DE2645287C2 - Rillenkugellager - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft ein Rillenkugellager nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs. Ein derartiges Lager ist durch die US-Patentschrift 21 42 478 bekannt.

Rillenkugellager zeigen in der Regel Laufrillen, die im Achsschnitt Kreisbogenform aufweisen. Werden derartige Radial-Kugellager oder Radial-Schrägkugellager axial belastet, dann läuft die Kugel nicht mehr im Riliengrund. Die Verbindungslinie zwischen dem Berührungspunkt der Laufrille des inneren Lagerrings mit der Kugel und dem Kugelmittelpunkt beziehungsweise zwischen dem Kugelmittelpunkt und dem Berührungspunkt der Laufrille des äußeren Lagerrings mit der Kugel bildet einen Winkel mit der zur Lagerachse senkrechten Ebene. Mit wcchsender Axialbelastung wächst infolge elastischer Verformung in den Kontaktzonen von Laufrillen und Kugel dieser Winkel. Bei enger Schmiegung, das heißt der Laufrillenradius ist nur etwas größer als der Kugelradius, wäscht dieser Winkel sehr schnell, bei weiter Schmiegung, das heißt der Laufrillenradius ist wesentlich größer als der Kugelradius, dagegen langsamer. Das schnelle Anwachsen des Winkels hat aber gewisse Nachteile. Der Winkel darf nicht so stark wachsen, daß die Hertz'sche Druckellipse bis zum Laufbahnrad reicht, da dann örtliche Überbelastungen auftreten. Bei großen Winkeln wächst der Gleitanteil im Lager, speziell bei hochtourigen Lagern, bei welchen der Kontaktwinkel am Innenring größer wird als derjenige am Außenring. Ferner muß bei kombinierter Axial- und Radialbelastung die Kugel innerhalb des Lagers zwischen der radial belasteten Zone und der Gegenzone ihre Drehachse ändern.

Derartige starke Änderungen der Drehachse haben aber einen ungünstigen Einfluß auf das Laufverhalten des Lagers.

LJm nun zu große Winkel und große Winkelschwankungen zu vermeiden, wählt man einen größeren Rillenradius, das heißt es wird eine weite Schmiegung vorgesehen. Diese Änderung reduziert aber die radiale Tragfähigkeit des Lagers.

Kugellager, welche hohe radiale Kräfte zu übertragen haben, weisen vorzugsweise eine enge Schmiegung a>.i. und werden mit einer kleinen radialen Lagerluft eingebaut; Lager dagegen, welche hohe axiale Kräfte übertragen sollen, werden vorzugsweise mit einer weiten Schmiegung und einer großen radialen Lagerluft versehen.

Ähnlich unterschiedlich sind gemäß dem Stand der Technik die optimalen Konstruktionsformen für langsam und schnell laufende Lager. Langsam laufende Lager haben vorteilhaft am Innenring eine enge Schmiegung und am Außenring eine e'was weitere Schmiegung, da für die Tragfähigkeit des Lagers die Krümmung in den beiden Hauptachsen der jeweiligen Berührungspunkte Kugel/Innenring und Kugel/Außenring entscheidend ist Die Laufrille des Außenrings ist in beiden Hauptachsen konkav, die des Innenrings in einer Achse konkav, in der anderen konvex. Bei geeigneter Wahl der Schmiegung, nämlich innen eng und außen weit, wird die Beanspruchung, das heißt die Hertz'sche Flächenpressung, der beiden Ringe etwa gleich und somit kann eine optimale Ausnützung des Lagers erreicht werden.

In einem Kugellager, welches bei höchsten Drehzahlen betrieben wird, wachsen die Massenkräfte der Kugeln, speziell die Fliehkräfte, auf ein erhebliches Maß an. Die auf die Kugeln wirkende Fliehkraft muß von der Außenringlaufrille aufgenommen werden, wodurch diese erheblich stärker belastet wird als die Innenringlaufrilie. Die hohen Kräfte bewirken eine große elastische Verformung in der Kontaktzone der Kugel mit dem Außenring, was praktisch einer Vergrößerung der radialen Lagerluft und damit einer Vergrößerung des Kontaktwinkels im Berührungspunkt von Kugel und Innenring entspricht, zumal die Kugel am Außenring durch die Fliehkraft in Richtung Laufrillengrund gedrängt wird.

