Anwendungsgebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft einen Käfig für zylindrische Wälzkörper, insbesondere
einen Nadelkäfig, dessen Seitenringe durch Taschen bildende profilierte Stege
miteinander verbunden sind, wobei die Stege aus zueinander parallel
verlaufenden, teils innerhalb und teils außerhalb des Teilkreises liegenden
Abschnitten bestehen, die durch schräg verlaufende Abschnitte miteinander
verbunden sind und die Wälzkörper durch die beiderseits des Teilkreises
liegenden Stegabschnitte an deren Haltekanten in beiden radialen Richtungen
gehalten sind.
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Hintergrund der Erfindung
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Ein derart gattungsgemäß ausgebildeter Käfig ist beispielsweise aus der DE 198 35 261 A1
vorbekannt. Er besteht aus zwei Seitenringen, an die sich in
axialer Richtung nach innen zwei parallel zur Käfigachse verlaufende
außerhalb des Teilkreises liegende Stegabschnitte anschließen. Diese beiden
Stegabschnitte werden von zwei schräg zur Käfigachse verlaufenden
Abschnitten fortgesetzt, die sich wiederum zu einem parallel zur Käfigachse
verlaufenden Stegabschnitt vereinen, der innerhalb des Teilkreises liegt.
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In diesem Zusammenhang ist dem Fachmann bekannt, dass solche Käfige
oftmals aus einem Taschen für Wälzkörper aufweisenden profilierten Band
gebildet sind, dessen Enden nach dem Rundbiegen miteinander verschweißt
werden. Wenn nun derartige Käfige ein kleines Verhältnis von
Käfigdurchmesser zu Käfiglänge aufweisen, dann besteht beim Zusammenschweißen der
Bandenden die Gefahr, dass durch ein Einfallen des Käfigprofils in radialer
Richtung nach innen dessen Funktion eingeschränkt ist, weil sich der Käfig
verzieht.
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In diesem Zusammenhang ist dem Fachmann aus der DE-OS 25 56 745 auch
bekannt, dass Käfige für besonders hohe Beanspruchungen zusätzlich durch
thermische oder thermisch-chemische Behandlungsverfahren, wie zum Beispiel
Einsatzhärten oder Nitrieren, in ihren Festigkeits- und Verschleißeigenschaften
verbessert werden können. Durch die zur Verbesserung der Eigenschaften
angewandte Behandlung tritt insbesondere bei Filigrankäfigen, dass heißt bei
Käfigen mit geringen Wand- und Stegstärken das Problem auf, dass die als
Verzug bezeichneten Form- und Maßänderungen besonders durchschlagen.
Im Extremfall ist ein derartiger Käfig unbrauchbar, weil er auf der Welle klemmt.
Beim Härten werden diese Maß- und Formänderungen der Werkstücke durch
Überlagerung der aufgrund thermisch bedingter Eigenspannung verursachten
Deformationen und der umwandlungsbedingten Volumenänderungen
hervorgerufen.
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Die vorstehend beschriebenen Nachteile hat man dadurch zu beheben
versucht, dass man in einer Lagerstelle zwei Käfige eingebaut hat. Dies hat aber
den Nachteil, dass einerseits bei zwei Käfigen die Herstellungs- und
Handhabungskosten erhöht sind und andererseits Traganteil des Lagers verloren geht.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, bei einem Käfig für
zylindrische Wälzkörper, insbesondere mit einem kleinen Durchmesser-Längen-
Verhältnis, dessen Gestalt so zu optimieren, dass er durch einen
Schweißvorgang oder durch eine erforderliche Wärmebehandlung zur Verbesserung
seiner mechanischen Eigenschaften in seiner Funktion nicht beeinträchtigt ist.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe nach dem kennzeichnenden Teil von
Anspruch 1 in Verbindung mit dessen Oberbegriff dadurch gelöst, dass der
innerhalb des Teilkreises liegende Abschnitt in radialer Richtung nach außen
hochgesetzt ist, so dass ein mittlerer Stegabschnitt und zwei ihn in axialer
Richtung begrenzende Stegabschnitte gebildet sind, die einen geringeren
radialen Abstand zu einer Käfigachse aufweisen, so dass nach einem
Wärmebehandlungsprozeß der mittlere Stegabschnitt einen Härteverzug aufnimmt und
dass im Bereich des mittleren Stegabschnittees und der schräg verlaufenden
Abschnitte Freistellungen der Taschen in Umfangsrichtung angeordnet sind.
