DE2334394C2 - Rollenlager - Google Patents

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf ein Rollenlager, bestehend aus einem Außenring, einem Innenring, Rollkörpern und einem Käfig, wobei diese Kompoiienten im Betrieb des Lagers derart zusammenwirken, daß einer axialen Lastkomponente einer äußeren Kraft eine durch die Schränkung der Rollkörper erzeugte axiale Reibungskraft entgegenwirkt.

Rollenlager sind in den verschiedensten Ausführungen bekannt und finden Anwendung sowohl zur so Aufnahme von axialen als auch von radialen Kräften. Die Zahl der Rollenreihen ist bei diesen Lagern unterschiedlich.

Bei der gebräuchlichsten Anordnung dieser Lagerart werden die Rollkörper durch einen Seitenbord oder einen losen Führungsring geführt. Die Rollkörper sind dabei sowohl mit dem Außenring, dem Innenring und dem Käfig als auch mit dem Seitenbord oder Führungsring in Berührung, so daß an jeder Rolle mehrere Reibungspunkte entstehen. Die Rollen in einem solchen Lager stellen sich gewöhnlich selbst unter einem bestimmten Winkel zur Drehachse des Lagers schräg, d. h. sie schränken, und als Folge davon entsteht gleichzeitig Rollen und Gleiten.

Es ist ein Rollenlager der eingangs genannten Art bekannt, bei dem die zylindrischen Wälzkörper in Taschen eines Käfigs eingebracht sind, deren Mittellinien windschief zur Käfigachse gerichtet sind (DE-AS 12 68444). Durch die Anwendung eines derartigen Käfigs wird erreicht, daß die von ihm geführten Wälzkörper imstande sind, bei ihrem Umlauf um die Welle nicht nur rechtwinklig zu ihr wirkende Lasten zu übertragen, sondern auch gleichzeitig eine axial gerichtete Kraft auszuüben, die imstande ist, einer bereits vorhandenen, auf die Wälzlägerüng wirkenden, axial gerichteten Kraftkomponente entgegenzuwirken und sie zu kompensieren.

Bei diesem bekannten Lager wird die, Schräglage (Schränken) der Rollen durch den Käfig beeinflußt. Durch den dauerhaft festgelegten Anstellwinkel der Käfigtaschen kann unabhängig von den tatsächlich herrschenden Belastungsverhältnissen immer nur eine bestimmte axial gerichtete Kraft ausgeübt werden. Damit sind nicht für alle im Betrieb eines Lagers auftretenden unterschiedlichen Belastungsverhältnisse optimale Bedingungen erreichbar. Auch ist der Einsatz eines Serienlagers für die unterschiedlichsten Anwendungsfälle nicht möglich.

Wälzlager mit erhöhtem Rollwiderstand, bei denen der Rollkörpersatz gegenüber den Rollbahnringen

abgebremst wird, sind ebenEäüs bekannt (DE-PS β 9 32 942). Beim Ausführungsbeispiel nach Abb. 2 dieser I Druckschrift sind in Nuten einer oder der beiden Laufbahnen vorstehende Ringe eingelegt, die beim Überrollen durch die Rollkörper verformt werden, wodurch der Rollwiderstand erhöht wird. Diese bekannte Ausführung dient zum Erzeugen einer stark erhöhten Reibung, wobei zusätzlich Elemente erforderlich sind, für die noch besondere Maßnahmen, wie Anstellfedern cder Nuten in den Laufbahnen, erforderlich sind.

Die Verwendung von selbsteinstellenden Rollen — wobei die Einstellbarkeit in bezug auf den Lagermittelpunkt gemeint ist — in Lagern, bei denen irgendwelche Fluchtungsfehler der Welle gegenüber der Gehäusebohrung oder Durchbiegung unter Belastung ausgeglichen werden sollen, ist allgemein bekannt (CH-PS 92 774).

