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Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein
Kreuzrollenlager mit zwei zueinander konzentrischen Ringen,
die jeweils zwei Rollenlaufbahnen aufweisen, die
zueinander im wesentlichen rechtwinklig angeordnet sind, und
mit einer Reihe gekreuzt angeordneter Rollen, die jeweils
zwischen zwei einander gegenüberliegenden Laufbahnen der
Ringe laufen.
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Eine der Eigenschaften dieses Lagertypes ist, daß er
zugleich axiale und radiale Lasten wie auch Kippmomente
tragen kann. Diese Fähigkeit, kombinierte Lasten tragen
zu können, führt dazu, daß dieser Lagertyp viele
Anwendungen hat, insbesondere bei Lagern oder Drehkränzen.
Diese Lager, die häufig große Abmessungen aufweisen (bis
zu mehreren Metern Durchmesser), sind direkt an den
Maschinenstrukturen befestigt, nämlich ein Ring auf dem
festen Rahmen und der andere an dem beweglichen Teil der
Maschine. Die Lagerringe weisen im allgemeinen darüber
hinaus Befestigungslöcher auf und einer der Ringe kann
bspw. eine Zähnung aufweisen, die zum drehenden Antreiben
des beweglichen Teiles der Maschine dient.
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Die großen Abmessungen der Struktur der Maschinen,
die Schwierigkeiten bei der Bearbeitung und daß die
Bearbeitungen zuweilen am Installationsort der Maschine
vorgenommen werden, führen dazu, daß die Anlageflächen,
auf denen die Lager befestigt werden, geometrische Fehler
hinsichtlich der Ebenheit oder der Kegelgestalt
aufweisen. Darüber hinaus deformieren sich diese Strukturen
unter der Wirkung der einwirkenden Lasten. Die auf den
Aufbauten befestigten Lagerringe erleiden die gleichen
Deformationen.
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Daraus resultiert ein Fluchtungsfehler, der die
Belastung der Rollen auf den Laufbahnen sowie die
Druckverteilung entlang der Mantellinie jeder Rolle ändert.
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Ein Expose, das die Folgen der ungleichen
Druckverteilung bei zylindrischen Rollen (Erhöhung der
Hertz'schen Pressung an den Rollenenden, Beschleunigung
der Metallermüdung, Verminderung der Lebensdauer der
Rollen) und die schon empfohlenen Mittel, um dem
abzuhelfen, betrifft, bilden den Gegenstand eines Artikels von
M. BURKHARD VON BREDOW, der mit "Micro-géométrie
optimisée dans les roulements rouleaux cylindriques modernes"
(Optimierte Mikrogeometrie bei modernen
Zylinderrollenlagern), erschienen in der Zeitschrift "La Technique
Moderne" (Moderne Technik), Mai-Juni 1987, Seiten 63 bis
67.
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Aber trotz des Fortschrittes, den die
unterschiedlichen, in diesem Artikel vorgestellten Lösungen zur
Verbesserung der Verteilung der Spannungen der zylindrischen
Rollen mit sich bringen, die mit einer zylindrischen
Laufbahn in Berührung stehen (zylindrische Rollen mit
konischen oder bombierten Enden, etwas bombierte Rollen,
die auch als Rollen mit Tonnenprofil bezeichnet werden,
Rollen mit logarithmischem Profil), erlaubt es keiner der
Vorschläge, ein Kreuzrollenlager, das wesentliche
Fluchtungsfehler toleriert, zu realisieren, ohne daß es eine
schnelle Zerstörung des Lagers mit sich bringt.
Darüberhinaus ist anzumerken, daß in der US-PS 1 235 116
vorgeschlagen worden ist, den tragenden Flächen der Rollen
und/oder den Laufbahnen eines Kreuzrollenlagers eine
schwache konvexe Bombierung zu geben ("minute crowning"),
mit dem Ziel, die übermäßigen Drücke an den Enden der
Rollen zu verbessern. Eine solche konvexe Profilierung
der Rollen und/oder der Laufbahnen ermöglicht jedoch kein
Kreuzrollenlager, das wesentliche Fluchtungsfehler
verkraftet.
