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Längs lager Die Erfindung betrifft ein Lager für eine axiale Relativbewegung
zweier koaxial1 insbesondere konzentrisch zueinander angeordneter Bauteile, bestehend
aus in einer Halterung zwischen den Bauteilen angeordneten Kugeln.
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Es ist bereits bekannt, zwischen sich relativ zueinander bewegende
Bauteilen Kugeln anzuordnen, die in Führungen so gehalten sind, daß sie an den gegenüberliegenden
Flächen der gegeneinander zu verschiebenden Bauteile anliegen, wobei die Führungsbahn
so gestaltet ist, daß die Kugeln in der Führungsbahn kontinuierlich umlaufen können.
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Weiterhin wurde bereits vorgeschlagen, für die relative Längsverschiebung
zweier konzentrischer Bauteile zwischen diesen Bauteilen einen Ring von Kugeln anzuordnen,
die in einem Käfig gehalten sind.
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Während die zuerst genannte bekannte Art der Lagerung äußerst kompliziert
und aufwendig ist, hat die Lagerung gemäß dem genannten Vorschlag den Nachteil,
daß ein Verklemmen des
Lagerringes nicht mit Sicherheit ausgeschlossen
werden kann, d. h. daß die axiale Relativverschiebung der Bauteile gehemmt ist,
wodurch ein Auseinandernehmen der Teile und die Montage eines neuen Lagers erforderlich
wird.
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Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht deshalb darin,
ein Lager der eingangs genannten Art zu schaffen, das billig herstellbar ist, einfach
montiert werden kann und eine verklemmungsfreie Relativbewegung der Bauteile bei
extrem hohen Schaltzahlen gestattet.
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Diese Aufgabe wird mit dem Lager der eingangs genannten Art dadurch
gelöst, daß die axiale Länge der Ausnehmungen in einem die Halterung bildenden Käfig
für die Aufnahme jeweils wenigstens einer Kugel größer ist als die für die Relativbewegung
der Bauteile erforderliche Strecke.
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Die Montage des erfindungsgemäßen Lagers ist dann besonders einfach,
wenn der aus elastischem Material bestehende Käfig einen ihn ganz durchsetzenden
radialen Schlitz hat, da dadurch kleine Durchmesseränderungen möglich sind.
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Vorteilhafterweise sind die Kugeln gegen die Lagerflächen vorgespannt.
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Wenn der Käfig in einem Außenring und mit seiner einen radialen Stegfläche
in einer Umfangsnut in der Außenringinnenseite eingeschnappt sitzt, erhält man eine
aus Käfig, Kugeln und Außenring bestehende Baueinheit, die als solche verkauft werden
kann. Die Elastizität des Käfigs kann dabei durch Vorsehen von außenringseitigen
Ausnehmungen noch erhöht werden.
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Die Baueinheit kann auch ohne Außenring in sehr einfacher Weise hergestellt
werden, wenn nämlich der Käfig zu den die Kugeln haltenden, sich axial erstreckenden
Taschen gebogen ist,
deren Boden die außenseitige Lauffläche bildet
und deren axiale Enden von sich vom Boden aus erstreckenden Laschen gebildet werden.
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Wenn für bestimmte Verwendungszwecke eine besondere Härte der taschenseitigen
Lauffläche erforderlich ist, werden zweckmäßigerweise in Öffnungen gegenüberliegender
Laschen gehärtete Laufbahnen gehalten, die zwischen der Kugel bzw. den Kugeln einer
jeden Tasche und am Taschenboden angeordnet sind.
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Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Längslagers
besteht darin, daß der Käfig aus einem im Querschnitt U-förmig gebogenen Profil
besteht, dessen den inneren Schenkel bildende Umfangs fläche die Ausnehmungen für
die Kugeln aufweist und dessen äußerer Schenkel innenseitig die gegebenenfalls gehärtete
Kugellauffläche bildet.
