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Dokumentenidentifikation DE19707750C2 09.10.2003
Titel Radialwälzlager
Anmelder NSK Ltd., Tokio/Tokyo, JP
Erfinder Murai, Takashi, Fujisawa, Kanagawa, JP;
Momono, Tatsunobu, Fujisawa, Kanagawa, JP
Vertreter Grünecker, Kinkeldey, Stockmair & Schwanhäusser, 80538 München
DE-Anmeldedatum 26.02.1997
DE-Aktenzeichen 19707750
Offenlegungstag 06.11.1997
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 09.10.2003
Veröffentlichungstag im Patentblatt 09.10.2003
Free division/divided out on the grounds of lack of unity 19758774.7
IPC-Hauptklasse F16C 33/46

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Radialwälzlager. Ein derartiges Radialwälzlager kann in Elektromotoren mit mittleren bzw. großen Abmessungen oder allgemein in Mechanismen verwendet werden, um die Drehwellen dieser Motoren und anderer Maschinenteile zu lagern.

Die allgemein mit den Bezugsziffern 1a bzw. 1b in den Fig. 8 und 9 bezeichneten Radialwälzlager werden verwendet, um die rotierenden Teile von Elektromotoren oder anderen Maschinen zu lagern. Das Radialwälzlager 1a (oder 1b) besteht aus einem äußeren Laufring 2a (2b) sowie einem inneren Laufring 3a (3b), die konzentrisch zueinander angeordnet sind, einer Mehrzahl von Wälzelementen 4a (4b) sowie aus einem Käfig 5a (5b), um diese Wälzelemente 4a (4b) drehbar zu haltern. Eine äußere Laufbahn 6a (6b) ist in den axialen Mittelabschnitt der Innenumfangsfläche des äußeren Laufrings 2a (2b) ausgebildet, wobei eine innere Laufbahn 7a (7b) in dem axialen Mittelabschnitt der Außenumfangsoberfläche des inneren Laufrings 3a (3b) ausgebildet ist. Die Wälzelemente 4a (4b) sind drehbar zwischen der äußeren Laufbahn 6a (6b) sowie der inneren Laufbahn 7a (7b) angeordnet. Der Käfig ist zwischen der inneren Umfangsoberfläche des äußeren Laufrings 2a (2b) sowie zwischen der äußeren Umfangsfläche des inneren Laufrings 3a (3b) angeordnet. Die einzelnen Wälzelemente 4a (4b) sind drehbar innerhalb einer Mehrzahl von Taschen 8a (8b) gehalten, die mit Zwischenräumen in Umfangsrichtung des Käfigs angeordnet sind. Im Falle des Radialwälzlagers 1a (1b), mit welchem sich die Erfindung beschäftigt, kann der Käfig 5a (5b) verschieden geführt sein, vorzugsweise von einem durch die Wälzelemente geführten Typ sein, bei dem seine radiale Verlagerung infolge des Eingriffs zwischen jeder der Taschen 8a (8b) und den Wälzelementen 4a (4b) begrenzt ist, oder der Käfig 5a (5b) kann von einem durch den Außenring geführten Typ sein, dem seine radiale Verlagerung von dem äußeren Laufring 2a (2b) begrenzt ist.

Die in Fig. 8 ist ein Radialwalzenlager gezeigt, das zylinderförmige Walzen als Wälzkörper 4a verwendet, weswegen die äußere Laufbahn 6a ebenso wie die innere Laufbahn 7a zylinderförmige Oberflächen aufweisen. Die in Fig. 9 ist ein Radialkugellager gezeigt, das Kugeln als Wälzkörper 4b verwendet, aufgrund dessen die äußere Laufbahn 6b ebenso wie die innere Laufbahn 7b kreissektorförmig ausgespart sind. Der Käfig 5a enthält die Taschen 8a, während der Käfig 5b die Taschen 8b enthält, wobei beide Käfige in Abhängigkeit von der Form der Wälzkörper 4a, 4b unterschiedliche Formen aufweisen. Während der Wartung des Radialwälzlagers 1a (1b) wird ein Schmiermittel, wie z. B. Schmierfett, in die Bereiche eingebracht, in denen die Wälzkörper 4a (4b) eingesetzt sind (d. h., zwischen der inneren Umfangsoberfläche des äußeren Laufrings 2a (oder 2b) und der äußeren Umfangsoberfläche des inneren Laufrings 3a (3b)), so daß der Berührungsbereich zwischen der Abwälzoberfläche eines jeden Wälzkörpers 4a (4b) und die äußere Laufbahn 6a (6b) oder die innere Laufbahn 7a (7b) effektiv geschmiert werden.

Wenn ein Elektromotor mit einem Radialwälzlager 1a (1b) zur Lagerung der Drehwelle lediglich mit einer radialen Last betrieben wird, die auf die Drehwelle derart wirkt, daß der innere Laufring 3a (3b) zusammen mit der Drehwelle mit einer hohen Geschwindigkeit gedreht wird, kann oftmals ein als "Kreischen" bezeichnetes Geräusch vernommen werden. Dies ist ein metallisches "kreischendes" (schürfendes) Geräusch und sollte in der Praxis vermieden werden, da es nicht nur einen höheren Schalldruckpegel aufweist als das Geräusch, wie z. B. das Abrollgeräusch, welches unvermeidbar während des Betriebs der Wälzlager erzeugt wird, sondern auch noch als störend für das Ohr empfunden wird. Es ist allgemein bekannt, daß das abnorme Geräusch oder das "Kreischen" zwischen dem äußeren Laufring 2a (2b) und jedem Wälzelement 4a (4b) aufgrund mangelnder Schmierung auftritt.

