WALZLAGER, INSBESONDERE VOLLWÄLZKÖRPERIGES KUGEL-, ROLLEN- ODER NADELLAGER, MIT WÄLZKÖRPERN AUS EINER FORMGEDÄCHTNISLEGIERUNG

Beschreibung

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Wälzlager nach den oberbegriffsbildenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 , und sie ist insbesondere vorteilhaft an vollwälzkörperi- gen Kugel-, Rollen- oder Nadellagern realisierbar.

Hintergrund der Erfindung

Dem Fachmann in der Wälzlagertechnik ist es allgemein bekannt, dass voll- wälzkörperige Wälzlager im Wesentlichen aus einem äußeren Lagerring und aus einem inneren Lagerring sowie aus einer Anzahl zwischen den Lagerringen angeordneten Wälzkörpern bestehen, die auf einer Laufbahn des äußeren La¬ gerrings und auf einer Laufbahn des inneren Lagerrings ohne Käfigführung zueinander abrollen. Da derartige Wälzlager sich durch eine hohe Tragfähigkeit auszeichnen und neben Radialkräften auch Axialkräfte in beiden Richtungen aufnehmen sollen, müssen diese sowohl am äußeren als auch am inneren La- gerring eine seitliche Begrenzung ihrer Laufbahnen durch Borde aufweisen, an denen sich die Wälzkörper zur Kraftübertragung abstützen können. Werden diese Borde dabei als einstückig mit den Lagerringen verbundene, umlaufend

durchgehende Borde ausgebildet, ist es konstruktionsbedingt jedoch nicht mög¬ lich, das Wälzlager vollständig ohne Zwischenräume mit Wälzkörpern zu befül- len.

Zur Beseitigung dieses Mangels ist es daher bekannt geworden, an einer Seite des Wälzlagers in den sich gegenüberliegenden Borden des äußeren und des inneren Lagerrings eine der Form der Wälzkörper entsprechende Aussparung als Einfüllöffnung anzuordnen, durch welche hindurch die Wälzkörper in das Wälzlager eingefüllt und verteilt werden. Diese Einfüllöffnung bleibt jedoch in aller Regel unverschlossen und hat demzufolge den Nachteil, dass die Wälz¬ körper im Lagerbetrieb immer an dieser Einfüllöffnung vorbeilaufen müssen. Insbesondere bei Rillenkugellagern, bei denen die Einfüllöffnung in die Lauf¬ bahnen der Wälzkörper einmündet, hat dies jedoch zur Folge, dass es zu ei¬ nem „Hängen bleiben" oder Verklemmen der Wälzkörper an dieser Einfüllöff- nung kommen kann, vor allem dann, wenn Axialkräfte die Wälzkörper gegen die mit der Einfüllöffnung versehenen Borde des Wälzlagers drücken.

Durch die DE 24 07 477 A1 wurde es deshalb vorgeschlagen, die Einfüllöff¬ nung in den Borden dar Lagerringe nach dem Befüllen des Wälzlagers mit den Wälzkörpern derart wieder zu verschließen, dass die zuvor über eine gefräste Sollbruchkerbe aus den Borden der Lagerringe herausgebrochenen Ver¬ schlussstücke durch Kleben oder Schweißen wieder in die Borde eingesetzt werden. Eine solche Art des Verschließens der Einfüllöffnung soll zwar den Vorteil haben, dass die Verschlussstücke gegenüber der Bordführungsfläche keine Kanten bilden, an denen es zu einem „Verhaken" der Wälzkörper oder zu einem Abschaben ihrer Stirnflächen kommen kann, dennoch können sich durch das Einkleben oder Verschweißen der Verschlussstücke an der Bordführungs¬ fläche nachteilige Grate oder Klebstoffüberschüsse bilden, durch die es nach wie vor zu einem solchen „Verhaken" der Wälzkörper oder zu einem Abscha- ben ihrer Stirnflächen kommen kann. Darüber hinaus stellt die Verbindungsstel¬ le der Verschlussstücke gegenüber dem restlichen Bord immer eine Schwach¬ stelle in Bezug auf deren Festigkeit dar, so dass derartige Wälzlager in eine Richtung nur begrenzt axial belastbar sind.

