DE102006055027A1

DE102006055027A1 - Radialwälzlager, insbesondere zur Lagerung von Wellen in Windkraftgetrieben

Info

Publication number: DE102006055027A1
Application number: DE102006055027A
Authority: DE
Inventors: Bernd Endres; Christian Hoffinger; Carsten Merklein
Original assignee: Schaeffler KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2006-11-22
Filing date: 2006-11-22
Publication date: 2008-05-29
Also published as: WO2008061507A1; CN101595317B; US8210754B2; JP2010510456A; CN101595317A; US20100021101A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Radialwälzlager (1), insbesondere zur Lagerung von Wellen in Windkraftgetrieben, welches im Wesentlichen aus einem äußeren Lagerring (2) mit einer inneren Laufbahn (3) und einem koaxial zu diesem angeordneten inneren Lagerring (4) mit einer äußeren Laufbahn (5) sowie aus einer Vielzahl zwischen den Lagerringen (2, 4) auf deren Laufbahnen (3, 5) abrollender Wälzkörper (6) besteht, die durch einen Lagerkäfig (7) in Umfangsrichtung in gleichmäßigen Abständen zueinander gehalten werden. Zur Vermeidung von Schlupf sind zwischen den Wälzkörpern (6) und den Lagerringen (2, 4) mehrere gleichmäßig auf dem Umfang verteilte Wälzkörper (6) durch Hohlrollen (8) ersetzt, die einen geringfügig größeren Durchmesser und einen geringeren Elastizitätsmodul als die übrigen Wälzkörper (6) aufweisen, um im lastfreien Zustand des Radialwälzlagers (1) einen ständigen Kontakt zu den Lagerringen (2, 4) und somit einen stetigen Antrieb des Lagerkäfigs (7) und damit der übrigen Wälzkörper (6) mit kinematischer Drehzahl gewährleisten. Erfindungsgemäß weisen die Hohlrollen (8) eine erhöhte Biegewechselfestigkeit auf, indem deren Innenmantelflächen (9) durch spezielle mechanische Bearbeitung zusätzlich zu den aus ihrer Wärmebehandlung vorhandenen Druckeigenspannungen mit weiteren, deren maximale Lastspannung überlagernden Druckeigenspannungen von mindestens -200 MPa ausgebildet sind.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Radialwälzlager nach den oberbegriffsbildenden Merkmalen des Patentanspruchs 1, und sie ist insbesondere vorteilhaft an zumindest zeitweise unter sehr geringer Last laufenden Lagerungen, wie beispielsweise der Lagerung von Wellen in Windkraftgetrieben, realisierbar.
Hintergrund der Erfindung
Dem Fachmann in der Wälzlagertechnik ist es allgemein bekannt, dass Radialwälzlager bei ausreichender Belastung einen optimalen kinematischen Betriebszustand aufweisen, bei dem die Wälzkörper ohne zu gleiten auf den Laufbahnen des inneren und des äußeren Lagerrings abrollen. Desweiteren ist es von zumindest zeitweise niedrig belasteten Radialwälzlagern bekannt, dass sich der aus den Wälzkörpern und deren Lagerkäfig bestehende Wälzkörpersatz aufgrund der Reibung im Lager beziehungsweise aufgrund der hohen Massenkraft des Wälzkörpersatzes und der zeitweise geringen Kontaktkraft zwischen den Wälzkörpern und den Laufbahnen nicht mit der kinematischen Drehzahl dreht. Die Drehzahl des Wälzkörpersatzes bleibt folglich gegenüber der kinematischen Drehzahl zurück, so dass sich die Wälzkörper in einem kinematisch nicht optimalen Zustand befinden, durch den zwischen diesen Wälzkörpern und mindestens einer Laufbahn Schlupf vorliegt. Dabei kann sich an den Kontaktflächen zwischen den Wälzkörpern und der Laufbahn ein Schmierfilm aufbauen, der jedoch bei plötzlicher Drehzahl- oder Belastungsänderung zerstört wird, so dass an den schlupfbehafteten Kontaktstellen innerhalb kürzester Zeit kein ausreichender Schmierfilm mehr vorliegt. Dies hat zur Folge, dass es zu einer metallischen Berührung der Laufbahn mit den Wälzkörpern kommt und diese auf der Laufbahn gleiten, bis die Wälzkörper auf die kinematische Drehzahl beschleunigt sind. Diese große Differenzgeschwindigkeit zwischen der Laufbahn und den Wälzkörpern sowie das Fehlen eines trennenden Schmierfilms ist somit ursächlich dafür, dass es in den Oberflächen der Laufbahn und der Wälzkörper zu hohen Tangentialspannungen kommt, die mit stärksten Verschleißerscheinungen, wie Aufrauhungen der Laufbahnen, Materialaufreißungen und Anschmierungen zumeist in Verbindung mit Mikropittings verbunden sind und zum vorzeitigen Ausfall des Radialwälzlagers führen.
