DE2558195A1

DE2558195A1 - Fuehrungsvorrichtung mit auf einer welle laufenden kugeln

Info

Publication number: DE2558195A1
Application number: DE19752558195
Authority: DE
Inventors: Denis Borel
Original assignee: Individual
Current assignee: FAG Schweiz
Priority date: 1974-12-24
Filing date: 1975-12-23
Publication date: 1976-07-08
Also published as: FR2296123A1; DE2558195C2; FR2296123B1; CH579721A5

Description

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Denis BOREL, St. Blaise (Schweiz)

Führungsvorrichtung mit auf einer Welle laufenden Kugeln

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur axialen und drehbaren Führung mit linear unbegrenzter Verschiebbarkeit durch Kugelberührung auf einer ¥elle, mit einer äusseren rohrförmigen Hülse, mitjeinem rohrförmigen Käfig im Inneren der Hülse, in velchem Kugeln in geschlossenen Umlaufwegen angeordnet sind, wobei die Hülse in ihrem Inneren weiterhin Arbeitsbereiche aufweist, welche die Berührung der Kugeln zwischen Achse und Hülse gewährleisten, sowie Freigabebereiche, welche den Rücklauf der Kugeln gestatten.

Man kennt bereits Vorrichtungen zur linearen Führung mit Kugeln, die die verschiedensten Bezeichnungen aufweisen, beispielsweise Axialkugellager, Lager mit unbegrenzter linearer Verschiebung, Kugelbüchsen, Kugelumlaufbüchsen, Kugellager usw. Diese Bezeichnungen beziehen sich sämtlich auf die gleiche Funktionsweise, nämlich die Führung eines zylindrischen Elementes mittels Kugeln auf einer ¥elle, wobei die Kugeln auf einem oder

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mehreren endlosen Yegen umlaufen, wobei ein unbegrenzter Laufweg resultiert. Dieses System verleiht der seitlichen Bewegung die Vorteile, welche denjenigen der Kugellager vergleichbar sind, die nur für eine Drehung vorgesehen sind, beispielsweise den niedrigen Reibungskoeffizienten, die Funkti ons sicherheit und die grosse Lebensdauer.

Das Axialkugellager ist seit mehreren Jahrzenten bekannt. Es wurde laufend verbessert und ersetzt heute mit Vorteil andere Lagerformen, beispielsweise Gleitlager, Büchsenlager, geschabte oder geschliffene Lager, Rollenführungen usw.

Es ist heute bekannt, dass die Forderungen, welche an ein Kugellager gestellt werden, sehr vielfältig sind. Um dieses Lager an neue Anwendungsformen anzupassen, var es notwendig, neuartige Kugellager zu entwickeln, welche den neuen Anforderungen besser entsprechen.

Für die Anwendungen axialer Kugellager bestehen zwei Arten von Anforderungen:

1. Das normale Lager, beispielsweise für den Ersatz normaler Lager, für Bedienungshebel usw. Für diese Lager ist eine mittlere Präzision ausreichend. Diese Art von Lagern ist zur Zeit in vielen Varianten handelsüblich, und die weitere Forschung orientiert sich insbesondere in Richtung der Einsparung von Herstellungskosten.

2. Die Präzisions-Kugellager, welche insbesondere in Verkzeugmaschinen, auf dem Gebiet der Optik, der Elektronik, den Messinstrumenten, den Laboratoriums-Prototypen usw. verwendet wird. Für diese Art Lager sind hohe Führungsqualitäten erforderlich. Die Forschungen auf diesem Gebiet richten sich auf die technische Verbesserung, welche das Verhalten der Lager höchsten Ansprüchen genügen lässt.

Yegen seines Aufbaues erlaubt das axiale Lager keine Drehung. Yenn man es jedoch mit einem bestimmten Spiel auf seiner Velle anordnet, ist es möglich, eine Drehbewegung durch das Glei-

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ten der Kugeln zu erhalten, wobei die Reibung proportional der Belastung ansteigt. Bei dieser Drehung findet überhaupt kein Abrollen der Kugeln statt, und daraus resultiert das bekannte schlechte Drehverhalten.

Im Falle eines mit Kugeln versehenen Käfigs derart,wie sie für Säulenführungsgestellen verwendet werden, ist eine Rotation und eine lineare Verschiebung möglich; die Axialverschiebung ist jedoch begrenzt, weil sich der Käfig in Richtung der Bewegung verschiebt. Bei einer grösseren Axialverschiebung tritt das oben beschriebene Gleiten mit den gleichen Nachteilen ein.

Eine andere Möglichkeit besteht darin, ein Radiallager auf einem Axiallager anzubringen. Diese Ausführungsart ist handelsüblich; der hauptsächliche Nachteil ist der grosse äussere Platzbedarf. Ein weiterer wichtiger Nachteil ist die Schwierigkeit, einen präzisen Verbund zu erhalten, da das äussere Lager oft ein grösseres Spiel aufweist und die Gefahr besteht, dass bei der Kombination sich die Fabrikationsfehler addieren.

Man kennt weiterhin ein Lager, welches auf einem System mit in zwei Etagen angeordneten Nadeln beruht, die als Umlaufwege für Kugeln dienen, wobei das ganze in einem Käfig angeordnet ist. Dieses relativ komplexe und platzaufwendige System bietet nur eine geringe Führungspräzision, und das ganze ist Fehlern hinsichtlich Ausrichtung und Konzentrizität unterworfen.

