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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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1. Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Zylinderrollenlager und einen Käfig für Zylinderrollenlager. Es gibt verschiedene Arten von Zylinderrollenlagern, zu welchen die Bauform N (Innenring mit zwei Borden), die Bauform NU (Außenring mit zwei Borden), die Bauform NF (Innenring mit zwei Borden, Außenring mit einem einzigen Bord), die Bauform NJ (Innenring mit einem einzigen Bord, Außenring mit zwei Borden) und die Bauform NUP (Innenring mit zwei Borden, wovon ein Bord aus einem separaten Bordring besteht, Außenring mit zwei Borden) gehören.
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2. Beschreibung des Standes der Technik
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Hauptwellenvorrichtungen für Werkzeugmaschinen wie Bearbeitungszentren, CNC-Drehmaschinen und Fräsmaschinen werden beispielsweise häufig mit hohen Drehzahlen betrieben; zu den Gründen hierfür zählt unter anderem, dass die Zerspanungseffizienz und -genauigkeit erhöht werden soll. Gerade heute geht der Trend in bemerkenswerter Weise zur Geschwindigkeitserhöhung durch Erhöhung der Drehzahl der Hauptwelle.
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Im Allgemeinen wird bei einer Hauptwellenvorrichtung für Werkzeugmaschinen die Hauptwelle relativ zu einem Gehäuse drehbar in Wälzlagern gelagert, die an der Vorderseite (Werkzeugseite) und Rückseite (Gegenseite) angeordnet sind, und die Wälzlager werden abhängig von den Einsatzbedingungen etc. durch Schmiersysteme wie z. B. Ölnebelschmierung, Luft/Öl-Schmierung, Einspritzschmierung und Fettschmierung geschmiert. Normalerweise hat das Wälzlager an der Vorderseite eine Konstruktion, die keine axiale Versetzung der Hauptwelle erlaubt (feste Seite), während das Wälzlager auf der Rückseite eine Konstruktion hat, die eine axiale Versetzung der Hauptwelle erlaubt (freie Seite), um die Größe der axialen Ausdehnung der Hauptwelle aufgrund der während des Betriebs entstehenden Wärme zu absorbieren oder auszugleichen. Ein derartiges Wälzlager, das an der Vorderseite verwendet wird, liegt oftmals in Form einer Kombination aus Schrägkugellagern oder einer Kombination aus Schrägkugellager + zweireihigem Zylinderrollenlager vor, während das Wälzlager, das an der Rückseite verwendet wird, oftmals in Form einer Kombination aus Schrägkugellager oder zweireihigem oder einreihigem Zylinderrollenlager vorliegt.
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10 zeigt ein Konstruktionsbeispiel für ein Zylinderrollenlager. Dieses Zylinderrollenlager weist einen Innenring 1 mit einer Laufrille 1a am Außenumfang, einen Außenring 2 mit einer Laufrille 2a am Innenumfang, mehrere Zylinderrollen 3, die drehbar zwischen der Laufrille 1a des Innenrings 1 und der Laufrille 2a des Außenrings 2 angeordnet sind, und einen Käfig 4 auf, mit dem die Zylinderrollen 3 entlang dem Umfang gleichmäßig beabstandet gehalten werden. Die gegenüberliegenden Seiten des Innenrings 1 sind jeweils mit einem Bord 1b versehen.
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Beim Käfig gibt es zwei Arten der Führung (Positionierung): eine Käfigart mit Führung durch den Außenring oder Innenring, um den Käfig durch die innere Umfangsfläche des Außenrings oder die äußere Umfangsfläche des Innenrings zu führen, und eine Rollenführungsart, bei der der Käfig auf Rollen geführt wird. Im Fall des Rollenführungskäfigs neigt der Käfig bei der Rotation mit hoher Drehzahl unter dem Einfluss der Zentrifugalkraft dazu, zu wirbeln oder unter übermäßig großer Belastung durch die Rollen deformiert zu werden, was schließlich zum Bruch führt (siehe ungeprüfte
japanische Patentschrift 2002-323 048 A ).
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Um bei den Rollenführungskäfigen das Wirbeln zu verringern, wurde das radiale Spiel δ (diametrales Spiel) zwischen der Käfigtasche und den Zylinderrollen auf einen kleinen Wert festgelegt. So ist beispielsweise das Verhältnis des Spiels zum Durchmesser Dw der Zylinderrollen δ/Dw auf 0,01–0,10 festgelegt. Insbesondere im Fall einer Rotation mit hoher Drehzahl ist der Wert auf 0,01–0,05 festgelegt.
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Inzwischen wird beispielsweise bei dem Zylinderrollenlager für die Hauptwelle einer Werkzeugmaschine darauf abgezielt, das radiale innere Spiel nach der Montage auf Null zu reduzieren, um eine Bearbeitung mit hoher Genauigkeit zu erzielen und das Rattern der Hauptwelle zu unterdrücken. Während des Betriebs ist die Innenringtemperatur höher als die Außenringtemperatur, und in diesem Fall ist die Größe der Ausdehnung des Innenrings größer als die des Außenrings, so dass sich das anfängliche radiale innere Spiel bis zu einem negativen Wert weiter reduziert (Vorlastzustand).
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Im Allgemeinen bewegen sich bei einem Lager während des Betriebs unter dem Einfluss der Abmessungen und Formen der Wälzkörper, des Käfigs und der Innen- und Außenringe die Wälzkörper nicht in vorgegebenen Abständen; vielmehr laufen einige voraus und andere bleiben zurück. In dem Fall, in dem es ein radiales inneres Spiel gibt, wird selbst dann, wenn ein derartiges Führen und Zurückbleiben in dem unter Last stehenden Bereich auftritt, dieses in dem Bereich des Spiels ausgeglichen, so dass sich keine Kraft (Unterschied zwischen Zurückbleiben und Führen) aufbauen kann. Im Zustand des negativen Spiels baut sich dieses entstehende Zurückbleiben und Führen jedoch auf, da es keinen Bereich für einen Ausgleich gibt, und die entsprechende Kraft beeinflusst den Käfig.
