DE2407479A1

DE2407479A1 - Hohlkugel fuer kugellager

Info

Publication number: DE2407479A1
Application number: DE19742407479
Authority: DE
Inventors: Howard M Martinie
Original assignee: SKF Industrial Trading and Development Co BV
Current assignee: SKF Industrial Trading and Development Co BV
Priority date: 1973-02-27
Filing date: 1974-02-16
Publication date: 1974-08-29
Also published as: IT1003581B; US3813135A

Description

Patentanwälte

Dipl.-Wirtsch.-Ing.. 3».Jochem

Frankfurt am Main Staufenstrasse

In Sachen:

SKF Industrial Trading
and Development Comp. BV
Amsterdam /Miederlande
Overtoom .14-1-14-5

Hohlkugel für Kugellager.

Die Erfindung betrifft eine Hohlkugel für Kugellager.

Ein Problem bei der Verwendung herkömmlicher Kugellager bei hohen Drehzahlen besteht darin, daß sie bei diesen hohen Drehzahlen eine kurze Lebensdauer besitzen. In der Tat ist die Lebensdauer herkömmlicher Kugellager so gering, daß in derartigen Anwendungsfällen ihre praktische Verwendung aufgrund des Versagens schon nach vergleichsweise kurzer Betriebszeit unmöglich wird. Es ist festgestellt worden, daß die Ursache des Versagens darin besteht, daß die Zentrifugalbelastung der kugelförmigen Wälzkörper so groß ist, daß sie die übertragene Last weit übersteigt.

Es ist zwar bereits bekannt, die Kugelmasse durch hohle Ausbildung der Kugeln zu vermindern. Die bekannten Hohl— kugeln besitzen eine überall gleiche Wandstärke und bestehen aus zwei miteinander längs ihres Umfangs verschweißten halbkugelförmigen Teilen. Diese Hohlkugeln haben jedoch bei hohen Drehzahlen gewisse Wachteile. Um beispielsweise der maximalen Belastung bei Flugseug-

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turbinen zu widerstehen, müssen die Wandstärke und die Größe der Kugeln verhältnismäßig groß sein, was verhältnismäßig große Gesamtabmessungen des Lagers erfordert und einer wesentlichen Verminderung der rotierenden Masse entgegensteht. Weiterhin richten sich diese Kugeln nicht selbständig um-eine bestimmte Rotationsachse aus und gehen de'siialb leicht an der Schweißverbindung zu Bruch, wenn die Belastung in Richtung der Schweißverbindung wirkt. Darüber hinaus haben sich Schwierigkeiten bei der Auswuchtung dieser kugelförmigen Wälzkörper ergeben.

Weiterhin ist zur Massenverminderung von Wälzlagerkugeln vorgeschlagen worden, die Kugeln mit Durchgar.gsbohrungen zu versehen. Derartige Kugeln erfordern jedoch eine Art Haltekäfig mit einer sich durch die Bohrung erstreckenden Achse, um die Kugeln während des Hochlaufens des Lagers auszurichten. Bei einem Schrägkugellager besteht eine Grenze für die Bohrungsgröße, bevor die Achse die Seitenwand der Bohrung vollends berührt. Eine Berührung zwischen Achse und Kugel ist natürlich unerwünscht, da sie die normale Drehung der Kugeln behindert und unzulässige Abnutzungen hervorruft, die zum frühzeitigen Versagen der Kugeln führen.

Aufgabe der Erfindung ist es demgegenüber, eine sich selbst ausrichtende Hohlkugel für Kugellager zur Verwendung unter hohen Tourenzahlen zu schaffen, die bei kleinstinöglicher Masse dennoch der vom Lager aufzunehmenden Belastung voll gewachsen ist und demzufolge unter Aufrechterhaltung niedriger Betriebstemperaturen eine hohe Lebensdauer besitzt. Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß sie derart rotationssymmetrisch zu einer bestimmten Achse ausgebildet ist, das an eine zentxⁱale dickwandige Umfangszone beiderseits vergleichsweise dünnwandige Endzonen anschließen.

