DE2720887A1 - Kegelrollenlager - Google Patents
KegelrollenlagerInfo
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Description
Patentanwälte Dipl.-Ing. W. Beyer Dipl.-Wirtsch.-Ing. B.«löchern
Frankfurt/taain Staufenstraße 36
SKP Industrial Trading &
Development Company B.V.
Development Company B.V.
Jutphaas / Hol lend
Kegelrollenlager
Die Erfindung betrifft Kegelrollenlager.
Kegelrollenlager bestehen aus einem Innenring, einem Außenring
und einer Vielzahl von kegelstumpfförmigen Wälzkörpern, welche eine Drehbewegung der Teile um eine normal zu ihrer
Bewegungsrichtung liegende Achse gestatten. Normalerweise hat die Lauffläche des Innenrings einen bestimmten Winkel
zur Lagerachse, und die Lauffläche des Außenrings bildet demgegenüber mit der Lagerachse einen größeren Winkel. In
herkömmlicher Bauweise sind die Lager so ausgelegt, daß
unter der vorgesehenen Belastung die Scheitelpunkte der Kegelwinkel des Innen— und des Außenrings einen gemeinsamen
Punkt auf der Lagerachse bilden, und daß auch die Drehachsen aller Kegelrollen die Lagerachse in diesem gemeinsamen Punkt
schneiden. Es wird angenommen, daß bei einer solchen Auslegung eine reine Wälzbewegung zwischen den Wälzkörpern und
den Lagerringen stattfindet, wenn das Lager belastet wird.
Bei den bekannten Kegelrollenlagern werden die Wälzkörper durch einen oder mehrere Planschen bzw. Schultern, welche
an einer oder beiden Stirnflächen der Kegelrollen anliegen, im ringförmigen Zwischenraum zwischen den Lagerrin^en gehalten.
Während des Betriebs des Lagers drückt die Schulter gegen die anliegende Stirnfläche der Wälzkörper, und als
Folge davon, wird Reibung erzeugt. Diese Reibung wiederum hat die Tendenz, jeden Wälzkörper mit Bezug auf eine Achse,
die normal zur eigenen Rollachse des Wälzkörpers liegt und die Lagerachse schneidet, schräg zu stellen. In dieser
Schräglage hat jeder Wälzkörper eine axial gerichtete Gleitbewegungskomponente
mit Bezug auf den inneren und äußeren Lagerring. Bei Kegelrollenlagern herkömmlicher Ausführung
haben normalerweise die mit dieser Gleitbewegung verbundenen Reibungskräfte dieselbe Richtung wie die axialen Komponeten
der äußeren Last auf den inneren und äußeren Lagerring. Wenn dies der Fall ist, spricht man von einem negativen
Schrägstellungswinkel der Wälzkörper.
Es wurde nun festgestellt, daß bei einem negativen Schrägstellungswinkel
die Lager stärkere Reibung und eine geringere Lebensdauer haben als bei einem positiven ochrägstellungswinkel,
bei welchem die axialen Komponenten der Reibungskräfte zwischen den Wälzkörpern und den Lap;erringen
den auf die letzteren wirkenden Komponenten der äußeren Belastung entgegen gerichtet sind. Der Erfindung liegt deshalb
die Aufgabe zugrunde, speziell Kegelrollenlager zu schaffen, bei denen die Kegelrollen unter Belastung keinen
negativen Schrägstellungswinkel, vorzugsweise sogar einen positiven Schrägstellungswinkel annehmen, so daß die Reibung
möglichst klein gehalten und eine möglichst lange Lebensdauer erreicht wird.
Vorstehende Erfindungsaufgabe wird vorschlagsgemäß dadurch
erreicht, daß der Scheitelpunkt des Kegelwinkels der Kegelrollen unter einer äußeren Last neben der Lagerachse liegt
und die Laufflächen den Innen- und des Außenrings hinsichtlich der Reibung derart unterschiedlich ausgebildet sind,
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daß sich die Kegelrollen in derjenigen Richtung schräg zur
Achsrichtung des Lagers stellen, in welcher die axialen Reibungskräfte an den Laufflächen der Lagerringe den axialen
Komponenten der äußeren Last entgegengerichtet sind.
In bevorzugter praktischer Ausführung der Erfindung werden die unterschiedlichen Reibungsverhältnisse am Innen— und
Außenring entweder durch unterschiedliche Rauhigkeit oder andere Maßnahmen zur Beeinflussung des Reibungskoeffizienten oder auch dadurch erzeugt, daß die Lauffläche des einen
Lagerrings im mittleren Bereich und die Lauffläche des anderen Lagerrings in den axial äußeren Bereichen etwas eingesenkt wird, so daß sich im Bereich der Einsenkungen geringere
Flächenpressungen und damit geringere Reibungen ergeben. Dabei dominieren dann .jeweils die Reibungskräfte an demjenigen
Ring, dessen Lauffläche mit einer zentralen Einsenkung versehen ist, über die Reibungskräfte am jeweils anderen Lagerring und erzeugen den gewünschten positiven Schrägstellungswinkel der Kegelrollen.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
Pig. 1 einen Axialschnitt durch ein Kegelrollenlager herkömmlicher Ausführung, wobei die äußeren
und Reibungskräfte als Vektoren eingetragen sind,
Fig. 2 einen Querschnitt nach Schnittlinie 2-2 in Fig. 1,
Fig. 3 einen Axialschnitt durch eine erste Ausführung eines Kegelrollenlagers gemäß der Erfindung,
wobei wiederum die in diesem Fall auftretenden äußeren und Reibungskräfte ale Vektoren eingezeichnet sind,
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Fig. 4 einen Querschnitt nach Schnittlinie 4-4 in Pig. 3,
weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung,
Fig. 6 einen Querschnitt nach Schnittlinie 6-6 in .Pig. 5,
Fig. 7 Ansichten entsprechend Pig. 3 und 5 weiterer und 8 Ausführungsbeispiele von erfindungsgemäßen
Kegelrollenlagern, bei denen unterschiedliche Rauhigkeit der Laufflächen der Lagerringe
dazu benutzt wird, um die gewünschte Schrägstellung der Kegelrollen zu erreichen,
Fig 9a Kräfte-Vielecke für den Kräfte-Gleichgewichtsbis 9c zustand der belasteten Kegelrollen jeweils für
die Ausführungen nach Fig. 1-2 bzw. 3-4 und
5-6}
Fig. 10 ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei und 11 welchem nur die innere Lauffläche konisch ist,
und 13 gemäß der Erfindung, bei welchem nur der äußere
Das in Fig. 1 dargestellte herkömmliche Kegelrollenlager 10 besteht aus einem Innenring 11 mit einer Lauffläche 11a und
einem Außenring 12 mit einer Lauffläche 12a. Die Laufflächen 11a und 12a liegen einander gegenüber und bilden zwischen
eich einen Ringraum, in welchem sich eine Vielzahl von Kegelrollen 13 befinden, die es ermöglichen, daß sich die beiden
Lagerringe relativ zueinander um eine Lagerachse A1 drehen, welche normal zur Relativbewegung der Lagerringe 11 und 12
liegt. Der Innenring 11 hat einen Umfangsflanech bzw. einen
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Bord 14, der sich radial erstreckt und an der mit Bezug auf
Pig. 1 rechten Stirnfläche 13a der Kegelrolle 13 anliegt.
