Tunnelrolle Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Tunnelrolle. Im Besonderen bezieht sich die Erfindung auf eine Tunnelrolle mit einem unter einem Winkel zu einer Achse der Tunnelrolle in deren Wandung verlaufenden Längsschlitz. Der Längsschlitz in der Tunnelrolle verläuft dabei in der Wandung der Tunnelrolle. Der Längsschlitz in der Wandung der Tunnelrolle erstreckt sich von einem ersten Ende der Tunnelrolle zu einem zweiten Ende der Tunnelrolle.

Hintergrund der Erfindung Tunnelrollen besitzen ein Übermaß und eine Hohlbohrung. Die im Durchmesser leicht vergrößerten Tunnelrollen führen zu einer Vorspannung im Lager und übernehmen den Antrieb des Lagerkäfigs und damit des gesamten Rollensatzes bei niedriger Last, also bei Unterschreiten einer gewissen Mindestlast, auf die das Lager ausgelegt ist. Ein in den Tunnelrollen eingebrachter Längsschlitz sorgt dafür, dass bei höheren Lasten die vergrößerten Tunnelrollen leicht ein- federn, also nachgeben und dadurch keine Überlast tragen müssen. Die Belastung ist dann wie in einem konventionellen Lager gleichmäßig auf alle Wälzkörper im Lager verteilt.

Die schweizerische Patentschrift CH 278692 offenbart ein elastisch- nachgiebiges Rollenlager. Hierbei sind sämtliche im Rollenlager angeordnete Rollen als Tunnelrollen ausgebildet. Zwischen einem Lagerring und einer als Hohlwelle ausgebildeten Welle sind Tunnelrollen angeordnet. Die Tunnelrollen sind mit einem Längsschlitz versehen, welcher sich schraubenlinienförmig von einem Ende des Lagers nach dem anderen Ende des Lagers hinzieht. In der hier dargestellten Ausführungsform überstreicht der schraubenlinienförmige Längsschlitz einen Mittelpunktswinkel bezüglich des Querschnitts der Tunnelrolle von mehr als 180 Winkelgraden bei dem Verlauf von einem Ende des Lagers zum anderen Ende des Lagers hin. Wird ein Lager der beschriebenen Art von der Achse oder dem Lagerring her belastet, so wird die Belastung von den Tunnelrollen elastisch-nachgiebig auf die Gegendruck haltende Seite des Lagers übertragen. Da die Tunnelrollen mit leichter Vorspannung im Lager eingefügt sind, entspricht der Durchmesserverkleinerung der gepressten Tunnelrolle auf der einen Seite eine Vergrößerung des Durchmessers der entlasteten Tunnelrolle auf der gegenüberliegenden Seite des Lagers. Die Welle wird somit in jedem Fall allseitig spielfrei gehalten.

Beschreibung der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Tunnelrolle für ein spielfreies Nadellager zu schaffen, welche Abrollgeräusche im Nadellager minimiert und selbst eine hohe Lebensdauer besitzt.

Die Aufgabe wird durch eine Tunnelrolle gelöst, die die Merkmale des Anspruchs 1 umfasst.

Als Tunnelrolle sind in diesem Fall hohle Rollen, vorzugsweise hohlzylindrisch ausgebildete Rollen, zu verstehen. Zumindest eine dieser Tunnelrollen ist pro Wälzkörperreihe in Umfangsrichtung zwischen den Rollen des Rollenlagers angeordnet. Da die Tunnelrollen hohlzylindrisch ausgebildet sind, sind diese elastischer als die anderen Rollen, deren Grundköper von ihrem Material ausgefüllt ist. Tunnelrollen weisen deshalb Geräusche dämpfende Eigenschaften auf. Die erfindungsgemäße Tunnelrolle ist mit einem unter einem Winkel zu einer Achse der Tunnelrolle in einer Wandung der Tunnelrolle verlaufenden Längsschlitz versehen. Der Längsschlitz verläuft dabei von einem ersten Ende der Tunnelrolle zu einem zweiten Ende der Tunnelrolle. Der Verlauf des Längsschlitzes vom ersten Ende zum zweiten Ende der Tunnelrolle entlang der Wan- dung der Tunnelrolle ist dabei derart ausgestaltet, dass er einen Mittel punkts- winkel bezüglich des Querschnitts der Tunnelrolle von 360°, vorzugsweise von weniger als 180°, an der äußeren Wandung der Tunnelrolle überstreicht.