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Die Kraft, die aufgrund des Führens und Zurückbleibens von den Rollen auf den Käfig wirkt, kann zur Verformung des gesamten Kreisrings des Käfigs führen, ganz zu schweigen von der Verformung der Zungenstücke des Käfigs, die mit den Rollen in Kontakt sind. Wenn die Federkraft aufgrund der Verformung des Käfigs (die Federkraft, die beispielsweise der Kraft entspricht, durch die der Kreisring des Käfigs nach der Verformung in eine ovale Form wieder in den ursprünglichen Zustand zurückkehrt, oder der Kraft, durch die die Zungenstücke wieder in den ursprünglichen Zustand zurückkehren, nachdem sie unter dem Einfluss der Kraft der Rollen zur Säulenmitte hin verformt wurden) größer wird als die von den Rollen ausgehende Kraft, tritt ein Schlupf zwischen den Wälzkörpern und den Laufrillen auf, durch den das Aufbauen der Kraft vorübergehend ausgeglichen wird. In dem Fall, in dem die Festigkeit des Käfigs nicht berücksichtigt wird, kann der Käfig jedoch einer Wiederholung dieser Verformung und des darauf folgenden Ausgleichs während des Betriebs nicht standhalten, was möglicherweise zum Bruch führen kann.
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Die Betriebsbedingungen für moderne Werkzeugmaschinen erfordern natürlich eine höhere Geschwindigkeit sowie das Erreichen der maximalen Drehzahl (U/min) in kurzer Zeit und das Stoppen in kurzer Zeit (schnelle Beschleunigung und schnelles Stoppen), um die Zeit zum Wechseln der Aufspannvorrichtung zu verkürzen, so dass die Kraft, die auf den Käfig wirkt, immer größer wird.
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Außerdem gibt es Fälle, in denen das Gehäuse gekühlt wird, um der hohen Genauigkeit und dem Betrieb mit hohen Drehzahlen Rechnung zu tragen. Obwohl dies den Vorteil hat, dass die Lagertemperatur gesenkt wird, wird hierdurch auch der Außenring abgekühlt, was zu einem größeren Temperaturunterschied zwischen dem Innen- und dem Außenring führt, und was dazu führt, dass das radiale innere Spiel während des Betriebs zu einem negativen Spiel wird (Erhöhung der Vorlast), was ebenfalls eine Hauptursache für den Anstieg der auf den Käfig wirkenden Kraft ist.
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Aus der
EP 0897064 A1 ist eine Haltestruktur für Rollkörper eines Lagers bekannt, bei dem der die einzelnen Rollen führende Käfig Taschen aufweist zur Aufnahme der Rollen. In ihren Eckbereichen sind die Taschen jeweils großzügig gerundet, so dass Reibkontakt zwischen Käfig und Rolle auf die Rollenmantelfläche bzw. deren Stirnseite begrenzt ist.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Zylinderrollenlager zu schaffen, das während des Betriebs mit hoher Drehzahl und unter Bedingungen der schnellen Beschleunigung und des schnellen Abbremsens eine stabile Leistung bietet, indem die Festigkeit des Käfigs erhöht wird.
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Die Erfindung schafft ein Zylinderrollenlager mit einem Innenring mit einer Laufrille in dessen Außenumfang, einem Außenring mit einer Laufrille in dessen Innenumfang, mehreren Zylinderrollen, die drehbar zwischen der Laufrille des Innenrings und der Laufrille des Außenrings angeordnet sind, und einem Harzkäfig, der die Zylinderrollen in vorherbestimmtem Abstand hält, wobei das Zylinderrollenlager dadurch gekennzeichnet ist, dass der Käfig sich aus einem Paar von Kreisringen und mehreren Säulen, die die Kreisringe verbinden, zusammensetzt und dass Taschen zur Aufnahme von Zylinderrollen 30 zwischen benachbarten Säulen vorgesehen und radial zu den Zylinderrollen positioniert sind, und dass das Verhältnis r/Lw ≥ 0,1 gilt, wobei r der Krümmungsradius der Ecken der Taschen des Käfigs und Lw die Länge der Zylinderrollen ist. Da der Käfig aus Harz besteht, besteht in Bezug auf einen Bruch des Käfigs die Gefahr, dass ein Bruch von den Taschenecken in Richtung der Säule oder in Richtung der Breite des Kreisrings fortschreitet, was ein Problem darstellt, dem besondere Aufmerksamkeit geschenkt werden sollte. Wenn der Krümmungsradius r der Taschenecken klein ist, neigt die Konzentration der Last dazu, die Säulen oder Kreisringe zu brechen, so dass es notwendig ist, den Krümmungsradius r der Ecken so groß zu machen, dass r/Lw ≥ 0,1 ist.
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Da gemäß der Erfindung der Käfig selbst bei einem Betrieb mit hoher Drehzahl und unter Bedingungen der schnellen Beschleunigung und des schnellen Abbremsen eine beständige Leistung bietet, kann ein Zylinderrollenlager geschaffen werden, das für die Rotation mit hohen Drehzahlen besser geeignet ist.