Im Buch »Die Wälzlager« vta W. Jürgensmeyer ist auf den Seiten 133 und 134 ein Lager mit einer Tonne oder Pendelrolle als Rollkörpen· beschrieben, bei dem zur Beseitigung der Schränkursachen, d. h. zur Schaffung eines Gleichgewichtszustands der Rolle, die Mantelfläche der Rolle eine unsymmetrische Form erhält. Eine solche Rolle steht im eingebauten Zustand unter »Spannführung«, d. h. unter äußerer Belastung entsteht eine Kraftkomponente, die die Rolle mit ihrer großen Stirnfläche gegen den Mittelbord preßt. Wird diese Kraftkomponente zu groß, so können infolge der Gleitreibung zwischen Bord und Rollenstirnflächen Anschmierungen oder sogar Ringbrüche entstehen. Bei diesem bekannten Lager liegt ein Gleichgewichtszustand der Rollen vor, d. h. die Rollen nehmen einen Schränkwinkel Null ein.

Bei einem weiteren bekannten Pendelrollenlager wird durch eine spezielle Formgebung der Laufbahnen von Außenring und Innenring sowie der Pendelrollen ebenfalls ein Schränken der Rollen vermieden (DE-PS 7 02 175). Zu diesem Zweck werden die Laufbahnen des Außenringes sphärisch ausgebildet, die Laufbahnen des Innenringes rinnenförmig unterteilt, die in der Hauptsache balligen Rollen seitlich verjüngt, wobei nur die balligen Abschnitte auf dem Außenring und die verjüngten Seitenteile auf den Rinnenflächen des Innenringps laufen, und der öffnungswinkel der Rinne so groß ausgeführt, daß das rückdrehende Moment

größer als das Schränlcmoment ist Dieses Lager erfordert einen hohen Aufwand, wobei der erzielbare Schränkwinkel Null keine optimalen Ergebnisse hinsichtlich geringster Reibung und höchstmöglicher Lebensdauer ergibt. Aus diesem Grunde hat sich dieses bekannte Lager in der Praxis nicht durchsetzen können.

Bei einem weiteren selbsteinstellenden Rollenlager ist es auch bekanntgeworden, verschiedene Werkstoffe für die Rollflächen zu verwenden, wobei bei gleicher Belastung eine verschiedene Größe der Kontaktfläche erzielt wird (Beschreibungseinleitüng zu CH-PS 99 346). Aus der gleichen Druckschrift ist es auch bekannt, durch Veränderung der Halbmesser der Erzeugenden der Rollflächen eines Rollenlagers die Größe der Kontaktflache zu verändern.

Die Innenringlaufbahn von Zylinderrollenlagern zur Ermöglichung einer Winkeleinstellung aufgrund der Schiefstellung der Welle ballig auszuführen, ist durch Fig. 4 der US-PS 35 72 860 bekannt. Die Balligkeit ist dabei nicht symmetrisch angeordnet, sondern asymme-. trisch, um »überhängende« Lasten besser aufnehmen zu können.

Weiterhin ist es bekannt, die Außeniaufringe für Rollenlager in der Mitte der Laufbahn mit einer Nut zu versehen, um eine gleichmäßigere Lastverteiluüg auf die Rollen zu erhalten (GB-PS 5 94 411).

In der US-PS 22 59 325 ist ein Lager beschrieben, bei dem die Laufbahnen über ihre Breite unterschiedliche Härte aufweisen, so daß sie bei -einer Schiefstellung der Welle durch größeren Verschleiß an den Enden als in jo der Mitte leicht konvexe Form annehmen.

Es ist weiterhin ein Zylinderrollenlager bekannt, bei dem die Außenringlaufbahn zylindrisch, die Innenringlaufbahn ballig und die Rollenmantelfläche ebenfalls zylindrisch ausgeführt (AT-PS 54 931) sind. Damit soll « eine Schiefstellung der beiden Lagerringe zueinander — d.h. bei Wellendurchbiegungen oder Schiefstellungen — ermöglicht werden, ohne daß übermäßige Kantenspannungen entstehen, die Lagerbeschädigungen zur Folge haben.

