DE10393924T5

DE10393924T5 - Vierpunktkontakt-Kugellager

Info

Publication number: DE10393924T5
Application number: DE10393924T
Authority: DE
Inventors: Masafumi Fujisawa Fukunaga
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 2002-12-16
Filing date: 2003-12-04
Publication date: 2005-12-15
Anticipated expiration: 2023-12-05
Also published as: WO2004055399A1; AU2003289184A1; CN1726350A; DE10393924B4; CN100378353C; US20060013519A1; JPWO2004055399A1

Abstract

Vierpunktkontakt-Kugellager, umfassend:
ein äußeres Element, welches eine Laufringfläche an einem Innenumfang davon aufweist,
ein inneres Element, welches eine Laufringfläche an einem Außenumfang davon aufweist;
mehrere Kugeln, welche in einer Reihe zwischen diesem äußeren und diesem inneren Element rollfähig angeordnet sind, und
einen Käfig zum Anordnen dieser mehreren Kugeln in gleichen Abständen in Umfangsrichtung davon, wobei sich die Kugeln in Zweipunktkontakt mit jeder der beiden Laufringflächen des äußeren Elements und des inneren Elements befinden, wobei,
wenn d den Durchmesser der Kugel bezeichnet, D_P den Durchmesser eines Wälzkreises der mehreren Kugeln, welche zwischen den beiden Laufringflächen angeordnet sind, bezeichnet, L₁ die Entfernung zwischen den Mittelpunkten benachbarter Kugeln auf dem Wälzkreis bezeichnet, r den Krümmungsradius jeder der Nuten, welche als Laufringflächen dienen, welche die Kugel umschreiben, bezeichnet und α den Kontaktwinkel zwischen der Kugel und jeder der Laufringflächen des äußeren und des inneren Laufrings bezeichnet,
d,...

Description

<Gebiet der Technik>
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Vierpunktkontakt-Kugellager, und genauer eine Verbesserung eines extrem dünnwandigen Vierkontakt-Kugellagers, welche in der Lage ist, Wärmeerzeugung und Verschleiß davon durch Beschränken des Anstiegs des Reibungsdrehmoments bei einem Betrieb davon unter einer Vorlast, welche darauf angewandt wird, zu unterdrücken, und ferner in der Lage ist, neben einem geräuscharmen und schwingungsarmen Betrieb davon bei einer Drehung davon mit hoher Drehzahl eine Verlängerung der Lager-Lebensdauer davon zu erreichen.
<Stand der Technik>
13 stellt ein Beispiel einer CT-Scannervorrichtung dar, welche eine Art medizinischen Geräts ist. Diese CT-Scannervorrichtung 1 strahlt Röntgenstrahlen, welche durch eine Röntgenröhre 2 erzeugt werden und deren Intensität durch ein (nicht dargestelltes) Keilfilter und einen (nicht dargestellten) Schlitz auf einen vorbestimmten Wert beschränkt wird, auf ein Objekt 3 ab. Röntgenstrahlen, welche durch das Objekt 3 durchgelassen werden, werden durch einen Detektor 5 empfangen. Ein (nicht dargestellter) Computer, welcher ein Ausgangssignal dieses Detektors 5 empfängt, erzeugt ein Röntgenstrahlen-Durchleuchtungsbild.
Ein zylindrisches Gestell 6, welches mit der Röntgenröhre 3 und dem Detektor 5 versehen ist, ist durch ein Wälzlager 7 drehbar an einem Körpergestell 8 gelagert. Ein tomographisches Bild, welches durch Untersuchen eines Querschnitts des Objekts 3, welches untersucht werden soll, aus allen Winkeln erhalten wird, kann durch Betreiben des zylindrischen Gestells 6 in Drehantrieb erhalten werden.
Generell ist das Wälzlager 7 derart ausgebildet, daß der Innendurchmesser davon auf einen großen Durchmesserwert festgelegt ist, welcher 700 mm oder mehr beträgt. Somit ist das Wälzlager 7 ein sogenanntes extrem dünnwandiges Lager, dessen Querschnitt im Vergleich mit dem Durchmesser davon äußerst klein ist.
Eine Last, welche auf das Wälzlager 7, welches in der CT-Scannervorrichtung 1 verwendet wird, wirkt, ist eine zusammengesetzte Last aus einer Radiallast, einer Axiallast und einer Momentenlast. Diese zusammengesetzte Last ist eine relativ kleine Last.
Daher ist ein Wälzlager, dessen zulässige Last groß ist, unnötig. Somit erlangte eine CT-Scannervorrichtung 1, welche in spiegelbildlicher Anordnung nebeneinander kombinierte Schrägkugellager 8a, 8b, welche in 14 dargestellt sind, oder ein Vierpunktkontakt-Kugellager, dessen Kugeln sich in Zweipunktkontakt mit jeder der Laufringflächen des äußeren und des inneren Laufrings befinden, verwendet, bislang breite Verwendung.
Derartige in spiegelbildlicher Anordnung nebeneinander kombinierte Schrägkugellager 8a, 8b und das Vierpunktkontakt-Kugellager weisen eine Gemeinsamkeit im Hinblick darauf auf, daß auf das Kugellager eine Axiallast in zwei Richtungen wirkt. Die in spiegelbildlicher Anordnung nebeneinander kombinierten Schrägkugellager 8a, 8b werden jedoch durch Kombinieren zweier Lager miteinander ausgebildet. Somit wird die Breitenausdehnung w1 der Schrägkugellager 8a, 8b im Vergleich mit dem Vierpunktkontakt-Kugellager, welches lediglich aus einem einzigen Lager besteht, groß. Infolgedessen sind die Schrägkugellager nachteilig im Hinblick auf eine Verminderung der Größe, des Gewichts und der Kosten davon.
Somit stieg die Anzahl der CT-Scannervorrichtungen, welche jeweils ein Vierpunktkontakt-Kugellager als Wälzlager 7 verwendet, in jüngerer Vergangenheit an.
Inzwischen vermindert die jüngste CT-Scannervorrichtung die medizinische Behandlungszeit, um dadurch die Belastung der Patienten zu vermindern. Somit bestand ein zunehmender Bedarf, die medizinische Behandlung zu beschleunigen. Infolgedessen war eine Eignung des Vierpunktkontakt-Kugellagers, welches als Wälzlager 7 verwendet wird, für eine Drehung mit hoher Drehzahl erforderlich.
Bislang ist es jedoch allgemein üblich, den Axialrichtungs-Innenspalt des Vierpunktkontakt-Kugellagers auf einen positiven Wert festzulegen. Bei einer Verwendungsumgebung während einer Drehung mit hoher Drehzahl (dmN ≥ 10 000, wobei dm einen Kugelwälzkreisdurchmesser bezeichnet und N die Anzahl der Umdrehungen bezeichnet) ist zu befürchten, daß ein geringfügiger Lager-Innenspalt eine Ursache von Geräuschen und unangenehmen Schwingungen wird und den Patienten eine psychologische Belastung verursacht, oder daß die Schwingungen eine Störung der Meßgenauigkeit bewirken können.
Somit wird eine Technik zum Verwirklichen eines geräuscharmen und schwingungsarmen Betriebs bei hoher Drehzahl durch Festlegen des Axialrichtungs-Innenspalts des Vierpunktkontakt-Kugellagers auf einen negativen Wert (das bedeutet, daß dies einem Zustand entspricht, in welchem eine Vorlast darauf angewandt wird), um dadurch die Erzeugung von Geräuschen und unangenehmen Schwingungen aufgrund des Innenspalts zu unterdrücken, vorgeschlagen (siehe beispielsweise Patentschrift 1).
Ferner wird ein geteilter Käfig (siehe Patentschrift 2) als Technik zum Verwirklichen eines geräuscharmen und schwingungsarmen Betriebs bei dem Betrieb des Lagers mit hoher Drehzahl durch Vermindern des Geräuschs und des Stoßes der Kollision zwischen einer Kugel und einem Käfig vorgeschlagen.
[Patentschrift 1]
JP-A-2002-81442
[Patentschrift 2]
JP-A-2000-065067
In dem Fall, daß der Axialrichtungs-Innenspalt einfach auf einen negativen Wert festgelegt wird, ähnlich wie bei dem Vierpunktkontakt-Kugellager, welches in der Patentschrift 1 beschrieben ist, besteht eine hohe Wahrscheinlichkeit für das Auftreten eines praktisch ernsten Problems.