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Es gilt das Verhältnis r/k1 ≤ 1, wobei r der Krümmungsradius der Ecken der Taschen des Käfigs und k1 die minimale Abmessung auf der Innendurchmesserseite des Kreisrings des Käfigs ist. Wenn der Krümmungsradius r der Ecken übereilt erhöht wird, um die Konzentration der Last abzuschwächen, besteht die Gefahr, dass in dem Kreisring ein Bruch auftritt. Um dies zu vermeiden, ist es zu bevorzugen, dass der Krümmungsradius r der Ecken kleiner gemacht wird als die minimale Abmessung k1 auf der Innendurchmesserseite des Kreisrings. Dies hat den Zweck, einen Bruch in dem Kreisring zu vermeiden, der durch die Zugkraft auf der Innendurchmesserseite verursacht wird, wenn der Kreisring des Käfigs durch das Zurückbleiben und Führen der Zylinderrollen verformt wird. Wenn außerdem der Krümmungsradius r der Ecken erhöht werden kann und die minimale Abmessung k1 auf der Innendurchmesserseite des Kreisrings des Käfigs sichergestellt werden kann, tritt kein Problem auf. Doch die Käfigbreite ist im Allgemeinen kleiner angelegt als die Fläche der Lagerbreite, und die gesamte Kreisringbreite ist ebenfalls begrenzt. Darüber hinaus gibt es Fälle, in denen ein mit einer Düse versehenes Abstandsstück in dem Innendurchmesser des Käfigs und dem Außendurchmesser des Innenrings angeordnet ist (
japanische Patentanmeldung 2002-358850 ), wobei die minimale Abmessung k1 auf der Innendurchmesserseite des Kreisrings ebenfalls begrenzt ist.
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Es gilt das Verhältnis r < k2 + r1, wobei r der Krümmungsradius der Ecken der Tasche des Käfigs, k2 der Betrag, um den ein Kontaktabschnitt der Tasche für einen Kontakt mit der Zylinderrollenendfläche hervorragt, und r1 die axiale Abschrägung der Zylinderrolle ist. Das Verwenden einer derartigen Anordnung macht es möglich, eine Störung zwischen dem Krümmungsradius r der Ecken der Tasche und der Abschrägung der Rolle zu vermeiden.
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Es gilt das Verhältnis w5·Z/∅d1·π > 0,1, wobei ∅d1 der Innendurchmesser des Käfigs, w5 der Abstand des Kontaktabschnitts der Tasche, der mit der Zylinderrollenendfläche in Kontakt steht, zur Säule und z die Anzahl der Zylinderrollen ist. Wenn der Kreisring verformt wird, konzentriert sich die Last schnell in der Nähe (w5) der Säule der Tasche, doch wegen des Vorhandenseins des Kontaktabschnitts, der mit der Endfläche der Zylinderrolle in Kontakt ist, konzentriert sich die Last schneller. Um die Konzentration der Last durch die Sicherstellung von w5 abzuschwächen, ist es notwendig, einen Anteil von w5 in Bezug auf die Umfangslänge auf der Innendurchmesserseite des Kreisrings sicherzustellen, und eine Anordnung, bei der die Formel w5·Z/∅·d1·π > 0,1 gilt, vermeidet wirksam einen Bruch des Kreisrings.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
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In der Zeichnung zeigen:
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1A einen Längsschnitt durch ein Zylinderrollenlager, wobei eine Ausführungsform der Erfindung dargestellt ist;
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1B eine Vorderansicht einer Zylinderrolle;
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2 eine allgemeine Draufsicht auf einen Käfig;
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3 eine Unteransicht des Käfigs in 2;
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4 einen Schnitt entlang der Linie IV-IV in 2;
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5 einen Schnitt entlang der Linie V-V in 2;
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6 einen Schnitt entlang der Linie VI-VI in 2;
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7 eine allgemeine Schnittdarstellung, aus der das Positionsverhältnis zwischen Käfig und Zylinderrolle ersichtlich wird;
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8 eine allgemeine Draufsicht ähnlich der 2 zur Erläuterung, wie der Käfig bricht;
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9 einen Längsschnitt, aus dem ein Konstruktionsbeispiel für die Hauptwellenvorrichtung einer Werkzeugmaschine ersichtlich wird;
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10 einen Schnitt durch ein herkömmliches Zylinderrollenlager;
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11 einen Längsschnitt durch eine Spindelvorrichtung nach dem Stand der Technik;
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12 einen Längsschnitt durch eine Spindelvorrichtung, wobei eine Ausführungsform der Erfindung dargestellt ist;
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13 eine allgemeine vergrößerte Darstellung von 12;
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14 eine vergrößerte Schnittdarstellung ähnlich 13, wobei eine andere Ausführungsform der Erfindung dargestellt ist; und
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15 eine vergrößerte Schnittdarstellung ähnlich 13, wobei eine weitere Ausführungsform der Erfindung dargestellt ist.
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BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Nachfolgend werden Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben.
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9 zeigt ein Konstruktionsbeispiel für eine Hauptwellenvorrichtung bei einer Werkzeugmaschine, wie z. B. einem Bearbeitungszentrum oder einer Schleifmaschine. Diese Hauptwellenvorrichtung, die als eingebaute Hauptwellenvorrichtung bezeichnet wird, weist einen Motor 5 auf, der an der axialen Mitte der Hauptwellenvorrichtung angeordnet ist, einen Rotor 5a, der am Außenumfang der Hauptwelle 6 angeordnet ist, und einen Stator 5b, der am Innenumfang eines Gehäuses 7 angeordnet ist. Wenn ein Strom an den Stator 5b angelegt wird, wird eine Erregerkraft zwischen dem Stator 5b und dem Rotor 5a erzeugt, wobei die Erregerkraft die Hauptwelle 6 antreibt. Die Hauptwelle 6 ist zum Zweck der Drehung relativ zu dem Gehäuse 7 in Wälzlagern gelagert, die jeweils auf der Vorderseite (Werkzeugseite) und auf der Rückseite (Gegenseite) angeordnet sind. Normalerweise hat die Rückseite eine Konstruktion, die eine axiale Versetzung der Hauptwelle 6 erlaubt, um die Größe der axialen Ausdehnung der Hauptwelle 6 aufgrund der während des Betriebs entstehenden Wärme zu absorbieren oder auszugleichen (freie Seite). Bei diesem Beispiel wird auf der Vorderseite ein Kombinations-Schrägkugellager 8 (ein Schrägkugellagerpaar) und auf der Rückseite ein einreihiges Zylinderrollenlager 9 verwendet.