Es sind bereits Lager vorgeschlagen worden, welche eine axiale und rotative Bewegung gestatten und Kugelumlaufwege aufweisen, welche unregelmässig in einem Käfig angeordnet sind, der sich zwischen einem äusseren und einem inneren Organ befindet, wobei eines dieser Organe mit zurückgesetzten Bereichen ausgestattet ist, damit die Kugeln mit den beiden Organen nur in einer Laufrichtung in Berührung stehen. Dieses Lager hat nicht zu befriedigenden Ergebnissen geführt, denn es bestehen Stellungen des Käfigs, bei denen nur drei Kugelumlaufwege einen Kontakt zwischen den beiden Organen herstellen, was natürlich ganz unzureichend

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Zusammengefasst sei festgestellt, dass bei sämtlichen bekannten Lagern die Anzahl der Kuge!umlaufwege zu gering und die tragende Länge der letzteren in Bezug auf die Gesamtlänge des Lagers zu kurz ist. Die Anzahl der Kugeln in Arbeitsstellung ist daher unzureichend, und die Genauigkeit lässt oft zu wünschen übrig. Die festgestellten Nachteile sind die folgenden:

- fehlende Starrheit des Lagers bereits bei mittleren Belastungen;

- zu grosser Druck pro Kugel;

- Ermüdung und Abnutzung der Kugeln;

- Eindrücken der Kuge11aufwege, wobei Rinnen entstehen, die die Genauigkeit der Führung beeinträchtigen;

- zu grosser Platzbedarf;

- Konzentrizitäts-Genauigkeit oft unzureichend;

- stossweiser und vibrierender Lauf.

Aufgabe der Erfindung war die Schaffung einer axialen und rotativen Führungsvorrichtung, welche die bestehenden Vorrichtungen ersetzen kann und dabei die geschilderten Nachteile vermeidet. Das neue Lager hat folgende Vorteile:"

- eine erhöhte Anzahl von Laufwegen für die Kugeln, die sich in Arbeitsstellung befinden, wobei der korrekte Kugeldurchmesser beibehalten wird.;

- eine grössere Tragelänge der Kuge1laufwege;

- einen kleineren Platzbedarf, d.h. ein Verhältnis aus Aussendurchmesser und ¥ellendurchmesser, welches günstiger ist;

- eine Einstellpräzision auf der Yelle in der Grossen— Ordnung von Mikrometern;

- eine grosse Konzentrizitäts-Präzision;

- die Möglichkeit einer getrennten oder gleichzeitigen Rotation bei einer linearen unbegrenzten Verschie-

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bung, wobei die gleichen Kugeln für diese beiden Bewegungen verwendet werden, und wobei der geringe Platzbedarf beibehalten wird. Die erfindungsgemässe Vorrichtung zur axialen und

rotativen Führung mit linear unbegrenzter Verschiebung ist dadurch gekennzeichnet, dass die geschlossenen Kugelumlaufwege im Käfig gemäss einer regelmässigen ¥inkelteilung angeordnet ist,

tun höchstens 3 Einfielt en/ wobei die Anzahl E dieser ¥ege!von der Anzahl H der Freigabebereiche oder der Arbeitsbereiche verschieden ist, welche ebenfalls regelmässig im Inneren der Hülse verteilt sind.

Nach weiterer Erfindung ist die Anzahl H der Arbeitsbereiche oder der Freigabebereiche um eine Einheit kleiner als die Anzahl E der Kugelumlaufwege, und der Zentrumswinkel ^t/2, welcher durch die zwei geradlinigen Bereiche eines Kugelumlaufweges definiert ist, beträgt 360/2H und ist die Hälfte des Zentrumswinkels, der durch den Veg zwischen zwei Arbeite- oder Freigabebereichen definiert ist, wobei der Zentrumswinkel, definiert durch einen Freigabebereich, cL/2 +£ - 36O/2H -t- £ beträgt, wobei B ein Vinkelspiel ist, welches durch den Ausdruck 36O/2EH - £ - 360/EH definiert ist.

Die Hülse weist an ihren beiden Enden innere Bereiche in Form eines-Kegelstumpfes auf, die Rampen für den Aufstieg und den Abstieg der Kugel« gegenüberliegen, wobei die Rampen an den Enden des Käfigs angeordnet und in den Käfig derart eingefräst sind, dass der höchste Punkt der Kugeln auf-dem ganzen Laufweg der Rampen an einer konstanten Stelle zwischen den kegelstumpfförmigen Bereichen der Hülse liegt.

Der Käfig ist seitlich mittels zweier Endanschläge in seine Lage gebracht, die die Form von Ringdeckeln haben und aus selbstschmierenden ¥erkstoffen hergestellt sind. Sie sind an der Hülse oder am Käfig befestigt,wobei das Spiel zwischen der Deckelbohrung und der ¥elle, auf welcher die Vorrichtung arbeitet, etwa 1/100 bis 1/200 des ¥ellendurchmessers beträgt.