Bei dem Vierpunktkontakt-Kugellager befinden sich die Kugeln nämlich in Zweipunktkontakt mit jeder der Laufringflächen des äußeren und des inneren Laufrings. Somit bestehen Möglichkeiten dafür, daß ein übermäßiger Schlupf an Punktkontaktabschnitten zwischen den Kugeln und den Laufringflächen erfolgt, wenn sich das Lager mit einer hohen Drehzahl unter einer Vorlast, welche darauf angewandt wird, dreht, und daß dies einen Anstieg des Reibungsdrehmoments bewirkt, welcher mit Wärmeerzeugung und Verschleiß verbunden ist, welche die Lager-Lebensdauer ernstlich beeinträchtigen können.
Dieses Problem kann selbst dann nicht gelöst werden, wenn der geteilte Käfig, welcher in der Patentschrift 2 beschrieben ist, verwendet wird.
Daher sind es wichtige zukünftige Probleme, den Schlupf zu minimieren, welcher an den Punktkontaktabschnitten zwischen den Kugeln und den Laufringflächen erfolgt, wenn das Vierpunktkontakt-Kugellager mit einer hohen Drehzahl unter einer Vorlast, welche darauf angewandt wird, gedreht wird, um dadurch einen Anstieg des Reibungsdrehmoments zu verhindern, um die erzeugte Wärme und den Verschleiß zu vermindern, welche proportional zu dem Reibungsdrehmoment sind, und die Lager-Lebensdauer zu verlängern.
Demgemäß ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die zuvor erwähnten Probleme zu lösen und ein Vierpunktkontakt-Kugellager zu schaffen, welches in der Lage ist, die Wärmeerzeugung und den Verschleiß davon durch Beschränken des Anstiegs des Reibungsdrehmoments bei einem Betrieb unter einer Vorlast, welche darauf angewandt wird, zu unterdrücken und einen geräuscharmen und schwingungsarmen Betrieb, welcher bei einer Drehung davon mit hoher Drehzahl erfolgt, und eine Steigerung der Lebensdauer davon zu verwirklichen.
<Offenbarung der Erfindung>
1) Die Aufgabe der Erfindung wird durch ein Vierpunktkontakt-Kugellager gelöst, umfassend:
ein äußeres Element, welches eine Laufringfläche an einem Innenumfang davon aufweist,
ein inneres Element, welches eine Laufringfläche an einem Außenumfang davon aufweist;
mehrere Kugeln, welche in einer Reihe zwischen diesem äußeren und diesem inneren Element rollfähig angeordnet sind, und
einen Käfig zum Anordnen dieser mehreren Kugeln in gleichen Abständen in Umfangsrichtung davon, wobei sich die Kugeln in Zweipunktkontakt mit jeder der beiden Laufringflächen des äußeren Elements und des inneren Elements befinden, wobei,
wenn d den Durchmesser der Kugel bezeichnet, D_P den Durchmesser eines Wälzkreises der mehreren Kugeln, welche zwischen den beiden Laufringflächen angeordnet sind, bezeichnet, L₁ die Entfernung zwischen den Mittelpunkten benachbarter Kugeln auf dem Wälzkreis bezeichnet, r den Krümmungsradius jeder der Nuten, welche als Laufringflächen dienen, welche die Kugel umschreiben, bezeichnet und α den Kontaktwinkel zwischen der Kugel und jeder der Laufringflächen des äußeren und des inneren Laufrings bezeichnet,
d, D_P, L₁, r und α in einer derartigen Weise festgelegt sind, daß diese jeweils die folgenden Ungleichungen erfüllen:
0,011 ≤ d/D_P ≤ 0,017,
1,5 ≤ L₁/d ≤ 2, 1,
0,54 ≤ r/d ≤ 0,59 und
15° ≤ α ≤ 25°; und
ein Axialrichtungsspalt S_A zwischen dem äußeren Laufring und dem inneren Laufring, welche sich durch die Kugel in Kontakt miteinander befinden, in einer derartigen Weise festgelegt ist, daß dieser die folgende Ungleichung erfüllt:
–0,050 mm ≤ S_A ≤ 0 mm.
Nebenbei bemerkt, beeinflußt bei dem Vierpunktkontakt-Kugellager ein PV-Wert, welcher durch ein Produkt eines Kontaktflächendrucks P, welcher zwischen der Kugel und jeder der Laufringflächen erzeugt wird, und einer Schlupfgeschwindigkeit V das Ausmaß des Verschleißes der Kugel und jeder der Laufringflächen sowie die Lautstärke der Geräusche, welche bei der Drehung des Lagers erzeugt werden, stark. Ein geräuscharmer und schwingungsarmer Betrieb des Lagers kann durch Verkleinern dieses PV-Werts verwirklicht werden.
Zum Vermindern des Reibungsdrehmoments und der erzeugten Wärme und des Verschleißes, welche damit verbunden sind, durch Beschränken des Werts einer Trägheitskraft, welche bei einer Drehung des Lagers mit hoher Drehzahl auf die Kugel wirkt, auf einen kleinen Wert ist es günstig, den Durchmesser d der Kugel auf einen möglichst kleinen Wert festzulegen. Wenn der Durchmesser d der Kugel jedoch übermäßig klein ist, steigt der Kontaktflächendruck P an, so daß der PV-Wert größer wird. Dies bewirkt eine Verkürzung der Lebensdauer.
Somit gilt gemäß dem Vierpunktkontakt-Kugellager der zuvor erwähnten Anordnung:
(1) Der Durchmesser d der Kugel wird derart festgelegt, daß sich dieser in einem Bereich befindet, welcher durch die Ungleichung dargestellt wird: 0,011 ≤ d/D_P ≤ 0,017. Infolgedessen vermeidet dieses Lager, daß der Durchmesser d der Kugel übermäßig klein wird. Der PV-Wert kann durch gleichzeitiges Unterdrücken des Reibungsdrehmoments, welches die Wärmeerzeugung und den Verschleiß des Lagers bewirkt, verkleinert werden.
(2) Zum Gewährleisten der Festigkeit des Säulenabschnitts des Käfigs zwischen den Kugeln ist es notwendig, die Fläche des Querschnitts des Säulenabschnitts des Käfigs zu gewährleisten, welche gleich einem vorbestimmten Wert oder größer als dieser ist. Im Hinblick darauf ist es günstig, die Entfernung L₁ zwischen den Kugeln zu vergrößern. Wenn die Entfernung L₁ zwischen den Kugeln übermäßig groß ist, wird die Last, welche auf die einzelnen Kugeln verteilt ist, jedoch mit dem Ergebnis vergrößert, daß der PV-Wert größer wird.
Somit wird, wie oben beschrieben, die Entfernung L₁ zwischen den Kugeln derart festgelegt, daß sich diese in einem Bereich befindet, welcher durch die Ungleichung dargestellt wird: 1,5 ≤ L₁/d ≤ 2,1. Infolgedessen vermeidet dieses Lager, daß die Entfernung L₁ zwischen den Kugeln übermäßig klein wird. Der PV-Wert kann durch gleichzeitiges Gewährleisten der Festigkeit des Säulenabschnitts des Käfigs verkleinert werden.
(3) Der Krümmungsradius r jeder der Nuten, welche als Laufringflächen dienen, welche die Kugel umschreiben, wird bei einem gewöhnlichen Kugellager derart festgelegt, daß sich dieser in einem Bereich befindet, welcher beispielsweise durch die folgende Ungleichung dargestellt wird: 0,5 < r/d < 0,54. Somit kann der Einfluß einer Änderung des Spalts aufgrund einer Bearbeitungsschwankung und einer Temperaturänderung bei einer Lagerfunktion durch Festlegen des Krümmungsradius auf einen größeren Wert als einen Normalwert vermindert werden. Ferner wird der Krümmungsradius r der Nut, mit welcher sich die Kugel in Kontakt befindet, auf einen größeren Wert als den Normalwert festgelegt. Somit kann der PV-Wert durch gleichzeitiges Vermindern der Größe eines Kontaktovals, welches zwischen der Kugel und jeder der Laufringflächen erzeugt wird, verkleinert werden, um dadurch einen Differenzschlupf zu unterdrücken und ferner das Reibungsdrehmoment, welches die Wärmeerzeugung und den Verschleiß des Lagers bewirkt, zu unterdrücken. Wenn der Krümmungsradius r auf einen übermäßigen Wert festgelegt wird, ist es jedoch wahrscheinlich, daß eine Abweichung zwischen der Kugel und der Laufringfläche auftritt. Somit ist es schwierig, einen stabilen Betrieb zu erreichen.
