DE2525104A1

DE2525104A1 - Lageranordnung mit geringer reibung

Info

Publication number: DE2525104A1
Application number: DE19752525104
Authority: DE
Inventors: Peter Earl Jacobson; Leopold Pirman
Original assignee: Sperry Rand Corp
Current assignee: Sperry Corp
Priority date: 1974-06-05
Filing date: 1975-06-05
Publication date: 1976-01-02
Also published as: SE7506366L; NL174180C; NL174180B; DK153007C; DK153007B; FR2273972B1; NL7506679A; GB1481888A; SE399112B; FR2273972A1; JPS515430A; IT1035935B; CA1031023A; DE2525104C2; US3918778A; DK242875A; CH594829A5

Description

Lageranordnung mit geringer Reibung

Die Erfindung bezieht sich auf Lageranordnungen mit geringer Reibung und insbesondere auf Wälzlager mit einer Vielzahl von Rollkörpern, die zwischen zusammenwirkenden Ringen oder Laufringen abrollen, wie z.B. bei einem Kugellager.

Die Erfindung bezieht sich auf die Konstruktion des Kugellagerringkäfigs oder der Kugellagerbuchse eines Kugellagers insbesondere eines vorgespannten Schrägkugellagers, die beträchtlich die dynamischen Betriebseigenschaften des Kugellagers verbessert und die Lagerlebensdauer vergrößert.

Bei Anwendungen mit mittleren bis hohen Drehzahlen werden allgemein vorgespannte Schrägkugellager verwendet. Der übliche Kugelkäfig für ein derartiges Lager ist üblicherweise ein gerader Zylinder mit in seinen Wänden symmetrisch angeordneten Kugeltaschen, der aus irgendeinem geeigneten Material hergestellt ist, beispielsweise aus einem Phenolmaterial auf Leinenbasis, aus einem gesinterten (ölvorrats-) Material wie z.B. Polyamid oder aus einer gesinterten oder massiven Metallegierung. Bisher waren diese Kugellagerkäfige freischwimmend zwischen den Stegen der Laufringe angeordnet und es wurde versucht, die Lagerinsta-

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bilität dadurch zu verringern, daß die Kugel-/Käfig-Abstände verringert wurden, daß die Kugeltaschen geformt wurden oder daß die Viskosität des Schmiermittels verringert wurde. Die verringerten Toleranzen ergaben jedoch vergrößerte dynamische Drehmomentlasten und die verringerte Viskosität des Schmiermittels ergab in vielen Fällen eine Verringerung der Lagerlebensdauer. Entsprechend sind keine Techniken bekannt, um dauernd dynamische Unwuchten in dem Lager und von diesem Lager nach außen Übertragene Vibrationen zu verringern oder zu beseitigen. Die bedeutsamste Ursache für induzierte dynamische Instabilitäten und Lagervibrationen liegt in der Kugel-Käfigdynamik, d.h. die radialen Trägheitskräfte, die von der Kugel- und Kugellagerkäfigdynamik entwickelt werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kugellageranordnung zu schaffen, die leise, dynamisch stabil und frei von Schwingungskräften ist, die von den Lageranordnungen auf die Tragstruktur übertragen werden. Dabei soll insbesondere der Ringkäfig oder der Kugelkäfig in bezug auf seine Massenverteilung und die Lage der Kugeltaschen derart ausgebildet werden, daß der Käfig von seiner Eigenart her eine stabile Wirbelbetriebsweise annimmt, bei der alle Kugel-/Taschen- und Käfig-/Stegkräfte vorhersagbar und konstant sind, so daß ein stabiler und im wesentlichen vibrationsfreier Betrieb sichergestellt wird.

Eine erfindungsgemäß ausgebildete Wälzlageranordnung zur Lagerung eines drehbaren Tfeils für eine Drehung um eine Achse in einem Tragteil umfaßt einen äußeren Lagerring mit einer äußeren Lagerbahn und Stegteilen, einen inneren Lagerring mit einer inneren Lagerbahn und Stegteilen, eine Vielzahl von drehbaren Elementen, die zwischen den äußeren und inneren Lagerringen angeordnet sind und in normalem Wälzkontakt mit den Lagerbahnen stehen, und einen allgemein zylindrischen Lagerkäfig, der zwischen den Lagerringen angeordnet ist, und eine entsprechende Anzahl von sich allgemein in Radialrichtung erstreckenden Taschen zur Festlegung der relativen Winkellagen der drehbaren Elemente aufweist, wobei die

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drehbaren Elemente normalerweise während des Betriebes eine entsprechende Vielzahl von radialen Trägheitskräften auf den äußeren Lagerring erzeugen, die normalerweise bestrebt sind, sich in zufälliger Weise entsprechend zufälliger Änderungen der Lagen der drehbaren Elemente innerhalb der Taschen des Käfigs zu ändern, wobei der Lagerkäfig einen Massenschwerpunkt aufweist, der bezüglich der Drehachse exzentrisch ist, um im Betrieb eine Zentrifugalkraft zu erzeugen, die den Käfig in Radialrichtung zwischen den Lagerringen derart verschiebt, daß eine punktförmige Oberfläche des Käfigs einen Stegteil eines der Lagerringe berührt und damit den Käfig in einer im wesentlichen konstanten vorgegebenen Position gegenüber dieser einen Laufbahn hält, so daß der radiale Trägheitskraft-Vektor des Käfigs im wesentlichen konstant gehalten und vorhersagbar ist.

