DE102013207494A1

DE102013207494A1 - Wälzlagerkäfig für ein Radiallager

Info

Publication number: DE102013207494A1
Application number: DE102013207494.8A
Authority: DE
Inventors: Wilhelm Sebald; Johannes Bedenk
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2013-04-25
Filing date: 2013-04-25
Publication date: 2014-10-30
Also published as: EP2989339A1; WO2014173401A1; US20160108963A1

Abstract

Ein Wälzlagerkäfig für ein Radiallager, insbesondere Zylinderrollenlager, umfasst
• eine Anzahl Käfigtaschen (8), welche jeweils zur Aufnahme eines Wälzkörpers (6) vorgesehen sind,
• umlaufende Randleisten (10, 11), welche unter Bildung der Käfigtaschen (8) durch Stege (12, 13) miteinander verbunden sind, wobei mindestens eine der Randleisten (10) einen stirnseitigen, als Ölfangring (9) ausgebildeten Abschnitt reduzierter Wandstärke aufweist,
• am Innenumfang mindestens einer Randleiste (10, 11) parallel zu den Stegen (12, 13) verlaufende Ölführungsnuten (14, 15) ersten Typs, von welchen aus sich jeweils eine Radialbohrung (17) zum Außenumfang der Randleiste (10, 11) erstreckt,
• am Innenumfang mindestens einer Randleiste (10, 11) verlaufende Ölführungsnuten (16) zweiten Typs, welche sich jeweils vom Ölfangring (9) zu einer Käfigtasche (8) erstrecken.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft einen für ein Radiallager geeigneten Wälzlagerkäfig, welcher konstruktive Merkmal aufweist, die die Verteilung von Schmiermittel beeinflussen.
Stand der Technik
Aus der DE 10 2008 004 970 A1 ist ein bordgeführter Käfig eines Wälzlagers bekannt, wobei sowohl der Käfig als auch ein Lagerring des Wälzlagers eine Führungsfläche aufweist. Eine dieser Führungsflächen, nämlich eine außen liegende Führungsfläche, weist eine Profilierung auf, um Schmiermittel innerhalb des Wälzlagers zu fördern. Die Profilierung kann beispielsweise in Form von Kanälen, Nuten oder Einkerbungen gestaltet sein. Als Schmiermittel des beispielsweise als Kugellager, Zylinderrollenlager oder Kegelrollenlager ausgebildeten Wälzlagers nach der DE 10 2008 004 970 A1 kann Fett verwendet werden.
Aufgabe der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen insbesondere für hohe Drehzahlen geeigneten Wälzlagerkäfig hinsichtlich der Schmierstoffförderung gegenüber dem genannten Stand der Technik weiterzuentwickeln.
Zusammenfassung der Erfindung
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Wälzlagerkäfig mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche. Der Wälzlagerkäfig ist insbesondere für die Verwendung in einem Wälzlager zur Wellenlagerung, beispielsweise Zwischenwellenlagerung, in einer Gasturbine geeignet.
Der Wälzlagerkäfig umfasst

• eine Anzahl Käfigtaschen, welche jeweils zur Aufnahme eines Wälzkörpers vorgesehen sind,
• umlaufende Randleisten, welche unter Bildung der Käfigtaschen durch Stege miteinander verbunden sind, wobei mindestens eine der Randleisten einen stirnseitigen, als Ölfangring ausgebildeten Abschnitt reduzierter Wandstärke aufweist,
• am Innenumfang mindestens einer Randleiste parallel zu den Stegen verlaufende Ölführungsnuten ersten Typs, von welchen aus sich jeweils eine Radialbohrung zum Außenumfang der Randleiste erstreckt,
• am Innenumfang mindestens einer Randleiste verlaufende Ölführungsnuten zweiten Typs, welche sich jeweils vom Ölfangring zu einer Käfigtasche erstrecken.

