DE1163612B - Turtleneck - Google Patents

Description

Rollkörper Die Erfindung bezieht sich auf Rollkörper mit zylindrischer, kegeliger oder tonnenförmiger Grundform, vorzugsweise in Wälzlagern für hohe Beanspruchungen. Sie hat sich zur Aufgabe gestellt, die Laufflächen derartiger Rollkörper. so auszugestalten, daß im belasteten Zustand Kantenspannungen an den Enden der Druckfläche vermieden werden.Rolling body The invention relates to rolling bodies with cylindrical, conical or barrel-shaped basic shape, preferably in roller bearings for high loads. It has set itself the task of the running surfaces of such rolling bodies. to design so that in the loaded state, edge stresses at the ends of the pressure surface are avoided will.

Preßt man einen zylindrischen Rollkörper gegen eine Ebene oder gegen einen Zylinder oder einen Hohlzylinder größerer Länge, wie es beispielsweise bei einem Zylinderrollenlager der Fall ist, dann treten in der Nähe der Rollenstirnflächen Spannungserhöhungen auf. Das gleiche gilt für die Berührung zwischen Kegelrolle und kegeligem bzw. hohlkegeligem Laufring im Kegelrollenlager und in ähnlichem Maße auch für die Berührung zwischen den Tonnenrollen und Laufringen der Pendelrollenlager bei hoher Belastung. Diese Spannungserhöhungen an den Rändern der Laufbahnen und der Rollkörpermantelflächen haben zur Folge, daß an diesen Stellen früher Materialermüdungen auftreten als im mittleren Teil der Laufflächen und daß somit die Lebensdauer der Lager durch die an diesen Stellen vorzeitig auftretenden Schäden begrenzt ist.If you press a cylindrical roller body against a plane or against a cylinder or a hollow cylinder of greater length, as for example at a cylindrical roller bearing is the case, then occur near the roller end faces Voltage increases. The same applies to the contact between the tapered roller and tapered or hollow tapered race in the tapered roller bearing and to a similar extent also for the contact between the barrel rollers and the races of the spherical roller bearings at high loads. These increases in tension at the edges of the raceways and of the rolling body outer surfaces have the consequence that material fatigue earlier at these points occur than in the middle part of the treads and that thus the life of the Storage is limited by the damage that occurs prematurely at these points.

Es sind bereits die verschiedensten Lagerkonstruktionen bekanntgeworden, die darauf abzielten, die Spannungsspitzen an den Druckflächenenden abzubauen oder ganz zu vermeiden. So wurden zunächst die Rollkörper der Zylinderrollenlager leicht ballig mit einer kreisbogenförmigen Erzeugenden ausgeführt, wie in F i g. 1 a dargestellt. Bei Rollen mit kreisförmiger Erzeugenden bildet sich aber ein Druckflächengebirge nach Art eines Halbellipsoids aus, so daß man im Mittelteil der Druckfläche eine erhöhte Flächenpressung, an den Druckflächenenden eine mangelhafte Ausnutzung der Preßfähigkeit hinzunehmen gezwungen ist. Somit muß man das angestrebte Ziel, in der Druckfläche in Richtung der Rollenkörperachse eine möglichst gleichmäßige Flächenpressungsverteilung zu erreichen, aufgeben.A wide variety of bearing designs have already become known, aimed at relieving the stress peaks at the printing surface ends or to be avoided entirely. So initially the rolling elements of the cylindrical roller bearings became light executed convex with a circular arc-shaped generating line, as in FIG. 1 a shown. In the case of rolls with circular generatrices, however, a pressure surface mountain is formed in the manner of a semi-ellipsoid, so that one in the middle part of the printing surface has a increased surface pressure, inadequate utilization of the pressure surface ends Is forced to accept compressibility. Thus, one must achieve the desired goal in the pressure surface in the direction of the roller body axis, a surface pressure distribution that is as uniform as possible to achieve, give up.

