DE2338687A1 - Kaefigloses waelzlager mit vorbelasteten hohlrollen - Google Patents

Description

3o. Juli 1973 W/K

The Torrington Company Torrington, Connecticut , USA

" Käfigloses Wälzlager mit vorbelasteten Hohlrollen "

Die Erfindung betrifft ein käfigloses Wälzlager mit Wälzkörpern in hohler Ausführung, wobei die hohlen Wälzkörper dazu verwendet werden, daß eine unerwartete Verringerung im Auslaufen und eine relativ lange Betriebsdauer geschaffen wird.

Es ist bekannt, käfiglose Wälzlager vorzusehen. Solche Lager haben zwar viele Vorteile, sie haben aber auch bestimmte Nachteile hinsichtlich des Verschleißes. Es ist bekannt, daß die

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durchschnittliche Last auf einem Lager eine Radiallast ist, so daß ein Lager eine Belastungszone zwischen den Laufringen in dem Bereich der Lastausübung und eine lastfreie Zone hat, die· der Belastungszone diametral gegenüberliegt. Der belastete und der unbelastete Zustand des Lagers führen zu einer Differenzbewegung der Wälzkörper in bezug auf die Laufringe und führen zu unerwünschten Verschleißcharakteristiken.

Zunächst müssen bei einem Wälzlager mit massiven Wälzkörpern die Wälzkörper einen Durchmesser haben, der etwas kleiner als der radiale Abstand zwischen den beiden Laufringen ist. Wenn als Folge davon die Wälzkörper in die unbelastete Zone wandern, besteht bei ihnen kaum eine oder überhaupt keine Tendenz, im Umfang relativ zu dem feststehenden der beiden Laufringe zu wandern, insofern nämlich, als sie nicht in einem Laufkontakt mit dem rotierenden Laufring stehen. Die Wälzkörper werden demgemäß durch die unbelastete Zone durch die Wälzkörper geschoben, die innerhalb der Belastaungszone sitzen. Das Ergebnis ist, daß die Wälzkörper frei rutschen können und das auch zwischen den Laufringen in der unbelasteten Zone tun, um damit durch Verschleiß Abflachungen entstehen zu lassen. Die Tatsache, daß die Wälzkörper in der unbelasteten Zone nicht angetrieben sind, führt zu einer Beschleunigung der Umfangsbewegung der Wälzkörper mit ihrer Annäherung an die Belastungszone, und sie wandern durch diese mit der maximalen Umfangsbewegung der Wälzkörper.

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Mit dem Herauswandern der Wälzkörper aus der Belastungszone beginnen sie progressiv langsamer zu werden, was zum Ergebnis hat, daß die Wälzkörper in der belasteten Zone zusammengedrückt werden und in Druckkontakt miteinander gelangen, wobei die Kontaktflächen in entgegengesetzte Richtungen rotieren und aneinander Verschleiß verursachen.

Es ist ferner bekannt, daß bei käfiglosen Wälzlagern die Tendenz besteht, daß sich die Wälzkörper schräg stellen, d.h. außer Parallelität zur Achse des Lagers gelangen, was zur Folge hat, daß eine Tendenz besteht, daß die Wälzkörper verkeilt werden.

Ferner versteht es sich, daß das Gleiten und Reiben der Wälzkörper einen schädlichen Einfluß auf die Lebensdauer des Lagers hat, insofern, als eine Erhöhung in der Lagerreibung zu einem Anstieg in der Temperatur führt.

Bisher ist erkannt worden, daß in bezug auf Wälzlager, bei denen die Wälzkörper in einem Käfig sitzen, so daß alle Wälzkörper umfänglich im Einklang wandern, der Käfig und die Wälzkörper bei den wenigen Wälzkörpern angetrieben werden, die sich in der Belastungszone befinden. Während das Vorsehen des Käfigs einen Reibkontakt zwischen aufeinanderfolgenden Wälzkörpern verhindert hat, tritt ein neues Probelem auf. Die Treibkraft, die erforderlich ist, um den Käfig und die Wälzkörper umfänglich zu

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bewegen, stellt sich dem Abwälzen der Wälzkörper durch die belastete Zone entgegen, was zur Folge hat, daß unerwünschtes Schlupfen zwischen den Wälzkörpern und dem treibenden Laufring auftritt. Das gilt besonders während des Anlaufens der Drehung des Lagers, besonders wenn eine hohe Beschleunigung vorhanden ist.

Dieser Nachteil bei Käfigwälzlagern ist schon erkannt worden, und es sind Bemühungen unternommen worden, um den Schlupf zwischen den Wälzkörpern und dem treibenden Laufring zu überwinden. Dazu gehören zunächst die Bildung einer begrenzten Anzahl von Wälzkörpern als Käfigtreibelemente. Beispielsweise können drei der Wälzelemente eine hohle Konstruktion haben und eine sehr geringe Lastaufnahmefähigkeit aufweisen, jedoch in einem Durchmesser vorgesehen sein, um in ständigem Druckkontakt mit den Laufringen zu sein. Diese Anordnung hat einen Nachteil insofern, als die Tragfähigkeit des Lagers entscheidend verringert wurde. In einer anderen Entwicklung, die aus der US-Patentschrift 3 41 ο 618 bekannt ist, sind alle Rollen hohl und vorgespannt. Eine solche Anordnung verbessert erheblich den Widerstand gegen ein Rutschen.