Der gesamte Umfang der Mantelfläche ist in beliebigen Querschnitten (quer zur Rotationsachse der Tunnelrolle) durch einen Vollwinkel von 360° beschrieben. Die Erfindung sieht also vor, dass der Schlitz in seinem Verlauf vom Anfang zum Ende so verläuft, dass er die Mantelfläche in Umfangsrichtung einmal ü- berstreicht. Die Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der Schlitz sich über weniger als die Hälfte der Mantelfläche erstreckt, also vom ersten Ende zum zweiten Ende der Tunnelrolle entlang der Wandung der Tunnelrolle einen Mittelpunktswinkel (μ) bezüglich des Querschnitts der Tunnelrolle von weniger als 180° überstreicht. Der Mittelpunktswinkel kann auch als Teilwinkel vom Vollwinkel oder Vollwinkels eines Kreises bezeichnet werden. Wobei die Kreislinie die Umfangslinie der Rolle ist. Vorzugsweise erstreckt sich der Schlitz innerhalb der Hälfte des Umfangs der Mantelfläche, so dass der Teilwinkel vom Vollwinkel 360° abweichend nur <= 180° ist. Durch den Schlitz ist die Tunnelrolle elastisch nachgiebig und deren Dämpfungsverhalten noch besser als das einer geschlossenen Hohlrolle.

Unregelmäßigkeiten an der vorzugsweise sehr glatten Oberfläche von Wälz- körpern verursachen im Wälzkontakt Spannungsspitzen und fördern Verschleiß an Rollen und Wälzlaufbahnen. Das trifft auch auf Schlitze bzw. auf deren Kanten zu. Der spiralförmig ausgebildete Schlitz der Rollen nach DE 197 34 980 A1 steht permanent an mehreren Stellen und mit beiden Laufbahnen im Wälzkontakt, so dass die zuvor genannten Nachteile besonders zum Tragen kommen.

Die erfindungsgemäße Anordnung weist durch die Begrenzung des Winkels auf max. 360°, vorzugsweise 180°, mit dem der Schlitz die Rolle überstreicht, den Vorteil auf, dass die Anzahl der Kontaktstellen gegenüber diesem bekannten Stand der Technik stark reduziert ist und damit die Risiken erhöhten Ver- schleißes geringer sind. Die europäische Patentanmeldung EP 1 921 334 A2 zeigt ein Nadellager. Mindestens eine Nadel des Nadellagers ist dabei elastisch-nachgiebig ausgebildet, falls eine Last auf die äußere Fläche des Nadellagers ausgeübt wird. Die elastisch-verformbare Nadel besitzt dabei einen etwas größeren äußeren Durchmesser als die anderen nicht elastisch-verformbaren Nadeln. Die elastische Nachgiebigkeit der Nadeln wird dadurch erreicht, dass die Nadeln eine Hohlbohrung aufweisen und entlang der Länge der Nadeln parallel zu den Mantellinien und zur Rotationsachse ein Längsschlitz eingebracht ist, der geradlinig entlang der Wandung der Nadel verläuft. Die so ausgebildete elas- tisch-nachgiebige Nadel hat den einen Nachteil, dass der gerade Schlitz bei der Rollbewegung des Lagers über seine gesamte Länge mit den Rändern des Schlitzes im Wälzkontakt mit der Wälzlaufbahn steht. Derartige Wälzlager sind nur gering belastbar und dürfen nur mit geringen Drehzahlen rotieren oder nur Schwenken, weil die Kantenberührung im Wälzkontakt sehr hohe Spannungs- spitzen erzeugt, wodurch die Rollen und Wälzlaufbahn beschädigt werden kann. Darüber hinaus erzeugt der pro Umdrehung einmal auf jede der Wälzlaufbahn treffende Schlitz störende Geräusche.

