DE202018105816U1 - Hochgeschwindigkeitskugellager und zugehöriger Kugelkäfig - Google Patents
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Abstract
Hochgeschwindigkeitskugellager (1), umfassend:- einen Außenring (10), dessen Innenumfangsfläche eine Außenring-Laufbahnfläche (11) und eine in der Richtung einer Mittelachse des Kugellagers (1) auf einer Seite ausgebildete Außenring-Schulter (12) aufweist, wobei der Durchmesser der Innenumfangsfläche der Außenring-Schulter (12) geringer als der Durchmesser der Innenumfangsfläche der Außenring-Laufbahnfläche (11) ist,- einen Innenring (20), dessen Außenumfangsfläche eine Innenring-Laufbahnfläche (21) aufweist,- mehrere Kugeln (30), die in gleichem Winkelabstand zueinander unter Ausbildung eines Rollkontakts zwischen der Außenring-Laufbahnfläche (11) und der Innenring-Laufbahnfläche (21) aufgenommen sind, und- einen Kugelkäfig (40), der sich zwischen der Innenumfangsfläche des Außenrings (10) und der Außenumfangsfläche des Innenrings (20) befindet und einen ersten Ringabschnitt (41) und einen zweiten Ringabschnitt (42), welche in der Richtung der Mittelachse des Kugellagers angeordnet sind, wobei der Durchmesser der Außenumfangsfläche des ersten Ringabschnitts (41) größer als der Durchmesser der Außenumfangsfläche des zweiten Ringabschnitts (42) und der Durchmesser der Innenumfangsfläche des ersten Ringabschnitts (41) größer oder gleich dem Durchmesser der Außenumfangsfläche des zweiten Ringabschnitts (42) ist, sowie mehrere Taschenbohrungen (43) aufweist, die in Umfangsrichtung des Kugelkäfigs (40) in gleichem Winkelabstand zueinander in dem Kugelkäfig (40) zwischen dem ersten Ringabschnitt (41) und dem zweiten Ringabschnitt (42) angeordnet und bezüglich ihres Durchmessers und ihrer Position auf die mehreren Kugeln (30) abgestimmt sind, um die mehreren Kugeln (30) aufzunehmen und es zu ermöglichen, dass die mehreren Kugeln (30) beim Rollen zwischen der Außenring-Laufbahnfläche (11) und der Innenring-Laufbahnfläche (21) in gleichem Winkelabstand zueinander gehalten werden, wobei sich die Außenumfangsfläche des ersten Ringabschnitts (41) des Kugelkäfigs (40) in der Nähe der Innenumfangsfläche der Außenring-Schulter (12) befindet, wobei der Spalt zwischen dem ersten Ringabschnitt (41) und der Innenumfangsfläche der Außenring-Schulter (12) als erster Spalt (G1) und der Spalt zwischen der Innenumfangsfläche jeder der Taschenbohrungen (43) und der zugeordneten Kugel (30) als zweiter Spalt (G2) definiert werden, wobei zwischen dem ersten Spalt (G1) und dem zweiten Spalt (G2) die Beziehung W2=(W1-r')xA besteht, in der W1 für die Breite des ersten Spalts (G1), W2 für die Breite des zweiten Spalts (G2), r' für die Ausdehnungsgröße eines Radius des Kugelkäfigs (40) beim Betrieb des Kugellagers mit einer vorbestimmten Drehzahl und A für einen Verstärkungsfaktor stehen, der bei einem Produkt DmN aus einem Teilkreisdurchmesser (DM) des Hochgeschwindigkeitskugellagers und einer vorbestimmten zulässigen Drehzahl N von 1 600 000 1,2 bis 1,5 beträgt.
Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft ein Hochgeschwindigkeitskugellager und einen zugehörigen Kugelkäfig, insbesondere ein Hochgeschwindigkeitskugellager zur Verwendung bei einer Hochgeschwindigkeitsdrehwelle und einen zugehörigen Kugelkäfig.
- Dank der hohen Belastbarkeit, des geringen Reibungswiderstands, des geringen rotationsbedingten Seitenschlags und der hohen Steifigkeit der Kugellager kommen diese oft als Drehwellenabstützung in einem Hochgeschwindigkeitsrotationssystem zum Einsatz, um die von der Hochgeschwindigkeitsdrehung des Systems herbeigeführten erheblichen Temperaturerhöhungen und Abriebe zu verhindern.
- Mit der schnellen Entwicklung des Maschinenwesens, der Luftfahrtindustrie usw. stellt es eine der heutigen Entwicklungstendenzen dar, die Drehzahl der Drehwelle eines Rotationssystems zu erhöhen und somit die Arbeitseffizienz zu steigern. Zudem werden aufgrund der Entwicklung der präzisen mechanischen Bearbeitungstechnik auch zunehmende Anforderungen an die Präzision der Drehwelle gestellt, was eine entsprechende ständige Verbesserung der Kugellager in Hinsicht auf ihre Hochgeschwindigkeitsleistung und Präzision erfordert.
