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Die Erfindung betrifft einen Käfig für ein Wälzlager gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie ein Verfahren zur Einstellung eines Endspiels eines Käfigs in einem Wälzlager gemäß dem Oberbegriff des unabhängigen Verfahrensanspruchs.
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Es ist bekannt, Lagerkäfige für sehr große Wälzlager, beispielsweise für Kegelrollenlager von Windkraftanlagen, mit Durchmessern im Bereich von 500 mm bis über 2000 mm, als Segmentkäfige auszubilden. Derartige Segmentkäfige bestehen aus einzelnen, ringsegmentförmigen, kontinuierlich aneinander gereihten Käfigsegmenten mit jeweils wenigstens einem taschenförmigen oder kastenförmigen Aufnahmebereich für einen Wälzkörper.
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Während die Wälzkörper und Lagerringe üblicherweise aus Stahl bestehen, ist der Lagerkäfig beziehungsweise dessen Käfigsegmente meistens aus Kunststoff hergestellt. Aufgrund des großen Lagerdurchmessers, der bei zukünftigen Windkraftanlagen auch mehr als 4000 mm betragen kann, und wegen der erheblich unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten von Stahl und Kunststoff, ist es insbesondere bei Großwälzlagern erforderlich, für einen segmentierten Lagerkäfig ein ausreichendes Spiel in Umfangsrichtung vorzusehen, in welches sich die Umfangslänge der Segmente des Kunststoffkäfigs bei der Erwärmung des Lagers auf eine Betriebstemperatur ausdehnen kann. Ein solches Umfangsspiel kann in Form eines definierten Spaltes beziehungsweise eines Zwischenraumes in Umfangsrichtung zwischen einem ersten und einem letzten Käfigsegment des Lagerkäfigs bei einer lückenlosen Aneinanderreihung der einzelnen Segmente bereitgestellt werden. Aus diesem Spalt beziehungsweise diesem Zwischenraum ergibt sich ein Umfangsspiel, welches als sogenanntes Endspiel eines Segmentkäfigs bezeichnet werden kann.
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Durch hohe statische und dynamische Belastungen werden in Wälzlagern von Windkraftanlagen im Normalbetrieb Betriebstemperaturen von 60°C bis 100°C erreicht, für die das Endspiel ausgelegt sein muss. Allerdings kann es bei einem zu großen Endspiel, insbesondere wenn das Wälzlager wie bei Windkraftanlagen üblich in vertikaler Richtung eingebaut ist, im Betrieb zu einem sogenannten Aufeinanderfallen oder Aufeinanderschlagen der lose aneinander gereihten Käfigsegmente kommen. Dadurch kann eine unerlaubt hohe Geräuschentwicklung im Lager entstehen. Verformungen und Lagerschäden durch ein heftiges Anstoßen der Segmente sind außerdem nicht ausgeschlossen. Andererseits besteht die Gefahr von mechanischen Spannungen, insbesondere eines Verklemmens des Käfigs zwischen den Lagerringen bei überhöhten Betriebstemperaturen, falls das Endspiel zu klein ausgelegt ist. Dadurch kann es zu einem vorzeitigen Verschleiß und zu einer verkürzten Gebrauchsdauer des Wälzlagers kommen.
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Aus der
EP 1 408 248 B1 ist ein Wälzlagerkäfig bekannt, der aus mehreren, lose in ein Wälzlager eingebauten Käfigsegmenten aus Kunststoff besteht. Zwischen den benachbarten Stirnseiten eines letzten und eines ersten Käfigsegments der kreisförmig aneinander gereihten Segmente verbleibt in Umfangsrichtung ein Zwischenraum, der eine temperaturbedingte Ausdehnung des Käfigs kompensieren kann. Der Zwischenraum ist so bemessen, dass sich ein Endspiel ergibt, welches bei Raumtemperatur zwischen 0,15% und 1% des Umfangs eines Teilkreises des Wälzlagers beträgt, der mittig durch die aneinander gereihten Käfigsegmente verläuft. Durch dieses Endspiel ist ein relativ großer Raum in Umfangsrichtung für die verglichen mit Stahl höhere Wärmeausdehnung des Kunststoffkäfigs vorhanden.
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Demnach könnte beispielsweise bei einem Kegelrollenlager mit einem Durchmesser von etwa 2000 mm ein Endspiel eines Kunststoffsegmentkäfigs bei Raumtemperatur zwischen etwa 9 mm und 70 mm vorgesehen sein. Bei einem derartig großen umfangsbezogenen Spalt im Segmentkäfigs ist zwar die Gefahr eines Verklemmens gering, allerdings ist ohne weitere Maßnahmen ein heftiges Aufeinanderschlagen der lose aneinander gereihten Käfigsegmente bei einer vertikalen Einbaulage zumindest bei niedrigen Temperaturen wahrscheinlich.