Durch Ausbildung des Käfigs mit einer Massenexzentrizität bezüglich der Drehachse des Lagers ruft die radiale Zentrifugalkraft auf den Käfig eine VerschJdoung dieses Käfigs in Radialrichtung hervor, so daß der Käfig einen Steg einer Lagerbahn berührt und ein vorhersagbares Wirbelmuster ausbildet. Zusätzlich kann der Käfig weiterhin so geformt sein, daß er ein weiteres Unwuchtmoment um eine diametrale Achse senkrecht zum radialen Zentrifugalkraftvektor erzeugt, so daß eine Belastung auf die Kugeln in Richtung der Drehachse des Lagers hervorgerufen wird, die die Lagen der Kugeln in ihren Taschen stabilisiert, wodurch die Kugel-/Taschen-Kontaktpunkte vorbestimmt werden. Diese Unwucht kann dadurch verbessert werden, daß eine Wand des Käfigs so bearbeitet wird, daß der Käfig lediglich mit einem der Lagerbahn-Stege in Berührung kommt, so daß ein Hebelarm zwischen diesem Kontaktpunkt und dem Schwerpunkt des Käfigs geschaffen wird.

Die Kugeltaschen sind vorzugsweise so in dem Käfig ausgebildet, daß ihre jeweiligen Achsen sich an der Drehachse des Käfigs schneiden, so daß die KugelVTaschen-Koppelkräfte weiter verringert werden und sich der Käfig in Axialrichtung unter der

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genannten Zentrifugalkraft verschieben kann, so daß die Kraftkopplung zwischen den Kugeln und den Wänden der Taschen so weit wie möglich verringert wird. Weiterhin können einige der Kugeltaschen winkelmäßig gegenüber der Lagerdrehachse verschoben sein, so daß ihre KugelVTaschen-Kontaktkräfte radiale Trägheitskräfte hervorrufen, die die Käfig-Unwuchtkräfte ausgleichen, so daß irgendwelche Vibrationen von der Lageranordnung auf die Tragstruktur verringert oder beseitigt werden. Dies heißt mit anderen Worten, daß das radiale Kräftepolygon der Lageranordnung steuerbar und beständig ist und sich immer in sich selbst schließt, so daß sichergestellt wird, daß eine resultierende Trägheitskraft von nahezu 0 auf den äußeren Rahmen Übertragen wird, an dem das Lager befestigt ist.

Es können nicht alle der vorstehenden Merkmale für einen verbesserten Lagerbetrieb erforderlich sein, und die Auswahl oder Kombination dieser Merkmale hängt von einer Anzahl von Erwägungen ab, wie z.B. von der Größe der Lageranordnung, Ihrer normalen Betriebsdrehzahl, dem Grad der "Ruhe" und/oder der gewünschten Stabilität sowie vom Vorhandensein oder Fehlen von Schwerkräften.

Die erfindungsgemäße Lageranordnung ist in Idealer Weise'für viele Anwendungen geeignet, die eine extreme mechanische Stabilität, eine Laufruhe und eine Freiheit von Vibrationskräften bei der Käfigdrehfrequenz erfordern. Eine derartige Anwendung besteht bei mit hoher Drehzahl arbeitenden Präzisionsinstrumenten, wie beispielsweise Kreiseln. Die Lageranordnung ist außerdem bei Anwendungen ohne Schwerkraft sehr wünschenswert, wie z.B. Kreiseln zur Stabilisierung von Satelliten, bei denen die Forderung besteht, daß die Lager keine dynamische Instabilität und sich daraus ergebende Schwingungen über eine langjährige Lebensdauer aufweisen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbefepielen noch näher erläutert.

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In der Zeichnung zeigen:

Pig. 1 eine quergelegte Querschnittsansicht der Kugellager anordnung)

Fig. 2 und 5 Endansichten bzw. axiale Schnittansichten von

allgemein schematischer Art, die die Lageranordnung nach Pig. 1 mit vergrößerten Lagerkäfigabmessungen zeigen, um die Massenexzentrizität und die,daraus ergebende radiale und diametrale WinkelVersetzung zu verdeutlichen;

Fig. 4 und 5 den Ansichten nach Fig. 2 bzw. 3 ähnliche Ansichten, die jedoch die Versetzung einiger Kugeltaschen zeigen, um dynamisch die radiale Exzentrizität des Käfigs auszugleichen;

Fig. 6 und 7 den Figg. 4 bzw. 5 ähnliche Ansichten, die jedoch die Versetzung einiger anderer Kugeltaschen zeigen, um die radiale Exzentrizität des Käfigs senkrecht zu der in Fig. 4 gezeigten dynamisch auszugle i chen j

Fig. 8 und 9 den Figg. 6 bzw. 7 ähnliche Ansichten, die jedoch die selbstkompensierenden Auswirkungen der Exzentrizitäten des Käfigs auf Grund der übrigen Kugeleinstellung zeigen;

Fig. 1OA, 1OB und Fig. IOC typische Radialkraft-Vektordiagramme

der acht Kugeln aufweisenden Lageranordnung.

Die Zeichnungen zeigen eine Lageranordnung mit acht Kugeln und es ist selbstverständlich, daß die Erfindung auch auf andere Zahlen von Kugeln anwendbar ist.

