Kugellager Die Erfindung betrifft ein Kugellager mit gleichachsig ange ordneten, relativ zueinander drehbaren inneren und äusseren Rollbahnkörpern aus inkompressiblem Material, wobei diese Rollbahnkörper zwischen verdickten, ringförmigen, umlaufen den Enden im Querschnitt dünner ausgebildete Bereiche aufweisen, deren sich radial gegenüberliegende Flächen ring förmig umlaufende Rollbahnen mit gleichförmigen und bogen förmigen Querschnitten bilden, die zwischen sich einen ring förmigen Raum einschliessen, der durch zahlreiche, mit Abstand nebeneinander angeordnete Kugeln ausgefüllt ist.
Kugellager haben einen sehr breiten Anwendungsbereich und werden sowohl als grosse Lager zur Aufnahme von hohen Belastungen und/oder Geschwindigkeiten als auch in sehr kleiner Ausführung für die Lagerung von Präzisionsinstrumen ten verwendet. Bei ihrer Anwendung für Fahrzeuge, Schwer maschinen usw. wird vor allem eine hohe Lebensdauer gefor dert, während eine mässige Nachgiebigkeit sowie Geräuschent wicklung geduldet werden kann. Diese Lager benötigen auch nicht eine äusserst genaue Festlegung ihrer Rotationsachse, und eine minimale Reibung wird meist nicht gefordert.
Bei Kugellagern für Präzisionsinstrumente, z.B. Kreiselkom passe, Beschleunigungsmesser und kreiselstabilisierte Plattfor men, ist jedoch eine konstante und geringe Reibung kombiniert mit einer hohen Steifigkeit, d.h. genaue Festlegung der vorbe stimmten Drehachse, sowie einer geringen Erschütterung und Geräuschentwicklung zu fordern. Mechanische Schwingungen, die bei der Umdrehung des Lagers entstehen, würden sich bei elektrischen Instrumenten auf den elektrischen Messwert übertragen. Auch bei diesen Lagern wird eine hohe Lebens dauer angestrebt. Aufgrund der gegenwärtig erreichbaren Lebensdauer von Kreiselkompasslagern ist es erforderlich, Flugkreiselkompasse alle dreihundert Stunden zu überholen.
Ein übliches Kugellager besteht aus einer Anzahl von Kugeln, die frei auf kreisringförmigen Rollbahnen abrollen können. In einer durch die Drehachse verlaufenden Ebene sind die Rollbahnen gewöhnlich kreisförmig gekrümmt. Die äussere Oberfläche des äusseren Rollbahnkörpers, ebenso wie die innere Oberfläche des inneren Rollbahnkörpers, sind zylindrisch geformt, ausser bei einigen sich selbst ausrichten den Lagern, bei denen die äussere Oberfläche kugelförmig ist. Diese Oberflächen der Rollkörper liegen mit ihrer gesamten Fläche fest am Gehäuse bzw. der zu lagernden Welle an.
Ist ein derartiges übliches Lager unbelastet, so ist die Berüh rungsfläche zwischen den Kugeln bzw. Rollkörpern sehr klein und nahezu punktförmig. Um die Berührungsfläche zu ver grössern und die Lagerlast gleichförmiger zu verteilen, wird das Lager gewöhnlich einer axialen Vorspannung ausgesetzt. Bei Kreiselgeräten z.B. entspricht diese Vorspannung ungefähr den auftretenden Lagerbelastungen. Eine hohe Beanspruchung in der Berührungszone zwischen den Rollkörpern und der Rollbahn ist die Folge. Zu dieser Vorspannung kommt als Beanspruchung auch noch die bei Belastung auf das Lager wirkende äussere Kraft.
Weiterhin treten durch Ungenauigkei ten bei der Ausführung der Kugeln und der Rollbahnen und den dabei auftretenden Durchmesserabweichungen sehr hohe, unvoraussehbare Spannungsspitzen zwischen den Kugeln und den Rollbahnen auf. Diese Belastungen sind nicht konstant, sondern wechseln mit dem Umlauf der Rollkörper.
Die dabei auftretende wechselnde Belastung und Formän derung führt mit der Zeit zur Ermüdung und damit auch zur Zerstörung des Materials. Materialermüdungserscheinungen sind die überwiegende Ursache von Lagerstörungen.
