Längsführung mit Kugeln für eine hin und her bewegte Welle Die Erfindung bezieht sich auf eine Längsführung mit Kugeln für eine hin und her bewegte Welle, welche Längsführung infolge der Anordnung und Ausführung seiner Kugelführungsbahnen besser als die bisherigen für die Lagerung von Wellen mit vor wiegend axial pulsierenden Bewegungen, einseitigen Druckbelastungen und zusätzlichen Kippbeanspru- chungen geeignet ist,
da sie durch Verbesserung der Schmierungsverhältnisse und durch Verteilung und dadurch Herabsetzung der örtlichen Beanspruchun gen auf der Welle und den Tragkugeln der Führung eine zufriedenstellende Laufzeit und Laufruhe gibt.
Für die Lagerung axial beweglicher Wellen wer den zurzeit sowohl Gleitlager als auch Längsfüh rungen mit Kugeln, verwendet; je nach vorliegendem Verwendungszweck gestellten Anforderungen und auftretenden Beanspruchungen kann die eine oder die andere Art vorteilhafter und besser sein.
Längsführungen mit Kugeln sind speziell für die Lagerung von Wellen entwickelt worden, die keine oder kleine Drehbewegungen ausführen, aber axial leicht beweglich sein sollen. Es gibt Längsführungen mit fester oder mit geteilter Lagerbüchse und Längs führungen bei denen die Kugelführungsbahnen in be sonderen, nachträglich eingesetzten Schiffchen lie gen. Es gibt Ausführungen, bei denen die Lager büchsen noch in Rollen gelagert ist, um Drehbewe gungen und eventuell noch zusätzlich in einer balligen Büchse, um Kippbewegungen zu ermöglichen.
Alle diese Ausführungen haben achsparallele Tragkugel- lagerführungsbahnen, sie besitzen keine selbsttätige Nachstellung des Lagerspiels und keinen Ausgleich, der beim Kippen der Welle den Anpressdruck gleich mässig auf alle Tragkugeln verteilt.
Diese Längsführungen sichern zwar Leichtgängig keit der gelagerten Wellen, sind aber empfindlich gegen ungenügende Schmierung, einseitige Druckbe- lastung und Kippbeanspruchungen. Infolge der dann auftretenden höheren örtlichen Spitzen- und Dauer belastung bekommen sie bald Spiel, neigen zum Klappern, werden defekt und fallen schliesslich aus.
Diese Mängel, die durch die Erfindung beseitigt werde, treten zurzeit infolge der nachstehend beschrie benen Ausführung der Längsrichtung auf: Bei Längsführungen gleiten die gelagerten Wellen entweder auf zwei oder zwischen mehreren Reihen achsparallel geführter Tragkugeln hin und her und können dabei eventuell auch noch kleinere Dreh bewegungen ausführen. Für jede der Tragkugelreihen ist ein endloser Kugelumlauf vorhanden mit einer geraden achsparallelen TragkugeIführungsbahn und einer geraden sowie zwei halbkreisförmigen, die Geradeausführungen verbindenden Kugelrückführun gen.
Diese in sich geschlossenen Kugelumlaufbahnen sind jeweils voll mit Kugeln gefüllt, tragend wirken aber nur die Kugeln, die sich zurzeit gerade in der Tragkugelführungsbahn befinden. Die anderen laufen unbelastet und schliessen und sichern den Umlauf. So lange nun die Welle eine in Achsrichtung pul sierende Bewegung und keine zusätzliche Drehbewe gung ausführt, laufen die Kugeln jeder Tragkugel reihe alle auf derselben Mantellinie der Welle hin und her. Jede einzelne der Kugeln dreht sich dabei um eine durch ihren Mittelpunkt gehende, die Wellen achse senkrecht kreuzende Achse, so dass jede Kugel immer über denselben Ablaufmeridian abrollt.
Die Tragkugeln walzen dabei von diesen konstant bei behaltenen Ablauflinien auf Kugel- und Wellenober flächen das vorhandene Schmiermittel mehr und mehr weg. Nach und nach wird dadurch gerade an diesen höchstbeanspruchten Stelle der Welle und der Kugeln die Schmierung immer schlechter und schlechter und schliesslich unzureichend, so dass Schäden entstehen. Es zeigen sich dabei auf diesen Linien erst Ablauf- spuren, und das Lagerspiel vergrössert sich.