Keines dieser bekannten Lager gibt jedoch in irgendeiner Weise an, wie man die Nachteile von vollrolligen Lagern überwinden kann.

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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein vollrolliges Lager zu schaffen, bei dem alle Wälzkörper hohl sind und mit zugehörigen Laufringen im vorgespannten Zustand montiert sind. Dieses Wälzlager hat ausgeprägte Vorteile u.a. eine erhöhte Tragfähigkeit und eine Fähigkeit zum Laufen bei sehr hohen Geschwindigkeiten mit größerem Wirkungsgrad als Lager mit Käfigen oder Abstandshaltern.

Zunächst befinden sich die Wälzkörper im Druckkontakt mit den zugehörigen Laufringen über 360° des Lagerumfangs, und sie werden damit dazu gebracht, ständig zu rollen, so daß kein Rutschen erfolgen kann. Sodann halten sich die Wälzkörper, die ihrem Wesen nach flexibel sind, im Abstand voneinander, wenn sie durch die Belastungszone des Lagers laufen. Dabei schieben sich die Wälzkörper in der Belastungszone auseinander, während sie in eine größere ovale Form ausbiegen. Diese AbStandsgewinnung geschieht während des Anfangsbetriebs des Lagers unter Last. Die Hauptachse der Ovalität ist die periphere Richtung des Lagers, und es handelt sich dabei allgemein um eine Teilkreissehne der Wälzkörper. Die Wälzkörper bringen sich also selbst in einen Abstand zueinander. Während sie in die unbelastete Zone des Lagers laufen, nimmt die Ausbiegung in die Ovalität ab, und der Raum zwischen aufeinander folgenden Wälzkörpern nimmt zu, um damit Raum für Schmiermittelumwälzung zu schaffen.

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Die Flexiblität der hohlen Wälzkörper hat einen anderen Vorteil, um einen Ölfilm zwischen den Wälzkörpern und den Laufring aufrechtzuerhalten. Es gibt zwei Bedingungen, die dazu führen, daß der Ölfilm am Rollkontaktpunkt verstärkt wird, und das verlängert die Ermüdungslebensdauer des Lagers erheblich. Zunächst vergrößert der Wälzkörper, der sich in eine ovale Form ausgebogen hat, seine Kontaktfläche mit beiden Laufflächen. Obgleich klein, besteht der Effekt dieses größeren Kontaktes darin, die kritische Kontaktbelastung zu verringern und die Flächenermüdungslebensdauer zu verlängern. Zum zweiten unterstützt die FlexibILität des hohlen Wälzkörpers das Aufrechterhalten eines Ölfilms an den Wälzflächen. Anstatt das Öl wegzudrücken, biegt sich der Wälzkörper leicht aus und rollt über den Schmiermittelfilm, um einen Kontakt von Metall auf Metall zu vermeiden. Obgleich diese Wirkung auch in Lagern auftritt, die massive Wälzkörper haben, besonders bei höheren Geschwindigkeiten, begünstigen die hohlen Wälzkörper dieses Zustand selbst bei niedrigen Drehzahlen. Das Endergebnis ist eine Zunahme in der Lebensdauer des Lagers um das Vier- bis Fünffache gegenüber derjenigen, die man mit massiven Wälzkörpern erhält.

Sodann ist festgestellt worden, daß durch Verwenden von hohlen Wälzkörpern, insbesondere im Fall von Rollen, eine ausgeprägte Verringerung im Auslauf erreicht werden kann. Es ist festgestellt

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worden, daß die Auslaufcharakteristiken eines Lagers gemäß der Erfindung unter Verwendung von Bauteilen in einer bestimmten Güte die AuslaufCharakteristiken eines Lagers sind, das eine viel höhere Qualität hat.

Schließlich ist festgestellt worden, daß die hohlen Rollen vorteilhaft in einem vollrolligen Wälzlager in einer solchen Weise verwendet werden können, daß das Verkeilen der Rollen beseitigt wird, wenn sie sich schräg stellen. Es versteht sich, daß dann, wenn die hohlen Rollen zwischen den Laufringen vorgespannt sind, die Rollen ein bestimmtes Maß an FlexibtLität haben, und mit der Tendenz zur Schrägstellung, bei der normalerweise eine Verkeilung erfolgt, können sich die Rollen ausbiegen, um ein Verkeilen zu beseitigen. Das ist jedoch nicht eine Lösung des Gesamtproblems. Als Folge davon sind die Endpartien der zylindrischen Rollen hinterschnitten worden. Wenn die Rollen also zwischen den Laufringen vorgespannt sind, tritt die Vorspannung hauptsächlich in der Mittelpartie der Rollen auf, wobei die Endpartien entweder leicht belastet oder überhaupt nicht belastet sind. Wenn sich die Rollen also schräg stellen, bietet die Hinterschneidung Spiel, das ein Verkeilen als Folge einer Brückenbildung verhindert. Ein weiteres Merkmal der Erfindung ist also, ein vollrolliges vorgespanntes Lager derart zu schaffen, auf die sich die Erfindung bezieht, wobei dieses Lager zylindrische Rollen hat, deren Endpartien freigeschnitten sind,

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Die Erfindung ist nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung sind:

Fig. 1 einen Schnitt durch ein Lager für eine V/elle eines Maschinenteils, bei dem mit einem geringsten Auslauf gearbeitet werden muß,

Fig. 2 einen Schnitt an der Linie 2-2 der Fig. 1, der

Einzelheiten eines vollrolligen Lagers gemäß der Erfindung zeigt,

Fig. 3 eine Einzelheit, die die Rollerform und den Abstand in der unbelasteten Zone des Lagers zeigt,

Fig. 4 eine der Fig. 3 ähnliche Darstellung, in der die Rollerform und der Abstand in der Belastungszone des Lagers gezeigt ist, und

Fig. 5 einen Schnitt durch eine Hohlrolle gemäß der Er-• findung.

