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Doppelreihiges Schrägwälzlager Vorliegende Erfindung bezieht sich
auf doppelreihige Wälzlager und insbesondere auf doppelreihige Schrägkugellager
und doppelreihige Kegelrollenlager. Die Objekte der Erfindung werden aus den folgenden
Betrachtungen ersichtlich: Unter Schrägwälzlagern sind dabei solche Lager zu verstehen,
bei denen die Rollachsen der jeweiligen Rollkörper Winkel zwischen o und go°, aber
nicht o oder 9o° selbst, mit der Lagerachse einschließen. Bei Kugellagern sei die
Rollachse einer Kugel diejenige Linie, die in der Ebene der Lagerachse durch den
Kugelschwerpunkt geht und rechtwinklig zii der normalen Symmetrieachse der Berührungsfläche
der Kugel mit der Laufbahn in dem nichttreibenden (meist stehenden) Lagerring ist.
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Es ist bekannt, daß eine Radiallast auf ein Wälzlager eine kleine
Annäherung der Lagerringe in der Aktionslinie der Radiallast produziert wegen der
elastischen Deformation der Lagerteile. Im Fall eines mit einer Radiallast W belasteten
einreihigen Wälzlagers ergibt dies auf den Rollkörper in der Aktionslinie der Radiallast
an der Stelle der größten Annäherung der Lagerringe eine Last von ungefähr
wobei z die Anzahl der Rollkörper im Lager ist, während der Rollkörper in der diametral
gegenüberliegenden 'Stelle im Lager und überhaupt die Rollkörper in der symmetrisch
gelegenen Lagerhälfte gar keine Last aufnehmen wegen der Entfernung der Lagerringe.
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Daher wird eine Radiallast auf ein Lager von weniger als der Hälfte
der Rollkörper auf einmal getragen, wobei, wie beschrieben, ein einziger Rollkörper
zu jeder
Zeit fast die Hälfte der Radiallast trägt, und im ganzen
besteht immer ein Unterschied zwischen den Belastungen des meist- und des mindestbelasteten
Rollkörpers von
Für den Fall eines Schrägkugellagers liefert eine Radiallast einen Unterschied zwischen
den axialen Komponenten t"," und t ",i" der Druckkräfte auf die meist- bzw.
mindestbelastete Kugel von
wobeia der mittlere Beriihrungswinkel des Schrägkugellagers ist.
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tlhnlich wird im Fall von Doppellagern, wo die Radiallast als gleichmäßig
auf beide Kugelkränze verteilt angenommen sei, eine Radiallast LV und die von ihr
verursachte Axialkraft W.tg a von weniger als der halben Zahl der Kugeln
getragen; der Unterschied zwischen den radialen Komponenten w,"" und u"";" der Druckkräfte
auf die meist- und mindestbelasteten Kugeln ist hier
und für die entsprechenden axialen Komponenten
Das bedeutet, daß der größte Teil der Rollkörper mit einer Radiallast überhaupt
nicht belastet ist, außer wenn das Doppellager auch eine Axiallast trägt, durch
welche aber trotzdem die Rollkörper in nur einem der Kränze belastet werden, während
die Rollkörper in dem anderen Kranz dadurch entlastet werden.
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Demzufolge sind in bekannten Schrägkugellagerkonstiuktionen zu jeder
Zeit nur einige Kugeln in einem relativ kleinen Bereich des Kranzumfangs wegen einer
äußeren Radiallast großen radialen und daher auch großen axialen Druckkräften unterworfen,
während im größten Teil des Kranzumfangs die Kugeln nur kleinen bzw. gar keinen
Druckkräften von den Laufrillen unterworfen sind. Dieses ist eine Hauptursache dafür,
daß die Kugeln jeweilig während ihres Kreislaufs eine für ihre Rollbewegung überflüssige
Rotation, verbunden mit Schwingungen aller Winkelgeschwindigkeiten der Kugel um
verschiedene Achsen durch ihren Schwerpunkt erhalten, was zu periodischen Stößen
der Kugeln gegen die Laufbahnen und den Käfig führt, zu übermäßigem Rutschen der
Kugeln auf den Rillenoberflächen usw. Diese schädlichen Wirkungen, die mit steigender
Geschwindigkeit stärker werden, bringen vorzeitige Ermüdungserscheinungen des Metalls
hervor und begrenzen auf diese «'eise die Lebensdauer und Höchstgeschwindigkeiten
von Kugellagern beträchtlich. Bei Kegelrollenlagern gibt es analog Schränkungsschwingungen
der Rollen, die gleichfalls durch das Produzieren von vorzeitiger Ermüdung des '.Metalls
zu Begrenzungen der Lebensdauer und Höchstgeschwindigkeiten herkömmlicher Lagerkonstruktionen
führen.
