Verfahren zur Herstellung eines Wälzkörperkäfigs, Wälzkörperkäfig und

Wälzlager

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Wälzkörperkäfigs für ein Wälzlager. Daneben betrifft die Erfindung einen Wälzkörperkäfig und ein Wälzlager.

Hintergrund der Erfindung

Wälzlager umfassen mehrere Wälzkörper, beispielsweise Kugeln, Rollen oder Nadeln, die zwischen zwei Laufbahnen laufen. Um die Wälzkörper in Umfangs- richtung des Lagers voneinander zu beabstanden, werden Wälzkörperkäfige genutzt. Wälzkörperkäfige können beispielsweise gefertigt werden, indem ein mit Phenolharz imprägniertes Baumwollgewebe zu einem Rohr gewickelt wird, welches, insbesondere durch Spanen, weiterverarbeitet wird, um den Wälzkör- perkäfig herzustellen. Ein derartiger Käfig weist gute Notlaufeigenschaften, beispielsweise bei einem Ausfall der Schmierung des Lagers, auf. Seine Ausdehnung ist jedoch stark wärmeabhängig, er kann bei Feuchtigkeitsaufnahme quellen und er weist eine relativ geringe Steifigkeit auf. Aus diesen Gründen sind entsprechende Käfige nur für relativ geringe Drehzahlen geeignet, da für hohe Drehzahlen ein kleines Führungsspiel, das heißt ein kleiner Abstand zwischen dem Käfig und den Laufflächen, gewünscht ist. Dies ist aufgrund der beschriebenen Eigenschaften jedoch nur bedingt möglich. Zudem sind die Gestaltungsmöglichkeiten des Käfigs eingeschränkt, da aufgrund der Werkstoffeigenschaften ein relativ massiver Käfig erforderlich ist, um die benötigte Stabilität, Bruch- und Reißfestigkeit zu gewährleisten. Die beschriebenen Eigenschaften können teilweise verbessert werden, wenn andere Gewebe genutzt werden. Hierbei gehen jedoch zugleich die Vorteile der Bauwollfasern, insbesondere die guten Notlaufeigenschaften, verloren. Aufgabe der Erfindung

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines Wälzkörperkäfigs anzugeben, das eine weitere Verbesserung der Eigenschaften der Wälzkörper bei einer niedrigen Herstellungskomplexität ermöglicht.

Beschreibung der Erfindung

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zur Herstellung eines Wälzkörperkäfigs für ein Wälzlager gelöst, das die folgenden Schritte umfasst: - Bereitstellen von wenigstens zwei voneinander verschiedenen Bahnen aus einem mit einem jeweiligen Matrixmaterial vorimprägnierten jeweiligen Fasermaterial, die sich bezüglich des Fasermaterials und/oder des Matrixmaterials voneinander unterscheiden,

- Wickeln der Bahnen zu einem mehrschichtigen Rohr, wobei die Bahnen wäh- rend zumindest eines Zeitabschnitts des Wickelvorgangs gleichzeitig einer

Wickeleinrichtung zugeführt werden, durch die die gleichzeitig zugeführten Bahnen zu radial unmittelbar übereinanderliegenden Schichten des Rohres gewickelt werden,

- Ausbilden einer stoffschlüssigen Verbindung zwischen den Matrixmaterialien jeweils benachbarter Schichten während oder nach dem Wickeln des Rohres, und

- Bearbeiten des Rohres zur Bereitstellung des Wälzkörperkäfigs.

Erfindungsgemäß wird somit vorgeschlagen, statt eines einzigen vorimprägnier- ten Gewebes mehrere vorimprägnierte Fasermaterialien, vorzugsweise Gewebe, zu verwenden. Vorimprägnierte Fasermaterialien, die auch Prepreg genannt werden, sind flexible Bahnen von Halbzeug zur Herstellung von Bauteilen, die durch Temperaturerhöhung und/oder Druck ausgehärtet werden können. Erfindungsgemäß werden mehrere dieser vorimprägnierten Fasermaterialien gemeinsam gewickelt, um ein mehrschichtiges Rohr auszubilden. Dies hat den Vorteil, dass verschiedene Fasermaterialien und/oder Matrixmaterialien genutzt werden können und somit die Vorteile unterschiedlicher Materialien kombiniert werden können. Zugleich kann das bekannte Herstellungsverfahren für Wälzkörperkäfige nahezu unverändert bleiben, da ausschließlich die Zuführung der vorimprägnierten Fasermaterialien angepasst werden muss, um eine gleichzeitige Zuführung zu ermöglichen.