In Fig. 1 ist ein Support für einen Maschinenbauteil 1o gezeigt, bei dem mit Lagern gemäß der Erfindung gearbeitet wird. Der Maschinenbauteil 1o, bei dem es sich um einen von vielen Teilen handeln kann, die eine Lagerung erfordern, bei der ein ge-

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ringster Wellenauslauf erforderlich ist, beispielsweise bei Schleifscheiben, Druckwerkteilen usw., wird gemäß der Darstellung von einer Welle 11 getragen, die ihrerseits in einem Gehäuse 12 drehbar gelagert ist, und zwar im axialen Abstand angeordnete Wälzlager 13. Erfindungsgemäß handelt es sich bei den Wälzlagern um vollrollige Lager. Während die Lager schematisch so dargestellt sind, daß sie eine einzige Reihe Wälzkörper haben, versteht es sich, daß die Wälzlager doppelreihig oder dreireihig ausgebildet sein können. Es versteht sich ferner, daß geeignete Mittel vorgesehen sein können, um die Lager 13 mit einer Druckschmierung zu versehen, um eine ständige Versorgung mit Schmiermittel mit der gewünschten Temperatur sicherzustellen. Während darüber hinaus die Lagerung der Welle 11 in der Form einer freihängenden Lagerung dargestellt ist, versteht es sich, daß es auch möglich ist, das Maschinenbauelement zwischen den Enden der Welle 11 zu lagern, wobei dann ein Wälzlager 13 zu beiden Seiten des Maschinenelementes 1o sitzt. In Fig. 2 ist eines der Wälzlager 13 im einzelnen dargestellt. Das Wälzlager 13 umfaßt einen äußeren Laufring 14, der im Gehäuse 13 sitzt und der eine innere Fläche hat, welche eine äußere Lauffläche 15 bildet. Im dargestellten Ausführungsbeispiel bildet die äußere Fläche der Welle 11 eine innere Lauffläche Zwischen den Laufflächen 15 und 16 befindet sich ein vollrolliger Kranz Wälzkörper 17» bei denen es sich im bevorzugten Aus-

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führungsbeispiel der Erfindung um Rollen handelt. Insbesondere sind die Wälzkörper 17 Hohlrollen.

Es versteht sich zwar, daß die Laufflächen 15 und 16 und die äußeren Flächen der Rollen 17 normalerweise als vollkommen rund angesehen werden, und wenn die Flächen durch herkömmliche Mikrometer gemessen werden, die auf eine Abmessung in der Größenordnung von 25/1ooo Millimeter anzeigen, zeigt die Messung einen solchen zylindrischen Zustand. Selbst wenn jedoch die Oberflächen der Laufflächen 15 und 16 und der Rollen 17 präzisionsgeschliffen sind, unterscheiden sich diese Flächen von einer perfekten Grundheit, und sie ändern sich gegenüber der vorgegebenen Abmessung um ein bestimmtes Maß, das durch aufwendigere Meßinstrumente auch meßbar ist. Ferner gibt es Unregelmäßigkeiten in den verschiedenen Flächen, die zwar klein sind, jedoch als Berge und Täler erscheinen, wenn die Flächen stark vergrößert werden. Selbst wenn der Bauteil eines Lagers ähnlich dem Lager 13 also mit der größten Präzision hergestellt wird und"alle Stücke von Hand aufeinander abgestimmt werden, gibt es ein bestimmtes Maß an Auslauf, wenn die Rollen 17 massiv sind. Vom praktischen Standpunkt her haben andererseits selbst dann, wenn das Lager 13 ein Superpräzisionslager ist, das in der normalen gewerblichen Fertigung hergestellt wird, die Laufflächen 15 und 16 jeweils einen Hauptdurchmesser und einen Nebendurchmesser. Es versteht sich, daß dann, wenn der Hauptdurchmesser der Lauffläche 16 in einer Flucht mit

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dem Nebendurchmesser der Lauffläche 15 liegt, ein geringster radialer Abstand zwischen den Laufflächen 15 und 16 vorhanden ist. In gleicher Weise liegt dann, wenn der Nebendurchmesser der inneren Lauffläche 16 in eine Flucht mit dem Hauptdurchmesser der Lauffläche 15 gelangt, ein größter radialer Abstand zwischen den Laufflächen 15 und 16 vor. Wenn entsprechend angenommen wird, daß kein diametrales Spiel im Lager vorhanden ist und die Rollen 17 perfekt rund sind, taumelt die Welle 11 um ihre echte Mittelachse um den Unterschied im radialen Abstand. Dabei handelt es sich um den kleinsten zulässigen Auslauf des Lagers. Selbst^Tein Superpräzisionslager muß jedoch eine Toleranz im Rollendurchmesser vorgesehen sein. Als Folge davon gibt es ein diametrales Spiel in allen Wälzlagern, die kommerziell hergestellt werden, selbst bei Superpräzisionslagern. In Anbetracht dessen gibt es einen Wellenauslauf selbsb bei Superpräzisionslagern. Beispielsweise hat entsprechend den AFBMA-Normen ein Lager der Qualität ABEC-9 in der Größe von 1oo Millimeter einen maximal zulässigen Auslauf von 25/1ooo Millimeter. Dabei braucht nicht darauf hingewiesen zu werden, daß ein solches Lager sehr teuer im Vergleich zu einem Lager geringerer Qualität ist, beispielsweise einem Lager der Qualität ABEC-5.

