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Dokumentenidentifikation DE10320322A1 02.12.2004
Titel Käfig
Anmelder FAG Kugelfischer AG, 97421 Schweinfurt, DE;
INA-Schaeffler KG, 91074 Herzogenaurach, DE
Erfinder Spitzer, Peter, 91448 Emskirchen, DE;
Kranz, Sven, 91207 Lauf, DE;
Schindler, Rudolf, 97456 Dittelbrunn, DE;
Branco, Alexandre, 97526 Sennfeld, DE
DE-Anmeldedatum 06.05.2003
DE-Aktenzeichen 10320322
Offenlegungstag 02.12.2004
Veröffentlichungstag im Patentblatt 02.12.2004
IPC-Hauptklasse F16C 33/46
IPC-Nebenklasse F16C 33/56   B21D 53/12   
Zusammenfassung Ein Käfig (1) weist umfangsseitig um eine Rotationsachse (1a) des Käfigs (1) verlaufende Borde (4, 5) auf, von denen einer der Borde (5) radial von der Rotationsachse (1a) weiter entfernt um die Rotationsachse (1a) verläuft als der andere Bord (4), wobei beide Borde (4, 5) eine neutrale Biegelinie (4b) bzw. (5b) aufweisen, deren Umfang der Länge der Borde (4) bzw. (5) einem gestreckten Ausgangszustand entspricht.

Beschreibung[de]
Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft einen Käfig mit umfangsseitig um eine Rotationsachse des Käfigs angeordneten sowie durch Stege voneinander getrennten Taschen, der Käfig weiter mit zwei um die Rotationsachse des Käfigs verlaufenden, sich dabei quer zur Umfangsrichtung des Käfigs einander gegenüberliegenden sowie über die Stege miteinander verbundenen ringförmigen Borden, wobei der Käfig aus einem in einem Ausgangszustand flach in einer Ebene ausgestreckten sowie Ausgangsmaterial gleichmäßiger Dicke aufweisenden Blechstreifen gebildet ist und dabei zwei in dem Ausgangszustand voneinanderweisende Enden des Blechstreifens an dem ringförmig um die Rotationsachse des Käfigs gebogenen Blechstreifen zueinander weisen sowie miteinander verbunden sind und wobei einer der Borde radial von der Rotationsachse weiter entfernt um die Rotationsachse verläuft als der andere der Borde.

Hintergrund der Erfindung

Im folgenden sind Käfige der Gattung betrachtet, deren Konturen innen und außen im wesentlichen durch spanlose Fertigung hergestellt sind. Dabei ist unter spanloser Fertigung vorwiegend das Kaltumformen von Blech zu verstehen. Die Käfige führen und/oder halten kugel- bzw. rollenförmige Wälzkörper in den Taschen. Die Umfänge der Borde des betrachteten Käfigs unterscheiden sich voneinander. Einer der zwei Borde des Käfigs ist umfangsseitig kürzer, weil dieser radial näher zur Rotationsachse um die Rotationsachse verläuft als der andere gegenüberliegende Bord. Die Stege sind zueinander von gleicher Länge. Aus den unterschiedlichen Durchmessern bzw. Umfängen der Borde ergibt sich damit, dass die Stege von dem Bord mit dem größeren Durchmesser generell zur Rotationsachse geneigt ausgerichtet in den Bord mit dem kleinen Durchmesser übergehen. Derartige Käfige sind beispielsweise in Kegelrollenlagern oder Schrägkugellagern eingesetzt. In der Fachwelt wird häufig für diese Käfige der Begriff „konisch oder kegelförmig ausgebildeter Käfig" verwendet.

Spanlos hergestellte Käfige entstehen derzeit bevorzugt und somit abweichend von der betrachteten Gattung aus napfförmigen Vorformen. Die Vorform ist aus Ronden oder ähnlichen Platinen in der Regel kaltgeformt und ist durch einen hohlen kegelstumpfförmigen Ring beschrieben. Das Blech des relativ dünnwandigen Ringes ist im Vergleich zu dem Ausgangsmaterial so plastisch verformt, dass es im Vergleich zum Ausgangsmaterial, z. B. im Vergleich zu dem Blech der Ronde oder eines Blechstreifens, abgestreckt, d. h. in der Dicke reduziert ist. An dem Ring sind die Taschen des Käfigs ausgearbeitet. Die Borde selbst können sich zueinander unterscheidende Wandstärken und auch radial abgewinkelte Abschnitte aufweisen. Die gleichmäßige Struktur des Materials, insbesondere an den Borden, stellt an sich fast einen Idealzustand dar, da an dem Käfig keine Schwachstellen geschaffen werden. Jedoch ist bei der Wahl der Dicke des Ausgangsmaterials von vorneherein der Zuschlag zu berücksichtigen, um den der Ring im Vergleich zu dem Ausgangsmaterial abgestreckt ist. Der Materialeinsatz für die Herstellung eines derartigen Käfigs ist entsprechend nachteilig hoch, auch weil bei der Herstellung ein großer Anteil an Verschnitt entsteht. Die Herstellung dieses Käfigs ist zusätzlich aufgrund mehrerer Bearbeitungsschritte relativ aufwendig und kostenintensiv.

