DE3607479A1

DE3607479A1 - Kugellager mit laufbahn-rille fuer geradlinige bewegung

Info

Publication number: DE3607479A1
Application number: DE19863607479
Authority: DE
Inventors: Tatsuo Mottate
Original assignee: Nippon Thompson Co Ltd
Current assignee: Nippon Thompson Co Ltd
Priority date: 1985-06-12
Filing date: 1986-03-07
Publication date: 1986-12-18
Also published as: DE3645216C2; US4664535A; JPS6244130B2; DE3607479C2; JPS61286608A

Description

DipI.-lng.H.-J. LSppert _{4 März 1986}

Patentanwälte L/Sti .

Frankenforstar Straße 137
5060 Bergisch Gladbach i

Nippon Thompson Co. ,Ltd. Minato-kti, Tokyo / Japan

"Kugellager mit Laufbahn-Rille für geradlinige Bewegung"

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Kugellager mit einer Laufbahn-Rille für eine geradlinige Bewegung und besonders auf eine Form einer Laufbahn-Rille des Types, welcher den RoI1-Widerstand durch Bewahren von Härte klein halten kann.

Die Form der Laufbahn-Rille von einer solchen Art der Lagerung wird hauptsächlich in eine kreisbogenförmige Rille und eine gotisch-bogenförmige Rille aufgeteilt. Diese zwei Laufbahn-Rillenformen haben einen Vorteil und einen Nachteil in den Zeiträumen der Leistungsanforderung an das Lager derart, daß sie individuell in Abhängigkeit von den dann gegebenen Bedingungen angewendet werden. Im allgemeinen, wenn zwei elastische Glieder I und II miteinander in Berührung kommen, haben sie zwei Gruppen von Kurven [=l/radiusl (pl-j, pl₂) und (ρΙΙ·ρ pH,,), welche im Berührungs-

QQ punkt senkrecht zu jeder anderen stehen. Gemäß der Hertz'schen Theorie ist im übrigen die Form der zusammengepreßten Berührungsoberfläche eine Ellipse, und wenn angenommen wird, daß die Länge der Hauptachse 2xa und die Länge der Nebenachse 2xb ist, können die Werte von a und b durch die folgenden Gleichungen ausgedrückt werden :

_Γ 3 χ P χ (9I₁ + OH₁) _(1/3)

a = _μ χ, ., J (I)

8 χ (Pl₁ + pl₂ + PlI₁ + ρΙΙ₂)

b =Vx

3 χ P χ

8 χ (Pl₁ + pig + PlI₁ + ρΙΙ₂)

(1/3)

(II)

wobei P eine Preß-Bel astung und ΘΙ und ΘΙΙ elastische Konstanten der elastischen Glieder I und II sind. Eine Anordnung eines Lagers ist stellvertretend für die Gleichungen (I) und (II) in Fig. 1 gezeigt.

Pi₁ = pi₂ = 2/Da PlI₁ = l/oo = 0

P^H2 = - 1/f Da

Wenn also ein Poi sson' sches Verhältnis l/m von 0,3 und ein Modulus der 2,12 χ 10⁶ kg/cm² mit

und ein Modulus der direkten Elastizität E von

ι 6 ι. _ / __2

θ = ΘΙΙ = 4 χ (m^z - 1) m² χ Ε = 1,72 χ ΙΟ⁶ angenommen wird, dann werden die Gleichungen (I) und (II) zu

„ Π.29 x P x Da x 10 ⁶η(1/3)

a - μ χ

_b _

4 - ( l. 29 χ P χ Da χ

10 ⁶ τ(Τ/3) ( _Iv)

L 4 - (1/f)

Die Werte von μ und V können mittels einer Umrech-

nungs-Tabelle aus dem Wert der Hi1fs-Variablen [= cos t = 1/(4 xf- 1)]] erhalten werden, μ ist proportional und V ist umgekehrt proportional zur Hi Ifs-Variablen .

Aus den obigen Gleichungen ist eine derartige Beziehung zwischen a, b und f hergestellt, daß mit einem

Zunehmen von f auch a und b ansteigen.

