DE1966008A1

DE1966008A1 - Kugellager

Info

Publication number: DE1966008A1
Application number: DE19691966008
Authority: DE
Inventors: Shackelford Lynn Allen; Robinson John Frank
Original assignee: North American Rockwell Corp
Current assignee: Boeing North American Inc
Priority date: 1968-09-03
Filing date: 1969-08-25
Publication date: 1971-12-09
Also published as: US3549220A; DE1943178A1; NL6913405A; GB1258521A; GB1258522A; FR2017269A1; CH517257A; BE738382A

Description

Λ 5. Sep. 1970

-" Patentanwälte Dr.-lng. HANS RUSCHKE Dipl.-Ing. HEINZ AGULAR 8 München 80, Pienzenauerstr.

Unsere Akte: M N 620

North American Rockwell Corporation, Pittsburgh/PA., V.St.A.

Kugellager

(Ausscheidung aus Patentanmeldung P 19-4-3 178.8)

Die Erfindung "betrifft Kugellager, bei denen die Hertzschen Spannungen in den Laufbahnen durch eine Konstruktion reduziert werden, in der ein oder beide Laufglieder so abgestützt sind, dass Abbiegung in der Art eines Balkens im Gegensatz zu herkömmlichen Lagern ermöglicht wird, wobei die Laufglieder über ihre gesamte Umfangsfläche abgestützt sind und wie ein fester Block zusammengedrückt werden. Durch geeignetes Proportionieren der effektiven Länge und Tiefe der Balkenkonstruktion im Verhältnis zu der Festigkeit des Laufbahnmaterials und zu der ausgeübten Belastung wird eine bemerkenswerte Verminderung der örtlich begrenzten Spannungen und infolgedessen eine bemerkenswerte Erhöhung der Betriebslebensdauer ohne begleitende Nachteile, wie übermässige Verminderung der Steifigkeit, Erhöhung der

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Reibung, usw., erreicht.

Die Erfindung betrifft Kugellager niedriger Spannung, welche hier als Kugellager neuer Konstruktion beschrieben sind, wobei die Hertz'sehen Spannungen in den Laufbahnen im wesentlichen reduziert und die Lebensdauer folglich merklich erhöht ist,,

Kugellager werden in einem breiten Arbeitsbereich verwendet. Auf einer Seite sind grosse Kugellager dazu bestimmt, daß sie hohe Geschwindigkeiten oder Belastungen oder beides aushalten, wie beispielsweise in Fahrzeugrädern, schweren Maschinen u.dgl. Hier besteht die ausstehende Forderung nach einer langen Lebensdauer. Ein gemässigter Betrag von Federung ist duldbar, wenn etwas Geräusch (Vibration) eintritt, wie dies manchmal der Fall ist, wobei das Geräusch nicht in wechselseitiger Beziehung zu schnellem Verschleiss steht. Für diese Arten von Lagern ist es im allgemeinen nicht notwendig, eine Rotationsachse ™ mit extremer Genauigkeit zu bestimmen. Oft ist die Verminderung von Reibung nicht ein Erfordernis. Im allgemeinen hat ein Lager, welches anderen Anforderungen entspricht, genug geringe Reibung. Auf der anderen iSeite werden kleine Kugellager in Präzisionsinstrumenten, beispielsweise Ringen, Beschleunigungsmesser und Kreiselbrücken verwendet. Hier bestehen die ausstehenden Forderungen an

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geringer und konstanter (nicht veränderlicher) Reibung, kombiniert mit Steifigkeit (so daß das Lager eine vorbestimmte Achse sehr genau aufbauen wird) und niedriger Vibration oder Geräusch (mechanisches Geräusch wird in Geräusch in den elektrischen Ausgangssignalen der Instrumente übersetzt). Lange Lebensdauer ist auch wichtig. Der nichtzufriedenstellende Zustand von Instrumentenlagern ist erkennbar, wenn man betrachtet, daß in der laufenden Praxis es üblich ist, Ringe von Steuerorganen jede 300 Stunden zu überholen, im wesentlichen deshalb, weil die Dralllager der Kreisel abgenutzt sind.

