Schlupffreies Wälzlager Beschreibung

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Wälzlager, insbesondere Zylinderrollenlager, welches Wälzkörper aufweist, die auch außerhalb der Lastzone des Wälzlagers angetrieben sind.

Hintergrund der Erfindung Zur drehbaren Lagerung beispielsweise einer Welle ist es allgemein üblich Wälzlager vorzusehen, welche einen Innenring, einen den Innenring koaxial umgebenden Außenring und Wälzkörper aufweisen, die auf von dem Außenring und dem Innenring bereitgestellten Laufbahnen abrollen. Bedingt durch Fertigungstoleranzen kann jedoch in der Praxis nicht ausgeschlossen werden, dass Wälzlager ein geringes Spiel aufweisen. Dieses Spiel kann dazu führen, dass die Wälzkörper, die bei einem idealisierten, völlig spielfreien Wälzlager in ständigem Kontakt zu den beiden Laufbahnen stehen und daher bei Rotation beispielsweise des Innenrings gegenüber dem Außenring ständig angetrieben sind, ihren Kontakt zu einer der Laufbahnen verlieren und mithin nicht mehr angetrieben werden. Dieser Kontaktverlust der Wälzkörper zur Laufbahn tritt immer außerhalb der Lastzone des Wälzlagers auf. Nur der Vollständigkeit halber sei darauf hingewiesen, dass unter einer Lastzone eines Wälzlagers der Teil des Lagerumfangs angesehen wird, auf welchem die Wälzkörper Kräfte übertragen. Verlieren die Wälzkörper außerhalb der Lastzone den Kontakt zur Laufbahn, wird die kinematische Energie, die Wälzkörper beim Durchrollen der Lastzone aufgenommen haben, durch Reibungseinflüsse reduziert und die Drehgeschwindigkeit reduziert. Dieses Phänomen tritt insbesondere bei lang- sam drehenden Wälzlagern und/oder Wälzlagern mit großem Durchmesser auf, weil bei diesen Wälzlagern die Verweildauer der Wälzkörper außerhalb der Lastzone vergleichsweise groß ist. Treten dann die durch den fehlenden Laufbahnkontakt etwas abgebremsten Wälzkörper wieder in die Lastzone ein, wird durch den Kontakt der Wälzkörper zur Laufbahn die Drehzahl der Wälzkörper plötzlich wieder erhöht. Diese Erhöhung der Drehzahl führt dann zu einer die Lebendauer von Wälzlagern vermindernden Gleitreibung zwischen Laufbahn und Wälzkörper.

Aus DE 1 955 238 U ist ein Wälzlager bekannt, bei welchem elastische Elemente für die Spielfreiheit des Lagers sorgen sollen. Hierbei können entweder an den Wälzkörpern oder an einem Lagerring elastische Mittel wie Gummiringe angeordnet sein. Befinden sich die elastischen Mittel an einem Lagerring, so können zusätzlich Spreizringe vorhanden sein, welche durch die elastischen Mittel mit einer Kraft beaufschlagt werden und die Wälzkörper kontaktieren.

Ein weiteres als Zylinderrollenlager ausgebildetes Wälzlager ist aus der DE 10 2006 042 676 A1 bekannt. In diesem Fall sind Spannelemente als Bo- gensegmente ausgeführt, welche sich am Umfang des Wälzlagers beispielsweise über einen Winkel von 90° oder 120° erstrecken und durch weitere Elemente, nämlich als Zapfen ausgebildete Druckstücke sowie Ringfedern, mit einer in Radialrichtung des Lagers wirkenden Kraft beaufschlagt sind. Ein anderer bekannter Ansatz, bei einem Zylinderrollenlager für Spielfreiheit zu sorgen, liegt in der Verwendung von Hohlrollen. Aus der DE 10 2006 055 027 A1 ist die Verwendung von Hohlrollen bei einem Zylinderrollenlager mit Wälzkörperkäfig bekannt. Um bei jeglichen Lastzuständen die Rotation des Wälzkörperkäfigs mit kinematisch richtiger Drehzahl zu erzwingen, sind einige Wälz- körper des Lagers durch Hohlrollen ersetzt, welche im unbelasteten Zustand einen geringfügig größeren Durchmesser als die übrigen, massiven Zylinderrollen aufweisen. Durch die mit Vorspannung im Lager befindlichen Hohlrollen wird zwar der Käfig selbst bei geringsten Lasten mitgenommen, jedoch nicht gleichzeitig eine kinematisch ideale Bewegung der übrigen Wälzkörper erzwungen. Im Übrigen ist die Belastbarkeit des Wälzlagers durch die verwendeten Hohlrollen im Vergleich zu einem Zylinderrollenlager, welches ausschließlich massive Rollen aufweist, herabgesetzt.

