Wälzlager, beispielsweise einer Windkraftanlage Die Erfindung betrifft ein Wälzlager, beispielsweise einer Windkraftanlage, wel- ches als ein Pendelrollenlager ausgeführt ist, mit einem Lagerinnenring, einem Lageraußenring, und mit mehreren in zwei axial beabstandeten Rollenreihen mit unterschiedlichen Kontaktwinkeln zwischen dem Lagerinnenring und dem Lageraußenring angeordneten, als baugleiche Tonnenrollen ausgebildeten Wälzkörpern, wobei der Kontaktwinkel der axial inneren Rollenreihe größer ist als der Kontaktwinkel der axial äußeren Rollenreihe.

Bei Untersuchungen von Schadensfällen an Hauptlagem von Windkraftanlagen ist festgestellt worden, dass diese nicht selten durch Verschleißschäden an Wälzlagern verursacht sind. Rotorwellen von Windkraftanlagen sind üblicher- weise mittels Pendelrollenlager gelagert, da diese sowohl Radialkräfte als auch Axialkräfte übertragen sowie fertig ungs- oder lastbedingte Fluchtungsfehler ausgleichen können. Aus der WO2014/062922 A1 ist ein als ein Pendelrollenlager ausgebildetes Wälzlager einer Windkraftanlage bekannt, bei dem die Wälzkörper der beiden Rollenreihen mit unterschiedlichen Kontaktwinkeln, also Neigungswinkeln der Wälzkörperlängsachsen gegenüber der Lagerdrehachse, zwischen dem Lager- innenring und dem Lageraußenring angeordnet sind. Der Kontaktwinkel der axial inneren Rollenreihe ist größer als der Kontaktwinkel der axial äußeren Rollenreihe, so dass das Wälzlager eine größere, nach innen gerichtete Axial- kraft übertragen kann als in der Gegenrichtung. Hierdurch wird lagerseitig die Tatsache berücksichtigt, dass die resultierende Axialkraft der auf die Rotorblät- ter wirksamen Luftkräfte meistens nach axial innen gerichtet ist, also in Rich- tung des Getriebes und/oder des Generators der Windkraftanlage. Konkrete Angaben über die Werte der Kontaktwinkel sind der WO2014/062922 A1 je- doch nicht zu entnehmen. Die Gebrauchsdauer der Wälzlager von Windkraftanlagen wird im Wesentli- chen durch instationäre, also periodische und stochastische Belastungen be- stimmt. Eine besonders große Belastung der Wälzlager tritt jedoch bei einer Notabschaltung einer Windkraftanlage auf, die bei einer auftretenden Betriebs- störung, zum Beispiel bei sensorisch erfassten Vibrationen, bei zu starkem Wind, oder bei einer Überlastung des elektrischen Netzes erforderlich ist. Bei einer Notabschaltung wird die Gondel mit dem Rotor oder die Rotorblätter allei- ne aus dem Wind gedreht, und der Rotor bis zum Stillstand abgebremst. Die dabei wirkenden Kräfte führen dazu, dass bei mehrreihigen Pendelrollenlagern die Reihe der Wälzkörper mit dem im Vergleich zu den anderen Wälzkörperrei- hen flacherem Kontaktwinkel durch axiale Kräfte vergleichsweise stark beauf- schlagt wird. Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Wälzlager der genannten Bauart unter Beibehaltung seiner äußeren Abmessungen im Hinblick auf eine höhere Tragfähigkeit sowie einer längeren Gebrauchsdauer weiterzubilden. Diese Aufgabe ist in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des An- spruchs 1 dadurch gelöst, dass der Kontaktwinkel αι der axial äußeren Rollen- reihe im Bereich zwischen 2° und 10° liegt, einschließlich der genannten Grenzwerte, und dass der Kontaktwinkel ot2 der axial inneren Rollenreihe im Bereich zwischen 7° und 20° liegt, ebenfalls einschließlich der genannten Grenzwerte.