Dieser Sachverhalt wird im folgenden eingehender diskutiert werden. Die Drehwellen von Elektromotoren und anderen Drehmaschinen sind in den meisten Fällen in einer horizontalen Richtung installiert. Wenn eine derartige horizontale Drehwelle von einem Radialwälzlager 1a (1b) abgestützt wird, werden die Wälzelemente 4a (4b) in der unteren Hälfte des Lagers, die eine "Lastzone" ist, zwischen der äußeren Laufbahn 6a (6b) und der inneren Laufbahn 7a (7b) eingezwängt, um normale Rollbewegungen beim Rotieren um die Drehwelle durchzuführen, während sie sich um ihre eigene Achse drehen. Auf der anderen Seite sind die Wälzkörper 4a (4b) der oberen Hälfte des Lagers, die eine "unbelastete Zone" ist, nicht zwischen der äußeren Laufbahn 6a (6b) und der inneren Laufbahn 7a (7b) eingezwängt, so daß sie nur schwer um ihre eigene Achse rotieren. Das hat zur Folge, daß die Wälzoberfläche der Wälzkörper 4a (4b) gegen die äußere Laufbahn 6a (6b) sowie gegen die innere Laufbahn 7a (7b) schleifen, wobei dieses allgemein als "Rotationsschlupf" bezeichnete Phänomen das abnormale Geräusch oder das "Kreischen" erzeugt. Hinzu kommt, daß mehr Wärme innerhalb des Radialwälzlagers 1a (1b) erzeugt wird, so daß seine Leistungsfähigkeit potentiell verschlechtert wird.

Um die Erzeugung der abnormalen Geräusche zu vermeiden, die aus den oben angegebenen Gründen auftreten, wurden die folgenden drei Maßnahmen verwendet:

  • 1. Der Arbeits- bzw. Betriebsspalt in dem Radialwälzlager 1a (1b) ist reduziert; der interne Spalt des Radialwälzlagers 1a (1b) wird auf den kleinstmöglichen Wert festgesetzt, und zwar unter voller Berücksichtigung des Temperaturanstiegs während des Standardbetriebs, wodurch die Wälzkörper 4a (4b) unterstützt werden, in der "unbelasteten Zone" effektiv um ihre eigene Achse zu rotieren;
  • 2. das Radialwälzlager 1b ist in einer Schubrichtung druckbeaufschlagt; falls das Radialwälzlager 1b, das als Wälzkörper 4b Kugeln verwendet, in einer Schubrichtung druckbeaufschlagt ist, werden die Wälzkörper in der "unbelasteten Zone" unterstützt, um effektiv um ihre eigene Achse zu rotieren;
  • 3. es werden in der äußeren Laufbahn 6a oder auf den Wälzoberflächen der Wälzkörper 4a des Radialwälzlagers 1a flache Rinnen ausgebildet, die sich in Umfangsrichtung erstrecken (geprüfte japanische Patentveröffentlichung Sho 44-15689 und die geprüfte japanische Gebrauchsmusterveröffentlichung Sho 49-40208); diese Rinnen ermöglichen es, daß ein Schmiermittel zwischen der äußeren Laufbahn 6a und der Wälzoberfläche eines jeden Wälzkörpers 4a angeordnet werden kann, wodurch ein Auftreten des abnormalen Geräuschs vermieden wird.

Unter den drei oben beschriebenen bekannten Maßnahmen ist die erste Maßnahme nicht nur ungeeignet, vollständig zufriedenstellende Ergebnisse zu erzielen, sondern birgt auch noch die Einschränkung in sich, daß eine abnormale Wärmeerzeugung oder ein Klemmen auftritt, falls der Betriebsspalt unangemessen klein ist.

Die zweite Maßnahme ist auf das in Fig. 9 gezeigte Radialkugellager anwendbar, aber nicht auf das in Fig. 8 gezeigte Radialwalzenlager. Ein weiteres Problem ist darin zu sehen, daß das Radialkugellager in Abhängigkeit von der strukturellen Auslegung der Abstützung der gelagerten Drehwelle nicht druckbeaufschlagt werden kann. Aus diesen Gründen ist die zweite Maßnahme unzureichend.

Die dritte Maßnahme ergibt vollständig zufriedenstellende Ergebnisse, falls sie an Walzenlagern angewendet wird, aber andererseits benötigt sie hohen Arbeitsaufwand, um die Rinnen auszubilden, was zu höheren Kosten führt. Ein weiteres Problem ist darin zu sehen, daß die dritte Maßnahme nicht auf Kugellager mit mittiger Kugelanordnung anwendbar ist.

Aus der Schrift "Konstruktion 14", 1962, Heft 12, Seiten 469 bis 480, insbesondere Seite 477, ist ein Radialwälzlager in Form eines sogenannten Ringrillenlagers bekannt. Dieses Lager weist einen äußeren Laufring und einen inneren Laufring auf. Bei diesem Lager werden Kugeln als Wälzkörper verwendet, die drehbar zwischen der äußeren Laufbahn des inneren Laufrings sowie der inneren Laufbahn des äußeren Laufrings angeordnet sind. Diese Kugeln werden durch einen Massivkäfig gehalten. Der außen geführte Massivkäfig soll gegenüber den Gleitbahnen 2 bis 2,5‰ Lagerspiel im betriebswarmen Zustand aufweisen. Engere Spiele führen zum Klemmen und zu rascher Erwärmung des Lagers. Der Spalt zwischen Käfig und Innenring ist für die Ölzufuhr wichtig.