Eine Hohlrolle mit höherer radialer Belastbarkeit ist aus der DE 10 2007 062 391 A1 bekannt. Hierbei ist innerhalb der eigentlichen Hohlrolle ein Überlastkörper angeordnet, welcher dafür sorgen soll, dass die Material- beanspruchung der Hohlrolle in einem zulässigen Rahmen bleibt.

Aufgabe der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein gegenüber dem genannten Stand der Technik weiterentwickeltes Wälzlager, insbesondere Zylinderrollenlager, anzugeben, bei welchem auf besonders einfache und wirkungsvolle Art Spielfreiheit hergestellt ist.

Beschreibung der Erfindung

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Wälzlager mit den Merkmalen des Anspruchs 1 . Das Wälzlager ist vorzugsweise als Radiallager, insbesondere Radial-Zylinderrollenlager, ausgebildet; es kann sich jedoch beispielsweise auch um ein Pendelrollenlager handeln.

Das Wälzlager umfasst zwei Lagerringe, welche jeweils eine Lauffläche für Wälzkörper, insbesondere Zylinderrollen, aufweisen. Die Lagerringe werden ohne Beschränkung der Allgemeinheit als Außenring und Innenring bezeichnet. Tatsächlich kann es sich bei dem als Außenring bezeichneten Bauteil bei- spielsweise auch um ein Gehäuse handeln, in welchem sich eine Bohrung befindet, die unmittelbar die Lauffläche für die Wälzkörper bildet. Bei dem als I nnenring bezeichneten Bauteil kann es sich beispielsweise um eine massive oder hohle Welle handeln. In allen Fällen ist das Wälzlager zur Übertragung von Radialkräften zwischen dem Innenring und dem Außenring geeignet.

Um den gewünschten, spielfreien Kontakt aller Wälzkörper eines Wälzlagers zu dessen beiden Laufbahnen herzustellen, ist mindestens ein vollständig geschlossener Mittelring vorgesehen, der eine gegenüber der axialen Erstreckung der Wälzkörper verminderte axiale Länge hat und alle Wälzkörper wie ein Hüllkreis umgibt. Dabei wird von dem Mittelring, der sehr einfach aus einem Rohrabschnitt oder einem Blechring gebildet werden kann, eine weitere Laufbahn geschaffen, die allein zum Antrieb aller Wälzkörper des Wälzlagers dient, und zwar gleichgültig, ob sich die jeweiligen Wälzkörper des Wälzlagers inner- oder außerhalb des Lastzone des Wälzlagers befinden. Dieser Antrieb aller Wälzkörper durch den Mittelring oder die Mittelringe wird dadurch sichergestellt, dass der oder die Mittelringe von dem umgebenden Außenring gleichzeitig radial entkoppelt sind , gleichwohl aber in ihm drehfest festgelegt sind. Diese radiale Entkopplung wird dabei im Wesentlichen von mindestens einer umlaufenden Nut bewirkt, die an der Innenseite des Außenrings in diesen eingebracht ist, deren axiale Erstreckung größer als die axiale Länge des Mittelrings ist und deren radiale Tiefe größer ist als die Dicke des Mittelrings. Die Einteiligkeit des Mittelrings und seine freie radiale Beweglichkeit stellen sicher, dass unabhängig von der Einbaulage des Wälzlagers bzw. der Lage der Lastzone auch ohne Notwendigkeit weiterer Bauteile die Wälzkörper immer am Mittelring abrollen können und somit ihre Drehzahl vom Austritt aus der Lastzone bis zum Wiedereintritt in die Lastzone beibehalten.

Nur der Vollständigkeit halber sei darauf hingewiesen, dass mit der Bezeichnung Mittelring nicht notwendig eine axial mittige Position im Lager verbunden ist. Vielmehr kann ein solcher Mittelring auch nahe dem einen oder auch beiden axialen Enden der Wälzkörper vorgesehen sein.

Eine sehr einfache, drehfeste Festlegung des Mittelrings in der Nut ist dann gegeben, wenn wenigstens ein am Mittelring oder in der Nut vorgesehener Vor- sprung gegeben ist, in den eine dem Vorsprung komplementäre Tasche am Mittelring oder in der Nut eingreift.

Die Montage des Wälzlagers ist dann vereinfacht, wenn der jeweilige Vor- sprung sich in axialer Richtung erstreckt und eine sich ebenfalls in axialer Richtung erstreckende Tasche eingreift.