Bei üblicher enger Innenringschmiegung wächst nun der Kontaktwinkel zwischen Kugel und Innenring sehr schnell an. Dies vermeidet man durch eine weite Schmiegung am sowieso wenig belasteten Innenring. Dadurch ergibt sich für hochtourige Kugellager das Konstruktionsprinzip: Enge Schmiegung am hoch belasteten Außenring und weite Schmiegung am weniger belasteten Innenring, also genau entgegengesetzt dem Konstruktionsprinzip für langsam laufende Lager.

Bisher hat man die Lagerkonstruktionen so ausgelegt, daß man die gegensätzlichen Konstruktionen zu einem Kompromiß zusammenführte und erhielt Lager, welche weder die einen noch die anderen Forderungen optimal erfüllten, oder man hat in einzelnen Fällen die Lager nur für einen speziellen Anwendungsfall optimal ausgelegt.

Im Zuge der Optimierung der Maschinen, in welchen Kugellager Verwendung finden, werden auch von den Kugellagern für den jeweiligen Anwendungsfall optimale Eigenschaften verlangt. Neue Technologien beschleunigen diese Entwicklung. Das rationelle Hochgeschwindigkeitsschleifen beispielsweise erfordert Kugellager, welche bei größerer Bohrung (höhere Wellensteifheit) und höheren Drehzahlen zufriedenstellend arbeiten. Konventionell konstruierte Normal-Lager können dies nicht. Andererseits fordert die Leichtbauweise kleine Abmessungen der Umbauteile, also kleinere Lager mit höherer Tragfähigkeit. Einer Optimierung des Kugellagers, gezielt auf den speziellen Anwendungsbereich, stehen nun aber die Rationalisierungsbestrebungen bei Anwender und Hersteller entgegen, die Variantenzahl möglichst klein zu halten.

In der deutschen Offenlegungsschrift 20 19 380 ist ein Schrägkugellager beschrieben, bei welchem die Laufrille des Außenrings die Form eines elliptischen Bogens hat, jedoch ist im Rillengrund der Radius der Laufbahn kleiner als der Kugelradius und die Kugel hat in zwei getrennten Zonen Kontakt mit dem Außenring.

Aus der deutschen Patentschrift 4 32 925 ist ein Kugellager bekannt, bei dem die Laufbahn beim Innen-

und Außenring oder an einem der beiden Ringe in an sich bekannter Weise parabolisch, hyperbolisch, elliptisch oder nach einer ähnlichen Kurve höherer Ordnung gestaltet oder aus mehreren Kurven zusammengesetzt ist, um den bei axialen Belastungen an der Berührungsstelle bei kleinerer Verschiebung entstehenden größeren Winkel als bei kreisförmiger Laufbahn auszunutzen. Mit einem derart ausgestalteten Kugellager soll bei gleicher radialer Belastung eine höhere axiale Belastung, auch bei Pendelkugellagern, erreicht werden.

In US-Patentschrift 2142 478 ist ein Kugellager beschrieben, bei dem die Krümmung der Laufrille für die Kugel in einem Lagerring im Achsschnitt dem Bogenteil eines Kreises und die Krümmung der Laufrille im anderen Lagerring im Achsschnitt dem Bogenteil einer Ellipse im Bereich des Scheitels der großen Achse entspricht, wobei der Scheitel der großen Ellipsenachse im Rillengrund liegt, und der Krümmungsradius der Ellipse im Rillengrund geringfügig größer ist als der Kugelradius.

Gemäß der genannten US-Patentschrift wird angestrebt, die Lebensdauer zu verbessern, indem die Belastung im wesentlichen gleichmäßig über die Eingriffsflächen zwischen den in Berührung stehenden Teilen verteilt wird.

Außerdem wird durch Verminderung der Verschiebbarkeit der im Eingriff befindlichen Teile aus der gewünschten gegenseitigen Anordnung eine erhöhte Steifigkeit des Kugellagers angestrebt. Zur Erreichung dieser Ziele wird ein Kugellager gemäß der genannten US-Patentschrift derart ausgestaltet, daß die elliptische Krümmung der Laufrille eines oder beider Laufringe so ausgestaltet wird, daß die Krümmung der Ellipse der Laufrille im Berührungspunkt zwischen Laufrille und Kugel praktisch der Krümmung der Kugel entspricht, das heißt, es wird die engst mögliche Schmiegung angestrebt. Im Hinblick auf das der genannten US-Patentschrift zugrunde liegende Ziel, die Lebensdauer bzw. die Tragfähigkeit eines Kugellagers zu optimieren, wird diese für hohe Tragfähigkeit verantwortliche enge Schmiegung auch im weiteren Verlauf der elliptischen Laufrille auf dem Weg vom Laufbahngrund zum Laufbahnrand beibehalten, so lange es sich um Bereiche der Laufrille handelt, in denen die Kugeln des Kugellagers während des Betriebs abrollen können.

