DE69403118T2

DE69403118T2 - Kugelgelenk für die Verbindung einer keramischen Rolle mit einem Lager

Info

Publication number: DE69403118T2
Application number: DE69403118T
Authority: DE
Inventors: David Gautier
Original assignee: Vesuvius France SA
Current assignee: Vesuvius France SA
Priority date: 1993-03-05
Filing date: 1994-03-01
Publication date: 1997-11-20
Anticipated expiration: 2014-03-02
Also published as: US5484371A; CN1065204C; EP0613840B1; CN1103236A; JPH06341427A; EP0613840A1; RU2143392C1; ES2104209T3; JP3491057B2; WO1994020394A1; KR100308410B1; RU94046123A; FR2702202A1; FR2702202B1; TW267212B; DE69403118D1; KR950701295A; BR9404289A

Description

Hinterarund der Erfindung

Die Erfindung betrifft im allgemeinen eine Walze, die auf Lagern angebracht ist und betrifft insbesondere ein Kugelgelenk zwischen einer Keramikwalze und den Lagern, mit dem örtlich begrenzte Spannungen aufgehoben werden, die dazu führen können, daß die Walze splittert.
Walzen, die Lasten, wie beispielsweise ein Metallband in einem Wärmebehandlungsofen, aufnehmen, in dem das Band bei relativ hoher Temperatur geglüht wird, sind bereits bekannt. Derartige Walzen bestehen aus einem Zylinder aus feuerfestem, keramischem Material. Eine Abschlußkappe ist an jedem Ende des Keramikzylinders befestigt. US-Patent 4,399,598 beschreibt eine Keramikwalze zum Transport von Glasscheiben durch eine Wärmebehandlungseinrichtung. Der Zylinder ist über Abschlußkappen, die mit Spiel an jedem Ende des Zylinders angebracht sind, drehbar an Lagern angebracht.Ein oder mehrere radial zusammendrückbare/r Spaltring/e aus Metall ist/sind in dem Zwischenräum zwischen dem Außendurchmesser des Zylinders und dem Innendurchmesser der Abschlußkappe angebracht. Eine Walze eines ähnlichen Typs ist darüber hinaus in US-Patent 4,404,011 offenbart. Sie besteht aus einem Zylinder aus feuerf estem Material, an dessen Enden Abschlußkappen aus Metall befestigt sind. Zwischen den Abschlußkappen und dem Zylinder besteht Spiel. Flache Blattfedern werden um den Umfang dieses Spiels herum angebracht.
Diese bekannten Systeme nach dem Stand der Technik ermöglichen es, die unterschiedliche Ausdehnung der Walze und der Abschlußkappen auszugleichen, wenn die Walze Wärme ausgesetzt ist. Bei der Erwärmung dehnt sich der Zylinder aus feuerfestem Material praktisch gar nicht aus, während sich andererseits die Abschlußkappen aus Metall erheblich ausdehnen. Das Spiel zwischen dem Zylinder und den Abschlußkappen schwankt daher in Abhängigkeit von der Temperatur erheblich. Deshalb ist es notwendig, federnde Vorrichtungen in diesem Zwischenraum anzubringen, die verhindern, daß es zwischen den Abschlußkappen und der Walze über einen großen Temperaturbereich zu Spiel kommt