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Die Erfindung "wird nachstehend an Hand mehrerer Ausführungsbeispiele in Verbindung mit der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine teilweise im Schnitt dargestellte Seitenansicht der einen Umfangshälfte eines Kugel- '*'-/ lagers mit Kugeln gemäß der Erfindung,

Fig. 2 einen Axialschnitt durch das Kugellager nach Linie 2-2 in Fig. 1,

Fig. 3 in größerem Maßstab eine Kugel des Lagers,

Fig. 4 einen Axialschnitt durch eine erste Aus-

führungsforrc der erfindungsgemäßen Hohlkugel nach Linie 4-4 in Fig. 3»

Fig. 5 einen Axialschnitt ähnlich Fig. 4- durch eine abgeänderte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Hohlkugel,

Fig. 6 und 7 Axialschnitte durch weitere abgeänderte Ausführungsforrnen der erfindungsgemäßen Hohlkugel ,

Fig. 8 einen Axialschnitt ähnlich Fig. 2, jedoch in größerem Kaßstab, durch ein Schräglager mit einer Kohlkugel nach Fig. 7 in einer typischen Betriehsstellung und

Fig. 9 ein. Axialschnitt ähnlich Fig. 8 mit noch

einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgerräßen Hohlkugel.

In Fig. 1 ist ein in seiner Gesamtheit mit 10 bezeichnetes Kugellager zur Hälfte dargestellt, welches aus einem

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Innenring 12 mit einer zylindrischen ümfangsflache 14- und einer inneren Laufbahn P._A , einem Außenring 16 Kit einer äußeren Laufbahn R , einer Vielzahl von Kugeln 18 innerhalb des ringförmigen Haums zwischen den Laufbahnen H- und R und einem herkömmlichen Käfig Kugeln 18 auf Uefangsabstand besteht.

und R und einem herkömmlichen Käfig 20 zum Halten der

Die Kugeln 18 sind als Hohlkugeln ausgebildet. Bei der Ausführungsform nach den Fig. 3 und 4- hat eine jede Kugel eine dickwandige'Umfangszone 22, die im Querschnitt; dia Form eines Kreisabschnitts aufweist, und zwei diametral entgegengesetzte dünnxvandige Zonen 24- von bcgenfcririgeir, Querschnitt, die zusammen mit der Umfangszone 22 eine Kugel jr.it einer echten sphärischen Außenfläche 26 bilden. Ir vorliegenden Fall ist eine der dünnwandigen Zonen 24-mit der dickwandigen Unfangszone 22 in einem Stück aurrebildet, und die andere dünnwandige Zone hat die Gestalt einer Karre 30, die durch Lichtbogen- oder Diffusior.3-schiveißung mit dem übrigen Teil der Kugel vereinigt ist, so daß sich die Schweißung auf eine Umfangsverbindur:g an der Peripherie der Kappe J>0 konzentriert. Im vorliegenden Fall ist die äußere Seitenkante der. dickwandigen Zone mit einer Schulter J>2 versehen, die einen Sitz für die Kappe bildet.

Eine solche Kugel 18 kann aus einer massiven Kugel durch Abdrehen auf einer Drehbank unter Verwendung eines profilierten Werkzeugs zur Bildung der dickwandigen Zone 22 und der einen der dünnwandigen Zonen 24- aus einem Stück hergestellt werden. Das hohle Innere der Kugel kann jedoch ebenso durch Ausbohren hergestellt werden. Die dünnwandigen Zonen 24- haben einen derartigen Querschnitt, daß sie In der Lage sind, statische Belastungen sowie Belastungen beim Hochlsufen des Lagers aufzunehmen. Das Wandstärkenverhältnis zwischen der dünnwandigen und den dickwandigen

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Zonen richtet sich nach dem jeweiligen Anwendungsfall, für welchen das Lager bestimmt ist. Daher wird ein Lager mit geringer axialer Anlauf- und/oder Reversierbel3stunrr und verhältnismäßig dünnwandige Endzonen -24- besitzen können, um dadurch eine maximale Gewichtsverminderung und optimale Verhältnisse bei hohen Drehzahlen zu erhalten; "-Demgegenüber werden die Kugeln bei Anwendungsfällen, in denen das Lager hohen Axialbelastungen beim Anlaufen und Reversieren unterworfen ist, etwas dickwandigere Endzonen 24 besitzen. Auf diese Weise kann der Kugel jeweils eine optimale Gewichtsverminderung und Belastungsfähigkeit für den jeweiligen Anwendungsfall gegeben werden. Beispielsweise kann bei einer Kugel 18 der vörbeschriebenen Ausführung die Massenkonzentration in der dickwandigen Zone 22 im Verhältnis zur Gesamtmasse der Kugel in der Größenordnung von etwa 2,5 bis 5:1 liegen.

