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Stossgesichertes Lager für Präzisionsapparate,
Messinstrumente u. dgl.
Gegenstand vorliegender Erfindung ist ein stossgesichertes Lager für Präzisionsapparate, Messinstru- mente u. dgl., in welchem ein federbelastetes Lagerelement mit einem Lagerstein nach allen Richtungen frei beweglich innerhalb eines Lagerkörpers angeordnet und normalerweise auf einer Sitzfläche des La- gerkörpers in einer zentrierten Lage federnd gehalten ist.
Diese Lager haben als Aufgabe, die Zapfen oder Spitzen der beweglichen Elemente (Räder, Zeiger,
Anker) der Präzisionsapparate und Messinstrumente, in welchen sie eingebaut sind, nicht nur vor Stössen, sondern auch vor Schwingungen bzw. Erschütterungen zu schützen. Die bis jetzt bekannten Lager dieser
Art sind jedoch zu wenig empfindlich. Das bewegliche Lagerelement, das im Lagerkörper unter Feder- druck steht, gibt erst dann nach, wenn die vom Zapfen ausgeübte Kraft relativ gross ist, und das Material des Zapfens über die Elastizitätsgrenze hinaus beansprucht wird. Besonders bei den Apparateelementen, die auf Spitzen gelagert sind, ist eine solche Beanspruchung nachteilig, indem sie sehr rasch eine Abstumpfung der Spitzen verursacht, die den Reibungswiderstand stark vergrössert und die Empfindlichkeit des gelagerten Elementes in Frage stellt.
Spitzenlager mit einem in einem Lagerkörper unter Federdruck gehaltenen beweglichen Element, das bereits bei sehr kleinen Kräften nachgibt, sind auch schon bekannt. Bei diesen empfindlichen Lagern ist jedoch das bewegliche Lagerelement im Lagerkörper derart geführt, dass es praktisch nur in axialer Richtung nachgeben kann. Bis jetzt ist es den Lagerherstellern nicht gelungen, ein Lager zu bauen, in welchem eine sehr schwache Feder eine ausreichende Wirkung auf das bewegliche Lagerelement ausübt, um dieses nach einem seitlichen Nachgeben in eine zentrierte Lage zurückzuführen.
Um die zentrierte Lage des beweglichen Lagerelementes zu sichern, hat man bis jetzt den Lagerkörper mit wenigstens zwei Fuhrungsflächen versehen, die aber eine derartige Reibung verursachen, dass eine schwache Feder das bewegliche Element nach einem Stoss nicht mehr in seine zentrierte Lage zurückführen kann.
Die vorliegende Erfindung bezweckt ein stossgesichertes Lager der genannten Gattung zu bauen, in welchem das bewegliche Lagerelement bereits unter dem Einfluss sehr kleiner Kräfte, die sowohl axial wie auch radial gerichtet sind, nachgibt. Dementsprechend ist im erfindungsgemässen Lager jede Reibung von metallischen Teilen aufeinander vermieden. Ferner berührt das bewegliche Lagerelement den Lagerkörper, sobald es sich nicht mehr in seiner zentrierten Lage befindet, höchstens in zwei Punkten. Das erfindungsgemässe Lager hat noch den Vorteil, dass es eine genaue Einstellung der Federkraft ermöglicht.
Dieses Lager ist dadurch gekennzeichnet, dass die Sitzfläche des Lagerkörpers auf dessen Achse mindestens annähernd senkrecht steht und das bewegliche Lagerelement in seiner in bezug auf den Lagerkörper zentrierten Lage unter der Wirkung einer unmittelbar auf dieses Lagerelement wirkenden, zum Lagerkörper koaxial stehenden Schraubenfeder ausschliesslich gegen die genannte Sitzfläche angedrückt wird und auf letzterer mit einer der Sitzfläche angepassten Fläche seines Steines aufsitzt, wobei der Lagerkörper eine an seine Sitzfläche anschliessende, an sich bekannte Zentrierungsfläche aufweist, deren Normale in jedem Punkt mit der Richtung der Federwirkung einen Winkel einschliesst, der grösser ist als der vom Reibungskoeffizienten zwischen dem Stein und dem Lagerkörper abhängende Reibungswinkel,
und die Schraubenfeder den Stein des Lagerelementes nach einem mindestens teilweise seitlichen Stoss ausschliesslich gegen die Sitz- und die Zentrierungsfläche des Lagerkörpers andrückt.
Fünf Ausführungsbeispiele des erfindungsgemässen Lagers sind in der beiliegenden Zeichnung darge-
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stellt.
