Die Erfindung betrifft eine Drehverbindung auf Gleitlagerbasis mit den Funktionseinheiten Aussenring, Innenring und Gleitring.
Als Drehverbindungen werden Lager bezeichnet, welche radiale und axiale Kräfte sowie Kippmomente aufnehmen können. Sie unterscheiden sich vor allem dadurch von üblichen Lagerbauformen wie Kugellagern, dass sie einen grossen Lagerdurchmesser und im Vergleich dazu einen kleinen Lagerquerschnitt aufweisen. Die Hauptbauform der Drehverbindungen weist zudem in den Ringen axiale Bohrungen auf, welche eine einfache und preisgünstige Befestigung an der Anschlusskonstruktion erlauben.
Drehverbindungen werden meist als Wälzlager mit Kugeln oder Zylinderrollen als Wälzkörper ausgeführt. Die Ringe weisen vorwiegend winkelförmige oder rechteckige Grundquerschnitte auf, in welche die Laufbahnen eingearbeitet werden. Die Ringe bestehen üblicherweise aus massivem Stahl, wobei der Grundquerschnitt gewalzt wird und Laufbahnen und Anschlussflächen durch nachträgliche spanende Bearbeitung erzeugt werden. Die Laufbahnen müssen für die meisten Anwendungsfälle gehärtet werden.
Bei einer andern bekannten Ausführungform dienen sogenannte gehärtete Laufdrähte als Laufbahn der Wälzkörper, wobei erstere in massive Ringe eingelegt werden. Bei dieser Bauform sind die Laufdrähte auch oft direkt in ringförmigen Drahtbetten der Anschlusskonstruktion eingelegt. In diesem Fall spricht man von Drahtlager-Einbauelementen, welche jedoch kein vollständiges Lager darstellen und deshalb in den weiteren Betrachtungen nicht weiter erwähnt werden. Dies insbesondere auch deshalb nicht, weit sie die gleichen technischen Haupt-Nachteile aufweisen wie die gebräuchlichsten Bauformen.
In gewissen Fällen werden anstelle von Wälzlager-Drehverbindungen auch Gleitlager eingesetzt, wobei bei den bekannten Bauformen zwischen massive Ringe, Zylinder oder Scheiben ebene Gleitringe und zylindrische Buchsen eingelegt werden.
Dank ihrem grossen Durchmesser weisen Drehverbindungen hohe Tragfähigkeiten auf. Sie werden hauptsächlich zur Lagerung von Türmen und Säulen im Kranbau sowie oft zur Verbindung von Fahrzeugkasten und Drehgestell bei Bahn-Rollmaterial eingesetzt. Ein anderes wichtiges Anwendungsgebiet mit ganz andern Anforderungen ist die Medizinaltechnik.
Alle die bekannten Bauformen von kompletten Lagern haben den Nachteil, dass ihre Herstellung teuer ist. Insbesondere bei Anwendungen, wo rostfreie Ausführungen benötigt werden, sind die Herstellkosten infolge der hohen Materialpreise bei gleichzeitig grossem Materialvolumen sowie der ungünstigen Zerspanbarkeit dieser Werkstoffe extrem hoch. Zudem ist bei vielen Anwendungen notwendig, dass die Lager spielfrei vorgespannt werden. Dies erfordert bei der hohen Steifigkeit der Lager hohe Fertigungsgenauigkeiten, was zusätzlich zu hohen Kosten führt. Gleichzeitig ist es notwendig, dass auch bei der Anschlusskonstruktion eine hohe Formgenauigkeit eingehalten wird.
Drehverbindungen auf Wälzlagerbasis haben den weitern Nachteil, dass sie bei kleinen Schwenkbewegungen und bei Vibrationsbeanspruchung zu Riffelbildung neigen. In solchen Fällen werden hie und da Gleitlager eingesetzt, wobei es sich jedoch nicht um komplette Drehverbindungen handelt, sondern um getrennte Axial- und Radiallager. Gleitlager herkömmlicher Bauart wären jedoch nur mit extremem technischem Aufwand spielfrei herstellbar und sind deshalb nicht bekannt.
Die erfindungsgemässe Bauform hat deshalb zum Zweck, gleichzeitig mehrere der oben beschriebenen Nachteile der bekannten Drehverbindungen zu vermeiden. Insbesondere wird eine Bauart angestrebt, welche in rost- und/oder spielfreier Ausführung preisgünstig hergestellt werden kann und nicht zu Riffelbildung neigt.
