Beschreibung

Die vorliegende Erfindung betrifft das technische Gebiet des Maschinenbaus und bezieht sich auf Wälzlager, die insbesondere für den Einsatz in temperaturwechselnder Umgebung vorgesehen sind. Die erfindungsgemäßen Wälzlager können beispielsweise in technischen Anlagen mit kryogener Umgebung zum Einsatz kommen.

Herkömmliche Wälzlager bestehen aus einem Innen- und einem Außenring, zwischen denen meist in einem Käfig gehaltene Wälzkörper in Form von Kugeln oder Rollen angeordnet sind. Zur Verbesserung der Standzeit und Verringerung des Reibungswiderstandes ist bekannt, beispielsweise gehärtete Stahlflächen im Kontaktbereich der Innen- und Außenringe und der Wälzkörper bereitzustellen.

Auch sind sogenannte Hybrid-Wälzlager bekannt, bei denen sich das Material der Lagerringe vom Material des Wälzkörpers unterscheidet. Eine bekannte Bauart ist die des Rillenkugellagers mit herkömmlichen Lagerringen aus Wälzlagerstahl und Kugeln aus einer hochfesten Keramik.

Aus der EP 121 2543 A1 ist ein hybrides Schrägkugellager mit einem Außenring aus Stahl mit zwei inneren Laufrillen, die im Wesentlichen Rücken an Rücken ausgebildet sind und durch Ausnehmungen im Lager gebildet sind, deren Konkavität radial zur Rollachse hin gedreht ist und axial seitlich zu jeweils einer Seite des Lagers hin einem Innenring aus Stahl, bestehend aus zwei halben Innenringen, die nebeneinander angeordnet sind und axial gegeneinander vorbelastbar sind, welche Innenringe jeweils eine äußere Laufrille aufweisen, die durch eine Ausnehmung im Lager gebildet ist, deren Konkavität radial in Richtung des Äußeren des Lagers und axial in Richtung des anderen halben Innenrings gedreht ist, so dass die äußere Laufrille jedes halben Innenrings jeweils einer der beiden inneren Laufrillen des Außenrings gegenüber liegt von zwei Reihen von Kugeln, wobei die Kugeln jeder Reihe zwischen den beiden Laufrillen eines jeweiligen Paares von gegenüberliegenden Laufrillen und in schrägem Kontakt mit diesen Laufrillen angeordnet sind, und zwei Kugelkäfigen, von denen jeder eine der Reihen von Kugeln hält und zwischen dem Außenring und dem entsprechenden halben Innenring angeordnet ist. Die Kugeln der beiden Reihen sind zumindest an ihrer Oberfläche aus Keramik und die Stahlringe sind zumindest im Bereich ihrer Laufrillen mit einer Beschichtung aus einer Chromlegierung versehen.

Aus der DE 60 303 217 T2 ist ein Wälzlager für Subminiatur-Anwendungen auf dem Gebiet des Uhrenbaus bekannt, umfassend eine vorbestimmte Anzahl von Wälzkörpern, die in einem Käfig gehalten und zwischen einem Außenring und zwei aneinander befestigten Innenringen angeordnet sind, wobei der Käfig und die Ringe aus Stahl oder ähnlichem gefertigt sind. Die Wälzkörper sind aus einer Zirkoniumoxidkeramik gefertigt, wobei jeder Wälzkörper drei oder vier Kontaktstellen mit den Ringen aufweist.

Aus der DE 10 149070 A1 ist ein Wälzlager bekannt, umfassend einen ersten Laufring und einen zweiten Laufring, von denen jeder zumindest eine Laufbahnfläche aufweist, und eine Vielzahl von Wälzelementen, die drehbar zwischen dem ersten Laufring und dem zweiten Laufring angeordnet sind, wobei jedes der Wälzelemente eine Wälzkontaktumfangsfläche aufweist, die durch Rotieren einer gekrümmten Buslinie um eine Rotationsachse des Wälzelementes begrenzt ist. Als Material für den Außenring und den Innenring wird Lagerstahl beispielhaft genannte, während als Material für das Wälzelement Keramik, wie beispielsweise Siliziumnitrid, ist.