Es wurden bereits zahlreiche Studien und Versuche durch geführt, um zu untersuchen, auf welche Weise die Lebens dauer von Kugellagern erhöht werden könnte.
So werden beispielsweise Metalle von grosser Zähigkeit und insbesondere hohem Widerstand gegen Materialabspaltungen bei gleichzeitg hoher Härte verwendet. Jedoch ist ein sehr hoher Widerstand gegen elastische Deformation, wie z.B. bei einem Diamanten, nicht wünschenswert, da sonst die Berüh rungsfläche zwischen den Rollkörpern und der Rollbahn sehr klein würde. Die Stahllegierung 52 100 hat sich allgemein bewährt.
Weiterhin wurde vorgeschlagen, die Form der Rollbahnen möglichst genau der Form der Rollkörper anzupassen, indem die Differenz zwischen dem Kugelradius und dem Querschnitt radius der Rollbahn möglichst klein gehalten wird. Diese Gleichförmigkeit ist definiert durch das Verhältnis R/D, wobei R der Krümmungsradius des Rollbahnquerschnittes ist und D der Durchmesser einer Kugel. Bei einer Gleichförmigkeit von 50% ist somit eine vollkommene Gleichförmigkeit vorhanden, während bei 52% ein 4%iger Unterschied zwischen Kugel- und Rollbahnradius vorhanden ist.
Bei üblicher Herstellungs genauigkeit lässt sich im allgemeinen jedoch nur eine Gleich förmigkeit von 52% erreichen, wenn auch unter speziellen Bedingungen bei extremer Feinheit bei der Herstellung eine Gleichförmigkeit von 50,5 % erreichbar ist.
Eine genaue Kontrolle der Kugel- und Rollbahnabmessun- gen sowie der Oberflächenfeinheit, die Wahl des Schmiermit tels und die Abdichtung des Lagers beeinflussen ebenfalls die Lebensdauer eines Kugellagers.
Durch diese bekannten Massnahmen wurde die Lebens dauer von Kugellagern erheblich erhöht, jedoch ist damit ein hoher Aufwand verbunden, der insbesondere bei Präzisionsla gern zu ausserordentlichen Kosten führt.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Lager zu finden, bei dem die Hertzsche Pressung wesentlich verringert ist, ohne dass dabei andere Eigenschaften des Lagers nachteilig beeinflusst werden. Dabei soll beispielsweise die Berührungsfläche zwischen den Kugeln und den Rollbah nen vergrössert werden, ohne dass bei der Fabrikation die Krümmung der Rollbahnquerschnitte stärker der Kugelkrüm mung angepasst wird und eine gleichförmige Berührung und Beanspruchung zwischen den verschiedenen Kugeln und der Rollbahn ohne Erhöhung der geometrischen Genauigkeit der Kugeln und Rollbahnen erreicht werden.
Zweckmässig soll verhindert werden, dass eine Kugel mit etwas grösserem Durchmesser eine unverhältnismässig grössere Last aufnimmt. Auch soll z.B. ein Kugellager gefunden werden, bei dem ein Wärmeübertragungsmedium in direktem Kontakt mit den Rollbahnkörpern durch das Lager geführt werden kann. Das Lager soll z.B. eine lange Lebensdauer haben, geringe Anfor derungen an seine Herstellungsgenauigkeit stellen und preis wert herstellbar sein.
Zur Lösung dieser Aufgabe eignet sich das eingangs erwähnte Kugellager, das dadurch gekennzeichnet ist, dass mindestens einer der Rollbahnkörper an einem seiner verdick ten Enden gehalten ist, so dass er nach Art eines auskragenden Balkens durchbiegbar ist, und dass mindestens einer der Roll bahnkörper an den verdickten, in axialer Richtung sich gegen überliegenden Enden mit einem ringförmig umlaufenden Verstärkungsrand (59, 62) versehen ist, der einen anderen umlaufenden ringförmigen Raum begrenzt, wobei der Quer schnitt des dünner ausgebildeten Bereiches zwischen den verdickten Enden des Rollbahnkörpers wesentlich kleiner ist als der Querschnitt dieses anderen ringförmigen Raums,
so dass der Querschnitt des dünner ausgebildeten Bereiches zwischen den verdickten Enden unter Last in radialer Richtung nach Art eines an seinen beiden Enden unterstützten Balkens elastisch durchbiegbar ist.