Demzufolge wird, wie oben beschrieben, der Krümmungsradius r der Nut derart festgelegt, daß sich dieser in einem Bereich befindet, welcher durch die folgende Ungleichung dargestellt wird: 0,54 ≤ r/d ≤ 0,59. Somit kann es verhindert werden, daß der Krümmungsradius r der Nut übermäßig vergrößert wird. Die Größe des Kontaktovals zwischen der Kugel und jeder der Laufringflächen kann durch gleichzeitiges Gewährleisten der Funktionsfähigkeit des Lagers auf eine kleine Größe beschränkt werden. Infolgedessen kann der PV-Wert durch gleichzeitiges Unterdrücken des Reibungsdrehmoments, welches die Wärmeerzeugung und den Verschleiß des Lagers bewirkt, verkleinert werden.
(4) Wenn der Kontaktwinkel α zwischen der Kugel und jeder der Laufringflächen übermäßig klein oder groß ist, erfolgen zunehmend ein Durchdrehschlupf und ein Kreiselschlupf, mit dem Ergebnis, daß das Reibungsdrehmoment und der PV-Wert vergrößert werden.
Somit wird, wie oben beschrieben, der Kontaktwinkel α derart festgelegt, daß sich dieser in dem Bereich befindet, welcher durch die folgende Ungleichung dargestellt wird: 15° ≤ α ≤ 25°, so daß die Häufigkeiten des Auftretens sowohl des Durchdrehschlupfs als auch des Kreiselschlupfs vermindert werden können und daß der PV-Wert durch gleichzeitiges Unterdrücken des Reibungsdrehmoments, welches die Wärmeerzeugung und den Verschleiß des Lagers bewirkt, verkleinert werden kann.
(5) In dem Fall, daß der Axialrichtungsspalt S_A auf einen übermäßigen negativen Wert festgelegt wird, können die Einbaueigenschaften des Lagers extrem verschlechtert werden und das Reibungsdrehmoment bei der Drehung davon größer werden. Dies können wichtige Ursachen einer Verkürzung der Lager- Lebensdauer sein. In einer Umgebung, in welcher synergetische Wirkungen von Betriebsvorgängen und Vorteilen der Lager der zuvor erwähnten Anordnungen (1) bis (4) erzielt werden, wird ein Vorlastzustand, welcher zum Verwirklichen einer geräuscharmen und schwingungsarmen Drehung des Lagers geeignet ist, durch derartiges Festlegen des Axialrichtungsspalts S_A, daß sich dieser in dem Bereich befindet, welcher durch die folgende Ungleichung dargestellt wird, erreicht: –0,050 mm ≤ S_A ≤ 0 mm. Infolgedessen kann es verhindert werden, daß die Lebensdauer aufgrund der Wärmeerzeugung und des Verschleißes davon verkürzt wird.
Daher kann das Vierpunktkontakt-Kugellager der zuvor erwähnten Anordnung verhindern, daß das Reibungsdrehmoment bei einem Betrieb unter einer Vorlast, welche darauf angewandt wird, größer wird. Ferner kann dieses Kugellager einen geräuscharmen und schwingungsarmen Betrieb bei einer Drehung des Lagers mit hoher Drehzahl verwirklichen. Ferner kann dieses Kugellager die Verlängerung der Lebensdauer durch Vermindern der erzeugten Wärme und des Verschleißes des Lagers erreichen.
2) Die Aufgabe der Erfindung wird durch ein Vierpunktkontakt-Kugellager gelöst, umfassend:
ein äußeres Element, welches eine Laufringfläche an einem Innenumfang davon aufweist,
ein inneres Element, welches eine Laufringfläche an einem Außenumfang davon aufweist,
mehrere Kugeln, welche in einer Reihe zwischen diesem äußeren und diesem inneren Element rollfähig angeordnet sind, und
einen Käfig zum Anordnen dieser mehreren Kugeln in gleichen Abständen in Umfangsrichtung davon, wobei sich die Kugeln in Zweipunktkontakt mit jeder der beiden Laufringflächen des äußeren Elements und des inneren Elements befinden, wobei
jede der Kugeln aus einem stark kohlenstoffhaltigen Chromstahl ausgebildet ist; und
eine karbonitrierte Schicht, welche eine Vickershärte H_v von 740 bis 940 aufweist, auf der Oberfläche jeder der Kugeln ausgebildet ist.
3) Die Aufgabe der Erfindung wird durch ein Vierpunktkontakt-Kugellager gelöst, umfassend:
ein äußeres Element, welches eine Laufringfläche an einem Innenumfang davon aufweist,
ein inneres Element, welches eine Laufringfläche an einem Außenumfang davon aufweist,
mehrere Kugeln, welche in einer Reihe zwischen diesem äußeren und diesem inneren Element rollfähig angeordnet sind, und
einen Käfig zum Anordnen dieser mehreren Kugeln in gleichen Abständen in Umfangsrichtung davon, wobei sich die Kugeln in Zweipunktkontakt mit jeder der beiden Laufringflächen des äußeren Elements und des inneren Elements befinden, wobei die Kugeln aus rostfreiem Martensitstahl hergestellt sind und
eine karbonitrierte Schicht, welche eine Vickershärte H_v von 1200 bis 1500 aufweist, auf der Oberfläche jeder der Kugeln ausgebildet ist.
4) Die Aufgabe der Erfindung wird durch ein Vierpunktkontakt-Kugellager gelöst, umfassend:
ein äußeres Element, welches eine Laufringfläche an einem Innenumfang davon aufweist,
ein inneres Element, welches eine Laufringfläche an einem Außenumfang davon aufweist,
mehrere Kugeln, welche in einer Reihe zwischen diesem äußeren und diesem inneren Element rollfähig angeordnet sind, und
einen Käfig zum Anordnen dieser mehreren Kugeln in gleichen Abständen in Umfangsrichtung davon, wobei sich die Kugeln in Zweipunktkontakt mit jeder der beiden Laufringflächen des äußeren Elements und des inneren Elements befinden, wobei
die Kugeln aus technischen Keramikmaterialien hergestellt sind; und
die Oberfläche jeder der Kugeln eine Vickershärte H_v in dem Bereich von 1300 bis 2700 aufweist.
Die Vierpunktkontakt-Kugellager, welche unter den Punkten 2) bis 4) beschrieben sind, sind derart aufgebaut, daß die Vickershärte der Oberfläche jeder der Kugeln in einer derartigen Weise abgestimmt ist, daß diese größer als der Normalwert ist.
Somit wird der Längsrichtungs-Elastizitätskoeffizient der Kugel groß. Eine Verformung der Kugel, welche durch den Kon taktflächendruck verursacht wird, welcher zwischen der Kugel und der Laufringfläche wirkt, wird unterdrückt. Infolgedessen kann die Größe des Kontaktovals, welches zwischen der Kugel und der Laufringfläche erzeugt wird, vermindert werden. Somit kann der Differenzschlupf, welcher zwischen der Kugel und jeder der Laufringflächen erfolgt, minimiert werden.
Ferner wird direkt aufgrund der Tatsache, daß die Härte der Oberfläche der Kugel auf einen größeren Wert als den Normalwert festgelegt wird, die Verschleißbeständigkeit davon gegen einen Schlupfbetrieb verbessert. Diese Verbesserung der Verschleißbeständigkeit der Kugel und die Minimierung des Differenzschlupfs ermöglichen die Unterdrückung des Anstiegs des Reibungsdrehmoments bei einem Betrieb, welcher unter einer Vorlast, welche darauf angewandt wird, erfolgt. Somit können die erzeugte Wärme und der Verschleiß des Lagers unterdrückt werden. Infolgedessen kann ein geräuscharmer und schwingungsarmer Betrieb bei einer Drehung mit hoher Drehzahl verwirklicht werden. Zugleich kann die Verbesserung der Lager-Lebensdauer durch Vermindern der erzeugten Wärme und des Verschleißes davon verwirklicht werden.
<Kurze Beschreibung der Zeichnung>
1 ist eine teilweise Längsschnittsansicht, welche die Anordnung eines Vierpunktkontakt-Kugellagers gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung darstellt.
2 ist ein Vergleichsmessungsdiagramm, welches eine Prüfung von Geräuschstärken bei Drehungen des Vierpunktkontakt-Kugellagers, welches in 1 dargestellt ist, eines herkömmlichen Vierpunktkontakt-Kugellagers und in spiegelbildlicher Anordnung nebeneinander kombinierter Schrägkugellager mit hoher Drehzahl darstellt.
3 ist ein Vergleichsmessungsdiagramm, welches eine Prüfung von Schwingungswerten bei Drehungen des Vierpunktkontakt-Kugellagers, welches in 1 dargestellt ist, des herkömmlichen Vierpunktkontakt-Kugellagers und der in spiegelbildlicher Anordnung nebeneinander kombinierten Schrägkugellager mit hoher Drehzahl darstellt.