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Die Zeichnung stellt Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes dar. Ausserdem sind Detailvarianten und schematische Erklärungen der Punktion dargestellt. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine teilgeschnittene Seitenansicht der erfindungsgemässen, auf einer Velle montierten Vorrichtung, Fig. 2 einen Schnitt gemäss der Linie II-II in Fig. 1,

Fig. 3 eine Detailansicht, in welcher in einem Schnitt parallel zur ¥elle ein Endbereich der Vorrichtung gezeigt ist, in -welchem die in den Kugelkäfig gefrästen Aufstiegs— und Ab— stiegsrampen der Kugeln zu sehen sind,

Fig. 4 eine Ansicht des ¥eges der Kugeln in der Auf— stiegsrampe und der Abstiegsrampe im Kugelkäfig,

Fig. 5 schematisch eine Draufsicht und einen Schnitt der Lage der Kugelumlaufwege im Käfig bezüglich den Arbeitsbereichen in der Hülse der Vorrichtung gemäss Fig. 1 bis 4, wobei die Kugelumlaufwege und die Arbeite- und Freigabebereiche ausgebreitet und nebeneinander dargestellt sind,

Fig. 6 schematisch die Anordnung der Kugelumlaufwege bezüglich den Arbeitsbereichen der Hülse einer Variante der Vorrichtung gemäss Fig. 1 bis 4, wobei die Kugelumlaufwege und die Arbeitsbereiche gegenüber der Achse des Elementes geneigt sind,

Fig. 7 schematisch die Lage der Kugelumlauf wege bezüglich der Arbeitsbereiche einer Variante/ der Vorrichtung, wobei zwei Reihen von Umlaufwegen und Arbeitsbereichen, vorgesehen und geneigt sind, und wobei diese Bereiche gegeneinander versetzt angeordnet sind, und . . - Γ: * - =_ * - -.

Fig. 8, 9 und 10 im Schnitt Aufbauvarianten der Endanschläge in der Hülse der erfindungsgemässen Vorrichtung.

In Fig. 1 bis 4 ist eine erfindungsgemässe, zur axialen und rotativen Führung dienende Vorrichtung 1 auf einer ¥elle 2 montiert dargestellt. Die Vorrichtung 1 weist eine Rohrhülse 3 aus Stahl auf, welche im Inneren Arbeitsabschnitte 4 (Fig. 2) enthält, die den gleichen Abstand voneinander haben und

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die gleiche Grosse besitzen. Diese Arbeitsbereiche 4 sind durch die Freigabebereiche 5 getrennt, welche ebenfalls gleiche Grosse haben und gleichen Abstand voneinander besitzen. Die Bereiche 4 und 5 befinden sich auf zwei unterschiedlichen Durchmessern, wobei der Unterschied der Durchmesser etwa 1/20 des Durchmessers einer Kugel ist. Die Gruppe der Arbeitsbereiche 4, die sich auf dem kleinen Durchmesser befinden, ist nach einem besonderen Verfahren geschliffen und gewährleistet die Berührung der Kugeln in Arbeitsstellung. Demgegenüber lässt die Gruppe der Freigabebereiche 5 auf dem grossen Durchmesser eine radiale Passage für den Eücklauf der Kugeln frei. Die Bereiche 4 und 5 sind geradlinig und parallel zur Achse der Vorrichtung. Ihre Länge hat einen Wert, der bis zu 85 i° der Länge der Vorrichtung 1 betragen kann. An jedem Ende der Hülse 3 befinden sich kegelstumpfförmige Bereiche 6 mit einem Oeffnungswinkel 4 (Fig. 3), welcher dem Aufstiegswinkel der Kugelwege im nachstehend beschriebenen Käfig entspricht. Die Bereiche 6 sind mit einer grossen axialen und radialen Präzision angeordnet. Die Hülse 3 weist an jedem Ende kurze zylindrische Bereiche 7 bzw. 8 und 9 auf, welche Ringlager aufnehmen können. Die Hülse 3 besitzt weiterhin eine Oeffnung 10 (Fig. 1. und 2) welche radial mit einem Durchmesser angebracht ist, der denjenigen einer Kugel etwas übersteigt, und die mit einer Schraube -11 verschlossen ist.. Diese Oeffnung dient zur Einführung der letzten .Kugeln in. die Umlaufwege bei der Montage..

.Di« Seitßnränder 12 der Arbeitsbereiche-4 (Fig. 2) bilden die ,-Freigabepassagen zwischen den Arbeitsbereichen 4 und den Freigabebereichen 5 und sind ebene Flächen, deren Neigung senkrecht "iur Tangente steht, welche man von jedem Seitenrand 12 ■an die Kurve zeichnen kann, die vom Arbeitsabschnitt gebildet wird. Die Seitenränder 12 haben daher eine ebene Fläche, die radial nach dem Mittelpunkt der Vorrichtung gerichtet"ist.