Eine weitere Möglichkeit zur Schaffung eines vollwälzkörperigen Wälzlagers wird darüber hinaus in der DE 102 20 419 A1 offenbart. Bei diesem als Zylin¬ derrollenlager ausgebildeten Wälzlager weist nur die Laufbahn des äußeren oder des inneren Lagerrings zwei einstückig mit diesem verbundene seitliche Borde auf, während die Laufbahn des jeweils anderen Lagerrings lediglich an einer Seite durch einen solchen Bord begrenzt wird. Der zweite Bord dieses Lagerrings wird dabei durch ein separates Bauteil gebildet, das nach dem Be- füllen des Wälzlagers mit den Zylinderrollen von der bordlosen Seite des einen Lagerrings her in eine umlaufende Radialnut im Randbereich der Laufbahn dieses Lagerrings eingeschnappt wird.

Nachteilig bei einem solchen Wälzlager ist es jedoch, dass der als separates Bauteil ausgebildete Bord und dessen Befestigung am entsprechenden Lager¬ ring zusätzlichen Fertigungs- und Montageaufwand erfordert, der die Herstel- lungskosten für das Wälzlager nachteilig erhöht. Außerdem stellt auch hier der separat befestigte Bord eine Schwachstelle in Bezug auf dessen Festigkeit gegenüber den einstückig mit den Lagerringen verbundenen übrigen Borden des Lagers dar, so dass auch ein derart ausgebildetes Wälzlager in eine Axial¬ richtung nur begrenzt belastbar ist.

Aufgabe der Erfindung

Ausgehend von den dargelegten Nachteilen der Lösungen des bekannten Standes der Technik liegt der Erfindung deshalb die Aufgabe zu Grunde, ein Wälzlager, insbesondere ein vollwälzkörperiges Kugel-, Rollen- oder Nadella¬ ger, zu konzipieren, welches ohne Schwächung der seitlichen Borde an den Laufbahnen der Lagerringe vollständig ohne Zwischenräume mit Wälzkörpern befüllbar und in beide Axialrichtungen gleichstark belastbar ist.

Beschreibung der Erfindung

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei einem Wälzlager nach dem Oberbeg¬ riff des Anspruchs 1 derart gelöst, dass sowohl die Laufbahn des äußeren La-

gerrings als auch die Laufbahn des inneren Lagerrings seitlich durch je zwei einstückig mit diesen verbundene, umlaufend durchgehende Borde begrenzt werden, wobei die Befüllung des Wälzlagers mit den Wälzkörpern durch den Freiraum zwischen einem Bord des äußeren Lagerrings und einem Bord des inneren Lagerrings hindurch mit zumindest einer Teilmenge an Wälzkörpern aus einer Formgedächtnislegierung erfolgt, die im Querschnitt auf das Maß des Freiraums zwischen den Führungsborden der Lagerringe deformiert sind und nach dem Einsetzen in das Wälzlager beim Erreichen einer vorbestimmten Temperatur selbsttätig ihre der Form der übrigen Wälzkörper entsprechende Ursprungsform annehmen.

So genannte Formgedächtnislegierungen oder auch Memory-Legierungen sind seit langem Gegenstand der anwendungsorientierten Materialforschung und zeichnen sich dadurch aus, dass sie nach geeigneter Behandlung auf Grund einer Umwandlung vom Austenit zum Martensit ihre Gestalt in Abhängigkeit von der Temperatur oder auch von Druck verändern. In ihrer Tieftemperaturform können Werkstücke aus solchen Legierungen bleibend, das heißt scheinbar plastisch, verformt werden, während sie bei Erwärmung über die Umwand¬ lungstemperatur ihre ursprüngliche Form wieder annehmen. Werden diese Werkstücke erneut abgekühlt, können sie erneut plastisch verformt werden, nehmen aber, sofern sie entsprechend erwärmt werden, unter Rückkehr ihrer Mikrostruktur zum Austenit wieder ihre makroskopische, ursprüngliche Hoch¬ temperaturform an. Beim Formgedächtnisverhalten kann man grundsätzlich zwischen dem Einwegeffekt und dem Zweiwegeeffekt unterscheiden. Beim Einwegeffekt nimmt ein Material, das bei einer tiefen Temperatur verformt wur¬ de, seine ursprüngliche Form wieder an, wenn es auf eine höhere Temperatur erhitzt wurde. Das Material erinnert sich gewissermaßen beim Aufheizen an seine ursprüngliche Form und behält diese auch bei einer nachfolgenden Ab¬ kühlung bei. Als Zweiwegeeffekt bezeichnet man dagegen die Erscheinung, bei der sich das Material sowohl bei Temperaturerhöhung als auch bei Abkühlung an seine eintrainierte Form erinnert, das heißt eine Form bei einer hohen Tem¬ peratur und eine andere Form bei einer tiefen Temperatur.

