DE102007018807A1

DE102007018807A1 - Käfig für ein Wälzlager

Info

Publication number: DE102007018807A1
Application number: DE200710018807
Authority: DE
Inventors: Stefan Knatz; Wolfgang Ortmann
Original assignee: Timken GmbH
Current assignee: Timken GmbH
Priority date: 2007-04-20
Filing date: 2007-04-20
Publication date: 2008-10-23

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Käfig (30; 80) für ein Wälzlager (1; 50) sowie ein diesen Käfig aufweisendes Wälzlager. Der Käfig (30; 80) ist zwischen einer ersten Laufbahn (12; 62) und einer zweiten Laufbahn (22; 72) des Wälzlagers (1; 50) angeordnet, und er weist Käfigtaschen (32, 34; 82, 84) zur Aufnahme von Wälzkörpern (5; 55) auf. Der Käfig (30; 80) weist an mindestens einer Käfigtasche (34; 84) Vorspannmittel (36, 38; 86, 88) auf, die den in der Käfigtasche (34; 84) angeordneten Wälzkörper (5; 55) in einer Richtung vorspannen, in der die von dem Wälzkörper (1; 50) aufgenommenen Kräfte wirken. Wenn das Wälzlager ein Radiallager (1) ist, das eine innere Laufbahn (22) und eine zu dieser koaxial angeordnete äußere Laufbahn (12) für die Wälzkörper (5) aufweist, spannen die Vorspannmittel (36, 38) den in der Käfigtasche (34) angeordneten Wälzkörper (5) in radialer Richtung in Bezug auf die Achse des Wälzlagers (1) vor. Wenn das Wälzlager ein Axiallager (50) ist, spannen die Vorspannmittel (86, 88) den in der Käfigtasche (84) angeordneten Wälzkörper (55) in axialer Richtung in Bezug auf die Achse des Wälzlagers (50) vor. Die Vorspannmittel sind insbesondere Federelemente (36, 38; 86, 88), die eine definierte Vorspannungskraft auf den Wälzkörper (5; 55) ausüben.

Description

Die Erfindung betrifft einen Käfig für ein Wälzlager entsprechend dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 sowie ein Wälzlager.
Wälzlager werden in großen Stückzahlen in den unterschiedlichsten Ausführungen in den verschiedensten technischen und industriellen Anwendungen sowie in Produkten des täglichen Lebens eingesetzt, bei denen insbesondere sich drehende Bauteile miteinander oder mit still stehenden Komponenten verbunden und für eine Verdrehung an diesen gelagert werden. Hierbei werden radial und/oder axial wirkende Lasten zwischen den zu verbindenden Komponenten übertragen. Lager, die in radialer Richtung in Bezug auf die Rotationsachse des Lagers wirkende Kräfte aufnehmen, werden als Radiallager bezeichnet; Lager, die in axialer Richtung in Bezug auf die Rotationsachse des Lagers wirkende Kräfte aufnehmen, werden als Axiallager bezeichnet.
Solche Wälzlager können dabei insbesondere Nagellager, Zylinderrollenlager, Kegelrollenlager oder Kugellager sein. Nadellager werden beispielsweise in den Industrie-Normen DIN 618/ISO 3245/ANSI/ABMA 18.1 beschrieben, Zylinderrollenlager werden beispielsweise in der Norm DIN 5412 beschrieben, und (Rillen-)Kugellager werden beispielsweise in der Norm DIN 625 beschrieben.
Wälzlager der genannten Arten finden unter anderem umfangreiche Anwendung im Kraftfahrzeugbereich, beispielsweise zur Lagerung von Lenkungssystemen und Lenksäulen, für Motoren zur elektrischen Verstellung beispielsweise von Sitzen oder im Bereich von Antrieben für Schiebedächer sowie für Scheibenwischermotoren. Hierbei handelt es sich häufig um sehr kleine Lager, die teilweise mit einer geringen Drehzahl laufen und die unter Um ständen nur zeitweise oder selten in Betrieb sind. Neben derartigen Lagerungen kann die Erfindung aber auch Anwendung bei allen anderen denkbaren Wälzlagern finden, insbesondere solchen mit höheren Drehzahlen und/oder einem längeren oder dauerhaften Betrieb.
Bei allen derartigen Lager besteht unter anderem aufgrund von Fertigungstoleranzen ein Spiel (sogenanntes Betriebsspiel) zwischen den Wälzkörpern (Nadeln, Zylinderrollen, Kugeln, usw.) und der inneren und/oder der äußeren Laufbahn des Lagers. Abhängig von der jeweiligen Anwendung kann sich dieses Spiel in verschiedener Art und Weise negativ auswirken und beispielsweise die folgenden Probleme verursachen.
Aufgrund der rollenden Bewegung der Wälzkörper auf einer der beiden oder auf beiden Laufbahnen des Lagers (wobei jeweils eine Laufbahn einer der beiden drehend miteinander zu verbindenden Komponenten zugeordnet ist, und wobei beispielsweise ein Radiallager eine innere und eine dazu konzentrische äußere Laufbahn aufweist) entstehen Laufgeräusche, die bei bestimmten Anwendungen vom Benutzer als störend empfunden werden. Bei einem Stillstand des Lagers, d. h. im unbelasteten Zustand, in dem die Wälzkörper aufgrund der fehlenden Kräfte nicht gegen eine oder beide der Laufbahnen gedrückt werden, können die Wälzkörper in den sie haltenden Käfigtaschen "schwimmen", d. h. sich zwischen der inneren und der äußeren Laufbahn hin und her bewegen. Dieses wird insbesondere durch Erschütterungen und Vibrationen verursacht, die auf das still stehende Lager einwirken, beispielsweise bedingt durch die Bewegungen eines fahrenden Kraftfahrzeugs. Trotz des Stillstands des Lagers können somit Geräusche entstehen, insbesondere durch die Bewegung der Wälzkörper innerhalb des Lagers.