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Besonders für Lager, die nach des Erfinders Verhältnissen der Dimensionen
konstruiert sind, um die obenerwähnten schädlichen Vorgänge in herkömmlichen Lagern
vollkommen zu verhindern (s. die Veröffentlichung Ball- and Taper- Roller Bearings
im »Journal of the Royal Aeronautical Society-«, London, Nr. ,123, März 1946,
VW. 5o, S. 190 bis 236), können sich die großen Unterschiede in der
Belastung von Rollkörpern in verschiedenen Umfangspositionen fühlbar machen, da
die dort angegebenen Dimensionsverhältnisse, welche von der axialen Druckkraftkomponente
auf einen Rollkörper abhängig sind, auf einen Rollkörper in einigen Umfangspositionen
passen können, aber nicht notwendigerweise auf alle Positionen, was schädlich sein
kann.
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Nach den vorhergehenden Betrachtungen ist es Zweck der vorliegenden
Erfindung, doppelreihige Schrägwälzlagerzuliefern, inwelchenauch nur unter eineräußeren
Radiallast alle Wälzkörper praktisch in jeder Stellung ihrer Laufbahn mindestens
axial gerichteten Druckkräften ausgesetzt sind, wodurch alle Rollkörper unter der
Kontrolle der Laufbahnen laufen. Dadurch werden die obenerwähnten schädlichenWirkungen
herabgesetzt und die Anwendung der von dem Erfinder erwähnten Dimensionsverhältnisse
zur vollkommenen Verhinderung der schädlichen Vorgänge erleichtert.
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Um dieses zu erreichen, sieht diese Erfindung doppelreihige Schrägwälzlager
vor, in welchen zwei in Richtung der Lagerachse voneinander entfernte Kränze von
Rollkörpern zwischen einem treibenden und einem nichttreibenden Lagerring liegen,
gekennzeichnet dadurch, daß der eine Lagerring auf einer Seite der Mittelebene der
beiden Ebenen, die j Eweilig die Schwerpunkte der Rollkörper eines der Kränze enthalten,
die innere Laufbahn für den einen Rollkörperkranz und auf der anderen Seite dieser
Symmetrieebene die äußere Laufbahn für den zweiten Rollkörperkranz hat, während
der zweite Lagerring auf der erstgenannten Seite dieser Symmetrieebene die äußere
Laufbahn für den ersten Rollkörperkranz und auf der anderen Seite dieser Symmetrieebene
die innere Laufbahn für den zweiten Rollkörperkranz hat, und dadurch gekennzeichnet,
daß einer der beiden Lagerringe so montiert ist, daß er in mindestens einer Ebene,
die die Lagerachse enthält, drehbar ist.
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Weiterhin können in diesen Schrägwälzlagern die Laufbahnen so gemacht
sein, daß die Kegel um die Lagerachse, von denen je einer von den Symmetrieachsen
der Berührungsflächen zwischen einer Laufbahn und den Rollkörpern gebildet wird,
für alle Laufbahnen des Lagers mit ihren Spitzen in dieselbe Richtung zeigen, oder,
anders ausgedrückt, können die Laufbahnen so gemacht sein, daß die beiden Kegel
um die Lagerachse, von denen je einer von den Rollachsen der Rollkörper eines Kranzes
gebildet wird, mit ihren Spitzen in dieselbe Richturig zeigen.
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Ausführungsbeispiele doppelreihiger Schrägwälzlager nach der Erfindung
werden im folgenden mit Bezugnahme auf die diagrammatischen Zeichnungen beschrieben.