D<U>ann</U> beginnen sich die Tragkuglen infolge der Kippbewe- gungen, die die Welle infolge von Druckwechsel aus führt, in ihrer Ablaufbahn einzuschlagen, und das Lager beginnt zu klappern. Nach einiger Zeit werden die Klappergeräusche unerträglich, die Führung geht rauh und fällt schliesslich aus.
Die Erfindung bezweckt die Schaffung einer Längsführung, die auch im harten Dauerbetrieb die erwähnten Mängel nicht aufweist.
Die Erfindung besteht darin, dass die Tragkugel führungsbahnen die Wellenachse unter einem spitzen Winkel kreuzen. Infolge der zur Wellenachse dem Winkel a schrägen Lagerung der Tragkugelfü'hrungs- bahnen laufen die Tragkugeln beim Pulsieren auf par allel nebeneinanderliegenden gut geschmierten Ab- lauflinien, die zur Wellenachse den Winkel a/2 bilden, unter ständiger Verdrehung um ihren Mittelpunkt ab.
Die sonst vorhandenen hohen örtlichen Bean spruchungen, die sich bei den Kugeln auf einen Ab laufmeridian und bei der Welle auf eine konstant eingehaltene Ablauflinie zusammendrängen, werden hier über die gesamte Oberfläche der Tragkugeln und über eine grössere Fläche der Welle verteilt, so dass sie wesentlich niedriger liegen. Durch diese Ausführung der Längsführung wird die Schmiermittel verteilung so verbessert, dass eine einwandfreie Schmierung während des Dauerbetriebes gewährleistet ist.
Falls es notwendig wird, kann ausserdem durch kippbare und federnd ausgedrückte Tragkugelfüh- rungsbahnen das Lagerspiel ausgeschaltet und die Bela stung der Kugeln der Tragkugelreihe voll ausgeglichen werden.
Liegen dabei die Abstützpunkte, um die die Tragkugelführungsbahnen den Kippbewegungen der Welle folgen, nicht gegenüber, sondern um einen Abstand L gegeneinander verlagert, so ist bei einem Wellenkippwinkel ss die gegenseitige Annäherung A, wobei<I>A = L -</I> tgss ist.
Derartige Längsführungen eignen sich besonders für die Lagerung von Federbeinvorderachsen, bei denen die üblichen Längsführungen nicht zufrieden- stellend arbeiten bzw. versagen, da sie bald zum Klappern neigen und dann nach verhältnismässig kurzer Laufzeit ausfallen.
Bei den in der Zeichnung dargestellten Ausfüh- rungsbeispielen der Erfindung stellen dar: Fig. 1 den Schnitt durch Längsführung und Welle längs Linie S-S zu Fig. 2, senkrecht zur Welle, Fig. 2 den achsparallelen Schnitt durch die Längs- führung, Fig. 3 das Bild der beanspruchten Wellenober fläche mit Kugelablauflinien,
Fig. 4 bis 6 Skizzen der Bewegungsvorgänge in der Führung, und zwar Fig. 4 den Schnitt in Achsrichtung der Welle, Fig. 5 den Schnitt parallel zur Achsrichtung der Welle, Fig. 6 den Schnitt senkrecht zur Achsrichtung der Welle, Fig. 7 eine Längsführung mit kippbaren und federnd angedrückten Lagerführungsbahnen bei Nor malstellung der Welle,
wobei der Einfachheit halber die Führungsbahnen parallel zur Wellenachse, satt diese Achse in einem spitzen Winkel kreuzend dar gestellt sind, und Fig. 8 dasselbe Lager bei Kippstellung der Welle. Gemäss den Fig. 1 bis 6 kreuzt die Tragkugelfüh- rungsbahn 4 der Längsführung 2 unter dem Winkel 13 (a) die Achse der gelagerten Welle 1.
Dadurch werden die Tragkugeln 8 der endlosen, umlaufenden Tragkugelkette der Längsführung 2 beim Hin- und Hergang der Welle 1 durch die Führungskanten 6 und 7 des Kugelumlaufs 3 so seitlich abgelenkt, dass sie auf der Welle 1 innerhalb der Fläche 12 Ablauf linien 9 einhalten, die die Wellenachse unter dem Winkel<I>14</I> (a/2) kreuzen und bei einem Kugel-0 <I>d</I> voneinander den Abstand 15 (d - sin 11/2 a) haben.
