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Vorliegende Erfindung betrifft einen Radialkäfig zur Aufnahme und Führung zylindrischer Wälzkörper, insbesondere einen Nadelkranzkäfig, gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
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Radialkäfige bzw. Nadelkränze mit Radialkäfigen sind insbesondere für hohe Drehzahlen geeignet und werden oftmals bei Planetengetrieben eingesetzt, die aufgrund von hohen Drehzahlen besonders hohe Anforderungen an die verbauten Nadelkränze stellen. Derartige Nadelkränze bestehen üblicherweise aus einem Radialkäfig sowie aus einer Vielzahl von in dem Radialkäfig aufgenommenen Nadelrollen und zeichnen sich insbesondere durch eine möglichst geringe radiale Bauhöhe aus. Gleichzeitig können die Nadelkränze jedoch große Flieh- und Beschleunigungskräfte aufnehmen und stellen somit Lagerungen mit einer hohen Tragfähigkeit und einer hohen Rundlaufgenauigkeit dar.
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Üblicherweise besteht ein Radialkäfig für einen derartigen Nadelkranz aus zwei eine radiale Erstreckung des Radialkäfigs definierenden Seitenringen, sowie aus einer Vielzahl dieser Seitenringe miteinander verbindenden Axialstegen, die zwischen sich Taschen für die Aufnahme der Nadelrollen bilden. Um auch bei hohen Drehzahlen eine möglichst geringe Verformung aufzuweisen, sind die Axialstege jeweils durch zwei mit den Seitenringen verbundenen axial geraden Seitenabschnitten, durch zwei schräg zur Käfiglängsachse verlaufende Zwischenabschnitte sowie durch einen axialen Mittenabschnitt gebildet. Dieses Stufendesign soll die Auswirkungen der Fliehkräfte auf den Käfig verringern und ermöglicht, dass die Nadelrollen durch die Axialstege im Radialkäfig gehalten werden können.
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Nachteiliger Weise hat sich bei diesen Radialkäfigen jedoch gezeigt, dass es bei den sehr hohen Drehzahlen häufig zu Stegbrüchen im Bereich der geraden Seitenabschnitte der Axialstege kommt. Ursache hierfür ist, dass der Radialkäfig durch die zeitweilig wirkenden extrem hohen Fliehkräfte derart belastet wird, dass sich die Axialstege durch ihre Eigenmasse nach radial außen durchbiegen. Diese Verformung führt wiederum zu einem unerwünschten Kontakt zwischen Radialkäfig und Nadelrollen, was eine Reibungserhöhung und einen Schmiermittelfilmabriss zur Folge hat. Dadurch reduziert sich die Lebensdauer und die Dauerfestigkeit des Lagers erheblich. Weiterhin kann es insbesondere bei zusätzlichen axialen Belastungen dazu kommen, dass die, aufgrund der erforderlichen geringen Bauhöhe, erforderlichen dünnen Nadelrollen von dem Lagerkäfig im Bereich der Seitenringe überrollt werden, was zu einem Totalausfall des Lagers führt.
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Aufgabe vorliegender Erfindung ist es deshalb, einen Radialkäfig für Lager mit hohen Drehzahlen bereitzustellen, der auch bei starken dynamischen Belastungen eine gute Führung der Bauteile ohne Reibungserhöhung und Schmiermittelfilmabriss bereitstellt.
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Diese Aufgabe wird durch einen Radialkäfig gemäß Patentanspruch 1 gelöst.
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Im Folgenden wird ein Radialkäfig zur Aufnahme und Führung zylindrischer Wälzkörper, deren Drehachsen einen Teilkreis definieren, insbesondere ein Nadelkranzkäfig vorgestellt. Dieser Radialkäfig weist zumindest zwei axial voneinander beabstandete und eine axiale Erstreckung des Radialkäfigs definierende Seitenringe und mehrere, die Seitenringe miteinander verbindende Axialstege auf. Zwischen den Axialstegen ist eine Vielzahl von Taschen zur Aufnahme der zylindrischen Wälzkörper ausgebildet, wobei die Axialstege jeweils zwei mit den Seitenringen verbundene im Wesentlichen parallel zur axialen Erstreckung verlaufende Seitenabschnitte, sowie einen im Wesentlichen parallel zur axialen Erstreckung verlaufenden Mittelabschnitt aufweisen. Dabei ist der Mittelabschnitt über zwei Zwischenabschnitte, die schräg zur Lagerachse verlaufen mit den Seitenabschnitten verbunden. Dabei ist insbesondere vorteilhaft, wenn der Mittelabschnitt radial innerhalb des Teilkreises angeordnet ist, während die Seitenabschnitte radial außerhalb des Teilkreises angeordnet sind, so dass die in Taschen aufgenommenen Wälzkörper sowohl nach innen als auch nach außen gegen ein Herausfallen abgesichert sind.