Gemäß der genannten US-Patentschrift wird somit eine extrem enge Schmiegung angestrebt.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Schmiegung zwischen dem Innenlaufring und den Kugeln bei einem Kugellager nach dem Oberbegriff des Anspruchs so auszubilden, daß das Lager sowohl bei niedrigen als auch bei hohen Drehzahlen radiale und axiale Kräfte optimal übertragen kann.

Diese Aufgabe wird gemäß dem Kennzeichen des Patentanspruchs gelöst.

Die Zunahme der Differenz, zwischen den Radien der Laufrille und dem Kugelradius vom Laufbahngrund zum Laufbahnrand hin um einen Faktor von 2 bis 4 kann stetig oder progressiv sein.

Die Herstellung des erfindungsgemäßen Kugellagers kann auf herkömmlichen Produktionsmaschinen erfolgen.

Die elliptische Krümmung der Laufrille des Innenrings ist durch entsprechende Formgebung der Schleifscheiben der Bearbeitungsmaschinen für den Innenring problemlos möglich.

Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nachstehend anhand der Zeichnungen näher erläutert Dabei zeigt

F i g. 1 einen Teilschniti eines herkömmlichen Kugellagers für hohe Radialbelastungen,

F i g. 2 einen Teilschnitt eines herkömmlichen Kugellagers für hohe Axialbelastungen,

F i g. 3 einen Teilschnitt eines erfindungsgemäßen Kugellagers für hohe Radialbelastungen und hohe Axialbelastungen,

Fig.4 einen Teilschnitt eines Kugellagers gemäß F i g. 2 bei wechselnder Axialbelastung,

F i g. 5 einen Teilschnitt eines herkömmlichen Vierpunktlagers,

Fig.6 einen Teilschnitt eines erfindungsgemäßen Kugellagers bei wechselnder Axialbelastung.

!n den Figuren sind zwecks besserer Kenntlichmachüng die Verhältnissse Kugelradius/Rillenradius übertrieben dargestellt, jedoch unter Wahrung der geometrischen Beziehungen.

F i g. 1 zeigt im Achsschnitt bei einem herkömmlichen, für hohe Radialbelastungen konstruierten Lager den Innenring 1 mit der kreisbogenförmigen Laufrille 2 und der Kugel 3. Zwischen der Laufrille 2 und der Kugel 3 ist ein kleinen die radiale Lagerluft darstellender Spalt 4.

Das in F i g. 2 im Achsschnitt gezeigte herkömmliche, für hohe Axialbelastungen konstruierte Lager ist im axial belasteten Zustand dargestellt. Der die Laufrille 2 erzeugende Kreisbogen weist einen größeren Radius auf als der Kreisbogen in Fig. 1. Die Kugel 3 berührt den Innenring 1 unter dem Winkel tx im Punkt A. Zwischen der Kugel 3 und dem Grund der Laufrille 2 ist ein größerer Spalt 4 als bei Fig. 1; dieser Spalt stellt eine größere radiale Lagerluft dar.

Bei dem erfindungsgemäßen Kugellager nach F i g. 3 wird die im Achsschnitt gezeigte Laufrille 2 des Innenrings 1 durch ein Kurvenstück einer Ellipse gebildet und zwar durch den dem Scheitelpunkt der großen Achse symmetrisch benachbarten Linienzug. Diese in Fig. 3 strichlierte Kurve hat am Laufbahngrund entsprechend dem Scheitelpunkt der Ellipse einen kleinsten Krümmungsradius. Mit wachsender Entfernung von diesem Punkt wird der Krümmungsradius größer. Der linke Teil zeigt das Lager im axial belasteten Zustand, der rechte Teil das Lager im radial belasteten Zustand.

Im axial belasteten Zustand, linker Teil der Figur, berührt die Kugel die Laufbahn im Punkt A. Der Krümmungsradius der Ellipse im Punkt A ist gleich dem großen Laufrillenradius des Lagers nach Fig.2. Im radial belasteten Zustand, rechter Teil der Figur, berührt die Kugel die Laufrille im Riilengrund, Punkt B. Der Krümmungsradius der Ellipse im Scheitelpunkt B ist gleich dem kleinen Laufrillenradius des Lagers nach Fig. 1.