Bei dem dargestellten herkömmlichen Kegelrollenlager wird die Lauffläche 11a des Innenring3 gebildet durch Drehung
einer erzeugenden Linie 16 um die Lagerachse Λ1. Die Linie 16 schneidet die Lagerachse in einem Scheitelpunkt L1. In
entsprechender Weise schneidet die erzeugende Linie 17 der Lauffläche 12a des Außenrings die Lagerachse A1 ebenfalls
im Scheitelpunkt L1. Die beiden Linien 16 und 17 bilden mit der Lagerachse A1 Winkel Al bzw.<C2. Der Winkel zwischen
den beiden Linien 16 und 17 ist in der Zeichnung mit Λ 3 bezeichnet.
Die mit A2 bezeichnete Drehachse einer Kegelrolle 13 schneidet die Lagerachse A1 ebenfalls im Scheitelpunkt L1, wenn
das Lager die vorgesehene Last trägt. Wegen der geometrischen Zusammenhänge wurde theoretisch angenommen, daß zwischen
den V/älzkörpern und den Lagerringen während deren Relativdrehung eine reine Wälzbewegung stattfindet, da die
Umfangsgeschwindigkeiten der Laufflächen 11a und 1?a sowie der Kegelrollen 13 längs der Linien 16 und 17 gleich sind.
Diese Linien repräsentieren mit anderen Worten Linien gleicher epizyklischer Wälzbewegung und werden dehalb hier
auch als Linien theoretisch gleicher Geschwindigkeit bezeichnet.
Während des Betriebs des herkömmlichen Lagers 10 bewirkt eine am Innenring 11 angreifende Last P1 eine entsprechende
Belastung der einzelnen Kegelrollen, die wiederum entsprechende Reaktionskräfte auf den Außenring 12 ausüben. Da die
Reaktionskräfte nicht ^nau gleich der äußeren Last und umgekehrt
zu dieser sind, ist eine dritte Kraft R r b neitens des Bords 14 erforderlich, um an den Kegelrollen ein Kräftegleichgewicht
herzustellen . Die äußeren Kräfte bzw. deren Reaktionskräfte P1 und P2 haben jeweils eine axiale und radiale
Komponente, nämlich P1A, P1R bzw. P2A, P2R. Wenn die Kegelrolle 13 rotiert, liegt der Bord 14 an der rechten
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Stirnfläche 13a an, und diese Berührung erzeugt Ffeibungij—
kräfte fa und fb zwischen dem Innenring 11 und der Kegelrolle 13. Wenn nun die Lagerteile umlaufen, erzeugen diese
Reibungskräfte ein Moment, welches die Kegelrolle 13 um
den Winkel β (Fig. 2) schräg zu stellen trachtet, wobei β der Winkel zwischen der Drehachse A2 der Kegelrolle und
der dieser zugeordneten Radialebene, welche die Li^erachse
A1 enthält, ist. Die Schrägstellung der Wälzkörper int
grundsätzlich unerwünscht, da sie eine axiale Gleitbewegung
zwischen den Mantelflächen der Wälzkörper und der Lr.ufrin.^e
erzeugt. Diese axiale Gleitbewegung führt zu Reibungnkräften fs1-fs4 zwischen den Laufflächen und den Wälzkörpern,
und wenn die Reibungskräfte fs2 und fs4 an den Laufflächen in dieselbe Richtung weisen wie die axialen Komponenten der
äußeren Belastung P1A und P2A, bezeichnet man den Schrägst ellungswinkel der betreffenden Kegelrollen als negativ.
Ein typischer negativer Schrägstellungswinkelβ ist in Fig.2
gezeigt, denn in diesem Fall weisen die Reibungskräfte fs.?
und fs4 gemäß Fig.1 in dieselben Richtungen wie die axialen
Lastkomponenten P1A und P2A. Wenn ein Lager mit negativem
Schrägstellungswinkel der Wälzkörper betrieben wird, 3ind, wie nachfolgend noch dargelegt wird, die Reibung größer und
die Lebensdauer geringer als bei einem Lager, desse· Wälzkörper einen positiven Schrägstellungswinkel einnehmen.
Ein Kegelrollenlager gemäß der Erfindung, dessen Wälzkörper unter Last mit einem positiven SchrägstellungswinkeL laufen,
ist in Fig. 3 dargestellt und mit 110 bezeichnet. Π unit wird eine minimale Lagerreibung und eine maximale Lebensdauer erreicht.
