Wälzlageranordnung und damit ausgerüstete Windkraftanlage
Die Erfindung richtet sich auf eine Wälzlageranordnung, insbesondere im Rahmen einer (antreibbaren) Drehverbindung, vorzugsweise für ein Haupt-, Blatt- und/oder Maschinenhauslager einer Windkraftanlage, mit zwei konzentrisch zueinander sowie zumindest bereichsweise ineinander angeordneten, ringförmigen Anschlußelementen, sowie mit einem Spalt zwischen diesen Anschlußelementen, so dass diese um eine gedachte, zur Ringebene etwa lotrechte Achse im Zentrum der Anschlußelemente gegeneinander verdrehbar sind, wobei im Bereich eines die Drehachse mit etwa konstantem Radius umgebenden Spaltabschnittes zwischen den Anschlußelementen wenigstens eine innerhalb einer Ebene kreisförmig in sich geschlossene Laufbahn angeordnet ist für wenigstens eine Reihe von zwischen den Anschlußelementen abrollenden Wälzkörpern von jeweils rotationssymmetrischer Gestalt, wobei die Wälzkörper einer Reihe durch einen Käfig in etwa äquidistanten Abständen geführt werden, welcher wenigstens einen etwa scheibenförmigen Bereich aufweist, der in eine rundumlaufende, nutförmige Vertiefung im Bereich der Laufbahn eines Anschlußelements eingelegt ist, und wobei der Käfig als Kamm ausgebildet ist, mit einer Mehrzahl von Abstandsstücken, welche entlang eines Rückenbereichs einfach zusammenhängend miteinander verbunden sind, und mit jeweils einer zwischen benachbarten Abstandsstücken angeordneten Tasche zur Aufnahme je eines vorzugsweise kugelförmigen Wälzkörpers, wobei sich die Öffnung einer Tasche durchgehend in der Oberseite des Käfigs über dessen dem Rückenbereich gegenüber liegenden Rand bis in dessen Unterseite erstreckt, ferner auf eine mit wenigstens einem solchen Wälzlager ausgerüstete Windkraftanlage.
Wälzlager bzw. damit versehene, ggf. antreibare Drehverbindungen, gelangen vielerorts zum Einsatz. Großwälzlager, bspw. mit einem Laufbahndurchmesser von 1000 mm oder mehr, finden u.a. Anwendung bei Windkraftanlagen,
vorzugsweise bei Windkraftanlagen mit einem einen oder mehrere Flügel aufweisenden Windrad, dessen Drehachse während des Betriebs etwa parallel zur Windrichtung eingestellt ist. Insbesondere bei der Lagerung der Blätter und des gesamten Maschinenhauses, aber auch als Hauptlager bzw. Rotorlager zur Lagerung der Nabe einer Windkraftanlage vertraut man auf derartige Großwälzlager, welche in der Lage sind, bei geeigneter Dimensionierung alle auftretenden Axial- und Radialkräfte und Kippmomente aufzunehmen. Bei manchen derartigen Anwendungen, bspw. bei Blattlagerungen, werden vorgespannte, d.h. spielfreie Laufbahnen eingesetzt. Ein Vorteil davon ist eine verbesserte Lastverteilung im Laufbahnsystem und damit eine verbesserte Lebensdauer. Häufig wird dabei ein Wälzlager der Bauform Vierpunktlager eingesetzt, also ein Lager mit kugelförmigen Wälzkörpern sowie mit jeweils zwei Laufbahnen, welche derart gestaltet sind, dass jede Kugel zwei Berührungspunkte mit jeder Laufbahn aufweist. Solche Lager lassen sich leicht mit einer Vorspannung versehen. Jedoch kommt es insbesondere bei derartigen Vierpunktlagern unter kombinierter Belastung im Laufbahnsystem (Axial- und Radialkräfte und Kippmomente) zu unterschiedlichen Kontaktwinkeln zwischen einer Kugel und einer Laufbahn; darüber hinaus kann sich sogar - je nach Lastkombination und Position eines einzelnen Wälzkörpers - anstelle eines Vierpunktkontaktes ein Zweipunktkontakt ergeben. Solche Verlagerungen der Kontaktpunkte einzelner Wälzkörper können deren Position relativ zu benachbarten Kugeln verändern, und um einer ungleichen Verteilung der Kugeln vorzubeugen, wird daher bei vorgespannten Vierpunktlagern häufig ein Käfig eingesetzt, um die Kugeln auf gleichen Abständen zu halten. Allerdings erfordert ein Käfig eine größere Spaltbreite als ein Wälzlager ohne Käfig, weil die Verbindung zwischen den Abstandsstücken des Käfigs aus Stabilitätsgründen eine Mindeststärke nicht unterschreiten darf. Dadurch wird allerdings die erreichbare Tragfähigkeit reduziert, weil der Kontaktbereich eines Wälzkörper sich schneller und häufiger der Kante einer Laufbahn nähert.
