-
Wälzlager
-
Die Erfindung betrifft konstruktive Maßnahmen speziell fAr Maschinenelemente
zum Tragen und FUhren von sich drehenden Wellen, Achsen, Zapfen und dergleichen,
insbesondere mit Wälzkörpern, vorzugsweise zur wesentlichen Erhöhung der Drehzahlen
der sich drehenden Elemente und zur wesentlichen Reduktion der Rollgeschwindigkeiten
ihrer Wälzkörper und deren Reibungskoeffizienten zwecks Verlängerung der Lebensdauer/Stunden
und Verbesserung der Tragsicherheit insbesondere auch bei hohen Wellendrehzahlen.
-
Mit dem techniechen Fortschritt werden auch in zunehmendem Maße an
Wälzlager, wie z.B. Kugel-, Rollen-, Kegelrollen-, Tonnen- und Nadellager und dergleichen,
Bedingungen gestellt, die sie in ihren herkömmlichen AusfUhrungsformen nur noch
bedingt oder nicht mehr erfüllen können.
-
Insbesondere bei hohen Tragzahlen sind hohen Drehzahlen sehr enge
Grenzen gesetzt. Oft muß auf eine große nutzwertvolle Drehzahlspitze verzichtet
werden oder es fällt ein wichtiges Projekt bzw. dessen wesentliche Vorteile, weil
die Lagerung von großen Lasten bei derzeit ungewöhnlichen, jedoch erforderlichen
Drehzahlen illusorisch ist.
-
Bei hohen Drehzahlen bisher bekannter Wälzlager entstehen naturgemäß
sehr hohe Rollgeschwindigkeiten derer Wälzkörper, wodurch der Reibungskoeffizient
insbesondere bei Belastung erheblich aneteigt und Anlaß zu starker Abnutzung gibt
und schließlich zur Zerstörung des Lagers führt.
-
Um diese und andere in der Fachwelt hinreichend bekannten Nachteile
und Grenzen zu beseitigen, wird erfindungsemä0 vorgeschlagen, Wälzlager oder dergleichen
zu schaffen, welche auch bei extrem hohen Bedarfsdrehzahlen und großer Belastung
einen relativ niedrigen Wert des Reibungskoeffizienten aufweisen, vorzugsweise dadurch,
daß die zur Rrzielung höcheter Drehzahlen erforderlichen Rollgeschwindigkeiten ihrer
Wälzkörper auf einen beliebigen oder erforderlichen Bruchteil reduziert werden.
-
Die Verminderung der Rollgeschwindigkeit der Wälzkörper kann man gemäß
der erfindung z.B. durch Dividieren der Wellendrehzahl in zwei oder mehrere Stufen
erreichen und zwar in der Weise, daß vorzugsweise die Welle, bzw. der am schnellsten
drehende Körper, selbst in einem drehbaren Ring oder dergleichen gelagert ist, dessen
effektive Bigendrehung wieder in einem drehbaren Ring oder im Lagergehäuse gelagert
ist. Geht man vom Lagergehäuse aus, in dem ein drehbarer Lagerring mit einem drehbaren
Lagerring zur Lagerung der Welle dient, so erreicht man eine mögliche Drehzahlsteigerung
in der 3. Potenz, sofern beispielsweise eine autosynchron mechanische Steuerung
der Drehzahlmultiplikation bzw. -division zur Brehzahlbestimmung speziell konstruktiv
beigeordnet ist.
-
Zur einfachen, in diese erfindungsgemäße Wälzlagermechanik einfAhrenden
Erläuterung kann man z.B. in einem Lagergehäuse einen drehbar gelagerten Lagerring
einbauen und in dieeen Ring die Welle drehbar lagern. Dreht man nun den drehbaren
Lagerring
beispielsweise mit nur 600 U/min und dreht man dann die in diesem Ring drehbar gelagerte
Welle ebenfalls mit einer effektiven Drehzahl von 6nn U/min gegenüber dem drehenden
Lagerring, so hat man eine Multiplikation der Drehzahl 60 mit sich selbst und eine
relative Drehzahl der Welle von 360.000 U/min mit einer effektiven Rollgeschwindigkeit
der Wälzkörper wie bei 600 U/min erreicht.