Erfindungsgemäß sind Versuche mit Rollen durchgeführt worden, die eine Höhlung haben, welche sich von 50% bis 81% ändert.

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Die Höhlung einer Holle wird definiert als der Durchmesser des Lochs inPrözentzählen des Aüßendurchmessers der Rolle. Allgemein sind Rollen mit einer Höhlung von 80% zu flexibel, um eine brauchbare SuSt zu tragen, obgleich sie in Verbindung mit Rollen einer geringeren Höhlung im gleichen Lager verwendet werden können. Für allgemeine Lagerzwecke liegt der vorteilhafteste Höhlungsbereich zwischen 55 und 75%» Rollen für Lager für Sonderzwecke können jedoch einen brauchbaren Höhlungsbereich von ho bis 8o% haben, je nach den Anwendungsbedingungen.

Erfindungsgemäß sind die massiven Rollen eines normalen vollrolligen Lagers durch Hohlrollen gemäß der Darstellung in Fig. 2 ersetzt, die eine Höhlung haben, die siGh von 5o bis 81% ändert. Ferner ist der durchmesser der Hohlrollen 17 so gewählt, daß der Durchmesser über dem maximal zulässigen Abstand zwischen den Laufflächen 15 und 16 liegt, und die Rollen 17 sind zwischen die Laufflächen 15, 16 im vorgespannten Zustand eingesetzt, so daß unter allen Laufbedingungen des Lagers 13 die Außenflächen der Rollen 17 im Druckkontakt mit den Laufflächen 15 und 16 bestehen.

Das normale Umfangsspiel zwischen einer Rolle und der daneben— sitzenden Rolle wird so berechnet, daß es gleich der maximalen Rollenausbiegung plus 0,125 Millimeter ist. Die maximale Rollenausbiegung ist jene Ausbiegung, die durch die am meisten belastete Rolle erreicht wird. Es versteht sich, daß das Umfangs-

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spiel zwischen den Rollen sich ändert, während die Rollen durch die Belastungszone laufen, wo die Rollenausbiegung größer und das Spiel am geringsten ist, während die Rollen dann durch die unbelastete Zone laufen, wo die Rollenausbiegung am geringsten und das Spiel zwischen den Rollen größer ist.

Zusätzlich zu anderen Vorteilen der flexiblen Rollen passiert aufgrund der flexiblen Ausführung der Rolle das folgende. Die Rollen werden dadurch automatisch in einen Abstand gebracht, um ein Mindestspiel zwischen sich aufrechtzuerhalten, und zweitens wird dadurch Schmiermittel in den Raum zwischen die Rollen eingeführt. Es ist festgestellt worden, daß unter tatsächlichen Betriebsbedingungen ein dünner Schmiermittelfilm zwischen den Rollen aufrechterhalten wird, selbst in der belasteten Zone, und damit berühren sich die Rollen niemals, so daß eine zuvor vorhandene unerwünschte Reibungsquelle und Verschleiß beseitigt wird.

In Fig. 3 sind die Rollen 17 in der unbelasteten Zone des Lagers gezeigt. Die Rollen 17 sind leicht verformt, wobei diese Verformung übertrieben ist, und zwischen aufeinander folgenden Rollen 17 ist ein Abstand 18 vorhanden. Die Rollen 17 sind damit für einen Schmiermittelfluß zwischen sich frei.

Die Rollen 17, die im Druckkontakt mit den Laufflächen 15, 16 um 360° des Umfangs des Lagers herum stehen, werden damit dazu

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gebracht, ständig zu rollen, und damit kann lein Rutschen der Rollen auftreten. Weil die Rollen dazu gebracht werden, ständig zurollen, schieben sich die Rollen auch nicht durch die unbelastete Zone, die in Fig. 3 gezeigt ist, so daß die Beziehung von Mitte zu Mitte zwischen den Rollen aufrechterhalten werden kann, die in der belasteten Zone des Lagers vorhanden ist, wobei sich der Abstand 18 zwischen aufeinanderfolgenden Rollen vergrößert, während die Rollen in die unbelastete Zone des Lagers laufen, und zwar als Folge der Einnahme einer näher an die perfekte zylindrische Form herangeführten Ausbiegung der Rollen.