Durch die FR 2 479 369 wurde deshalb ein gattungsbildendes Radialwälzlager vorgeschlagen, welches im Wesentlichen aus einem äußeren Lagerring mit einer inneren Laufbahn und aus einem koaxial zu diesem angeordneten inneren Lagerring mit einer äußeren Laufbahn sowie aus einer Vielzahl zwischen den Lagerringen auf deren Laufbahnen abrollender und durch einen Lagerkäfig in Umfangsrichtung in gleichmäßigen Abständen zueinander gehaltener Wälzkörper besteht, bei dem zur Vermeidung des beschriebenen Schlupfeffektes und der daraus resultierenden Nachteile zwischen den Wälzkörpern und den Lagerringen mehrere gleichmäßig auf dem Umfang verteilte Wälzkörper durch Hohlrollen ersetzt sind. Diese zudem axial etwas kürzer als die übrigen Wälzkörper ausgebildeten Hohlrollen weisen dabei einen geringfügig größeren Durchmesser und einen geringeren Elastizitätsmodul als die übrigen Wälzkör per auf, so dass diese im lastfreien Zustand des Radialwälzlagers einen ständigen Kontakt zu den Lagerringen aufweisen und somit einen stetigen Antrieb des Lagerkäfigs und damit der übrigen Wälzkörper mit kinematischer Drehzahl gewährleisten.
In der Praxis hat es sich jedoch gezeigt, dass die durch ihre permanente Verformung einer stetigen Biegewechselbeanspruchung unterliegenden Hohlrollen derartiger Radialwälzlager hinsichtlich ihrer Belastbarkeit und Dauerfestigkeit potentielle Schwachstellen des Wälzlagers darstellen, die für eine verringerte Tragfähigkeit und eine verkürzte Lebensdauer des Wälzlagers ursächlich sind. So wurde beispielsweise ermittelt, dass vor allem an den Innenmantelflächen der Hohlrollen örtliche Spannungsspitzen auftreten, die im Dauerbetrieb des Wälzlagers zu Anrissen und schließlich zum Bruch der Hohlrollen führten. Dies war insbesondere auf die Verwendung von Standard-Wälzlagerstahl für die Hohlrollen sowie auf deren Standard-Wärmebehandlung zurück zu führen, bei der die Hohlrollen durch Härten bei einer Temperatur von 860°C, einem Abschrecken im Öl- oder Salzbad und einem Anlassen bei 190 ± 10°C ein durchgehend martensitisches Gefüge erhalten, das durch seine hohe Härte zwar für eine hohe Überrollfestigkeit der Hohlrollen sorgt aber durch seine geringe Zähigkeit und das Fehlen von Druckeigenspannungen insbesondere für die stetigen Biegewechselbeanspruchungen an deren Innenmantelflächen ungeeignet ist. Eine naheliegende Maßnahme zur Vermeidung solcher Spannungskonzentrationen wäre es zwar, sowohl die Hohlrollen als auch die übrigen Wälzkörper stärker zu dimensionieren, dies würde jedoch zwangsläufig eine Vergrößerung des gesamten Lagerbauraums sowie eine Erhöhung der Herstellungskosten für das Wälzlager zur Folge haben.
Aufgabe der Erfindung
Ausgehend von den dargelegten Nachteilen des bekannten Standes der Technik liegt der Erfindung deshalb die Aufgabe zu Grunde, ein Radialwälzlager, insbesondere zur Lagerung von Wellen in Windkraftgetrieben, zu konzipieren, welches unter weitestgehender Beibehaltung seiner ursprünglichen Leistungsmerkmale, wie Tragzahl, Bauraum und Lebensdauer, zur Vermeidung von Schlupf zwischen den Wälzkörpern und den Lagerringen mit Hohlrollen ausgestattet ist, die örtliche Spannungsspitzen an ihren Innenmantelflächen durch eine erhöhte Biegewechsel- und Dauerfestigkeit kompensieren.
Beschreibung der Erfindung
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei einem Radialwälzlager nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 derart gelöst, dass die Innenmantelflächen der Hohlrollen durch spezielle mechanische Bearbeitung zusätzlich zu den aus ihrer Wärmebehandlung vorhandenen Druckeigenspannungen mit weiteren, deren maximale Lastspannung überlagernden Druckeigenspannungen von mindestens –200 MPa ausgebildet sind.
