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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Zylinderrollenlager gemäß der Präambel des Patentanspruchs 1.
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In hochbelasteten Anwendungen, wie z.B. in Stranggussanlagen, können nicht nur hohe Lasten, sondern oft auch starke thermische Schwankungen in der Rolle zu inneren Druckbelastungen in den Lagern führen, die schließlich zum Ausfall der Lager führen. Besonders betroffen sind Loslager, die eine Welle tragen.
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Bei herkömmlichen Loslagern sind die Passungen für dieses Lager so gewählt, dass eine axiale Bewegung eines der Lagerringe, im Allgemeinen des Außenrings, auf seinem Sitz bereitgestellt wird. Diese axiale Bewegung wird von Reibung begleitet, die axiale Lasten in beiden Lagern erzeugt. Darüber hinaus kann die Bewegung des Lagers mit einer losen Passung auf seinem Sitz schädliche Vibrationen erzeugen, da die Bewegung „haftendrutschend“ und nicht glatt ist. Diese lose Passung hat einen negativen Einfluss auf die Steifigkeit des Lagers. Der Lagerring mit der losen Passung kann auch zu kriechen beginnen, was den Sitz verschleißt und zu Reibrostkorrosion führt, die, wenn sie nicht kontrolliert wird, ein Anfressen des Rings an seinem Sitz verursachen kann.
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Zur Lösung dieses Problems werden sogenannte Toroidalrollenlager vorgeschlagen. Ein Toroidalrollenlager ist ein einreihiges Rollenlager mit relativ langen, leicht balligen Rollen, wobei innere und äußere Ringlaufbahnen entsprechend konkav und symmetrisch sind. Das Toroidalrollenlager kann als Loslager ausgeführt werden, das die selbstausrichtende Eigenschaft eines kugelförmigen Rollenlagers mit der Fähigkeit kombiniert, axiale Verschiebungen wie ein Zylinderrollen- oder Nadelrollenlager aufzunehmen. Ferner können beide Ringe des Loslagers axial im Gehäuse und auf der Welle fixiert werden. Dadurch ist es möglich, die Ringe so zu befestigen, dass sie nicht kriechen können. Durch die Befestigung mit Presspassung lässt sich auch die radiale Steifigkeit des Lagers erhöhen. Durch die Möglichkeit, die Ringe axial im Lager zu fixieren, werden interne Vorspannung und Verschleiß am Lagersitz im Gehäuse vermieden. Weiter sind Toroidalrollenlager so konstruiert, dass sie axiale Verschiebungen aufnehmen können, ohne zusätzliche axiale innere Kräfte oder Reibung zu erzeugen. Das bedeutet, dass die auf das Lager wirkenden Lasten ausschließlich durch äußere Radial- und Axialkräfte bestimmt werden. Daher hat ein Lagersystem mit einem Toroidalrollenlager, z.B. als Loslager, geringere resultierende Lasten und eine bessere Lastverteilung als ein konventionelles Lagersystem. Daraus ergeben sich auch niedrigere Betriebstemperaturen, höhere Betriebsviskositäten, verlängerte Nachschmierintervalle und eine deutlich längere Lebensdauer sowohl der Lager als auch des Schmiermittels.
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Nachteilig ist, dass aufgrund der axialen Fixierung der Ringe eine Demontage der Toroidalrollenlager während des Betriebs nicht möglich ist, was in letzter Zeit zu einem großen Problem geworden ist. Da die Toroidalrollenlager mit der Welle verklebt sind, müssen sie während der Demontage zerstört werden. Eine Wiederverwendung ist nicht möglich.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Lageranordnung bereitzustellen, die für schwere Anwendungen ähnliche Eigenschaften wie herkömmliche Toroidalrollenlager hat, aber während des Betriebs leicht demontiert und ausgetauscht werden kann.
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Diese Aufgabe wird durch ein Zylinderrollenlager gemäß Anspruch 1 gelöst.