Wie vorstehend beschrieben, wandern bei einem herkömmlichen vollrolligen Lager die Wälzkörper bei deren Annäherung an die Mitte der Belastungszone von einem lockeren Zustand in bezug auf die Laufflächen in der unbelasteten Zone in eine graduelle Zunahme des Druckkontaktes mit den Laufflächen in der belasteten Zone. Als Folge davon beschleunigen sich die Rollen mit ihrer Umfangsgeschwindigkeit, die in die belastete Zone einlaufen. Wenn die Rollen jedoch die belastete Zone verlassen, verlangsamen sie sich in entsprechender Weise in ihrer Umfangsbewegung, was zur Folge hat, daß die Rollen zusammenlaufen,und jene Rollen, die aus der belasteten Zone laufen, schieben sich gegenseitig, wobei die Rollen in der unbelasteten Zone nicht mehr angetrieben sondern direkt geschoben werden. Erfindungsgemäß nimmt gemäß der Darstellung in Fig. 4 bei dem Einlaufen der Rollen 17 in

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die belastete Zone des Lagers deren Ausbiegung zu, und die Rollen werden ovaler.

Als Folge davon nimmt die periphere Abmessung jeder der Rollen 17 zu, und die Rollen gelangen im wesentlichen in eine berührende Lage miteinander. Da .die Rollen jedoch ständig angetrieben werden und k-ein Zusammenlaufen der Rollen erfolgt, die aus der belasteten Zone austreten, wird ein Ölfilm zwischen aufeinanderfolgenden Rollen zu allen Zeiten aufrechterhalten, und obgleich das Spiel 18 zwischen aufeinanderfolgenden Rollen · in der belasteten Zone minimal wird, wird es in der Größenordnung von 0,0125 Millimeter gehalten, wie das vorstehend erwähnt worden ist, auf jeden Fall nicht weniger als 0,00125 Millimeter.

Die relative Bewegung der Rollen in bezug aufeinander bei Drehen des Lagers wird als Rollenschlupf definiert. Wenn die Rollen 17 durch die belastete Zone des Lagers laufen, machen die Rollen Gebrauch von dem Rollenschlupfzustand, um sich auseinanderzuschieben, während sie in eine größere ovale Form ausgebogen werden, wie das in Fig. 4 gezeigt ist. Die Hauptachse der Ovalität liegt in Umfangsrichtung des Lagers, und es handelt sich dabei um die Teilkreissehne der Rollen. Die Rollen bringen sich also selbst in einen Abstand zueinander. Mit dem Rollen der Rollen in Richtung auf die unbelastete Zone des Lagers nimmt deren Ausbiegung und Ovalitat ab, und der Raum 18 zwischen auf-·

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eirianderfolgenden Rollen nimmt zu, um damit Raum für Schmiermittel zu schaffen, wie das in Fig. 3 gezeigt ist.

Die Flexibilität von hohlen Rollen in einem vollrolligen Lager hat einen anderen Vorteil, um einen Ölfilm zwischen der Rolle und der Lauffläche aufrechtzuerhalten. Es gibt zwei Zustände, die bestrebt sind, den Ölfilm am Wälzkontaktpunkt zu vergrößern, und damit wird die Ermüdungsdauer des Lagers stark verlängert. Zum einen vergrößert die in eine ovale Form ausgebogene Rolle ihre Kontaktfläche sowohl mit der inneren als auch mit der äußeren Lauffläche 15 bzw. 16. Obgleich der Effekt dieses größeren Kontaktes klein ist, bewirkt er doch eine Verringerung der kritischen Kontaktbelastung und führt zu einer Verlängerung der Lebensdauer der Fläche. Zum anderen unterstützt die FlexiblLität der hohlen Rolle das Aufrechterhalten eines Ölfilms auf den Wälzflächen. Anstatt das Öl wegzudrücken, biegt sich die Rolle leicht aus und rollt über den Schmiermittelfilm um einen Kontakt von Metalüv&uf Metall zu vermeiden. Obgleich das auch bei Lagern mit massiven Rollen der Fall ist, besonders bei höheren Drehzahlen, begünstigen die Hohlrollen diesen Zustand selbst bei niedrigen Drehzahlen.

Wegen der vorstehenden Faktoren arbeitet das Lager mit vorgespannten Hohlrollen sehr zufriedenstellend ohne einen Käfig oder einen Abstandshalter zwischen den Rollen. Die Verwendung eines

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vollen Kranzes von Hohlrollen in einer vorgespannten Anordnung verringert in keiner Weise die Betriebsdauer des Lagers. In den meisten Fällen zeigt das Lager mit Hohlrollen überlegene Charakteristiken gegenüber dem Lager mit massiven Rollen in bezug auf die Drehgenauigkeit, die Betriebskühlheit und die Länge der Ermüdungsdauer.

Die speziellen Vorteile des vorstehend beschriebenen Lagers mit Hohlrollen lassen sich am besten dadurch definieren, daß ein typisches Hohlrollenlager mit einem typischen Massivrollenlager unter Bezugnahme auf die AFBMA-Normen in Beziehung gesetzt wird. Während in vielen Bereichen nur oberflächliche Normen vorhanden sind, arbeiten die Lagerhersteller, insbesondere in den Vereinigten Staaten mit Normen, durch die Lager gekennzeichnet werden und mittels derer Lager verschiedener Hersteller in bekannter Weise ohne weiteres austauschbar sind. Diese Normen sind von der "Anit-Friction Bearing Manufacturers* Association, Inc. " entwickelt worden und sind als die AFBMA-Normen bekannt. Grundsätzlich sind diese Normen festgelegt. Kleine Revisionen sind jedoch von Zeit zu Zeit vorgenommen worden, wenn die Anforderungen schärfer festgelegt werden.