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Die
DE 11 2009 002 624 T5 zeigt ein Wälzlager mit einem Käfig, der aus mehreren Käfigsegmenten besteht, wobei die mehreren Käfigsegmente mindestens ein erstes Käfigsegment mit einer ersten Umfangslänge und ein zweites Käfigsegment mit einer zweiten Umfangslänge enthalten, wobei sich die beiden Umfangslängen unterscheiden. Die Käfigsegmente sind in Umfangsrichtung des Käfigs radial zwischen einem Außenring und einem Innenring kontinuierlich hintereinander angeordnet. Zwischen dem Käfigsegment, welches als umfangsbezogen erstes angeordnet ist und dem Käfigsegment, welches umfangsbezogen als letztes angeordnet ist, ist, nachdem die Käfigsegmente in Umfangsrichtung ohne Zwischenräume angeordnet sind, in Umfangsrichtung ein Endspiel vorhanden. Durch Kombinieren der Käfigsegmente unterschiedlicher Umfangslänge kann das Endspiel bei Raumtemperatur auf einen Umfangsbereich zwischen 0,08% und 0,1% eines Kreises eingestellt werden, der durch die Mitte der Käfigsegmente verläuft. Der Käfig besteht aus einem abgebundenen Harz, dem ein Füllmaterial aus Kohlefasern oder Glasfasern beigemischt ist. Dadurch soll der Wärmeausdehnungskoeffizient des Käfigs verkleinert werden und insbesondere dem Wärmeausdehnungskoeffizient des Außenrings und/oder des Innenrings des Wälzlagers entsprechen. Außerdem soll dadurch verhindert werden, dass der Käfig trotz des relativ kleinen Endspiels bei einer Erwärmung verklemmt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Wälzlagerkäfig, bestehend aus mehreren Käfigsegmenten, vorzustellen, bei dem ein umfangsbezogenes Endspiel vergleichsweise klein sowie möglichst genau einstellbar ist. Außerdem soll der Käfig insbesondere bei hohen Temperaturen betriebssicher gegen ein Verklemmen im Wälzlager sowie kostengünstig herstellbar sein. Der Käfig soll zudem für den Einbau in ein Großwälzlager geeignet sein, etwa in ein Kegelrollenlager für Windkraftanlagen. Weiter liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Einstellung eines umfangsbezogenen Endspiels eines solchen Käfigs zu beschreiben.
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Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass ein Umfangsspiel zwischen einzelnen Segmenten eines aus Segmenten bestimmter Umfangslängen lose zusammengesetzten kreisförmigen Bauteils von dem Durchmesser eines Kreises abhängt, der durch die aneinander gereihten Segmente verläuft. Durch Kombinieren von Segmenten mit nur zwei verschiedenen Umfangslängen kann ein Umfangsspiel in Form eines Endspiels durch einen bei Raumtemperatur definierten Zwischenraum zwischen einem ersten und einem letzten Segment des Kreises vorab sehr genau eingestellt werden. Wenn durch eine temperaturbedingte Änderung der Umfangslängen der einzelnen Segmente dieses zuvor vorhandene Endspiel aufgebraucht ist, kann eine weitere Längenausdehnung aufgrund eines weiteren Temperaturanstiegs kompensiert werden, sofern der Kreis, auf dem die Segmente aufgereiht sind, ohne Funktionsbeeinträchtigung des Bauteils vergrößerbar ist. Diese Kreisvergrößerung soll bei einem aus Käfigsegmenten zusammengesetzten Kunststoffkäfig eines Großwälzlagers ermöglicht werden, damit nötigenfalls ein zusätzliches Endspiel, über ein bei Raumtemperatur bei der Montage des Wälzlagers vorgesehenes Endspiel hinaus, für die Ausdehnung des Lagerkäfigs verfügbar ist.
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Die Erfindung geht daher aus von einem Käfig für ein Wälzlager, welches einen Außenring, einen Innenring sowie mehrere, radial zwischen diesen Lagerringen angeordnete Wälzkörper aufweist. Der Käfig besteht aus mehreren Käfigsegmenten, welche jeweils Aufnahmetaschen zur Aufnahme der Wälzkörper aufweisen, wobei die Käfigsegmente derartig ausgebildet sind, dass bei einer losen und kontinuierlichen Aneinanderreihung derselben in Umfangsrichtung des Käfigs zwischen den benachbarten Stirnseiten eines ersten Käfigsegments und eines letzten Käfigsegments ein als ein Endspiel in Umfangsrichtung dienender Zwischenraum verbleibt, und bei dem Käfigsegmente mit mindestens zwei unterschiedlichen Umfangslängen verbaut sind. Zur Lösung der gestellten Aufgabe sieht die Erfindung zudem vor, dass das Endspiel durch Auswählen und Kombinieren von gleichen oder verschieden langen Käfigsegmenten eingestellt ist, und dass in Radialrichtung des Käfigs ein als äußeres Radialspiel wirksamer Freiraum zwischen den Käfigsegmenten und dem Außenring des Wälzlagers vorhanden ist, in den sich die Käfigsegmente kräftebedingt und/oder temperaturbedingt verlagern können, so dass zusätzlich zu dem beim Zusammenbau des Käfigs eingestellten umfangsbezogenen Endspiel durch eine betriebsbedingte Radialverlagerung der Käfigsegmente hinein in den durch das äußere Radialspiel gebildeten Freiraum und die dadurch bewirkte Durchmesservergrößerung des Käfig ein zusätzliches, variables, umfangsbezogenes Sicherheitsendspiel bereitgestellt ist.
