DE10109953A1 - Rollenkranz - Google Patents

Rollenkranz

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DE10109953A
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Joerg Binderszewsky
Philipp Goelzer
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IHO Holding GmbH and Co KG
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INA Waelzlager Schaeffler OHG
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    • F16ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16CSHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C19/00Bearings with rolling contact, for exclusively rotary movement
    • F16C19/22Bearings with rolling contact, for exclusively rotary movement with bearing rollers essentially of the same size in one or more circular rows, e.g. needle bearings
    • F16C19/44Needle bearings
    • F16C19/46Needle bearings with one row or needles
    • F16C19/463Needle bearings with one row or needles consisting of needle rollers held in a cage, i.e. subunit without race rings
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F16C33/00Parts of bearings; Special methods for making bearings or parts thereof
    • F16C33/30Parts of ball or roller bearings
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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Abstract

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. DOLLAR A Auf diese Weise werden die Kerbspannungen des Käfigs (9) verringert.

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft einen aus Zylinderrollen und Fensterkäfig bestehenden Rollenkranz für ein Zylinderrollenlager, wobei der Fensterkäfig aus zwei Sei­ tenringen besteht, die zur Bildung von Zylinderrollen aufnehmenden Taschen durch gleichmäßig in Umfangsrichtung voneinander beabstandete Stege mit­ einander verbunden sind und wobei an beiden in axialer Richtung gegenüber­ liegenden Enden der Taschen in Umfangsrichtung gegenüberliegende Hinter­ schnitte angeordnet sind.
Hintergrund der Erfindung
In Wälzlagern, die großen Beschleunigungen ausgesetzt sind, z. B. Pleuellage­ rungen oder Planetenradlagerungen werden die Käfige durch enorme Massen­ kräfte belastet. Diese Massenkräfte verursachen Spannungen, die zu Dauer­ brüchen des Käfigs führen können. Bei Lagerungen mit zylindrischen Wälzkör­ pern 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 mög­ lichst große Rundungsradien vorgesehen.
So ist aus der DE 33 27 623 C3 ein massiver Fensterkäfig für ein Zylinderrol­ lenlager bekannt, der an seinen in axialer Richtung gegenüberliegenden Ta­ schenenden 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 Hinter­ schnitte 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 Ta­ schen sphärisch verrundet sind, ebenso wie die zugehörigen Lagernadeln. Abgesehen davon, dass dieser Käfig keine in Umfangsrichtung gegenüberlie­ genden Hinterschnitte aufweist, ist Sinn und Zweck dieser Anordnung die Hal­ terung 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 Stirn­ flächen 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 Zylin­ derrollen 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 auszule­ gen, d. h. keinesfalls auf kreisrund beschränkt. Denkbar ist z. B. auch ein ellip­ tischer 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 Dauerbrü­ chen 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 Unteransprü­ chen 2 bis 7 beschrieben.
Gemäß den Merkmalen nach Anspruch 2 ist vorgesehen, dass in axialer Rich­ tung gegenüberliegende Stirnflächen der Taschen mit einem Radius RT und die in den Taschen angeordneten Zylinderrollen an ihren axial gegenüberlie­ genden 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 zwi­ schen den einzelnen erfinderischen Merkmalen konkretisiert. So ist nach An­ spruch 3 vorgesehen, dass zwischen dem Radius RT und dem Radius RS fol­ gende 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 Zylinder­ rollen selbst geführt sein.
Nach Anspruch 6 hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn der Käfig mit einer Oberflächenschutzschicht beispielsweise einer Phosphatschicht, einer galva­ nisch aufgebrachten Kupfer- oder einer galvanisch aufgebrachten Silberschicht versehen ist.
Schließlich sind im Anspruch 7 Einsatzgebiete des erfindungsgemäßen Rollen­ kranzes beschrieben. Danach ist vorgesehen, dass er in einem schnell laufen­ den, großen Beschleunigungen ausgesetzten Nadellager, beispielsweise ei­ nem 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 Rollen­ kranz nach dem bisherigen Stand der Technik,
Fig. 3 und 4 eine Draufsicht auf eine erfindungsgemäß gestaltete Tasche eines Lagerkäfigs mit zugehöriger Zylinder­ rolle,
Fig. 5 und 6 eine Darstellung der Spannungsverteilung bei ei­ nem 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 Kur­ belwelle 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 gro­ ßen Durchmesser an einem Ende und ein weiteres Auge 7 mit kleinem Durch­ messer an ihrem anderen Ende. Das Auge 6 mit großem Durchmesser ist über ein aus Zylinderrollen 10 und Käfig 9 bestehendes Nadellager 8 am Kurbel­ zapfen 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 senkrech­ ten 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 Zylin­ derrollen 10 bestückte Käfig 9 weist die zwei Seitenringe 11, 12 auf, die durch profilierte Stege 13 miteinander verbunden sind, so dass Zylinderrollen 10 auf­ nehmende Taschen 14 gebildet sind. Deren axial gegenüberliegende Stirnflä­ chen 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 Käfig­ oberfläche ist im Normalfall phosphatiert, wobei zur Verbesserung der Notlauf­ eigenschaften 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 ahgeord­ net 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 Um­ fangsrichtung gegenüberliegen, aber erfindungsgemäß in zusätzlicher Weise die Stirn­ flächen 15 der Taschen 14 mit dem Radius RT verrundet sind, wobei im vorlie­ genden 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 Um­ fangsrichtung 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 Seiten­ ring 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 Höchst­ wert befindet sich innerhalb eines Flächenabschnittes, der von einer Linie um­ schlossen ist, die dem Spannungsvergleichswert 83 zuzuordnen ist. Dies be­ deutet, 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 konti­ nuierlich ab, wie die Linien gleicher Spannung 65, 47, 30 und 13 zeigen. Fig. 5 ist auch deutlich entnehmbar, dass der Bereich maximaler Hauptspan­ nung, d. h. der von Linie 83 umschlossene Flächenabschnitt, nahezu punktför­ mig 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 auf­ weist. Zum anderen, was noch wichtiger erscheint, ist der den Höchstwert 92 umschließende, durch die Linie 76 begrenzende Flächenabschnitt nicht nahe­ zu 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