Darüber hinaus kann es bei einem still stehenden Lager aufgrund der genannten Erschütterungen und Vibrationen zu Schädigungen der Art kommen, dass die Laufflächen der einen (inneren) und/oder der anderen (äußeren) Laufbahn im Stillstand aufgrund der auf sie auftreffenden Wälzkörper derart beschädigt werden, dass sich Vertiefungen oder Einkerbungen an den Kontaktpunkten der Wälzkörper auf der Laufbahn bilden. Die Oberflächen der Laufbahnen werden dadurch uneben und somit vorgeschädigt. Man spricht hierbei von dem sogenannten "False Brinelling"-Effekt. Dieser Effekt kann daher unter anderem zu Einbußen in der Leistungsfähigkeit des Lagers sowie zu einer Verringerung der Lebensdauer des Lagers führen.
Das zwischen den Wälzkörpern und den Laufbahnen gegebene Spiel kann außerdem einen Einfluss auf das subjektive Empfinden des Benutzers des Lagers derart haben, dass dieser aufgrund der gegebenen Beweglichkeit zwischen den Lagerkomponenten (die als Spiel bezeichnet wird) und den daraus möglicherweise resultierenden Geräuschen eine geringere Qualität oder "gefühlte Wertigkeit" des Lagers unterstellt.
Im Stand der Technik gab es verschiedene Versuche, die oben genannten Probleme zu reduzieren oder zu eliminieren. So wurde beispielsweise ein Lager vorgeschlagen, das als äußere Laufbahn einen geschlitzten bzw. gespaltenen Ring und gegebenenfalls zusätzlich einen Ring aus einem Elastomer-Material enthält, wobei diese Komponenten eine innere Vorspannung des Lagers bewirken sollen, die das Spiel des Lagers dämpfen soll. In anderen Lösungen wurde vorgeschlagen, zusätzliche elastisch verformbare Bauteile, z. B. Gummiringe, vorzusehen, die die Laufbahnen und/oder die Wälzkörper vorspannen und dadurch eine Dämpfung sowie Reduzierung des Spiels bewirken sollen.
Alle diese Vorschläge haben jedoch die Nachteile, dass sie nur mit Einschränkungen, insbesondere im Hinblick auf Drehzahlen und auftretende Lasten, anwendbar sind. Diese Lager weisen häufig eine reduzierte Tragfähigkeit auf, wodurch ein Einsatz in einigen Anwendungen nicht möglich ist. Aufgrund der zusätzlichen Komponenten sind diese bekannten Lager darüber hinaus konstruktiv aufwendig und damit insgesamt kostenintensiv.
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, die oben genannten Probleme und Nachteile des Standes der Technik zu überwinden. Insbesondere soll ein Wälzlager ermöglicht werden, bei dem das Spiel zwischen dem Wälzkörper und mindestens einer der beiden Laufbahnen im unbelasteten oder wenig belasteten Zustand deutlich reduziert ist, um dadurch mögliche Geräusche des Lagers im Betrieb und im Stillstand erheblich zu verringern. Darüber hinaus soll der genannte "False Brinelling"-Effekt verringert bzw. vermieden werden, um die Leistungsfähigkeit und Lebensdauer des Lagers zu erhöhen. Diese Aufgabe soll gelöst werden, ohne dass das Lager zusätzliche Komponenten benötigt und/oder konstruktiv aufwendiger gestaltet werden muss als im Fall der üblichen Standardlager. Schließlich soll das Lager dabei die volle Tragfähigkeit und Belastbarkeit eines Standardlagers beibehalten und entsprechend für geringe wie höhere Drehzahlen geeignet sein. Alle diese Anforderungen sollen derart erfüllt werden, dass das Lager als kostengünstiges Massenprodukt hergestellt werden kann.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch einen Käfig für ein Wälzlager gelöst, der zwischen einer ersten Laufbahn und einer zweiten Laufbahn des Wälzlagers angeordnet ist, wobei der Käfig Käfigtaschen zur Aufnahme von Wälzkörpern aufweist, um die Wälzkörper in Umfangsrichtung des Wälzlagers in einem Abstand zueinander zu halten und zu führen. Erfindungsgemäß weist der Käfig an mindestens einer Käfigtasche Vorspannmittel auf, die den in der Käfigtasche angeordneten Wälzkörper in einer Richtung vorspannen, in der die von dem Wälzlager aufgenommenen Kräfte wirken.
Erfindungsgemäß wird außerdem ein Wälzlager geschaffen, das mehrere Wälzkörper sowie eine erste Laufbahn und eine zu der ersten Laufbahn im wesentlichen parallel verlaufende zweite Laufbahn für die Wälzkörper aufweist, wobei zwischen der ersten und der zweiten Laufbahn ein erfindungsgemäßer Käfig angeordnet ist.