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In der französischen Patentschrift 2 137 171 ist
eine Stelle zu finden, derzufolge es bei einem Drehkranz
mit Kreuzrollen möglich wäre, Rollen mit einem von der
Zylinderform abweichenden Profil, bspw. einem konischen
oder einem Tonnenprotil, zu verwenden.
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Schließlich ist in der FR-A-1 229 564 vorgeschlagen,
bei Kreuzrollenlagern mit konischen oder
kegelstumpfförmigen Rollen, um die Gefahr der trockenen Reibung der
Enden mit großem Durchmesser der Rollen auf den
Laufbahnen und der Zerstörung des Lagers infolge eines Risses
des Schmierfilmes durch die Wirkung eines zu stark
erhöhten spezifischen Druckes auszuschalten, die Enden der
Rollen konvex zu bombieren, um die Berührungsfläche der
Enden dieser Rollen mit den Laufbahnen zu vergrößern. Es
handelt sich hier um eine Lösung, die einem spezifischen
Problem bei Lagern mit konischen oder kegelstumpfförmigen
gekreuzten Rollen geschuldet ist, jedoch gibt es keinen
Rückschluß auf die Fehlausrichtungsprobleme, die bei
Lagern mit gekreuzten Rollen im wesentlichen
zylindrischer Form angetroffen werden.
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Erfindungsgemäß ist ein Lager mit gekreuzten Rollen
im wesentlichen zylindrischer Form vorgesehen, das
größere Fluchtungsfehler zuläßt als bekannte Lager dieses
Types, ohne eine Veränderung der Berührungsbedingungen
zwischen den Rollen und den Laufbahnen hervorzurufen, die
zu einer schnellen Zerstörung des Lagers führende
Spannungen nach sich ziehen.
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Erfindungsgemäß ist u.a. ein Lager mit gekreuzten,
im wesentlichen zylindrischen Rollen mit einer
selbstzentrierenden
Wirkung der Rollen auf den Laufbahnen derart
geschaffen, daß die Berührung der Endflächen der Rollen
mit den Laufbahnen verhindert oder wenigstens reduziert
ist.
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Bei dem erfindungsgemäßen Lager mit gekreuzten, im
wesentlichen zylindrischen Rollen, das zwei konzentrische
Ringe aufweist, die jeder mit Laufbahnen versehen sind,
die zueinander im wesentlichen rechtwinklig stehen, und
bei dem eine Reihe gekreuzter Rollen jeweils zwischen
zwei einander gegenüberliegenden Laufbahnen der Ringe
laufen, weist die Lauffläche jeder Rolle ein konvexes
Profil in Kreisbogenform mit einem Krümmungsradius auf,
der größer ist als der Rollendurchmesser und der geringer
ist als der Teilkreisdurchmesser des Lagers, wobei jede
Lauffläche jedes Ringes ein konkaves Profil in
Kreisbogenform mit einem Krümmungsradius aufweist, der im
wesentlichen gleich dem der Rollen ist.
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Es sei hier angemerkt, daß die komplementäre,
kreisbogenförmige, folglich sphärische Profilierung sowohl der
Rollen als auch der Laufbahnen des Lagers bei einem
Kreuzrollenlager, d.h. bei einem Lager, das zugleich
axiale als auch radiale Kräfte überträgt, in keiner
Beziehung mit der komplementären, sphärischen
Profilierung von Rollen und Laufbahnen bei Rollenlagern oder
Axial-Pendelrollenlagern steht. Tatsächlich ist bei
Rollenlagern oder Axial-Pendelrollenlagern die Krümmung
der Rollen und der äußeren Laufbahnen auf die Lagerachse
zentriert, d.h. daß der Krümmungsradius so groß ist wie
oder etwas größer ist als der Teilkreisdurchmesser. Im
Gegensatz dazu ist bei dem erfindungsgemäßen Lager der
Krümmungsradius der Rollen und der Laufbahnen kleiner und
vorzugsweise deutlich kleiner als der
Teilkreisdurchmesser.