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Nachfolgend wird ein Zylinderrollenlager vorgeschlagen, das zumindest einen Außenring mit einer Laufbahn, einen Innenring mit einer Laufbahn und eine Mehrzahl von an den Laufbahnen des Innenrings und des Außenrings abrollenden Zylinderrollkörpern aufweist. Um die Möglichkeit der Demontage des Lagers mit den bereits erwähnten funktionalen Vorteilen des Toroidalrollenlagers, wie z.B. Winkelversatz und axiale Verschiebbarkeit, zu kombinieren, ist die Laufbahn des Innenrings des Zylinderrollenlagers nicht flach wie bei herkömmlichen Zylinderrollenlagern, sondern hat zumindest teilweise eine ballige Profilierung. Entgegen der traditionellen Auffassung, dass die Balligkeit des Innenrings eines Zylinderrollenlagers nachteilig sei, da die Kontaktspannungen zu hoch würden, haben die Erfinder überraschenderweise festgestellt, dass das ballige Profil der Innenringe eine Kontrolle der Kontaktspannungen und eine erleichterte Demontage ermöglicht, ohne die Lagereigenschaften im Allgemeinen zu verringern.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform hat das ballige Profil einen Balligkeitsradius R, wobei 25 L2/D < R < 55 L2/D, und wobei L die Länge des Rollenelements und D der Durchmesser des Rollenelements ist. Dies ermöglicht einen hohen zulässigen winkelförmigen Versatz β, z.B. im Bereich von +/- 1°, zumindest aber +/- 0,5°.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform stehen die Zylinderrollenelemente in Linienkontakt mit den Laufbahnen des Innenrings und des Außenrings, wobei die axiale Erstreckung des Linienkontakts des Zylinderrollenelements an der Laufbahn des Innenrings kürzer ist als die axiale Erstreckung des Linienkontakts des Zylinderrollenelements an der Laufbahn des Außenrings. Der kürzere Linienkontakt zwischen dem Innenring und dem Rollenelement in Kombination mit dem balligen Profil ermöglicht erhöhte Verlagerungseigenschaften sowie vereinfachte Montage- und Demontageeigenschaften.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform hat die gesamte Laufbahn des Innenrings ein balliges Profil. Dies erhöht die Winkelversatzeigenschaften weiter und erlaubt Verlagerungen im Bereich von Grad statt nur Minuten.
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Darüber hinaus kann das Zylinderrollenlager zur Verwendung als Loslager ausgelegt sein. Unter Last, z. B. bei einer Biegung der Welle, die zu einem Winkelversatz der Welle gegenüber den tragenden Lagern führen kann, oder bei hohen Temperaturen können die Rollen axial verschoben werden. Das ballige Profil ermöglicht dann einen Winkelversatz der Rollenelemente sowie eine axiale Verschiebung in Bezug auf den Innenring, was wiederum die Abstützung einer Welle auch bei einem winkelförmigen/axialen Versatz ermöglicht, der durch die auf die Welle wirkende schwere Last oder thermische Ausdehnungen aufgrund hoher Temperaturen verursacht wird.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann eine Krümmung des balligen Profils über die axiale Länge der Laufbahn konstant sein oder eine Krümmung des balligen Profils kann über die axiale Länge der Laufbahn variieren. Auf diese Weise kann das Zylinderrollenlager auf die zu erwartende Anwendung ausgelegt und optimiert werden. Beispielsweise kann bei Anwendungen, bei denen nur ein hoher Winkelversatz, aber keine schweren Lasten zu erwarten sind, das ballige Profil konstant sein, wobei bei Anwendungen, bei denen sowohl ein hoher Winkelversatz als auch schwere Lasten zu erwarten sind, ein variierendes Profil mit einem nahezu flachen Bereich zwischen zwei Bereichen mit einem stärker gekrümmten Profil vorteilhaft sein kann.
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Weiter ist es vorteilhaft, dass auch die zylindrischen Rollenelemente ein Profil, vorzugsweise ein logarithmisches Profil, haben. Dies erhöht die winkelförmigen Verlagerungseigenschaften des balligen Profils, ohne die Tragfähigkeit des Lagers zu verringern, da der Hauptteil der Rolle in Linienkontakt mit den Ringen bleibt.
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Wie bereits erwähnt, kann das ballige Profil einen Bombierungsradius R haben, wobei 25 L2/D < R < 55 L2/D, und wobei L die Länge des Rollenelements und D der Durchmesser des Rollenelements ist. Dies ermöglicht einen hohen zulässigen Winkelversatz β, z.B. im Bereich von +/- 1°, zumindest aber +/- 0,5°, eine hohe Tragfähigkeit, da der Rollenfüllungsgrad FG größer als 80%, vorzugsweise größer als 87%, sein kann, und eine hohe axiale Verschiebung von bis zu 25%, vorzugsweise bis zu 15%, der Lagerbreite.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind die Rollenelemente in einem Käfig, vorzugsweise einem Käfig, der zur Aufnahme einer erhöhten Anzahl von Rollen ausgelegt ist, gehalten. Ein Fensterkäfig umfasst üblicherweise zwei seitliche Ringe, die durch Käfigstäbe verbunden sind. Zwischen den Käfigstäben sind so genannte Taschen gebildet, in denen die Rollen untergebracht sind. Bei Hochleistungskäfigen werden die Käfigstäbe, die in der Regel um den Rollenteilkreis (den Verbindungskreis der Mittelpunkte aller Rollen) herum angeordnet sind, vom Rollenteilkreis wegbewegt, so dass die Rollen näher beieinander angeordnet werden können und mehr Rollen in das Lager eingebaut werden können.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist der Käfig ein Hochleistungskäfig, der rollengeführt und/oder deutlich unterhalb eines Teilkreisdurchmessers der Rollen angeordnet ist. Dadurch kann ein Hochkapazitätskäfig bereitgestellt werden, der die Anzahl der Rollen erhöht, die im Käfig gehalten werden können (Füllungsgrad). Durch die erhöhte Anzahl von Rollenelementen wird die Last des Rollenlagers noch weiter erhöht. Durch den Hochleistungskäfig ist ein Rollenfüllgrad FG von mehr als 80%, vorzugsweise mehr als 87%, möglich. Der Rollenfüllungsgrad errechnet sich aus FG=D/(P*sin(π/Z), wobei D der Durchmesser des Rollenelements, P der Teilkreisdurchmesser und Z die Anzahl der Rollenelemente ist.