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Zwischen der Hülse 3 und der Velle 2 befindet sich ein rohrförmiger Kugelkäfig 13 aus Stahl. In diesem Käfig 13 sind die Umlaufwege 14 für die Kugeln 15 angeordnet. Die ¥ege bestehen aus zwei gradlinigen und parallelen Stücken längs der Erzeugenden des Käfigs 13, welche den Käfig 13 im Inneren durchbrechen. Diese beiden geradlinigen Stücke haben eine Länge, die der Länge der Arbeitsabschnitte 4 der Hülse 3 entspricht. Sie sind durch eine Kurve an jedem Ende miteinander verbunden. Die beiden Kurven oder Schleifen des Umlaufweges bilden zwei Auf— stiegsrampen und zwei Abstiegsrampen, wobei die Kugeln 15 mit der Velle 2 nicht in Berührung sind. Die Bearbeitung der geradlinigen Abschnitte und der beiden Schleifen wird mit einer grossen Präzision in den drei Dimensionen ausgeführt und derart berechnet, dass die Schleifen passend den kegelstumpfförmigen Bereichen 6 der Hülse folgen, wobei jedoch ein konstantes radiales Spiel für die Kugeln freigelassen wird (Fig. 3). Der Zentrumswinkel ct/2, der den Abstand definiert, welcher die beiden geradlinigen Abschnitte jedes ¥eges voneinander trennt, hat den Vert 360 /2 (E-1) = 180°/(E-1), wobei E die Anzahl der geschlossenen Vege für den Kugelumlauf darstellt. Die geschlossenen ¥ege 14 sind über den Umfang des Käfigs 13 regelmässig verteilt und haben eine gegenseitige Vinkelanordnung, die durch 360 /E definiert ist. Die Anzahl der Arbeits- oder Preigabeabschnitte 4 bzw. 5 beträgt H, und H = E-1. Die Gesamtlänge eines Umlaufweges ist derart berechnet, dass sie einem Mehrfachen des Kugeldurchme.ssers entspricht,\S Vobei ein endgültiges_Spiel für die HersteJ-lungs— und Arbeits—' T toleranzen eingehalten wird. Zur Ausführung'dieser Berechnung "^; muss man die Länge in Betracht ziehen, welche"auf die Schleifen entfällt. Das seitliche Kugelspiel in den Umlaufwegen beträgt etwa das 0,02-fäche des Durchmessers einer Kugel. Sämtliche Angaben betreffend den Zentrumswinkel der Kugelumlaufwege, der Arbeits- und Preigabeabschnitte, der Grosse der Kugeln bezüglich der-. Velle, das Spiel der Kugeln in den Umlauf wegen usw. werden

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_ C

weiter unten eingehend erklärt.

¥ie aus Fig. 2, 3 und 4 hervorgeht, stellen die geradlinigen Abschnitte der Kugelumlaufwege 14 Ausnehmungen dar, welche den Käfig 13 vollständig durchdringen, derart, dass die Kugeln 15 in Kontakt mit der ¥elle 2 und der Hülse 3 durch die Ausnehmungen der mittleren Bereiche 14 des Käfigs 13 treten können. An seinen Enden ist der Käfig 13 mit einer Aufstiegs— oder Abstiegsrampe 16 bzw. 17 ausgerüstet (Fig. 1 und 3), welche eine Schleife bildet, die den Kugeln eine Richtungsänderung um 180 erlaubt. Bei 18 (Fig. 3) verlassen die Kugeln 15 die ¥elle 2 und beginnen den Aufstieg auf die Rampe 16 oder 17. Man sieht, dass die Lage der beiden Rampen 16 und 17 einen Aufstiegswinkel bildet, der mit dem Oeffnungswinkel des Kegelstumpfes 6 der Hülse 3 übereinstimmt, wobei genügend Material stehen bleibt, um die Mittelzunge 19 (Fig. 1) jedes Kugelumlaufweges 14 zu halten. Der Winkel G? kann beispielsweise zwischen 7 und 20 betragen.

In Fig. 4 bezeichnet 20 die Linie, welche vom Schwerpunkt einer Kugel 15 beschrieben wird, die die Berührung zwischen der ¥elle 2 und der Hülse 3 verlässt, um auf die Rampe bei 21 aufzusteigen, über die erste Rampe 16 zu laufen, wo sie ihre Richtung um 90 ändert, bei 22 am höchsten Punkt der Rampe 16 anzugelangen, und dann auf der Rampe 17 abzusteigen, um sie bei 23 zu verlassen und wieder in Berührung mit der ¥elle 2 zu treten, Auf der Rampe 17 tritt ein erneuter Richtungswechsel um 90° ein.

Die Rampen 16 und 17 sind derart ausgebildet, dass bei einem Lauf der Kugel 15 über diese Rampen.sie,stets im gleichen Abstand von der Hülse 3 bleibt, ohne diese jedoch zu berühren. Das konstante radiale Spiel zwischen dem höchsten Punkt der Kugel 15 und dem kegelstumpfförmigen Bereich 6 der Hülse 3 kann dadurch verwirklicht werden, dass man eine Materialbearbeitung vornimmt, die aufgrund eines Sinusabschnittes berechnet ist, welcher durch die Linie 20 zwischem dem Aufstiegspunkt 21 und dem Abstiegspunkt 23 verläuft. Die Sinuskurve in Fig. 4

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projiziert sich in eine Linie 24 (Fig. 3) in einer radialen Ebene,die durch die Achse des Elementes 1 geht, wobei die Linie 24 mit der Velle 2 einen Vinkel Cf bildet (Fig. 3), der mit dem Vinkel ψ identisch ist, der durch die Velle 2 und die Kegelfläche 6 gebildet wird. Auf diese Veise bleibt das Spiel zwischen dem höchsten Punkt der Kugeln 1 5 und dem kegelstumpfförmigen Bereich 6 der Hülse 3 stets konstant. Dieses Spiel liegt in der Grössenordnung von 1/20 bis 1/30 des Kugeldurchmessers.