In einer ersten Ausführungsform der Erfindung kann der Wälzlagerkäfig für ein Wälzlager bestimmt sein, das ein Radiallager ist, das eine innere Laufbahn und eine zu dieser koaxial angeordnete äußere Laufbahn für die Wälzkörper aufweist, wobei die Vorspannmittel den in der Käfigtasche angeordneten Wälzkörper hier in radialer Richtung in Bezug auf die Achse des Wälzlagers vorspannen.
In einer zweiten, parallelen Ausführungsform der Erfindung kann der Wälzlagerkäfig für ein Wälzlager bestimmt sein, das ein Axiallager ist, wobei die Vorspannmittel den in der Käfigtasche angeordneten Wälzkörper hier in axialer Richtung in Bezug auf die Achse des Wälzlagers vorspannen.
Erfindungsgemäß bewirken die Vorspannmittel, dass der Wälzkörper auch im unbelasteten Zustand des Lagers nicht mehr im wesentlichen konzentrisch in seiner Käfigtasche sitzt sondern im Rahmen des zur Verfügung stehenden Spiels bei einem Radiallager radial nach innen, d. h. in Richtung der inneren Laufbahn, oder radial nach außen, d. h. in Richtung der äußeren Laufbahn, gedrückt wird. Analog wird der Wälzkörper bei einem Axiallager axial in eine erste axiale Richtung, d. h. in Richtung der ersten Laufbahn, oder axial in eine zweite, der ersten Richtung entgegengesetzte axiale Richtung, d. h. in Richtung der zweiten Laufbahn, gedrückt. Die Vorspannmittel sind dabei so ausgelegt und dimensioniert, dass eine definierte Vorspannungskraft auf den Wälzkörper in die eine Richtung (z. B. radial nach innen) oder in die andere Richtung (z. B. radial nach außen) ausgeübt wird. Durch eine konstruktive Veränderung der Vorspannmittel kann diese Vorspannungskraft somit verändert werden.
Aufgrund der von den Vorspannmitteln bewirkten Vorspannungskraft wird zwar ein Widerstandsmoment an dem Wälzkörper verursacht, welches aber nur so bemessen sein darf, dass die gewünschte Rollbewegung des Wälzkörpers auch weiterhin möglich ist. Wenn die Vorspannungskraft und damit die von den Vorspannmittel ausgeübte Reibung zu groß ist, wird der Wälzkörper blockiert, so dass er seine reguläre Rollbewegung nicht mehr ausführen kann. Die auf den Wälzkörper ausgeübte Vorspannungskraft darf also beispielsweise nur so groß sein, dass auch weiterhin ein leichter Anlauf eines Motors möglich ist, der das erfindungsgemäße Wälzlager bzw. den erfindungsgemäßen Wälzlagerkäfig in dem Lager enthält.
Durch den Einsatz des erfindungsgemäßen Wälzlagerkäfigs in einem Wälzlager wird somit das Spiel zwischen dem Wälzkörper und mindestens einer der beiden Laufbahnen im unbelasteten oder wenig belasteten Zustand des Lagers reduziert oder gedämpft. Dadurch ist eine Reduzierung der im Betrieb des Lagers auftretenden Laufgeräusche sowie eine Verringerung möglicher Geräusche des Lagers im Stillstand möglich. Somit erhöht sich die vom Benutzer des Lagers subjektiv empfundene Qualität oder Wertigkeit des Lagers. Aufgrund der auf die Wälzkörper einwirkenden Vorspannung können außerdem die oben beschriebenen negativen Auswirkungen des "False Brinelling"-Effekts verringert oder verhindert werden, wodurch die Leistungsfähigkeit und Lebensdauer des Lagers erhöht wird. Da die Vorspannmittel direkt an dem Käfig vorgesehen und vorzugsweise einstückig mit diesem ausgebildet sind, sind darüber hinaus keine zusätzlichen Bauteile für das Lager erforderlich, so dass es konstruktiv ohne zusätzlichen Aufwand und insgesamt genauso kostengünstig wie die bekannten Standardlager in hohen Stückzahlen hergestellt werden kann.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Käfig des Wälzlagers so ausgebildet, dass er an mindestens einer Käfigtasche Vorspannmittel aufweist, die den in der Käfigtasche angeordneten Wälzkörper in einer ersten Richtung (z. B. bei einem Radiallager radial nach innen) vorspannen, und dass er an mindestens einer anderen Käfigtasche Vorspannmittel aufweist, die den in der Käfigtasche angeordneten Wälzkörper in einer zweiten, der ersten Richtung entgegengesetzten Richtung (z. B. radial nach außen) vorspannen. Dabei sind vorzugsweise mehrere Käfigtaschen mit Vorspannmitteln zur Vorspannung der Wälzkörper in die eine Richtung und mehrere andere Käfigtaschen mit Vorspannmitteln zur Vorspannung der Wälzkörper in die andere, entgegengesetzte Richtung jeweils einzeln oder in Gruppen abwechselnd gleichmäßig um den Umfang des Käfigs herum angeordnet.