- Die Hochgeschwindigkeitsleistung und Präzision eines Kugellagers sind neben dem Werkstoff, aus dem das Lager besteht, und der Bearbeitungspräzision auch stark von der strukturellen Gestaltung des Lagers abhängig. Ein Kugellager besteht u.a. aus einem Außenring, einem Innenring, Kugeln und einem Kugelkäfig. Dabei dient der Kugelkäfig zur Trennung der einzelnen Kugeln voneinander, so dass diese in gleichem Winkelabstand zueinander zwischen den Kugellaufbahnen des Innenrings und des Außenrings angeordnet sein können. Der Kugelkäfig ist im Wesentlichen ringförmig aufgebaut und bildet in Umfangsrichtung mehrere in gleichem Winkelabstand zueinander angeordnete Taschenbohrungen zur Aufnahme der Kugeln aus. Damit die Kugeln in den Taschenbohrungen des Käfigs frei rollen können, muss der Durchmesser der Taschenbohrung des Käfigs größer als der Außendurchmesser der Kugel sein. Dies führt jedoch dazu, dass zwischen der Taschenbohrung des Kugelkäfigs und der zugeordneten Kugel ein Spalt verbleibt, der beim Betrieb des Kugellagers eine relative Verlagerung zwischen dem Kugelkäfig und der Kugel zulässt.
- Bei den bei den bekannten Kugellagern eingesetzten Kugelkäfigen kommen vor allem zwei Führungsarten zur Verwendung. Zum einen ist die sogenannte Kugelführung zu nennen, bei der die für einen Hochgeschwindigkeitsbetrieb des Kugellagers notwendigen Anforderungen in der Regel nicht berücksichtigt werden, so dass es beim Betrieb des Kugellagers mit einer hohen Geschwindigkeit leicht zu Seitenschlägen und zur Störung der Kugeln kommt. Eine Alternative dazu stellt die Außenringführung dar, die bei hohen Geschwindigkeiten einen stabilen und gleichmäßigen Betrieb mit reduzierten Seitenschlägen gewährleisten und bei niedrigen Geschwindigkeiten jedoch zur Kollision von Käfig und Außenring führen kann. Von beiden Führungsarten sind also ein zunehmender Wiederstand beim Betrieb des Kugellagers und zusätzliche Schwingungen zu erwarten, wodurch die Betriebsstabilität und -genauigkeit des Kugellagers beeinträchtigt werden.
- Daher strebt die Fachwelt eine verbesserte strukturelle Gestaltung an, mit der die oben erwähnten Nachteile der bestehenden Kugellager überwunden werden können.
- Der vorliegenden Erfindung liegt vor allem die Aufgabe zugrunde, eine Ausgestaltung vorzuschlagen, welche die Kugelführung mit der Außenringführung kombiniert, um den Stand der Technik, bei dem es beim Hochgeschwindigkeitsbetrieb des jeweiligen Kugellagers leicht zu Seitenschlägen und damit verbundenen Schwingungen des Kugelkäfigs und beim Betrieb des Kugellagers mit einer niedrigen Geschwindigkeit zur ungewöhnlichen Kollision von Käfig und Außenring kommt, was insgesamt zu einem erhöhten Widerstand und zusätzlichen Schwingungen führen kann, zu verbessern.
- Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung stellt ein Hochgeschwindigkeitskugellager bereit, das einen Außenring, dessen Innenumfangsfläche eine Außenring-Laufbahnfläche und eine in axialer Richtung auf einer Seite ausgebildete Außenring-Schulter aufweist, wobei der Durchmesser der Innenumfangsfläche der Außenring-Schulter geringer als der Durchmesser der Innenumfangsfläche der Außenring-Laufbahnfläche ist, einen Innenring, dessen Außenumfangsfläche eine Innenring-Laufbahnfläche aufweist, mehrere Kugel, die in gleichem Winkelabstand zueinander unter Ausbildung eines Rollkontakts zwischen der Außenring-Laufbahnfläche und der Innenring-Laufbahnfläche aufgenommen sind, und einen Kugelkäfig, der sich zwischen der Innenumfangsfläche des Außenrings und der Außenumfangsfläche des Innenrings befindet, umfasst. Der Kugelkäfig weist einen ersten Ringabschnitt und einen zweiten Ringabschnitt, welche in der Richtung einer Mittelachse des Kugellagers angeordnet sind, wobei der Durchmesser der Außenumfangsfläche des ersten Ringabschnitts größer als der Durchmesser der Außenumfangsfläche des zweiten Ringabschnitts und der Durchmesser der Innenumfangsfläche des ersten Ringabschnitts größer oder gleich dem Durchmesser der Außenumfangsfläche des zweiten Ringabschnitts ist, sowie mehrere Taschenbohrungen auf, die in Umfangsrichtung des Kugelkäfigs in gleichem Winkelabstand zueinander in dem Kugelkäfig zwischen dem ersten Ringabschnitt und dem zweiten Ringabschnitt angeordnet und bezüglich ihres Durchmessers und ihrer Position auf die mehreren Kugeln abgestimmt sind, um die mehreren Kugeln aufzunehmen und es zu ermöglichen, dass die mehreren Kugeln beim Rollen zwischen der Außenring-Laufbahnfläche und der Innenring-Laufbahnfläche in gleichem Winkelabstand zueinander gehalten werden. Dabei befindet sich die Außenumfangsfläche des ersten Ringabschnitts des Kugelkäfigs in der Nähe der Innenumfangsfläche der Außenring-Schulter, wobei der Spalt zwischen dem ersten Ringabschnitt und der Innenumfangsfläche der Außenring-Schulter als erster Spalt und der Spalt zwischen der Innenumfangsfläche jeder der Taschenbohrungen und der zugeordneten Kugel als zweiter Spalt definiert werden, wobei zwischen dem ersten Spalt und dem zweiten Spalt die Beziehung W2=(W1-r')xA besteht, in der W1 für die Breite des ersten Spalts, W2 für die Breite des zweiten Spalts, r' für die Ausdehnungsgröße eines Radius des Kugelkäfigs beim Betrieb des Kugellagers mit einer vorbestimmten Drehzahl und A für einen Verstärkungsfaktor stehen, der bei einem Produkt DmN aus einem Teilkreisdurchmesser DM des Hochgeschwindigkeitskugellagers und einer vorbestimmten zulässigen Drehzahl N von 1 600 000 1,2 bis 1,5 beträgt.
