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Aus einer Welle und mindestens einem diese umschliessenden
Rollring bestehendes Reibringgetriebe zur Umwandlung von Dreh- und Schubbewegung ineinander
Die Erfindung bezieht sich auf aus einer Welle und mindestens einem diese umschliessenden Rollring bestehendes Reibringgetriebe zur Umwandlung von Dreh- und Schubbewegungen ineinander.
Vorzugsweise bezieht sie sich auf Reibringgetriebe, bei denen eine Welle und mindestens ein diese exzentrisch um- schliessender, in einem ringförmigen Kugellager um dessen Achse und zugleich um seine Achse drehbar gelagerter Ring reibschlüssig miteinander gekuppelt sind und in Abhängigkeit von dem von der Wellen- achse und der Ringachse jeweils eingeschlossenen Winkel längs schraubenlinienförmigen Führungslinien unter Übertragung von Dreh-und Schubkräften Abrollbewegungen aufeinander auszuführen vermögen, insbesondere zur Umwandlung von Drehbewegungen in Schubbewegungen und umgekehrt. Ein solches Getriebe ist beispielsweise in der deutschen Patentschrift Nr. 1057411 beschrieben.
Da bei diesen Getrieben bisweilen erhebliche Kräfte zwischen den in Reibungsschluss miteinander stehenden Flächen übertragen werden, muss ein verhältnismässig hoher Verschleiss in Kauf genommen werden.
Aus der Ausführungsform eines Wälzlagers ist bereits bekannt geworden, die sich auf einer Welle abwälzenden Nadeln zu härten. Da jedoch hierbei über den Härtezustand der Wellenoberfläche nichts bekannt ist, ist anzunehmen, dass es sich um Wälzflächen an handelsüblichen Werkstoffen gehandelt hat.
Demnach ist zu erwarten, dass auch bei einem Reibringgetriebe, auf das sich die Erfindung bezieht, die Verwendung handelsüblicher Ringe und handelsüblicher Wellen zweckmässig sein würde. Nun sind sowohl gehärtete als auch nicht gehärtete Ringe und ebenfalls sowohl gehärtete als auch nicht gehärtete Wellen üblich, weshalb sich aus der bekannten Ausbildung von Reibringgetrieben auch im Zusammenhang mit der erwähnten bekannten Ausführung von sich auf einer Welle abwälzenden Nadeln keine Einsicht in die Frage ergibt, wie die Härte der Lauffläche der Ringe im Verhältnis zur Oberfläche der Welle am zweckmässigsten gewählt werden muss, damit optimale Arbeitsbedingungen bei möglichst langer Lebensdauer des Getriebes gewährleistet sind.
Bei den der Erfindung zugrunde liegenden Untersuchungen hat sich herausgestellt, dass der Verschleiss nicht nur von den Härtegraden und der geometrischen Beschaffenheit der in Reibungsschluss miteinander stehenden Flächen schlechthin abhängt, sondern dass es sehr wesentlich auch auf die relativen Verschiedenheiten der Eigenschaften der miteinander in Reibungsschluss stehenden Oberflächenteile sowie auf die hiebei einzuhaltenden Toleranzen ankommt.
Die Erfindung setzt sich daher die Aufgabe, den Verschleiss bei den im vorstehenden genannten Reibungsgetrieben herabzusetzen und womöglich optimale Bedingungen hiebei zu beachten.
Hiebei ist insbesondere zu berücksichtigen, dass dieReibungswelle den wertvollsten Teil des Getriebes darstellt und infolgedessen ein höherer Verschleiss der Reibungsringe in Kauf genommen werden kann, wenn dafür in entsprechend höherem Masse die Welle selbst vor Verschleiss geschützt wird.
Erfindungsgemäss wird diese Aufgabe gelöst durch die Einhaltung der folgenden Bedingungen, dass die Lauffläche des Rollringes bzw. der Rollringe härter ist als die Oberfläche der Welle, dass die durch die Durchmesser-Differenz der Rollringlauffläche und/oder durch die Entfernung zwischen den Mittelpunkten der äusseren (Kugellager-) Lauffläche und der inneren (Wellen-) Lauffläche bedingte Unrundheit des bzw. der Rollringe kleiner als 0, 0035, besser kleiner als 0, 0025 mm ist, und dass die Abweichung des Scheitels der Laufflächenballigkeit der Rollringe von der Symmetrielage weniger als 0, 80/0, besser weniger als 0, 2% des Rollring-Innendurchmessers beträgt.
