DE19629575C1

DE19629575C1 - Displaceable roller bearing with roller body

Info

Publication number: DE19629575C1
Application number: DE1996129575
Authority: DE
Inventors: Uwe Dr Harms
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1996-07-11
Filing date: 1996-07-11
Publication date: 1997-08-21
Anticipated expiration: 2016-07-12

Abstract

The roller body (1) has specially formed surfaces (2,3). Upper and lower (10,20) roller surfaces are provided, of which the surfaces (11,21) match that of the roller body. The roller body in cross-section is formed in accordance with a Pascal helical curve and the roller surfaces in accordance with a cycloid or trochoid curve. Elastic components are so fitted laterally between the upper and lower roller surfaces that the unloaded bearing is prevented from falling out. The bearing can be made from different materials and material combinations. Temperature and chemical resistance is determined by the materials used. Production can be by known methods, such as turning and casting.

Description

Die Erfindung betrifft ein verschiebliches Rollenlager.The invention relates to a movable roller bearing.

Verschiebliche Lager werden z. B. im Brücken-, Hoch-, Anlagen- und Schiffbau verwendet. Sie werden heute als Gleit-, Elastomer- und Rollenlager ausgeführt. Sie sollen meist vertikal wirkende Lasten aufnehmen, quer zu diesen Lasten beweglich sein und mög lichst geringe Querkräfte übertragen.Movable bearings are z. B. in bridge, high, plant and shipbuilding used. Today they are used as sliding, elastomer and roller bearings. They are said to be mostly vertical Pick up loads, be movable across these loads and possible transfer as little lateral forces as possible.

Bei Gleitlagern gibt es für die Gleitflächen unterschiedliche Ausführungsformen und Materialpaarungen. Die Reibung (Haftrei bung und Gleitreibung) ist die Ursache für die übertragene Quer kraft.There are different types of sliding surfaces for plain bearings Embodiments and material pairings. The friction (Haftrei exercise and sliding friction) is the cause of the transferred cross force.

Elastomerlager werden aus hochelastischem Material mit und ohne Einlagen zur Verstärkung hergestellt. Die Querkraft wird durch die Elastizität des Materials hervorgerufen.Elastomer bearings are made of highly elastic material with and without Inserts made for reinforcement. The shear force is caused by the elasticity of the material.

Rollenlager werden hauptsächlich aus Stahl hergestellt. Zwischen planparallelen Wälzflächen bewegen sich dann z. B. zwei Rollen, sogenannte Wälzkörper. Um Bewegungen in Längs- und Querrichtung zuzulassen, werden übereinander liegende und um 90 Grad versetz te Rollenpaare mit dazwischenliegender Wälzplatte gebaut. Durch den Rollwiderstand wird eine Querkraft erzeugt.Roller bearings are mainly made of steel. Between plane-parallel rolling surfaces then move z. B. two roles, so-called rolling elements. For movements in the longitudinal and transverse directions allow are superimposed and offset by 90 degrees te pairs of rollers with intermediate roller plate built. By the rolling resistance creates a shear force.

Diese drei Arten von Lagern bieten verschiedene Vor-und Nachtei le: Bei Gleit- und Rollagern ist die Lagerhöhe auch nach hori zontaler Verschiebung konstant, während sich bei Elastomerlagern die Lagerhöhe durch Verschiebung verringert. Gleit- und Elasto merlager setzen einer seitlichen Verschiebung eine relativ hohe Widerstandskraft entgegen (Gleitreibung/Elastizität), wogegen bei Rollenlagern die Reibungskraft aufgrund von Rollreibung gering ist. Bei Rollenlagern ergibt sich die nötige Lagergröße für gegebene Belastung aus der Theorie der Hertzschen Flächen pressung; in jedem Fall muß das Lager größer sein als ein ent sprechendes Gleitlager, da als effektive Berührungsfläche immer nur ein kleiner Teil der Oberfläche des Wälzkörpers (im mathema tischen Idealfall nur ein Punkt/eine Gerade) wirksam ist.These three types of camps offer different advantages and disadvantages le: For plain and roller bearings, the bearing height is also according to hori zontal shift constant, while with elastomeric bearings the bearing height is reduced by shifting. Sliding and elasto Merlager set a relatively high lateral displacement Resistance to (sliding friction / elasticity), against in roller bearings, the frictional force due to rolling friction is low. With roller bearings, the necessary bearing size is obtained for a given load from the theory of Hertzian surfaces squeeze; in any case, the camp must be larger than an ent speaking slide bearing, because it is always an effective contact surface only a small part of the surface of the rolling element (in mathema ideally only one point / straight line) is effective.