4 ist ein Vergleichsmessungsdiagramm, welches eine Prüfung der Temperaturanstiege bei Drehungen des Vierpunktkontakt-Kugellagers, welches in 1 dargestellt ist, des herkömmlichen Vierpunktkontakt-Kugellagers und der in spiegelbildlicher Anordnung nebeneinander kombinierten Schrägkugellager mit hoher Drehzahl darstellt.
5 ist ein Vergleichsmessungsdiagramm, welches eine Prüfung der Reibungsdrehmomente bei Drehungen des Vierpunktkontakt-Kugellagers, welches in 1 dargestellt ist, des herkömmlichen Vierpunktkontakt-Kugellagers und der in spiegelbildlicher Anordnung nebeneinander kombinierten Schrägkugellager mit hoher Drehzahl darstellt.
6 ist ein Vergleichsmessungsdiagramm, welches eine Prüfung der Lebensdauern bei Drehungen des Vierpunktkontakt-Kugellagers, welches in 1 dargestellt ist, des herkömmlichen Vierpunktkontakt-Kugellagers und der in spiegelbildlicher Anordnung nebeneinander kombinierten Schrägkugellager mit hoher Drehzahl darstellt.
7 ist eine teilweise Längsschnittsansicht, welche die Anordnung eines Vierpunktkontakt-Kugellagers gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung darstellt.
8 ist eine teilweise Längsschnittsansicht, welche die Anordnung eines Vierpunktkontakt-Kugellagers gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung darstellt.
9 ist eine Vorderansicht, welche eine Abschirmungsplatte, welche in 8 dargestellt ist, darstellt.
10 ist eine teilweise Längsschnittsansicht, welche die Anordnung eines Vierpunktkontakt-Kugellagers gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung darstellt.
11 ist eine teilweise Längsschnittsansicht, welche die Anordnung eines Vierpunktkontakt-Kugellagers gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel der Erfindung darstellt.
12 ist ein Strahlendiagramm zur Leistungsauswertung eines Vierpunktkontakt-Kugellagers gemäß einem sechsten Ausführungsbeispiel der Erfindung, zweier Arten herkömmlicher Vierpunktkontakt-Kugellager, welche sich hinsichtlich des Axialrichtungsspalts voneinander unterscheiden, und des in spiegelbildlicher Anordnung nebeneinander kombinierten Schrägkugellagers.
13 ist eine Querschnittsansicht, welche einen Hauptabschnitt einer CT-Scannervorrichtung, welche ein Wälzlager verwendet, darstellt.
14 ist eine Längsschnittsansicht, welche ein in spiegelbildlicher Anordnung nebeneinander kombiniertes Schrägkugellager, welches in der CT-Scannervorrichtung verwendet wird, darstellt.
Nebenbei bemerkt, bezeichnet in den Figuren das Bezugszeichen 11 ein Vierpunktkontakt-Kugellager, 13 bezeichnet einen äußeren Laufring (bzw. ein äußeres Element), 15 bezeichnet einen inneren Laufring (bzw. ein inneres Element), 17 bezeichnet eine Kugel, und 19 bezeichnet einen Käfig.
<Beste Ausführungsweise der Erfindung>
Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Verweis auf die Zeichnung genau beschrieben.
Dabei wird ein Vierpunktkontakt-Kugellager gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Verweis auf die beigefügte Zeichnung genau beschrieben. 1 ist eine teilweise Längsschnittsansicht, welche die Anordnung eines Vierpunktkontakt-Kugellagers gemäß dem Ausführungsbeispiel der Erfindung darstellt.
Wie in 1 dargestellt, weist ein Vierpunktkontakt-Kugellager 11 gemäß diesem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung einen äußeren Laufring 13, welcher als äußeres Element dient, welcher eine Laufringfläche 13a aufweist, welche an einem Innenumfang davon vorgesehen ist, einen inneren Laufring 15, welcher als inneres Element dient, welcher eine Laufringfläche aufweist, welche an dem Außenumfang davon vorgesehen ist, mehrere Kugeln 14, welche rollfähig in einer einzigen Reihe zwischen den Laufringflächen 13a und 15a des äußeren und des inneren Laufrings 13 und 15 angeordnet sind, und einen Käfig 19 zum Anordnen dieser mehreren Kugeln 17 in gleichen Abständen in der Umfangsrichtung davon auf. Die Kugeln 17 sind in Zweipunktkontakt mit jeder der Laufringflächen 13a und 15a des äußeren und des inneren Laufrings 13 und 15 angeordnet.
Nebenbei bemerkt, sind, wie in 1 dargestellt, die Schnittpunkte der geneigten Punkt-Strich-Linien 21 und 22 mit den Laufringflächen 13a und 15a Kontaktpunkte zwischen den Kugeln 17 und den Laufringflächen 13a und 15a.
Ferner ist das Material der Kugeln 17 ein stark kohlenstoffhaltiger Chromstahl. Dieses ähnelt dem der Kugeln des herkömmlichen Lagers.
Ferner ist es zum Unterdrücken des Verschleißes davon günstig, eine Oberflächenhärtung an den Kugeln und jeder der Laufringflächen 13a und 15a durchzuführen. Es kann jedes der Verfahren, welche das Vergüten davon in einem Hochtemperaturöl, ein Induktionshärtungsverfahren des Drehbewegungs-Spulentyps und ein gleichzeitiges Gesamtinduktionsverfahren des Rundumspulentyps (siehe beispielsweise JP-A-2002-1742511) umfassen, als Härtungsverfahren verwendet werden, welches dabei durchgeführt wird.
Das Vierpunktkontakt-Kugellager 11 wird als Wälzlager zum drehbaren Lagern eines zylindrischen Gestells 6 für die CT-Scannervorrichtung 1, welche in 13 dargestellt ist, verwendet. Das Vierpunktkontakt-Kugellager 11, welches einen Innendurchmesser D₁ aufweist, welcher 700 mm oder mehr beträgt, ist in einer derartigen Weise ausgebildet, daß dieses einen großen Durchmesser aufweist. Somit ist dieses Vierpunktkontakt-Kugellager 11 ein sogenanntes extrem dünnwandiges Wälzlager, dessen Querschnitt äußerst klein ist, verglichen mit dem Durchmesser davon.
Ferner bezeichne bei dem Vierpunktkontakt-Kugellager 11d den Durchmesser der Kugel 17. D_p bezeichne den Durchmesser eines Wälzkreises der mehreren Kugeln 17, welche zwischen beiden Laufringflächen 13a und 15a angeordnet sind. L₁ bezeichne die Entfernung zwischen den Mittelpunkten der benachbarten Kugeln 17 (bzw. die Entfernung zwischen den Kugeln 17) auf dem Wälzkreis. r bezeichne den Krümmungsradius jeder der Nuten, welche als Laufringflächen 13a und 15a dienen, welche die Kugel 17 umschreiben. α bezeichne den Kontaktwinkel zwischen der Kugel 17 und jeder der Laufringflächen 13a und 15a des äußeren und des inneren Laufrings 13 und 15. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind derartige d, D_p, L₁, r und α in einer derartigen Weise festgelegt, daß diese jeweils die folgenden Ungleichungen (1) bis (4) erfüllen. 0,011 ≤ d/DP ≤ 0,017 ... (1) 1,5 ≤ L1/d ≤ 2,1 ... (2) 0,54 ≤ r/d ≤ 0,59 ... (3) 15° ≤ α ≤ 25° ... (4)
Ferner ist ein Axialrichtungsspalt S_A zwischen dem äußeren Laufring 13 und dem inneren Laufring 15, welche sich durch die Kugel 17 in Kontakt miteinander befinden, in einer derartigen Weise festgelegt, daß dieser die folgende Ungleichung erfüllt:
–0,050 mm ≤ S_A ≤ 0 mm.
Nebenbei bemerkt, beeinflußt bei dem Vierpunktkontakt-Kugellager 11 ein PV-Wert, welcher durch ein Produkt eines Kontaktflächendrucks P, welcher zwischen der Kugel 17 und jeder der Laufringflächen 13a und 15a und einer Schlupfgeschwindigkeit V erhalten wird, das Ausmaß des Verschleißes der Kugel 17 und jeder der Laufringflächen 13a und 15a und die Lautstärke der Geräusche, welche während der Drehung des Lagers erzeugt werden, stark. Ein geräuscharmer und schwingungsarmer Betrieb des Lagers kann durch Vermindern dieses PV-Werts verwirklicht werden.