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Die in Pig. 1 gezeigte Lageranordnung ist eine vorgespannte Schräglager-Kugellageranordnung wie sie Üblicherweise zur Lagerung einer Welle oder eines anderen (nicht gezeigten) drehbaren Teils bei mittleren bis hohen Drehzahlen um eine Lagerachse in einer (ebenfalls nicht gezeigten) relativ festen Tragstruktur verwendet wird. Die wesentlichen Bauteile der Kugellageranordnung sind ein äußerer Kugellagerring 10 mit einer ringförmigen Nut oder Laufbahn 11 (von der üblichen offenen oder geschlossenen Art), der in einer geeigneten Bohrung der festen Tragstruktur gehaltert ist, ein innerer Kugellagerring 12 mit einer äußeren kreisringrBrmigen Laufbahn oder Nut 13, die innere Laufbahn-Stegoberflächen 14, 15 bildet (siehe auch Fig. 3), eine Anzahl von Kugeln 1 bis 8, die in manchen Fällen als die Kugelfüllung bezeichnet werden, und ein Kugelhaltering oder Käfig 16, der allgemein dazu dient, die Kugeln voneinander zu trennen. Der innere Laufring 12 ist so ausgelegt, daß er eine Welle oder einen Zapfen (der aus Klarheitsgründen nicht gezeigt ist) eines Teils haltert, der von der Lageranordnung um die Lagerachse 17 drehbar gelagert sein soll. Die Lageranordnung nach Fig. 1 arbeitet in den meisten Fällen mit einer oder mehreren identischen Lageranordnungen zusammen, um eine vollständige Lagerung für das drehbare Teil zu schaffen. Die Lageijwerden im Betrieb normalerweise vorgespannt, so daß der Kugel-/Laufbahn-Kontaktwinkel 06 (Fig. 3) im wesentlichen konstant gehalten wird. Die erfindungsgemäße verbesserte Lageranordnung findet viele Anwendungen insbesondere dort, wo eine Laufruhe von Bedsutung oder wünschenswert 1st. Mit Laufruhe ist die Tatsache gemeint, daß im wesentlichen keine mechanischen und/oder akustischen Schwingungen von der Lageranordnung ausgehen. Dies setzt äußerst genau und steuerbar ausgeglichene Kräfte in der Lageranordnung selbst voraus. Eine derartige Anwendung ergibt sich bei Kreiselgeräten insbesondere für die Lager, die den mit hoher Drehzahl umlaufenden Kreiselrotor in seinem Rotorgehäuse lagern. Insbesondere ist diese Laufruhe von Kugellagern bei Kreiselgeräten für Raumfahrzeuge sehr erwünscht. Eine derartige Anwendung würde

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sich beispielsweise bei den Duplex-Paaren der Kreiselrotor-Spinlagerungen gemäß der britischen Patentschrift 1 552 98l ergeben.

Wenn eine Kugellageranordnung so gefertigt wird, daß die Abmessungen aller kritischen Teile absolut perfekt sein würden, d.h. daß die Kugeln und Laufbahnen nicht kompressibel und geometrisch perfekt sein würden, so wären ihre Kontakte oder BelUhrungspunkte einfache Punktkontakte und bei einem Betrieb der Lageranordnung ohne äußere Einflüsse, beispielsweise bei einem Einfluß der Schwerkraft von O, ohne Schmierung usw. so würde die Kugelfüllung zu Anfang symmetrisch um die Lagerachse angeordnet sein und die einzelnen Kugeln würden einfach in ihren Laufbahn-Nuten rollen, ohne daß sie ihre relativen Positionen ändern würden. In diesem Fall würde kein Kugelhalteteil oder Käfig erforderlich sein. Bei einer derartigen perfekten Lagerung würden alle radialen Trägheitskraftvektoren der Kugeln (beispielsweise F₁ bis Fg nach Fig. 1) identisch und symmetrisch sein, und wenn diese Vektoren in der Form eines Polygons angeordnet würden, so würde das radiale Trägheitskraftpolygon der Lagerung vollständig symmetrisch aussehen, wie in Fig. 1OA für eine Lagerung mit einer Füllung von acht Kugeln. Alle radialen Trägheitskräfte würden ausgeglichen sein und die Lagerung würde geräuschlos arbeiten, d.h. es würden keine Vibrationen auf die Tragstruktur oder die gelagerte Struktur übertragen.

Selbstverständlich kann eine derartige perfekte Lageranordnung unter Verwendung von derzeit zur Verfügung stehenden Fertigungstechnologienfhergestellt werden und weiterhin werden Lageranordnungen nicht ohne äußere Einflüsse betrieben. Beispielsweise sind die Kugeln in ihrer Abmessung oder Rundheit nicht identisch, die Laufbahnen sind nicht vollständig glatt und kreisförmig, die normalen Lagerlasten verhindern einen Punktkontakt zwischen Kugeln und Laufbahnen und Schmiermittel führen ein Kugelgleiten am Rollkontakt ein. Alle diese und andere Faktoren tragen dazu bei, daß eine Trenneinrichtung für die Kugeln erforderlich ist,

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die üblicherweise als Kugelhaiterung oder Käfig bezeichnet wird. Die HinzufUgung eines Kugelkäfigs trägt weiterhin zur Erzeugung von unausgeglichenen radialen Trägheitskraften bei, die von der Lageranordnung ausgehende Schwingungen und Vibrationen hervorrufen. Der Kugelkäfig kann weiterhin auf Grund von unbeständigen Kugel- und Käfigkontaktpunkten dynamisch unstabil sein. Beispielsweise können die gleichen Pertigungs- und Herstellungsbeschränkungen eine unregelmäßige Dynamik des Käfigs hervorrufen, während für eine freie Kugel- und Käfigdrehung zwischen den Kugeltaschenwänden des Käfigs und den Kugeln erforderliche Toleranzen zusammen mit den vorstehend genannten Paktoren eine zufällige Bewegung und zufällige Kräfte zwischen den Kugeln und den Kugeltaschen sowie zwischen dem Käfig und den Stegen hervorrufen. Alle diese Paktoren tragen zu unkontrollierten Änderungen und/oder Schwingungen in den gleichen Positionen sowohl der Kugeln als auch des Käfigs (oder beider) zu jedem Zeitpunkt bei, so daß nichtgleichförmige radiale Trägheitskräfte und Rotationsdynamiken hervorgerufen werden. Wie es durch die gestrichelten Vektoren nach Pig. 1OA angedeutet ist, bewirken diese zufälligen und unvorhersagbaren Kräfte, daß das Kraftpolygon sich "öffnet", was per definitionem dazu führt, daß zufällige radiale Trägheitskräfte auf die Lagertragstruktur übertragen werden.

