DE2734916C3 - Induktor zum Erwärmen von Laufbahnflächen an Wälzlagerringen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Induktor zum Erwärmen einer an einem Wälzlagerring umlaufenden, im Längsschnitt rechteckigen, eine radiale und ?wei axiale Laufbahnflächen aufweisenden Nase, deren sich im radialen Schnitt darstellende Querschnittsfläche etwa 5 bis 15% der Querschnittsfläche des Wälzlagerringes beträgt, mit einem gleichmäßigen Temperaturverlauf für die zu härtenden Laufbahnflächen und die Übergangsbereiche der Nase zum Wälzlagerringkörper.

Bei Wälzlagerringen für dreireihige Wälzkörperlager werden die Laufbahnflächen an den Wälzlagerringen gehärtet, wenn dieses zur Erreichung der notwendigen Lebensdauer des Lagers notwendig ist. Große Wälzlagerringquerschnitte werden oberflächengehärtet, da bei derartigen Abmessungen eine Durchhärtung nicht wirtschaftlich durchführbar ist.

Bei einem Wälzlager-Nasenring liegen die Laufbahnflachen der drei Wälzkörperreihen U-förmig direkt aneinander. Diese Anordnung führt zu einer umlaufenden Nase mit einer Größenordnung von 5 bis 15% des Wälzlagerringquerschnitts, der vom übrigen Teil des Wälzlagerringes hervors'eht. Der Übergangsbereich der Nase zum Wälzlagerring wird durch abgesetzte Übergangsradien gebildet. Die Laufbahnflächen werden in bekannter Weise induktiv erwärmt und durch anschließendes Abschrecken gehärtet. Nach dem bisherigen Verfahren werden die einzelnen Laufbahnflächen nacheinander, und zwar in der Reihenfolge Radiallaufbahn, axiale Haltelaufbahn und axiale Traglaufbahn einzeln gehärtet.

Durch die Aufeinanderfolge von mehreren Wärmebehandlungen an verschiedenen Stellen der Nase bauen sich bei diesem Verfahren starke innere Spannungen in der Nase und insbesondere im Übergangsbereich zum Wälzlagerring auf. Diese inneren Spannungen führen zu einem mehr oder minder starken Kippen der Nase zum Wälzlagerring. Diese Schrägstellung der Nase durch Kippen muß beim anschließenden Schleifen mit erhöhter Werkstoffabtragung wieder beseitigt werden. Das kann im Extremfall dazu führen, daß die benötigte Härtetiefe nicht mehr gegeben ist Die inneren Spannungen in der Nase können sogar so groß werden, daß Risse in den zuerst gehärteten Laufbahnflächen auftreten, die Anlaß zu einem späteren Dauerbruch sein können. Dieses bisher angewandte Verfahren muß als unbefriedigend gewertet werden.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht somit darin, einen Induktor zum Erwärmen einer am Wälzlagerring umlaufenden als Laufbahnflächen dienenden Nase einschließlich ihres Übergangsbereiches zu schaffen, mit dein eine gleichmäßige und gleichzeitige Wärmezufuhr für alle zu härtenden Laufbahnflächen wie auch für den Übergangsbereich von Nase — Wälzlagerring gegeben ist. Eine gleichmäßige und gleichzeitige Wärmezufuhr hat in Verbindung mit eirer gleichmäßigen Kühlung den Vorteil, daß eine gleichmäßige Oberflächenhärte erzielbar ist, wobei die auftretenden inneren Spannungen nicht zu Verwerfungen der Nase führen und eine Überhitzung der Nase entfällt.