Bei einem weiteren bekannten Rollenlager mit tonnenförmigen Rollkörpern ist die Schmiegung zwischen den Rollkörpern und dem Innenring anders ausgebildet als zwischen den Rollkörpern und dem Außenring (FR-PS 14 64 493). Diese Maßnahme dient dazu, Schrägstellungen des Lagers bei Achsversetzungen oder Schrägeinbau ohne negative Einflüsse zu ermöglichen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein radiale und axiale Kräfte aufnehmendes Rollenlager der w eingangs genannten An zu schaffen, das den Rollkörpern unbeeinflußt durch den Käfig ermöglicht, sich über den weitesten Bereich von axiaien und radialen Lastkombinationen auf einen gewünschten Schränkwinkel einzustellen, so daß sich geringstmögliche Reibung v, und höchstmögliche Lebensdauer ergibt.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird nach der Erfindung vorgeschlagen, die Laufbahnen der Lagerringe so auszubilden, daß sich die Rollkörper ohne weitere zusätzliche Mittel selbständig auf den gewünschten Schränkwinkel einstellen. Der gewünschte positive Schränkwinkel stellt sich dann ein, wenn das Schränlcmoment, das der Außenring auf die Rollkörper ausübt, größer als das Schränkmoment ist, das der Innenring auf die Rollkörper ausübt, oder mit anderen Worten, wenn die axialen Komponenten der Reibungskraft auf eine Laufbahn so gerichtet sind, daß sie der axiaien Lastkomponenle der äußeren Kraft auf die Laufbahn entgegenwirken. Maßnahmen zur Erreichung dieses Zieles sind in den Unteransprüchen angegeben, für die Schutz nur im Zusammenhang mit dem Hauptanspruch begehrtwftd.

Eine mögliche Maßnahme zur Erreichung dieses Zieles besteht nach einem Merkmal der Erfindung darin, daß die Oberfläche der Laufbahn des Innenringes einen niedrigeren Reibungskoeffizienten gegenüber den Rollkörpern aufweist als die Oberfläche der Laufbahn des Außenringes.

Die einfachste Art, um ein größeres Schränkmoment des Außenringes gegenüber dem Schränkmomeiit des Innenringes zu erreichen, besteht nach einem Merkmal der Erfindung darin, die Oberfläche der Laufbahn des Außenringes rauher als die Oberfläche ■ der Laufbahn des Innenringes auszuführen, wodurch eine Erhöhung der Reibung zwischen den Rollkörpern und dem Außenring bewirkt wird.

Eine andere Möglichkeit besteht darin,,die Laufbahnen des Außenringes und/oder des Innenringes" über ihre Breite mit Abschnitten mit unterschiedlichen Krümmungsradien zu versehen.

Die Laufbahnen können nach weiteren Merkmalen der Erfindung in vorteilhafter Weise so ausgebildet werden, daß der Außenring in der Mitte der Laufbahn mit einer Nut versehen ist und gegebenenfalls zusätzlich die En£en der Laufbahn des Innenringes abgeschrägt sind. Auf diese Weise wird das Schränkmoment des Außenringes vergrößert und das Schränkmoment des Innenringes verkleinert

In manchen Fällen ist es ausreichend, die Schmiegung zwischen den Rollkörpern und dem Innenring zu reduzieren. Das Schränkmoment des Innenringes wird dann vermindert, wenn die Rolle schräg gestellt wird. Schmiegung ist das Verhältnis zwischen dem Krümmungsradius des Rollkörpers und dem der Laufbahn. Wenn die Schmiegung klein ist d.h. wenn der Krümmungsradius der Rollkörper klein ist sind die Rollen im wesentlichen nur im mittlerer: Bereich in Berührung mit der Laufbahn. Wenn der Krümmungsradius nicht konstant ist, kann diese Definition nicht zur Anwendung kommen. Die Schmiegung kann dann erklärt werden als die Übereinstimmung der Form zwischen den beiden sich berührenden Oberflächen.