Es wurde deshalb auch später eine Zylinderrolle bekannt, die im mittleren Teil zylindrisch, nach den Rollenenden hin jedoch schwach kegelig ausgeführt ist, wie in F i g. 1 b dargestellt. Bei Rollen dieser Konstruktion sind zwar die Spannungsspitzen an den Druckflächenenden beseitigt. Es treten jedoch Spannungserhöhungen am Übergang vom zylindrischen zum kegeligen Teil der Rolle auf. Die Spannungen werden zwar an dieser Stelle nicht so groß wie an den Rollenenden der zylindrischen Rolle, sind aber immer noch beträchtlich höher als die Spannungen in der Mitte des zylindrischen Teils. Um die Spannungserhöhungen an den genannten Übergangsstellen zu vermindern, ist eine Rollenform gemäß F i g. 1c bekanntgeworden. Bei dieser ist die Erzeugende im mittleren Rollenteil eine Gerade, an welche sich nach beiden Rollenenden hin ein Kreisbogen mit großem Radius anschließt. Rollkörper dieser Bauform werden schon seit Jahren in Zylinderrollenlagern eingebaut.That is why a cylindrical roller was later known, the one in the middle Partly cylindrical, but slightly conical towards the roller ends, as in Fig. 1 b shown. With roles of this construction, the stress peaks are eliminated at the printing surface ends. However, there are increases in voltage at the transition from the cylindrical to the conical part of the roller. The tensions will increase though at this point are not as large as at the roller ends of the cylindrical roller but still considerably higher than the tensions in the middle of the cylindrical Part. In order to reduce the voltage increases at the mentioned transition points, is a roll form according to FIG. 1c became known. With this one is the generator in the middle part of the roll a straight line to which both ends of the roll join a circular arc with a large radius is connected. Rolling bodies of this design are already installed in cylindrical roller bearings for years.

Eine weitere bekannte Konstruktion sieht vor, die Rolle an ihren Stirnflächen elastischer bzw. nachgiebiger zu gestalten, um auf diese Weise das Auftreten von Spannungsspitzen zu verhindern. Hierzu werden die Rollkörperstirnflächen mit einer Vertiefung gemäß F i g. 1d versehen. Spannungsoptische Untersuchungen haben gezeigt, daß sich bei einer derartigen Gestaltung der Rolle sehr gute Ergebnisse erzielen lassen. Jedoch ist das Auffinden der günstigsten Form für die Rollkörperstirnflächen nur auf experimentellem Wege möglich und infolgedessen sehr schwierig. Auch herstellungstechnisch sind besondere Vorkehrungen notwendig, so daß diese Rollenform praktisch keine größere Verbreitung gefunden hat.Another known construction provides for the roller on its end faces to make it more elastic or more flexible in order to prevent the occurrence of To prevent voltage peaks. For this purpose, the rolling body end faces are marked with a Deepening according to FIG. 1d provided. Stress-optical investigations have shown that with such a design of the role achieve very good results permit. However, finding the most favorable shape for the rolling body end faces is only possible in an experimental way and consequently very difficult. Also in terms of manufacturing special precautions are necessary, so that this roll form practically no larger Has spread.