Gemäß den AFBMA-Normen werden Lager hinsichtlich ihrer Genauigkeit durch den Toleranzbereich klassifiziert, mit denen die Teile hergestellt werden, d.h. der innere und der äußere Laufring.

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Toleranzbereiche gibt es in vier Klassen:

ABEC- 1 hat die größte Toleranz und die geringste Genauigkeit

ABEC- 5 hat eine Toleranz von weniger als 1 ABEC- 7 hat eine engere Toleranz als 5

ABEG- 9 hat eine geringste Toleranz und eine größere Genauigkeit.

Wenn man ein 1oo mm Lager unter Bezugnahme auf die AFBI4A-Normen betrachtet:

Ein innerer Laufring der Stufe ABEC- 5 hat eine Bohrungstoleranz von +0 und - 0,0075 mm und eine maximal zulässige exzentrische Auslenkung zwischen der äußeren und der inneren Fläche von 0,00625 mm.

Ein äußerer Laufring der Stufe ABEC- 5 hat eine Außendurchmessertoleranz von +0 -0,0075 mm und eine maximal zulässige radiale Auslenkung von 0,01mm.

Ein Rollenlager mit Toleranzen nach der Stufe ABEC- 5 kann erwartetermaßen keine radiale Auslenkung von besser als 0,01 mm haben, wenn angenommen wird, daß einer der Lauf ringe feststeht.

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Wenn ein solches Lager ferner mit massiven Rollen bestückt wird und das normale lauf spiel von 0,025 tarn, hat, das der geringsten Auslenkung von 0,01 mm zugefügt werden muß, beträgt die normale Auslenkung eines Lagers der Stufe ABEC-5 0,035 mm.

Wenn jedoch ein Lager gemäß der Erfindung hergestellt wird, deren Laufringe nach den gleichen Toleranzen der Stufe ABEC-5 angefertigt sind, hat es eine viel geringere Auslenkung. Das Hohlrollenlager hat zwei ausgezeichnete Torteile gegenüber dem herkömmlichen Massivrollenlager.

Zum einen ist das Hohlrollenlager vorgespannt, d.h. alle Rollen befinden sich im Preßsitz zwischen dem äußeren und dem inneren Laufring und halten diese Vorspannung unter allen Laufbedingungen, In Anbetracht dieser Tatsache entfällt sofort das Laufspiel von 0,025 mm, das für Massivrollenlager erforderlich ist. Das ist natürlich auch ein erwartetes Ergebnis des Lagers, das aus der US-Patentschrift Nr. 3 410 618 bekannt ist. Der festgestellte und ausgeprägte Yorteil des Hohlrollenlagers gegenüber dem Massivrollengegenstück besteht in der Fähigkeit der Rollen, sich beim Drehen zu verformen und die Unrundheit der rotierenden Lauffläche zu absorbieren, bei der es sich normalerweise um die des inneren Laufrings handelt. Ein innerer Laufring mit einer radialen Auslenkung von 0,00625 mm (Toleranz ABEC-5) zeigt also größtenfalls

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eine Abweichung von der Hälfte (0,003 mm), da die Rollen mindestens die Hälfte und häufig' mehr der Auslenkung absorbieren. In der Praxis ist festgestellt worden, daß die Auslenkung auf ein Viertel bis ein !Fünftel derjenigen verringert wird, die normalerweise von den Fertigungstoleranzen zu erwarten ist, mit denen unter Bezugnahme auf Bauteile der Stufe ABEC-5 gearbeitet wird. Lager gemäß dieser Erfindung sind hergestellt worden, bei denen die Laufringe auf eine Toleranz von 0,01 mm geschliffen sind und die Auslenkung der Welle des montierten Lagers trotzdem nur 0,0005 mm Gesamt— anzeige für eine Wellenabweichung von nur 10 Millionstel (0,000010) betrug.

Nach den. AFBMA-Nortnen hat ein Hundertmillimeter-Lager der Stufe ABEC-9 eine maximal zulässige Auslenkung von 0,0025 mm. Lager gemäß der Erfindung, bei denen nur Lagerbauteile der Stufe ABEC-5 verwendet werden, bringen eine gleiche oder eine geringere Auslenkung als die zulässige Auslenkung für ein Lager der Stufe ABEC-9 mit sich, gewöhnlich eine radiale Abweichung von 0,00125 mm.

Aus dem Vorstehenden geht ohne weiteres hervor, daß selbst dann, wenn man das Entfallen des radialen Spiels berücksichtigt, das in einem Wälzlager mit Massivrollen erforderlich ist, wie das geschieht, wenn man mit Hohlrollen in einem vorgespannten Zustand

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arbeitet, sind die Ergebnisse unerwartet. Die Ergebnisse sind nämlich besser als diejenigen, die man erwartet hätte, wenn man die geringste mögliche Auslenkung berechnet.

Es ist ferner festgestellt worden, daß dann, wenn ein Wälzlager mit Hohlrollen versehen ist, es nicht erforderlich ist, daß die Rollen mit der Präzision hergestellt werden, die erforderlich ist, wenn normale Massiyrollen verwendet werden. Die Oberflächenqualität einer Hohlrolle kann bis zu 5 oder 6 Punkte höher auf der Mikroskala als die Oberflachenq.uaIitat einer normalen Massivrolle sein.