Betrachtet sei nun die Wirkungsweise des Lagers mit den sich selbst ausrichtenden Kugeln gemäß der Erfindung. Beim Anlaufen nehmen die Kugeln zunächst eine zufällige Lage ein. Venn nun die Kugeln im Betrieb des Lagers drehen., sind sie bestrebt, um eine Achse lotrecht au einer Ebene zu rotieren, innerhalb welcher die Kasse der Kugel konzentriert ist, d.h. um die Achse G-G in Fig. Dies folgt aus dem Umstand, daß die Zentrifugalkraft solange ein unausgeglichenes Kräftepaar erzeugt, bis sich die Ebene der größten Massenkonzentration lotrecht zur Drehachse der Kugel befindet. In dieser Stellung befindet sich die dickwandige Zone 22 gegenüber den Laufbahnen H^ und H . Es wurde nachgewiesen, daß Lager dieser Art weniger Wärme erzeugen, eine größere Lebensdauer besitzen und in der Lage sind, größere dynamische Belastungen aufzunehmen als Lager mit Massivkugeln. Im Betrieb richtet sich eine jede Kugel derart im Verhältnis zu den Laufbahnen aus, daß keine Berührung der Schweißnaht mit den

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Laufbahnen erfolgt und dadurch die Gefahr von Beschädigungen Tiinimal ist. Es sind keine Beanspruchungsspitzen in der- belasteten Zone vorhanden, wie dies charakteristisch für einige bisher bekannte Hohlkugeln wie jene mit überall gleicher Wandstärke ist. Weiterhin kann das Endgefüge der Kugeln bei dieser Konstruktion außerhalb der belasteten Zone liegen.

Fig. 5 zeigt eine abgeänderte Ausführungsform einer sich selbst einstellenden Hohlkugel 118. Diese Kugel ist gleichfalls zur Verwendung in einem Lager der in Fig. 1 gezeigten Art bestimmt und besteht ebenso aus einer dickwandigen Unfangszone 122 und beiderseits derselben angeordneten dünnwandigen Zonen 124, die zusammen einen Hohlraum 125 umschließen. Ix vorliegenden Fall ist die Kugel jedoch ein dreiteiliges Element, bei welcher beide Zonen 124 aus im Querschnitt bogenförmigen Endkappen 127 bestehen, die mit der dickwandigen Zone 122 verschweißt sind. Der Hohlraum 125 öei* Zügel kann durch eine Durchgangsbohrung oder eine Sackbohrung hergestellt sein, und die Endkappen 127 sind durch Elektronenstrahl- oder Diffusionsschweißung befestigt. Bei dieser Ausführungsform kann das.Endkorn vollständig eliminiert werden.

Die in Fig. 6 dargestellte Hohlkugel 218 ist in der Konstruktion ähnlich derjenigen nach Fig. 4 und besteht aus einer dickwandigen Umfangszone 222 und diametral entgegengesetzt gelegenen dünnwandigen Endzonen 224, die zusammen einen Hohlraum 225 umschließen. Die dickwandige Unfangszone 222 und eine der dünnwandigen Endzonen 224 bestehen aus einem Stück und können aus einer Massivkugel durch Abdrehen, wie oben beschrieben, hergestellt werden. Die andere dünnwandige Zone 224 hat wiederum die Form einer Kappe, die mit dem übrigen Teil der Ku^eI durch Strahloder Diffusionsschweißung verbunden ist. Im vorliegenden

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Pall hat die dickwandige Uzfangszone 222 mehr die Form einer ovalen Fläche, tun die Kugelmasse noch stärker in einer Ebene .quer zur Drehachse zu konzentrieren, die mit der Belastungslinie der Kugel im Betrieb zusammenfällt. Wie vorstehend bereits bemerkt, kann das Wandstärkenverhältnis der dickwandigen Umfangszone zur dünnwandigen Umfangs'zgne wahlweise in Abhängigkeit von dem besonderen Anwendungsfall variiert werden, für den das Lager bestimmt ist. Vie oben "weiter ausgeführt wurde, kann die Massenkonzentration in der Umfangszone 22 im Verhältnis zur Masse der Gesamtkugel in der Größenordnung von 2,5 bis 5:1 liegen.