-
dividiert man die Wellendrehzahl erfindungsgemäß z.B. in drei Stufen
auf je 1/16 der vorherliegenden Stufe, so ergibt sich in umgekehrter Reihenfolge
die Drehzahl in 3.
-
Potenz von 16. In diesem Fall liegt die Rollgeschwindigkeit der Wälzkörper
trotz der ungewöhnlichen relativen Drehzahl von 245.760 U/min bei einer effektiven
Drehzahl von 16 'J/'s der Welle. Das entspricht der Hälfte der effektiven Winkelgeschwindigkeit
aller mittleren Radien zwischen den jeweiligen Innen- und Außenrollbahnen der Wälzkörperreihen
oder die wirkliche Rollgeschwindigkeit der Walzkörperreihen beträgt 480 U/min.
-
Ordnet man beispielsweise die Selbst steuerung der Drehzahl division
mit dem Faktor 2 an, so hat man in der vierten meilung der Wellendrehzahl 1/16 davon.
Daraus ergibt sich aus 16 U der Welle in der 4. Stufe nur 1 U Um die erfindungsgemäßen
Funktionen zum dividieren bzw.
-
potenzieren der Drehzahlen auch ohne besonderen Antrieb einer vorgegebenen
Drehung von Lagerringen zu erreichen, kann man z.B. die im Lager zwangsläufig entstehenden
Funktionen nutzen, indem man die in bekannten Wälzlagern grundsätzlich die Rollgeschwindigkeit
der in der Wellendrehrichtung entgegengesetzt rollenden Wälzkörper mit deren Käfig
durch ein- oder mehrfache Abstufung ihrer effektiven Bewegungsgeschwindigkeit auf
den nächsten Lagerzwischenring überträgt, so daß z.B. der der Welle am nächsten
liegende drehbare Lagerzwischenring 1/8 oder 1/16 der Wellendrehzahl zwanghaft einhält.
-
Bei einem drehbaren Lagerzwischenring zwischen Welle und Gehäuse beträgt
z.B. dessen mittlere Winkelgeschwindigkeit etwa die Hälfte der Winkelgeschwindigkeit
der auf der Welle sitzenden Rollbahn zur Reduktion der effektiven Rollgeschwindigkeit
der Wälzkörper. Bei zwei drehbaren Lagerzwischenringen im gleichen Stufenverhältnis
ergibt beispielsweise die jeweils effektive Grunddrehzahl in dritter Potenz die
relative Drehzahl der Welle, ohne daß die Rollgeachwindigkeit der Wälzkörper wie
bei der effektiven Grunddrehzahl erhöht wird.
-
Auf diese erfindungsgemäße Weise sind bei herkömmlich niedrigen Rollgeschwindigkeiten
der Wälzkörper theoretisch fast unbegrenzte relative Wellendrehzahlen möglich, wie
sie in der Praxis nicht mehr genutzt werden können, so daß auch die bestehende trägheit
großer Lagerdimensionen bei großen Lasten an sich kein hindernis für hohe drehzahlen
darstellt.
-
Gemäß der Erfindung kannman also die Rollgeschwindigkeit der Wälzkörper
und damit den Reibungskoeffizienten wesentlich vermindern und gleichzeitig die Drehzahl
und die Lebensdauer/3tunden gegenüber Walzlagern in bekannter Bauart vervielfachen.
-
In der Zeichnung sind einige AusfUhrungßbeispiele der Brfindung in
vereinfachter Weise dargestellt: Fig. 1 zeigt im Querechnitt ein Beispiel zur Drehzahlmultiplikation
mit Hauptlagerabschnitt 102 und Multiplikationsabschnitt 101; Fig. 2 zeigt im Prinzip
eine Anordnung zur Drehzahlteilung im Schnitt, z,B. fUr radiale Belastung D - d
, oder axiale Belastung Da - da Fig. 3 stellt schematisch angeordnet eine Drehzahlteilung
mittels eines drehbaren Lagerzwischenringes dar.
