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Die Erfindung richtet sich auf ein
Tonnenlager mit einem Außen-
und einem Innenring, mit wenigstens einer Reihe dazwischen angeordneter,
tonnenförmiger
Wälzkörper sowie
mit wenigstens einem mit den Wälzkörpern umlaufenden
scheibenförmigen Käfig, der
in eine rundumlaufende Nut der Wälzkörper einer
Reihe eingreift und an seinem Außenumfang eine der Anzahl der
Wälzkörper einer
Reihe entsprechende Zahl von Ausnehmungen aufweist.
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Eine gattungsgemäße Anordnung ist der deutschen
Patentschrift 663 179 zu entnehmen. Diese zeigt ein Pendelrollenlager,
wobei die Wälzkörper einen
abgestuften Querschnitt aufweisen und mit ihren distalen Bereichen
auf dem Außenring
sowie mit ihren proximalen Bereichen auf dem Innenring abrollen.
Bei dieser Anordnung ergibt sich allerdings einerseits ein ungünstiger
Kraftverlauf, indem die Wälzkörper nicht
nur auf Druck, sondern auch auf Biegung beansprucht werden, andererseits
ist der axiale Platzbedarf dieses Lagers vergleichsweise groß. Genauso
schwerer wiegt allerdings der Nachteil, dass bereits bei einem geringen
Verschwenken des Außenrings
gegenüber
den übrigen
Lagerbestandteilen, wie dies bei Tonnenlagern möglich ist, eine der beiden
Berührungsflächen zwischen
den Wälzkörpern und
dem äußeren Ring
schnell bis auf Null abnehmen kann. Dies führt aufgrund der auf die Wälzkörper einwirkenden
Quermomente zu einer Instabilität
des betreffenden, tonnenförmigen
Wälzkörper, welche
evtl. deren beim Weiterdrehen des Lagers erforderliche Rückkehr auf
die Lauffläche
des Außenrings
verhindert und solchenfalls zur Zerstörung des Lagers führt. Hier
kann auch der Scheibenkäfig
keinerlei Stabilisierung leisten, da dieser die Wälzkörper ausschließlich in
deren tangentialer Position, nicht dagegen in radialer Richtung
führt.
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Aus diesen Nachteilen des beschriebenen Stands
der Technik resultiert das die Erfindung initiierende Problem, ein
gattungsgemäßes Tonnenlager derart
weiterzubilden, dass auch bei einem erheblichen Verschwenken des
Außenrings
gegenüber
den übrigen
Bestandteilen des Tonnenlagers die Wälzkörper stabil bleiben und beim
Weiterdrehen des Lagers jederzeit wieder zur Mitte der Lauffläche des
Außenrings
zurückkehren
können.
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Die Lösung dieses Problems gelingt
bei einem gattungsgemäßen Tonnenlager,
indem die gesamte Lauffläche
des Innenrings über
die gesamte axiale Länge
eines Wälzkörpers einen
konkaven Querschnitt hat; und der kleinste Abstand zwischen den
beiden Seiten einer Ausnehmung des Scheibenkäfigs im Bereich von dessen
Außenumfang
kleiner ist als der Durchmesser eines Wälzkörpers im Bereich der diesen
umlaufenden Nut.
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Diese beiden Maßnahmen ergänzen sich insofern, als einerseits
keine Quer- bzw.
Kippmomente auf die Wälzkörper einwirken,
weil einander in radialer Richtung gegenüberliegende Oberflächenbereiche
der Wälzkörper die
Radialkräfte
auf die beiden Lagerringe einleiten, so dass die Wälzkörper selbst bei
einem starken Verschwenken der Lagerbestandteile stabil bleiben.
Darüber
hinaus können
sich die Wälzkörper aufgrund
des scheibenförmigen
Käfigs selbst
dann nicht von dem Lager lösen,
wenn sie vorübergehend
den vollständigen
Kontakt zu dem Außenring
verlieren. Das erfindungsgemäße Lager
arbeitet daher selbst dann noch einwandfrei, wenn die Verschwenkung
der Lagerbestandteile die üblichen Grenzwerte überschreitet.