Die Erfindung geht von der Überlegung aus, dass der Förderung von Schmiermittel in Richtung zur radial äußeren Oberfläche des Wälzkörperkäfigs gerade in Anwendungsfällen mit hohen Drehzahlen eine besondere Bedeutung zukommt, wobei gleichzeitig auch eine ausreichende Durchströmung des Wälzlagers in axialer Richtung gegeben sein soll.
Diese Förderung von Schmiermittel in radiale Richtung nach außen, sowie in axiale Richtung, das heißt in Richtung parallel zur Rotationsachse des Wälzlagers, erfolgt nach der Erfindung dadurch, dass von außen dem Wälzlager zugeführtes Schmiermittel, insbesondere Öl, zunächst auf einen speziellen Ölfangring trifft, der eine Verbreiterung einer Randleiste des Käfigs darstellt. Von diesem Ölfangring aus fließt das Schmiermittel zumindest teilweise in axialer Richtung an der Oberfläche des Wälzlagerkäfigs weiter, wobei zu diesem Zweck mindestens zwei unterschiedliche Typen von Ölführungsnuten vorhanden sind, die sich verschieden weit in axialer Richtung erstrecken.
Die jeweils in eine Radialbohrung mündenden Ölführungsnuten ersten Typs verlaufen vorzugsweise in denjenigen Umfangsabschnitten des Käfigs, in denen sich jeweils auch ein zwei Käfigtaschen voneinander trennender Steg befindet. Ebenso wie die Ölführungsnuten ersten Typs verlaufen auch die die Käfigtaschen mit Öl versorgenden Ölführungsnuten zweiten Typs vorzugsweise exakt in axialer Richtung, das heißt parallel zur Rotationsachse des Wälzlagerkäfigs. Abweichend hiervon sind auch schräg gestellte Ölführungsnuten ersten und/oder zweiten Typs realisierbar. In allen Fällen befinden sich die Ölführungsnuten auf der Innenseite des insgesamt im Wesentlichen zylindrischen Wälzlagerkäfigs.
In bevorzugter Ausgestaltung weist der Wälzlagerkäfig lediglich auf einer einzigen Stirnseite einen Ölfangring aus, ist damit also asymmetrisch gestaltet. Gemäß dieser Ausgestaltung umfassen die Ölführungsnuten ersten Typs sowohl Ölführungsnuten eines ersten Untertyps als auch Ölführungsnuten eines zweiten Untertyps, wobei die Ölführungsnuten des zweiten Untertyps länger als die Ölführungsnuten des ersten Untertyps sind und die von den Ölführungsnuten ersten Untertyps ausgehenden Radialbohrungen eine der beiden Randleisten durchdringen, während die von den Ölführungsnuten zweiten Untertyps ausgehenden Radialbohrungen die zweite, nämlich vom Ölfangring aus weiter entfernte Randleiste durchdringen. Die letztgenannten Ölführungsnuten greifen in beide Randleisten ein, wobei sie die Käfigtaschen beidseitig in unterschiedlichem Maße überragen und einseitig an den Ölfangring grenzen.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung sind einzelne Stege in Radialrichtung nach innen verstärkt, während andere Stege unverstärkt sind. Die sich weiter nach innen erstreckenden Stege senken Leckageverluste und tragen zur Erhöhung der Ölzuführeffizienz bei, indem sie Öl in Umfangsrichtung des Wälzlagers mitfördern.
Die verstärkten Stege sind gemäß dieser Weiterbildung vorzugsweise jeweils in axialer Verlängerung einer Ölführungsnut ersten Untertyps angeordnet, während am Innenumfang eines unverstärkten Steges jeweils eine Ölführungsnut zweiten Untertyps angeordnet ist. Bevorzugt ist abwechselnd jeweils ein Steg verstärkt und ein Steg unverstärkt. Die mit der Anzahl der Ölführungsnut zweiten Untertyps identische Anzahl der Ölführungsnut ersten Untertyps ist damit halb so groß wie die Anzahl der zu den Käfigtaschen führenden Ölführungsnuten zweiten Typs.
