DE2525104C2

DE2525104C2 - Schrägkugellager

Info

Publication number: DE2525104C2
Application number: DE2525104A
Authority: DE
Inventors: Peter Earl Phoenix Ariz. Jacobson; Leopold Scottsdale Ariz. Pirman
Original assignee: Sperry Corp 10019 New York NY; Sperry Corp
Current assignee: Sperry Corp
Priority date: 1974-06-05
Filing date: 1975-06-05
Publication date: 1984-02-16
Also published as: CH594829A5; NL174180C; CA1031023A; FR2273972B1; DE2525104A1; SE399112B; IT1035935B; NL7506679A; DK153007B; DK153007C; GB1481888A; US3918778A; DK242875A; FR2273972A1; NL174180B; SE7506366L; JPS515430A

Description

a) daß der Lagerkäfig (16) einen Massenschwerpunkt aufweist, der exzentrisch bezüglich der Drehachse (17) ist, um im Betrieb eine Zentrifugalkraft (F_c) zu erzeugen, die den Lagerkäfig (16) radial zwischen den Lagerringen (10, 12) verschiebt, bis er zur Anlage mit einer Laufbahnschulter kommt, und

b) daß die Käfigtaschen derart über den Umfang ungleichmäßig verteilt sind, daß Komponenten der zugehörigen radialen Trägheitskraftvektoren der Kugeln im wesentlichen den Zentrifugalkraftvektor (F_c) des Lagerkäfigs ausgleichen.

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

3. Schrägkugellager nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Massenexzentrizität eine derartige Größe aufweist, daß der resultierende radiale Zentrifugalkraftvektor (F₁.) des Lagerkäfigs größer als die Summe aller Kugel-Taschen-Berührungskräfte (F_Bl bis F_Sg) ist.

4. Schrägkugellager nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Lagerkäfig (16) eine Laufbahnschulter (14, 15) der inneren Laufbahn (13) berührt.

5. Schrägkugellager nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Lagerkäfig (16) eine weitere Massenexzentrizität um einen Käfigdurchmesser im wesentlichen senkrecht zur Richtung des Zentrifugalkraftvektors (F₁.) des Lagerkäfigs aufweist, um den Lagerkäfig (16) um diesen senkrechten Durchmesser zu kippen und um die Kugeln (1 bis 8) in vorgegebenen, im wesentlichen konstanten und vorhersagbaren Positionen in den Taschen zu halten.

6. Schrägkugellager nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Lagerkäfig (16) Stufen (25, 26) in seinen entgegengesetzten Stirnflächen (27,28) derart aufweist, daß der Lagerkäfig (16) ein Massenungleichgewicht um diesen senkrechten Käfigdurchmesser aufweist.

7. Schrägkugellager nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Innendurchmesser des Lagerkäfigs (16) benachbart zu einer der Käfigstirnflächen (27,28) größer als der Innendurchmesser des Lagerkäfigs (16) benachbart zur anderen Käfigstirnfläche (27,28) ist, so daß der Berührungspunkt (30) auf dem kleineren Innendurchmesser des Lagerkaflgs (16) liegt und nur eine der Laufbahnschultern (15) der inneren Laufbahn berührt, um auf diese Weise eine Kippkraft auf den Lagerkäfig (Ii) um einen Durchmesser zu erzeugen, der senkrecht zu dem radialen Zentrifugalkraftvektor (F_c) des Lagerkäfigs verläuft

Die Erfindung bezieht sich auf ein Schrägkugellager mit einem äußeren Lagerring mit einer äußeren Laufbahn mit Laufbahnschultern, einem inneren Lagerring mit innerer Laufbahn mit Laufbahnschultern, einem allgemein zylindrischen Lagerkäfig, der zwischen den beiden Lagerringen angeordnet ist und eine entsprechende Vielzahl von ungleichmäßig über den Umfang verteilten, sich radial erstreckenden zylindrischen Taschen zur Festlegung der relativen Winkelpositionen der Kugeln aufweist, wobei der Lagerkäfig im Betrieb bei einer exzentrischen Auslenkung über eine punktförmige Oberfläche des Lagerkäfigs eine Laufbahnschulter einer der Laufbahnen berühren kann.