Ein typisches Kugellager verwendet einen Satz von Kugeln, welche sich frei in rollender Berührung mit ringförmigen Laufbahnen bewegen können. Die Laufbahnen haben im allgemeinen eine kreisförmige Krümmung in der Ebene, welche die Lagerdrehachse einschliesst. Die äussere Fläche des äusseren Laufgliedes ist von einfacher zylindrischer Ausbildung (mit der Ausnahme bei gewissen Arten von selbstfluchtenden Lagern, wobei diese Fläche sphärisch ist) , wie dies auch die innere Oberfläche des inneren Laufgliedes ist. Diese Oberflächen liegen im wesentlichen über ihre gesamte Fläche an dem Gehäuse bzw. an der Welle an.

tfenn ein solches typisches Lager in nicht belastetem Zustand ist, ist die Kontaktfläche zwischen der Kugel und

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der Laufbahn äussert klein, annähernd punktförmig. Um die Kontaktfläche zu vergrössern und die Last einheitlicher zu verteilen, wird im wesentlichen eine axiale Torlast auf die Anordnung aufgebracht. (Beispielsweise in der Kreiseltechnik ist die Vorlast von derselbenG-rößenordnung wie die Last, welche das Lager tragen soll). Dies führt hohe Spannungen in den Kontaktbereich ein. Die äußere Last, welche das Lager trägt, wird· der Vorlast zugefügt. Zusätzlich bestehen wegen unerkennbarer Unzulänglichkeiten in der Konstruktion der Kugeln und Laufbahnen und Unterschiede in den Kugeldurchmessern sehr hohe unvorhersehbare Spannungskonzentrationen zwischen den Kugeln und den Laufbahnen. Wenn dies von einem gegebenen Punkt in dem Lager betrachtet ist, sind diese Spannungen abwechselnd.

Als Ergebnis dies'er veränderlichen Spannungen und Dehnungen (Deformationen) weist im Laufe der Zeit das Material der Laufglieder neben den Laufbahnoberflächen Müdigkeit auf. Es treten Materialbrüche und Abbröckelungen auf, welche ein schnelles und oft plötzliches Lagerzermürben verursachen. Ermüdung ist der Hauptgrund der Abnutzung und des Bruches in Kugellagern.

Die Kugellagerindustrie hat viele Jahrzehnte damit verbracht, in einem beträchtlichen Maße zu studieren und zu versuchen, die durchschnittliche Lebensdauer von Kugellagern zu erhöhen.

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Eine Annälierung bestand darin, Metalle grosser Zähigkeit, 6Ja., Widerstandszähigkeit gegen Springen und Brechen auszuwählen, welche mit hoher Härte gekoppelt sind (Widerstandsfähigkeit gegen permanente Deformation durch Einpressen). Extreme Widerstandsfähigkeit gegen elastische Verformung wie in einem Diamanten ist nicht wünschenswert, weil eine solche Widerstandsfähigkeit eine aussergewöhnlich kleine Berührungsfläche nach sich zieht. Es wurde gefunden, daß eine Stahl- ä

legierung 52100 im allgemeinen das beste zu verwendende Metall ist.

Eine andere Annäherung wurde gemacht, um eine relativ grosse Übereinstimmung zwischen Kugel und Laufbahn zu schaffen, indem der Unterschied zwischen dem Kugelradius und dem Hadius der Laufbahn so klein wie möglich gemacht wurde. Übereinstimmung ist als das Verhältnis R/D definiert, wobei R die Bahnkrümmung und D der

Kugeldurchmesser ist. So ist 50 % Übereinstimmung eine j

perfekte Passung, und eine 52%ige Übereinstimmung heisst, daß ein Unterschied von 5 % in den Radien der Kugel und Laufbahn vorliegt.

Herstellungsprobleme setzen eine praktische Grenze zu dem, was in der Verbesserung der Übereinstimmung gemacht werden kann.