Einzelheiten der Erfindung sollen anhand der in den Zeichnungen dargestellten Beispiele eines Pendelrollenlagers erläutert werden. Die Erfindung ist dabei nicht auf Pendelrollenlager beschränkt, sondern eignet sich für alle Rollenlager. Es zeigt

F i g. 1 eine schematische Darstellung der relativen Gleitgeschwindigkeiten einer Rolle,

Fig.2 eine schjematische Darstellung der relativen Gleitgeschwindigkeiten einer Rolle bei versetzten Rollpunkten,

F ig.3 eine ebenfalls schematische Darstellung der Kräfte, die das Schränkmoment an den Rollen verursachen,

F i g. 4 ein zweireihiges Pendelrollenlager im Schnitt, wobei der Einfachheit halber auf die Darstellung des Käfigs verzichtet wurde und nur die Rolle dargestellt ist.

Nach Fig. 1 rollt die Rolle 1 in einer Laufbahn 2 geradeaus. Die Berührungslinie zwischen der Rolle 1 und der Laufbahn 2 bildet einen Kreisbogen,3. Wenn die Rolle sich auf der Laufbahn vorwärts dreht, weisen verschiedene Punkte entlang der Berührungslinie unterschiedliche Geschwindigkeiten in bezug auf die Laufbahn auf, weil die Geschwindigkeit eines Punktes an dieser Linie bestimmt ist durch das Produkt aus

Winkelgeschwindigkeit und Radius. Der Radius ist an den verschiedenen Punkten unterschiedlich, während die Winkelgeschwindigkeit überall gleich ist.

Folglich sind Geschwindigkeit der Rolle und die Geschwindigkeit der Laufbahn 2 nur an den beiden Rollpunkten 4 gleich. Die Geschwindigkeit der Rolle an den Punkten zwischen den Rollpunkten 4 ist größer als die der Laufbahn, wogegen außerhalb der beiden Rollpunkte 4 an der Rolle eine geringere Geschwindigkeit als an der Laufbahn herrscht. Auf diese Weise ist die Rollenfläche zwischen den beiden Rollpunkten 4 einer Verzögerungskraft unterworfen, während die Flächen außerhalb der Rollpunkte 4 einer Beschleunigungskraft unterworfen sind. Die entsprechenden Geschwindigkeitsunterschiede (relative Gleitgeschwindigkeit) sind in den Zeichnungen schematisch dargestellt.

Das Gleiten der Rollen auf der Laufbahn verursacht Reibungskräfte zwischen Laufbahn und Rollkörpern. Diese Reibungskräfte sind jedoch, wie aus F i g. 1 entnommen werden kann, symmetrisch zur Rollenmitte verteilt und werden deswegen die Rollrichtung der Rollen in bezug auf die Laufbahn nicht ändern.

In Wirklichkeit werden die auf die Rollen wirkenden Kräfte in einem Rollenlager so sein, daß die Rollpunkte 4 nicht symmetrisch in bezug auf die Rollenmitte liegen. Die relativen Gleitgeschwindigkeiten sind dann so verteilt, wie es in F i g. 2 dargestellt ist.

Die in F i g. 2 dargestellte Verteilung der relativen Gleitgeschwindigkeiten erzeugt Reibungskräfte in der Laufbahn. Diese Kräfte sind in einem Diagramm in F i g. 3 gezeigt. Es wird angenommen, daß die Größe der Reibungskräfte unabhängig von der Gleitgeschwindigkeit ist und daß die Berührungskraft und der Reibungskoeffizient an allen Punkten gleich ist. Die Gleitreibung wird dann an allen Punkten gleich groß sein mit Ausnahme der Rollpunkte, wo sie Null ist. Wie klar aus F i g. 3 zu ersehen ist, sind die Reibungskräfte so verteilt, daß sie sich nicht gegenseitig aufheben, sondern ein Moment erzeugen, das versucht, die Roiien schräg zu stellen. Dieses Moment wird Schränkmoment genannt.