Der Erfindung liegt somit die Erkenntnis zugrunde, dass es durch mechanisches Einbringen von zusätzlichen Druckeigenspannungen in die Innenmantelflächen der Hohlrollen, die zusammen mit den aus deren Wärmebehandlung resultierenden Druckeigenspannungen den im Lagerbetrieb wirkenden Zugspannungen entgegen wirken, bereits möglich ist, die zu Anrissen und schließlich zum Bruch der Hohlrollen führenden örtlichen Spannungsspitzen in den Hohlrollen zu kompensieren und damit die Biegewechsel- und Dauerfestigkeit der Hohlrollen sowie die Tragfähigkeit und die Lebensdauer derartiger Radialwälzlager entscheidend zu erhöhen.
Bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des erfindungsgemäß ausgebildeten Radialwälzlagers werden in den Unteransprüchen beschrieben.
Danach ist es gemäß Anspruch 2 eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäß ausgebildeten Radialwälzlagers, wenn die Hohlrollen die gleiche axiale Länge wie die übrigen Wälzkörper aufweisen und an ihren Innenmantelflächen bevorzugt mit einer Gesamtdruckeigenspannung zwischen –400 MPa und –800 MPa ausgebildet sind. Die Ausbildung der Hohlrollen mit der gleichen axialen Länge wie die übrigen Wälzkörper trägt dabei dazu bei, die durch die Hohlrollen konstruktionsbedingt entstehenden Verluste an Tragfähigkeit des Radialwälzlagers so gering wie möglich zu halten, während der Wert der Druckeigenspannung zwischen –400 MPa und –800 MPa ein Optimum hinsichtlich der Wirksamkeit hoher Druckeigenspannungen an den Innenmantelflächen der Hohlrollen zur Erhöhung ihrer Biegewechselfestigkeit darstellt.
Eine erste Möglichkeit zusätzliche Druckeigenspannungen an den Innenmantelflächen der Hohlrollen des erfindungsgemäß ausgebildeten Radialwälzlagers einfach und kostengünstig zu erzeugen besteht nach Anspruch 3 darin, dass die Innenmantelflächen der Hohlrollen durch Hartfestwalzen mechanisch bearbeitet sind. Dieses Bearbeitungsverfahren ist ein Verfahren der spanlosen Formgebung und beruht darauf, dass unter dem Anpressdruck von gehärteten Wälzkörpern, wie Rollen oder Kugeln, die Festigkeit von spanend bearbeiteten Oberflächen erhöht wird. Dies geschieht durch eine plastische Verformung der Profilspitzen in der Form, dass die zwischen Walzen und Werkstoff auftretende Flächenpressung im Werkstoff dreidimensionale Druckspannungen erzeugt, welche die Fließspannung des Werkstoffes erreichen und somit eine örtliche plastische Verformung bzw. eine Verfestigung der Oberfläche und somit hohe Druckeigenspannungen im Randbereich bewirken. Dabei sind je nach Werkstoff und Wärmebehandlungszustand zusätzliche Druckeigenspannungen in der bearbeiteten Oberfläche von bis zu –1000 MPa erzeugbar. Ein weiterer positiver Effekt dieses Verfahrens ist die gleichzeitige starke Reduzierung der Oberflächenrauheit, die zu einer weiteren Erhöhung der Biegewechselfestigkeit der Hohlrollen führt.
Gemäß Anspruch 4 ist es eine zweite Möglichkeit zur Erzeugung zusätzlicher Druckeigenspannungen in den Innenmantelflächen der Hohlrollen des erfindungsgemäß ausgebildeten Radialwälzlagers, dass die Innenmantelflächen der Hohlrollen durch Kugelstrahlen mechanisch bearbeitet sind. Bei diesem auch als Kugelstrahlverfestigen bekannten Oberflächenbehandlungsverfahren wird ein kugeliges Strahlmittel verwendet, das mit hoher Geschwindigkeit gegen die zu behandelnde Oberfläche geschleudert wird. Dies erfolgt zumeist mittels Schleuderrad-, Druckluft-, oder Injektor-Strahlanlagen, in denen die Strahlmittelkörner auf eine hohe Geschwindigkeit beschleunigt und zum Aufprall auf der zu bearbeitenden Oberfläche gebracht werden. Dadurch kommt es zu einer Verfestigung und zu einer plastischen Verformung im Bereich der Oberfläche, die bei den Hohlrollen je nach verwendetem Werkstoff Druckeigenspannungen bis in Höhe der Streckgrenze des Materials im jeweiligen Wärmebehandlungszustand an deren Innenmantelflächen erzeugt. Um eine nicht zu starke Beeinträchtigung der Oberflächenrauheit sicherzustellen, werden technisch sinnvollerweise Druckspannungen durch Kugelstrahlen im Bereich zwischen –800 und –1000 MPa liegen. Ein weiterer positiver Effekt dieses Verfahrens ist die gleichzeitige starke Erhöhung der Korrosionsbeständigkeit der bearbeiteten Oberflächen von korrosionsbeständigen Stählen.