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Indem die (größte) Breite der Nut zwischen den
Bereichen des Wälzkörpermantels
mit dem größten Querschnitt
nur etwa ein Viertel bis ein Zehntel der axialen Gesamtlänge des
Wälzkörpers ausmacht,
ergibt sich ein hohes (radiales) Tragvermögen eines Wälzkörpers, wodurch die Stabilität eines
derartigen Tonnenlagers im Verhältnis
zu dessen axialer Erstreckung sehr groß ist.
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Es hat sich als günstig erwiesen, dass der Abstand
des Bodens einer Ausnehmung des Scheibenkäfigs zu dessen Innenumfang
kleiner ist als die Tiefe der Nut in einem Wälzkörper. Dadurch wird die gewünschte,
rein konkave Querschnittsgeometrie der Lauffläche des Innenrings ermöglicht.
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Indem die maximale (radiale) Breite
des ringförmigen
Scheibenkäfigs
zwischen dessen inneren und äußeren Umfangskreis
größer ist
als der halbe Durchmesser eines Wälzkörpers im Bereich der diesen
umlaufenden Nut, so können
die Wälzkörper an den
einander diametral gegenüberliegenden
Bereichen des Nutgrundes umgriffen und dadurch sicher gehalten werden,
selbst wenn der Außenring
sehr stark gegenüber
den übrigen
Lagerbestandteilen verschwenkt wird.
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Bevorzugt sollte die maximale (radiale)
Breite des ringförmigen
Scheibenkäfigs
zwischen dessen inneren und äußeren Umfangskreis
gleich dem Durchmesser eines Wälzkörpers im
Bereich der diesen umlaufenden Nut sein oder größer als dieser, um einerseits
trotz der Ausnehmungen am Außenumfang
eine ausreichende Stabilität
zu erhalten und andererseits die einzelnen Wälzkörper sicher umgreifen zu können.
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Es hat sich bewährt, den Abstand zwischen zwei
benachbarten Ausnehmungen des Scheibenkäfigs im Bereich von dessen
Außenumfang
größer zu wählen als
die Differenz des maximalen Durchmessers eines Wälzkörpers minus dessen Durchmessers im
Bereich des Nutgrundes, bspw. um 5 bis 30 %, so dass benachbarte
Wälzkörper nicht
in gegenseitigen Kontakt treten können.
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Wenn – wie die Erfindung weiterhin
vorsieht – die
Seiten einer Ausnehmung im Bereich des Außenumfangs des Scheibenkäfigs in dessen radialer Richtung
(nach außen
gesehen) zueinander konvergieren, so werden die Funktionen der leichtgängigen Drehbeweglichkeit
der Wälzkörper einerseits
und deren sichere Halterung andererseits auf vorteilhafte Weise
miteinander kombiniert.
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Weitere Vorteile ergeben sich dadurch,
dass eine Ausnehmung des Scheibenkäfigs durch eine Kurve (bereichsweise)
konstanter Krümmung
berandet wird. Der Krümmungsradius
rS dieser Kurve sollte etwas größer sein
als der halbe Durchmesser eines Wälzkörpers im Bereich von dessen
Nutgrund, so dass ein (geringes) Spiel für eine leichtgängige Verdrehbarkeit
des betreffenden Wälzkörpers sorgt.
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Eine Auswirkung des weiter oben geforderten
Formschlusses zwischen Scheibenkäfig
und Wälzkörpern zeigt
sich darin, dass der (bereichsweise konstante) Krümmungsradius
r der Berandungskurve einer Ausnehmung des Scheibenkäfigs kleiner sein
sollte als die radiale Breite b des Scheibenkäfigs: r < b, denn solchenfalls gelingt es den
Enden der Randkurve, sich im Bereich des Außenumfangs des Scheibenkäfigs einander
anzunähern.
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Ein weiteres, vorteilhaftes Merkmal
der Erfindung liegt darin, dass die rundumlaufende Nut in dem Mantel
eines tonnenförmigen
Wälzkörpers zueinander
parallele oder nach außen
voneinander divergierende Seitenflächen aufweist. Um eine möglichst
reibungsfreie Relativverdrehung der Wälzkörper gegenüber dem Scheibenkäfig zu gewährleisten,
sollte die Breite der Nut in dem Mantel eines tonnenförmigen Wälzkörpers stets
etwas größer sein
als die (axiale) Breite d des Scheibenkäfigs. Andererseits können einzelne
Wälzkörper in
besonderen Belastungsfällen zu
einer Kippbewegung gegenüber
dem Scheibenkäfig
gezwungen sein, und eine solche Bewegung kann ggf. erleichtert werden
durch eine Nutform mit nach außen
divergierenden Seitenflächen.