Infolge der seitlichen Ablenkung durch die Führungs kanten 6 des Kugelumlaufs beim Bewegen der Welle in der einen Richtung -> und durch die gegenüber liegenden Führungskanten 7 bei Bewegung in ent gegengesetzter Richtung -@> führen die Tragkugeln. 8, die infolge der pulsierenden Bewegungen der Welle 1 Drehbewegungen 21 um ihre Achsen 17 und infolge der Ablenkung durch 6 oder 7 Drehbewegungen 22 um ihre Achsen 16 ausführen möchten, als Kombina tion dieser Bewegungen Verdrehbewegungen 23 um ihre Kugelmittelpunkte 18 aus.
Durch die Verdrehbewegungen 23 der Tragkugeln 8 und das Hin- und Herwandern der Ablauflinien 9 auf der Parallelogrammfläche 12 mit den Seiten 10 (maximal axiale Wellenbewegung) und 11 (Länge der Tragkugelführungsbahn), innerhalb der bei rein pulsierenden Wellenbewegungen die Berührungs- punkte zwischen den Tragkugeln 8 und der Welle 1 liegen, kommen immer neue,
gut mit Schmierfilm versehene Punkte der Tragkugeln und der Welle mit- einander in Berührung und wandern die auftreten- den Beanspruchungen an Kugeln und Welle über die gesamte Oberfläche der Tragkugeln. 8 und über die Fläche 12 der Welle 1.
Dabei walzt jede der Trag kugeln 8 von dem auf der Welle vorhandenen Schmierfilm 19 einen Schmiermittelwulst 20 von ihrer Ablauflinie 9 auf die Ablauflinie 9 der danebenliegen den Tragkugeln 8 und sichert dadurch hier gute Schmierung und eine laufende Schmiermittelterteilung auf der Fläche 12.
Letztere wird noch dadurch weiter verbessert, dass die unbelastet rücklaufenden Trag kugeln, die Schmiermittel mit sich führen, auf der Fläche 12 die Ablauflinien 9 der belasteten Trag- kugeln kreuzen.
Bei pulsierenden Bewegungen der Welle 1 be halten die Tragkugeln 8 eine richtungskonstante Dreh bewegung 22 bei, da sie je nach Bewegungsrichtung der Welle 1 einmal an der Führungskante 6, das andere Mal an der Führungskante 7 entlangrollen. Dieses Beibehalten der Drehrichtung sichert ein bes seres Arbeiten des Schubkugellagers und verhindert ein Abreissen des Schmierfilmes. Bei der Ausführung der Fig. 7 und 8 wird die Tragkugelführungsbahn der unbelasteten Seite durch Federungselemente 27 so angedrückt, dass ein even tuell vorhandenes Lagerspiel verschwindet.
Die hier zur vereinfachten Darstellung parallel zur Wellenachse verlaufend dargestellten Führungsbahnen verlaufen in Wirklichkeit so, dass sie, wie bei der Ausführungs form nach Fig. 1 bis 6 die Wellenachse unter einem spitzen Winkel kreuzen. Bei Kippbewegungen der Welle 1 um einen Winkel 30 (ss) folgen beide Trag- kugelführungsbahnen dem Kippen der Welle 1 und werden infolge der um den Abstand 29 gegeneinander verschobenen Dreh- bzw. Abstützpunkte 24 und 26 beim Kippen fest gegen die Welle 1 gedrückt.
Dabei kippt hier die Führungsbahn der belasteten Seite um die Drehachse 24, die der unbelasteten Seite stützt sich über eine Berührungslinie 26 ihrer Kurvenfläche gegen das äussere Tragrohr 32 ab. Mit zunehmendem Kippwinkel wandert die Berührungslinie 26 immer weiter nach aussen, so dass auch der Abstand 29 von Drehpunkt 24 zu Abstützpunkt 26 immer grösser wird.
Bei einer derartigen Kippbewegung der Welle 1 wächst somit mit zunehmendem Kippwinkel 30 der Anpressdruck der beiden Tragkugelführungsbahnen, das heisst die Kippbewegung der Welle wird selbst tätig bei gleichmässig über alle Tragkugeln 8 verteiltem Druck abgefangen.
Die in Fig. 1 bis 8 gebrachten Ausführungen von Längsführungen dienen nur zur Erklärung des Er findungsgedankens, ohne die gegebenen Möglichkeiten zu erschöpfen. Es ist ohne weiteres möglich, durch die Wahl der Ausführung, Anordnung und Lage von festen oder! kippbaren Tragkugelnfü'hrungsbahnen (par allele oder gegeneinander geneigte Führungsbahnen um Drehpunkte, Drehachsen, Abwälzkurven oder eine Kombination von ihnen,
kippbare Führungen, Anpressfedern oder elastisches Material) den verschie densten gestellten Anforderungen Rechnung zu tragen.
