DE20001339U1

DE20001339U1 - Wälzlager

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Publication number: DE20001339U1
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Priority date: 2000-01-27
Filing date: 2000-01-27
Publication date: 2000-04-06
Anticipated expiration: 2010-01-28

Description

Beschreibung:

Wälzlager

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Wälzlager, mit einem Innenring und einem konzentrischen Außenring und mit zwischen diesen Ringen angeordneten Wälzkörpern, wobei die Ringe und die Wälzkörper aus Metall, insbesondere Stahl, bestehen, wobei der Innenring an seinem Außenumfang eine innere Wälzkörper-Rollbahn und der Außenring an seinem Innenumfang eine äußere Wälzkörper-Rollbahn aufweist und wobei zwischen den Ringen eine Schmierfettfüllung vorgesehen ist.

Wälzlager der genannten Art stehen verbreitet im Einsatz und sind von daher allgemein bekannt. Üblicherweise bestehen bei einem Wälzlager der Innenring und der Außenring jeweils aus einem massiven Stahlteil. Im eingebauten Zustand liegt das Wälzlager in der Regel sowohl an seinem Außenumfang als auch an seinem Innenumfang an weiteren metallischen, seltener nicht-metallischen Teilen an. Im Betrieb des Wälzlagers kommt es durch die Relativbewegung der Teile des Lagers zueinander und durch die dabei entstehende Reibung zur Entstehung von Wärme, die bei den bekannten Wälzlagern aufgrund der vorliegenden guten Wärmeleitverhältnisse wirksam abgeführt wird. Bei bestimmten Anwendungen des Wälzlagers, insbesondere bei langsamen und/oder durch geringe Kräfte erzeugten Drehbewegungen, tritt der Nachteil auf, daß die Schmierfettfüllung innerhalb des Wälzlagers eine relativ hohe Stei-

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figkeit und Zähigkeit behält, die für niedrige Temperaturen des Schmierfetts typisch ist. Hierdurch wird eine zusätzliche Antriebskraft nötig, um die Drehbewegung gegen den Widerstand der Schmierfettfüllung zu bewirken. Bei Anwendungen, bei denen nur eine begrenzte Antriebskraft, wie z.B. die Muskelkraft eines Menschen, zur Verfügung steht, führt dies zu einem merklichen und unerwünschten Wirkungsgrad-Verlust. Zwar wäre es denkbar, die Schmierung statt durch Schmierfett durch Schmieröl vorzunehmen, jedoch wäre dies mit einer schlechteren Schmierwirkung und mit einem erhöhten Wartungsaufwand durch häufig nötiges Nachölen verbunden. Wenn das rechtzeitige Nachölen unterbleibt, kommt es schnell zu Lagerschäden bis zur LagerZerstörung.

Für die vorliegende Erfindung stellt sich daher die Aufgabe, ein Wälzlager der eingangs genannten Art zu schaffen, das die dargelegten Nachteile vermeidet und bei dem auch bei langsamen Drehbewegungen und bei begrenzter Antriebskraft ein hoher Wirkungsgrad bei guter Schmierwirkung und geringem Wartungsaufwand erreicht wird.

Die Lösung dieser Aufgabe gelingt erfindungsgemäß mit einem Wälzlager der eingangs genannten Art, das dadurch gekennzeichnet ist, daß die innere Wälzkörper-Rollbahn und/oder die äußere Wälzkörper-Rollbahn vom jeweils zugehörigen übrigen Ring thermisch getrennt ist.

Mit der erfindungsgemäß vorgesehenen thermischen Trennung einer oder beider Wälzkörper-Rollbahnen vom übrigen Ring wird erreicht, daß die bei der Bewegung des Wälzlagers entstehende Wärmeenergie nicht schnell abgeleitet wird, sondern größtenteils im Bereich der Wälzkörper-Rollbahn oder Rollbahnen gehalten wird. Hier sorgt die Wärme für eine Herabsetzung der Zähigkeit der Schmierfettfüllung, da Schmierfett mit steigender Temperatur fließfähiger wird. Der Bewegungswiderstand des Wälzla-

gers, den das Schmierfett verursacht, wird so reduziert, wobei zugleich die Wälzkörper bei ihrer Bewegung relativ zu den Ringen des Wälzlagers wirkungsvoll geschmiert werden. Gleichzeitig wird erreicht, daß die Schmierfettfüllung in den von der Wälzkörper-Rollbahn entfernteren Bereichen eine niedrigere Temperatur beibehält, so daß hier auch eine höhere Steifigkeit oder Zähigkeit des Schmierfetts erhalten bleibt. Auf diese Weise sorgt das steifere Schmierfett für eine Abdichtung des Wälzlagers nach außen und verhindert, daß das flüssigere Schmierfett aus dem Bereich der Wälzkörper und der zugehörigen Rollbahnen aus dem Wälzlager austritt.