Die Erfindung geht demnach aus von einem an sich bekannten Wälzlager mit einem vergleichsweise großen Durchmesser, beispielsweise einer Windkraftan- lage, das als ein Pendelrollenlager ausgeführt ist, mit einem Lagerinnenring, einem Lageraußenring, und mit mehreren in zwei axial beabstandeten Rollen- reihen mit unterschiedlichen Kontaktwinkeln αι, ct2 zwischen dem Lagerinnen- ring und dem Lageraußenring angeordneten, als baugleiche Tonnenrollen aus- gebildeten Wälzkörpern, wobei der Kontaktwinkel α ₂ der axial inneren Rollen- reihe größer ist als der Kontaktwinkel <xi der axial äußeren Rollen reihe ( α ₂ > α ₁ ). Wie Untersuchungen gezeigt haben, kann ein derartiges Wälzlager die im Normalbetrieb auftretenden stationären und instationären Kräfte sowie die bei einer Notabschaltung der Windkraftanlage auftretenden Lastspitzen besser verkraften, wenn der Kontaktwinkel αι der axial äußeren Rollenreihe im Eitereich zwischen 2° und 10°, bevorzugt sogar im Bereich zwischen 3° und 7° liegt, und wenn der Kontaktwinkel a ₂ der axial inneren Rollenreihe im Bereich zwischen 7° und 20° liegt, wobei alle Winkelangaben die jeweiligen Grenzwerte mit ein- schließen.

Eine weitere Erhöhung der Tragfähigkeit und damit der maximalen Gebrauchs- dauer des Wälzlagers kann dadurch erreicht werden, dass die Wälzkörper je- weils einen Mittelabschnitt aufweisen, in dem die Mantelfläche des Wälzkörpers innerhalb einer Toleranz von 2 - 3 μm einer idealen Tonnenkontur entspricht, sowie axial beidseitig des Mittelabschnitts jeweils einen Endabschnitt aufwei- sen, wobei in den beiden Endabschnitten die Mantelfläche abweichend von der idealen Tonnenkontur jeweils mit einer Rundung stetig in die betreffende Stirn- fläche des Wälzkörpers übergeht. Die Stirnflächen der Wälzkörper stehen senkrecht auf der Längsachse der Wälzkörper.

Gemäß einer dazu alternativen Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass sich an den beidseitigen Endabschnitten der Wälzkörper axial jeweils ein kur- zer, gesonderter Kantenverrundungsabschnitt anschließt, welcher den Über- gang von dem jeweiligen Endabschnitt der Wälzkörper in die benachbarte Stirn- fläche des Wälzkörpers bildet. Die beiden endseitigen Kantenverrundungsabschnitte der Wälzkörper sind so ausgebildet, dass sie im Gegensatz zu den jeweiligen Endabschnitten der Wälzkörper nicht Bestandteil der Lauffläche der jeweiligen Wälzkörper sind. Aufgrund der durch die Rundungen der Endabschnitte gegebenen axial außen angeordneten radialen Einschnürungen der Wälzkörper werden erhöhte Kan- tenspannungen in den Kontaktflächen zwischen den Wälzkörpern und den Laufbahnen der Lagerringe vermieden, wodurch die Materialbelastung verrin- gert und die Tragfähigkeit der Wälzlagers erhöht wird. Eine derartige Ausgestal- tung von Wälzkörpern mit der Angabe konkreter Profilverläufe der Endabschnit- te ist beispielsweise aus der DE 10 2010 053 140 A1 bekannt.

Bei einer Anwendung des erfindungsgemäßen Wälzlagers in einer Windkraft- anläge ist bevorzugt vorgesehen, dass die Rundungen der Endabschnitte der Wälzkörper ein logarithmisches Profil aufweisen, also einem logarithmischen Kurvenverlauf folgen.

Damit die Kontaktflächen zwischen den Wälzkörpern und den Laufbahnen der Lagerringe durch die gerundeten Endabschnitte nicht zu stark reduziert werden, sollte sich der Mittelabschnitt der Wälzkörper jedoch über mindestens 70% der axialen Gesamtlänge der Wälzkörper erstrecken.

Eine weitere Erhöhung der Tragfähigkeit und damit der maximalen Gebrauchs- dauer des Wälzlagers kann durch eine geeignete Oberflächenbehandlung der Wälzkörper und zumindest der Laufbahnen der Lagerringe erzielt werden.

Hierzu kann vorgesehen sein, dass die Wälzkörper und/oder die Laufflächen der Lagerringe mit einer DLC-Beschichtung versehen sind (DLC = diamond-like carbon). Bei einer DLC-Beschichtung handelt es sich um eine in einer physika- lischen Gasphasenabscheidung auf die jeweilige Oberfläche aufgebrachte amorphe Kohlenwasserstoffschicht (a-C:H) oder metallhaltige amorphe Koh- lenwasserstoffschicht (a-C:H:Me) mit einer Schichtdicke zwischen 0,4 μm und 4 pm. Durch die DLC-Beschichtung wird sowohl die Oberflächenhärte als auch die Oberflächengüte der betreffenden Bauteile und damit die Tragfähigkeit des Wälzlagers erhöht sowie die Lagerreibung um bis zu 80% reduziert. Als Ne- beneffekt wird durch die DLC-Beschichtung auch die Korrosionsbeständigkeit des Wälzlagers verbessert.