Dies wird erfindungsgemäss dadurch erreicht, dass bei dieser Drehverbindung mindestens einer der Ringe aus Metallblech besteht, welches spanlos so umgeformt wurde, dass mindestens eine Gleitfläche konisch oder konusähnlich ist und dass sie einen Gleitring aufweist, der aus einzelnen Gleitelementen besteht. In den Hauptausführungsformen sind zusätzlich elastische Elemente vorhanden, welche das Spiel aufheben und bei Verschleiss der Gleitflächen diesen automatisch kompensieren. Bei einer weitern Ausführungsform kann die Vorspannung eingestellt werden. Bei den einzelnen Ringen ist es möglich, das Profil an spezifische Forderungen anzupassen. So können zum Beispiel Flanschpartien so gestaltet werden, dass relativ ungenaue Anschlussflächen den gleichmässigen Lauf des Lagers kaum beeinträchtigen.
Nachstehend werden zwei Ausführungsformen der Erfindung anhand der Zeichnungen erläutert.
Dabei zeigen:
Die Fig. 1 einen Querschnitt durch die eine Hälfte einer typischen Ausführungsform.
Die Fig. 2. einen analogen Querschnitt durch eine andere Ausführungsform.
Gemäss Fig. 1 ist der Innenring (3) aus relativ dickem Stahlblech hergestellt und zum Beispiel durch Drückwalzen so umgeformt, dass er die konischen Gleitflächen (3a) mit dem Winkel ( alpha ) und (3b) mit dem Winkel ( beta ) zur Lagerebene erhält. Der Flanschteil (3f) ist dabei in respektive parallel zu der ursprünglichen Blechebene. Der Aussenring (1) ist bei dieser Variante zweiteilig ausgeführt; er besteht aus dem unteren Aussenringteil (1a) und dem oberen Aussenringteil (1b). Vom Aussen- und Innenring werden die Gleitelemente (2) umschlossen. Die gezeigte Drehverbindung hat einen mittleren Durchmesser von 605 mm, eine axiale Gesamthöhe von 60 mm und weist 16 Gleitelemente auf. Diese werden durch die Gewindeeinsätze (5) gegen Verdrehen gesichert.
Die Gewindeeinsätze dienen gleichzeitig dazu, die Drehverbindung mit zum Beispiel 16 Schrauben am unteren Anschlusselement zu befestigen. Die Gewindeeinsätze (5) ergeben sichere Schraubverbindungen trotz der relativ geringen Wandstärke der Lagerringe. Dank der Aussparung (2c) wirkt die schmale Partie (2d) der Gleitelemente (2) wie ein Gelenk. Die Partie (1c) des oberen Aussenringteiles (1b) ist so ausgebildet, dass sie als Tellerfeder wirkt, deren Steifigkeit durch die konstruktive Gestaltung den betrieblichen Erfordernissen der Drehverbindung angepasst werden kann. Die strichpunktierte Linie (1h) zeigt die Form des oberen Aussenringteiles vor der Montage.
Beim Zusammenbördeln des oberen und unteren Aussenringteiles (1a) und (1b) wird diese Tellerfeder vorgespannt und drückt dann die Gleitpartie (2b) der Gleitelemente so gegen die Konusfläche (3b) des Innenringes, dass das ganze Lager spielfrei vorgespannt ist. Dichtungen (6) und (7) schützen das Lager gegen Eindringen von Schmutz. Drehverbindungen dieser Bauart werden in den meisten Fällen durch eine dominierende Axialkraft (Fa) belastet. Man spricht deshalb auch von den Tragbahnen (2a) und (3a) und den Haltebahnen (2b) und (3b). Der Winkel ( alpha ) der Tragbahnen ist relativ klein gewählt. Dadurch werden die Axialkräfte vom Innenring (3) so über die Gleitelemente (2) auf den Flanschteil (1g) des untern Aussenringteils (1a) übertragen, dass die Gleitelemente vorwiegend auf Druck in Richtung der Hauptlast beansprucht werden.
Andernteils werden durch die Konusflächen (3a) und (2a) doch radiale Kraftkomponenten erzeugt, welche dank der zentralsymmetrischen Anordnung der einzelnen Gleitelemente (2) eine Zentrierwirkung auf den Innenring ausüben. Diese Zentrierwirkung ist der Belastung proportional und ergibt damit eine belastungsabhängige Erhöhung der radialen Steifigkeit, ohne dass dazu eine hohe Vorspannung nötig ist, welche auch das Reibmoment der Drehverbindung erhöht.
