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Elastisch nachgiebiges, selbsteinstellbares Gleitlager
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Die Erfindung betrifft ein elastisch nachgiebiges selbsteinstellbares
Gleitlager für Achsen mit einem Durchmesser von maximal 3 mm, vorzugsweise zur Lagerung
von Kleinmotoren, das an einem Motorschild oder an einem ähnlichen Lagerträger befestigt
ist.
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Es ist bekannt, daß zur Lagerung der Achsen von Kleinmotoren zwei
grundlegende Lösungsmöglichkeiten bestehen, nämlich starre oder selbsteinstellbare
Lager.
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Bei der starren Lagerung ist das Lager in einem Lagerträger, z.B.
einem Motorschild, starr eingebaut und der entsprechende Achsverlauf ist durch enge
Toleranzen (Gleichachsigkeit) der Lagerbohrungen gewährleistet. Diese Lösung bedingt
eine sehr genaue Achsgeometrie. Diese Bedingung kann nur durch eine sehr kostspielige
Bearbeitung bzw. durch einen kompensierenden Maßausgleich erreicht werden. Wenn
ein genaues Fluchten der Lager der Achse nicht gewährleistet werden kann, entsteht
auch im Fall eines richtig gewählten Lagerspiels ein Kantendruck an den Enden der
Lager. Dieser Kantendruck hat im allgemeinen ein Einfressen der Achse, auf alle
Fälle erhöhte Lagerreibungsverluste zur Folge. Diese Reibungsverluste beeinflussen
besonders bei von Batterie getriebenen Kleinmotoren die Betriebskosten nachteilig,
weil der Wirkungsgrad des Motors erniedrigt wird.
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Die oben genannten Bedingungen können eher durch Pendellager erfüllt
werden, weil die Lagerbohrungen unter der Wirkung einer bestimmten Achsspannung
eine annähernd gleichachsige Lage annehmen. Die Güte der Selbsteinstellung kann
durch die Kraftwirkung gekennzeichnet werden, die die Lager in eine einachsige Lage
bringt. Bei dem Rotor von Motoren ist aber die Achse regelmäßig nicht vollkommen
gleichachsig und unterliegt einer gewissen elastischen Deformation. Demzufolge entstehen
sich ändernde Kräfte in den Lagern, und zwar auch bei Pendellagern, und der Reibungsverlust
ändert sich abhängig von diesen Kräften.
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Wenn den Abweichungen der sich drehenden Achse infolge der Selbsteinstellung
der Pendellager ständig gefolgt wird, ist die Lagerreibung konstant und der Wert
der Reibung wird neben
den Verhältnissen der Lagerreibung durch
die zur Einstellung nötige Kraft bestimmt.
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Die bei den bekannten Einrichtungen verwendeten selbsteinstellbaren
Kugelgleitlager erfüllen diese Anforderung nicht.
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Bei den bekannten Lagern ist die sich aus der veränderlichen Spannung
der drehenden Achse ergebende und die Lager einstellende Kraft bzw. das Moment notwendigerweise
kleiner als das Moment der die Lager in ihren Lagerstellen fixierenden Reibungskraft.
Im entgegengesetzten Fall verdreht sich das Lager gemeinsam mit der Achse, so daß
die genannten Bestimmungen nicht erfüllt werden.
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In der Praxis werden die Kugelgleitlager durch mäßiges Anklopfen eingestellt,
wobei die Massenkräfte die die Lager in ihren Lagerstellen haltenden Reibungskräfte
überwinden, und das Lager in eine durch die Achsen bestimmte Lage gelangt.