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Eine Übereinstimmung von ungefähr 52 % ist eine typische Grenze für Präzisionslager, obwohl ein Viert von 50»5 % unter besonderen Bedingungen mit extremer Konstruktionsfeinheit erzielbar ist.

Ein weiterer "Versuch wurde gemacht, um eine genaueste Überwachung der Kugel- und Laufbahngeometrie und der Oberflächenausführungen auszuüben und die Oberflächen durch Dichtungen u.dgl. zu schützen. Die Auswahl des Schmiermittels beeinflusst ebenfalls die Lebensdauer.

Als Ergebnis dieser Versuche wurde die Lebensdauer von Lagern im wesentlichen gegenüber den Lagern vor einigten Jahrzehnten erhöht, aber es verbleibt noch einiges Wünschenswertes offen. So sind einige der Versuche sehr kostspielig. Ein Paar Präzisionslauflager eines Kreisels für einen bestimmten Beschleunigungsmesser beispielsweise kostet ungefähr 900.— .

Die vorliegende Erfindung betrifft eine neue Art von Kugellagern, wobei die Hertz'sehen Spannungen in den Laufbahnen, welche der Hauptgrund für Ermüdungsbrüche ist, im wesentlichen reduziert sind, wobei im wesentlichen keine Nachteile oder Begrenzungen vorkommen. Das Ergebnis wurde durch Konstruktionen erhalten, wobei eines oder beide Laufglieder lediglich an den Endabschnitten gestützt sind, so daß sie in der Art eines Balkens abbiegen

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können im Gegensatz zu herkömmlichen Lagern, bei welchen die Laufglie&er über ihre gesamte Umfangsfläche gestützt sind und wie eine feste Säule oder fester Block zusammengedrückt werden. Durch geeignetes Proportionieren der effektiven Länge und Tiefe der Balkenstruktur in bezug auf die Festigkeit des Laufbahnmaterials und der angewandten Last wird die gewünschte Kombination der Eigenschaften für jede besondere Anwendung erhalten. Die Erfindung ist auf radiale Lager, Ringschrägkugellager und ä Drucklager anwendbar. Sie kann auch vorteilhaft einerseits bei grossen Lagern, welche schwerste Lasten handhaben müssen, und andererseits auf kleine Lager für Präzisionsinstrumente angewendet werden, deren spezifische Erfordernisse sich sehr von denen der erstgenannten Klasse unterscheiden.

Es ist hervorzuheben, daß der Betrag an balkenförmiger Abbiegung, welcher erforderlich ist, um im wesentlichen die Hertz'sehen Spannungen zu reduzieren, extrem klein ist. Für eine gegebene Grosse ist das Lager gemäß Erfindung fast so steif wie ein herkömmliches Lager, wenn nicht ein hoher Grad von Federung absichtlich für die balkenartige Struktur erforderlich ist.

Deshalb ist ein Gegenstand der Erfindung darin zu sehen, ein Verfahren und eine Einrichtung zum Reduzieren von Hertz¹Gehen Spannungen in einer Kugellageranordnung

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zu schaffen, ohne dabei andere Charakteristika des Lagers nachteilig zu beeinflussen. Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist darin zu sehen, ein Verfahren und eine Einrichtung zum Reduzieren von Hertz'sehen Spannungen in einer Kugellageranordnung zu schaffen, in dem ein vorbestimmtes örtliches Abbiegen unter Kugelbelastung einer oder beider Laufglieder vorgesehen ist·

Ein weiterer Gegenstand der Erfindung besteht darin, ein Verfahren und eine Einrichtung zum Vergrössern der Berührungsfläche zwischen Kugel und Laufbahn zu schaffen, ohne die Übereinstimmung der hergestellten Kugeln und Lauffläche zu vergrössern.

Ein weiterer Gegenstand der Erfindung besteht darin, ein Verfahren und eine Einrichtung zum Aufbauen eines einheitlicheren Kontaktes und einer Beanspruchung zwischen den verschiedenen Kugeln und der Laufbahn aufzubauen, ohne die Geometrie der Kugeln und Laufbahn verfeinern zu müssen.