Longitudinal guide with balls for a reciprocating shaft The invention relates to a longitudinal guide with balls for a reciprocating shaft, which longitudinal guide better than the previous ones for the storage of shafts with predominantly axially pulsating due to the arrangement and design of its ball guide tracks Movements, one-sided pressure loads and additional tilting loads is suitable,
because it gives a satisfactory run time and smoothness by improving the lubrication conditions and by distributing and thereby reducing the local stresses on the shaft and the support balls of the guide.
For the storage of axially movable shafts who are currently using both plain bearings and longitudinal guides with balls; depending on the requirements and the stresses that arise, one or the other type can be more advantageous and better.
Longitudinal guides with balls have been specially developed for the storage of shafts that have little or no rotary movements, but should be easy to move axially. There are longitudinal guides with fixed or split bearing bushes and longitudinal guides in which the ball tracks lie in special, subsequently inserted shuttles. There are versions in which the bearing bushes are still stored in rollers, for rotary motion and possibly also in one spherical bushing to allow tilting movements.
All of these designs have axially parallel support ball bearing guideways, they do not have an automatic adjustment of the bearing play and no compensation that distributes the contact pressure evenly on all support balls when the shaft is tilted.
Although these longitudinal guides ensure that the shafts run smoothly, they are sensitive to insufficient lubrication, one-sided pressure loads and tilting loads. As a result of the higher local peak and long-term load that occurs, they soon get play, tend to rattle, become defective and ultimately fail.
These deficiencies, which are eliminated by the invention, currently occur as a result of the execution of the longitudinal direction described below: In the case of longitudinal guides, the supported shafts slide back and forth either on two or between several rows of axially parallel-guided supporting balls and can possibly also make smaller rotational movements To run. For each of the rows of supporting balls, there is an endless ball circuit with a straight, axially parallel supporting ball guide track and a straight and two semicircular ball returns that connect the straight lines.
These self-contained orbital ball tracks are each fully filled with balls, but only the balls that are currently in the ball-bearing guide track have a supporting effect. The others run unencumbered and close and secure the circulation. As long as the shaft carries out a pulsating movement in the axial direction and no additional rotary movement, the balls of each supporting ball series all run back and forth on the same surface line of the shaft. Each one of the balls rotates around an axis that goes through its center and crosses the shaft axis vertically, so that each ball always rolls over the same flow meridian.
The supporting balls roll away the existing lubricant more and more from these surfaces while maintaining the drainage lines on the ball and shaft surfaces. As a result, the lubrication gradually gets worse and worse and ultimately inadequate, especially at this highly stressed point on the shaft and balls, so that damage occurs. Only traces of run-off appear on these lines, and the bearing play increases.
Then, as a result of the tilting movements that the shaft performs as a result of pressure changes, the bearing balls begin to break into their trajectory, and the bearing begins to rattle. After a while, the rattling noises become unbearable, the tour is rough and finally fails.
The aim of the invention is to create a longitudinal guide which does not have the aforementioned deficiencies even in tough continuous operation.
The invention consists in that the support ball guide tracks cross the shaft axis at an acute angle. As a result of the bearing of the support ball guide tracks at an angle a to the shaft axis, the support balls run off when pulsing on well-lubricated run-off lines lying parallel to each other, which form the angle a / 2 to the shaft axis, with constant rotation around their center.
The otherwise existing high local stresses, which in the case of the balls are concentrated on an outlet meridian and in the case of the shaft on a constant flow line, are distributed here over the entire surface of the supporting balls and over a larger area of the shaft, so that they are significantly lower lie. This design of the longitudinal guide improves the lubricant distribution so that perfect lubrication is ensured during continuous operation.
If it becomes necessary, the bearing play can also be switched off and the load on the balls of the row of supporting balls can be fully compensated by tiltable and resiliently expressed support ball guide tracks.
If the support points around which the ball bearing guideways follow the tilting movements of the shaft are not opposite, but displaced by a distance L from each other, at a shaft tilting angle ss the mutual approach is A, where <I> A = L - </I> tgss is.
Such longitudinal guides are particularly suitable for mounting suspension strut front axles in which the usual longitudinal guides do not work satisfactorily or fail because they soon tend to rattle and then fail after a relatively short running time.