Hinsichtlich ihres Querschnitts können sich die Ölführungsnuten der verschiedenen Typen und gegebenenfalls Untertypen voneinander unterscheiden. Beispielsweise sind die Ölführungsnuten zweiten Typs, welche die in den Käfigtaschen angeordneten Wälzkörper und damit deren Laufbahnen mit Schmiermittel versorgen, zur Förderung einer geringeren Schmiermittelmenge als die Ölführungsnuten ersten Typs, welche der Schmierung der Käfigführungsflächen dienen, ausgebildet.
Der Wälzlagerkäfig ist vorzugsweise aus Metall gefertigt; prinzipiell ist er jedoch auch aus Kunststoff herstellbar. In allen Fällen handelt es sich vorzugsweise um einen außenbordgeführten Käfig. Bei den im Käfig geführten Wälzkörpern handelt es sich vorzugsweise um Zylinderrollen.
Der Vorteil der Erfindung liegt insbesondere bei schnell drehenden und thermisch hoch beanspruchten – auch schlupfgefährdeten – Wälzlagern mit von den Außenborden eines Lagerrings geführtem Wälzkörperkäfig darin, dass auch bei nur einseitiger Schmierölzuführung eine definierte und effiziente Zuführung von Schmieröl in die Laufbahn der Wälzkörper und auf die Käfigführungsflächen gegeben ist.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand einer Zeichnung beschrieben. Hierin zeigt:
1: ausschnittsweise ein als Zylinderrollenlager ausgebildetes Wälzlager mit einem Käfig,
2: ein Detail des Wälzlagerkäfigs aus 1.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnung
Ein insgesamt mit dem Bezugszeichen 1 gekennzeichnetes Wälzlager, nämlich Zylinderrollenlager, weist einen Außenring 2 mit zwei Borden 3, 4, einen als Fensterkäfig ausgebildeten Wälzlagerkäfig 5, sowie eine Anzahl in diesem geführter Wälzkörper 6, nämlich Zylinderrollen, auf. Die mit der Symmetrieachse des Wälzlagerkäfigs 5 identische Achse des als Radiallager ausgebildeten Wälzlagers 1 ist mit A gekennzeichnet. Hinsichtlich der prinzipiellen Funktion des Wälzlagers 1 wird auf den eingangs zitierten Stand der Technik verwiesen.
Der Wälzlagerkäfig 5 beschreibt insgesamt im Wesentlichen die Form eines Zylindermantels, wobei sich in einem mit dem Bezugszeichen 7 bezeichneten Abschnitt voller Wandstärke rechteckige oder annähernd rechteckige Käfigtaschen 8 befinden, in welchen Wälzkörper 6 geführt sind. An den Abschnitt 7 voller Wandstärke (in Radialrichtung des Wälzlagerkäfigs 5 gemessen) schließt sich stirnseitig (in der Anordnung nach den 1 und 2 links) einstückig ein mit 9 bezeichneter Abschnitt reduzierter Wandstärke des Wälzlagerkäfigs 5 an. Der Abschnitt 9 reduzierter Wandstärke ragt, wie aus 1 ersichtlich, in Axialrichtung, also auf der Stirnseite des Wälzlagerkäfigs 5, über den Außenring 2 hinaus. Ebenso sind Ausführungsformen realisierbar in denen der Außenring 2 bündig mit dem Wälzlagerkäfig 5 abschließt oder über den Wälzlagerkäfig 5 hinausragt.
Während die Außenseite des Abschnitts 9 reduzierter Wandstärke deutlich gegenüber dem Außenumfang des Abschnitts 7 voller Wandstärke radial nach innen versetzt ist, geht die innere, hauptsächlich zylindrische Oberfläche des Abschnitts 9 reduzierter Wandstärke im Wesentlichen glatt in die innere, ebenfalls hauptsächlich zylindrische Oberfläche des Abschnitts 7 voller Wandstärke über.
Im Gegensatz zum Abschnitt 7 voller Wandstärke, welcher mit der Führung der Wälzkörper 6 eine bedeutende mechanische Funktion hat, besteht die Hauptfunktion des Abschnitts 9 reduzierter Wandstärke darin, Schmiermittel, nämlich Öl, innerhalb des Wälzlagers 1 zu fördern. Eine Zuführrichtung Z, in welcher Öl von außen zum Wälzlager 1 gefördert wird, ist in 1 mit breiten, gekrümmten Pfeilen veranschaulicht. Das Öl trifft gemäß dieser idealisierten Darstellung von innen auf den Abschnitt 9 reduzierter Wandstärke, welcher kurz auch als Ölfangring bezeichnet wird.