Daneben können auch Käfigtaschen ohne Vorspannmittel vorgesehen sein und abwechselnd mit Käfigtaschen mit Vorspannmitteln um den Umfang des Käfigs herum angeordnet sein. In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wälzlagerkäfigs wiederholt sich die Abfolge einer Käfigtasche ohne Vorspannmittel, einer Käfigtasche mit in die erste Richtung wirkenden Vorspannmitteln und einer Käfigtasche mit in die zweite, entgegengesetzte Richtung wirkenden Vorspannmitteln mehrfach und regelmäßig um den Umfang des Käfigs herum. Die Anzahl der Käfigtaschen ohne Vorspannmittel bzw. mit in die eine oder in die andere Richtung wirkenden Vorspannmitteln hängt von dem konkreten Anwendungsfall ab, bei dem der Wälzlagerkäfig eingesetzt werden soll. Prinzipiell ist je nach Anwendungsfall somit jede beliebige regelmäßige oder unregelmäßige Kombination und Anzahl von Käfigtaschen ohne Vorspannmittel oder mit Vorspannmitteln denkbar.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wälzlagerkäfigs sind die Vorspannmittel Federelemente, insbesondere Federnasen oder Federkanten, die an der Käfigtasche von dem Käfig vorstehen, wobei sie derart an dem Rand der Käfigtasche angeordnet sind, dass sie den in der Käfigtasche angeordneten Wälzkörper ergreifen. Im Fall eines Radiallagers in der Form eines Nadellagers oder eines Zylinderrollenlagers können dabei beispielsweise jeweils zwei radial in der gleichen Richtung vorstehende Federelemente an einer Käfigtasche angeordnet sein, wobei jeweils eines der beiden Federelemente an jedem der in axialer Richtung verlaufenden, sich gegenüber liegenden Ränder der Käfigtaschen angeordnet ist. Entsprechendes gilt für ein Axiallager.
Im Fall eines Kugellagers sind die Federelemente in entsprechender Weise an dem ringförmigen Rand der Käfigtasche angeordnet. In allen genannten Lagervarianten (d. h. Radiallager bzw. Axiallager) spannen die radial bzw. axial oder schräg radial bzw. axial nach außen vorstehenden Federelemente die Wälzkörper radial bzw. axial nach innen vor, während die radial bzw. axial oder schräg radial bzw. axial nach innen vorstehenden Federelemente die Wälzkörper radial bzw. axial nach außen vorspannen.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels an Hand der beigefügten Zeichnungen.
1 ist eine schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen Wälzlagers in einer Ausführungsform als Radiallager im Querschnitt.
2 ist eine Ansicht einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Wälzlagerkäfigs für ein Radiallager im Querschnitt ohne Wälzkörper.
3 ist eine Detailansicht des Käfigs aus 2 im Querschnitt mit Wälzkörpern.
4 ist eine perspektivische Ansicht eines Nadelkranzes für ein Axiallager aus dem Stand der Technik.
5 ist eine Detailansicht einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Wälzlagerkäfigs für ein Axiallager im Querschnitt mit Wälzkörpern.
Das in 1 dargestellte Radialwälzlager 1 kann ein Nadellager, ein Zylinderrollenlager oder ein Kugellager sein. Das Lager besteht aus einem Außenring bzw. einer Hülse 10, an dessen/deren Innenseite sich die äußere Laufbahn 12 befindet, auf der die Wälzkörper 5 im Betrieb des Lagers rollen. Koaxial zu dem Außenring 10 bzw. der äußeren Laufbahn 12 ist ein Innenring bzw. eine Welle 20 vorgesehen, auf dessen/deren Außenseite sich die innere Laufbahn 22 befindet, auf der die Wälzkörper 5 im Betrieb des Lagers rollen. Zwischen der äußeren Laufbahn 12 und der inneren Laufbahn 22 ist koaxial zu diesen ein kreisförmiger Käfig 30 angeordnet. Der Käfig hat Käfigtaschen 32, 34 zur Aufnahme und Halterung der Wälzkörper 5, wodurch die Wälzkörper 5 in Umfangsrichtung des Lagers in einem im wesentlichen konstanten und definierten Abstand zueinander gehalten und geführt werden. Typischerweise haben die Käfigtaschen 32, 34 einen gleichen, einheitlichen Abstand zueinander um den Umfang des Käfigs 30 herum. In 1 ist der Käfig 30 nur schematisch, nicht maßstabsgerecht angedeutet.
Der Käfig 30, wie er in dem Lager 1 gemäß 1 zum Einsatz kommen kann, ist im Querschnitt in 2 und in einer vergrößerten Teilansicht im Querschnitt in 3 dargestellt. Der Käfig 30 weist an einigen seiner Käfigtaschen 34 Vorspannmittel in der Form von Federnasen oder Federkanten 36, 38 auf, die den in der Käfigtasche jeweils angeordneten Wälzkörper 5 zunächst ganz allgemein in radialer Richtung vorspannen. Diese radiale Vorspannung ist durch die in den Wälzkörpern 5 in 1 dargestellten Pfeile angedeutet. Der in den 2 und 3 dargestellte Käfig 30 weist dabei insbesondere Vorspannmittel 36 auf, die sich im wesentlichen radial oder schräg radial nach innen erstrecken und die dabei so angeordnet und ausgebildet sind, dass sie den in der zugehörigen Käfigtasche 34 angeordneten Wälzkörper 5 radial nach außen vorspannen. In entsprechender, aber entgegengesetzter Art und Weise umfasst der Käfig 30 daneben Vorspannmittel 38, die sich im wesentlichen radial oder schräg radial nach außen erstrecken und die dabei so angeordnet und ausgebildet sind, dass sie den in der zugehörigen Käfigtasche 34 angeordneten Wälzkörper 5 radial nach innen vorspannen.
