Wälzkörper für ein Wälzlager sowie Wälzlager

Beschreibung

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft einen Wälzkörper für ein Wälzlager, umfassend eine Hohlrolle mit einer entlang einer Rotationsachse der Hohlrolle verlaufenden Durchgangsbohrung sowie einen zylindrischen Innenkörper, der mit einer radialen Spielpassung koaxial in der Durchgangsbohrung angeordnet ist.

Hintergrund der Erfindung

Wälzkörper, die eine entlang ihrer Rotationsachse verlaufende Durchgangsbohrung aufweisen, kommen z.B. dann in Wälzlagern zur Verwendung, wenn das Massenträgheitsmoment des Lagersatzes (Wälzkörper und Käfig) reduziert werden soll. Eine Hohlrolle oder ein Hohlzylinder als Beispiel eines solchen Wälzkörpers, bestehend aus einem offenen Kreiszylinder mit zentrischer Bohrung, wird auch in gering belasteten Wälzlagern eingesetzt, um die Schlupfgefahr zu verringern. Dabei werden einzelne herkömmliche massive Wälzkörper durch Hohlrollen mit einem geringfügig größeren Außenradius ersetzt. Der Außenradius der Hohlrollen wird dabei so gewählt, dass diese im lastfreien Zustand des Wälzlagers einen ständigen Kontakt mit den Laufbahnen gewährleisten. Die Hohlrollen federn bei zunehmender Belastung des Wälzlagers ein, so dass ab einer bestimmten Belastung die massiven Wälzkörper mit- tragen.

In der US 3,620,585 ist ein Kugellager beschrieben, das eine Vielzahl von Wälzkörpern umfasst, die von einem Käfig gehalten werden. Zur Reduzierung des Gewichts der Wälzkörper sind diese hohl ausgestaltet, indem durch jeden Wälzkörper eine durchgehende Bohrung ausgebildet ist. Zur Positionierung eines solchen Wälzkörpers ist durch die Bohrung ein Stift durchgeführt, der beidseitig am Käfig befestigt ist.

Die Ausbildung eines Wälzkörpers nach Art einer Hohlrolle kann jedoch auch zu Problemen führen. So zeigte sich, dass die bei einer radialen Belastung die Hohlrollen hinsichtlich ihrer Belastbarkeit und Dauerfestigkeit potenzielle Schwachstellen des Wälzlagers darstellen. Zur Lösung dieses Problems wird in der Anmeldung der Anmelderin mit dem amtlichen Aktenzeichen des DPMA 10 2007 062 391.9 vorgeschlagen, einen Überlastkörper mit einer radialen Spielpassung koaxial in der Durchgangsbohrung einer Hohlrolle anzuordnen, welcher bei radialer Belastung des Wälzkörpers die Hohlrolle abstützt, bevor eine vorgegebene Materialbeanspruchung der Hohlrolle überschritten wird. Aufgabe der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Kinematik eines solchen Innenkörpers oder Überlastkörpers im Lagerbetrieb zu verbessern. Der Erfin- düng liegt weiterhin die Aufgabe zugrunde, ein Wälzlager umfassend Wälzkörper mit einem solchen Innenkörper anzugeben.

Lösung der Aufgabe

Die erstgenannte Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Wälzkörper für ein Wälzlager, umfassend eine Hohlrolle mit einer entlang einer Rotationsachse der Hohlrolle verlaufenden Durchgangsbohrung sowie einen zylindrischen Körper, der mit einer radialen Spielpassung koaxial in der Durchgangsbohrung angeordnet ist, wobei die Hohlrolle und der Innenkörper für einen Formschluss in Radialrichtung ausgebildet sind. Unter einem zylindrischen Rumpf wird nicht nur ein gerader Kreiszylinder verstanden, sondern jeder Rotationssymmetrischer Körper mit zwei parallelen Stirnseiten, wie z.B. ein tonnenförmiger Rumpf.