-
In Fig. 4 ist in der Sicht auf einen Querschnitt ein Beispiel im Prinzip
zur Drehzahldivision durch den Divisor im Abschnitt 101 erläutert, durch dessen
auf das Lager 102 zurückübertragene Teilfunktionen die Drehzahlen des Hauptlagers
im Abschnitt 102 auf dem umgekehrten Weg wie im Divisor 101 potenziert werden, woraus
sich hohe Wellendrehzahlen ergeben, ohne daß die Rollgeschwindigkeiten der Wälzkörper
die aus der Grunddrehzahl Aberschreiten.
-
Die Skizze Fig. 1 zeigt in einem erfindungsgemäßen Lager 102 einen
drehbaren Lagerzwischenring 161 , der im Gehäuseteil 18 mit einer Wälzkörperreihe
171 im Lageraußenring 160 gelagert und z.B. mit seiner Antriebswelle 014 verbunden
iet. In diesem Lagerzwischenring 161 ist die Welle 15 mit dem auf ihr befestigten
Lagerring 162 und zwischen dessen Rollbahn R1 und der Rollbahn R2 des Lagerzwischenrings
161 befindlichen Wälzkörperreihe 172 gelagert. Die Achse A der Welle 15 und die
Achse der Welle 014 sind koaxial angeordnet.
-
Erhält nun der Lagerzwischenring 161 mit seiner Antriebswelle 014
eine vorgegebene Drehzahl von 600 U/min und die Welle 15 ebenfalls 600 U/min Je
Umdrehung des drehenden Lagerzwischenrings 161 in dessen Drehrichtung, so ergibt
sich daraus die relative Drehzahl von 360.000 U/min der Welle 15 , wobei die Wälzkörperreihen
171 und 172 die effektive Rollgeschwindigkeit von 300 U/min haben.
-
Der Schnitt Fig. 2 zeigt ein Prinzip der stufenweisen Drehzahlteilung
um den Faktor 2 von 1 U bis 1/16 bzw. O U und in entgegengesetzter Richtung die
Drehzahlmultiplikation mit dem Faktor 2 von 0 U bis 16 U . Diese Anordnung kann
im Prinzip sowohl fUr radiale Last (senkrechter Schnitt D -als auch fAr axiale Last
(waagrechter Schnitt Da - da) oder auch fUr beide Lastrichtungen kombiniert werden.
Systembedingt nimmt jeweils die rollende Wälakörperreihe den mit ihrem Käfig verbundenen
drehbaren Rollring mit, um dessen jeweilige Drehgeschwindigkeit die Rollgeschwindigkeit
der
Wälzkörper von der Achse aus stufenweise vermindert wird.
-
Die Funktion eines variablen Grundprinzips gemäß der Erfindung nach
dem Beispiel in Fig. 2 wird folgendermaßen erklärt: Hat z.B. der erste drehbare
Rollbahnring am 2 2 U/s, so hat der 2. Rollbahnring mit 2 eigenen effektiven U/s
relativ 2 mal 2 U = 4 U/s, diese 4 U/s werden mit der effektiven Sigendrehung von
2 U/s des 3. Rollbahnringes auf dessen relative 8 U/s gebracht und im 4. Rollbahnring
mit dessen effektive 2 U/s auf relativ 16 U/s multipliziert, so daß die effektiven
2 U/s der Welle selbst wiederum auf relativ 32 U/s multipliziert werden. Dabei beträgt
die effektive Rnllgeschwindigkeit aller Wälzkörperreihen immer nur die halbe Winkelgeschwindigkeit
der Rollbahnring-Grunddrehzahl von 2 U/s. Die gleiche Relativitätskonstante ergibt
sich auch aus jeder anderen beliebigen Grunddrehzahl.
