DE2525104C2 - Schrägkugellager - Google Patents
SchrägkugellagerInfo
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Description
a) daß der Lagerkäfig (16) einen Massenschwerpunkt aufweist, der exzentrisch bezüglich der
Drehachse (17) ist, um im Betrieb eine Zentrifugalkraft (Fc) zu erzeugen, die den Lagerkäfig
(16) radial zwischen den Lagerringen (10, 12) verschiebt, bis er zur Anlage mit einer Laufbahnschulter
kommt, und
b) daß die Käfigtaschen derart über den Umfang ungleichmäßig verteilt sind, daß Komponenten
der zugehörigen radialen Trägheitskraftvektoren der Kugeln im wesentlichen den Zentrifugalkraftvektor
(Fc) des Lagerkäfigs ausgleichen.
2. Schrägkugellager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Lagerkäfig (16) ein allgemein
zylindrisches Teil umfaßt, das radial versetzte innere und äußere Durchmesser aufweist, um die
Massenexzentrizität gegenüber der Drehachse (17) zu erzeugen.
3. Schrägkugellager nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Massenexzentrizität
eine derartige Größe aufweist, daß der resultierende radiale Zentrifugalkraftvektor (F1.) des Lagerkäfigs
größer als die Summe aller Kugel-Taschen-Berührungskräfte (FBl bis FSg) ist.
4. Schrägkugellager nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Lagerkäfig
(16) eine Laufbahnschulter (14, 15) der inneren Laufbahn (13) berührt.
5. Schrägkugellager nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Lagerkäfig
(16) eine weitere Massenexzentrizität um einen Käfigdurchmesser im wesentlichen senkrecht zur
Richtung des Zentrifugalkraftvektors (F1.) des Lagerkäfigs
aufweist, um den Lagerkäfig (16) um diesen senkrechten Durchmesser zu kippen und um die
Kugeln (1 bis 8) in vorgegebenen, im wesentlichen konstanten und vorhersagbaren Positionen in den
Taschen zu halten.
6. Schrägkugellager nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Lagerkäfig (16) Stufen (25,
26) in seinen entgegengesetzten Stirnflächen (27,28) derart aufweist, daß der Lagerkäfig (16) ein Massenungleichgewicht
um diesen senkrechten Käfigdurchmesser aufweist.
7. Schrägkugellager nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Innendurchmesser des
Lagerkäfigs (16) benachbart zu einer der Käfigstirnflächen (27,28) größer als der Innendurchmesser des
Lagerkäfigs (16) benachbart zur anderen Käfigstirnfläche (27,28) ist, so daß der Berührungspunkt (30)
auf dem kleineren Innendurchmesser des Lagerkaflgs (16) liegt und nur eine der Laufbahnschultern
(15) der inneren Laufbahn berührt, um auf diese Weise eine Kippkraft auf den Lagerkäfig (Ii) um
einen Durchmesser zu erzeugen, der senkrecht zu dem radialen Zentrifugalkraftvektor (Fc) des Lagerkäfigs
verläuft
Die Erfindung bezieht sich auf ein Schrägkugellager mit einem äußeren Lagerring mit einer äußeren Laufbahn
mit Laufbahnschultern, einem inneren Lagerring mit innerer Laufbahn mit Laufbahnschultern, einem
allgemein zylindrischen Lagerkäfig, der zwischen den beiden Lagerringen angeordnet ist und eine entsprechende
Vielzahl von ungleichmäßig über den Umfang verteilten, sich radial erstreckenden zylindrischen
Taschen zur Festlegung der relativen Winkelpositionen der Kugeln aufweist, wobei der Lagerkäfig im Betrieb
bei einer exzentrischen Auslenkung über eine punktförmige Oberfläche des Lagerkäfigs eine Laufbahnschulter
einer der Laufbahnen berühren kann.
Es ist ein Schrägkugellager dieser Art bekannt (US-PS 3 314 694). das in einem Drehgelenk verwendet
wird, bei dem große axiale Lagerlasten im stationären Zustand des Lagers auftreten. Hierbei können Einprägungen
in den Laufbahnen auftreten, die zu einer ruckartigen Bewegung des äußeren Lagerringes gegenüber
dem inneren Lagerring führen. Um die Wirkung der Einprägungen zu verringern, sind die Kugeln um den
Umfang des Lagers herum in jeweils voneinander abweichenden Abständen zueinander angeordnet, so
daß erst ab einer vollen Umdrehung des Lagerkäfigs ein Einrasten der Kugeln in vorher ausgebildete Ausprägungen
oder Vertiefungen möglich ist.
Schrägkugellager werden weiterhin bei Anwendungen mit mittleren bis hohen Drehzahlen verwendet. Der
Lagerkäfig ist hierbei typischerweise ein gerader Zylinder mit in seinen Wänden symmetrisch angeordneten
Kugeltaschen, der aus irgendeinem geeigneten Material hergestellt ist, beispielsweise aus einem Phenolmaterial
auf Leinenbasis, aus einem gesinterten, eine Ölmenge aufnehmenden Material, wie beispielsweise Polyamid,
oder aus einer gesinterten oder massiven Metallegierung. Die Lagerkäfige waren freischwimmend zwischen
den Laufbahnschultern der Laufringe angeordnet und es wurde versucht, die Lagerinstabilität dadurch zu verringern,
daß die Kugel-/Käfig-Abstände verringert wurden, daß die Kugeltaschen geformt wurden oder daß die
Viskosität des Schmiermittels verringert wurde. Die verringerten Toleranzen ergaben jedoch vergrößerte
dynamische Drehmomentlasten, und die verringerte Viskosität des Schmiermittels ergab in vielen Fällen
eine Verringerung der Lagerlebensdauer. In dem Lager erzeugte dynamische Unwuchten oder von diesem
Lager nach außen übertragene Schwingungen konnten daher nur schwierig verringert oder beseitigt werden.