Aufgabe der Erfindung ist es, die konstante Lagerhöhe und gerin ge Reibungskraft von konventionellen Rollenlagern mit der klei neren Baugröße bzw. der höheren Belastbarkeit der anderen Lager zu kombinieren.The object of the invention is to maintain the constant storage height and low friction force of conventional roller bearings with the small size or the higher load capacity of the other bearings to combine.

Zur Lösung dieser Aufgabe dient ein Rollenlager mit den Merkma len des Patentanspruchs 1.A roller bearing with the characteristics serves to solve this task len of claim 1.

Gegenstand der Erfindung ist ein Rollenlager mit gegenüberlie genden Wälzflächen und einem dazwischenliegenden Wälzkörper, die so geformt sind, daß jeweils die Berührungsfläche zwischen Wälz fläche und Wälzkörper nach der Theorie der Hertzschen Flächen pressung größer als bei einem Kreiszylinder auf einer ebenen Wälzfläche ist. Als weitere Forderung zur Definition der Form von Wälzflächen und Wälzkörpern geht die Randbedingung ein, daß sich beim schlupffreien Abrollen des Wälzkörpers an den Wälzflä chen die Lagerhöhe, d. h. der Abstand zwischen den Wälzflächen, nicht ändert. The invention relates to a roller bearing with opposing rolling surfaces and an intermediate rolling element, the are shaped so that the contact surface between the roller surface and rolling elements according to the theory of Hertzian surfaces pressure greater than that of a circular cylinder on one level Rolling surface is. As a further requirement to define the shape The boundary condition of rolling surfaces and rolling elements is that when the rolling element rolls off the slip surface Chen the storage height, d. H. the distance between the rolling surfaces, does not change.

Dies wird erreicht durch eine spezielle Formgebung von Wälzkör per und Wälzflächen. Die Querschnitte der beiden Oberflächen müssen entsprechend einem Paar von Kurven geformt sein, die sich aus den folgenden mathematischen Bedingungen ergeben.This is achieved through a special design of rolling elements per and rolling surfaces. The cross sections of the two surfaces must be shaped according to a pair of curves that are result from the following mathematical conditions.

Beide Kurven werden in Parameterform mit t als Parameter be schrieben. Für den Querschnitt des Wälzkörpers wählt man Polar koordinaten mit r(t) als Abstand der Oberfläche vom Koordinaten ursprung und ϑ(t) als Winkel. Der Koordinatenursprung stimmt dabei mit der Drehachse des Wälzkörpers überein. Die Oberfläche der Wälzfläche wird in karthesischen Koordinaten x(t), y(t) be schrieben. Als Anfangsbedingung wählt man x(0)=0 und ϑ(0)= -π/2.Both curves are in parameter form with t as parameter wrote. Polar is selected for the cross section of the rolling element coordinates with r (t) as the distance of the surface from the coordinates origin and ϑ (t) as angles. The origin of the coordinates is correct match the axis of rotation of the rolling element. The surface the rolling surface is in Cartesian coordinates x (t), y (t) wrote. The starting condition is x (0) = 0 and ϑ (0) = -π / 2.

Die Höhe der Drehachse des Wälzkörpers über der Grundfläche des Lagers soll konstant sein; wir wählen y=0 für die Position die ser Drehachse. Gleichzeitig soll stets der Kontakt zwischen Wälzkörper und Wälzfläche gewährleistet sein. Daraus ergibt sich als erste zu erfüllende Bedingung: r(t)= -y(t).The height of the axis of rotation of the rolling element above the base of the Camp should be constant; we choose y = 0 for the position this axis of rotation. At the same time, the contact between Rolling elements and rolling surface can be guaranteed. This results in as the first condition to be fulfilled: r (t) = -y (t).