Da derartige Formgedächtnislegierungen aufgrund ihrer hochwertigen Legie¬ rungsbestandteile jedoch relativ kostenintensiv sind, wird es in weiterer Ausges¬ taltung des erfindungsgemäß ausgebildeten Wälzlagers vorgeschlagen, dass die Anzahl der aus einer Formgedächtnislegierung bestehenden Wälzkörper lediglich bevorzugt etwa der Hälfte der Gesamtanzahl der Wälzkörper des Wälzlagers entspricht. Die aus einer Formgedächtnislegierung bestehenden Wälzkörper sind dabei bevorzugt zwischen den übrigen Wälzkörpern des Wälz¬ lagers gleichmäßig umfangsverteilt angeordnet, wobei in einer besonders be¬ vorzugten Ausführungsform zwischen jeweils zwei herkömmlichen Wälzkörpern jeweils ein Wälzkörper aus einer Formgedächtnislegierung angeordnet ist.

Eine solche Anzahl und Anordnung der Wälzkörper aus einer Formgedächtnis¬ legierung hat sich besonders vorteilhaft erwiesen, da das Befüllen des erfin¬ dungsgemäß ausgebildeten Wälzlagers mit den herkömmlichen Wälzkörpern aus einem Wälzlagerstahl aufgrund seiner durchgehenden Borde an den La¬ gerringen zunächst in an sich bekannter Weise erfolgen muss. Dabei werden die Lagerringe als erstes exzentrisch zueinander angeordnet und anschließend wird der entstehende freie sichelförmige Raum zwischen den Lagerringen mit den herkömmlichen Wälzkörpern gefüllt. Danach wird der innere Lagerring zwi- sehen dem ersten und dem letzten Wälzkörper unter Ausnutzung der Elastizität beider Lagerringe in die zum Außenring konzentrische Stellung gebracht und abschließend werden die Wälzkörper auf dem Umfang ihrer Laufbahnen gleichmäßig verteilt. Vorteilhafterweise ist die Größe und die Anzahl der her¬ kömmlichen Wälzkörper dabei so bemessen, dass zwischen jeweils zwei dieser Wälzkörpern ein Zwischenraum entsteht, dessen Größe ausreicht, um diesen als letzten Schritt der Wälzlagermontage jeweils mit einem weiteren Wälzkörper aus einer Formgedächtnislegierung zu füllen. Denkbar wäre es jedoch auch, die herkömmlichen Wälzkörper auf dem Umfang ihrer Laufbahnen so zu vertei¬ len, dass jeweils zwei oder mehr dieser Wälzkörper unmittelbar nacheinander angeordnet sind und der entstehende Zwischenraum mit einer gleichen Anzahl nacheinander angeordneter Wälzkörper aus einer Formgedächtnislegierung befüllt wird.