Der Kugelkäfig 13 ist schwimmend auf der Velle 2 gelagert, d.h. der hat mit dieser Velle 2 ein Spiel, welches'im allgemeinen 1/100 bis 1/200 des Durchmessers der Velle 2 beträgt.

Die beschriebene Ausführungsform weist zehn Arbeitsund Freigabeabschnitte H und elf geschlossene Kugelumlaufwege E auf. Sie entspricht daher der Beziehung H = E-1 . Da E eine ungerade Zahl ist, beträgt die Anzahl der Vege der Kugeln, die sich im Arbeitsabschnitt befinden, E—1 = H, d.h. sämtliche Arbeitsabschnitte weisen eine Kugelreihe unter sämtlichen Funktionsbedingungen auf. Diese Tatsache geht aus Fig. 5 hervor, welche elf Kugelumlaufwege 14 zeigt, welche in einer Ebene ausgebreitet dargestellt sind, sowie zehn Arbeitsabschnitte 4. Aus Fig..5, geht weiterhin hervor, dass sämtliche Umlaufwege ausser einend sind und in Betrieb bleiben, wenn man die Kugelwege 14 bezüglich der Abschnitte 4 verschiebt. Diese Vorrichtung, die unter Bezugnahme auf Fig. 1 bis 5 beschrieben ist, stellt einen optimalen Fall dar, welcher vorliegt, wenn die Regel. H = E-1 erfüllt ist, wenn E ungerade ist und wenn die Anzahl der Vege E grosser als ist.

Der Käfig 13 wird in der Hülse 3 durch zwei Endanschläge 30 und 31 (Fig. 1) gehalten, welche die Form von Ringdeckeln haben, die in die Endbereiche der Hülse 3 eingepresst sind. Die Endanschläge 30 und 31 sind aus selbstschmierendem Verkstoff hergestellt, beispielsweise Bronze. Die freien End-

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räume 32 und 33, velche durch zylindrische Ausnehmungen der Kontaktflächen der Hülse 3 und der Anschläge 30 und 31 gebildet sind, können mit Kunststoff gefüllt werden, der in die Ringräume 32 und 33 durch nicht dargestellte Oeffnungen in der Hülse 3 eingebracht werden kann. Die Anschläge 30 und 31 dienenjals Endlagerung des Käfigs, dessen radiale Lage durch die Yelle 2 gebildet vird, auf der die Vorrichtung arbeitet (Spiel 1/100 bis 1/200 des Durchmessers der ¥elle 2).

Die beschriebene Vorrichtung weist die folgenden Besonderheiten auf:

a) Die geschlossenen Yege des Käfigs sind nach einer regelmässigen Vinkelverteilung angeordnet, wobei die Anzahl E dieser Yege von der Anzahl H der Arbeits- oder Preigabewege verschieden ist, welche ebenfalls regelmässig verteilt sind. Die günstigste Lösung bezüglich Mathematik und Praxis, welche auch für die Fabrikation vorgesehen wurde, ist der Unterschied einer Einheit, nämlich H = E—1. Der Zentrumswinkel cL, der durch den Yinkelabstand der Arbeits- oder Freigabebereiche gebildet wird, hat den Yert oc = 360 /H. Der Zentrumswinkel, der einem Freigabe— abschnitt entspricht, beträgt CC/2 +£, worin £ das Vinkelspiel 360°/2EH £ 6 £ 36O°/EH darstellt. Ausser den Ausführungen, wo eine grosse Anzahl von Kugelwegen vorgesehen ist ßä^10), und wobei man sich zwischen diesen beiden Yerten bewegt, sieht im allgemeinen ί ~ 360°/2EH = 180^o/EH vor, woraus sich für den Zentrumswinkel eines Arbeitsabschnittes der Vert <*· /2 - 18O°/EH = 180°/E ergibt.

b) Falls der Yert £ im Sinne der obigen Beschreibung erhöht werden muss, wird diese Erhöhung experimentell durch die Verminderung des radialen Spiels im Zeitpunkt des Umlaufwechsels in einem Umlaufweg bestimmt. Dieses Spiel berechnet sich nach der Formel

/((X/2)² + (X/2-b/2)2 _ x(x/2-b/2) Cos(<f/2)) - b/2

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worin X der Durchmesser der Ausnehmung der Vege und b der Durchmesser einer Kugel ist. Dieses Spiel muss > b/8O sein.

c) Man sieht, dass die Parallelität zwischen den geradlinigen Abschnitten der Umlaufwege und der Arbeitsabschnitte genau eingehalten werden muss. Der Zentrumsvinkel, der durch die Längsachsen der beiden geradlinigen Abschnitte eines Umlaufweges im Käfig gebildet wird, entspricht notwendigerweise dem Vert θά/2. Um die Präzision dieses Vertes aufrechtzuerhalten, ist das seitliche Spiel in den ¥egen das 0,02-fache des Durchmessers einer Kugel.

