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Dokumentenidentifikation DE10109953A1 15.11.2001
Titel Rollenkranz
Anmelder INA Wälzlager Schaeffler oHG, 91074 Herzogenaurach, DE
Erfinder Binderszewsky, Jörg, Dipl.-Ing., 91056 Erlangen, DE;
Gölzer, Philipp, Dipl.-Ing., 90478 Nürnberg, DE
DE-Anmeldedatum 01.03.2001
DE-Aktenzeichen 10109953
Offenlegungstag 15.11.2001
Veröffentlichungstag im Patentblatt 15.11.2001
IPC-Hauptklasse F16C 33/46
Zusammenfassung Ein aus Zylinderrollen (10) und Fensterkäfig (9) bestehender Rollenkranz für ein Zylinderrollenlager zeichnet sich dadurch aus, dass die in axialer Richtung gegenüberliegenden Stirnflächen (15) der Taschen (14) mit einem Radius RT und die in den Taschen (14) angeordneten Zylinderrollen (10) an ihren axial gegenüberliegenden Stirnflächen mit einem Radius RS verrundet sind, wobei der Radius RT größer als der Radius RS ist.
Auf diese Weise werden die Kerbspannungen des Käfigs (9) verringert.

Beschreibung[de]
Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft einen aus Zylinderrollen und Fensterkäfig bestehenden Rollenkranz für ein Zylinderrollenlager, wobei der Fensterkäfig aus zwei Seitenringen besteht, die zur Bildung von Zylinderrollen aufnehmenden Taschen durch gleichmäßig in Umfangsrichtung voneinander beabstandete Stege miteinander verbunden sind und wobei an beiden in axialer Richtung gegenüberliegenden Enden der Taschen in Umfangsrichtung gegenüberliegende Hinterschnitte angeordnet sind.

Hintergrund der Erfindung

In Wälzlagern, die großen Beschleunigungen ausgesetzt sind, z. B. Pleuellagerungen oder Planetenradlagerungen werden die Käfige durch enorme Massenkräfte belastet. Diese Massenkräfte verursachen Spannungen, die zu Dauerbrüchen des Käfigs führen können. Bei Lagerungen mit zylindrischen Wälzkörpern erweisen sich dabei die Kerbspannungen in den Übergängen zwischen Seitenringen und Stegen, d. h. in den Taschenecken des Käfigs, als kritisch.

Um die Kerbspannungen zu reduzieren, werden in den Taschenecken möglichst große Rundungsradien vorgesehen.

So ist aus der DE 33 27 623 C3 ein massiver Fensterkäfig für ein Zylinderrollenlager bekannt, der an seinen in axialer Richtung gegenüberliegenden Taschenenden Hinterschnitte aufweist. Diese Hinterschnitte, die in den Bereich der Seitenringe hineinragen, sollen die Kerbwirkung an den Übergangsstellen zwischen den Stegen herabsetzen.

Auch aus der AT 373 539 ist ein Wälzlagerkäfig bekannt, der diese Hinterschnitte zur Herabsetzung der Kerbspannungen im Stegbereich aufweist. In diesem Fall sind die Hinterschnitte so angeordnet, dass sie sich an den axial gegenüberliegenden Taschenenden in Umfangsrichtung gegenüberliegen, d. h. sie erstrecken sich nicht in den Bereich der Seitenringe, sondern erstrecken sich in Umfangsrichtung der sie verbindenden Stege.

In der DD 19 773 schließlich ist in diesem Zusammenhang ein Massivkäfig für ein Nadellager beschrieben, dessen gegenüberliegende Stirnflächen der Taschen sphärisch verrundet sind, ebenso wie die zugehörigen Lagernadeln. Abgesehen davon, dass dieser Käfig keine in Umfangsrichtung gegenüberliegenden Hinterschnitte aufweist, ist Sinn und Zweck dieser Anordnung die Halterung der Lagernadeln in den Taschen.

Nachteilig dabei ist in allen Fällen, dass im Übergangsbereich zwischen den Stirnflächen der Taschen und den Stegen hohe Spannungskonzentrationen erhalten bleiben.