Die Erfindung basiert auf der Überlegung, dass eine Verbesserung der Kinematik des Innenkörpers beim Einsatz des Wälzlagers erreicht wird, indem eine axiale Führung des Innenkörpers in der Durchgangsbohrung durch Formschluss mit der Hohlrolle realisiert ist. Der Formschluss erfolgt durch Passung der Formgebung der Hohlrolle und/oder des Innenkörpers aneinander, derart, dass eine axiale Verschiebung des Innenkörpers in der Durchgangsbohrung über ein vorgegebenes Toleranzmaß hinaus verhindert wird. Dank der axialen Führung des Innenkörpers an der Hohlrolle über Formschluss erfolgt insbesondere keine Abstützung des Innenkörpers am Käfig, so dass eine Reibungsminderung zwischen dem Innenkörper und dem Käfig vorliegt und zusätzliche Käfigbelastungen bei hohen Radialkräften vermieden werden. Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung sind die Randbereiche der Hohlrolle und/oder des Innenkörperes zur Ausbildung des Formschlusses ausgestaltet. Hierdurch wird der Einsatz des Innenkörpers als Stützkörper ermög- licht, indem im Inneren der Durchgangsbohrung Platz für eine radiale Spielpassung zwischen dem Innenkörper und der Wand der Durchgangsbohrung vorhanden ist und die Positionierung des Innenkörpers lediglich in den Randbereichen erfolgt. Mit Randbereich wird weiter in der Anmeldung der Bereich in der Nähe der Stirnseiten des Wälzkörpers bezeichnet, in dem die Geometrie des Innenkörpers und / oder der Hohlrolle zur Ausbildung des Formschlusses modifiziert ist.

Eine besonders sichere Führung des Innenkörpers wird ermöglicht, indem gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Radius der Stirnseite des Innenkörpers größer ist als der Radius der Durchgangsbohrung. Somit wird ein Durchrutschen des Innenkörpers durch die Durchgangsbohrung verhindert, auch wenn zwischen dem Innenkörper und der Hohlrolle entlang der Durchgangsbohrung eine Spielpassung eingestellt ist.

Damit der Innenkörper in die Durchgangsbohrung eingeführt werden kann, auch wenn der Radius seiner Stirnseite größer ist als der Radius der Durchgangsbohrung, ist am Rumpf zumindest an einer Seite im Randbereich bevorzugt ein Randstück angeordnet, durch welches der Radius des Innenkörpers in Richtung zur Stirnseite ansteigt und somit einen hochgezogenen Rand bildet. Das Randstück stellt hierbei ein separat vom Rumpf angefertigtes Teil dar, welches später fest mit dem Rumpf verbunden wird, um den Innenkörper auszubilden. Beim Zusammenbauen des Wälzkörpers wird der Rumpf in die Durchgangsbohrung eingeführt und anschließend wird das Randstück zum Ausbilden des kompletten Innenkörpers mit dem Rumpf fest verbunden. Die Verbindung zwischen dem Rumpf und dem Randstück kann kraftschlüssig, formschlüssig oder stoffschlüssig sein, wobei keine relative Bewegung zwischen dem Rumpf und dem Randstück stattfindet. Im ein- fachsten Fall stellt das Randstück einen Kegelstumpf mit einer stetigen Mantelfläche dar. Möglich ist jedoch auch, an der Mantelfläche des Randstücks Kerben oder Ausnehmungen für weitere Elemente, wie z.B. Dichtungen, vorzusehen. Das Randstück kann aus dem gleichen Material ausgebildet sein wie der Innenkörper. Bei einer Ausgestaltung mit zwei solchen Randstücken, die beidseitig des Rumpfes angeordneten ist, sind diese insbesondere aus einem anderen Material als der Rumpf ausgebildet, ohne dass dadurch die Stabilität des Innenkörpers beeinträchtigt wird.

Damit der Innenkörper in die Durchgangsbohrung positioniert werden kann ist mindestens ein Randstück erforderlich, welches randseitig mit dem in der Durchgangsbohrung eingeführten Rumpf verbunden wird und somit ein Durchrutschen des Rumpfes durch die Durchgangsbohrung verhindert. Im Falle, dass nur ein Randstück zur Ausbildung des Innenkörpers vorgesehen ist, ist vorzugsweise der Rumpf im anderen Randbereich des Innenkörpers profiliert ausgebildet, so dass der Radius des Innenkörpers in Richtung zur Stirnseite ansteigt und einen hochgezogenen Rand bildet. Der profilierte Randbereich des Innenkörpers weist hierbei insbesondere eine identische Struktur zu der des Randstücks auf. Zudem ist das Randstück insbesondere aus dem gleichen Werkstoff ausgebildet wie der Rumpf des Innenkörpers, so dass in seinem zusammengebauten Zustand der Innenkörper einen symmetrischen Aufbau aufweist und an beiden Seiten im Randbereich gleich schwer ist.