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Durch die erfindungsgemäße Gestalt des Lagerkäfigs werden dessen durch
Schweißen oder durch eine Wärmebehandlung unvermeidbaren Form- und
Maßänderungen von vornherein berücksichtigt, dass heißt, vorgehalten, so
dass der Käfig auch anschließend seine volle Funktionsfähigkeit behält. Dies
geschieht dadurch, daß der mittlere Stegabschnitt in radialer Richtung nach
innen einfällt, wobei seine ursprüngliche zylindrische Form die Gestalt eines
Hyperboloids annimmt. Der vor der Wärmebehandlung erforderliche Vorhalt
hat so zu erfolgen, dass ein Kontakt des mittleren Stegabschnittes des Käfigs
mit der Welle zu vermeiden ist. Dieser Vorhalt ist genauestens auf den
jeweiligen Einzelfall abzustimmen, weil von einer Vielzahl von Faktoren beeinflußbar.
Dies sind u. a. die Art des verwendeten Käfigmaterials, die Stärke des
verwendeten Materials, das Verhältnis von Durchmesser zu Länge des Käfigs, die
Anzahl der eingesetzten Wälzkörper und schließlich auch die Art der
eingesetzten Wärmebehandlung.
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Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Käfigs sind in den
Unteransprüchen 2 bis 4 beschrieben.
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So ist nach Anspruch 2 vorgesehen, dass er außengeführt ist. Diese Art der
Führung, bei der der Käfig einen Durchmesser aufweist, der nur geringfügig
kleiner als der Durchmesser der Aufnahmebohrung ist, so daß der Käfig bei
Rotation des Lagers an der Wandung der Aufnahmebohrung anliegt, wird
immer dann angewendet, wenn hohe Flieh- und Beschleunigungskräfte auftreten.
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Aus Anspruch 3 geht hervor, dass er eine M- oder eine V-förmige Gestalt
aufweist. In beiden Fällen wird die Innenhalterung der Wälzkörper von dem
Stegabschnitt übernommen, der innerhalb des Teilkreises liegt und parallel zur
Käfigachse verläuft. Die Außenhalterung der Wälzkörper erfolgt durch
außerhalb des Teilkreises liegende Abschnitte, die ebenfalls parallel zur Käfigachse
verlaufen und sich unmittelbar an die beiden Seitenringe anschließen. Der
Unterschied beider Käfige liegt darin, daß die Seitenringe des M-förmigen
Käfigs zusätzlich mit radial nach innen gerichteten Flanschen versehen sind.
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Schließlich soll er nach Anspruch 4 in einer Planetenradlagerung eines
Automatikgetriebes eingesetzt sein, wobei in diesem Fall der Käfig
Beschleunigungen ausgesetzt ist, die ein Vielfaches der Erdbeschleunigung betragen.
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Die Erfindung wird an nachstehendem Ausführungsbeispiel näher erläutert.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Es zeigen:
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Fig. 1 zwei nebeneinander angeordnete Käfige einer
Lagerstelle,
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Fig. 2, 3, 4 und 5 einen M-förmig gestalteten Käfig nach dem
bisherigen Stand der Technik vor und nach dem Härten,
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Fig. 6, 7, 8 und 9 einen M-förmig gestalteten Käfig nach der Erfindung
vor und nach dem Härten,
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Fig. 10 einen Ausschnitt aus einer perspektivischen
Darstellung des M-förmig gestalteten Käfigs nach der
Erfindung,
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Fig. 11 eine Draufsicht auf den erfindungsgemäßen Käfig
und
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Fig. 12, 13 und 14 einen Schnitt entlang der Linie XII-XII, XIII-XIII, XIV-
XIV in Fig. 11.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
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In Fig. 1 sind zwei nach dem Stand der Technik ausgebildete Lagerkäfige 1 in
einer Lageranordnung nebeneinander angeordnet, deren um die Käfigachse 2
angeordnete Stege 3 eine profilierte Form aufweisen und Taschen 4 zur
Aufnahme der Wälzkörper 5 bilden. Die Figur lässt erkennen, dass durch die zwei
nebeneinander angeordneten Lagerkäfige 1 Traganteil verloren geht, weil
durch zwei Käfige in axialer Richtung mehr Bauraum verschenkt wird als durch
einen.
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In den Fig. 2 und 3 ist ein weiterer Käfig 1 gemäß dem bekannten Stand
der Technik gezeigt, dessen axiale Ausdehnung gleich der axialen
Ausdehnung der beiden Käfige 1 nach Fig. 1 ist. Dieser besteht ebenfalls auch den
beiden Seitenringen 6, 7, an die sich die parallel zur Lagerachse 2
verlaufenden Stegabschnitte 8, 9 anschließen. Diese liegen außerhalb des Teilkreises
und gehen in je einen schräg zur Käfigachse 2 gerichteten Abschnitt 10, 11
über, die sich wiederum zu einem parallel zur Käfigachse 2 verlaufenden
innerhalb des Teilkreises liegenden Stegabschnitt 12 vereinen. Die inneren
Kanten des Stegabschnittes 12 begrenzen das radiale Spiel der Wälzkörper
nach innen, während das radiale Spiel nach außen durch die Stegabschnitte 8,
9 begrenzt ist.