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Es wird auf die beigefügten schematischen
Zeichnungen Bezug genommen und nachfolgend ein
veranschaulichendes,
jedoch nicht beschränkendes Ausführungsbeispiel
eines erfindungsgemäßen Lagers detailliert beschrieben;
wobei in den Zeichnungen:
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Die Fig. 1 ein Axialschnitt eines erfindungsgemäßen
Lagers ist;
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die Fig. 2 eine partielle Schnittdarstellung gem.
Fig. 1 in einem vergrößerten Maßstab ist;
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die Fig. 3 eine Rolle des erfindungsgemäßen Lagers
veranschaulicht;
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die Fig. 4 eine partielle Schnittdarstellung ist,
die das Profil der Laufflächen der beiden Ringe des
erfindungsgemäßen Lagers zeigt;
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die Fig. 5 eine Explosionsdarstellung ist, die
mehrere Rollen und mehrere Zwischenstücke des
erfindungsgemäßen Lagers zeigt;
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die Fig. 6 eine partielle Schnittdarstellung ist,
die die selbstzentrierende Wirkung der Rollen auf den
Laufbahnen veranschaulicht.
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Wie in den Zeichnungen dargestellt ist, weist das
erfindungsgemäße Lager einen Innenring 1, einen Außenring
2, der den Innenring 1 konzentrisch umgibt, und eine
Reihe gekreuzter Rollen 3 auf. Es sei angemerkt, daß das
Lager, das insbesondere ein Drehkranz großen Durchmessers
sein kann, ohne die Mittel zur Befestigung der beiden
Ringe 1 und 2 an Maschinenelementen dargestellt ist, weil
diese Mittel, die bspw. durch Durchgangslöcher für
Schrauben gebildet sind, gut bekannt sind und nicht den
Gegenstand der Erfindung bilden.
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In Fig. 2 ist zu erkennen, daß die Reihe der Rollen
3, Rollen 3a, deren Drehachsen mit 4a bezeichnet sind,
sowie Rollen 3b enthält, deren Achsen mit 4b bezeichnet
sind, wobei die Achsen 4a rechtwinklig zu den Achsen 4b
stehen. Die Achsen 4a und 4b schließen hier mit der
Lagerachse einen Winkel von 45º ein, jedoch kann dieser
Winkel davon abweichen.
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Wie insbesondere aus Fig. 3 hervorgeht, weist jede
Rolle 3 eine Lauffläche 5 mit einem konvexen,
kreisbogenförmigen Profil mit einem Krümmungsradius R5 auf, wobei
die sphärische Lauffläche 5 sich an jedem Ende in einer
Rundung 6 an eine der beiden Stirnflächen 7 der Rolle
anschließt. Jede Stirnfläche 7 weist einen planen
mittigen Abschnitt 8 auf, der über einen äußeren Abschnitt
mit einem Radius R9 zu der Rundung 6 zurückkehrt, wobei
der plane Abschnitt sogar auf Null reduziert sein kann.
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Wie insbesondere Fig. 4 zeigt, trägt der Innenring
auf seiner Außenfläche zwei Laufbahnen 10 und 11
rechtwinklig zueinander, wobei an der Stelle, wo sich die
beiden Laufbahnen 10 und 11 treffen, in dem Ring 1 eine
Hohlkehle 12 angeordnet ist. Jede Laufbahn 10, 11 weist
ein kreisbogenförmiges Profil mit einem Krümmungsradius
R10, R11 auf, der im wesentlichen gleich dem
Krümmungsradius R5 der Rolle 3 ist.
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In entsprechender Weise trägt der Außenring 2 an
seiner Innenfläche zwei zueinander rechtwinklige
Laufbahnen 13 und 14, die miteinander über eine Hohlkehle 15
verbunden sind und jeweils ein kreisbogenförmiges,
konkaves Profil mit einem Krümmungsradius R13, R14
aufweisen, die im wesentlichen den Krümmungsradien R10 und R11
der Laufbahnen 10 und 11 des Ringes 1 entsprechen.