Wenn man die Situation der elastischen Berührung zwischen der Kugel und der Laufbahn-Rille auf der Grundlage einer solchen fundamentalen Elastizitäts-Theorie betrachtet, haben die Formen konventionelle Laufbahn-Rillen betreffend einen Nachteil derart, wie in Fig. 2 (zeigt ein Beispiel von kreisbogenförmigen Rillen) und Fig. 3 (zeigt ein Beispiel von Gotischbogenförmigen Rillen) gezeigt ist, wobei dort ein großer Unterschied zwischen d, und dp and dem Differential-Gleiten der Kugel oder etwas Vergleichbarem vorkommt, was den Unterschied in der Umfangsgeschwindigkeit (v, = 1/2 d,w, V₂ = 1/2 dpw) zwischen d₁ und

dp zuzuschreiben ist. Im allgemeinen bedingt diese Erscheinung kein Ansteigen des Gleit (RoI 1 )-Widerstandes, so daß kein ernsthaftes Problem geschaffen wird, weil unter vielen Anwendungsbedingungen ein Schmiermittel eingesetzt wird. Dennoch ist ein soleher Zunahmebetrag ungünstig unter den besonders strengen Bedingungen, die erforderlich sind für Antriebsteile von Meßinstrumenten, Lagerungen von Anzeigevorrichtungen und ähnlichem, wobei es notwendig ist, den Gleit-Widerstand so niedrig wie möglich zu halten.

f\ Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, die vorherigen Nachteile bei konventionellen Laufbahn-Rillen zu beseitigen und ein Kugellager mit Laufbahn- Rillen für eine geradlinige Bewegung anzugeben, bei welchem ein Kreisbogen der Laufbahn-Rille, die mit einer Kugel in Berührung kommt, so ausgebildet ist, daß er in Übereinstimmung mit den Belastungsbedingungen in einer schrittweisen Art abgeändert werden kann, wobei der Gleitwiderstand klein ist, sobald eine praktische Belastung (leichte Belastung oder schwere Belastung) angelegt wird.

Dieses Ziel wird erreicht durch ein Kugellager mit einer Laufbahn-Rille für eine geradlinige Bewegung, wobei einander gegenüberliegende Laufbahn-Rillen in beiden Seitenbereichen eines Laufbahn-Führungstei1 es und eines Gl eit-Bewegungstei1 es angeordnet sind, wobei das Gleit-Bewegungstei1 das Laufbahn-Führungsteil sandwich-artig einfaßt und geradlinig entlang dem Laufbahn-Führungsteil gleitbar angeordnet ist, und mit einer Anzahl von drehbar zwischen den betref-¹^ fenden einander gegenüberliegenden Laufbahn-Rillen eingesetztenKugeln.

l~) Das Kugellager mit der Laufbahn-Rille gemäß der vorliegenden Erfindung weist zumindest eines der folgen-¹^ den Merkmale auf:

(1) Jeder Berührungs-Bereich, in welchem die im Laufbahn-Führungsteil und im Gl eit-Bewegungsteil angeordneten Laufbahn-Rillen mit den Kugeln in Berührung kommen, wird aus wenigstens zwei oder mehr Arten von Kreisbögen gebildet. Die Kugel kommt unter leichter Belastung mit einem einzigen Kreisbogen und unter schwerer Belastung mit der Mehrzahl von Kreisbögen in Berührung.

(2) Unter den in der Laufbahn-Rille angeordneten Kreisbögen ist wenigstens der Kreisbogen mit einem geringfügig größerem Radius als der Radius der Kugel an einem Ort nahe des Berührungs-Zentrums mit der Kugel angeordnet und die Kreisbögen, die größer als der Kreisbogen nahe des Berührungs-Zentrums sind, sind an anderen Orten als nahe dem Bereich des Berührungs-Zentrums angeordnet.

(3) Unter den in der Laufbahn-Rille angeordneten

* Kreisbögen ist wenigstens der große Kreisbogen an einem Ort nahe dem Berührungs-Zentrum mit der Kugel angeordnet und die Kreisbögen, die kleiner als der Kreisbogen nahe des Berührungs- Zentrums sind, sind an anderen Orten als nahe dem Bereich des Berührungs-Zentrums angeordnet.

