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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Käfig für Nadellager und ein Verfahren
zu dessen Herstellung.
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Nadellager
werden beispielsweise als Lager für Verbindungsstangen, z.B.
Zugstangen oder Pleuelstangen in Motoren für Zweiradfahrzeuge und Motorschlitten
verwendet.
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Nadellager
dieser Art weisen einen Käfig 11 mit
einer in 5A und 5B dargestellten
Form auf, um Nadeln entlang des Umfangs gleichmäßig beabstandet zu halten.
Der Käfig 11 besteht
aus einem ringförmigen
Körper
mit im Wesentlichen U-förmigem
Querschnitt, dessen mittiger Bereich dünnwandig ausgebildet ist, während dessen
gegenüberliegende
Endbereiche dickwandig ausgebildet sind, mit einer Tasche 11c,
die entlang eines Bereiches ausgestanzt ist, der sich vom dünnwandigen
Bereich 11a in der Mitte zu jedem der dickwandigen Bereiche 11b an
den gegenüberliegenden
Endbereichen erstreckt.
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Die
Umfangsdimension des mittigen Bereiches der Tasche 11c ist
größer als
die der gegenüberliegenden
Endbereiche, und die Umfangswandflächen der gegenüberliegenden
Endbereiche dienen als Führungsflächen 11c1 zum
Führen
der in der Tasche aufgenommenen Nadel. Der dünnwandige Bereich 11a und
die beiden dickwandigen Bereiche 11b gehen über im Wesentlichen
vertikale Wandflächen 11d glatt
ineinander über.
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Der
oben beschriebene Käfig 11 wurde
bisher durch das Verfahren gemäß 4A und 4B hergestellt.
Wie in 4B dargestellt, wird zuerst
ein ringförmiger
Käfigrohling 11' mit im Wesentlichen U-förmigem Querschnitt
gefertigt, bei dem der mittige Bereich dünnwandig und die gegenüberliegenden Endbereiche
dickwandig ausgebildet sind.
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Die
inneren Wandflächen
des dünnwandigen Bereiches 11'a und der beiden
dickwandigen Bereiche 11'b des
Käfigrohlings 11' gehen über im Wesentlichen
vertikale Wandflächen 11'd glatt ineinander über. Dann
wird, wie in 4A dargestellt, der Außendurchmesser
des Käfigrohlings 11' in einem Gesenk 13 aufgenommen
und mittels eines Spannfutters 14 fixiert, während ein
Stanzstempel 12 von der Seite des Innendurchmessers her
gegen den Käfigrohling 11' gedrückt wird,
wodurch ein Abscheren zur Bildung der Tasche 11c erfolgt.
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Im
allgemeinen arbeiten Schneidemaschinen mit zwei Schneiden (Stanzstempel
und Gesenk), um eine Scherkraft auf ein Plattenmaterial auszuüben und
es damit auf eine gewünschte
Größe und in eine
gewünschte
Form zu schneiden; hierbei ist anzumerken, dass beim Abscheren eines
Rohlings beide Schneiden in den Rohling eingreifen, bis darin eine
plastische Verformung stattfindet, worauf sich an den Schneidkanten
ein Riss bildet, der das Abscheren vollendet.
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6 zeigt
schematisch eine Schneidkante, bei der das Abscheren durch das Definieren
eines angemessenen Spiels zwischen dem Stanzstempel und dem Gesenk
erfolgte. Die Scherfläche
q ist eine Oberfläche,
die gebildet wird, wenn der Rohling durch einen Druck deformiert
wird, da er im Laufe des Schervorgangs durch die Seitenflächen der
Schneiden abgerieben wird; sie wird auch insofern als glanzgeschliffene
Fläche
bezeichnet, als sie eine Oberläche
ist, die durch das gleiche Prinzip deformiert wird, wie es beim
Glattwalzen der Fall ist. Die Oberflächengüte ist zufriedenstellend. Im
Gegensatz dazu ist die gebrochene Fläche r eine Oberfläche, die entsteht,
wenn der Rohling durch eine Bruchkraft abgerissen und deformiert
wird; sie ist bezüglich
der Scherfläche
vertieft und ziemlich rau.