Aus dem Katalog SKF Nr. 1760, Dezember 1947, Seite 148, sind Radialwälzlager mit Außenlaufring und Innenlaufring bekannt, wobei eine Mehrzahl von Wälzkörpern zwischen den Laufringen angeordnet sind. Aus der schematischen Darstellung eines Lagers und der zugehörigen Tabelle lassen sich die spezifischen Systemmaße der jeweiligen Lager des vorliegenden Typs entnehmen. Weiterhin läßt sich aus dieser Zeichnung ein außen geführter Käfig entnehmen, der die Wälzkörper hält. Weitere radiale Zylinderrollenlager sind dem Katalog "The Torrington Company, Service Catalog" 1988, Seite E10, zu entnehmen. Diese Zylinderrollenlager weisen einen Außen- und einen Innenring auf, wobei die Wälzkörper durch einen Käfig gehalten werden. Aus den schematischen Darstellungen dieses Katalogs läßt sich ein ringförmiger Spalt zwischen der Umfangsoberfläche des Käfigs und der Umfangsoberfläche des gegenüberliegenden Laufrings entnehmen. Weiterhin zeigen diese schematische Darstellungen, daß die axiale Länge der Umfangsoberfläche des Käfigs kleiner als die axiale Länge der Umfangsoberfläche des gegenüberliegenden Laufrings ist.

Aus der Druckschrift DE 43 27 815 A1 ist ein Kugellager für einen Turbolader bekannt. Dieses Spezialkugellager weist einen Außenlaufring, einen Innenlaufring und einen Käfig auf, der die Kugeln des Lagers hält. Unter Berücksichtigung der hohen mechanischen wie thermischen Belastung eines derartigen Lagers für einen Turbolader wird vorgeschlagen, die Spaltbreite zwischen dem Käfig und dem Laufring in einem Bereich von 1% bis 3,5% des Außendurchmessers des Käfigs festzulegen.

Aus der Druckschrift DE 692 06 533 T2 ist ein spezielles Wälzlager bekannt, wobei eine Laufbahn verschleißfeste Bereiche aufweist. Dieses Wälzlager weist einen Außenlaufring, einen Innenlaufring und einen Käfig zum Führen der Rollelemente auf. Zwischen dem Käfig und dem Laufringstegbereich ergibt sich ein enger Spalt, der in der Größenordnung von 0,25 mm ausgebildet sein kann. Zur Verschleißverminderung wird vorgeschlagen, auf dem Laufringstegbereich einen harten dünnen Überzug vorzusehen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Radialwälzlager zu schaffen, das insbesondere im hohen Drehzahlbereich eine vergleichsweise hohe Laufruhe aufweist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Radialwälzlager mit den Merkmalen des Anspruchs 1.

Eine bevorzugte Weiterbildung des Erfindungsgegenstandes ist in dem Unteranspruch dargelegt.

In der Beschreibung bedeutet "ballig drehen oder ballig" einen Maschinenprozeß zum maschinellen Bearbeiten der zylinderförmigen Walzen in eine spezifische Konfiguration, in welcher die erzeugende der Wälzoberflächen der zylinderförmigen Walzen zu beiden Enden einen geringeren Außendurchmesser aufweist als der Mittenabschnitt in axialer Richtung der zylinderförmigen Walzen, um an beiden axialen Enden der zylinderförmigen Walzen auftretende Kontaktspannung zu verhindern und auch um eine Vergrößerung des inneren Laufrings sowie des äußeren Laufrings zu verhindern und um die Spannung auf die Wälzoberfläche der zylinderförmigen Walze in axialer Richtung so einheitlich wie möglich zu verteilen.

Eine Art des "ballig drehen" kann grob in zwei Unterarten aufgeteilt werden, wovon eine "Vollballigkeits-Typ" genannt wird, und die andere ein allgemein als "Teilballigkeits-Typ" bezeichnet wird, wie in den Darstellungen von Fig. 7 gezeigt ist. Ein Wälzkörper des vollballigen Typs weist eine Konfiguration auf, in der eine erzeugende der Wälzoberfläche in axialer Richtung aus einer einzelnen Bogenform besteht, während ein Wälzkörper des teilweise balligen Typs eine Konfiguration aufweist, in der eine Erzeugende der Wälzoberfläche in axialer Richtung aus einem axialen Mittelabschnitt besteht, der sich gerade parallel zur Achse der Walze erstreckt und geneigte Endabschnitte in axialer Richtung aufweist, die jeweils sanft zu dem axialen Mittelabschnitt übergehen und von einer geraden Linie oder einer gekrümmten Linie definiert werden.

Ein Prozeß zum "ballig drehen" ist durch einen Endbearbeitungs- bzw. Finishing-Prozeß mit einer spitzenlosen Schleifmaschine gegeben, da die abgeschliffene bzw. abgearbeitete Menge verglichen mit dem Durchmesser der zylinderförmigen Walze sehr gering ist.

Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung und die zugrundeliegende technische Lehre anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 einen Teilquerschnitt eines Radialwälzlagers nach einem ersten Ausführungsbeispiel, das zur Verifizierung der Effektivität der Erfindung angefertigt wurde;

Fig. 2 den in Fig. 1 gezeigten Abschnitt X in vergrößertem Maßstab;

Fig. 3 einen Graph zur Darstellung der Ergebnisse eines ersten Experimentes;

Fig. 4 einen vergrößerter Teilquerschnitt eines Radialwälzlagers nach einem zweiten Ausführungsbeispiel, das zur Verifizierung der Effektivität der Erfindung angefertigt wurde;

Fig. 5 einen Graph zur Darstellung der Ergebnisse eines zweiten Experimentes;

Fig. 6 einen Graph zur Darstellung eines Anwendungsbereiches der Erfindung auf der Grundlage der Versuchsergebnisse;

Fig. 7 einen Graph zur Darstellung der Ergebnisse eines dritten Experimentes, das durchgeführt wurde, um zu untersuchen, wie die Geometrie der Wälzoberflächen von zylinderförmigen Walzen die Erzeugung von "Kreischen" beeinflußt;

Fig. 8 einen Querschnitt einer ersten Art eines Radialwälzlagers nach der vorliegenden Erfindung; und

Fig. 9 einen Querschnitt eines anderen, von der Erfindung nicht umfaßten Radialwälzlagers.