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Unter einem Käfigsegment wird ein ringstückförmiges, separates Teil eines Wälzlagerkäfigs verstanden, dessen Umfangslänge einen Kreisbogen beschreibt. Unter dem Begriff Umfangslänge eines Käfigsegments wird daher nicht dessen Umfang, sondern die auf den Umfang des Käfigs bezogene Länge desjenigen Kreissegments verstanden, welches durch das Käfigsegment gebildet wird. Unter einem Segmentkäfig wird ein Wälzlagerkäfig verstanden, der aus mehreren einzelnen Käfigsegmenten zusammengesetzt ist.
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Unter einem Endspiel eines aus einzelnen Käfigsegmenten bestehenden Wälzlagerkäfigs wird ein Umfangsspiel verstanden, das sich durch einen definierten Spalt beziehungsweise einen definierten Zwischenraum zwischen einem anfangenden und einem beendenden Käfigsegment einer lückenlosen Aneinanderreihung von Käfigsegmenten ergibt, wobei das Endspiel bei Raumtemperatur einen bestimmten Teilbereich des Umfangs eines Kreises beträgt, der mittig durch die aneinander gereihten Käfigsegmente verläuft.
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Bei dem Käfig gemäß der Erfindung kann ein Zwischenraum zwischen dem Ende und dem Anfang der Aneinanderreihung von Käfigsegmenten relativ schmal sein und damit ein umfangsbezogenes Endspiel des Wälzlagerkäfigs relativ klein gehalten werden. Die Fallhöhe einzelner Käfigsegmente bei einem vertikal in ein Lagergehäuse eingebauten sehr großen Wälzlager kann dadurch ebenfalls klein gehalten werden, so dass die Wirkungen beim Aufeinanderschlagen der Käfigsegmente im Betrieb minimiert wird.
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Zugleich ist eine erhöhte Sicherheit gegen ein Verklemmen des Käfigs zwischen den Lagerringen auch bei sehr hohen Temperaturen vorhanden. Diese hohe Betriebssicherheit wird dadurch erreicht, dass der Lagerkäfig so ausgebildet ist, dass dieser in Bezug zu dem Außenring des Wälzlagers ein radiales Führungsspiel aufweist. Demnach können die Käfigsegmente sich nach radial außen in Richtung zum Außenring hin bewegen, wenn das eingestellte Endspiel in Umfangsrichtung nicht ausreicht. Bei der radialen Ausweichbewegung der Käfigsegmente vergrößert sich der Käfigkreisdurchmesser, welcher den Käfigsegmenten zur Verfügung steht, so dass sich das Endspiel in Umfangsrichtung entsprechend erweitert. Es ist somit nicht notwendig, von vornherein ein übermäßig groß festgelegtes Endspiel in Umfangsrichtung vorzuhalten, um das Wälzlager gegen ein mögliches Verklemmen des Käfigs bei überhöhten Temperaturen abzusichern.
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Ebenfalls ist es nicht notwendig, den Kunststoffkäfig mit hohem Aufwand aus einer speziellen Materialmischung herzustellen, um dessen Wärmeausdehnungseigenschaften zu verändern. Vielmehr passt sich das umfangsbezogene Endspiel an die Längenausdehnung des Lagerkäfigs variabel an. Der Segmentkäfig weist somit das nötige Spiel in dem Wälzlager bei den zu erwartenden Betriebstemperaturen auf, besitzt darüber hinaus eine Sicherheit gegen ein Verklemmen bei überhöhten Temperaturen, ist geräuscharm im Betrieb, auch bei niedrigeren Temperaturen, und ist vergleichsweise kostengünstig in der Herstellung. Ein weiterer Vorteil ergibt sich dadurch, dass bei einem radialen Versatz von Käfigsegmenten die Wälzkörper, bei einer entsprechend Konstruktion, innerhalb ihrer Aufnahmetaschen an verschiedenen Stellen anlaufen können, so dass Einlaufspuren verringert werden und der Verschleiß des Lagerkäfigs verzögert wird.
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Gemäß einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Käfigs ist vorgesehen, dass die Käfigsegmente durch jeweils zwei in Umfangsrichtung des Käfigs weisende Umfangsstege und durch eine Mehrzahl von die Umfangsstege verbindende Verbindungsstege gebildet sind, dass die Umfangsstege und die Verbindungsstege wenigstens eine Aufnahmetasche zur Aufnahme eines Wälzkörpers bilden, und dass die beiden in Umfangsrichtung außen angeordneten Aufnahmetaschen oder die nur eine Aufnahmetasche im Bereich der jeweiligen stirnseitigen Enden der Käfigsegmente durch Endbereiche begrenzt sind, deren jeweilige Länge in Umfangsrichtung des Käfigs an eine vorgegebene Umfangslänge des Käfigsegments angepasst sind.