Von den Figuren zeigt Fig. z ein doppelreihiges Schr@igku gclla ger,
Fig.2
eine halbe Ansicht eines ähnlichen Lagers, nur mit bezüglich Fig. i umgekehrter
Anordnung der Lagerringe, und Fig.3 ein doppelreihiges Kegelrollenlager.
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Wie in Fig. i gezeigt, rotiert die Welle ii zwischen den feststehenden
Gehäuseteilen 12 und 13. Auf der Welle ii ist der Lagerring 14 montiert, während
der nichtrotierende Lagerring 15 einen Teil eines Kugelgelenks mit der Gleitfläche
16 bildet und in den feststehenden Gehäuseteilen 12 und 13 sitzt.
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Der rotierende Lagerring 14 hat zwei Laufbahnen 17 und 18, die sich
nach entgegengesetzten Richtungen öffnen, wovon die Laufbahn 17 die innere Laufbahn
für den Kugelkranz ig und die Laufbahn 18 die äußere Laufbahn für den anderen Kugelkranz
20 ist.
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Der nichtrotierende Lagerring 15, der einen U- Querschnitt
hat, hat einander gegenüberliegende Laufbahnen 21 und 22, wovon die Laufbahn 21
die äußere Bahn für den Kugelkranz ig ist und die Laufbahn 22 die innere Bahn für
den anderen Kugelkranz 20.
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In dem in Fig. 2 gezeigten Beispiel sind die Lagerringe mit Bezugnahme
auf Fig. i umgekehrt angeordnet, nämlich der Lagerring 25 von U-Querschnitt ist
auf die Welle ii montiert und der nichtrotierende Ring 26 bildet einen Teil eines
Kugelgelenks mit der Gleitfläche 16. Die Laufbahnen 27 und 28 des rotierenden Ringes
25 dienen als äußere bzw. innere Laufbahn der Kugelkränze 29 und 30, während die
Laufbahnen 31 und 32 auf dem nichtrotierenden Kugelring 26 als innere bzw. als äußere
Laufbahn dieser Kugelkränze 29 und 3o dienen.
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In beiden Beispielen sind die Kugeln in beiden Kränzen einander genau
gegenüber angeordnet gezeigt, wie z. B. in Fig. i vier Kugeln in der Ebene der Zeichnung
gezeigt sind, was durch einen entsprechend beschaffenen Käfig für die Kugeln erreicht
werden mag. Wie die Zeichnungen zeigen, sind, im Gegensatz zu herkömmlichen Doppelschrägkugellagern,
in welchen ein Ring die äußeren Laufbahnen für beide Kugelkränze und der zweite
Lagerring die inneren Laufbahnen für beide Kugelkränze bildet, hier auf jedem der
Ringe jeweilig die äußere Laufbahn für einen Kugelkranz und die innere Laufbahn
für den zweiten Kugelkranz gebildet.
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Das bewirkt, daß, im Gegensatz zu den herkömmlichen Doppelkugellagern,
bei welchen die Stellen, in welchen die Kugeln beider Kränze durch eine Radiallast
am meisten belastet werden, d. h. die Stellen der größten Annäherung der beiden
Laufbahnen, nebeneinander liegen, hier die Stellen, an welchen die Kugeln beider
Kränze durch eine Ridiallast am meisten belastet werden, einander diagonal gegenüberliegen,
wie z. B. in dem auf Fig. i gezeigten Beispiel es unter einer Radiallast
IV für die linke untere und rechte obere Stelle der Kugeln der Fall ist.
Die Wirkung hiervon im Zusammenhang mit der drehbaren Lagerung des nichttreibenden
Lagerrings in Ebenen, die die Lagerachse enthalten, mit Bezug auf die Erreichung
des Erfindungszwecks, wird noch im folgenden beschrieben.
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Wie Fig. i zeigt, zeigen die von den Symmetrieacbsen der Berührungsflächen
der Kugeln beider Kränze mit den Laufbahnen gebildeten Kegelmäntel um die Lagerachse
in dieselbe Richtung (s. die vier eng gestrichelten, von solchen Berührungsflächen
ausgehenden Linien in Fig. i), wie es auch für die beiden Kegel, von denen je einer
von den Rollachsen der Kugeln eines Kranzes gebildet wird, der Fall ist.