Die wesentlichste Ursache für induzierte dynamische Instabilitäten und Lagerschwingungen ist die Kugel-Lagerkäfig-Dynamik,
d. h. die radialen Trägheitskräfte, die von der Kugel- und Lagerkäfig-Dynamik hervorgerufen
werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Schrägkugellager der eingangs genannten Art zu schaffen,
das auch bei hohen Drehzahlen einen leisen, dynamisch stabilen und schwindungsfreien Betrieb er-
möglicht.
Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebene» Merkmale
gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Schrägkugellagers ergibt sich ein dynamisch stabiler,
schwingungsfreier Betrieb, wobei der Lagerkäfig eine stabile Wirbelbetriebsweise annimmt, bei der alle
Kugel-, Taschen- und Lagerkäfig-Laufbahnschulterkräfte vorhersagbar und konstant sind.
Durch die Ausbildung des Lagerkäfigs mit einer Massenexzentrizität
bezüglich der Drehachse des Lagers ruft die radiale Zentrifugalkraft auf den Lagerkäfig eine
Verschiebung dieses Lagerkäfigs in Radialrichtung hervoi,
so daß der Lagerkäfig eine Laufbahnschulter einer Laufbahn berührt und ein vorhersagbares Wirbelmuster
ausbildet. Zusätzlich kann der Lagerkäfig weiterhin so geformt sein, daß er ein weiteres Unwuchtmoment
um eine diametrale Achse senkrecht zum radialen Zentrifugalkraftvektor erzeugt, so daß eine Belastung
auf die Kugeln in Richtung der Drehachse des Schrägkugellagers hervorgerufen wird, die die Lage der Kugeln
in ihren Taschen stabilisiert, wobei die KugeWTaschen-Kontaktpunkte
vorbestimmt werden. Diese Unwucht kann dadurch verbessert werden, daß eine Wand des
Lagerkäfigs so bearbeitet wird, daß der Lagerkäfig lediglich mit einer der Laufbahnschultern in Berührung
kommt, so daß ein Hebelarm zwischen diesem Kontaktpunkt und dem Schwerpunkt des Lagerkäfigs geschaffen
wird.
Die Kugeltaschen sind in dem Lagerkäfig derart ausgebildet, daß ihre jeweiligen Achsen sich an der Drehachse
des Lagerkäfigs schneiden, so daß die Kugel-Taschen-Koppelkräfte weiter verringert werden und
sich der Lagerkäfig in Axialrichtung unter der genannten Zentrifugalkraft verschieben kann, so daß die Kraftkopplung
zwischen den Kugeln und den Wänden der Taschen so weit wie möglich verringert wird. Weiterhin
können einige der Kugeltaschen winkelmäßig gegenüber der Drehachse verschoben sein, so daß ihre
KugeN/Taschen-Kontaktkräfte radiale Trägheitskräfte hervorrufen, die die Käfig-Unwuchtkräfte ausgleichen,
so daß irgendwelche Vibrationen von dem Schrägkugellager auf die Tragstruktur verringert oder beseitigt werden.
Dies heißt mit anderen Worten, daß das radiale Kräftepolygon des Schrägkugellagers steuerbar und
beständig ist und sich immer in sich selbst schließt, so daß sichergestellt ist, daß eine resultierende Trägheitskraft
von nahezu Null auf den äußeren Rahmen übertragen wird, an dem das Lager befestigt ist.
Das erfindungsgemäße Schrägkugellager ist in idsaler
Weise für viele Anwendungen geeignet, die eine extreme mechanische Stabilität, eine Laufruhe und
eine Freiheit von Schwingungskräften bei der Lagerkäfig-Drehfrequenz erfordern. Eine derartige Anwendung
ergibt sich beispielsweise bei mit hoher Drehzahl arbeitenden Präzisionsinstrumenten, wie beispielsweise
Kreiseln. Das Schrägkugellager ist außerdem bei Anwendungen ohne Schwerkraft sehr wünschenswert,
beispielsweise in Kreiseln zur Stabilisierung von Satelliten, bei denen die Forderung besteht, daß die Lager
keine dynamische Instabilität und sich daraus ergebenden Schwingungen über eine langjährige Lebensdauer
aufweisen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand der Zeichnungen noch näher erläu-
In der Zeichnung zeigen:
Fig. 1 eine Querschnittsansicht einer Ausführungsforrc
des Schrägkugellagers,
F i g. 2 und 3 Endansichten bzw. axiale Schnittansichten
des Schrägkugellagers nach F i g. 1 mit vergrößerten Lagerkäfigabmessungen, um die Massenexzentrizität
und die sich daraus ergebende radiale und diametrale Winkelversetzung zu erläutern,
Fig. 4 und 5 den Ansichten nach Fig. 2 und 3 ähnliche
Ansichten, die jedoch die Versetzung einiger Kugeltaschen zeigen, wodurch die radiale Exzentrizität
des Lagerkäfigs dynamisch ausgeglichen wird,
F i g. 6 und 7 den F i g. 4 und 5 ähnliche Ansichten, die jedoch die Versetzung einiger anderer Kugeltaschen
zeigen, um die radiale Exzentrizität des Lagerkäfigs senkrecht zu der in Fig. 4 gezeigten dynamisch auszugleichen,
Fig. 8 und 9 den Fig. 6 und 7 ähnliche Ansichten, die jedoch die selbstkompensierenden Auswirkungen der
Exzentrizitäten des Lagsrkäfigs aufgrund der übrigen Kugeleinstellung zeigen,
Fig. 1OA, 1OB und IOC typische Radialkraft-Vektordiagramme
des acht Kugeln aufweisenden Schrägkugellagers.