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Hiebei muss es als paradox erscheinen, dass die Oberfläche der an sich kostspieligeren und wertvolleren
Welle weicher sein muss als die Oberfläche der Rollringe an derer inneren, mit der Welle in Reibungs- schluss stehendenLauffläche. Dies ist dadurch bedingt, dass dieLauffläche der Ringe wegen ihrer geringeren
Gesamtoberfläche verglichen mit der Wellenoberfläche stärker beansprucht wird. Die Bedingungen be- züglich der Unrundheit und der Scheitelunsymmetrie der in bekannter Weise ballig auszuführenden Lauf- fläche der Rollringe dient zum Schutz beider Laufoberflächen ; in erster Linie jedoch zum Schutz der weicheren Wellenlauffläche.
Insbesondere wird durch die Einhaltung der angegebenen Bedingungen eine einwandfreie'Dauerbe- lastung des Reibungsgetriebes gewährleistet, d. h. eine höhere Lebensdauer bei gleichbleibender zuver- lässiger Funktionsfähigkeit erzielt.
Optimale Bedingungen ergeben sich nach einer weiteren Ausbildung des Erfindungsgedankens da- durch, dass die Härte der Laufoberfläche der Rollringe mindestens um 2,5 Rockwell härter ist als die Oberfläche der Welle. Vorzugsweise soll dieHärte derRinglauffläche zwischen 65und 59Rockwell liegen, wogegen die Härte der Wellenoberfläche höchstens etwa 55 Rockwell betragen sollte. Die Härte der Wellenoberfläche kann bei geringeren Belastungen noch geringer sein und muss bei stärkeren Belastungen etwa 55 Rockwell erreichen.
Als Wellenwerkstoff eignen sich besonders gut chromlegierte Stähle, wie sie z. B. unter der Handels- bezeichnung"Silberstahl"bekannt sind, da dieser Werkstoff eine genügende Verschleissfestigkeitgegen die in den Berührungspunkten auftretenden hohen Wechselbeanspruchungen, d. h. gegen Walkarbeit, besitzt.
Durch die angegebene Bedingung bezüglich der Unrundheit bzw. der Ungleichmässigkeit der Ring- stärke. der Rollringe wird das Auftreten von Belastungs-Spannungsspitzen vermieden bzw. auf ein er- trägliches Mass herabgesetzt. Genauigkeiten, wie sie sonst für handelsübliche Wälzlager angegeben werden, nämlich etwa 0, 025-0, 035 mm, reichen für den vorliegenden Zweck nicht aus. Die Toleranz muss vielmehr etwa eine Grössenordnung kleiner sein, wenn nicht das Material vorzeitig zerstört werden soll oder das Getriebe nicht zu laut laufen soll.
Es würde jedoch ausserordentlich aufwendig sein, die Rollringe, die wie Wälzlager aufgebaut sind, mit der erfindungsgemäss geforderten Genauigkeit herzustellen, wenn alle Teile, Kugeln und Wälzlaufbahn, einzeln gefertigt und dann zusammengesetzt werden müssten.
Gemäss einer besonderen Ausbildung des Erfindungsgedankens wird ein die geforderten Toleranzen bezüglich der Unrundheit aufweisender Rollring daaurch hergestellt, dass ein handelsübliches spielfreies Wälzlager mit der DIN-Norm-Güte C2 verwendet wird und die Fläche des Innenringes im zusammengebauten Zustand von der ursprünglichen zylindrischen Form in eine Lauffläche mit balliger, gekrümmter Oberfläche umgearbeitet wird, wobei, der Ring drehend angetrieben wird und sich infolgedessen bei der Erzeugung der Lauffläche um seine natürliche Achse dreht. Auf diese Weise wird es möglich, die hohe Rundlaufgenauigkeit von etwa 0,003 mm mit verhältnismässig geringem Aufwand zu erreichen.