Es wurden deshalb in der Vergangenheit Versuche unternommen, derartige Käfige zu vereinfachen sowie deren Herstellung material- und kostensparender zu gestalten, indem auf die Käfige der oben beschriebenen Gattung zurückgegriffen wurde. Allerdings hat sich die Fertigung von Käfigen aus einem Blechstreifen der Gattung aufgrund von Nachteilen bisher nicht durchgesetzt.

Die Verwendung von Blechstreifen ist Standard an Käfigen, bei denen die Umfänge der einander gegenüberliegenden Borde gleich sind. Diese sind z. B. in Zylinderrollenlagern, Nadellagern oder Kugellagern eingesetzt. Der in der Regel am Endlosmaterial schon vorprofilierte Blechstreifen dieses Käfigs ist mit definierter Länge von einem endlosen Bandmaterial getrennt, wobei der Streifen wahlweise vor dem Trennen oder nach dem Trennen mit den Taschen versehen ist. Die Länge des Blechstreifens entspricht dabei dem Umfang einer dünnwandigen hohlen Vorform, deren Wandstärke zumindest an den Borden unverändert zur Blechdicke des Ausgangsmaterials ist. Der flache Blechstreifen ist über seine gesamte Länge linear ausgerichtet. Demnach entspricht die Länge des Blechstreifens dem Umfang jedes der Borde, die an dem noch in gestreckter Form vorliegenden Blechstreifen einander parallel gegenüberliegen. Der Blechstreifen weist durch die parallelen Borde, durch die quer zu den Borden verlaufenden Stege zwischen den Borden und durch seine lineare Ausrichtung ein leiterförmiges Aussehen auf.

Aus seinem Ausgangszustand ist der Blechstreifen kreisrund gebogen und an aufeinander zugeführten freien Enden der Borde umfangsseitig zusammengeführt. Der Käfig weist an einer Tasche beidseitig zwischen den umfangsseitig aufeinander zugeführten sowie auf Stoß aneinanderliegenden Bordenden eine geschweißte Verbindung auf. Die Trennstellen liegen sich an einer gemeinsamen Tasche und an den Borden gegenüber. Die Stege verlaufen zwischen den Borden parallel zur Rotationsachse des Käfigs orientiert. Eine Vorform des Käfigs oder ein fertiger Käfig mit Borden gleicher Umfänge liegt nach dem Biegen vor.

Der Herstellung der Käfige der betrachteten Gattung aus einem Blechstreifen sind jedoch aufgrund der sich unterscheidenden Umfänge der Borde Grenzen gesetzt. Bei diesem Käfig musste bisher wenigstens einer der Borde durch diametrale Veränderung zumindest in seinem Umfang im Vergleich zu dem Umfang des anderen Bordes vergrößert oder verkleinert sein. In DE-OS-16 256 43 sind Käfige beschrieben, bei denen ein Bord diametral geändert und damit im Umfang größer oder kleiner als der andere Bord ist. Die Käfige sind dabei aus einer Vorform hergestellt, die dem zuvor beschriebenen Käfig aus einem Blechstreifen mit Borden gleicher Umfänge entspricht.