Die Begrenzung auf den Umfangsbereich wirkt sich auch vorteilhaft auf die Fertigung einer Tunnelrolle dieses Typs aus, die in diesem Fall aus Flachmate- rial gebogen werden kann. Dabei sind die Schnittenden des zylindrisch gebogenen Flachmaterials an dem Schlitz aufeinander zugeführt. Dem entgegen müssen Tunnelrollen mit einem Schlitz, sich über einen Vollwinkel von 360° oder mehrfach am Umfang erstrecken im Ansatz spiralförmig gewickelt werden, was sich nachteilig auf die Genauigkeit der Abmessungen der Tunnelrolle aus- wirken kann oder den Aufwand zur Herstellung genauer Rollen erhöht.

Rollenlager sind Wälzlager mit Rollen als Wälzkörper. Die Wälzlager weisen eine Innenlaufbahn und eine Außenlaufbahn auf, zwischen denen eine Reihe oder mehr axial benachbarte Reihen Wälzkörper in Umfangsrichtung um eine Rotationsachse aufeinander folgend angeordnet sind. Die Laufbahnen sind wahlweise an der Oberfläche von Lagerringen, d.h. die Innenlaufbahnen sind an der Oberfläche von Außenringen und die Außenlaufbahnen sind an der O- berfläche von Innenringen, oder an direkt an Abschnitten der Oberfläche, an Innen- oder Außenflächen, ausgebildet.

Die Wälzkörper des Rollenlagers sind Rollen wie Nadeln oder Zylinderrollen. Rollen sind in ihrer Grundform außenzylindrisch ausgebildet und mit zwei Stirnseiten versehen. Sie weisen wahlweise von der außenzylindrischen Form abweichend leicht ballige Mantelflächen auf. Die Stirnseiten sind entweder flach oder konvex bzw. konkav gewölbt. Nadeln sind rollenartige Wälzkörper mit einem Verhältnis ihrer Länge zum Nenndurchmesser der Mantelfläche, das größer als oder gleich dem Zahlenwert 3 ist. Bei Zylinderrollen ist dieses Verhältnis kleiner.

Der Längsschlitz erstreckt sich in radialer Richtung durchgängig durch die Wand, und unterbricht diese somit in Umfangsrichtung einmal vollständig. Da- bei ist der Schlitz nicht achsparallel zur Rotationsachse oder Parallelen der Rotationsachse der Tunnelrolle ausgerichtet, sondern verläuft so schräg zu dieser, dass der mit Winkeln zu der Rotationsachse der Tunnelrolle von einem ersten Ende der Tunnelrolle zu einem zweiten Ende der Tunnelrolle verläuft, welche vorzugsweise 1 ° < α < =45° sind. Die Winkel müssen im Verlauf des Schlitzes nicht gleich zueinander sein. Es kann also auch sein, dass der Schlitz kurvenartig oder zackenartig verläuft oder beliebig die Richtung wechselnd auslenkt weil er in beliebige Richtungen und mit verschiedenen Winkeln von der parallelen Linie auslenkt. Durch den Schlitz ist die Tunnelrolle elastisch nachgiebig und deren Dämpfungsverhalten noch besser als das einer geschlossenen Hohlrolle.

Die Tunnelrollen federn unter Last elastisch in einer Kontaktzone ein und wälzen an dieser ab, welche mit einer Kontaktlinie also mit Linienberührung an den Wälzlaufbahnen beschrieben werden kann, wobei die Kontaktlinie im Idealfall parallel zur Rotationsachse der Tunnelrolle ausgerichtet ist. Der Vorteil der schrägen Ausrichtung des Schlitzes liegt darin, dass bei Rotation des Lagers und Abwälzen der Tunnelrolle nicht der gesamte Schlitz auf einmal im Linienkontakt mit der/den jeweiligen Wälzlaufbahnen steht, sondern nur der Teil des Schlitzes am Schnittpunkt mit der Kontaktlinie. Dadurch wird Verschleiß vermieden und werden Geräusche reduziert.