Eine gleichzeitige und gleichmäßige induktive Härtung mehrerer getrennt nebeneinanderliegender Laufbahnen an Wälzlagerringen ist in der DE-PS 8 87 085 beschrieben. Dieser Stand der Technik zeigt jedoch keine Lösung zur erfindungsgemäßen Aufgabe auf, eine umlaufende Nase mit aneinanderliegenden Laufbahnen zu härten. Die Veröffentlichung stellt sich demgegenüber vielmehr die Aufgabe, eine umlaufende Nase möglichst nicht zu erwärmen bzw. zu überhitzen. Damit wird hier auch schon die Problematik angedeutet, mit

■»o der sich der Fachmann auseinanderzusetzen hat, wenn es darum geht, einen hochstehenden Steg gleichzeitig mit den angrenzenden Zonen eines Ringes mit großem Querschnitt für eine Härtung zu erwärmen. Der Lösungsweg nach der DE-PS 8 87 085 besteht darin, an diesen Stellen keinen Induktor einzusetzen und den Strom parallel fließen zu lassen. Diese Ausführungsform bringt somit keinen Lösungshinweis für die Aufgabenstellung nach der vorliegenden Anmeldung.

Es ist weiterhin bekannt, den Induktor in seiner Form

so den Umrissen der zu härtenden Oberfläche anzupassen (FR-PS 12 37 558 und Buch von Lozinskii, M. G.: »Industrial Applications of Induction Heating«, Pergamon Press, 1969, Seiten 165 bis 167«) und Konzentratoren an Induktionsspulen anzuordnen (DE-PS 9 17 201 und DE-AS 14 83 016).

Auch das Problem einer nicht erwünschten partiellen Überhitzung hat man einem anderen Vorschlag zufolge in der Weise gelöst, daß man der Überhitzung durch eine regelbare partielle Wasserkühlung begegnet (DE-AS 22 05 513). Eine derartige unterschiedliche Kühlung wirkt sich jedoch nachteilig auf den Härteverlauf und die gleichmäßige Oberflächenhärte aus. Außerdem werden dadurch unterschiedliche innere Spannungen erzeugt.

Es ist des weiteren bekannt, die Intensität des induktiven Wärmeflusses dadurch zu beeinflussen, indem man das Magnetfeld, das die Erwärmung im Werkstück erzeugt, in die gewünschte Richtung drängt.

Dabei spielt der Kopplungsabstand, das ist der Abstand des stromführenden Leiters vom Werkstück, eine wesentliche Rolle. Er muß möglichst klein sein und soll sich während des Betriebes möglichst wenig ändern (DE-AS 14 83 016).

Insgesamt ergibt sich, daß der aufgedeckte Stand der Technik in keiner Weise, auch nicht andeutungsweise, einen Lösungshinweis gibt für die außerordentlich ungünstige Auswirkung, die die um ein Vielfaches größere Masse des Wälzlagerringes, bezogen auf die Masse von 5 bis 15% der umlaufenden Nase, beim Erwärmen bzw. Härten auf den Temperaturverlauf der zu härtenden Bereiche ausübt

Die bekannten, für andere Anwendungsfälle einsetzbaren Induktoren lassen keinen derart unterschiedlichen Übergangsbereich, bezogen auf die beiden vorgenannten Flächen, Nase und Wälzlagerring, erkennen, wie beim Anmeldungsgegenstand.

Z. B. treten beim Einsetzen eines Induktors mit einer dem Werkstück angepaßten Form ähnlich dem Induktor gemäß Pos. 22 in Tafel 7 der Literaturstelle »Lozinskii, M.G. ...« bezogen auf das Beispiel des Wälzlagerringes mit umlaufender Nase die nachfolgenden Schwierigkeiten auf: Bei einer induktiven Wärmezufuhr, die die gewünschte Erwärmung an der vorderen Laufbahnfläche erzielt, reicht die Wärmezufuhr im Übergangsbereich zum Flansch nicht aus. da die eingeführte Wärme sofort in die große, nicht erwärmte Masse des ansLhließenden Wälzlagerringes abfließt.