Eine besonders gute Anpassung der Form des Innenkörpers an die Form der Hohlrolle in den Randbereichen liegt vor, indem bevorzugt die Hohlrolle zur Durchgangsbohrung hin abgerundete Ränder aufweist und die Randbereiche des Innenkörpers von außen betrachtet konkav ausgebildet sind, wobei ein Krümmungsradius der konkaven Randbereiche einem Rundungsra- dius der abgerundeten Ränder entspricht. Betrachtet von der Durchgangsbohrung aus sind somit die abgerundeten Ränder der Hohlrolle konvex ausgebildet und korrespondieren mit den konkaven Randbereichen. Es erfolgt dabei eine besonders gute randseitige Anschmiegung des Innenkörpers an die Hohlrolle.

Alternativ sind die Randbereiche des Innenkörpers von außen gesehen auch konvex ausgebildet und kontaktieren die abgerundeten konvexen Ränder der Hohlrolle. Die Durchgangsbohrung ist somit betrachtet in einem Längsschnitt seitlich durch zwei konvexe Flächen (abgerundeter Rand der Hohlrolle und Randbereich des Innenkörpers) begrenzt, die sich berühren. Es erfolgt hierbei ein linienförmiger Kontakt zwischen dem Innenkörper und der Hohlrolle um den Umfang der Durchbohrung, so dass ein Verschieben des Innenkörpers in Bezug auf die Hohlrolle verhindert wird.

Die Randbereiche des Innenkörpers können auch mittelbar die abgerundeten Ränder der Hohlrolle berühren, z.B. über ein Dichtungselement, welches eine Dichtefunktion erfüllt. Daher ist vorzugsweise am Innenkörper eine Aufnahme für ein Dichtungselement zwischen dem Innenkörper und der Hohlrolle vorgesehen. Die Aufnahme ist beispielsweise nach Art einer umlaufenden Nut ausgebildet, in welche ein O-Ring eingesteckt wird. Das Dichtungselement sorgen außerdem für eine Reservierung von Öl und für eine zusätzli- che Dämpfung radialer Stöße.

Zweckdienlicherweise liegt der Kontaktpunkt zwischen dem Dichtungselement und der Hohlrolle im Randbereich der Hohlrolle. Dies bedeutet, dass von der Rotationsachse des Wälzkörpers aus gesehen der Kontaktpunkt der Dichtung auf einem größeren Radius liegt als der Radius der Durchgangsbohrung.

Bevorzugt ist das Randstück um den Umfang des Innenkörpers ringförmig angeordnet. Dies stellt eine besonders materialsparende Ausgestaltung dar, bei der das ringförmige Randstück klein dimensioniert werden kann. Bei dieser Ausgestaltung ist insbesondere vorgesehen, dass der Rumpf an seinem Ende Aussparungen zur Aufnahme des Randstückes aufweist. Alternativ ist das Randstück stirnseitig am Rumpf befestigt. Hierdurch erfolgt eine großflächige Verbindung zwischen dem Innenkörper und dem Randstück, welche sich insbesondere über die gesamte Stirnseite des Rumpfes erstreckt.

Vorteilhafterweise ist das Randstück aus einem anderen Material als der Rumpf ausgebildet. Hierbei sind insbesondere zwei Randstücke vorgesehen, welche symmetrisch an beiden Seiten des Rumpfes angeordnet sind. Insbesondere bei einer Ausgestaltung, bei der das Randstück unmittelbar die Hohlrolle berührt, ist das Randstück bevorzugt aus einem elastischeren Material als der Innenkörper ausgebildet, damit das Randstück gut am Randbereich der Hohlrolle anliegen kann.

Die zweitgenannte Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Wälzla- ger, umfassend eine Vielzahl von Wälzkörpern, wobei mindestens einer der Wälzkörper ein Wälzkörper nach einer der vorhergehenden Ausgestaltungen ist. Ein derartiges Wälzlager kann z.B. eingesetzt werden, um das Massenträgheitsmoment zu verringern. Dabei werden vorzugsweise mehrere, insbesondere sämtliche Wälzkörper nach einer der vorhergehenden Ausgestal- tungen ausgebildet.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand einer Zeichnung näher erläutert. Hierin zeigen schematisch:

Fig. 1 in einer kombinierten Vorder- und Schnittansicht einen hohlen

Wälzkörper mit einem Innenkörper mit hochgezogenen Randbereichen, Fig. 2 eine erste Ausführung des Randbereichs des Wälzkörpers,

Fig. 3 eine zweite Ausführung des Randbereichs des Wälzkörpers, Fig. 4 eine dritte Ausführung des Randbereichs des Wälzkörpers, und

Fig. 5 eine vierte Ausführung des Randbereichs des Wälzkörpers.