In den Zeichnungen ist eine Ausfuhrungsform des Schrägkugellagers mit acht Kugeln gezeigt, wobei
jedoch auch irgendeine andere Zahl von Kugeln verwendbar wäre.
Die in Fig. 1 gezeigte Ausfuhrungsform des Schrägkugellagers wird zur Lagerung einer Welle oder eines
anderen (nicht gezeigten) drehbaren Teils bei mittleren bis hohen Drehzahlen um eine Lagerachse in einer
(ebenfalls nicht gezeigten) relativ festen Tragstruktur verwendet wird. Die wesentlichen Bauteile des Schrägkugellagers
sind ein äußerer Lagerring 10 mit einer Laufbahn 11 von der üblichen offenen Art, der in einer
geeigneten Bohrung der festen Tragstruktur gehaltert ist, ein innerer Lagerring 12 der geschlossenen Art mit
einer kreisringförmigen Laufbahn 13 und Laufbahnschultern 14, 15 (siehe auch Fig. 3), eine Anzahl von
Kugeln 1 bis 8, die in manchen Fällen als die Kugclfüllung bezeichnet werden, und ein allgemein kreisringformiger
Käfig 16, der allgemein dazu dient, die Kugeln voneinander zu trennen. Der innere Lagerring 12 ist so
ausgelegt, daß er eine Welle oder einen Zapfen (der aus Klarheitsgründen nicht gezeigt ist) eines Teils haltert,
der von der Lageranordnung um die Drehachse 17 drehbar gelagert sein soll. Das Schrägkugellager nach F i g. 1
arbeitet in den meisten Fällen mit einer oder mehreren identischen Schrägkugellagern zusammen, um eine
vollständige Lagerung für das drehbare Teil zu schaffen. Die Schrägkugellager werden im Betrieb normalerweise
vorgespannt, so daß der KugeWLaufbahn-Kontaktwinkel a (Fig. 3) im wesentlichen konstant gehalten wird.
Die im folgenden beschriebene AusführunRsform des Schrägkugellagers findet viele Anwendungen insbesondere
dort, wo eine Laufruhe von Bedeutung oder wünschenswert ist. Mit Laufruhe ist die Tatsache gemeint,
daß im wesentlichen keine mechanischen und/oder akustischen Schwingungen von den Lagern ausgehen.
Dicc setzt äußerst genau und steuerbar ausgeglichene Kräfte in den Lagern selbst voraus. Eine derartige
Anwendung ergibt sich bei Kreiselgeräten insbesondere Tür die Lager, die den mit hoher Drehzahl umlaufenden
Kreiselrotor in seinem Rotorgehäuse lagern. Insbesondere ist diese Laufruhe von Lagern bei Kreiselgeräten
für Raumfahrzeuge sehr erwünscht. Eine derar-
tige Anwendung würde sich beispielsweise bei den Duplex-Paaren der Kreiselrotor-Spinlagerungen gemäß
der britischen Patentschrift 1 352 981 ergeben.
Wenn ein Kugellager so gefertigt wird, daß die Abmessungen aller kritischen Teile absolut perfekt sein
würden, d. h. daß die Kugeln und Laufbahnen nicht kompressibel und geometrisch perfekt sein würden, so
wären ihre Kontakte oder Berührungspunkte einfache Punktkontakte und bei einem Betrieb des Lagers ohne
äußere Einflüsse, beispielsweise bei einem Einfluß der Schwerkraft von 0, ohne Schmierung usw. so würde die
Kugelfüllung zu Anfang symmetrisch um die Drehachse angeordnet sein und die einzelnen Kugeln würden
einfach in ihren Laufbahnen roiien, ohne daß sie ihre relativen Positionen ändern würden. In diesem Fall ι >
würde kein Käfig erforderlich sein. Bei einer derartigen perfekten Lagerung würden alle radialen Trägheitskraftvektoren
der Kugeln (beispielsweise FB] bis FBl nach
Fig. 1) identisch und symmetrisch sein, und wenn diese
Vektoren in der Form eines Polygons angeordnet wür- 2u
den, so würde das radiale Trägheitskraftpolygon der Lagerung vollständig symmetrisch aussehen, wie in
Fig. 1OA für eine Lagerung mit einer Füllung von acht Kugeln. Alle radialen Trägheitskräfte würden ausgeglichen
sein, und die Lagerung würde geräuschlos arbei- 2Ί
ten, d. h., es würden keine Vibrationen auf die Tragstruktur oder die gelagerte Struktur übertragen.