Der Umfang eines Bordes ist nach DE-OS-1625643 durch Aufweiten bzw. Abstrecken von Abschnitten des betreffenden Bordes vergrößert. Dabei ist das Material umfangsseitig plastisch gestreckt. Die Materialstärke des Bordes ist anschließend im Vergleich zur Dicke des Ausgangsmateriales reduziert. Nachteilig ist generell, dass der im Umfang aufgeweitete Bord am fertigen Käfig im Vergleich zu dem im Umfang kleineren und nicht aufgeweiteten Bord geringere Wandstärken aufweist. Hinzu kommt noch, dass das Material des aufgeweiteten Bordes umfangsseitig nicht gleichmäßig abgestreckt bzw. abgeflacht ist. So verbleibt das Material an den T-förmigen Knoten der Steganbindung in radialer und axialer Richtung relativ unverändert und weist vergleichsweise mehr Material als die abgestreckten Abschnitte der Borde zwischen den Stegen auf. Das Ausgangsmaterial zur Herstellung derartiger Käfige muss deshalb von vorneherein dicker sein, damit nach dem Abstrecken der Borde weiterhin ausreichend Material für die erforderliche Stabilität des Käfigs an den abgestreckten bzw. besonders in der radialen Stärke verminderten Abschnitten zur Verfügung steht.

Der Umfang eines Bordes von zwei umfangsseitig zunächst gleich langen Borden wird nach DE-OS-1625643 durch Einschnüren von Abschnitten des betreffenden Bordes verkleinert. Dabei sind die zwischen den Stegen verlaufenden Abschnitte des Bordes radial in Richtung der Rotationsachse eingezogen, so dass der Bord umfangsseitig zusammengezogen und somit umfangsseitig verringert ist. Der eingezogenen Bord hat eine wellenförmige Gestalt. Die Wellen sind je nach Menge des durchgestellten Materiales radial flach, tief oder sogar in Umfangsrichtung zusammengedrückt. Nachteilig ist, dass die Wellen radial aus dem Bord hervorstehen und deshalb unter Umständen radialen Bauraum in einem Lager benötigen, der nicht vorhanden ist. Die mittig zwischen zwei der Stege an den Trennstellen des eingezogenen Bordes gelegten Schweißnähte sind nicht nur in der üblichen Weise hauptsächlich durch Zug, sondern zusätzlich auch durch Biegung belastet. Die Festigkeit der Schweißstellen ist durch Maximalspannungen so gefährdet, dass die Trennstelle nachteilig außermittig zu einem der Stege hin verlegt werden musste. Die Welligkeit eines der Borde führt generell nachteilig zu unterschiedlichem Steifigkeitsverhalten von Bord zu Bord des Käfigs.

Sowohl die vorab beschriebenen diametralen Vergrößerungen als auch die Verkleinerungen von Borden beeinflussen die Geometrie der zumeist am Blechstreifen schon eingebrachten Taschen negativ. Es ist üblich, schon vor dem Biegen des Blechstreifens die Halterungen für die Wälzkörper an den Stegen anzuprägen sowie die Spiele zwischen den Wälzkörpern und den Taschenbegrenzungen festzulegen. Nachfolgendes Aufweiten bzw. Einschnüren eines oder beider Borde beeinflusst die Genauigkeit und Funktion dieser Elemente nachteilig.

Zusammenfassung der Erfindung

Zu dem Zeitpunkt, an dem die Erfindung gemacht wurde, bestand die Aufgabe, einen Käfig der betrachteten Gattung zu schaffen, der die Vorteile eines aus einem Blechstreifen gefertigten Käfigs aufweist und mit dem die Nachteile des vorher beschriebenen Standes der Technik vermieden sind.

Diese Aufgabe wurde gemäß dem kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 dadurch gelöst, dass jeder der zwei Borde jeweils eine um die Rotationsachse verlaufende sowie sich in der Größe ihres Umfangs von einer neutralen Biegelinie des anderen Bordes der Borde unterscheidende Biegelinie aufweist.

Die neutrale Biegelinie oder neutrale Faser ist an Biegeteilen generell die Faser, die während des Biegevorganges ihre Länge im Vergleich zum gestreckten Ausgangszustand des Teiles nicht verändert. Die an der Biegekontur außen liegenden Fasern werden bei dem Biegevorgang gestreckt und die innen liegenden gestaucht. Im betrachteten Fall heißt das, dass die gestreckte Länge jeder der Borde an dem Ausgangszustand des Blechstreifens so lang ist, wie der Umfang der Biegelinie des jeweiligen Bordes an dem Käfig, wenn der Blechstreifen kreisringförmig gebogen und an seinen Biegeenden verbunden ist. Das heißt weiterhin, dass die Borde in dem Ausgangszustand des Blechstreifens, abweichend von einer linearen Ausrichtung, in der Ebene gekrümmt und dabei parallel-kreisbogenförmig zueinander ausgerichtet verlaufen, weil die Borde zueinander von unterschiedlicher Länge sind. Dabei sind die Krümmungen der Borde durch Radien unterschiedlicher Größe beschrieben, wobei die Radien von einer gemeinsamen, die Ebene durchstoßenden, Achse ausgehen.