Alternativ dazu kann hierzu auch vorgesehen sein, dass die Wälzkörper und/oder die Laufflächen der Lagerringe brüniert sind. Durch das Brünieren wird die Oberfläche des betreffenden Bauteils in einem galvanischen Prozess in einer Tiefe zwischen 0,5 μm und 2 μm in Eisenmischoxid umgewandelt, das wegen seiner Färbung auch als Schwarzoxid bezeichnet wird. Durch das Brü- nieren werden der Verschleiß an den Kontaktflächen des Wälzlagers und die Lagerreibung reduziert. Zudem werden die Notlaufeigenschaften und die Kor- rosionsbeständigkeit des Wälzlagers verbessert.

Beide Arten der Oberflächenbehandlung können auch in dem Wälzlager kom- biniert angewendet sein, bevorzugt derart, dass die Wälzkörper mit einer DLC- Beschichtung versehen und die Laufflächen der Lagerringe brüniert sind.

Zur weiteren Erhöhung der Tragfähigkeit und damit einer Verlängerung der Gebrauchsdauer des Wälzlagers können die Oberflächen der Wälzkörper und die Laufflächen der Lagerringe auch nach X-life-Standard feinbearbeitet ausge- führt sein. Beim X-life-Standard handelt es sich um einen internen Qualitäts- standard der Schaeffler-Gruppe, der eine gegenüber der DIN-Norm 835-2 er- höhte Formgenauigkeit sowie eine verringerte Rauhtiefe an den Oberflächen der Wälzkörper und Laufflächen der Lagerringe vorsieht. Als weitere Maßnahme, um insbesondere auftretende Lastspitzen besser ver- kraften zu können, kann vorgesehen sein, dass das Wälzlager ein negatives Betriebsspiel aufweist. Hierzu wird das Wälzlager so ausgebildet, dass im ein- gebauten Zustand kein axiales oder radiales Lagerspiel auftritt beziehungswei- se eine Vorspannung vorhanden ist. Hierdurch wird zwar die Lagerreibung des Wälzlagers erhöht, da aber bei plötzlichen Lastwechseln, wie zum Beispiel bei einer Notabschaltung einer Windkraftanlage, kein Lagerspiel überbrückt wird, können die dabei in den Kontaktflächen zwischen den Wälzkörpern und den Laufflächen der Lagerringe auftretenden Lastspitzen besser, nämlich ohne auf- tretende Schäden, verkraftet werden.

Zur weiteren Verdeutlichung der Erfindung ist der Beschreibung eine Zeichnung eines Ausführungsbeispiels beigefügt. In dieser zeigt

Fig. 1 ein gemäß der Erfindung ausgebildetes Wälzlager in einer halben

Querschnittsansicht, und Fig. 2 einen Wälzkörper des Wälzlagers gemäß Fig. 1 in einer durchmesserbezogen halben Seitenansicht.

In Fig. 1 ist demnach ein erfindungsgemäßes Wälzlager 1 in einem halben Längsmittelschnitt abgebildet, mittels dem zum Beispiel die Rotorwelle einer Windkraftanlage in der Turmgondel gelagert sein kann. In Fig. 2 ist ein beliebi- ger Wälzkörper 4, 5 des Wälzlagers 1 gemäß Fig. 1 in einer radialen Seitenan- sicht dargestellt. i Das Wälzlager 1 ist als ein Pendelrollenlager mit einem Lagerinnenring 2, ei- nem Lageraußenring 3 und mehreren, als baugleiche Tonnenrollen ausgebilde- ten Wälzkörpern 4, 5 ausgebildet. Die Wälzkörper 4, 5 sind umfangsseitig gleichverteilt in zwei axial beabstandeten Rollenreihen 6, 7 mit unterschiedli- chen Kontaktwinkeln α ₁ , α ₁ zwischen jeweils einer sphärischen Lauffläche 8, 9 des Lagerinnenrings 2 und einer gemeinsamen sphärischen Lauffläche 10 des Lageraußenrings 3 angeordnet. Der Kontaktwinkel a ₂ der axial inneren, getrie- be- oder generatorseitigen Rollenreihe 7 ist größer als der Kontaktwinkel α ₁ der axial äußeren, rotorseitigen Rollenreihe 6 (α ₂ > α ₁ ). Vorliegend beträgt der Kon- taktwinkel α ₁ der axial äußeren Rollenreihe 6 beispielhaft 6,9°, während der Kontaktwinkel α ₂ der axial inneren Rollenreihe 7 einen Wert von 15,9" aufweist.