Beispielsweise kann eine der Bahnen ein Fasermaterial aufweisen, das einen hohen Elastizitätsmodul und/oder eine hohe Zugfestigkeit aufweist und eine weitere der Bahnen kann ein Fasermaterial aufweisen, das günstige Reibungseigenschaften und/oder eine hohe Ölspeicherfähigkeit aufweist, um die Not- laufeigenschaften des Wälzkörperkäfigs zu verbessern. Bei dem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren ist es zudem möglich, die Käfigeigenschaften durch eine entsprechende Auswahl vorimprägnierter Fasermaterialien anzupassen, womit keine Anpassungen im Rahmen der Herstellung der vorimprägnierten Fasermaterialien erforderlich sind. Es kann somit auf vorhandene Aus- gangsmaterialien zurückgegriffen werden, was einen Entwicklungsaufwand bei der Anpassung von Eigenschaften des Wälzkörperkäfigs reduziert. Dies ist besonders dann vorteilhaft, wenn Sonderbauformen in kleinen Stückzahlen bereitgestellt werden sollen. Durch das erfindungsgemäße Vorgehen, bei dem ein schichtweises Wickeln des zu verarbeitenden Rohrs erfolgt, wird zudem er- reicht, dass der Materialaufbau über den Querschnitt einheitlich ist, womit aus den gewickelten Rohren verschiedene Käfiggrößen gefertigt werden können.

Bei dem Fasermaterial kann es sich um ein Gewebe, ein Gelege oder um parallel geführte Fasern handeln. Unterschiedliche Fasermaterialien können sich beispielsweise dadurch unterscheiden, dass sie unterschiedlich gewebt sind. Vorzugsweise werden jedoch verschiedene Materialien für die Fasern verwendet. Beispielsweise kann wenigstens eines der Fasermaterialien Baumwollfasern, Kohlefasern, Aramidfasern, Glasfasern, PTFE-Fasern, PTFE/PET-Fasern, PEEK-Fasern, Borfasern, Basaltfasern, Nylon-Fasern, Polyimid-Fasern, Po- lyethylen-Fasern, Flachsfasern, Hanffasern, Jutefasern, Sisalfasern, Bambusfasern und/oder Ramiefasern umfassen. Das Matrixmaterial kann ein Matrixkunststoff, beispielsweise ein Phenolharz, sein. Die stoffschlüssige Verbindung der Matrixmaterialien kann während des Wickelns oder nach dem Wickeln erfolgen. In Abhängigkeit des Matrixmaterials kann dieses beispielsweise durch ein Härten eines zunächst fluiden Matrixmaterials, beispielsweise durch Aufbringen eines erhöhten Drucks und/oder einer erhöhten Temperatur und/oder durch Bestrahlung, zum Beispiel durch UV- Strahlung, erfolgen. Alternativ kann ein bereits festes Matrixmaterial zur Ausbildung der stoffschlüssigen Verbindung angeschmolzen werden.

Die Bearbeitung des Rohrs kann durch Spanen, also beispielsweise durch Dre- hen, Fräsen und/oder Bohren, erfolgen. Beispielsweise kann das Rohr in Axialrichtung in mehrere Längsabschnitte geteilt werden und es können Ausnehmungen in das Rohr gefräst und/oder gebohrt werden, um die Wälzkörper aufzunehmen. Die Bahnen können vor dem Wickeln separat voneinander vorgehalten werden, wobei die Bahnen im Rahmen des Wickelns derart geführt werden, dass sie der Wickeleinrichtung aufeinander- oder übereinanderliegend zugeführt werden. Die Führung kann bis zum Wickeln berührungsfrei übereinander erfolgen, es ist jedoch auch möglich, die Bahnen im Rahmen der Führung bereits vor dem Wi- ekeln zusammenzuführen und aufeinander liegend weiter zu verarbeiten. Die Bereitstellung kann insbesondere derart erfolgen, dass jede der Bahnen auf einer separaten Rolle bereitgestellt wird. Das beschriebene Vorgehen ermöglicht eine einfache Anpassung der genutzten Bahnen und somit der genutzten Fasermaterialien beziehungsweise Matrixmaterialien.