-
Im System nach Fig. 3 wird die Drehzahl der Welle 15 bis zum Lagerzwischenring
16-2 auf 1/4 reduziert, so daß der effektive Rollweg der beiden Wälzkörperreihen
172 und 171 nahezu gleichgroß ist. Dreht sich die Welle 15 mit ihrem Rollbahnring
16 z.B. 8 mal, so dreht sich der mit dem Käfig 13 verbundene Rollbahnring 141 mit
der Wälzkörperreihe 172 dabei nur 4 mal. Diese 4 Umdrehungen werden Uber den WElzkörper
21 auf 2 Umdrehungen des Rollbahnringes 16-2 vermindert. rie Crehzahl 2 des Rollbahnringes
16-2 wird durch die halbe Drehgeschwindigkeit des Rollbahnringes 142 mit der Wälzkörperreihe
171 auf eine Umdrehung reduziert. In umgekehrter Reihenfolge ergibt sich in jeder
Stufe eine Verdoppelung der Umdrehungsgeschwindigkeit. rie RUckwirkung der rrehzahlminderung
auf die Wellendrehzahl ist dabei vernachlässigt worden.
-
Fig. 4 stellt im Schnitt ein einfaches Modell der systematischen Anordnung
eines erfindungsgemäßen Wälzlagers 102
mit angeschlossenem Drehzahldivisor
101 gemäß der Erfindung und kombinierter rirehzahlmultiplikation in 3. Potenz im
Lageraggregat 102/101 selbst durch Übertragung von im Divisor sich ergebenden Teilfunktionen
1/16 und 1/256 durch die Elemente 9 und 5 aus dem divison 101 auf die drehbaren
Lagerzwischenringe 162 und 161 im Lager 102 fAr eine zwanghaft mechanisch-autosrnchron
gesteuerte Drehzahlrelativität dar.
-
In der nachstehend vereinfachten ?unktionserläuterung werden zur Darstellung
nur Mittelwerte angegeben, um endlose Zahlenreihen zu vermeiden.
-
Im System des Divisors 1C1 wird die jeweils relative Dreht zahl der
Welle 15 12 mal durch 2 dividiert. Die letzten 2 U des Rollbahnringes 2 ergeben
bei einem Umlauf der Wälzkörperreihe 21 den Stillstand des mit dem Gehäuse 18 verbundenen
Rollbahnrings 1. Aus der sich im Divisor 101 sich ergebenden Divisionsreihe wird
z.B. jede 4. Stufe bzw. jedes jeweilige 1/16 auf einen Lagerzwischenring 162 bzw.
161 übertragen. Aus dieser trehzahlreduktion im Divisor 101 ergibt sich in umgekehrter
Reihenfolge durch Potenzieren der Grunddrehzahl 16/s die relative Drehzahl der Welle
15 von z.B. 163 U/s und die effektive Rollgeschwindigkeit der Wälzkörperreihen 173,
172 und 171 im Lager 102 bleibt immer die bei effektiven 16 U/s der mittleren Hollbahnringradien;
bei 8 UÄUcklauf/s der Wälzkörperreihen ist somit deren effektive Ro'lgeschwindigkeit
8 U/. Die effektive Rollgeschwindigkeit der Wälzkörperreihen 21 bis 30 zwischen
den Rollbahnen 103 und 104 beträgt dabei für jede einzelne Reihe 1 U/s gegenUber
effektiven 2 U/s der Rollbahnringe 2 bis 12 mit ihren Käfigteilen 13. Die relative
Winkelgeschwindigkeit der Rollbahnringe 12 bis 2 ergibt vom Rollbahnring 12 auf
11 eine effektive Drehzahl von 2 U/s des Rollbahnringes 12 in jeder Umdrehung des
drehenden Rollbahnrings 11 und eine Rollgeschwindigkeit der Wälzkörperreihe 30 von