Wenn der Induktionsstrom so eingestellt wird, daß eine gewünschte Erwärmung im Übergangsberdch erzielt wird, wird die vordere Laufbahnfläche derart überhitzt, daß eine Härtung in diesem Bereich nicht das erforderliche feinkörnige Gefüge erreicht. Diese Überhitzung wird dadurch hervorgerufen, daß die eingeführte Wärme aus der Masse der Nase nicht in dem Maße abfließen kann, wie dieses in den angrenzenden Härtebereichen geschieht.

Die Aufgabe, die sich die Erfindung stellt, wird bei einem Induktor der eingangs näher bezeichneten Gattung dadurch gelöst, daß der sich im wesentlichen in axialer Richtung auf dem Umfang des Wälzlagerringes erstreckende Induktor in einer sich in der radialen Schnittebene des Wälzlagerringes darstellenden Ansicht U-förmig mit nach innen zu den Übergangsberreichen hin leicht geneigten, außen durch einen Steg miteinander verbundenen Schenkeln ausgebildet ist, an deren freien Enden sich Konzentratoren tragende abgewinkelte Flansche anschließen und bei dem der Kopplungsabstand zwischen dem Steg und der radialen Laufbahnfläche der Nase am größten, zwischen den Schenkeln und den axialen Laufbahnflächen kleiner und zwischen den Flanschen und den Übergangsbereichen am kleinsten ist.

Handelt es sich bei den Wälzlagerringen um solche mit einem besonders großen Querschnitt einschließlich der umlaufenden Nase, so kann in weiterer Ausgestaltung des Erfindungsgedankens der Induktor in der Weise abgewandelt werden, daß zusätzlich im Bereich des die beiden Schenkel verbindenden Steges ein weiterer Konzentrator vorgesehen ist.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß beim Härten von umlaufenden im Querschnitt rechteckigen Nasen an Wälzlagerringen mit dem erfindungsgemäßen Induktor keine inneren Spannungen mehr auftreten, die so unterschiedlich oder so stark sind, daß die Nase sich gegenüber dem Wälzlagerring verwirft bzw. das Härterisse in der Nase bzw. im Übergangsbereich zum Wälzlagerring auftreten. Weiterhin vorteilhaft gegenüber dem Härten von Laufbahnflächen an Nasen von Wälzlagerringen, bei dem die verschiedenen Laufbahnflächen einzeln nacheinander gehärtet werden, ergibt sich mit dem Induktor nach der Erfindung eine Härtezeitersparnis von nahezu 60%. Daneben wird eine wesentliche Energieersparnis erzielt, die teilweise sogar überraschenderweise weniger Energie benötigt als zum Härten nur einer Laufbahnfläche nach dem bisherigen Verfahren.

Patentschutz wird nur begehrt jeweils für die Gesamtheit der Merkmale eines jeden Anspruches, also einschließlich seiner Rückbeziehungen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen schematisch dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 einen Induktor in Ansicht gemäß Linie 1-1 der F i g. 2 und

F i g. 2 den induktor in Seitenansicht zusammen mit einem Wälzlager-Nasenring (Teilschnitt).

Eine Induktionsspule 10 von in etwa U-förmiger Gestalt zeigt leicht nach innen geneigte Schenkel 11 — miteinander durch einen Steg 12 verbunden — an deren freien Enden sich nach auswärts abgewinkelte Flansche 13 anschließen. Diese Induktionsspule 30 umfaßt -m Abstand eine an einem Wälzlagerring 14 umlaufende im Querschnitt rechteckige Nase 15, deren Begrenzungsflächen teilweise als l.aufbahnflächen 16, 17, 18 für drei Wälzkörperreihen dienen. So nimmt die Laufbahnfläche 16 die die radialen Kräfte übertragenden Wälzkörper auf, und die Laufbahnllachen 17,18 sind als axiale Haltebzw. Traglauibahn vorgesehen.

