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Kunststoff-Lagergehäuse
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mit Verbindungs- und Befestigungselementen Die Erfindung betrifft
ein Kunststoff-Lagergehäuse mit Einrichtungen zur Verbindung der einzelnen Gehäuseteile
miteinander sowie zur Befestigung des Lagergehäuses an einer Unterlage (Konsole,
Block o.dgl.).
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In neuester Zeit setzt sich das Lagergehäuse aus Kunststoff auf dem
Markt gut durch. Es ist im Spritzgießverfahren leicht und preiswert herzustellen,
und zwar ohne jede Nacharbeit. Im Betrieb ist es geräuscharm und weitgehend korrosionsfrei;
darüber hinaus ist es säure- und wasserbeständig. Die Festigkeitswerte sind ausreichend,
und das Gewicht ist wesentlich geringer als dasjenige eines entsprechenden Lagergehäuses
aus Metall, was insbesondere bei der Lagerung und beim Transport eine große Rolle
spielt.
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Bei durchschnittlicher Belastung und durchschnittlichen Wellendrehzahlen
ist ein Kunststofflager ebenso betriebssicher wie ein Lagergehäuse aus Metall. Handelt
es sich aber um größeren Belastungen und insbesondere um hohen Drehzahlen, kann
die betriebsbedingte Erwärmung des Kunststoffmaterials die kritische Grenze erreichen,
an welcher das Material plastisch wird und "ausfließt", also den Spanndruck der
Befestigung nachgibt. Diese Gefahr ist besonders groß in Räumen, wo ohnehin eine
hohe Temperatur herrschen, z.B. in Wellenschächten o.dgl.
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Indem die Kunststoffmasse nachgibt, läßt der Spanndruck der Spannschrauben
ebenfalls nach; unter Einwirkung der betriebsbedingten Schwingungen und sonstigen
Erschütterungen fällt die Vorspannung der Schrauben weiter ab, und die Betriebssicherheit
ist nicht mehr qewährleistet.
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Dieser Vorgang fängt schon bei einer Gehäusetemperatur von rd. 800C
an und ist für den Beobachter nicht unmittelbar erkennbar, auch dann nicht, wenn
er mit einem Werkzeug versucht, die Festigkeit des Kunststoffmaterials im Zuge eines
Prägedrucks zu testen. Das Material erscheint auch bei erheblich höheren Temperaturen
immer noch "normal" fest, weicht aber höheren Spannungsdrücken, wie sie an den Spannschraubenköpfen
entstehen, unsichtbar aus. Die nachlassende Schraubenspannung gibt den Weg frei
für das vorhin beschrieh egefährliche und zeitlich unkontrollierbare Lösen der 5ilrauben.
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Um hier Abhilfe zu schaffen, hat man versucht, zwischen Schraubenköpfen
und Lagergehäuseflächen große Unterlagscheiben anzubringen, um die Auflageflächen
zu vergrößern.
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Zu der Überraschung der Fachleute wurde dadurch das Fliessendwerden
des Materials nicht etwa eingedämmt, sondern beschleunigt, obwohl Lagerbelastung
und Wellendrehzahl gleich geblieben waren.
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Die Fachleute standen hier vor einem Rätsel. Offenbar war nicht allein
die an der Lagerkammer entstehende, betrieblich bedingte Erwärmung des Kunststoffmaterials
für dessen Plastifizierung verantwortlich. Der Erfinder, der sich die Aufgabe gestellt
hatte, ein Kunststoff-Lagergehäuse zu schaffen, dessen Befestigungen auch bei höherer
Belastung und bei hohen Wellendrehzahlen zuverlässig unverändert bleiben wurden,
erkannte im Zuge mehrerer Versuchsreihen, daß ein unbelastetes Lagergehäuse aus
Kunststoff, dessen Lagerkammertemperatur in die Nähe der für den Kunststoff kritischen
Temperatur gebracht wurde, erst dann Fließerscheinungen an den Verbindungs- und
Befestigungsstellen
aufwies, wenn dort starke Schwingungen auftraten,
die übrigens auch von außen impliziert werden konnten. Darüber hinaus zeigte sich
eine Eskalation der Schwingungswirkung schon in dem frühen Anfangsstadium der Plastifizierung
stieg die Amplitude der Schwingungen rasch an, und zwar proportional mit dem durch
die Plastifizierung bedingten Nachgeben der Schraubenspannung.
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Die Lockerung der Schrauben erfolgte dann zeitlich unberechenbar :
oft praktisch sofort, aber manchmal auch erst nach Stunden.