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Demnach kann eine einfache, relativ kleine Längenänderung eines Käfigsegments an den Endbereichen ausgebildet werden, um Käfigsegmente mit zwei unterschiedlichen Umfangslängen zur Verfügung zu stellen. Die Segmentkäfige bestehen üblicherweise aus Kunststoff und werden in einer Spritzgussform hergestellt. Durch eine einfache, geringe Änderung der Spritzgussform kann auch die längere der beiden Käfigsegmentversionen kostengünstig hergestellt werden. Grundsätzlich sind selbstverständlich auch mehr als zwei Käfigsegmentversionen möglich, also Käfigsegmente mit mehr als zwei unterschiedlichen Umfangslängen, sofern dies sinnvoll und vorteilhaft erscheint.
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Zur Bildung eines Käfigsegments mit einer zweiten, gegenüber einer ersten Umfangslänge größeren Umfanglänge kann einer der beiden Endbereiche des Käfigsegments verlängert ausgebildet sein. Dies kann durch eine Verdickung oder Wandverstärkung des betreffenden Endbereichs erfolgen, so dass das Käfigsegment einseitig verlängert wird. Dazu ist lediglich eine kleine einseitige Änderung der Spritzform des Käfigsegments beziehungsweise eine zweite Spritzform erforderlich, welche gegenüber der ersten Spritzform geringfügig verändert ist.
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Alternativ dazu kann vorgesehen sein, dass zur Bildung eines Käfigsegments mit einer zweiten, gegenüber einer ersten Umfangslänge größeren Umfanglänge, beide Endbereiche des Käfigsegments verlängert ausgebildet sind. Die Verlängerung des Käfigsegments kann somit an beiden Stirnseiten erfolgen, wobei die beidseitige Verlängerung des Käfigsegments beziehungsweise der Spritzform vorzugsweise symmetrisch sein wird. Dadurch sind die Maße der stirnseitigen Begrenzungen der in Umfangsrichtung des Käfigs außen angeordneten Aufnahmetaschen für die Wälzkörper oder der nur einen Aufnahmetasche gleich, und somit ist auch die Gewichtsverteilung dieser Käfigsegmente ausgewogen.
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Möglich ist auch, dass zur Bildung eines Käfigsegments mit einer zweiten, gegenüber einer ersten Umfangslänge größeren Umfanglänge an einem der beiden Endbereiche oder an beiden Endbereichen jeweils mindestens ein in Umfangsrichtung vorspringender Absatz ausgebildet ist. Bei dieser Ausführungsform ist ein Endbereich oder sind beide Endbereiche nicht über die gesamte axiale Länge des Lagerkäfigs verlängert, sondern nur abschnittweise. Dadurch wird weniger Material für die Verlängerung verbraucht und Gewicht eingespart.
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Außerdem kann vorgesehen sein, dass die Käfigsegmente Radialführungen aufweisen, die als Außenringführungen und Innenringführungen ausgebildet sind, mittels denen ein äußeres Radialspiel gegenüber dem Außenring sowie ein inneres Radialspiel gegenüber dem Innenring begrenzt sind. Ausgehend davon, dass die Käfigsegmente bei Raumtemperatur mit ihren Innenringführungen zunächst spielfrei an dem Innenring anliegen, ist mittels der Radialführungen ein maximales, einseitiges radiales Spiel gegenüber dem Außenring des Wälzlagers definiert, welches den Käfigsegmenten für eine Verlagerung nach radial außen zur Verfügung steht. Aus dem möglichen radialen Versatz der Käfigsegmente zum Außenring hin folgt eine mögliche Zunahme des Endspiels in Umfangsrichtung.
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Der segmentierte Lagerkäfig gemäß der Erfindung ist grundsätzlich für alle Arten, Größen und Materialien von Wälzlagern geeignet. Vorzugsweise wird er als ein Kunststoffkäfig in Wälzlagern mit mehr als 500 mm Durchmesser Anwendung finden. Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Käfigsegmente in einem vertikal eingebauten Kegelrollenlager einer Windkraftanlage eingesetzt sind, wobei die Käfigsegmente, bedingt durch die Gravitationskraft, im Uhrzeigersinn in einem Positionsbereich zwischen 3:00 Uhr und 9:00 Uhr zumindest teilweise mit den Außenringführungen spielfrei an dem Außenring des Wälzlagers anliegen, sowie in einem Positionsbereich zwischen 9:00 Uhr und 3:00 Uhr zumindest teilweise mit den Innenringführungen spielfrei an dem Innenring des Wälzlagers anliegen, und dass die Käfigsegmente in dem Positionsbereich zwischen 9:00 Uhr und 3:00 Uhr temperaturbedingt innerhalb des äußeren Radialspiels nach radial außen zum Außenring hin versetzbar angeordnet sind.
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Demnach können die Käfigsegmente des vertikal oberen Halbkreises des Wälzlagers sich bei einem Temperaturanstieg nach radial außen hin verlagern, insbesondere wenn das bereitgehaltene umfangsbezogene Endspiel aufgebraucht ist, während die Käfigsegmente des vertikal unteren Halbkreises gravitationsbedingt schon bei Raumtemperatur das Endspiel vergrößern. Durch das Radialspiel ergibt sich insgesamt ein näherungsweise um ein Sicherheitsendspiel (Sicherheitsendspiel ≈ Radialenspiel × 2π) vergrößertes Endspiel gegenüber einem Ausgangszustand, bei dem alle Käfigsegmente am Innenring anliegen und nur das vorab durch die eingesetzten Käfigsegmente eingestellte Endspiel vorhanden ist. Es hat sich überraschenderweise herausgestellt, dass bei einem Großwälzlager einer Windkraftanlage sich daraus eine zusätzliche thermische Sicherheit gegen ein Verklemmen des Käfigs von mehr als 10°C ergeben kann.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen sein, dass Endspiel des Käfigs in Umfangsrichtung kleiner als 1% des Teilkreisumfangs des Käfigs ist.