Daher ist - bspw. in der DE 33 OO 655 A1 - schon vorgeschlagen worden, im Bereich einer Laufbahn eine eigene Nut vorzusehen, in welcher einzelne Käfigsegmente geführt sind, welche jeweils zwei Taschen zur Aufnahme eines Wälzkörpers aufweisen, so dass die Breite des Spalts zwischen den beiden ringförmigen Anschlußelementen trotz Verwendung eines Käfigs gegenüber einer Ausführungsform mit voneinander getrennten Zwischenstücken anstelle eines Käfigs nicht gesteigert werden muß. Ein Nachteil ist jedoch, dass anstelle eines einzigen Käfigs eine große Anzahl von kleinen Käfigsegmenten verwendet werden müssen mit jeweils nur zwei Aufnahmetaschen für Wälzkörper, was gerade bei Großwälzlagern in der Größenordnung mit einem Durchmesser von etwa 1000 mm oder mehr zu einem großen Aufwand bei der Montage führt. Mehr noch, nur lose aneinandergesetzte Käfigsegemente können bei vorgespannten Lagern weitere Probleme aufwerfen, weil dadurch - unter den erheblichen Kräften, welche während des Betriebs auf ein Großwälzlager bspw. in einer Windkraftanlage einwirken - trotz bester Bemühungen Verschiebungen zwischen den einzelnen Käfigsegmenten auftreten können, wodurch einzelne Wälzkörper geklemmt werden können und sodann einem erhöhten Verschleiß unterliegen.
Aus den Nachteilen des beschriebenen Standes der Technik resultiert das die Erfindung initiierende Problem, eine gattungsgemäße Wälzlageranordnung mit einem Käfig derart weiterzubilden, dass die Montage des Käfigs möglichst einfach ist; darüber hinaus soll gewährleistet sein, dass alle Wälzkörper auf jeweils gleichen Abständen gehalten werden, ohne geklemmt zu werden.
Die Lösung dieses Problems gelingt dadurch, dass der Käfig an wenigstens einer Stelle vollständig unterbrochen und aus einem federelastischen Material ausgebildet ist, so dass er innerhalb der Fläche, insbesondere Ebene, des etwa scheibenförmigen Bereichs elastisch auf- und/oder zusammenbiegbar ist.
Vorzugsweise ist ein Käfig nur ein einziges Mal unterbrochen und damit insgesamt einstückig bzw. einfach zusammenhängend. Es ist allerdings
möglich, diesen evtl. bei besonders großen Wälzlagern auch zweimal oder mehrmals zu unterteilen, jedoch möglichst nicht häufiger als bspw. fünfmal, vorzugsweise nicht häufiger als viermal, insbesondere nicht häufiger als dreimal. Das federelastische Material ist in der Lage, seinen Biegeradius zu 5 verändern, um sich dadurch optimal und mit geringstem Aufwand in eine Nut einlegen zu lassen, wobei es zunächst zwangsweise verformt wird, um über die Stirnseite eines ringförmigen Anschlußelements bis zu dessen Laufbahn gestreift zu werden; erst innerhalb der dafür vorgesehenen Nut entspannt sich der Käfig wieder und federt dabei wieder in Richtung seiner ursprünglichen l o Gestalt zurück.
Es hat sich als günstig erwiesen, dass der Käfig aus einem Metall besteht, bspw. Stahl, vorzugsweise Federstahl oder Vergütungsstahl. Ein solches Material hat insbesondere eine hohe Druckfestigkeit, um sich gegenüber den 15 hohen Kräften innerhalb eines Wälzlagers behaupten zu können.
Bevorzugt sind vier, mehr oder alle Abstandsstücke des Käfigs miteinander verbunden, so dass drei, mehr oder alle Taschen zur Aufnahme je eines Wälzkörpers miteinander verbunden sind. Da gerade die Stoßstellen zwischen 20 nicht zusammenhängenden Käfigsegmenten zu Verschiebungen innerhalb des Lagers führen können, sollten dieselben so weit als möglich vermieden werden.
Der Käfig sollte derart gestaltet sein, dass sich bei einer Veränderung des 25 Abstandes zwischen den Stirnseiten zweier benachbarter Abstandsstücke deren Stirnseiten nicht verformen, insbesondere deren obere und untere Kanten nicht gegeneinander verschieben. Nur dadurch ist gewährleistet, dass die Wälzkörper auch bei Verformungen des Rings - bspw. infolge von Wärmeausdehnungeπ - nicht geklemmt werden.
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Eine bevorzugte Maßnahme zur Erzeugung einer hohen Scherfestigkeit innerhalb des Käfigs besteht darin, diesen nur aus einer einzigen (Material-)
Lage anzufertigen. Somit könnten allenfalls makroskopische Verformungen des Materials selbst zu Klemmungen führen, was indes - insbesondere bei Ausführung des Käfigs aus Metall - nicht zu befürchten ist.
Es liegt im Rahmen der Erfindung, dass wenigstens ein Abstandsstück eine größere Höhe aufweist als der Rückenbereich des Käfigs. Dadurch ist es möglich, eine Kugel großflächig zu umfangen; diese kann dadurch stets mit einem nur geringen Oberflächendruck und also äußerst sanft und verschleißfrei auf die jeweils gewünschte Position gezwungen werden.
Alle Taschen des Käfigs sollten an der dem Rückenbereich gegenüberliegenden Längsseite des Käfigs offen sein. Dadurch ergibt sich einerseits eine gute Biegsamkeit des Käfigs, weil die Taschen sich ggf. öffnen bzw. verengen können; andererseits können somit alle Taschen von der selben Seite bzw. Laufbahn her mit Wälzkörpern befüllt werden, also durch ein und die selbe Einfüllöffnung.
Erfindungsgemäß verfügt der Käfig über wenigstens eine Soll-Biegefläche, vorzugsweise in seinem Rückenbereich. Es kann sich hierbei vorzugsweise um eine Querschnittsverengung des Käfigs handeln, wo - dank etwa homogener Materialeigenschaften des Käfigs - dessen Biegefestigkeit herabgesetzt ist.