Zu diesem Zweck ist das Lager 110 so ausgelegt, daß jeder Wälzkörper während des Betriebs in der I-astzone einen
nicht-negativen oder positiven Schrägstellungswinkel einnimmt. Dies wird durch bemißte Herbeiführung einer kleinen und unter
Kontrolle gehaltenen Gleitreibung an bestimmten Stellen zwischen den Laufflächen und den Kegelrollen erreicht, wobei die
durch die Schrägstellung der Rollen erzeugte Gleitreibung den axialen Komponenten P1A und P2A der äußeren Kräfte P1
und P2;welche am Innen- und Außenring 111, 112 angreifen,
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BAD
entgegenwirkt. Wenn diese Bedingungen herrschen, haben die
Kegelrollen definitionsgemäß einen positiven Schrägetellungs—
winkel, bei dem das Lager mit geringerer Reibung und einer längeren Lebensdauer läuft als ein vergleichbares Lager mit
negativ schräggestellten Wälzkörpern.
Wie am besten aus Fig. 3 ersichtlich, ist das Lager 110 so
ausgelegt, daß die mit 116 und 117 bezeichneten Linien glei-
*
eher Umfangsgeschwindigkeit axial zwischen dem dargestellten Wälzkörper 113 und den Lagerringen 111 und 112 an diametralen Stellen hindurchgehen und die Lagerachse A 1 im Scheitelpunkt L1 schneiden. Die inneren und äußeren Laufflächen 111a und 112a sowie die Kegelrollen 113 haben jedoch eine solche Form, daß sich ihre Erzeugenden nicht im Scheitelpunkt L1, sondern in einem Scheitelpunkt L2 neben der Lagerachse A1 schneiden. Der Scheitelpunkt L2 liegt auf der Drehachse A2 der Kegelrolle 113 zwischen diesem und dem Scheitelpunkt L1. Damit befindet sich der Scheitelpunkt L2 der die Laufflächen erzeugenden Linien 116a und 117a im V/inkelbereich zwischen den Linien 116 und 117 theoretisch reiner Wälzbewegung. Die erzeugenden Linien 116a und 117a des Profils der Kegelrolle 113 schneiden die Linien 116 und 117 theoretisch gleicher Umfangsgeschwindigkeit an der mittleren Querlinie M durch die Kegelrolle 113. Der mit oC 4 bezeichnete Scheitelwinkel zwischen den Linien 116a und 117a ist größer als der Winkel oO 3 zwischen den Linien 116 und 117 theoretisch gleicher Umfangsgeschwindigkeit. Die Verlängerung der Linie 117a über den Scheitelpunkt. L2 hinaus schneidet die Lagerachse A1 in einem Punkt 14, und in entsprechender Weise schneidet die Verlängerung der Linie 116a die Lagerachse in einem Punkt L3.
eher Umfangsgeschwindigkeit axial zwischen dem dargestellten Wälzkörper 113 und den Lagerringen 111 und 112 an diametralen Stellen hindurchgehen und die Lagerachse A 1 im Scheitelpunkt L1 schneiden. Die inneren und äußeren Laufflächen 111a und 112a sowie die Kegelrollen 113 haben jedoch eine solche Form, daß sich ihre Erzeugenden nicht im Scheitelpunkt L1, sondern in einem Scheitelpunkt L2 neben der Lagerachse A1 schneiden. Der Scheitelpunkt L2 liegt auf der Drehachse A2 der Kegelrolle 113 zwischen diesem und dem Scheitelpunkt L1. Damit befindet sich der Scheitelpunkt L2 der die Laufflächen erzeugenden Linien 116a und 117a im V/inkelbereich zwischen den Linien 116 und 117 theoretisch reiner Wälzbewegung. Die erzeugenden Linien 116a und 117a des Profils der Kegelrolle 113 schneiden die Linien 116 und 117 theoretisch gleicher Umfangsgeschwindigkeit an der mittleren Querlinie M durch die Kegelrolle 113. Der mit oC 4 bezeichnete Scheitelwinkel zwischen den Linien 116a und 117a ist größer als der Winkel oO 3 zwischen den Linien 116 und 117 theoretisch gleicher Umfangsgeschwindigkeit. Die Verlängerung der Linie 117a über den Scheitelpunkt. L2 hinaus schneidet die Lagerachse A1 in einem Punkt 14, und in entsprechender Weise schneidet die Verlängerung der Linie 116a die Lagerachse in einem Punkt L3.
Wie oben festgestellt, stellen die Linien 116 und 117 gleicher Geschwindigkeit Linien dar, längs derer zwischen den Lagerungen
111 und 112 einerseits und den Wälzkörpern 113 andererseits eine reine Wälzbewegung stattfinden würde, wenn diese Teile so
ausgelegt wären, daß sie sich längs dieser Linien berühren. Da jedoch die Laufflächen 111a und 112a sowie das Profil der Kegelrollen
113 gemäß Fig. 3 so ausgelegt sind, daß der Scheitel-
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punkt L2 abseits der Lagerachse A1 liegt, treten an der
Oberfläche der Kegelrolle 113 an verschiedenen Stollen der Berührungslinien mit den Lagerringen unterschiediche Geschwindigkeiten
auf. Wenn man z.B. annimmt, daß zwischen der Kegelrolle 113 und den Lagerringen an der Mittellinie
M der Kegelrolle 113 eine reine Wäbbewegung stattfindet,
besteht die Tendenz, daß die Kegelrolle 113 während des Betriebs des Lagers links von der Mittellinie M beschleunigt
und rechts der Mittellinie M verzögert wird. Die einseitige Beschleunigung und die Verzögerung auf der
anderen Seite sind auf die Tatsache zurückzuführen, daß die Kegelrolle 113 mit einer bestimmten Winkelgeschwindigkeit
um ihre Achse rotiert, wobei die Umfangsgeschwindigkeit an der Mittellinie K gleich der Umfangsgeschwindigkeit
der inneren Lauffläche 111a an derselben Stelle ist. Da sich jedoch die innere Lauffläche 111a und die
Mantelfläche der Kegelrolle links von der Mittellinie M radial außerhalb der Linie 116 reiner Wälzbewegung berühren,
hat die innere Lauffläche 111a das Bestreben, die Kegelrolle 113 in diesem Bereich zu beschleunigen. Aus
ähnlichen Gründen tritt die entgegengesetzte Wirkung rechts der Mittellinie M auf und führt dort zu einer Verzögerung
der Kegelrolle 113.
