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Kugellagerung für ein drehbares Bauteil Die Erfindung betrifft eine
Kugellagerung für ein drehbares Bauteil, bestehend aus je einem Kugellager zu beiden
3eiten des Bauteils. Ihr liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Präzisionalagerune anzugeben,
die ein außergewöhnlich kleines und von Drehvinkel unabhängiges Reibungsmonent
aufweist, wobei diesen Reibungsmonent auch unabhängig von tomperat;uz%-bedingten
axialen Ungenänderungen des Bautelles sein soll. Da es sich hier weniger
um Reibung In üblichen Sims sondern Überwiegend um Rollwiderstände
In Ia#er handelt, wird In
folgenden anstelle von Reibungemonent der
weitere, Begriff Lagernoment verwendet.
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Die Forderung nach kleinen Lagernomenten stellt sich insbesondere
bei Ereiselgeräten, und hier wieder speziell bei der Lagerung der Präseasionsachseg
die auch die empfindliche Achse genannt-wird.
Bekannte Präzisionslagerungen
verwenden Einzellager mit gewölbten Laufflächen. Außen- und Innenring dieser Lager
sind axial gegeneinander gespan.,it, wobei das Bauteil selbst diese Spannung aufnimmt.
Nun lassen sich aber Wärmedehnungen von Kreiselrahmen oder anderen Bauteilen mit
einer gewissen Längserstreckung kaum vermeiden. Die Verspannung der Lager ist daher
Schwankungen unterworfen und insbesondere bei großer Spannung machen sich die geomätrischen
Unvollkommenheiten der Laufflächen unangenehm bemerkbar. Bei sehr langsamen Drehbewegungen,
die bei der Erfindung vorwiegend ins Auge gefaßt sind, treten positive und negative
Lagermomente im Wechsel auf, d. h. das Lager "zieht und schiebt". Dieser
Effekt ist darauf zurÜckzufÜhren" daß zumindest ein Teil der Kugeln aus kleinen
Vertiefungen der Lauffläche herausgehoben werden mÜssen, bzw. in Folge der Verspannung
in diese Vertiefungen hineindrängen.
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Es sind zwar sZhon Anordnungen bekannt geworden, mit deren Hilfe die
beiden einander entsprechenden Lagerringe, also z. B. die Außenringe beider Lager
in entgegengesetzter Drehrichtung ständig In Bewegung gehalten werden. Dadurch konnte
das Reibtioment der Lagerung gerade bei langsamen Drehbewegungen entscheidend gesenkt
werden. Diese Anordnungen bedürfen jedoch eines besonderen Antriebes und
einer weiteren l;agerunß der AußerLringet so daß der Aufwand beträchtlich ist. Erfindungsgemäß
werden gleich gute Laufeigenschaften dadurch erzielt, daß das eine Lager als Festlager
ausgebildet ist und in an sich bekannter Voise vier konische Laufflächen aufweiat,
während das andere Lager als Loslager mit einer zylindrischen Lauffläche ausgebildet
ist. Der Ausdruck "FestlagAr" soll bedeuten, daß dieses Lager allein die axiale
.Führung gibt, während der Innenring des Loslagers sich gegen-Über dem Außenring
axial verschieben kann. Dadurch haben Wärmedehnungen des zu lagernden Bauteiles
keinen Einfluß mehr auf die Lagerlaufeigenschaften. Lager mit vier konischen Lau.IL"-flächen
sind
zwar für sich genommen bekannt aus US-Patent 832 427- Sie bringen jedoch
nicht den angestrebten Erfolg, sondern erst die gemeinsame Verwendung eines solchen
Lagers und eines ebenfalls an sich bekannten Loslagers bei einer Lagerungsaufgabe.
Das Festlager wird erfindungsgemäß nicht verspannt, sondern der axiale Abstand der
beiden Hälften des geteilten Außen- oder Innenringes wird durch Feinjustierung so
eingestellt, daß die Kugeln mit sehr geringem Spiel umlaufen können.
