DE4234303A1 - Wälzlager mit verbesserter Wärmeabfuhr - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Wälzlager mit verbesserter Wärmeabfuhr, bestehend aus einem äußeren Laufring, einem inneren Laufring und dazwischen angeordneten, auf zugehörigen Laufbahnen abrollenden Wälz­ körpern, vorzugsweise Zylinderrollen.

Die zulässige Drehzahl eines Wälzlagers wird in erster Linie durch seine Betriebstemperatur bestimmt. Die Betriebstemperatur wiederum wird durch das Reibungsverhalten des Wälzlagers beeinflußt. Reibung entsteht in einem Wälzlager durch Rollwiderstand zwischen Wälzkörpern und Laufbahnen, durch Schlupf zwischen Wälzkörper und Laufringen, durch Gleiten des Käfigs an den Wälzkörpern und auch an den Laufringen bei schultergeführten Massivkäfigen, durch Verdrängungs- und Walkwi­ derstand des Schmierstoffes sowie durch Gleiten der schleifenden Dichtungen bei abgedichteten Lagern.

Zur Abführung der Reibungswärme sind verschiedene Möglichkeiten be­ kannt.

So ist es seit langem allgemein üblich, zur Lagerkühlung eine Ölum­ laufschmierung vorzusehen, deren Durchflußgeschwindigkeit nach der abzuführenden Wärmemenge zu bemessen ist (W. Jürgensmeyer, "Die Wälz­ lager", Seite 333, Berlin, Verlag von Julius Springer, 1937).

Eine derartige Ölumlaufschmierung, die zweckmäßigerweise immer dort angewendet wird, wo bereits andere Maschinenelemente eine Ölschmierung erfordern, ist beispielhaft in der EP-OS 0 458 499 beschrieben. Die Wälzlagerung einer Werkzeugmaschinenspindel wird über eine zentrale Bohrung in der Spindel und radiale Durchtrittsbohrungen mit Schmier­ mittel versorgt und dabei gleichzeitig gekühlt.

Zwar läßt sich einerseits mit einer derartigen Ölumlaufschmierung eine gute Wärmeabfuhr und damit eine relativ hohe Lagerdrehzahl erreichen, andererseits haben jedoch Untersuchungen ergeben, daß bei einer mini­ malen Schmierung aufgrund geringerer Verdrängungs- und Walkwiderstände des Schmierstoffes die Verlustleistung im Lager geringer und damit die Wärmeerzeugung ebenfalls kleiner ist. Bei einem Wälzlager mit einer solchen minimalen Schmierung erfolgt die Wärmeabfuhr hauptsächlich durch Wärmeleitung über Gehäuse und Welle und ist daher verhältnis­ mäßig gering.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Wälzlager zu entwickeln, das auch bei einer minimalen Schmierung eine gute Wärmeabfuhr ermöglicht und somit höhere Drehzahlen erlaubt.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß die Wärmeabfuhr durch innerhalb des Lagers angeordnete Wärmerohre erfolgt.

Das Prinzip des Wärmerohres ist allgemein bekannt und besteht darin, daß in einem geschlossenen Rohr aus temperaturbeständigem Werkstoff eine durch Wärmezufuhr verdampfte Flüssigkeit an einer kühleren Stelle ihre Kondensationswärme an die Umgebung abgibt.

Die bei dem Betrieb des Wälzlagers entstehende Reibungswärme wird als Verdampfungswärme zur Überführung der Atome bzw. Moleküle des Kühlme­ diums in den Dampfraum aufgewendet, durch Kondensation des Dampfes an einer kühleren Stelle als Kondensationswärme wieder freigesetzt, an die Umgebungsluft abgegeben und somit dem System entzogen.

Auf diese Weise läßt sich die Temperatur eines Wälzlagers trotz mini­ maler Schmierung in einfacher Weise effektiv begrenzen. Die Tempera­ turbegrenzung wiederum ist eine Voraussetzung für das Erreichen einer wesentlich höheren Drehzahl. Man erreicht mit dem Wärmerohr einen Wärmetransport, der in Größenordnungen über dem Wert der Wärmeleitung von metallischen Wärmeleitern liegt. Nach Literaturangaben ist die Wärmeleitfähigkeit eines Wärmerohres bis zu vier Zehnerpotenzen größer als die Wärmeleitfähigkeit metallischer Wärmeleiter.