Es ist ein Schrägkugellager dieser Art bekannt (US-PS 3 314 694). das in einem Drehgelenk verwendet wird, bei dem große axiale Lagerlasten im stationären Zustand des Lagers auftreten. Hierbei können Einprägungen in den Laufbahnen auftreten, die zu einer ruckartigen Bewegung des äußeren Lagerringes gegenüber dem inneren Lagerring führen. Um die Wirkung der Einprägungen zu verringern, sind die Kugeln um den Umfang des Lagers herum in jeweils voneinander abweichenden Abständen zueinander angeordnet, so daß erst ab einer vollen Umdrehung des Lagerkäfigs ein Einrasten der Kugeln in vorher ausgebildete Ausprägungen oder Vertiefungen möglich ist.

Schrägkugellager werden weiterhin bei Anwendungen mit mittleren bis hohen Drehzahlen verwendet. Der Lagerkäfig ist hierbei typischerweise 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, eine Ölmenge aufnehmenden Material, wie beispielsweise Polyamid, oder aus einer gesinterten oder massiven Metallegierung. Die Lagerkäfige waren freischwimmend zwischen den Laufbahnschultern der Laufringe angeordnet und es wurde versucht, die Lagerinstabilität 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. In dem Lager erzeugte dynamische Unwuchten oder von diesem Lager nach außen übertragene Schwingungen konnten daher nur schwierig verringert oder beseitigt werden. Die wesentlichste Ursache für induzierte dynamische Instabilitäten und Lagerschwingungen ist die Kugel-Lagerkäfig-Dynamik, d. h. die radialen Trägheitskräfte, die von der Kugel- und Lagerkäfig-Dynamik hervorgerufen werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Schrägkugellager der eingangs genannten Art zu schaffen, das auch bei hohen Drehzahlen einen leisen, dynamisch stabilen und schwindungsfreien Betrieb er-

möglicht.

Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebene» Merkmale gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Schrägkugellagers ergibt sich ein dynamisch stabiler, schwingungsfreier Betrieb, wobei der Lagerkäfig eine stabile Wirbelbetriebsweise annimmt, bei der alle Kugel-, Taschen- und Lagerkäfig-Laufbahnschulterkräfte vorhersagbar und konstant sind.

Durch die Ausbildung des Lagerkäfigs mit einer Massenexzentrizität bezüglich der Drehachse des Lagers ruft die radiale Zentrifugalkraft auf den Lagerkäfig eine Verschiebung dieses Lagerkäfigs in Radialrichtung hervoi, so daß der Lagerkäfig eine Laufbahnschulter einer Laufbahn berührt und ein vorhersagbares Wirbelmuster ausbildet. Zusätzlich kann der Lagerkäfig 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 Schrägkugellagers hervorgerufen wird, die die Lage der Kugeln in ihren Taschen stabilisiert, wobei die KugeWTaschen-Kontaktpunkte vorbestimmt werden. Diese Unwucht kann dadurch verbessert werden, daß eine Wand des Lagerkäfigs so bearbeitet wird, daß der Lagerkäfig lediglich mit einer der Laufbahnschultern in Berührung kommt, so daß ein Hebelarm zwischen diesem Kontaktpunkt und dem Schwerpunkt des Lagerkäfigs geschaffen wird.