Nur der Vollständigkeit halber sei darauf hingewiesen, dass gleichgültig, ob sich die jeweiligen Vorsprünge und Taschen in axialer oder radialer Richtung erstre- cken, die radiale Erstreckung der Vorsprünge und Taschen so aufeinander abgestimmt ist, dass immer eine radial vollständige Aufnahme des Mittelrings in der Nut möglich ist.

Die Laufruhe des Wälzlagers ist verbessert, wenn in die Nut ein radial nachgie- biges Federelement eingelegt ist, welches im lastfreien Zustand des Wälzlagers den Mittelring zentriert.

Ganz besonders vorteilhaft ist es, wenn das Federelement von einem O-Ring aus einem Elastomer gebildet wird. Dadurch, dass der O-Ring etwa aus Gummi oder einem künstlichen Elastomer hergestellt ist, wird nicht nur durch die dämpfende Wirkung des Elastomers die Laufruhe des Wälzlagers verbessert, sondern zusätzlich durch den Kontakt zwischen dem O-Ring und dem Mittelring gleichzeitig auch eine genügend große reibschlüssige Festlegung des Mittelrings im Außenring bewirkt.

Erfindungsgemäße Wälzlager können auch bei hohen Wälzlager- oder Umgebungstemperaturen eingesetzt werden, wenn das Federelement von einem umlaufenden, gewellten oder gezackten Metallband gebildet ist. Die drehfeste Festlegung des Mittelrings ist verbessert, wenn der Mittelring und/oder die Nut mit Kanten versehen ist und diese Kanten eine Abstützung für die Federelemente in Umfangsrichtung bilden. Das erfindungsgemäße Wälzlager eignet sich insbesondere für Großlager, wie sie beispielsweise in Windkraftanlagen eingesetzt werden. Kurze Beschreibung der Zeichnung

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Hierin zeigen: Fig. 1 eine Schnittdarstellung eines Wälzlagers,

Fig. 2 einen Schnitt AA durch ein Wälzlager gemäß Fig.1 ,

Fig. 3 einen Blick in einen Außenring,

Fig. 4 eine weitere Ausführung eines Wälzlagers in einer Darstellung gemäß Fig. 2,

Fig. 5 einen festgelegten O-Ring, und

Fig. 6 eine weitere Ausbildung eines Federelements.

Ausführliche Beschreibung der Zeichnung Die Figur 1 zeigt im Querschnitt ein als Zylinderrollenlager ausgebildetes Wälzlager 1 , dessen Wälzkörper 2, nämlich Zylinderrollen, zwischen einem Außenring 3 und einer Welle 4 abrollen. Zusammenfassend werden der Außenring 3 und die Welle 4, an deren Stelle auch ein nicht massives Teil, nämlich ein I nnenring angeordnet sein kann, als Lagerringe 3, 4 bezeichnet. Hinsichtlich der prinzipiellen Funktion des Zylinderrollenlagers 1 wird auf den eingangs zitierten Stand der Technik verwiesen. Die Wälzkörper 2 kontaktieren in einer Hauptlastzone HL, in der Anordnung nach Fig. 1 unten, beide Lagerringe 3,4. Die Laufbahnen auf dem Außenring 3 und auf der Welle 4, welcher verallgemeinernd als Innenring bezeichnet wird, sind mit den Bezugszeichen 5 beziehungsweise 6 gekennzeichnet. Eine auf die Welle 4 wirkende Radialkraft ist mit F bezeichnet.