Aus den F i g. 1 bis 3 ist somit klar ersichtlich, daß das erfindungsgemäße Lager nach F i g. 3 bei radialer Belastung die Vorteile des für hohe radiale Belastungen optimal konstruierten Lagers nach F i g. 1 und bei axialer Belastung die Vorteile des für hohe axiale Belastungen optimal konstruierten Lagers nach F i g. 2 aufweist.

Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Lagers ist r.us F i g. 4 bis 6 ersichtlich. In vielen Lageranwendungen muß das Kugellager die Welle nicht nur radial führen, sondern es muß auch die axiale Führung bei wechselnder axialer Belastung übernehmen, wobei es oft wesentlich ist, daß die axiale Verschiebbarkeit

möglichst klein ist.

In F i g. 4 wird der mögliche axiale Weg s der Kugel 3 zum Innenring 1 bei einem herkömmlichen Lager gemäß F i g. 2 dargestellt. Um diesen Weg zu reduzieren, verwendete man bisweilen sogenannte 3-Punkt-Lager oder 4-Punkt-Lager, wie in Fig.5 gezeigt. Diese Konstruktion erlaubt zwar eine gute axiale Führung mit einem geringen axialen Spiel, man kann aber diese radial nur gering belasten.

Das erfindungsgemäße Lager nach F i g. 6 kann, wie der dargestellte mögliche Weg s der Kugel 3 zum Innenring 1 zeigt, eine Welle mit geringem axialen Spiel führen und ist gleichzeitig hoch radial belastbar.

Die erfindungsgemäß modifizierte Laufrillenform bringt den Vorteil mit sich, daß bei wachsenden Äxiaibeiastungen gleichzeitig mit dem Wachsen des Berührungswinkels der Krümmungsradius der Laufrille in der Kontaktzone mitwächst, folglich die Winkelvergrößerung stetig gehemmt wird und somit zu große Winkel und große Winkelschwankungen vermieden werden.

Bei sinkender Axialbelastung oder steigender Radialbelastung wird der Winkel kleiner und somit auch der Krümmungsradius in der Kontaktzone, das Lager wird stetig radial höher belastbar, mit anderen Worten: Bei wachsender Axialkraft verbessert sich die Fähigkeit des Lagers, Axialkräfte sicher aufzunehmen und bei wachsender Radialkraft verbessert sich die Fähigkeit des Lagers, Radialkräfte sicher aufzunehmen. Der erfindungsgemäß erzielte technische Fortschritt liegt somit auf der Hand.

Mit dem Krümmungsradius im Scheitel und dem Krümmungsradius in einem bestimmten Abstand vom Scheitel ist eine Ellipse eindeutig bestimmt. Wählt man bei einem Kugelradius von 9,65 mm, wie für Radialkugellager allgemein üblich, den Krümmungsradius im Laufbahngrund mit 10 mm (enge Schmiegung) und

ίο wünscht am Laufbahnrand einen Krümmungsradius von 10,7 mm (weite Schmiegung), so ist die Differenz Krümmungsradius minus Kugelradius, die somit im Laufbahngrund 0,35 mm und am Laufbahnrand 1,05 mm beträgt, um den Faktor 3 gewachsen.

Bei einer Rillentiefe von 4,5 mm ergibt sich eine Ellipse mit den beiden Halbachsen 10.35 und 10, 72: bei einer Rillentiefe von nur 2,25 mm ergäbe sich eine Ellipse mit den beiden Halbachsen 10, 64 und 11, 32. Derartige Berechnungen sind jedem Fachmann mögiich.

Die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung erläutern insbesondere deren Anwendung bei Radialkugellagern und Radialschrägkugellagern. Bei Axialschrägkugellagern ergeben sich, wie jeder Fachmann aufgrund der vorstehenden Erläuterungen versteht, durch die Anwendung der vorliegenden Erfindung entsprechende Vorteile.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Kugellager mit in Laufrillen der beiden Lagerringe abrollenden Kugeln, wobei die Krümmung der Laufrille des äußeren Lagerrings im Achsschniti einem Kreisbogen und die Krümmung der Laufrille des inneren Lagerrings im Achsschnitt einem Ellipsenbogen im Bereich des Scheitels der großen Achse entspricht, der Scheitel im Rillengrund liegt und der Krümmungsradius der Ellipse im Rillengrund geringfügig größer ist als der Kugelradius, dadurch gekennzeichnet, daß die Differenz zwischen den Krümmungsradien der Laufrille (2) des inneren Lagerrings (1) und dem Radius der Kugeln (3) vom Rillengrund zum Rillenrand hin um einen Faktor von 2 bis 4 wächst