Die Kugeltaschen sind in dem Lagerkäfig derart ausgebildet, daß ihre jeweiligen Achsen sich an der Drehachse des Lagerkäfigs schneiden, so daß die Kugel-Taschen-Koppelkräfte weiter verringert werden und sich der Lagerkäfig in Axialrichtung unter der 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 Drehachse verschoben sein, so daß ihre KugeN/Taschen-Kontaktkräfte radiale Trägheitskräfte hervorrufen, die die Käfig-Unwuchtkräfte ausgleichen, so daß irgendwelche Vibrationen von dem Schrägkugellager auf die Tragstruktur verringert oder beseitigt werden. Dies heißt mit anderen Worten, daß das radiale Kräftepolygon des Schrägkugellagers steuerbar und beständig ist und sich immer in sich selbst schließt, so daß sichergestellt ist, daß eine resultierende Trägheitskraft von nahezu Null auf den äußeren Rahmen übertragen wird, an dem das Lager befestigt ist.

Das erfindungsgemäße Schrägkugellager ist in idsaler Weise für viele Anwendungen geeignet, die eine extreme mechanische Stabilität, eine Laufruhe und eine Freiheit von Schwingungskräften bei der Lagerkäfig-Drehfrequenz erfordern. Eine derartige Anwendung ergibt sich beispielsweise bei mit hoher Drehzahl arbeitenden Präzisionsinstrumenten, wie beispielsweise Kreiseln. Das Schrägkugellager ist außerdem bei Anwendungen ohne Schwerkraft sehr wünschenswert, beispielsweise in Kreiseln zur Stabilisierung von Satelliten, bei denen die Forderung besteht, daß die Lager keine dynamische Instabilität und sich daraus ergebenden Schwingungen über eine langjährige Lebensdauer aufweisen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand der Zeichnungen noch näher erläu-

In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine Querschnittsansicht einer Ausführungsforrc des Schrägkugellagers,

F i g. 2 und 3 Endansichten bzw. axiale Schnittansichten des Schrägkugellagers nach F i g. 1 mit vergrößerten Lagerkäfigabmessungen, um die Massenexzentrizität und die sich daraus ergebende radiale und diametrale Winkelversetzung zu erläutern,

Fig. 4 und 5 den Ansichten nach Fig. 2 und 3 ähnliche Ansichten, die jedoch die Versetzung einiger Kugeltaschen zeigen, wodurch die radiale Exzentrizität des Lagerkäfigs dynamisch ausgeglichen wird,

F i g. 6 und 7 den F i g. 4 und 5 ähnliche Ansichten, die jedoch die Versetzung einiger anderer Kugeltaschen zeigen, um die radiale Exzentrizität des Lagerkäfigs senkrecht zu der in Fig. 4 gezeigten dynamisch auszugleichen,

Fig. 8 und 9 den Fig. 6 und 7 ähnliche Ansichten, die jedoch die selbstkompensierenden Auswirkungen der Exzentrizitäten des Lagsrkäfigs aufgrund der übrigen Kugeleinstellung zeigen,

Fig. 1OA, 1OB und IOC typische Radialkraft-Vektordiagramme des acht Kugeln aufweisenden Schrägkugellagers.

In den Zeichnungen ist eine Ausfuhrungsform des Schrägkugellagers mit acht Kugeln gezeigt, wobei jedoch auch irgendeine andere Zahl von Kugeln verwendbar wäre.