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Dieses Erfindungsmerkmal lässt sich
dahingehend weiterbilden, dass die Seitenflächen der rundumlaufenden Nut
in dem Mantel eines tonnenförmigen
Wälzkörpers entlang
von Kegelmantelflächen
verlaufen. Es handelt sich hierbei um eine einfache geometrische
Form, welche allen gestellten Anforderungen gerecht wird.
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Wenn hierbei die Kegelmantelflächen jeweils Öffnungswinkel
a von weniger als 179° aufweisen,
so schließen
die Seitenflächen
einer Nut einen Zwischenwinkel β =
180° – a von
mehr als 2° ein.
Zu einem daraus folgenden Wälzkörper-Kippwinkel addiert
sich ein von dem Spiel zwischen diesen Elementen hervorgerufener
Kippwinkel, so dass der maximale Kippwinkel der Wälzkörper-Rotationsachsen gegenüber dem
Lot auf die Grundfläche
des Scheibenkäfigs
bspw. In der Größenordnung
von 5° bis
10° liegen
kann. Dieser spielbedingte Kippwinkel wird durch die Nutbreite bN am Nutgrund beeinflusst. Aus Gründen der
Reibungsminimierung sollte dieser Wert mindestens der (axialen)
Dicke d des Scheibenkäfigs entsprechen;
Die Differenz zwischen der Nutbreite bN am
Nutgrund und der (axialen) Dicke d des Scheibenkäfigs kann bevorzugt nach der
folgenden Relation etwa auf den Öffnungswinkel
a der kegelmantelförmigen
Nutseitenflächen
eingestellt werden: bN – d ≈ 2 · rS · tan
(β/2) =
2 · rs · tan (90° – a/2)
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Solchenfalls liegen die sich etwa
in Kipprichtung erstreckenden Bereiche der Nutseitenflächen eines
Wälzkörpers bei
dessen maximaler Kippstellung etwa parallel zu dem Scheibenkäfig, und
ggf. zu übertragende
Führungskräfte können großflächig und
daher mit geringem Druck eingeleitet werden.
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Andererseits sollte der Öffnungswinkel
a derartiger Kegelmantelflächen
mehr als 170°,
vorzugsweise von mehr als 175°,
insbesondere mehr als 178° betragen,
so dass die Seitenflächen
einer Nut einen Zwischenwinkel β =
180° – a von
weniger als 20°,
vorzugsweise von weniger als 10°,
insbesondere von weniger als 4°,
einschließen.
Dadurch ergibt sich eine zusätzliche
Führung
(im Sinne einer Begrenzung des Kippwinkels) von der Lauffläche des Außenrings
(bspw. infolge einer starken Verschwenkung desselben) abgehobener
Wälzkörper, welche eine
möglichst
problemlose Kontaktaufnahme zwischen diesen Elementen (bspw. bei
einer Reduzierung des Schwenkwinkels) fördert.
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Schließlich entspricht es der Lehre
der Erfindung, dass der Querschnitt des Innen- und Außenrings
und der Wälzkörper derart
bemessen ist, dass sich pro Wälzkörper insgesamt
3 oder 4 Berührungspunkte
ergeben. Dieses Merkmal betrifft insbesondere den Quer-Wölbungsradius
der querschnittlich konkaven Laufflächen des Innen- und Außenrings.
Dieser Wölbungsradius
sollte etwas größer sein
als der Wölbungsradius
der tonnenförmigen
Wälzkörper innerhalb
einer Längs-Schnittebene
durch den betreffenden Wälzkörper. Da
jedoch im Bereich eines Tonnen-„Äquators" dessen Nut zur Aufnahme des Scheibenkäfigs verläuft, können sich
die daraus folgenden zwei Berührungspunkte
aufspalten in drei oder vier Berührungspunkte.