In zweckmäßiger Weiterbildung des erfindungsgemäß ausgebildeten Wälzla¬ gers wird es des weiteren vorgeschlagen, dass die aus einer Formgedächtnis¬ legierung bestehenden Wälzkörper bevorzugt aus einer Nickel-Titan-Legierung mit Ein- oder Zweiwegcharakteristik ausgebildet sind, die in ihrer martensitische Niedrigtemperaturphase leicht verformbar ist und beim Übergang in deren austenitische Hochtemperaturphase ihre ursprüngliche Fertigungsform an¬ nimmt. Bei Verwendung einer Nickel-Titan-Legierung mit Einwegcharakteristik verbleiben die Wälzkörper nach ihrem Übergang in deren austenitische Hoch¬ temperaturphase in ihrer ursprünglichen Fertigungsform und das Wälzlager ist nicht mehr demontierbar. Die Verwendung einer Nickel-Titan-Legierung mit Zweiwegcharakteristik hat dagegen den Vorteil, das diese sich sowohl an ihre Form in der Niedrigtemperaturphase als auch an ihre Form in der Hochtempe¬ raturphase „erinnert", so dass die Wälzkörper bei einer Abkühlung des Wälzla¬ gers auf die Niedrigtemperatur der Formgedächtnislegierung zum Zwecke der Demontage des Wälzlagers ihre deformierte Form wieder annehmen und somit problemlos aus dem Wälzlager entfernbar sind.

Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform eines erfindungsgemäß ausge¬ bildeten Wälzlagers ist es dabei, wenn sowohl die martensitische Niedrigtempe- raturphase als auch die austenitische Hochtemperaturphase der Formgedächt¬ nislegierung für die Wälzkörper außerhalb der typischen Betriebstemperaturen des Wälzlagers festgelegt ist. Bei einem erfindungsgemäß ausgebildeten Ril¬ lenkugellager für eine Werkzeugmaschinenspindel oder dergleichen wird die Niedrigtemperaturphase der Formgedächtnislegierung beispielsweise etwa bei Stickstoff-Siedetemperatur (-77 ⁰ C) und die Hochtemperaturphase etwa am Gefrierpunkt von Wasser (O ⁰ C) festgelegt, so dass es im Betrieb des Kugella¬ gers ausgeschlossen ist, dass sich die Lagerkugeln durch äußere Temperatur¬ einflüsse und einen damit verbundenen selbsttätigen Übergang von der auste- nitischen Hochtemperaturphase der Formgedächtnislegierung in deren marten- sitische Niedrigtemperaturphase oder umgekehrt in unerwünschter Weise ver¬ formen. Die jeweiligen Übergangstemperaturen der Formgedächtnislegierung sind jedoch individuell einstellbar und können somit den jeweils zu erwartenden Betriebsbedingungen des Wälzlagers entsprechend angepasst werden.

Das erfindungsgemäß ausgebildete vollwälzkörperige Wälzlager weist somit gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten vollwälzkörperigen Wälzlagern den Vorteil auf, dass es durch die teilweise Verwendung von Wälz¬ körpern aus einer Formgedächtnislegierung in üblicher Weise sowohl an der Laufbahn des äußeren Lagerrings als auch an der Laufbahn des inneren La¬ gerrings mit je zwei einstückig mit diesen verbundenen, umlaufend durchge¬ henden Borden ausgebildet werden kann und dennoch vollständig ohne Zwi¬ schenräume mit Wälzkörpern befüllbar ist. Dadurch weist das erfindungsgemäß ausgebildete Wälzlager eine sehr hohe Tragfähigkeit auf und ist zugleich in beide Axialrichtungen gleichstark belastbar.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäß ausgebildeten Wälz- lagers wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen:

Figur 1 eine Seitenansicht eines erfindungsgemäß ausgebildeten Zy¬ linderrollenlagers;

Figur 2 die vergrößerte Darstellung eines Teilquerschnitts durch ein er¬ findungsgemäß ausgebildetes Zylinderrollenlager.

Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen

Aus den Figuren 1 und 2 geht deutlich ein als vollrolliges Zylinderrollenlager ausgebildetes Wälzlager 1 hervor, welches im Wesentlichen aus einem äuße¬ ren Lagerring 2 und aus einem inneren Lagerring 3 sowie aus einer Anzahl zwischen den Lagerringen 2, 3 angeordneten Wälzkörpern 4, 5 besteht, die auf einer Laufbahn 6 des äußeren Lagerrings 2 und auf einer Laufbahn 7 des inne¬ ren Lagerrings 3 ohne Käfigführung zueinander abrollen.