Claims (7)

1. Aus Zylinderrollen (10) und Fensterkäfig (9) bestehender Rollenkranz für ein Zylinderrollenlager, wobei der Fensterkäfig (9) aus zwei Seiten­ ringen (11, 12) besteht, die zur Bildung von Zylinderrollen (10) aufneh­ menden Taschen (14) durch gleichmäßig in Umfangsrichtung voneinan­ der 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 gegenüberlie­ gende 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 Zylinderrol­ len (10) nur in einer Richtung gewölbt sind und die Wölbung der Stirn­ flächen (15) der Taschen (14) geringer als die Wölbung der Stirnflächen der Zylinderrollen (10) ist.
2. Rollenkranz nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in axia­ ler Richtung gegenüberliegende Stirnflächen (15) der Taschen (14) mit einem Radius RT und die in den Taschen (14) angeordneten Zylinder­ rollen (10) an ihren axial gegenüberliegenden Stirnflächen mit einem Radius RS verrundet sind, wobei der Radius RT größer als der Radius RS ist.
3. Rollenkranz nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwi­ schen dem Radius RT und dem Radius RS folgende Beziehung gilt:
RT = 1,3 RS.
4. Rollenkranz nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwi­ schen dem Radius RE und dem Durchmesser D der Zylinderrollen (10) folgende Beziehung gilt:
RE ≧ 0,1 D.
5. Fensterkäfig (9) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass er durch eine Außenlaufbahn, eine Innenlaufbahn oder die Zylinderrol­ len (10) geführt ist.
6. Fensterkäfig (9) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass er mit einer Oberflächenschutzschicht, beispielsweise einer Phosphat­ schicht oder einer galvanisch aufgebrachten Kupfer- oder Silberschicht versehen ist.
7. Rollenkranz nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass er in einem schnell laufenden, großen Beschleunigungen ausgesetzten Na­ dellager (8), beispielsweise einem Pleuellager oder einem Planetenrad­ lager eingesetzt ist.
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