Ein weiterer Gegenstand der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zum Verteilen von Kugellasten in einem Lager zu schaffen, so daß eine überbemessene Kugel nicht einen unverhältnismäßigen Bruchteil der Last trägt.

Ein weiterer Gefsenotand der Erfindung besteht darin,

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^ Patentanwälte - p /J ££ OO 2.~5

DipL-inr·. HSNZ AGULAR .

8Μώ,σ^π bj, P^Lzenauorsir. ? 18, Mat21971

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eine Kugellagerkonstruktion mit einer Einrichtung zum Zirkulieren von Ϋ/ärmeifbertragungsflüssigkeit in direkter Berührung mit den !aufgliedern zu schaffen.,

Ein anderer Gegenstand ist das Vorsehen einer Kugellage rkonstruktion, welche eine lange lebensdauer und andere wünschenswerte Eigenschaften aufweist, welche "

wenigstens gleich denjenigen von herkömmlichen Lagern sind, aber mit geringeren Genauigkeitsanforderungen an ü-eometrie und Ausführung, so daß sie mit niedrigeren Kosten herstellbar ist.

Y/eitere Gegenstände, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Erläuterung der Erfindung an einem Ausführungsbeispiel anhand der beigefügten Zeichnung. i

In der Zeichnung ist ein Querschnitt einer Anordnung gemäas Erfindung gezeigt, wobei die inneren und äusseren Laufglieder gezeigt sind, welche mittels Kragarmen gestützt sind*

Ein wichtiges Anwendungsgebiet der Erfindung sind Ringsohrägkugellager, ein Lagertyp, der weitgehend benutzt

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wird, weil derartige lager angeordnet werden können, um sowohl Druck als auch radiale Lasten aufzunehmen,, Der bekannte Typ derartiger lager kann im Prinzip als ein Lager radialer Art verstanden werden, mit "Untermaßu-Kugeln, so daß die Laufglieder und die kreisförmigen Kugelbahnen unter axialer Belastung axial verschoben werden»

Rings olirägkugellager werden im allgemeinen in Paaren verwendet, welche gegeneinander unter Vorlast steilen β Jedoch können einige Vorteile der Erfindung erhalten v/erden, wenn die Stützung des Laufgliedes lediglich an einem Ende ist, wie bei einem Auslegerbalken Eine solche Konstruktion ist in der Zeichnung gezeigt» Dort ist eine Welle 57 mit einer dünnwandigen ringförmigen Erstreckung 58 versehen, welche ein Laufglied mit einer inneren Führungsbahn 2 und einer versteifenden Kante 59 bildet. Sin Gehäuse 6o ist mit einem dünnwandigen rohrförmigen Glied 61 versehen, welches ein Laufglied mit einer äusseren Laufbahn 3 und einer versteifenden Kante 62 bildet. Ein ähnlicher Satz von Kugellagerelementen ist an den gegenüberliegenden Enden der Welle vorgesehen, wie dies gezeigt ist, und die Welle und das Gehäuse sind so konstruiert, daß die Länge zwischen den Mittelkreisen der inneren !Führungsbahnen 2 etwas grosser als diejenige zwischen den Laufteilen 3 ist, so daß in dem zusammengebauten Lager

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eine axiale vorbelastende Kraft vorhanden ist, welche dazu neigt, die Kugeljti gegen die Laufflächen zu drücken. Unter Kugelbelastung können sich die Abschnitte der Teile 58 und 61 unter jeder Kugel lokal deformieren, woraus sich eine Reduktion der Spannungen in der bereits beschriebenen Weise ergibt·

Gemäss Erfindung kann gesehen werden, daß die wirksamen Hertz¹sehen Spannungen, welche einen hauptbegrenzenden Faktor bei der Dauerfestigkeit eines Lagers sind, bedeutend dadurch reduziert sind, daß die Kugellagerlaufteile Energie durch Abbiegen absorbieren können» wodurch die Last über ein grösseres Volumen des Laufmaterifils verteilt wird. Da die Dauerfestigkeit eines Lagers umgekehrt als die maximalen Hertz¹sehen Spannungen auf ungefähr die neunte Kraft variiert, kann gesagt λ

werden, daß selbst eine geringe Abnahme des Spannungsniveaus drastisch die Lebensdauer des Lagers erhöht.