Ir ?ig. 7 ist eine in "Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfinnur.g; ausgebildete Hohlkugel 300 gezeigt, die besonders zur Verwendung in Schräglagern geeignet ist. Bei derartigen Lagern kann der Berührungswinkel zwischen der Kugel und dem Innen- und Außenring in Abhärg-'.Q'keit vcr Veränderungen in der Zentrifugalbelastung variieren. Deshalb ist die Kugel 300 so ausgebildet, dal: nie i::i Bereich ihrer maximalen Beanspruchung die größte Ksssenkonzentration besitzt. Zu diesem Zweck besitzt die Ku-rnl 500 eine dickwandige Umfangszone 322 und diametral entgegengesetzte dünnwandige Endzonen 324 von im Querschnitt bogenförmiger Gestalt, wodurch wiederum eine Kugel mit einer echten sphärischen Außenfläche 325 entsteht. Diese Kugel ähnelt derjenigen nach Pig. 5 dahingehend, daß die dünnwandigen Zonen ir. zentralen Bereich vor. Endkappen 324-a, 324-b gebildet sind, die durch Diffusions- oder Strahlschwenkung am übrigen (Teil der Kugel befestigt sind. Die vorstehend beschriebene Hohlkugel 300 ist zur Verwendimg in einem Wälzlager mit einem Innenring 3^-1 urd einem Außenring 3^3 mit gegeneinander weisenden Laufbahnen 3^5 bzw. 3^-7 bestimmt. Bei der in Fig. 8 gezeigten Ausführungsform ist der

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Innenring in zwei axial nebeneinanderliegende Teile 341a und 34-Ib unterteilt, von denen ein jeder einen im Querschnitt bogenförmigen Laufbahnabschnitt 3-^5a bzw. 3^5b auf "weist, welcher zusammen die innere Laufbahn 3^5 bilden. Die Innenringteile können mit herkömmlichen Mitteln in Anlage gegeneinander abgestützt sein. Im vorliegenden Fall hat.-die dickwandige Umfangszone 322 im Inneren eine im Querschnitt wellige Gestalt, -wodurch zwei radial nach einwärts vortretende Ringrippen 33^ gebildet sind, zwischen denen sieh eine lüngnut 333 befindet. Somit ist die Wandstärke der dickwandigen Zone im Bereich der Rippen 331 bei 335 größer als im Bereich der Ringnut 333 "bei 337·

Bei derartigen Kugellagern können die Kugeln eine zufällige Ausrichtung aufweisen und werden sich, wenn das Lager beispielsweise axial belastet wird, derart selbständig ausrichten, daß sie um eine Achse R-, rotieren. In dieser Lage befindet sich die Stelle der größten Lagerbelastung in denjenigen Bereich der Kugel, der den größeren Querschnitt besitzt (s. Fig. 3, wo die Stelle der maximalen Belastung der Kugeln durch die Scheibe F. und F bezeichnet ist). Die liormalberührung eines. Schräglagers ändert sich unter hohen Drehzahlen aufgrund der Zentrifugalbe— lastung der Kugel. Daher wird der von einer Radialebene P sene' liennwinkel ob am Außenring auf t*L· vermine err und am Innenring auf o&- vergrößert. Somit schafft in Übereilstinnung mit dieser Ausführungsform der Erfindung die wellenförmige Gestalt an der Innenseite der dickwandigen Umfangszone 322 eine maximale Wandstärke in der Belastungsebene und bewahrt außerdem den Vorteil der Sera."Tung einer Kugel mit minimalem Gewicht.

In Fig. 9 ist eine weitere Ausführungsform einer Kugel in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung gezeigt, die besonders zur Verwendung in Schräglagern geeignet ist. Im vorliegenden Fall besteht das Kugellager wiederum

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aus einem Innenring 441 und einem Außenring 443 mit gegeneinanderweisenden Laufbahnen 445 bzw. 447. Wie in der zuvor beschriebenen Ausführungsform nach Fig. 8 kann der Innenring 44i aus zwei axial nebeneinanderliegenden Teilen 441a und 441b bestimmen, die ein jeder Laufbahnteile 445a bzw. 445b besitzen, die zusammen die innere Laufbahn bilden.· -13;Lese Innenringt eile können durch herkömmliche Kittel"in Anlage gegeneinander gehalten sein.