Als alternative dritte Möglichkeit zur Erzeugung zusätzlicher Druckeigenspannungen in den Innenmantelflächen der Hohlrollen des erfindungsgemäß ausgebildeten Radialwälzlagers wird es durch Anspruch 5 schließlich noch vorgeschlagen, dass die Innenmantelflächen der Hohlrollen durch Kalibrieren mechanisch bearbeitet sind. Unter Kalibrieren ist in diesem Fall zu verstehen, dass ein gehärteter Körper mit einem gegenüber dem Innendurchmesser der Bohrung der Hohlrollen geringfügig größeren Außendurchmesser durch die Bohrung der Hohlrolle gepresst wird, so dass es ebenfalls zu einer örtlichen plastischen Verformung bzw. Verfestigung der Oberfläche kommt, die hohe Druckeigenspannungen im Randbereich bewirkt. Als gehärteter Körper hat sich dabei eine Stahlkugel als am geeignetsten erwiesen, wobei jedoch auch ein zylindrischer Körper mit abgerundeten Kanten verwendbar ist. Die erzeugbaren zu sätzliche Druckeigenspannungen in der bearbeiteten Oberfläche liegen hier je nach Werkstoff bei bis zu –500 MPa, wobei als vorteilhafter Nebeneffekt auch hier eine starke Reduzierung der Oberflächenrauheit eintritt.
Das erfindungsgemäß ausgebildete Radialwälzlager weist somit gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Radialwälzlagern den Vorteil auf, dass es unter weitestgehender Beibehaltung seiner ursprünglichen Leistungsmerkmale, wie Tragzahl, Bauraum und Lebensdauer, zur Vermeidung von Schlupf zwischen den Wälzkörpern und den Lagerringen mit Hohlrollen ausgestattet ist, die durch eine mechanisch erzeugte Erhöhung der durch die Wärmebehandlung bereits vorhandenen Druckeigenspannungen in ihren Innenmantelflächen eine erhöhte Biegewechsel- und Dauerfestigkeit aufweisen und somit örtliche Spannungsspitzen in den Innenmantelflächen kompensieren. Diese Vorteile treten dabei auch dann ein, wenn die Wälzkörper nicht durch einen Lagerkäfig geführt werden, sondern sich wie bei vollrolligen Lagern selbst führen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäß ausgebildeten Radialwälzlagers wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen:
1 eine Seitenansicht eines erfindungsgemäß ausgebildeten Radialwälzlagers;
2 den Querschnitt A-A durch das erfindungsgemäß ausgebildete Radialwälzlager nach 1.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
Aus den Darstellungen der 1 und 2 geht deutlich ein zur Lagerung von Wellen in Windkraftgetrieben geeignetes Radialwälzlager 1 hervor, welches in bekannter Weise aus einem äußeren Lagerring 2 mit einer inneren Laufbahn 3 und einem koaxial zu diesem angeordneten inneren Lagerring 4 mit einer äußeren Laufbahn 5 sowie aus einer Vielzahl zwischen den Lagerringen 2, 4 auf deren Laufbahnen 3, 5 abrollender Wälzkörper 6 besteht, die durch einen Lagerkäfig 7 in Umfangsrichtung in gleichmäßigen Abständen zueinander gehalten werden. Ebenso ist aus den Zeichnungen klar ersichtlich, dass bei dem dargestellten Radialwälzlager 1 zur Vermeidung von Schlupf zwischen den Wälzkörpern 6 und den Lagerringen 2, 4 drei gleichmäßig auf dem Umfang verteilte Wälzkörper 6 durch Hohlrollen 8 ersetzt sind, die einen geringfügig größeren Durchmesser und einen geringeren Elastizitätsmodul als die übrigen Wälzkörper 6 aufweisen, um im lastfreien Zustand des Radialwälzlagers 1 einen ständigen Kontakt zu den Lagerringen 2, 4 und somit einen stetigen Antrieb des Lagerkäfigs 7 und damit der übrigen Wälzkörper 6 mit kinematischer Drehzahl gewährleisten.