Selbstverständlich kann ein derartiges perfektes Lager unter Verwendung von derzeit zur Verfugung stehenden
Fertigungstechnologien nicht hergestellt wer- χι
den, und weiterhin werden Lager nicht ohne äußere Einflüsse betrieben. Beispielsweise sind die Kugeln in
ihrer Abmessung oder Rundheit nicht identisch, die Laufbahnen sind nicht vollständig glatt und kreisförmig,
die normalen Lagerlasten verhindern einen Punkt- Ϊ5
kontakt zwischen Kugeln und Laufbahnen, und Schmiermittel führen ein Kugelgleiten am Rollkontakt
ein. Alle diese und andere Faktoren tragen dazu bei, daß eine Trenneinrichtung für die Kugeln erforderlich ist,
die üblicherweise als Käfig bezeichnet wird. Die Hin- w zufügung eines Käfigs trägt weiterhin zur Erzeugung
von unausgeglichenen radialen Trägheitskräften bei, die von dem Lager ausgehende Schwingungen und Vibrationen
hervorrufen. Der Käfig kann weiterhin auf Grund von unbeständigen Kugel- und Käfigkontakt- 4>
punkten dynamisch unstabil sein. Beispielsweise können die gleichen Fertigungs- und Herstellungsbeschränkungen
eine unregelmäßige Dynamik des Käfigs hervorrufen, während für eine freie Kugel- und Käfigürehung
zwischen den Kugeiiascheriwäüden des Käfigs 'M
und den Kugeln erforderliche Toleranzen zusammen mit den vorstehend genannten Faktoren eine zufällige
Bewegung und zufällige Kräfte zwischen den Kugeln und den Kugeltaschen sowie zwischen dem Käfig und
den Laufbahnschultern hervorrufen. Alle diese Fakto- « ren tragen zu unkontrollierten Änderungen und/oder
Schwingungen in den gleichen Positionen sowohl der Kugeln als auch des Käfigs (oder beider) zu jedem Zeitpunkt
bei, so daß nichtgleichförmige radiale Trägheitskräfte und Rotationsdynamiken hervorgerufen werden, ω
Wie es durch die gestrichelten Vektoren nach Fig. 1OA angedeutet ist, bewirken diese zufälligen und unvorhersagbaren
Kräfte, daß das Kraftpolygon sich »öffnet«, was per definitionem dazu führt, daß zufällige radiale Trägheitskräfte
auf die Lagertragstruktur übertragen wer- h5 den.
Die hier beschriebene Ausführungsform des Schrägkugellagers und insbesondere der Käfig ist so konstruiert,
daß zu jedem Zeitpunkt der gesamte Satz der radialen Trägheitskraftvektoren, die von den Kugeln
und dem Käfig erzeugt werden, in ihrer Richtung und Größe steuerbar ist, so daß das resultierende Kraftpolygon
geschlossen werden kann und keine zufälligen oder unkontrollierten Kräfte entwickelt werden. Grundsätzlich
wird dieses Ergebnis dadurch erzielt, daß der Käfig so ausgebildet wird, daß er Kräfte erzeugt, die in ihrer
Auswirkung die Position jeder Kugel gegenüber ihrer Kugeltasche festlegen oder blockieren, d. h., die Massenposition
jeder Kugel ist innerhalb des rotierenden Systems von einzelnen Elementen der Lageranordnung
bekannt und konstant.
Wie es aus F i g. 1 sowie aus den F i g. 2 und 3 zu erkennen ist, ist der Käfig 16 so ausgelegt, daß er eine radiale
Zentrifugalkraft Fc erzeugt und zwar dadurch, daß eine
Massenunwucht oder Massenexzentrizität des Käfigs 16 um die Drehachse 17 vorgesehen wird. Diese
Kraft kann auf viele Arten erzeugt werden, beispielsweise einfach dadurch, daß eine punktförmige Masse
einer Seitenwand des Käfigs hinzugefügt wird oder daß, wie dies in dem Ausfuhrungsbeispiel dargestellt ist, der
Käfig 16 derart maschinell bearbeitet wird, daß sein Schwerpunkt exzentrisch zur Achse 17 liegt. Der
Käfig 16 ist so bearbeitet, daß die Mittelachse seines inneren Durchmessers gegenüber der Mittelachse 21
des äußeren Durchmessers versetzt ist, so daß ein exzentrischer Zylinder gebildet wird. Hierdurch wird
der Massenschwerpunkt CG des Käfigs 16 gegenüber der Drehachse 17 verschoben wie dies in vergrößerter
Weise in den Fig. 2 und 3 gezeigt ist, wobei eine etwas realistischere Darstellung für die Fig. 1 gewählt wurde.
Wenn daher der innere Lagerring 12 gedreht wird, bewirken Zentrifugalkräfte, daß der Käfig 16 in Radialrichtung
verschoben wird, und eine der Käfigwände berührt die Laufbahnschultern der inneren und äußeren
Laufbahn und zwar in Abhängigkeit davon, ob der Käfig so ausgelegt ist, daß er auf dem inneren Laufring
oder auf dem äußeren Laufring läuft, wobei jede dieser Anordnungen möglich ist. In den Fig. 2 und 3 ist der
Käfig 16 in Radialrichtung verschoben, und seine Innenwand berührt die Laufbahnschulter 15 am Berührungspunkt
22. Es wird die radiale Trägheitskraft F1. erzeugt, die sich aus der nunmehr um die Drehachse 17
umlaufenden Käfigmasse ergibt. Die Größe dieser Kraft, die durch die Größe der Exzentrizität des Käfigs
gesteuert wird, muß bei irgendeiner Nenndrehzahl oder vorgegebenen Drehzahl des Käfigs groß genug sein, um
alle Kugel-/Taschenkräfte zu überwinden, d. h. sie muß großer als irgendeine Umfangs- oder P.adialkraft sein,
die zwischen den Kugeltaschen-Wänden und den Kugelterührungspunklen
erzeugt wird. Fig. 2 zeigt eine übertrieben dargestellte Käfigausrichtung nachdem die
radiale Verschiebung des Käfigs eingetreten ist. Diese Figur zeigt und bezeichnet weiterhin jeden der radialen
Trägheitskraftvektoren Fe, bis FB% der Kugeln zusammen
mit dem radialen Trägheitskraftvektor Fc des Käfigs.
