DE102009038794B4 - Wälzlager - Google Patents

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Abstract

Wälzlager mit zwei Lagerringen (2, 3), einer Anzahl Wälzkörper (4) und einem Kunststoffkäfig (5), der mindestens ein Käfigteil (6, 7) mit einem geschlossenen Randabschnitt aufweist, wobei im Bereich des Randabschnitts ein angeformter, flanschartiger Rand (9, 10) als Dichtlippe ausgebildet ist und mit einer durch eine Randaussparung (12) gebildeten Fläche eines Lagerrings (2, 3) zusammenwirkt, dadurch gekennzeichnet, dass• die Wälzkörper (4) aus einem keramischen Werkstoff und die Lagerringe (2, 3) aus einem nichtrostenden Stahl hergestellt sind,• der Kunststoffkäfig (5) aus zwei symmetrischen, in der Teilungsebene mit zusammenpassenden Verklammerungsmitteln (16) versehenen, kamm-artigen Käfighälften (6, 7) zusammengesetzt ist,• wobei die beiden Käfighälften (6, 7) zur Übertragung von Axialkräften vorgesehene Schnappverbindungselemente (16) und von diesen getrennte, zur Übertragung von Kräften in Umfangsrichtung vorgesehene Mitnahmeelemente (17) aufweisen, und• die Wälzkörper (4) aus einer Nichtoxid-Keramik oder aus ZrOhergestellt sind.

Description

  • Gebiet der Erfindung
  • Die Erfindung betrifft ein Wälzlager mit zwei Lagerringen, einer Anzahl Wälzkörper und einem Kunststoffkäfig nach den oberbegriffsbildenden Merkmalen des Patentanspruchs 1, welches insbesondere vorteilhaft zur Verwendung als Nabenlagerung und/oder Tretlager in einem Fahrrad geeignet ist.
  • Hintergrund der Erfindung
  • Ein Wälzlager nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ist beispielsweise aus der DE 1 914 884 U bekannt. Es handelt sich hierbei um ein Wälzlager mit einem Kunststoffkäfig, der aus zwei symmetrischen, in der Teilungsebene mit zusammenpassenden Verklammerungsmitteln versehenen, kammartigen Hälften besteht, wobei jede Käfighälfte im Bereich ihres geschlossenen Randabschnitts mit angeformten, bohrungs- und mantelseitig sich erstreckenden flanschartigen Rändern versehen ist, die als Dichtlippen ausgebildet sind und die mit durch Randaussparungen gebildeten Flächen der beiden Lagerlaufringe zusammenwirken. Die durch die Käfighälften gebildeten Dichtlippen können entweder mit axialem und radialem Spiel in den Randaussparungen der Lagerlaufringe arbeiten oder leicht schleifend an den axialen Stirnflächen der Randaussparungen anliegen.
  • Aus der EP 1 733 960 A2 ist außerdem eine Lageranordnung bekannt, welche zur Verwendung in einem Fahrrad vorgesehen ist. Diese Lageranordnung umfasst zwei Axial-Schrägnadellager.
  • In der DE 10 2006 051 641 A1 ist darüber hinaus ein Wälzlager für trockenlaufende oder mediengeschmierte Anwendungen offenbart, welches einen oder zwei aus nicht-rostendem Stahl gebildete Lagerringe mit Wälzkörperlaufflächen sowie mehreren in einem Käfig gehaltene Wälzkörper aufweist, wobei die Wälzkörper und/oder der oder die Lagerringe aus einer korrosionsbeständigen Titanlegierung bestehen.
  • Aus der WO 2004/014817 A1 ist schließlich noch ein keramischer Werkstoff hoher Stoßfestigkeit für die Wälzkörper eines Wälzlagers, insbesondere auf Basis von Si3N4 oder ZrO2, bekannt, der eine Härte HV10 von maximal 15,5 GPa und einen E-Modul bei Raumtemperatur von kleiner 330 GPa aufweist, wobei der Werkstoff 0,2 bis 5 Gew.-% Kohlenstoffpartikel enthält, die eine maximale Partikelgröße von 5 µm aufweisen.