Die zur Unterscheidung vom Ölfangring 9 zusammenfassend als Abschnitt 7 voller Wandstärke bezeichneten übrigen Bereiche des Wälzlagerkäfigs 5 umfassen zwei umlaufende Randleisten 10, 11, wobei sich an die in den 1 und 2 linke Randleiste 10 unmittelbar der Ölfangring 9 anschließt und lediglich die zweite Randleiste 11 einen stirnseitigen Abschluss des Wälzlagerkäfigs 5 bildet, sowie eine Anzahl unterschiedlicher Stege 12, 13, welche die Randleisten 10, 11 miteinander verbinden und die Käfigtaschen 8 bilden. Der gesamte Wälzlagerkäfig 5, kurz auch als Käfig bezeichnet, ist einstückig ausgebildet und aus Metall, insbesondere Stahl oder einer Buntmetalllegierung, gefertigt. Im Fall einer Fertigung aus Stahl ist der Käfig 5 vorzugsweise zumindest auf tribologisch beanspruchten Flächen mit einer Beschichtung, insbesondere Buntmetallbeschichtung, versehen, welche im Vergleich zu Stahl bessere Gleiteigenschaften aufweist.
Das zunächst auf der Innenseite des Ölfangrings 9 befindliche Öl fließt durch verschiedene Ölführungsnuten 14, 15, 16, auf welche im Folgenden noch näher eingegangen wird, weiter, um sowohl die Käfigführungsflächen, welche am Innenumfang der Borde 3, 4 den Käfig 5 führen, als auch die Laufbahnen einerseits des Außenrings 2 und andererseits eines nicht dargestellten Innenrings oder einer stattdessen vorhandenen Welle mit Öl zu versorgen.
Die unterschiedlich langen, sich in Axialrichtung erstreckenden Ölführungsnuten 14, 15 werden als Ölführungsnuten ersten Typs bezeichnet und münden in allen Fällen in eine Radialbohrung 17, welche sich bis zum Außenumfang des Käfigs 5 erstreckt und damit der Schmierung der Käfigführungsflächen dient. Hierbei reichen die kürzeren Ölführungsnuten 14, auch als Ölführungsnuten ersten Untertyps bezeichnet, nur bis zur ersten, an den Ölfangring 9 anschließenden Randleiste 10, während sich die längeren Ölführungsnuten 15, auch als Ölführungsnuten zweiten Untertyps bezeichnet, über die Innenseite jeweils eines Stegs 12 hinweg bis zur zweiten Randleiste 11 erstrecken. Das aufgrund der bei Rotation des Käfig 5 gegebenen Fliehkraft durch die Radialbohrungen 17 fließende Öl tritt in beiden Axialrichtungen, wie in 2 durch zwei einander entgegen gerichtete Pfeile verdeutlicht, aus dem zwischen dem Käfig 5 und den Borden 3, 4, also an den Käfigführungsflächen, seitlich aus dem Wälzlager 1 aus.
Die Stege 12, an deren Innenseite jeweils eine wie der Steg 12 selbst in Axialrichtung verlaufende Ölführungsnut 15 ersten Typs, zweiten Untertyps ausgebildet ist, werden als unverstärkte Stege bezeichnet. Im Unterschied hierzu weisen die jeweils in Umfangsrichtung zwischen zwei Stegen 12 angeordneten Stege 13 jeweils ein einstückig angeformtes, radial nach innen gerichtetes Ansatzstück 18 auf und werden daher als verstärkte Stege bezeichnet.
Zwischen einem unverstärkten Steg 12 und einem verstärkten Steg 13 befindet sich jeweils eine Käfigtasche 8. In diese führt eine Ölführungsnut zweiten Typs 16, welche wie die Ölführungsnuten 14, 15 ersten Typs auf der Innenseite des Käfigs 5 in dessen Oberfläche eingeformt ist. Im Unterschied zu den Ölführungsnuten 14, 15 ersten Typs mündet die Ölführungsnut zweiten Typs 16 jedoch nicht in eine Radialbohrung 17, sondern direkt in die zugehörige Käfigtasche 8. Damit dient die Ölführungsnut zweiten Typs 16 der Schmiermittelversorgung der Wälzkörper 6 und der Laufbahnen. Insgesamt ist durch die Kombination des Ölfangrings 9 mit den verschiedenen Öhlführungsnuten 14, 15, 16 und Radialbohrungen 17 eine gleichmäßige Schmiermittelversorgung sämtlicher tribologisch beanspruchter Flächen innerhalb des Wälzlagers sowie eine höchst effiziente Wärmeabfuhr gegeben.
Bezugszeichenliste