In Fig.4 ist eine schematische Darstellung eines Pendelrollenlagers mit Innenring 2, Rollen 1, Außenring

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5 und dem losen Führungsring 5 gezeigt. Der Käfig wurde aus Gründen der Vereinfachung nicht dargestellt. Die Rollpunkte sind mit 4 bezeichnet.

Es soll angenommen werden, daß sich der Innenring 2 in die Richtung vom Betrachter weg und der Außenring 5 in die Richtung auf den Betrachter zu bewegt. Berechnungen ergeben dann, daß das Schränkmoment des Innenrings versucht, die Rollen schräg zu stellen und dabei den Innenring nach links und den Außenring nach rechts zu bewegen. Das Schränkmoment des Außenrings ist entgegengesetzt dem des Innenrings gerichtet und versucht, die Rollen in die entgegengesetzte Richtung zu drehen. Die Richtung, in welcher der Innenring die Rollen um ihre Querachse zu drehen versucht, wird als negativ definiert und der entsprechende Schränkwinkel erhält einen negativen Wert.

Das Schränkmoment und seine Größe werden beeinflußt durch die Reibungskräfte, und es wird dann größer, wenn die Reibung höher ist.

Da die Schränkmomente einander entgegen wirken, wird das jeweils größte über das andere vorherrschen und die Rolle in eine bestimmte schräge Lage stellen. Es ist wünschenswert, die Rolle nur soweit schräg zu stellen, daß ein Ausgleich mit dem resultierenden Schränkmoment erfolgt, d. h„ die Schräglage der Rollen soll nicht vom Käfig beeinflußt werden. Dann wird ein optimaler Ausgleich zusammen mit der geringsten Reibung in der Lagerung erreicht.

Mathematisch ist es möglich zu beweisen, daß bei einem Lager, das sowohl Radial- als auch Axialkräfte überträgt, ein positiver Schränkwinkel wünschenswert ist, d. h. das positive Schränkmoment des Außenringes sollte im hypothetischen Fall des Rollens ohne Schränken größer als das negative des Innenringes sein.

Die Vorteile, die durch den gewünschten positiven Schränkwinkel der Rollen entstehen, sind niedere Reibung in dem Lager, verursacht durch wirksamere Schmierung, weniger Reibungspunktc und günstige Richtung der Reibungskräfte. Das bemerkeriswertesie Ergebnis ist die beträchtlich längere Lebensdauer (2 ... 3mal höher als normal), welche nicht allein auf die niedrigere Lagertemperctur zurückzuführen ist.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Rollenlager, bestehend aus einem Außenring, einem Innenring,Rollkörpern und einem Käfig, wobei diese Komponenten im Betrieb des Lagers derart zusammenwirken, daß einer axialen Lastkomponente einer äußeren Kraft eine durch eine Schränkung der Rollkörper erzeugte axiale Reibungskraft entgegenwirkt, dadurch gekennzeichnet, daß die Laufbahnen der Lagerringe so ausgebildet sind, daß sich die Rollkörper ohne weitere zusätzliche Mittel selbständig auf den gewünschten Schränkwinkel-einstelien.

2. Rollenlager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche der Laufbahn des Innenringes einen niedrigeren Reibungskoeffizienten gegenüber den Roükörpern aufweist als die Oberfläche der Laufbahn des Außenrings.

3. Rollenlager nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche der Laufbahn des Außenringes rauher ausgeführt ist als die ObeVffiche der Laufbahn des Innenringes.

4. Rollenlager nach Anspruch I oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Laufbahnen des Außen- und/oder Innenringes über ihre Breite Abschnitte mit unterschiedlichen Krümmungsradien besitzen.

5. Rollenlager nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in der Mitte der Laufbahn des Außenringes eine Nut vorgesehen ist

6. Rollenlager nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Enden der Laufbahn des Innenringes abgeschrägt sind.

7. Rollenlager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dir, Schc;;egung zwischen den Rollkörpern und dem Innenring kleiner ist als die Schmiegung zwischen den -"ollkörpern und dem Außenring.