Schließlich ist auch ein Versuch bekanntgeworden, die günstigste Rollkörperform theoretisch zu ermitteln. In einer im Jahre 1939 veröffentlichten Arbeit (G. L u n d b e r g, »Elastische Berührung zweier Halbräume« in Forschung a. d. Geb. d. Ing.-Wesens, Bd. 10, Nr. 5 [1939]) ist ein Rollenprofil angegeben, welches in der Druckfläche in Richtung der Rollkörperachse eine konstante Flächenpressung ergeben soll. Unter der Voraussetzung, daß die Druckfläche rechteckig sein soll und die Flächenpressungsverteilung in Richtung der schmalen Seite elliptisch (entsprechend der Lösung von H e r t z) und in Richtung der langen Seite, d. h. in Richtung der Rollkörperachse, konstant sein soll, errechnet sich ein Profil mit stetig veränderlicher Krümmung. Dieses Profil wurde auf den Fall der Zylinderrolle übertragen. Die Übertragung der in der genannten Vorveröffentlichung gefundenen Ergebnisse auf den Fall der Zylinderrolle führt jedoch nicht zu dem angestrebten Ziel. Denn auch bei einer Rolle mit diesem, auf theoretischem Wege gefundenen Profil müssen sich an den Druckflächenenden Spannungsspitzen einstellen. Dies folgt daraus, daß die Druckspannung in der rechteckigen Druckfläche in Richtung der Rollkörperachse nur dann konstant bleiben kann, wenn bei der errechneten Profilkurve der Durchmesser der Rolle an den Rollenenden auf etwa den doppelten Wert des Durchmessers in Rollenmitte anwachsen würde. Da jedoch die Mantelfläche der Zylinderrolle sich wegen des - abgesehen von der ganz geringen Profilierung -konstanten Durchmessers stärker von der Laufbahn abhebt als derjenige Körper, den die Theorie fordert, muß bei einer nach jenen Ergebnissen profilierten Rolle die Druckflächenbreite nach den Druckflächenenden hin abnehmen und somit die Druckspannung an den Rollenenden zunehmen.Finally, an attempt has also become known, the cheapest rolling body shape to be determined theoretically. In a work published in 1939 (G. L u n d b e r g, "Elastic contact between two half-spaces" in research a. d. Geb. d. Ing.-Wesens, Vol. 10, No. 5 [1939]) a role profile is given, which in the Pressure surface in the direction of the rolling body axis result in a constant surface pressure target. Provided that the printing area should be rectangular and the Surface pressure distribution in the direction of the narrow side elliptical (corresponding to the solution of H e r t z) and towards the long side, d. H. towards the Rolling body axis, should be constant, a profile is calculated with continuously changing Curvature. This profile was carried over to the case of the cylindrical roller. The transfer of the results found in the aforementioned prior publication on the case of However, cylindrical roller does not lead to that desired goal. Because even with a role with this theoretically found profile voltage peaks occur at the pressure surface ends. This follows from the fact that the compressive stress in the rectangular pressure surface in the direction of the rolling body axis can only remain constant if the diameter of the calculated profile curve of the roll at the ends of the roll to about twice the value of the diameter in the middle of the roll would increase. However, since the outer surface of the cylindrical roller is because of the - apart from the very low profile - constant diameter more strongly from the raceway stands out as the body that the theory demands, must after those results With the profiled roll, decrease the width of the printing surface towards the ends of the printing surface and thus the compressive stress at the ends of the roll increases.

Abgesehen davon, daß dieses theoretisch gefundene Ergebnis in der Praxis nicht das gewünschte Resultat liefert, ist eine in Rollkörperachsrichtung über die ganze Druckflächenlänge völlig konstante Flächenpressungsverteilung mit einer am Druckflächenrand sprunghaften Änderung der Flächenpressung vom Maximalwert auf Null nachteilig. Die konstante Flächenpressung in der Druckfläche ist keine Gewähr dafür, daß auch die Materialbeanspruchung in der Druckfläche und in deren Umgebung konstant in der Rollkörperachsenrichtung ist. Bei den Untersuchungen, deren Ergebnisse Gegenstand der Erfindung sind, wurde nachgewiesen, daß bei konstanter Flächenpressung über der ganzen Druekflächenlänge sich unterhalb der Laufbahnoberfläche unter den Druckflächenenden beträchtlich höhere Materialbeanspruchungen einstellen als im Mittelteil der Laufbahn. Die Folgerung ist, daß eine völlig gleichmäßige Flächenpressung nicht die optimale Lösung darstellen kann.Apart from the fact that this theoretically found result in the Practice does not deliver the desired result, is one in the rolling element axis direction Completely constant surface pressure distribution over the entire length of the pressure surface a sudden change in the surface pressure from the maximum value at the edge of the pressure surface disadvantageous to zero. The constant surface pressure in the pressure surface is not Guarantee that the material stress in the printing area and in its Environment is constant in the rolling element axis direction. In the investigations whose Results are the subject of the invention, it has been demonstrated that at constant Surface pressure over the entire length of the pressure surface is below the raceway surface Set considerably higher material stresses under the pressure surface ends than in the middle part of the career. The implication is that it is perfectly uniform Surface pressure cannot be the optimal solution.