Um alle Kugel-Kugeltaschen-Umfangskräfte zu verringern,
sind die Kugeltaschen in den Käfig 16 so eingearbeitet, daß ihre jeweiligen Achsen die voraussichtliche
Lager-Drehachse schneiden, wie dies in Fig. 1 gezeigt ist, d. h. die Kugeltaschen sind so eingearbeitet,
daß ihre Mittelpunkte die Drehachse 17 schneiden, nachdem der Käfig 16 in Radialrichtung verschoben
wurde. Die Drehachse 17 muß jedoch nicht die endgültige Käfigdrehachse sein, weil diese gegenüber der
genauen Lagerachse 17 etwas verschoben sein kann.
wie dies noch weiter unten erläutert wird. In dieser Hinsicht sind die Positionen des Käfigs und der Kugeln,
die in allen Figuren gezeigt sind, die endgültigen oder abschließenden Positionen, und die Kräfte und Faktoren,
die diese Positionen festlegen, werden ebenfalls weiter unten beschrieben.
Obwohl die Massenexzentrizität des Käfigs, die die Zentrifugalkraft F1. und die resultierende radiale Verschiebung
des Käfigs hervorruft (zusammen mit den Kugeltaschenachsen, die sich an der Lagerachse schnei- ii>
den), weitgehend irgendwelche radialen Trägheitskraft-Unbeständigkeiten verringert, insbesondere dann,
wenn die Lageranordnung unter der Schwerkraft betrieben wird, ist eine weitere Verbesserung möglich und in
vielen Fällen auch wirklich wünschenswert. Dies ergibt sich daraus, daß die radiale Käfigverschiebung allein
nicht jeden Kugelmassenmittelpunkt genau oder präzise bezüglich der zugehörigen Kugeltasche und dem
zugehörigen Trägheitskraftvektor Ffl| bis Fg8 festlegt.
Beispielsweise liegen in den Fig. 1 und 2 die Kugel- m
taschen für die Kugeln 3 und 7 allgemein in einer Linie mit der Richtung der radialen Verschiebung des Käfigs,
so daß sie nicht zwangsweise eingefangen sind. Um die Kugel-Massenrr ittelpunkte noch genauer bezüglich des
Käfigs festzulegen, ist eine zusätzliche Kraft auf die Kugeln erforderlich, und diese Kraft muß in einer Richtung
sowohl senkrecht zur Käfigdrehachse als auch zum Käfig-Zentrifugalkraftvektor F1 verlaufen (bevor sie
etwas winkelmäßig aus noch zu erläuternden Gründen verschoben wird). Zu diesem Zweck wird dem Käfig 16 in
eine weitere Exzentrizität dadurch erteilt, daß er um eine Durchmesserachse senkrecht zur Käfigzentrifugalkraft
in Unwucht gebracht wird, d. h. senkrecht zur Richtung der verschobenen Durchmesser des Käfigs, so
daß dem Käfig ein Kippmoment M1. (F i g. 2) erteilt wird.
Diese zusätzliche Exzentrizität oder Käfigunwucht kann auf verschiedene Weise geschaffen werden, beispielsweise
dadurch, daß punktformige Massen in der Nähe der oberen und unteren Oberflächen des Käfigs
auf einem Durchmesser parallel zum Durchmesser der ersterwähnten Exzentrizität hinzugefügt werden. In
dem dargestellten Ausfuhrungsbeispiel wird diese weitere Käfigexzentrizität dadurch geschaffen, daß
Stufen 25,26 in den Käfigstirnflächen 27,28 ausgebildet
oder eingearbeitet werden, wie dies in den Fig. 2 und 3 gezeigt ist, d. h. dadurch, daß Masse von den oberen und
unteren Käfigstirnflächen 27,28 entfernt wird, wie dies dargestellt ist. Dieses Kippmoment Λ/ in Fig. 2 kann
dadurch erhöht werden, daß der obere Teil des Innenumfangs
des Käfigs hinterdreht wird, wie dies bei 29 in Fi g. 3 gezeigt ist, wodurch der obere innere Durchmesser
des Käfigs vergrößert wird. Diese Hinterdrehung bewirkt, daß der Berührungspunkt zwischen der Innenoberfläche
des Käfigs und dem inneren Lagerlaufring 12 nur auf dem unteren Steg 15 des inneren Laufringes
liegt, so daß ein weiteres Kippmoment durch das Produkt aus der Trägheitskraft Fc des Käfigs und dem Hebelarm
oder Kipparm Lc geschaffen wird. Das auf diese Weise geschaffene Kippmoment kippt den Käfig 16
derart, daß die obere Wand der Kugeltasche fur die Kugel 3 die obere Oberfläche der Kugel 3 ungefähr am
Punkt 30 in F i g. 3 berührt und daß die untere Wand der Kugeltasche für die Kugel 7 die untere Oberfläche der
Kugel 7 ungefähr am Punkt 31 berührt Ein fast identischer Vorgang tritt zwischen den Kugeltaschen für die
Kugeln 2 und 4 und zwischen den Kugeltaschen für die Kugeln 6 bzw. 7 auf. Somit werden diese Kugeln in ihren
jeweiligen Taschen durch diese zusätzliche durch das Kippmoment hervorgerufene Belastung weiter eingefangen
und genau festgelegt. Dieses Kippmomentmerkmal, durch das die Kugellagerkugeln allein durch eine
Käfigunwucht festgelegt werden ist insbesondere Lagern nützlich, die bei Anwendungen bei fehlender
Schwerkraft betrieben werden, wie z. B. in Satelliten oder bei anderen Raumschiffanwendungen, bei denen
ein Trägheitsabgleich des Kraftpolygons erwünscht ist, um äußere resultierende Kräfte zu verringern, und bei
denen eine verbesserte dynamische Käfigstabilität wünschenswert ist.