Außerhalb der Hauptlastzone HL, in einer unbelasteten Zone UZ, liegen die Wälzkörper 2 durch ihre Schwerkraft auf der Welle 4 auf, während sie vom Außenring 3 etwas beabstandet sind. Um dennoch alle Wälzkörper 2 des Wälzla- gers 1 permanent mit kinematischer Drehzahl zu bewegen, befindet sich in einer in Fig. 2 erkennbaren Nut 7, die axial mittig im Außenring 3 angeordnet ist, ein Mittelring 8, der die Wälzkörper 2 wie ein Hüllkreis HK umgibt. In nicht dargestellter Weise sind die Wälzkörper 2 in einem Käfig geführt. Dadurch, dass -wie in Fig.1 gezeigt- alle Wälzkörper 2 an in diesem Ausfüh- rungsbespiel einen Mittelring 8 anliegen, werden diese auch durch Abrollen am Mittelring 8 angetrieben, wenn die Welle 4 gegenüber dem Außenring 3 rotierte, und zwar gleichgültig, ob sich die jeweiligen Wälzkörper 2 gerade in der Hautlastzone HL oder in der unbelasteten Zone UZ befinden. Dies wird dadurch erreicht, dass der Mittelring 8 abstandslos an den Wälzkörpern 2 anliegt und dass der Mittelring 8 gegenüber dem Außenring 3 des Wälzlagers 2 radial freigestellt ist. Wie diesem Zusammenhang der Fig. 2 entnommen werden kann, wird die radiale Freistellung des Mittelrings 8 gegenüber dem Außenring 3 dadurch reicht, dass die radiale Erstreckung E1 der Nut 7 gegenüber der radialen Erstreckung E2 des Mittelrings 8 größer ist, und zwar soviel größer, dass die Nut geeignet ist, den Mittelring 8 vollständig aufzunehmen. Die Einhaltung dieser Verhältnisse, also die vollständige Aufnahme des Mittelrings 8 in der Nut 7 ist insbesondere in der Hauptlastzone HZ des Wälzlagers 1 von Bedeutung, damit dort nur die Wälzkörper 2„tragen", also Kräfte vom Innenring 4 auf den Teil des Außenrings 3, der nutfrei ist. Diese radiale Freistellung des Mittelrings 8, der kreisrund ausgebildet ist, bedeutet dann aber auch, dass im Vergleich zur Hauptlastzone HL der Mittelring 8 in der unbelasteten Zone UZ durch sein Heraustreten auf der Nut 7 dort einen größeren Abstand A zum Nutgrund 9 einnehmen kann.

Um ein Abrollen der Wälzkörper 2 am Außenring 3 zu gewährleisten, ist es wesentlich, dass der Mittelring 8 trotz seiner radialen Freistellung gegenüber dem Außenring 3 gegenüber dem Außenring 3 drehfest angeordnet ist. Eine einfache Ausführung einer Verdrehsicherung ist in Fig. 3 gezeigt, welche einen Blick in einen Außenring 3 eines erfindungsgemäßen Wälzlagers 2 zum Gegenstand hat. Der Mittelring 8 ist in diesem Ausführungsbeispiel an jedem sei- ner beiden Ränder 10.1 mit einem, sich in axialer Richtung erstreckenden Vorsprung 1 1 versehen, welche in zu den Vorsprüngen 1 1 komplementäre Taschen 12 eingreifen, die in den beiden Rändern 10.2 der Nut 7 ausgebildet sind. Wird durch Abrollen der Wälzkörper 2 am in der Nut 7 eingelegten Mittelring 8 der Mittelring 8 in Umfangsrichtung des Wälzlagers 2 Antriebskräften ausgesetzt, schießen diese dank der zueinander komplementären Vorsprünge 1 1 und Taschen 12 ein Mitdrehen des Mittelbords 8 gegenüber dem Außenring 3 aus. Auch ist der Darstellung gemäß Fig. 3 entnehmbar, dass die axiale Breite des Mittelrings 8 gegenüber der axialen Breite der Nut etwas reduziert ist, um ein Klemmen des Mittelrings 8 in der Nut 7 auszuschließen.

Entsprechend der Ausführung gemäß Fig. 4 wird ein Mitdrehen des Mittelrings 8 dadurch unterbunden, dass zwischen dem Mittelbord 8 und dem Nutgrund 9 ein Federelement 13 in der Nut 7 eingelegt ist. Dieses Federelement 13 ist als O-Ring 14 ausgebildet. Allein schon der in die Nut 7 eingelegte O-Ring 14, wel- eher aus Gummi oder einem künstlichen Elastomer hergestellt sein kann, bewirkt durch die rutschhemmende Wirkung solcher Werkstoffe, dass der Mittelring 8 drehfest in der Nut 7 festgelegt ist.

Außerdem ist der Ausführung gemäß Fig. 4 entnehmbar, dass der O-Ring 14 den in den Raum zwischen dem Mittelring 8 und dem Nutgrund 9 dergestalt ausfüllt, dass der O-Ring 14 am Mittelring 8 und am Nutgrund 9 anliegt. Dadurch, dass der O-Ring aus elastischem Material hergestellt ist und stets den Raum zwischen Mittelring 8 und Nutgrund 9 radial ausfüllt, wird ein Beitrag zur Laufruhe geleistet, und zwar unabhängig davon, ob der Mittelring 8 -wie im unteren Teil von Fig. 4 gezeigt-vollständig, durch Plattdrücken des O-Rings 14 von der Nut 7 vollständig aufgenommen ist oder -wie im oberen Teil von Fig. 4 gezeigt- etwas aus der Nut 7 heraustritt.