Eine erste Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Wälzlagers sieht vor, daß zwischen der Wälzkörper-Rollbahn und dem zugehörigen übrigen Ring ein Zwischenring aus einem thermisch isolierenden Material angeordnet ist. Bei dieser Ausführung des Wälzlagers sorgt der Zwischenring für die gewünschte thermische Trennung zwischen Wälzkörper-Rollbahn und dem jeweils zugehörigen übrigen Ring, wobei die Wälzkörper-Rollbahn selbst sowie der übrige Ring aus den üblichen Materialien bestehen können. Die mechanischen Eigenschaften des Wälzlagers werden auf diese Weise nicht beeinträchtigt. Es werden lediglich in gewünschter Weise die thermischen Eigenschaften verändert.

Bevorzugt ist weiter vorgesehen, daß das den Zwischenring bildende thermisch isolierende Material Kunststoff ist. Kunststoff ist allgemein ein schlechter Wärmeleiter, so daß die gewünschte thermische Isolationswirkung auch mit relativ geringer Dicke des Zwischenrings schon erreicht wird. Außerdem kann der Kunststoff problemlos in gewünschte Formen gebracht und bedarfsweise bearbeitet werden.

Aus der Vielzahl der bekannten Kunststoffe läßt sich je nach Anwendungsgebiet des Wälzlagers durch den Fachmann

ein geeigneter Kunststoff finden, der die gewünschten mechanischen, thermischen und gegebenenfalls chemischen Eigenschaften aufweist. Besonders geeignet für fast alle denkbaren Anwendungen ist als Kunststoff Polytetrafluorethylen (PTFE), da dieses Material mechanisch, thermisch und chemisch sehr widerstandsfähig ist und weil es auch die gewünschte thermische Isolationswirkung in ausreichendem Maße bietet.

Eine alternative Ausgestaltung des Wälzlagers schlägt vor, daß die Wälzkörper-Rollbahn als zum zugehörigen übrigen Ring konzentrischer Zusatzring ausgeführt und über wenigstens eine in Umfangsrichtung verlaufende oder über mehrere in Umfangs- und/oder Axialrichtung des Lagers voneinander beabstandete Materialbrücken geringen Querschnitts mit dem übrigen Ring verbunden ist.

Auch bei dieser Ausgestaltung des Wälzlagers wird die gewünschte thermische Trennung zwischen Wälzkörper-Rollbahn und zugehörigem übrigen Ring erreicht, ohne daß dafür eine separate Zwischenschicht erforderlich ist. Aufgrund des geringen Querschnitts der Materialbrücke oder -brücken kann nur ein entsprechend geringer Wärmeabfluß aus der Wälzkörper-Rollbahn erfolgen, so daß auch hier die gewünschte Erwärmung der Wälzkörper-Rollbahn, der Wälzkörper und des diesen benachbarten Bereichs der Schmierfettfüllung bewirkt wird. Damit werden die gleichen Vorteile erzielt, wie bei der weiter oben beschriebenen Ausführung des Wälzlagers gemäß dem Anspruch 2.

Bevorzugt sind bei dem zuletzt beschriebenen Wälzlager die Wälzkörper-Rollbahn, die Materialbrücke(n) und der zugehörige übrige Ring materialeinheitlich einstückig ausgebildet. Hierdurch wird einerseits die mechanische Belastbarkeit des Wälzlagers auf einer ausreichenden Höhe gehalten und es wird andererseits die Herstellung des Wälzlagers im Vergleich zu herkömmlichen Wälzlagern

kaum aufwendiger. Alternativ könnten die vorgenannten Einzelteile des Wälzlagers auch separat gefertigt und dann in geeigneter Weise miteinander verbunden sein, was zwar den Aufwand erhöht, andererseits aber andere Formgebungen ermöglicht, die einstückig nicht darstellbar sind.