Zusammenfassung der Erfindung

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, einen Rollenkranz so zu verändern, dass die Kerbspannungen des Käfigs minimiert sind.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe nach dem kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 dadurch gelöst, dass in axialer Richtung gegenüberliegende Stirnflächen der Taschen und die in den Taschen angeordneten Zylinderrollen an ihren axial gegenüberliegenden Stirnflächen nach außen verrundet sind, wobei die Stirnflächen der Taschen gegenüber der sphärischen Wölbung der Zylinderrollen nur in einer Richtung gewölbt sind und die Wölbung der Stirnflächen der Taschen geringer als die Wölbung der Stirnflächen der Zylinderrollen ist.

Im Sinne der Erfindung ist der Begriff Verrundung bzw. Wölbung weit auszulegen, d. h. keinesfalls auf kreisrund beschränkt. Denkbar ist z. B. auch ein elliptischer Verlauf.

Durch diese Form der Zylinderrollen aufnehmenden Taschen und durch die Verrundung der Stirnflächen der Zylinderrollen wird eine deutliche Reduzierung der auftretenden Spannungen erreicht, so dass das Auftreten von Dauerbrüchen der Käfige verhindert ist bzw. die Lebensdauer bis zu einem möglichen Auftritt von Dauerbrüchen wesentlich erhöht ist.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen 2 bis 7 beschrieben.

Gemäß den Merkmalen nach Anspruch 2 ist vorgesehen, dass in axialer Richtung gegenüberliegende Stirnflächen der Taschen mit einem Radius RT und die in den Taschen angeordneten Zylinderrollen an ihren axial gegenüberliegenden Stirnflächen mit einem Radius RS verrundet sind, wobei der Radius RT größer als der Radius RS ist.

In den Unteransprüchen 3 und 4 sind die geometrischen Beziehungen zwischen den einzelnen erfinderischen Merkmalen konkretisiert. So ist nach Anspruch 3 vorgesehen, dass zwischen dem Radius RT und dem Radius RS folgende Beziehung gilt:



RT = 1,3 RS



Nach Anspruch 4 soll zwischen dem Radius RE und dem Durchmesser D der Zylinderrollen folgende Beziehung gelten:



RE ≥ 0,1 D.

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung gemäß Anspruch 5 kann der Fensterkäfig durch eine Außenlaufbahn, eine Innenlaufbahn oder die Zylinderrollen selbst geführt sein.

Nach Anspruch 6 hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn der Käfig mit einer Oberflächenschutzschicht beispielsweise einer Phosphatschicht, einer galvanisch aufgebrachten Kupfer- oder einer galvanisch aufgebrachten Silberschicht versehen ist.

Schließlich sind im Anspruch 7 Einsatzgebiete des erfindungsgemäßen Rollenkranzes beschrieben. Danach ist vorgesehen, dass er in einem schnell laufenden, großen Beschleunigungen ausgesetzten Nadellager, beispielsweise einem Pleuellager oder einem Planetenradlager eingesetzt sein soll.

Die Erfindung wird an nachstehendem Ausführungsbeispiel näher erläutert.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Es zeigen:

Fig. 1 die Lagerung einer Pleuelstange eines Motors,

Fig. 2 einen teilweisen Längsschnitt durch einen Rollenkranz nach dem bisherigen Stand der Technik,

Fig. 3 und 4 eine Draufsicht auf eine erfindungsgemäß gestaltete Tasche eines Lagerkäfigs mit zugehöriger Zylinderrolle,

Fig. 5 und 6 eine Darstellung der Spannungsverteilung bei einem Käfig nach dem Stand der Technik und einem erfindungsgemäßen Käfig.

Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 zeigt die Kurbelwelle 1 und die Pleuelstange 2 eines Motors. Die Kurbelwelle 1 ist in einem nicht dargestellten Kurbelgehäuse angeordnet und weist die Zentrierwelle 3, die Gegengewichte 4 und den Kurbelzapfen 5 auf. Der Kurbelzapfen 5 kann integral mit den Gegengewichten 4 oder als getrenntes Bauelement ausgeführt sein. Die Pleuelstange 2 hat ein Auge 6 mit einem großen Durchmesser an einem Ende und ein weiteres Auge 7 mit kleinem Durchmesser an ihrem anderen Ende. Das Auge 6 mit großem Durchmesser ist über ein aus Zylinderrollen 10 und Käfig 9 bestehendes Nadellager 8 am Kurbelzapfen 5 gelagert. Das Auge 7 mit kleinem Durchmesser der Pleuelstange 2 ist mittels eines nicht gezeigten Lagers am Bolzen eines Kolbens gelagert. Ein Kraftstoff-/Luftgemisch wird in das Kurbelgehäuse und im Zuge der senkrechten Bewegung des nicht gezeigten Zylinders in den Brennraum eines Zylinders geleitet, wo die Verbrennung stattfindet. Die Verbrennungskraft des Kraftstoff- /Luftgemisches im Brennraum bewirkt senkrechte Bewegungen des Zylinders, die von der Pleuelstange 2 und dem Kurbelzapfen 5 in Drehbewegungen der Zentrierwelle 3 umgesetzt werden, durch die der Motor in Drehung gebracht wird.