Diese Systeme nach dem Stand der Technik weisen jedoch den Nachteil auf, daß sie keine Koaxialität zwischen den Abschlußkappen und dem Zylinder unter Last qewährleisten. D.h., wenn der Zylinder eine Last aufnimmt, werden die federnden Vorrichtungen, seien es nun die Spaltringe, die im US-Patent 4,399,598 offenbart sind, oder die Blattfedern des US-Patentes 4,404,011, verformt, so daß die Abschlußkappen in bezug auf die Zylinderachse winklig verschoben werden und sich der Zylinder der Walze dadurch exzentrisch in bezug auf die Lager dreht.
Um diesen Nachteilen abzuhelfen, wurde eine Walze (EP-A-0 419 300) gemäß dem Einleitungsabschnitt von Anspruch 1 oder Anspruch 9 geschaffen, die eine Abschlußkappe mit einem konischen Gelenk aufweist, wie dies im US-Patent 5,096,051 dargestellt ist. Sie besteht aus einem Keramikzylinder, z.B. aus Kieselglas, an dessen Ende wenigstens eine Abschlußkappe angebracht ist. Die Verbindung zwischen dem Zylinder und der Abschlußkappe ist eine konische Verbindung. Der Zylinder kann massiv sein oder aus einer Hülse bestehen, durch die sich eine Metallwelle erstreckt. In letzterem Fall sind die Abschlußkappen auf der Metallwelle angebracht, wobei wenigstens eine der Abschlußkappen federnd (beispielsweise mit Spiralfedern) an ein Ende der Hülse gedrückt wird.
Eine Walze dieses Typs schafft Abhilfe hinsichtlich der mit dem Stand der Technik einhergehenden Nachteile und gewährleistet Koaxialität des Zylinders und der Abschlußkappen unter Last. Diese Koaxialität wird auch dann nicht beeinträchtigt, wenn eine erhöhte Last auf die Walze wirkt. Denngch weist auch eine Vorrichtung dieses Typs eine Reihe von Mängeln auf. Theoretisch findet der Kontakt zwischen den Abschlußkappen und dem Zylinder (massiv oder hohl) an einer Kegelstumpffläche statt, d.h. an der konischen Kontaktfläche der Walzenenden auf den konischen Flächen der Abschlußkappen. In der Praxis jedoch findet, da die konischen Flächen des Zylinders und der Abschlußkappen aufgrund von Bearbeitungstoleranzen nicht vollständig komplementär sein können, der Kontakt nur an einem länglichen Bereich auf allen Seiten einer Kontakt-Erzeugenden statt. Dieser Kontaktbereich dreht sich bei der Drehung der Walze um den Umfang der Zylinder-Abschlußkappen-Grenzfläche. D.h., wenn sich die Walze dreht, bewegt der Kontakt zwischen den Abschlußkappen und den Enden des Zylinders über den gesamten Umf angsrand der Grenzfläche weiter. Die Metallwelle wird unter Last verformt. Dadurch wird der Kontaktbereich, der aufgrund von Bearbeitungstoleranzen bereits auf einen länglichen Bereich entlang der Erzeugenden verringert ist, in einen Bereich der Punktlagerung verwandelt. Der Kontaktdruck zwischen den Abschlußkappen und der Walze nimmt dann erheblich zu, bis er den zulässigen Grenzwert für das den Zylinder bildende keramische Material überschreitet. Dies führt zum Splittern und/oder zur Rißbildung des keramischen Materials.
Das Dokument 2 203 199 offenbart ein Laufrad, das auf zwei Kugellagern angebracht ist. Es weist zwei Lagerungsauflagen mit einer kugelförmigen Außenfläche auf, so daß das Laufrad kugelgelenkartig um seine Achse bewegt werden kann.

