wirkende Kraft aus. Dabei ist das elastische Element (O- Ring-Querschnitt) so bemessen, dass es im vorliegenden montierten Zustand eine Querschnittsverpressung aufweist, die auch unter ungünstigen Betriebsbedingungen nicht mehr als 30% beträgt. Ungünstige Betriebsbedingungen können dann auftreten, wenn aufgrund thermischer Relativbewegungen und Längenänderungen der Welle 2 in Bezug auf das Lagergehäuse 14 der vorgesehene Axialspalt 40 zwischen der Stirnseite 29 des Wälzlagers und der Innenseite des Lagerdeckels 38 minimiert wird. In diesem Fall soll die Querschnittsverpressung des elastischen Elements 32 aufgrund der geometrischen Ausbildung der Nut 30% nicht überschreiten können.
Bei konkreten Werten mit 140 mm für den Außendurchmesser D3 des Lagers 6 und einem Ringdurchmesser d = 3mm des O-Ringes 32 aus NBR72 ergeben sich bei Einhaltung einer empfohlenen Breite des Axialspaltes 40 von 0,2mm (+- 0,1 mm) und einer Breite b der Ausnehmung 24 von 2,25mm (+- 0,05mm) Presskräfte von ca. 850 bis 1.710 N.
Ein wesentlicher Aspekt der Erfindung besteht darin, dass das elastische Element 32 wie vorstehend geschildert eine axiale Vorspannung auf den Außenring 10 ausübt, indem von ihm ausgehend ein Kraftfluss über die Wälzkörper 9, den Innenring 5, den Zwischenring 23, den Innenring 21 sowie wiederum über die Wälzkörper auf den Außenring 22 verläuft, in dem das Element 32 eine Federfunktion erfüllt. Dadurch ist auch im lastfreien Betrieb durch die erzwungene Kontaktkraft zwischen der Lauffläche und den Wälzkörpern stets ein korrektes Abrollen beider Lager sichergestellt und damit die Gefahr des Schlupflaufs vermieden.
Darüber hinaus übt das elastische Element 32 in Doppelfunktion auch noch eine hervorragende dichtende Wirkung zu dem Lagerdeckel 38 aus (Dichtfunktion). Beide vorgenannten Funktionen sind dabei ohne wesentliche Erhöhung des axialen Bauraumbedarfs realisiert.
In der nachfolgenden Beschreibung der Figuren 2 bis 6 sind gleiche oder entsprechende Elemente wie in der Figur 1 mit denselben Bezugszeichen versehen.
Die Figuren 2 bis 6 illustrieren die Vielfältigkeit der Einsatzmöglichkeiten des erfindungsgemäßen Wälzlagers, das in den Ausführungsvarianten grundsätzlich die ausführlich im Zusammenhang mit Figur 1 beschriebene Konfiguration aufweist. Figur 2 zeigt eine Prinzipskizze einer schwimmenden Lagerung mit zwei erfindungsgemäßen Wälzlagern 6 (Rillenkugellager), die spiegelsymmetrisch angeordnet sind und mit ihrem jeweiligen Außenring 10 in der Bohrung 12 des Lagergehäuses 14 gehalten sind. Beide Außenringe 10 können sich in axialer Richtung A bewegen und sind beiderseitig in vorbeschriebener Weise mit einem elastischen Element 32 versehen, das in die umlaufende Ausnehmung 24 eingesetzt ist. An der seitlichen Öffnung 30 der Ausnehmung 24 steht das elastische Element 32 axial vor und ist über jeweils einen Gehäusedeckel 38, 38' mit einer in axialer Richtung über die Außenringe 10, Kugeln 8, Innenringe 39 und den Zwischenring 23 wirkenden Kraft Fi = - F2 vorgespannt. Auch bei dieser schwimmenden Lagerung ist jederzeit ein schlupffreier Betrieb gewährleistet. Dabei sind thermische Ausdehnungen und Verschiebungen der Außenringe im Rahmen der vorgesehenen axialen Spalte 40 und 40' wie zuvor beschrieben möglich.