Damit an den Innenmantelflächen 9 der Hohlrollen 8 keine örtliche Spannungsspitzen mehr auftreten, die im Dauerbetrieb des Radialwälzlagers 1 zu Anrissen und zum Bruch der Hohlrollen 8 führen könnten, sind die Hohlrollen 8 desweiteren in erfindungsgemäßer Weise mit einer erhöhten Biegewechselfestigkeit ausgebildet. Dies wird erreicht, indem die Hohlrollen 8 die gleiche axiale Länge wie die übrigen Wälzkörper 6 aufweisen und deren Innenmantelflächen 9 durch spezielle mechanische Bearbeitung zusätzlich zu den aus ihrer Wärmebehandlung vorhandenen Druckeigenspannungen mit weiteren, deren maximale Lastspannung überlagernden Druckeigenspannungen von mindestens –200 MPa ausgebildet sind, so dass die Hohlrollen 8 an ihren Innenmantelflächen 9 eine Gesamtdruckeigenspannung zwischen –400 MPa und –800 MPa aufweisen. Solche zusätzlichen Druckeigenspannungen sind besonders einfach und kostengünstig durch das mechanische Bearbeiten der Innenmantelflächen 9 der Hohlrollen 8 mittels Hartfestwalzen herstellbar, bei dem unter dem Anpressdruck von gehärteten Wälzkörpern, wie Rollen oder Kugeln, durch plastische Verformung der Profilspitzen dreidimensionale Druckspannungen im Werkstoff erzeugt werden, welche die Fließspannung des Werkstoffes erreichen und somit eine örtliche plastische Verformung bzw. eine Verfestigung der Oberfläche und somit hohe Druckeigenspannungen im Randbereich bewirken.

1: Radialwälzlager
2: äußerer Lagerring
3: innere Laufbahn
4: innerer Lagerring
5: äußere Laufbahn
6: Wälzkörper
7: Lagerkäfig
8: Hohlrollen
9: Innenmantelflächen

Claims

Radialwälzlager, insbesondere zur Lagerung von Wellen in Windkraftgetrieben, welches im Wesentlichen aus einem äußeren Lagerring (2) mit einer inneren Laufbahn (3) und einem koaxial zu diesem angeordneten inneren Lagerring (4) mit einer äußeren Laufbahn (5) sowie aus einer Vielzahl zwischen den Lagerringen (2, 4) auf deren Laufbahnen (3, 5) abrollender Wälzkörper (6) besteht, die durch einen Lagerkäfig (7) in Umfangsrichtung in gleichmäßigen Abständen zueinander gehalten werden, wobei zur Vermeidung von Schlupf zwischen den Wälzkörpern (6) und den Lagerringen (2, 4) mehrere gleichmäßig auf dem Umfang verteilte Wälzkörper (6) durch Hohlrollen (8) ersetzt sind, die einen geringfügig größeren Durchmesser und einen geringeren Elastizitätsmodul als die übrigen Wälzkörper (6) aufweisen, um im lastfreien Zustand des Radialwälzlagers (1) einen ständigen Kontakt zu den Lagerringen (2, 4) und somit einen stetigen Antrieb des Lagerkäfigs (7) und damit der übrigen Wälzkörper (6) mit kinematischer Drehzahl gewährleisten, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlrollen (8) eine erhöhte Biegewechselfestigkeit aufweisen, indem deren Innenmantelflächen (9) durch spezielle mechanische Bearbeitung zusätzlich zu den aus ihrer Wärmebehandlung vorhandenen Druckeigenspannungen mit weiteren, deren maximale Lastspannung überlagernden Druckeigenspannungen von mindestens –200 MPa ausgebildet sind.
Radialwälzlager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlrollen (8) die gleiche axiale Länge wie die übrigen Wälzkörper (6) aufweisen und an ihren Innenmantelflächen (9) bevorzugt mit einer Gesamtdruckeigenspannung zwischen –400 MPa und –800 MPa ausgebildet sind.
Radialwälzlager nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenmantelflächen (9) der Hohlrollen (8) bevorzugt durch Hartfestwalzen mechanisch bearbeitet sind.
Radialwälzlager nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenmantelflächen (9) der Hohlrollen (8) bevorzugt durch Kugelstrahlen mechanisch bearbeitet sind.
Radialwälzlager nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenmantelflächen (9) der Hohlrollen (8) bevorzugt durch Kalibrieren mechanisch bearbeitet sind.