Wenigstens eine Soll-Biegefläche verläuft bevorzugt quer zu der Umfangsήchtung des Wälzlagers und folgt dabei etwa einer Linie geringsten Querschnitts durch denselben.
Wenigstens eine solche Soll-Biegefläche kann im Bereich Qe) eines Abstandsstücks vorgesehen sein, weil die Abstandsstücken gerade zwischen zwei benachbarten Wälzkörpern liegen und daher bei einer Verformung in diesem Bereich - bspw. infolge einer Überdehnung während der Montage - keine Klemmung eines Wälzkörpers ausgelöst wird.
Die Erfindung empfiehlt, wenigstens eine Soll-Biegefläche als Einkerbung des Käfigs auszubilden, insbesondere in der Stirnseite des Rückenbereichs. Damit erhält der Käfig bewußt Schwächungslinien, wo er sich bei einer Überlastung verformen kann, ohne dass dadurch jedoch seine Funktionstüchtigkeit beeinträchtigt würde.
Die maximale Tiefe wenigstens einer Einkerbung sollte etwa der minimalen Breite des Rückenbereichs am Grund einer Tasche entsprechen. Der Rückenbereich kann an den Einkerbungs-Stellen vollständig unterbrochen sein, so dass der Käfig an diesen Stellen nur über die Abstandsstücke zusammenhängt. Dadurch ergibt sich eine sehr hohe Biegefähigkeit des Käfigs im Bereich der Abstandsstücke. Zwar sind dieselben auf ihrer vertikalen Mitteloder Symmetrieebene kaum verformbar, wohl aber direkt daneben, also etwa im oder am Fußbereich der beiden Flanken eines Abstandsstücks.
Ferner sollte eine Einkerbung den Rückenbereich des Käfigs von dessen Oberseite bis zu dessen Unterseite durchsetzen, so dass er über den gesamten Rückenquerschnitt gleichermaßen biegsam ist und lokale Überbeanspruchungen vermieden werden.
Es liegt im Rahmen der Erfindung, dass wenigstens eine Einkerbung abgerundete Kanten aufweist, vorzugsweise an den Kanten mit einem vertikalen Verlauf, bezogen auf die Grundfläche des Wälzlagers, insbesondere im Bereich des Übergangs zwischen den Flanken der Einkerbung, also am Grund der Einkerbung, und/oder jenseits ihrer beiden Flanken, also beim Übergang in den anschließenden Rückenbereich.
Vorzugsweise werden die Wälzkörper von dem Käfig dort umgriffen, wo während ihres Abrollens ihre Umfangsgeschwindigkeit am höchsten ist, vorzugsweise also etwa im Bereich ihres Äquators. Insbesondere bei einer solchen Ausführung liegt die den Käfigrücken führend aufnehmende Nut etwa
mittig in der Laufbahn des betreffenden Anschlußrings, also etwa auf der halben Höhe der Laufbahn. Eine solche Anordnung hat den Vorteil, dass die Wälzkörper auf ihrer Symmetrieebene umgriffen werden und also keine Radialkräfte mit dem Käfig austauschen, der dadurch kein Biegemoment quer zu seiner Längsrichtung erfährt.
Es genügt, wenn die Wälzkörper höchstens auf 270° ihres Umfangs umgriffen werden, beispielsweise nur auf 230° ihres Umfangs oder weniger, vorzugsweise nur auf 190° oder weniger, insbesondere nur auf etwa 180° ihres Umfangs. Die Abstandselemente des Käfigs sollten nicht zu lange sein, weil ihre freien Enden während einer Biegung sich am stärksten bewegen, wodurch sich deren Abstand in erheblichem Maß ändern kann. Insbesondere eine inelastische Verformung einzelner Käfigabschnitte - bspw. während der Montage - könnte daher zu einem Verklemmen einzelner Wälzkörper führen. Solchem kann vorgebeugt werden, wenn die Länge der Abstandsstücke etwa lotrecht zu dem Käfigrücken, also in radialer Richtung bezogen auf die Drehachse eines Radiallagers, nur etwa dem (maximalen) Radius eines Wälzkörpers entspricht, also die Wälzkörper nur bis zu zwei einander etwa diametral gegenüberliegenden Oberflächenbereichen umgriffen werden.
Wenn - wie die Erfindung weiterhin vorsieht - die Innenseite wenigstens einer Tasche zur Aufnahme je eines Wälzkörpers etwa auf Höhe des Rύckenbereichs des Käfigs zumindest bereichsweise eine konkave Wölbung parallel zur Ebene des Wälzlagers aufweist, so kann eine solche Hohl- Wölbung optimal an die konvexe Oberflächenwölbung eines Wälzkörpers angepaßt werden, so dass in dem umgriffenen Bereich jeweils nur ein sehr kleiner Spalt zwischen Wälzkörper und Käfigtasche verbleibt, mithin die Wälzkörper in eng tolerierten Abständen geführt werden.
Weitere Vorzüge erhält man dadurch, dass der konkav gewölbte Bereich etwa einem Halbkreis folgt oder einem kleineren Kreisbogensegment. Dies ermöglicht es, die Kugeln von der offenen Seite einer Tasche in diese
einzusetzen, insbesondere nach Zusammenbau des Wälzlagers, bspw. durch einen Einfüllkanal.