Der in Fig. 2 nach dem bisherigen Stand der Technik gezeigte und mit Zylinderrollen 10 bestückte Käfig 9 weist die zwei Seitenringe 11, 12 auf, die durch profilierte Stege 13 miteinander verbunden sind, so dass Zylinderrollen 10 aufnehmende Taschen 14 gebildet sind. Deren axial gegenüberliegende Stirnflächen 15 sind plan ausgebildet und gehen im Übergangsbereich zwischen den Seitenringen 11, 12 und den Stegen 13 in je zwei Hinterschnitte 16 über, die sich in Umfangsrichtung gegenüberliegen und den Radius RE aufweisen. Ein solcher Käfig 9 kann beispielsweise aus dem Vergütungswerkstoff 25 Cr Mo 4 hergestellt und auf eine Festigkeit von wenigstens 1300 N/mm2 vergütet sein. Das M-förmige Profil sorgt für eine gute Formstabilität des Käfigs 9. Die Käfigoberfläche ist im Normalfall phosphatiert, wobei zur Verbesserung der Notlaufeigenschaften auch Käfige in verkupferter oder versilberter Ausführung möglich sind. Die Zylinderrollen 10 sind aus dem Wälzlagerstahl 100 Cr 6 gefertigt und gehärtet, wobei die Kernhärte 700 + 140 HV10 beträgt. In Extremfällen rotieren solche Nadellager 8 mit einer Geschwindigkeit von bis zu 300 U/s, d. h. sie sind extremen Beschleunigungen ausgesetzt, die zu Dauerbrüchen führen können. Dies zu verhindern hat man nach dem bisherigen Stand der Technik dadurch versucht, dass in der beschriebenen Weise die in Umfangsrichtung gegenüberliegenden Hinterschnitte 16 an den Enden der Taschen 14 ahgeordnet waren.

Wie die Draufsicht gemäß den Fig. 3 und 4 zeigt, sind zur Verringerung der Spannungskonzentration die Taschengeometrie und die Zylinderrolle 10 so verändert worden, dass die Taschen 14 des Käfigs 9 zwar genau wie nach dem bisherigen Stand der Technik an ihren in axialer Richtung gegenüberliegenden Enden die Hinterschnitte 16 mit dem Radius RE aufweisen, die sich in Umfangsrichtung gegenüberliegen, aber erfindungsgemäß in zusätzlicher Weise die Stirnflächen 15 der Taschen 14 mit dem Radius RT verrundet sind, wobei im vorliegenden Beispiel die Beziehung gilt, RT = 1,3 RS. Wie Fig. 3 weiter zeigt, sind die Scheitelpunkte der Hinterschnitte 16 im Bereich der Taschen 14 in Umfangsrichtung etwa mit dem Wert 1,12 D voneinander entfernt.

In den Fig. 5 und 6 sind die ermittelten maximalen Hauptspannungen der Käfige bei Rotation des Rollenkranzes im Übergangsbereich zwischen Seitenring 11, 12 und Steg 13 grafisch dargestellt, wobei zu Vergleichszwecken der höchste ermittelte Wert willkürlich mit 100 dimensionslos festgelegt ist.