Das Verhältnis von Außendurchmesser zu Wanddicke bestimmt die Elastizität, mit der die Tunnelrolle ausgebildet. Einerseits muss die Tunnelrolle elastisch nachgiebig genug sein, um sich unter Vorspannung ins Lager montieren zu lassen und um unter hohen Lasten auch auf den Durchmesser der anderen Rollen einzufedern. Andererseits muss die Tunnelrolle auch steif genug ausgebildet sein um die Spielfreiheit des Radiallagers zu gewährleisten. Die Tun- nelrolle hat deshalb einen Außendurchmesser und eine Wanddicke, deren Quotient aus der Wanddicke und dem Außendurchmesser einen Wert zwischen 0,04 bis 0,2 ergibt.

Der Typ der Rolle wird durch ein Verhältnis der Länge der Tunnelrolle zum Außendurchmesser bestimmt. Darüber hinaus hat dieses Verhältnis auch Ein- fluss auf die Steifigkeit bzw. Elastizität, wenn die Wandstärke mit berücksichtigt wird. Je länger die Rolle, um so steifer ist diese. Je kürzer umso elastischer ist deren Reaktion. So ist es denkbar, die Steifigkeit der Tunnelrollen und damit den Grad der Spieleinstellung des Rollenlagers dadurch zu beeinflussen, dass die Tunnelrolle(n) im Lager länger oder kürzer als die üblichen Rollen sind. Vorzugsweise entspricht der Quotient aus der Länge der Tunnelrolle und deren Außendurchmesser einem Wert von 0,8 bis 4,0.

Der Schlitz muss in Umfangsrichtung gerichtet so breit sein, dass die Tunnelrollen ungehindert radial und umfangsseitig auf das radiale Maß der übrigen Rollen einfedern können Der in der äußeren Wandung der Tunnelrolle ange- brachte Längsschlitz weist deshalb vorzugweise eine Breite mit einem Wert von 0,1 mm bis 0,7 mm auf.

Das Material aus dem die Tunnelrolle gefertigt ist, kann 16mnCr5 oder Ct45- oder 100Cr6 oder 100CrMn6 sein.

Mit der erfindungsgemäßen Tunnelrolle kann ein spielfreies Rollen- oder Na- dellager versehen werden. Das Lager weist einen Käfig auf, der eine Vielzahl von Nadeln und wahlweise eine, zwei oder mindestens drei Tunnelrollen hal- tert. Die mindestens drei Tunnelrollen sind dabei gleich verteilt am Umfang des Käfigs angeordnet.

Die Tunnelrolle reiht sich am Umfang in einer Reihe mit den üblichen Rollen ein oder ist axial neben der Reihe mit den üblichen Rollen angeordnet. Genauso ist es denkbar dass das Rollenlager zwei Reihen Rollen aufweist, von denen in wenigstens einer Reihe auch wenigstens eine Tunnelrolle angeordnet ist. Alternativ bilden mehrere Tunnelrollen eine eigene Reihe axial neben einer Reihe mit den übrigen Rollen des Rollenlagers.