d) Die Kugeln haben einen Durchmesser, der zwischen dem 0,09- und dem 0,17-fachen des Durchmessers der Felle liegt.

e) Die Freigabeabschnitte der Hülse haben eine Tiefe zwischen dem 0,GL5- und QD25-fachen des Durchmessers einer Kugel, wobei die seitliche Freigabefläche radial derart gerichtet ist, dass der Zentrumswinkel konstant bleibt und von der Bearbeitung und den Toleranzen sämtlicher Arbeitsabschnitte unabhängig ist.

f) Die Enden der Hülse weisen eine Bearbeitung in Form eines Kegelstumpfes auf, wie oben beschrieben wurde.

g) Die Einfüllöffnung mündet in einen Freigabeabschnitt und wird durch eine Schraube verschlossen, die mit diesem Abschnitt fluchtet.

h) Die geradlinigen Abschnitte der Kugelwege im Käfig und der Freigabe- und Arbeitsabschnitte bilden bei bestimmten Ausführungsformen einen Yinkel <£> mit der Längsachse des Käfigs.

In Fig. 6 ist eine Variante dargestellt, bei welcher die Arbeitswege 4 der Hülse 3 ebenso wie die UmI auf we ge 14 der Kugeln einen Yinkel Q> mit der Längsachse der Vorrichtung bilden. Die Vorteile dieser Ausführungsform werden später erörtert.

i) Mehrere parallele Reihen von Kugelumlaufwegen 35, 36 (Fig. 7) und demgemäss von Freigabe- und Arbeitsabschnitten sind gemäss einer weiteren Variante auf der Länge des Käfigs und der Hülse angeordnet. Beim Vorliegen von zwei Reihen sind die Vege

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auf einer Reihe gegenüber den Vegen auf der anderen Reihe um einen Vinkel von 36O°/2E = 18O°/E versetzt (siehe P und P/2 auf Pig. 7), vobei aber die Reihen der Arbeits- und Freigabeabschnitte nicht gegenüber denjenigen der anderen Reihe versetzt sind. Bei Vorliegen einer Zahl N von Reihen werden diese gegenseitig um einen ¥inkel von 360 /NE versetzt.

Die beschriebene Vorrichtung arbeitet folgendermassen:

Die Kugeln eines Umlaufweges können wegen der beschriebenen mathematischen Beziehungen nur auf einem der beiden geradlinigen Abschnitte gleichzeitig in Berührung mit der ¥elle und der Hülse sein. Da die Zahlen H und E der Arbeitsabschnitte bzw. der Euge!umlaufwege unterschiedlich sind, ergibt sich eine gegenseitige unterschiedliche Vinkellage für jeden Kugelumlaufweg. Demgemäss schaffen die Auflagen, welche durch die Arbeitswege gebildet werden, ausgeglichene Berührungspunkte im Inneren der Hülse, ¥enn sich die Hülse gegenüber der Velle dreht (oder umgekehrt), laufen die Kugeln nicht längs der Umlaufwege um, und die Vorrichtung arbeitet wie ein gewöhnliches Drehkugellager, wobei sich der Käfig mit einer Differenzgeschwindigkeit bewegt. Venn sich die Hülse axial bewegt, laufen die Kugeln in den Umlaufwegen um. In denjenigen geradlinigen Abschnitten, in denen sie in Berührung mit der Velle und der Hülse sind, bewegen sich die Kugeln mit der halben Geschwindigkeit der seitlichen Hülsenverschiebung; in den anderen geradlinigen Bereichen verschieben sie sich im Gegensinn. Dank des Umlaufes der Kugeln entsteht keine Längsbewegung des Käfigs gegenüber der Hülse.

Bei einer kombinierten Bewegung dreht sich der Käfig, und gleichzeitig laufen die Kugeln in den Umlaufwegen um und rollen sich in Richtung der resultierenden Bewegung ab. In den Schleifenbahnen bewegen sich die Kugeln wegen der Zentrifugalkraft in den Rotationskegeln und verhalten sich wie in einer Radrennbahn.

Bei den Ausführungsformen, bei denen die Kugelumlaufwege und die Arbeits- und Freigabeabschnitte gegenüber der Längs-

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achse der Vorrichtung geneigt sind (Pig. 6), gelangen die Kugeln bei einer Axialverschiebung jede auf ihrer eigenen Bahn in Arbeitsstellung, weil sich der Käfig mit einer Geschwindigkeit dreht, die sich durch die Neigung der Umlauf wege gegenüber der Erzeugenden ergibt. Diese Neigung θ führt nur zu einem sehr, geringen Platzverlust und erlaubt die Anwendung der gleichen allgemeinen Formeln für die Berechnung. Durch seine Verteilung der Berührungspunkte auf einer Fläche erlaubt dieses Modell bei der ausschliesslich linearen Funktionsweise die Beseitigung von mehr als 80 % des Eindrückeffektes injden Kugelbahnen in den Arbeitsabschnitten und auf der Felle.

Falls man mehrere Reihen von Umlaufbahnen vorsieht, die gegenseitig über die Länge des Käfigs und der Hülse versetzt sind (Fig. 7), wie oben beschrieben ist, befinden sich die gegenseitigen Finkeisteilungen der Berührungspunkte einander gegenüber, wodurch man das Lager bedeutend stärker belasten kann.