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Dabei schließen die Symmetrieachsen der Berührungsflächen der Kugeln
mit den inneren, der Lagerachse näher liegenden Laufbahnen, mit den Normalebenen
zur Lagerachse die Winkel a, ein, während die entsprechenden Symmetrieachsen der
Berührungsflächen der Kugeln mit den äußeren Laufbahnen die entsprechenden Winkel
a2 bilden, wo der im allgemeinen sehr kleine Unterschied der Winkel durch die auf
eine Kugel wirkende Zentrifugalkraft Cf verursacht wird, wie es aus den -in Fig.
i gezeigten Kräftedreiecken für eine Kugel unter einer Radialbelastung
die von der Radiallast W auf das Lager hervorgerufen wird, ersichtlich ist. Da die
beiläufigen normalen Symmetrieachsen der Berührungsflächen der in einem der Ringe
gebildeten inneren bzw. äußeren Laufbahnen mit in derselben Ebene liegenden Kugeln
fast parallel sind, d. h. sich nur um den kleinen Winkel (a, - a2) unterscheiden,
so wirken die resultierenden Druckkräfte, die zwei gegenüberliegende Kugeln der
beiden Kränze auf diese beiden Laufbahnen desselben Ringes ausüben, fast in genau
entgegengesetzten Richtungen, d. h. die Richtungen der Druckkräfte, die diese Kugeln
auf den Ring ausüben, unterscheiden sich um (i8o° - [a, - a2]).
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Die Wirkung von erfindungsgemäßen Kugellagerkonstruktionen wird aus
folgender Erklärung hervorgehen, die sich auf Fig. i bezieht Wenn die Achse i i
eine, wie angedeutet, nach unten wirkende Radiallast W trägt, dann wird jeder der
beiden Kugelkränze die Hälfte dieser Radiallast, nämlich
tragen. In der gezeigten Konstruktion wird diese Radiallast
in dem linken Kugelkranz hauptsächlich von den Kugeln in der unteren Hälfte des
Kranzes getragen (die meistbelastete Kugel ist dabei die unterste, an der Stelle
der größten Annäherung der inneren und äußeren Laufbahnen, und in dem rechten Kugelkranz
wird die Radiallast W hauptsächlich von den Kugeln in der oberen Hälfte des Lagers
getragen, wobei die meistbelastete Kugel die oberste ist, die in diesem Kugelkranz
an der Stelle der größten Annäherung der inneren und äußeren Laufbahn ist.
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Entsprechend dieser Art Belastung durch die Radiallasten entstehen
in den beiden Kränzen jeweilig resultierende Axialkräfte wo die für den linken
Kugelkranz ig in der
unteren Hälfte des Kugelkranzes, etwa an der angedeuteten Stelle, nach außen wirkt
und die für den rechten Kugelkranz 20 in dessen oberer Hälfte, wie angedeutet, entgegengesetzt
nach außen wirkt. Mit Bezug auf den äußeren Lagerring 15, auf den diese resultierenden
Axialkräfte wirken, bilden
diese ein Kräftepaar, welches diesen
äußeren Lagerring 15 für das gezeigte Beispiel im Uhrzeigersinn drehen will.
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Da dieser Ring nun als Teil eines Kugelgelenkes mit der Gleitfläche
16 montiert ist und somit in der Ebene dieses Kräftepaares drehbar wäre, verursacht
dieses Kräftepaar der resultierenden Axialkräfte
ein entgegengesetzt gleich großes Kräftepaar von axialenReaktionskräften
(s. die gestrichelten Pfeile), welche axialen Reaktionskräfte in den Hälften der
Kugelkränze wirken, die nicht direkt von den äußeren Radiallasten
auf die beiden Kränze belastet werden, d. h. in der linken oberen und rechten unteren
Hälfte der- Kugelkränze i9 und 20. Mit anderen Worten, es werden in dieser Konstruktion
resultierende axiale Reaktionskräfte von der Größe
auf diejenigen Kugeln der beiden Kränze ausgeübt, die in einem herkömmlichen Doppelkugellager
durch eine Radiallast überhaupt nicht belastet werden würden. Nachdem nun schon
für jeden Kugelkranz eine resultierende Axialkraft
wie gezeigt, wirkt, sind insgesamt fast alle Kugeln in jeder Reihe mindestens einer
Axialdruckkraft unterworfen.