Das nachträgliche Befallen des Käfigs mit Wälzkörpern wird insbesondere
5 auch dadurch begünstigt, dass nach Einsetzen des Käfigs in die dafür vorgesehene Nut der Radius des konkav gewölbten Bereichs innerhalb der
Fläche, insbesondere Ebene, des Rückenbereich des Käfigs gleich oder größer ist als der äquatoriale Wölbungsradius des in der betreffenden Tasche aufgenommenen Wälzkörpers. Somit können die Wälzkörper ohne Gefahr des l o Klemmens eingesetzt werden.
Die Erfindung eignet sich besonders für Wälzlager, deren Wälzkörper eine doppelt gewölbte, insbesondere doppelt konvex gewölbte Mantelfläche oder Oberfläche aufweisen, vorzugsweise für kugelförmige Wälzkörper, 15 insbesondere im Rahmen eines Vierpunktlagers.
Im Rahmen einer bevorzugten Ausführungsform kann weiter vorgesehen sein, dass die Innenseite wenigstens einer Tasche zur Aufnahme je eines Wälzkörpers zumindest bereichsweise eine doppelte, d.h. in zwei zueinander 20 rechtwinkligen Richtungen, konkave Wölbung aufweist. Damit lassen sich insbesondere kugelförmige Wälzkörper flächig umgreifen, so dass eine Justierung der Wälzkörper in gleichen Abständen mit einer geringstmöglichen Flächenpressung erfolgen kann und damit lokale Überlastungen des Käfigs ausgeschlossen sind.
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Dieser Erfindungsaspekt läßt sich dahingehend weiterbilden, dass der doppelt konkav gewölbte Bereich einer Tasche etwa der Oberfläche einer Halbkugel folgt bzw. zweier voneinander beabstandeter Viertelkugeln oder einem bzw. zwei kleineren Oberflächensegment(en) einer Hohlkugel. Damit ist ein 30 Kompromiß gefunden zwischen einer maximalen Umschließung eines kugelförmigen Wälzkörpers einerseits und einer ausreichend bemessenen Öffnung, um ein nachträgliches Einsetzen der Kugel zu ermöglichen.
Daraus folgt, dass eine oder vorzugsweise beide, je nach Drehrichtung des
Wälzlagers vorderen oder rückwärtigen Seiten eines Abstandsstücks je einem
Oberflächensegment einer Hohlkugel folgen, vorzugsweise etwa je einem Viertel der Oberfläche einer Hohlkugel oder einem kleineren Teil derselben.
Dabei ergibt sich bei einem symmetrischen Aufbau der die Wälzkörper aufnehmenden Taschen bezüglich einer mittig zwischen zwei Abstandsstücken verlaufenden vertikalen Ebene eine Anordnung mit zwei zueinander symmetrischen, doppelt konkav gewölbten Flanken eines Abstandsstücks an dessen Vorder- und Rückseite, bezogen auf die jeweilige Drehrichtung.
Eine erfindungsgemäße Wälzlageranordnung kann durchaus zwei oder mehrere Wälzkörperreihen aufweisen, welche in axialer Richtung des Lagers gegeneinander versetzt sind. Vorzugsweise sind dabei in allen Wälzkörperreihen erfindungsgemäße Käfige eingefügt.
Eine, mehrere oder alle Wälzkörperreihen können dabei nach Art eines Vierpunktkugellagers gestaltet sein, insbesondere nach Art eines vorgespannten Vierpunktkugellagers. Ein erfindungsgemäßer Käfig ist in der Lage, die bei der Justierung deraartig vorgespannter Wälzkörper erforderlichen Kräfte ohne Verformung aufzubringen.
Die Erfindung sieht weiterhin vor, dass der Spalt zwischen den beiden Ringen an einer oder vorzugsweise an beiden Stirnseiten des Wälzlagers abgedichtet ist, um das Eindringen von Fremdkörpern, welche die Laufbahnen, Kugeln und/oder den Käfig beschädigen könnten, zu vermeiden.
Durch eine beidseitige Abdichtung ist es außerdem möglich, dass der Spalt zwischen den beiden Ringen, insbesondere innerhalb der beiden stimseitigen Abdichtungen, mit einem Schmiermittel, insbesondere mit Schmierfett, gefüllt ist. Da das Schmiermittel nicht entweichen kann, lassen sich die
Nachschmierintervalle sehr lange wählen, was gerade bei Windkraftanlagen, ggf. sogar im Off-Shore-Bereich, besonders vorteilhaft ist.
Weitere Vorteile bietet ein von einer Stirn- oder Mantelseite bis zur Laufbahn reichender Füllkanal in einem ringförmigen Anschlußelement zum Einfüllen von Wälzkörpern, insbesondere Kugeln. Besonders bewährt hat es sich, den
Füllkanal in einem ringförmigen Anschlußelement ohne eine Nut zur Aufnahme des Käfigrückens anzuordnen, um die Wälzkörper von der offenen Seite in eine Tasche des Käfigs einsetzen zu können. Ein solcher Füllkanal kann vorzugsweise in eine dem Spalt gegenüber liegende Mantelfläche des betreffenden Anschlußelements münden, so dass er gerade, d.h. parallel zu der Grundebene des Lagers, verlaufen kann.