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1 zeigt das Zylinderrollenlager 9, das auf der Rückseite anzuordnen ist. Dieses Zylinderrollenlager weist einen Innenring 10 mit einer Laufrille 12 im Außenumfang, einen Außenring 20 mit einer Laufrille 22 im Innenumfang, mehrere Zylinderrollen 30, die drehbar zwischen der Laufrille 12 des Innenrings 10 und der Laufrille 22 des Außenrings 20 angeordnet sind, und einen Harzkäfig 40 auf, mit dem die Zylinderrollen 30 entlang dem Umfang in vorherbestimmtem Abstand gehalten werden. Der Innenring 10 besitzt Borde 14 auf gegenüberliegenden Seiten.
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Das Verhältnis Da/H des Durchmessers Da der Zylinderrolle 30 zur Querschnittshöhe H = (D – d)/2 (D: Außendurchmesser des Lagers, d: Innendurchmesser des Lagers) und das Verhältnis Lw/B der Länge Lw der Zylinderrolle 30 zur Lagerbreite B ist jeweils so festgelegt, dass jeweils 0,3 ≤ Da/H < 0,45 und 0,3 ≤ Lw < B < 0,45 gilt. Darüber hinaus ist der Wert des Verhältnisses Lw/Da der Länge Lw der Zylinderrolle 30 zum Durchmesser Da beispielsweise 1. Zusätzlich zu den oben genannten Vorgaben wird außerdem durch Festlegen der Anzahl der Zylinderrollen 30 auf eine vorherbestimmte Zahl (beispielsweise durch Verringern der Anzahl im Vergleich zur Anzahl der Rollen eines Standard-Zylinderrollenlagers) eine Starrheit sichergestellt, die der eines Kombinations-Schrägkugellagers mit dem gleichen Lagerinnendurchmesser und dem gleichen Lageraußendurchmesser entspricht oder größer ist als diese.
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So wird beispielsweise bei einem Wälzlager, das in der Hauptwellenvorrichtung einer Werkzeugmaschine integriert ist, normalerweise das anfängliche radiale innere Spiel auf Null oder auf einen leicht negativen Wert festgelegt, doch während des Betriebs erhöht sich das negative Spiel aufgrund des Temperaturunterschieds zwischen dem Innen- und dem Außenring, was zu einem Betrieb unter Vorlastbedingungen führt. Wenn in diesem Fall der Zylinderrollendurchmesser Da oder die Länge Lw im Verhältnis zu den anderen Abmessungen zu groß wird, nimmt hierdurch die Erzeugung von Wärme im Kontaktbereich zwischen den Zylinderrollen und den Laufrillen zu. Darüber hinaus ist es unter dem Gesichtspunkt der Gewährleistung der Starrheit und der Festigkeit des Käfigs bei der Installation des Käfigs nachteilig, wenn der Zylinderrollendurchmesser Da oder die Länge Lw zu groß ist. Das heißt, wenn der Durchmesser Da im Verhältnis zur Querschnittshöhe H groß ist, wird der Abstand zwischen den Zylinderrollen verringert, was es manchmal schwierig macht, eine ausreichende Materialdicke der Säulen des Käfigs entlang dem Umfang zu erreichen. Wenn die Länge W im Verhältnis zur Lagerbreite B groß wird, wird es außerdem manchmal schwierig, die axiale Materialdicke der Kreisringe des Käfigs ausreichend sicherzustellen. Bei einem Betrieb unter Vorlastbedingungen nimmt der Umfang des Zurückbleibens und Führen der Umlaufbewegung der Zylinderrollen zu, und der Käfig ist einer großen Kraft ausgesetzt, die von den Zylinderrollen ausgeht, so dass insbesondere in dem Fall, in dem der Käfig aus einem Harzmaterial besteht, eine ungenügende Materialdicke es manchmal unmöglich macht, die erforderliche Starrheit oder Festigkeit für den Käfig zu erhalten. Wenn andererseits der Zylinderrollendurchmesser Da oder die Länge Lw im Verhältnis zu den anderen Abmessungen zu klein ist, wird die grundlegende dynamische Tragzahl zu klein, was zu einer Verringerung der Lebensdauer des Lagers führt. Wenn außerdem der Durchmesser Da im Verhältnis zur Querschnittshöhe H klein ist, wird es schwierig, die radiale Materialdicke des Käfigs ausreichend sicherzustellen.
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Unter Berücksichtigung der obigen Tatsachen werden die optimalen Bereiche des Verhältnisses Da/H und des Verhältnisses Lw/B so festgelegt, dass jeweils 0,3 ≤ Da/H < 0,45 und 0,3 ≤ Lw < B < 0,45 ist. Das heißt, durch Festlegen des Verhältnisses Da/H und des Verhältnisses Lw/B auf diese Bereiche wird es ermöglicht, die erforderliche grundlegende dynamische Tragzahl sicherzustellen und gleichzeitig die Erzeugung von Wärme in dem Kontaktbereich zwischen den Zylinderrollen und den Laufrillen zu unterdrücken, und bei der Installation des Käfigs ist es möglich, die erforderliche Starrheit oder Festigkeit zu erzielen und gleichzeitig die Materialdicke des Käfigs in ausreichendem Maß sicherzustellen. Außerdem wird durch das Festlegen des Bereichs 0,3 ≤ Lw < B < 0,45 die Toleranz für das axiale Positionieren der Zylinderrollen und der Laufrillen mehr erhöht als beim Stand der Technik, was den Vorteil der Vereinfachung des Montagevorgangs bietet.