Das Radialwälzlager nach dem vorerwähnten Ausführungsbeispiel weist einen Aufbau auf, mit dem das Schmiermittel in dem ringförmigen Spalt zwischen der Umfangsoberfläche des Käfigs und der Umfangsoberfläche des Laufrings eine Dämpfungskraft aufbaut, welche die Bewegung der Wälzkörper in der "unbelasteten Zone" des Lagers über den Käfig zurückhält. Genauer ausgedrückt, die Stärke H des ringförmigen Spaltes und der Durchmesser D der Umfangsoberfläche des Käfigs sind so festgelegt, daß die Bedingung 1,5 × 10-3D ≤ H ≤ 9,0 × 10-3D erfüllt ist, wobei die axiale Länge A der Umfangsoberfläche des Käfigs so ausgelegt ist, daß sie 60% bis 100% der axialen Länge B der Umfangsoberfläche des Laufrings aufweist. Dadurch ist der Widerstand gegen den Fluß des Schmiermittels, das durch den ringförmigen Spalt hindurchströmt, ausreichend erhöht, um ein leichtes Verrücken des Käfigs zu verhindern. Dies bietet den Vorteil, daß selbst wenn die Wälzkörper in der "unbelasteten Zone" abnormale Bewegungen (d. h. Rotation um die Drehwelle, ohne um ihre eigene Achse zu rotieren, aber auch radiale Verschiebungen) aufweisen, der Käfig durch die Bewegung der Wälzkörper nicht verlagert wird. Zusätzlich wird in dem Fall, in dem der Käfig durch die Wälzkörper geführt wird, dieses die Bewegung der Wälzkörper regulieren und umgekehrt. Genauer gesagt, eine radiale Verlagerung des Käfigs ist begrenzt aufgrund des Eingriffes zwischen jeder der Taschen und des entsprechenden, darin vorhandenen Wälzkörpers, wobei ein Schmiermittel, wie z. B. Schmierfett, zwischen jeder der Taschen der darin befindlichen Wälzkörper eingebracht wird. Falls die Stärke H des ringförmigen Spaltes reguliert worden ist, um die Bewegung des Käfigs zu regulieren, ist die Bewegung der in dem Käfig gehaltenen Wälzkörper ebenfalls reguliert. Dadurch kann ein Auftreten abnormaler Geräusche, die "Kreischen" genannt werden, vermieden werden.

Das Radialwälzlager ist ein Radialwalzenlager, und die Wälzoberflächen der zylinderförmigen Walzen, die als Wälzkörper verwendet werden, sind vorzugsweise nicht ballig gedreht, sondern weisen insbesondere eine gerade Form auf. In diesem Fall sind die Wälzkörper in der Bewegung zustätzlich stabilisiert, um eine weitere Reduzierung abnormaler Geräusche zu erzielen.

In den vorliegenden Ausführungsbeispielen sind die Stärke H des ringförmigen Spaltes sowie der Durchmesser D der Umfangsoberfläche des Käfigs so festgelegt, daß sie den Bereich 1,5 × 10-3D ≤ H ≤ 9,0 × 10-3D erfüllen, wobei die axiale Länge A der Umfangsoberfläche des Käfigs so eingestellt ist, daß sie 60% bis 100% der axialen Länge B der Umfangsoberfläche des Laufrings einnimmt. Die Gründe für diese numerischen Grenzwerte sind folgende.

Falls die Stärke H des ringförmigen Spaltes weniger als 1,5 × 10-3D beträgt, ist es vor allem schwierig sicherzustellen, daß eine ausreichende Menge von Schmiermittel in den ringförmigen Spalt eingegeben wird; dies kann Ursache für eine übermäßige Abnutzung sowie einen Temperaturanstieg sein. Falls die Stärke H des ringförmigen Spaltes 9,0 × 10-3D überschreitet, ist der Widerstand gegen den Fluß des durch den ringförmigen Spalt durchtretenden Schmiermittels auf einen derart geringen Wert reduziert, daß das Auftreten eines abnormalen Geräuschs nicht vollständig verhindert werden kann. Daher wird die Stärke H des ringförmigen Spaltes reguliert, um innerhalb des Bereichs 1,5 × 10-3D bis 9,0 × 10-3D zu liegen. Unter Berücksichtigung weiterer Faktoren, wie z. B. die Erzeugung von Wärme während des Maschinenbetriebs, ist die Stärke H des ringförmigen Spaltes bevorzugt derart reguliert, daß sie die Ungleichung 4,5 × 10-3D < H < 7,5 × 10-3D erfüllt.

Ist die axiale Länge A der Umfangsoberfläche des Käfigs geringer als 0,6 × B, ist der Widerstand gegen den Fluß des durch den ringförmigen Spalt durchtretenden Schmiermittels auf einen derart geringen Wert reduziert, daß das Auftreten von abnormalen Geräuschen nicht vollständig verhindert werden kann. Falls die axiale Länge A der Umfangsoberfläche des Käfigs andererseits 1,0 × B übersteigt, wird ein Teil des Käfigs herausragen und sich näher an die äußere oder innere Laufbahn annähern, als es normalerweise der Fall wäre, oder, alternativ, ragt ein Teil des Käfigs entweder über die axiale Endfläche des äußeren oder des inneren Laufrings hinaus. Ein derartiges, teilweises Herausragen des Käfigs ist bezüglich der Auslegung des Radialwälzlagers in keiner Weise zu bevorzugen. Insbesondere muß der Käfig daran gehindert werden, teilweise herauszuragen, um näher an die äußere oder innere Laufbahn zu gelangen, als es normalerweise der Fall sein sollte, um sicherzustellen, daß der Kontakt zwischen der Wälzoberfläche eines jeden Wälzkörpers und der äußeren oder inneren Laufbahn in einem Normalzustand reguliert ist. Auf der anderen Seite muß der Käfig daran gehindert werden, teilweise hinter entweder die axiale Endfläche des äußeren oder des inneren Laufrings heraus herauszuragen, um sicherzustellen, daß der Käfig nicht mit anderen Teilen störend in Eingriff gelangt. Bei Berücksichtigung all dieser Faktoren ist die axiale Länge A der Umfangsoberfläche des Käfigs spezifiziert, so daß sie 60% bis 100% der axialen Länge B der Umfangsoberfläche des Laufrings einnimmt.