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Es ist weiter bevorzugt, dass das Zylinderrollenlager ein nahezu vollrolliges Zylinderrollenlager ist, wobei optional die Rollenelemente in einem Käfig untergebracht sind. Wie bereits erwähnt, ermöglicht das ballige Profil eine erhöhte Tragfähigkeit bei einem hohen Füllgrad der Rollen. Die hohe Anzahl der Rollen erhöht die Tragfähigkeit, wobei der optionale Käfig eine noch weiter erhöhte Drehzahlfähigkeit und eine lösbare Montage und Demontage des Lagers ermöglicht.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der Außenring der zylindrischen Lageranordnung mit einem zumindest an einem ersten axialen Ende des Außenrings angeordneten Flansch zur axialen Halterung der Zylinderrollenelemente an der ersten Seite versehen. Vorzugsweise hat der Außenring am zweiten axialen Ende eine Nut, die zur Aufnahme eines Halterings zur axialen Halterung der zylindrischen Rollenelemente auf der zweiten Seite ausgelegt ist.
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Es ist weiter bevorzugt, dass der Innenring zumindest einen ersten Bereich mit einem balligen Profil und einen zweiten Bereich mit einem flachen Profil hat, wobei vorzugsweise der Bereich mit dem balligen Profil an axialen Enden des Innenrings und der Bereich mit dem flachen Profil zwischen den Bereichen mit dem balligen Profil angeordnet ist. Dies ermöglicht eine erhöhte Tragfähigkeit, da das Lager im Flachbereich als Zylinderrollenlager wirkt. Zylinderrollenlager sind vorzugsweise zur Aufnahme hoher radialer Lasten geeignet und stellen hohe Drehzahlen bereit. Gleichzeitig sind axiale Verschiebbarkeit, hohe Steifigkeit, geringe Reibung und lange Lebensdauer bereitgestellt.
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Darüber hinaus kann das Zylinderrollenlager zur Verwendung als Loslager ausgelegt sein. Vorteilhafterweise kann das Zylinderrollenlager unter unbelasteten Laufbedingungen so ausgelegt sein, dass es hauptsächlich in Linienkontakt mit dem Bereich der Laufbahn steht, der das Flachprofil hat. Unter Lastbedingungen, z.B. bei Biegung einer Welle, die zu einem Winkelversatz der Welle gegenüber den tragenden Lagern führen kann, können die Rollenelemente axial verschoben werden und mit dem an das Flachprofil angrenzenden balligen Profil in Kontakt kommen. Das ballige Profil wiederum ermöglicht dann einen Winkelversatz der Rollen in Bezug auf den Innenring, der wiederum die Abstützung der Welle auch bei einem durch die schwere Last auf der Welle verursachten Winkelversatz ermöglicht.
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Weitere bevorzugte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen sowie in der Beschreibung und in den Figuren definiert. Dabei können Elemente, die in Kombination mit anderen Elementen beschrieben oder gezeigt sind, allein oder in Kombination mit anderen Elementen vorhanden sein, ohne dass der Schutzbereich verlassen wird.
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Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung in Bezug auf die Zeichnungen beschrieben, wobei die Zeichnungen nur beispielhaft sind und den Schutzumfang nicht einschränken sollen. Der Schutzumfang wird ausschließlich durch die beigefügten Ansprüche definiert.
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Die Figur zeigt:
- 1: einen schematischen Querschnitt eines Zylinderrollenlagers gemäß einer bevorzugten Ausführungsform
- 2: einen schematischen Querschnitt eines Zylinderrollenlagers, der eine axiale Verschiebung zeigt; und
- 3: ein schematischer Querschnitt durch ein Zylinderrollenlager, der eine winkelförmige Verlagerung zeigt.
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Nachfolgend werden gleiche oder ähnliche Funktionselemente mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
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1 zeigt einen schematischen Querschnitt eines Zylinderrollenlagers 1 mit einem Innenring 2 und einem Außenring 4, zwischen denen eine Mehrzahl von Rollenelementen 6 angeordnet ist.