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Der Käfig 40 besteht aus einem Harzmaterial, beispielsweise Polyetheretherketon (PEEK), mit einem Zusatz von 20–40 Gew.% Glasfasern oder Kohlenstofffasern; wie in 2–7 dargestellt, weist er ein Paar axial gegenüberliegender Kreisringe 42 auf, die um einen vorherbestimmten Betrag voneinander beabstandet sind, sowie eine Mehrzahl von Säulen 44, die die Kreisringe 42 miteinander verbinden. Zwischen benachbarten Säulen 44 sind jeweils fensterförmige Taschen 46 ausgebildet. Wie in 5 dargestellt, ist jede Säule 44 mit einem Paar Zungen 44b versehen, die sich im Wesentlichen radial von der Basis 44a gabeln. Außerdem ist die Innenfläche des Kreisrings 42, die die Umfangswandfläche der Tasche 46 bildet, mit einer leicht erhabenen Kontaktfläche 48 versehen, um die Endfläche der Zylinderrolle 30 zu führen.
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Wie vergrößert in 7 dargestellt, besteht die Seitenfläche der Säule 44, die die axiale Wandfläche der Tasche 46 bildet, aus einer geraden Fläche 44c auf der Innendurchmesserseite und einer bogenförmigen Fläche 44d auf der Außendurchmesserseite, die glatt ineinander übergehen. Die gerade Fläche 44c wird hauptsächlich durch eine Seitenfläche der Basis 44a gebildet, während die bogenförmige Fläche 44d hauptsächlich durch eine Seitenfläche der Zunge 44b gebildet wird. Die bogenförmige Fläche 44d beschreibt einen Bogen, der einen etwas größeren Krümmungsradius hat als der Krümmungsradius der Rolloberfläche 32 der Zylinderrolle 30. Das Wälzkörper-Führungssystem ist so angelegt, dass die Zylinderrolle 30 mit der bogenförmigen Fläche 44d in Eingriff kommt, wenn sie in der Tasche 46 eine relative Bewegung um einen vorherbestimmten Betrag radial nach außen ausführt, wodurch das Herausziehen der Zylinderrolle 30 radial nach außen kontrolliert wird, und das radiale Positionieren wird auch während der Rotation des Lagers durch die Zylinderrolle und die Tasche des Käfigs ausgeführt. Die gerade Fläche 44c und die bogenförmige Fläche 44d arbeiten so zusammen, dass sie eine Führungsfläche zum Führen der Rolloberfläche 32 der Zylinderrolle 30 bilden. Außerdem existiert eine untere Fläche 44f zwischen den anderen Seitenflächen 44e der Zungen 44b, und Ecken 44g, an denen die Seitenflächen 44e mit der unteren Fläche 44f zusammenkommen, sind durch bogenförmige Flächen glatt miteinander verbunden.
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Um die erforderliche Starrheit und Festigkeit des Käfigs 40 sicherzustellen, ist bei dieser Ausführungsform die jeweilige Materialdicke der verschiedenen Abschnitte folgendermaßen festgelegt. Zunächst ist die Materialdickenabmessung U am Basisende der Zunge 44b (siehe 7) in Bezug auf den Durchmesser Da der Zylinderrolle 30 so festgelegt, dass U/Da ≥ 0,2 ist. In dem Fall, in dem die Ecken 44g durch bogenförmige Flächen gebildet werden, ist die Materialdicke U am Basisende die minimale Abmessung von der Bezugsposition, die ein Schnittpunkt X zwischen der Seitenfläche 44e und der Ecke 44g ist, bis zur geraden Fläche 44c oder der bogenförmigen Fläche 44d. Dann ist die axiale Materialdicke W (siehe 2) des Kreisrings 42 in Bezug auf die Länge Lw der Zylinderrolle 30 so festgelegt, dass W/Lw ≥ 0,4 ist, und die radiale Materialdicke T (siehe 4) des Kreisrings 42 in Bezug auf den Durchmesser Da der Zylinderrolle 30 ist so festgelegt, dass 0,5 ≤ T/Da ≤ 0,6 ist.
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Der Krümmungsradius r (siehe 3) der Ecken der Tasche 46 des Käfigs 40 ist auf das Verhältnis r/Lw ≥ 0,1 festgelegt, wobei Lw die Länge der Zylinderrolle 30 ist. Besondere Aufmerksamkeit sollte der Möglichkeit geschenkt werden, dass im Fall einer Beschädigung des Käfigs 40 eine derartige Beschädigung sich von der Ecke der Tasche 46 in Richtung der Säule 44 oder in Richtung der Breite des Kreisrings (siehe 8) entwickeln kann. In dem Fall, in dem der Krümmungsradius r der Ecken der Tasche 46 klein ist, bewirkt eine Lastkonzentration, dass die Säule 44 oder der Kreisring 42 dazu neigt, zu brechen; daher sollte der Krümmungsradius r der Ecken groß sein, so dass r/Lw ≥ 0,1 ist.
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Darüber hinaus ist das Verhältnis zwischen dem Krümmungsradius r der Ecken der Tasche 46 des Käfigs 40 und der minimalen Abmessung k1 (siehe 3) auf der Innendurchmesserseite des Kreisrings 42 des Käfigs 40 auf r/k1 ≤ 1 festgelegt. Wenn der Krümmungsradius r der Ecken übereilt erhöht wird, um die Konzentration der Last abzuschwächen, besteht die Gefahr, dass in dem Kreisring 42 ein Bruch auftritt. Um dies zu vermeiden, ist es zu bevorzugen, dass der Krümmungsradius r der Ecken kleiner ist als die minimale Abmessung k1 auf der Innendurchmesserseite des Kreisrings 42. Dies hat den Zweck, einen Bruch in dem Kreisring zu vermeiden, wenn der Kreisring 42 des Käfigs 40 durch das Zurückbleiben und Führen der Zylinderrollen 30 verformt wird – zu diesem Zeitpunkt würde andernfalls die Zugkraft auf der Innendurchmesserseite des Kreisrings 42 zu dem Bruch des Kreisrings führen.