An Hand der Zeichnung, in der einige Ausführungsformen des Reibringgetriebes nach der Erfindung beispielsweise dargestellt sind, sei der Erfindungsgedanke näher erläutert. Es zeigen Fig. 1 ein RollringReibungsschubgetriebe in einer im wesentlichen bekannten Ausführungsform im Aufriss, Grundriss und Radialschnitt, Fig. 2 einen Axial- und einen Radialschnitt durch einen Rollring und die durch ihn hindurchgehende Welle, Fig. 3 zwei Axialschnitte durch das Getriebe in Rechtslauf- und Linkslaufstellung, Fig. 4 eine perspektivische Darstellung und einen Axialschnitt durch einen Rollring mit der durch ihn hindurchgehenden Welle in einer bestimmten Stellung mit Zweipunktberührung und schliesslich Fig. 5 das Getriebe in einer beispielsweisen Anwendung.
Aus Fig. 1 ist der an sich bekannte Aufbau eines Reibringgetriebes dargestellt, bei dem durch die Winkeleinstellung der einzelnen Reibungsringe zur Welle, die mit +ss und -/3 bezeichnet ist, die nach rechts bzw. links wirkende Relativgeschwindigkeit zwischen den Ringen und der Welle bedingt ist, die
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Aus Fig. 2 ist ersichtlich, wie, sich eine Unsymmetrie der Scheitelfläche der Balligkeit der Ringlauffläche auf das Getriebe auswirken kann. Die Balligkeit kann im senkrechten oder schrägen Schnitt die Form eines Kreis- oder Ellipsenbogenshaben, je nach der Herstellung oder Belastung bei dem im vorstehenden beschriebenen Herstellungsverfahren oder auf Grund des im Laufe des Gebrauchs sich einstellenden Abriebs. Wichtig ist für die gute Funktionsfähigkeit auf jeden Fall, dass die Krümmungen symmetrisch zum Scheitelpunkt liegen, der durch den kleinsten Laufkreis definiert ist, und dass der Scheitel der Laufflächenballigkeit in der Schwenkachse des Rollringes liegt oder nur wenig davon abweicht. Diese Abweichung aus der Symmetrie ist in Fig. 2 dargestellt.
Hiedurch sind schädlicheRück-
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wirkungen durch die im Berührungspunkt angreifendenKräfte auf dieStellung derRingezurWelle (Schwenk- winkel) bedingt, da die Kräfte mit dieser Exzentrizität ein Moment bilden. Ein solches schädliches
Moment kann auch dadurch auftreten, dass die Schwenkachse nicht durch die Mitte des kleinsten Lauf- ringkreises läuft. Für die Justierung des Ringes zur Welle gilt demnach die entsprechende Toleranzvor- schrift, wie sie im vorstehenden für die Symmetrielage der Scheitellinie der Balligkeit des Laufringes angegeben worden ist. Bei der Verwendung mehrerer, beispielsweise von drei oder vier Ringen, müssen aus demselben Grunde ihre Schwenkachsen parallel zueinander sein und durch die Wellenmittelachse verlaufen.
Die im vorstehenden aufgeführte Gefahr des Auftretens von Belastungsspitzen kann ausser der Un- rundheit der Ringlauffläche auch noch andere Ursachen haben ; für diese gelten dann auch die oben auf- geführten Bedingungen der in dieser Beziehung einzuhaltenden Toleranz. Das Auftreten eines nicht völligen
Rundlaufs des Rollrings auf der Welle kann beispielsweise durch die Welle selbst bedingt sein, insbesondere infolge vonDurchbiegungen der Welle. Dieser Einfluss kann weitgehend dadurch ausgeschaltet werden, dass die Welle nicht zweifach, sondern mehrfach, d. h. statisch unbestimmt, gelagert ist. Ein Beispiel einer solchen Lagerungsart ist in Fig. 1 gegeben, in der drei Lagerungsstellen für die Welle beispielhaft ein- gezeichnet sind.
Bei Getrieben, die grössere Schubkräfte aufbringen sollen, sind die Reibungsverluste erheblich, wo- durch eine erhöhte Abnutzung und unter Umständen auch eine schädliche Erwärmung eintritt, die ihrer- seits einen Einfluss auf die zugelassenen Toleranzen haben kann. Derart schädliche Reibungsverluste sind, wie sich bei den der Erfindung zugrunde liegenden Untersuchungen herausgestellt hat, vor allem dadurch bedingt, dass die Anpressdrücke zwischen dem Ring bzw. den Ringen und der Welle auf einen festen Wert eingestellt sind, der für die Erzeugung der grössten für dieses Getriebe vorgesehenen Schubkräfte er- forderlich, jedoch für die übrigen Phasen eines Arbeitsvorganges gar nicht notwendig ist. Anderseits muss dann aber, insbesondere z. B. beim Leerlauf, immer die gleiche Reibungsarbeit als Verlust aufge- bracht werden wie bei Volleistung.