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Wie
in 5A und 5B dargestellt,
liegt bei einem bekannten Käfig 11 eine
gebrochene Fläche
r im (dem Wälzkreis
der aufgenommenen Nadeln entsprechenden) Wälzkreis PCD der Führungsflächen 11c1 der
Tasche 11 vor. Wenn der Käfig also in dem Zustand verwendet
wird, in dem er sich nach dem Abscheren befindet, dann wird ein
ordnungsgemäßes Umlaufen
der Nadel verhindert, wenn diese mit der gebrochenen Fläche auf
dem Wälzkreis
PCD in Berührung
kommt. Deshalb war es gängige
Praxis, die Führungsflächen 11c1 beispielsweise
durch Zerspanen nachzubearbeiten. In diesem Zusammenhang treten
folgende Probleme auf:
- 1. Die Parallelität der Tasche 11 bezüglich der Achse
des Käfigs 11 wird
verschlechtert.
- 2. Durch die Verschlechterung der Schärfe des Schneidwerkzeugs wird
die Präzision
der Führungsflächen 11c1 gemindert.
- 3. Die Herstellungskosten steigen.
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Die
Bildung der gebrochenen Fläche
r auf dem Wälzkreis
PCD der Führungsflächen 11c1 geht auf
die ungleichmäßige Wanddicke
des Käfigrohlings 11' und das Verhältnis zwischen
der Form des Käfigrohlings 11' und der Form
der Schneide des Stanzstempels 12 zurück.
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Das
heißt,
die Schneide des Stanzstempels 12 ist im mittigen Bereich
(mittiger Schneidenbereich 12a) im Wesentlichen V-förmig, wie in 4A dargestellt;
während
der Bearbeitung stößt der mittige Schneidenbereich 12a zuerst
gegen die innere Wandfläche
des dünnwandigen
Bereiches 11'a des Käfigrohlings 11', worauf dann
die Schneidenbereiche 12b an den gegenüberliegenden Endbereichen gegen
die inneren Wandflächen
der dickwandigen Bereiche 11'b stoßen.
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Da
der dünnwandige
Bereich 11'a geringe Materialstärke aufweist,
neigt jedoch andererseits der Bereich 11'a dazu, sich durch die Druckkraft
des Stanzstempels 12 in Richtung des Gesenks 13 zu verformen.
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Als
Folge tritt das Phänomen
auf, dass die dickwandigen Bereiche 11'b des Käfigrohlings 11' dazu neigen,
zum mittigen Bereich hin auszuweichen. Das Ausweichen der dickwandigen
Bereiche 11'b hat
seinen Höhepunkt
erreicht, wenn der Gesamtbereich des mittigen Schneidenbereiches
des Stanzstempels 12 gegen den dünnwandigen Bereich 11'a stößt, worauf
die Schneidenbereiche 12b des Stanzstempels 12 an
den gegenüberliegenden
Endbereichen auf dem Wälzkreis
PCD der Führungsflächen 11c1 positioniert
sind. Aus diesem Grund entsteht die gebrochene Fläche r auf
dem Wälzkreis PCD
der Führungsflächen 11c1.
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Die
US 5,011,305 befasst sich
mit der Lagerung von Nadelkörpern,
ohne jedoch die Ausarbeitung von entsprechenden Taschen zu behandeln.
Die
US 3,228,090 beschreibt
die Herstellung von Taschen für
Nadeln, wobei hier ein Streifen
1, in welchem sich Taschen
7 befinden,
in eine ringförmige Gestalt überführt wird.
Aus der
DE 94 17 601
U1 und aus der
US 4,978,237 sind
Käfige
für Lager
bekannt, ohne dass ein speziell die Taschen berücksichtigendes Verfahren erläutert wäre. Die
US 3,878 705 beschreibt
ein Verfahren zur Herstellung von Lagerkäfigen, wobei ein Streifen
28 über Stanzelemente
24 zur
Ausbildung von entsprechenden Taschen beaufschlagt wird. Aus der
FR 1 115 337 sind Taschen
in Nadellagern bekannt, welche am Außenumfang durch ein Werkzeug
so bearbeitet werden, dass Umbiegungen entstehen, welche die Nadeln
lagern. Aus der
CH 381479 und
aus der
DE 44 42 269
A1 sind Stanzelemente bekannt, welche von oben auf das Werkstück einwirken
zur Ausbildung von Taschen.