Für den in der Ebene flach vorliegenden, jedoch seitlich in der Ebene gekrümmten Blechstreifen ist als Ausgangsmaterial schweißbarer Stahl, vorzugsweise an gewalztem Kalt- oder Warmband eingesetzt. Die Taschen sind an dem Blechstreifen gestanzt und die Stege vorzugsweise vor dem Biegen mit Halterungen für die Wälzkörper versehen. Die aufeinander zugebogenen Enden des kreisringförmig gebogenen Blechstreifens sind vorzugsweise durch Widerstandsschweißen miteinander verbunden.

Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Borde zumindest an den sich zwischen den Stegen umfangsseitig von Steg zu Steg erstreckenden Abschnitten der Borde radial zur Biegelinie, vorbehaltlich von Kerben an der Schweißverbindung, gleichmäßig dick sind. An den T-förmigen Knoten, d. h. an den Anbindungen der Stege zu den Borden, ist es denkbar, dass die Borde durch Prägen und Formen der Stege radial flacher gestaltet sind als die zwischen den Stegen gelegenen Abschnitte des Bordes. Dabei ist das an den Knoten verdrängte Material jedoch vorzugsweise in Richtung der Stege oder in Richtung des Randes der Borde, jedoch nicht in Umfangsrichtung verdrängt. Da die Käfige gemäß Erfindung an dem Bord umfangsseitig nicht plastisch aufgeweitet bzw. eingeschnürt sind, entfällt der übliche durch das Abstrecken zu berücksichtigende Aufschlag am Ausgangsmaterial. Die Käfige sind sehr genau ausgeführt.

Vorzugsweise sind die Borde radial zur Biegelinie über den gesamten Umfang des Käfigs, vorbehaltlich von Kerben an der Schweißverbindung, gleichmäßig so dick, wie die Dicke des Materials an dem Blechstreifen in seinem Ausgangszustand. So ist es dann auch möglich, dass die sich zwischen den Stegen in Umfangsrichtung von Steg zu Steg erstreckenden Abschnitte des Bordes jeweils die gleichen Querschnitte aufweisen, wie die Querschnitte der Abschnitte an dem Blechstreifen in seinem Ausgangszustand vor dem Biegen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert. Es zeigen im einzelnen:

1 eine Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Käfigs für ein Kegelrollenlager

2 eine Frontalansicht des Käfigs nach 1

2a ein vergrößertes Detail der Frontalansicht des Käfigs nach 2,

3 der Blechstreifen des Käfigs in einer Ebene gestreckt dargestellt,

4 die Draufsicht auf den Blechstreifen nach 3,

5 eine Gesamtansicht des Käfigs nach 1 und

6 das Detail X aus 5 mit der Trennstelle an dem Käfig vor dem Verbinden der Bordabschnitte aneinander.

Detaillierte Beschreibung der Zeichnungen

Ein Käfig 1 nach 1 ist mit umfangsseitig um die Rotationsachse 1a des Käfigs 1 angeordneten sowie durch Stege 2 voneinander getrennten Taschen 3 versehen. Zwei Borde 4 und 5 verlaufen um die Rotationsachse 1a und liegen sich quer zur Umfangsrichtung des Käfigs 1 einander gegenüber. Die Stege 2 verbinden die Borde 4, 5 miteinander. Der Käfig 1 liegt in seinem in 3 und 4 dargestellten Ausgangszustand als ein Blechstreifen 1b flach ausgestreckt in der Ebene L vor und weist die gleichmäßige Dicke T auf. Von den beiden im Ausgangszustand voneinanderweisenden Enden 7 und 8 des Blechstreifens 1b steht jeweils die Hälfte eines sich von Steg 2 zu Steg 2 erstreckenden Abschnittes 4a bzw. 5a des Bordes ab. An dem aus seinem Ausgangszustand nach 3 und 4 ringförmig um die Rotationsachse 1a des Käfigs 1 gebogenen Blechstreifen 1b weisen die Hälften der Abschnitte 4a und 5a umfangsseitig aufeinander zu (6) und sind jeweils durch eine Schweißnaht 9 miteinander verbunden (5).