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Das "Rucken" der Lager kann weiterhin dadurch vermindert werden, daß
die Außenringe der Laj#er an demjenigen zu laF-.ernden Bauteil angeordnet sind,
dessen Gewicht im Normalfall ,'ie radiale Belastung der Lager hervorruft.
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Bei der R,-ihmeiil-ifgerung eines Kurb3'r,-i,eisel-, z.
l-.. demnach die Außenringe am Rahmen und die oder Zapfen am fahrzeugfesten
oder plattformfe.-ten Gestell anCoordnet werden. Die Wirkung dieser Maßnahme wird
später an Hand der Zeichnung näher erläutert und läßt sich dahingehend kurz zusammenfassen,
daß die frei fallenden Kugeln 1-nnerlialb eines Lagers sich in Folge der Schwerkraft
wie die FlÜssIgkeit in einer kommunizierenden Röhre einstellen und somit nicht wie
bei der traditionellen Anordnung der Lager das halbe Kugelgewicht ständig angehoben
werden muß.
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I Eine andere Weiterbildung der Erfindung mit gleicher Zielsetzung
besteht darint bei Verwendung von Kugelkäfigen, in deren fensterartigen Aussparungencie
Kugeln einzeln.gehalten sind, die Aussparungen mit vier in der Nahe der Lurchstoßpunkte
der Kugelrollachse liegenden und bezüglich der Lagerachse etwa radial verlaufenden
Kanten'zu versehen, welche die Bewegung der Kugeln innerhalb des Käfigs in Laufbahnrichtung
begrenzen.
Der Käfig ist.also radial frei beweglich und legt sich
je
nach seiner Bemessung'am Innen- oder Außenring an..Der reibungsmäßige Vorteil
erklärt sich daraus, daß der Reibarm, also der Abstand des BerÜhrungspunktes zwischen
Kugel und Käfig von der einzelnen Kugelrollachse, nicht gleich dem Radius der Kugel
ist, sondern wesentlich weniger beträgt. Selbstverständlich ist diese Maßnahme.nur
sinnvoll, wenn die Kugel nicht taumelt, wie bei Üblichen Lagern, sondern eine körperfeste
Rollachse hat, wie bei: den hier verwendeten Lagern.
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Endlich ist noch eine Weiterbildung der Erfindung anzuführen, die
jedoch nur den Fall einer g#lei - chbleibenden radial(#-n Lager-Belastungsrichtung
und eines sehr kleinen Drehbewegungs-.bereiches betrifft. Insbesondere muß der Drehbewegungsbereich
"eln sein-. FÜr diesen kleiner als der Winkelabstand der KuF Fall wird vorgeschlageng
daß die rEinstellung der Kugeln in der Weise erfolgt, daß der Abstand der beiden
meist-belasteten Kugeln-von der Belastungsrichtung möglichst gleich groß ist, wenn
das Lager in der Mitte des Prehb ewegungsbereiches steht. ist ein Kugelkäfig vorhanden,
so wird man diese Einstellung-durch eine-Drehung de,-,*Käfigs-bewirk(3n können.'
Ist kein Käfig vorhanden, so werden die Kugeln so verschoben, daß die Lücke an'der
belasteten Stelle liegt. Es ist jedochauch möglich, daß bei der oben vorgeschlagenen
Anordnung del, Außenringe am hängenden Bauteil-sich die KugellÜcke von belbst s',v=etrisch
zur Belastungsrichtung einstellt, sofern kein Käfig vorgesehen ist.
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Im folgenden wird die Erfindung in Hand von Beispielen erläutert.
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Fig. 1 ist ein Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße lagerung,
wobei der zu lagernde Kreiselrahmen teilweise ausgebrochen ist.
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Fig. 2 ist ein schematischer Querschnitt durch eines der Lager und
Fig. # ein entsprechender querschnitt durch ein übliches, bekanntes Lager-"
Fig.
4 ist ein Teil eines Schnittbildes gemäß IV-IV in Fig. 5" wobei der Schnitt
senkrecht zur Lagerachse' und mitten durch den Kugellagerring gefÜhrt ist, -Fig.
5 ist ein-Schnitt gemäß V-V in Fig. 4, also parallel zur Lagerachse, -Fig.