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Unter
Berücksichtigung
der obigen Problematik besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung
darin, die Nachbearbeitung der Taschenführungsflächen überflüssig zu machen und gleichzeitig deren
Präzision
zu gewährleisten,
sowie die Präzision
des Käfigs
zu erhöhen
und die Herstellungskosten zu senken.
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Die
vorliegende Erfindung schafft einen Käfig für Nadellager, bestehend aus
einem ringförmigen Körper mit
U-förmigem
Querschnitt, dessen mittiger Bereich dünnwandig ausgebildet ist, während dessen
gegenüberliegende
Endbereiche dickwandig ausgebildet sind, mit einer Tasche, die entlang
eines Bereiches ausgestanzt ist, der sich vom dünnwandigen Bereich in der Mitte
zu den dickwandigen Bereichen an den gegenüberliegenden Endbereichen erstreckt,
wobei der Käfig
für Nadellager
dadurch gekennzeichnet ist, dass die Führungsfläche der Tasche zur Führung einer
Nadel eine Scherfläche
auf dem Wälzkreis
ist.
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Der
Begriff "Scherfläche" bezieht sich auf
einen Bereich der Schneidkante, der durch das Abscheren entsteht,
d.h. auf die Scherfläche
q, die im Zusammenhang mit 6 beschrieben
wurde. Die Ecken der Tasche weisen vorzugsweise runde Bereiche auf,
die entlang des Umfangs um einen vorherbestimmten Betrag von den
Führungsflächen zurücktreten.
Der Wert, um den die abgerundeten Ecken zurücktreten, beträgt vorzugsweise
5% des Rollendurchmessers.
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Die
Erfindung schafft außerdem
ein Verfahren zur Herstellung von Käfigen für Nadellager, bestehend aus
folgenden Schritten:
Fertigung eines ringförmigen Käfigrohlings mit U-förmigem Querschnitt,
dessen mittiger Bereich dünnwandig
ausgebildet ist und dessen gegenüberliegende
Endbereiche dickwandig ausgebildet sind,
wobei die inneren
Wandflächen
der dünnwandigen und
dickwandigen Bereiche jeweils über
eine zur Mitte geneigte Kegelfläche
glatt ineinander übergehen, und
Ausstanzen
eines vorherbestimmten Bereiches, der sich vom dünnwandigen Bereich zu dem gegenüberliegenden
dickwandigen Bereich erstreckt, durch einen Stanzstempel auf der
Seite des Innendurchmessers und ein Gesenk auf der Seite des Außendurchmessers,
wobei
der Stanzstempel Kegelschneidenbereiche mit entsprechendem Kegelwinkel
für die
beiden Kegelflächen
aufweist, wobei der mittige Schneidenbereich zwischen den Kegelschneidenbereichen
vertieft ist, und wobei die Bearbeitung damit beginnt, dass die Kegelschneidenbereiche
des Stanzstempels auf die entsprechenden Kegelflächen abgestellt wird.
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Zu
diesem Zeitpunkt weisen die vier Ecken des Stanzstempels vorzugsweise
Vorsprünge
mit bogenförmigem
Querschnitt auf, die in Umfangsrichtung hervorragen.