Die in Fig. 1 gezeigte Ausfuhrungsform des Schrägkugellagers wird 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 des Schrägkugellagers sind ein äußerer Lagerring 10 mit einer Laufbahn 11 von der üblichen offenen Art, der in einer geeigneten Bohrung der festen Tragstruktur gehaltert ist, ein innerer Lagerring 12 der geschlossenen Art mit einer kreisringförmigen Laufbahn 13 und Laufbahnschultern 14, 15 (siehe auch Fig. 3), eine Anzahl von Kugeln 1 bis 8, die in manchen Fällen als die Kugclfüllung bezeichnet werden, und ein allgemein kreisringformiger Käfig 16, der allgemein dazu dient, die Kugeln voneinander zu trennen. Der innere Lagerring 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 Drehachse 17 drehbar gelagert sein soll. Das Schrägkugellager nach F i g. 1 arbeitet in den meisten Fällen mit einer oder mehreren identischen Schrägkugellagern zusammen, um eine vollständige Lagerung für das drehbare Teil zu schaffen. Die Schrägkugellager werden im Betrieb normalerweise vorgespannt, so daß der KugeWLaufbahn-Kontaktwinkel a (Fig. 3) im wesentlichen konstant gehalten wird. Die im folgenden beschriebene AusführunRsform des Schrägkugellagers findet viele Anwendungen insbesondere dort, wo eine Laufruhe von Bedeutung oder wünschenswert ist. Mit Laufruhe ist die Tatsache gemeint, daß im wesentlichen keine mechanischen und/oder akustischen Schwingungen von den Lagern ausgehen. Dic^c setzt äußerst genau und steuerbar ausgeglichene Kräfte in den Lagern selbst voraus. Eine derartige Anwendung ergibt sich bei Kreiselgeräten insbesondere Tür die Lager, die den mit hoher Drehzahl umlaufenden Kreiselrotor in seinem Rotorgehäuse lagern. Insbesondere ist diese Laufruhe von Lagern bei Kreiselgeräten für Raumfahrzeuge sehr erwünscht. Eine derar-

tige Anwendung würde sich beispielsweise bei den Duplex-Paaren der Kreiselrotor-Spinlagerungen gemäß der britischen Patentschrift 1 352 981 ergeben.

Wenn ein Kugellager 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 Berührungspunkte einfache Punktkontakte und bei einem Betrieb des Lagers ohne äußere Einflüsse, beispielsweise bei einem Einfluß der Schwerkraft von 0, ohne Schmierung usw. so würde die Kugelfüllung zu Anfang symmetrisch um die Drehachse angeordnet sein und die einzelnen Kugeln würden einfach in ihren Laufbahnen roiien, ohne daß sie ihre relativen Positionen ändern würden. In diesem Fall ι > würde kein Käfig erforderlich sein. Bei einer derartigen perfekten Lagerung würden alle radialen Trägheitskraftvektoren der Kugeln (beispielsweise F_B] bis F_Bl nach Fig. 1) identisch und symmetrisch sein, und wenn diese Vektoren in der Form eines Polygons angeordnet wür- 2u den, 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 arbei- 2Ί ten, d. h., es würden keine Vibrationen auf die Tragstruktur oder die gelagerte Struktur übertragen.

Selbstverständlich kann ein derartiges perfektes Lager unter Verwendung von derzeit zur Verfugung stehenden Fertigungstechnologien nicht hergestellt wer- χι den, und weiterhin werden Lager 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 Punkt- Ϊ5 kontakt 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, die üblicherweise als Käfig bezeichnet wird. Die Hin- w zufügung eines Käfigs trägt weiterhin zur Erzeugung von unausgeglichenen radialen Trägheitskräften bei, die von dem Lager ausgehende Schwingungen und Vibrationen hervorrufen. Der Käfig kann weiterhin auf Grund von unbeständigen Kugel- und Käfigkontakt- 4> punkten dynamisch unstabil sein. Beispielsweise können die gleichen Fertigungs- und Herstellungsbeschränkungen eine unregelmäßige Dynamik des Käfigs hervorrufen, während für eine freie Kugel- und Käfigürehung zwischen den Kugeiiascheriwäüden des Käfigs 'M und den Kugeln erforderliche Toleranzen zusammen mit den vorstehend genannten Faktoren eine zufällige Bewegung und zufällige Kräfte zwischen den Kugeln und den Kugeltaschen sowie zwischen dem Käfig und den Laufbahnschultern hervorrufen. Alle diese Fakto- « ren 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, ω Wie es durch die gestrichelten Vektoren nach Fig. 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 wer- h5 den.