Entsprechend der Laufbahn-Rille der vorliegenden Erfindung werden die Rillen (erste Laufbahn-Rille)

¹^ nahe dem Berührungs-Zentrum mit der Kugel und die Rillenbereiche (zweite oder dritte Laufbahn-Rillen-Bereiche), die anders als die erste Laufbahn-Rille sind, durch verschiedene Kreisbögen ausgebildet. Mit anderen Worten kommt der große Kreisbogen unter

!5 gewöhnlichen Anwendungsbedingungen mit der Kugel in Berührung, wobei beabsichtigt ist, den Einfluß des unterschiedlichen Gleitens oder des sich drehenden Gleitens der Kugel zu verhindern, dann wird das Anstiegs-Verhältnis der Berührungs-Breite unterdrückt, um den Unterschied zwischen R, und R_? zu verringern. Auf diese Weise ist es möglich, ein Lager anzugeben,, bei welchem der Gl eit-Widerstand klein ist und die Verminderung der Standfestigkeit nicht durch andere Bedingungen verursacht wird.

Die Herstellungstechnologie zur Ausbildung einer Mehrzahl von Kreisbögen in der Laufbahn-Rille ist nicht so schwierig. Deshalb ist es einfach und kostengünstig möglich, ein Kugellager für eine geradlinige Bewegung mit einem geringen Gleit-Widerstand auszustatten.

Die obigen und weiteren Ziele, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden besser anhand der folgenden ausführlichen Beschreibung in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen offenbart.

Figur 1 zeigt unter Berücksichtigung der

vorliegenden Erfindung ein Diagramm über den Zusammenhang zwischen der Anordnung eines Lagers und der

Hertz'schen Theorie,

Figur 2 zeigt ein Diagramm mit dem unterscheidenden Gleiten in einer kreisbogenförmigen Rille; IO

Figur 3 zeigt ein Diagramm mit dem unterscheidenden Gleiten in einer gotisch-bogenförmigen Rille;

¹^ Figur 4A bis 4E sind vergrößerte Diagramme von der

Kugel und der Laufbahn-Rille, die Ausführungsformen von der vorliegenden Erfindung veranschaulichen;

Figur 5 ist eine zum Teil aufgebrochen dargestellte perspektivische Ansicht eines Kugellagers für eine geradlinige Bewegung in Hinsicht auf die gotisch-bogenförmige Rille;

Figur 6A und 6B sind Diagramme, die ein Beispiel

eines Kugellagers für eine geradlinige Bewegung in Hinsicht auf die kreisbogenförmige Rille zeigen; und

Figur 7 ist eine graphische Darstellung,

die die Versuchsergebnisse betreffend der Laufbahn-Rille nach der Erfindung und eines konventionellen

Bei spiels zeigt. Hierunter nachfolgend werden Ausführungsformen

der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ausführlich beschrieben.

Figur 4A ist ein vergrößertes Diagramm von einer Kugel 1 und einer Laufbahn-Rille 2 und stellt die erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar. In Fig. 4A besteht die Laufbahn-Rille 2 aus einer ersten Laufbahn-Rille 2a an einem Ort nahe dem Berührungs-Zentrum C mit der Kugel 1 und einer zweiten Laufbahn-Rille 2b an einem anderen Ort als beim Zentrum C. Die erste Laufbahn-Rille 2-a wird durch einen Kreisbogen mit einem Radius R, gebildet, der kleiner als ein Radius R_? des Kreisbogens der zweiten Laufbahn-Rille 2b ist. Die Größe (Wert) von R₁

¹^ ist geringfügig größer als ein Radius R der Kugel 1 angesetzt. Unter einer leichten Belastung P kommt die Kugel 1 mit dem kleinen Kreisbogen der ersten Laufbahn-Rille 2a in Berührung. Unter einer starken Belastung P kommt die Kugel 1 mit dem kleinen Kreisbogen der ersten Laufbahn-Rille 2a und mit dem großen Kreisbogen der zweiten Laufbahn-Rille 2b an einem Ort außerhalb der Rille 2a zusammen in Berührung. Sobald die Berührung zwischen der Kugel 1 und dem großen Kreisbogen beginnt, verringert sich das Anstiegs-Verhältnis der Berührungsbreite Wq zwischen der Kugel 1 und der Laufbahn-Rille 2 zur Belastung P, so daß ein Anstieg des (unterscheidenden) Differential-Gleitens klein ist. W₁ ist die Breite der ersten Laufbahn-Rille 2a. Wie zuvor erwähnt, besteht eine Beziehung von R <* R₁ <£ R₂ unter den Radien der Kugel 1 und den kleinen und großen Kreisbögen. In diesem Beispiel sind die betreffenden Werte wie folgt:

Durchmesser D_a der Kugel 1 = 5,556 mm
R = D_a / 2 = 2,778 mm
R₁= 0,56 χ D_a = 3,11 mm

R₂= 0,70 x Da = 3,89 mm

θ = 6,6°

Der Wert von θ ist nicht auf 6,6° begrenzt. Zusätzlieh kann der Wert von f von 0,56 oder 0,70 innerhalb eines Hauptbereiches von etwa 0,5 bis 0,7 in Übereinstimmung mit den Anwendungsbedingungen festgelegt werden.

*^ Fig. 4B ist ein vergrößertes Diagramm der Kugel 1 und der Laufbahn-Rille 2, das die zweite. Ausführungsform der Erfindung zeigt. Wenn die erste Ausführungsform in Fig. 4A beabsichtigt, den Gl eit-Widerstand für eine angelegte schwere Belastung zu verringern, so beabsichtigt die zweite Ausführungsform in Fig. 4B den Gleit-Widerstand zu verringern, wenn eine leichte Belastung auferlegt wird. Praktisch gesprochen, wird die erste Laufbahn-Rille 2c der Laufbahn-Rille 2 durch einen großen Kreisbogen mit dem Radius R, gebildet und die zweite Laufbahn-Rille 2d wird durch einen Kreisbogen mit dem Radius R«, der kleiner als der der ersten Laufbahn-Rille 2c ist, gebildet. Bei solch einer Beschaffenheit ist der Kreisbogen der Laufbahn-Rille 2c an einem Ort nahe des Berührungs-Zentrums C mit der Kugel 1 groß ausgebildet, so daß das Anstiegs-Verhältnis der Berührungsbreite Wo zur Belastung P unter einer leichten Belastung gehemmt wird, wobei das Differential-Gleiten oder ähnliches vermindert wird. Hierbei besteht eine Beziehung von R < R_? <c R. unter den Radien der Kugel 1 und der Kreisbögen.

Fig. 4C veranschaulicht in gleicher Weise die dritte Ausführungsform gemäß der Erfindung. In den vorhergehenden ersten und zweiten Ausführungsformen der Figu ren 4A und 4B, wurden die zwei Arten der benachbarten Kreisbögen mit unterschiedlichen Radien von R,

und R₂ auf eine solche Weise gebildet, daß ihre Mittelpunkte auf der gleichen Geraden angeordnet sind, die durch jeden Grenzpunkt zwischen jenen beiden Kreisbögen derart verläuft, um eine Begrenzungslinie, die zwischen den Kreisbögen gebildet wird, zu verhindern.

Gemäß der dritten Ausführungsform der Fig. 4C sind jedoch die Mittelpunkte der Kreisbögen auf der Gera den angeordnet, die durch das Berührungs-Zentrum C

und den Mittelpunkt 0 der Kugel 1 verläuft. Daher

/""\ erscheint die Begrenzungslinie deutlich zwischen den

benachbarten Kreisbögen, die unterschiedliche Radien

von R, und R₂ aufweisen. Der konvexe (oder konkave)

Bereich, der dieser Begrenzungslinie entspricht, ist als Korrektur-Rille mit einer flachen oder bogenförmigen Oberfläche ohne eine Grenzlinie ausgebildet. •Die Breite CW der Korrektur-Rille ist vorzugsweise so schmal wie möglich anzusetzen. In Fig. 4C besteht die Beziehung von R^R^-iRg.

Fig. 4D zeigt die vierte Ausführungsform der Erfindung. In Fig. 4C ist der Kreisbogen nahe dem Berührungs-Zentrum C mit der Kugel 1 klein. Im Gegensatz dazu ist in Fig. 4D der Kreisbogen nahe dem Berührungs-Zentrum C groß. Hierbei ist die Beziehung nämlich R^Rp^cR-.. In Ergänzung dazu wird die Korrektur-Rille durch einen Kreisbogen mit einem Radius R₃ gebildet.