Des weiteren soll der Wälzkörper rollen, ohne zu rutschen. Dies ist erfüllt, wenn für alle t die Bogenlänge der Abrollbahn (Wälzfläche) gleich der abgerollten Bogenlänge des Wälzkörpers ist. In einem infinitesimal kleinen Intervall dt wird auf der Wälzfläche ein Wegstück der LängeThe rolling element should also roll without slipping. This is fulfilled if for all t the arc length of the rolling path (Rolling surface) equal to the rolled arc length of the rolling element is. In an infinitesimally small interval dt is on the Rolling surface is a piece of length

zurückgelegt. Darauf rollt ein Bogenstück des Wälzkörpers der Längetraveled. An arc piece of the rolling element rolls on it length

ab. Diese beiden Bogenlängen müssen gleich sein. Mit Hilfe der ersten Bedingung (dr²= dy²) kann man dies vereinfachen und er hält eine Differentialgleichung, die den Zusammenhang der Formen der Wälzfläche und des Wälzkörpers beschreibt:from. These two arc lengths must be the same. With the help of first condition (dr² = dy²) you can simplify this and he holds a differential equation, which is the connection of forms the rolling surface and the rolling element describes:

Gibt man eine gewünschte Form für die Wälzfläche vor, so erhält man durch Lösen der Differentialgleichung die Form des zugehöri gen Wälzkörpers. Umgekehrt kann man auch die Form des Wälzkör pers vorgeben und die dazu passende Wälzfläche bestimmen.If you specify a desired shape for the rolling surface, you get by solving the differential equation, the form of the belonging against rolling element. Conversely, you can also use the shape of the rolling element Specify pers and determine the suitable rolling surface.

Die Gleichung kann beispielsweise erfüllt werden durch die Wahl einer Pascalschen Schneckenkurve für den Wälzkörper und einer Zykloiden (allgemeiner: Trochoiden) für die Wälzfläche. Bei der Pascalschen Schneckenkurve folgt der Radius r(t) der GleichungFor example, the equation can be satisfied by the choice a Pascal worm curve for the rolling element and one Cycloids (more generally: trochoids) for the rolling surface. In the Pascal's screw curve, the radius r (t) follows the equation

r (t) = a · cos (t) + lr (t) = a · cos (t) + l

Der Winkel ϑ ist hier identisch mit dem Parameter t. Diese Form läßt sich als Kurve in der Ebene auch mit Hilfe von karthesi schen Koordinaten beschreiben; dies ergibt:The angle ϑ is identical to the parameter t here. This form can also be used as a curve in the plane with the help of karthesi describe coordinates; this results in:

x(t) =a · cos² (t) + l · cos (t)x (t) = a · cos² (t) + l · cos (t)

y(t) = a · cos(t) sin(t) + l · sin(t)y (t) = a · cos (t) sin (t) + l · sin (t)

Die Wälzfläche muß in diesem Fall gemäß einer Zykloiden (Tro choiden) geformt sein und gehorcht der GleichungIn this case, the rolling surface must be in accordance with a cycloid (Tro choiden) and obeys the equation

x(t) = A · (1 - L · sin (t))x (t) = A · (1 - L · sin (t))

y(t) = A · (1 - L · cos (t))y (t) = A · (1 - L · cos (t))

Durch Wahl verschiedener Werte für die Parameter a, l, A und L kann man die Form der Kurven noch unterschiedlich ausgestalten.By choosing different values for the parameters a, l, A and L the shape of the curves can be designed differently.

Es ergibt sich eine größere Berührungsfläche zwischen Wälzkörper und Wälzfläche als bei der Kurvenpaarung Kreis und Gerade (bzw. Kreiszylinder und Ebene); die Berührung ist von höherer Ordnung. Es kann also bei einer gleichen zulässigen Hertzschen Flächen pressung eine größere Last bei gleicher Grundfläche des Lagers aufgenommen werden. There is a larger contact area between the rolling elements and rolling surface than with the curve pairing circle and straight line (or Circular cylinder and plane); the touch is of a higher order. So it can have the same permissible Hertzian area pressing a larger load with the same footprint of the bearing be included.

Um jedwede Bewegungen des Lagers in der Ebene zu ermöglichen kann das Rollenlager rotationssymmetrisch ausgeführt werden. Die Symmetrieachse verläuft dann so, daß sie beim in Ausgangsstel lung befindlichen Rollenlager parallel zur Belastungsrichtung steht, was in der Regel die Vertikale ist. Der Wälzkörper und die Wälzflächen werden als Rotationskörper um diese Symmetrie achse ausgebildet.To allow any movement of the bearing in the plane the roller bearing can be made rotationally symmetrical. The The axis of symmetry then runs such that it is in the initial position roller bearings located parallel to the direction of loading is what is usually the vertical. The rolling element and the rolling surfaces are used as rotational bodies around this symmetry axis trained.