Dieser Effekt ist erwünscht,
weil dadurch die Tragkraft eines Wälzkörpers erhöht wird, und kann noch dadurch
verstärkt
werden, dass die Mittelpunkte der Quer-Wölbungsradien der beiden Tonnen-„Hemisphären" zu beiden Seiten
der (äquatorialen)
Nut für
den Schei benkäfig
in Richtung der Rotations- bzw. Symmetrieachse des betreffenden, tonnenförmigen Wälzkörpers voneinander
beabstandet sind, vorzugsweise jedoch nur um ein geringes Maß x, welches
bspw. kleiner ist als die Notbreite bN am
Notgrund: x < bN.
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Weitere Merkmale, Einzelheiten, Vorteile und
Wirkungen auf der Basis der Erfindung ergeben sich aus der folgenden
Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen
der Erfindung sowie anhand der Zeichnung. Hierbei zeigt:
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1 eine
Stirnansicht eines erfindungsgemäßen Tonnenlagers;
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2 einen
Schnitt durch die 1 entlang der
Linie II – II;
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3 eine
der 2 entsprechende
Darstellung mit eingetragenen Wölbungsradien;
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4 eine
perspektivische Ansicht auf das Tonnenlager aus 1, wobei der Außenring teilweise abgebrochen
ist, so dass der Blick auf die durch den Käfig gehaltenen Wälzkörper freigegeben
ist;
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5 eine
der 4 entsprechende
Darstellung, wobei einige Wälzkörper aus
dem freigelegten Käfig
entfernt worden sind;
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6 eine
Seitenansicht auf den Mantel eines gemäß 5 aus dem Käfig entfernten Wälzkörpers;
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7 eine
der 6 entsprechende
Darstellung einer abgewandelten Ausführungsform der Erfindung;
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8 eine
Draufsicht auf ein aus dem Käfig aus
den 4 und 5 herausgebrochenes Segment; sowie
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9 eine
der 8 entsprechende
Darstellung einer wiederum abgewandelten Ausführungsform der Erfindung.
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1 zeigt
ein erfindungsgemäßes Tonnenlager 1 mit
einem Außenring
2, einem Innenring 3 und einer Reihe dazwischen angeordneter,
tonnenförmiger
Wälzkörper 4,
die von einem umlaufenden Käfig 5 auf
etwa äquidistanten
Abständen
gehalten werden.
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Da das bevorzugte Tonnenlager einreihig aufgebaut
ist, kann der Außenring 2 gegenüber den übrigen Lagerbestandteilen 3 bis 5 gekippt
werden. Dies wird dadurch ermöglicht,
dass die Wälzlager-Lauffläche 6 an
dem Außenring 2 einen
konkaven Querschnitt aufweist mit einem konstanten Querwölbungsradius.
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Der Käfig 5 hält die Wälzkörper 4 beim
Kippen des Außenrings 2 gegenüber den übrigen Lagerbestandteilen 3 bis 5 an
ihrer Position. Damit er andererseits weder Kippbewegung des Außenrings 2 noch
die Bewegung der Wälzkörper 4 behindert,
erstreckt er sich durch eine rundumlaufende Nut 7 jedes
Wälzkörpers 4,
wie dies in 2 und 3 dargestellt ist.
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Der Käfig 5 kann aus einer
Scheibe mit konstanter Dicke d hergestellt sein, bspw. aus einem Blech
ausgestanzt. Wie 8 zeigt,
sind aus einer ringförmigen
Grundstruktur mit konstanter, radialer Breite von dem radial außen liegenden
Umfang 8 her eine der Anzahl der Wälzkörper 4 entsprechende Zahl
von Ausnehmungen 9 eingeschnitten. Diese nehmen jeweils
einen Wälzkörper 4 auf.
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Vorzugsweise entspricht der Innenumfang 10 des
scheibenförmigen
Käfigs 5 dem
maximalen Außenumfang
des Innenrings 3, insbesondere an einem Rand 11 von
dessen Lauffläche 12,
so dass der Käfig 5 leicht über den
Innenring 3 gestülpt
werden kann, bspw. maschinell. Das Einsetzen der Wälzkörper 4 in
die Ausnehmungen 9 des scheibenförmigen Käfigs 5 kann ebenfalls
automatisch bewirkt werden, wobei die eingesetzten Wälzkörper 4 sodann
an Ort und Stelle gehalten werden, weil sie im Bereich des betreffenden
Nutgrundes 13 von dem Käfig 5 umgriffen
werden. Nach Überstülpen des
Außenrings 2 in bspw.
um 90° verkippter
Position und Einschwenken desselben in die Ebene des Innenrings 3 ist
der Zusammenbau des Tonnenlagers 1 beendet.