Alternativ ist es möglich, dass die Bahnen vor dem Wickeln derart auf eine gemeinsame Rolle aufgewickelt werden, dass sie aufeinander aufliegen. In diesem Fall können Einrichtungen zum Wickeln mehrschichtiger Rohre aus einem einzigen vorimprägnierten Fasermaterial im wesentlich unverändert weiter verwendet werden, da die mehreren Bahnen über eine gemeinsame Rolle zugeführt werden. Während wenigstens einem weiteren Zeitabschnitt des Wickelvorgangs kann genau eine der Bahnen oder bei einer Verwendung von mehr als zwei Bahnen nur eine Untergruppe der Bahnen der Wickelvorrichtung zugeführt werden. Insbesondere ist es möglich, einen radial innen und/oder außen liegenden Abschnitt des Rohres ausschließlich aus einem Fasermaterial beziehungsweise einem einzigen Matrixmaterial zu bilden. Dies kann die Weiterverarbeitung des Rohres zur Bereitstellung des Wälzkörperkäfigs erleichtern und/oder die Eigenschaften des Wälzkörperkäfigs weiter verbessern. Ein derartiges Verfahren kann beispielsweise durchgeführt werden, indem Bahnen unterschiedlicher Länge genutzt werden. Wird das Rohr beispielsweise von einem Innendurch- messer zu einem Außendurchmesser gewickelt und werden zu Beginn des Wickelvorgangs zwei Bahnen der Wickeleinrichtung zugeführt, wobei eine der Bahnen kürzer ist, so ist die kürzere Bahn früher vollständig auf das Rohr aufgewickelt, so dass das nachfolgende Wickeln nur noch mit der verbleibenden längeren Bahn erfolgt.

Neben dem erfindungsgemäßen Verfahren betrifft die Erfindung einen Wälzkörperkäfig für ein Wälzlager, der aus mehreren, in Radialrichtung des Wälzkörperkäfigs übereinanderliegenden, in wenigstens ein Matrixmaterial eingebetteten Schichten wenigstens eines Fasermaterials besteht, wobei die Schichten in Form von mehreren Schichtarten ausgebildet sind, die sich bezüglich des jeweiligen Fasermaterials und/oder des jeweiligen Matrixmaterials voneinander unterschieden, wobei für zumindest eine Untergruppe der Schichten die in Radialrichtung aufeinanderfolgenden Schichten abwechselnd verschiedenen Schichtarten angehören. Beispielsweise kann eine erste und eine zweite Schichtart genutzt werden und für die gesamte Wandstärke oder einen Teil der Wandstärke des Wälzkörperkäfigs können sich die erste und die zweite Schichtart abwechseln. Ebenso können sich auch mehr als zwei Schichtarten über die gesamte Wandstärke oder Teile der Wandstärke abwechseln. Der Wälzkörperkä- fig kann vorzugsweise durch das erfindungsgemäße Verfahren hergestellt sein. Die einzelnen Schichten entsprechen in diesem Fall jeweils einer Wicklung einer der Bahnen. Die zum erfindungsgemäßen Verfahren erläuterten Merkmale des Wälzkörperkäfigs beziehungsweise des Rohrs, aus dem der Wälzkörperkäfig hergestellt, vorzugsweise gespant, ist, lassen sich auch auf den erfindungsgemäßen Wälzkörperkäfig übertragen. Ebenso lassen sich die zum Wälzkörperkäfig erläuterten Merkmale auf das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren übertragen.

Ein einen Innenrand und/oder einen Außenrand des Wälzkörperkäfigs in Radialrichtung bildender Abschnitt des Wälzkörperkäfigs kann mehrere in Radialrichtung aufeinanderfolgende Schichten der gleichen Schichtart aufweisen. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass bei einer Herstellung durch ein erfindungsgemäßes Verfahren während der Wicklung des entsprechenden Bereichs genau eine der Bahnen der Wickelvorrichtung zugeführt wird. Wenigstens eines der Fasermaterialien kann ein Mischgewebe sein, also ein Gewebe, das Fasern mehrerer Fasersorten umfasst. Alternativ oder ergänzend ist es möglich, dass wenigstens eines der Fasermaterialien sortenrein ist, also genau eine Fasersorte umfasst, wobei es sich insbesondere um ein sortenreines Gewebe handeln kann.