Falls nur Bewegung des Lagers in einer Richtung erforderlich ist, kann der Wälzkörper aus einem Zylinder bestehen, der aber kein Kreiszylinder ist, sondern der so geformt ist, daß die Berührungsfläche zwischen Zylinder und Wälzflächen nach der Theorie der Hertzschen Flächenpressung größer als bei einem Kreiszylinder auf einer ebenen Wälzfläche ist. Dieser Zylinder erlaubt ausschließlich Bewegungen senkrecht zu seiner Längsach se; seine Querschnittsform und die der Wälzflächen sind so ge formt, daß sich bei einer solchen Bewegung die Lagerhöhe nicht ändert, was durch eine Formgebung entsprechend den oben angege benen Formeln, insbesondere mit der Wahl einer Pascalschen Schneckenkurve für den Wälzkörper und einer Zykloiden (allgemei ner: Trochoiden) für die Wälzflächen, erreicht wird.If only movement of the bearing in one direction is required is, the rolling element can consist of a cylinder, but is not a circular cylinder, but is shaped so that the Contact surface between the cylinder and rolling surfaces after the Theory of Hertzian surface pressure greater than one Circular cylinder is on a flat rolling surface. That cylinder only allows movements perpendicular to its longitudinal axis se; its cross-sectional shape and that of the rolling surfaces are so ge forms that the bearing height does not change with such a movement changes what is indicated by a shape according to the above formulas, especially with the choice of a Pascal Screw curve for the rolling element and a cycloid (general ner: trochoids) for the rolling surfaces.

Durch die erfindungsgemäße Konstruktion eines Lagers werden die Vorteile eines Gleit- oder Elastomerlagers (kleine Grundfläche des Lagers) mit denen eines Rollenlagers (konstante Lagerhöhe, - geringe Widerstandskraft gegen seitliche Verschiebungen) kom biniert.The inventive construction of a bearing Advantages of a plain or elastomer bearing (small footprint of the bearing) with those of a roller bearing (constant bearing height, - low resistance to lateral displacement) com trimmed.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung werden elastische Elemente zwischen oberer und unterer Wälzfläche seitlich so angebracht, daß auch ohne Belastung das Lager zusammengehalten und ein Aus einanderfallen der Vorrichtung verhindert wird. Diese Elemente können gleichzeitig als Schutz des Lagers vor eindringenden Schmutzpartikeln dienen. In an advantageous embodiment, elastic elements attached laterally between the upper and lower rolling surface, that the camp held together even without load and an off the device is prevented from falling apart. These elements can also protect the bearing from intrusion Serve dirt particles.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung werden an der oberen Wälzfläche seitlich zusätzliche Stege angebracht, die in einem Notfall (bei Ausfall des Wälzkörpers) die Lagerkräfte übernehmen; diese Kräfte können durch die Stege gut in die zu lagernde Struktur eingeleitet werden.In a further advantageous embodiment, the additional webs attached laterally in the upper rolling surface in an emergency (if the rolling element fails) the bearing forces take over; these forces can be well into the through the webs storage structure can be initiated.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen in den Zeichnungen 1 bis 4 erläutert, in denenThe invention is described below using exemplary embodiments illustrated in the drawings 1 to 4, in which

Fig. 1 die Wahl der Koordinaten für Gleichung (1) erläutert; Fig. 1 explains the choice of coordinates for equation (1);

Fig. 2 einen Querschnitt durch das Lager im zentrierten und im verschobenen Zustand zeigt; Fig. 2 shows a cross section through the bearing in the centered and in the shifted state;

Fig. 3 andere mögliche Ausgestaltungen der Form der Oberflächen darstellt; Figure 3 illustrates other possible configurations of the shape of the surfaces;

Fig. 4 die Konstruktion der Stege verdeutlicht. Fig. 4 illustrates the construction of the webs.

Fig. 1 veranschaulicht die Koordinatenwahl: Polarkoordinaten (r, ϑ) für den Wälzkörper, karthesische Koordinaten (x, y) für die Wälzflächen. s steht hier für die Länge des abrollenden Kreisbo gens. Fig. 1 illustrates the choice of coordinates: the polar coordinates (r, θ) for the rolling bodies, Cartesian coordinates (x, y) for the rolling surfaces. s stands for the length of the rolling arc.