Fig. 2 zeigt eine andere Ausführung der erfindungsgemässen Drehverbindung. Sie unterscheidet sich hauptsächlich dadurch von der Ausführung nach Fig. 1, dass der Aussenring (1) einteilig ist und damit die Gleitelemente nicht vollständig gekapselt sind. Damit diese Drehverbindung trotzdem auch im nicht eingebauten Zustand eine fest verbundene Einheit bildet, weisen die Gleitelemente (2) elastische Zungen (2f) auf, deren Wulste (2e) in eine Nut (1e) des Aussenringes (1) eingreifen. Natürlich sind auch andere Befestigungsarten möglich. Bei dieser Ausführung wird die Spielfreiheit durch Federn (8) erzielt, wobei die Federkraft durch die Stellschrauben (9) eingestellt werden kann. Zur Befestigung an der Anschlusskonstruktion sind hier einfache Durchgangslöcher (1g) und (3g) vorhanden.
Beiden gezeigten Ausführungsvarianten ist gemeinsam, dass sie relativ kurze Gleitelemente aufweisen, sodass diese in preisgünstigen kleinen Formen zum Beispiel durch Spritzgiessen günstig hergestellt werden können. Dank lokalen Aussparungen (2g) ist auch das Gewicht der Gleitelemente gering. Je nach Anwendungsbereich können deshalb zum Beispiel hochfeste Kunststoffe oder legierte Kunststoffe mit niedrigen Reibwerten verwendet werden, ohne dass dadurch die Kosten massiv steigen. Als weiterer Vorteil der erfindungsgemässen Drehverbindung ergibt sich dadurch ein flexibles Baukastensystem mit zahlreichen Variationsmöglichkeiten und niedrigen Herstellkosten.
Die Aufteilung des Gleitringes in mehrere Elemente ergibt im Weitern den Vorteil, dass die unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten von Stahl und Kunststoff bei Temperaturschwankungen nur Änderungen in der Spaltweite zwischen den Elementen bewirken und deshalb die Funktion nicht beeinträchtigen.
The invention relates to a rotary joint on a plain bearing basis with the functional units outer ring, inner ring and slide ring.
Bearings that can absorb radial and axial forces as well as tilting moments are referred to as slewing rings. They differ above all from conventional bearing designs such as ball bearings in that they have a large bearing diameter and, in comparison, a small bearing cross section. The main design of the slewing rings also has axial bores in the rings, which allow simple and inexpensive attachment to the connecting structure.
Slewing rings are usually designed as roller bearings with balls or cylindrical rollers as roller bodies. The rings have predominantly angular or rectangular basic cross sections into which the raceways are incorporated. The rings are usually made of solid steel, the basic cross section being rolled and raceways and connecting surfaces being produced by subsequent machining. The raceways must be hardened for most applications.
In another known embodiment, so-called hardened race wires serve as the raceway of the rolling elements, the former being inserted into massive rings. With this type of construction, the running wires are often also inserted directly into ring-shaped wire beds of the adjacent construction. In this case, one speaks of wire bearing installation elements, which, however, do not represent a complete bearing and are therefore not mentioned further in the further considerations. This is especially not the case because they have the same main technical disadvantages as the most common designs.
In certain cases, plain bearings are used instead of roller bearing slewing rings, with plain sliding rings and cylindrical bushes being inserted between solid rings, cylinders or disks in the known designs.
Thanks to their large diameter, slewing rings have high load capacities. They are mainly used for the storage of towers and columns in crane construction as well as often for the connection of the vehicle body and bogie for railway rolling stock. Another important area of application with completely different requirements is medical technology.
All the known designs of complete bearings have the disadvantage that their production is expensive. Especially in applications where stainless steel versions are required, the manufacturing costs are extremely high due to the high material prices combined with a large material volume and the unfavorable machinability of these materials. In addition, many applications require that the bearings be preloaded without play. Given the high rigidity of the bearings, this requires high manufacturing accuracy, which also leads to high costs. At the same time, it is necessary that a high degree of dimensional accuracy is also maintained in the adjacent construction.
Rolling bearing-based slewing rings have the further disadvantage that they tend to form corrugations with small swiveling movements and vibrations. In such cases, plain bearings are used here and there, although these are not complete slewing rings, but separate axial and radial bearings. Plain bearings of conventional design, however, could only be produced without play with extreme technical effort and are therefore not known.