Durch die Vielzahl an vorhandenen Kühlflüssigkeiten mit unterschiedli­ chen Siedepunkten kann der Arbeitsbereich des Wärmerohres und damit der Temperaturbereich des Wälzlagers festgelegt werden.

Weitere vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche 2 bis 8 und werden im folgenden näher beschrieben.

So sollen nach Anspruch 2 die Wärmerohre in einer zentrischen Bohrung der Wälzkörper angeordnet sein. Diese Kombination von Wälzkörper und Wärmerohr hat den Vorteil, daß die Anzahl der Teile im Wälzlager begrenzt ist, d. h. zwischen den Laufbahnen der Laufringe rollen nur die Wälzkörper ab. Die Befestigung der Wärmerohre im Wälzkörper er­ folgt durch eine leichte Presspassung oder durch Kleben.

Aus Anspruch 3 geht hervor, daß die Wärmerohre innerhalb des Teil­ kreises zwischen den Wälzkörpern angeordnet sein sollen. Die Wärmeroh­ re haben dabei direkten Flächenkontakt mit dem Innenring und den Wälzkörpern und führen so wirkungsvoll die entstehende Reibungswärme ab. Diese Variante ist insofern von besonderer Bedeutung, da der Innenring eines Wälzlagers gegenüber dem Außenring thermisch stärker belastet ist als dieser.

Bei einer vergleichsweise geringen Lagerdrehzahl werden die Wärmerohre gleitend durch das Lager geschoben, während sie sich bei einer erhöh­ ten Lagerdrehzahl bedingt durch die Fliehkraft vom inneren Laufring abheben und durch den Antrieb von zwei benachbarten Wälzkörpern kine­ matisch sauber abrollen.

Natürlich ist es prinzipiell auch möglich, daß die Wärmerohre außer­ halb des Teilkreises zwischen den Wälzkörpern angeordnet sind. In diesem Fall rollen die Wärmerohre bei einer niedrigen Lagerdrehzahl sauber ab, während sie bei einer erhöhten Lagerdrehzahl am Außenring gleitend geschoben werden.

Anspruch 4 ist zu entnehmen, daß die Wärmerohre mit einem ringförmigen Bund versehen sein sollen, der in einer Nut des inneren Laufringes geführt ist. Durch diesen ringförmigen Bund wird eine axiale Fixierung der Wärmerohre ermöglicht, die ein sicheres Gleiten bzw. Abrollen des Wärmerohres im Wälzlager gewährleisten.

Wird, wie bereits beschrieben, die Anordnung der Wärmerohre außerhalb des Teilkreises zwischen den Wälzkörpern vorgenommen, ist der Außen­ ring mit einer kreisringförmigen Nut zur Aufnahme des Bundes der Wärmerohre zu versehen.

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung nach Anspruch 5 sollen die Wärmerohre kreisringförmig ausgebildet sein und an einer Stirnseite des inneren oder äußeren Laufringes angeordnet sein. Diese Variante ist dann von Bedeutung, wenn beispielsweise bei einem axial belasteten Zylinderrollenlager durch Gleitreibung die Borde der Laufringe ther­ misch stark beansprucht werden. Durch eine derartige Ausgestaltung des Wärmerohres kann in diesem Falle die Reibungswärme direkt an ihrer Entstehungsstelle abgeführt werden.

In Weiterbildung der Erfindung nach den Ansprüchen 6 und 7 ist vor­ gesehen, daß in die Rohrinnenwand des Wärmerohres feinste Rillen eingefräst sind bzw. im Inneren des Wärmerohres ein Docht angeordnet ist. Durch diese Ausgestaltung der Wärmerohre wird erreicht, daß bei unterschiedlichen Einbaufällen des Wälzlagers die Rückleitung der kondensierten Flüssigkeit unabhängig von der Schwerkraft erfolgt. In beiden Fällen erfolgt die Rückleitung der kondensierten Flüssigkeit durch Kapillarwirkung.

Schließlich ist Anspruch 8 zu entnehmen, daß der Kondensationsteil des Wärmerohres mit Kühlrippen versehen ist. Durch eine derartige Flächen­ vergrößerung wird ein schnelleres Weiterleiten der aus dem Wälzlager abgeführten Wärme an die Umgebungsluft erreicht.