In Fig. 2 bezeichnet 1 den Wälzkörper, 2 und 3 die besonders gestalteten Oberflächen desselben, 10 und 20 die obere und unte re Wälzfläche, 11 und 21 deren Oberflächen, die passend zur Oberfläche des Wälzkörpers gestaltet sind.In Fig. 2, 1 denotes the rolling elements, 2 and 3 the specially designed surfaces of the same, 10 and 20 the upper and lower re rolling surfaces, 11 and 21 whose surfaces are designed to match the surface of the rolling element.

Die Teilbilder 3A und 3B der Fig. 3 zeigen alternative Kurven paarungen für die Oberflächen von Wälzkörper und Wälzfläche (Zykloiden mit anderer Wahl der Parameter). Die Teilbilder 3C und 3D veranschaulichen mögliche seitliche Anbringungen der elastischen Elemente 30. The partial images 3 A and 3 B of Fig. 3 show alternative pairings curves for the surfaces of rolling elements and the rolling surface (cycloid with a different choice of the parameters). The partial images 3 C and 3 D illustrate possible lateral attachments of the elastic elements 30 .

Fig. 4 verdeutlicht die seitlichen Stege 40, die als Sicherung gegen ein Ausfallen des Wälzkörpers zugefügt werden können. Fig. 4 illustrates the side webs 40 , which can be added as a safeguard against the rolling element failing.

Bei der Formgebung des Lagers muß weiterhin berücksichtigt wer den, daß der Wälzkörper auf der Wälzfläche stets nur abrollen und nicht abrutschen darf. Aus diesem Grunde darf der Winkel zwischen der Wälzfläche und der Horizontalen nicht zu groß sein, damit die Gleitreibung immer gegenüber der Rollreibung über wiegt. Es ist also nur eine bestimmte maximale Steigung der Wälzfläche zulässig, die allerdings noch vom Reibbeiwert zwi schen Wälzfläche und Wälzkörper abhängt.When designing the bearing, you must also take into account who that the rolling element always only roll on the rolling surface and must not slide off. For this reason, the angle between the rolling surface and the horizontal should not be too large thus the sliding friction always over the rolling friction weighs. So there is only a certain maximum slope of the Rolling surface permissible, but still from the coefficient of friction between rolling surface and rolling elements.

Das Lager kann aus verschiedenen Materialien und Materialkom binationen bestehen. Die Temperatur- und Chemikalienbeständig keit wird durch die verwendeten Materialien bestimmt. Die Her stellung kann durch bekannte Verfahren wie z. B. Drehen und Gie ßen erfolgen und bedarf keiner besonderen Vorrichtungen.The warehouse can be made of different materials and materials binations exist. The temperature and chemical resistant speed is determined by the materials used. The Her position can by known methods such. B. Turning and casting eats and does not require any special devices.

Im Brückenbau, Hochbau und Anlagenbau sind mögliche Anwendungen gegeben. Eine weitere Anwendung ist die Lagerung von Lukendeckeln auf Schiffen. Hier muß das Lager abnehmbar sein, um die Lukendeckel abheben zu können.Possible applications are in bridge construction, building construction and plant construction given. Another application is the storage of hatch covers on ships. Here the bearing must be removable to the To be able to lift hatch covers.

Claims

1. Slidable roller bearing with a rolling element ( 1 ) and an upper ( 20 ) and a lower ( 10 ) rolling surface, the shapes of which are designed so that the contact surfaces between rolling elements and rolling surfaces according to the theory of Hertzian surface pressure are each larger than in an im Cross-section circular rolling elements are on a flat rolling surface, the shapes of rolling elements and rolling surface are further designed so that the bearing height is constant with slip-free displacement of rolling elements against rolling surface.

2. Slidable roller bearing according to claim 1, wherein the Rolling elements in cross section according to a Pascal screw curve and the rolling surfaces according to a cycloid (Trochoi de) are shaped.

3. Slidable roller bearing according to claim 1, in which ela-elastic elements ( 30 ) between the upper and lower rolling surface are attached laterally so that a Auseinan derfallen the unloaded bearing is prevented.

4. movable roller bearing according to claim 1, in which on the upper rolling surface laterally webs ( 40 ) are attached, which take over the bearing forces in the event of failure of the rolling body.

5. Movable roller bearing according to one of the previous ones Claims where the rolling elements and rolling surfaces are rotationally symmetrical is metric about an axis that is in the starting position of the Bearing is parallel to the direction of loading.