- In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird jede der Taschenbohrungen durch eine auf der Seite des ersten Ringabschnitts angeordnete erste Einbuchtung und eine im zweiten Ringabschnitt angeordnete zweite Einbuchtung gebildet, welche erste Einbuchtung und welche zweite Einbuchtung mit ihren Innenumfangsflächen einander gegenüberliegen, wobei die Innenumfangsfläche der ersten Einbuchtung einen ersten sphärischen Abschnitt und die Innenumfangsfläche der zweiten Einbuchtung einen zweiten sphärischen Abschnitt ausbildet, wobei der erste sphärische Abschnitt und der zweite sphärische Abschnitt auf einer konzentrisch zum Mittelpunkt der Kugel angeordneten gedachten Sphäre liegen, deren Durchmesser größer als der Durchmesser der Kugel ist.
- In einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung beträgt die Breite W2 des zweiten Spalts 0,3 bis 0,5 mm.
- In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung sind der Kugelkäfig und die mehreren Kugeln beim Betrieb mit Schmierfett benetzt.
- In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung beträgt der Verstärkungsfaktor 1,4.
- In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist der Kugelkäfig 40 aus einem Harz- oder Nylonmaterial angefertigt.
- Das Ausführungsbeispiel der Erfindung stellt ferner einen Kugelkäfig zur Verwendung bei dem oben beschriebenen Hochgeschwindigkeitskugellager bereit.
- Mit der vorliegenden Erfindung können vorteilhafterweise die Störungen der Kugeln durch den Kugelkäfig beim Hochgeschwindigkeitsbetrieb wirksam reduziert und mögliche Seitenschläge des Kugelkäfigs verhindert werden, um die Betriebsstabilität des Kugellagers bei hohen Geschwindigkeiten zu erhöhen.
- Zum besseren Verständnis der Merkmale und technischen Ausgestaltungen der Erfindung wird diese nachfolgend anhand der beiliegenden Abbildungen näher beschrieben. Die beigefügten Zeichnungen stellen keine Einschränkung der Erfindung dar, sondern dienen lediglich der Erläuterung der Erfindung.
- Es zeigen
-
1 eine räumliche Zusammenbauzeichnung eines erfindungsgemäßen Hochgeschwindigkeitskugellagers, -
2 einen Querschnitt durch das erfindungsgemäße Hochgeschwindigkeitskugellager in zusammengesetztem Zustand, -
3 einen Längsschnitt durch das erfindungsgemäße Hochgeschwindigkeitskugellager in zusammengesetztem Zustand, -
4 in räumlicher Darstellung einen bei der Erfindung verwendeten Kugelkäfig, -
5 einen vergrößerten Teilschnitt durch eine Taschenbohrung des bei der Erfindung verwendeten Kugelkäfigs und -
6 einen vergrößerten Teilschnitt durch das erfindungsgemäße Hochgeschwindigkeitskugellager zur Offenbarung der strukturellen Merkmale des bei der Erfindung verwendeten Kugelkäfigs. - Die vorliegende Erfindung stellt ein Hochgeschwindigkeitskugellager und einen zugehörigen Kugelkäfig bereit. Wie in
1 bis3 dargestellt ist, umfasst das erfindungsgemäße Hochgeschwindigkeitskugellager1 u.a. einen Außenring10 , einen Innenring, mehrere Kugeln30 und einen Kugelkäfig 40. - Dabei hat der Außenring
10 die Form eines Kreisrings und verfügt über eine Innenumfangsfläche, die, wie in3 erkennbar, eine Außenring-Laufbahnfläche11 und eine Außenring-Schulter12 aufweist. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Außenring-Schulter12 in der Richtung der Längsachse an einem Seitenrand der Innenumfangsfläche des Außenrings10 ausgebildet, wobei der Durchmesser der Innenumfangsfläche der Außenring-Schulter12 geringer als der Durchmesser der Innenumfangsfläche des Außenrings10 und der Außenring-Laufbahnfläche11 ist. - Der Durchmesser der Außenumfangsfläche des Innenrings
20 ist geringer als der Durchmesser der Innenumfangsfläche der Außenring-Schulter12 . Die Außenumfangsfläche des Innenrings20 bildet eine Innenring-Laufbahnfläche21 aus, die der Außenring-Laufbahnfläche11 gegenüberliegt, wobei die mehreren Kugeln30 zwischen dem Außenring10 und dem Innenring20 angeordnet und unter Ausbildung eines Rollkontakts zwischen der Außenring-Laufbahnfläche11 und der Innenring-Laufbahnfläche21 aufgenommen sind. Der Kugelkäfig40 befindet sich zwischen der Innenumfangsfläche des Außenrings10 und der Außenumfangsfläche des Innenrings20 und sorgt für eine Anordnung der mehreren Kugeln30 in gleichem Winkelabstand zueinander zwischen der Außenring-Laufbahnfläche11 und der Innenring-Laufbahnfläche21 . - Aus