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Wie ersichtlich, gilt dieses nur mit Bezug auf Konstruktionen von
Doppelschrägkugellagern, für welche der mittlere Berührungswinkel a jedes der Kugelkränze,
d. h., wie schon definiert, der mittlere Winkel a zwischen den Rollachsen der Kugeln
und der Lagerachse, 45° % a % 9o° ist, und wo weiterhin das Doppelschrägkugellager
einer solchen Gesamtbelastung, bestehend aus Radiallast U' und Axiallast T, unterworfen
ist, daß W tg a T ist. Wenn nämlich diese letztere Bedingung nicht eingehalten würde,
dann wäre der Kugelkranz, der durch die äußere Axiallast 7' nicht belastet wird,
wieder unbelastet, und ein Teil d<r Kugeln des Lagers würde keiner durch die
Radiallast verursachten Belastung unterworfen sein. Diese letztere Bedingung mit
Bezug auf die erforderliche äußere Last auf ein erfindungsgemäßes Doppclschrägkugellager
muß aber nicht eingehalten werden, wenn das Lager schon bei seiner Zusammensetzung
oder bei seinem Einbau einem entsprechenden beiderseitigen Axialdruck unteiworfem
wird.
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Insgesamt ergibt sich nun, daß für erfindungsgem,?ß; Doppelschrägkugellager
zwischen den Kugeln in fast allen Umfangsstellen und je einer Laufbahn durch die
Wirkung einer äußeren Radiallast Axialkräfte wirken, wodurch die Kugeln, jede an
ihrer augenblicklichen Stelle, ihre elastischen Einbuchtungen in die Laufbahnen
machen. Daher wird, mit Ausnahme derjenigen Einbuchtungen in die Laufbahnen, die
augenblicklich in der Ebene durch die Lagerachse und normal zu der äußeren Radiallast
liegen mögen, eine jede dieser Einbuchtungen, die eine Kugel auf einer Laufbahn
des nichttreibenden Ringes macht, mindestens mit einer Seitenstelle diese Kugel
gegen die Wirkung der Radiallast unterstützen, oder, mit anderen Worten, es wird
in jeder solchen Einbuchtung eine Kraftkomponente wirken, die gegen eine Verschiebung
der die Einbuchtung verursachenden Kugel in Richtung' der Radiallast wirkt. Weiterhin
wird eine jede Kugel, mit Ausnahme derer, die augenblicklich in der Ebene durch
die Lagerachse und normal zu der äußeren Radiallast liegen mögen, durch die entsprechenden
Einbuchtungen in die Laufbahnen des treibenden Lagerrings eine Kraftkomponente auf
den treibenden Lagerring, und zwar gegen die äußere Radiallast, die den treibenden
Lagerring in ihrer Aktionsrichtung verschieben will, ausüben.
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Somit wird im Gegensatz zu herkömmlichen Schrägkugellagern (doppel-
(,der einreihig), in welchen nur ungefähr die Hälfte der Kugeln am Tragen einer
Radiallast teilnimmt, in erfindungsgemäßen Doppel= schrägkugellagern die Zahl der
am Tragen einer Radiallast beteiligten Kugeln in je einem Kranz zwischen Z, der
Gesamtzahl der Kugeln in einem Kranz, und (Z-2) Kugeln schwanken, je nachdem ob
augenblicklich keine oder eine oder zwei Kugeln in der Ebene durch die Lagerachse
und normal zu der Radiallast gelegen sind.
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Auf diese Weise nehmen in erfindungsgemäßen Doppelschrägkugellagern
fast alle Kugeln am Tragen einer Radiallast teil, und alle Kugeln eines jeden Kranzes
sind axialen Druckkräften unterworfen. Daher können genaue Dimensionsverhältnisse,
nach denen ein solches Lager konstruiert werden mag, für jede Kugel in jeder Stellung
im Lager gelten.