Daneben weist der in den 2 und 3 dargestellte Käfig 30 auch noch Käfigtaschen 32 auf, die keine Vorspannmittel haben. Diese Käfigtaschen 32 entsprechen den Käfigtaschen der im Stand der Technik bekannten herkömmlichen Wälzlager, wobei die in diesen Käfigtaschen 32 gehaltenen Wälzkörper 5 in keiner der beiden radialen Richtungen vorgespannt sind. Die in diesen Käfigtaschen 32 gehaltenen Wälzkörper 5 können sich im Rahmen des aufgrund von Fertigungstoleranzen bedingten bzw. konstruktiv bewusst vorgegebenen Spiels in beiden radialen Richtungen innerhalb der Käfigtaschen hin und her bewegen, wobei sie an den Extrempunkten dieser Radialbewegungen jeweils in Kontakt mit der inneren bzw. der äußeren Laufbahn stehen.
Bei dem in 2 dargestellten Käfig 30 wechseln sich im Uhrzeigersinn gesehen also in einer gleichbleibenden, regelmäßigen Abfolge Käfigtaschen 32 ohne Federnasen mit Käfigtaschen 34 mit radial nach innen wirkenden Federnasen 38 gefolgt von Käfigtaschen 34 mit radial nach außen wirkenden Federnasen 36 ab. Diese Reihenfolge wiederholt sich mehrfach in Umfangsrichtung des Käfigs 30. Je nach Anwendungsfall sind aber auch beliebige andere Kombinationen von Käfigtaschen mit und ohne Federnasen denkbar. Außerdem sind auch Käfigausführungen möglich, bei denen alle Käfigtaschen 34 Federnasen 36, 38 aufweisen. Je nach Anwendungsfall sind weitergehend auch Ausführungen möglich, die ausschließlich Federnasen 36 aufweisen, die die Wälzkörper nach außen vorspannen, oder alternativ Ausführungen ausschließlich mit Federnasen 38, die die Wälzkörper nach innen vorspannen.
Gegenüber diesen beiden zuletzt genannten Ausführungsformen hat die in den 2 und 3 dargestellte Ausführungsform (auch in der Variante ausschließlich mit Käfigtaschen 34 mit Federnasen 36, 38 in beiden radialen Richtungen) den Vorteil, dass die Wälzkörper 5 abwechselnd in Richtung zu oder Kontakt mit der äußeren Laufbahn 12 und der inneren Laufbahn 22 gedrückt werden, wodurch das gesamte Lager gleichmäßig unter Druck gesetzt oder aufgespannt und zentriert wird. Diese Variante ist besonders vorteilhaft, wenn Geräusche des Lagers im unbelasteten und/oder still stehenden Zustand vermieden werden sollen, die anderenfalls durch Wälzkörper verursacht werden, die sich in den Käfigtaschen 32 ohne Vorspannmittel hin und her bewegen.
Die Federelemente (Federnasen, Federkanten) sind so ausgelegt und dimensioniert, dass sie eine definierte Vorspannungskraft oder Federkraft auf den betreffenden Wälzkörper ausüben. Die Form der Federelemente ist dabei konstruktiv so gestaltet, dass jedes Federelement eine Flexibilität und Elastizität aufweist, wodurch jeweils die gewünschte Federkraft erzeugt wird. Wie die 2 und 3 zeigen, sind die Federelemente 36, 38 vorzugsweise einstückig und integriert mit dem Käfig ausgebildet, so dass sie aus dem gleichen Material bestehen wie der Käfig insgesamt. Hierfür eignen sich somit Materialien, die ein geeignetes Elastizitätsmodul aufweisen, damit sich die Federelemente 36, 38 elastisch verformen können. Typischerweise wird hierfür ein geeigneter Kunststoff verwendet, wobei aber auch Stahl geeignet sein kann. Insbesondere im Fall von Stahl muss allerdings darauf geachtet werden, dass die Federelemente keine zu große Federkraft und kein zu großes Widerstandsmoment ausüben, durch die der Wälzkörper so stark vorgespannt werden würde, dass er nicht mehr auf der Laufbahn abrollen kann sondern blockiert wird.
Neben dem Material spielt auch die konstruktive Gestaltung des Federelements eine wesentliche Rolle für die auf den Wälzkörper jeweils einwirkende Federkraft. Wesentliche Parameter in diesem Zusammenhang sind die Länge und der Winkel der Erstreckung der Federnase in radialer bzw. schräg radialer Richtung, sowie außerdem die weitere Formgestaltung und Geometrie der Federnase, beispielsweise mit einer Krümmung derart, dass sich die Federnase, ggfs. im Übergang von der Käfigtasche nach außen, im Sinne eines Kreissegments teilweise um den kreissymmetrischen Wälzkörper herumlegt. Durch eine gezielte Auswahl bzw. konstruktive Einstellung dieser Parameter kann somit die auf den Wälzkörper wirkende Vorspannungs- oder Federkraft gezielt eingestellt werden. Wie schon gesagt, darf die Kraft dabei nicht so groß sein, dass der Wälzkörper aufgrund der Reibung blockiert wird.
Die Erfindung wurde oben unter Bezugnahme auf die 1 bis 3 für ein Radiallager 1 beschrieben. Die erfindungsgemäßen Merkmale sind aber ohne weiteres auch auf ein Axiallager übertragbar, für das sinngemäß das Gleiche gilt, wie es oben für ein Radiallager ausgeführt wurde. Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die 4 und 5 ein erfindungsgemäßer Wälzlagerkäfig für ein Axiallager 50 beschrieben.