Figur 3 zeigt den Einsatz eines erfindungsgemäßen Wälzlagers 6 bei einer prinzipiell dargestellten Senkrechtläuferkonstruktion. Die axialen Kräfte sind durch ein Schrägkugellager 50 aufgenommen. Das Schrägkugellager ist durch einen umlaufenden Radialspalt 51 radialfrei ausgeführt, so dass bei radialer Entlastung das als Rillenkugellager ausgeführte erfindungsgemäße Wälzlager 6 in den unerwünschten Schlupflauf gelangen könnte. Durch die Ausnehmung 24 mit einer Höhe h von beispielsweise ebenfalls 2,25 mm (vergleiche Figur 1) kann auch hier ein standardisiertes übliches und erfindungsgemäß modifiziertes Rillenkugellager Verwendung finden. In der Aus- nehmung 24 ist ein O-Ring als elastisches Element 32 eingesetzt. Dadurch erfährt der Außenring 10 eine axiale Vorspannung in vertikaler Richtung V, die über den aufgeschraubten Gehäusedeckel 53 über den Außenring 54 des Schrägkugellagers 50 auf das elastische Element 32 erzeugt wird. Dabei besteht eine in der Figur 3 nicht sichtbare Überstandsdifferenz zwischen dem jeweiligen Innenring 5, 55 und dem zugehörigen Außenring 10, 54, die eine ausreichende Kompression des elastischen Elements 32 zulässt.
Um eine axiale Verschiebbarkeit des Außenrings 10 zu ermöglichen, ist auch bei diesem Ausführungsbeispiel ein Spalt 40 zwischen dem Außenring 10 und einem weiteren Lagerdeckel 58 vorgesehen.
Figur 4 zeigt eine Prinzipskizze bei einer einseitigen Axiallast und getrennter Lastaufnahme durch ein erfindungsgemäßes Wälzlager 6 und ein konventionelles Schrägkugellager 60, das durch einen Axialspalt 61 mit seinem Außenring 62 radialfrei gehalten ist. Bei einer derartigen Ausgestaltung besteht eine Schlupfgefahr des Schrägkugellagers bei axialer Entlastung. Ein Beispiel für eine derartige Betriebssituation ist die Lagerung in einer Kreisel- pumpe, die im Betrieb eine hohe Axiallast aufweist, die betriebsgemäß von dem Schrägkugellager aufgenommen wird. Beim Abschalten der Kreiselpumpe können Betriebszustände auftreten, in denen das Schrägkugellager entlastet ist und somit einer Schlupfgefahr ausgesetzt ist. Zur Vermeidung dieser Gefahr ist das erfindungsgemäße Wälzlager mit seiner Ausnehmung 24 und dem darin eingesetzten elastischen Element 32 dem Schrägkugellager 60 zugewandt orientiert, so dass das elastische Element eine Vorspannkraft auf den Außenring 62 des Schrägkugellagers 60 ausübt. Die entsprechende Vorspannung wird über die Verschraubung eines Gehäusedeckels 65 erzeugt Auch hier bewirkt die in Figur 4 nicht erkennbare, Überstandsdif- ferenz zwischen dem jeweiligen Innenring und dem Außenring einen Spalt zwischen den Außenringen 10, 61 der Lager 6, 60, die eine ausreichende Kompression des elastischen Elements 32 zulässt. Um eine axiale Verschiebbarkeit des Außenrings 61 zu ermöglichen, ist auch bei diesem Ausführungsbeispiel ein Spalt 40 zwischen dem Außenring 10 und einem weite- ren Lagerdeckel 58 vorgesehen.