Erfindungsgemäß wurde die Kugellageranordnung und insbesondere der Kugelkäfig so konstruiert, daß zu jedem Zeitpunkt der gesamte Satz der radialen Trägheitskraftvektoren, die von den Kugeln und dem Käfig erzeugt werden, in ihrer Richtung und Größe steuerbar sind, so daß das resultierende Kraftpolygon geschlossen werden kann und keine zufälligen oder unkontrollierten Kräfte entwickelt werden. Grundsätzlich wird dieses Ergebnis dadurch erzielt, daß der Kugelkäfig so ausgebildet wird, daß er Kräfte erzeugt, die in ihrer Auswirkung die Position jeder Kugel gegenüber ihrer Kugeltasche festlegen oder blockieren, d.h. die Massenposition jeder Kugel ist innerhalb des rotierenden Systems von einzelnen Elementen der Lageranordnung bekannt und konstant.

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Wie es aus Fig. 1 sowie aus den Pigg. 2 und j5 zu erkennen ist, ist der Kugelkäfig 16 so ausgelegt, daß er eine radiale Zentrifugalkraft F erzeugt und zwar dadurch, daß eine Massenunwucht oder Massenexzentrizität des Käfigs 16 um die Lagerachse 17 vorgesehen wird. Diese Kraft kann auf viele Arten erzeugt werden, beispielsweise einfach dadurch, daß eine punktfö'rmige Masse einer Seitenwand des Käfigs hinzugefügt wird, oder daß, wie dies in dem derzeit bevorzugten AusfUhrungsbeispiel dargestellt ist, der Käfig 16 derart maschinell bearbeitet wird, daß sein Schwerpunkt exzentrisch zur Achse 17 liegt. Der Käfig 16 ist so bearbeitet, daß die Mittelachse seines inneren Durchmessers gegenüber der Mittelachse 21 des äußeren Durchmessers versetzt ist, so daß ein exzentrischer Zylinder gebildet wird. Hierdurch wird der Massenschwerpunkt CG des Käfigs 16 gegenüber der Achse 17 verschoben wie dies in vergrößerter We⁴se in den Figg. 2 und 3 gezeigt ist, wobei eine etwas realistischere Darstellung für die Fig. 1 gewählt wurde. Wenn daher der innere Kugellagerlaufring 12 gedreht wird, bewirken Zentrifugalkräfte, daß der Käfig 16 in Radialrichtung verschoben wird und eine der Käfigwände berührt die Stege der inneren oder äußeren Laufbahn und zwar in Abhängigkeit davon, ob der Käfig so ausgelegt ist, daß er auf dem inneren Laufring oder auf dem äußeren Laufring läuft, wobei die Erfindung auf jede dieser Anordnungen anwendbar ist. In den Figg. 2 und 3 ist der Käfig 16 in Radialrichtung verschoben und seine Innenwand berührt den Steg 15 am Berührungspunkt 22. Es wird die radiale Trägheitskraft F erzeugt, die sich aus der nunmehr um die Lagerdrehachse 17 umlaufenden Lafigmasse ergibt. Die Größe dieser Kraft, die durch die Größe der Exzentrizität des Käfigs gesteuert wird, muß bei irgendeiner Nenndrehzahl oder vorgegebenen Drehzahl des Käfigs groß genug sein, um alle Kugel-/ Taschenkräfte zu überwinden, d.h. sie muß größer als irgendeine Umfangs- oder Radialkraft sein, die zwischen den Kugeltaschen -Wänden und den Kugelberührungspunkten erzeugt wird. Fig. 2 zeigt eine übertrieben dargestellte Käfigausrichtung nachdem die radiale Verschiebung des Käfigs eingetreten ist.

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Diese Figur zeigt und bezeichnet weiterhin jeden der radialen Trägheitskraftvektoren E_n bis E_n der Kugeln zusammen mit dem

B₁ Bg

radialen Trägheitskraftvektor P₀ des Käfigs.

Um alle Kugel-Kugeltaschen-Umfangskräfte zu verringern, sind die Kugeltaschen in den Käfig 16 so eingearbeitet, daß ihre jeweiligen Achsen die voraussichtliche Lager-Drehachse schneiden, wie dies in Fig. 1 gezeigt ist, d.h. die Kugeltaschen sind so eingearbeitet, daß ihre Mittelpunkte die Lagerachse 17 schneiden, nachdem der Käfig 16 in Radialrichtung verschoben wurde. Die Achse 17 muß jedoch nicht die endgültige Käfigdrehachse sein, weil diese gegenüber der genauen Lagerachse 17 etwas verschoben sein kann, wie dies noch weiter unten erläutert wird. In dieser Hinsicht sind die Positionen des Käfigs und der Kugeln, die in allen Figuren gezeigt sind, die endgültigen oder abschließenden Positionen und die Kräfte und Faktoren, die diese Positionen festlegen, werden ebenfalls weiter unten beschrieben.

Obwohl die Massenexzentrizität des Kugelkäfigs, die die Zentrifugalkraft F und die resultierende radiale Verschje bung des Kugelkäfigs hervorruft (zusammen mit den Kugeltaschenachsen, die sich an der Lagerachse schneiden) weitgehend irgendwelche radialen Trägheitskraft-Unbeständiglceiten verringert, insbesondere dann, wenn die Lageranordnung unter der Schwerkraft betrieben wird, ist eine weitere Verbesserung möglich und in vielen Fällen auch wirklich wünschenswert. Dies ergibt sich daraus, daß die radiale Käfigverschiebung allein nicht jeden Kugelmassenmittelpunkt genau oder präzise bezüglich der zugehörigen Kugeltasche und dem zugehörigen Trägheitskraftvektor F_n bis F_n festlegt. Beispielsweise liegen in den Figg. 1 und B₁ B₈

die Kugeltaschen für die Kugeln 3 und 7 allgemein in einer Linie mit der Richtung der radialen Verschiebung des Käfigs, so daß sie nicht zwangsweise eingefangen sind. Um die Kugel-Massenmittelpunkte noch genauer bezüglich des Käfigs festzulegen,

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ist eine zusätzliche Kraft auf die Kugeln erforderlich und diese Kraft muß in einer Richtung sowohl senkrecht zur Käfigdrehachse als auch zum Käfig-Zentrifugalkraftvektor F verlaufen (bevor sie etwas winkelmäßig aus noch zu erläuternden Gründen verschoben wird). Zu diesem Zweck wird dem Käfig 16 eine weitere Exzentrizität dadurch erteilt, daß er um eine Durchmesserachse senkrecht zur Käfigzentrifugalkraft in Unwucht gebracht wird, d.h. senkrecht zur Richtung der verschobenen Durchmesser des Käfigs, so daß dem Käfig ein Kippmoment M_n (Fig. 2) erteilt wird.