Zusammenfassung der Erfindung

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in einer Walze, die auf nichteinschränkende Weise für den Einsatz in der Glasoder der Metallurgie-Industrie bestimmt ist, und mit der die Mängel des Standes der Technik überwunden werden.
Die Walze der Erfindung erhält trotz des zwangsläufigen Biegens der Welle unter Last eine ausreichende Kontaktfläche zwischen den Abschlußkappen und der zylindrischen Hülse (oder massiven Walze) aufrecht. Unter einer ausreichenden Kontaktfläche ist eine Fläche zu verstehen, die so groß ist, daß der Kontaktdruck zwischen den Materialien zu keinem Zeitpunkt einen zulässigen Grenzwert überschreitet. So wird Rißbildung des Materials, das die Hülse bildet, beispielsweise eines keramischen Materials, vermieden und damit wird die Lebensdauer der Einrichtung erheblich verlängert.
Diese Ziele werden mit einer Walze gemäß Anspruch 1 oder Anspruch 9 erreicht, wobei ein im wesentlichen kugelförmiges Gelenk an jedem Ende der Hülse zwischen der Lauffläche der Hülse und der Lauffläche jeder Abschlußkappe bzw. zwischen der Welle und den Abschlußkappen vorhanden ist, so daß Biegung der Hülse unter Last ermöglicht wird.
Aufgrund der kugelförmigen Grenzfläche des Kugelgelenks wird die Fläche des Kontaktbereiches zwischen der zylindrischen Hülse und den Abschlußkappen nicht verringert, wenn sich die Welle unter Last biegt. Desgleichen wird keine zusätzliche Biegelast auf die Walze ausgeübt.
Gemäß einer Ausführung ist die Hülse hohl, und eine Welle verläuft durch die Hülse hindurch, wobei eine Abschlußkappe fest auf der Welle angebracht ist, die andere Abschlußkappe verschiebbar auf der Welle angebracht ist und die Walze des weiteren eine federnde Einrichtung umfaßt, die die verschiebbare Abschlußkappe an die Lauffläche der Hülse drückt.
Gemäß einer weiteren Ausführung ist eine Abschlußkappe fest auf einer Welle angebracht, und die andere der Abschlußkappen ist verschiebbar auf einer Welle angebracht, wobei die Walze des weiteren eine federnde Einrichtung umfaßt, die die verschiebbare Abschlußkappe an die Lauffläche der Hülse drückt.
Das Kugelgelenk bzw. Universalgelenk kann zwischen den Enden der zylindrischen Hülse und den Abschlußkappen vorhanden sein. Bei einer zweiten Ausführung kann das Kugelgelenk zwischen der Welle, die durch die zylindrische Hülse hindurchverläuft, und einer oder beiden der Abschlußkappen vorhanden sein. Bei einer dritten Ausführung wird das Kugelgelenk hergestellt, indem ein Zwischenstück an einer beispielsweise konischen Lauffläche der Hülse zwischen der Hülse und den Abschlußkappen angebracht wird. Dieses Zwischenstück hat vorzugsweise eine geringe Breite und Dicke in bezug auf seinen Durchmesser. Andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden bei der Lektüre der folgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren ersichtlich.

Kurze Beschreibung der verschiedenen Zeichnungen

Fig. 1 ist eine teilweise weggeschnittene, schematische Darstellung einer bekannten Walze nach dem Stand der Technik;
Fig. 2 veranschaulicht den Kontaktbereich zwischen der Hülse und einer Abschlußkappe bei einer Walze des in Fig. 1 dargestellten Typs;
Fig. 3 ist eine teilweise weggeschnittene Ansicht einer ersten Ausführung einer Walze gemäß der Erfindung;
Fig. 4, 5 und 6 sind teilweise weggeschnittene Ansichten anderer Ausführungen der vorliegenden Erfindung;
Fig. 7 ist eine schematische Perspektivansicht, die den Kontaktbereich zwischen der Hülse und einer Abschlußkappe bei der Walze der Erfindung darstellt;
Fig. 8 ist eine teilweise weggeschnittene Ansicht einer weiteren Ausführung, bei der das Kugelgelenk sich zwischen der Abschlußkappe und der Welle befindet, und
Fig. 9 stellt eine weitere Ausführung der Erfindung dar, bei der die zylindrische Hülse massiv ist.