Die geschilderten Nachteile der bekannten Rollkörper sind durch die Erfindung bei einem Rollkörper der eingangs bezeichneten Art behoben, indem erfindungsgemäß der Rollkörperradius im Mittelteil der Rolle von 80 bis 90° der Rollkörperlänge entsprechend der Gleichung abnimmt und an den beiden Rollkörperenden in der Weise, daß - beginnend in einer Entfernung von 5 bis 100/, der Rollkörperlänge von den Rollkörperstirnflächen - die Radiusverminderung gegenüber der Gleichung bei stetigem Übergang zunehmend stärker wird, bis sie an den Rollkörperstirnflächen den doppelten Wert der obengenannten Gleichung erreicht. Durch die erfindungsgemäß profilierte Mantelfläche ist erreicht, daß die Druckspannung fast über der ganzen Länge der Druckfläche konstant bleibt sowie kurz vor dem Erreichen der Druckflächenenden stetig auf Null abfällt und daß durch den stetigen Abfall der Flächenpressung bis auf Null die Spitzen der Materialbeanspruchung unterhalb der Laufbahn unter den Druckflächenenden verschwinden.The described disadvantages of the known rolling bodies are eliminated by the invention in a rolling body of the type described at the outset, by according to the invention the rolling body radius in the central part of the roller from 80 to 90 ° of the rolling body length according to the equation decreases and at the two ends of the rolling element in such a way that - starting at a distance of 5 to 100 /, the rolling element length from the rolling element end faces - the radius reduction compared to the equation becomes increasingly stronger with a steady transition until it is twice the value mentioned above at the rolling element end faces Equation achieved. The inventive profiled outer surface ensures that the compressive stress remains constant almost over the entire length of the pressure surface and drops steadily to zero shortly before reaching the pressure surface ends and that the peaks of the material stress below the raceway below the track due to the steady decrease in surface pressure to zero the printing surface ends disappear.

Die Erfindung ist in der nachstehenden Beschreibung an Hand der Zeichnung in einer Ausführungsform beispielhaft erläutert. Dabei zeigt F i g. 2 schematisch einen Rollkörper mit zylindrischer Grundform.The invention is illustrated in the following description with reference to the drawing explained by way of example in one embodiment. F i g. 2 schematically a roller body with a cylindrical basic shape.

Die Rollkörpermantelfläche wird bei Voraussetzung ebener, zylindrischer oder kegeliger Laufbahnen so gestaltet, daß der Rollkörperradius im Mittelteil der Rolle von 80 bis 900/, der Rollkörperlänge -je nach Größe der geplanten Rollkörperbelastung - entsprechend der Gleichung abnimmt und an den beiden Rollkörperenden in der Weise, daß - beginnend in einer Entfernung 5 bis 10°/o der Rollkörperlänge von den Rollkörperstirnflächen -die Radiusverminderung gegenüber obengenannter Gleichung bei stetigem Übergang zunehmend stärker wird, bis sie an den Rollkörperstirnflächen den doppelten Wert des Ergebnisses obiger Gleichung erreicht. Hierbei bedeutet is = Radiusverminderung der Rolle [mm], .. = Richtung der Rollenachse, Rollenmitte entspricht z = 0 [mm], 2 a = Länge der Druckfläche = Länge der Zylinderrolle [mm], 2 b = Breite der Druckfläche, wie sie nach den Hertzschen Gleichungen berechnet wird [mm], p, = maximale Flächenpressung in der Mitte der Druckfläche, wie sie nach den Hertzschen Gleichungen berechnet wird [kg/mm2], t = Integrationsveränderliche [mm], m = Poissonsche Zahl, E = Elastizitätsmodul [kg/mm2]. Die gestrichelte Linie in F i g. 2 stellt das Ergebnis der Gleichung dar und die durchgezogene Linie das Rollenprofil. Die Forderung nach einer doppelt so großen Radiusverminderung an den Rollenstirnflächen ergibt sich ebenfalls aus der Elastizitätstheorie, da von dieser Grenze ab die Druckspannung an den Druckflächenenden auf Null abfällt und das Maximum der Beanspruchung unterhalb der Druckflächenenden verschwindet.The rolling body casing surface is designed flat with proviso cylindrical or tapered raceways that the rolling body radius in the middle part of the roll from 80 to 900 /, the roll body length depending on the size of the proposed rolling body load - according to the equation decreases and at the two ends of the rolling element in such a way that - starting at a distance of 5 to 10% of the length of the rolling element from the end faces of the rolling element, the reduction in radius becomes increasingly stronger compared to the above equation with a steady transition until it doubles the value of the result at the end faces of the rolling element above equation achieved. Here is = radius reduction of the roller [mm], .. = direction of the roller axis, roller center corresponds to z = 0 [mm], 2 a = length of the printing surface = length of the cylindrical roller [mm], 2 b = width of the printing surface as it is according to the Hertz equations is calculated [mm], p, = maximum surface pressure in the center of the pressure surface, as calculated according to the Hertz equations [kg / mm2], t = integration variable [mm], m = Poisson's number, E = modulus of elasticity [kg / mm2]. The dashed line in FIG. 2 shows the result of the equation and the solid line shows the roller profile. The requirement for a double radius reduction at the roller end faces also results from the theory of elasticity, since from this limit onwards the compressive stress at the pressure surface ends drops to zero and the maximum stress below the pressure surface ends disappears.