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Wenn der Krümmungsradius r der Ecken erhöht und die minimale Abmessung k1 auf der Innendurchmesserseite des Kreisrings
42 sichergestellt werden kann, tritt kein Problem auf. Doch die Breite des Käfigs
40 ist im Allgemeinen kleiner angelegt als die Fläche der Lagerbreite, und die gesamte Breite des Kreisrings
42 ist begrenzt. Darüber hinaus gibt es Fälle, in denen ein mit einer Düse versehenes Abstandsstück in dem Innendurchmesser des Käfigs
40 und dem Außendurchmesser des Innenrings
10 angeordnet ist (
japanische Patentanmeldung 2002-358850 ), wobei die minimale Abmessung k1 auf der Innendurchmesserseite des Kreisrings
42 ebenfalls begrenzt ist.
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Wie in 6 dargestellt, sind die Werte w5, also der Abstand (die minimale Materialdicke des Kreisrings) zwischen der Kontaktfläche 48 mit der Rollenendfläche und der Säule 44, ∅d1, also der Innendurchmesser des Käfigs, und Z, also die Anzahl der Rollen, so festgelegt, dass sie im Verhältnis w5·Z/∅d1·π > 0,1 stehen. Wenn der Kreisring 42 verformt wird, konzentriert sich die Last schnell in der Nähe (w5) der Säule 44 der Tasche 46, doch wegen des Vorhandenseins des erhabenen Abschnitts 48, der mit der Endfläche der Zylinderrolle 30 in Kontakt ist, konzentriert sich die Last schneller. Um die Konzentration der Last durch die Sicherstellung von w5 abzuschwächen, ist es notwendig, einen Anteil von w5 in Bezug auf die Umfangslänge auf der Innendurchmesserseite des Kreisrings 42 sicherzustellen, und eine Anordnung, bei der die Formel w5·Z/∅d1·π > 0,1 gilt, vermeidet wirksam einen Bruch des Kreisrings.
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Der Krümmungsradius r der Ecken der Taschen 46 des Käfigs 40 ist kleiner angelegt als die Summe des Betrags k2, um den die Kontaktfläche 48 hervorragt, um mit der Endfläche der Zylinderrollen 30 in Kontakt zu kommen, und der axialen Abschrägung r1 der Zylinderrolle 30 (r < k2 + r1). Dies hat den Zweck, eine Störung zwischen dem Krümmungsradius r der Ecken der Tache 46 und der Abschrägung der Zylinderrolle 30 zu vermeiden.
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Wie in 9 dargestellt, ist bei dem Zylinderrollenlager 9 dieser Ausführungsform der Innenring 10 auf dem Außenumfang der Hauptwelle 6 befestigt, und der Außenring 20 ist im Innenumfang des Gehäuses 7 befestigt. Das radiale innere Spiel während des Betriebs ist beispielsweise auf ein negatives Spiel festgelegt, und das Innere des Lagers wird durch ein Schmiersystem geschmiert, wie z. B. durch Luft/Öl-Schmierung, Ölnebelschmierung, Einspritzschmierung oder Fettschmierung. Wenn die Hauptwelle 6 durch den in der Hauptwellenvorrichtung aufgenommenen Motor 5 mit hoher Drehzahl angetrieben wird, um in Drehung versetzt zu werden, ist die Hauptwelle 6 zur Rotation relativ zu dem Gehäuse 7 auf der Vorderseite in dem Schrägkugellager 8 und auf der Rückseite in dem Zylinderrollenlager 9 gelagert. Wenn sich die Hauptwelle 6 aufgrund des Temperaturanstiegs während des Betriebs in Axialrichtung thermisch ausdehnt, wird der Betrag der axialen Ausdehnung durch gleitende Versetzung zwischen dem Außenring 20 und den Zylinderrollen 30 des Zylinderrollenlagers 9 absorbiert oder ausgeglichen.
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Harzkäfige werden manchmal durch spanabhebende Bearbeitung hergestellt; im Allgemeinen werden jedoch geformte Käfige, die in Massenproduktion herzustellen sind, verwendet. Im Fall der Herstellung der Harzkäfige durch Formgebung ist es allgemein bekannt, dass die Schweißstelle (Harzverbindung) in ihrer Festigkeit abnimmt; daher ist es gängige Praxis, die Schweißstelle so festzulegen, dass sie in einem Bereich mit großer Materialdicke (oder mit einer großen Querschnittsfläche) positioniert ist. Die Positionierung der Schweißstelle in dem Kreisring, der die kleinste Querschnittsfläche hat, sollte natürlich vermieden werden. In diesem Fall wird die Schweißstelle in der Säule positioniert, die eine große Querschnittsfläche hat. Wie in 5 dargestellt, sind die Werte ∅P, also der Durchmesser der Unterseite der Aussparung der Rückseite der Zunge 44b, w1, also die Umfangsabmessung des Aussparungsabschnitts, und w2, also die Umfangsabmessung des Innendurchmessers der Säule, so festgelegt, dass sie im Verhältnis w1·Z/∅p·π > 0,1 und w1/w2 > 0,3 stehen, wobei selbst in dem Fall, in dem die Schweißstelle in der Mitte der Säule 44 positioniert ist, eine Lastkonzentration vermieden wird und der Käfig 40 seine Funktion ausführen kann, ohne zu brechen.
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So ist beispielsweise in dem Fall, in dem der Innenring 10 Borde 14 aufweist, die Außendurchmesserseite des Käfigs 40 mit Zungen 44b versehen, um zu verhindern, dass die Zylinderrollen 30 abfallen, wobei diese auch vorgesehen sind, um durch die Zylinderrollen und die Tasche des Käfigs radial positioniert zu werden. Im Fall eines Formstücks ist die Zunge 44b kleiner als die Tasche 46. Wenn daher die Formgebung durchgeführt wird, indem das Formstück für die Tasche unter Krafteinwirkung radial nach außen gezogen wird, werden die Zungen 44b elastisch verformt, um ein Herausziehen unter Krafteinwirkung zu ermöglichen. Außerdem erfolgt das Einsetzen der Zylinderrollen 30 von der Außendurchmesserseite, so dass die Zungen 44b elastisch verformt werden, wenn die Zylinderrollen 30 hindurchgeführt werden. Um zu dieser elastischen Verformung der Zungen 44b beizutragen, haben die Mittelbereiche der Säulen 44 die Form einer Aussparung. Selbst wenn ein entsprechender Querschnitt sichergestellt ist, ist besondere Vorsicht notwendig, wenn die Schweißstelle in einem derartigen Tal positioniert wird. Es wurde bereits beschrieben, dass der Käfig 40 durch das Zurückbleiben und Führen der Zylinderrollen 30 verformt wird; es ist notwendig, die Konzentration der Last in dem Tal aufgrund dieser Verformung zu mildern.