Generell ist es zum Vermindern des Reibungsdrehmoments und der erzeugten Wärme und des Verschleißes, welche damit verbunden sind, durch Beschränken des Werts einer Trägheitskraft, welche während einer Drehung des Lagers mit hoher Drehzahl auf die Kugel 17 wirkt, auf einen kleinen Wert günstig, den Durch messer d der Kugel 17 auf einen möglichst kleinen Wert festzulegen. Wenn der Durchmesser d der Kugel 17 übermäßig klein ist, steigt jedoch der Kontaktflächendruck P an, so daß der PV-Wert größer wird. Dies bewirkt eine Verkürzung der Lebensdauer.
Somit gilt gemäß dem Vierpunktkontakt-Kugellager 11 des vorliegenden Ausführungsbeispiels:
(1) Der Durchmesser d der Kugel 17 wird derart festgelegt, daß sich dieser in einem Bereich befindet, welcher durch die Ungleichung (1) dargestellt wird. Infolgedessen vermeidet dieses Ausführungsbeispiel, daß der Durchmesser d der Kugel 17 übermäßig klein wird. Der PV-Wert kann durch gleichzeitiges Unterdrücken des Reibungsdrehmoments, welches die Wärmeerzeugung und den Verschleiß des Lagers bewirkt, verkleinert werden.
(2) Zum Gewährleisten der Festigkeit des Säulenabschnitts des Käfigs zwischen den Kugeln 17 ist es notwendig, die Fläche eines Querschnitts des Säulenabschnitts des Käfigs 19 zu gewährleisten, welche gleich einem vorbestimmten Wert oder größer als dieser ist. Im Hinblick darauf ist es günstig, die Entfernung L₁ zwischen den Kugeln zu vergrößern. Wenn die Entfernung L₁ zwischen den Kugeln übermäßig groß ist, wird jedoch die Last, welche auf die einzelnen Kugeln 17 verteilt ist, mit dem Ergebnis vergrößert, daß der PV-Wert größer wird.
Somit wird gemäß diesem Ausführungsbeispiel die Entfernung L₁ zwischen den Kugeln derart festgelegt, daß sich diese in einem Bereich befindet, welcher durch die Ungleichung (2) dargestellt wird. Infolgedessen vermeidet dieses Ausführungsbeispiel, daß die Entfernung L₁ zwischen den Kugeln übermäßig klein wird. Der PV-Wert kann durch gleichzeitiges Gewährleisten der Festigkeit des Säulenabschnitts des Käfigs verkleinert werden.
(3) Der Krümmungsradius r jeder der Nuten, welche als Laufringflächen 13a und 15a dienen, welche die Kugel 17 umschreiben, wird bei einem gewöhnlichen Kugellager derart festgelegt, daß sich dieser in einem Bereich befindet, welcher beispielsweise durch die folgende Ungleichung dargestellt wird: 0,5 < r/d < 0,54. Somit kann der Einfluß einer Änderung des Spalts aufgrund einer Bearbeitungsschwankung und einer Temperaturänderung bei einer Lagerfunktion durch Festlegen des Krümmungsradius auf einen größeren Wert als einen Normalwert vermindert werden. Ferner wird der Krümmungsradius r der Nut, mit welcher sich die Kugel 17 in Kontakt befindet, auf einen größeren Wert als den Normalwert festgelegt. Somit kann der PV-Wert durch gleichzeitiges Vermindern der Größe eines Kontaktovals, welches zwischen der Kugel 17 und jeder der Laufringflächen 13a und 15a erzeugt wird, verkleinert werden, um dadurch einen Differenzschlupf zu unterdrücken und ferner das Reibungsdrehmoment, welches die Wärmeerzeugung und den Verschleiß des Lagers bewirkt, zu unterdrücken. Wenn der Krümmungsradius r auf einen übermäßigen Wert festgelegt wird, ist es jedoch wahrscheinlich, daß eine Abweichung zwischen der Kugel und der Laufringfläche auftritt. Somit ist es schwierig, einen stabilen Betrieb zu erreichen.
Demzufolge wird bei diesem Ausführungsbeispiel der Krümmungsradius r der Nut derart festgelegt, daß sich dieser in einem Bereich befindet, welcher durch die Ungleichung (3) dargestellt wird. Somit kann es verhindert werden, daß der Krümmungsradius r der Nut übermäßig vergrößert wird. Die Größe des Kontaktovals zwischen der Kugel 17 und jeder der Laufringflächen 13a und 15a kann durch gleichzeitiges Gewährleisten der Funktionsfähigkeit des Lagers auf eine kleine Größe beschränkt werden. Infolgedessen kann der PV-Wert durch gleichzeitiges Unterdrücken des Reibungsdrehmoments, welches die Wärmeerzeu gung und den Verschleiß des Lagers bewirkt, verkleinert werden.
(4) Wenn der Kontaktwinkel a zwischen der Kugel 17 und jeder der Laufringflächen 13a und 15a übermäßig klein oder groß ist, erfolgen zunehmend ein Durchdrehschlupf und ein Kreiselschlupf, mit dem Ergebnis, daß das Reibungsdrehmoment und der PV-Wert vergrößert werden.
Somit wird gemäß diesem Ausführungsbeispiel der Kontaktwinkel α derart festgelegt, daß sich dieser in dem Bereich befindet, welcher durch die Ungleichung (4) dargestellt wird, so daß die Häufigkeiten des Auftretens sowohl des Durchdrehschlupfs als auch des Kreiselschlupfs vermindert werden können und daß der PV-Wert durch gleichzeitiges Unterdrücken des Reibungsdrehmoments, welches die Wärmeerzeugung und den Verschleiß des Lagers bewirkt, verkleinert werden kann.
(5) In dem Fall, daß der Axialrichtungsspalt S_A auf einen übermäßigen negativen Wert festgelegt wird, können die Einbaueigenschaften des Lagers extrem verschlechtert werden und das Reibungsdrehmoment bei der Drehung davon größer werden. Dies können wichtige Ursachen einer Verkürzung der Lager-Lebensdauer sein. In einer Umgebung, in welcher synergetische Wirkungen der Festlegung gemäß den Ungleichungen (1) bis (4) erzielt werden, wird ein Vorlastzustand, welcher zum Verwirklichen eines geräuscharmen und schwingungsarmen Betriebs bei einer Drehung des Lagers mit hoher Drehzahl geeignet ist, durch derartiges Festlegen des Axialrichtungsspalts S_A, daß sich dieser in dem Bereich befindet, welcher durch die folgende Ungleichung dargestellt wird, erreicht: –0,050 mm ≤ S_A ≤ 0 mm. Infolgedessen kann es verhindert werden, daß die Lebensdauer aufgrund der Wärmeerzeugung und des Verschleißes davon verkürzt wird.
Das bedeutet, daß das Vierpunktkontakt-Kugellager 11 des vorliegenden Ausführungsbeispiels verhindern kann, daß das Reibungsdrehmoment bei einem Betrieb unter einer Vorlast, welche darauf angewandt wird, größer wird, um dadurch die Wärmeerzeugung und den Verschleiß des Lagers zu unterdrücken. Ferner kann dieses Kugellager einen geräuscharmen und schwingungsarmen Betrieb bei einer Drehung des Lagers mit hoher Drehzahl verwirklichen. Ferner kann dieses Kugellager die Verlängerung der Lebensdauer durch Vermindern der erzeugten Wärme und des Verschleißes des Lagers erreichen.
Daher erfüllt in dem Fall, daß das Vierpunktkontakt-Kugellager in der CT-Scannervorrichtung verwendet wird, dieses Lager die Erfordernisse zum Beschleunigen des Betriebs des Drehlagerabschnitts. Ferner können Geräusche und Schwingungen bei einer Drehung des Lagers mit hoher Drehzahl dadurch unterdrückt werden, um die psychologische Belastung eines Patienten zu vermindern und zu verhindern, daß die Meßgenauigkeit durch Schwingungen beeinträchtigt wird.
Ferner werden zum Untersuchen von Betriebsvorgängen und Wirkungen des zuvor erwähnten Ausführungsbeispiels Kenngrößen-Auswertungstests, wie etwa Prüfungen von Geräuschen (bzw. Lautstärken davon), welche bei der Drehung mit hoher Drehzahl erzeugt werden, Schwingungswerten, Temperaturerhöhungen, Reibungsdrehmomenten und Lager-Lebensdauern, an dem Vierpunktkontakt-Kugellager gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel, dem herkömmlichen Vierpunktkontakt-Kugellager und dem in spiegelbildlicher Anordnung nebeneinander kombinierten Schrägkugellager unter den folgenden Testbedingungen durchgeführt. Nebenbei bemerkt, wird der Axialrichtungsspalt S_A bei dem herkömmlichen Vierpunktkontakt-Kugellager auf einen positiven Wert festgelegt.