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Um ein Überrollen der Wälzkörper, insbesondere bei hohen Geschwindigkeiten und einem axialen Verkippen des Wälzkörpers zu verhindern, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, den Seitenabschnitt derart auszubilden, dass in einem ersten Bereich des Seitenabschnitts eine erste Materialstärke und in einem zweiten Bereich des Seitenabschnitts eine zweite Materialstärke, die größer ist als die erste Materialstärke, vorgesehen ist. Dabei ist diese Vergrößerung der Materialstärke vorzugsweise derart ausgebildet, dass sie sich nach radial innen auswirkt, wodurch sichergestellt werden kann, dass auch bei hohen Geschwindigkeiten und/oder einem über die Längsachse des Wälzkörpers auftretenden Verkippen ein Überrollen des Lagerkäfigs über die Wälzkörper nicht auftritt. Gleichzeitig ermöglicht die größere Materialstärke, dass die Führung der Wälzkörper allgemein verbessert ist, so dass eine unerwünschte Kontaktierung der Wälzkörper mit dem Käfig, insbesondere mit den Axialstegen, verringert ist. Dies wiederum sorgt dafür, dass keine Reibungserhöhung und Schmiermittelfilmabriss auftreten kann.
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Dabei hat sich insbesondere als vorteilhaft erwiesen, wenn der Bereich mit der größeren Materialstärke an einem Übergang von dem Seitenabschnitt zum Seitenring ausgebildet ist. Da gerade in diesem Bereich, nämlich dem Endbereich der Taschen, bei einem Verkippen aufgrund axialer Belastung des Lagers ein Überrollen der Wälzkörper besonders leicht auftritt, kann die größere sich nach radial innen erstreckende Materialstärke zuverlässig verhindern, dass die Wälzkörper, insbesondere am Taschenende von dem Lagerkäfig überrollt werden.
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Der Bereich mit der ersten Materialstärke ist dagegen vorzugsweise an einem Übergang von dem Seitenabschnitt zum Zwischenabschnitt angeordnet. Dabei kann vorteilhafterweise die erste Materialstärke einer Materialstärke im Mittelabschnitt entsprechen, es ist jedoch auch möglich, die erste Materialstärke größer als eine Materialstärke im Mittelabschnitt auszubilden. Ist die Materialstärke im Mittelabschnitt im Vergleich zu der Materialstärke im ersten Abschnitt verringert, so hat dies den Vorteil, dass Fliehkräfte im Mittelabschnitt der Axialstege deutlich verringert sind, so dass eine Durchbiegung der Axialstege bei hohen Drehzahl verhindert werden kann.
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Gemäß einem weiteren vorteilhaften Ausführungsbeispiel erfolgt ein Übergang von der ersten Materialstärke zu der zweiten Materialstärke im Wesentlichen gleichmäßig. Ein derartiger gleichmäßiger Übergang kann insbesondere durch das üblicherweise für die Herstellung des Lagerkäfigs verwendete Walzverfahren einfach bereitgestellt werden. Dabei ist insbesondere vorteilhaft, wenn der Übergang von der ersten Materialstärke zu der zweiten Materialstärke zumindest in einem Teilbereich einer linearen und/oder exponentiellen und/oder logarithmischen Funktion folgt. Derartige Übergangsverläufe können einfach durch das Walzverfahren bereitgestellt werden und bieten vorteilhafte Ausgestaltungen des radial innenliegenden Seitenabschnittverlaufs, der zu einer guten und sicheren Führung der Wälzkörper auch bei hohen Belastungen führt.
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Gemäß einem weiteren vorteilhaften Ausführungsbeispiel ist in einem Übergang von zumindest einem der Seitenabschnitte zu dem mit ihm verbundenen Seitenring taschenseitig zumindest ein Freistich vorgesehen, der eine Taschenecke ausbildet. Dieser Freistich ermöglicht eine besonders verschleißarme Führung der Wälzkörper in der Tasche, da dann eine Führung der Wälzkörper an dem Seitenring und an den an den Axialstegen ausgebildeten Führungsflächen optimiert ist. Würde der Wälzkörper im Bereich der Taschenecken direkt die Taschenecken ausfüllen, so kann dies leicht zu einem Verklemmen und zu einem erhöhten Verschleiß sowohl des Lagerkäfigs als auch der Wälzkörper führen.