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Außerdem kann mit Vorteil vorgesehen sein, dass das äußere Radialspiel zwischen der radialen Außenseite des Käfigs und der Innenseite des Außenrings zwischen 0,025% und 0,05% des Teilkreisdurchmessers des Käfigs beträgt.
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Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zur Einstellung eines Endspiels eines Käfigs für ein Wälzlager, welches einen Außenring, einen Innenring sowie mehrere radial zwischen diesen Lagerringen angeordnete Wälzkörper aufweist, wobei der Käfig aus mehreren Käfigsegmenten besteht, welche jeweils Aufnahmetaschen zur Aufnahme der Wälzkörper aufweisen, wobei die Käfigsegmente derartig ausgebildet sind, dass bei einer losen und kontinuierlichen Aneinanderreihung derselben in Umfangsrichtung des Käfigs zwischen den benachbarten Stirnseiten eines ersten Käfigsegments und eines letzten Käfigsegments ein als ein Endspiel in Umfangsrichtung dienender Zwischenraum verbleibt, und bei dem Käfigsegmente mit mindestens zwei unterschiedlichen Umfangslängen verbaut sind. Das Verfahren gemäß der Erfindung weist folgende Schritte auf:
- – Bereitstellen von ersten Käfigsegmenten mit einer ersten Umfangslänge und von zweiten Käfigsegmenten mit einer zweiten, gegenüber der ersten Umfangslänge größeren Umfanglänge,
- – Festlegen eines gewünschten Endspiels bei Raumtemperatur,
- – Aneinanderreihen von ersten Käfigsegmenten zur Bildung des Käfigs, wobei das sich daraus ergebende Ist-Endspiel größer ist als das gewünschte Endspiel,
- – Messen des Ist-Endspiels des Käfigs und Berechnen der Differenz zwischen dem Ist-Endspiel und dem gewünschten Endspiel,
- – mittels der Endspieldifferenz Bestimmen einer Anzahl von ersten Käfigsegmenten, die der Aneinanderreihung von ersten Käfigsegmenten zu entnehmen sind,
- – Bestimmen einer Anzahl von zweiten Käfigsegmenten, welche in die Aneinanderreihung von Käfigsegmenten einzusetzen sind, um das gewünschte Endspiel einzustellen, und
- – Bilden einer Aneinanderreihung von Käfigsegmenten mit dem gewünschten Endspiel aus der ermittelten Anzahl von ersten und/oder zweiten Käfigsegmenten.
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Da das umfangsbezogene Endspiel des Käfigs relativ klein eingestellt werden soll, ist es vorteilhaft, bei der Herstellung des Lagerkäfigs diese Einstellung möglichst genau vorzunehmen. Zur Festlegung des Endspiels wird eine vorausberechnete Längenausdehnung des Lagerkäfigs in einem zu erwartenden realen Betriebstemperaturbereich zugrunde gelegt. Weiterhin können Fertigungstoleranzen der Bauteile des Wälzlagers selbst vorab berücksichtigt werden, insbesondere Toleranzen der Laufbahnen der Wälzkörper sowie der Käfigsegmente.
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Auf dieser Grundlage ermöglicht das beschriebene Verfahren die Einstellung des Endspiels mit einer gewünschten Genauigkeit. Dies wird dadurch erreicht, dass zwei Kategorien von Käfigsegmenten mit unterschiedlichen Umfangslängen hergestellt werden, die bei der Montage des Lagers individuell zusammengesetzt werden. Demnach werden bei der Montage der Käfigsegmente bei Raumtemperatur zunächst nur Käfigsegmente mit der kürzeren Länge in das Wälzlager eingelegt, wobei die Käfigsegmente bei vertikalem Einbau spielfrei an dem Innenring anliegen. Mit dieser Aneinanderreihung von Käfigsegmenten wird das verbleibende Ist-Endspiel, also die Bogenlänge der Lücke auf der Mittenlinie des Kreises der Käfigsegmente zwischen den Stirnseiten des letzten und des ersten Käfigsegments gemessen, wobei die Käfigsegmente zuvor kontinuierlich und ohne Abstand aneinandergereiht wurden. Die Länge der kürzeren Käfigsegmente ist vorzugsweise so ausgelegt, dass das sich daraus ergebende Ist-Endspiel immer größer ist als das gewünschte Endspiel. Aus der Differenz zu dem Endspiel wird anschließend entschieden, wie viele der kürzeren Segmente aus der Aneinanderreihung von Käfigsegmenten entnommen werden müssen, und wie viele der längeren Segmente dafür in die Aneinanderreihung von Käfigsegmenten eingelegt werden müssen, um das gewünschte Endspiel zu erreichen. Dementsprechend werden die Käfigsegmente kombiniert und in das Wälzlager eingelegt.