Wie insbesondere aus 1 ersichtlich ist, ist der Bord 5 von der Rotationsachse 1a weiter entfernt als der Bord 4. Jeder der Borde 4, 5 weist jeweils eine um die Rotationsachse 1a verlaufende neutrale Biegelinie 4b, 5b (4) auf. Der Umfang der Biegelinie 4b ist durch den Radius H1 vorgegeben und ist kleiner als der durch den Radius H2 festgelegte Umfang der Biegelinie 5b. Die gestreckte Länge jedes der Borde 4, 5 im Ausgangszustand nach 3 und 4 entspricht der Länge des Umfanges der Biegelinie 4b bzw. 5b. Dazu sind die Borde 4, 5 im Ausgangszustand des Blechstreifens 1b in der Ebene mit den Radien R1 bzw. R2 um die Achse 6 gekrümmt und parallel kreisbogenförmig zueinander ausgerichtet. Der die Krümmung des Bordes 4 beschreibende Radius R1 ist kleiner als der die Krümmung des Bordes 5 beschreibende Radius R2.

Die Borde 4 und 5 sind an den Abschnitten 4a bzw. 5a radial zur Biegelinie 4b, 5b gleich dick. Dabei entspricht die radiale Dicke T der Abschnitte 4a, 5a und der Borde 4 und 5 insgesamt über den gesamten Umfang des Käfigs der Dicke T des Ausgangsmaterials an dem Blechstreifen 1b in seinem Ausgangszustand. Die Abschnitte 4a, 5a weisen die gleichen Querschnitte auf wie die Querschnitte der Abschnitte 4a, 5a an dem Blechstreifen 1b in seinem Ausgangszustand, wobei die Querschnitte durch die Maße T und S vorgegeben sind.

1Käfig 1aRotationsachse 1bBlechstreifen 2Steg 3Taschen 4Bord 4aAbschnitt 4bBiegelinie 5Bord 5aAbschnitt 5bBiegelinie 6Achse 7Ende 8Ende 9Schweißnaht

Anspruch[de]
  1. Käfig (1) mit umfangsseitig um eine Rotationsachse (1a) des Käfigs (1) angeordneten sowie durch Stege (2) voneinander getrennten Taschen (3), der Käfig (1) weiter mit zwei um die Rotationsachse (1a) verlaufenden, sich dabei quer zur Umfangsrichtung des Käfigs (1) einander gegenüberliegenden sowie über die Stege (2) miteinander verbundenen ringförmigen Borden (4, 5), wobei der Käfig (1) aus einem in einem Ausgangszustand flach in einer Ebene ausgestreckten sowie Anfangsausgangsmaterial gleichmäßiger Dicke aufweisenden Blechstreifen (1b) gebildet ist und dabei zwei in dem Ausgangszustand voneinander weisende Enden (7, 8) des Blechstreifens (1b) an dem ringförmig um die Rotationsachse (1a) des Käfigs (1) gebogenen Blechstreifens (1b) zueinander weisen sowie miteinander verbunden sind, wobei einer der Borde (5) radial von der Rotationsachse (1a) weiter entfernt um die Rotationsachse (1a) verläuft als der andere Bord (4), dadurch gekennzeichnet, dass jeder der Borde (4, 5) jeweils eine um die Rotationsachse verlaufende neutrale Biegelinie (4b, 5b) aufweist, wobei die Biegelinie (4b, 5b) sich in der Größe ihres Umfangs von einer neutralen Biegelinie (4b, 5b) des anderen Bordes (4, 5) unterscheidet, so dass die gestreckte Länge jedes der Borde (4, 5) an dem Ausgangszustand des Blechstreifens (1b) so lang ist, wie der Umfang der Biegelinie (4b, 5b) des jeweiligen Bordes (4, 5) an dem Käfig (1).
  2. Käfig nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Borde (4, 5) zumindest an sich zwischen den Stegen (2) umfangsseitig von Steg (2) zu Steg (2) erstreckenden Abschnitten (4a, 5a) radial zur Biegelinie (4b, 5b) gleichmäßig dick sind.
  3. Käfig nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Borde (4, 5) radial zur Biegelinie (4b, 5b) an dem gesamten Umfang des Käfigs (1) gleichmäßig so dick sind, wie die Dicke des Materials an dem Blechstreifen (1b) in seinem Ausgangszustand.
  4. Käfig nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die sich zwischen den Stegen (2) in Umfangsrichtung von Steg (2) zu Steg (2) erstreckenden Abschnitte (4a, 5a) des Bordes (4, 5) jeweils gleiche Querschnitte aufweisen wie die Querschnitte der Abschnitte (4a, 5a) an dem Ausgangszustand des Blechstreifens (1b).
Es folgen 4 Blatt Zeichnungen






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