Die kugelförmigen Wälzkörper 400 dieses Lagers haben wiederum eine dickwandige TJmfangszone 422 und. beiderseits derselben dünnwandige Endzonen 424. Im vorliegenden Fall besitzen die dünnwandigen Endzonen 424 überall gleiche Wandstärke, und eine jede von ihnen hat die Form einer Endkappe, die sn der dickwandigen Zone 422 durch Diffusions- oder Strahlschweißung befestigt ist, wodurch eine Kugel mit wahrer sphärischer Außenfläche 426 entsteht. In vorliegenden Fall sind die beiden gegenüberliegenden Schnittflächen der dickwandigen Zone 422, im Längsschnitt betrachtet durch einen Kittelsteg 450 zu einer I-för.r.i^en Gestalt verbunden. Der Mittelstes 450 bildet eine Trennv,ar.d, durch welche das Innere der Kugel in zwei Kohlraumabschnitte 425a und 425b unterteilt wird.

Bei einem L=ger dieser Art richten sich die Kugeln, die zunächst zufällig ausgerichtet sein können, wem das Lager nicht belastet ist, r.it der Drehung des Lagers selbst aus, so daß sie um eine Achse R^. rotieren, wenn das Lager einer Belastung wie einer Axiallast unterworfen wird. Dies folgt aus dem Umstand, daß die Masse der Kugel stärker in einer Ebene quer zur Drehachse in einer Linie mit der Belastung der Kugel im Betrieb konzentriert ist. Somit wirkt die Stelle der größten.Lagerbelastung in einem Bereich der Kugel, der den größten ■-Querschnitt besitzt, wobei die Trennwand 450 mit dazu

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beiträgt, die Last abzustützen, wenn das Lager wie in Fig. 9 ausgerichtet ist. In dieser Lage ist die Stelle maximaler Belastung auf die Kugeln diejenige, die in Fig. 9 durch die Pfeile Fp und F^ angegeben ist. Zusätzlich ändert sich, wie oben bereits erläutert wurde, der Kennberührungswinkel eines Schräglagers dieser Art unter hohen Dreilzahlen aufgrund der auf die Kugeln wirkenden Zontrifugalbelastung. Somit wird der Nennberührungswinkel/5, gemessen gegenüber einer lotrecht zur Lagerachse befindlichen Radialebene P^, auf den äußeren Berührungswinkel β vermindert und auf den inneren Ber'ihrun£swinkel β ■ erhöht. Durch diese Ausbildung wird dafür geborgt, daß die maximale Wandstärke in der Be-Iasturursebene liegt,während der Vorteil einer Kugel minimalen Gewichts aufrechterhalten wird.

Patentansprüche /

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Claims

Patentansprüche

M.' Hohlkugel für Kugellager, dadurch gekennzeichnet, daß sie derart rotationssymmetrisch zu einer bestimmten Achse (G-G; E-,; E^) ausgebildet ist,-'dais^an eine zentrale dickwandige Umfangszone (22; Ί22; 222; 322; 422) beiderseits vergleichsweise dünnwandige Endzonen (24; 124, 224; 324; 424) anschließen.
2. Hohlkugel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Erzeugende der dickwandigen Umfangszone (22; 122) ein Kreissegment ist.
3. Hohlkugel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die dickwandige Umfangsz'one (222) von einer hauptsächlich die Form eines Ovals aufweisenden Fläche erzeugt ist (Pig. 6).
4. Hohlkugel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die dickwandige Umfangszone (322) von einer !fläche erzeugt ist, deren der Rotationsachse (R₂) benachbarte Begrenzung eine Wellenlinie ist, von welcher zwei radial nach einwärts vortretende Ringrippen (331) mit einer dazwischen liegenden Singnut (333) erzeugt sind, in deren Bereich die Wandstärke der Hohlkugel geringer als im Bereich der Ringrippen (331) ist (Fig. 7 und 8).
5. Hohlkugel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß sie in der axialen Mitte der dickwandigen Umfangszone (422) eine ihr Inneres teilende rotationssymmetrische Trennwand (450) enthält. (Fig. 9).

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6. Hohlkugel nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , daß der übergang der Seitenflächen der Trennwand (450) in die Innenflächen (425a, 425b) der Hohlkugel (400) unter zunehmender Verdickung der Kugelwandstärke zur Trennwand hin ausgerundet ist.
7.' ' Hohlkugel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine der dünnwandigen Endzonen (24; 124: 224; 324; 424) von einer mit der dickwandigen Umfangszone (22; 122; 222; 322; 422) verschweißten gesonderten Kappe (30; 324a, 324b) gebildet is

t.
8. Kugellager, dadurch gekennzeich net, äai3 wenigstens eine seiner Kugeln (18; 118; 218-, 300; 400) nach einen oder mehreren der vorhergehenden Ansprüchen ausgebildet is

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