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In der Regel wird sich eine Kombination von Käfigsegmenten beider verfügbarer Umfangslängen ergeben, um das gewünschte Endspiel zu erreichen. Grundsätzlich ist es selbstverständlich auch möglich, dass sich der Lagerkäfig nur aus Käfigsegmenten einer Länge zusammensetzt, wenn dies zu dem gewünschten Endspiel führt. Es ist auch möglich, dass Käfigsegmente mit mehr als zwei unterschiedlichen Umfangslängen zur Verfügung gestellt und eingesetzt werden.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnung an mehreren Ausführungsformen näher erläutert. Darin zeigt:
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1 einen schematischen Radialschnitt durch ein Wälzlagers mit einem gemäß der Erfindung ausgebildeten segmentierten Käfig,
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2 ein vereinfacht dargestelltes Käfigsegment des Käfigs gemäß 1 in einer radialen Draufsicht,
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3 ein Käfigsegment wie das der 2 in einer zweiten Ausführungsform, und
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4 ein Käfigsegment wie das der 2 in einer dritten Ausführungsform.
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Demnach zeigt 1 ein Ausführungsbeispiel eines großen Wälzlagers 1, beispielsweise eines Kegelrollenwälzlagers für eine Windkraftanlage zur Lagerung einer Rotorwelle in einem Gehäuse. Das Wälzlager 1 weist einen Außenring 6, einen Innenring 7 sowie mehrere beispielhaft als Kegelrollen ausgebildet Wälzkörper 20 auf, die radial zwischen dem Außenring 6 und dem Innenring 7 angeordnet sind und auf nicht dargestellten Laufbahnen der Lagerringe 6, 7 abrollen. Wie insbesondere die 2 bis 4 zeigen, sind die Wälzkörper 20 in einem Käfig 2 zueinander beabstandet aufgenommen und von diesem geführt. Der Käfig 2 ist als ein Segmentkäfig ausgebildet, der aus einem Kunststoff hergestellt ist und aus mehreren ersten Käfigsegmenten 3 und/oder zweiten Käfigsegmenten 3’ besteht. Die ersten Käfigsegmente 3 weisen eine erste Umfangslänge 4 auf, und die zweiten Käfigsegmente 3’ weisen eine zweite, im Vergleich dazu größere Umfangslänge 4’ auf. Die beiden Umfangslängen 4, 4’ überdecken jeweils unterschiedlich große Kreissegmentabschnitte des Käfigs 2. Die unterschiedlich langen Käfigsegmente 3, 3’ sind lose, kontinuierlich und ohne Abstand in Kreisform aneinandergereiht. Der Umfang des Käfigs 2 und die Umfangslängen beziehungsweise Bogenlängen der einzelnen Käfigsegmente 3, 3’ beziehen sich auf eine Mittenlinie 5, welche radial mittig durch die Aneinanderreihung der Käfigsegmente 3, 3’ verläuft.
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2 zeigt ein vereinfacht dargestelltes erstes Käfigsegment 3 mit einer ersten Umfangslänge 4 in einer Draufsicht von oben. Demnach weist dieses Käfigsegment 3 vier Aufnahmetaschen 15a, 15b, 15c, 15d zur Aufnahme von Wälzkörpern 20 auf, wobei nur ein einziger Wälzkörper 20 dargestellt ist. Die Aufnahmetaschen 15a, 15b, 15c, 15d sind im Wesentlichen durch zwei seitliche Umfangsstege 16a, 16b, drei Verbindungsstege 17a, 17b, 17c sowie zwei Endbereiche 18, 19 gebildet, wobei die Verbindungsstege 17a, 17b, 17c und Endbereiche 18, 19 senkrecht zu den beiden Umfangsstegen 16a, 16b angeordnet und mit diesen einstückig verbunden sind. Die Aufnahmetaschen 15a, 15b, 15c, 15d können in bekannter Weise nicht dargestellte Ansätze aufweisen, in den die Wälzkörper liegen und/oder an denen sie anlaufen.
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3 zeigt ein zweites Käfigsegment 3’ mit einer zweiten Umfangslänge 4’, welche größer ist als die erste Umfangslänge 4. Dies ist dadurch erreicht, dass bei dem zweiten Käfigsegment 3’ die ganz rechte Aufnahmetasche 15d durch einen Endbereich 18’ begrenzt ist, welcher im Vergleich zu dem Endbereich 19 der ganz linken Aufnahmetasche 15a des Käfigsegments 3’ in Umfangsrichtung nach außen verbreitert ausgebildet ist. Dementsprechend ist die zweite Umfangslänge 4’ des zweiten Käfigsegments 3’ im Vergleich mit der Umfangslänge 4 des ersten Käfigsegments 3 vergrößert.