Die Beschleunigungs- und Verzögerungsvrirkung auf die Kegelrolle
113 auf gegenüberliegenden Seiten ihrer Mittellinie K
erzeugt ein Moment auf die Kegelrolle 113 um diese Mittellinie
M, welches die Kegelrolle 113 mit Bezug auf Fig. 4 entgegen dem Uhrzeigersinn dreht und schrägstellt. Andererseits hat die Berührung der Kegelrolle 113 mit der äußeren
Lauffläche 112a die gegenteilige Wirkung auf die Kegelrolle 113, d.h. längs der Berührungslinie zv/ischen der äußeren
Lauffläche 112 a und der Kegelrolle 113 sind die Beschleunigungs-
und Verzögerungszonen vertauscht. Der Bereich der Beschleunigung befindet sich rechts von der Mittellinie M
und der Bereich der Verzögerung liegt links der Mittellinie M.
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ti,
Um trotz der sich normalerweise im wesentlichen ausgleichenden
Wirkungen der Verzögerung und Beschleunigung an
den inneren und äußeren Laufflächen einen positiven Schräg— Stellungswinkel zu erhalten, wird bei dem Ausführungsbei—
spiel nach Fig. 3 dafür gesorgt, daß das durch den Innenring auf die Kegelrolle ausgeübte Schrägstellungsmoment
über das tfoment'des Außenrings dominiert. Dies wird dadurch
erreicht, daß die innere Lauffläche 111a mit einer mittleren, ringförmigen, sehr flachen Einsenkung 111b versehen wird, die im Bereich der I.üttellinie M der Kegelrolle
113 liegt, so daß die Kegelrolle 113 die innere Lauffläche auf gegenüberliegenden Seiten der Ein3enkung 111b
mit größerer Anpressung berührt als im Bereich der Mittellinie II. Die flache Einsenkung ist vorzugsweise nur
so tief wie etwa die halbe elastische Verformung bei der Berührung unter Last. Sie beträgt also etwa das 0,00025-fache
des mittleren Rollendurchmessers. Die äußere Lauffläche 112a ist mit einem Paar Einsenkungen 112c und 112d
versehen, die sich mit Zwischenabstand zu beiden Seiten der Mittellinie M erstrecken, so daß die Kegelrolle 113
die äußere Lauffläche 112 im Bereich der Mittellinie M berührt und mit ihren axialen Enden von der äußeren Lauffläche
112a abhebt oder mit einem geringeren Andruck daran anliegt. Infolge der beschriebenen Formgebung ist das
vom Innenring auf die Kegelrolle ausgeübte Foment größer als das entgegengesetzt gerichtete Moment des Außenrings, so daß
die Kegelrolle 113 gemäß Fig. 4 schräg gestellt wird. Ee muß allerdings zu der zeichnerischen Darstellung bemerkt werden,
daß die Einsenkungen 111b, 112c und 112d stark übertrieben dargestellt sind.
Zum besseren Verständnis, wie die Erfindung die Schrägstellung
der Kegelrollen während des Betriebs des Lagers unter Last in einen positiven Schrägstellungswinkel bewirkt, sollte
man sich bei Betrachtung der Figuren 3 und 4 zunächst vorstellen, daß die Kegelrolle 113 steht, während die Lager— '
ringe 111 und 112 relativ zueinander in umgekehrter Drehrichtung
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umlaufen, und zwar derart, daß sich der dargestellte Querschnitt des Innenrings auf den Betrachter zubewegt, während
sich der dargestellte Querschnitt des Außenrings vom Betrachter entfernt. Unter diesen Voraussetzungen Lot die
Umfangsgeschv/indigkeit der inneren Lauffläche 111a am
schmalen (linken) Ende der Kegelrolle 113 größer nl3 die
Umfangsgeschwindigkeit der Manteflache der KegelrolLe 113
in diesem Bereich. Somit hat die tangentiale Komponente fdt
der Reibungskraft fs1 auf die Kegelrolle 113 dieselbe Richtung wie die Bewegungsrichtung des Innenrings, d.h. zum
Betrachter hin. Am breiten Ende der Kegelrolle ist die tangentiale Komponente fs1t der Reibungskraft entgegengesetzt
gerichtet, v/eil dort die Umfangsgeschv/indigkeit der Kegelrolle 113 größer ist als die Umfangsgeschwindigkeit
der inneren Lauffläche 111a. Daraus resultiert ein ICräftepaar
bzw. Moment seitens des Innenrings 111 auf die Kegelrolle 113, welches die letztere in der in Pig. 4 gezeigten
Richtung schräg zu stellen bestrebt ist.
Am Außenring 112 tritt ein in entgegengesetzter Richtung
wirkendes Schrägstellungsmoment auf, weil die Umfr!.n/;:;geschwindigkeit
der äußeren Lauffläche 112a im Bereich des schmalen Endes der Kegelrolle 113 größer ist als die Umfangsgeschwindigkeit
der Kegelrolle 113 in diesem Boreich. Polglich hat die tangentiale Komponente fs3t der Reibungskraft
fs3 auf die Kegelrolle 113 dieselbe Richtung wie die Bevegungsrichtung des Außenrings, d.h. fort vom Betrachter.
Am breiten Ende der Kegelrolle 113 hat die tangentiale Komponente fs3t der Reibungskraft fs3 die entgegengesetzte Richtung,
weil dort die Umfangsgeschwindigkeit der Mantelfläche der Kegelrolle größer ist als die Umfangsgeschwindigkeit des
Außenrings 112. Las durch den letzteren auf die Kegelrolle 113 ausgeübte Moment zur Schrägstellung ist jedoch kleiner
als das vom Innenring 111 ausgeübte Moment, weil der Abstand zwischen den Reibungskraftkomponenten fs3t, fs3t kleiner int
als der Abstand zwischen den Reibungskraftkomponenten fs1t, fs1t entsprechend der oben beschriebenen besonderen Geometrie
der Laufflächenprofile. Das Ergebnis ist, daß das durch den
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Innenring ausgeübte Moment dominiert und die Kegelrolle in
der gewünschten Richtung schrägstellt.