Es ist aus einer Betrachtung der F i g. 2 und 3 jedoch zu erkennen, daß, wenn im Betrieb diese Berührungen
erfolgen, dem Käfig zusätzliche Kräfte durch die Drehung der Kugeln mitgeteilt werden, d. h. durch ihre
Drehung, während sie zwischen den Laufringen in den Kugeltaschen abrollen, und durch die rotierende innere
Laufbahnschulter am Berührungspunkt 22. Für die im Gegenuhrzeigersinn erfolgende Drehung nach den F i g.
2 und 3 sind diese Reibungskräfte hauptsächlich von den Kugeln 3 und 7 und in geringerem Ausmaß von den
Kugeln 2, 4 und 6,8 sowie von der Berührung am inneren Laufbahnsteg am Punkt 22 bestrebt, den Käfig in
der Richtung parallel zum Kippmoment M1 oder nach
unten in F i g. 2 zu bewegen oder zu verschieben, wobei diese Verschiebung a in dieser Figur etwas vergrößert
dargestellt ist. Diese weitere Käfigverschiebung ist ebenfalls bestrebt, den Kafig'/Laufbahnschulter-Kontaktpunkt
22 und den resultierenden Zentrifugalkraftvektor F1. winkelmäßig zu verschieben, wie dies weiter
oben erläutert wurde. Nachdem nunmehr die Käfigposition genau bestimmt werden kann, kann weiterhin der
Mittelpunkt 35 der Kugeitaschenachsen ebenfalls genau bestimmt werden.
Nachdem nunmehr die Käfig- und Kugelfüllungs-Position genau bestimmt oder vorhersagbar sind, können
die einzelnen Kugeln nunmehr aus ihrer symmetrischen Umfangsposition heraus verschoben werden, um
eine Kraftkompensation des gesamten Systems herbeizufuhren, d. h. sicherzustellen, daß sich das Lagerkraft-Polygon
immer auf sich selbst schließt, wie dies in den Fig. 1OB und IOC für eine Drehung im Gegenuhrzeigersinn
bzw. im Uhrzeigersinn gezeigt ist. Die genaue Bestimmung dieser Umfangs-Kugelpositionen wird
nun anhand der F i g. 4 bis 7 beschrieben, in denen lediglich die betroffenen Kugeln aus Vereinfachungs- und
Klarheitsgründen dargestellt sind.
Der radiale Trägheitskraftvektor F1. des Käfigs wirkt
auf den inneren Laufring 12 am Punkt 22 und erzeugt eine Käfigunwuchtkraft, die, wenn sie nicht kompensiert
wird, auf die Lagertragsirukiur über die Kugeln übertragen würde, wodurch sich unerwünschte äußere
Schwingungen und Vibrationen ergeben. Es ist festzustellen, daß dieser Vektor Kraftkomponenten in zwei
orthogonalen Richtungen hervorruft, und zwar auf Grund der radialen Käfigverschiebung entlang des
Momentvektors Mc, der durch das vorstehend beschriebene
Kippmoment Mc hervorgerufen wird. Wie es in den Figuren 4 und 6 dargestellt ist, wird die eine Komponente
als eine horizontale Komponente FCfl auf
Grund der horizontalen radialen Verschiebung des Käfigs bezeichnet (Fig. 4), während die andere als vertikale
Komponente FC(. auf Grund der vertikalen Verschiebung
α des Käfigs bezeichnet wird (Fig. 6). Die
horizontale Komponente FCH weist eine vorgegebene
Größe auf und wird durch eine Verschiebung der Kugeln 1 und 5 in Umfangsrichtung von der Durchmesserachse
y-y fort um einen Betrag kompensiert oder aus-
geglichen, derart, daß zwei kleine horizontale Komponenten aus den radialen Trägheitskraftvektoren Ffi| und
Fe, dieser Kugeln erzeugt werden. Weil die horizontale
Komponente Fw bezogen auf die Achse y-y der Lageranordnung
nach rechts gerichtet ist, werden diese Kugeln zur linken Seite dieser .y-jv-Achse verschoben.
Die Verschiebungswinkel sind ß\ und ß5 und werden
aus der folgenden Gleichung bestimmt:
FCH =
sin/,
= Fg5 sin ß5.