Der Kopplungsabstand, der Abstand zwischen Werkstück und stromführendem Leiter, ist nicht konstant gehalten. Ein Verändern dieses Kopplungsabstandes beeinflußt die Intensität des Induktionsfeldes, so daß man gehalten ist, eine derartige Veränderung des Kopplungsabs'.andes vorzunehmen, soll eine für sämtliche zu härtenden Laufbahnflächen gleichmäßige und gleichzeitige Wärmezufuhr erfolgen. So ist dann im Übergangsbereich 19 der Nase 15 und des Wälzlagerringes 14 der Kopplungsabstand 20 am geringsten und wird im Bereich der abgewinkelten Flansche 13 beibehalten. Der Kopplungsabstand 21 zwischen den Schenkeln 11 und der korrespondierenden Laufbahnfläche 17 bzw. 18 der Nase 15 nimmt vom Übergangsbereich 19 an allmählich zu und bedingt somit die leicht nach innen geneigten Schenkel 11. Der Kopplungsabsland nimmt seinen Größtwert 22 im Bereich des Steges 12 an. In dem Ausführungsbeispiel bewegen sich die Kopplungsabstände in der Größenordnung von 1 mm bis 4 mm. Sie ändern sich jedoch nach den gestellten Forderungen hinsichtlich der Härte der Laufbahnflächen 16, 17, 18 des Querschnittes der Na^e 15 und des Materials.

Um ein Verstärken des Induktionsfeldes zu erreichen, sind an den Flanschen 13 Konzentratoren 23, 24 vorgesehen. Für diese Konzentratoren sind Elektrobleche, wie Dynamobleche, Trafobleche oder auch Hochfrequenzbleche bzw. Hochfrequenzeisen verwendbar.

Bei Nasen mit größerem Querschnitt in Verbindung mit größeren Wälzlagerringen kann zusätzlich zu den beiden Konzentratoren 23, 24 an den Flanschen 13 noch ein weiterer Konzentrator (nicht dargestellt) angebracht werden, und zwar im Bereich des Steges 12.

Über ein Zulaufrohr 25 und ein Ablaufrohr 26, getrennt durch eine Isolierung 27, erfolgen Kühlung und

Energiezufuhr der mit ihnen verbundenen Induktionsspule. Als Material ist wie auch für die Induktionsspule Kupfer eingesetzt. Die Induktionsspule 10 weist nur eine Windung auf, wie dies beim Induktionshärten mit Mittelfrequenz üblich ist.

Den sich bei Anwendung dieses Verfahrens und beim Einsatz des Induktors ergebenden Verlauf der Härtezone zeigt die beispielsweise eingezeichnete Härte-Tiefen-Linie

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Induktor zum Erwärmen einer an einem Wälzlagerring umlaufenden, im Längsschnitt rechteckigen, eine radiale und zwei axiale Laufbahnflächen aufweisenden Nase, deren sich im radialen Schnitt darstellende Querschnittsfläche etwa 5 bis 15% der Querschnittsfläche des Wälzlagerringes beträgt, mit einem gleichmäßigen Temperaturverlauf für die zu härtenden Laufbahnflächen und die Übergangsbereiche der Nase zum Wälzlagerringkörper, dadurch gekennzeichnet, daß der sich im wesentlichen in axialer Richtung auf dem Umfang des Wälzlagerringes (14) erstreckende Induktor (10) in einer sich in der radialen Schnittebene des Wälzlagerringes darstellenden Ansicht U-förmig mit nach innen zu den Übe-gangsbereichen (19) hin leicht geneigten, außen durch einen Steg (12) miteinander verbundenen Schenkeln (11) ausgebildet ist, an deren freien Enden sich Konzentratoren (23, 24) tragende abgewinkelte Flansche (13) anschließen und bei dem der Kopplungsabstand zwischen dem Steg (12) und der radialen Laufbahnfläche (16) der Nase (15) am größten, zwischen den Schenkeln (II) und den axialen Laufbahnflächen (17, 18) kleiner und zwischen den Flanschen (13) und den Übergangsbereichen (19) am kleinsten ist.

2. Induktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich im Bereich des die beiden Schenkel (11) verbindenden Steges (12) ein weilerer Konzentrator vorgesehen ist.