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Anstelle des Käfigs kann die Halterung zweckmäßigerweise auch aus
einem inneren und äußeren Laufring bestehen, von denen jeder aus dünnwandigem Bandmaterial
mit offenen Stoßstellen so gebogen ist, daß die Kugeln zwischen den Laufringen in
Umfangsrichtung im Abstand in axialen Laufrillen gehalten sind, wobei als axiale
Begrenzungen der Laufrillen diese verengende Abschrägungen vorgesehen sind. Das
bedeutet, daß die Gehäusebohrung und die Welle aus ungehärtetem billigen Baustahl
bestehen und die Paßflächen relativ rauh sein können. Durch entsprechende Dimensionierung
der Ringe erhält man eine nicht zerfallende Baueinheit, wobei sich die aus dünnwandigem
Bandmaterial hergestellten Ringe bei der Montage der Bohrung bzw.
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dem Wellensitz anpassen, -d. h. nicht exakt kreisförmig vorgeformt
werden müssen.
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Das erfindungsgemäße Lager hat den Vorteil, daß es verklemmungsfrei
Hubwege in der Größenordnung von 2 x 1o6 auch bei
erhöhten Betriebstemperaturen,
beispielsweise 15000, übersteht, d. h. eine sehr hohe Lebensdauer hat. Da der Käfig
so ausgebildet ist bzw. eine solche Materialstärke hat, daß die Kugeln in ihm gehalten
sind, kann die erfindungsgemäße Lagerung als Baueinheit geliefert werden. Durch
die mögliche Aufweitung bzw. das Zusammenziehen in Umfangsrichtung ist infolge der
dadurch möglichen Durchmesseränderungen eine einfache Montage möglich. Außerdem
können in der axialen Längsaufnehmung des Käfigs auch mehrere Kugeln aufgenommen
werden, wodurch es möglich ist, größere Kräfte zu übertragen, wobei die Zunahme
des Verschleißes kaum ins Gewicht fällt. Darüber hinaus kann das Längslage durch
mehrere axial hintereinander angeordnete Taschen oder Schlitze erweitert werden,
wodurch ein Abkippen der Achse vermieden, die Tragfägigkeit erhöht und ein zweites
Lager ersetzt würde. Gleichzeitig wird ein Aneinanderreihen der Kugeln vermieden.
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Überraschenderweise hat sich gezeigt, daß die Kugeln, wenn sie radial
vorgespannt sind, bei der Relativbewegung der Bauteile nahezu lagestabil bleiben,
d. h. daß, wenn beispielweise nur das die Kugeln umgebende Bauteil bewegt wird,
die Kugeln bezüglich des ruhenden, von ihnen umschlossenen Bauteils in der gleichen
Ebene bleiben. Ein Auslenken aus dieser Ebene würde nur dann erfolgen, wenn die
Ränder der Längsausnehmungen an den Kugeln anstoßen würden, weshalb die Längsausnehmungen
länger sind als der Hubweg. Es genügt jedoch, die axiale Länge der Ausnehmungen
nur geringfügig größer als den Hubweg zu machen.
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Anhand der beiliegenden Zeichnungen werden beispielsweise Ausführungsformen
der Erfindung näher erläutert.
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Fig. 1 zeigt in einem Axialschnitt eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen
Lagers.
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Fig. 2 zeigt das Lager von Fig. 1 im Querschnitt.
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Fig. 3 zeigt perspektivisch einen Teil einer weiteren Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Lagers.
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Fig. 4 zeigt das Lager von Fig. 3 in einer Stirnansicht angeordnet
zwischen zwei Bauteilen.
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Fig 5 zeigt das Lager von Fig. 3 im Axialschnitt.
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Fig. 6 zeigt in einer Ansicht wie Fig. 5 eine dritte Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Lagers.
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Fig. 7 zeigt das Lager von Fig. 6 in einer Stirnansicht zwischen zwei
Bauteilen.
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Fig. 8 zeigt eine vierte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Lagers
im Querschnitt.
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Fig. 9 zeigt das Lager von Fig. 8 im Axialschnitt.
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Fig. lo zeigt im Axialschnitt eine fünfte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen
Lagers.