Um die oben schon erwähnte erwünschte Abdichtung des Wälzlagers durch einen jeweils äußeren, nicht erwärmten und deshalb nicht verflüssigten Bereich der Schmierfettfüllung zu gewährleisten und besonders auszuprägen, ist weiter vorgesehen, daß die Wälzkörper-Rollbahn in Axialrichtung des Lagers gesehen beiderseits eine geringere Erstreckung aufweist als der zugehörige übrige Ring. Die jeweils über die Rollbahn vorragenden Bereiche des übrigen Rings halten dort das Schmierfett kühl und damit steif, was die gewünschte Abdichtung bewirkt.

Wenn die bei der Drehung des Lagers entstehende Reibungswärme für die im Zentrum des Lagers erwünschte Verflüssigung des Schmierfetts nicht ausreicht, kann das Wälzlager mit Mitteln zur Erzeugung und/oder Zuführung von zusätzlicher Wärmeenergie ausgestattet sein. Diese Mittel werden je nach Bedarf stetig oder nur zeitweise aktiviert.

Bevorzugt sind die Mittel zur Erzeugung und/oder Zuführung der zusätzlichen Wärmeenergie durch wenigstens ein elektrisches Heizelement gebildet. Ein solches Heizelement ist ein zuverlässiges und bewährtes Bauteil, das problemlos in der erforderlichen Form und Größe hergestellt werden kann.

Zur Anpassung an die Form des Wälzlagers weist das elektrische Heizelement zweckmäßig eine ringförmige Bauart auf.

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Um eine Wärmeübertragung auf möglichst kurzem Wege und damit mit hohem Wirkungsgrad in die gewünschten Bereiche des Wälzlagers zu gewährleisten, ist weiter vorgesehen, daß das elektrische Heizelement in oder an der inneren oder äußeren Rollbahn des Wälzlagers angeordnet ist. Wenn möglich, wird zweckmäßig der im Betrieb des Lagers nicht drehende Ring für die Anordnung des Heizelements gewählt, da dann die Stromzuführung einfacher ist und insbesondere keine Schleifkontakte oder dergleichen benötigt werden.

Besonders deutlich kommen die Vorteile des erfindungsgemäßen Wälzlagers zum Tragen, wenn es in Antrieben mit relativ geringen Drehgeschwindigkeiten und mit geringen Antriebskräften eingesetzt wird. Besonders nützlich ist das Wälzlager deshalb, wenn es ein Tretlager oder Radlager eines mit Muskelkraft bewegten Fahrzeugs, vorzugsweise eines Fahrrads, ist.

Im folgenden werden zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung erläutert. Die Figuren der Zeichnung zeigen:

Figur 1 ein Wälzlager in einer ersten Ausführung im Querschnitt, teils in Ansicht, und

Figur 2 das Wälzlager in einer zweiten Ausführung in gleicher Darstellung wie Figur 1.

Wie die Figur 1 der Zeichnung zeigt, besteht das hier dargestellte erste Ausführungsbeispiel eines Wälzlagers 1 aus einem Innenring 2, einem dazu konzentrischen Außenring 3 und einer dazwischen angeordneten Reihe von Wälzkörpern 4, hier Kugeln. Die Wälzkörper 4 können durch einen Käfig auf gleichbleibendem Abstand in Umfangsrichtung des Wälzlagers 1 gehalten sein, was hier nicht eigens dargestellt ist.

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Im Unterschied zu herkömmlichen Wälzlagern sind hier der Innenring 2 und der Außenring 3 jeweils mehrteilig ausgeführt. Der Innenring 2 besitzt eine Wälzkörper-Rollbahn 20, die vom übrigen Innenring 2 durch einen Zwischenring 21 aus einem thermisch isolierenden Material, hier Kunststoff, getrennt ist.

In entsprechender Ausführung besitzt der Außenring 3 eine Wälzkörper-Rollbahn 30, die über einen weiteren Zwischenring 31 aus Kunststoff vom übrigen Außenring 3 thermisch getrennt ist. Die Zwischenringe 21, 31 sind dabei so geformt und mit der zugehörigen Wälzkörper-Rollbahn 20, 30 sowie dem jeweils übrigen Ring 2, 3 verbunden, daß eine mechanisch zuverlässige und sichere Verbindung zwischen der jeweiligen Wälzkörper-Rollbahn 20, 30 und dem zugehörigen übrigen Ring 2, 3 gebildet ist.