Die Erfindung wird an nachstehenden Ausführungsbeispielen näher erläu­ tert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Draufsicht auf ein Wärmerohr, teilweise geschnit­ ten;

Fig. 2 eine Seitenansicht eines Wärmerohres;

Fig. 3 eine Seitenansicht eines Wälzlagers mit zentrischer Anordnung der Wärmerohre in den Wälzkörpern;

Fig. 4 einen Querschnitt durch ein Wälzlager entlang der Linie IV-IV in Fig. 3;

Fig. 5 eine Seitenansicht eines Wälzlagers mit Anordnung der Wärmerohre zwischen den Wälzkörpern innerhalb des Teilkreises;

Fig. 6 einen Querschnitt durch ein Wälzlager entlang der Linie VI-VI in Fig. 5;

Fig. 7 einen Querschnitt durch ein Wälzlager mit kreisring­ förmiger Ausbildung des Wärmerohres.

Zum besseren Verständnis der Erfindung und der Einfachheit halber wird zunächst anhand der Fig. 1 und 2 der Aufbau und die Wirkungsweise eines Wärmerohres erläutert.

Ein derartiges Wärmerohr 4 ist ein geschlossenes Rohr, das teilweise mit einer Kühlflüssigkeit gefüllt ist. Das Wärmerohr 4 ist in einen Verdampferteil 6 und in einen Kondensationsteil 7 untergliedert. Zur Vergrößerung der Kühlfläche ist der Kondensationsteil 7 in axialer Richtung mit Kühlrippen 8 versehen. Der Verdampferteil 6 des Wärmeroh­ res 4 ist innerhalb eines Wälzlagers an den Stellen angeordnet, an denen Reibungswärme entsteht, die abgeführt werden muß. Falls das Wärmerohr 4 zwischen den Wälzkörpern 3 innerhalb oder außerhalb des Teilkreises angeordnet ist, ist es zu seiner axialen Fixierung im Wälzlager mit einem kreisringförmigen Bund 5 versehen. Die Abmessungen des Wärmerohres 4 richten sich nach der Größe des entsprechenden Wälz­ lagers, in welches es integriert werden soll.

Die Wirkungsweise eines derartigen Wärmerohres 4 ist nun folgende. Der innerhalb des Wälzlagers direkt im Wälzkörper 3 oder im Zwischenraum zwischen den Wälzkörpern 3 angeordnete Verdampfungsteil 6 des Wärme­ rohres 4 wird durch die beim Betreiben des Wälzlagers entstehende Reibungswärme erwärmt. Durch diese Wärmezufuhr verdampft die Kühl­ flüssigkeit im Wärmerohr 4 und gibt an einer kühleren Stelle ihre Kondensationswärme an die Umgebung ab. Diese kühlere Stelle ist der mit Kühlrippen 8 versehene Kondensationsteil 7 des Wärmerohres 4, der durch sein Herausragen aus dem Wälzlager und durch dessen Bewegung intensiv mit Umgebungsluft beaufschlagt und damit abgekühlt wird.

Die Rückleitung der kondensierten Kühlflüssigkeit erfolgt abhängig vom Einbaufall des Wälzlagers durch die Schwerkraft, durch Kapillarwirkung von nicht dargestellten, in axialer Richtung in die Rohrinnenwand des Wärmerohres 4 eingefrästen feinen Rillen oder durch die Kapillarwir­ kung eines im Inneren des Wärmerohres vorhandenen Dochtes. Damit kann ein Wärmerohr 4 im schwerefreien Raum bzw. entgegen der Schwerkraft betrieben werden.

In den Fig. 3 und 4 ist ein vollrolliges Zylinderrollenlager mit Anordnung der Wärmerohre 4 in jeweils einer zentrischen Bohrung 9 der Wälzkörper 3 dargestellt. Wie Fig. 4 zu entnehmen ist, ist jeder Wälzkörper 3 in axialer Richtung mit einer durchgehenden zentrischen Bohrung 9 versehen, in die jeweils ein Wärmerohr 4 eingesetzt ist. Der Verdampferteil 6 des Wärmerohres 4 erstreckt sich dabei zweckmäßiger­ weise über die gesamte Länge der Wälzkörper 3, während der mit Kühl­ rippen 8 versehene Kondensationsteil 7 in einen Raum ragt, der durch einen sich gegenüberliegenden Bord 10 des äußeren Laufringes 1 und dem inneren Laufring 2 gebildet wird.

