DE1163612B - Rollkoerper - Google Patents

Description

• Rollkörper Die Erfindung bezieht sich auf Rollkörper mit zylindrischer, kegeliger oder tonnenförmiger Grundform, vorzugsweise in Wälzlagern für hohe Beanspruchungen. Sie hat sich zur Aufgabe gestellt, die Laufflächen derartiger Rollkörper. so auszugestalten, daß im belasteten Zustand Kantenspannungen an den Enden der Druckfläche vermieden werden.
• Preßt man einen zylindrischen Rollkörper gegen eine Ebene oder gegen einen Zylinder oder einen Hohlzylinder größerer Länge, wie es beispielsweise bei einem Zylinderrollenlager der Fall ist, dann treten in der Nähe der Rollenstirnflächen Spannungserhöhungen auf. Das gleiche gilt für die Berührung zwischen Kegelrolle und kegeligem bzw. hohlkegeligem Laufring im Kegelrollenlager und in ähnlichem Maße auch für die Berührung zwischen den Tonnenrollen und Laufringen der Pendelrollenlager bei hoher Belastung. Diese Spannungserhöhungen an den Rändern der Laufbahnen und der Rollkörpermantelflächen haben zur Folge, daß an diesen Stellen früher Materialermüdungen auftreten als im mittleren Teil der Laufflächen und daß somit die Lebensdauer der Lager durch die an diesen Stellen vorzeitig auftretenden Schäden begrenzt ist.
• Es sind bereits die verschiedensten Lagerkonstruktionen bekanntgeworden, die darauf abzielten, die Spannungsspitzen an den Druckflächenenden abzubauen oder ganz zu vermeiden. So wurden zunächst die Rollkörper der Zylinderrollenlager leicht ballig mit einer kreisbogenförmigen Erzeugenden ausgeführt, wie in F i g. 1 a dargestellt. Bei Rollen mit kreisförmiger Erzeugenden bildet sich aber ein Druckflächengebirge nach Art eines Halbellipsoids aus, so daß man im Mittelteil der Druckfläche eine erhöhte Flächenpressung, an den Druckflächenenden eine mangelhafte Ausnutzung der Preßfähigkeit hinzunehmen gezwungen ist. Somit muß man das angestrebte Ziel, in der Druckfläche in Richtung der Rollenkörperachse eine möglichst gleichmäßige Flächenpressungsverteilung zu erreichen, aufgeben.
• Es wurde deshalb auch später eine Zylinderrolle bekannt, die im mittleren Teil zylindrisch, nach den Rollenenden hin jedoch schwach kegelig ausgeführt ist, wie in F i g. 1 b dargestellt. Bei Rollen dieser Konstruktion sind zwar die Spannungsspitzen an den Druckflächenenden beseitigt. Es treten jedoch Spannungserhöhungen am Übergang vom zylindrischen zum kegeligen Teil der Rolle auf. Die Spannungen werden zwar an dieser Stelle nicht so groß wie an den Rollenenden der zylindrischen Rolle, sind aber immer noch beträchtlich höher als die Spannungen in der Mitte des zylindrischen Teils. Um die Spannungserhöhungen an den genannten Übergangsstellen zu vermindern, ist eine Rollenform gemäß F i g. 1c bekanntgeworden. Bei dieser ist die Erzeugende im mittleren Rollenteil eine Gerade, an welche sich nach beiden Rollenenden hin ein Kreisbogen mit großem Radius anschließt. Rollkörper dieser Bauform werden schon seit Jahren in Zylinderrollenlagern eingebaut.
• Eine weitere bekannte Konstruktion sieht vor, die Rolle an ihren Stirnflächen elastischer bzw. nachgiebiger zu gestalten, um auf diese Weise das Auftreten von Spannungsspitzen zu verhindern. Hierzu werden die Rollkörperstirnflächen mit einer Vertiefung gemäß F i g. 1d versehen. Spannungsoptische Untersuchungen haben gezeigt, daß sich bei einer derartigen Gestaltung der Rolle sehr gute Ergebnisse erzielen lassen. Jedoch ist das Auffinden der günstigsten Form für die Rollkörperstirnflächen nur auf experimentellem Wege möglich und infolgedessen sehr schwierig. Auch herstellungstechnisch sind besondere Vorkehrungen notwendig, so daß diese Rollenform praktisch keine größere Verbreitung gefunden hat.