4 und5 wird ersichtlich, dass der erfindungsgemäße Kugelkäfig40 vorzugsweise aus Harz oder Nylon angefertigt ist. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist der Kugelkäfig 40 im Wesentlichen ringförmig ausgebildet und weist einen ersten Ringabschnitt41 und einen zweiten Ringabschnitt42 auf, wobei der erste Ringabschnitt41 und der zweite Ringabschnitt42 in der Richtung der Längsachse des Kugellagers hintereinander angeordnet und miteinander verbunden sind. Weiterhin ist der Durchmesser der Außenumfangsfläche des ersten Ringabschnitts41 größer als der Durchmesser der Außenumfangsfläche des zweiten Ringabschnitts42 und der Durchmesser der Innenumfangsfläche des ersten Ringabschnitts41 größer oder gleich dem Durchmesser der Außenumfangsfläche des zweiten Ringabschnitts42 . Im vorliegenden Ausführungsbeispiel entspricht der Durchmesser der Innenumfangsfläche des ersten Ringabschnitts41 dem Durchmesser der Außenumfangsfläche des zweiten Ringabschnitts42 , so dass die Innenumfangsfläche des ersten Ringabschnitts41 und die Außenumfangsfläche des zweiten Ringabschnitts42 ineinander übergehen. - In dem Kugelkäfig
40 sind mehrere in Umfangsrichtung in gleichem Winkelabstand zueinander angeordnete Taschenbohrungen43 ausgebildet, deren Durchmesser und Positionen auf die mehreren Kugeln30 abgestimmt sind und die jeweils zur rollenden Aufnahme einer der mehreren Kugeln30 dienen. Auf diese Weise können die einzelnen Kugeln30 in gleichem Winkelabstand zueinander rollend zwischen der Außenring-Laufbahnfläche11 und der Innenring-Laufbahnfläche21 gehalten werden. - Im vorliegenden Ausführungsbeispiel befinden sich die mehreren Taschenbohrungen
43 in dem Kugelkäfig40 zwischen dem ersten Ringabschnitt und dem zweiten Ringabschnitt und werden jeweils durch eine auf der Seite des ersten Ringabschnitts41 angeordnete erste Einbuchtung431 und eine im zweiten Ringabschnitt42 angeordnete zweite Einbuchtung432 gebildet. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel liegen die erste Einbuchtung431 und die zweite Einbuchtung432 mit ihren Innenumfangsflächen einander gegenüber und definieren gemeinsam eine rundlochartige Taschenbohrung43 zur Aufnahme einer Kugel. - Wie
5 zu entnehmen ist, bildet die Innenumfangsfläche der ersten Einbuchtung431 , vom Schnitt des Kugelkäfigs40 her betrachtet, einen ersten sphärischen Abschnitt433 und die Innenumfangsfläche der zweiten Einbuchtung432 einen zweiten sphärischen Abschnitt434 aus, wobei der erste sphärische Abschnitt433 und der zweite sphärische Abschnitt434 einander gegenüberliegen und auf einer gemeinsamen, konzentrisch zum Mittelpunkt der Kugel30 angeordneten gedachten SphäreP liegen. Hierbei ist der DurchmesserD1 der gedachten SphäreP , auf der der erste sphärische Abschnitt433 und der zweite sphärische Abschnitt434 liegen, größer als der DurchmesserD2 der Kugel30 , so dass bei innerhalb der Taschenbohrung43 aufgenommener Kugel30 zwischen dem ersten sphärischen Abschnitt433 und dem zweiten sphärischen Abschnitt434 der Taschenbohrung43 einerseits und der Kugel30 andererseits ein Spalt aufrechterhalten werden kann, der ein ständiges Rollen der Kugel30 innerhalb der Taschenbohrung43 erlaubt. - Im zusammengebauten Zustand des erfindungsgemäßen Hochgeschwindigkeitskugellagers
1 gemäß6 befindet sich die Außenumfangsfläche des ersten Ringabschnitts41 des Kugelkäfigs40 in der Nähe der Innenumfangsfläche der Außenring-Schulter12 des Außenrings10 , wobei zwischen der Außenumfangsfläche des ersten Ringabschnitts41 und der Innenumfangsfläche der Außenring-Schulter12 ein erster SpaltG1 entsteht, während zwischen dem ersten sphärischen Abschnitt433 und dem zweiten sphärischen Abschnitt434 der Innenumfangsfläche der Taschenbohrung43 des Kugelkäfigs40 einerseits und der Kugel30 andererseits ebenfalls ein zweiter SpaltG2 besteht. Hierbei sind der erste SpaltG1 und der zweite SpaltG2 in einem bestimmten Verhältnis zueinander dimensioniert, damit die gegenseitigen Störungen zwischen dem Kugelkäfig40 und der Kugel30 beim Betrieb des Kugellagers mit einer vorbestimmten zulässigen Drehzahl vermindert und die Schwingungen und Unwuchten des Kugelkäfigs40 während eines Hochgeschwindigkeitsbetriebs reduziert werden können, um die Betriebsstabilität des erfindungsgemäßen Hochgeschwindigkeitskugellagers1 bei hohen Geschwindigkeiten zu erhöhen. - Die Beziehung zwischen dem ersten Spalt
