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.
Ball bearing The invention relates to a ball bearing with coaxially arranged, relatively rotatable inner and outer roller track bodies made of incompressible material, these roller track bodies between thickened, annular, encircling the ends having thinner areas in cross-section, the radially opposite surfaces of which have ring-shaped circumferential roller tracks Form uniform and arc-shaped cross-sections which include a ring-shaped space between them, which is filled by numerous, spaced apart spheres.
Ball bearings have a very wide range of applications and are used both as large bearings to absorb high loads and / or speeds and in very small designs for the storage of precision instruments. When used for vehicles, heavy machinery, etc., a long service life is required, while moderate flexibility and noise development can be tolerated. These bearings also do not need an extremely precise definition of their axis of rotation, and minimal friction is usually not required.
In the case of ball bearings for precision instruments, e.g. Gyroscopic components, accelerometers and gyro-stabilized platforms, however, is a constant and low friction combined with a high stiffness, i.e. exact definition of the vorbe certain axis of rotation, as well as a low vibration and noise to demand. Mechanical vibrations that occur when the bearing rotates would be transferred to the electrical measured value in electrical instruments. A long service life is also sought for these bearings. Due to the presently achievable life of gyrocompass bearings, it is necessary to overhaul flight gyrocompasses every three hundred hours.
A common ball bearing consists of a number of balls that can roll freely on circular roller tracks. In a plane running through the axis of rotation, the runways are usually circularly curved. The outer surface of the outer raceway body, as well as the inner surface of the inner raceway body, are cylindrical in shape, except for some self-aligning bearings in which the outer surface is spherical. These surfaces of the rolling elements rest firmly against the housing or the shaft to be supported with their entire surface.
If such a conventional bearing is unloaded, the contact area between the balls or rolling elements is very small and almost punctiform. In order to increase the contact area and to distribute the bearing load more evenly, the bearing is usually subjected to an axial preload. For gyroscopes e.g. this preload corresponds approximately to the bearing loads that occur. The result is a high level of stress in the contact zone between the rolling elements and the runway. In addition to this preload, there is also the external force acting on the bearing when it is loaded.
Furthermore, due to inaccuracies in the design of the balls and the roller tracks and the resulting deviations in diameter, very high, unforeseeable stress peaks between the balls and the roller tracks occur. These loads are not constant, but change with the rotation of the rolling elements.
The changing loads and deformations that occur in the process lead over time to fatigue and thus to the destruction of the material. Material fatigue is the predominant cause of bearing failures.
Numerous studies and tests have already been carried out to investigate how the life of ball bearings could be increased.
For example, metals of great toughness and, in particular, high resistance to material splitting off, combined with high hardness are used. However, a very high resistance to elastic deformation, e.g. with a diamond, not desirable, otherwise the contact area between the rolling elements and the runway would be very small. The steel alloy 52 100 has generally proven itself.
It has also been proposed to adapt the shape of the runways as precisely as possible to the shape of the rolling elements by keeping the difference between the spherical radius and the cross-sectional radius of the runway as small as possible. This uniformity is defined by the ratio R / D, where R is the radius of curvature of the runway cross-section and D is the diameter of a sphere. Thus, at 50% uniformity, there is perfect uniformity, while at 52% there is a 4% difference between the ball radius and the runway radius.
With usual manufacturing accuracy, however, in general only a uniformity of 52% can be achieved, even if a uniformity of 50.5% can be achieved under special conditions with extreme fineness in the manufacture.
A precise control of the ball and raceway dimensions as well as the surface fineness, the choice of lubricant and the sealing of the bearing also influence the service life of a ball bearing.
Through these known measures, the service life of ball bearings has been increased considerably, but it is associated with a high level of effort, which especially in the case of precision bearings, leads to extraordinary costs.
The object of the present invention is to find a bearing in which the Hertzian pressure is substantially reduced without adversely affecting other properties of the bearing. For example, the contact area between the balls and the runway should be enlarged without the curvature of the runway cross-sections being more closely adapted to the curvature of the spheres during manufacture and uniform contact and stress between the various balls and the runway without increasing the geometric accuracy of the balls and taxiways can be reached.
It is useful to prevent a ball with a somewhat larger diameter from taking on a disproportionately larger load. Also e.g. a ball bearing can be found in which a heat transfer medium can be guided through the bearing in direct contact with the runway bodies. The warehouse should e.g. have a long service life, make low demands on its manufacturing accuracy and be inexpensive to manufacture.
To solve this problem, the aforementioned ball bearing is suitable, which is characterized in that at least one of the runway body is held at one of its thickened ends, so that it can be bent like a cantilevered beam, and that at least one of the runway body on the thickened, axially opposite ends with an annular circumferential reinforcing edge (59, 62) which delimits another circumferential annular space, the cross section of the thinner area between the thickened ends of the runway body is significantly smaller than the cross section this other annular space,
so that the cross section of the thinner area between the thickened ends can be elastically deflected under load in the radial direction in the manner of a beam supported at both ends.
In the following the invention is described in more detail with reference to an exemplary embodiment of the ball bearing shown in the drawing.
The drawing shows a section through a ball bearing design with cantilevered inner and outer runway bodies.
In this example, the inner and outer roller track bodies are designed in the same way and supported on one side. When using bearings for instruments, an isoelastic behavior of the bearing or the combination of bearing and bearing support is required. Isoelasticity means that the bearing experiences the same deflection in every load direction for a specific load. The term isoelasticity is further described in, for example, U.S. Patent No. 2,649,808 to Slater, issued August 25, 1953.
Without isoelastic behavior of the bearing, gravity or acceleration forces on the mounted mass would lead to moments that would cause a deviation in gyroscopic devices or inadmissible high moments in the cardan servo system. Conventional bearings with a small contact angle behave almost anisoelastically in that they are much more rigid in the radial direction than in the axial direction.
According to the US patent mentioned, the contact angle for an angular contact ball bearing of conventional design is 35.2-.
Since the special design of the runway body reduces the radial rigidity without the axial rigidity changing significantly, the bearings carried out in this way tend to behave isoelastically. By precise selection of the dimensions of the bar-like part of the runway body together with the appropriate choice of the modulus of elasticity of the runway body material, an isoelastic bearing can be formed which has a much smaller contact angle compared to conventional bearings, so that its running properties are much better.
As the drawing shows, a shaft 57 is provided with a thin-walled tubular extension 58, which forms a roller track body with an inner raceway 2 and a stiffening edge 59. Furthermore, a bracket 60 is the IN ANY, which is also provided with a thin-walled tubular extension 61 , which forms a runway body with an outer runway 3 and a stiffening edge 62.
At the opposite end of the shaft there are similar ball-bearing elements, as shown in the figure, and the shaft and the bracket are designed in such a way that the length between the center circles of the inner roller tracks 2 is slightly greater than between the tracks 3 , so that in the assembled bearing there is an axial preload that presses the balls against the roller tracks. Under the ball pressure, the parts of the lugs 58 and 61 can deform locally, so that the stresses are reduced.
It can thus be seen that in the bearing according to the invention, the Hertzian stresses, which are decisive for the service life of a bearing, are substantially reduced in that the raceway bodies are designed in such a way that they can absorb energy through bending and apply the load to a larger volume Distribute web material. Since the service life of a ball bearing is inversely proportional to the ninth power of the maximum Hertzian stress, even a slight reduction in the stresses is sufficient to achieve a significant increase in the bearing service life.