Die hier beschriebene Ausführungsform des Schrägkugellagers und insbesondere der Käfig ist 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 ist, so daß das resultierende Kraftpolygon geschlossen werden kann und keine zufälligen oder unkontrollierten Kräfte entwickelt werden. Grundsätzlich wird dieses Ergebnis dadurch erzielt, daß der Käfig 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.

Wie es aus F i g. 1 sowie aus den F i g. 2 und 3 zu erkennen ist, ist der Käfig 16 so ausgelegt, daß er eine radiale Zentrifugalkraft F_c erzeugt und zwar dadurch, daß eine Massenunwucht oder Massenexzentrizität des Käfigs 16 um die Drehachse 17 vorgesehen wird. Diese Kraft kann auf viele Arten erzeugt werden, beispielsweise einfach dadurch, daß eine punktförmige Masse einer Seitenwand des Käfigs hinzugefügt wird oder daß, wie dies in dem 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 Drehachse 17 verschoben wie dies in vergrößerter Weise in den Fig. 2 und 3 gezeigt ist, wobei eine etwas realistischere Darstellung für die Fig. 1 gewählt wurde. Wenn daher der innere Lagerring 12 gedreht wird, bewirken Zentrifugalkräfte, daß der Käfig 16 in Radialrichtung verschoben wird, und eine der Käfigwände berührt die Laufbahnschultern der inneren und 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 jede dieser Anordnungen möglich ist. In den Fig. 2 und 3 ist der Käfig 16 in Radialrichtung verschoben, und seine Innenwand berührt die Laufbahnschulter 15 am Berührungspunkt 22. Es wird die radiale Trägheitskraft F₁. erzeugt, die sich aus der nunmehr um die Drehachse 17 umlaufenden Käfigmasse 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 großer als irgendeine Umfangs- oder P.adialkraft sein, die zwischen den Kugeltaschen-Wänden und den Kugelterührungspunklen erzeugt wird. Fig. 2 zeigt eine übertrieben dargestellte Käfigausrichtung nachdem die radiale Verschiebung des Käfigs eingetreten ist. Diese Figur zeigt und bezeichnet weiterhin jeden der radialen Trägheitskraftvektoren F_e, bis F_B% der Kugeln zusammen mit dem radialen Trägheitskraftvektor F_c 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 Drehachse 17 schneiden, nachdem der Käfig 16 in Radialrichtung verschoben wurde. Die Drehachse 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 Käfigs, die die Zentrifugalkraft F₁. und die resultierende radiale Verschiebung des Käfigs hervorruft (zusammen mit den Kugeltaschenachsen, die sich an der Lagerachse schnei- ii> den), weitgehend irgendwelche radialen Trägheitskraft-Unbeständigkeiten 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_fl| bis Fg₈ festlegt. Beispielsweise liegen in den Fig. 1 und 2 die Kugel- m taschen 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-Massenrr ittelpunkte noch genauer bezüglich des Käfigs festzulegen, ist eine zusätzliche Kraft auf die Kugeln erforderlich, und diese Kraft muß in einer Richtung sowohl senkrecht zur Käfigdrehachse als auch zum Käfig-Zentrifugalkraftvektor F₁ verlaufen (bevor sie etwas winkelmäßig aus noch zu erläuternden Gründen verschoben wird). Zu diesem Zweck wird dem Käfig 16 in 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 M₁. (F i g. 2) erteilt wird.