Ferner sollte(n) ein oder vorzugsweise beide ringförmigen Anschlußelemente kranzförmig verteilte Befestigungsmittel zum Anschluß an ein Chassis,
Maschinen- oder Anlagenteil aufweisen, vorzugsweise kranzförmig verteilte
Bohrungen lotrecht zu einer Stirnseite. Nur durch eine solche Anordnung können die oftmals großen, zwischen den aneinander gelagerten
Anlagenteilen auftretenden Kräfte von einem erfindungsgemäßen Lager sicher aufgenommen werden.
Die Erfindung läßt sich dahingehend weiterbilden, dass wenigstens eines der ringförmigen Anschlußelemente eine rundumlaufende Zahnreihe aufweist, insbesondere an einer dem Spalt gegenüber liegenden Mantelfläche. An einer solchen, rundumlaufenden Zahnreihe können Drehmomente in die Drehverbindung eingeleitet oder von dort abgegriffen werden, bspw. um einen vorgegebenen Drehwinkel gezielt anzufahren und/oder stabil zu halten, und oder die Dreh Verbindung anzutreiben.
Zur Drehverstellung der beiden ringförmigen Anschlußelemente gegeneinander sieht die Erfindung ferner einen Drehantrieb vor, insbesondere einen oder mehrere Elektro- oder Hydraulikmotoren.
Dabei kann ein solcher Drehantrieb über (je) ein mit einer rundumlaufenden Zahnreihe eines ringförmigen Anschlußelements kämmendes Ritzel, Zahnrad, Schnecke od. dgl. mit dem betreffenden Anschlußelement gekoppelt und an dem anderen ringförmigen Anschlußelement oder einem damit verbundenen Gehäuse- oder Chassisteil festgelegt sein.
Ein erfindungsgemäßes Wälzlager findet bevorzugt Verwendung als Rotorbzw. Hauptlager einer Windkraftanlage, und/oder - insbesondere in Form eines Drehantriebs mit einem innen oder außen verzahnten Anschlußring - als Blattlager einer Windkraftanlage, und/oder als Maschinenhauslager einer Windkraftanlage.
Eine erfindungsgemäße Windkraftanlage zeichnet sich aus durch ein Rotor- bzw. Hauptlager, welches nach den oben erläuterten Kriterien ausgebildet ist, und/oder durch wenigstens ein derart aufgebautes Blattlager, und/oder durch ein ebenso aufgebautes Maschinenhauslager.
Weitere Merkmale, Einzelheiten, Vorteile und Wirkungen auf der Basis der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sowie anhand der Zeichnung. Hierbei zeigt:
Fig. 1 einen Querschnitt durch die Ringe eines erfindungsgemäßen Wälzlagers;
Fig. 2 den Außenring des Wälzlagers aus Fig. 1 , in einer perspektivischen
Ansicht sowie teilweise abgebrochen, sowie einen darin geführten
Käfig mit einer Mehrzahl von Taschen zur Aufnahme je eines
Wälzkörpers, wobei in eine Tasche beispielhaft ein Wälzkörper eingelegt ist;
Fig. 3 den Käfig des Wälzlagers aus Fig. 1 und 2 in einer perspektivischen Darstellung, sowie weitgehend gerade gebogen.
Fig. 4 eine vergrößerte Darstellung eines Details aus Fig. 2; sowie
Fig. 5 eine perspektivische Darstellung eines Käfigs gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung.
Das in der Zeichnung beispielhaft wiedergegebene Wälzlager 1 dient der verdrehbaren Verbindung eines ersten Anlagen- oder Maschinenteiles mit einem Fundament oder einem zweiten Anlagen- oder Maschinenteil. Zu diesem Zweck verfügt das Wälzlager 1 über zwei ringförmige Anschlußelemente 2, 3.
Der Schnitt durch das Wälzlager 1 gemäß Fig. 1 läßt dessen inneren Aufbau erkennen. Man erkennt die typische Struktur eines Radiallagers, wobei ein erstes Anschlußelement 2 als ebener Außenring ausgebildet ist, der in Fig. 1 links zu sehen ist, während das zweite Anschlußelement 3 als konzentrisch innerhalb des Außenrings 2 angeordneter Innenring 3 ausgebildet ist, in Fig. 1 rechts. Die beiden Anschlußelemente 2, 3 haben jeweils einen etwa rechteckigen Querschnitt. Zwischen der Innenmantelfläche 4 des äußeren Anschlußelements 2 und der Außenmantelfläche 5 des inneren Anschlußelements 3 existiert ein enger Spalt 6 mit einem etwa vertikalen Verlauf und einer konstanten, geringen Breite, so dass die beiden Anschlußeiemente 2, 3 um eine Achse im Zentrum der Ringe 2, 3 lotrecht zur Lagergrundebene gegeneinander verdrehbar sind.
Bei einer derartigen Relatiwerdrehung bleiben die beiden Anschlußelemente 2, 3 exakt konzentrisch zueinander ausgerichtet dank einer Vielzahl von Wälzkörpern 7, welche innerhalb des Spaltes 6 zwischen den beiden Anschlußelementen angeordnet sind. Diese Wälzkörper 7 haben jeweils eine kugelförmige Gestalt und wälzen sich zwischen zwei Laufbahnen 8, 9 ab, von
denen eine 8 in der Innenmantelfläche 4 des äußeren Anschlußelementes 2 angeordnet ist und die andere 9 in der Außenmantelfläche 5 des inneren Anschlußelements 3.
Die beiden Laufbahnen 8, 9 haben jeweils einen etwa halbkreisförmigen Querschnitt, der jedoch von dem Kugeiquerschnitt minimal abweicht; bspw. kann der Radius des Laufbahnquerschnitts minimal größer sein als der Radius des Kugelquerschnitts.