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4 zeigt ein weiteres Käfigsegment 3’’, bei dem die ganz rechte Aufnahmetasche 15d durch einen Endbereich 18’’ begrenzt ist, welcher ebenfalls im Vergleich zum ersten Käfigsegment 3 verbreitert ausgebildet ist, und dessen Breite mit der Breite des Endbereichs 18’ des zweiten Käfigsegments 3’ gemäß 3 identisch ist sowie dementsprechend die größere, zweite Umfangslänge 4’ aufweist. Im Vergleich zu dem zweiten Käfigsegment 3’ gemäß 3 ist bei diesem modifizierten, dritten Käfigsegment 3’’ jedoch der verbreiterte Endbereich 18’’ nicht axial durchgehend, sondern als zwei gegenüberliegende, von der ursprünglichen Breite vorspringende Absätze 21, 22 ausgebildet.
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Nachfolgend werden die Ausdehnungs- und Bewegungsmöglichkeiten der Käfigsegmente 3, 3’ des Käfigs 2 in dem montierten Wälzlager 1 näher erläutert:
1 zeigt das Wälzlager 1 in einer liegenden Montageposition bei einer Blickrichtung 8 auf das Zeichnungsblatt beziehungsweise das Wälzlager 1. Die Laufbahn des Innenrings 7 ist schräg ausgebildet, so dass die kegelförmigen Wälzkörper 20 bei der Montage des Wälzlagers 1 auf dem Innenring 7 liegen bleiben. Die unterschiedlich langen ersten und zweiten Käfigsegmente 3, 3’ weisen Radialführungen auf, die als Außenringführungen 9 und Innenringführungen 10 ausgebildet sind, und durch die ein äußeres Radialspiel 11 sowie ein inneres Radialspiel 12 begrenzt sind. Die Käfigsegmente 3, 3’ liegen bei Raumtemperatur mit den Innenringführungen 10 an dem Innenring 7 beziehungsweise an der Laufbahn des Innenrings 7 spielfrei an, also ohne inneres Radialspiel 12. Zwischen den benachbarten Stirnseiten eines anfangenden Käfigsegments 3’ und eines beendenden Käfigsegments 3 der Aneinanderreihung von Käfigsegmenten ist ein Zwischenraum 13 ausgebildet, der als Bogenlänge der Lücke zwischen den einander zugewandten stirnseitigen Enden der betreffenden Käfigsegmente 3, 3’ auf der Mittenlinie 5 des Käfigs 2 gemessen wird. Der Zwischenraum 13 entspricht einem Endspiel der Aneinanderreihung der Käfigsegmente, woraus sich ein Umfangsspiel des Kä2 ergibt, welches bei Raumtemperatur einen bestimmten Teilbereich des Umfangs eines Kreises beträgt, welcher durch die Mittenlinie 5 der Käfigsegmente 3, 3’ verläuft.
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Um vorab ein bestimmtes gewünschtes Endspiel 13 einzustellen, sind in dem Käfig 2 eine bestimmte Anzahl von ersten Käfigsegmenten 3 sowie eine bestimmte Anzahl von zweiten Käfigsegmenten 3’ kombiniert angeordnet. Zur Vereinfachung der Zeichnungsfigur ist in 1 lediglich eines der kürzeren, ersten Käfigsegmente 3 und im Übrigen nur die längeren, zweiten Käfigsegmente 3’ bezeichnet. Dies ist als ein vereinfachendes Beispiel zu verstehen. Bei einem realen Käfig 2 werden meist mehrere kürzere Käfigsegmente 3 und mehrere längere Käfigsegmente 3’ verbaut sein. Durch das Zusammenstellen von Käfigsegmenten 3, 3’ der zwei Umfangslängen 4, 4’ kann das Endspiel 13 genau eingestellt werden. Dazu wird zunächst ein bestimmtes Endspiel 13 als ein gewünschtes Endspiel vorgegeben und eine Aneinanderreihung der Käfigsegmente gebildet, welche nur aus den kürzeren Käfigsegmenten 3 besteht. Anschließend wird das aktuelle Ist-Endspiel gemessen und die Differenz zum gewünschten Endspiel 13, welches kleiner als das gemessene Ist-Endspiel ist, festgestellt. Nun werden sukzessive kürzere Käfigsegmente 3 aus dem Käfig 2 entnommen und durch längere Käfigsegmente 3’ ersetzt, bis das gewünschte Endspiel 13 erreicht ist.
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Bei dem vormontierten Käfig 2 mit dem eingestellten Endspiel 13 ergibt sich zum Außenring 6 ein nicht verschwindendes äußeres Radialspiel 11 der Käfigsegmente 3, 3’. Diese einseitige Radialspiel 11 ist zur Verdeutlichung in 1 überhöht dargestellt. Im Betrieb ist das Wälzlager 1 vertikal in einem Lagergehäuse oder einer Umgebungskonstruktion eingesetzt. Dadurch wirkt die Gravitationskraft 14 mit der Erdbeschleunigung g auf die Käfigsegmente 3, 3’. Aufgrund des äußeren Radialspiels 11 können die Käfigsegmente 3, 3’ im vertikal unteren Halbkreis des Wälzlagers 1, also im Uhrzeigersinn etwa in einem Bereich zwischen 3:00 Uhr und 9:00 Uhr, eine radiale Versatzbewegung ausführen. Die Käfigsegmente 3, 3’ wandern in diesem Bereich zum Außenring 6 hin und kommen mit ihren Außenringführungen 9 an diesem zur Anlage. Dadurch vergrößert sich das Endspiel 13 im Vergleich zur Montageposition.