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Bei
dieser Erfindung wird es ohne das Erfordernis einer Nachbearbeitung
möglich,
die Präzision der
Taschenführungsflächen zu
gewährleisten,
die Präzision
des Käfigs
zu erhöhen
und die Herstellungskosten zu senken.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand in der Zeichung dargestellter
Ausführungsformen
näher erläutert. In
der Zeichung zeigen:
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1A einen
Längsschnitt
durch einen Käfig
nach einer Ausführungsform;
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1B eine
Ansicht entlang eines Schnittes X-X in einem Taschenbereich in 1A;
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2 einen
Längsschnitt
durch einen Käfigrohling
nach einer Ausführungsform;
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3 einen
Schnitt, der in verschiedenen Zeitabschnitten die Art des Ausstanzens
nach einer Ausführungsform
zeigt;
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4A einen
Schnitt, der die Art des Ausstanzens einer Tasche bekannter Form
zeigt;
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4B einen
Längsschnitt
durch einen Käfigrohling
bekannter Form;
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5A einen
Längsschnitt
durch einen bekannten Käfig;
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5B einen
Schnitt entlang der Linie X-X des Taschenbereiches in 5A;
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6 eine
Darstellung, die schematisch eine gewöhnliche Schneidkante zeigt,
wenn ein Schervorgang durchgeführt
wird;
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7 einen
Längsschnitt
durch einen Käfig nach
einer weiteren Ausführungsform;
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8A einen
vergrößerten Schnitt,
der die Art des Ausstanzens einer bekannten Tasche zeigt;
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8B eine
Draufsicht auf die Form der Tasche nach dem Ausstanzen;
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9 einen
Schnitt durch einen Stanzstempel und ein Gesenk nach einer Ausführungsform;
und
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10 eine
vergrößerte Draufsicht
auf eine durch den Stanzstempel und das Gesenk gebildete Tasche.
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Die 1A und 1B zeigen
einen Käfig 1 für Nadellager
nach einer Ausführungsform
der Erfindung. Der Käfig 1 besteht
aus einem ringförmigen Körper mit
im Wesentlichen U-förmigem
Querschnitt, dessen mittiger Bereich dünnwandig ausgebildet ist, während dessen
gegenüberliegende
axiale Endbereiche dickwandig ausgebildet sind, mit einer Tasche 1c,
die entlang eines Bereiches ausgestanzt ist, der sich vom dünnwandigen
Bereich 1a in dem mittigen Bereich zu jedem der dickwandigen
Bereiche 1b an den gegenüberliegenden Endbereichen erstreckt. Die
Umfangsdimension des mittigen Bereiches der Tasche 1c ist
größer als
die der gegenüberliegenden Seitenbereiche,
und die Umfangswandflächen
der gegenüberliegenden
Seitenbereiche dienen als Führungsflächen 1c1 zum
Führen
der nicht dargestellten Nadel.
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Die
Punkte, in denen sich der Käfig 1 dieser Ausführungsform
von dem bekannten Käfig 11 gemäß 5A unterscheidet,
bestehen darin, dass die inneren Wandflächen der dünnwandigen und dickwandigen
Bereiche 1a und 1b über eine Kegelfläche 1d (der
Neigungswinkel bezüglich
der Achse ist mit α gekennzeichnet)
glatt ineinander übergehen,
die zur Mitte geneigt ist oder die so geneigt ist, dass der Radius
allmählich
zur Mitte hin zunimmt und dass die Führungsflächen 1c1 der Tasche 1c Scherflächen q sind
(auf farbigem Hintergrund weiß dargestellt).
Also wird durch die Ausbildung der Führungsflächen 1c1 auf dem Wälzkreis
PCD in Form von Scherflächen
q die Nadel durch die Scherflächen
q geführt,
wodurch deren ordnungsgemäßes Umlaufen
gewährleistet wird.
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Als
die axiale Breite (L1) auf dem Wälzkreis PCD
der Scherflächen
q in 1A und die radiale Breite (L2) auf dem Wälzkreis
PCD der Scherflächen q
in 1B bezüglich
der Neigungswinkel α von
30° und
45° gemessen
wurden, nachdem die Tasche mit dem nachfolgend noch zu erläuternden
Mittel ausgestanzt wurde, fand man außerdem heraus, dass die Abmessungen
von L1 und L2 in jedem Fall für α = 30° und α = 45° etwa 0,5mm
oder mehr betrugen. Darüber
hinaus wurde eine Analyse der Festigkeit des Käfigpfostens für die Neigungswinkel α = 30° und 45° durchgeführt, und
man fand heraus, dass α =
45° in Bezug
auf die Festigkeit vorteilhafter war.