1: Wälzlager
2: Außenring
3: Bord
4: Bord
5: Wälzlagerkäfig
6: Wälzkörper
7: Abschnitt voller Wandstärke
8: Käfigtasche
9: Abschnitt reduzierter Wandstärke, Ölfangring
10: Randleiste
11: Randleiste
12: Steg, unverstärkt
13: Steg, verstärkt
14: Ölführungsnut ersten Typs, ersten Untertyps
15: Ölführungsnut ersten Typs, zweiten Untertyps
16: Ölführungsnut zweiten Typs
17: Radialbohrung
18: Ansatzstück
A: Achse
Z: Zuführrichtung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102008004970 A1 [0002, 0002]

Claims

Wälzlagerkäfig für ein Radiallager, mit a) einer Anzahl Käfigtaschen (8), welche jeweils zur Aufnahme eines Wälzkörpers (6) vorgesehen sind, b) umlaufenden Randleisten (10, 11), welche unter Bildung der Käfigtaschen (8) durch Stege (12, 13) miteinander verbunden sind, wobei mindestens eine der Randleisten (10) einen stirnseitigen, als Ölfangring (9) ausgebildeten Abschnitt reduzierter Wandstärke aufweist, c) am Innenumfang mindestens einer Randleiste (10, 11) parallel zu den Stegen (12, 13) verlaufenden Ölführungsnuten (14, 15) ersten Typs, von welchen aus sich jeweils eine Radialbohrung (17) zum Außenumfang der Randleiste (10, 11) erstreckt, d) am Innenumfang mindestens einer Randleiste (10, 11) verlaufenden Ölführungsnuten (16) zweiten Typs, welche sich jeweils vom Ölfangring (9) zu einer Käfigtasche (8) erstrecken.
Wälzlagerkäfig nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ölführungsnuten (14, 15) ersten Typs jeweils im selben Umfangsabschnitt wie ein Steg (12, 13) verlaufen.
Wälzlagerkäfig nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass dieser einen einzigen Ölfangring (9) aufweist.
Wälzlagerkäfig nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Ölführungsnuten (14, 15) ersten Typs Ölführungsnuten (14) eines ersten Untertyps und Ölführungsnuten (15) eines zweiten Untertyps umfassen, wobei die Ölführungsnuten (15) des zweiten Untertyps länger als die Ölführungsnuten (14) des ersten Untertyps sind und die von den Ölführungsnuten (14) ersten Untertyps ausgehenden Radialbohrungen (17) eine der Randleisten (10) durchdringen, während die von den Ölführungsnuten (15) zweiten Untertyps ausgehenden Radialbohrungen (17) die zweite Randleiste (11) durchdringen.
Wälzlagerkäfig nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass einzelne Stege (13) in Radialrichtung nach innen verstärkt und weitere Stege (12) unverstärkt sind.
Wälzlagerkäfig nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die verstärkten Stege (13) jeweils in axialer Verlängerung einer Ölführungsnut (14) des ersten Untertyps angeordnet sind.
Wälzlagerkäfig nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass am Innenumfang eines unverstärkten Steges (12) eine Ölführungsnut (15) zweiten Untertyps angeordnet ist.
Wälzlagerkäfig nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass abwechselnd jeweils ein Steg (13) verstärkt ist und ein Steg (12) eine Ölführungsnut (15) zweiten Untertyps aufweist.
Wälzlagerkäfig nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Ölführungsnuten (14, 15, 16) der verschiedenen Typen hinsichtlich ihres Querschnitt voneinander unterscheiden.
Wälzlagerkäfig nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Ölführungsnuten (16) zweiten Typs zur Förderung einer geringeren Schmiermittelmenge als die Ölführungsnuten (14, 15) ersten Typs ausgebildet sind.
Wälzlagerkäfig nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass dieser zur Führung von Rollen, insbesondere Zylinderrollen, als Wälzkörper (6) ausgebildet ist.
Wälzlagerkäfig nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass dieser außenbordgeführt ist.
Wälzlagerkäfig nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass dieser aus Metall gefertigt ist.
Verwendung eines Wälzlagerkäfigs nach Anspruch 1 in einer Gasturbine.