Falls das Konzept der Ausführungsformen auf ein Radialwalzenlager angewandt wird, sind die Wälzoberflächen der zylinderförmigen Walzen, die als Wälzkörper verwendet werden, bevorzugt nicht ballig gedreht bzw. abgerundet, sondern weisen eine gerade Form auf. Um zu wissen, welche Form die Wälzoberflächen am besten einnehmen sollten, wurden drei angegeben, eine vollständig ballig gedrehte oder abgerundete Form, welche über die gesamte axiale Länge der äußeren Umfangsoberfläche abgerundet wurde, eine teilweise ballig gedrehte bzw. abgerundete Form, welche lediglich in den Bereichen nahe den zwei axialen Endabschnitten abgerundet wurde, sowie eine vollständig gerade Form, welche an keiner Stelle der Wälzoberfläche abgerundet wurde. Unter Verwendung dieser Prüfkörper wurden die Auswirkungen der entsprechenden Formen auf das Auftreten von "Kreischen" verglichen, und es wurde herausgefunden, daß die Radialwalzenlager, welche die zylinderförmigen Walzen mit einer vollständig geraden Form verwenden, weniger häufig ein "Kreischen" erzeugen als die Radialwalzenlager, welche die zylinderförmigen Walzen der beiden anderen Formen verwenden. Es wurde des weiteren herausgefunden, daß das von dem Radialwalzenlager, das die vollständig geraden zylinderförmigen Walzen verwendet, erzeugte "Kreischen" einen niedrigeren Schalldruckpegel aufweist. Demgegenüber erzeugen die Radialwalzenlager, welche die zylinderförmigen Walzen mit teilweise abgerundeter Form und einer vollständig abgerundeten Form verwendeten, häufiger ein "Kreischen", wobei ihre entsprechenden Schalldruckpegel höher sind als bei dem Radialwalzenlager, das die zylinderförmigen Walzen mit vollständig gerader Form verwendet. Es ist zu bemerken, daß die Radialwalzenlager, welche die abgerundeten zylinderförmigen Walzen verwenden, einen stark variierenden und demzufolge instabilen Schalldruckpegel während des "Kreischens" erzeugen. Demzufolge haben die Radialwalzenlager mit zylinderförmigen Walzen, die abgerundete Wälzoberflächen aufwiesen, eine stärkere Tendenz zum "Kreischen" als das Radialwalzenlager, das die zylinderförmigen Walzen mit vollständig gerader Form der Wälzoberfläche verwendet. Dies liegt daran, daß die zylinderförmigen Walzen, deren Wälzoberflächen abgerundet sind, eine derartig kurze Berührungslänge zwischen der Erzeugungslinie für jede Wälzoberfläche und der äußeren oder inneren Laufbahn aufweisen, daß die Walzen dazu neigen, instabile Bewegungen durchzuführen.

Die Ausführungsbeispiele werden im folgenden beschrieben.

Es werden die Experimente beschrieben, die durchgeführt wurden, um die Effektivität der erfindungsgemäßen Gestaltung zu verifizieren. Das erste Experiment wurde durchgeführt mit einem Radialwälzlager des in den Fig. 1 und 2 mit 1a bezeichneten Typs, um zu untersuchen, wie die Stärke H des Spaltes 9 zwischen der äußeren Umfangsoberfläche eines jeden axialen Endabschnitts (des rechten und des linken Abschnitts von Fig. 1 und 2) des Käfigs 5a sowie der inneren Umfangsoberfläche des eingreifenden Endabschnitts des äußeren Laufrings 2a den Schalldruckpegel des abnormalen und "Kreischen" genannten Geräuschs beeinflußt. Alle Ausführungsformen des in dem ersten Experiment verwendeten Radialwälzlagers 1a waren Radialwalzenlager mit folgenden Abmessungen: der äußere Laufring 2a hatte einen Außendurchmesser D2a von 160 mm und eine Weite W2a von 30 mm, wohingegen der innere Laufring 3a einen Innendurchmesser R3a von 90 mm aufwies. Ein Paar Flansche 10 wurde an den inneren Umfangsoberflächen der beiden axialen Endabschnitte des äußeren Laufrings 2a in dem Radialwälzlager 1a ausgebildet. Jeder Flansch 10 hatte eine Breite W10 von 5 mm. Der obengenannte Spalt 9 war zwischen der inneren Umfangsoberfläche von jedem der Flansche 10 und der äußeren Umfangsoberfläche des eingreifenden axialen Endabschnitts des Käfigs 5a ausgebildet. Somit entsprechen die innere Umfangsoberfläche eines jeden Flanschs 10 der "Laufring-Umfangsoberfläche" sowie die Breite eines jeden Flansches, die mit W10 bezeichnet ist, der "axialen Länge B der Laufring-Umfangsoberfläche". Zusätzlich entspricht die äußere Umfangsoberfläche eines Ringes 11 in jedem axialen Endabschnitt des Käfigs 5a der "Käfig-Umfangsoberfläche", wobei die Breite des Rings 11, die mit W11 bezeichnet ist, der "axialen Länge A der Käfig-Umfangsoberfläche" entspricht. Der Außendurchmesser des Ringes 11 entspricht dem "Durchmesser D der Käfig-Umfangsoberfläche". In dem ersten Experiment wies jeder Flansch 10 eine Breite W10 von 5 mm und jeder Ring 11 eine Breite W11 von 2,75 mm auf. Daher war das Verhältnis A/B (= W11/W10) = 0,55. Als Wälzkörper wurden zylinderförmige Walzen 4a verwendet, und ihre Wälzoberflächen wurden nicht abgerundet, sondern wiesen eine gerade Form auf.