• Schließlich ist auch ein Versuch bekanntgeworden, die günstigste Rollkörperform theoretisch zu ermitteln. In einer im Jahre 1939 veröffentlichten Arbeit (G. L u n d b e r g, »Elastische Berührung zweier Halbräume« in Forschung a. d. Geb. d. Ing.-Wesens, Bd. 10, Nr. 5 [1939]) ist ein Rollenprofil angegeben, welches in der Druckfläche in Richtung der Rollkörperachse eine konstante Flächenpressung ergeben soll. Unter der Voraussetzung, daß die Druckfläche rechteckig sein soll und die Flächenpressungsverteilung in Richtung der schmalen Seite elliptisch (entsprechend der Lösung von H e r t z) und in Richtung der langen Seite, d. h. in Richtung der Rollkörperachse, konstant sein soll, errechnet sich ein Profil mit stetig veränderlicher Krümmung. Dieses Profil wurde auf den Fall der Zylinderrolle übertragen. Die Übertragung der in der genannten Vorveröffentlichung gefundenen Ergebnisse auf den Fall der Zylinderrolle führt jedoch nicht zu dem angestrebten Ziel. Denn auch bei einer Rolle mit diesem, auf theoretischem Wege gefundenen Profil müssen sich an den Druckflächenenden Spannungsspitzen einstellen. Dies folgt daraus, daß die Druckspannung in der rechteckigen Druckfläche in Richtung der Rollkörperachse nur dann konstant bleiben kann, wenn bei der errechneten Profilkurve der Durchmesser der Rolle an den Rollenenden auf etwa den doppelten Wert des Durchmessers in Rollenmitte anwachsen würde. Da jedoch die Mantelfläche der Zylinderrolle sich wegen des - abgesehen von der ganz geringen Profilierung -konstanten Durchmessers stärker von der Laufbahn abhebt als derjenige Körper, den die Theorie fordert, muß bei einer nach jenen Ergebnissen profilierten Rolle die Druckflächenbreite nach den Druckflächenenden hin abnehmen und somit die Druckspannung an den Rollenenden zunehmen.
• Abgesehen davon, daß dieses theoretisch gefundene Ergebnis in der Praxis nicht das gewünschte Resultat liefert, ist eine in Rollkörperachsrichtung über die ganze Druckflächenlänge völlig konstante Flächenpressungsverteilung mit einer am Druckflächenrand sprunghaften Änderung der Flächenpressung vom Maximalwert auf Null nachteilig. Die konstante Flächenpressung in der Druckfläche ist keine Gewähr dafür, daß auch die Materialbeanspruchung in der Druckfläche und in deren Umgebung konstant in der Rollkörperachsenrichtung ist. Bei den Untersuchungen, deren Ergebnisse Gegenstand der Erfindung sind, wurde nachgewiesen, daß bei konstanter Flächenpressung über der ganzen Druekflächenlänge sich unterhalb der Laufbahnoberfläche unter den Druckflächenenden beträchtlich höhere Materialbeanspruchungen einstellen als im Mittelteil der Laufbahn. Die Folgerung ist, daß eine völlig gleichmäßige Flächenpressung nicht die optimale Lösung darstellen kann.
• Die geschilderten Nachteile der bekannten Rollkörper sind durch die Erfindung bei einem Rollkörper der eingangs bezeichneten Art behoben, indem erfindungsgemäß der Rollkörperradius im Mittelteil der Rolle von 80 bis 90° der Rollkörperlänge entsprechend der Gleichung abnimmt und an den beiden Rollkörperenden in der Weise, daß - beginnend in einer Entfernung von 5 bis 100/, der Rollkörperlänge von den Rollkörperstirnflächen - die Radiusverminderung gegenüber der Gleichung bei stetigem Übergang zunehmend stärker wird, bis sie an den Rollkörperstirnflächen den doppelten Wert der obengenannten Gleichung erreicht. Durch die erfindungsgemäß profilierte Mantelfläche ist erreicht, daß die Druckspannung fast über der ganzen Länge der Druckfläche konstant bleibt sowie kurz vor dem Erreichen der Druckflächenenden stetig auf Null abfällt und daß durch den stetigen Abfall der Flächenpressung bis auf Null die Spitzen der Materialbeanspruchung unterhalb der Laufbahn unter den Druckflächenenden verschwinden.