Nachteilig ist, dass bekannte Wälzlager nur für einen bestimmten Temperaturbereich konzipiert sind, wodurch sich bei wechselnden Einsatztemperaturen das Lagerspiel als Funktion der Temperatur verändert. Eine Erhöhung der Einsatztemperatur kann zu einem größeren Lagerspiel führen, während ein Absenken der Einsatztemperatur das Klemmen des Wälzlagers verursachen kann. Letzterem könnte damit entgegengewirkt werden, die Wälzlager mir einer größeren Lagerluft auszustatten, was wiederum bei erhöhten Temperaturen zum Klappern und Verschleiß des Wälzlagers führt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, Wälzlager für den Einsatz in temperaturwechselnder Umgebung bereitzustellen, die bei sich ändernden Einsatztemperaturen ein im Wesentlichen konstantes Lagerspiel und eine verbesserte Standzeit aufweisen.

Die Aufgabe wird durch die in den Patentansprüchen angegebene Erfindung gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche, wobei die Erfindung auch Kombinationen der einzelnen abhängigen Patentansprüche im Sinne einer Und-Verknüpfung einschließt, solange sie sich nicht gegenseitig ausschließen.

Erfindungsgemäß wird ein Wälzlager für den Einsatz in temperaturwechselnder Umgebung bereitgestellt, aufweisend mindestens einen Innenring und einen Außenring mit mindestens dazwischen angeordneten Wälzkörpern, wobei mindestens der Innenring und der Außenring aus unterschiedlichen Materialien hergestellt sind, wobei sich der thermische Ausdehnungskoeffizient des Materials des Innenringes vom thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Außenringes unterscheidet.

Vorteilhafterweise sind die Materialien des Außenringens und des Innenringes eine Kombination von Metall und Keramik.

In einer vorteilhaften Ausbildung der Erfindung ist das Material des Innenringes und Außenringes aus Cu, AI, Ti, Pt, Bronze, Messing, Hartmetall, W, ZrO, AI2O3, SisN4, SiÜ2 und/oder AIN ausgewählt.

Auch vorteilhafterweise besteht der Innenring aus ZrO und der Außenring aus Ti, W, Pt, Hartmetall, AI2O3, AIN und/oder einer Kombination der Außenringmaterialien.

Und auch vorteilhafterweise besteht der Innenring aus AI, Bronze, Cu, Messing und/oder Stahl und der Außenring aus ZrO.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Wälzlagers weist bei Raumtemperatur von 295 K das Material des Innenringes gegenüber dem Material des Außenringes einen um den Faktor 1 ,2 bis 2,5 größeren Ausdehnungskoeffizienten auf.

Verwendung können die vorgenannten Wälzlager in technischen Anlagen, Maschinen oder Apparaten finden und können besonders vorteilhaft kryogener Umgebung eingesetzt werden. Besonders vorteilhaft können die Wälzlager in einem Temperaturbereich von 10mK bis 600 K eingesetzt werden.

Die erfindungsgemäßen Wälzlager können in temperaturwechselnder Umgebung eingesetzt werden, da sie bei sich ändernden Einsatztemperaturen ein im Wesentlichen konstantes Lagerspiel und eine verbesserte Standzeit aufweisen.

Erreicht wird dies durch neuartige Wälzlager, bei denen mindestens der Innenring aus einem vom Außenring unterschiedlichen Material hergestellt ist. Durch den Einsatz unterschiedlicher Materialien für den Innen- und Außenring wird erreicht, dass über einen sehr großen Temperaturbereich im Einsatz eine konstante radiale und/oder axiale Lagerluft erhalten bleibt.

Erfindungswesentlich dabei ist, dass mindestens der Innenring und der Außenring aus unterschiedlichen Materialien hergestellt sind, wobei sich der thermische Ausdehnungskoeffizient des Materials des Innenringes vom thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Außenringes unterscheidet.