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Die tonnenförmigen Wälzkörper 4 werden daher
etwa mittig zwischen ihren beiden Stirnseiten 14 in ihrer „äquatorialen" Ebene von der rundumlaufenden
Nut 7 in zwei Hälften 15,
sozusagen „Hemisphären" unterteilt. Die
beiden Berührungsbereiche
eines Lagers mit ungeteilten (nicht genuteten) Wälzkörpern werden daher bei den
erfindungsgemäßen Wälzkörpern 4 in
vier Berührungsbereiche
unterteilt. Dies bringt den Vorteil mit sich, dass die zu übertragenden
Radiallasten auf eine größere Gesamtfläche verteilt
werden.
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Deshalb wird dieser Effekt zusätzlich unterstützt, indem
den beiden „Hemisphären" 15 eines Wälzkörpers 4 unterschiedliche
Querschnittsgeometrien erteilt werden. Zwar zeigt ein Querschnitt
durch die Mantelfläche 16 eines
Wälzkörpers in
dessen beiden Hemisphären 15 jeweils
einen kreisbogenförmigen
Verlauf mit vorzugsweise identischen Krümmungsradien rT.
Die Querschnittskrümmungsmittelpunkte 17, 18 der
beiden Hemisphären
fallen jedoch nicht zusammen, sondern sind in axialer Richtung des
Tonnenlagers 1 geringfügig
gegeneinander versetzt, und zwar zu der betreffenden Wälzkörperhemisphäre 15 bzw.
-stirnseite 14 hin. Als „Versatzfaktor" kV =
x/rT hat sich ein Wert in der Größenordnung
von 0,001 bis 0,02, insbesondere zwischen 0,002 und 0,01 bewährt.
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Da außerdem die Krümmungsradien
rA, rI der Laufflächen 6, 12 des
Außen-
und Innenrings 2, 3 etwas größer gewählt ist als die Krümmungsradien
rT der beiden Wälzkörperhemisphären 15, ergeben sich im
Idealzustand an jeder Hemisphäre 15 je
zwei einander diametral gegenüberliegende
Berührungsbereiche
mit dem Außenring 2 einerseits
und dem Innenring 3 andererseits. Als Maß für die Abweichungen
der Krümmungsradien
rA, rI, rT lassen sich die sogenannten Schmiegungsfaktoren
kA, kI angeben. Diese
sind definiert zu kA. = (rA - rT)/rT = y/rT kI. = (rI - rT)/rT.
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Bevorzugt sollten diese Schmiegungsfaktoren
kA, kI in der Größenordnung
von 0,01 bis 0,1 liegen, insbesondere zwischen 0,02 und 0,05.
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Da der Querschnittskrümmungsmittelpunkt 19 der
Lauffläche 6 des
Außenrings 2 auf
dessen Rotations- bzw. Symmetrieachse 20 liegt, und zwar
auf der mittigen Grundebene desselben, liegen gemäß 3 die Querschnittskrümmungsmittelpunkte 17, 18 der
Mantelflächen 16 beider
Wälzkörperhemisphären 15 jeweils
um y von der Rotationsachse 20 nach radial außen versetzt
und um x/2 gegenüber
der mittigen Grundebene zu der betreffenden Stirnseite 14 hin
versetzt.
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In 4 ist
zu erkennen, dass selbst bei weggebrochenem Außenring 2 die Wälzkörper 4 durch
den Käfig 5 an
0rt und Stelle gehalten werden. Dies wird erreicht durch den Formschluss
der Ausnehmungen 9 des Käfigs 5 mit den Nutbereichen 7 der
Wälzkörper 4.
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Zwei mögliche Nutformen sind in den 6 und 7 dargestellt: Bei der Ausführungsform
nach 6 weist die Nut 7 ebene
Seitenflächen 21 auf, wie
sie bspw. durch einen geraden Einstich erzeugt werden. Demzufolge
ist die Breite bN der Nut 7 etwa konstant.