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Außerdem führten die stets starker gewordenen Schwingungen zu Reibungen
zwischen den Verbindungs- und Befestigungsschrauben einerseits und dem Kunststoffmaterial
andererseits, indem die Metallschrauben und ihre Schäfte sich an den Kunststoffwänden
der Befestigungs- und Verbindungsbohrungen rieben. Dadurch entstand hier zusätzliche
Wärme, welche die Temperatur an den Verbindungs- und Befestigungsstellen noch erhöhte.
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Diese Erkenntnisse zeigten dem Erfinder den Weg zur Lösung der Erfindungsaufgabe
: erstens dürfte an den Verbindungs-und Befestigungselementen keinen unmittelbaren
Spannungsdruck auf dem Kunststoffmaterial ausgeübt werden, und zum anderen dürften
die Verbindungs- und Befestigungselemente auch sonst nicht mit dem Kunststoffmaterial
in Schwingungsberührung kommen, bei welcher die verschiedenartigen Werkstoffe sich
aneinander reiben könnten.
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Diese Voraussetzungen werden dadurch erfüllt, daß sowohl in den Verbindungsbohrungen
als auch in den Befestigungsbohrungen der Lagergehäuseteile Metallbuchsen , welche
zur Aufnahme der Verbindungs- und Befestigungsschrauben dienen, derart angeordnet
sind, daß jede Verbindungs-Metallbuchse des einen Gehäuseteils beim Zusammenschrauben
der Gehäuseteile stets unmittelbar auf den Metallbuchsen des anderen Gehäuseteils
aufliegt, und daß die Köpfe der Verbindungsschrauben
sowie die
Schraubenköpfe der das Lagergehäuse an der Standortunterlage verankernden Befestigungsschrauben
ausschließlich auf den Rändern dieser Metallbuchsen ruhen.
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Nach dem Erfindungsprinzip wirkt die Aufspannung der Befestigungsschrauben
ausschließlich auf die in dem Kunststoffmaterial fest eingebetteten Metallbuchsen;
es wird keinerlei Spannungs druck auf irgendwelchen Teilen des Kunststoffmaterials
ausgeübt. Da die Metallbuchsen in dem Kunststoffmaterial voll integriert sind, ist
eine Schwingungsreibung Kunststoff-Metall ausgeschlossen.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist zwischen dem
Schaft einer jeden Verbindungs- und Befestigungsschraube und der Innenwand einer
jeden Metallbuchse ein mantelförmiger Luftraum vorhanden.
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Die Metallbuchsen können vorteilhaft spulenförmig ausgebildet und
im Zuge des Spritzgießverfahrens in den betreffenden Lagergehäuseteilen eingegossen
sein. Zum Einpressen in die Verbindungs- und Befestigungsbohrungen nach Fertigstellung
des Kunststoffgusses können die Metallbuchsen auch als Zylinderrohre gestaltet sein,
an deren einem Ende je ein Kragen ausgebildet ist.
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Die Wirkung dieser Maßnahmen ist für die Fachwelt überraschend : der
Temperaturanstieg am Lagergehäuse findet merkbar langsamer statt, die Laufruhe ist
besser, da man das Gehäuse erheblich fester einspannen kann, als dieses bei einer
Einspannung unmittelbar über Kunststoffmaterial -mit oder ohne Unterlegscheiben
- möglich ist. Vor allem aber können sich die Verbindungs- und Befestigungsschrauben
bei überhöhten Betriebstemperaturen nicht lösen, und zwar selbst auch dann nicht,
wenn das Kunststoffmaterial seine Fließgrenze erreicht hat, denn das Kunststoffmaterial
steht nicht unter Druck und hat dementsprechend auch im plastifizierten
Zustand
keine Veranlassung, die ihm im Zuge des Spritzgießverfahrens gegebene Gestalt zu
ändern. Die Zentrierung des Lagers bleibt von der Erreichung der kritischen Temperatur
unberührt.
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Anhand der Zeichnungen soll in der Folge zwei Ausführungsbeispiele
der Erfindung dargestellt und erläutert werden.