Es ist ferner festgestellt worden, daß bei richtiger Anwendung einer Hohlrolle die Wellenauslenkung auf zwischen 1/5 und 1/10 eines Superpräzisionsrollenlagers verringert werden kann, bei dem die gleiche Präzision in der Herstellung der lagerbauteile verwendet wird. Gleichzeitig kann die lebensdauer des Lagers in der Größenordnung vom fünf- bis Sechsfachen verlängert werden.

In Fig. 5 ist die Form einer typischen Rolle 17 gemäß der Erfindung gezeigt. Die Rolle 17 wird zunächst als eine zylindrische Rolle mit einer länge geschliffen, die das Vierfache ihres Durchmessers nicht überschreitet und vorzugsweise in der Größenordnung von dem Zweifachen ihres Durchmessers beträgt. Danach werden die

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Endpartieii der Rolle 17 bei 20 freigeschnitten, und zwar in irgendeiner geeigneten Weise. Die axiale Erstreckung der freigeschnittenen Partien 20 liegt in der Größenordnung von 15 fi.

Es versteht sich, daß dann," wenn eine Rolle 17, die den in Fig. gezeigten Aufbau hat, zwischen den Laufflächen 15 und 16 vorgespannt wird, nur die Mittelpartie der Rolle stark ausgehogen wird. Die freigeschnittenen Endpartien 20 können außer Kontakt mit den Laufflächen liegen, oder sie können nur leicht daran anliegen. Palis die Rollen 17 sich also schräg stellen sollten, wobei die fiidpartien von normalen Rollen sich verkeilen wurden und die Mittelpartie der Rollen eine Brücke an der inneren Lauffläche 16 bildet, beseitigt das Spiel eine Verkeilung im wesentlichen, das durch die freigeschnittenen Endpartien 20 eingeführt wird.

Ein weiteres Merkmal der freigeschnittenen Endpartien 20 besteht darin, daß die hauptsächliche Ausbiegung in der Mittelpartie der Rolle 17 geschieht und daß die Endpartien 20 nur leicht ausgebogen werden. Insofern, als eine Rißbildung normalerweise an den extremen iäiden der Rollen beginnt, fallen als lolge der Tatsache, daß die Endpartien 20 nur leicht ausgebogen werden, verglichen mit der Mittelpartie einer Rolle, die Endpartien nicht aus als Folge einer Biegeermüdung, und damit wird keine Rißbildung eingeleitet. Die Lebensdauer der Rolle wird damit stark verlängert.

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Es ist ferner festgestellt worden, daß dann, wenn die Vorspannung übermäßig ist, selbst wenn die Rollen 17 die freigesclraittenen Endpartien 20 haben, der geringe Freischnitt, der verwendet wird, eine Schrägstellung nicht verhindert. Es versteht sich deshalb, daß das Maß des Preischnitts der Rollen entsprechend dem Maß der Vorspannung vorgesehen ist, die verwendet werden kann, und die hängt wiederum von dem Maß der Höhlung der Rollen ab.

Es wird hier kein Versuch gemacht, speziell die betreffenden Bereiche der Vorspannung, der Höhlung, des Verhältnisses von Rollendurchmesser zu Wellendurehmesser usw. anzugeben. Es versteht sich Jedoch, daß die Vorspannung der Rollen immer derart sein soll, daß für eine Preilastrollenausbiegung gesorgt wird, die mindestens gleich der maximalen Änderung im Rollendurehmesar ist. Darüber hinaus muß die gesamt zulässige Ausbiegung der Rolle mindestens so groß wie die Vorspannungsausbiegung plus der Änderung im radialen Abstand zwischen den !Laufflächen sein. Darüber hinaus muß die Ausbiegung der Rolle berücksichtigt werden, die als Folge von Betriebslasten darauf auftritt. Es liegt auf der Hand, daß die Rollenhöhlung eine Präge der Lagerkonstruktion ist, die hier nicht weiter erörtert werden muß.

Es versteht sich ferner, daß zwar in dem in S*ig. 2 dargestellten Lagerbeispiel die Fläche der Welle 11 die innere lauffläche bil-

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1. det; aber auch ein getrennter Innenring oder ein Laufring vorgesehen sein kann, der auf die Welle aufgesetzt ist und dessen Außenseite die innere lauffläche des lagers bildet.

   Obgleich nur ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung speziell beschrieben und dargestellt worden ist, versteht es sich, daß sich die Erfindung im gleichen Maße für alle Wellenlagerungen eignet, bei denen die exzentrische Auslenkung ein kritischer Faktor ist. Darüber hinaus ist zwar nur eine Rolle mit einer Bohrung konstanten Durchmessers und einer Außenfläche konstanten Durchmessers dargestellt worden, es versteht sich aber, daß es auch möglich ist, andere Rollenformen zu verwenden, ohne daß vom Erfindungsumfang abgewichen wird.