Nach Art eines einreihigen Vierpunktlagers hat jeder Wälzkörper 7 daher mit jeder der beiden Laufbahnen 8, 9 jeweils zwei nahezu punktförmige Kontaktbereiche, welche jeweils etwa unter einem Winkel von + 45°, vom Zentrum eines kugelförmigen Wälzkörpers 7 aus gesehen, zu finden sind; allerdings können sich diese Kontaktbereiche im Fall einer Belastung des Wälzlagers 1 in verschiedenen Richtungen verschieben.
Bevorzugt ist das Lager außerdem vorgespannt, d.h. spielfrei. Die kugelförmigen Wälzkörper 7 und/oder die Laufbahnen 8, 9 sind dabei jeweils minimal elastisch verformt.
Ferner ist der Spalt 6 im Bereich seiner Mündungen an den beiden Lagerstirnseiten 10, 11 durch je eine Dichtung 12, 13 verschlossen. Der solchermaßen nach außen abgeschlossene Spalt 6 ist mit einem Schmiermittel gefüllt, insbesondere mit Schmierfett.
Wie Fig. 1 weiter zu entnehmen ist, weisen beide ringförmigen Anschlußelemente 2, 3 jeweils eine größere Anzahl von kranzförmig verteilte Befestigungsmittel auf, insbesondere in Form von Befestigungsbohrungen 14, 15, welche wahlweise als von einer Lagerstirnseite 10, 11 eingebrachte Sacklochbohrungen ausgeführt sein können und/oder als das betreffende Anschlußelement 2, 3 zwischen dessen beiden Lagerstirnseiten 10, 11 vollständig durchsetzende Durchgangsbohrungen, wie in Fig. 1 dargestellt.
Solche Befestigungsbohrungen 14, 15 dienen zum Einschrauben bzw. Durchstecken von Maschinenschrauben, welche gleichzeitig an einem Maschinen- oder Anlagenteil verankert werden.
Ferner könnte an einer der beiden, dem Spalt 6 abgewandten Mantelflächen 16, 17 der beiden Anschlußelemente 2, 3 eine Verzahnung vorgesehen sein, mit der ein bspw. angetriebenes Ritzel, Zahnrad, Schnecke od. dgl. In Eingriff gebracht sein könnte, während das Gehäuse eines solchen Antriebs vorzugsweise an dem jeweils anderen Anschlußelement 2, 3 festlegbar wäre.
Etwa äquidistante Positionen der Wälzkörper 7 entlang der Laufbahnen 8, 9 werden möglichst konstant gehalten durch einen Käfig 18, der in Fig. 3 isoliert wiedergegeben ist.
Ein solcher Käfig 18 besteht bevorzugt aus einem federelastischen Material, bspw. aus Federstahl, und kann dadurch ohne Beschädigung und ohne bleibende Verformung gebogen werden.
Er ist überdies an mindestens einer Stelle unterbrochen und hat daher die Gestalt eines Bandes mit zwei Enden 19, 20, ist also nicht endlos. Aufgrund dieser beiden Maßnahmen muß der Käfig 18 nicht dem Laufbahndurchmesser des Wälzlagers 1 entsprechend vorgebogen sein, sondern kann ggf. als gerade gestrecktes Teil hergestellt, insbesondere aus einem (Metall-) Blech oder (Metall-) Band ausgestanzt oder mit einem Laser ausgeschnitten werden. Der Käfig könnte auch mit einer genormten Krümmung vorgebogen sein und wäre dennoch für eine Vielzahl von Wälzlagern 1 verwendbar, unabhängig von deren exakten Laufbahndurchmesser; er könnte hierzu ggf. auch nach Bedarf um bestimmte Maße gekürzt werden.
In Fig. 3 ist der prinzipielle Aufbau des Käfigs 18 zu erkennen: Er hat die Gestalt eines flachen Bandes, in welches von beiden ursprünglich bspw. geraden oder konzentrisch zu einem gemeinsamen Mittelpunkt verlaufenden
beiden schmalen Längsseiten 21 , 22 regelmäßig wiederkehrende Ausnehmungen 23, 24 eingeschnitten sind.
Von einer Längsseite 21 her sind größere Ausnehmungen 23 eingeschnitten mit einer etwa halbkreisförmigen Grundfläche, deren Radius etwa dem Radius einer Kugel 7 entspricht oder minimal größer ist als jener; diese Ausnehmungen 23 dienen als Taschen zur Aufnahme je eines kugelförmigen Wälzköφers 7.
Von der gegenüberliegenden Längsseite 22 her sind kleinere Ausnehmungen
24 eingeschnitten; diese Einkerbungen 24 dienen zur lokalen Herabsetzung der Steifigkeit des Käfigs 18 und können bei Bedarf als Soll-Biegeflächen dienen.
Vorzugsweise befinden sich die Einkerbungen 24 jeweils auf der Symmetrielinie zwischen zwei benachbarten Taschen-Ausnehmungen 23. Da die Mittelpunkte der Taschen-Ausnehmungen 23 einen (geringfügig) größeren Abstand aufweisen im Verhältnis zur Breite einer Taschen-Ausnehmung 23, verbleibt eben auf der Symmetrielinie zwischen zwei benachbarten Taschen- Ausnehmungen 23 eine Erhebung, welche als Abstandsstück 25 zwischen zwei benachbarten Wälzkörpern 7 dient, um einen direkten Kontakt derselben zu vermeiden und stattdessen einen gleichbleibenden Abstand zwischen diesen zu gewährleisten. Die freie Stirnseite eines derartigen Abstandsstücks
25 kann abgerundet sein, und/oder abgerundete Kanten aufweisen.