Daher können nach Kenntnis der Größe der erforderlichen Kompensationskraftvektoren, die von den
Kugeln 1 und 5 erzeugt werden müssen, d. h. der Größe FCH/2, die Winkelverschiebungswinkel beiirijß] und./J5
der Taschen der Kugeln 1 und 5 unter Verwendung der oben angegebenen Gleichung bestimmt werden. Damit
wird die radiale Trägheitskraft-Vektorkomponente FCH,
die von der exzentrischen Käfigmasse erzeugt wird, durch das Paar von gleichen und entgegengesetzten
Kraftvektoren FCH/2 kompensiert, die durch die versetzten
Taschen für die Kugeln 1 und 5 hervorgerufen werden. Es ist weiterhin zu erkennen, daß
F8, COSjß, = FBi COSjS5
so daß sich keine Unwucht der radialen Trägheitskräfte der Kugeln 1 und 5 ergibt. Diese Kraftkompensation ist
grafisch in den Fig. 1OB und IOC dargestellt, in denen
die Trägheitskraftvektoren Fß| und FSj etwas winkelmäßig
verschoben sind, um ein geschlossenes Kraftpolygon aufrechtzuerhalten.
Die vertikale Komponente FCv des Zentrifugalkraftvektors
F1. des Käfigs wird in ähnlicher Weise kompensiert
und es wird im folgenden auf die Fig. 6 und 7 Bezug genommen. Wie es weiter oben ausgesagt wurde,
wird diese Vektorkomponente durch die radiale Verschiebung des Käfigs in Vertikalrichtung gemäß den
Figuren hervorgerufen und diese Verschiebung ergibt sich aus den Auswirkungen der Drehung oder der Winkelgeschwindigkeit
ω der Kugeln 2,3, 4,6,7 und 8 und
des Kontaktes 22 mit der inneren Laufbahnschulter. Lediglich die Kugeln 3 und 7 sind aus Klarheitsgründen
dargestellt, und die Kompensation kann durch ausschließliches Verschieben dieser Kugeln durchgeführt
werden. Wie es jedoch noch weiter unten erläutert wird, müssen die Wirkungen des verschobenen Käfigs auf die
Kugeln 2, 4, 6 und 8 berücksichtigt werden, wenn die Verschiebung der Kugeln 1,3, 5 und 7 berechnet wird.
Die nach unten gerichtete Verschiebung des Käfigs 16 wird durch die Kraftvektoren Fp3 und Fp1 nach Fig. 6
hervorgerufen, wobei sich diese Verschiebungsrichtung für eine Drehung des Käfigs im Gegenuhrzeigersinn
ergibt. Die Verschiebung kehrt sich selbstverständlich für eine Drehung des Käfigs im Uhrzeigersinn um. Wie
vorher werden die Kompensationskräfte aus den radialen Trägheitskräften der Kugeln 3 und 7 abgeleitet, die
durch die jeweiligen Vektoren FSj und Fg7 dargestellt
sind. Die Verschiebungswinkel sind JS3 undjö7 und werden
aus der folgenden Gleichung bestimmt:
FCy = FB. sin Ai + Fs7 sin.#7
oder
— CJ- = FB} si
= Fa, sin βη.
Es ist wiederum zu erkennen, daß
Es ist wiederum zu erkennen, daß
Fe, cos A
ist.
Wenn daher die Größe des radialen Trägheitskraftvektors FCv der Kugel bekannt ist, die erforderlich ist,
um die gewünschte Kompensation durchzuführen, so können die Winkelverschiebungswinkel^ undjS7 unter
Verwendung der oben erwähnten Beziehung bestimmt werden. Die Kraftkompensation ist wiederum grafisch
in den Fig. 1OB und IOC gezeigt, in denen die Kraftvektoren
Fg3 und F87 für eine Drehung im Uhrzeigersinn
i=> bzw. im Gegenuhrzeigersinn etwas winkelmäßig verschoben
sind, um einen geschlossenes Lagerkraft-Polygon aufrechtzuerhalten.
Es ist aus den F i g. 8 und 9 ersichtlich, daß die Kugeln 2,4,6 und 8 sich aus ihrer Lage als Ergebnis der beiden
Jd Komponenten der Käfigverschiebung herausverschieben,
die durch die Trägheitskraftkomponenten FCH und
Fn, hervorgerufen wird. Diese Käfigverschiebung ruft
ein Ungleichgewicht der radialen Trägheitskraftvektoren Fe2, Fe4, Fe6 und Fe8 hervor und die resultierenden
> Kräfte sind in die Berechnung der Verschiebungswinkel
ßußi,ßs undj87 aufgenommen. Die Verschiebung dieser
primären Kugel-Trägheitskraftvektorpositionen ist auf die Winkel A Φ2, A Φ4, A Φ6 und A Φ8 bezogen, und
die folgenden Beziehungen können verwendet werden,
to um ihre jeweiligen Kompensationskräfte unter der Annahme zu berechnen, daß + Σ FH nach rechts und
+ Σ Fv nach oben in F i g. 8 verläuft, wobei die Indizes R
und L rechts bzw. links bezeichnen.
ΣFH = Fs3 cos (45 - ΑΦ2) + F8A cos (45 - ΑΦ4) - FBk cos (45 + ΑΦ6) - FBs cos (45 + ΑΦ»)
Fe2 =
= Fe8 = Fs; ΑΦ2 = ΑΦΛ = ΑΦΚ
ΑΦ6 = ΑΦ% =
Σ FH = 1FB cos (45 - A ΦΛ) - 2FB cos (45 + A Φ[)
wenn die Verschiebung klein ist (d. h. > 0,25 mm) so ist: ΑΦΚ = ΑΦι = ΑΦ
V; FH = 2FB cos (45 - ΑΦ) - cos (45 + ΑΦ) = 2,83Ffl sin Λ Φ.