Die Fig. l - 5 zeigen je einen Axialschnitt eines dieser Ausführungsbeispiele.
Das in Fig. 1 dargestellte Lager weist einen aus hartem Messing bestehenden Körper 1 auf. Im Bodenteil dieses Körpers 1 ist eine zylindrische Öffnung 2 ausgebohrt, durch welche ein Wellenteil in das Lager gelangen kann. Dieser Bodenteil des Lagerkörpers 1 dient zugleich als Anschlag für diese nicht dargestellte Welle. Letztere weist nämlich eine sich unterhalb der unteren Fläche des Lagerbodens befindliche Schulterfläche auf, so dass sie sich gegenüber dem Lager axial nur soweit bewegen kann, bis diese Schulterfläche auf die untere Fläche des Lagerbodens anstösst. Seitlich kann sich die Welle ebenfalls nur soweit bewegen, bis die Seitenfläche ihres sich in der Öffnung 2 befindlichen Teils an den Rand dieser Öffnung anstösst. Im Oberteil des Lagerkörpers 1 ist eine mit Schraubengewinde 3 versehene Ausnehmung koaxial zur Öffnung 2 ausgespart.
Ein mit einer zentralen Öffnung 5 versehener Deckel 4 ist in dieser Ausnehmung eingeschraubt. Die Arbeit der im Lagerkörper 1 untergebrachten Teile kann durch die Öffnung 5 verfolgt werden. An Stelle eines eingeschraubten Deckels könnte auch ein eingepresster Deckel verwendet werden.
Auf der Innenseite weist der Körper 1 eine ringförmige, ebene Sitzfläche 6 und eine nach oben geöffnete kegelstumpfförmige Zentrierungsfläche 7 auf. Die Öffnung 2 mündet in die Fläche 6, letztere schliesst an die Zentrierungsfläche 7 an. Die beiden Flächen 6 und 7 des Körpers l, mit welchem das im Lagerkörper beweglich angeordnete Element in einer weiter unten beschriebenen Weise in Berührung kommt, werden vorzugsweise auf einmal mit einem Diamantwerkzeug, das zwei Schneidkanten aufweist, verarbeitet. Ein solches Werkzeug ermöglicht bekannterweise die Herstellung von glanzpolierten Flächen, welche-die durch ein aus Hartmetall bestehendes Werkzeug verursachten Rillen nicht aufweisen.
Mit einem Diamantwerkzeug, das zwei Schneidkanten aufweist, ist es jedoch kaum möglich, eine ebene, senkrecht zur Lagerachse stehende Sitzfläche 6 herzustellen. Während seiner Arbeit wird das Werkzeug parallel zur Lagerachse geführt und wenn es mit einer vorderen, senkrecht zur Lagerachse stehenden Schneidkante versehen wäre, würde dieses Werkzeug schwingen und infolgedessen, mit dem Risiko, schartig zu werden, eine unregelmässige Fläche erzeugen. Mit einer leicht gebogenen oder gegenüber einer senkrecht zur Lagerachse stehenden Ebene geneigten Vorderschneidkante wird jedoch jede Schwingungserscheinung vermieden. Eine Neigung von einem bis zwei Grad genügt bereits zu diesem Zweck.
In diesem Falle wird die bearbeitete Sitzfläche 6 ebenfalls leicht konkav bzw. kegelstumpfförmig, wobei der Öffnungswinkel dieser kegelstumpfförmigen Fläche zwischen 175 und 1780 liegt.
Im Inneren des Lagerkörpers 1 befindet sich zunächst ein bewegliches Element, das im wesentlichen durch einen Stein 8 gebildet ist. Der Stein 8 weist eine zylindrische Seitenfläche 10 auf. Ein metallischer Ring 9 ist mit Haftsitz auf diese. Fläche 10 aufgepresst. Der Stein 8 weist ferner eine ebene untere Fläche 12 auf die normalerweise auf der Sitzfläche 6 liegt. Eine konische Ausnehmung 11 mit stumpfer Spitze ist in der unteren Fläche 12 des Steines 8 vorgesehen. Diese Ausnehmung 11 liegt hinter der Öffnung 2 des Lagerbodens, und sie dient zur Aufnahme der Spitze einer Welle. Die obere Fläche 13 des Steines 8 ist ebenfalls eben und kreisförmig. Sie könnte zwar auch gekrümmt, z. B. sphärisch oder leicht konisch sein.
