DE102007033905A1

DE102007033905A1 - Vollkugeliges Schrägkugellager

Info

Publication number: DE102007033905A1
Application number: DE200710033905
Authority: DE
Inventors: Norbert Kretzer; Horst Masuch; Wolfgang May
Original assignee: Schaeffler KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2007-07-20
Filing date: 2007-07-20
Publication date: 2009-01-22

Abstract

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein vollkugeliges Schrägkugellager weiterzubilden, so dass die Reibung verringert ist. Es wird ein vollkugeliges Schrägkugellager 1 mit einem Außenring 3, mit einem in der Laufbahn 5 ungeteilten Innenring 2 und mit einer Mehrzahl von zwischen Innenring 2 und Außenring 3 in einer Reihe rollbar und käfiglos gelagerten Kugeln 4 vorgeschlagen, wobei der durchschnittliche, freie Abstand zwischen zwei Kugeln 4 mehr als 0,4% des Durchmessers einer der Kugeln 4 beträgt.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein vollkugeliges Schrägkugellager mit einem Außenring, mit einem in der Laufbahn ungeteilten Innenring und mit einer Mehrzahl von zwischen Innenring und Außenring in einer Reihe rollbar und käfiglos gelagerten Kugeln.
Derartige vollkugelige Schrägkugellager werden beispielsweise als Spindellager bei Anwendungen in hohen Drehzahlbereichen über 15.000 Umdrehungen/Minute oder auch bei langsameren Anwendungen bei hohen Tragzahlen eingesetzt. Gerade bei derartigen Anwendungen spielt die Entstehung von Temperaturen in den Wälzlagern eine immer wichtigere Rolle, da die Temperaturerhöhung zum einen zu Ausdehnungseffekten im Bereich der Wälzlager und zum anderen oftmals zu Schwierigkeiten bei der ausreichenden Schmierung der Wälzlager führt. Die Temperaturentwicklung bei den Wälzlagern beruht auf der Reibung von Wälzlagerkomponenten im Betrieb. Dabei sind zwei Hauptreibungsquellen zu nennen, wobei die eine durch den Wälzkontakt selbst und die andere – üblicherweise – durch die Käfigreibung an der Käfigführungsfläche gebildet ist. Die eingangs genannten vollkugeligen Schrägkugellager eliminieren durch ihren käfigfreien Aufbau zumindest die Käfigreibung an der Käfigführungsfläche.
Vollkugelige Kugellager sind aus dem Stand der Technik längstens bekannt. So offenbart bereits die Druckschrift DE 338588 ein vollkugeliges Radialwälzlager, das mittensymmetrisch aufgebaut ist und das zur Montage der Kugeln einen geteilten Innenring aufweist, welcher im Bereich der Laufbahn mittensymmetrisch zerlegbar ist. Die Kontur im Bereich der Trennfuge ist zwar speziell angepasst, um eine schnelle Zerstörung der Kugeln zu verhindern, ohne – zumindest nach Aussage der Druckschrift – die Tragfähigkeit des Lagers zu beeinträchtigen, jedoch ist es nicht auszuschließen, dass aufgrund der Teilungsfuge eine zusätzliche Reibungsquelle geschaffen ist. Auch die Druckschriften US 6,877,904 62 und DE 197 29 450 A1 zeigen vollkugelige Wälzlager, welche mittensymmetrisch aufgebaut sind.
Eine andere Gattung von Wälzlagern ist z. B. aus den Druckschriften EP 0446723 B1 , EP 0412476 A2 oder EP 0320951 B1 bekannt, welche ein vollkugeliges Schrägkugellager in Form eines Schulterkugellagers vorschlagen, wobei eine erste Laufbahn in einem ersten Lagerring als symmetrische Rillenlaufbahn und eine zweite Laufbahn in einem zweiten Lagerring als eine asymmetrische Schulterlaufbahn ausgebildet ist. Insbesondere aus der EP 0320951 B1 , die wohl den nächstkommenden Stand der Technik bildet, ist zu entnehmen, dass die Kugeln in Umlaufrichtung abstandslos, das heißt, ohne freien Abstand zwischen den Kugeln aufgereiht sind.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein vollkugeliges Schrägkugellager weiter zu bilden, so dass die Reibung verringert ist.
Diese Aufgabe wird durch ein vollkugeliges Schrägkugellager mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Bevorzugte oder vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung und den beigefügten Zeichnungen.