6 ist die Draufsicht einer ersten Version des Kugellager--ringes gemäß Ffeil
VI-'in Fig. 4, Fig. 7 ist die Draufsiclit auf-eine zweite Käfigverjion mit
viereck!Cen FensteraussocILqitten-.
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In Fig.. 1 ist der in zwei Bruchstücken dargestellte Kreiselhse
2 .ahmen. mit 1 bezeieleiet, Er --,st um eine Präzessionsac drehbar und durch
ein Loslager 3 sowie -ein Fe'stlager 4 gelagert. Der Rahmen 1 enthält
einen KrAsel, dessen Drallachse senkrenht zur Präzessions"achse Cli steht. Das Festlager
4 setzt sich zusammen aus einem inneren Lagerring 5, sowie aus einem in zwei
Hälften 6 und 7 geteilten äußeren Lagerring, wobei die beiden H#;'Lften
durch einen Zwischenring 8distanziert und durch strichpunktiert angedeutete Schrauben
zusammeng ehalten sind. Die vier konischen Laufflächendes Lagers-stehen ineinem
Winkel von 450 zur Achse 2 und in einem-Vinkel von je
900 zueinander. Der
Zwischenring 8 ist so bewessene dhß die Kugeln sich zwar mit sehr geringem
Spiel, aber doch frei bewegen können.
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Das Loslager 3 besteht demgegenüber aus einem Imrienring
9 mit zylindrischer Lauffläche und einem Außenring 10, mit ge---wölbter
Lauffläche. Während die kußenringe beider Lager in das Kreiselgehäuse
1 eingepreßt sind,.stecken die Innen-ringe auf Befestigungsdornen
1-3 bzw.- 12" die ihrerseits-wieder fest mit; einem fahrzeurfesten Gestell
14 verbunden sind. Die genannten Verbindungen lasse-n keine axialen Verschiebebewegungen
zu. Dagegen können sich bei Wärmeausdehnung des Kreiselgehäuses l die Kugeln
-des Loslagers in axialer Richt.ung auf den zylindrischen Innenring bewegen, so
daß also irgendwelche Spannungen als Folge.von Wärmedehnungen nicht zu befürchten-sind.
An
Hand von Fig. 2 und Fig. 3 soll erläutert werdeng weshalb bei Kugellagern
ohne Kugelkäfig die in Fig. 1 gezeigte Anordnung bezüglich des Reibungswiderstandes
günstiger ist. In Fig. 1 sind nämlich entgegen der Üblichen Praxis die Außenringe
an dem Bauteil angeordnet, dessen Gewicht die radiale Belastung des Lagers hervorruft,
nämlich am Kreisel-. rahmen 1. Dabei wird vorausgesetzt,. daß-die Präzessionsachsewenigstens
einigermaßen horizontal verbleibt, so daß sich das Gewicht voll als radiale Lagerläst
auswirkt. b-jomit gibt Fig. 2 im wesentlichen die bei Fig. 1 auftretende
Situation schematisch wieder: die belaste ten Kugeln'sind oben, während sich die
Kugeln in dem unteren Teil der Laufbahn, die durch die Exzentrizität des Außenringes
verbreitert ist, frei bewegen können. Selbstverstindlich ist das radiale Spiel und
die davon herrührende ExzentriZität stark Übertrieben. Fig. zeigt dagegen die Situation
bei lurch Gewicht belastetem Innenring. Die tragenden Kureln un-', die Engstelle-des
Spaltes liegen unten, w#ihrend sich die Kugeln oben vor allem frei bewegen können.
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Es sei nun angenommen, iali sich in Fig. 2 der Au13enring und in Fig.
3 der Innenring entgegen d ein Uhrzeiger dreher. Bei dem ungünstigen
Fall, nach Fig. 3, kann sich die belastete Kugel 15 nur bewegen, wenn sie
die Hälfte der Kugeln, also
die zwischen den Kugeln 16 und
17 eingeschlossenen Kugeln, vor sich her schiebt und hoch hebt. In Fig. 2
dagegen.ist, die Laufbahn unten frei. Hier,stellt sich daher-ein Kugelgleichgewicht
ein nach der Vorstellung von der kommunizierenden Röhre. Die belasteten Kugeln haben
keinerlei Widerstand'zu überwinden" sie kÖnnen-vom hÖchsten Punkt nach links frei
wegfallen, wihrend die rechts neben der Belastungsstelle liegenden Kugeln nachrücken.