Die untere Fläche 12 dieses Steines 8 könnte wie die Fläche 13 auch verschiedene Formen haben, jedoch innerhalb gewisser Grenzen. Damit die Achse des Steines 8 und diejenige des Körpers 1 parallel zueinander stehen, muss selbstverständlich die Form der Fläche 12 derjenigen der Sitzfläche 6 derart angepasst werden, dass jede Kippbewegung des Steines vermieden wird. Dieser Stein 8 liegt vorzugsweise mit seinem äusseren Randteil auf der Fläche 6.
Eine zylindrische Schraubenfeder 14 ist im Lagerkörper 1 zwischen dem Ring 9 und dem Deckel 4 mit leichter Vorspannung angeordnet. Diese Feder kann beispielsweise aus Phosphorbronze bestehen. Damit sie eine um den Stein möglichst regelmässig verteilte Wirkung ausübt, sind ihre beiden Endwindungen flach.
Wirkt nun auf die im beschriebenen Lager gelagerte Welle eine axial gerichtete Kraft, so bewegt sich der Stein 8 in Richtung des Deckels 4 und die Feder 14 führt ihn nach Verschwinden der genannten Wirkung in die ursprüngliche Lage wieder zurück. Hat diese äussere Wirkung eine radiale Komponente, so bewegt sich der Stein 8 seitlich, indem er gegebenenfalls längs der Zentrierungsfläche 7 gleitet. Nach einer solchen äusseren Wirkung kann sich das bewegliche Lagerelement zunächst in einer Lage befinden, in welcher seine untere äussere Kante teilweise auf der Zentrierungsfläche 7 und teilweise auf der Sitzflä- che 6 liegt. In dieser Stellung ist die Feder 14 nicht nur auf Druck, sondern auch auf Biegung beansprucht.
Dementsprechend übt sie auf denRing 9 nicht nur eine axial nach unten gerichtete, sondern ebenfalls eine gegen die Lagerachse hin gerichtete Rückstellkraft aus. Unter der Wirkung der Feder 14 gleitet der Stein 8 auf den Flächen 7 und 6, bis er sich in seiner ursprünglichen Lage wieder befindet. Zu diesem Zweck genügt es offensichtlich, dass die Flächennormale in jedem Punkt der Zentrierungsfläche 7 mit der
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Richtung der Federwirkung einen Winkel grösser als der vom Reibungskoeffizienten zwischen dem Stein und dem Lagerkörper abhängende Reibungswinkel einschliesst. Die Kante zwischen den Steinflächen 10 und 12 ist leicht abgerun'et, damit die Lagerkörperflächen 6 und 7 während diesen Bewegungen des Steines nicht geritzt werden.
Wirkt nun auf die im beschriebenen Lager gelagerte Welle ein radialer Stoss, so übermittelt die Spitze der Welle auf den Stein eine Kraft, die trotzdem eine axiale Komponente aufweist, da die Seitenflächen der Ausnehmung 11, mit welcher die Wellenspitze in Berührung steht, in bezug auf die Lagerachse schief liegt, und da die Wirkung der Wellenspitze auf den Stein senkrecht dieser schiefen
Seitenfläche steht. Unter diesen Umständen kann der Öffnungswinkel der Zentrierungsfläche 7 bedeutend kleiner gemacht werden, als bei Zapfenlagern, in welchen ein zylindrischer Zapfen in einem zylindrisch durchbohrten Stein liegt.
Wie Fig. 1 zu entnehmen ist, sind der Stein 8 und der Lagerkörper 1 aufeinander derart angepasst, dass der Stein ohne seitliches Spiel auf der Fläche 6 liegt. In Wirklichkeit ist es jedoch unmöglich, diese zwei Elemente so genau aufeinander anzupassen. Die Bearbeitungstoleranzen des Lagerkörpers in bezug auf den Stein 8 werden aber so gehalten, dass dieser Stein im zentrierten Zustand auf alle Fälle auf der Fläche 6 und nicht auf der Fläche 7 liegt. Praktische Versuche führten zum Schluss, dass das radiale Spiel des Steines 8 auf der Fläche 6 innerhalb der Fläche 7 kleiner als zwei Hundertstel Milimeter ist.
Im zweiten in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel besteht das bewegliche Lagerelement ausschliesslich aus einem Stein 15. Dieser Stein weist einen kleineren oberen und einen grösseren unteren zylindrischen Teil auf. Die sich zwischen beiden Teilen befindliche Schulter dient als Angriffsfläche für eine zylindrische Schraubenfeder 24. Diese Feder und alle übrigen Teile dieses Beispiels sind ähnlich ausgebildet und haben ähnliche Wirkungen, wie die entsprechenden Elemente des ersten Ausführungsbeispiels.