Ausführliche Beschreibung der bevorzugten Ausführung

Bezugszeichen 1 bezeichnet in Fig. 1 eine Welle. Sie verläuft durch eine im allgemeinen zylindrische Hülse 2 aus feuerfestem Material, beispielsweise einem keramischen Material, hindurch. Eine Abschlußkappe, die beispielsweise aus Metall 3 besteht, ist an einem Ende der Hülse 2 angebracht. Eine zweite Abschlußkappe 4 ist am anderen Ende der Hülse 2 angebracht. Bei dieser Walze nach dem Stand der Technik ist die Abschlußkappe 3 auf der Welle befestigt. Die Abschlußkappe 4 ist verschiebbar auf der Welle 1 angebracht, und eine Spiralfeder 5 drückt sie an die Hülse 2 (in Fig. 1 sind die Hülse und die beiden Abschlußkappen voneinander beabstandet dargestellt, so daß die Einzelteile besser sichtbar sind). Die Hülse 2 weist eine Kegelstumpffläche 6 an jedem ihrer Enden auf, wobei die Abschlußkappen 3 und 4 eine Kegelstumpff läche 7 aufweisen, deren Kegelwinkel dem der Fläche 6 entspricht. Der Kegelwinkel ist vorzugsweise relativ groß, um die Erscheinung zu verhindern, daß der Außenkonus (der Hülse) in dem Innenkonus (der Abschlußkappen 3 und 4) steckenbleibt oder blockiert. Dieser Winkel hängt von den Reibungskoeffizienten der vorhandenen Materialien ab. So kann es beispielsweise bei einer Stahl/Kieselglas-Grenzfläche ein Winkel von ungefähr 70º sein.
Diese Walze weist die obenerwähnten Nachteile auf, d.h., der Kontaktbereich zwischen jeder der Abschlußkappen 3 und 4 und der Hülse 2 wird nahezu auf einen Punktbereich verringert, wenn sich die Welle 1 unter Last biegt.
Der Kontaktflächenbereich zwischen der Hülse (oder einer massiven Walze) und einer Abschlußkappe bei der in Fig. 1 dargestellten Walze nach dem Stand der Technik ist in Fig. 2 dargestellt. Es ist zu sehen, daß dieser Bereich 17 mit geringer Breite auf allen Seiten einer Erzeugenden der Kegelstumpffläche 6 der Hülse 2 verteilt ist. Das ist darauf zurückzuführen, daß der Durchmesser des Kegelstumpfteils der Hülse 2 notwendigerweise etwas kleiner ist als der Innendurchmesser der Abschlußkappen 3 und 4 (in Fig. 2 nicht dargestellt) und des weiteren darauf, daß die Abschlußkappe nur geringfügig verformt wird, da sie massiv ist. Es versteht sich, daß eine geringe Abweichung der Fluchtung der Abschlußkappe in Bezug auf die Walze die Fläche des Kontaktbereiches 17 auf einen Punktbere ich verringert.
Fig. 3 zeigt eine Walze gemäß der Erfindung, die es ermöglicht, die Mängel der Walze aufzuheben, die unter Bezugnahme auf Fig. 1 beschrieben wurden. Die mit 1 bis 7 numerierten Teile liegen in identischer Form vor. Die Abschlußkappen 3 und 4 sind jedoch abgewandelt und weisen kugelförmige Flächen 8 statt der Kegelstumpff lächen 7 auf. Hinzuweisen ist darüber hinaus auf das Vorhandensein eines Zwischenstücks 9, das sich zwischen der Hülse 2 und jeder der Abschlußkappen 3 und 4 befindet. Jedes der Zwischenstücke 9 hat die Form eines Bundes bzw. Rings. Die den Abschlußkappen 3 und 4 zugewandte Seite der Zwischenstücke weist eine kugelförmige Lauffläche mit dem gleichen Kugelradius wie die Flächen 8 der Abschlußkappen 3 und 4 auf. Die Seiten der Zwischenstücke 9, die der Hülse 2 zugewandt sind, haben eine kegelstumpfförmige Lauffläche mit der gleichen Konizität wie die Flächen 6 der Hülse 2. Die Mittelpunkte der Kugelgelenke sind beabstandet, um eine genaue Position der Achse der Walze zu bestimmen.
Wenn sich die Welle 1 unter Last biegt, wird die Fläche des Kontaktbereiches zwischen den Zwischenstücken 9 und der kugelförmigen Lauffläche 8 der Abschlußkappen 3 und 4 verschoben, so daß die Größe der Kontaktbereichsfläche konstant bleibt.