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Zur späteren Bezugnahme wird nun ein Verfahren zur Einstellung des Einsatzspiels eines Zylinderrollenlagers beschrieben, das mit hoher Drehzahl bei der Hauptwelle einer Werkzeugmaschine o. Ä. verwendet wird. Bei einer herkömmlichen Werkzeugmaschine wurde ein Zylinderrollenlager als Hauptwellenlager verwendet und regelmäßig mit hoher Drehzahl betrieben, mit der Absicht, die Genauigkeit und die Effektivität der Bearbeitung zu verbessern. Wenn ein Zylinderrollenlager für die Hauptwelle verwendet wird, wird die Handhabung des Lagerspiels nach dem Einsetzen des Lagers in funktioneller Hinsicht wichtig. Bisher wurde das Einsatzspiel eines Zylinderrollenlagers, wie es in 11 dargestellt ist, eingestellt, indem ein Innenring, dessen Innendurchmesser verjüngt ist, an dem Kegelwellenbereich der Hauptwelle befestigt wird und der Laufrillendurchmesser des Innenrings ausgedehnt wird, indem der Innenring axial eingetrieben wird.
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Was herkömmliche Werkzeugmaschinen betrifft, so besteht hier die Tendenz, sie mit hohen Drehzahlen zu betreiben, um die Effizienz der Zerspanung zu erhöhen. Bei dem herkömmlichen Verfahren zum Einstellen des Lagerspiels steht jedoch zu befürchten, dass bei der Erhöhung der Drehzahl des Lagers Probleme auftreten. Dies liegt an der Neigung der Laufrille des Innenrings, die darauf zurückzuführen ist, dass der Innendurchmesser des Innenrings konisch zulaufend ist. Da sich ein radiales lokalisiertes Material zwischen der konisch zulaufenden Seite großen Durchmessers und der Seite kleinen Durchmessers befindet, entsteht ein Unterschied in der Ausdehnung (Seite großen Durchmessers > Seite kleinen Durchmessers), wenn beim Betrieb die Zentrifugalkraft wirkt, mit dem Ergebnis, dass die Laufrille des Innenrings schräg geneigt ist, was die Hauptursache für das Schieflaufen der Rollen und somit erhöhte Reibung ist.
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Darüber hinaus werden im Fall der Einstellung des Spiels unter Verwendung einer Kegeligkeit die Kegeligkeit des Innenrings und die Kegeligkeit der Welle separat durch einen Lagerhersteller und einen Werkzeugmaschinenhersteller bearbeitet, was zu einem Unterschied des Kegelwinkels zwischen den beiden Produkten führt, was wiederum die Ursache für eine Verschlechterung der Genauigkeit beim Zusammensetzen der beiden Produkte ist. Daher treten bei dem herkömmlichen Lager, das eine Kegelfläche auf dem rotierenden Innenring aufweist, vermehrt Schäden aufgrund des Aufbaus bzw. der Form auf, was ein Hindernis für die Erhöhung der Drehzahl darstellt.
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Demzufolge wird vorgeschlagen, die Einstellung des Lagerspiels nach dem Einsetzen auf der Außenringseite vorzunehmen und nicht auf der Innenringseite. Der Innenring sollte eine gerade Oberfläche haben und durch gewöhnliche Feinpassung auf der Hauptwelle befestigt werden. Die Einstellung des Spiels erfolgt durch Anordnen eines Rings mit einer Lagerspiel-Einstellfunktion zwischen dem Außenring und dem Lagerkörper und axiales Eintreiben desselben, wodurch der Außenring radial zusammengezogen wird. Der Betrag des Zusammenziehens des Außenrings wird abhängig von dem Betrag eingestellt, um den der Ring axial eingetrieben wird. Die Verwendung einer derartigen Anordnung hat die nachfolgend aufgezählten Wirkungen zur Folge. Aufgrund des Fehlens eines lokalisierten Materials bezüglich der Breite der Laufrille des Innenrings tritt eine Verformung der Laufrillen aufgrund der Zentrifugalkraft während des Betriebs nicht auf, was den Betrieb mit hohen Drehzahlen ermöglicht. Die Kegeligkeit der Bestandteile kann am gleichen Ort bearbeitet werden, so dass die Genauigkeit der Passung der einander gegenüberliegenden Teile verbessert wird. Bei den jeweiligen Befestigungsbereichen des Gehäuses und des Außenrings kann eine Feinpassung auf einfache Weise erzielt werden, und die Genauigkeit der Abmessung des Innendurchmessers des Gehäuses kann im Vergleich zum Stand der Technik eher grob festgelegt werden. Das Lagerspiel kann selbst nach dem Einsetzen der Spindel noch eingestellt werden.