G1 und dem zweiten SpaltG2 lässt sich erfindungsgemäß wie folgt ausdrücken: W2=(W1-r')xA. In dieser Beziehung stehenW1 für die Breite des ersten SpaltsG1 ,W2 für die Breite des zweiten SpaltsG2 , r' für die Ausdehnungsgröße des Kugelkäfigs40 beim Betrieb des Hochgeschwindigkeitskugellagers1 mit einer vorbestimmten zulässigen DrehzahlN undA für einen Verstärkungsfaktor von 1,2 bis 1,5. - In der oben genannten Beziehung muss zunächst die Größe der Breite
W2 des zweiten SpaltsG2 festgelegt werden, wobei die BreiteW2 des zweiten SpaltsG2 vorzugsweise im Bereich von 0,3 bis 0,5 mm liegt. Während der Verwendung des erfindungsgemäßen Hochgeschwindigkeitskugellagers1 kann eine Schmierung durch Benetzung mit Fett, mittels Sprühnebels oder in Form einer Öl-Luft-Schmierung vorgenommen werden, um sowohl den Kugelkäfig40 als auch die mehreren Kugeln30 mit Schmierfett zu benetzen. Dadurch, dass der zweite SpaltG2 des Hochgeschwindigkeitskugellagers1 eine BreiteW2 von 0,3 bis 0,5 mm hat, kann während der Hochgeschwindigkeitsrotation zwischen der Kugel30 und der Innenumfangsfläche (d.h. dem ersten sphärischen Abschnitt433 und dem zweiten sphärischen Abschnitt434 ) der Taschenbohrung43 des Kugelkäfigs40 ein ausreichender Raum zur Lagerung des Schmierfetts gewährleistet werden, um einen direkten Kontakt mit der Taschenbohrung43 des Kugelkäfigs40 zu vermeiden und zudem eine durch das Schmierfett bewirkte Pufferwirkung zwischen der Innenumfangsfläche der Taschenbohrung43 und der Kugel30 zu erzielen. - Nachdem die Breite
W2 des zweiten SpaltsG2 festgelegt worden ist, soll der Wert der Ausdehnungsgröße r' festgelegt werden. Als Ausdehnungsgröße r' wird eine beim Betrieb des Kugelkäfigs40 mit einer vorbestimmten zulässigen DrehzahlN durch die Zentrifugalkraft und die Schwingungen verursachte ausdehnende Verformung des Radius der Außenumfangsfläche des Kugelkäfigs40 definiert. Die Ausdehnungsgröße r' kann anhand der Formel r'= (r2-r1) berechnet werden, wobeir1 für den ursprünglichen Radius des Kugelkäfigs40 vor Betrieb undr2 für den Radius des Kugelkäfigs 40 beim Betrieb des Hochgeschwindigkeitskugellagers1 mit einer vorbestimmten zulässigen DrehzahlN stehen. - An dieser Stelle wird besonders darauf hingewiesen, dass die vorbestimmte zulässige Drehzahl
N eine maximal mögliche Betriebsdrehzahl des erfindungsgemäßen Kugellagers ist und sich mit einem Teilkreisdurchmesser DM (in2 und3 bezeichnet) des Kugellagers ändert. Bei dem erfindungsgemäßen Hochgeschwindigkeitskugellager1 wird die Ausdehnungsgröße r' des Kugelkäfigs40 bei einem Produkt DmN aus der vorbestimmten zulässigen Drehzahl N und dem Teilkreisdurchmesser DM von 1 600 000 berechnet. Das heißt, vor der Vermessung oder Berechnung der Ausdehnungsgröße r' kann zunächst anhand der Beziehung DmxN=1 600 000 ein Wertebereich der vorbestimmten zulässigen Drehzahl N ermittelt werden, um dann anhand des Wertebereiches der vorbestimmten zulässigen Drehzahl N die Ausdehnungsgröße r' zu messen oder zu berechnen. - Die Ausdehnungsgröße r' des Kugelkäfigs
40 lässt sich durch praktisches Messen oder mit Hilfe einer Computersimulation ermitteln. Soll die Ausdehnungsgröße r' durch tatsächliches Vermessen ermittelt werden, wird zunächst ein Prüfling für den Kugelkäfig40 hergestellt und anschließend mit dem Außenring10 , dem Innenring20 und den Kugeln30 zu einem Prüfling des Hochgeschwindigkeitskugellagers1 zusammengesetzt, um dann auf einem Prüfgerät einen beim Hochgeschwindigkeitsbetrieb auftretenden tatsächlichen Außendurchmesser des Prüflings des Kugelkäfigs40 beim Betrieb des Hochgeschwindigkeitskugellagers1 mit der vorbestimmten zulässigen DrehzahlN zu testen und einen beim Hochgeschwindigkeitsbetrieb auftretenden Radius r2 des Prüflings des Kugelkäfigs40 durch Vermessen zu ermitteln. Durch Subtrahieren des ursprünglichen Radius r1 des Prüflings des Kugelkäfigs40 kann dann die Ausdehnungsgröße r' erhalten werden. - Selbstverständlich lässt sich die Ausdehnungsgröße r' auch mit Hilfe einer Computersimulation ermitteln, wozu eine Simulationssoftware benutzt wird, in welche die näheren Abmessungen, das Materialgewicht, der Elastizitätskoeffizient des Kugelkäfigs