Diese zusätzliche Exzentrizität oder Käfigunwucht kann auf verschiedene Weise geschaffen werden, beispielsweise dadurch, daß punktförmige Massen in der Nähe der oberen und unteren Oberflächen des Käfigs auf einem Durchmesser parallel zum Durchmesser der ersterwähnten Exzentrizität hinzugefügt werden. In dem bevorzugten dargestellten Ausführungsbeispiel wird diese weitere Käfigexzentrizität dadurch geschaffen, daß Stufen 25, 26 in den Käfigstirnflächen 27, 28 ausgebildet oder eingearbeitet werden, wie dies in den Figg. 2 und 3 gezeigt ist, d.h. dadurch, daß Masse von den oberen und unteren Käfigstirnflachen 27, 28 entfernt wird, wie dies dargestellt ist. Dieses Kippmoment M in Fig. 2 kann dadurch erhöht werden, daß der obere Teil des Innenumfanges des Käfigs hinterdreht wird, wie dies bei 29 in Fig. 3 gezeigt ist, wodurch der obere innere Durchmesser des Käfigs vergrößert wird. Diese Hinterdrehung bewirkt, daß der Berührungspunkt zwischen der Innenoberfläche des Käfigs und dem inneren Lagerlaufring 12 nur auf dem unteren Steg 15 des inneren Laufringes liegt, so daß ein weiteres Kippmoment durch das Produkt der Trägheitskraft F des Käfigs und den Hebelarm oder Kipparm L geschaffen wird. Das auf diese Weise geschaffene Kippmoment; kippt den Käfig 16 derart, daß die obere Wand der Kugeltasche für die Kugel 3 die obere Oberfläche der Kugel 3 ungefähr am Punkt 30 in Fig. 3 berührt und daß die untere Wand der Kugeltasche für die Kugel 7 die untere Oberfläche der Kugel 7 ungefähr am Punkt 31 berührt.

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Ein fast identischer Vorgang tritt zwischen den Kugeltaschen für die Kugeln 2 und 4 und zwischen den Kugeltaschen für die Kugeln 6 bzw. 7 auf. Somit werden diese Kugeln in ihren jeweiligen Taschen durch diese zusätzliche durch das Kippmoment hervorgerufene Belastung weiter eingefangen und genau festgelegt. Dieses Kippmomentmerkmal, durch das die Kugellagerkugeln allein durch eine Käfigunwucht festgelegt/ist Insbesondere Lagern nützlich, die bei Anwendungen bei fehlender Schwerkraft betrieben werden, wie z.B. in Satelliten oder bei anderen Raumschiffanwendungen, bei denen ein Trägheitsabgleich des Kraftpolygons erwünscht ist, um äußere resultierende Kräfte zu verringern und bei denen eine verbesserte dynamische Käfigstabilität wünschenswert ist.

Es ist aus einer Betrachtung der Pigg. 2 und J jedoch zu erkennen, daß, wenn im Betrieb diese Berührungen erfolgen, dem Käfig zusätzliche Kräfte durch die Drehung der Kugeln mitgeteilt werden, d.h. durch ihre Drehung während sie zwischen den Laufringen in den Kugeltaschen abrollen, unddurch den rotierenden inneren Laufbahnring am Berührungspunkt 22. Für die im Gegenuhrzeigersinn erfolgende Drehung nach den Pigg. 2 und 3 sind diese Reibungskräfte, hauptsächlich von den Kugeln 3 und 7 und in geringerem Ausmaß von den Kugeln 2, 4 und 6, 8 sowie von der Berührung am inneren Laufbahnsteg am Punkt 22 bestrebt, den Käfig in der Richtung parallel zum Kippmoment M oder nach unten in Fig. 2

zu bewegen oder zu verschieben, wobei diese Verschiebung a in dieser Figur etwas vergrößert dargestellt ist. Diese weitere Käfigverschiebung ist ebenfalls bestrebt, den Käfig-/Laufbahnsteg-rKontaktpunkt 22 und den resultierenden Zentrifugalkraftvektor F winkelmäßig zu verschieben, wie dies weiter oben er-

c
läutert wurde. Nachdem nunmehr die Käfigposition genau bestimmt werden kann, kann weiterhin der Mittelpunkt 35 der Kugeltaschenachsen ebenfalls genau bestimmt werden.

Nachdem nunmehr die Kugelkäfig- und Kugelfüllungs-Position genau bestimmt oder vorhersagbar sind, können die einzelnen Kugeln

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nunmehr aus ihrer symmetrischen Umfangsposition heraus verschoben werden, um eine Kraftkompensation des gesamten Systems herbeizuführen, d.h. sicherzustellen, daß sich das Lagerkraft-Polygon immer auf sich selbst schließt, wie dies in den Pigg. 1OB und IOC für eine Drehung im Gegenuhrzeigersinn bzw. im Uhrzeigersinn gezeigt ist. Die genaue Bestimmung dieser Umfangs-Kugelpositionen wird nun anhand der Pigg. 4 bis 7 beschrieben, in denen lediglich die betroffenen Kugeln aus Vereinfachungsund Klarheitsgründen dargestellt sind.