Diese zusätzliche Exzentrizität oder Käfigunwucht kann auf verschiedene Weise geschaffen werden, beispielsweise dadurch, daß punktformige Massen in der Nähe der oberen und unteren Oberflächen des Käfigs auf einem Durchmesser parallel zum Durchmesser der ersterwähnten Exzentrizität hinzugefügt werden. In dem dargestellten Ausfuhrungsbeispiel wird diese weitere Käfigexzentrizität dadurch geschaffen, daß Stufen 25,26 in den Käfigstirnflächen 27,28 ausgebildet oder eingearbeitet werden, wie dies in den Fig. 2 und 3 gezeigt ist, d. h. dadurch, daß Masse von den oberen und unteren Käfigstirnflächen 27,28 entfernt wird, wie dies dargestellt ist. Dieses Kippmoment Λ/ in Fig. 2 kann dadurch erhöht werden, daß der obere Teil des Innenumfangs des Käfigs hinterdreht wird, wie dies bei 29 in Fi g. 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 aus der Trägheitskraft F_c des Käfigs und dem Hebelarm oder Kipparm L_c geschaffen wird. Das auf diese Weise geschaffene Kippmoment kippt den Käfig 16 derart, daß die obere Wand der Kugeltasche fur die Kugel 3 die obere Oberfläche der Kugel 3 ungefähr am Punkt 30 in F i g. 3 berührt und daß die untere Wand der Kugeltasche für die Kugel 7 die untere Oberfläche der Kugel 7 ungefähr am Punkt 31 berührt 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 werden 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 F i g. 2 und 3 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, und durch die rotierende innere Laufbahnschulter am Berührungspunkt 22. Für die im Gegenuhrzeigersinn erfolgende Drehung nach den F i g. 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 M₁ oder nach unten in F i g. 2 zu bewegen oder zu verschieben, wobei diese Verschiebung a in dieser Figur etwas vergrößert dargestellt ist. Diese weitere Käfigverschiebung ist ebenfalls bestrebt, den Kafig'/Laufbahnschulter-Kontaktpunkt 22 und den resultierenden Zentrifugalkraftvektor F₁. winkelmäßig zu verschieben, wie dies weiter oben erläutert wurde. Nachdem nunmehr die Käfigposition genau bestimmt werden kann, kann weiterhin der Mittelpunkt 35 der Kugeitaschenachsen ebenfalls genau bestimmt werden.

Nachdem nunmehr die Käfig- und Kugelfüllungs-Position genau bestimmt oder vorhersagbar sind, können die einzelnen Kugeln nunmehr aus ihrer symmetrischen Umfangsposition heraus verschoben werden, um eine Kraftkompensation des gesamten Systems herbeizufuhren, d. h. sicherzustellen, daß sich das Lagerkraft-Polygon immer auf sich selbst schließt, wie dies in den Fig. 1OB und IOC für eine Drehung im Gegenuhrzeigersinn bzw. im Uhrzeigersinn gezeigt ist. Die genaue Bestimmung dieser Umfangs-Kugelpositionen wird nun anhand der F i g. 4 bis 7 beschrieben, in denen lediglich die betroffenen Kugeln aus Vereinfachungs- und Klarheitsgründen dargestellt sind.

Der radiale Trägheitskraftvektor F₁. des Käfigs wirkt auf den inneren Laufring 12 am Punkt 22 und erzeugt eine Käfigunwuchtkraft, die, wenn sie nicht kompensiert wird, auf die Lagertragsirukiur 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_c, der durch das vorstehend beschriebene Kippmoment M_c hervorgerufen wird. Wie es in den Figuren 4 und 6 dargestellt ist, wird die eine Komponente als eine horizontale Komponente F_Cfl auf Grund der horizontalen radialen Verschiebung des Käfigs bezeichnet (Fig. 4), während die andere als vertikale Komponente F_C(. auf Grund der vertikalen Verschiebung α des Käfigs bezeichnet wird (Fig. 6). Die horizontale Komponente F_CH weist eine vorgegebene Größe auf und wird durch eine Verschiebung der Kugeln 1 und 5 in Umfangsrichtung von der Durchmesserachse y-y fort um einen Betrag kompensiert oder aus-

geglichen, derart, daß zwei kleine horizontale Komponenten aus den radialen Trägheitskraftvektoren F_fi| und F_e, dieser Kugeln erzeugt werden. Weil die horizontale Komponente F_w bezogen auf die Achse y-y der Lageranordnung nach rechts gerichtet ist, werden diese Kugeln zur linken Seite dieser .y-jv-Achse verschoben. Die Verschiebungswinkel sind ß\ und ß₅ und werden aus der folgenden Gleichung bestimmt:

F_CH =

sin/,

= Fg₅ sin ß₅.