4 zeigt zunächst einen Nadelkranz für ein Axiallager 50 aus dem Stand der Technik. Dabei sind wiederum Wälzkörper 55 in Käfigtaschen 82 eines Lagerkäfigs 80 gehalten. Die Wälzkörper 55 laufen auf in dieser Darstellung nicht gezeigten, im wesentlichen parallel zueinander angeordneten ersten und zweiten Laufbahnen 62, 72. Je nach Anwendungsfall und Anordnung des Nadelkranzes bzw. des Axiallagers zur Verbindung zweier sich gegeneinander verdrehender Bauteile können die ersten und zweiten Laufbahnen 62, 72 innere oder äußere bzw. untere oder obere Laufbahnen sein. Der Nadelkranz liegt somit flach zwischen den Laufbahnen 62, 72, wie es in einem Ausschnitt in 5 dargestellt ist.
Durch die kreisförmige Öffnung 70 in der Mitte des Nadelkranzes in 4 erstreckt sich typischerweise eine Welle, die die Rotationsachse des Lagers bildet. Das Axiallager nimmt somit Kräfte auf, die in beiden Richtungen der Rotationsachse, d. h. in axialer Richtung, zwischen den miteinander über das Lager zu verbindenden, sich gegeneinander verdrehenden Bauteilen wirken.
5 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt des Axiallagernadelkranzes nach 4, nunmehr aber mit einem erfindungsgemäßen Wälzlagerkäfig 80 im Querschnitt. Der Käfig 80 ist zwischen einer ersten, oberen Laufbahn 62 und einer zweiten, unteren Laufbahn 72 des Wälzlagers angeordnet, und er weist wiederum Käfigtaschen 84 zur Aufnahme der Wälzkörper 55 auf. Die Käfigtaschen 84 haben Vorspannmittel 86 oder 88, die den in der Käfigtasche 84 jeweils angeordneten Wälzkörper 55 in axialer Richtung vorspannen, also in einer der beiden Richtungen, in der die von dem Axialwälzlager aufgenommenen Kräfte wirken. Diese Richtung verläuft in der Darstellung der 5 in der Zeichnungsebene in senkrechter Richtung.
Bei der in 5 dargestellten Ausführungsform haben die in Umfangsrichtung des Nadelkranzes aufeinander folgenden Käfigtaschen 84 abwechselnd Vorspannmittel 86, die den Wälzkörper 55 in einer ersten axialen Richtung vorspannen, in der Zeichnung also beispielsweise nach oben, oder Vorspannmittel 88, die den Wälzkörper 55 in einer zu der ersten axialen Richtung entgegengesetzten zweiten axialen Richtung vorspannen, in der Zeichnung also beispielsweise nach unten.
Analog zu den verschiedenen Ausführungsformen des in den 1 bis 3 gezeigten Radiallagers kann auch das Axiallager jede beliebige Kombination einer Abfolge von Käfigtaschen 84 mit in die eine oder die andere axiale Richtung wirkenden Vorspannmitteln 86, 88 aufweisen, wobei zusätzlich auch Käfigtaschen 82 ohne Vorspannmittel gleichmäßig abwechselnd mit Käfigtaschen 84 mit Vorspannmitteln 86, 88 um den Umfang des Käfigs 80 herum angeordnet sein können. Insoweit wird zur Vermeidung von Wiederholungen auf das oben zu dem Radiallager Gesagte verwiesen, was analog auch auf das Axiallager anwendbar ist.
Auch bei dem Axiallager bestehen die Vorspannmittel typischerweise aus mindestens einem im wesentlichen axial oder schräg axial von dem Käfig 80 vorstehenden Federelement 86, 88, das an einem Rand der Käfigtasche 84 angeordnet ist. Wenn das Axiallager ein Nadellager oder ein Zylinderrollenlager ist (wie in den 4 und 5 dargestellt), sind vorzugsweise jeweils zwei im wesentlichen axial in der gleichen Richtung vorstehende Federelemente 86, 88 an einer Käfigtasche 84 angeordnet, wobei jeweils ein Federelement 86, 88 an jedem der in radialer Richtung verlaufenden, sich gegenüberliegenden Ränder der Käfigtaschen 84 angeordnet ist.
Aufgrund der erfindungsgemäßen Ausführung des Wälzlagerkäfigs bzw. des Wälzlagers, sowohl im Fall des Radiallagers als auch im Fall des Axiallagers, wird das Spiel zwischen den Wälzkörpern und den Laufbahnen reduziert und gedämpft. Das Lager hat daher die oben genannten Vorteile gegenüber den im Stand der Technik bekannten Lager, wobei es aber die gleichen Lasten aufnehmen kann und damit die gleiche Tragfähigkeit und Leistungsfähigkeit wie die aus dem Stand der Technik bekannten Lager hat.