Erfindungsgemäß wird ein vollkugeliges Schrägkugellager, welches manchmal auch als vollrolliges Schrägkugellager bezeichnet wird, vorgeschlagen, welches vorzugsweise als Schulterkugellager ausgebildet ist. Das Schrägkugellager weist einen Außenring und einen zumindest in der Laufbahn ungeteilten Innenring auf, zwischen denen eine Mehrzahl von Kugeln als Wälzkörper gelagert sind, wobei die Kugeln käfigfrei, insbesondere käfigelementfrei, zwischen dem Außenring und dem Innenring rollbar angeordnet sind. Vorzugsweise ist vorgesehen, dass entweder die radial innere oder die radial äußere Laufbahn als asymmetrische Schulterlaufbahn ausgebildet ist, wohingegen die gegenüberliegende Laufbahn als symmetrische Rillenlaufbahn realisiert ist.
In Abgrenzung zum bekannten Stand der Technik wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass der durchschnittliche und freie Abstand zwischen zwei Kugeln mehr als 0,4%, vorzugsweise mehr als 3%, insbesondere mehr als 5% des Durchmessers einer der Kugeln beträgt. Der freie Abstand ist vorzugsweise definiert als die Länge der Verbindungslinie der Durchstoßungspunkte des Teilkreises durch die Kugeln und/oder die Kreisabschnittslänge des Teilkreises zwischen den genannten Durchstoßungspunkten. Mit diesem Merkmal wird beansprucht, dass – bei einer idealen gleichmäßigen Verteilung der Kugeln längs des Umfangs – zwischen den Kugeln jeweils ein freier Abstand zwischen den Kugeloberflächen herrscht, welcher mehr als 0,4% des Durchmessers einer Kugel beträgt.
Eine Überlegung der Erfindung liegt darin, im Betrieb möglichst wenig Reibung durch ein „Aneinanderlaufen" der Kugeln zu erlauben. Hierfür wird vorgeschlagen, den Abstand zwischen den Kugeln zu erhöhen, also die Wälzkörperluft in Umlaufrichtung auf mindestens den genannten Wert zu erhöhen.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform wurde festgestellt, dass sehr geringe Reibungswerte erreichbar sind, wenn in der Reihe der Kugeln insgesamt ein freier Abstand von mindestens einem unbesetzten Platz vorgesehen ist. Dieser zusammengefasste Abstand wird auch als Endluft bezeichnet. Auf der anderen Seite hat sich als vorteilhaft erwiesen, den durchschnittlichen freien Abstand auf unter 8% des Kugeldurchmessers zu begrenzen, da ansonsten zwischen den Kugeln zu große Lücken auftreten, welche im ungünstigen Fall zu Unruhen im Lauf führen könnten.
Mit dem Ziel, möglichst gleiche Betriebsbedingungen für alle Kugeln zu erreichen, wird optional vorgeschlagen, dass die Kugeln jeweils gleichartig ausgebildet sind, insbesondere aus dem gleichen Material bestehen. Denkbare Materialalternativen für die Kugeln sind eine Ausbildung als Metallkugeln, insbesondere Stahlkugeln, oder als Keramikkugeln. Die gleichartige Ausbildung stellt sicher, dass auch bei unterschiedlichen Umgebungsbedingungen, zum Beispiel sich ändernden Umgebungs- oder Betriebstemperaturen, das Verhalten der Kugeln untereinander möglichst ähnlich bleibt, zum Beispiel indem der Ausdehnungskoeffizient des Materials der Kugeln gleich gewählt ist.
Es ist dabei besonders bevorzugt, wenn die Kugeln einer gemeinsamen Reihe eine Sortierungsgenauigkeit von kleiner als 0,5 μm, vorzugsweise kleiner als 0,2 μm aufweisen. Der hier gewählte Begriff der Sortierungsgenauigkeit bezeichnet die maximale Abweichung des Durchmessers von dem mittleren Durchmesser einer bzw. der gemeinsamen Reihe der Kugeln. Die Sortierungsgenauigkeiten werden beispielsweise durch die Verwendung von Ku gelflaschen sichergestellt. Dieser Ausbildung liegt die Überlegung zu Grunde, dass bei einer geringen Streuung der Durchmesser die Winkelgeschwindigkeiten der einzelnen Kugeln ähnlich oder identisch ausgebildet sind und auf diese Weise auch die Betriebsbedingungen als Gesamtheit möglichst ähnlich realisiert sind.
Mit einer ähnlichen Zielsetzung ist vorzugsweise vorgesehen, dass die Laufbahnen der Kugeln an die Qualität der Kugeln angepasst sind und hochgenau geschliffen sind.