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Im Betrieb erhöht sich die Temperatur des Wälzlagers 1, so dass sich die Umfangslänge des Kunststoffkäfigs 2 aufgrund seiner im Vergleich zur den Lagerringen 6, 7 höheren Wärmeausdehnung überproportional vergrößert. Zunächst verringert sich das Endspiel 13 bei den normalen Betriebstemperaturen, so dass das Wälzlager 1 im normalen Betrieb nahezu ohne Umfangsspiel ist. Ist das Endspiel bei extremen Temperaturen bereits erschöpft, haben die Käfigsegmente 3, 3’ im vertikal oberen Halbkreis des Wälzlagers 1, also im Uhrzeigersinn etwa in einem Bereich zwischen 9:00 Uhr und 3:00 Uhr, noch die Möglichkeit eine temperaturbedingte radiale Versatzbewegung zum Außenring 6 auszuführen. Erst wenn dieses zusätzliche Sicherheitsendspiel verbraucht ist und alle Käfigsegmente 3, 3’ am Außenring 6 anliegen, wäre das maximal verfügbare Endspiel beziehungsweise Umfangsspiel ausgenutzt.
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Tabelle 1 zeigt ein Zahlenbeispiel für ein Wälzlager
1 mit einem Käfigdurchmesser von 2000 mm, wobei der Begriff äußeres Radialspiel
11 das radiale Spiel der Käfigsegmente
3,
3’ zum Außenring
6, der Begriff Sicherheitsendspiel 180° ein zusätzliches Endspiel bei einem Versatz der Käfigsegmente
3,
3’ im Bereich zwischen 3:00 Uhr und 9:00 Uhr und der Begriff Sicherheitsendspiel 360° ein zusätzliches Endspiel beim radialen Versatz aller Käfigsegmente
3,
3’ bedeuten.
| äußeres Radialspiel 11 [mm] | Sicherheitsendspiel 180° [mm] | Sicherheitsendspiel 360° [mm] |
| 0,25 | 0,8 | 1,6 |
| 0,50 | 1,6 | 3,2 |
| 0,75 | 2,4 | 4,8 |
| 1,00 | 3,2 | 6,4 |
Tabelle 1
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Die Angaben in Tabelle 1 verdeutlichen den überraschend großen Einfluss eines im Vergleich zum sehr großen Käfigdurchmesser relativ kleinen, äußeren Radialspiels 11 der Käfigsegmente 3, 3’ hin zum Außenring 6 des Wälzlagers 1 auf das verfügbare Endspiel des Käfigs 2. Nimmt man beispielsweise eine mittlere Differenz zwischen der linearen Wärmeausdehnung von Kunststoff und Stahl, also zwischen dem Käfig 2 und den beiden Lagerringen 6, 7 von 20E–6/K, eine Montagetemperatur von 20°C und eine Betriebstemperatur von 80°C für das Wälzlager 1 mit dem Käfigdurchmesser von 2000 mm an, so ergibt sich aus der Temperaturerhöhung von 60°C eine relative Änderung des Umfangs des Käfigs 2 von 7,5 mm. Dementsprechend wäre mindestens ein Endspiel 13 von 7,5 mm vorab einzustellen. Aus der Tabelle 1 kann man nun entnehmen, welches zusätzliche Sicherheitsendspiel durch das äußere Radialspiel 11 verfügbar ist. Ein äußeres Radialspiel 11 von 0,75 mm würde beispielsweise ein zusätzliches Endspiel von 4,8 mm beim Versatz aller Käfigsegmente 3, 3’ zum Außenring 6 ermöglichen. Bei dem angenommenen Ausdehnungskoeffizienten entspricht dies einer zusätzlichen Temperaturerhöhung von 38°C. Demnach wäre selbst bei einer überhöhten Temperatur von 80°C + 38°C = 118°C im Betrieb das Wälzlager 1 gegen ein Verklemmen des Käfigs 2 geschützt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Wälzlager
- 2
- Käfig
- 3, 3’,3’’
- Käfigsegment
- 4, 4’
- Umfangslänge
- 5
- Mittenlinie im Umfangskreis
- 6
- Außenring
- 7
- Innenring
- 8
- Blickrichtung bei liegender Montage
- 9
- Außenringführung
- 10
- Innenringführung
- 11
- Äußeres Radialspiel
- 12
- Inneres Radialspiel
- 13
- Endspiel
- 14
- Gravitationskraft
- 15a, 15b, 15c, 15d
- Aufnahmetaschen
- 16a, 16b
- Umfangsstege
- 17a, 17b, 17c
- Verbindungsstege
- 18, 18’, 18’’
- Erster Endbereich eines Käfigsegments
- 19
- Zweiter Endbereich eines Käfigsegments
- 20
- Wälzkörper
- 21
- Erster Absatz am Endbereich 18’’
- 22
- Zweiter Absatz am Endbereich 18’’
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 1408248 B1 [0005]
- DE 112009002624 T5 [0007]