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.Die auf Käfiglager bezügliche Weiterbildung der Erfindung, welche
in den Figuren 4 bis 6 dargestellt ist, wird am Beispiel
des
FestlaGers 4 gemäß FiC. 1 erläut-ert. Hier ist ein Kug "in Form e
: ines IL . 19--hen Ringes 18 vorgesehen, in de'n-bc-A-,;pielswei#",e
Mittels Fenster eini-Parbei tet sinn. '--1;.* -Form des ,'er-,-cters gemäß Fig.
6 um-faßt ein g#Oßes Oval 1C3 und zwei seitliche AuSbuch-tungen 20
lind 21 von ebenfall.s rwider Form. Dabei ergeben sich vier vorzug,#sweise Darallele
Kanten 22 bis 25, wobei die Abstände zwischen den Känten 22 und '14 sowie
22,5 und 25 etwas kleiner en#kann. sich die als der Kugel',iurelimesser siA,1.
Infolgeless Kugel nicht bis* an den linken und rechten J#ogen-des großen Ovals bewegen,
sondern sie-wird von den Kanten in einem kleineren,mittleren Bereich. gehalten,
wobei die Berührungsstel len zwischen Kanten und Kugel in der Nähe des Durchstoßpunktes
der Kugelrollachse liegen. Infolge des kleinen Hebelarmes ist-sömit das Reibmoment
zwischen Käfig und Kugel --Wespen tlich kle iner, als wenn der BerÜhrungspunkt in
den Buchten des Ova Is 1,ige und der Hebelarm gleich dem Kugelrädiü#,# wäre.. -Der
Käfrig Ist radial Irrei -beweglich iLrid ].legt daher gemäß Fig. 4 bei
27 auf den Seitenflanken des Innenringes auf. Fig.- 7 zeigt eine andere
Ausführungsform des Kugelfenste:bs, das im :ib-riren-auch auf die Schnittbilder
Fig-4 und Fig. 5
paßt,'-Däs Fer.ster ist hier-rechteckig mit rechteckigen
seitlidihe-nzA,usspai,iimgen 2S-und. 29. in dieser Hinsic.ht sind auch noch',ke!'tere-Variatio.nen
möglich, ohne Fron dem'Grundgedanken abzügähän-, die Kugel durch Kanten in der Nähe
des Rollachgündurchstoßpunktes zu fajsen.
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-Es ist-noch-eanzufugen, daß die erfindungsgemäßen Lager ohne Sc-,-hmi-eru-,ig
betrieben werden sollen, so daß auch noch der Verformungswiderstand der--Schmierfette
entfällt, insbesondere" wenn diese schon mehr oder weniger verharzt sind.
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Wenn man..dao Gestell-eines Kurskreisels lages',tabil hält, also beispielsweise
das Gestel-1 14 in Fig. 1 auf eine Inertialplattform setzt, und außerdem
eine-leistungsfähige Stützein-,
richtung vorsieht, dann wird sich
die Präzessionsbewegung' des Kreiselrahmens in sehr kleinen Grenzen halten. Bei
einem ausgeführten Kreisel ist der Drehbewegungsbereich zum Bei'
spiel kleiner
als.der Winkelabstand zweier benachbarter Lagerkugeln, Um in diesem Falle eine noch-hUhere
Reibungsfreiheit zu erhalten und insbesondere zu,vermeiden, daßder Rahmen kleine
radiale Auslenkbewegungenmacht, kann man bei käfiglosem Lager die Kugeln durch bewußte
Einstellung so verteileni daß die große Lücke an der belasteten Stelle steht oder
auch bei einem Lager mit.Käfig den KäfIg so drehen, daß die Belastungsrichtung zwischen
zwei belast.eten Kugeln hindurchgeht.