40 sowie der Durchmesser und die Anzahl der Kugeln30 eingegeben werden, um eine beim Hochgeschwindigkeitsbetrieb mit der vorbestimmten zulässigen DrehzahlN entstehende Ausdehnungsgröße r' des Kugelkäfigs40 zu errechnen. - Nachdem die Breite
W2 des zweiten SpaltsG2 festgelegt und die Ausdehnungsgröße r' des Kugelkäfigs40 errechnet worden ist, kann anhand der Formel W2=(W1-r')xA die Breite W1 des ersten SpaltsG1 zwischen der Außenumfangsfläche des Kugelkäfigs40 und der Innenumfangsfläche der Außenring-Schulter12 berechnet werden. Durch Subtrahieren der BreiteW1 des ersten SpaltsG1 von dem Durchmesser der Innenumfangsfläche der Außenring-Schulter12 lässt sich dann der Durchmesser der Außenumfangsfläche des Kugelkäfigs40 errechnen. In der Formel wird mit A ein Verstärkungsfaktor bezeichnet, der bei einem Produkt DmN aus der vorbestimmten zulässigen Drehzahl N und dem Teilkreisdurchmesser DM von 1 600 000 1,2 bis 1,5, vorzugsweise 1,4, beträgt. - Auf die oben beschriebene Weise werden der Durchmesser der Außenumfangsfläche des Kugelkäfigs
40 und die Breite des ersten SpaltsG1 zwischen der Außenumfangsfläche des Kugelkäfigs und der Innenumfangsfläche der Außenring-Schulter12 bestimmt, was es möglich macht, dass der Durchmesser der Außenumfangsfläche des Kugelkäfigs40 eine optimale Größe erreicht, mit der ein dynamisches Gleichgewicht geschaffen werden kann. - Hierbei ist besonders anzumerken, dass unter dem sogenannten dynamischen Gleichgewicht des Kugelkäfigs
40 beim Hochgeschwindigkeitsbetrieb ein Zustand verstanden werden soll, in dem der Kugelkäfig40 beim Drehen mit den Kugeln30 während eines Betriebs des Kugellagers mit hoher Drehzahl schwebend zwischen der Innenumfangsfläche des Außenrings10 und der Außenumfangsfläche des Innenrings20 gehalten wird. Der erfindungsgemäße Kugelkäfig40 kann deswegen in ein derartiges dynamisches Gleichgewicht gelangen, weil der Kugelkäfig40 beim Drehen mit den Kugeln30 um die Mittelachse des Kugellagers zwar zwischen der Innenumfangsfläche des Außenrings10 in unbestimmte Richtungen springt. Mit der Erhöhung der Drehzahl des Kugellagers nehmen jedoch die Frequenz, mit der der Kugelkäfig40 zwischen der Innenumfangsfläche des Außenrings10 springt, und der Durchmesser der Außenumfangsfläche des Kugelkäfigs40 zu, während die Breite des ersten SpaltsG1 zwischen der Innenumfangsfläche der Außenring-Schulter12 abnimmt, so dass der Kugelkäfig40 dann, wenn das Kugellager eine hohe Drehzahl erreicht, zwischen der Innenumfangsfläche des Außenrings10 mit einer hohen Frequenz springt. Dadurch wird ein stabiles Schweben des Kugelkäfigs40 zwischen der Innenumfangsfläche des Außenrings10 und der Außenumfangsfläche des Innenrings20 ermöglicht und somit das dynamische Gleichgewicht hergestellt. - Bei dem erfindungsgemäßen Hochgeschwindigkeitskugellager
1 kann vorteilhafterweise beim Hochgeschwindigkeitsbetrieb des Hochgeschwindigkeitskugellagers1 mit Hilfe eines speziell ausgebildeten Kugelkäfigs40 ein ausreichender Raum zwischen der Innenumfangsfläche der Taschenbohrung43 und den Kugeln30 zur Lagerung von Schmierfett geschaffen werden. Ferner kann der Kugelkäfig40 stabil schwebend zwischen der Innenumfangsfläche des Außenrings10 und der Außenumfangsfläche des Innenrings20 gehalten werden, wodurch die gegenseitigen Störungen zwischen dem Kugelkäfig40 und den Kugeln30 reduziert und mögliche Seitenschläge des Kugelkäfigs40 verhindert werden, was zur Erhöhung der Betriebsstabilität des erfindungsgemäßen Hochgeschwindigkeitskugellagers1 bei hohen Geschwindigkeiten beiträgt. - Das oben Beschriebene stellt keine Einschränkung der Patentansprüche der Erfindung dar, sondern dient lediglich der Darstellung möglicher bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung. Jede gleichwertige Abänderung, die aus der Beschreibung bzw. den Zeichnungen der Erfindung ableitbar ist, fällt daher in den Schutzumfang der Erfindung.