30

Fig. 4E zeigt die fünfte Ausführungsform der Erfindung, in welcher die Laufbahn-Rille 2 durch eine erste, eine zweite und eine dritte Laufbahn-Rille 2e, 2f,2g gebildet, die aus drei Arten von Kreisbögen mit den Radien R₁, R₂ und R₃ bestehen. Bei dem in Fig. 4E gezeigten Beispiel besteht die Beziehung von R, 4. R« < R₃, gleichwohl - kann eine entgegengesetz-

ORlGlNAL IMSPEGTED

te Beziehung von R₁>R₂">R₃ bestehen.

Fig. 5 veranschaulicht ein Beispiel eines Kugellagers für eine geradlinige Bewegung mit einer gotisch-bogenförmigen Rille, auf welche die Erfindung Anwendung findet. Wie in Fig. 3 dargestellt ist, hat diese Rille zwei Berührungspunkte in einer Laufbahn-Rille, so daß die Anzahl der Kreisbögen beispielsweise vier beträgt. In Fig. 5 bezeichnet die Bezugszif- fer 10 eine Laufbahn-Schiene; 12 ist ein Gleit-Gehäuse; 14 ein Schmiernippel; 16 eine Dr.uck-Ei nstel 1-schranke; 18 eine Trägerplatte; 20 ein Stahl-Kugel; 22 eine Seitenplatte; 24 ein Stahl kugel-Haiteband; und 26 ein Dichtungsglied.

Die Figuren 6A und 6B veranschaulichen ein Beispiel eines Kugellagers für eine geradlinige Bewegung mit einer kreisbogenförmigen Rille, auf welche die Erfindung Anwendung findet. 20

Wie in Fig. 2 dargestellt ist, hat diese Rille einen einzigen Berührungspunkt in einer Laufbahn-Rille, so daß die Anzahl der Kreisbögen beispielsweise zwei beträgt. In den Darstellungen bezeichnet die Bezugs ziffer 30 ein Laufbahn-Grundbauteil; 32 ist eine Hal tevorrichtung; 34 eine Reihe von Belastungs-Kugeln; 36 ein Seiten-Abdichtungsglied; 38 ein End-Abdichtungsglied; 40 eine Endplatte; 42 ein Lagergehäuse; und 42 ein Schmiernippel.

Fig. 1 ist eine. Darstellung, die die Beziehung zwischen der Anordnung eines Lagers gemäß der vorliegenden Erfindung und der Hertz'sehen Theorie veranschaulicht.

Fig. 2 ist eine Darstellung, die das Differential-Gleiten in einer kreisbogenförmigen Rille veranschau-

ORfGiNAL SiMSPECTED

licht. Der Unterschied der Berührungsabstände von d, und d_? tritt hinsichtlich des Zentrums M der Rotationsachse zwischen der Kugel 1 und der Laufbahn-Rille 2 auf, so daß das Different!al-Gl ei ten bedingt durch den Unterschied der Umfangsgeschwindigkeiten in Erscheinung tritt.

Fig. 3 ist eine Darstellung, die das Differential-Gleiten in einer gotisch-bogenförmigen Rille veran- schaulicht. Ähnlich wie in Fig. 2 ergibt sich ein Unterschied der Berührungsabstände von. d, und d_?, so daß das Different!al-Gl ei ten durch den Unterschied der Umfangsgeschwindigkeiten bedingt in Erscheinung tritt.

Fig. 7 ist eine graphische Darstellung, die die Versuchsergebnisse des Gleit-Widerstandes über der angelegten Belastung für ein erfindungsgemäßes Laaer und ein konventionelles Lager veranschaulicht. In diesem Versuch wurde ein Lager des in Fig. 5 dargestellten Typs verwendet. Aus dieser graphischen Darstellung kann ersehen werden, daß die vorliegende Erfindung den Effekt hat, daß dadurch der Gl eit-Widerstand um etwa 30% reduziert werden kann.