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Der
Käfig 1 dieser
Ausführungsform
kann hergestellt werden, indem der in 2 dargestellte Käfigrohling 1' mittels eines
in 3 dargestellten Stanzstempels 2 und eines
(nicht dargestellten) Gesenks ausgestanzt (abgeschert) wird, um
eine Tasche 1c zu bilden.
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Wie
in 2 dargestellt, erhält man den Käfigrohling 1' durch Zerspanen
oder Pressen eines Stahlblechrohr-Rohlings; er ist ein ringförmiger Körper mit
einem dünnwandigen
Bereich 1'a im
mittigen Bereich, dickwandigen Bereichen 1'b an den gegenüberliegenden Endbereichen,
und mit Kegelflächen 1'd, die glatt
in die inneren Wandflächen
der dünnwandigen
und dickwandigen Bereiche 1'a und 1'b übergehen.
Die Kegelflächen 1'd gehen glatt
in die innere Wandfläche
des dünnwandigen
Bereiches über,
da sie jeweils von der inneren Wandfläche des zu gehörigen dickwandigen
Bereiches 1'b zum
mittigen Bereich geneigt sind.
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Wie
in 3 dargestellt, ist die Schneide des Stanzstempels 2 im
Wesentlichen W-förmig
und besteht aus Kegelschneidenbereichen 2a, mit einem Kegelwinkel
(welcher dem Neigungswinkel α° der Kegelflächen 1'd entspricht),
der den jeweiligen Kegelflächen 1'd des Käfigrohlings 1' entspricht,
einem mittigen Schneidenbereich 2b, der zwischen den Kegelschneidenbereichen 2a vertieft
ist, und geraden Schneidenbereichen 2c an gegenüberliegenden
Enden.
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Der
Außendurchmesser
des Käfigrohlings 1' wird in einem
nicht dargestellten Gesenk aufgenommen und mittels eines nicht dargestellten
Spannfutters fixiert, und der Stanzstempel 2 wird von der
Seite des Innendurchmessers her gegen den Käfigrohling 1' gedrückt, wodurch
eine Tasche 1c ausgestanzt (abgeschert) wird.
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Während dieses
Vorgangs stoßen
die Kegelschneidenbereiche 2a des Stanzstempels 2 gegen die
zugehörigen
Kegelflächen 1'd des Käfigrohlings 1' (Nr. 1), dann
stoßen
die geraden Schneidenbereiche 2c gegen die inneren Wandflächen der
dickwandigen Bereiche 1'b (Nr.
2), und der mittige Schneidenbereich 2b stößt gegen
den dünnwandigen
Bereich 1'a (Nr.
3), wodurch der Taschenbereich ausgestanzt wird (Nr. 4, Nr. 5).
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Wenn
die Kegelschneiden 2a des Stanzstempels 2 einen
Kegelkontakt mit den Kegelflächen 1'd des Käfigrohlings 1' bilden, erfahren
die dickwandigen Bereiche 1'b des
Käfigrohlings 1' durch den Stanzstempel 2 Druckkomponenten,
die auf die gegenüberliegenden
Seiten gerichtet sind.
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Hierdurch
wird ein Ausweichen des Materials in den dickwandigen Bereichen 1'b während der
Bearbeitung vermieden, so dass der Bereich auf dem Wälzkreis
PCD der Führungsflächen 1c1 keine
gebrochene Oberfläche
(als Gittermuster dargestellt) wird, sondern als Scherfläche q hervorgeht.
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Deshalb
wird es ohne das Erfordernis einer Nachbearbeitung möglich, die
Präzision
der Taschenführungsflächen zu
gewährleisten,
die Präzision
des Käfigs
zu erhöhen
und die Herstellungskosten zu senken.