In den Figuren sind gleich wirkende Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen.

Ausführliche Beschreibung der Zeichnung

In Fig. 1 ist ein Wälzkörper 2 eines hier nicht näher gezeigten Wälzlagers dargestellt, der im Wesentlichen eine Hohlrolle 4 und einen in der Hohlrolle 4 angeordneten Stütz- oder Innenkörper 6 umfasst. Ein Wälzlager mit solchen Wälzkörpern 2 kann z.B. in Windkraft-Getrieben und Papiermaschinen eingesetzt werden. Aufgrund seines Aufbaus, der im Folgenden detailliert be- schrieben wird, ist das Wälzlager hierbei schlupffrei. Die Schlupffreiheit bezieht sich auf den Wälzkörperschlupf und den Wälzkörpersatzschlupf. Durch die Vorspannung der Hohlrolle 4 werden relative Bewegungen im Kontaktpunkt zwischen der Laufbahn und dem Wälzkörper 2 vermieden, insbesondere bei hohen Wellen- bzw. Laufbahnbeschleunigungen.

Die Hohlrolle 4 weist eine entlang einer Rotationsachse A verlaufende Durchgangsbohrung 8 auf, wobei der Innenkörper 6 mit einer radialen Spielanpassung koaxial in der Durchgangsbohrung 8 angeordnet ist. Zwischen der Hohlrollenstirnseite und die Stirnseite 14 des Innenkörpers 6 ist ein Spalt S ausgebildet. Der Spalt S kompensiert die axiale Verschiebung des Stützkörpers 6 relativ zur Hohlrolle 4 derart, dass die Stirnseiten der beiden Komponenten (Stirnseite 14 des Innenkörpers 6 und der Hohlrolle 4) einen maximalen zulässigen Abstand zueinander aufweisen. Idealerweise steht der Stützkörper 6 nicht seitlich aus der Hohlrolle 4 hervor. Dies ist insbesondere für den stirnseitigen Anlauf mit einer Käfigtasche 15 relevant (siehe Fig. 2 und Fig. 3), d.h. der Spalt S ist derart bemessen, dass ein seitlicher Anlauf mit der Käfigtasche 15 vermieden wird. Bei der Positionierung des Stützt- oder Innenkörpers 6 ist sowohl in axialer als auch in radialer Richtung ein Spaltmaß vorgesehen, das derart gewählt ist, dass der Innenkörper 6 in der Durchgangsbohrung 8 definiert geführt ist. Wie aus Fig. 2 ersichtlich ist, ist in axialer Richtung zwischen der Hohlrolle 4 und dem Innkörper 6 ein Spiel Δx vorgesehen, wobei im gezeigten Ausführungsbeispiel gilt, dass S~Δx/2. In radialer Richtung liegt der Innenkörper 6 an der Hohlrolle 4 in Teilbereichen an.

Dank ihrer Form sind die Hohlrolle 4 und der Innenkörper 6 für einen Form- Schluss in Axialrichtung ausgebildet. Dies erfolgt über die Gestaltung der Hohlrolle 4 und des Innenkörpers 6 im Randbereich 10. Auf der einen Seite weist die Hohlrolle 4 zur Durchgangsbohrung 8 hin konvex abgerundete Ränder 12 auf. Auf der anderen Seite weist der Innenkörper 6 dazu korrespondierende, konkave, hochgezogene Ränder auf, so dass der Radius des Innenkörpers 6 in Richtung zur Stirnseite 14 bis zu seinem maximalen Radius Ri ansteigt. Dabei ist der Radius Ri der Stirnseite 14 des Innenkörpers 6 größer als der Radius RD der Durchgangsbohrung 8. Im Hinblick auf eine gute Anschmiegung des Innenkörpers 6 an die Hohlrolle 4 entspricht der Krümmungsradius des konkaven Randbereichs 10 des Innenkörpers 6 dem Rundungsradius dem abgerundeten Rand 12 der Hohlrolle 4.