The exemplary embodiments of the invention shown in the drawings show: FIG. 1 the section through the longitudinal guide and shaft along line SS to FIG. 2, perpendicular to the shaft, FIG. 2 the axially parallel section through the longitudinal guide, FIG the image of the stressed shaft surface with ball run-off lines,
4 to 6 are sketches of the movement processes in the guide, namely FIG. 4 the section in the axial direction of the shaft, FIG. 5 the section parallel to the axial direction of the shaft, FIG. 6 the section perpendicular to the axial direction of the shaft, FIG. 7 a Longitudinal guide with tiltable and resiliently pressed bearing guideways with normal shaft position,
for the sake of simplicity, the guideways are parallel to the shaft axis, instead of this axis crossing at an acute angle, and Fig. 8 shows the same bearing when the shaft is tilted. According to FIGS. 1 to 6, the ball bearing guide track 4 of the longitudinal guide 2 crosses the axis of the supported shaft 1 at the angle 13 (a).
As a result, the support balls 8 of the endless, revolving support ball chain of the longitudinal guide 2 during the back and forth movement of the shaft 1 by the guide edges 6 and 7 of the recirculating ball 3 are deflected laterally so that they comply with the flow lines 9 on the shaft 1 within the surface 12 cross the shaft axis at the angle <I> 14 </I> (a / 2) and with a ball-0 <I> d </I> have a distance of 15 (d - sin 11/2 a) from one another.
As a result of the lateral deflection by the guide edges 6 of the ball circulation when moving the shaft in one direction -> and through the opposite guide edges 7 when moving in the opposite direction - @> lead the supporting balls. 8, who want to perform rotational movements 21 about their axes 17 as a result of the pulsating movements of the shaft 1 and as a result of the deflection by 6 or 7 rotational movements 22 about their axes 16, as a combination of these movements, rotational movements 23 about their spherical centers 18.
Due to the twisting movements 23 of the supporting balls 8 and the back and forth wandering of the flow lines 9 on the parallelogram surface 12 with the sides 10 (maximum axial wave movement) and 11 (length of the supporting ball guideway), the points of contact between the supporting balls with purely pulsating wave movements 8 and wave 1 are always new,
Points on the supporting balls and the shaft that are well provided with a lubricating film come into contact with one another and the stresses that occur on the balls and shaft migrate over the entire surface of the supporting balls. 8 and over surface 12 of shaft 1.
Each of the support balls 8 rolls a lubricant bead 20 from the lubricant film 19 on the shaft from its drainage line 9 to the drainage line 9 of the support balls 8 next to it, thereby ensuring good lubrication and an ongoing lubricant distribution on the surface 12.
The latter is further improved by the fact that the unloaded returning support balls, which carry lubricant with them, cross the drainage lines 9 of the loaded support balls on the surface 12.
With pulsating movements of the shaft 1, the supporting balls 8 keep a constant rotational movement 22, as they roll along the leading edge 6 once, depending on the direction of movement of the shaft 1, the other time along the leading edge 7. Maintaining the direction of rotation ensures that the thrust ball bearing works better and prevents the lubricating film from tearing off. In the embodiment of FIGS. 7 and 8, the supporting ball guide track on the unloaded side is pressed on by spring elements 27 in such a way that any bearing play that may be present disappears.
The guide tracks shown here running parallel to the shaft axis for the sake of simplicity actually run in such a way that, as in the embodiment according to FIGS. 1 to 6, they cross the shaft axis at an acute angle. When the shaft 1 tilts by an angle 30 (ss), both support ball guide tracks follow the tilting of the shaft 1 and are pressed firmly against the shaft 1 during tilting due to the pivot or support points 24 and 26 shifted relative to one another by the distance 29.
Here, the guideway on the loaded side tilts about the axis of rotation 24, while that of the unloaded side is supported against the outer support tube 32 via a contact line 26 of its curved surface. As the tilt angle increases, the line of contact 26 moves further and further outwards, so that the distance 29 from the pivot point 24 to the support point 26 also increases.
With such a tilting movement of the shaft 1, the contact pressure of the two support ball guideways increases with increasing tilt angle 30, that is, the tilting movement of the shaft is actively absorbed with pressure evenly distributed over all support balls 8.
The embodiments of longitudinal guides shown in FIGS. 1 to 8 are only used to explain the concept of the invention, without exhausting the options available. It is easily possible by choosing the design, arrangement and location of fixed or! tiltable support ball guide tracks (parallel or mutually inclined guide tracks around pivot points, axes of rotation, rolling curves or a combination of them,
tiltable guides, compression springs or elastic material) to meet the most diverse requirements.