Wie Fig. 5 zeigt, ist bei einem Käfig nach dem bisherigen Stand der Technik dieser Höchstwert im Bereich der Seitenringe 11, 12 unmittelbar im Anschluss an den Hinterschnitt 16 festgestellt worden. Dieser mit 100 festgelegte Höchstwert befindet sich innerhalb eines Flächenabschnittes, der von einer Linie umschlossen ist, die dem Spannungsvergleichswert 83 zuzuordnen ist. Dies bedeutet, die innerhalb dieses von den Linie 83 begrenzten Flächenabschnittes liegenden Punkte wiesen eine Hauptspannung auf, die sich zwischen 83 und 100 bewegt. In radialer Richtung nach innen nehmen die Spannungen kontinuierlich ab, wie die Linien gleicher Spannung 65, 47, 30 und 13 zeigen. Fig. 5 ist auch deutlich entnehmbar, dass der Bereich maximaler Hauptspannung, d. h. der von Linie 83 umschlossene Flächenabschnitt, nahezu punktförmig ausgebildet ist. In diesem Bereich höchster Spannungen werden sich bei extremen Belastungen des Käfigs 9 Risse ausbilden, die zu einem Dauerbruch führen können.

Die in Fig. 6 gezeigte Spannungsverteilung eines erfindungsgemäßen Käfigs läßt erkennen, dass dieser zum einen mit 92 einen geringeren Höchstwert aufweist. Zum anderen, was noch wichtiger erscheint, ist der den Höchstwert 92 umschließende, durch die Linie 76 begrenzende Flächenabschnitt nicht nahezu punktförmig ausgebildet, sondern in Umfangsrichtung auseinandergezogen. Die Neigung zur Rißbildung ist also wesentlich geringer ausgeprägt. Bezugszeichen 1 Kurbelwelle

2 Pleuelstange

3 Zentrierwelle

4 Gegengewicht

5 Kurbelzapfen

6 Auge

7 Auge

8 Nadellager

9 Käfig

10 Zylinderrolle

11 Seitenring

12 Seitenring

13 Steg

14 Tasche

15 Stirnfläche

16 Hinterschnitt

D Durchmesser der Zylinderrolle

RE Radius des Hinterschnittes

RT Radius der gegenüberliegenden Stirnflächen

RS Verrundungsradius der Zylinderrolle


Anspruch[de]
  1. 1. Aus Zylinderrollen (10) und Fensterkäfig (9) bestehender Rollenkranz für ein Zylinderrollenlager, wobei der Fensterkäfig (9) aus zwei Seitenringen (11, 12) besteht, die zur Bildung von Zylinderrollen (10) aufnehmenden Taschen (14) durch gleichmäßig in Umfangsrichtung voneinander beabstandete Stege (13) miteinander verbunden sind und wobei an beiden in axialer Richtung gegenüberliegenden Enden der Taschen (14) in Umfangsrichtung gegenüberliegende Hinterschnitte (16) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass in axialer Richtung gegenüberliegende Stirnflächen (15) der Taschen (14) und die in den Taschen (14) angeordneten Zylinderrollen (10) an ihren axial gegenüberliegenden Stirnflächen nach außen verrundet sind, wobei die Stirnflächen (15) der Taschen (14) gegenüber der sphärischen Wölbung der Zylinderrollen (10) nur in einer Richtung gewölbt sind und die Wölbung der Stirnflächen (15) der Taschen (14) geringer als die Wölbung der Stirnflächen der Zylinderrollen (10) ist.
  2. 2. Rollenkranz nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in axialer Richtung gegenüberliegende Stirnflächen (15) der Taschen (14) mit einem Radius RT und die in den Taschen (14) angeordneten Zylinderrollen (10) an ihren axial gegenüberliegenden Stirnflächen mit einem Radius RS verrundet sind, wobei der Radius RT größer als der Radius RS ist.
  3. 3. Rollenkranz nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Radius RT und dem Radius RS folgende Beziehung gilt:



    RT = 1,3 RS.

  4. 4. Rollenkranz nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Radius RE und dem Durchmesser D der Zylinderrollen (10) folgende Beziehung gilt:



    RE ≥ 0,1 D.

  5. 5. Fensterkäfig (9) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass er durch eine Außenlaufbahn, eine Innenlaufbahn oder die Zylinderrollen (10) geführt ist.
  6. 6. Fensterkäfig (9) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass er mit einer Oberflächenschutzschicht, beispielsweise einer Phosphatschicht oder einer galvanisch aufgebrachten Kupfer- oder Silberschicht versehen ist.
  7. 7. Rollenkranz nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass er in einem schnell laufenden, großen Beschleunigungen ausgesetzten Nadellager (8), beispielsweise einem Pleuellager oder einem Planetenradlager eingesetzt ist.






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