Die erfindungsgemäße Lehre ist nicht allein auf die Rollkörper der Zylinderrollenlager anwendbar, sondern sinngemäß auch für die Kegelrollen der Kegelrollenlager und für die Tonnenrollen der Pendelrollenlager. Ferner ist die vermittelte optimale Profilgebung auch nicht auf Rollkörper allein beschränkt, sondern kann in gleicher Weise auch bei den Laufbahnen allein oder sinngemäß auch bei Rollkörpern und Laufbahnen zugleich angewendet werden.The teaching according to the invention is not limited to the rolling elements of the Cylindrical roller bearings can be used, but also for the tapered rollers of the tapered roller bearings and for the barrel rollers of the spherical roller bearings. Furthermore, the conveyed is optimal Profiling is also not limited to rolling bodies alone, but can be used in the same way This also applies to the raceways alone or, in the same way, for rolling elements and raceways can be used at the same time.

Claims (1)

Patentanspruch: Rollkörper mit zylindrischer, kegeliger oder tonnenförmiger Grundform, vorzugsweise in Wälzlagern für hohe Beanspruchungen, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, daß der Rollkörperradius im Mittelteil der Rolle von 80 bis 90 °/o der Rollkörperlänge entsprechend der Gleichung abnimmt und an den beiden Rollkörperenden in der Weise, daß - beginnend in einer Entfernung von 5 bis 10 °/o der Rollkörperlänge von den Rollkörperstirnflächen - die Radiusverminderung gegenüber der Gleichung bei stetigem Übergang zunehmend stärker wird, bis sie an den Rollkörperstirnflächen den doppelten Wert der obengenannten Gleichung erreicht. Hierbei bedeutet u = Radiusverminderung der Rolle [mm] z = Richtung der Rollenachse, Rollenmitte entspricht z = 0 [mm], 2 a = Länge der Druckfläche = Länge der Rolle Fmm], 2 b = Breite der Druckfläche, wie sie nach den Hertzschen Gleichungen berechnet wird [mm], p, = maximale Flächenpressungen in der Mitte der Druckfläche, wie sie nach den Hertzschen Gleichungen berechnet wird [kg/mm'], t = Integrationsveränderliche [mm], m = Poissonsche Zahl, E = Elastizitätsmodul [kg/mma]. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentanmeldung V 1921 XII/47b (bekanntgemacht am 3. 4. 1952).Claim: Rolling body with a cylindrical, conical or barrel-shaped basic shape, preferably in roller bearings for high loads, characterized in that the rolling body radius in the central part of the roller is 80 to 90 ° / o of the rolling body length according to the equation decreases and at the two ends of the rolling element in such a way that - starting at a distance of 5 to 10% of the length of the rolling element from the end faces of the rolling element - the reduction in radius becomes increasingly stronger compared to the equation with a steady transition until it doubles the value of the end faces of the rolling element above equation is achieved. Here u = radius reduction of the roll [mm] z = direction of the roll axis, roll center corresponds to z = 0 [mm], 2 a = length of the printing surface = length of the roll Fmm], 2 b = width of the printing surface, as it is according to the Hertzian Equations are calculated [mm], p, = maximum surface pressure in the center of the pressure surface, as calculated according to Hertz's equations [kg / mm '], t = integration variable [mm], m = Poisson's number, E = modulus of elasticity [kg / mma]. Considered publications: German patent application V 1921 XII / 47b (published April 3, 1952).