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Dabei ist insbesondere vorteilhaft, wenn der Freistich sowohl an dem Seitenabschnitt als auch an dem Seitenring ausgebildet ist. Insbesondere durch die Ausbildung am Seitenring kann erreicht werden, dass der Wälzkörper nicht flächig an dem Seitenring aufläuft, sondern im Bereich einer mittigen Führfläche, so dass zum einen der Wälzkörper möglichst reibungsarm geführt wird und zum anderen sichergestellt ist, dass Schmiermittel auch in einem Bereich der Wälzkörperstirnseite eintreten kann.
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Dabei hat sich insbesondere gezeigt, dass ein Öffnungswinkel des Freistichs, der im Bereich des Axialstegs in etwa zwischen 35° und 45° liegt, und/oder ein Öffnungswinkel des Freistichs, der in etwa in einem Bereich des Seitenrings zwischen 1° und 5° liegt, besonders bevorzugt sind.
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Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Ansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen gezeigt. Dabei sind insbesondere die in der Beschreibung und in den Zeichnungen angegebenen Kombinationen der Merkmale rein exemplarisch, so dass die Merkmale auch einzeln oder anders kombiniert vorliegen können.
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Im Folgenden soll die Erfindung anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher beschrieben werden. Dabei sind die Ausführungsbeispiele und die in den Ausführungsbeispielen gezeigten Kombinationen rein exemplarisch und sollen nicht den Schutzbereich der Erfindung festlegen. Dieser wird allein durch die anhängigen Ansprüche definiert.
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Es zeigen:
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1: eine schematische räumliche Darstellung eines Nadelkranzes;
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2: eine schematische Schnittdarstellung durch den Radialkäfig des Nadellagers aus 1; und
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3: eine vergrößerte Ansicht einer Taschenecke des in 2 dargestellten Radialkäfigs.
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Im Folgenden werden gleiche bzw. funktionell gleichwirkende Elemente mit denselben Bezugszeichen gekennzeichnet.
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1 zeigt schematisch eine räumliche Ansicht eines Nadelkranzes 1 mit einem Radialkä2 und in dem Radialkäfig gelagerten Wälzkörpern 4. Der Radialkäfig 2 weist weiterhin einen ersten und einen zweiten Seitenring 6, 8 auf, die axial voneinander beabstandet angeordnet sind und über Axialstege 10 miteinander verbunden sind, so dass zwischen den Axialstegen Taschen 12 für die Aufnahme der Wälzkörper 4 ausgebildet sind. Wie neben 1 auch der Einzelansicht des Radialkäfigs von 2 zu entnehmen, weisen die Axialstege 10 selbst Seitenabschnitte 14-1, 14-2 auf, die mit den Seitenringen 6, 8 verbunden sind. Weiterhin weisen die Axialstege 10 einen Mittelbereich 16 auf, der über seitliche Zwischenabschnitte 18-1, 18-2 mit den Seitenabschnitten 14-1, 14-2 verbunden ist. Dabei erstrecken sich die Seitenabschnitte 14-1, 14-2 und der Mittelabschnitt 16 im Wesentlichen axial, während die Zwischenabschnitte 18-1, 18-2 schräg zu einer Drehachse A des Lagers 1 verlaufen.
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Die Wälzkörper 4 werden über Haltenasen 20, 22, die an den Seitenabschnitten 14-1, 14-2 bzw. am Mittelabschnitt 16 angeordnet sind, gegen ein Herausfallen nach außen bzw. nach innen gesichert.
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Weiterhin zeigt die Schnittansicht von 2, dass sich die Materialstärken der Axialstege 10 ändern. So zeigt 2, dass der Lagerkäfig 2 an seinem Seitenabschnitten 14-1, 14-2 in einem ersten Bereich 24 eine erste Materialstärke M1 und in einem zweiten Bereich 26 eine zweite Materialstärke M2 aufweist, wobei die zweite Materialstärke M2 im Vergleich zur ersten Materialstärke M1 sich nach radial innen vergrößert. Diese radial nach innen sich vergrößernde Materialstärke M2 in dem zweiten Bereich 26 des Seitenabschnitts 14 sorgt dafür, dass Wälzkörper 4, die in den Taschen 12 angeordnet sind, selbst bei einem Verkippen über ihre Längsachse nicht von dem Lagerkäfig 2 überrollt werden können. Die Überrollungsgefahr besteht immer dann, wenn beispielsweise eine starke axiale Belastung in einem Schiefstellen der Wälzkörperachse gegenüber der Lagerkäfigachse resultiert. Bei derartigen Schiefstellungen, kann es passieren, dass sich der Wälzkörper 4 an einem nach radial innen kippenden Ende 28 (siehe 1) an dem Axialsteg 10 verklemmt, was zu einem Blockieren des Lagers 1 führen kann. Durch die größere Materialstärke M2 im Abschnittsbereich 26 des Seitenabschnitts 14 kann eine vergrößerte Abstützung 30 (siehe 2) für den Wälzkörper bereitgestellt werden, so dass er auch bei extremer Kipplage nicht vom Lagerkäfig 2 überrollt werden kann.