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Der
in 7 dargestellte Käfig 1' besteht aus einem ringförmigen Körper mit
im Wesentlichen M-förmigem
Querschnitt, dessen mittiger Bereich dünnwandig und dessen gegenüberliegende
Endbereiche dickwandig ausgebildet sind, mit einer Tasche 1'c, die in den
mittigen dünnwandigen
Bereich 1'a gestanzt
ist. Die Wandflächen
der Tasche 1'c,
die den geneigten Bereichen 1'a1 des dünnwandigen Bereiches entsprechen,
sind Führungsflächen 1'c1 zum Führen einer
nicht dargestellten Nadel. Die Führungsflächen 1'c1 der Tasche 1'c sind Scherflächen q in
der Nähe
des Wälzkreises
PCD.
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In
dem Fall, in dem das Spiel zwischen dem Gesenk und dem Stanzstempel
zu klein ist, bildet sich im allgemeinen ein Bereich, der aus dem
Scherbereich hervorragt, wobei dieser Bereich manchmal glattgewalzt
ist und eine sogenannte zweite Nebenscherfläche bildet.
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Da
eine derartige Nebenscherfläche
an einem Bereich entsteht, der weiter hervorragt als der für die Primärscherfläche, ist
es notwendig, die Bildung einer Nebenscherfläche zu vermeiden, um das Umlaufen
des Wälzkörpers nicht
zu beeinträchtigen.
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Als
Maßnahme
hierfür
kann vorgesehen sein, das Spiel zwischen dem Stanzstempel 2 und dem
Gesenk 3, das sich von einer Ecke der Tasche zur Führungsfläche erstreckt,
etwa 1,6-mal größer als
gewöhnlich
zu machen, wie in 8A dargestellt. Bei dieser Maßnahme kann
jedoch der Fall eintreten, dass, wie in 8B dargestellt,
der Eckenbereich 1c2 der Tasche 1c nicht gut genug
ausgestanzt wird, was bedeuten würde,
dass der verbleibende Bereich 1c2 den Eckenbereich 5a der
Nadel 5 stören
würde und
damit beim Umlaufen des Wälzkörpers 5 hinderlich
wäre.
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Um
dieses Problem zu lösen,
ist es ratsam (9), in den Ecken des Stanzstempels 2 Vorsprünge 2e mit
bogenförmigem
Querschnitt entlang des Umfangs anzuordnen. Zu diesem Zeitpunkt
ist das Spiel 4a in der Führungsfläche z.B. 12% der Plattendicke,
also größer als
das Spiel 4b in dem Vorsprung 2e, z.B. 6% der
Plattendicke.
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Daher
werden nach dem Ausstanzen der Tasche 1c in den vier Ecken
abgerundete Eckenbereiche 1c3 mit bogenförmigem Querschnitt
ausgebildet (10), die um einen vorherbestimmten
Betrag von den Führungsflächen 1c1 entlang
des Umfangs zurücktreten.
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Aus
diesem Grund besteht keine Gefahr mehr, dass die Ecken der Tasche 1c mit
den Ecken 5a des Wälzkörpers 5 kollidieren,
wodurch eine glatte Wälzbewegung
des Wälzkörpers gewährleistet
wird.
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Darüber hinaus
besteht selbst bei einer kleinen Ausbildung der Krümmung der
Abschrägung
der Ecken 5a des Wälzkörpers 5 keine
Möglichkeit,
mit den Ecken der Tasche zu kollidieren, so dass die Zeit, die zum
Abrunden des Wälzkörpers 5 benötigt wird, verkürzt werden
kann.
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Da
die Krümmung
der Ecken der Tasche im Vergleich zum bekannten Gegenstand groß wird,
ist es außerdem
möglich,
die Lastkonzentration abzuschwächen
und die Dauerfestigkeit des Käfigs 1 zu verbessern.
Da die abgerundeten Ecken 1c3 als Durchfluss wege für das Schmiermittel
dienen, können
auch die Schmiereigenschaften des Lagers verbessert werden. Wenn
die abgerundeten Ecken 1c3 zu groß sind, führt dies zu einer Abnahme der
Festigkeit des Käfigs 1;
deshalb sollte der Wert A, um den die abgerundeten Ecken 1c3 entlang
des Umfangs zurücktreten,
ca. 5% des Rollendurchmessers betragen.