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Es zeigen Figur 1 ein Stehlagergehäuse in einer Frontansicht, Figur
2 den Längsschnitt des Stehlagergehäuses Fig.1 mit im Spritzgießverfahren eingegossenen
Metallbuchsen, einer Verbindungsschraube und einer Befestigungsschraube; die zweite
Verbindungsschraube und die zweite Befestigungsschraube sind der besseren Übersicht
wegen nicht eingezeichnet (rechte Seite), Figur 3 den Längsschnitt Fig.2, jedoch
mit Metallbuchsen, die erst nach dem Spritzgießverfahren hineingepreßt sind, Figur
4 eine Befestigungs-Metallbuchse in perspektivischer Sicht, zum Mit-Eingießen bestimmt,
Figur 5 eine Verbindungs-Metallbuchse in perspektivischer Sicht, ebenfalls zum Mit-Eingießen
im Zuge des Spritzgießverfahrens vorgesehen, Figur 6 die Befestigungs-Metallbuchse
Fig.4, jedoch zum Einpressen in den fertigen Gehäuseteil und Figur 7 die Verbindungs-Metallbuchse
Fig.5, ebenfalls zum Einpressen in den fertigen Gehäuseteil.
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Das Stehlagergehäuse Figuren 1 und 2 ist aus einem oberen Gehäuseteil
1 und einem unteren Gehäuseteil 2 zusammengesetzt. Die Gehäuseteile 1,2 sind aus
Kunststoff im Spritzgießverfahren hergestellt und werden mittels Verbindungsschrauben
3 miteinander verschraubt. Die im Gehäuseoberteil 1 befindlichen Verbindungsbohrungen
4,5 sowie die im Gehäuseunterteil angeordneten gleichaxialen Verbindungsbohrungen
6,7 für die Aufnahme der Verbindungsschrauben sind, wie auch die Befestigungsbohrungen
8,9 des Gehäuseunterteils 2, die Lagerkammer 10 und den Schmierkanal 11, im Zuge
des Spritzgießverfahrens entstanden und bedürfen danach keine Nachbearbeitung. ber
die Befestigungsbohrungen 8,9 ist das Stehlagergehäuse mittels Befestigungsschrauben
12 an der Unterlage (Bock, Konsole o.dgl.) 13 befestigt.
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Gemäß der Darstellung Fig.2 sind in den Verbindungsbohrungen 4,5 des
Gehäuseoberteils 1 sowie in den Verbindungsbohrungen 6,7 des Unterteils 2 spulenförmige
Metallbuchsen 14,15 bzw. 16,17 angeordnet, die zweckmäßig aus Stahl gefertigt sind,
jedoch auch aus jedem anderen geeigneten Metall bestehen können. An jeder dem Gehäuseunterteil
2 zugeordneten Metallbuchsen 16,17 ist an dem unteren Ende eine Verstärkung 161,171
ausgebildet, mit einer längsaxialen Gewindebohrung (161,171), in welche ein entsprechendes
Gewinde der Verbindungsschraube 3 eingeschraubt wird. Die Querschnitte der Buchsenbohrungen
und der Schraubenbolzen 3 sind derart bemessen, daß zwischen der Buchseninnenwand
einer jeden Buchse und dem zugeordneten Schraubenschaft ein zylindermantelförmiger
Luftraum vorhanden ist. Dieser Luftraum verhindert, daß der Schraubenschaft sich
an der Buchseninnenwand reibt; wenn trotz der festen Aufspannung eine Schwingungsreibung
zustande kommen sollte, würde sie nur gering sein und sich lediglich an den Schraubenköpfen
abspielen.
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Auch die Befestigungsbohrungen 8,9 sind mit spulenförmigen Metallbuchsen
19,20 ausgerüstet, durch welche die Befestigungsschrauben 12 verlaufen, ebenfalls
von einem zylindermantelförmigen Luftraum 21 umgeben.
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Die spulenförmigen Metallbuchsen 14 bis 17 (Figuren 4 und 5) werden
in das Gießwerkzeug eingebracht und dort auf entsprechende Führungsstifte aufgesteckt.
Im Zuge des Spritzgießverfahrens werden sie in die Gehäuseteile 1,2 eingegossen
und vollständig in diese integriert.
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Fig.2 zeigt auf der linken Seite die Bohrungen 4,6 mit den Metallbuchsen
14 des Gehäuseoberteils 1 und 16 des Gehäuseunterteils 2. In das Metallbuchsenpaar
14,16 ist die Verbindungsschraube 3 eingesteckt und in das Gewinde 162 der Verstärkung
161 eingeschraubt. Durch die Metallbuchse 19 und die mit der Befestigungsbohrung
8 achsgleiche Bohrung 22 der Unterlage 13 ist die Befestigungsschraube 12 durchgesteckt
und festgeschraubt.
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Dasselbe Vorgehen findet an der rechten Seite des Lagergehäuses statt.
Hier sind die Metallbuchsen 15,17,20 aus Gründen der Übersichtlichkeit als noch
offen gezeichnet, also ohne Verbindungs- und Befestigungsschrauben, die jedoch genau
wie oben beschrieben eingeführt und verschraubt werden.