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Wie es aus den Fig. 2 und 3 hervorgeht, ist die
Länge 1 jeder Rolle 3 etwas kleiner als der
Maximaldurchmesser d der Rolle, derart, daß, wenn die Rollen 3
zwischen den Bahnen 10, 11, 13, 14 der beiden Ringe 1 und 2
an ihrem Platz befindlich sind, deren Laufflächen 5 mit
den einander gegenüberliegenden beiden Laufbahnen 10 und
11 oder 13 und 14 der beiden Ringe 1 und 2 in Berührung
stehen, während deren Stirnflächen 7 normalerweise nicht
in Berührung mit den zwei anderen Laufflächen stehen. Daß
die Stirnflächen der Rollen die Ringe nicht berühren,
wird durch die Freistiche, die von den Hohlkehlen 12 und
15 gebildet sind, noch gefördert.
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Die Rundungen 9 der Stirnflächen 7 der Rollen 3
führen dazu, daß wenn die Stirnflächen 7 der Rollen 3 als
Folge einer Fehlausrichtung der beiden Ringe 1 und 2
dennoch alle Laufflächen der Ringe 1 und 2 berühen, die
Berührung nicht in einer reduzierten Zone sondern in
einer relativ ausgedehnten Zone stattfindet, was die
Gefahr des Klemmens oder Heißlaufens vermeidet.
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Nach Fig. 5 sind die kreuzweise angeordneten Rollen
3a, 3b mittels Zwischenstücken 16 aus Plastik, bspw.
Polyamid, geführt und gegeneinander auf Abstand gehalten,
daß sie gegenseitig nicht in Berührung kommen können, die
jedes zwei einander gegenüberliegende Vertiefungen 17a,
17b aufweisen, die im wesentlichen zylindrisch mit
zueinander rechtwinkligen Achsen ausgebildet sind. Um sich der
bombierten sphärischen Form der Laufflächen 5 der Rollen
3a, 3b anzupassen, weisen die Vertiefungen 17a, 17b ein
konkaves sphärisches Profil auf, das dem konvexen
sphärischen Profil der Lauffläche 5 der Rollen 3 angepaßt ist.
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Ein wichtiger Punkt im Sinne der Erfindung ist die
vernünftige Wahl des Krümmungsdurchmessers R5 der
Lauffläche 5 der Rollen 3 und R10, R11, R13, R14 der
Laufbahnen 10, 11, 13 und 14.
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Dieser Krümmungsdurchmesser, der größer ist als der
Durchmesser der Rollen und kleiner ist als der
Teilkreisdurchmesser der Rollen, kann im Sinne der Erfindung
vorteilhafterweise zwischen drei- und zehnmal und
vorzugsweise zwischen drei- und fünfmal so groß wie der
Rollendurchmesser festgelegt werden. Das spezielle Profil
der Rollen 3 und der Laufflächen 10, 11, 16 und 14 hat
nicht nur zum Ziel, im Falle der Fehlausrichtung der
beiden Ringe 1 und 2 unter der Wirkung äußerer Kräfte das
Auftreten übermäßiger Kräfte an den Enden der Laufflächen
der Rollen 3 zu vermeiden, sondern außerdem eine
selbstzentrierende Wirkung der Rollen 3 derart hervorzurufen,
daß die letzteren nicht die Tendenz haben, mit ihren
Stirnflächen 7 mit den Laufbahnen in Berührung zu kommen.
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Wie in der Fig. 6 dargestellt ist, hat, wenn die
gesamte Kraft F auf eine Rolle, bspw. die Rolle 3a im
Sinne der Achse 4a, ausgeübt wird, die letztere
tatsächlich wegen der sphärischen Form der Rolle und ihrer
Laufbahnen 11 und 13 Reaktionskräfte R an der Rolle im
entgegengesetzten Sinne zur Folge, was Berührungen der
Stirnflächen 7 der Rollen mit den anderen Laufbahnen 10
und 14 verhindert oder wenigstens beschränkt. Die
Reibungserscheinung der Endflächen der Rollen mit den
Laufbahnen sind dadurch unterdrückt oder wenigstens
reduziert, wodurch der Verschleiß des Lagers vermindert und
seine Lebensdauer wesentlich erhöht ist.