Weiterhin besitzt das Wälzlager 1 eine Schmierfettfüllung 5, die den Raum zwischen dem Innenring 2 und dem Außenring 3 ganz oder zumindest weitestgehend ausfüllt.

Im Betrieb des Wälzlagers 1 bewegen sich Innenring 2 und Außenring 3 sowie die Wälzkörper 4 relativ zueinander, wobei im Berührungsbereich der Wälzkörper-Rollbahnen 20, 30 und der Wälzkörper 4 sowie innerhalb der mitbewegten Bereiche der Schmierfettfüllung 5 zwangläufig Reibungswärme entsteht. Aufgrund der thermischen Trennung der Wälzkörper-Rollbahnen 20, 30 vom jeweils zugehörigen Ring 2, 3 kann die Wärme nicht, wie bei herkömmlichen Wälzlagern, ungehindert abfließen, sondern verbleibt innerhalb des Bereichs der Wälzkörper-Rollbahnen 20, 30 und der Wälzkörper 4 sowie innerhalb der diesen unmittelbar benachbarten Bereiche 50 der Schmierfettfüllung 5. In diesen Bereichen 50 wird die Viskosität der Schmierfettfüllung 5 aufgrund der zugeführten Wärme verringert, was zu einer erwünschten Leichtgängigkeit des Wälzlagers 1 führt und was die Reibungsverluste innerhalb des Wälz-

lagers 1 vermindert. Oberhalb und unterhalb der Wälzkörper-Rollbahnen 20, 30 liegen Bereiche 51 der Schmierfettfüllung 5, die gering oder nicht erwärmt werden, wodurch hier die Viskosität höher bleibt. Dies führt zu der gewünschten Abdichtung des Wälzlagers 1 durch die äußeren Bereiche 51 der Schmierfettfüllung 5. Das Schmierfett aus den Bereichen 50 mit geringerer Viskosität kann so also nicht aus dem Wälzlager 1 ausfließen.

Weiter umfaßt das erste Ausführungsbeispiel des Wälzlagers 1 ein elektrisches Heizelement 6, das hier am Außenumfang der Rollbahn 30 des Außenrings 3 angeordnet ist. Mit dem Heizelement 6 kann bei Bedarf, z.B. bei niedrigen Außentemperaturen, die Rollbahn 30 erwärmt werden. Diese leitet die Wärmeenergie in gewünschter Weise an die Wälzkörper 4, an die innere Rollbahn 20 und an den zentralen Bereich 50 der Schmierfettfüllung 5 weiter, was den Lauf des Lagers 1 leichtgängig macht. Zweckmäßig sitzt das Heizelement 6 am oder im nicht drehenden Ring 2, 3, um die Stromzuführung nicht unnötig kompliziert zu machen. Wegen der relativ geringen Masse der zu erwärmenden Teile des Lagers 1 und des Schmierfetts 50 reicht schon eine geringe Heizleistung des Heizelements 6 aus, sodaß es problemlos klein und in das Lager integriert ausgeführt und sogar von einem Fahrrad-Dynamo versorgt werden kann. Je nach Bedarf kann das Heizelement 6 stetig oder zeitlich begrenzt aktiviert werden. Bei Verwendung eines PTC-Widerstandselements ergibt sich eine vorteilhafte Selbstregelung des Heizelements 6.

Das zweite Ausführungsbeispiel eines Wälzlagers 1 gemäß Figur 2 besitzt ebenfalls eine thermische Trennung zwischen den beiden Wälzkörper-Rollbahnen 20, 30 und dem jeweils übrigen Ring 2, 3. Zur Erzielung dieser thermischen Trennung ist hier aber keine Kunststoff-Zwischenschicht vorgesehen, sondern es sind mehrere in Umfangsrichtung verteilte Materialbrücken 22, 32 vorhanden. Die

Materialbrücken 22, 32 besitzen einen relativ geringen Querschnitt und verlaufen im dargestellten Ausführungsbeispiel in Radialrichtung des Wälzlagers 1 und verbinden jeweils die Wälzkörper-Rollbahnen 20, 30 mit dem zugehörigen übrigen Ring 2, 3. Aufgrund des geringen Querschnitts der Materialbrücken 22, 32 kann durch diese nur ein geringer Wärmefluß auftreten, so daß auch hier im Betrieb des Wälzlagers 1 sich eine Erwärmung der Wälzkörper-Rollbahnen 20, 30 und der Wälzkörper 4 sowie der diesen unmittelbar benachbarten Bereiche 50 der Schmierfettfüllung ergibt. Mittel zur zusätzlichen Erwärmung sind hier nicht vorgesehen.