Die vorliegende Erfindung ist nicht auf Lager, wie sie in den Figuren 5 und 6A und 6B dargestellt sind, beschränkt, sondern kann auch angewendet werden auf verschiedene Arten von anderen ähnlichen Lagern, wie eine Kugel!ager-Leerlaufbuchse, ein Kugellager mit Kei1 verzahnung oder ähnlich vergleichbare.

Wie bereits zuvor beschrieben, hat die Laufbahn-Rille eines Kugellagers für eine geradlinige Bewegung gemäß der vorliegenden Erfindung die folgenden Effekte;

(1) Ein Kugellager für eine geradlinige Bewegung mit einem geringen Gleit-Widerstand kann geliefert werden in Übereinstimmung mit den Anforderungen, unter denen das Lager eingesetzt wird.

(2) Die entsprechenden Laufbahn-Rillen können nur aus einer Mehrzahl von Kreisbögen gebildet sein, so daß das Kugellager, auf welches die Erfindung Anwendung findet, leicht hergestellt werden kann.

(3) Die erfindungsgemäßen Laufbahn-Rillen können leicht bearbeitet werden, und andere Teile außer der Laufbahn-Rille sind unnötig, so daß das Kugellager, auf welches die Erfindung Anwendung findet, kostengünstig bzw. billig hergestellt werden kann.

Obwohl die vorliegende Erfindung anhand von bevorzugten Ausführungsformen gezeigt und beschrieben wurde, werden verschiedene Variationen und Abänderungen, die für einen Fachmann auf dem Gebiet, zu welchem die Erfindung gehört, naheliegend sind, so beurteilt, als liegen sie innerhalb des Geistes und der Reichweite der Erfindung.

Claims

DipL-lng. W. Dahlke 4. März 1986 Dipl.-lng.H.-J.Lippert L/sti. Patentanwälte Frankenforster Straße 137 Bergisch Gladbach 1 Nippon Thompson Co., Ltd. Hinato-ku, Tokyo / Japan Patentansprüche

1. Kugellager mit Laufbahn-Rille für eine geradlinige Bewegung, bestehend aus einem Laufbahn-Führungsteil und einem Gleit-Bewegungstei1, das so ausgebildet ist, daß es das Laufbahn-Führungsteil umfaßt; mit einander gegenüberliegenden, in beiden Seitenbereichen des Laufbahn-Führungsteils und des Gleit-Bewegungstei1s angeordneten Laufbahn-Rillen und mit einer Anzahl von drehbar zwischen den betreffenden einander gegenüberliegenden Laufbahn-Rillen eingesetzten Kugeln, wobei das Gleit-Bewegungstei1 geradlinig entlang dem Laufbahn-Führungsteil bewegbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Berührungsbereich der in dem Laufbahn-Führungsteil (10, 30) und in dem Gleit-Bewegungstei1 (12) angeordneten Laufbahn-Rillen (2) mit einer Kugel (1) wenigstens durch zwei oder mehrere Arten von Kreisbögen ausgebildet ist und daß die Kugel (1) unter einer leichten Belastung mit einem dieser Kreisbögen und unter einer starken Belastung mit der Mehrzahl dieser Kreisbögen in Berührung kommt.

2. Kugellager mit Laufbahn-Rille nach Anspruch I₉

dadurch gekennzeichnet,daß

unter den in der Laufbahn-Rille (2) angeordneten Kreisbögen wenigstens der dem Berührungs-Zentrum mit der Kugel (1) am nächsten zugeordnete Kreisbogen so ausgebildet ist, daß sein Radius geringfügig größer als der Radius der Kugel (!) ist, und daß die Kreisbögen an anderen Orten als nahe dem Bereich des Berührungs-Zentrums so ausgebildet sind, daß sie größere Radien als der Radius des Kreisbogens nahe dem Berührungs-Zentrum aufweisen.

3. Kugellager mit Laufbahn-Rille nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß unter den in der Laufbahn-Rille (2) angeordneten

Kreisbögen wenigstens der große Kreisbogen in 15

einem Bereich nahe des Berührungs-Zentrums mit der Kugel (1) angeordnet ist und daß die Kreisbögen, die kleiner als der Kreisbogen nahe des Berührungs-Zentrums sind, an anderen Orten

als nahe dem Bereich des Berührungs-Zentrums 20

angeordnet sind.