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Sowohl bei der Befestigung des Gehäuseunterteils 2 an der Unterlage
13 als auch bei der Verbindung der beiden Gehäuseteile 1,2 miteinander ruht der
durch die Verschraubung entstehende Spannungsdruck ausschließlich auf Metallflächen
: die Körbe der Verbindungsschrauben 3 liegen auf den Kragen der Metallbuchsen 14,15
des Gehäuseoberteils 1 auf, und der Spannungsdruck wird von den Metallbuchsen 14,15
unmittelbar auf die Metallbuchsen 16,17 des Gehäuseunterteils 2 übertragen; ebenso
liegen die Köpfe der Befestigungsschrauben 12 unmittelbar auf den Metallbuchsen
19,20 auf. In dieser Weise
ist das Kunststoffmaterial nirgendwo
unmittelbar eingespannt; ein wärmebedingtes Plastischwerden des Kunststoffmaterials
an den Befestigungs- und Verbindungsstellen kann demzufolge nicht zu einem Nachlassen
der Schrauben spannung und - in der weiteren Folge - zu einem Lösen der Schrauben
führen, da die Schraubenspannung ausschließlich von Metallelementen aufgefangen
wird.
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Wie eingangs schon erwähnt, war nicht die betriebsbedingte Wärmeentwicklung
an der Lagerkammer 10 die alleinige und auch nicht die ausschlaggebende Ursache
zu der Plastifizierung des Gehäusematerials an den Befestigungs- und Verbindungsstellen
der bisher bekannten Kunststoff-Lagergehäuse. An deren Befestigungs- und Verbindungsstellen
führten die unvermeidlichen betriebsbedingten Schwingungen und Erschütterungen zum
Entstehen einer Reibungswärme, durch welche diese kritischen Stellen zusätzlich
erwärmt wurden.
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Indem bei einem erfindungsgemäßen Lagergehäuse keinerlei Reibung zwischen
Schraubenschäftezund Kunststoff zustande kommen kann, und da zwischen den Buchseninnenwändeaund
den SchraubenschaftetLufträume 18,21 vorhanden sind, ist das Entstehen von wärmeerzeugenden
Schwingungsreibungen nicht mehr möglich. Das Ergebnis ist, daß das Lagergehuse selbst
bei hohen Drehzahlen normalerweise recht mäßig an den Befestigungsstellen erwärmt
wird. Die zum Plastischwerden erforderliche Temperatur von 100-120 "C kommt nur
in Ausnahmefällen zustande, und wenn schon, ändert sich an der Festspannung des
Lagergehäuses und an dessen Zentrierung nichts. Die Stabilität eines erfindungsgemäßen
Kunststoff-Lagergehäuses ist deshalb die gleiche wie diejenige eines Metallagergehäuses.
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Für den Fall, daß man die Metallbuchsen nicht in die Gehäuseteile
1,2 mit eingießen will, bzw. Metallbuchsen in bereits fertiggegossene Lagergehäuseteile
anbringen möchte, kann
man die Metallbuchsen als Einsteckbuchsen
23,24 (Gehäuseoberteil 1), 25,26 (Gehäuseunterteil 2) und 27,28 (für die Befestigungsschrauben)
gestalten, indem an dem sonst hohlzylinderförmigen Körper einer jeden Metallbuchse
ein Kragen 29 ausgebildet ist, vgl. Figuren 6 und 7. Anstelle der auf Fig.2 abgebildeten
Spezialschraube 3 werden handelsübliche Schrauben 30 mit Schraubenmuttern 31 verwendet,
indem die Schraubenmutter während des Auf spannens in einem Hohlraum 32 mit entsprechend
sechseckigem Querschnitt gleitet, der am Ende einer jeden Verbindungsbohrung 6,7
ausgebildet ist.
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Die Metallbuchsen 23 bis 28 werden unter Druck in die Verbindungs-
und Befestigungsbohrungen 4 bis 9 eingesteckt.
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Dabei können sie bzw. die Wände der Bohrungen mit einer Klebstoffschicht
32 (abgebildet auf Fig.3, linke Seite) versehen sein, um ein Herausfallen während
der Lagerung oder des Transports zu verhindern.
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Die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele sind beide auf Stehlagergehäuse
bezogen. Die Erfindung kann jedoch vorteilhaft auch für andere Lagergehäusetypen
Verwendung finden, wie z.B. für Flanschlagergehäuse, TVN-Lagergehäuse u.s.w.
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4 Ansprüche