Bei einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist das Schrägkugellager im Betrieb unter Vorspannung montiert bzw. zu montieren. Diese Ausbildung dient unter anderem dazu, Effekte, welche auf die Anordnung des Schrägkugellagers im Betrieb zurückzuführen sind, zu minimieren. So wird auf diese Weise verhindert, dass bei einem vertikal montierten Lager sich die Kugeln aufgrund der Schwerkraft abstandslos in einem unteren Bereich des Schrägkugellagers versammeln und aneinander reiben, wohingegen der obere Bereich kugelfrei oder nahezu kugelfrei ausgebildet bleibt. Somit wird durch die Vorspannung der Kugeln vorzugsweise erreicht, dass diese keine undefinierten Bewegungen machen und/oder im Betrieb aufeinander schlagen.
Es ist dabei bevorzugt, wenn die Vorspannung zumindest als leichte Vorspannung, vorzugsweise mit einer maximalen Hertzschen Pressung im Wälzkörperkontakt von mindestens 500 N, insbesondere von mindestens 700 N ausgebildet ist. Unter der (maximalen) Hertzschen Pressung versteht man dabei die größte Spannung, die beispielsweise in der Mitte der Berührfläche zweier elastischer Körper, also in diesem Fall zwischen Kugeln und Laufbahn, herrscht.
Bei einer besonders bevorzugten Ausprägung der Erfindung ist das Schrägkugellager so ausgelegt, dass unter Anpassung der Parameter Sortierungsgenauigkeit der Kugeln, Vorspannung des Schrägkugellagers und durchschnittlicher Abstand oder Endluft der Kugeln erreicht wird, dass sich die Kugeln im Betrieb auf einen Abstand, insbesondere einen konstanten Abstand, zueinander einstellen, insbesondere derart, dass sich diese zumindest im quasi-stationären Betriebszustand, also zum Beispiel bei einer konstanten Drehzahl des Lagers, nicht berühren.
Bei einer bevorzugten konstruktiven Auslegung des Schrägkugellagers weist dieses einen Druckwinkel und/oder einen Nominaldruckwinkel zwischen 12° und 27° auf, wobei der Druckwinkel bzw. der Nominaldruckwinkel als der Winkel zwischen der Radialebene und der Drucklinie definiert ist.
Im Betrieb hat es sich zudem als vorteilhaft herausgestellt, wenn das Schrägkugellager und/oder die Kugeln optional ergänzend mit Schmierstoff, zum Beispiel Öl oder Fett, versehen sind, um die Reibung weiter herunterzusetzen.
Bei einer bevorzugten Anwendung der Erfindung ist das Schrägkugellager als Spindellager, insbesondere für hohe Drehzahlen größer als 15.000 Umdrehungen, vorzugsweise größer als 30.000 Umdrehungen, insbesondere größer als 60.000 Umdrehungen, ausgelegt und/oder als Spindellager in einer Werkzeugmaschine eingesetzt und/oder mit einer Nennzahl in Form des Produkts von Umdrehung multipliziert mit dem Teilkreisdurchmesser von mehr als 1,5 Mio. mm/min, vorzugsweise bis zu 3,5 Mio. mm/min ausgebildet. Alternativ hierzu kann das Schrägkugellager bei geringeren Drehzahlen, dafür aber mit hohen Tragzahlen eingesetzt werden.
Weitere Merkmale, Vorteile und Wirkung der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels. Dabei zeigen:
1 einen schematischen Längsschnitt durch ein Schrägkugellager als ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung;
2 einen schematischen Querschnitt in der Radialebene eines Schrägkugellagers wie in 1, wobei die Kugeln jeweils einen konstanten Abstand zueinander aufweisen;
3 ein Schrägkugellager wie in 1 in gleicher Darstellung wie in 2, wobei ein maximal einstellbarer Abstand in der Reihe der Kugeln dargestellt ist.
Einander entsprechende Teile sind in den Figuren jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Die 1 zeigt in einer schematischen Querschnittsdarstellung in einer Schnittebene parallel zur Mittelachse ein Schrägkugellager 1 in Form eines Schulterkugellagers, welches einen Innenring 2, einen Außenring 3 und eine Mehrzahl zwischen Innenring 2 und Außenring 3 drehbar gelagerte Kugeln 4 aufweist. Die Kugeln 4 können als Metall- oder Keramikkugeln ausgebildet sein. Wie der Darstellung auch zu entnehmen ist, ist das Schrägkugellager vollkugelig, also ohne Käfig, Käfigelemente oder zusätzliche Führungselemente für die Kugeln 4 aufgebaut.