In der Stellung gemäß Fig. 4 müssen die Punkte auf der Mantelfläche
der Kegelrolle auf der unteren Lauffläche 111a
axial nach rechts gleiten, während die Kegelrolle 113 im
Ringraum zwischen den Lagerringen umläuft. An der äußeren Lauffläche 112a'tritt eine Gleitbewegung in entgegengesetzter
Richtung auf. Wegen dieser Gleitbewegungen entstehen nach links gerichtete Reibungskräfte fs1, fs1 an
der Unterseite der Kegelrolle 113 und nach rechts gerichtete Reibungskräfte fs2f fs2 als Reaktionskräfte an der
inneren Lauffläche 111a. Die Reibungskräfte fs2, fs2 haben axiale Komponenten fs2a, fs2a, die nach rechts auf den
Innenring 111 wirken und somit der nach links gerichteten axialen Komponente P1A der äußeren Last P1 entgegengerichtet
sind. In derselben Weise wirkt der nach rechts gerichteten axialen Lastkomponente Ρ2Λ der äußeren Last P2 am
Außenring 112 die nach links gerichtete axiale Komponente
fs4a der Reibungskraft fs4 entgegen. Unter den vorstehend beschriebenen Bedingungen, d.h., wenn die Drehachse A2 der
Kegelrolle 113 nicht in der Ebene der Lagerachse Λ1 liegt
und die geschilderten Kräfte auftreten, hat die Kegelrolle 113 definitionsgemäß einen positiven Schrägstellungswinkel
mit den erwähnten vorteilhaften Konsequenzen.
Wegen der konischen Form der Wälzkörper drückt deren rechte Stirnfläche mit einer Kraft Rra gegen den Bord 114, so daß
eine Reaktionskraft Rrb und Reibungskräfte fa, fb erzeugt
werden. Die Größe dieser Reibungskräfte ist jedoch deutlich verringert, weil ein Teil der an den Berührungsstelion zwischen
dem Bord und den Wälzkörpern auftretenden Last infolge des positiven Schrägstnllungswinkels durch die Reibungskräfte
zv/ischen den Laufflächen und den Wälzkörpern kompensiert wird. Die Zusammenhänge werden am besten anhand der
Figuren 9a und 9b verständlich, wo die verschiedenen Kräfte dargestellt sind, die in Kegelrollenlagern auftreten, deren
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Wälzkörper unter einem positiven oder negativen Schrägstellungswinkel und, im Vergleich dazu, achsparallel
laufen. Die Figuren zeigen den Polygonzug der vektoriell aufgetragenen Kräfte im Gleichgev/ichtcszustand jeweils
für einen Wälzkörper in der Lage nach Fig. 1, 3 und 5f
wobei auf die Wälzkörper jeweils eine axiale Laot Γ1Α wirkt* In der Zeichnung stellen die gestrichelten Linien
das Polygon der.Kräfte bei achsparallel ausgerichteten
Kegelrollen dar, während in ausgezogenen Linien dir? Kräfte dargestellt sind, mit denen gerechnet v/erden muß, renn die·
Kegelrollen unter einem positiven oder negativen Winkel gemäß obiger Definition schräggestellt sind. Besondere Beachtung
im Vergleich verdient die relative Größe der am Bord auftretenden Reaktionskräfte Rrb.
Im Falle des herkömmlichen Lagers nach Fig. 1 ist festgestellt worden, daß die Wälzkörper unter einem negativen
Schrägstellungswinkel laufen. Die daraus resultierenden seitlichen Reibungs— oder Gleitkräfte fs1 und fs3 beeinflussen
gemäß Fig. 9a das Kräftegleichgewicht in der Weise, daß sowohl die normal zu den Laufflächen wirkenden und von
diesen aufzunehmenden Kräfte No und Ni als auch die am Bord auftretende Kraft Rrd größer sind als bei Betrieb den Lagers
mit achsparallel ausgerichteten Kegelrollen. Ein Lageij dessen
Kegelrollen unter einem negativen Schrägstellungsvdnkel laufen,
hat also höhere Reibungsverluste und eine kürzere Lebensdauer als vorausberechnet, wenn die Rechnung nicht auch die
Schrägstellung berücksichtigt. Man beachte besonders, daß die Kraft Rrb an Bord größer ist, denn diese Vergrößerung
hat für sich wiederum eine Verstärkung des Moments zur Folge, welches die Kegelrollen unter negativem Schrägstellungswinkel
zu verkanten bestrebt ist.
Bei der Ausführung nach Fig. 3 läuft die Kegelrolle unter Last mit einem positiven Schrägstellungswinkel und das daraus resultierende
Kräftepolygon ist in Fig. 9b dargestellt. Dabei zeigt sich, daß die normal zu den Laufflächen wirkenden Kräfte
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No und Ni sowie auch die Reaktionskraft Rrb am Bord sämtlich
kleiner sind als bei achsparallel ausgerichteten Kegelrollen. Es sollte jedoch beachtet werden, daß dae
Maß der Verschiebung des Scheitelpunkts L2 mit Bezug auf die Lagerachse A1 in Pig. 3 stark übertrieben dargestellt
ist. Wegen der daraus resultierenden Winkel, unter denen die Kräfte an der Kegelrolle wirksam verden, erscheint
die Basis des Polygonzugs gemäß Fig. 9b sehr viel breiter als in Fig. 9a. 'Somit ist das Größenverhältnis der Reak—
tionskraft Rrb am Bord entsprechend übertrieben. En besteht jedoch die Tendenz, daß bei dem Bestreben, durch
Reibung an den Laufflächen ein positives ochrügntel Lung3—
moment zu erzeugen, welches das durch die Reibung am Bord bestimmte, entgegengesetzt gerichtete I.ioment überwiegt,
die Kraft Rrb am Bord geringfügig vergrößert wird.