Da das Käfig-Band 18 breiter ist als die Tiefe einer Taschen-Ausnehmung 23, bzw. vorzugsweise breiter als der Radius einer darin aufgenommenen Kugel 7, und auch breiter als die Tiefe einer Einkerbung 24, hängen die Abstandsstücke 25 an der den Taschen 23 gegenüber liegenden Längsseite 22 einfach zusammen; es ergibt sich eine kammartige Struktur, wobei die Kammzinken den Abstandsstücken 25 entsprechen und der Kammrücken oder Käfigrücken
26 dem Käfigbereich nahe dessen durch die Einkerbungen 24 nur wenig gezinkter Längsseite 22 zuzuordnen ist.
Der Käfig 18 wird nicht, wie zumeist üblich, nach Art eines Zylindermantels gebogen und in den Spalt 6 des Wälzlagers 1 eingesetzt; statt dessen wird der Käfigrücken 26 innerhalb einer Ebene nach Art einer Kreisringscheibe gebogen und in eine rundumlaufende Nut 27 eingelegt, welche in einer Laufbahn 8, 9, im dargestellten Fall in der Laufbahn 8 des radial äußeren Anschlußelements 2, eingearbeitet ist. Da sich diese Nut 27 (etwa) auf halber Höhe der Laufbahn 8 befindet und dieselbe dadurch in zwei (etwa) gleich große Hälften mit jeweils etwa viertelkreisförmigem Querschnitt unterteilt, erstreckt sich der darin eingelegte, ebene Käfig 18 auf Höhe der Mittelpunkte der kugelförmigen Wälzkörper 7. Die freien Enden der Abstandsstücke 25 liegen etwa auf einer Kreislinie, welche gleichzeitig durch die Mittelpunkte aller kugelförmigen Wälzkörper 7 geht.
Damit sich der Käfig 18 leicht zu einem dem jeweiligen Spalt- bzw. Laufbahndurchmesser entsprechenden Kreis biegen läßt, ist auf der Symmetrielinie jedes Abstandskörpers 25 - dieser gegenüber ligend - je eine Einkerbung 24 vorgesehen. Die Tiefe jeder Einkerbung 24 entspricht etwa der minimalen Breite des Käfigrückens 26 im Bereich des Grundes einer Tasche 23, oder kann sogar größer sein als jene. Die Einkerbungen 24 können etwa eine V-förmige Grundfläche aufweisen, vorzugsweise mit abgerundeten Kanten im Bereich des Einkerbungs-Grundes sowie an den beiden Obergangsbereichen in die etwa gerade Längsseite 22 des Käfigs 8.
Eine Einkerbung 24 kann derart gestaltet sein, dass ein von dem Grund einer Einkerbung 24 und/oder von dem daran grenzenden Bereich einer Flanke der Einkerbung 24 etwa radial zu dem Mittelpunkt der angrenzenden Tasche 23 gelegter Schnitt durch den Käfig 18 einen relativ kleinen oder gar den kleinsten Querschnitt des Käfigs 18 aufweist, so dass dieser aufgrund der dortigen Materiatschwächung geneigt ist, sich bei Bedarf an diesen Stellen zu biegen.
Selbst wenn bei einer dortigen Biegung aufgrund einer lokalen Überlastung eine bleibende Verformung zurückbliebe, so hätte jenes kaum Auswirkungen auf die Funktionstüchtigkeit des erfindungsgemäßen Käfigs 18, weil dadurch die Grundfläche der angrenzenden Taschen 23 kaum verändert wird und demzufolge ein darin aufgenommener Wälzkörper 7 nicht geklemmt wird.
In Fig. 5 ist eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Käfigs 28 wiedergegeben.
Der Käfig 28 unterscheidet sich von dem zuvor beschriebenen Käfig 18 vor allem in der Gestalt der Abstandsstücke 29, während der in die Nut 27 einzulegende Käfigrücken 30 identisch ist mit dem Käfigrücken 26 des Käfigs 18. Auch ein horizontaler Längsschnitt entlang der mittigen Hauptebene des Käfigs 28 ist identisch mit einem entsprechenden Längsschnitt durch den Käfig 18.
Jedoch hat der Käfig 28 im Gegensatz zu dem Käfig 18 keine flächige Gestalt mit einer gleichbleibenden Stärke, sondern die Abstandsstücke 28 erstrecken sich über die Ebene des Käfigrückens 30 zusätzlich nach oben und nach unten auch in die dritte Dimension.
Jedes Abstandsstück 29 wird im wesentlichen von fünf Flächen begrenzt und ist an der verbleibenden Seite mit dem Käfigrücken 30 zusammengeformt.
Entsprechend der Querwölbung der Laufbahn 8 sind die Oberseite 31 haben die Unterseite 32 eines Abstandsstücks 28 eine dazu komplementäre Wölbung, so dass sie möglichst reibungsfrei innerhalb der Laufbahn 8 gleiten können. Der Querwölbungsdurchmesser der Abstandsstücken 28 kann zu diesem Zweck geringfügig kleiner sein als der Querwölbungsradius der Laufbahn 8. Ggf. können die Oberseite 31 und die Unterseite 32 auch eine geringfügige Wölbung in Längsrichtung des Käfigs 18 aufweisen, etwa entsprechend der Längswölbung der Laufbahn 8.