1: Radiallager
5: Wälzkörper
10: Außenring, Hülse
12: äußere Laufbahn
20: Innenring, Welle
22: innere Laufbahn
30: Käfig
32: Käfigtaschen ohne Vorspannmittel
34: Käfigtaschen mit Vorspannmittel
36: Vorspannmittel, Federelement, Federnase, Federkante für Vorspannung nach radial außen
38: Vorspannmittel, Federelement, Federnase, Federkante für Vorspannung nach radial innen
50: Axiallager
55: Wälzkörper
62: erste, obere Laufbahn
70: Öffnung für Welle
72: zweite, untere Laufbahn
80: Käfig
82: Käfigtaschen ohne Vorspannmittel
84: Käfigtaschen mit Vorspannmittel
86: Vorspannmittel, Federelement, Federnase, Federkante für Vorspannung in axialer Richtung
88: Vorspannmittel, Federelement, Federnase, Federkante für Vorspannung in axialer Richtung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

- DIN 618 [0003]
- ISO 3245 [0003]
- ANSI/ABMA 18.1 [0003]
- DIN 5412 [0003]
- DIN 625 [0003]

Claims

Käfig für ein Wälzlager, wobei der Käfig (30; 80) zwischen einer ersten Laufbahn (12; 62) und einer zweiten Laufbahn (22; 72) des Wälzlagers (1; 50) angeordnet ist, und wobei der Käfig (30; 80) Käfigtaschen (32, 34; 82, 84) zur Aufnahme von Wälzkörpern (5; 55) aufweist, um die Wälzkörper (5; 55) in Umfangsrichtung des Wälzlagers (1; 50) in einem Abstand zueinander zu halten und zu führen, dadurch gekennzeichnet, dass der Käfig (30; 80) an mindestens einer Käfigtasche (34; 84) Vorspannmittel (36, 38; 86, 88) aufweist, die den in der Käfigtasche (34; 84) angeordneten Wälzkörper (5; 55) in einer Richtung vorspannen, in der die von dem Wälzlager (1; 50) aufgenommenen Kräfte wirken.
Wälzlagerkäfig nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Wälzlager ein Radiallager (1) ist, das eine innere Laufbahn (22) und eine zu dieser koaxial angeordnete äußere Laufbahn (12) für die Wälzkörper (5) aufweist, wobei die Vorspannmittel (36, 38) den in der Käfigtasche (34) angeordneten Wälzkörper (5) in radialer Richtung in Bezug auf die Achse des Wälzlagers (1) vorspannen.
Wälzlagerkäfig nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorspannmittel (38) den Wälzkörper (5) radial nach innen vorspannen.
Wälzlagerkäfig nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorspannmittel (36) den Wälzkörper (5) radial nach außen vorspannen.
Wälzlagerkäfig nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass er an mindestens einer Käfigtasche (34) Vorspannmittel (38) aufweist, die den in der Käfigta sche (34) angeordneten Wälzkörper (5) radial nach innen vorspannen, und dass er an mindestens einer anderen Käfigtasche (34) Vorspannmittel (36) aufweist, die den in der Käfigtasche (34) angeordneten Wälzkörper (5) radial nach außen vorspannen.
Wälzlagerkäfig nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Käfigtaschen (34) mit Vorspannmitteln (38) zur Vorspannung der Wälzkörper (5) nach innen und mehrere andere Käfigtaschen (34) mit Vorspannmitteln (36) zur Vorspannung der Wälzkörper (5) nach außen jeweils einzeln oder in Gruppen abwechselnd gleichmäßig um den Umfang des Käfigs (30) herum angeordnet sind.
Wälzlagerkäfig nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass Käfigtaschen (32) ohne Vorspannmittel gleichmäßig abwechselnd mit Käfigtaschen (34) mit Vorspannmitteln (36, 38) um den Umfang des Käfigs (30) herum angeordnet sind.
Wälzlagerkäfig nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass Käfigtaschen (32) ohne Vorspannmittel gleichmäßig abwechselnd mit Käfigtaschen (34) mit Vorspannmitteln (38) zur Vorspannung der Wälzkörper (5) nach innen und mit Käfigtaschen (34) mit Vorspannmitteln (36) zur Vorspannung der Wälzkörper (5) nach außen um den Umfang des Käfigs (30) herum angeordnet sind.
Wälzlagerkäfig nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere gleiche Gruppen von Käfigtaschen (32, 34) um den Umfang des Käfigs (30) herum angeordnet sind, wobei eine Gruppe jeweils die gleiche Abfolge einer oder mehrerer Käfigtaschen (32) ohne Vorspannmittel, einer oder mehrerer Käfigtaschen (34) mit Vorspannmitteln (38) zur Vorspannung der Wälzkörper (5) nach innen und einer oder mehrerer Käfigtaschen (34) mit Vorspannmitteln (36) zur Vorspannung der Wälzkörper (5) nach außen aufweist.
Wälzlagerkäfig nach einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorspannmittel mindestens ein im wesentlichen radial von dem Käfig (30) vorstehendes Federelement (36, 38) aufweisen, das an einem Rand der Käfigtasche (34) angeordnet ist.
Wälzlagerkäfig nach Anspruch 10, wobei das Wälzlager ein Nadellager oder ein Zylinderrollenlager (1) ist, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils zwei im wesentlichen radial in der gleichen Richtung vorstehende Federelemente (36, 38) an einer Käfigtasche (34) angeordnet sind, wobei jeweils ein Federelement (36, 38) an jedem der in axialer Richtung verlaufenden, sich gegenüberliegenden Ränder der Käfigtaschen (34) angeordnet ist.
Wälzlagerkäfig nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die im wesentlichen radial nach außen vorstehenden Federelemente (38) die Wälzkörper (5) radial nach innen vorspannen und dass die im wesentlichen radial nach innen vorstehenden Federelemente (36) die Wälzkörper (5) radial nach außen vorspannen.