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Dabei ist eine Materialverstärkung in der Größenordnung von 10 bis 20 % oder auch größer vorteilhaft.
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Weiterhin zeigt 2 und insbesondere die vergrößerte Darstellung von 3, dass der Radialkäfig 2 weiterhin eine neue Tascheneckenausgestaltung aufweist. Eine Taschenecke 32 ist zwischen dem Übergang von dem Seitenabschnitt 14 zu dem Seitenring 6; 8 gegeben. Dabei ist die Taschenecke 32 als Freistich ausgebildet, so dass ein in der Tasche angeordneter Wälzkörper 4 an seinen Zylinderenden sich nicht in der Taschenecke 32 einklemmen kann. Dabei ist, wie insbesondere 3 zu entnehmen, der Freistich derart gewählt, dass ein Öffnungswinkel α des Freistichs 34 zum Seitenabschnitt 14 möglichst groß gewählt ist. So hat sich gezeigt, dass beispielsweise ein Öffnungswinkel von 35° bis 45° besonders bevorzugt ist. Zudem weist der Freistich 32 an dem Übergang zum Seitenring 6 ebenfalls einen Öffnungswinkel β auf, so dass der Wälzkörper 4 nicht über seine gesamte Stirnfläche 36 (siehe 1) hinweg den Seitenring 6 kontaktiert, sondern nur in einem Bereich 38 (siehe 1, 2 und 3). Dadurch kann sichergestellt werden, dass der Wälzkörper 4 besonders gute Abrolleigenschaften zeigt. Gleichzeitig kann sichergestellt werden, dass ein Schmiermittel, das in der Taschenecke 32 vorhanden ist, zwischen den Wälzkörper 4 und den Seitenabschnitt 14 bzw. die Wälzkörperstirnfläche 36 und den Seitenring 6 eingezogen werden kann, so dass der Wälzkörper 4 zuverlässig mit Schmiermittel umgeben ist. Ein Lagerausfall aufgrund eines Schmiermittelfilmabrisses kann somit zuverlässig verhindert werden.
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Insgesamt wird ein Lagerkäfig bereitgestellt, der insbesondere bei Nadelkränzen, die hohen Drehzahlen ausgesetzt sind, Verwendung findet. Dabei kann auch bei lokalen Spannungsspitzen und Verformungen aufgrund der Materialerhöhung in dem Bereich zwischen Seitenabschnitt und Seitenring sichergestellt werden, dass ein Überrollen oder allgemein ein Verklemmen des Wälzkörpers an dem Lager vermieden werden kann. Zudem stellt die neuartige Taschenecke eine Möglichkeit bereit, den Schmiermitteleintrag an die Wälzkörper auch in einem Stirnbereich der Wälzkörper derart zu verbessern, dass ein Schmiermittelfilmabriss und eine Reibungserhöhung verhindert sind. Dadurch kann ein Lager bereitgestellt werden, dass eine verbesserte axiale Führung der Wälzkörper sowie eine erhöhte Dauerfestigkeit aufweist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Nadelkranz
- 2
- Lagerkäfig
- 4
- Wälzkörper
- 6, 8
- Seitenring
- 14
- Seitenabschnitt
- 16
- Mittelabschnitt
- 18
- Zwischenabschnitt
- 20, 22
- Haltenasen
- 24
- erster Bereich mit erster Materialstärke
- 26
- zweiter Bereich mit zweiter Materialstärke
- M1
- erste Materialstärke
- M2
- zweite Materialstärke
- 28
- randseitiger Bereich des Wälzkörpers
- 30
- Materialverstärkungsdicke
- 32
- Taschenecke
- 34
- Freistich
- 36
- Anlagebereich des Wälzkörpers an Seitenring
- 38
- Stirnfläche des Wälzkörpers
- A
- Drehachse