Im dritten Ausführungsbeispiel (Fig. 3) besteht das Lagerelement aus einem ersten, zylindrischen Stein 17, dessen untere Fläche 21 mit einer konischen Ausnehmung versehen ist, und aus einem zweiten ringförmigen Stein 19, der auf den Stein 17 derart aufgepresst ist, dass seine untere Fläche 22 und die untere Fläche 21 des Steines bündig sind. In diesem Ausführungsbeispiel liegt nicht nur die untere Fläche 21 des Steines 17, aber auch diejenige des Ringes 19 auf der Sitzfläche 6 des Lagerkörpers 1.
Während die zwei unteren und oberen Flächen 12 bzw. 13 des Steines 8 vom ersten Ausführungsbeispiel den gleichen Durchmesser aufweisen, sind die unteren Flächen 20 (Fig. 2) bzw. 21, 22 (Fig. 3) der beweglichen Elemente der zwei letzten Ausführungsbeispiele grösser als dessen obere Flächen 15 bzw.
17. In diesem dritten Ausführungsbeispiel weist ferner der Deckel 4a einen zylindrischen glatten Rand auf, der in eine entsprechende Ausnehmung des Lagerkörpers 1 eingesetzt ist, und darin mittels einem überbördelten Rand 18 festgehalten wird.
Die übrigen Teile des in Fig. 3 dargestellten Lagers sind wie die entsprechenden Teile der ersten zwei Ausführungsbeispiele ausgebildet und haben ähnliche Wirkung.
Die Breite der Sitzfläche 6 des Lagerkörpers 1 muss in jedem Ausführungsbeispiel genügend gross gewählt werden, damit das bewegliche Lagerelement sich seitlich nie soweit verschieben kann, dass sein unterer Rand in die Öffnung 2 des Lagerkörpers eintritt, da das Lagerelement in dieser verschobenen Stellung festgeklemmt bleiben könnte. Da der Abstand zwischen dem sich in der Öffnung 2 befindlichen Wellenteil und dem Rand dieser Öffnung 2 meistens gegeben ist, kann im Notfall die Sitzfläche 6 des beweglichen Lagerteils in den zwei letzten Ausführungsbeispielen breit genug gemacht werden.
Die Abmessungen der verschiedenen Lagerteile müssen selbstverständlich auch so getroffen werden, dass das bewegliche Lagerelement nie soweit kippen kann, dass es zwischen dem Lagerboden und dem Lagerdeckel festgeklemmt wird. Zu diesem Zwecke genügt es, einen breiten Stein zu verwenden. Da aber anderseits die Durchmesser des Lagerkörpers und der Schraubenfeder nicht beliebig vergrössert werden können, muss diesen zwei entgegengesetzten Bedingungen am besten dadurch genügt werden, dass der Durchmesser D des beweglichen Lagerelementes mindestens annähernd folgender Gleichung entspricht :
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wobei d der Durchmesser der Öffnung 2. Ah die mögliche axiale Verschiebung des Steines in bezug auf das Lager und a der durch die Erzeugende der Zentrierungsfläche 7 und die Lagerachse eingeschlossene Winkel darstellt.
Der Winkel a muss einerseits gross genug gewählt werden, damit der Stein im Falle eines radialen Stosses längs der Zentrierungsfläche 7 bleiben kann und anderseits klein genug, damit dieser Stein unter der Wirkung der Feder in seine ursprüngliche zentrierte Lage wieder zurückgeführt wird. Berechnungen sowie Versuche zeigten, dass dieser Winkel a zwischen 30 und 450 gewählt werden muss.
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Das vierte und fünfte Ausführungsbeispiel unierscheidensich vom ersten hauptsächlich durch die Form der Feder. Im vierten Ausführungsbeispiel (Fig. 4) ist die Feder 23 konisch. Ihre grösste obere Windung 23a liegt innerhalb eines Randes 25. des Deckels 26, während ihre kleinere untere Windung 23b den Stein 27 umfasst und gegen einen auf diesem Stein aufgepressten Ring 28 andrückt. Wie in den vorher beschriebenen Ausführungsbeispielen sind beide Federwindungen 23a und 23b flach, damit der auf das bewegliche Lagerelement ausgeübte Druck um dieses Element herum möglichst gleichmässig verteilt wird.