Wälzlagerkäfig nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Wälzlager ein Axiallager (50) ist, wobei die Vorspannmittel (86, 88) den in der Käfigtasche (84) angeordneten Wälzkörper (55) in axialer Richtung in Bezug auf die Achse des Wälzlagers (50) vorspannen.
Wälzlagerkäfig nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorspannmittel (86) den Wälzkörper (55) in einer ersten axialen Richtung in Bezug auf die Achse des Wälzlagers (50) vorspannen.
Wälzlagerkäfig nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorspannmittel (88) den Wälzkörper (55) in einer, der ersten axialen Richtung entgegengesetzten, zweiten axialen Richtung in Bezug auf die Achse des Wälzlagers (50) vorspannen.
Wälzlagerkäfig nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass er an mindestens einer Käfigtasche (84) Vorspannmittel (86) aufweist, die den in der Käfigtasche (84) angeordneten Wälzkörper (55) in einer ersten axialen Richtung vorspannen, und dass er an mindestens einer anderen Käfigtasche (84) Vorspannmittel (88) aufweist, die den in der Käfigtasche (84) angeordneten Wälzkörper (55) in einer, der ersten axialen Richtung entgegengesetzten, zweiten axialen Richtung vorspannen.
Wälzlagerkäfig nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Käfigtaschen (84) mit Vorspannmitteln (86) zur Vorspannung der Wälzkörper (55) in der ersten axialen Richtung und mehrere andere Käfigtaschen (84) mit Vorspannmitteln (88) zur Vorspannung der Wälzkörper (55) in der zweiten axialen Richtung jeweils einzeln oder in Gruppen abwechselnd gleichmäßig um den Umfang des Käfigs (80) herum angeordnet sind.
Wälzlagerkäfig nach einem der Ansprüche 13 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass Käfigtaschen (82) ohne Vorspannmittel gleichmäßig abwechselnd mit Käfigtaschen (84) mit Vorspannmitteln (86, 88) um den Umfang des Käfigs (80) herum angeordnet sind.
Wälzlagerkäfig nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass Käfigtaschen (82) ohne Vorspannmittel gleichmäßig abwechselnd mit Käfigtaschen (84) mit Vorspannmitteln (86) zur Vorspannung der Wälzkörper (55) in der ersten axialen Richtung und mit Käfigtaschen (84) mit Vorspannmitteln (88) zur Vorspannung der Wälzkörper (55) in der zweiten axialen Richtung um den Umfang des Käfigs (80) herum angeordnet sind.
Wälzlagerkäfig nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere gleiche Gruppen von Käfigtaschen (82, 84) um den Umfang des Käfigs (80) herum angeordnet sind, wobei eine Gruppe jeweils die gleiche Abfolge einer oder mehrerer Käfigtaschen (82) ohne Vorspannmittel, einer oder mehrerer Käfigtaschen (84) mit Vorspannmitteln (86) zur Vorspannung der Wälzkörper (55) in der ersten axialen Richtung und einer oder mehrerer Käfigtaschen (84) mit Vorspannmitteln (88) zur Vorspannung der Wälzkörper (55) in der zweiten axialen Richtung aufweist.
Wälzlagerkäfig nach einem der Ansprüche 13 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorspannmittel mindestens ein im wesentlichen axial von dem Käfig (80) vorstehendes Federelement (86, 88) aufweisen, das an einem Rand der Käfigtasche (84) angeordnet ist.
Wälzlagerkäfig nach Anspruch 21, wobei das Wälzlager ein Nadellager oder ein Zylinderrollenlager (50) ist, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils zwei im wesentlichen axial in der gleichen Richtung vorstehende Federelemente (86, 88) an einer Käfigtasche (84) angeordnet sind, wobei jeweils ein Federelement (86, 88) an jedem der in radialer Richtung verlaufenden, sich gegenüberliegenden Ränder der Käfigtaschen (84) angeordnet ist.
Wälzlagerkäfig nach Anspruch 21 oder 22, dadurch gekennzeichnet, dass die im wesentlichen axial in der ersten axialen Richtung vorstehenden Federelemente (88) die Wälzkörper (55) in der entgegengesetzten, zweiten axialen Richtung vorspannen, und dass die im wesentlichen axial in der zweiten axialen Richtung vorstehenden Feder elemente (86) die Wälzkörper (55) in der entgegengesetzten, ersten axialen Richtung vorspannen.
Wälzlagerkäfig nach einem der Ansprüche 10 bis 12 und 21 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Federelemente (36, 38; 86, 88) so ausgelegt und dimensioniert sind, dass sie eine definierte Vorspannungskraft auf den Wälzkörper (5; 55) ausüben.
Wälzlagerkäfig nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorspannmittel (36, 38; 86, 88) einstückig mit dem Käfig (30; 80) ausgebildet sind.
Wälzlager (1; 50), gekennzeichnet durch folgende Komponenten: – mehrere Wälzkörper (5; 55); – eine erste Laufbahn (12; 62) und eine zu der ersten Laufbahn im wesentlichen parallel verlaufende zweite Laufbahn (22; 72) für die Wälzkörper (5; 55); – einen zwischen der ersten und der zweiten Laufbahn (12, 22; 62, 72) angeordneten Wälzlagerkäfig (30; 80) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.