Die äußeren Bereiche 51 der Schmierfettfüllung 5 bleiben auch hier auf einer niedrigeren Temperatur, so daß auch bei der zweiten Ausführung des Wälzlagers 1 die gewünschte selbsttätige Abdichtung gegen ein Ausfließen von erwärmtem, verflüssigtem Schmierfett aus den Bereichen 50 nach außen verhindert wird. Zugleich sorgen die Materialbrücken 22, 32 in der Art von Speichen oder Radsternen für eine ausreichende mechanische Stabilität und Belastbarkeit des Wälzlagers 1. Der Innenteil und der Außenteil des Wälzlagers 1 können bei entsprechender Form und Anordnung der Materialbrücken 22, 32 jeweils einstückig hergestellt sein; alternativ ist auch eine Herstellung aus miteinander zu verbindenden Einzelteilen denkbar.

Claims

1. Wälzlager (1), mit einem Innenring (2) und einem konzentrischen Außenring (3) und mit zwischen diesen Ringen (2, 3) angeordneten Wälzkörpern (4), wobei die Ringe (2, 3) und die Wälzkörper (4) aus Metall, insbesondere Stahl, bestehen, wobei der Innenring (2) an seinem Außenumfang eine innere Wälzkörper- Rollbahn (20) und der Außenring (3) an seinem Innenumfang eine äußere Wälzkörper-Rollbahn (30) aufweist und wobei zwischen den Ringen (2, 3) eine Schmierfettfüllung (5) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die innere Wälzkörper-Rollbahn (20) und/oder die äußere Wälzkörper-Rollbahn (30) vom jeweils zugehörigen übrigen Ring (2, 3) thermisch getrennt ist.

2. Wälzlager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Wälzkörper-Rollbahn (20, 30) und dem zugehörigen übrigen Ring (2, 3) ein Zwischenring (21, 31) aus einem thermisch isolierenden Material angeordnet ist.

3. Wälzlager nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das den Zwischenring (21, 31) bildende thermisch isolierende Material Kunststoff ist.

4. Wälzlager nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Kunststoff Polytetrafluorethylen (PTFE) ist.

5. Wälzlager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wälzkörper-Rollbahn (20, 21) als zum zugehörigen übrigen Ring (2, 3) konzentrischer Zusatzring ausgeführt und über wenigstens eine in Umfangsrichtung verlaufende oder über mehrere in Umfangs- und/ oder Axialrichtung des Lagers (1) voneinander beabstandete Materialbrücken (22, 32) geringen Querschnitts mit dem übrigen Ring (2, 3) verbunden ist.

6. Wälzlager nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Wälzkörper-Rollbahn (20, 30), die Materialbrücke (n) (22, 32) und der zugehörige übrige Ring (2, 3) materialeinheitlich einstückig ausgebildet sind.

7. Wälzlager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Wälzkörper-Rollbahn (20, 30) in Axialrichtung des Lagers (1) gesehen beiderseits eine geringere Erstreckung aufweist als der zugehörige übrige Ring (2, 3).

8. Wälzlager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es mit Mitteln zur Erzeugung und/oder Zuführung von zusätzlicher Wärmeenergie ausgestattet ist.

9. Wälzlager nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Erzeugung und/oder Zuführung der zusätzlichen Wärme durch wenigstens ein elektrisches Heizelement (6) gebildet sind.

10. Wälzlager nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrische Heizelement (6) eine ringförmige Bauart aufweist.

11. Wälzlager nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrische Heizelement (6) im oder am Innen- oder Außenring (2, 3) des Wälzlagers (1) angeordnet ist.

12. Wälzlager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es ein Tretlager oder Radlager eines mit Muskelkraft bewegten Fahrzeugs, vorzugsweise eines Fahrrads, ist.