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Wie die Fig. 4 und 5 zeigen, besteht bei thermischen oder
thermischchemischen Behandlungsverfahren zur Verbesserung der mechanischen
Werte des Käfigs die Gefahr, dass der Stegabschnitt 12 durch Härteverzug an
der zu lagernden Welle 13 zur Anlage gelangt. Dies kann auch durch einen
Schweißprozeß eintreten, wenn der Käfig aus einem Band gerollt ist, dessen
Enden nach dem Rundbiegen durch diesen Schweißvorgang miteinander
verbunden werden. Dieses Schleifen wird durch die radial nach innen gerichtete
Durchbiegung des Stegabschnittes 12 verursacht, weil dieser durch seinen
axialen Abstand von den Seitenringen 6, 7 bedingt die geringste Stabilität
aufweist. Dieser Verzug ist durch beim Härten ablaufende Gefügeumwandlungen
und damit verbundene Volumenänderungen bedingt. Wie der Fachmann weiß,
führt die Umwandlung von Ferrit und Zementit in Austenit beim Erwärmen
zunächst zu einer Volumenverminderung, der dann beim Abschrecken durch die
Umwandlung des Austenits in Martensit eine Volumenvergrößerung folgt. Der
beim Härten entstehende Martensit hat ein größeres spezifisches Volumen als
das aus Ferrit und Zementit bestehende Weichglühgefüge vor dem Härten. Die
Volumenzunahme bei der Martensitbildung wächst mit steigendem
Kohlenstoffgehalt in Folge zunehmender Verspannung des Gitters. Mit steigender
Anlaßtemperatur geht diese Volumenzunahme unter Bildung eines Übergangs
allerdings wieder zurück.
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Der in den Fig. 6 und 7 vor dem Härten gezeigte erfindungsgemäße Käfig
14 weist eine M-förmige Gestalt derart auf, dass seine Seitenringe 15, 16 mit
radial nach innen gerichteten Flanschen 17, 18 versehen sind. An die
Seitenringe 15, 16 schließen sich außerhalb des Teilkreises liegende Stegabschnitte
20, 21 der Stege 19 an, die parallel zur Käfigachse 2 verlaufen. Diese gehen in
schräg zur Käfigachse 2 verlaufende Stegabschnitte 22, 23 über, welche sich
wiederum zum Stegabschnitt 24 vereinen, der innerhalb des Teilkreises liegt.
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In erfindungsgemäßer Weise ist dieser Abschnitt 24 in radialer Richtung in
seinem Mittelteil nach außen hochgesetzt, so dass ein Stegabschnitt 24.1
gebildet ist, der in axialer Richtung von den beiden Stegabschnitten 24.2
begrenzt ist. Wie nun die Fig. 8 und 9 zeigen, verzieht sich nach einem
Härtevorgang nur der Stegabschnitt 24.1 in radialer Richtung nach innen, während
die im begrenzenden Stegabschnitte 24.2 ihre ursprüngliche Lage nahezu
behalten. Die Wölbung des Stegabschnittes 24.1 nach innen erfolgt aber nur
soweit, dass davon die zu lagernde Welle 13 nicht berührt ist.
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Die in den Fig. 10, 11, 12, 13 und 14 gezeigte Gesamtdarstellung des
erfindungsgemäßen Käfigs 14 lässt die Außenhalterung der Wälzkörper 5 durch
die Stegabschnitte 20, 21 erkennen, deren Abstand im Taschenbereich in
Umfangsrichtung kleiner als der Durchmesser der Wälzkörper 5 ist. Das
gleiche trifft für die Innenhalterung der Wälzkörper 5 zu, dass heißt, der Abstand
der Stegabschnitte 24.2 in Umfangsrichtung ist wiederum geringer als der
Durchmesser der Wälzkörper 5. Darüber hinaus sind insbesondere in den
Fig. 10 und 11 die beiderseits des Wälzkörpers 5 erforderlichen
Freistellungen 25, 26 im Taschenbereich zu erkennen. Sie sorgen dafür, dass die radiale
Beweglichkeit der Wälzkörper 5 gegeben ist.
Bezugszeichen
1 Käfig
2 Käfigachse
3 Steg
4 Tasche
5 Wälzkörper
6 Seitenring
7 Seitenring
8 Stegabschnitt
9 Stegabschnitt
10 Stegabschnitt
11 Stegabschnitt
12 Stegabschnitt
13 Welle
14 Käfig
15 Seitenring
16 Seitenring
17 Flansch
18 Flansch
19 Steg
20 Stegabschnitt
21 Stegabschnitt
22 Stegabschnitt
23 Stegabschnitt
24 Stegabschnitt
24.1 Stegabschnitt
24.2 Stegabschnitt
25 Freistellung
26 Freistellung