Das in den Figuren 1 und 2 abgebildete Wälzlager 1 ist dabei deutlich sichtbar

in der Form erfindungsgemäß ausgebildet, dass sowohl die Laufbahn 6 des äußeren Lagerrings 2 als auch die Laufbahn 7 des inneren Lagerrings 3 seitlich durch je zwei einstückig mit diesen verbundene, umlaufend durchgehende Bor¬ de 8, 9 und 10, 11 begrenzt werden und das Wälzlager 1 dennoch ohne Ein- füllnut od. dgl. vollständig mit als Zylinderrollen ausgebildeten Wälzkörpern 4, 5 befüllt ist.

Die Befüllung des Wälzlagers 1 mit den Wälzkörpern 4, 5 erfolgt dabei durch den Freiraum 12 zwischen einem Bord 9 des äußeren Lagerrings 2 und einem Bord 11 des inneren Lagerrings 3 hindurch mit zumindest einer Teilmenge an Wälzkörpern 5 aus einer Formgedächtnislegierung, die, wie in Figur 1 zu sehen ist, im Querschnitt auf das Maß des Freiraums 12 zwischen den Borden 9, 11 der Lagerringe 2, 3 ellipsenförmig deformiert sind. Die ausgebrochene Teilan¬ sicht in Figur 1 macht dabei deutlich, dass diese Wälzkörper 5 nach dem Ein- setzen in das Wälzlager 1 beim Erreichen einer vorbestimmten Temperatur selbsttätig ihre der Form der übrigen Wälzkörper 4 entsprechende Ursprungs¬ form annehmen, so dass ein sowohl radial als auch axial hochbelastbares voll- rolliges Zylinderrollenlager entsteht.

Die Anzahl der aus einer Formgedächtnislegierung bestehenden Wälzkörper 5 entspricht dabei, wie ebenfalls aus Figur 1 entnehmbar ist, etwa der Hälfte der Gesamtanzahl aller Wälzkörper 4, 5 des Wälzlagers 1 , wobei die aus einer Formgedächtnislegierung bestehenden Wälzkörper 5 zwischen den übrigen Wälzkörpern 4 des Wälzlagers 1 gleichmäßig umfangsverteilt angeordnet sind.

Lediglich andeutungsweise bringen die Figuren 1 und 2 noch zum Ausdruck, dass die aus einer Formgedächtnislegierung bestehenden Wälzkörper 5 aus einer Nickel-Titan-Legierung mit Zweiwegcharakteristik ausgebildet sind, die in ihrer martensitische Niedrigtemperaturphase leicht verformbar ist und beim Übergang in deren austenitische Hochtemperaturphase ihre ursprüngliche Fer¬ tigungsform annimmt. Sowohl die martensitische Niedrigtemperaturphase als auch die austenitische Hochtemperaturphase dieser Formgedächtnislegierung sind dabei derart außerhalb der typischen Betriebstemperaturen des Wälzla-

gers 1 festgelegt, dass die Niedrigtemperaturphase der Formgedächtnislegie¬ rung bei einer etwa der Stickstoff-Siedetemperatur entsprechenden Temperatur von -77 ⁰ C liegt, während die Hochtemperaturphase der Formgedächtnislegie¬ rung bei einer etwa dem Gefrierpunkt von Wasser entsprechenden Temperatur von 0°C angeordnet ist. Beim Einsatz eines derart ausgebildeten Zylinderrollen¬ lagers im Antrieb einer Werkzeugmaschine ist es somit ausgeschlossen, dass sich die Zylinderrollen durch äußere Temperatureinflüsse und einen damit ver¬ bundenen selbsttätigen Übergang von der austenitischen Hochtemperaturpha¬ se der Formgedächtnislegierung in deren martensitische Niedrigtemperatur- phase oder umgekehrt in unerwünschter Weise verformen. Gleichzeitig ist ein solches Zylinderrollenlager durch Abkühlung auf Stickstoff-Siedetemperatur und die damit verbundene elliptische Rückverformung der Zylinderrollen wieder demontierbar.

Bezugszahlenliste

1 Wälzlager

2 äußerer Lagerring 3 innerer Lagerring

4 Wälzkörper

5 Wälzkörper

6 Laufbahn von 2

7 Laufbahn von 3 8 Bord von 2

9 Bord von 2

10 Bord von 3

11 Bord von 3

12 Freiraum