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Bei diesen einstellbaren Lagern erfordert aber die kugelabschnittförmige,
äußere Oberfläche des Lagerkörpers eine sehr genaue, kostspielige Bearbeitung. Der
Einbau des Lagerkörpers in die Lagerschale, bei welchem die Befestigung und die
nötigen Reibungskräfte in den meisten Fällen durch Federn mit sehr steiler Federkennlinie
gewährleistet werden, verursacht ähnliche Probleme. Diese Maßnahmen erfordern eine
sehr hohe Präzision. Trotzdem ist ein Teil der hergestellten Pendellager nicht brauchbar,
was einerseits zur Verdrehung des Kugellagers in seiner Lagerschale und andererseits
im Falle einer zu engen Einpassung zu einer mangelnden Selbsteinstellung führt.
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Die Herstellungsschwierigkeiten dieser Kugellager resultieren aus
der geometrischen Ausbildung. Die Kugellagerndssenentweder durch ein spanabhebendes
Verfahren oder durch Pressen (z.B.
bei Sinterlagern) hergestellt
werden, weil es sehr schwierig ist, eine genaue Kugeloberfläche in kleinen Abmessungen
zu erzeugen. Dies ist aber eine unentbehrliche Bedingung für die Selbsteinstellung.
Um dieses Problem zu vermindern, wird die Lagerschale als Kugeloberfläche ausgebildet.
Diese Lösung hat den Nachteil, daß das Kugellager das Gehäuse nur entlang einer
Kreislinie berührt und dadurch das Abführen der durch die Reibung erzeugten Wärme
erschwert wird.
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Die Befestigung des Kugellagers stellt eine weitere Schwierigkeit
dar. Die Befestigung soll die Verdrehung des Lagers sicher verhindern und eine Selbsteinstellung
neben annehmbaren Lagerkantendrücken gewährleisten. Gemäß der gegenwärtigen Technik
darf das Einstellmoment nicht größer sein als das sich aus dem Gewicht der Achse
ergebende Drehmoment. Der Durchmesser der Achse entspricht der Nennabmessung der
Lagerbohrung und die Länge beträgt das 25-30-fachedes Durchmessers. Diese Momentbeschränkung
kann durch die bekannten Konstruktionen nur äußerst schwer erfüllt werden. Für die
Einstellung werden im allgemeinen federnde Druckelemente verwendet. Diese Elemente
mit kleinen geometrischen Abmessungen weisen eine sehr steile Federkennlinie auf,
so daß ein wesentlicher Teil der Lager - wie erwähnt wurde - nicht voll tauglich
ist.
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Die Nachteile der herkömmlichen Pendellager können wie folgt zusammengefaßt
werden.
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- Eine genaue Lagergeometrie ist sehr schwer erreichbar.
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- Die Linienberührung zwischen dem Lager und dem Gehäuse hat eine
schlechte Wärmeübergabe zur Folge.
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- Ein guter Kompromiß zwischen der Selbsteinstellung und der Befestigung
gegen Verdrehung kann nur sehr schwer realisiert werden.
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- Im Falle einer zu eng tolerierten Befestigung ist eine Selbsteinstellung
nicht oder nur ungenügend möglich.
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- Das Anklopfen des Lagers zu seiner Einstellung löst Massenkräfte
aus, die die das Lager in seiner Lagerschale fixierenden Reibungskräfte leicht überwinden,
weil der Bewegungsreibungsfaktor kleiner ist als der Ruhereibungsfaktor. Die Lager
werden entsprechend der durch die Massenkräfte elastisch deformierten Achsform dejustiert;
nach dem Auftreten einer Achsdeformation wäre bereits eine andere Einstellung des
Lagers erforderlich.
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- Die beim Anklopfen des Lagers wirkenden dynamischen Kräfte können
eine bleibende Deformation der Achse verursachen.
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- Die Selbsteinstellung folgt den sich von den Maßabweichungen und
elastischen Deformationen ergebenden veränderlichen Kräften verursachten Bewegungen
nicht, so daß sich der Reibungsverlust bzw. das Moment verändern.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Nachteile der bekannten
Gleitlager zu vermeiden und durch ein leicht herstellbares und relativ große Toleranzen
aufweisendesKonstruktionselement eine entsprechende Selbsteinstellung des Lagers
zu gewährleisten, wobei das die Selbsteinstellung hervorrufende Moment wesentlich
kleiner ist als die das Lager gegen eine Verdrehung fixierende Kraft.