Vom Käfigrücken 30 aus divergieren die Oberseite 31 und die Unterseite 32 voneinander bis zu einer die freien Kanten beider Flächen 31 , 32 miteinander verbindenden Stirnseite 33. Diese Stirnseite 33 folgt etwa dem Verlauf des Spaltes 6 oberhalb und unterhalb der Laufbahn 8; sie kann eben sein oder geringfügig gewölbt nach Art einer Zylindermantelfläche, entsprechend dem zylindrisch gewölbten Verlauf des Spaltes 6.
Die beiden, an die benachbarten Taschen 34 angrenzenden Flächen 35, 36 eines Abstandsstücks 28 folgen jeweils einem Oberflächensegment einer Hohlkugel; sie bilden das Pendant zu den in diesen Taschen 34 aufgenommenen, kugelförmigen Wälzkörpern 7 und sind etwa mit dem selben Radius wie jene doppelt gekrümmt, allerdings nicht konvex, sondern konkav. Zum Grund der Tasche 34 hin verjüngen sich diese Flächen 35, 36 bis zu dem Querschnitt des Käfigrückens 30. Sie setzen sich in diesem jedoch vorzugsweise ohne Stufe und ohne Knick, d.h., stetig und differenzierbar, fort, bevorzugt in Form eines Ausschnitts aus einer Zylindermantelfläche oder eines Ausschnitts einer Hohlkugelfläche.
Die beiden, einander zugewandten Taschenbegrenzungsflächen 35, 36 benachbarter Abstandsstücke 28 könnten auch direkt ineinander übergehen, insbesondere wenn sich die Taschen 34 nicht in die Nut 27 hinein erstrecken, also wenn deren Tiefe gleich der Breite des Käfigs 28 abzüglich der Tiefe der Nut 27 ist. Jedoch sollte zwischen den einander zugewandten Taschenbegrenzungsflächen 35, 36 ein etwa bis zur Ebene des Käfigrückens 30 reichender Spalt etwa konstanter Breite verbleiben, damit der in der betreffenden Tasche 34 aufgenommene Wälzkörper 7 genügend Freiraum hat, um flächige Kontaktbereiche mit der Laufbahn 8 auszubilden. Daher sind die Taschenbegrenzungsflächen 35, 36 jeweils vorzugsweise etwas kleiner als ein Viertel der Oberfläche einer Hohlkugel.
Obzwar bei der dargestellten Ausführungform die Nut 27 in dem radial außen liegenden Anschlußelement 2 vorgesehen ist, so könnte sie ebenso gut auch in dem radial innen liegenden Anschlußelement 3 angeordnet sein. Die Längsseite 22 des Käfigs 18, 28 bei dem Käfigrücken 26, 30 würde dann nicht konvex gebogen sein, sondern konkav.
Zum Befallen der Taschen 23, 34 nach dem Zusammenbau der Anschlußelemente 2, 3 dient wenigstens ein verschließbarer Einfüllkanal, dessen Querschnitt mindestens dem Querschnitt eines kugeiförmigen Wälzkörpers 7 entspricht. Vorzugsweise ist ein solcher Einfüllkanal in dem jeweils nicht mit einer Nut 27 versehenen Anschlußelement 2, 3 vorgesehen; er beginnt an der dortigen Laufbahn 8, 9 und mündet in einem Oberflächenbereich des betreffenden Anschlußelements 2, 3 außerhalb des Spalts 6, insbesondere jenseits der beiden Dichtungen 12, 13, vorzugsweise an einer dem Spalt 6 abgewandten Mantelfläche 16, 17. Falls eine dieser beiden Mantelflächen 16, 17 mit einer rundumlaufenden Verzahnung versehen ist, bspw. zur Ankopplung eines Drehantriebs, so empfiehlt es sich, die Nut 27 in eben diesem gezahnten Anschlußelement 2, 3 anzuordnen, die Einfüllöffhung(en) jedoch in dem jeweils anderen, nicht gezahnten Anschlußelement 2, 3.
Dank der Käfige 18, 28 werden die Wälzkörper 7 des Wälzlagers 1 auch unter starken Belastungen stets an etwa äquidistanten Relativpositionen geführt. Mit solchen Käfigen 18, 28 ausgerüstete Wälzlager 1 können daher auch in vorgespanntem Zustand betrieben werden, wobei die kugelförmigen Wälzkörper 7 ständig auf Druck belastet sind. Solche, hochbelastbaren Wälzlager 1 eignen sich besonders für Windkraftanlagen, wo sie als Blattlager, Rotorhauptlager und Maschinenhauslager Anwendung finden können.
Bezugszeichenliste
Wälzlager 26 Käfigrücken
Außenring 27 Nut
Innenring 28 Käfig
Innenmantelfläche 29 Abstandsstück
Außenmantelfläche 30 Käfigrücken
Spalt 31 Oberseite
Wälzkörper 32 Unterseite
Laufbahn 33 Stirnseite
Laufbahn 34 Tasche
Lagerstirnseite 35 Taschengrenzfläche
Lagerstirnseite 36 Taschengrenzfläche
Dichtung
Dichtung ßefestiguπgsbohrung
Befestigungsbohrung
Mantelfläche
Mantelfläche
Käfig
Ende
Ende
Längsseite
Längsseite
Taschenausnehmung
Einkerbung
Abstandsstück