2 bis 6 stellen Ergebnisse derartiger Messungen dar. (Testbedingungen)
2 bis 5 zeigen, daß das Vierpunktkontakt-Kugellager 11 des vorliegenden Ausführungsbeispiels dem herkömmlichen Vierpunktkontakt-Kugellager hinsichtlich jeder der Kenngrößen überlegen ist, welche durch die Prüfungen von Geräuschen, Schwingungswerten, Temperaturerhöhungen und Reibungsdrehmomente festgestellt wurden, und daß das Vierpunktkontakt-Kugellager 11 des vorliegenden Ausführungsbeispiels hinsichtlich derartiger Kenngrößen mit dem in spiegelbildlicher Anordnung nebeneinander kombinierten Schrägkugellager vergleichbar oder besser als dieses ist.
Ferner ist, wie aus 6 zu ersehen, die Lebensdauer des Vierpunktkontakt-Kugellagers 11 des vorliegenden Ausführungsbeispiels mit der des herkömmlichen Vierpunktkontakt-Kugellagers, auf welches keine Vorlast wirkt, und der des in spiegelbildlicher Anordnung nebeneinander kombinierten Schrägkugellagers vergleichbar. Somit erweist sich, daß die Anwendung einer Vorlast die Verkürzung der Lebensdauer nicht beeinflußt.
7 stellt ein Vierpunktkontakt-Kugellager gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung dar.
Wie in 7 dargestellt, wird ein Vierpunktkontakt-Kugellager 25 des zweiten Ausführungsbeispiels durch vorläufiges Einbauen eines Lagerkastens, welcher verwendet wird, wenn ein Einbau davon in die CT-Scannervorrichtung erfolgt, an dem Vierpunktkontakt-Kugellager 11 des ersten Ausführungsbeispiels erhalten.
Der Lagerkasten 27 umfaßt einen Lagerkasten 31 der Seite des äußeren Laufrings zum Halten eines äußeren Laufrings 13 und umfaßt ferner einen Lagerkasten 32 der Seite des inneren Laufrings zum Halten eines inneren Laufrings 15. Der Lagerkasten 31 der Seite des äußeren Laufrings und der Lagerkasten 32 der Seite des inneren Laufrings umfassen jeweils beigeordnete Körper 31a und 32a, welche in Axialrichtung voneinander getrennt werden können, Kappen 31b und 32b und Schraubenelemente 33 und 34.
Innenumfangs-Endabschnitte des Körpers 31a und der Kappe 31b, welche den Lagerkasten 31 der Seite des äußeren Laufrings bilden, sind in einstückiger Weise mit Abschirmungsabschnitten 31c, 31c versehen, welche in Radialrichtung nach innen überhängend angeordnet sind.
Die Abschirmungsabschnitte 31c, 31c bedecken Öffnungsabschnitte an beiden Enden des Vierpunktkontakt-Kugellagers 11, um dadurch zu verhindern, daß Schmierfett, mit welchem das Vierpunktkontakt-Kugellager 11 gefüllt ist, daraus ausläuft, und ferner zu verhindern, daß Fremdmaterialien in das Vierpunktkontakt-Kugellager 11 eindringen.
Ferner sind Montagelöcher zum Anbringen des Lagers in der CT-Scannervorrichtung in dem Lagerkasten 31 der Seite des äu ßeren Laufrings und dem Lagerkasten 32 der Seite des inneren Laufrings vorgesehen.
Somit kann das Vierpunktkontakt-Kugellager 25, welches eine Einheitsstruktur aufweist, wobei der Lagerkasten 27 vorläufig an dem Vierpunktkontakt-Kugellager 11 eingebaut wird, die Einbaueigenschaften davon, wenn dieses in die CT-Scannervorrichtung eingebaut wird, verbessern.
8 stellt ein Vierpunktkontakt-Kugellager gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung dar.
Ein Vierpunktkontakt-Kugellager 36 verwendet ein äußeres Element 38 anstatt des äußeren Laufrings des Vierpunktkontakt-Kugellagers 11 des ersten Ausführungsbeispiels und ist mit einem inneren Element 39 anstatt des inneren Laufrings 15 versehen.
Das äußere Element 38 ist durch einstückiges Ausbilden des Lagerkastens 31 der Seite des äußeren Laufrings mit dem äußeren Laufring 13 des zweiten Ausführungsbeispiels ausgebildet. Ferner ist das innere Element 39 durch einstückiges Ausbilden des Lagerkastens 32 der Seite des inneren Laufrings mit dem äußeren Laufring 15 des zweiten Ausführungsbeispiels ausgebildet.
Daher ist in dem äußeren Element 38 und dem inneren Element 39 jeweils ein beigeordneter Montageschraubenabschnitt 41 bzw. 42 zum sicheren Befestigen des Lagers an der CT-Scannervorrichtung ausgebildet.
Ferner sind ringartige Abschirmungsplatten 44 zum Verhindern, daß Schmierfett, mit welchem das Lager gefüllt ist, ausläuft, und zum Verhindern, daß Fremdmaterialien von außen in das Lager eindringen, an beiden Innenumfangs-Endabschnitten des äußeren Elements 38 angebracht.
Somit sind Abschnitte, welche als innerer und als äußerer Laufring des Lagers dienen, einstückig mit dem Lagerkasten ausgebildet. Bauelemente, welche das Vierpunktkontakt-Kugellager und den Lagerkasten bilden, welche in der CT-Scannervorrichtung verwendet werden, können vermindert werden. Die Einbaueigenschaften des Lagers der CT-Scannervorrichtung können verbessert werden. Die Kosten davon können durch Vermindern der Bauelemente davon vermindert werden.
Ferner wird, wie in 9 dargestellt, ein Spalt s1, welcher in Radialrichtung in einem vorbestimmten Neigungswinkel geneigt ist, zum Verformen der Abschirmungsplatte 44 durch Verkleinern des Durchmessers davon, vorläufig an einem Ort auf dem Umfang der Platte 44, welche ringförmig ist, durch Durchführen eines Preßformschritts auf Federstahl ausgebildet. Somit kann die Einfachheit des Verkleinerns des Durchmessers der Platte 44 bei einem Arbeitsschritt des Einbauens des Lagers an der Vorrichtung gewährleistet werden. Zugleich kann eine Verminderung der Dichtungsfähigkeit, welche durch Öffnen des Spalts verursacht wird, unterdrückt werden.
10 stellt ein Vierpunktkontakt-Kugellager gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung dar.
Das Vierpunktkontakt-Kugellager 46 dieses vierten Ausführungsbeispiels wird durch Ausbilden des äußeren Elements 38 des Vierpunktkontakt-Kugellagers 36, welches das dritte Ausführungsbeispiel ist, welches in 8 dargestellt ist, aus zwei ringartigen Elementen 51, 52, welche in Axialrichtung voneinander getrennt werden können, erhalten. Die restlichen Bestandteile davon sind im wesentlichen die gleichen wie die des Vierpunktkontakt-Kugellagers des dritten Ausführungsbeispiels.
11 stellt ein Vierpunktkontakt-Kugellager gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel der Erfindung dar.
Das Vierpunktkontakt-Kugellager 55 dieses fünften Ausführungsbeispiels wird durch Ausbilden des inneren Elements 39 des Vierpunktkontakt-Kugellagers 36 des dritten Ausführungsbeispiels, welches in 8 dargestellt ist, aus zwei ringartigen Elementen 56 und 57, welche in Axialrichtung voneinander getrennt werden können, erhalten. Die restlichen Bestandteile des fünften Ausführungsbeispiels sind im wesentlichen die gleichen wie die des Vierpunktkontakt-Kugellagers 36 des dritten Ausführungsbeispiels.
In dem Fall des ersten bis dritten Ausführungsbeispiels können der innere und der äußere Laufring jeweils nicht geteilt werden. Daher erfolgt das Aufnehmen der Kugeln 17 darin durch elastisches Verformen des äußeren Laufrings, ähnlich wie bei einem Tiefnut-Kugellager. Somit ist die Anzahl der Kugeln 17, welche durch Verwenden des Materials des äußeren Laufrings an der Elastizitätsgrenze davon aufgenommen werden, begrenzt.
Unterdessen ist in dem Fall der Vierpunktkontakt-Kugellager 46 und 55 des vierten und fünften Ausführungsbeispiels, welche in 10 und 11 dargestellt sind, mindestens entweder der innere oder der äußere Laufring zweigeteilt. Die Anzahl der Kugeln 17, welche zwischen dem inneren und dem äußeren Laufring aufgenommen werden, wird lediglich durch die Maße des Säulenabschnitts des Käfigs 19 beschränkt, welche notwendig sind, um die Festigkeit davon zu gewährleisten. Die Anzahl der aufgenommen Kugeln 17 hängt jedoch weder mit der Elastizitätsgrenze des äußeren Elements, welches als äußerer Laufring fungiert, noch mit der Elastizitätsgrenze des inneren Elements, welches als innerer Laufring fungiert, zusammen.