  • Aufgabe der Erfindung
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein gegenüber dem bekannten Stand der Technik weiterentwickeltes Wälzlager anzugeben, welches insbesondere zur Verwendung in einem Sport- oder Fitnessgerät, beispielsweise einem Fahrrad, geeignet ist.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Wälzlager mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Das Wälzlager weist zwei Lagerringe, eine Anzahl Wälzkörper, sowie einen die Wälzkörper führenden Kunststoffkäfig auf, welcher in Zusammenwirkung mit den Lagerringen zugleich eine Dichtfunktion bereitstellt. Die Wälzkörper sind aus einem keramischen Werkstoff, zum Beispiel Zirkonoxid (ZrO2) oder Siliziumnitrid (Si3N4), gefertigt, während die Lagerringe aus einem nichtrostenden Stahl, vorzugsweise aus einem randaufgestickten Stahl, hergestellt sind. Als besonders geeigneter, für eine Randschichtaufstickung prädestinierter Werkstoff zur Herstellung der Lagerringe hat sich X20Cr13 (Werkstoffnummer 1.4021) erwiesen.
  • Die Ausbildung des Wälzlagers als Hybridlager mit metallischen Lagerringen aus einem korrosionsbeständigen, vorzugsweise martensitischen, Stahl und keramischen Wälzkörpern, insbesondere Kugeln, sorgt dafür, dass das Wälzlager auch unter Mangelschmierung, das heißt bei Mischreibungsverhältnissen, eingeschränkt sogar bei Trockenlauf, reibungsarm läuft. Die integrale Ausbildung mindestens einer Dichtlippe mit dem Käfig ermöglicht zudem eine besonders raum- und gewichtssparende Konstruktion des Wälzlagers. Außerdem stellen die aus dem Käfig geformten Dichtlippen eine hohe Dichtwirkung bereit, die das Wälzlager weitgehend unempfindlich gegen Einflüsse durch Reinigungsgeräte wie Hochdruckreiniger macht. Dieser Aspekt ist insbesondere bei Verwendung des Wälzlagers in Freizeit- und Sportgeräten von Bedeutung.
  • Die Anformung der wenigstens einen Dichtlippe, vorzugsweise zwei Dichtlippen, an den Käfig hat weiterhin den Vorteil, dass beim Betrieb des Wälzlagers in jedem Fall der Käfig rotiert - unabhängig davon, ob sich der Innenring oder der Außenring dreht und der jeweils andere Ring stillsteht. Auf diese Weise werden in jedem der beiden genannten Betriebszustände Schmutzpartikel und Wasser durch die Zentrifugalkraft nach außen gefördert.
  • Gemäß einer ersten nicht erfindungsgemäßen Variante ist der Käfig einstückig ausgebildet, wobei er das Wälzlager einseitig abdichtet. Der Käfig ist in diesem Fall vorzugsweise als Schnappkäfig gestaltet, in welchen die Wälzkörper, insbesondere Kugeln, eingeschnappt sind.
  • Gemäß einer zweiten erfindungsgemäßen Variante ist der Käfig zweiteilig ausgebildet, wobei er aus zwei symmetrischen, in der Teilungsebene mit zusammenpassenden Verklammerungsmitteln versehenen, kammartigen Hälften zusammengesetzt ist. Durch jede der Käfighälften ist eine Dichtlippe gebildet, so dass das Wälzlager beidseitig abgedichtet ist.
  • Der Käfig ist besonders rationell im Spritzgussverfahren aus einem thermoplastischen Kunststoff, insbesondere Polyoxymethylen (POM, auch unter der Bezeichnung Polyacetal bekannt), herstellbar. Sofern der Käfig aus zwei jeweils eine Dichtlippe bereitstellenden Käfighälften zusammengesetzt ist, sind vorteilhafterweise beide Käfighälften vollständig identisch. Die Verklammerungsmittel, welche an den Käfighälften angeformt sind, sind hauptsächlich zur Übertragung axialer Kräfte vorgesehen. Die Angaben „axial“ und „radial“ beziehen sich stets auf die Rotationsachse des Wälzlagers.
  • Nach einer bevorzugten Ausgestaltung weisen die Käfighälften zusätzlich zu den Verklammerungsmitteln jeweils Mitnahmeelemente auf, welche im Unterschied zu den Verklammerungsmitteln in erster Linie Kräfte in Umfangsrichtung aufnehmen. Somit ist die Aufnahme axialer Kräfte von der Aufnahme tangentialer Kräfte entkoppelt. Damit ist sowohl eine fertigungsfreundliche Konstruktion der Käfighälften als auch eine besonders stabiler Verbund zwischen den Käfighälften realisierbar.
  • Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung sind durch den Käfig Schmierstofftaschen gebildet. Diese Schmierstofftaschen sind im komplett montierten Lager vorzugsweise in Umfangsrichtung zwischen einzelnen Wälzkörpern angeordnet und derart in eine Käfighälfte oder in den einstückigen Käfig integriert, dass die Käfighälfte beziehungsweise der einstückige Käfig bei Herstellung im Spritzgussverfahren axial entformbar bleibt.
  • Figurenliste
  • Nachfolgend werden mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Hierin zeigen:
    • 1 ein Wälzlager mit einem aus zwei Käfighälften zusammengesetzten Käfig in einer Schnittdarstellung,
    • 2 eine alternative Form einer Käfighälfte,
    • 3 das Wälzlager nach 1 in einer perspektivischen Darstellung,
    • 4 eine Käfighälfte des Wälzlagers nach 1.
    • 5 einen einteiligen Schnappkäfig eines Wälzlagers.
  • Ausführliche Beschreibung der Zeichnung
  • Einander entsprechende oder gleichwirkende Teile sind in allen Figuren mit denselben Bezugszeichen gekennzeichnet.
  • Die 1 zeigt im Querschnitt ein insgesamt mit dem Bezugszeichen 1 gekennzeichnetes, als Radial-Rillenkugellager ausgebildetes Wälzlager, hinsichtlich dessen prinzipieller Funktion auf den eingangs zitierten Stand der Technik, insbesondere die DE 1 914 884 U , verwiesen wird.
  • Das Wälzlager 1 umfasst einen Innenring 2 und einen Außenring 3, zusammen auch als Lagerringe 2, 3 bezeichnet, zwischen welchen Wälzkörper 4, nämlich Kugeln, in einem Käfig 5 geführt werden, welcher aus zwei identischen Käfighälften 6, 7, allgemein als Käfigteile bezeichnet, zusammengesetzt ist. Jede Käfighälfte 6, 7 weist an der jeweiligen Stirnseite des Wälzlagers 1 einen Flansch 8 auf, der mit einem inneren Flanschabschnitt 9 sowie einem äußeren Flanschabschnitt 10 in eine Randaussparung 11 des Innenrings 2 beziehungsweise eine Randaussparung 12 des Außenrings 3 eingreift und damit eine Dichtungsfunktion erfüllt. Jeder Flanschabschnitt 9, 10, auch als flanschartiger Rand bezeichnet, fungiert somit als Dichtlippe.
  • Die verschiedenen Bauteile 2 - 7 des Wälzlagers 1 sind aus folgenden Werkstoffen gefertigt:
    • Lagerringe 2, 3:
    Korrosionsbeständiger, martensitischer, randaufgestickter Stahl, nämlich X20Cr13,
    Wälzkörper 4:
    Keramik, insbesondere Si3N4 oder ZrO2,
    Käfighälften 6, 7:
    thermoplastischer Kunststoff, nämlich POM.
  • Die Käfighälften 6, 7 sind in reibendem Kontakt sowohl mit den Wälzkörpern 4 als auch - in geringem Maße - mit den Lagerringen 2, 3. Selbst unter ungünstigen Schmierungsbedingungen ermöglichen die verschiedenen Reibpaarungen einen verschleiß- und reibungsarmen Betrieb des Wälzlagers 1. Aus 1 geht auch der sehr schmale Aufbau des Wälzlagers 1, verglichen mit herkömmlichen Wälzlagern mit gesonderten Dichtungen, hervor. Fertigungstechnisch besonders vorteilhaft ist die geringe Anzahl verschiedener Teile, aus welchen das Wälzlager 1 hergestellt ist.
  • Verschiedene vorteilhafte Weiterbildungen des Käfigs 5 sind in 2 in einer nicht maßstäblichen Darstellung veranschaulicht. Als nicht erfindungsgemäßes Merkmal soll dabei lediglich erwähnt werden, dass sowohl am inneren Flanschabschnitt 9 als auch am äußeren Flanschabschnitt 10 jeweils ein umlaufender Steg 13 ausgebildet ist, der in eine Nut des hier nicht dargestellten Innenrings 2 beziehungsweise Außenrings 3 eingreift, so dass eine Labyrinthdichtung gebildet ist. Weiter ist in 2 eine Schmierstofftasche 14 erkennbar, die in einen radial zwischen den Flanschabschnitten 9 ,10 angeordneten mittleren Abschnitt 15 des Kunststoffkäfigs 5 eingeformt ist.