In einer praktischen Ausführung gemäß Fig. 3 und 4 kann der Scheitelpunkt L2 z.B. im Abstand von ungefähr 0,005
mal den mittleren Durchmesser der inneren Lauffläche neben der Lagerachse A1 liegen. Zur Zeichnung der Fig. 3 int allerdings
festzustellen, daß wegen der Schrägstellung der Kegelrolle 113 gemäß Fig. 4 der Scheitelpunkt L2 vom Betrachter
aus vor der in Fig. 3 dargestellten achsparellelen Zeichnungsebene liegt.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Figuren 5 und 6 dargestellt. In diesem Fall besteht das
mit 210 bezeichnete Kegelrollenlager aus einem Innenring 211, einem Außenring 212 und einer Anzahl Wälzkörper, von
denen nur einer dargestellt und mit 213 bezeichnet ist. Die Lagerachse A1 liegt wiederum normal zur relativen Bewegungsrichtung
der Wälzkörper 213 zwischen dem Innen— und Außenring. Die Drehachse der gezeichneten Kegelrolle wurde wie bisher
mit A2 bezeichnet.
Im Gegensatz zur Ausführung nach Fig. 3 und 4 schneiden bei der Ausführung nach Fig. 5 und 6 die Erzeugenden 216a bzw.
217a die Drehachse A1 im Scheitelpunkt L2 erst hinter dem
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- vr -
Schnittpunkt L1 der Drehachse A2 mit der Lagerachse A1. Dem entspricht, daß der Winkel oO 3 zwischen den Linien 216,
gleicher Umfangsgeschwindigkeit größer ist al3 der Winkel <C 4 zwischen den Erzeugenden 216a und 217a. Im übrigen
schneiden sich die Linien 216 und 217a bzw. 217 und 217a
wiederum auf der axialen Mittellinie M der Kegelrolle. Da jedoch der Scheitelpunkt L2 jenseits der Lage mc hs ο Λ1
liegt, sind die Gleitbewegungen und Richtungen der Reibungskräfte
an den Berührungsstellen zwischen der Kegelrolle und den Laufflächen 211a und 212a umgekehrt wie bei der Ausführung
nach Fig. 3 und 4. Zwischen der inneren Inufflilche 211a und der Kegelrolle 213 befindet sich auf der rechten
Seite der Mittellinie M ein Bereich, wo die Kegelrolle beschleunigt
wird, während sie links von der Mittellinie M
verzögert wird. Als Ergebnis der anders gerichteten Kräfte vertauschen im Vergleich zur Ausführung nach Fig. 3 und 4
auch die an den inneren und äußeren Laufflächen auftretenden Momente, welche die Schrägstellung der Rollen bewirken,
ihre Vorzeichen.
Um bei der Ausführung nach Fig. 5 und 6 einen positiven Schrägstellungswinkel zu erhalten, muß das am Außenring
212 auftretende Moment größer sein als da3 am Innenring
211. Zu diesem Zweck ist die äußere Lauffläche 212a mit einer ringförmigen mittleren Einsenkung 212b verseben, während
in die innere Lauffläche 211 zu beiden Seiten der Mittellinie M ringförmige Einsenkungen 211c und 211d eingearbeitet
sind. Auf diese Weise berührt die Kegelrolle
213 die innere Lauffläche 211a im Bereich der Mittellinie M mit größerer Anpressung al3 die äußere Lauffläche
212a an entsprechender Stelle. Umgekehrt ist die Pressung zwischen der Kegelrolle 213 und der äußeren Lauffläche
212a seitlich der Einsenkung 212b größer als in den gegenüberliegenden Bereichen der inneren Lauffläche
und auch größer als im Bereich der mittleren Ein3enkung 212b. Als Folge der beschriebenen Formgebung wirken den nxialen
Komponenten P1A und P2A der auf den Innen- bzw. Außenring · wirkenden äußeren Kräfte P1 und P2 axiale Komponenten fs2a
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bzw. fs4a von Reibungskräften fs2 und fs4 zwischen der
Kegelrolle 213 und den Laufflächen 211a und 212a in derselben Weise entgegen wie bei der Ausführung nach Pig. 3
und 4. Es ist wiederum zu beachten, daß die Einsenkungen 211c, 211d und 212d in den Laufflächen aus Darstellungsgründen stark übertrieben gezeichnet sind.
Der Vorteil des, Lagers nach Pig. 5 und 6 zeigt sich an
besten anhand des Kräftepolygons nach Fig. 9c. Man erkennt,
daß sich aufgrund der geometrischen Verhältnisse eine schmalere Basis ergibt, die eine Verringerung der Reaktionskraft
Rrd am Bord anzeigt. Außerdem sind auch die Kräfte No und Ni normal zu den Laufflächen geringer. Bei dieser Auslegung
sind die zur bewußten Steuerung der Schrägstellung der Kegelrollen erforderlichen geometrischen Veränderungen minimal,
da die Verringerung der Reaktionskraft Rrb am Bord bereits für sich eine positive Tatsache ist, welche geringere,
durch Reibung an den Laufflächen zu erzeugende Korrektur— momente ermöglicht.
Die Ausführungsbeispiele nach Fig. 7 und 8 haben gewisse
geometrische Ähnlichkeiten mit den Ausführungen nach Pig. bzw. 5. Fig. 7 zeigt ein Lager 310 mit einem Innenring 311»
einem Außenring 312 und Kegelrollen 313. Der Scheitelpunkt L2 des Kegelv/inkels der Kegelrolle 313 liegt ähnlich wie
gemäß Fig. 3 auf Seiten der Kegelrolle neben der Lagerachse A1. Die Scheitelpunkte L3 und L4 der Erzeugenden 316a bzw.