Im folgenden wird die Erfindung anhand einer in der Zeich nung dargestellten beispielhaften Ausführungsform des Kugel lagers näher beschrieben.
Die Zeichnung zeigt einen Schnitt durch eine Kugellager ausführung mit auskragenden inneren und äusseren Rollbahn körpern.
In diesem Beispiel sind jeweils der innere und äussere Roll bahnkörper gleichartig ausgeführt und an einer Seite abge stützt. Bei der Anwendung von Lagern für Instrumente wird ein isoelastisches Verhalten des Lagers oder der Kombination aus Lager und Lagerunterstützung gefordert. Isoelastizität bedeu tet, dass das Lager in jeder Lastrichtung für eine bestimmte Last die gleiche Auslenkung erfährt. Der Begriff Isoelastizität ist beispielsweise in dem US-Patent Nr. 2 649 808 von Slater, erteilt am 25. August 1953, näher beschrieben.
Ohne isoelasti- sches Verhalten des Lagers würden Schwerkraft oder Beschleunigungskräfte an der gelagerten Masse zu Momenten führen, die eine Abweichung in Kreiselgeräten oder unzuläs sige hohe Momente im Kardanservosystem verursachen wür den. Konventionelle Lager mit einem geringen Berührungs winkel verhalten sich nahezu anisoelastisch, indem sie in radia ler Richtung wesentlich steifer sind als in axialer Richtung.
Gemäss dem genannten US-Patent beträgt der Berührungs winkel für ein Schrägkugellager konventioneller Ausfüh rung 35,2-.
Da durch die besondere Ausführung der Rollbahnkörper die radiale Steifigkeit verringert wird, ohne dass die axiale Steifigkeit sich wesentlich ändert, neigen die derartig ausge führten Lager dazu, sich isoelastisch zu verhalten. Durch genaue Auswahl der Abmessungen des balkenartigen Teiles der Rollbahnkörper zusammen mit der geeigneten Wahl des Elastizitätsmoduls des Rollbahnkörpermaterials kann ein isoelastisches Lager ausgebildet werden, das einen wesentlich geringeren Berührungswinkel gegenüber konventionellen Lagern hat, so dass seine Laufeigenschaften wesentlich besser sind.
Wie die Zeichnung zeigt, ist eine Welle 57 vorhanden mit einem dünnwandigen rohrförmigen Ansatz 58, der einen Roll bahnkörper bildet mit einer inneren Rollbahn 2 und einem Versteifungsrand 59. Weiterhin ist eine Halterung 60 vorhan den, die ebenfalls mit einem dünnwandigen rohrförmigen Ansatz 61 versehen ist, der einen Rollbahnkörper bildet mit einer äusseren Rollbahn 3 und einem Versteifungsrand 62.
Am gegenüberliegenden Ende der Welle sind ähnliche kugel tragende Elemente vorhanden, wie in der Abbildung darge stellt ist, und die Welle sowie die Halterung sind derart ausge führt, dass die Länge zwischen den Zentrumskreisen der inne ren Rollbahnen 2 geringförmig grösser ist als zwischen den Bahnen 3, so dass im zusammengebauten Lager eine axiale Vorspannung vorhanden ist, die die Kugeln gegen die Rollbah nen drückt. Unter dem Kugeldruck können die Teile der Ansätze 58 und 61 sich örtlich deformieren, so dass die Span nungen verringert werden.
Es zeigt sich somit, dass bei dem erfindungsgemässen Lager die Hertzschen Spannungen, die entscheidend für die Lebens dauer eines Lagers sind, wesentlich verringert werden, indem die Rollbahnkörper so ausgeführt sind, dass sie durch Biegung Energie absorbieren können und die Last auf ein grösseres Volumen an Bahnmaterial verteilen. Da die Lebensdauer eines Kugellagers umgekehrt proportional der neunten Potenz der maximalen Hertzschen Spannung ist, genügt auch bereits eine geringfügige Verringerung der Spannungen, um eine starke Erhöhung der Lagerlebensdauer zu erreichen.