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Fig. 11 zeigt das Lager von Fig. io im Querschnitt.
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Fig. 12 zeigt im Axialschni:tt das Lager von Fig. 1 mit zwei axial
hintereinander angeordneten Kugeln.
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Die in den Figuren 1 und 2 gezeigte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen
Lagers ist um ein zylindrisches Bauteil 1 angeordnet, das mit hoher Schalthäufigkeit
hin- und herbewegt werden soll. Konzentrisch zu dem zylindrischen Bauteil 1 ist
im Abstand dazu ein Außenring 2 angeordnet, der mit seiner
Paßfläche
3 außenseitig in eine Bohrung mit entsprechender Passung eines weiteren Bauteils
im festen Sitz einfügbar ist.
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Die Kugeln 8 sind zwischen der Innenseite des Außenringes 2 und der
Umfangs fläche des zylindrischen Bauteils 1 im Abstand voneinander angeordnet, wobei
der Abstand in Umfangsrichtung durch einen Käfig 4 festgelegt ist, in dem die Kugeln
8 zwischen den Käfigstegen 9 so sitzen, daß sie nicht herausfallen.
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Der Käfig 4 grenzt stirnseitig mit den radialen Flächen 5 und 6 an
die Innenseite des Außenringes 2, wobei die Stirnseite 6 in einer Umfangsnut in
der Außenringinnenseite sitzt, so daß sich der Käfig axial nicht verschieben kann.
Die Kugeln sitzen in den Stegen 9 in Ausnehmungen 7, deren Umfangserstreckung, wie
vorstehend beschrieben, so bemessen ist, daß sich die Kugeln 8 frei bewegen können,
jedoch aus dem Käfig nicht herausfallen. In Axialrichtung ist die Länge der Ausnehmungen
7 so bemessen, daß sie etwas größer ist als der Betrag der Relativbewegung der beiden
Bauteile, so daß die Kugeln 8 nicht mit den stirnseitigen Rändern der Ausnehmungen
7 in Kontakt kommen. Der Käfig 4 hat einen radialen Schlitz 1o und besteht aus einem
elastischen Material. Bei der Herstellung wird dafür gesorgt, daß der Käfig eine
solche Vorspannung hat, daß sich der Schlitz lo aufweiten will. Dadurch werden die
Käfigränder 5 und 6 gegen die Innenfläche des Außenringes 8 gedrückt, so tdaß eine
Baueinheit gebildet wird. Ausnehmungen 11 in den Käfigrändern 5 und 6 auf der außenringseitigen
Umfangsfläche ermöglichen eine einfachere Käfigherstellung und eine Verbesserung
der Elastizität.
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Bei der Montage der in den Figuren 1 und 2 gezeigten Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Lagers wird dafür gesorgt, daß der aus dem zylindrischen inneren
Bauteil 1 plus dem zweifachen Kugeldurchmesser berechnete Durchmesser etwas größer
ist als der Innendurchmesser des Außenringes, so daß die Kugeln, wenn sie montiert
sind, zwischen dem Bauteil 1
und der Innenfläche des Außenringes
2 unter Vorspannung stehen.
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Die Vorspannung ist dabei so groß, daß die Montage leicht, vorzugsweise
von Hand ausgeführt werden kann. Ferner besteht die Möglichkeit, bei großer radialer
Vorspannung die Laufbahnen an einem oder beiden Wegenden maßlich so festzulegen,
daß bei geringerer Vor spannung bis zum Nullwert keine Beschädigung eintreten kann.
Das bedeutet, daß bei sehr hoher radialer Vorspannung an einem oder beiden Wegenden,
d. h. in der Kugel endlage in der Tasche, die Vorspannung verringert werden kann,
indem in der Außenringlaufbahn an diesen Stellen eine Vertiefung vorgesehen wird.
Beim Einschieben der Achse 1 können deshalb die Laufkugeln sowie die Laufflächen
nicht beschädigt werden.