Das Verhältnis zwischen dem Durchmesser der Kugeln und dem Durchmesser der Felle bestimmt die Anzahl der Umlaufwege und die Gesamtberechnung. Es sei betont, dass bei einer geraden Anzahl E von Umlaufwegen sich eine Veränderung der Fege in Berührung pro Phase von E nach E-2 ergibt. Bei einer ungeraden Zahl E ergibt sich keine Aenderung, und die Anzahl der Kugelwege in Berührung bleibt ständig auf dem Fert E-1.

Oben wurde bereits erwähnt, dass die Anzahl der Kugel— umlaufwege vorzugsweise grosser als 7 sein soll. Es wird nun eine Tabelle angegeben, in welcher das Verhältnis der Durchmesser d der Felle, auf welcher die Vorrichtung arbeitet, und dem Durchmesser b der Kugeln in Abhängigkeit von der Anzahl der Kugelum— laufwege dargestellt ist:

d/b ^ 6 und ^ 6,9 => E = 8 . d/b~ 6,9 und ^ 8 => E = 9 d/b £ 8 und ^ 8,8 => E = 10

d/b ^ 8,8 und^11 ^ E = 11

d/b>11 => E = 12

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Diese ¥erte vurden mit Abhängigkeit vom Radius der Endschleifen der Umlaufwege und der Festigkeit des Käfigs berechnet.

Es ist möglich, unter Vervendung der angegebenen Tabelle Vorrichtungen zu bauen, die auf ¥ellen mit einem Durchmesser zwischen 6 und 60 mm verwendet werden können, wobei die kleinsten Vorrichtungen acht Umlaufwege und die grössten deren zwölf aufweisen.

Die beschriebenen Vorrichtungen haben einen Aussendurchmesser, der bezüglich dem Durchmesser der Felle sehr günstig ist, beispielsweise: ¥ellendurchmesser 30 mm, Aussendurchmesser

Zusammengefasst findet die erfindungsgemässe Führungsvorrichtung insbesondere dort Anwendung, wo zwei Bewegungen vorhanden sind, nämlich Axial- und Drehbewegung sowie deren Kombinationen, insbesondere dort, wo eine grosse Präzision erforderlich ist und nur ein geringer Reibungskoeffizient toleriert werden kann.Die Vorrichtung arbeitet ausserordentlich gut, ohne Spiel oder mit einer geringen Vorspannung und selbst ohne Schmierung.

Fig. 8, 9 und 10 zeigen Varianten der Endanschläge, welche den Käfig in der Hülse halten. In Fig. 8 ist eine Variante gezeigt, welche es gestattet, am Ende der Vorrichtung eine Ringfläche aus Kunststoff anzubringen, auf welcher leicht die Modellnummer, die Marke usw. angebracht werden kann. In einer Ausnehmung 42 der Hülse 3 ist ein Anschlag 41 aus selbstschmxerendem Werkstoff, beispielsweise Bronze, eingebracht, und eine Ringdichtung 43 aus Gummi ist zwischen der Hülse 3 und dem Anschlag

41 angeordnet. Eine Kunststoffmasse 44 ist zwischen den Anschlag 41 und die Hülse 3 eingespritzt, um das ganze zusammenzuhalten.

In der Variante gemäss Fig. 9 ist ein Anschlag 45 aus selbstschmierendem ¥erkstoff an der Hülse 3 mittels der Schraube 46 befestigt. In der Variante gemäss Fig. 10 ist der Anschlag 47 nicht an der Hülse 3, sondern am Käfig 13 befestigt.

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Die beschriebenen Vorrichtungen weisen die folgenden Vorteile auf:

a) Umlauf der Kugeln in einem geschlossenen Veg, wobei das Spiel derart bestimmt ist, dass sich die Kugeln eine nach der anderen in einem konstanten Raum bewegen, wodurch der Auflauf der Kugeln unter Verklemmungen vermieden werden, was der Nachteil der meisten bekannten Lager mit Kugelumlauf ist.

b) Anordnung der Umlaufwege in einem geometrischen Raum, der derart raumsparend ist, dass sich die Anzahl der Um— laufwege, ihre Länge und demgemäss die Anzahl der Berührungspunkte multiplizieren lässt.

c) Rückkehr der Kugeln in die untere Stellung auf der gleichen Etage wie die Arbeitsstellung, woraus sich folgendes ergibt:

- geringer Platzbedarf, günstiger Aussendurchmesser im Verhältnis zum Vellendurchmesser;

- grösste Festigkeit der Hülse wegen des Fehlens tiefer Ausnehmungen in letzterer;

- radiale Einstellung der Kugeln in den geradlinigen Abschnitten durch die Velle und die Hülse, und zwar sowohl in der Arbeitsphase als auch in der Rückkehr— phase.

d) Grösste Arbeitslänge im Verhältnis zur Gesamtlänge der Vorrichtung.

e) Kugelkäfig aus Stahl, der durch seine grosse Festigkeit die obigen Vorteile b) und c) zu erreichen erlaubt und eine stärkere seitliche Abnutzung der Kugelumlaufwege verhindert.

f) Nach einem Sonderverfahren geschliffene Arbeitsabschnitte, wodurch eine hohe geometrische Präzision zustande kommt, welche ein Führungsspiel der Vorrichtung in der Grössenordnung eines Mikrometers erlaubt; die Oberflächenglätte erlaubt einen sehr weichen Betrieb der Vorrichtung und eine bessere Abnutzungsbeständigkeit.