Daher kann im Vergleich mit den Vierpunktkontakt-Kugellagern des ersten bis dritten Ausführungsbeispiels jeweils eine größere Anzahl von Kugeln 17 in den Vierpunktkontakt-Kugellagern 46 und 55 des vierten und fünften Ausführungsbeispiels aufgenommen werden. Die Haltbarkeit und die Lebensdauer des Lagers können durch Vermindern einer Last, welche auf eine Kugel 17 wirkt, oder durch Vergrößern einer zulässigen Last erreicht werden.
Nebenbei bemerkt, werden in dem Fall der Vierpunktkontakt-Kugellager des ersten bis fünften Ausführungsbeispiels die zuvor erwähnten Maße derart festgelegt, daß sich diese in den Bereichen befinden, welche durch die Ungleichungen (1) bis (4) dargestellt werden. Und der Axialrichtungsspalt S_A wird in einer derartigen Weise festgelegt, daß dieser dem Bereich entspricht: –0,050 mm ≤ S_A ≤ 0 mm. Somit wird ein geräuscharmer und schwingungsarmer Betrieb bei einer Drehung mit hoher Drehzahl verwirklicht. Ferner wird die Unterdrückung der erzeugten Wärme und des Verschleißes des Lagers bei einem Betrieb mit hoher Drehzahl unter der Vorlast, welche darauf angewandt wird, verwirklicht.
Demgegenüber können Vierpunktkontakt-Kugellager des folgenden sechsten bis achten Ausführungsbeispiels Betriebsvorgänge und Wirkungen erzielen, welche denen der zuvor erwähnten Ausführungsbeispiele ähnlich sind.
Ein Vierpunktkontakt-Kugellager, welches ein sechstes Ausführungsbeispiel ist, ist derart aufgebaut, daß die Kugeln aus stark kohlenstoffhaltigem Stahl hergestellt sind und daß eine karbonitrierte Schicht, welche eine Vickershärte H_v von 740 bis 940 aufweist, auf der Oberfläche jeder der Kugeln ausgebildet ist.
Ferner ist ein Vierpunktkontakt-Kugellager, welches ein siebtes Ausführungsbeispiel ist, derart aufgebaut, daß die Kugeln aus rostfreiem Martensitstahl hergestellt sind und daß eine karbonitrierte Schicht, welche eine Vickershärte H_v von 1200 bis 1500 aufweist, auf der Oberfläche jeder der Kugeln ausgebildet ist.
Ferner ist ein Vierpunktkontakt-Kugellager, welches ein achtes Ausführungsbeispiel ist, derart aufgebaut, daß die Kugeln aus technischen Keramikmaterialien hergestellt sind und daß die Oberfläche jeder der Kugeln eine Vickershärte H_v in dem Bereich von 1300 bis 2700 aufweist.
Diese Vierpunktkontakt-Kugellager des sechsten bis achten Ausführungsbeispiels sind derart aufgebaut, daß die Vickershärte der Oberfläche jeder der Kugeln in einer derartigen Weise abgestimmt ist, daß diese größer als der Normalwert ist.
Somit wird der Längsrichtungs-Elastizitätskoeffizient der Kugel groß. Eine Verformung der Kugel, welche durch den Kontaktflächendruck, welcher zwischen der Kugel und der Laufringfläche wirkt, wird unterdrückt. Infolgedessen kann die Größe des Kontaktovals, welches zwischen der Kugel und dem Laufring erzeugt wird, verkleinert werden. Somit kann der Differenzschlupf, welcher zwischen der Kugel und jeder der Laufringflächen erfolgt, minimiert werden.
Ferner kann direkt aufgrund der Tatsache, daß die Härte der Oberfläche der Kugel derart festgelegt wird, daß diese größer als der Normalwert ist, die Verschleißfestigkeit davon hinsichtlich eines Schlupfbetriebs verbessert. Diese Verbesserung der Verschleißfestigkeit der Kugel und die Minimierung des Differenzschlupfs ermöglichen die Unterdrückung des Anstiegs des Reibungsdrehmoments bei einem Betrieb, welcher unter einer Vorlast, welche darauf angewandt wird, erfolgt. Somit können die erzeugte Wärme und der Verschleiß des Lagers unterdrückt werden. Infolgedessen kann ein geräuscharmer und schwingungsarmer Betrieb bei einer Drehung mit hoher Drehzahl verwirklicht werden. Zugleich kann die Verbesserung der Lager-Lebensdauer durch Vermindern der erzeugten Wärme und des Verschleißes davon verwirklicht werden.
12 stellt Vergleichsergebnisse verschiedener Kenngrößen eines Lagers der Vierpunktkontakt-Kugellager des sechsten bis achten Ausführungsbeispiels, wobei die Vickershärte H_v der Oberfläche der Kugel verbessert und der Axialrichtungsspalt S_A in dem Lager auf einen negativen Wert festlegt wird, des herkömmlichen Kontaktkugellagers und des in spiegelbildlicher Anordnung nebeneinander kombinierten Schrägkugellagers dar.
Nebenbei bemerkt, erfolgt die Messung der Kenngrößen an zwei Arten der herkömmlichen Vierpunktkontakt-Kugellager, das bedeutet, daß eine Art davon derart angelegt ist, daß der Axialrichtungsspalt auf einen negativen Wert festgelegt ist, und die andere Art davon derart angelegt ist, daß der Axialrichtungsspalt auf einen positiven Wert festgelegt ist.
Infolgedessen ist das Vierpunktkontakt-Kugellager der vorliegenden Erfindung im Vergleich mit dem in spiegelbildlicher Anordnung nebeneinander kombinierten Schrägkugellager im Hinblick auf die Raumsparfähigkeit und die geringen Kosten demgegenüber überlegen. Ferner ist das Vierpunktkontakt-Kugellager der vorliegenden Erfindung im Vergleich mit dem herkömmlichen Vierpunktkontakt-Kugellager im Hinblick auf das leise Geräusch und die Lebensdauer des Lagers demgegenüber überlegen. Die zuvor erwähnten Betriebsvorgänge und Wirkungen können bestätigt werden.
<Industrielle Anwendbarkeit>
Wie oben beschrieben, gilt gemäß der Erfindung:
(1) Der Durchmesser d der Kugel wird innerhalb des Bereichs festgelegt, welcher durch die folgende Ungleichung dargestellt wird: 0,011 ≤ d/D_p ≤ 0,017. Somit wird vermieden, daß der Durchmesser der Kugel übermäßig klein wird. daß der Durchmesser d der Kugel 17 übermäßig klein wird. Infolgedessen kann der PV-Wert durch gleichzeitiges Unterdrücken des Reibungsdrehmoments, welches die Wärmeerzeugung und den Verschleiß des Lagers bewirkt, verkleinert werden.
(2) Die Entfernung L₁ zwischen den Kugeln wird innerhalb des Bereichs festgelegt, welcher durch die folgende Ungleichung dargestellt wird: 1,5 ≤ L₁/d ≤ 2,1. Somit wird vermieden, daß die Entfernung L₁ zwischen den Kugeln übermäßig groß wird. Infolgedessen kann der PV-Wert durch gleichzeitiges Gewährleisten der Festigkeit des Säulenabschnitts des Käfigs verkleinert werden.
(3) Der Krümmungsradius r der Nut wird innerhalb des Bereichs festgelegt, welcher durch die folgende Ungleichung dargestellt wird: 0,54 ≤ r/d ≤ 0,59. Es kann vermieden werden, daß der Krümmungsradius der Nut übermäßig groß wird. Infolgedessen wird das Kontaktoval, welches zwischen der Kugel und der Laufringfläche erzeugt wird, durch gleichzeitiges Gewährleisten der Betriebsfähigkeit auf eine kleine Größe gedrückt. Infolgedessen kann der PV-Wert durch gleichzeitiges Unterdrücken des Reibungsdrehmoments, welches die Wärmeerzeugung und den Verschleiß des Lagers bewirkt, verkleinert werden.
(4) Der Kontaktwinkel α zwischen der Kugel und jeder der Laufringflächen wird auf den Bereich beschränkt, welcher durch die folgende Ungleichung dargestellt wird: 15° ≤ α ≤ 25°. Somit kann der PV-Wert durch gleichzeitiges Vermindern sowohl des Durchdrehschlupfs zwischen der Kugel und der Laufringfläche als auch des Kreiselschlupfs dazwischen und Unterdrücken des Reibungsdrehmoments, welches die Wärmeerzeugung und die Erwärmung des Lagers bewirkt, verkleinert werden.