Sollte die Rutschhemmung, welche allein von dem O-Ring 14 ausgeht, nicht ausreichen, kann in einem anderen und in Fig. 5 gezeigten Ausführungsbeispiel die Rutschhemmung weiter verbessert werden, indem in der Nut 7 und/oder am Mittelring 8 Kanten 15 vorgesehen sind. Gemäß der Ausführung in Fig. 4 sind diese Kanten 15 im Nutgrund 9 und am Außenmantel 16 des Mittelrings 8 angebracht, wobei die Kanten 15 am Mittelring 8 in Richtung des Nutgrundes 9 und die Kanten 15 am Nutgrund 9 in Richtung des Mittelrings 8 gerichtet sind. Ist das Wälzlager 1 montiert, sind die Kanten 15 -so wie in Fig. 6 gezeigt- in den O-Ring 14 gedrückt und verbessern durch diese Verzahnung die Verdrehsicherung des Mittelrings 8 gegenüber dem Außenring 3.

Mit Fig. 6 wird eine weitere Ausführung eines Federelements 14 gezeigt. Dieses Federelement 13 ist als gewellte Metallfeder 17 ausgebildet und füllt den radialen Abstand zwischen dem Nutgrund 9 und dem Mittelring 8 auf. Ebenso wie im Zusammenhang mit dem O-Ring 14 erläutert, trägt auch die gewellte Metallfeder 17 nicht nur zur Laufruhe des Wälzlagers 1 bei, sondern stellt gleichzeitig auch sicher, dass eine Exzentrizität des Mittelrings 8 gegenüber dem Zentrum des Außenrings 3 elastisch aufgenommen wird. Die gezeigten und sich radial erstreckenden Kanten 15, welche im in Fig. 6 gezeigten Ausführungsbeispiel eine der gewellten Metallfeder 17 angepasste Kontur haben, stellen durch diese Verzahnung sicher, dass eine gegenseitige Verdrehung zwischen Außenring 3 und Mittelring 8 unterbleibt. Auch wenn im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 6 die gewellte Metallfeder 17 als eigenständiges Bauteil aufgeführt ist, kann in einem anderen nicht weiter dargestellten Ausführungsbeispiel die Federwirkung von radial abstehenden Rippen realisiert werden, die mit dem Mittelring 8 eine einstückige Einheit bilden, was den Aufwand weiter vermindert.

Nur der Vollständigkeit halber sei darauf hingewiesen, dass die Figuren keine maßstäblichen Darstellungen der Verhältnisse zum Gegenstand haben, sondern lediglich schematischer Natur sind. Auch wenn in den Ausführungsbeispielen nur ein in eine Nut 7 eingelegter Mittelring 8 gezeigt ist, können in anderen -nicht gezeigten- Ausführungen über die axiale Länge des Wälzlagers 1 zwei oder mehr aus Nut 7 und Mittelring 8 gebildete Kombinationen zum An- trieb der Wälzkörper 2 vorgesehen sein.

Das Wälzlager 1 nach den Figuren 1 oder 3 ist insbesondere in Anwendungsfällen einsetzbar, in denen Gravitationskräfte die Lagerkinematik maßgeblich beeinflussen. Dies ist beispielsweise bei Großlagern, beispielsweise Windkraft- lagern, der Fall, bei welchen die Wälzkörper 2 außerhalb der Lastzone besonders stark abgebremst werden. Dadurch, dass alle Wälzkörper 2 mittels des aus Stahl hergestellten Mittelrings 8 mit diesem unabhängig davon, ob sich die Wälzkörper 2 gerade in der Hauptlastzone HL oder in der unbelasteten Zone UZ befinden, in körperlichem Kontakt stehen, wird sichergestellt, dass die Drehzahl eines jeden Wälzkörpers 2 um seine eigene Achse auch außerhalb der Lastzone annähernd erhalten bleibt, so dass der Wälzkörper 2 näherungsweise mit kinematischer Drehzahl wieder in die Lastzone des Wälzlagers 1 eintritt.

Bezugszeichenliste

1 Wälzlager

2 Wälzkörper

3 Außenring

4 Innenring, Welle

5 Laufbahn

6 Laufbahn

7 Nut

8 Mittelring

9 Nutgrund

10x Rand

1 1 Vorsprung

12 Tasche

13 Federelement

14 O-Ring

15 Kanten

16 Außenmantel

17 Blattfeder

Radial kraft

Hauptlastzone

Hüllkreis

unbelastete Zone

Radialerstreckung Nut

Radialerstreckung Mittelbord

Abstand

Länge

Tiefe

Dicke