Wie besonders gut in Fig. 2 erkennbar ist, weist der Wälzkörper 4, 5 einen Mit- telabschnitt 11 auf, in dem die Mantelfläche 14 des Wälzkörpers 4, 5 weitge- hend einer idealen Tonnenkontur 15 entspricht. Diese ideale Tonnenkontur 15 ist an den axialen Endbereichen des Wälzkörpers 4, 5 nicht vorhanden und daher dort gestrichelt dargestellt. Der Mittelabschnitt 11 des Wälzkörpers 4. 5 geht axial beidseitig jeweils in einen ersten Endabschnitt 12 beziehungsweise einen zweiten Endabschnitt 13 über, in denen die Mantelfläche 14 des Wälz- körpers 4, 5 abweichend von einer idealen Tonnenkontur 15 jeweils eine Run- dung 16, 17 aufweist, deren Krümmungsradius kleiner ist als derjenige Krüm- mungsradius, den die Tonnenkontur 15 aufweist. Am axialen Ende der beiden Endabschnitte 12, 13 des Wälzkörpers 4, 5 kann die jeweilige Rundung 16, 17 beispielsweise stetig in die betreffende Stirnfläche 18, 19 des Wälzkörpers 4, 5 übergehen. In dem in Fig. 2 gezeigten Ausführungsbeispiel schließt sich jedoch axial endseitig an die beiden Endabschnitte 12, 13 des Wälzkörpers 4, 5 jeweils ein erster sowie ein zweiter Kantenverrundungsabschnitt 20, 21 an, welche an der zugeordneten Stirnseite 18, 19 des Wälzkörpers 4, 5 axial enden. Durch die Geometrie der beiden Kantenverrundungsabschnitte 20, 21 ist jeweils eine ers- te und eine zweite Laufbahnverkürzung 22, 23 ausgebildet, so dass die beiden Kantenverrundungsabschnitte 20, 21 im Betrieb des Wälzlagers 1 nicht als Lauffläche der Wälzkörper 4, 5 wirksam sind. Die Rundungen 16, 17 der beiden axialen Endabschnitte 12, 13 des Wälzkör- pers 4, 5 entsprechen bevorzugt dem Verlauf einer logarithmischen Kurve. Der Mittelabschnitt 11 des Wälzkörpers 4, 5 erstreckt sich beispielhaft über 80% der axialen Gesamtlänge L _w des Wälzkörpers 4, 5, er sollte jedoch 70% der Ge- samtlänge L _w des Wälzkörpers 4, 5 nicht unterschreiten.

Die vorliegend gewählten Kontaktwinkel α ₁ 0.2 der beiden Rollenreihen 6, 7 sowie die Formgestaltung der Wälzkörper 4, 5 dienen der Erzielung einer höhe- ren Tragfähigkeit und einer verlängerten maximalen Gebrauchsdauer des Wälzlagers 1, wodurch dieses insbesondere bei der Notabschaltung einer Windkraftanlage auftretende Lastspitzen besser verkraften kann. Zu diesem Zweck können die Wälzkörper 4, 5 und/oder die Laufflächen 8, 9, 10 der bei- den Lagerringe 2, 3 zusätzlich mit einer DLC-Beschichtung versehen oder brü- niert sein. Möglich ist auch eine derartige Kombination beider Arten der Ober- flächenbehandlung derart, dass die Wälzkörper 4, 5 mit einer DLC- Beschichtung versehen und die Laufflächen 8, 9, 10 der Lagerringe 2, 3 brü- niert sind. Weitere Maßnahmen zur Erhöhung der Tragfähigkeit und der Ver- längerung der maximalen Gebrauchsdauer des Wälzlagers 1 können darin be- stehen, dass die Oberflächen 14, 18, 19 der Wälzkörper 4, 5 sowie die Laufflä- chen 8, 9, 10 der beiden Lagerringe 2, 3 nach X-life-Standard feinbearbeitet werden, und dass das Wälzlager 1 mit einem negativen Betriebsspiel ausge- führt wird.