Für das Experiment wurden 15 Probenlager hergestellt, deren Wert für H oder der Stärke des Spaltes 9 variiert wurde in Schritten von 1 × 10-3D über einen Bereich von 1-15 × 10-3D, und es wurde der Schalldruckpegel des "Kreischens" gemessen, das während der Rotation des inneren Laufrings 3a auftrat. Drei Probenlager wurden mit dem gleichen Wert für H hergestellt, und insgesamt wurde eine Gesamtzahl von 45 Probenlager in dem ersten Experiment verwendet, das unter folgenden Bedingungen durchgeführt wurde:

Drehgeschwindigkeit: 1.200 Umin-1

Schmiermittel: Schmierfett

Radiale Last: 1.471,5 N

Frequenz, bei der der Schalldruck gemessen wurde 3.500 bis 4.500 Hz (Hauptkomponenten des "Kreischens")

Material des äußeren Laufrings 2a: SUJ2

Material des Käfigs 5a: Nylon 66 mit 25 Gew.-% Glasfasern

Die Fig. 3 zeigt das Resultat des ersten Experiments, das unter den oben angegebenen Bedingungen durchgeführt wurde. Die horizontale Achse des Graphen von Fig. 3 zeigt die Stärke H des ringförmigen Spaltes, während die vertikale Achse den Schalldruckpegel des "Kreischens" zeigt, das während des Experiments erzeugt wurde. Das Verhältnis zwischen der Stärke H des Spaltes und dem Schalldruckpegel wird für jedes Probestück mit einem Kreis bezeichnet.

Wie man aus Fig. 3 ersehen kann, fällt der Schalldruckpegel des "Kreischens" mit dem Abfallen der Stärke H des Spaltes, wobei bei einem Wert von H von 9,0 × 10-3D und weniger der Schalldruckpegel des "Kreischens" deutlich abfiel mit einem entsprechenden Abfall der Datenstreuung zwischen den Probestücken. Diese Tatsachen zeigen, daß, um das "Kreischen" zufriedenstellend zu dämpfen, die Stärke H des ringförmigen Spaltes 9 bevorzugt auf einen Wert von 9,0 × 10-3D und weniger eingestellt werden sollte.

Falls die Stärke H des ringförmigen Spaltes auf einen Wert von 9,0 × 10-3D und weniger eingestellt ist, wird das Schmierfett, das aus dem Inneren des Radialwälzlagers 1a aufgrund der Rotation des inneren Laufrings 3a sowie der Wälzelemente 4a herausgedrückt wird, einen angestiegenen Widerstand gegen sein Durchtreten durch die Lücken bzw. Spalte 9 zeigen, wobei das Radialwälzlager 1a besser dazu geeignet ist, das Schmierfett in seinem Inneren zu halten, und gleichzeitig das in den Spalten 9 vorhandene Schmierfett verbesserte Viskositätsdämpfungscharakteristika aufweist. Somit arbeitet bereits der oben beschriebene Mechanismus, um die abnormalen Bewegungen der Wälzkörper 4a in der "unbelasteten Zone" zu steuern, wodurch das "Kreischen" unterdrückt wird.

Es ist zu bemerken, daß der untere Grenzwert der Stärke H des ringförmigen Spaltes nicht im Hinblick auf die Unterdrückung des "Kreischens" festgelegt wurde, sondern um die gewünschten Funktionen des Radialwälzlagers 1a zu sichern. Falls die Stärke H des Spaltes übermäßig klein ist, wird eine nicht mehr ausreichende Menge an Schmiermittelschicht in den ringförmigen Spalten 9 vorhanden sein, wodurch die Wahrscheinlichkeit ansteigt, daß die innere Umfangsoberfläche eines jeden Flansches 10 direkt an der äußeren Umfangsoberfläche des eingreifenden axialen Endabschnittes des Käfigs 5a scheuert. Falls diese Umfangsoberflächen direkt miteinander scheuernd in Eingriff gelangen, wird nicht nur der Widerstand gegen die Rotation des Radialwälzlagers 1a erhöht, sondern auch die Wahrscheinlichkeit vergrößert, daß abnormales Abnutzen und Fressen auftritt. In dem ersten oben beschriebenen Experiment zeigten die zwei Umfangsoberflächen teilweise eine abnormale Abnutzung, wenn die Stärke H des ringförmigen Spaltes 1 × 10-3D beträgt. Daher ist der untere Grenzwert der Stärke H des ringförmigen Spaltes auf 1,5 × 10-3D festgelegt.

Das zweite Experiment wurde mit einem Radialwälzlager des in Fig. 4 mit 1a bezeichneten Typs durchgeführt, um zu untersuchen, wie das Verhältnis von A zu B (A/B = W11/W10) den Schalldruckpegel des "Kreischens" beeinflussen kann; wobei A oder die axiale Länge der Umfangsoberfläche des Käfigs gleich W11 ist, welches die Breite des Ringes 11 ist, der an jedem axialen Endabschnitt (an der rechten und linken Seite von Fig. 4) des Käfigs 5a angeordnet ist, wobei B, welches die axiale Länge der Laufring- Umfangsoberfläche ist, gleich W10 ist, welches die Breite des Flansches 10 ist. Die Stärke H des zwischen der äußeren Umfangsoberfläche von beiden axialen Endabschnitten des Käfigs 5a sowie der inneren Umfangsoberfläche des eingreifenden axialen Endabschnitts des äußeren Laufrings 2a angeordneten ringförmigen Spaltes 9 wurde auf 2,2 × 10-3D in dem Experiment festgesetzt, während A/B oder das Verhältnis zwischen den zwei axialen Längen mit sieben Werten variiert wurde, und zwar mit 0,5; 0,55; 0,6; 0,7; 0,8; 0,9 und 0,95. Der Schalldruckpegel des erzeugten "Kreischens" wurde bei jedem der sieben Probenlager gemessen. Die Ergebnisse sind in der Fig. 5 gezeigt. Die Ringe 11 und die Flansche 10 wurden an beiden Endkanten abgefast, wobei der Abfasradius der Krümmung minimiert wurde (die Kanten wurden abgeschrägt), um die effektiven Breiten der Ringe 11 und der Flansche 10 zu erhöhen.