- Bezugszeichenliste
-
- 1
- Hochgeschwindigkeitskugellager
- 10
- Außenring
- 11
- Außenring-Laufbahnfläche
- 12
- Außenring-Schulter
- 20
- Innenring
- 21
- Innenring-Laufbahnfläche
- 30
- Kugel
- 40
- Kugelkäfig
- 41
- Erster Ringabschnitt
- 42
- Zweiter Ringabschnitt
- 43
- Taschenbohrung
- 431
- Erste Einbuchtung
- 432
- Zweite Einbuchtung
- 433
- Erster sphärischer Abschnitt
- 434
- Zweiter sphärischer Abschnitt
- P
- Gedachte Sphäre
- G1
- Erster Spalt
- G2
- Zweiter Spalt
- D1
- Durchmesser der gedachten Sphäre
- D2
- Kugeldurchmesser
- Dm
- Teilkreisdurchmesser
Claims (11)
- Hochgeschwindigkeitskugellager (1), umfassend: - einen Außenring (10), dessen Innenumfangsfläche eine Außenring-Laufbahnfläche (11) und eine in der Richtung einer Mittelachse des Kugellagers (1) auf einer Seite ausgebildete Außenring-Schulter (12) aufweist, wobei der Durchmesser der Innenumfangsfläche der Außenring-Schulter (12) geringer als der Durchmesser der Innenumfangsfläche der Außenring-Laufbahnfläche (11) ist, - einen Innenring (20), dessen Außenumfangsfläche eine Innenring-Laufbahnfläche (21) aufweist, - mehrere Kugeln (30), die in gleichem Winkelabstand zueinander unter Ausbildung eines Rollkontakts zwischen der Außenring-Laufbahnfläche (11) und der Innenring-Laufbahnfläche (21) aufgenommen sind, und - einen Kugelkäfig (40), der sich zwischen der Innenumfangsfläche des Außenrings (10) und der Außenumfangsfläche des Innenrings (20) befindet und einen ersten Ringabschnitt (41) und einen zweiten Ringabschnitt (42), welche in der Richtung der Mittelachse des Kugellagers angeordnet sind, wobei der Durchmesser der Außenumfangsfläche des ersten Ringabschnitts (41) größer als der Durchmesser der Außenumfangsfläche des zweiten Ringabschnitts (42) und der Durchmesser der Innenumfangsfläche des ersten Ringabschnitts (41) größer oder gleich dem Durchmesser der Außenumfangsfläche des zweiten Ringabschnitts (42) ist, sowie mehrere Taschenbohrungen (43) aufweist, die in Umfangsrichtung des Kugelkäfigs (40) in gleichem Winkelabstand zueinander in dem Kugelkäfig (40) zwischen dem ersten Ringabschnitt (41) und dem zweiten Ringabschnitt (42) angeordnet und bezüglich ihres Durchmessers und ihrer Position auf die mehreren Kugeln (30) abgestimmt sind, um die mehreren Kugeln (30) aufzunehmen und es zu ermöglichen, dass die mehreren Kugeln (30) beim Rollen zwischen der Außenring-Laufbahnfläche (11) und der Innenring-Laufbahnfläche (21) in gleichem Winkelabstand zueinander gehalten werden, wobei sich die Außenumfangsfläche des ersten Ringabschnitts (41) des Kugelkäfigs (40) in der Nähe der Innenumfangsfläche der Außenring-Schulter (12) befindet, wobei der Spalt zwischen dem ersten Ringabschnitt (41) und der Innenumfangsfläche der Außenring-Schulter (12) als erster Spalt (G1) und der Spalt zwischen der Innenumfangsfläche jeder der Taschenbohrungen (43) und der zugeordneten Kugel (30) als zweiter Spalt (G2) definiert werden, wobei zwischen dem ersten Spalt (G1) und dem zweiten Spalt (G2) die Beziehung W2=(W1-r')xA besteht, in der W1 für die Breite des ersten Spalts (G1), W2 für die Breite des zweiten Spalts (G2), r' für die Ausdehnungsgröße eines Radius des Kugelkäfigs (40) beim Betrieb des Kugellagers mit einer vorbestimmten Drehzahl und A für einen Verstärkungsfaktor stehen, der bei einem Produkt DmN aus einem Teilkreisdurchmesser (DM) des Hochgeschwindigkeitskugellagers und einer vorbestimmten zulässigen Drehzahl N von 1 600 000 1,2 bis 1,5 beträgt.