Figur 5 zeigt eine Anordnung mit zwei erfindungsgemäßen Wälzlagern 70, die jeweils als Schrägkugellager mit definiertem Ringüberstand zwischen Lagerinnenring und Lageraußenring ausgebildet sind. Mindestens ein Au- ßenring 71 hat eine Ausnehmung 72, die als umlaufende Nut in der breiteren Seite (Bordseite) 73 eingebracht ist und in prinzipiell gleicher Weise wie vorstehend bereits mehrfach beschrieben ein elastisches Element 74 in Form eines O-Ringes 75 aufnimmt. Die beiden Wälzlager 70 sind bezüglich ihrer Einbaulage in der so genannten O-Anordnung montiert (breite Außenringseiten 73 liegen zueinander), die Innenringe 77 sind axial auf der Welle 78 gegeneinander verspannt. Bei dieser Anordnung besteht eine Schlupfgefahr bei Betriebszuständen mit sehr geringen äußeren Lasten. Dies ist bei der Ausgestaltung gemäß Figur 5 dadurch verhindert, dass die einander zugewandten, in Kontakt stehenden elastischen Elemente 74, 74 aufgrund der Vorspannkräfte die beiden Außenringe 71 auseinanderdrücken und somit die Wälzkörper 80 mit ihren Laufbahnen im Eingriff halten. Hierfür ist ein definierter Spalt 81 zwischen Außenring 71 und einem Lagerdeckel 82 erforder- lieh.
Figur 6 zeigt in einer Prinzipskizze eine Anordnung von zwei als Schrägkugellager ausgeführten erfindungsgemäßen Wälzlagern in so genannter X- Anordnung. Die Lager 70 entsprechen in ihrer grundsätzlichen Ausgestal- tung den in Figur 5 beschrieben Wälzlagern, allerdings sind in der Einbausituation nach Figur 6 die jeweiligen breiten Seiten (Bordseiten) 73 der Schrägkugellager 70 nach außen weisend orientiert. Demgemäß sind die dort in den Außenring 71 eingebrachten Ausnehmungen 72 so orientiert, dass ihre Öffnungen 76 den Lagerdeckeln 84, 85 zugewandt, also seitlich nach außen orientiert sind. Die Lagerdeckel 84, 85 üben aufgrund ihrer Schraubverbindung mit dem Lagergehäuse 88 im Zusammenspiel mit dem definierten Spalt 86 jeweils nach innen gerichtete Vorspannkräfte F3, F4 auf die elastischen Elemente 74 bzw. O-Ringe 75 aus. Um die von den elastischen Elementen 74 erzeugten Axialkräfte wirksam werden zu lassen, ist zwischen den Innenringen 89 der beiden Wälzlager 70 eine Passscheibe 90 von definierter Dicke eingesetzt. Diese ermöglicht die notwendige Verschiebung des Außenringes zur Gewährleistung eines schlupffreien Laufes auch bei hoher axialer Belastung. Falls nur eine Axiallastrichtung vorliegt, kann für das stets belastete Axiallager auch ein konventionelles Wälzlager verwendet werden.
Figur 7 zeigt die Ermittlung der Gesamtpresskraft eines handelsüblichen O- Ringes auf Basis von Figur 8. Hierbei ist ein O-Ring mit einem Ringinnendurchmesser von 134 mm und einem Ringquerschnitt von 3mm, Material NBR 72 zugrunde gelegt worden (im Beispiel: Firma Freudenberg Simrit KG, Artikelbezeichnung O-Ring NBR72Shore14452146). In der Tabelle der Figur 7 sind für verschiedene Querschnittsverpressungen (angegeben in % der Querschnittsfläche bzw. in mm) die daraus resultierende Gesamtkraft als Funktion der jeweiligen Federsteifigkeit (linearer Verlauf angesetzt) bzw. Presskraft aufgezeigt.
Figur 8 zeigt schematisch die Größe der Presskraft in N/cm von O-Ringen in Abhängigkeit des Ringquerschnittes sowie des Materials für 10% (durchge- zogene Linie) und 20% (gestrichelte Linie) Querschnittsverpressung (Quelle: Freudenberg Simrit KG).