So wird es einerseits möglich, dass bei sich ändernder Einsatztemperatur des Wälzlagers über den gesamten Temperaturbereich eine im Wesentlichen konstante axiale und/oder radiale Lagerluft vorhanden ist. Durch die unterschiedlichen Materialien von Innen- und Außenring und der Berücksichtigung, dass der thermische Ausdehnungskoeffizient des Innenringes sich vom thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Außenringes unterscheidet, wird insbesondere das unterschiedliche Schrumpfen oder Ausdehnen der Materialien von Innenring und Außenring berücksichtigt, kompensiert und damit ein zu großen Lagerspiel oder ein Klemmen des Wälzlagers verhindert.

Als besonders vorteilhaft hat sich insbesondere in kryogener Umgebung herausgestellt, wenn die Materialien des Außenringens und des Innenringes eine Kombination aus Metall und Keramik sind.

So konnte herausgefunden werden, dass Wälzlager in einem besonders großer Temperaturbereich bei gleichbleibend hoher Funktionsfähigkeit eingesetzt werden können, wenn das Material des Innenringes und Außenringes aus Cu, AI, Ti, Pt, Bronze, Messing, Hartmetall, W, ZrO, AI2O3, SisN4, SiÜ2 und/oder AIN ausgewählt ist.

Ebenso ist vorteilhaft, wenn der Innenring aus ZrO und der Außenring aus Ti, W, Pt, Hartmetall, AI2O3, AIN und/oder einer Kombination der Außenringmaterialien besteht. Möglich sind auch Kombinationen von Innen- und Außenring des Wälzlagers, bei denen der Innenring aus AI, Bronze, Cu, Messing und/oder Stahl und der Außenring aus ZrO besteht.

Mit den vorgenannten Materialkombinationen von Innen- und Außenring lassen sich die Wälzlager gerade bei hohen Temperaturwechseln im Bereich Kryotechnik von beispielsweise 293K bis 2 K einsetzen.

Besonders gute Laufeigenschaften der erfindungsgemäßen Wälzlager lassen sich in einem breiten Temperaturfenster dann erreichen, wenn eine Materialkombination von Innen- und Außenring gewählt ist, bei der das Material des Innenringes gegenüber dem Material des Außenringes einen um den Faktor 1 ,2 bis 2,5 verschiedenen thermischen Ausdehnungskoeffizienten bei Raumtemperatur von 295K aufweist.

Die erfindungsgemäßen Wälzlager können durch die Auswahl unterschiedlicherer Materialien von Innen- und Außenring mit den unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten insbesondere in technischen Anlagen, Maschinen oder Apparaten in kryogener Umgebung und bei Einsatztemperaturen von 10 mK bis 600 K Verwendung finden.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.

Ausführungsbeispiel 1

In einer erfindungsgemäßen Ausführungsform wird ein Wälzlager als Rillenkugellager bereitgestellt, bei dem der Innenring aus ZrO, der Außenring und die Kugeln aus Ti hergestellt sind, wobei die Kugeln in einem Käfig aus PTFE im gleichen Abstand zwischen dem Innenring und Außenring gehalten werden. Das Wälzlager hat eine Abmessung von Außendurchmesser, Innendurchmesser und Breite von 32mmx25mmx4mm und wird zur Lagerung einer Welle in eine Versuchsapparatur bei einer Umgebungstemperatur von 295 K eingesetzt.

Im Anschluss wird die Versuchsapparatur mittels flüssigen Stickstoffs auf eine Temperatur von 4,2 K abgekühlt und gestartet. Während der Versuchsdurchführung befinden sich die Welle und die Wälzlager in flüssigem Helium, wobei der Innenraum der Versuchsapparatur evakuiert und um weitere 2K abgekühlt wird. Die in der Versuchsapparatur gelagerte Welle wird mit Umdrehungen im Bereich von 30 U/min über einen Zeitraum von 15 Minuten betrieben. Während der Versuchsdurchführung wurde mittels eines Drehmomentsensors ein konstanter Drehwiderstand und mittels einer Sensorlagereinheit ein gleichbleibendes Lagerspiel des Wälzlagers festgestellt.