• Die Erfindung ist in der nachstehenden Beschreibung an Hand der Zeichnung in einer Ausführungsform beispielhaft erläutert. Dabei zeigt F i g. 2 schematisch einen Rollkörper mit zylindrischer Grundform.
• Die Rollkörpermantelfläche wird bei Voraussetzung ebener, zylindrischer oder kegeliger Laufbahnen so gestaltet, daß der Rollkörperradius im Mittelteil der Rolle von 80 bis 900/, der Rollkörperlänge -je nach Größe der geplanten Rollkörperbelastung - entsprechend der Gleichung abnimmt und an den beiden Rollkörperenden in der Weise, daß - beginnend in einer Entfernung 5 bis 10°/o der Rollkörperlänge von den Rollkörperstirnflächen -die Radiusverminderung gegenüber obengenannter Gleichung bei stetigem Übergang zunehmend stärker wird, bis sie an den Rollkörperstirnflächen den doppelten Wert des Ergebnisses obiger Gleichung erreicht. Hierbei bedeutet is = Radiusverminderung der Rolle [mm], .. = Richtung der Rollenachse, Rollenmitte entspricht z = 0 [mm], 2 a = Länge der Druckfläche = Länge der Zylinderrolle [mm], 2 b = Breite der Druckfläche, wie sie nach den Hertzschen Gleichungen berechnet wird [mm], p, = maximale Flächenpressung in der Mitte der Druckfläche, wie sie nach den Hertzschen Gleichungen berechnet wird [kg/mm2], t = Integrationsveränderliche [mm], m = Poissonsche Zahl, E = Elastizitätsmodul [kg/mm2]. Die gestrichelte Linie in F i g. 2 stellt das Ergebnis der Gleichung dar und die durchgezogene Linie das Rollenprofil. Die Forderung nach einer doppelt so großen Radiusverminderung an den Rollenstirnflächen ergibt sich ebenfalls aus der Elastizitätstheorie, da von dieser Grenze ab die Druckspannung an den Druckflächenenden auf Null abfällt und das Maximum der Beanspruchung unterhalb der Druckflächenenden verschwindet.
• Die erfindungsgemäße Lehre ist nicht allein auf die Rollkörper der Zylinderrollenlager anwendbar, sondern sinngemäß auch für die Kegelrollen der Kegelrollenlager und für die Tonnenrollen der Pendelrollenlager. Ferner ist die vermittelte optimale Profilgebung auch nicht auf Rollkörper allein beschränkt, sondern kann in gleicher Weise auch bei den Laufbahnen allein oder sinngemäß auch bei Rollkörpern und Laufbahnen zugleich angewendet werden.

Claims (1)

1. Patentanspruch: Rollkörper mit zylindrischer, kegeliger oder tonnenförmiger Grundform, vorzugsweise in Wälzlagern für hohe Beanspruchungen, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, daß der Rollkörperradius im Mittelteil der Rolle von 80 bis 90 °/o der Rollkörperlänge entsprechend der Gleichung abnimmt und an den beiden Rollkörperenden in der Weise, daß - beginnend in einer Entfernung von 5 bis 10 °/o der Rollkörperlänge von den Rollkörperstirnflächen - die Radiusverminderung gegenüber der Gleichung bei stetigem Übergang zunehmend stärker wird, bis sie an den Rollkörperstirnflächen den doppelten Wert der obengenannten Gleichung erreicht. Hierbei bedeutet u = Radiusverminderung der Rolle [mm] z = Richtung der Rollenachse, Rollenmitte entspricht z = 0 [mm], 2 a = Länge der Druckfläche = Länge der Rolle Fmm], 2 b = Breite der Druckfläche, wie sie nach den Hertzschen Gleichungen berechnet wird [mm], p, = maximale Flächenpressungen in der Mitte der Druckfläche, wie sie nach den Hertzschen Gleichungen berechnet wird [kg/mm'], t = Integrationsveränderliche [mm], m = Poissonsche Zahl, E = Elastizitätsmodul [kg/mma]. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentanmeldung V 1921 XII/47b (bekanntgemacht am 3. 4. 1952).