317a der Laufflächen 311a bzw. 312a liegen auf der Lagerachse A1 so weit auseinander, daß zwischen den Laufflächen
und der Kegelrolle der gewünschte Linienkontakt erhalten wird. Im Beispielsfall liegt der Scheitelpunkt L4 der Erzeugenden
317a näher zum Lager als der Scheitelpunkt L3 der Erzeugenden 316a. Die gewünschte positive Schrägstellung
der Kegelrollen wird dadurch erreicht, daß man die innere Lauffläche 311a rauher oder in anderer geeigneter
Weise mit einem größeren Reibungskoeffizienten ausbildet als die äußere Lauffläche 312a. Fan beachte, daß der Scheitelpunkt
L2 im Winkelbereich zwischen den Linien 316 und 317 gleicher
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Bei der Ausführung nach Pig. 8 ist ein Lager 410 vorgesehen,
welches aus einem Innenring 411, einem Außenring 41? und
Kegelrollen 413 besteht, wobei ähnlich Pig. 5 dor Scheitelpunkt
L2 des Kegelv/inkels der Kegelrolle 413 jenoeit3 der
Lagerachse A1 liegt. Die Schnittpunkte L3 und 1,A
<\c.r Erzeugenden 416a und 417a der beiden Laufflächen 411 ι und
412a mit der Lagerachse befinden sich an den geeigneten Stellen, um Linienkontakt zwischen den Laufflächen und der
Kegelrolle zu erhalten. Im Gegensatz zur Ausführung; nnch
Fig. 7 ist der Abstand des Schnittpunkts L4 vom L-x^er diesmal
größer als der Abstand des Schnittpunkts L3. Die gewünschte positive Schrägstellung der Kegelrolle wird dadurch
gewonnen, daß die äußere Lauffläche 412a rauher oder in anderer geeigneter Weise mit einem größeren Reibungskoeffizienten
ausgeführt wird als die innere Lauffläche 411a. Es wird darauf hingewiesen, daß der Scheitelpunkt L2 außerhalb
des Winkelbereichs der Linien 316 und 317 gleicher Umfangsgeschwindigkeit
liegt, wenn man diese Linien im Scheitelpunkt L2 liegt aber im Winelbereich der Verlängerungen der
Linien 416 und 417 über die Lagerachse A1 hinaus.
Weitere Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in Fig. 10
bis 13 dargestellt. In diesen Fällen ist jeweils nur eine der Laufflächen konisch, während die andere zylindrisch
ausgeführt ist. Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 10 und 11 hat der Außenring eine zylindrische Lauffläche, während
die Lauffläche des Innenrings kegelig ist. Bo i dem Ausführungsbeispiel nach Pig. 12 und 13 wurde dagegen die
innere Lauffläche zylindrisch und die äußere Lauffläche kegelig ausgebildet.
In aer Ausführung nach 10 und 11 wird die gewünschte Schrägstellung
der Kegelrolle!erreicht, indem man dafür sorgt, daß das durch Reibung an der äußeren Lauffläche erzeugte Schrägstellungsmoment
das entgegengesetzt gerichtete Moment an der inneren Lauffläche überwiegt. Bei dem dargestellten Lager
510 schneiden die Linien 516 und 517 gleicher Umfangsgeschwindigkeit die Lagerachse A1 im Scheitelpunkt L1.
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-Vf-
Durch denselben Punkt verläuft auch die Drehachse Λ2 der
Kegelrolfe 513. Die Erzeugenden 516a und 517a der inneren
und äußeren Laufflächen 511a bzw. 51 ?a schneiden ei cn in
einem Scheitelpunkt L2 auf der Drehachse A2 wiederum innerhalb
des Winkelbereichs zwischen den Linien 516 und 517,
aber auf der dem Scheitelpunkt L1 gegenüberliegenden Seite des Lagers. Die Bewegungsbahnen des Innen- und Außenrings
511 und 512 liegen demnach zwischen den Scheitelpunkten
L1 und L2.
Während des Betriebs des Lagers unter Last wird der Bereich der Kegelrolle 513 links von deren Mittellinie M nn der inneren
Lauffläche 511a durch diese beschleunigt. Bei der angegebenen relativen Bewegungsrichtung zwischen Innen- und Außenring
511, 512 wird die Kegelrolle 513 im Bereich rechts von der Mittellinie M an der inneren Lauffläche 511a vorzögert.
Die Beschleunigung einerseits und die Verzögerung andererseits erzeugen ein Moment, welches mit Bezug auf Fig. 11
die Kegelrolle 513 entgegen dem Uhrzeigersinn schräg zu stellen bestrebt ist. An der äußeren Lauffläche 512a sind
die Bereiche der Beschleunigung und der Verzögerung rechts und links der Mittellinie M umgekehrt wie am Innenring, so
daß das daraus resultierende Koraent das Bestreben hat, die
Kegelrolle 513 im Uhrzeigersinn schräg zu stellen. Im Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, daß das durch Reibung an
der äußeren Lauffläche 512a erzeugte Moment über du3 Moment
an der inneren Lauffläche 511a dominiert. Zu diesem Zweck ist ebenso wie bei den vorangehend beschriebenen Au3führungs—
beispielen eine flache Einsenkung 512b im mittleren Bereich der äußeren Lauffläche 512a angebracht. Außerdem ist die
innere Lauffläche 511a mit einem Paar seitlicher Einrenkungen 511c und 511d ausgebildet. Die Einsenkungen sind auch in
diesem Fall aus Gründen der Darstellung stark übertrieben gezeichnet.
Die innere Lauffläche 511a drückt gegen die Kegelrolle im Bereich.der Mittellinie M mit größerem Andruck als
die äußere Lauffläche in demselben Bereich, und die letztere drückt gegen die Kegelrolle außerhalb der Mittellinie mit
einem größeren Andruck als die gegenüberliegenden Bereiche der inneren Lauffläche. Als Ergebnis dieser Verhältnisse
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- tar -
stellt sich die Kegelrolle 513 gemäß !'1Ig. 11 unter einem
positiven Winkel β schräg. In dieser Lage entstel-f-a z"/ischen
der Kegelrolle 513 und der äußeren Lauffläche f»1?a
Reibungskräfte fs3 und fs4 sowie weiterhin zwischen der
Kegelrolle und der inneren Lauffläche 511a Reibung-k räf te
fs1 und fs2. Wenn die axialen Komponenten der rieibini^ikr^rte
fs2 und fs4 so , wie in Fig. 10 eingezeichnet, ,;erichtet
sind, d.h. entgegengesetzt zur Richtung der axialen Komponenten
P2A und P1A der äußeren Kräfte P2 und Γ1, ergibt
sich ein positiver Schrägstellungswinkel, bei dr-ni -lan Lag» r
mit geringerer Gesamtreibung und längerer Lebensdauer lan:"·:
als ein in gleicher Weise belastetes Lager mit negativem Schrägstellungswinkel der Kegelrollen.