Wie aus Fig. 5 entnehmbar, fiel der Schalldruckpegel des "Kreischens" mit dem Anstieg von A/B ab, wobei bei einem Anstieg A/B auf 0,6 der Schalldruckpegel des "Kreischens" deutlich abfiel. Wie in dem ersten Experiment waren die in dem zweiten Experiment verwendeten Wälzkörper 4a zylinderförmige Walzen, deren Wälzoberflächen vollständig gerade in der Form waren.

Das dritte Experiment wurde durchgeführt, wobei sowohl die Stärke H des ringförmigen Spaltes bzw. der Lücke als auch das axiale Längenverhältnis A/B variiert wurden, und ihre Auswirkungen auf den Schalldruckpegel des "Kreischens" wurde untersucht. Ein Teil der Ergebnisse dieses Experiments ist in der Tabelle 1 gezeigt sowie der Bereich von beiden, nämlich von H (die Stärke der ringförmigen Lücke oder Spaltes 9) und von A/B (A = axiale Länge der Käfig-Umfangsoberfläche, B = axiale Länge der Laufring- Umfangsoberfläche), die den Schalldruckpegel des "Kreischens" reduzieren konnten. Dies ist alles in der Fig. 6 angegeben. Tabelle 1



Die horizontale Achse des in Fig. 6 gezeigten Graphs zeigt das Verhältnis A/B (A = axiale Länge der Käfig-Umfangsoberfläche; B = axiale Länge der Laufring-Umfangsoberfläche), während die vertikale Achse den Wert für H (Stärke des Spaltes 9) zeigt. Die Fläche innerhalb des von einer starken Linie definierten Rechtecks liegt im Bereich der Ausführungsformen der Erfindung. In dem Bereich oberhalb dieses Rechtecks können Defekte wie übermäßige Abnutzung und Fressen auftreten, während in den Bereichen zur Rechten des Rechtecks die erhöhte Möglichkeit gegeben ist, daß der Käfig mit anderen Teilen außerhalb des Lagers störend in Eingriff gelangt. In dem Bereich unterhalb und links von dem Rechteck kann der Schalldruckpegel des "Kreischens" nicht adäquat reduziert werden.

Die Fig. 7 zeigt die Ergebnisse des vierten Experimentes, das durchgeführt wurde, um zu untersuchen, wie die Form der Wälzoberflächen der zylinderförmigen Walzen, die als Wälzkörper verwendet werden, die Erzeugung von "Kreischen" beeinflussen kann. Um den Effekt der Geometrie der Wälzoberflächen bezüglich der Erzeugung des "Kreischens" hervorzuheben, wurden die Stärke H des ringförmigen Spaltes sowie das Axiallängenverhältnis A/B mit Absicht auf H = 20 × 10-3D sowie A/B = 0,3 festgesetzt, was außerhalb des Bereichs des Ausführungsbeispieles ist. Mit Ausnahme der Form der Wälzoberflächen der zylinderförmigen Walzen waren die in dem vierten Experiment verwendeten Probenlager in allen Aspekten einschließlich der Formen des inneren Laufrings, äußeren Laufrings und des Käfigs identisch ausgebildet. Es wurde der Schalldruckpegel des "Kreischens" gemessen, das während des Betriebs des Radialwalzenlagers erzeugt wurde, und zwar für die drei Fälle von Formen von Wälzoberflächen, nämlich vollständig abgerundet, teilweise abgerundet und vollständig gerade.

Die Ergebnisse des vierten in dieser Art und Weise durchgeführten Experimentes sind in der Fig. 7 gezeigt, aus der man entnehmen kann, daß, wenn zylinderförmige Walzen verwendet werden, deren Wälzoberflächen eine vollständig gerade Form aufweisen, die Erzeugung von "Kreischen" unterdrückt werden kann, wobei zusätzlich der Schalldruckpegel des erzeugten "Kreischens" stabil mit einer geringen Streuung von 2 bis 3 dB ist. Im Gegensatz dazu erzeugten sowohl das Radialwalzenlager, das zylinderförmige Walzen mit teilweise gerundeten Wälzoberflächen verwendete, als auch das Radialwalzenlager, das zylinderförmige Walzen mit vollständig abgerundeten Wälzoberflächen verwendete, häufig "Kreischen", wobei zusätzlich die Schalldruckpegel des erzeugten "Kreischens" um etwa 3 bis 5 dB größer waren als diejenigen des von dem Radialwalzenlager erzeugten "Kreischens", das zylinderförmige Walzen mit einer vollständig geraden Form der Wälzoberflächen verwendet. Hinzu kommt, daß die Streuung der Schalldruckpegel des erzeugten "Kreischens" wie 5 bis 8 dB ist. Der Grund, warum die Radialwalzenlager, die abgerundete zylinderförmige Walzen verwendeten, eine größere Neigung zur Erzeugung von "Kreischen" aufwiesen als die Radialwalzenlager mit vollständig geraden zylinderförmigen Walzen, könnte darin liegen, daß die abgerundeten zylinderförmigen Walzen durch eine derartige kurze Kontaktlänge zwischen der die Wälzoberfläche erzeugende Linie sowie jeder äußeren und inneren Laufbahn charakterisiert sind, daß die zylinderförmigen Walzen ein erhöhtes Vermögen aufweisen, instabile Bewegungen zu zeigen.