Daher können nach Kenntnis der Größe der erforderlichen Kompensationskraftvektoren, die von den Kugeln 1 und 5 erzeugt werden müssen, d. h. der Größe F_CH/2, die Winkelverschiebungswinkel beiirijß] und./J₅ der Taschen der Kugeln 1 und 5 unter Verwendung der oben angegebenen Gleichung bestimmt werden. Damit wird die radiale Trägheitskraft-Vektorkomponente F_CH, die von der exzentrischen Käfigmasse erzeugt wird, durch das Paar von gleichen und entgegengesetzten Kraftvektoren F_CH/2 kompensiert, die durch die versetzten Taschen für die Kugeln 1 und 5 hervorgerufen werden. Es ist weiterhin zu erkennen, daß

F₈, COSjß, = F_Bi COSjS₅

so daß sich keine Unwucht der radialen Trägheitskräfte der Kugeln 1 und 5 ergibt. Diese Kraftkompensation ist grafisch in den Fig. 1OB und IOC dargestellt, in denen die Trägheitskraftvektoren F_ß| und F_Sj etwas winkelmäßig verschoben sind, um ein geschlossenes Kraftpolygon aufrechtzuerhalten.

Die vertikale Komponente F_Cv des Zentrifugalkraftvektors F₁. des Käfigs wird in ähnlicher Weise kompensiert und es wird im folgenden auf die Fig. 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 ω der Kugeln 2,3, 4,6,7 und 8 und des Kontaktes 22 mit der inneren Laufbahnschulter. Lediglich die Kugeln 3 und 7 sind aus Klarheitsgründen dargestellt, und die Kompensation kann durch ausschließliches Verschieben dieser Kugeln durchgeführt werden. Wie es jedoch noch weiter unten erläutert wird, müssen die Wirkungen des verschobenen Käfigs auf die Kugeln 2, 4, 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 Fp₃ und Fp₁ nach Fig. 6 hervorgerufen, wobei sich diese Verschiebungsrichtung für eine Drehung des Käfigs 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_Sj und Fg₇ dargestellt sind. Die Verschiebungswinkel sind JS₃ undjö₇ und werden aus der folgenden Gleichung bestimmt:

F_Cy = F_B. sin Ai + Fs₇ sin.#₇

oder

— ^CJ- = F_B} si

= F_a, sin β_η.
Es ist wiederum zu erkennen, daß

F_e, cos A

ist.

Wenn daher die Größe des radialen Trägheitskraftvektors F_Cv der Kugel bekannt ist, die erforderlich ist, um die gewünschte Kompensation durchzuführen, so können die Winkelverschiebungswinkel^ undjS₇ unter Verwendung der oben erwähnten Beziehung bestimmt werden. Die Kraftkompensation ist wiederum grafisch in den Fig. 1OB und IOC gezeigt, in denen die Kraftvektoren Fg₃ und F₈₇ für eine Drehung im Uhrzeigersinn

i=> bzw. im Gegenuhrzeigersinn etwas winkelmäßig verschoben sind, um einen geschlossenes Lagerkraft-Polygon aufrechtzuerhalten.