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Bei der in den Figuren 3 bis 5 gezeigten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen
Lagers ist der Außenring 2 von Fig. 1 weggelassen. Statt dessen ist der Käfig hier
so gebogen, daß er in Umfangsrichtung im Abstand Taschen bildet, die von sich axial
erstreckenden radialen Taschenwänden 19 und einen die Taschenwände jeweils verbindenden
Taschenboden 13 begrenzt werden. Der Taschenboden 13 bildet dabei auf seiner Innenseite
gleichzeitig die äußere Lauffläche für die Kugeln 8, während die Taschenwände 19
nach innen spitzwinklig verlaufen und der Abstand am Übergang zum Käfigsteg 14 kleiner
als der Kugeldurchmesser ist. An den Stirnseiten sind von den'Taschenböden 13 jeweils
Laschen 15 bzw. 16 abgebogen, welche die axialen Begrenzungen bilden. Der Abstand
zwischen den Innenseiten'der Laschen 15 und 16 ist dabei etwas größer als die durch
die Auslegung vorgegebene axiale Bewegungsstrecke. Ein radialer Schlitz lo ermöglicht
wie bei der Ausführungsform von Fig. 1 und 2 eine einfache Montage, während die
Kugeln 8 wie vorstehend beschrieben zweckmäßigerweise wieder unter Vorspannung im
Arbeitszustand gehalten sind. Bei der gezeigten Ausführungsform ist der Abstand
der einzelnen Taschen durch die aus dem Käfig gebogenen Stege 14 festgelegt, wobei
die radialen Taschenwände 19 sich radial wieder so weit erstrecken,
daß
in ihnen die Kugeln 8 mit einem Spiel gehalten sind.
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Wie aus Fig. 4 und 5 zu ersehen ist, ist die Außenfläche des Taschenbodens
13 so geformt, daß sie in die Bohrung eines äußeren Bauteils 12 einpaßbar ist.
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Die in den Figuren 6 und 7 gezeigte dritte Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Lagers unterscheidet sich von dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 bis 5 dadurch,
daß zwischen der Innenseite eines jeden Taschenbodens 13 und einer jeden Kugel 8
eine gehärtete Lauffläche 20 angeordnet ist. Die Lauffläche 20 ist bei dem gezeigten
Ausführungsbeispiel stabförmig ausgebildet und in Öffnungen in den Laschen 15 und
16 gehalten.
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Durch das Anordnen dieser Laufflächen ermöglicht man eine Verringerung
des Verschleißes.
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Bei der in den Figuren 8 und 9 gezeigten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen
Längslagers hat der Käfig im Querschnitt ein U-förmig gebogenes Profil 22, dessen
äußerer Schenkel 21 mit seiner äußeren Umfangs fläche im Inneren der Bohrung des
äußeren Bauteils 12 eingepaßt sitzt. Der innere Schenkel 23 hat über dem Umfang
verteilt im Abstand angeordnete axiale Ausnehmungen 7, in denen die Kugeln 8 gehalten
sind, die innenseitig an dem inneren Bauteil 1 aufliegen und außenseitig an der
Innenseite des äußeren Schenkels 21 anliegen, welche die Lauffläche bildet, die
gegebenenfalls entsprechend gehärtet ist.
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Der Käfig dieser Ausführungsform läßt sich im Kaltfließ- oder Ziehverfahren
als doppelwandiger Stahlkäfig pressen, in dem die entsprechenden Ausnehmungen 7
vorgesehen werden müssen.
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Die Montage der Kugeln in dem Käfig ist mit Hilfe einer Eindrückvorrichtung
und eines abgestuften Ringstempels nacheinander durch federndes Nachgeben der Innen-
und Außenwand leicht und schnell möglich. Anschließend werden die Kugeln zur spielfreien
Hubbewegung mit Vorspannung auf der Welle eingepaßt.