Fig. 4 bis 6 stellen andere Ausführungen der Erfindung dar. In Fig. 4 ist kein Zwischenstück 9 zwischen den Abschlußkappen und der Hülse vorhanden. Eine kugelförmige Lauffläche 11 ist direkt auf der Hülse 2 ausgebildet. In Fig. 5 ist ein Zwischenstück 12 vorhanden, bei dem die Kegelstumpff läche und die kugelförmige Fläche gegenüber dem Zwischenstück 9 umgekehrt sind. Seine Kegelstumpffläche ist den Abschlußkappen 3 und 4 zugewandt, während die kugelförmige Fläche der Hülse 2 zugewandt ist.
Die Zwischenstücke 9 und 12 haben eine geringe Breite und Dikke in bezug aufihre Durchmesser. Dadurch kann die Ausrichtung des Kontaktbereiches leicht verändert werden. Da das Zwischenstück eine geringe Breite hat, kann es leicht elastisch verformt werden und paßt sich so an den Umriß des Endes der Hülse an. Das Zwischenstück 9, 12 besteht vorzugsweise aus einem Material mit einem guten Metall-/Metall-Reibungskoeffizienten, z.B. Kupfer.
Fig. 7 zeigt den Lauff lächenbereich (bzw. Kontaktbereich) 19 der Hülse 2 (oder einer massiven Walze) an einer Abschlußkappe bei einer Walze gemäß der Erfindung, insbesondere für den Fall des Einsatzes eines Zwischenstücks, wie beispielsweise der Zwischenstücke 9, 12. Bereich 19 ist an einem Bogen eines geraden Abschnitts des kegelstumpfförmigen Teils 6 der Hülse 2 entlang über eine Ebene senkrecht zur Längsachse der Walze verteilt. Dieser Kreisbogen wird durch einen Winkel α gebildet, der an der Drehachse der zylindrischen Hülse seinen Ausgangspunkt hat. Der Wert des Winkels α hängt von der Flexibilität des Zwischenstücks 9, 12 ab. Wenn die Breite und die Dicke eines derartigen Zwischenstücks relativ gering sind, wird es unter Last verformt und paßt sich an die Form der Hülse an einem Kreisbogen entlang an, der sich über einen Winkel α erstreckt. Es wird vorausgesetzt, daß bei einer Schwankung der Fluchtung zwischen der Abschlußkappe und der Hülse die Fläche des Kontaktbereiches 19 nur geringfügig verringert wird. Wenn sich der Kontaktbereich nicht verringert, wenn sich die Welle 1 unter Last biegt, wie dies bei dem Stand der Technik der Fall ist, ist es nicht mehr erforderlich, die Dicke der Hülse überzudimensionieren, um Punktkontaktspannungen auszugleichen. Dadurch läßt sich das Gewicht der letzteren verringern.
Aufgrund der Verringerung der Dicke der Hülse 2 kann die Auflagefläche 10 der Abschlußkappen 3, 4 auf der Welle 1 leicht auf beiden Seiten der Angriffsebene der Last verteilt werden, die auf die Abschlußkappen 3, 4 wirkt, d.h. das Gewicht der Hülse 2 selbst zuzüglich der durch letztere transportierten Last. Der Blockier- bzw. Klemmeffekt, der beim Stand der Technik aufgrund unsicherer Auflage entstand, wird so vermieden.
Fig. 8 zeigt eine weitere Ausführung, bei der das Kugelgelenk nicht zwischen der Hülse und der Abschlußkappe besteht, sondem zwischen der Abschlußkappe und der Welle 1. Zu diesem Zweck ist ein Ring 20 auf der Welle 1 angebracht. Er hat eine kugelförmige Fläche 22. Der Mittelpunkt der Kugel befindet sich auf der Längsachse 24 der Welle 1. Die Abschlußkappe 4 kann sich so um den Mittelpunkt 0 drehen und bildet ein Kugelgelenk.
Fig. 6 zeigt eine Abwandlung der Erfindung, bei der das Kugelgelenk durch eine kugelformige Fläche 15 gebildet wird, die auf der Hülse ausgeformt ist und auf einer Kegelstumpffläche 16 der Abschlußkappe aufliegt.
Fig. 9 zeigt eine abschließende Ausführung, bei der die Hülse 2 massiv und nicht hohl ist. Daher verläuft keine Welle wie die in Fig. 1 bis 8 dargestellte Welle durch sie hindurch. Statt dessen ist jede Abschlußkappe 3, 4 auf einer Welle 1a, 1b angebracht. Die Abschlußkappe 3 ist fest auf der Welle 1a angebracht. Die Abschlußkappe 4 ist verschiebbar auf der Welle 1b angebracht. Sie wird von Feder 5 unter Druck mit der Hülse 2 in Kontakt gebracht.