Bei diesem Anwendungsfall wird die im Lager durch Reibung erzeugte Wärme auf die Wälzkörper 3 übertragen und von dort mit Hilfe der in ihnen integrierten Wärmerohre 4 an die Umgebung abgegeben.

Bei dem in Fig. 5 und 6 dargestellten vollrolligen Wälzlager sind die Wärmerohre 4 innerhalb des Teilkreises in Zwischenräumen unterge­ bracht, die einerseits von zwei benachbarten Wälzkörpern 3 und ande­ rerseits von der Laufbahn des inneren Laufringes 2 begrenzt werden. Zur axialen Fixierung sind die Wärmerohre 4 mit einem kreisringförmi­ gen Bund 5 versehen, der in einer ebenfalls kreisringförmigen Nut 12 des inneren Laufringes 2 geführt ist.

In nicht dargestellter Weise ist es auch möglich, die Wärmerohre 4 außerhalb des Teilkreises in einem Raum unterzubringen, der von zwei benachbarten Wälzkörpern 3 und der Laufbahn des äußeren Laufringes 1 begrenzt wird. In diesem Fall wird der zur axialen Sicherung des Wärmerohres 4 erforderliche Bund 5 in einer Nut 12 geführt, die im äußeren Laufring 1 angebracht ist.

In einer besonderen Form ist das Wärmerohr 4 nach Fig. 7 als Kreis­ ring ausgebildet. Im Gegensatz zu den bisher beschriebenen Ausfüh­ rungsvarianten wird anstelle einer Vielzahl von Wärmerohren ein ein­ ziges Wärmerohr verwendet, das entsprechend größer dimensioniert ist.

Dieses vergrößerte kreisringförmige Wärmerohr 4 ist mit seiner Stirn­ seite in einer axialen Nut 13 im Bord 11 des inneren Laufringes 2 verankert. In Umfangsrichtung hintereinander sind auf der äußeren Mantelfläche des kreisringförmigen Wärmerohres 4 wiederum Kühlrippen 8 angeordnet, die aufgrund des erhöhten Flächenanteiles ein Abkühlen und damit Kondensieren des verdampften Kühlmittels beschleunigen.

Zweckmäßigerweise wird ein derartig ausgebildetes Wärmerohr 4 immer an dem Laufring 1, 2 angebracht, der mit dem Wälzlager rotiert. Durch die Rotation des entsprechenden Laufringes 1, 2 wird ein verbesserter Wärmeübergang von den Kühlrippen 8 auf die angrenzende Umgebungsluft erreicht.

Bezugszeichen

 1 äußerer Laufring
 2 innerer Laufring
 3 Wälzkörper
 4 Wärmerohr
 5 Bund
 6 Verdampferteil
 7 Kondensationsteil
 8 Kühlrippen
 9 zentrische Bohrung
10, 11 Bord
12, 13 Nut

Claims (8)

1. Wälzlager mit verbesserter Wärmeabfuhr, bestehend aus einem äußeren Laufring (1), einem inneren Laufring (2) und dazwischen angeordneten, auf zugehörigen Laufbahnen abrollenden Wälzkörpern (3), vorzugsweise Zylinderrollen, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeabfuhr durch innerhalb des Wälzlagers angeordnete Wärmerohre (4) erfolgt.

2. Wälzlager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärme­ rohre (4) in einer zentrischen Bohrung (9) der Wälzkörper (3) angeord­ net sind.

3. Wälzlager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärme­ rohre (4) innerhalb des Teilkreises zwischen den Wälzkörpern (3) angeordnet sind.

4. Wälzlager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärme­ rohre (4) mit einem ringförmigen Bund (5) versehen sind, der in einer Nut (12) des inneren Laufringes (2) geführt ist.

5. Wälzlager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Wärme­ rohr (4) kreisringförmig ausgebildet ist und an einer Stirnseite des inneren (2) oder äußeren Laufringes (1) angeordnet ist.

6. Wälzlager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in die Rohrinnenwand des Wärmerohres (4) feinste Rillen eingefräst sind.

7. Wälzlager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Inneren des Wärmerohres (4) ein Docht angeordnet ist.

8. Wälzlager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kon­ densationsteil (7) des Wärmerohres (4) mit Kühlrippen (8) versehen ist.