Ss sinu zv/ecjcmässige Abänderungen der beschriebenen iCu^ellaijer möglich, ohne sich jedoch dabei vom Kern der iirfiJifiun,; au entfernen.

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Claims

Patentansprüche

ί 1.) Kugellager, gekennzeichnet durch im wesentlichen koaxiale, relativ drehbare, innere und äussere ringförmige Laufbahnen, von denen jede aus im wesentlichen nicht zusammendrückbarem Material gebildet ist, wobei diese Laufbahnen verhältnismäßig dicke, ringförmige Abschnitte angrenzend · an ihre sich gegenüberliegenden Enden und dünnere ringförmige Zwischenbereiche haben, die gegenüberliegende ringförmige Laufbahnflächen an ihren angrenzenden Stirnflächen bilden, und jede dieser Laufbahnoberflächen gleichförmigen, bogenförmigen Querschnitt in Ebenen hat, die radial zu der genannten Lauftehn laufen und so zusammenwirken, dass sie einen toroidförmigen Raum begrenzen, eine Mehrzahl Kugeln, die in Abstandverhältnis durch den genannten toroidförmigen Raum angeordnet sind, wobei wenigstens eine der genannten Laufbahnen an einem ihrer Enden an dem genannten dicken, ringförmigen Abschnitt abgestützt ist, und die genannte eine Laufbahn sich frei als Ausleger abbiegen kann, und Vorrichtungen, die eine radiale Umfangsabstützung für wenigstens eine der genannten Laufbahnen nur in in axialem Abstand angeordneten, ringförmigen Bändern an ihren genannten relativ dicken, ringförmigen Abschnitten an gegenüberliegenden Seiten deo toroidförmigen Raumes axial au den Lagern bilden, vobei

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die ringförmigen Lager dazwischen einen ringförmigen Umfangsraum begrenzen, die Umfangsfläche des genannten dünneren Zwischenbereiches wesentlich grosser als die Flache des genannten ringförmigen Umfangsraumes ist und der genannte Zwischenbereich der genannten einen Laufbahn imstande ist, sich elastisch radial unter Belastung als ein am Ende gelagerter Balken zwischen den ringförmigen Bändern abzubiegen.
2. Lager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Laufbahn, die an einem ihrer Enden an dem genannten dicken, ringförmigen Abschnitt abgestützt ist, die genannte innere Laufbahn ist.
3. Lager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die genannte Laufbahn, die an einem ihrer Enden an dem genannten dicken, ringförmigen Abschnitt gelagert ist, die genannte äußere Laufbahn ist.
4-. Lager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte eine Laufbahn, die in axialem Abstand angeordnete ringförmige Bänder hat, die genannte innere Laufbahn ist.
5. Lager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte eine Laufbahn, die in axialem Abstand angeordnete ringförmige Bänder hat, die genannte äußere Laufbahn ist.

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6. Lager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede der genannten inneren und äusseren Laufbahnen jeweils an einem Ende an ihren dicken, ringförmigen Abschnitten abgestützt ist.
7. Lager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß weiterhin Vorbelastungsvorrichtungen vorgesehen sind, um eine vorbestimmte Belastung zwischen den Laufbahnen und den Kugeln zu bewirken.
8. Kugellager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der ringförmige Umfangsraum im wesentlichen
rechteckigen Querschnitt hat.
9. Lager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ringförmigen Bänder einstückig mit den Laufbahnen an den dicken, ringförmigen Abschnitten dieser Laufbahnen ausgebildet sind.

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