Claims

1. Walze, die aus einer länglichen Hülse (2) aus feuerfestem Material besteht und drehbar angebracht werden kann, wobei die Hülse (2) zwei Stirnseiten aufweist, eine Lauffläche (6, 11, 15) an jeder Stimseite der Hülse (2) ausgebildet ist; einer Abschlußkappe (3, 4), die an jedem Ende der Stimseite der Hülse (2) angebracht ist, wobei jede Abschlußkappe (3, 4) eine Lauffläche (8, 16) aufweist, die eine Lauffläche (6, 11, 15) der Hülse (2) aufnimmt, wobei diese Abschlußkappen (3, 4) aus einem Material mit einem höheren Ausdehnungskoeffizienten als das feuerfeste Material der Hülse (2) bestehen, dadurch gekennzeichnet, daß eine im wesentlichen kugelförmige Übergangsstelle an jeder Stimseite der Hülse (2) zwischen der Lauffläche (6, 11, 15) der Hülse und der Lauffläche (18, 16) jeder Abschlußkappe (3, 4) vorhanden ist, die Biegung der Hülse (2) unter Last ermöglicht.

2. Walze nach Anspruch 1, wobei die Hülse (2) hohl ist und eine Welle (1) durch die Hülse (2) hindurch verläuft, eine Abschlußkappe (3) fest auf der Welle (1) angebracht ist, die andere Abschlußkappe (4) verschiebbar auf der Welle (2) abgebracht ist, wobei die Walze des weiteren eine federnde Einrichtung (5) umfaßt, die die verschiebbare Abschlußkappe (4) an die Lauffläche (6, 11, 15) der Hülse (2) drückt.

3. Walze nach Anspruch 1, wobei eine Abschlußkappe (3) fest auf einer Welle (1a) angebracht ist, und die andere (4) der Abschlußkappen verschiebbar auf einer Welle (1b) angebracht ist, wobei die Walze des weiteren eine federnde Einrichtung (5) umfaßt, die die verschiebbare Abschlußkappe (4) an die Lauffläche (6, 11, 15) der Hülse (2) drückt.

4. Walze nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei wenigstens eine kugelförmige Übergangsstelle ein Zwischenstück (9, 12) enthält, das an einer Lauffläche der Hülse (10, 11) angebracht ist und zwischen der Hülse (2) und einer Abschlußkappe (3, 4) angeordnet ist.

5. Walze nach Anspruch 4, wobei das wenigstens eine Zwischenstück (12) eine kugelförmige Fläche aufweist, die von einer Lauffläche (11) der Hülse (2) getragen wird.

6. Walze nach Anspruch 4, wobei das wenigstens eine Zwischenstück (9) eine kugelförmige Fläche hat, die von einer kugelförmigen Lauffläche (8) einer Abschlußkappe getragen wird.

7. Walze nach einem der Ansprüche 4 - 6, wobei das wenigstens eine Zwischenstück (9, 12) aus Kupfer besteht.

8. Walze nach einem der Ansprüche 4 - 7, wobei das wenigstens eine Zwischenstück (9, 12) ein Ring oder Bund mit geringer Breite und Dicke in bezug auf den Durchmesser ist.

9. Walze, die aus einer länglichen hohlen Hülse (2) aus feuerfestem Material besteht und drehbar angebracht werden kann, wobei die Hülse (2) zwei Stirnseiten aufweist, eine Lauffläche (6, 11, 15) an jeder Stimseite der Hülse (2) ausgebildet ist; einer Welle, die durch die Hülse (2) hindurchverläuft; einer Abschlußkappe (3, 4), die an jedem Ende der Stirnseiten der Hülse (2) angebracht ist, wobei jede Abschlußkappe (3, 4) eine Lauffläche (8, 16) aufweist, die die Lauffläche (6, 11, 15) der Hülse (2) aufnimmt, wobei diese Abschlußkappen (3, 4) aus einem Material mit einem höheren Ausdehnungskoeffizienten als das feuerfeste Material der Hülse (2) bestehen; eine Abschlußkappe (3) fest auf der Welle (1) angebracht ist, die andere Abschlußkappe (4) verschiebbar auf der Welle (2) angebracht ist, wobei die Walze des weiteren eine federnde Einrichtung (5) umfaßt, die die verschiebbare Abschlußkappe (4) an die Lauffläche (6, 11, 15) der Hülse (2) drückt, dadurch gekennzeichnet, daß eine im wesentlichen kugelförmige übergangsstelle an jeder Stinrseite der Hülse (2) zwischen der Welle und den Abschlußkappen (3, 4) vorhanden ist, die Biegung der Hülse (2) unter Last ermöglicht.