1 U/s. Dieses Teilungsverhältnis ist in jeder Reihe/Stufe gleich.
-
Setzt man z.B. eine relative Drehzahl der Welle 15 von 163 U/s voraus,
so entsteht diese Drehzahl beispielsweise aus effektiven 16 U/s des Lagerzwischenrings
161, multipliziert mit den effektiven 16 U/sdes Lagerzwischenrings 1 der sich in
dem gedrehten Lagerzwischenring 161 pro Umdrehung desselben 16 mal dreht, daraus
ergibt sich die relative Drehzahl des Lagerzwischenrings 162 von 256 U/8; erhält
nun die Welle 15 mit ihrem Rollbahnring 163 in jeder relativen Umdrehung des Lagerzwischenrings
162 wiederum effektiv 16 U/s, so hat die Welle 15 eine relative Drehzahl von 4.096
U/s. Dabei beträgt die effektive Rollgeschwindigkeit jeder Wälzkörperreihe, 173
zwischen R1 und R2, 172 zwischen R3 und R4 und 171 zwischen R5 und R6, maximal 8
Umdrehungen bzw. je 8 mal den Umfang aus ihren mittleren Bahnradien zwischen den
Rollbahnen R, weil die maximale effektive Drehzahl der einzelnen Stufen bzw. der
Lagerzwischenringe 161 und 162 ebenfalls nur 16 U/s beträgt.
-
Diese Funktion ergibt sich zwanghaft aus dem Antrieb des Divisors
101 durch die älzkörperreihe 173, deren relative Drehgeschwindigkeit auf den mit
ihrem Käfigteil 14 verbundenen Rollbahnring 12 der Drehzahlteilungselemente des
Divisors 101 Ubertragen und in jeder dessen elf weiteren Divisionsstufen mit dem
Faktor 2 geteilt wird. Die erste Stufe zur Reduktion der relativen Drehgeschwindigkeit
der Welle 15 ist die Wälzkörperreihe 173, welche gleichzeitig das erste Element
3C1 zur Drehzahldivision darstellt.
-
Geht man von der relativen Drehzahl 163/s der Welle 15 aus, so ist
die effektive Drehzahl jedes Rollbahnringes 12 bis 2 im Divisor 101 jeweils 2 U/s
und die effektive Rollgeschwindigkeit der Wälzkörperreihen 30 bis 21 jeweils 1 U/s.
-
Die Lagerzwischenringe 162 und 161 beziehen ihre vorgegebenen Drehgeschwindigkeiten
von denen der Rollbahnringe 9 und 5 auf der Basis der zwanghaft geregelten Drehzahldivision
aus der Drehzahl 163/s.
-
Bei wechselnden bzw. höheren oder niedrigeren relativen Drehzahlen
der Welle 15 passen sich alle Funktionen im jeweils gleichen Verhältnis ihrer Relativität
an.
-
Nimmt man fAr das gleiche Lager z.B. eine Grunddrehzahl von j U/min
an, so wird bei einer maximalen Rollgeschwindigkeit aller Wälzkörperreihen von etwa
150 Ut/min, in der 3.
-
Potenz eine relative Wellendrehzahl von 90.000 U/min erreicht.
-
Die Drehzahlmultiplikation kann auch in unterschiedlichen Stufen erfolgen,
so daß die äußere Wälzkörperreihe weniger effektive U/min hat als die innere.
-
Das erfindungsgemäße System kann gegebenenfalls fUr radiale und/oder
axiale Belastungen oder dergleichen in gleicher oder abgewandelter Form verwendet
werden. Es ist auch möglich, die erfindungsgemäßen Funktionen elektronisch zu steuern.
-
Somit ist es gemäß der vorliegenden Brfindung dem Fachmann an die
Hand gegeben, Wälzlager und dergleichen herzustellen, welche insbesondere bezüglich
Drehzahlen und Lebensdauer bisher bekannten Systemen weit überlegen sind.