Der Innenring 2 ist als ungeteilter und/oder in der Laufbahn ungeteilter und/oder einteiliger Lagerring ausgebildet und weist eine mittig angeordnete, umlaufende Rille 5 auf, welche eine Laufbahn für die Kugeln 4 bildet.
Der Außenring 3 ist asymmetrisch aufgebaut und weist einen Außenbord 6 auf, welcher mit seiner axial nach innen gewandten Seitenfläche einen Teil der Lauffläche für die Kugeln 4 bildet.
Das Schrägkugellager 1 ist so ausgebildet, dass es einen Druckwinkel 7 aufweist, welcher gegenüber einer Radialebene, die senkrecht zur Mittelachse des Schrägkugellagers 1 ausgerichtet ist, einen Winkel von größer als 12° einnimmt.
Die Kugeln 4 des Schrägkugellagers 1, insbesondere einer Reihe des Schrägkugellagers 1, sind außendurchmessersortiert, wobei nur Kugeln 4 eingebaut sind, welche sich von einem durchschnittlichen Durchmesser der Kugeln 4 um weniger als 0,5 μm, insbesondere weniger als 0,2 μm unterscheiden. Als Material kommen wahlweise Keramikkugeln oder Metallkugeln zum Einsatz, wobei jedoch alle Kugeln 4 das gleiche Material aufweisen.
Im eingebauten Zustand ist das Schrägkugellager 1 vorgespannt arrangiert, so dass sich an den Wälzkontakten, welche sich im Bereich der gedachten Durchstoßungspunkte der Drucklinie 7 und den Laufflächen an dem Innenring 2 bzw. dem Außenring 3 befinden, eine maximale Druckspannung – auch Hertzsche Pressung genannt – vor mehr als 500 N, vorzugsweise mehr als 700 N aufbaut. Der Innenring 2 bzw. der Außenring 3 ist an den Laufbahnen hochgenau geschliffen und aus einem Stahlmaterial gefertigt.
Die 2 zeigt eine schematische Draufsicht auf das Schrägkugellager 1 von der Seite des Außenbords 6, wobei wieder der Innenring 2, der Außenring 3 und die Mehrzahl der Kugeln 4 zu erkennen sind. Die 2 zeigt das Schrägkugellager 1 in einem optimalen Betriebszustand, wobei der freie Abstand d zwischen den einzelnen Kugeln 4 jeweils gleich ausgebildet ist. Als Ausprägung der Erfindung ist der freie Abstand d größer als 0,4% des Durchmessers der Kugeln 4 ausgebildet. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel beträgt der Abstand ca. 10% bis 15% des Wälzkörperdurchmessers. Die Verteilung der Kugeln in Umlaufrichtung mit einem jeweils gleichen und/oder konstanten Abstand d wird durch ein Zusammenwirken der Durchmessergleichheit der Kugeln 4, der Vorspannung und der definierten Wälzkörperluft erreicht. Mit der geeigneten Wahl dieser Parameter ist es erreich bar, dass sich die einzelnen Kugeln 4 im Betrieb auf einen kleinen und/oder konstanten Abstand zueinander einstellen können, so dass sie sich nicht oder nicht immer berühren. Zugleich darf die Lücke nicht zu groß werden, da sonst die Unwuchten im Schrägkugellager 1 zunehmen könnte.
Die 3 zeigt ein Schrägkugellager 1 wie in der 1 in einer schematischen Seitenansicht, diesmal von der außenbordfreien Seite des Außenrings 3, wobei die Kugeln 4 so arrangiert sind, dass diese die resultierende oder gesamte Luft zwischen den Kugeln 4 als eine gemeinsame Lücke 8 zeigen. Im Gegensatz zu dem Schrägkugellager 1 in 2, welches 18 Kugeln 4 zeigt, weist das Schrägkugellager in 2 21 Kugeln 4 auf. Wie sich aus der schematischen Darstellung ergibt, ist die gemeinsame Lücke 8 größer als ein Leerplatz für eine zusätzliche Kugel 4. Gemäß der Erfindung ist vorgesehen, dass sich das in dem Zustand in 3 befindliche Schrägkugellager 1 im Betrieb selbst ordnet und dann analog zu der 2 mit freien Abständen d zwischen den Kugeln 4 reibungsfrei bzw. reibungsarm arbeitet. Das Schrägkugellager 1 wird beispielsweise als Spindellager für Hochgeschwindigkeitsanwendungen in Werkzeugmaschinen mit Umdrehungsgeschwindigkeiten größer als 15.000 Umdrehungen/Minute, vorzugsweise größer als 30.000 Umdrehungen/Minute, insbesondere größer als 60.000 Umdrehungen/Minute eingesetzt.