In dem Experiment, dessen Ergebnisse in der Fig. 7 dargestellt sind, wurden die Stärke H des ringförmigen Spaltes und auch das Axiallängenverhältnis A/B bewußt so eingestellt, daß sie Werte außerhalb der Ausführungsformen einnahmen, um die Auswirkungen der Abrundung bzw. des Abrundens der Wälzoberflächen von den zylinderförmigen Walzen zu bewerten. Es wurde bestätigt, daß selbst wenn H und A/B außerhalb des Bereichs der Ausführungsformen liegen, ein Ausgestalten der Wälzoberflächen der zylinderförmigen Walzen in einer geraden Form effektiv für die Dämpfung des "Kreischens" ist. Es ist aber zu berücksichtigen, daß der Kern der vorliegenden Erfindung in der Spezifizierung der Werte von H sowie A/B liegt, die innerhalb der oben abgegebenen Bereiche liegen sollten. Die genaue Form der zylinderförmigen Wälzkörper ist nicht mehr als ein untergeordneter Grenzwertfaktor. Die Verwendung zylinderförmiger Walzen als Wälzkörper mit Wälzoberflächen von gerader Form ist jedenfalls eine Technik, die, wenn sie mit dem Erfindungskonzept kombiniert wird, die Erzeugung von "Kreischen" noch weiter unterdrückt.

Obwohl die obigen Erläuterungen sich auf Ausführungen beziehen, bei denen die äußere Umfangsoberfläche des Käfigs an dem axialen Endabschnitt der inneren Umfangsoberfläche des äußeren Laufringes gegenüberliegt, ist die Erfindung hierauf nicht beschränkt, vielmehr können auch Konstruktionen Anwendung finden, bei denen die innere Umfangsoberfläche des Käfigs an dem axialen Endabschnitt der äußeren Umfangsfläche des inneren Laufringes gegenüberliegt. Beispielsweise ist die Erfindung auch anwendbar auf ein Radialwalzenlager, bei dem ein Paar von Flanschabschnitten an dem inneren Laufring angeordnet sind. In diesem Fall ist D gleich dem Durchmesser der Umfangsoberfläche des Käfigs, welche die innere Umfangsoberfläche in einem axialen Endabschnitt des Käfigs ist, H gleich der Stärke des ringförmigen Spaltes zwischen der inneren Umfangsoberfläche des Käfigs und den Flanschabschnitten des inneren Laufrings unter der Bedingung, daß der Käfig und der innere Laufring koaxial angeordnet sind, A die axiale Länge der inneren Umfangsoberfläche des Ringabschnittes des Käfigs und B die axiale Länge einer der Flanschabschnitte des inneren Laufringes. Im übrigen gelten die beanspruchten Maßverhältnisse.

Mit vorerläuterten Radialwälzlagern können erhöhte Laufgeräusche, insbesondere bei Anwendung mit einer horizontal ausgerichteten Drehwelle und lediglich Abstützung einer radial auf die Welle aufgebrachten Last, gedämpft werden. In der vorhergehenden Beschreibung steht die Effektivität für die Bedämpfung des "Kreischens" im Vordergrund. Es ist allerdings selbstverständlich, daß bei derartigen Lagern auch noch das Laufgeräusch des Käfigs selbst unterdrückt werden kann.


Anspruch[de]
  1. 1. Radialwälzlager mit:

    einem äußeren Laufring (2a, 2b), der eine äußere Laufbahn (6a, 6b) in einem axialen Mittelabschnitt der inneren Umfangsoberfläche enthält;

    einem inneren Laufring (3a, 3b), der eine innere Laufbahn (7a, 7b) in einem axialen Mittelabschnitt der äußeren Umfangsoberfläche aufweist;

    einer Mehrzahl von Wälzkörpern (4a, 4b), die drehbar zwischen der äußeren Laufbahn (6a, 6b) sowie dieser inneren Laufbahn (7a, 7b) angeordnet sind,

    einem Schmierfett, das im Inneren des Radialwälzlager aufgenommen ist, und

    einem Käfig (5a, 5b), der zwischen der inneren Umfangsoberfläche des äußeren Laufrings (2a, 2b) und der äußeren Umfangsoberfläche des inneren Laufrings (3a, 3b) angeordnet ist und eine Mehrzahl von Taschen (8a, 8b) aufweist, um die Mehrzahl von Wälzkörpern (4a, 4b) drehbar aufzunehmen und zu halten, wobei diese Taschen (8a, 8b) in Umfangsrichtung voneinander beabstandet angeordnet sind,

    wobei dieses Radialwälzlager die folgenden Verhältnisse erfüllt:

    1,5 × 10-3D ≤ H ≤ 9,0 × 10-3D und 0,6 ≤ A/B ≤ 10, wobei

    D der Durchmesser der inneren oder äußeren Umfangsoberfläche des Käfigs (5a, 5b) ist, die an einem axialen Endabschnitt des Käfigs (5a, 5b) angeordnet ist,

    H die Stärke des ringförmigen Spaltes (9) zwischen dieser Umfangsoberfläche des Käfigs (5a, 5b) und der Umfangsoberfläche des Laufrings ist, welche entweder die innere Umfangsoberfläche eines axialen Endabschnittes des äußeren Laufrings (2a, 2b) oder die äußere Umfangsoberfläche eines axialen Endabschnitts des inneren Laufrings (3a, 3b) ist,

    A die axiale Länge der Umfangsoberfläche des Käfigs (5a, 5b) ist und

    B gleich der axialen Länge der Umfangsoberfläche des Laufrings (2a, 2b) ist,

    wobei jeder dieser Wälzkörper (4a, 4b) die Form einer zylinderförmigen Walze aufweist.
  2. 2. Radialwälzlager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wälzoberfläche der Wälzkörper (4a, 4b) eine gerade Form aufweist.






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