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Bei der in den Figuren 1o und 11 gezeigten Ausführungsform ist anstelle
des Käfigs ein Außenring 24 und ein Innenring 27 vorgesehen. Die Ringe 24 und 27
werden von einem entsprechenden Bandmaterial abgelängt und auf den geforderten Durchmesser
rund gebogen. Die Stoßstellen 1o bleiben dabei offen. Die Ringe 24 und 27 werden
so dimensioniert, daß mit den dazwischenliegenden Kugeln 8 ein nicht zerfallendes,
einfach zu handhabendes Maschinenelement gebildet wird. Der innere Raufring 27 hat
einen etwas größeren und der äußere Laufring 24 einen etwas kleineren Druchmesser
als im zusammengebauten Zustand. Beim Einfügen des Lagers in die Lagersitze im äußeren
Bauteil 12 bzw. um das innere Bauteil 1 passen sich die dünnwandigen Laufringe vollkommen
der Form der Bauteile an. D. h., daß die Vorformung der Laufringe nicht exakt kreisförmig
sein muß.
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Um einerseits die axiale Begrenzung des Hubweges festzulegen und um
andererseits die Kugeln 8 achsenparallel zu haltern, sind am äußeren Laufring 24
die Enden nach innen hin als Abschrägungen 26 abgebogen, während die äußeren Enden
des inneren Laufringes 27 als Abschrägungen 29 zum äußeren Bauteil 12 hin aufgebogen
sind. Der mittlere Teil der Laufringe 24 und 27, der sich etwa über ein Drittel
der Ringbreite erstreckt, ist zylindrisch. Dieser zylindrische Teil der Laufringe
ist in Abständen in Umfangsrichtung mit Einbúchtungen 25 bzw. 28 versehen, so daß
die Kugeln 8 in regelmäßigem Abstand zueinander am Umfang verteilt gehalten und
geführt sind.
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Wenn die Kugeln 8 in die Nähe des Endes ihres Hubwegs kommen, gelangen
sie in den Bereich der Abschrägungen 26 und 29, die sie dabei flachdrücken möchten.
Durch die Reaktionskraft dieser Abschrägungen auf die Kugeln 8 werden diese wieder
in ihre Ringmittellage zurückgeschoben und damit auch während
des
Hubweges zentriert. Die Größe dieser Reaktionskraft läßt sich durch entsprechende
Gestaltung der Ringe einstellen.
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Durch die Abschrägungen 26 und 29 sowie die Einbuchtungen 25 und 28
wird die das Längslage bildende Baueinheit erheblich versteift. Infolge der Biegesteifigkeit
der Ringe in Verbindung mit den Rundheitsabweichungen der gerollten Ringe ist ein
Längslager der vorstehenden Ausführungsform immer spielfrei, auch wenn die Maßzuordnung
der Bauteile große Toleranzen hat.
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Durch die gegenseitige Vorspannung und durch die entsprechende Formgebung
der Ringe ist es möglich, daß die einzelnen frei beweglichen Kugeln stets einen
ebenen Kugelkranz bilden, der senkrecht zur Wellenachse, bei dem gezeigten Beispiel
das Bauteil 1, steht.
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Bei dem in Fig. 12 gezeigten Längslage sitzt wie bei der Ausführungsform
von Fig. 1 die eine radiale Fläche 6 des Käfigstegs in eine Umfangsnut in der Innenseite
des Außenrings 2 eingeschnappt. Der Steg des Käfigs hat bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel
einen Mittelteil 30, der zwei hintereinander angeordnete axiale Ausnehmungen 7 voneinander
trennt, in denen jeweils eine Kugel 8 angeordnet ist. Diese anhand des Ausführungsbeispiels
von Fig. 1 gezeigte Anordnung von mehreren Kugeln 8 im axialen Abstand voneinander
kann auch bei den anderen beschriebenen Ausführungsformen in entsprechender Anpassung
an diese Ausführungsformen vorgesehen werden.
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Die in Figur 12 veranschaulichte Ausführungsform kann dahingehend
abgewandelt werden, daß mehrere Mittelteile 30 vorgesehen werden, die mehrere axiale
Ausnehmungen 7 voneinander trennen.