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Wie schon festgestellt, gilt dieses, außer wenn ein Lager schon bei
der Zusammensetzung oder beim Einbau eine axiale Vorbelastung erhalten hat, nur
für Fälle, in denen die Gesamtbelastung des Lagers so ist, daß die Radiallast 1l'
und die Axiallast T der Begrenzung W tg a j T entsprechen.
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In dem in Fig. 3 gezeigten Beispiel einer erfindungsgemäßen Konstruktion
eines Doppelkegelrollenlagers läuft die Welle 33 zwischen den festen Gehäuseteilen
42 und 43, welche je eine kugelmantelförmige Gleitfläche 44 haben, worin der Lagerring
34, der als Teil eines Kugelgelenks mit seinem :Mittelpunkt auf der Lagerachse ausgebildet
ist, sitzt. Der zweite Lagerring 35 ist auf der Welle 33 montiert. Der Lagerring
34 hat einander gegeniibei-liegende Laufbahnen 36 und 37, wovon die Laufbahn 36
als äußere Bahn für den Kegelrollenkranz 38 und die Bahn 37 als innere Laufbahn
für den Kegelrollenkranz 39 dient. Der Lagerring 35 hat gleichfalls einander gegenüberliegende
Laufbahnen 40 und 41, w(.von die Balin 4o als innere Laufbahn für den ersterwähnten
R,)llenkranz 38 und die Bahn 41 als äußere Laufbahn für den zweiten Rollenkranz
39 dient.
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Das ist im Gegensatz zu Doppelkegelrollenlagern, in welchen ein Ring
beide äußeren Laufbahnen und der andere Ring beide inneren Laufbahnen hat.
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Wie ersichtlich, zeigen die Kegel um die Lagerachse, von denen je
einer von den Symmetrieachsen der Berührungsflächen zwischen einer Laufbahn und
den Kegelrollen gebildet wird, für alle Laufbahnen des Lagers in dieselbe Richtung,
wie es auch der Fall ist für die beiden Kegel, von denen je einer von den Rollachsen
der Kegelrollen eines Kranzes gebildet wird.
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In einem solchen Doppelkegelrollenlager sind, wie schon mit Bezug
auf Fig. i dargelegt, die Stellen, an
denen ein Rollkörper wegen
einer äußeren Radiallast auf das Lager am meisten belastet ist, in den beiden Kränzen
nicht nebeneinander, wie es in herkömmlichen Konstruktionen der Fall ist, sondern
einander diagonal gegenüber gelegen.
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Die Wirkungsweise dieses Beispiels wird analog zu der mit Bezug auf
Fig. i für Doppelschrägkugellager verständlich.
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Obzwar es in den Zeichnungen der Erfindungsbeispiele nicht gezeigt
ist, können die Montierungen der Lagerringe, die in mindestens einer der durch die
Lagerachse gehenden Ebenen drehbar sind, so sein, daß jede Drehung um die Lagerachse
dieser Ringe relativ zu ihrem Sitz verhindert wird.
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Weiterhin sind in den diagrammatischen Zeichnungen der Beispiele die
Lagerringe jeweils als aus einem Stück geformt dargestellt, während natürlich in
Konstruktionen, wie in Fig. i gezeigt, der Lagerring 15 beispielsweise aus
zwei oder noch mehr Teilringen zusammengesetzt sein kann, die dann beim Zusammenbau
des Lagers auf passende Weise aneinander befestigt werden. Bei dieser Gelegenheit
kann dem Lager auch die erwähnte axiale Vorbelastung gegeben werden oder beispielsweise
durch Schrauben oder andere Befestigungsmethoden ein Lager geschaffen werden, welches
eine einstellbare Vorbelastung hat.
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Bei dem in Fig. 2 gezeigten Beispiel sei dementsprechend der Lagerring
25 zwei- oder mehrteilig ausgebildet gedacht und im Beispiel von Fig. 3 der Lagerring
35. Es könnten selbstverständlich auch beide Lagerringe zwei- oder mehrteilig ausgebildet
sein.