Wie aus der vorstehenden Figurenbeschreibung besonders deutlich wird, ist das erfindungsgemäße Wälzlager unter Verwendung von Standardlagem mit einfacher mechanischer Bearbeitung - zum Beispiel einer preiswerten Drehbearbeitung zum Einstechen der Nut auf der Lagerringstirnseite bzw. dem Abdrehen eines entsprechenden Absatzes - herstellbar. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die so vorbereiteten Lager auch anderweitig Verwendung finden könnten, ohne dass in die Ausnehmung ein federelastisches Element eingesetzt ist. Denkbar wäre es, die Ausnehmung beispielsweise für einen Sprengring zu nutzen, der dann besonders Platz sparend den Außenring in axialer Richtung fixiert. Es ist grundsätzlich auch denkbar, ein erfindungsgemäßes Wälzlager nur unter Ausnutzung der Dichteigenschaften des federelastischen Elements zu verwenden und die Ausnehmung mit dem O-Ring in den Dichtbereich beispielsweise zwischen einem Lagergehäuse und einem Lagerdeckel, in deren Verbindungsecke die Ausnehmung liegt, zu orientieren. Die von dem erfindungsgemäßen Wälzlager auch unter ungünstigen Laufbedingungen stets gewährleistete Vorspannung vermindert nicht nur die Gefahr einer frühzeitigen Lagerschädigung durch Schlupflauf sondern wirkt sich auch positiv durch den damit einhergehenden geräuschverminderten und zentrierten Betrieb der Lager aus. Zudem ist mit der erfindungsgemäßen Ausgestaltung des Wälzlagers wie vorstehend beschrieben ein axialer Längenausgleich bei Loslagern in gewissem Umfang möglich.
Außerdem zeichnet sich das erfindungsgemäße Wälzlager trotz seiner ge- genüber dem Stand der Technik hervorstechenden zusätzlichen Eigenschaften (Vermeidung von Schlupflauf und integrierter Dichtfunktion) durch einen verminderten axialen Bauraumbedarf aus.
Bezugszeichenliste
1 Ende
2 Welle
4 Wellenschulter
5 Innenring
6 Wälzlager
7 Lauffläche
8 Lagerkäfig
9 Wälzkörper
10 Außenring
12 Bohrung
14 Lagergehäuse
15 Lauffläche
18 schulterferner Bereich
20 Rillenkugellager
21 innerer Lagerring
22 äußerer Lagerring
23 Zwischenring
24 Ausnehmung
27 Mantelfläche
29 axiale Stirnseite
30 Öffnung
32 elastisches Element
38, 38' Lagerdeckel
39 Innenring
40, 40" Axialspalt
50 Schrägkugellager
51 Radialspalt
53 Gehäusedeckel
54 Außenring
55 Innenring
58 Lagerdeckel 60 Schrägkugellager
61 Axialspalt
62 Außenring
65 Gehäusedeckel
66 Lagerdeckel
70 Wälzlager
71 Außenring
72 Ausnehmung
73 breite Seite
74 elastisches Element
75 O-Ringes
77 Innenring
78 Welle
80 Wälzkörper
81 Spalt
82 Lagerdeckel
84, 85 Lagerdeckel
86 Spalt
88 Lagergehäuse
89 Innenring
90 Passscheibe
F Vorspannkraft
Da Außendurchmesser
Di Innendurchmesser
F1 , F2 Kraft
F3, F4 Kraft
A axiale Richtung
V vertikale Richtung

Claims

Patentansprüche
1. Wälzlager (6) mit mindestens einem Lagerring (5,10), auf dessen Lauffläche (7, 15) Wälzkörper (9) abrollen, dadurch gekennzeichnet, dass - der Lagerring (5, 10) mit einer Ausnehmung (24) versehen ist, die eine seitliche Öffnung (30) hat, und
- dass in die Ausnehmung (24) ein elastisches Element (32) eingebracht ist, das so bemessen ist und so weit aus der Öffnung (30) axial hervorsteht, dass es durch Kompression im Einbauzustand eine axiale Vorspannkraft (F) auf den Lagerring (10) erzeugt.
2. Wälzlager nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Wälzlager ein Schrägkugellager (70), Rillenkugellager (6), oder Kegelrollenlager ist.
3. Wälzlager nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmung (24) eine umlaufende Nut ist.
4. Wälzlager nach Anspruch 1 , 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmung (24) in einem äußeren Lagerring (10) ausgebildet ist.
5. Wälzlager nach Anspruch 1 , 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnung (72) in der breiten Bordseite (73) des Lagerrings (71 ) enthalten ist.
6. Wälzlager nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das elastische Element (74) ein O-Ring (75) ist.
7. Wälzlager nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das elastische Element (32) im Einbauzustand eine definierte maximale Querschnittsverpressung seiner Querschnittsfläche erfährt.
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