Die Erfindung betrifft zudem ein Wälzlager mit mehreren zwischen zwei Laufbahnen angeordneten Wälzkörpern und einem erfindungsgemäßen Wälzkörperkäfig zur Halterung der Wälzkörper. Das Wälzlager kann ein Kugellager, ein Rolllager oder ein Nadellager sein. Insbesondere kann es sich bei dem Wälzla- ger um ein Schrägkugellager handeln. Das Wälzlager kann derart ausgebildet sein, dass es zur Nutzung für hohe Drehzahlen geeignet ist. Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen erläutert. Die Zeichnungen sind schematische Darstellungen und zeigen in:

Figur 1 eine Detailansicht eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Wälzlagers, Figur 2 ein Wickeln eines mehrschichtigen Rohres im Rahmen eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens,

Figur 3 eine geschnittene Ansicht des aus dem in Figur 2 gezeigten Verfahrensschritt resultierenden Rohres,

Figur 4 eine Detailansicht eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Wälzkörperkäfigs, und

Figur 5 eine geschnittene Detailansicht des in Figur 4 gezeigten Wälzkör- perkäfigs.

Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen

Figur 1 zeigt eine Detailansicht eines Wälzlagers 1 . Zwischen einer äußeren Lauffläche 2 eines Außenrings 3 und einer inneren Lauffläche 4 eines Innenrings 5 sind mehrere Wälzkörper 6, beispielsweise Kugeln, angeordnet. Um die Wälzkörper 6 in Umfangsrichtung des Wälzlagers 1 voneinander zu beabstanden, sind diese durch einen Wälzkörperkäfig 7 gehaltert. Soll das Wälzlager 1 für hohe Drehzahlen genutzt werden, ist es vorteilhaft, wenn ein Führungsspiel 8, also der Abstand zwischen den Laufflächen 2, 4 und den entsprechenden Seitenflächen des Wälzkörperkäfigs 7, möglichst klein gewählt wird. Zugleich muss dieses Führungsspiel jedoch so groß gewählt werden, dass ein Kontakt zwischen den Laufflächen 2, 4 und dem Wälzkörperkäfig 7 in allen Betriebssitu- ationen des Wälzlagers 1 nach Möglichkeit vermieden wird. Zugleich sollen die Notlaufeigenschaften des Wälzkörperkäfigs 7, also insbesondere die Reibeigenschaften bei mangelhafter Schmierung und/oder eine Ölspeicherfähigkeit, möglichst gut sein, um eine Ausfallsicherheit des Wälzlagers 1 zu erhöhen.

Um dies zu erreichen wird im gezeigten Wälzlager 1 ein Wälzkörperkäfig 7 genutzt, der aus einem Rohr hergestellt ist, das aus verschiedenen vorimprägnierten Fasermaterialien gewickelt ist. Die Herstellung des Wälzkörperkäfigs 7 wird im Folgenden mit Bezug auf die Figuren 2 bis 5 erläutert.

Figur 2 zeigt das Wickeln eines Rohres 8, aus dem anschließend durch Spanen der Wälzkörperkäfig 7 herstellbar ist. Hierzu werden zunächst zwei voneinander verschiedene Bahnen 9, 10 aus einem mit einem jeweiligen Matrixmaterial vorimprägnierten jeweiligen Fasermaterial bereitgestellt. Die Bahnen 9, 10 unter- scheiden sich bezüglich ihres Fasermaterials, wobei beispielsweise als Fasermaterial für die Bahn 9 eine Baumwollfaser genutzt werden kann, um günstige Reibeigenschaften und eine gute Ölspeicherfähigkeit für das resultierende Rohr 8 und somit für den Wälzkörperkäfig 7 zu erreichen. Als Fasermaterial für die Bahn 10 kann beispielsweise Glas- oder Kohlefaser genutzt werden, um eine hohe Zugfestigkeit und/oder ein hohes Elastizitätsmodul zu erreichen. Die Bahnen 9, 10 werden vor dem Wickeln separat voneinander vorgehalten. Hierzu sind zwei Rollen 18, 19 der jeweiligen Bahnen 9, 10 vorgesehen, die über die Führungen 20, 21 drehbar gelagert sind. Die Bahnen 9, 10 werden derart geführt, dass sie durch die Führungsrolle 22 flächig aufeinander gedrückt werden und später durch die weiteren Führungselemente 23 gemeinsam zu dem Rohr 8 gewickelt werden. Die Wicklung der gemeinsam geführten Bahnen 9, 10 zu dem Rohr 8 erfolgt wie im Stand der Technik für einzelne Bahnen eines einzelnen vorimprägnierten Fasermaterials üblich und soll nicht detailliert erläutert werden. Während oder nach dem Wickeln kann ein fluides Matrixmaterial aus- gehärtet werden oder ein festes Matrixmaterial angeschmolzen werden, um eine stoffschlüssige Verbindung zwischen den Bahnen 8, 9 auszubilden. Das in Figur 2 gezeigte Vorgehen erfordert eine Anpassung der Einrichtung zum Wickeln des Rohrs 8, die es ermöglicht, mehrere separate Bahnen 9, 10 vorimprägnierten Fasermaterials zuzuführen. Sollen übliche Einrichtungen zum Wickeln mehrschichtiger Rohre aus einem vorimprägnierten Fasermaterial ge- nutzt werden, ist es auch möglich, die Bahnen 9, 10 in einem vorbereiteten Schritt auf eine gemeinsame Rolle aufzurollen, wonach sie genauso weiterverarbeitet werden können, wie eine einzelne Bahn vorimprägnierten Fasermaterials.