Der radiale Trägheitskraftvektor F_n des Käfigs wirkt auf den inneren Laufring 12 am Punkt 22 und erzeugt eine Käfigunwuchtkraft, die wenn sie nicht kompensiert wird, auf die Lagertragstruktur über die Kugeln übertragen würde, wodurch sich unerwünschte äußere Schwingungen und Vibrationen ergeben. Es ist festzustellen, daß dieser Vektor Kraftkomponenten in zwei orthogonalen Richtungen hervorruft, und zwar auf Grund der radialen Käfigverschiebung entlang des Momentvektors M , der durch das vorstehend beschriebene" Kippmoment M hervorgerufen wird. Wie

es in dieser Figur dargestellt ist, wird die eine Komponente als eine horizontale Komponente P auf Grund der horizontalen radialen Verschiebung des Käfigs bezeichnet, während die andere als vertikale Komponente P auf Grund der vertikalen Verschiebung a d2s Käfigs bezeichnet wird. Die horizontale Komponente P

^CH weist eine vorgegebene Größe auf und wird durch eine Bewegung

der Kugeln 1 und 5 am Umfang von der Durchmesserachse y-y um einen Betrag kompensiert oder ausgeglichen, derart, daß zwei kleine horizontale Komponenten aus den radialen Trägheitskraftvektoren E_n und E_n dieser Kugeln erzeugt werden. V/eil die B₁ B₅

horizontale Komponente P rechts von der Achse y-y der Lager-

⁰H

anordnung liegt, werden diese Kugeln zur linken Seite dieser y-y-Achse verschoben. Die Verschiebungswinkel sind /^₁ und|or und werden aus der folgenden Gleichung bestimmt:

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Cr₁ = F_n sin /S₁
2~ ^X

= Fr, sin

Daher kann nach Kenntnis der Größe der erforderlichen Kompensationskraftvektoren, die von den Kugeln 1 und 5 erzeugt werden müssen, d.h. der Größe F /2, die Winkelverschiebungswinkel beim

⁰H
p, und ß(- der Taschen der Kugeln 1 und 5 unter Verwendung der

⁰H

oben angegebenen Gleichung bestimmt werden. Damit wird die radiale Trägheitskraft-Vektorkomponente F , die von der exzen-

^CH trischen Käfigmasse erzeugt wird, durch das Paar von gleichen und entgegengesetzten Kraftvektoren F /2 kompensiert, die durch

⁰H die versetzten Taschen für die Kugeln 1 und 5 hervorgerufen werden, Es ist weiterhin zu erkennen, daß

F_x, cos ß, = Fr, cos R

so daß sich keine Unwucht der radialen Trägheitskräfte der Kugeln 1 und 5 ergibt. Diese Kraftkompensation ist grafisch in den Figg. 1OB und IOC dargestellt, in denen die Trägheitskraftvektoren F_n

1 und F₀ etwas winkelmäßig verschoben sind, um ein geschlossenes

^B5
Kraftpolygon aufrechtzuerhalten.

Die vertikale Komponente F des Zentrifugalkraftvektors F des

CJy C

Käfigs wird in ähnlicher Weise kompensiert und es wird im folgenden auf die Figg. 6 und 7 bezug genommen. Wie es weiter oben ausgesagt wurde, wird diese Vektorkomponente durch die radiale Verschiebung des Käfigs in Vertikalrichtung gemäß den Figuren hervorgerufen und diese Verschiebung ergibt sich aus den Auswirkungen der Drehung oder der Winkelgeschwindigkeit oj der Kugeln 2, 3, 4, 6, 7 und 8 und des Kontaktes 22 mit dem inneren Laufringsteg. Lediglich die Kugeln 5 und 7 sind aus Klarheitsgründen dargestellt und die Kompensation kann durch ausschließ-liches Ver-

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schieben dieser Kugeln durchgeführt werden. Wie es jedoch noch weiter unten erläutert wird, müssen die Wirkungen des verschobenen Käfigs auf die Kugeln 2, K, 6 und 8 berücksichtigt werden wenn die Verschiebung der Kugeln 1, 3> 5 und 7 berechnet wird. Die nach unten gerichtete Verschiebung des Käfigs 16 wird durch die Kraftvektoren P_p und F_p nach Fig. 6 hervorgerufen, wobei sich diese Verschiebungsrichrung für eine Drehung der Lagerung im Gegenuhrzeigersinn ergibt. Die Verschiebung kehrt sich selbstverständlich für eine Drehung des Käfigs im Uhrzeigersinn um. Wie vorher werden die Kompensationskräfte aus den radialen Trägheitskräften der Kugeln 3 und 7 abgeleitet, die durch die jeweiligen Vektoren F„ und F_n dargestellt sind. Die Verschiebungs-

B₅ B₇

winkel sind /β-, und β>~ und werden aus der folgend en Gleichung bestimmt:

°V = Fg sin
3

_n = En sin Ä, + F_n sin A_

Cy B₅ /^ B₇ /7

»Ρ« sin
^B7

Es ist wiederum zu erkennen, daß

cos ß-. = Eg cos /hj ist.

Wenn daher die Größe des radialen Trägheitskraftvektors F der Kugel bekannt ist, die erforderlich ist, um die gewünschte Kompensation durchzuführen, so können die Winkelverschiebungswinkel β, und ß₇ unter Verwendung der oben erwähnten Beziehung bestimmt werden. Die Kraftkompensation ist wiederum grafisch in den Figg. 1OB und IOC gezeigt, in denen die Kraftvektoren Fr, und E_n für eine Drehung im Uhrzeigersinn bzw. im Gegen-B₅ B₇

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Uhrzeigersinn etwas winkelmäßig verschoben sind, um ein geschlossenes Lagerkraft-Polygon aufrechtzuerhalten.