Gemäss einer weiteren Ausbildung des Erfindungsgedankens lassen sich diese auf die Oberfläche der Laufflächen schädlich einwirkenden Ursachen dadurch herabsetzen, dass die Getriebeanordnung-bei- spielsweise nach Fig. 3 - selbstregelnd ausgebildet ist. Diese Selbstregelung wird dadurch erzielt, dass bei der gemäss dem Beispiel vorgesehenen Anordnung von drei Ringen einer der beiden äusseren Ringe ein geringes Spiel gegenüber der Welle aufweist, sodass sich diese relativ zu den drei Ringen um einen sehr geringen Winkel zu verkippen vermag. Dies kann entweder durch die geometrische Justierung oder durch etwas verschiedene Anpressdrücke der einzelnen Ringe gegen die Welle herbeigeführt werden, die beispielsweise durch Federlagerungen der Laufringe in einem gemeinsamen Gestell bedingt sind.
Trotzdem soll freilich nach Möglichkeit die gemeinsame Steuerung der einzelnen Ringe bei ihrer Verschwenkung stets genau übereinstimmende Winkel ergeben, was beispielsweise durch die Verbindung der Drehlagerungen der Ringe mittels spielfreier Gelenke oder Zahnrädern oder anderer formflüssiger Mittel miteinander erzielt werden kann.
Zum Zwecke der Selbststeuerung wird der Aufpunkt zur Abnahme der von der sich drehenden Welle in der Rollringlageranordnung hervorgerufenen Schubkräfte an eine exzentrische Stelle der Rollringlageranordnung gelegt. Nach Fig. 3 befindet sich dieser Aufpunkt an einem, durch den Pfeil bezeichneten Ende eines seitlich an die Rollringanordnung angesetzten Bügels. Die langen, radial zur Welle gezeichneten Pfeile deuten die von den Ringen auf die Welle ausgeübten Anpressdrücke an.
Bei der links dargestellten und von links nach rechts bewegten Anordnung übt der rechte Rollring überhaupt keinen oder nur einen verminderten Anpressdruck auf die Welle aus, weil der an die Rollringanordnung angesetzte Bügel als Hebelarm wirkt und von der nach rechts transportierten Kraft nach dem Satz von Wirkung und Gegenwirkung in Richtung des eingezeichneten Pfeils nach links verschwenkt wird und dabei die Rollringanordnung in dem Sinne dreht, dass der rechte Ring von der Welle abgehoben wird. Je grösser der Abstand e des die Schubkraft aufnehmenden Aufpunktes von der Welle im Verhältnis zum gegenseitigen Abstand a der beiden benachbarten Ringe voneinander ist, umsomehr erhöhen sich die Anpressdrücke zwischen dem mittleren und dem linken äusseren Ring. Bei sehr grosser Exzentrizität des Aufpunktes tritt Selbsthemmung ein.
Ist anderseits die Last gering oder überhaupt nicht vorhanden, wie im Leerlauf, so herrschen unabhängig von der Exzentrizität normale Anpressdrücke. Durch Wahl des Verhältnisses der Exzentrizität e zum gegenseitigen Abstand a zweier benachbarter Ringe, lässt sich demnach eine gewünsche Selbstregulierung und gegebenenfalls Selbstsperrung in bestimmten Stellungen des Getriebes erzielen. Die Sperrgrenze wird erreicht, wenn das Verhältnis a : 2e kleiner als die Reibungszahl zwischen Ring und Welle wird, was je nach der Ausführung etwa bei Werten zwischen 5 und 8 des Verhältnisses e : a eintritt.
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Bei umgekehrter Schubrichtung, wie sie auf der rechten Seite der Fig. 3 dargestellt ist, übernimmt der Mittelring mit-dem ändern, jetzt rechts aussen liegenden Aussenring die gleiche Funktion, während der innen, jetzt links liegende Ring die Tendenz hat, sich von der Welle fortzubewegen.
In vielen Fällen kann die dargestellte einfachste Ausführung der Selbstregelung angewendet werden.