Die Bahnen 9, 10 werden zu dem mehrschichtigen Rohr 8 gewickelt, das in Fi- gur 3 geschnitten dargestellt ist. Wie in dieser Figur zu erkennen ist, wird durch die gleichzeitige Zuführung der Bahnen 9, 10 zu der Wickeleinrichtung erreicht, dass die zugeführten Bahnen 9, 10 zu radial unmittelbar übereinanderliegenden Schichten 1 1 bis 16 gewickelt werden. Die Schichten 1 1 , 13 und 15 werden hierbei durch die Bahn 9 gebildet und die Schichten 12, 14 und 16 durch die Bahn 10.

Das in Figur 3 gezeigte Rohr wird in Längsrichtung des Rohrs, also in Richtung senkrecht zur Bildebene in Figur 3, in mehrere Abschnitte unterteilt, aus denen jeweils ein Wälzkörperkäfig 7 herstellbar ist. Die Figuren 4 und 5 zeigen De- tailansichten des fertiggestellten Wälzkörperkäfigs 7. Um zu diesem fertiggestellten Wälzkörperkäfig 7 zu gelangen, werden in die Abschnitte des Rohrs 8 Ausnehmungen 17 für die Wälzkörper 6 eingebracht. Dies kann beispielsweise durch ein Bohren und/oder Fräsen erfolgen. Figur 4 zeigt eine Detaildarstellung einer Seitenansicht auf den Wälzkörperkäfig 7, das heißt die Radialrichtung des Wälzkörperkäfigs 7 beziehungsweise des Wälzlagers 1 verläuft senkrecht zur Bildebene.

Figur 5 zeigt eine Detailansicht eines Schnitts entlang der Linie V - V in Figur 4. In dieser Darstellung sind einerseits die Ausnehmungen 17 für die Wälzkörper 6 und andererseits der geschichtete Aufbau des Wälzkörperkäfigs 7 aus den Schichten 1 1 bis 16 zu erkennen. Durch das beschriebene Vorgehen ist es möglich, trotz einer relativ einfachen Herstellung einen geschichteten Aufbau des Wälzkörperkäfigs 7 zu erreichen, wodurch mehrere vorteilhafte Materialeigenschaften verschiedener Fasermaterialien und/oder verschiedener Matrixmaterialien kombinierbar sind. Ausgehend von diesem einfachen Beispiel sind zahlreiche Varianten möglich. Beispielsweise ist es möglich, den gezeigten abwechselnden Schichtaufbau der Schichten 1 1 bis 16 nur für einen Teil der Schichten eines Wälzkörperkäfigs vorzusehen. Beispielsweise kann eine vorgegebene Anzahl radial außenliegender oder radial innenliegender Schichten des Wälzkörperkäfigs aus dem gleichen Matrixma- terial gebildet werden, beispielsweise indem diese durch die gleiche Bahn gewickelt werden. Dies ist besonders einfach möglich, indem Bahnen mit verschiedener Länge genutzt werden. Somit werden zunächst zwei oder mehr Bahnen parallel zu dem Rohr gewickelt, wobei nach einer gewissen Wickelzeit eine oder mehrere dieser Bahnen aufgebraucht sind, womit nur die verbleiben- den Bahnen weitergewickelt werden.

Bezugszeichenliste

Wälzlager

Lauffläche

Außenring

Lauffläche

Innenring

Wälzkörper

Wälzkörperkäfig

Führungsspiel

Bahn

Bahn

Schicht

Schicht

Schicht

Schicht

Schicht

Schicht

Ausnehmung

Rolle

Rolle

Führung

Führung

Führungsrolle

Führungselement