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   - 25 Patentansprüche

   Vollrolliges Lager, bestehend aus einem, inneren und einem äußeren Laufteil und zwischen den Laufteilen sitzenden Rollen zur individuellen Relativbewegung, dadurch g e kennzeiohn et, daß jede der Rollen hohl und zwischen den Laufteilen so vorbelastet ist, daß sie zu allen Zeiten im Druckkontakt mit jedem der Laufteile stehen.
2. 2. Lager nach Anspruch1, dadurch gekennzeichnet, daß alle Rollen ständig im treibenden Kontakt mit den Laufteilen stehen, derart, daß jede Rolle unabhängig von den anderan angetrieben wird.
3. 3. Lager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Höhlung der Rollen im Bereich von 50 bis 80 $> liegt, ausgedrückt in der Beziehung zwischen dem Lochdurchmesser und dem Außendurchmesser.
4. 4. Lager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich. net, daß im Lauf das Lager eine Belastungszone hat, in der eine radiale Last hauptsächlich von einem der Laufteile zum anderen über die Rollen übertragen wird, wobei in der Belastungszone die Rollen während des Laufs des Lagers im Ab-

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   - 26 stand liegen.
5. 5. Verfahren zur Beseitigung eines Rollenschleifens in einem vollrolligen lager mit einem inneren und einem äußeren Laufteil und Rollen, die die !aufteile zur Relativbewegung im Abstand halten und lagern, dadurch gekennz e ic h η e t , daß die Rollen hohl gemacht werden und mit einem Durchmesser versehen werden, der größer als der maximale Abstand zwischen den !Aufteilen ist, wobei die Rollen mit den Laufteilen zu allen Zeiten in Druckkontakt bleiben und ständig angetrieben werden.
6. 6. Verfahren zum Betrieb eines vollrolligen Rollenlagers mit einem inneren und einem äußeren Lauf teil, die durch Rollen getrennt sind, in einer Weise zum Erreichen optimaler Ergebnisse, dadurch gekennzeichnet, daß die Rollen in hohler Konstruktion vorgesehen und mit einem Durchmesser versehen werden, der größer als der maximale Abstand zwischen den Lauft eilen ist, einer der Lauf teile in Bezug auf den anderen der Lauf teile in Drehung versetzt wird und dadurch ständig alle Rollen angetrieben werden, wobei das Lager eine Belastungszone hat, in der Radialkräfte auf die Rollen ein Maximum erreichen, wobei ein allmähliches Flachdrucken der Rollen mit dem Einlaufen der Rollen in die Belastungszone erfolgt und

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   der Abstand zwischen aufeinanderfolgenden Rollen etwas kleiner wird, und die Rollen sich dann allmählich spreizen, während sie aus der Belastungszone auslaufen, derart, daß der Abstand zwischen aufeinanderfolgenden Rollen, leicht vergrößert und damit Schmiermittel aufnehmende Räume zwischen ihnen gebildet werden, derart, daß das Vorhandensein von ausreichendem Schmiermittel zwischen aufeinanderfolgenden Rollen in der Belastungszone sichergestellt wird.
7. 7. Lager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede der Rollen eine zylindrische Mittelpartie und freigeschnittene Endpartien hat.
8. 8. Lager nach Anspruch 7» dad urea gekennzeichnet , daß das Verhältnis des Rollendurchmessers zur Länge in der Größenordnung von 1 :4 und weniger "beträgt.
9. 9. Lager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die axiale Srstreckung jeder Endpartie des Lagers in der Größenordnung von 15 # liegt.
10. 10. Lager nach Anspruch 1, dadurch geken.nzeich-

    n e t , daß der größte Abstand zwischen den Rollenmittelpunkten gleich der maximalen Ovalität einer Rolle plus

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    - 28 0,0125 mm beträgt.
11. 11. Verfahren zur Bildung eines vollrolligen Rollenlagers mit überlegenen Auslenkcharakteristiken unter Verwendung von Lagerbauteilen mit geringer Maßgenauigkeit, in Verbindung mit einer anerkannten Norm für die Einstufung von lagern und Lagerbauteilen, bei der die Qualität der Lager und lag erbaut eile in einer bestimmten Folge eingestuft ist, dadurch gekennzeichnet , daß zusammengehörige Lagerlaufteile einer bekannten geringeren Qualität entsprechend der Norm gewählt werden, Hohlrollen einer bekannten Qualität entsprechend der Norm und mit einem Durchmesser gewählt werden, der größer als der maximale Abstand zwischen den Laufteilen ist und ein voller Kranz der Rollen im vorbelasteten Zustand zwischen die Laufteile gesetzt wird, derart, daß man ein vollrolliges Lager erhält, das die Auslenkungscharakteristiken eines Lagers in einer Qualität entsprechendder Norm hat, welche besser als die von einem Lager erwartete ist, bei dem Laufteile der bekannten geringeren Qualität und Rollen der bekannten Qualität ohne Spiel zwischen der jeweiligen Rolle uid den Laufteilen verwendet werden.
12. 12. Verfahren nach Anspruh 11, dadurch gekennzeichnet , daß die Auslenkung des Lagers kleiner als

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    die zulässige Auslenkung für nur einen der Laufteile nach der Norm der Qualität des ausgesuchten Laufteils ist.
13. 13. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch geke nn zeichnet , daß die anerkannten Normen die bekannten AZBMA-Normen sind und daß deren Qualitäten numerische Stufen sind, wobei Lager und Bauteile der Stufe 1 die größte Toleranz und die geringste Genauigkeit und Lager und Bauteile der Stufe 9 die geringste Toleranz und die größte G-enauigkeit haben.

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