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Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 gekennzeichnete Erfindung
gelöst.
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Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, das Lager über ein elastisches
Trägerelement mit dem Motorschild zu verbinden, wobei das elastische Trägerelement
gegen die durch die Selbsteinstellung verursachten Kräfte einen kleinen elastischen
Widerstand,
aber gegen die das Lager um seine Achse drehenden Kräfte einen sehr hohen Widerstand
ausübt.
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Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind z.B. Tragbügel
als Befestigungselemente an dem Lagerkörper vorgesehen, an denen das Trägerelement
befestigt ist.
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Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung sind die Arme des
Trägerelements direkt mit dem Lagerkörper verbunden.
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Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist das Motorschild
um das Lager und unterhalb des Trägerelements vertieft, wobei das Trägerelement
an der oberen Fläche des Motorschildes befestigt ist.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung besteht
das Trägerelement ausschließlich aus nicht radial verlaufenden Armen, die einerseits
an dem Motorschild und andererseits an dem Lager bzw. dem Lagerkörper befestigt
sind.
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Vorteilhafterweise ermöglicht das erfindungsgemäße Lager eine Selbsteinstellung
desselben Lagers gemäß der Bewegung der Achse und innerhalb eines vorbestimmten
und begrenzten Winkelausschlages. Daneben sind die Momente der maximalen Lagerkantendrücke
einige Größenordnungen kleiner als das Moment, das das Lager gegen eine Lagerverdrehung
sichert. Die erfindungsgemäße Lösung hat weiter den Vorteil, daß die nominale radiale
und mindestens eine gleichgroße nominale axiale Belastung des Lagers innerhalb der
Grenzen der elastischen Deformation des Trägerelements aufgenommen werden. Das Lager
überträgt die nicht betriebsmäßigen Beanspruchungen - innerhalb der elastischen
Deformation des Trägerelementes - auf die Trägerkonstruktion, wobei das Lager an
dem Motorschild anliegt.
Die Erfindung wird nachstehend anhand
von Ausführungsbeispielen näher erläutert. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen:
Fig. 1 das Lager mit einem einen Außenring und einen Innenring aufweisendenTrägerelement
im Schnitt, Fig. 2 das Lager nach Fig. 1 in Draufsicht, Fig. 3 das Lager mit einem
Tragarme aufweisenden Trägerelement im Schnitt, und Fig. 4 das Lager nach Fig. 3
in Draufsicht.
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Die Fig. 1 und 2 zeigen ein Lager 1, das aus einem eine zentrale Lagerbohrung
7 aufweisenden Lagerkörper 10 und einem Lagerbund 8 besteht. Das Lager 1 ist an
einem elastischen, aus Bronze bestehenden Trägerelement 2 durch Punktschweißungen
4 befestigt. Ein Innenring 12 des Trägerelements 2, der durch eine Punktschweißung
4 an dem Lagerbund 8 des Lagers 1 befestigt ist, ist über annähernd spirale Arme
13 mit einem Außenring 11 des Trägerelementes 2 verbunden. Der Außenring 11 ist
mittels einer Punktschweißung 4 an Ausprägungen 5, die aus der Oberfläche 9 eines
Motorschildes 3 ausgeprägt sind, befestigt. Auf diese Weise kann sich das elastische
Trägerelement 2 in seiner Ebene entsprechend dem Winkelausschlag des Lagers unverhindert
verwölben. Die axiale Nennbelastung wird durch das Trägerelement 2 aufgenommen und
auf das Motorschild 3 übertragen. Wenn die axiale Belastung den Nennwert überschreitet,
liegt die ganze Oberfläche des Trägerelements 2, die an dem Lagerbund 8 des Lagers
befestigt ist, an der Oberfläche 9 des Schildes 3 an, ohne daß das elastische Trägerelement
2 bleibend deformiert wird. Die radiale Nennbelastung wird ebenfalls von dem Trägerelement
2 elastisch
aufgenommen. Falls jedoch die radiale Belastung größer
ist als der Nennwert, liegt die zylindrische Außenoberfläche des Lagerkörpers 10
unter Wirkung dieser Kraft in der Bohrung 6 des Motorschildes 3 an, so daß die Belastung
innerhalb den Elastizitätsgrenzen des Trägerelements 2 aufgenommen wird.