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die geschlitzte Tunnelrolle, einen größeren Außendurchmesser als die Rollen aufweist. Das Rollenlager ist ein Radiallager, in dem im Wesentlichen nur radiale Kräfte abgestützt werden. Aufgrund von Fertigungstoleranzen und aus Gründen der Mon- tierbarkeit sind Radiallager immer mit einem Radialspiel versehen. Nachteile der Lagerung resultieren daraus, dass die Rollen in Lagern des bisher bekannten Standes der Technik oft radial um dieses Spiel zwischen den Laufbahnen beweglich angeordnet sind - was zu ungewünschten Geräuschen und zu Verschleiß führen kann. Der Betrag, um den der Nenndurchmesser einer Tunnel- rolle im Rollenlager mit nur einer Tunnelrolle größer ist als der der anderen Rollen, entspricht mindestens dem größtmöglichen radialen Spiel oder mehr. Der Betrag, um den die Tunnelrollen in einem Rollenlager mit mindestens zwei, besser drei, der Tunnelrollen jeweils größer sind als die Nenndurchmesser der übrigen Rollen, entspricht mindestens der Hälfte des radialen Spieles oder mehr.

Bei der Montage des Lagers wird die Tunnelrolle oder werden die Tunnelrollen radial vorgespannt, wodurch diese einfedern und in den Ringspalt zwischen den Wälzlaufbahnen passen. Der Schlitz ist so breit, dass sich der Umfang der Tunnelrolle durch radiales Einfedern mindestens auf den Umfang der übrigen Rollen des Rollenlagers reduzieren lässt, so dass wie eine Ausgestaltung der Erfindung vorsieht, der Außendurchmesser der Tunnelrolle unter Belastung elastisch auf den Durchmesser der Rollen einfederbar ist.

Das radiale Spiel in der Lagerung wird mit der Tunnelrolle oder mit den Tunnelrollen elastisch überbrückt, so dass die störenden Geräusche vermieden wer- den.

Aufgrund dieser Ausgestaltung des Außendurchmessers der Tunnelrollen wirken bei geringer Last, das heißt bei Unterschreiten einer gewissen Mindestlast, am Nadellager die Tunnelrollen spielfrei mit der Wälzlaufbahn an einer Welle oder in einer Bohrung bzw. Lauffläche eines Lagerrings des Nadellagers zu- sammen. Bei Vergrößerung der Last am Nadellager, das heißt bei Überschreiten einer gewissen Mindestlast, werden die Tunnelrollen durch deren elastischnachgiebige Eigenschaft, welche durch den Längsschlitz gegeben ist, zusammengedrückt und die restlichen Nadeln des Nadellagers wirken mit der Wälzlaufbahn des Lagerrings zusammen. Der Außenring und der Innenring des Rollen oder Nadellagers können sowohl spanend als auch spanlos hergestellt werden.

Nachfolgend ist die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen ausführlicher beschrieben. Es zeigen: Fig. 1 eine Ansicht auf ein Ende der erfindungsgemäßen Tunnelrolle im Querschnitt;

Fig. 2 einen Längsschnitt entlang der Achse der erfindungsgemäßen Tunnelrolle;

Fig. 3 eine Seitenansicht der erfindungsgemäßen Tunnelrolle, bei der der Längsschlitz entlang der Wandung der erfindungsgemäßen Tunnelrolle verläuft: Fig. 4 einen Schnitt entlang der Achse eines Nadellagers mit spanend hergestellten Außenring, bei dem die erfindungsgemäße Tunnelrolle eingesetzt ist;

Fig. 5 einen Schnitt senkrecht zur Achse des Nadellagers aus Figur 4, bei dem mindestens drei der erfindungsgemäßen Tunnelrollen in einem Käfig angebracht sind; und