In ähnlicher Weise kann gezeigt werden, daß
Obwohl diese Beziehungen und Betriebsprinzipien für eine Lagerfüllung mit acht Kugeln beschrieben sind,
sind die Grundgedanken für beliebige Anzahlen von Kugeln gleich.
Im Vorstehenden wurde ein vollständig dynamisch kompensiertes Schrägkugellager beschrieben, bei dem
der Käfig derart ausgebildet ist, daß die Massenposition aller Kugeln und des Käfigs bekannt und konstant sind
und bei der die Umfangspositionen der Kugeln derart sind, daß die radialen Trägheitskräfte der Kugeln und
des Käfigs alle ausgeglichen sind, so daß im Betrieb das Schrägkugellager keine Quelle von Schwingungen ist
und keine derartigen Schwingungen auf die Halterung oder auf die gehalterte Anordnung überträgt. Die vorstehenden
Merkmale ergeben weiterhin eine erheblich verbesserte dynamische Stabilität des Schrägkugellagers.
Die wesentlichste Ursache der dynamischen Instabilität ist die Wirbelcharakteristik des Käfigs, die
nahezu immer bei üblichen Kugellagern der eingangs erwähnten Art vorhanden ist, die jedoch nicht immer
feststellbar oder hörbar sein kann. Die Käfiginstabilität ist fast immer vorhanden, wenn die Kugel-/Kugeltaschen-Kräfte
und/oder Käfig-ZLaufbahnschulter-Kontaktkräfte nicht beständig sind. Beispielsweise kann
eine nahezu ruhende Instabilität plötzlich auf Grund einer kleinen Änderung der Schmiermittelverteilung
deutlich werden, die diese Kontaktkräfte ändert. Wenn eine große Instabilität für irgendeine Zeitdauer
andauern kann, können die sich daraus ergebenden Käfig-Laufbahnschulter-Aufschlagkräfte und das Rutschen
der Kugeln zu einem vorzeitigen Ausfall des Lagers, zu einem höheren Drehmoment und zu unerwünschten
Schwingungseigenschaften führen.
Es ist zu erkennen, daß viele der vorstehend beschrie-
Es ist zu erkennen, daß viele der vorstehend beschrie-
H) benen Merkmale des dynamisch ausgewuchteten
Schrägkugellagers beträchtlich verbesserte Kugel-/ Kugeltaschen- und Kugelkäfig-ZLaufbahnschulter-Kontakteigenschaften
ergeben und daß daher die gleichen Merkmale zu einer beträchtlich verbesserten dynamisehen
Lagerslabilität beitragen. Das Merkmal, das am meisten zur verbesserten dynamischen Stabilität beiträgt,
ist der eine Massenexzentrizität aufweisende Käfig. Es können jedoch einige der übrigen konstruktiven
Käfigmerkmale erforderlich sein oder auch nicht und zwar in Abhängigkeit von der Lagergröße und der
Betriebsumgebung. Beispielsweise kann es sein, daß die axialen Stirnflächenstufen 25 und 26 des Käfigs, die das
Kippmoment hervorrufen, bei sehr kleinen Lagern nicht erforderlich sind, sie sind jedoch normalerweise
2=1 bei größeren Lagern und insbesondere bei Lagern erforderlich,
die bei Anwendungen mit fehlender Schwerkraft betrieben werden, wie z. B. im Weltraum. Weiterhin
kann, wenn das Lager sehr klein ist, die Präzisionsbearbeitung der Kugeltaschen-Mittellinien derart, daß
in sie sich mit der Laufbahn-Drehachse 35 schneiden,
nicht so genau durchgeführt werden müssen, oder sie kann sogar entfallen. Ein weiteres Käfigmerkmal, nämlich
die Hinterdrehung 29 des inneren Durchmessers kann entfallen, wenn die entsprechende innere Lauf-
J5 bahnschulter hinterdreht wird, damit das Kippmoment
wirksam sein kann.
Hierzu 7 Blatt Zeichnungen
Claims (1)
1. Schrägkugellager mit einem äußeren Lagerring mit einer äußeren Laufbahn mit Laufbahnschultern,
einem inneren Lagerring mit innerer Laufbahn mit Laufbahnschultern, einem allgemein zylindrischen
Lagerkäfig, der zwischen den beiden Lagerringen angeordnet ist und eine entsprechende Vielzahl von
ungleichmäßig über den Umfang verteilten, sich radial erstreckenden zylindrischen Taschen zur Festlegung
der relativen Winkelpositionen der Kugeln aufweist, wobei der Lagerkäfig im Betrieb bei einer
exzentrischen Auslenkung über eine punktförmige Oberfläche des Käfigs eine Laufbahnschulter einer
der Laufbahnen berühren kann, dadurch gekennzeichnet,
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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8127 | New person/name/address of the applicant |
Owner name: SPERRY CORP., 10104 NEW YORK, N.Y., US |
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8110 | Request for examination paragraph 44 | ||
8125 | Change of the main classification |
Ipc: F16C 33/38 |
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D2 | Grant after examination | ||
8364 | No opposition during term of opposition |