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Fig. 3 und 4 zeigen eine andere mögliche Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Lagers. Bei dieser Ausführungsform besitzt das Lager 1 drei Tragbügel 16, die mit
Armen 15 verbunden sind. Die Arme 15 bilden das Trägerelement für den Lagerkörper
10, wobei die anderen Enden der Arme 15 durch Punktschweißung 4 an der Oberfläche
des Motorschildes 3 befestigt sind.
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Bei dieser Lösung ist auch das Motorschild 3 von der früheren Ausführungsform
dadurch abweichend ausgebildet, daß das Motorschild 3 keine ausragenden Teile aufweist,
sondern eine Vertiefung 14 im Bereich des Lagers besitzt. Das Lager und der Tragbügel
16 sind in dieser Vertiefung 14 angeordnet. Diese Ausführung des Lagers gewährleistet
ebenso wie die andere Ausführungsform durch ein Inanlagekommen der einschlägigen
Bauteile die Aufnahme der einen Nennwert überschreitenden axialen bzw. radialen
Belastungen, ohne daß sich das Trägerelement bleibend deformiert.
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Es ist ein wesentliches Merkmal des beschriebenen Lagers, daß es sowohl
bei axialen als auch radialen Belastungen formschlüssig an dem Motorschild anliegt,
wodurch die einen Nennwert fiberschreltenden Belastungen keine bleibenden Deformationen
in dem elastischen Trägerelement verursachen. Ein weiteres wesentliches Merkmal
der vorliegenden Ausgestaltung des Trägerelements ist es, daß die Befestigungsstellen
der Arme an dem Motorschild und an dem Lager nicht radial angeordnet sind.
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Dadurch wird nämlich gewährleistet, daß das Lager den Winkelausschlägen
der
Achse leicht folgt, eine Verdrehung des Lagers aber ausgeschlossen ist. Bei der
Ausbildung des Motorschildes ist zu beachten, daß einerseits ein Anschlag des Lagers
im Falle einer den Nennwert überschreitenden Belastung gewährleistet ist und andererseits
genügend Raum für die Selbsteinstellung des Lagers bei einem Winkelausschlag der
Achse zur Verfügung steht.
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Aus den obigen Darlegungen sind die folgenden weiteren wesentlichen
Vorteile des beschriebenen Gleitlagers ersichtlich: - Es ist eine geräuscharme Lagerung
mit hoher Laufgenauigkeit gewährleistet, da eine Selbsteinstellung des Lagers infolge
der elastischen Deformation oder eines eventuellen Grundfehlers (Ungeradheit) der
Achse während der Drehung der Achse erfolgt.
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- Es wird ein kontanter und minimaler Lagerkantendruck und eine ebenfalls
konstante und minimale Lagerreibung erzielt.
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- Eine unzulässige Verdrehung des Lagers ist ausgeschlossen.
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- Die Reibungswärme wird durch eine gute metallische Wärmeleitung
auf andere Konstruktionsteile übertragen, die die Wäre leicht abgeben können.
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- Das Lager besteht aus wenigen Bauelementen, welche mit relativ großen
geometrischen Toleranzen und damit einfach und billig hergestellt werden können.
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- Die Montage des Lagers erfordert weniger Aufwand an Arbeit als die
bekannten Kugellager und die Justierung entfällt.
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- Das Lager ist gegen Überlastungen unempfindlich; die einen Nennwert
überschreitenden Belastungen verursachen keine bleibenden Deformationen im Lager.