Es ist aus den F i g. 8 und 9 ersichtlich, daß die Kugeln 2,4,6 und 8 sich aus ihrer Lage als Ergebnis der beiden

Jd Komponenten der Käfigverschiebung herausverschieben, die durch die Trägheitskraftkomponenten F_CH und F_n, hervorgerufen wird. Diese Käfigverschiebung ruft ein Ungleichgewicht der radialen Trägheitskraftvektoren Fe₂, Fe₄, Fe₆ und Fe₈ hervor und die resultierenden

> Kräfte sind in die Berechnung der Verschiebungswinkel ßußi,ßs undj8₇ aufgenommen. Die Verschiebung dieser primären Kugel-Trägheitskraftvektorpositionen ist auf die Winkel A Φ₂, A Φ₄, A Φ₆ und A Φ₈ bezogen, und die folgenden Beziehungen können verwendet werden,

to um ihre jeweiligen Kompensationskräfte unter der Annahme zu berechnen, daß + Σ F_H nach rechts und + Σ F_v nach oben in F i g. 8 verläuft, wobei die Indizes R und L rechts bzw. links bezeichnen.

ΣF_H = Fs₃ cos (45 - ΑΦ₂) + F_8A cos (45 - ΑΦ4) - F_Bk cos (45 + ΑΦ₆) - F_Bs cos (45 + ΑΦ»)

Fe₂ =

= Fe₈ = F_s; ΑΦ₂ = ΑΦ_Λ = ΑΦ_Κ

ΑΦ₆ = ΑΦ_% =

Σ F_H = 1F_B cos (45 - A Φ_Λ) - 2F_B cos (45 + A Φ[) wenn die Verschiebung klein ist (d. h. > 0,25 mm) so ist: ΑΦ_Κ = ΑΦι = ΑΦ

V; F_H = 2F_B cos (45 - ΑΦ) - cos (45 + ΑΦ) = 2,83F_fl sin Λ Φ.

In ähnlicher Weise kann gezeigt werden, daß

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

Im Vorstehenden wurde ein vollständig dynamisch kompensiertes Schrägkugellager beschrieben, bei dem der Käfig 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 das Schrägkugellager keine Quelle von Schwingungen ist und keine derartigen Schwingungen auf die Halterung oder auf die gehalterte Anordnung überträgt. Die vorstehenden Merkmale ergeben weiterhin eine erheblich verbesserte dynamische Stabilität des Schrägkugellagers. Die wesentlichste Ursache der dynamischen Instabilität ist die Wirbelcharakteristik des Käfigs, die nahezu immer bei üblichen Kugellagern der eingangs erwähnten Art vorhanden ist, die jedoch nicht immer feststellbar oder hörbar sein kann. Die Käfiginstabilität ist fast immer vorhanden, wenn die Kugel-/Kugeltaschen-Kräfte und/oder Käfig-ZLaufbahnschulter-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-Laufbahnschulter-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 beschrie-

H) benen Merkmale des dynamisch ausgewuchteten Schrägkugellagers beträchtlich verbesserte Kugel-/ Kugeltaschen- und Kugelkäfig-ZLaufbahnschulter-Kontakteigenschaften ergeben und daß daher die gleichen Merkmale zu einer beträchtlich verbesserten dynamisehen Lagerslabilität beitragen. Das Merkmal, das am meisten zur verbesserten dynamischen Stabilität beiträgt, ist der eine Massenexzentrizität aufweisende Käfig. 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

2=1 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

in 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 die entsprechende innere Lauf-

J5 bahnschulter hinterdreht wird, damit das Kippmoment wirksam sein kann.

Hierzu 7 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Schrägkugellager mit einem äußeren Lagerring mit einer äußeren Laufbahn mit Laufbahnschultern, einem inneren Lagerring mit innerer Laufbahn mit Laufbahnschultern, einem allgemein zylindrischen Lagerkäfig, der zwischen den beiden Lagerringen angeordnet ist und eine entsprechende Vielzahl von ungleichmäßig über den Umfang verteilten, sich radial erstreckenden zylindrischen Taschen zur Festlegung der relativen Winkelpositionen der Kugeln aufweist, wobei der Lagerkäfig im Betrieb bei einer exzentrischen Auslenkung über eine punktförmige Oberfläche des Käfigs eine Laufbahnschulter einer der Laufbahnen berühren kann, dadurch gekennzeichnet,