Dank ihrer konischen Form kann diese Feder 23 etwas länger als diejenigen der drei erstenAusfuhrungs- beispiele gemacht werden, da während einer durch einen axialen Stoss hervorgerufenen Verschiebung des beweglichen Lagerelementes die Windungen der Feder 23 teilweise ineinander eintreten können. Die konische Feder 23 hat auch gegenüber den zylindrischen Federn den Vorteil, dass beim Umkippen des Steines 27 infolge eines seitlichen Stosses der obere äussere Rand dieses Steines 27 zwischen den Federwindungen nicht hineingreifen kann. Die konische Feder 23 hat schliesslich auch den Vorteil, dass sie sich weder in bezug auf den Lagerkörper, noch in bezug auf den Stein 27 seitlich verschieben kann, da ihre Endwindungen seitlich festgehalten sind, u. zw. die eine durch den Rand 25 und die andere durch den Stein 27.
Im fünften Ausführungsbeispiel (Fig. 5) ist der Querschnitt der Rückführfeder 29 nicht mehr rund, sondern rechteckig. Wie oben bereits angeführt, werden die beschriebenen Schraubenfedern während eines radial oder eines schräg gerichteten Stosses nicht nur auf Druck, sondern auch auf Biegung beansprucht. Durch eine passende Form des Federdrahtquerschnittes kann die Federcharakteristik in bezug auf die Biegung mehr oder weniger unabhängig von derjenigen in bezug auf Druck gewählt werden. So kann beispielsweise eine Feder mit rechteckigem Federdrahtquerschnitt verwendet werden, dessen längere Seite senkrecht oder schräg zur Federachse liegt.
Der Hauptvorteil der beschriebenen Lager besteht in der Tatsache, dass das bewegliche Lagerelement lediglich über seinen Stein mit dem Lagerkörper in Berührung kommt. Dank dem kleinen Reibungskoeffizienten zwischen Korund und Metall kann das bewegliche Lagerelement in seine zentrierte Lage leicht zurückgeführt werden. Diese Lager haben auch den Vorteil, dass das bewegliche Lagerelement, wenn es seitlich verschoben worden ist, den Lagerkörper nur in zwei Punkten berührt, so dass die Federkraft klein gehalten werden kann. Da die beschriebenen Lager bereits auf sehr kleine Stösse ansprechen, können die Spitzen der darin gelagerten Wellen äusserst fein gestaltet werden, mit dem weiteren Vorteil, dass die Lagerreibung, verglichen mit den bekannten Lagern, stark verringert wird.
Versuche haben gezeigt, dass Lager der beschriebenen Gattung hergestellt werden können, deren nachgiebige Elemente bereits unter der Wirkung einer Kraft von 4 Gramm ansprechen.
Die beschriebenen Lager haben noch den Vorteil, dass der Federdruck genau eingestellt werden kann.
Im Vergleich beispielsweise zu einer Blattfeder kann der Druck einer Schraubenfeder allein durch die Länge derselben viel genauer bestimmt werden. In den Ausführungsbeispielen 1, 4 und 5 bilden die Ringe 9 (Fig. l) bzw. 28 (Fig. 4 und 5) Mittel zur Einstellung der Federkraft, indem diese Ringe längs den Lagersteinen verschoben werden können. Endlich gibt der eingeschraubte Deckel 4 (Fig. 1) noch eine weitere Feineinstellungsmöglichkeit der Federkraft.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Stossgesichertes Lager für Präzisionsapparate, Messinstrumente u. dgl., in welchem ein federbela- stetes Lagerelement mit einem Lagerstein innerhalb eines. Lagerkörpers nach allen Richtungen frei beweglich angeordnet ist und normalerweise auf einer Sitzfläche des Lagerkörpers in einer zentrierten Lage federnd gehalten wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Sitzfläche (6) des Lagerkörpers (1) auf dessen
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senkrecht steht17, 19 in Fig. 3 ;
27, 28 in Fig. 4 und 5) in seiner in bezug auf den Lagerkörper (1) zentrierten Lage unter der Wirkung einer unmittelbar auf dieses Lagerelement wirkenden, zum Lagerkörper (1) koaxial stehenden Schraubenfeder (14, 23, 24, 29) ausschliesslich gegen die genannte Sitzfläche (6) angedrückt wird und
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aufsitzt, wobei der Lagerkörper (1) eine an seine Sitzfläche (6) anschliessende, an sich bekannte Zentrierungsfläche (7) aufweist, deren Normale in jedem Punkt mit der Richtung der Federwirkung einen Winkel einschliesst, der grösser ist als der vom Reibungskoeffizienten zwischen dem Stein (13, 15, 17, 27) und dem Lagerkörper (1) abhängende Reibungswinkel und die Schraubenfeder (14, 23, 24, 29) den Stein (13, 15, 17, 27)
des Lagerelementes nach einem mindestens teilweise seitlichen Stoss ausschliesslich gegen die Sitz- (6) und die Zentrierungsfläche (7) des Lagerkörpers (1) andrückt.