Bei dem Lager 610 gemäß Fig. 12 und 13 wird die gewünscht«? Schrägstellung der Kegelrollen dadurch erreicht, daß das
an der äußeren Lauffläche erzeugte Schrägstellungsmoment über das der inneren Lauffläche dominiert . In dieser Ausführung
schneiden die Linien 616 und 617 gleicher Umfangsgeschwindigkeit die Lagerachse A1 im Scheitelpunkt L1. Die
Erzeugenden 616a und 617a der inneren Lauffläche 611a bzw. der äußeren Lauffläche 612aschneiden sich in einem Scheitelpunkt
L2, der im Winkelbereich zwischen den Linien 616 und 617 auf der Drehachse A2 der Kegelrolle 613 liegt. Oer
Scheitelpunkt L2 befindet sich damit zwischen dem Scheitelpunkt L1 und den Lagerteilen 611, 612, im Gegensatz zur Ausführung
nach Fig. 10 und 11, wo die Scheitelpunkte L1 und L2 auf gegenüberliegenden Seiten des Lagers 510 liegen. Gemäß
Fig. 12 ist die innere Lauffläche 611a mit Einrenkungen 611c
und 611d auf beiden Seiten der Mittellinie Ti" versehen, während
die äußere Lauffläche 612a eine flache Einsenkung 612b im
Bereich der I'ittellinie iff hat. Diese in der Zeichnung stark
übertrieben dargestellten Einsenklingen bewirken, daß sich
die Kegelrolle 613 gemäß Fig. 13 unter einem positiven Winkel fr schräg stellt, wenn die Lagerringe unter Last in der in
Fig. 12 angegebenen Richtung umlaufen. V/ie bei den anderen Ausführungsbeispielen bewirken Reibungskräfte fs2 und fs4
axiale Gegenkräfte zu den axialen Komponenten P1A und P2A
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-vr-
der äu/3eren Kräfte P1 und P2, d.h., es ergeben sich die Vorteile des positiven Schrägetellungsvinkels.
Die vorstehende Beschreibung von Ausführungsbeispielen der
Erfindung zeigt, daß durch die vorgeschlagenen T'nßtin.hmen
zur Erzeugung von positiven Schrägstellungsv/inkeln Lager
mit einem Minimum an Reibung und folglich maximaler Lebenndauer geschaffen werden können.
SKF 8829 Hg / 9.5.197?° 9 8 * 8 I ° 8 7 5
Claims (13)
- Patentansprüche©Kegelrollenlager, dadurch gekennzeichnet, daß der Scheitelpunkt (L?) dea Kegelwinkels der Kegelrollen unter einer äußeren Last, neben der Lagerachse (Λ1) ließt und die Laufflächen des Innen— und des Außenrings hinsichtlich dor Heibuug derart unterschiedlich ausgebildet sind, daß nich die Kegelrollen in derjenigen flichtung schräg zur Achsrichtung des Lagers stellen, in v/elcher die r<x:iulen Reibungskräfte an den Laufflächen der Ligerrin,~e den axialen Komponenten der äußeren Last entgegengerichtet sind.
- 2. Kegelrollenlager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Scheitelpunkt (L2) des Kegelwinkels einer Kegelrolle im lagerncitigen Winkelbereich zwischen den beiden Konstruktionulinien liegt, welche den Schnittpunkt (L1) zwischen der Kegelrollenachse (A2) und der Lagerachse (A1) mit den Mittelpunkten der Berührungslinien zwischen der Kegelrolle und den Laufflächen verbinden.
- 3. Kegelrollenlager nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Lauffläche des Innenrings einen größeren Reibungskoeffizienten hat als die Lauffläche des Außenrings.
- 4. Kegelrollenlager nach Anspruch 2 oder 3f dadurch gekennzeichnet, daß die Lauffluche des Innenrings im mittleren axialen Bereich ringförmig etwas eingesenkt ist.709848/0875SKF 8829 Hg / 9.5.1977ORIGINAL INSPECTED
- 5. Kegelrollenlager nach einem der Ansprüche 2 bis 4» dadurch gekennzeichnet, daß die Lauffläche des Außenrings zu.beiden Seiten ihrer Mittellinie ringförmig etwas eingesenkt iet.
- 6. Kegelrollenlager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Scheitelpunkt des Kegelwinkels einer Kegelrolle außerhalb deo Win-kelbereichs zwischen den beiden Konstruktionolinien liegt, welche den Schnittpunkt zwischen der Kegelrollen— achse und der Lagerachse mit den Mittelpunkten der Berührungslinien zwischen der Kegelrolle und den Laufflächen verbinden.
- 7. Kegelrollenlager nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , daß die Lauffläche des Außenrings einen größeren Reibungskoeffizienten hat als die Lauffläche des Innenrings.
- 8. Kegelrollenlager nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Lauffläche des Außenrings im mittleren axialen Bereich ringförmig etwas eingesenkt ist·
- 9. Kegelrollenlager nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennaeichaet» daß die Lauffläche des Innenrings zu beiden Seiten ihrer Mittellinie ringförmig etwas eingesenkt ist.
- 10. Kegelrollenlager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Scheitelpunkt des Kegelwinkels der Kegelrollen wenigstens im Abstand von 0,005 mal den Mittleren Durchmesser der inneren Lauffläche neben der Lagerach3e liegt.709848/0875SKP 8829 Hg / 9.5.1977
- 11. Kegelrollenlager nach einem der vorhergehenden An» Sprüche, dadu. rch gekennzeichnet, daß einer der Lagerringe eine zylindrische Lauffläche hat.
- 12. Kegelrollenlager nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Außenring eine zylindrische Lauffläche mit einer mittleren .ringförmigen Einsenkung und der Innenring eine kegelige Lauffläche mit endseitigen ringförmigen Einsenkungen aufweist«
- 13. Kegelrollenlager nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Lauffläche des Außenrings einen größeren Reibungskoeffizienten hat als die Lauffläche des Innenrings.709848/0875SKP 8829 Hg / 9.5.1977
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