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g) Aeussere Konzentrizität der Vorrichtung bezüglich der Yelle mit ausserordentlich grosser Präzision.

h) Möglichkeit, die Axial- und Radialbewegung getrennt oder gleichzeitig auszuführen.

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Claims

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PATENTANSPRÜCHE

1J Vorrichtung zur axialen und rotativen Führung mit Kugelberührung auf einer ¥elle und mit unbegrenzter linearer Verschiebbarkeit, welche eine äussere rohrförmige Hülse und geschlossene Kugelumlaufwege aufweist, welche in einen Käfig im Inneren der Hülse eingearbeitet sind, wobei die Hülse im Inneren Arbeitsabschnitte aufweist, in denen die Kugeln in Berührung mit der ¥elle und der Hülse sind, sowie Freigabeabschnitte, welche den Rücklauf der Kugeln gestatten, dadurch gekennzeichnet, dass die geschlossenen TJmlaufwege im Käfig eine regelmässige Vinkel-

\ um. weniger als 3 Einheiten, verteilung haben und dass die Anzahl E dieser Umlauf we geYvon der Anzahl H der Arbeits- oder Freigabeabschnitte verschieden ist, welche ebenfalls im Inneren der Hülse eine regelmässige Vinkel— verteilung aufweisen.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl H der Arbeits- oder Freigabeabschnitte um eine Einheit kleiner als die Anzahl E der Kugelumlauf wege ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch I₉ dadurch gekennzeichnet, dass mindestens acht geschlossene Kugelumlaufwege vorhanden sind.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Kugelumlaufweg aus zwei geradlinigen Stücken und zwei Endschleifen besteht, und dass der Zentrumswinkel ίί/2, der durch die beiden geradlinigen Stücke definiert ist, den ¥ert von 36O/2H aufweist und die Hälfte des Zentrumswinkels beträgt, der durch den Abstand zwischen zwei benachbarten Arbeits- oder Freigabeabschnitten gebildet wird, wobei der Zentrumswinkel eines Freigabeabschnittes <^/2 + £ = 360/2H + <? ist, worin C ein ¥inkelspiel ist, welches der Beziehung 360/2EHis £ ·£ 360/EH entspricht,
5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kugeln einen Durchmesser haben, der das 0,09- bis 0,17-fache des Durchmessers der ¥elle beträgt, auf welcher sie

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sich abwälzen.
6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Freigabeabschnitte der Hülse eine Tiefe haben,
welche das 0,1- bis 0,2-fache des Durchmessers einer Kugel ausmacht, und dass die Flanken der Freigabeabschnitte radial gerichtet sind.
7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Hülse an seinen Enden Innenflächen aufweist, die
die Form eines Kegelstumpfes haben und Aufstiegs— und Abstiegs— rampen für die Kugeln gegenüber liegen, welche an den Enden des Käfigs in der Kugelumlaufbahn vorgesehen sind, und dass die Aufstiegs- und Abstiegsrampen in den Käfig derart eingearbeitet sind, dass der obere Punkt der Kugeln auf der ganzen Länge der Rampen auf einem konstanten Abstand von der kegelstumpfförmigen Fläche der Hülse bleibt.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der konstante Abstand zwischen dem höchsten Punkt der Kugeln und den kegelstumpfförmigen Flächen etwa 1/20 bis 1/30
des Durchmessers der Kugeln beträgt.
9. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Käfig seitlich mittels zweier Endanschläge gehalten wird, die die Form ringförmiger Deckel haben, aus einem
selbstschmierenden ¥erkstoff hergestellt sind und an der Hülse
oder am Käfig angebracht sind.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass sich zwischen der Hülse und jedem Endanschlag eine
Kunststoffmasse befindet.
11. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Käfig mittels eines Spieles seiner Innenfläche
gegenüber der Welle, auf welcher die Vorrichtung arbeitet, in
seine Lage gebracht ist, und dass dieses Spiel etwa 1/100 bis
1/200 des Durchmessers der Velle beträgt.
12. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Einfüllöffnung vorgesehen ist, deren

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Durchmesser denjenigen der Kugeln etwas übersteigt, wobei die Oeffnung zum Einfüllen der letzten Kugeln in die Umlaufbahnen dient und die Einfüllöffnung durch eine Schraube verschliessbar ist.
13. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Arbeitsabschnitte und die Kugelumlaufbahnen zur Längsachse der Vorrichtung und untereinander parallel sind.
14» Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Arbeitsahschnitte und die Kugelumlaufwege den gleichen Vinkel mit der Längsachse der Vorrichtung bilden.
15. Vorrichtung nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Arbeitsabschnitte und die Kugelumlauf— bahnen in mindestens zwei Reihen über die Länge der Vorrichtung angeordnet sind, wobei die Arbeitsabschnitte oder die Umlaufbahnen jeder Reihe gegenüber denjenigen der anderen Reihe versetzt sind.
16. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Käfig und die Hülse aus Stahl bestehen.

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