DE2525104A1 - Lageranordnung mit geringer reibung - Google Patents
Lageranordnung mit geringer reibungInfo
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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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— τ —
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.
./. B09881/0357
Diese Figur zeigt und bezeichnet weiterhin jeden der radialen Trägheitskraftvektoren En bis En 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
Fn bis Fn 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 Mn (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.
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
509881/0357 # '
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 Fn 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
En und En 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:
509881 /0357
Cr1 = Fn sin /S1
2~ X
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
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
Fx, 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 Fn
1 und F0 etwas winkelmäßig verschoben sind, um ein geschlossenes
B5
Kraftpolygon aufrechtzuerhalten.
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-
509881/0357 - ./.
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 Pp und Fp 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 Fn dargestellt sind. Die Verschiebungs-
B5 B7
winkel sind /β-, und β>~ und werden aus der folgend en Gleichung bestimmt:
°V = Fg sin
3
3
n = En sin Ä, + Fn sin A_
Cy B5 /^ B7 /7
»Ρ« sin
B7
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 En für eine Drehung im Uhrzeigersinn bzw. im Gegen-B5
B7
509881/0357
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
Pn , Er5 , Pn und Pn 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.Ργ nach oben in Fig. 8 verläuft,
wobei die Indizes R und L rechts bzw. links bezeichnen.
IFH = P8 cos (45 -AsS2) + PB cos
P cos (45 +Δ^) - PR cos (45 + A0o)
B6 b Bq ö
wenn F^ = P^ - P^ - F^ = Fß; At2 =M4 =A^R und
ΣΡΗ = 2PB cos ^45 ~ Δ^ ' 25B cos V
wenn die Verschiebung klein ist (d.h. > 0,25 mm) so ist:
ΣΡΗ - 2PB cos (45 - Δ0) - cos (45 + Δ0) = 2,83 Pß sin /±0
In ähnlicher Weise kann gezeigt werden, daß ΣΡν - 2,83 PB sin Δ0.
509881/0357 m/'
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-
509881 /0357
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.
509881 /0357
Claims (1)
- Patentans prücheλ 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 (En bis En ) auf den äußeren Lagerring (10) B1 B8hervorrufen, 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 (Fn) des Käfigs (l6) im wesentlichen konstant und vorhersagbar gehalten wird.509881/03572. 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 (En Us Fn ) ist.B1 Bg4. 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.509881 /03578. 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 Fn ) im wesentlichen konstant und vorher-1 8
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,509881 /0357daß 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.509881 /0357
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8127 | New person/name/address of the applicant |
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8110 | Request for examination paragraph 44 | ||
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