  • In den 3 und 4 sind Einzelheiten des Ausführungsbeispiels nach 1 erkennbar. Insbesondere sind Schnappverbindungselemente 16 sichtbar, allgemein auch als Verklammerungsmittel bezeichnet, welche die Käfighälften 6, 7 in Axialrichtung zusammenhalten. Zusätzlich weisen die Käfighälften 6, 7 Mitnahmeelemente 17 auf, die in der Art von Nut-Feder-Verbindungen ineinandergreifen und hauptsächlich zur Übertragung eines zwischen den Käfighälften 6, 7 wirkenden Drehmoments, das heißt von in Umfangsrichtung wirkenden Kräften, vorgesehen sind.
  • Jeder Wälzkörper 4 ist in einer Kugelführung 18 aufgenommen, die durch die Käfighälften 6, 7 gebildet ist. Die Kugelführungen 18 sind derart dimensioniert, dass der Wälzkörper 4 mit Spiel geführt ist und zugleich ein Schutz gegen Anlaufen der Flanschabschnitte 9, 10 an den Lagerringen 2, 3 gegeben ist.
  • In dem nicht vom Schutzumfang des Patentanspruchs 1 erfassten alternativen Ausführungsbeispiel nach 5 ist gezeigt, dass der Kunststoffkäfig 5 auch einteilig ausgebildet sein kann, das heißt mit genau einem Käfigteil 6 identisch. Der Käfig 5 ist in dieser Ausführungsform als Schnappkäfig gestaltet, in welchen die Wälzkörper 4, nämlich Kugeln, eingeschnappt sind. Hinsichtlich der Werkstoffe der einzelnen, in 5 nur teilweise dargestellten, Wälzlagerteile gibt es keine Unterschiede zwischen dem Ausführungsbeispiel nach 1 und dem Ausführungsbeispiel nach 5. Entsprechendes gilt für die optionalen Merkmale des Käfigteils 6, welche anhand 2 vorstehend erläutert sind.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Wälzlager
    2
    Innenring
    3
    Außenring
    4
    Wälzkörper
    5
    Käfig
    6
    Käfigteil
    7
    Käfigteil
    8
    Flansch
    9
    innerer Flanschabschnitt
    10
    äußerer Flanschabschnitt
    11
    Randaussparung
    12
    Randaussparung
    13
    Steg
    14
    Schmierstofftasche
    15
    mittlerer Abschnitt
    16
    Schnappverbindungselement
    17
    Mitnahmeelement
    18
    Kugelführung

Claims (8)

  1. Wälzlager mit zwei Lagerringen (2, 3), einer Anzahl Wälzkörper (4) und einem Kunststoffkäfig (5), der mindestens ein Käfigteil (6, 7) mit einem geschlossenen Randabschnitt aufweist, wobei im Bereich des Randabschnitts ein angeformter, flanschartiger Rand (9, 10) als Dichtlippe ausgebildet ist und mit einer durch eine Randaussparung (12) gebildeten Fläche eines Lagerrings (2, 3) zusammenwirkt, dadurch gekennzeichnet, dass • die Wälzkörper (4) aus einem keramischen Werkstoff und die Lagerringe (2, 3) aus einem nichtrostenden Stahl hergestellt sind, • der Kunststoffkäfig (5) aus zwei symmetrischen, in der Teilungsebene mit zusammenpassenden Verklammerungsmitteln (16) versehenen, kamm-artigen Käfighälften (6, 7) zusammengesetzt ist, • wobei die beiden Käfighälften (6, 7) zur Übertragung von Axialkräften vorgesehene Schnappverbindungselemente (16) und von diesen getrennte, zur Übertragung von Kräften in Umfangsrichtung vorgesehene Mitnahmeelemente (17) aufweisen, und • die Wälzkörper (4) aus einer Nichtoxid-Keramik oder aus ZrO2 hergestellt sind.
  2. Wälzlager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Käfighälften (6, 7) identisch geformt sind.
  3. Wälzlager nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Wälzkörper (4) aus Si3N4 hergestellt sind.
  4. Wälzlager nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Laufringe (2, 3) aus einem randaufgestickten Stahl hergestellt sind.
  5. Wälzlager nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Laufringe (2, 3) aus X20Cr13 hergestellt sind.
  6. Wälzlager nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Käfig (5) aus Polyacetal hergestellt ist.
  7. Wälzlager nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass durch den Käfig (5) Schmierstofftaschen (14) gebildet sind.
  8. Verwendung eines Wälzlagers nach Anspruch 1 in einem Sport- oder Fitnessgerät.
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