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Bei den Rollenelementen 6 handelt es sich in der dargestellten Ausführungsform um Zylinderrollenelemente, die in einem Käfig 8 untergebracht sind. Der Käfig 8 ist dazu ausgelegt, die Rollelemente 6 zu halten und einen konstanten Abstand zwischen ihnen zu gewährleisten. Wie in 1 weiter zu sehen ist, handelt es sich bei dem Käfig 8 um einen sogenannten Hochleistungskäfig, der von den Rollen geführt wird. Die Käfigstäbe (nicht dargestellt) sind deutlich unterhalb des Teilkreisdurchmessers P der Rollen 6 angeordnet. Bei dem abgebildeten Zylinderrollenlager 1 handelt es sich also um ein nahezu vollrolliges Lager. Die neue Konstruktion ermöglicht einen Rollenfüllungsgrad FG von mehr als 80 %, vorzugsweise mehr als 87 %, mit FG=D/(P*sin(π/Z), wobei D der Durchmesser des Rollenelements, P der Teilkreisdurchmesser und Z die Anzahl der Rollenelemente ist. Andere Anordnungen sind ebenfalls möglich.
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Der Außenring 4 hat an einer ersten axialen Seite 10 einen Flansch 12 und an der zweiten axialen Seite 14 eine Nut 16, in der ein Haltering 18 untergebracht ist. Der Flansch 12 und der Ring 18 ermöglichen eine axiale Begrenzung der Zylinderrollenelemente 6. Bei der Demontage kann der Haltering leicht vom Außenring 4 gelöst werden, was wiederum eine erleichterte und zerstörungsfreie Demontage des gesamten Lagers 1 während des Betriebs ermöglicht.
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Wie in 1 weiter zu erkennen ist, hat der Innenring 2 ein balliges Profil mit einem Balligkeitsradius R. Der Balligkeitsradius R kann konstant sein oder über die axiale Länge LIR des Innenrings 2 variieren. In der dargestellten Ausführungsform ist der Balligkeitsradius konstant und kann im Bereich von 25 L2/D < R < 55 L2/D liegen, wobei L die Länge des Rollenelements und D der Durchmesser des Rollenelements ist. Dieser Balligkeitsradius R lässt einen winkelförmigen Versatz β von bis zu +/- 1°, zumindest aber +/- 0,5° zu (siehe 3).
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Das Balligkeitsprofil des Innenrings 2 lässt auch eine axiale Verschiebung s von bis zu 25 %, zumindest aber bis zu 15 % der durch die axiale Länge LIR des Innenrings 2 gegebenen Lagerbreite zu (siehe 2). Denn auch wenn der Innenring ein balliges Profil hat, bleibt das Profil flach genug, um eine ausreichend lange Linienberührung mit den Rollenelementen und damit eine ausreichende Abstützung während der axialen Verschiebung bereitzustellen.
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Zusätzlich oder alternativ kann der Innenring 2 ein balliges Profil haben, das nur an den axialen Seiten 22 und 24 des Innenrings 2 angeordnet ist, wobei der mittlere Teil 26 des Innenrings 2 vorzugsweise nahezu flach bleiben kann. Dies ermöglicht eine große Last, da ein Linienkontakt zwischen dem Rollenelement und dem Innenring auf ein Maximum ausgelegt werden kann.
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Zusammenfassend lässt sich sagen, dass das oben vorgeschlagene Zylinderrollenlager die Möglichkeit, den Innenring von dem Außenring und den Rollenelementen zu trennen, mit der Möglichkeit eines Winkelversatzes bei gleichzeitiger axialer Verschiebung kombiniert. Dies wird dadurch erreicht, dass ein Innenring mit einem balligen Profil bereitgestellt wird, von dem traditionell angenommen wurde, dass es die Kontaktspannungen übermäßig erhöht. Die sorgfältige Auslegung des Balligkeitsradius sorgt jedoch dafür, dass Kontaktspannungen vermieden und winkelförmige Verlagerungen in der Größenordnung von Grad anstatt von Minuten zugelassen werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Zylinderrollenlager
- 2
- Innenring
- 4
- Außenring
- 6
- Zylinderrollenelement
- 8
- Käfig
- 10
- erste axiale Seite des Außenrings
- 12
- Flansch
- 14
- zweite axiale Seite des Außenrings
- 16
- Nut
- 18
- Sicherungsring
- 22
- erste axiale Seite des Innenrings
- 24
- zweite axiale Seite des Innenrings
- 26
- Mittelteil des Innenrings
- P
- Teilkreisdurchmesser
- β
- Versatzwinkel
- s
- axialer Versatz
- LIR
- Länge des Innenrings
- L
- Länge des Rollenelements
- D
- Durchmesser des Rollenelements