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12 zeigt ein Beispiel für die Hauptwellenvorrichtung oder die sogenannte Hauptwellenspindel einer Werkzeugmaschine, bei der ein Zylinderrollenlager 60 auf der Arbeitsseite und Schrägkugellager 58 Seite an Seite auf der Gegenseite angeordnet sind. Das Zylinderrollenlager 60 weist einen Innenring 62, einen Außenring 64, Zylinderrollen 66 und einen Käfig 68 auf, wobei der Innenring 62 durch Schrumpf- oder Presspassung auf der Hauptwelle 50 befestigt ist und der Außenring 64 in einem Gehäuse 52 befestigt ist. Wie vergrößert in 13 dargestellt, ist ein Spieleinstellmittel 70A in Form einer Doppelröhre vorgesehen, die über eine Kegelfläche mit dem Außenumfang des Zylinderrollenlagers 60 in Kontakt steht. Das Spieleinstellmittel 70A setzt sich in diesem Fall aus einem äußeren Kreisring 72, einem inneren Kreisring 74 und einem Anschlag 76 zusammen. Der äußere Kreisring 72 ist an seiner äußeren Umfangsfläche zylindrisch und ist mittels dieser zylindrischen Außenumfangsfläche in einer zylindrischen Öffnung in dem Gehäuse 52 befestigt. Die innere Umfangsfläche des äußeren Kreisrings 72 ist eine Kegelfläche, deren Arbeitsseite (in 13 die linke Seite) im Durchmesser verringert ist. Der innere Kreisring 74 ist an seiner Innenumfangsfläche zylindrisch und ist mittels dieser zylindrischen Innenumfangsfläche auf der Außenumfangsfläche des Außenrings 64 befestigt. Die Außenumfangsfläche des inneren Kreisrings 74 ist eine Kegelfläche, die der Innenumfangsfläche des äußeren Kreisrings 72 entspricht. Eine Abdeckung 54 drückt axial auf den äußeren Kreisring 72, wodurch der innere Kreisring 74 und der Außenring 64 radial zusammengezogen werden. Das heißt, der innere Kreisring 74 hat die Funktion, den axialen Schub, der durch den äußeren Kreisring 72 erzeugt wird, in die radiale Kontraktionskraft auf den Außenring 64 umzuwandeln. Der Anschlag 76 spielt eine Rolle bei der Begrenzung des Betrags, um den der äußere Kreisring 72 nach innen gedrückt wird, und bei der Bestimmung der Größe der Kontraktion des Außenrings 64.
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Der Vorgang des Einstellens des Lagerspiels läuft folgendermaßen ab:
- (a) Zunächst wird der Durchmesser eines um die Zylinderrolle 66 umbeschriebenen Kreises gemessen, nachdem der Innenring 62 durch Presspassung an der Hauptwelle 50 befestigt wurde.
- (b) Der Laufrillendurchmesser des Außenrings 64 wird nach dem Einsetzen bestimmt, und zwar auf der Basis des gemessenen Durchmessers des um die Zylinderrolle umbeschriebenen Kreises und auf der Basis der Größe des gewünschten Lagerspiels, das festzulegen ist.
- (c) Als nächstes werden der Außenring 64 und das Spieleinstellmittel 70A in das Gehäuse 52 eingesetzt, und die Abdeckung 54 wird verwendet, um axial auf den äußeren Kreisring 72 zu drücken, bis dieser am Anschlag 76 anstößt (dies wird durch die von Schrauben bzw. Bolzen 56 erzeugte Spannkraft bewirkt), um zu dem Verhältnis zwischen der Abmessung des Anschlags 76 in der Breite und einer Änderung im Durchmesser der Außenring-Laufrille zu gelangen.
- (d) Auf der Basis des Verhältnisses, zu dem man in Schritt c) gelangt, wird die Abmessung in der Breite des Anschlags 76 bestimmt, die erforderlich ist, um den in b) bestimmten Durchmesser der Außenring-Laufrille zu erhalten.
- (e) Man gelangt zu dem Verhältnis zwischen der Abmessung in der Breite, die in Schritt d) bestimmt wurde, und der Änderung des Durchmessers der Außenring-Laufrille.
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Das vorgenannte Beispiel bezieht sich auf den Fall, bei dem das Spieleinstellmittel 70A in Form einer Doppelröhre verwendet wird, die über eine Kegelfläche einen Kontakt zwischen der Außenumfangsfläche des Außenrings 64 und dem Gehäuse 52 herstellt. Wenn jedoch eine Kegelfläche in dem Lagereinsetzabschnitt des Gehäuses 52 ausgebildet werden kann, kann auf den äußeren Kreisring 72 aus Gründen der Vereinfachung verzichtet werden. 14 zeigt ein derartiges Spieleinstellmittel 70B, wobei das Gehäuse 52 mit einer konischen Öffnung versehen ist, und wobei ein ringförmiger Körper 74', der eine Kegelfläche besitzt, die der Kegelfläche der konischen Öffnung entspricht, darin eingesetzt ist. Auf der innersten Seite des ringförmigen Körpers 74' ist ein Anschlag 76' angeordnet, der die Funktion übernimmt, den Betrag der Kontraktion des Außenrings 64 zu bestimmen, indem er den Betrag, um den der ringförmige Körper 74' axial nach innen gedrückt wird, begrenzt. Die Einstellung des Lagerspiels kann in der gleichen Weise erfolgen, wie es oben beschrieben wurde.
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Wie in 15 dargestellt, ist auch ein Verfahren denkbar, bei dem ein Spieleinstellmittel 70C mit einer speziellen Querschnittsform verwendet wird. Das Spieleinstellmittel 70C weist einen Ring 78 auf, der zwischen der Außenumfangsfläche des Außenrings 64 und dem Gehäuse 52 angeordnet ist, sowie ein Abstandsstück 77, das zwischen dem Gehäuse 52 und der Abdeckung 54 angeordnet ist. Das Abstandsstück 77 spielt eine Rolle bei der axialen Positionierung der Abdeckung 54. Die axiale Verformung des Rings 78 bewirkt die Kontraktion der Innendurchmesser-Abmessung des Rings 78, und der Außenring 64, der in dessen Innenumfangsfläche befestigt ist, wird ebenfalls so zusammengezogen, dass dessen Innendurchmesser-Abmessung eingestellt wird. Da der Betrag der Einstellung der Abmessung durch den Betrag der axialen Verformung des Rings 78 bestimmt wird, muss nur die Abmessung des Abstandsstücks 77 in der Breite eingestellt werden, das den Betrag der axialen Verformung des Rings 78 begrenzt.