Es ist aus den Pigg. 8 und 9 ersichtlich, daß die Kugeln 2, 4, 6 und 8 sich aus ihrer Lage -als Ergebnis der beiden Komponenten der Käfigverschiebung herausverschieben, die durch die Trägheitskraftkomponenten P und P hervorgerufen wird. Diese Käfigver-

⁰H ⁰V

Schiebung ruft ein Ungleichgewicht der radialen Trägheitskraftvektoren P_n , Er₅ , P_n und P_n hervor und die resultierenden H₂ E^ ü₆ B₈

Kräfte sind in die Berechnung der Verschiebungswinkel ß*, ß,, ß,- und fa* aufgenommen. Die Verschiebung dieser primären Kugel-Trägheitskraftvektorpositionen ist auf die Winkel Δ0₂, &0k* Δ#₆ ^und Δ0ο bezogen und die folgenden Beziehungen können verwendet werden, um ihre jeweiligen Kompensationskräfte unter der Annahme zu berechnen, daß +£Ffj nach rechts und + Σ.Ρ_γ nach oben in Fig. 8 verläuft, wobei die Indizes R und L rechts bzw. links bezeichnen.

IF_H = P₈ cos (45 -AsS₂) ^{+ P}B ^cos

P cos (45 +Δ^) - P_R cos (45 + A0o)

B₆ b Bq ö

wenn F^ = P^ - P^ - F^ = F_ß; At₂ =M₄ =A^_R und

^ΣΡΗ ^{= 2P}B ^cos ^⁴⁵ ~ ^Δ^ ' ²⁵B ^cos V wenn die Verschiebung klein ist (d.h. > 0,25 mm) so ist:

ΣΡ_Η - 2P_B cos (45 - Δ0) - cos (45 + Δ0) = 2,83 P_ß sin /±0

In ähnlicher Weise kann gezeigt werden, daß ΣΡ_ν - 2,83 P_B sin Δ0.

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Obwohl diese Beziehungen und Betriebsprinzipien für eine Lagerfüllung mit acht Kugelnteschrieben sind, sind die Grundgedanken für beliebige Anzahlen von Kugeln gleich.

Im Vorstehenden wurde eine vollständig dynamisch kompensierte Kuge!lageranordnung beschrieben, bei der der Kugelkäfig derart ausgebildet ist, daß die Massenposition aller Kugeln und des Käfigs bekannt und konstant sind und bei der die Umfangspositionen der Kugeln derart sind, daß die radialen Trägheitskräfte der Kugeln und des Käfigs alle ausgeglichen sind, so daß im Betrieb die Lageranordnung keine Quelle von Schwingungen ist und keine derartigen Schwingungen auf die Halterung oder auf die gehalterte Anordnung überträgt. DJe vorstehenden Merkmale ergeben weiterhin eine erheblich verbesserte dynamische Stabilität der Lageranordnung. Die wesentliche Ursache der dynamischen Instabilität ist die Wirbelcharakteristik des Kugelkäfigs, die nahezu immer bei üblichen Kugellagern der eingangs erwähnten Art vorhanden ist, die jedoch nicht immer feststellbar oder hörbar sein kann. Die Kugelkäfiginstabilität ist fast immer vorhanden, wenn die Kugel-/Kugeltaschen-Kräfte und/oder Käfig-/ Laufbahnsteg-Kontaktkräfte nicht beständig sind. Beispielsweise kann eine nahezu ruhende Instabilität plötzlich auf Grund einer kleinen Änderung der Schmiermittelverteilung deutlich werden, die diese Kontaktkräfte ändert. Wenn eine große Instabilität für irgendeine Zeitdauer andauern kann, können die sich daraus ergebenden Käfig-Laufbahnsteg-Aufschlagkräfte und das Rutschen der Kugeln zu einem vorzeitigen Ausfall des Lagers, zu einem höheren Drehmoment und zu unerwünschten Schwingungseigenschaften führen.

Es ist zu erkennen, daß viele der vorstehend beschriebenen Merkmale der dynamisch ausgewuchteten Lageranordnung beträchtlich verbesserte Kuge1-/Kugeltaschen- und Kugelkäfig-/Laufbahnsteg-Kontakteigenschaften ergeben, und daß daher die gleichen Merkmale zu einer beträchtlich verbesserten dynamischen Lagerstablli-

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tat beitragen. Das Merkmal, das am meisten zur verbesserten dynamischen Stabilität beiträgt, ist der eine Massenexzentrizität aufweisende Kugelkäfig. Es können jedoch einige der übrigen konstruktiven Käfigmerkmale erforderlich sein oder auch nicht und zwar in Abhängigkeit von der Lagergröße und der Betriebsumgebung. Beispielsweise kann es sein, daß die axialen Stirnflächenstufen 25 und 26 des Käfigs, die das Kippmoment hervorrufen, bei sehr kleinen Lagern nicht erforderlich sind, sie sind jedoch normalerweise bei größeren Lagern und insbesondere bei Lagern erforderlich, die bei Anwendungen mit fehlender Schwerkraft betrieben werden, wie z.B. im Weltraum. Weiterhin kann, wenn das Lager sehr klein ist, die Präzisionsbearbeitung der Kugeltaschen-Mittellinien derart, daß sie sich mit der Laufbahn-Drehachse 35 schneiden, nicht so genau durchgeführt werden müssen oder sie kann sogar entfallen. Ein weiteres Käfigmerkmal, nämlich die Hinterdrehung 29 des inneren Durchmessers kann entfallen, wenn der entsprechende innere Laufringsteg hinterdreht wird, damit das Kippmoment wirksam sein kann.