Wie insbesondere aus der Vergrößerung in Fig. 2 ersichtlich ist, sind die hochgezogenen Ränder aus einem scheibenartigen Randstück 16 mit ko- nusförmiger, gekrümmter Umlauffläche ausgebildet, welches an einem zy- lindrischen Rumpf 18 des Innenkörpers 6 angeordnet ist.

Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 ist beidseitig des Rumpfes 18 im Randbereich 10 ein Randstück 16 mit Hilfe einer kraftschlüssigen Verbindung befestigt. Wie aus der Figur zu entnehmen ist, ist das Randstück 16 dabei stirnseitig am Rumpf 18 befestigt. Die Befestigung des Randstückes 16 kann außerdem über eine kraft- oder formschlüssige Verbindung erfolgen. Das Randstück 16 bildet den hochgezogenen Rand, der an die Form der abgerundeten Ränder 12 der Hohlrolle 4 angepasst ist. Das Randstück 16 ist aus einem anderen Material als der Rumpf 18 des Innenkörpers 6 ausgebildet. Da beidseitig des Rumpfes 18 zwei gleiche Randstücke 16 angeordnet sind, ist der Innenkörper 6 durch einen symmetrischen Aufbau gekennzeichnet, auch wenn die Randstücke 16 und der Rumpf 18 aus unterschiedlichen Werkstoffen ausgebildet sind.

Alternativ ist es auch möglich, nur in einem der Randbereiche 10 ein Randstück 16 vorzusehen, wobei im gegenüberliegenden Randbereich der Rumpf 18 des Innenkörpers 6 profiliert ausgebildet ist, derart, dass der Radius Ri des Innenkörpers 6 in Richtung zur Stirnseite 14 stetig ansteigt, so dass die Form dieses Randbereichs 10 des Innenkörpers mit der Form des Randstückes 16 identisch ist. Damit der Innenkörper 6 in beiden Randbereichen gleich schwer ist, ist das Randstück 16 in diesem Fall insbesondere aus dem gleichen Werkstoff wie der Rumpf 18 ausgebildet.

Die Ausgestaltung des Wälzkörpers 2 gemäß Fig. 3 unterscheidet sich von der gemäß der vorhergehenden Figur lediglich dadurch, dass das Randstück 16 nicht stirnseitig am Rumpf 18, sondern um den Umfang des Rumpfes 18 nach Art eines Ringes angeordnet ist.

Beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 4 ist ein Dichtungselement 20 vorgesehen, welches in einer Aufnahme 22 am Randstück 16 angeordnet ist. Die Aufnahme 22 ist in diesem Fall nach Art einer umlaufenden Kerbe ausgebil- det und das Dichtungselement 20 ist ein O-Ring, der sich um den Umfang des Innenkörpers 6 erstreckt. Das Dichtungselement 22 berührt die Hohlrolle 4 im Bereich ihres abgerundeten Randes 12, wobei der Kontaktpunkt zwischen dem Dichtungselement 20 und der Hohlrolle 4 bei einem Radius R _κ liegt, der kleiner ist als der Radius Ri des Innenkörpers 6, jedoch größer ist als der Radius R ₀ der Durchgangsbohrung 8. Die Randstücke 16 gemäß Fig. 2, 3 und 4 weisen von außen gesehen eine konkave Form auf, die mit der konvexen Form der abgerundeten Ränder 12 der Hohlrolle 4 korrespondiert. Im Gegenteil dazu hat das Randprofil 16 in Fig. 5 eine konvexe Form und kontaktiert unmittelbar den abgerundeten Rand 12. Das Randprofil 16 ist aus einem Werkstoff mit geeigneter Elastizität, wie z.B. aus Hartgummi, ausgebildet, so dass seine Führungsfunktion in Axialrichtung durch eine Dichtfunktion ergänzt ist.

Bezugszeichenliste

2 Wälzkörper

4 Hohlrolle 6 Innenkörper

8 Durchgangsbohrung

10 Randbereich

12 abgerundeter Rand

14 Stirnseite 15 Käfigtasche

16 Randstück

18 Rumpf

20 Dichtung

22 Aufnahme

A Rotationsachse

K Kontaktpunkt zw. Dichtungselement und abgerundetem Rand

RD Radius d. Durchgangsbohrung

Ri Radius d. Innenkörpers RK Radius d. Kontaktpunkts zw. Dichtung und abgerundetem Rand

5 Spalt

Δx axiales Spiel