- Hochgeschwindigkeitskugellager nach
Anspruch 1 , bei dem jede der Taschenbohrungen (43) durch eine auf der Seite des ersten Ringabschnitts (41) angeordnete erste Einbuchtung (431) und eine im zweiten Ringabschnitt (42) angeordnete zweite Einbuchtung (432) gebildet wird, welche erste Einbuchtung (431) und welche zweite Einbuchtung (432) mit ihren Innenumfangsflächen einander gegenüberliegen, wobei die Innenumfangsfläche der ersten Einbuchtung (431) einen ersten sphärischen Abschnitt (433) und die Innenumfangsfläche der zweiten Einbuchtung (432) einen zweiten sphärischen Abschnitt (434) ausbildet, wobei der erste sphärische Abschnitt (433) und der zweite sphärische Abschnitt (434) auf einer konzentrisch zum Mittelpunkt der Kugel (30) angeordneten gedachten Sphäre (P) liegen, deren Durchmesser größer als der Durchmesser der Kugel (30) ist. - Hochgeschwindigkeitskugellager nach
Anspruch 1 oder2 , bei dem die Breite W2 des zweiten Spalts (G2) 0,3 bis 0,5 mm beträgt. - Hochgeschwindigkeitskugellager nach
Anspruch 3 , bei dem der Kugelkäfig (40) und die mehreren Kugeln (30) beim Betrieb mit Schmierfett benetzt sind. - Hochgeschwindigkeitskugellager nach
Anspruch 3 oder4 , bei dem der Verstärkungsfaktor 1,4 beträgt. - Hochgeschwindigkeitskugellager nach einem der
Ansprüche 3 bis5 , bei dem es sich bei dem Kugelkäfig (40) um einen aus einem Harz- oder Nylonmaterial angefertigten Kugelkäfig handelt. - Kugelkäfig (40) zum Einbau in ein Kugellager (1), das einen Außenring (10), dessen Innenumfangsfläche eine Außenring-Laufbahnfläche (11) und eine in axialer Richtung an einem Seitenrand ausgebildete Außenring-Schulter (12) aufweist, wobei der Durchmesser der Innenumfangsfläche der Außenring-Schulter (12) geringer als der Durchmesser der Innenumfangsfläche der Außenring-Laufbahnfläche (11) ist, einen Innenring (20), dessen Außenumfangsfläche eine Innenring-Laufbahnfläche (21) aufweist, und mehrere Kugeln (30) aufweist, die in gleichem Winkelabstand zueinander unter Ausbildung eines Rollkontakts zwischen der Außenring-Laufbahnfläche (11) und der Innenring-Laufbahnfläche (21) aufgenommen sind, wobei der Kugelkäfig (40) Folgendes aufweist: - einen ersten Ringabschnitt (41) und einen zweiten Ringabschnitt (42), welche in der Richtung einer Mittelachse des Kugellagers angeordnet sind, wobei der Durchmesser der Außenumfangsfläche des ersten Ringabschnitts (41) größer als der Durchmesser der Außenumfangsfläche des zweiten Ringabschnitts (42) und der Durchmesser der Innenumfangsfläche des ersten Ringabschnitts (41) größer oder gleich dem Durchmesser der Außenumfangsfläche des zweiten Ringabschnitts (42) ist, und - mehrere Taschenbohrungen (43), die in Umfangsrichtung des Kugelkäfigs (40) in gleichem Winkelabstand zueinander in dem Kugelkäfig (40) zwischen dem ersten Ringabschnitt (41) und dem zweiten Ringabschnitt (42) angeordnet und bezüglich ihres Durchmessers und ihrer Position auf die mehreren Kugeln (30) abgestimmt sind, um die mehreren Kugeln (30) aufzunehmen und es zu ermöglichen, dass die mehreren Kugeln (30) beim Rollen zwischen der Außenring-Laufbahnfläche (11) und der Innenring-Laufbahnfläche (21) in gleichem Winkelabstand zueinander gehalten werden, wobei sich die Außenumfangsfläche des ersten Ringabschnitts (41) des Kugelkäfigs (40) in der Nähe der Innenumfangsfläche der Außenring-Schulter (12) befindet, wobei der Spalt zwischen dem ersten Ringabschnitt (41) und der Innenumfangsfläche der Außenring-Schulter (12) als erster Spalt (G1) und der Spalt zwischen der Innenumfangsfläche jeder der Taschenbohrungen (43) und der zugeordneten Kugel (30) als zweiter Spalt (G2) definiert werden, wobei zwischen dem ersten Spalt (G1) und dem zweiten Spalt (G2) die Beziehung W2=(W1-r')xA besteht, in der W1 für die Breite des ersten Spalts (G1), W2 für die Breite des zweiten Spalts (G2), r' für die Ausdehnungsgröße des Kugelkäfigs (40) beim Betrieb des Kugellagers (1) mit einer vorbestimmten Drehzahl und A für einen Verstärkungsfaktor stehen, der bei einem Produkt DmN aus einem Teilkreisdurchmesser (DM) des Hochgeschwindigkeitskugellagers (1) und einer vorbestimmten zulässigen Drehzahl N von 1 600 000 1,2 bis 1,5 beträgt.
- Kugelkäfig nach
Anspruch 7 , bei dem jede der Taschenbohrungen (43) durch eine auf der Seite des ersten Ringabschnitts (41) angeordnete erste Einbuchtung (431) und eine im zweiten Ringabschnitt (42) angeordnete zweite Einbuchtung (432) gebildet wird, wobei der Innenumfangsrand der ersten Einbuchtung (431) und die Innenumfangsfläche der zweiten Einbuchtung (432) einander gegenüberliegen, wobei die Innenumfangsfläche der ersten Einbuchtung (431) einen ersten sphärischen Abschnitt (433) und die Innenumfangsfläche der zweiten Einbuchtung (432) einen zweiten sphärischen Abschnitt (434) ausbildet, wobei der erste sphärische Abschnitt (433) und der zweite sphärische Abschnitt (434) auf einer konzentrisch zum Mittelpunkt der Kugel (30) angeordneten gedachten Sphäre (P) liegen. - Kugelkäfig nach
Anspruch 7 oder8 , bei dem die Breite W2 des zweiten Spalts (G2) 0,3 bis 0,5 mm beträgt. - Kugelkäfig nach
Anspruch 8 oder9 , bei dem der Verstärkungsfaktor 1,4 beträgt. - Kugelkäfig nach einem der
Ansprüche 8 bis10 , bei dem es sich bei dem Kugelkäfig (40) um einen aus einem Harz- oder Nylonmaterial angefertigten Kugelkäfig (40) handelt.
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-
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R151 | Utility model maintained after payment of second maintenance fee after six years |