Patentansprüche;

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Claims

Patentans prüche

λ Wälzlageranordnung zur Lagerung eines drehbaren Teils für eine Drehung um eine Achse in einem Tragteil, dadurch gekennzeichnet, daß die Lageranordnung einen äußeren Lagerring (10) mit einer äußeren Laufbahn (11) und Stegteilen, einen inneren Lagerring (12) mit inneren Laufbahnen (13) und Stegteilen (14, 15), eine Anzahl von Wälzelementen (1 bis 8), die zwischen den äußeren und inneren Lagerringen (10, 12) angeordnet sind und in normalem Wälzkontakt mit den Laufbahnen (11, IJ) stehen, und einen allgemein zylindrischen Lagerkäfig (16), der zwischen den Lagerringen angeordnet ist und eine entsprechende Vielzahl von sich radial erstreckenden Taschen (18) zur Festlegung der relativen Winkelpositionen der Wälzelemente (1 bis 8) aufweist, umfaßt, daß die Wälzelemente (1 bis 8) im Betrieb normalerweise eine entsprechende Anzahl von radialen Trägheitskräften (E_n bis E_n ) auf den äußeren Lagerring (10) B₁ B₈

hervorrufen, daß diese Kräfte sich normalerweise in willkürlicher Weise entsprechend willkürlicher Änderungen der Positionen der Wälzelemente (l bis 8) in den Käfigtaschen (18) ändern, daß der Lagerkäfig (16) einen Massenschwerpunkt aufweist, der exzentrisch bezüglich der Drehachse (17) ist, um im Betrieb eine Zentrifugalkraft (F ) zu erzeugen, die den Käfig (16) radial zwischen den Lagerringen (10, 12) derart verschiebt, daß eine punktförmige Oberfläche des Käfigs (16) einen Stegteil (15) einer der Laufbahnen berührt und dadurch den Käfig (16) in einer im wesentlichen konstanten vorgegebenen Position gegenüber dieser einen Laufbahn (lj>) hält und daß der radiale Trägheitskraftvektor (F_n) des Käfigs (l6) im wesentlichen konstant und vorhersagbar gehalten wird.

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2. Lageranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Käfig (16) ein allgemein zylindrisches Teil umfaßt, das radial versetzte innere und äußere Durchmesser aufweist, um die Massenexzentrizität gegenüber der Lagerachse (17) zu erzeugen.

J5. Lageranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch g e k e η η zeich net , daß die Massenexzentrizität eine derartige Größe aufweist, daß der resultierende radiale Trägheitskraftvektor (P.) des Käfigs größer als die Summe aller Wälzelemente-/

Taschen-BerUhrungskräfte (E_n Us F_n ) ist.

B₁ Bg

4. Lageranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichne t, daß der Käfig (16) einen Stegteil (14, 15) der inneren Laufbahn (13) berührt.

5. Lageranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Wälzelemente (l bis 8) Kugeln sind und daß die Käfigtaschen (18) eine allgemein zylindrische Form aufweisen.

6. Lageranordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Käfigtaschen (18) für vorgegebene Wälzelemente am Umfang derart angeordnet sind, daß Komponenten der zugehörigen radialen Trägheitskraftvektoren im wesentlichen den Zentrifugalkraftvektor (F ) des Käfigs ausgleichen.

7. Lageranordnung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Achsen der zylindrischen Taschen (l8) sich an der Käfigdrehachse (17) schneiden, um die Wälzelement-/Taschen-Berührungskräfte bei der radialen Verschiebung des Käfigs zu verringern.

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8. Lageranordnung nach einem der Ansprüche 5 bis 7$ dadurch gekennzeichnet, daß die Lageranordnung ein vorgespanntes Schräglager ist, daß der Lagerkäfig (ΐβ) eine weitere Massenexzentrizität um einen Käfigdurchmesser im wesentlichen senkrecht zur Richtung des radialen Kraftvektors (F ) des Käfigs aufweist, um den Käfig (16) um diesen senkrechten Durchmesser zu kippen und um die Kugeln (l bis 8) in vorgegebenen im wesentlichen konstanten und vorhersagbaren Positionen in den Taschen (18) zu halten, so daß ihre radialen Trägheitskraftvektoren (R₃ bis F_n ) im wesentlichen konstant und vorher-

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sagbar sind.

9. Lageranordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Käfig (16) Stufen (25, 26) in seinen entgegengesetzten Stirnflächen (27, 28) derart aufweist, daß der Käfig (l6) ein Massenungleichgewicht um diesen senkrechten Käfigdurchmesser aufweist.

10. Lageranordnung nach Anspruch 9* dadurch gekennzeichnet, daß der Innendurchmesser des Käfigs (16) benachbart zu einer der Käfigstirnflächen (27, 28) größer als der Innendurchmesser des Käfigs (16) benachbart zur anderen Käfigstirnfläche (27, 28) ist, so daß der Berührungspunkt (30) auf dem kleineren Innendurchmesser des Käfigs (16) liegt und nur einen der Stegteile (15) der inneren Laufbahn berührt um auf diese Weise eine Kippkraft auf den Käfig (l6) um einen Durchmesser zu erzeugen, der senkrecht zu dem radialen Kraftvektor (P ) des Käfigs verläuft.

11. Lageranordnung nach einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Käfig (16) in einer Richtung senkrecht zur ersterwähnten Käfigverschiebung radial verschoben ist, so daß eine Zentrifugalkraftkomponente (P )

senkrecht hierzu erzeugt wird und daß die Käfigtaschen (18) für andere vorgegebene Kugeln am Umfang derart angeordnet sind,

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daß die Komponenten ihrer zugehörigen radialen Trägheitskraftvektoren im wesentlichen die senkrechten Zentrifugalkraftkomponentenvektoren (P ) ausgleichen.

12. Lageranordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeich net, daß die Umfangspositionen beider Sätze von Kugeltaschen (l8) für die vorgegebenen Kugeln die Auswirkungen der Komponenten der radialen Trägheitskräfte der übrigen Kugeln (1 bis 8) einschließen, die durch die Komponenten beider radialen Käfigverschiebungen erzeugt sind.

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