Fig. 6 einen Schnitt parallel durch ein Nadellager mit spanlos hergestelltem Außenring, bei dem in einem Käfig die erfindungsgemäßen Tunnelrollen eingesetzt sind. Für gleiche oder gleich wirkende Elemente der Erfindung werden identische Bezugszeichen verwendet. Das dargestellte Ausführungsbeispiel stellt lediglich eine Möglichkeit dar, wie die erfindungsgemäße Tunnelrolle ausgestaltet sein kann. Ebenso ist die dargestellte Verwendung der erfindungsgemäßen Tunnelrolle in einem Nadellager nur ein mögliches Ausführungsbeispiel von vielen. Ein Ausführungsbeispiel eines Rollenlagers 20 ist mit den Figuren 4, 5 und 6 gezeigt, wobei Figur 6 einen Längsschnitt eines Rollenlagers 20 entlang seiner Rotationsachse zeigt, welches als Außenring 25 eine Nadelhülse mit der Innenlaufbahn 27 aufweist. Die Tunnelrollen 10 reihen sich am Umfang in einer Reihe mit den üblichen Rollen 24 ein. Alternativ oder zusätzlich dazu weist das Rollenlager 20 in Figur 6 eine weitere Reihe auf, die nur durch drei der Tunnelrollen 10, welche kürzer sind als die übrigen Rollen 24, gebildet ist und die in einem gesonderten Käfig 25a in der Nadelhülse geführt sind.

Das Rollenlager 25 nach den Figuren 4 und 5, die Figur 4 zeigt dabei einen Längs- und Figur 5 einen Querschnitt, weist einen Außenring 25 mit der Innenlaufbahn 27 auf, der massiv ausgebildet und spanabhebend hergestellt ist. Das Rollenlager 20 weist Rollen 24 in Form von Nadeln sowie drei gleichmäßig am Umfang verteilte Tunnelrollen 10 (Tunnelnadeln) auf, die alle in einem Käfig 22 gehalten sind. Der Außendurchmesser 12 jeder Tunnelrolle 10 ist größer als der Außen- durchmesser 13 jeder der Rollen 24. Dadurch ergibt sich unter der Voraussetzung, dass alle Rollen 10 und 24 außen an der Außenlaufbahn 27 des Außenrings 25 anliegen, eine Differenz zwischen den vom Rotationszentrum 15 des Rollenlagers 20 ausgehenden Radien 9 und 8, die mindestens der Hälfte des größtmöglichen Radialspieles des in eine Lagerstelle verbauten Rollenlagers 20 entspricht.

Die Figuren 1 , 2 und 3 zeigen eine einzelne der Tunnelrollen 10 in Figur 1 in einer Frontalansicht, in Figur 2 in einem Längsschnitt entlang ihrer Rotationsachse 2 und in Figur 3 in einer Seitenansicht. Die Tunnelrolle 10 mit der Länge 16 ist hohlzylindrisch mit einer Wandstärke 14 und weist einen Schlitz 6 der Breite 18 auf, der sich durchgängig radial und axial von einem Ende 101 der Tunnelrolle 10 zum anderen Ende 102 der Tunnelrolle 10 in der Wandung 4 erstreckt, so dass der Schlitz 6 auch an den axialen Enden 61 und 62 stirnseitig der Tunnelrolle 10 offen ist - wodurch die Wandung 4 einmal am Umfang durch den Schlitz 6 geteilt ist.

Das Verhältnis der Länge 16 der Tunnelrolle 10 zu deren nicht elastisch einge- federten Außendurchmesser 12 ist 0,8 bis 0,4 mm. Das Verhältnis der Wanddicke 14 zum nicht elastisch eingefederten Außendurchmesser 12 der Tunnelrolle 10 ist 0,04 bis 02. Die Breite 18 des Schlitzes 6 ist an schmälster Stelle 0,1 mm bis 0,7mm. Der Längsschlitz 6 ist zwischen dem ersten Ende (101 ) dem zweiten Ende (102) an beliebiger Stelle seines Verlaufes mit Winkeln (□) zu der Rotationsachse (2) geneigt, die von Stelle zu Stelle einander gleichen oder unterschiedlich groß zueinander sein können. Der Umfang der Mantelfläche der Tunnelrolle 10 schließt im Querschnitt der Tunnelrolle 10 betrachtet einen Vollwinkel von 360°. Der Schlitz 6 erstreckt sich von seinem Ende 61 zu seinem anderen Ende 62 über einen Teilumfangsbereich, der maximal durch einen Vollwinkel und in diesem Fall von einem Teilwinkel (μ) vom Vollwinkel, der weniger als 180° ist, beschrieben ist.