(5) Bei der Umgebung, in welcher die synergetischen Wirkungen der Betriebsvorgänge und Vorteile des Erreichens der Kenngrößen gemäß den Maßen, welche durch die Punkte (1) bis (4) dargestellt werden, erzielt werden, wird ein Vorlastzustand, welcher zum Verwirklichen eines geräuscharmen und schwingungsarmen Betriebs bei einer Drehung des Lagers mit hoher Drehzahl geeignet ist, durch derartiges Festlegen des Axialrichtungsspalts S_A, daß sich dieser in dem Bereich befindet, welcher durch die folgende Ungleichung dargestellt wird, erhalten: –0,050 mm ≤ S_A ≤ 0 mm. Infolgedessen kann es verhindert werden, daß die Lager-Lebensdauer aufgrund der Wärmeerzeugung und des Verschleißes davon verkürzt wird.
Ferner wird gemäß den Vierpunktkontakt-Kugellagern, welche unter den Punkten 2) bis 4) beschrieben sind, die Vickershärte H_v der Oberfläche der Kugel in einer derartigen Weise abgestimmt, daß diese größer als der Normalwert ist. Somit wird der Längsrichtungs-Elastizitätskoeffizient der Kugel groß. Die Verformung der Kugel, welche durch den Kontaktdruck zwischen der Kugel und der Laufringfläche verursacht wird, kann unterdrückt werden. Somit kann die Größe des Kontaktovals, welches zwischen der Kugel und der Laufringfläche erzeugt wird, auf eine kleine Größe verkleinert werden. Infolgedessen kann der Differenzschlupf, welcher zwischen der Kugel und jeder der Laufringflächen erfolgt, minimiert werden.
Ferner verbessert die Festlegung der Härte der Oberfläche der Kugel direkt die Verschleißfestigkeit hinsichtlich eines Schlupfbetriebs. Diese Verbesserung der Verschleißfestigkeit und die Minimierung des Differenzschlupfs können den Anstieg des Reibungsdrehmoments bei dem Betrieb, welcher unter der angewandten Vorlast erfolgt, unterdrücken. Ferner kann ein geräuscharmer und schwingungsarmer Betrieb bei der Drehung mit hoher Drehzahl verwirklicht werden. Zugleich kann die Verlängerung der Lager-Lebensdauer durch Vermindern der erzeugten Wärme und des Verschleißes des Lagers verwirklicht werden.
ZUSAMMENFASSUNG
Probleme, welche durch die vorliegende Erfindung gelöst werden sollen, bestehen darin, den Anstieg des Reibungsdrehmoments bei einem Betrieb unter einer angewandten Vorlast zu unterdrücken, wodurch Wärmeerzeugung und Verschleiß eines Lagers unterdrückt werden, und neben der Verbesserung der Lager-Lebensdauer einen geräuscharmen und schwingungsarmen Betrieb bei einer Drehung mit hoher Drehzahl zu verwirklichen.
d bezeichne den Durchmesser der Kugel in dem Vierpunktkontakt-Kugellager. D_P bezeichne den Durchmesser eines Wälzkreises der mehreren Kugeln, welche zwischen beiden Laufringflächen angeordnet sind. L₁ bezeichne die Entfernung zwischen den Mittelpunkten der benachbarten Kugeln auf dem Wälzkreis, welcher den Durchmesser D_P aufweist. r bezeichne den Krümmungsradius jeder der Nuten, welche als Laufringflächen dienen, welche die Kugel an dem äußeren bzw. dem inneren Laufring umschreiben. α bezeichne den Kontaktwinkel zwischen der Kugel und jeder der Laufringflächen. Gemäß der vorliegenden Erfindung werden diese Variablen d, D_p, L₁, r und α gemäß vorbestimmten Relationen abgestimmt. Somit kann bei einem Zustand unter einer angewandten Vorlast, wobei der Axialrichtungsspalt S_A negativ ist, ein Anstieg des Reibungsdrehmoments unterdrückt werden. Somit können die Wärmeerzeugung und der Verschleiß eines Lagers unterdrückt werden.

Claims

Vierpunktkontakt-Kugellager, umfassend: ein äußeres Element, welches eine Laufringfläche an einem Innenumfang davon aufweist, ein inneres Element, welches eine Laufringfläche an einem Außenumfang davon aufweist; mehrere Kugeln, welche in einer Reihe zwischen diesem äußeren und diesem inneren Element rollfähig angeordnet sind, und einen Käfig zum Anordnen dieser mehreren Kugeln in gleichen Abständen in Umfangsrichtung davon, wobei sich die Kugeln in Zweipunktkontakt mit jeder der beiden Laufringflächen des äußeren Elements und des inneren Elements befinden, wobei, wenn d den Durchmesser der Kugel bezeichnet, D_P den Durchmesser eines Wälzkreises der mehreren Kugeln, welche zwischen den beiden Laufringflächen angeordnet sind, bezeichnet, L₁ die Entfernung zwischen den Mittelpunkten benachbarter Kugeln auf dem Wälzkreis bezeichnet, r den Krümmungsradius jeder der Nuten, welche als Laufringflächen dienen, welche die Kugel umschreiben, bezeichnet und α den Kontaktwinkel zwischen der Kugel und jeder der Laufringflächen des äußeren und des inneren Laufrings bezeichnet, d, D_p, L₁, r und α in einer derartigen Weise festgelegt sind, daß diese jeweils die folgenden Ungleichungen erfüllen: 0,011 ≤ d/D_P ≤ 0,017, 1,5 ≤ L₁/d ≤ 2,1, 0,54 ≤ r/d ≤ 0,59 und 15° ≤ α ≤ 25°; und ein Axialrichtungsspalt S_A zwischen dem äußeren Laufring und dem inneren Laufring, welche sich durch die Kugel in Kontakt miteinander befinden, in einer derartigen Weise festgelegt ist, daß dieser die folgende Ungleichung erfüllt: –0,050 mm ≤ S_A ≤ 0 mm.
Vierpunktkontakt-Kugellager, umfassend: ein äußeres Element, welches eine Laufringfläche an einem Innenumfang davon aufweist, ein inneres Element, welches eine Laufringfläche an einem Außenumfang davon aufweist, mehrere Kugeln, welche in einer Reihe zwischen diesem äußeren und diesem inneren Element rollfähig angeordnet sind, und einen Käfig zum Anordnen dieser mehreren Kugeln in gleichen Abständen in Umfangsrichtung davon, wobei sich die Kugeln in Zweipunktkontakt mit jeder der beiden Laufringflächen des äußeren Elements und des inneren Elements befinden, wobei jede der Kugeln aus einem stark kohlenstoffhaltigen Chromstahl ausgebildet ist; und eine karbonitrierte Schicht, welche eine Vickershärte H_v von 740 bis 940 aufweist, auf der Oberfläche jeder der Kugeln ausgebildet ist.
Vierpunktkontakt-Kugellager, umfassend: ein äußeres Element, welches eine Laufringfläche an einem Innenumfang davon aufweist, ein inneres Element, welches eine Laufringfläche an einem Außenumfang davon aufweist, mehrere Kugeln, welche in einer Reihe zwischen diesem äußeren und diesem inneren Element rollfähig angeordnet sind, und einen Käfig zum Anordnen dieser mehreren Kugeln in gleichen Abständen in Umfangsrichtung davon, wobei sich die Kugeln in Zweipunktkontakt mit jeder der beiden Laufringflächen des äußeren Elements und des inneren Elements befinden, wobei die Kugeln aus rostfreiem Martensitstahl hergestellt sind und eine karbonitrierte Schicht, welche eine Vickershärte H_v von 1200 bis 1500 aufweist, auf der Oberfläche jeder der Kugeln ausgebildet ist.
Vierpunktkontakt-Kugellager, umfassend: ein äußeres Element, welches eine Laufringfläche an einem Innenumfang davon aufweist, ein inneres Element, welches eine Laufringfläche an einem Außenumfang davon aufweist, mehrere Kugeln, welche in einer Reihe zwischen diesem äußeren und diesem inneren Element rollfähig angeordnet sind, und einen Käfig zum Anordnen dieser mehreren Kugeln in gleichen Abständen in Umfangsrichtung davon, wobei sich die Kugeln in Zweipunktkontakt mit jeder der beiden Laufringflächen des äußeren Elements und des inneren Elements befinden, wobei die Kugeln aus technischen Keramikmaterialien hergestellt sind; und die Oberfläche jeder der Kugeln eine Vickershärte H_v in dem Bereich von 1300 bis 2700 aufweist.