1: Schrägkugellager
2: Innenring
3: Außenring
4: Kugel
5: Rille
6: Außenbord
7: Druckwinkel, Drucklinie
8: Lücke

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 338588 [0003]
- US 687790462 [0003]
- DE 19729450 A1 [0003]
- EP 0446723 B1 [0004]
- EP 0412476 A2 [0004]
- EP 0320951 B1 [0004, 0004]

Claims

Vollkugeliges Schrägkugellager (1) mit einem Außenring (3), mit einem in der Laufbahn (5) ungeteilten Innenring (2) und mit einer Mehrzahl von zwischen Innenring (2) und Außenring (3) in einer Reihe rollbar und käfiglos gelagerten Kugeln (4), dadurch gekennzeichnet, dass der durchschnittliche, freie Abstand zwischen zwei Kugeln (4) mehr als 0,4% des Durchmessers einer der Kugeln (4) beträgt.
Schrägkugellager (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Endluft (8) der Reihe mehr als ein Kugeldurchmesser beträgt.
Schrägkugellager (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kugeln (4), jeweils gleichartig ausgebildet sind.
Schrägkugellager (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kugeln (4) der Reihe eine Sortierungsgenauigkeit von kleiner als 0,5 μm, vorzugsweise kleiner als 0,2 μm aufweisen.
Schrägkugellager (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kugeln (4) aus Metall oder Keramik ausgebildet sind.
Schrägkugellager (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Laufbahnen (5) für die Kugeln (4) des Innenrings (2) und/oder des Außenrings (3) hochgenau geschliffen sind.
Schrägkugellager (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es im Betrieb unter Vorspannung montiert ist und/oder zu montieren ist.
Schrägkugellager (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorspannung als leichte Vorspannung, vorzugsweise mit einer maximalen Hertzschen Pressung im Wälzkörperkontakt von mindestens 500 N, insbesondere von mindestens 700 N ausgebildet ist.
Schrägkugellager (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sortierungsgenauigkeit der Kugeln (4), die Vorspannung des Schrägkugellagers (1) und der durchschnittliche Abstand (d) oder die Endluft (8) der Kugeln (4) so gewählt sind, dass sich die Kugeln (4) im Betrieb auf einen Abstand (d) zueinander einstellen, so dass sich diese im quasi-stationären Betriebszustand nicht berühren.
Schrägkugellager (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenring (2) und/oder der Außenring (3) einstückig und/oder ungeteilt ausgebildet ist.
Schrägkugellager (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Schrägkugellager (1) einen Nominaldruckwinkel oder Druckwinkel zwischen 12° und 27° aufweisen.
Schrägkugellager (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kugeln (4) mit Schmierstoff versehen sind.
Schrägkugellager (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Ausbildung als Spindellager, insbesondere für eine Werkzeugmaschine.