Wenn aber für die Praxis der Bügel e zu lang und das ganze Getriebe zu sperrig wird, können auch kraft- übersetzende Getriebeteile verwendet werden, die nur so gewählt und angeordnet werden müssen, dass die Ringe mit der 5 bis 8fachen Schubkraft gegen die Welle gedrückt werden. Dafür können z. B. dreh- bare Hebel verwendet werden mit dem gewünschten Armverhältnis oder keilartige Teile, die als schiefe
Ebene wirken.
Diese Anordnungen können sowohl für eine, als auch für beide Bewegungsrichtungen gleichermassen wirksam sein.
Entsprechende Wirkungen lassen sich auch bei Getrieben mit vier oder mehr Ringen erreichen.
Die im vorstehenden angegebenen Bedingungen zum Schutz und zur Schonung des Rollringgetriebes sind nicht auf Rollringgetriebe mit bezüglich ihrer Schwenklage zur Welle veränderbaren Ringen be- schränkt, sondern. auch dann anwendbar, wenn die Ringe als solche feststehen und ihre Ebenen einen ganz bestimmten Neigungswinkel gegenüber der Wellenachse einnehmen. Bei einem solchen Getriebe kann die Schubleistung auch dadurch erhöht werden, dass man die Ringe soweit verdreht, bis sie nicht mehr mit einem, sondern mit zwei zueinander symmetrisch liegenden Punkten die Welle berühren, wobei jedoch diese beiden Berührungspunkte nicht diametral zur Welle bzw. zur Wellenachse liegen. Eine solche Anordnung ist in Fig. 4 dargestellt. Durch die Pfeile sind die Berührungspunkte gekennzeichnet.
Durch die Wahl des festenSchwenkwinkels desRinges gegenüberderWelle bzw. des Abstandes der beidenBerührungs- punkte voneinander, lässt sich das Getriebe der zum Transport einer Last notwendigen Kraft anpassen.
Ausserdem hängt der Anpressdruck auch von dem Unterschied des Durchmessers zwischen Welle und Ring bzw. Welle und Ringen ab. Bei nur kleinem Durchmesserunterschied liegen die Berührungspunkte so weit auseinander, dass die Welle im Ring wie in einem Keil festgeklemmt wird, so dass auch bei dieser Anordnung im Grenzfall Selbstsperrung eintritt. Ein solches Getriebe ist zum Transport von Lasten geeignet.
Es braucht gemäss Fig. 5 nur mit zwei Ringen ausgestattet zu sein, an denen die zu transportierenden Lasten, beispielsweise ein Schiebetor, ein Schiebefenster, ein Vorhang u. dgl., befestigt sind. Die beiden Ringe sind zueinander parallel angeordnet und nehmen einen zur Welle festen Schwenkwinkel ein, der so eingestellt ist, dass eine Zweipunktberühruig gemäss Fig. 4 erfolgt und sich ein entsprechender Anpressdruck einstellt. Auch bei dieser Anordnung kann Selbstsperrung eintreten und unter Umständen als Begrenzung für die Verschiebungsweite dienen. Im allgemeinen wird man jedoch ausserhalb dieser Grenze bleiben, um das Getriebe nicht zu hohen Beanspruchungen auszusetzen. Bei dieser Ausführungsform mit fester Schwenklage der Ringe entspricht jeweils einer Drehrichtung der Welle auch eine Verschieberichtung.
Zum Umkehren der Verschieberichtung, beispielsweise zum abwechselnden Öffnen und Schliessen einer Tür oder eines Fensters, braucht der Antriebsmotor für die Welle nur einmal rechts und einmal links umgesteuert zu werden, was durch eine Druckknopfsteuerung bewerkstelligt werden kann.
Das Verhältnis der Grösse des Durchmessers des Ringes zu demjenigen der Welle ist jedoch nicht nur für die Beispiele nach den Fig. 4 und 5 in der erwähnten Art von Bedeutung, weil hiedurch der gegenseitige Abstand der Berührungspunkte bei einer Berührung der Ringe mit zwei Punkten an der Welle bestimmt wird, sondern dieses Verhältnis ist auch für die in den vorhergehenden Beispielen dargestellten Welle wesentlich, in denen nur ein Berührungspunkt zwischen Ring und Welle vorhanden ist. Je geringer der Unterschied zwischen dem Durchmesser des Ringes und der Welle ist, umso grösser ist die Anschmiegung im Berührungspunkt und damit auch die Belastbarkeit. Anderseits wird der Schwenkwinkel auf der Welle
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Rollringdurchmesser gewählt ist.
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