Der Nutgrund 13 folgt einer Zylindermantelfläche mit
dem Krümmungsradius
rN. Die Übergangsbereiche
zwischen Nutgrund 13 und Nutseitenflächen 21, zwischen
letzteren und den Mantelflächen 16 sowie
zwischen Mantelflächen 16 und
Stirnflächen 14 sind
abgerundet, um Grate und Kerbwirkungen zu vermeiden.
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Die Ausführungsform eines Wälzkörpers 22 nach 7 unterscheidet sich von
derjenigen nach 6 ausschließlich dadurch,
dass die Nutseitenflächen 23 entlang
von Kegelmantelflächen
verlaufen. Dabei handelt es sich um sehr stumpfe Kegel mit vorzugsweise
identischen Öffnungswinkeln
a von nahezu jeweils 180° (bspw.
170° bis
179°). Die
Nutseitenflächen 23 divergieren
dem nach unter einem Winkel β voneinander,
von der Symmetrieachse 24 entlang einer radialen Ebene
nach außen
betrachtet. Dabei gilt: β =
(180° – a) bei
identischen Öffnungswinkeln
a beider Nutseitenflächen 23,
bei unterschiedlichen Öffnungswinkeln
a1, a2 ergibt sich: β = (180° – (a1 + a2)/2). Die (axiale)
Breite des Nutgrundes ist wiederum bN und
sein Krümmungsradius
rN. Diese Ausführungsform toleriert bei gleichen
Werten für
bN und d größere Schränkungswinkel der tonnenförmigen Wälzkörper 22 und
führt daher
bei entsprechenden Beanspruchungen zu einem geringeren Verschleiß.
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Ein Ausschnitt aus dem Käfig 5 ist
in 8 wiedergegeben.
Man erkennt kreisbogenförmige Ausnehmungen 9 mit
einem konstanten Krümmungsradius
rS. Durch rS > rN und
d < bN ist
eine möglichst
reibungsfreie Drehbewegung der Wälzkörper 4 gegenüber dem
Käfig 5 sichergestellt.
Um die Wälzkörper 4 festhalten
zu können,
erstreckt sich der Umfang 25 einer Ausnehmung 9 über einen
Kreisbogen von mehr als 180°,
bspw. zwischen 200° und
230°, insbesondere
von 210° bis
220°, so
dass die Endbereiche 26 des Ausnehmungsumfangs 25 in
Blickrichtung vom Innenumfang 10 des Käfigs 5 zu dessen Außenumfang 8 hin
zueinander konvergieren. Der minimale Abstand der Endbereiche 26 ist
kleiner als der Durchmesser (2 · rN)
der Wälzkörper 4 im
Bereich des Nutgrundes 13, so dass die Wälzkörper 4 formschlüssig umgriffen
werden. Um einen Wälzkörper 4 von
dem Käfig 5 zu
lösen,
müsste
ersterer daher mit einer großen
Kraft nach außen
gezogen werden, um (vorübergehend)
die Endbereiche 26 des Ausnehmungsumfangs 25 auseinanderzudrücken. Die
Endbereiche 26 bilden somit Schnappnasen zum Einschnappen
der Wälzkörper 4.
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Eine ähnliche Wirkung hat der modifizierte Scheibenkäfig 27 aus 9. Dieser unterscheidet sich
von dem Käfig 5 nach 8 ausschließlich darin,
dass der Ausnehmungsumfang 28, der in seinem der Innenseite 10 des
Käfigs 27 zugewandten
Bereich 29 den Krümmungsradius
rS aufweist, etwa auf Höhe seines radialen Verlaufs
abgeflachte (etwa zueinander parallele) Bereiche 30 aufweist (mit
einer Länge
l von bspw. rS/3), an die sich sodann die
eigentlichen, wiederum gekrümmten
und aufeinander zu konvergierenden Schnappnasen 31 anschließen, deren
Krümmungsradius übereinstimmend
mit rS gewählt sein kann. Diese Ausführungsform
toleriert größere radiale
Verstellungen des Käfigs 27 gegenüber den
Wälzkörpern 4,
welche bspw. infolge von starken Temperaturschwankungen auftreten
können,
ohne dass sich jedoch die Wälzkörper 4 bei
einem starken Kippen des Außenrings 2 lösen könnten. Wie
bei dem Käfig 5,
so sind auch hier die Kanten des Ausnehmungsumfangs querschnittlich
abgerundet 32.