The design according to the invention therefore has the purpose of simultaneously avoiding several of the disadvantages of the known rotary connections described above. In particular, a design is sought which can be produced inexpensively in a rust-free and / or play-free design and does not tend to form corrugations.
This is achieved according to the invention in that in this rotary connection at least one of the rings consists of sheet metal, which has been formed without cutting so that at least one sliding surface is conical or cone-like and that it has a sliding ring which consists of individual sliding elements. In the main designs, there are additional elastic elements that cancel the play and automatically compensate for this when the sliding surfaces wear out. In a further embodiment, the bias can be adjusted. With the individual rings it is possible to adapt the profile to specific requirements. For example, flange sections can be designed in such a way that relatively imprecise connection surfaces hardly affect the smooth running of the bearing.
Two embodiments of the invention are explained below with reference to the drawings.
Show:
1 shows a cross section through one half of a typical embodiment.
2 shows an analog cross section through another embodiment.
1, the inner ring (3) is made of relatively thick steel sheet and, for example, formed by spinning rolls so that it receives the conical sliding surfaces (3a) with the angle (alpha) and (3b) with the angle (beta) to the bearing plane . The flange part (3f) is in or parallel to the original sheet metal plane. In this variant, the outer ring (1) is made in two parts; it consists of the lower outer ring part (1a) and the upper outer ring part (1b). The sliding elements (2) are enclosed by the outer and inner ring. The slewing ring shown has an average diameter of 605 mm, an overall axial height of 60 mm and has 16 sliding elements. These are secured against twisting by the threaded inserts (5).
The threaded inserts also serve to fasten the slewing ring to the lower connection element using, for example, 16 screws. The threaded inserts (5) result in secure screw connections despite the relatively small wall thickness of the bearing rings. Thanks to the recess (2c), the narrow part (2d) of the sliding elements (2) acts like a joint. The part (1c) of the upper outer ring part (1b) is designed so that it acts as a plate spring, the rigidity of which can be adapted to the operational requirements of the rotary connection due to the structural design. The dash-dotted line (1h) shows the shape of the upper outer ring part before assembly.
When the upper and lower outer ring parts (1a) and (1b) are flanged together, this plate spring is preloaded and then presses the sliding part (2b) of the sliding elements against the conical surface (3b) of the inner ring so that the entire bearing is preloaded without play. Seals (6) and (7) protect the bearing against the ingress of dirt. In most cases, slewing rings of this type are loaded by a dominant axial force (Fa). One therefore speaks of the support tracks (2a) and (3a) and the support tracks (2b) and (3b). The angle (alpha) of the support tracks is chosen to be relatively small. As a result, the axial forces are transmitted from the inner ring (3) via the sliding elements (2) to the flange part (1g) of the lower outer ring part (1a) in such a way that the sliding elements are mainly subjected to pressure in the direction of the main load.
On the other hand, radial cone components are generated by the conical surfaces (3a) and (2a) which, thanks to the central symmetrical arrangement of the individual sliding elements (2), exert a centering effect on the inner ring. This centering effect is proportional to the load and thus results in a load-dependent increase in the radial rigidity without the need for high preload, which also increases the frictional torque of the slewing ring.
2 shows another embodiment of the rotary connection according to the invention. It differs mainly from the embodiment according to FIG. 1 in that the outer ring (1) is in one piece and therefore the sliding elements are not completely encapsulated. So that this rotary connection forms a firmly connected unit even when not installed, the sliding elements (2) have elastic tongues (2f), the beads (2e) of which engage in a groove (1e) in the outer ring (1). Of course, other types of fastening are also possible. In this version, the backlash is achieved by springs (8), the spring force can be adjusted by the adjusting screws (9). Simple through holes (1g) and (3g) are available for attachment to the adjacent construction.
Common to both of the design variants shown is that they have relatively short sliding elements, so that they can be inexpensively manufactured in inexpensive small molds, for example by injection molding. Thanks to local recesses (2g), the weight of the sliding elements is also low. Depending on the area of application, high-strength plastics or alloyed plastics with low coefficients of friction can be used, for example, without the costs rising massively. As a further advantage of the rotary connection according to the invention, this results in a flexible modular system with numerous possible variations and low manufacturing costs.
The division of the slide ring into several elements also has the advantage that the different expansion coefficients of steel and plastic only cause changes in the gap width between the elements in the event of temperature fluctuations and therefore do not impair the function.