DE2949560C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein sphärisches Gelenklager mit einem äußeren Lagerring, der zwei sich gegenüberliegende Stirnflächen und zwischen diesen eine sphärisch gekrümmte Lagerfläche zum Führen einer Gelenkkugel aufweist. Dabei ist das Gelenk hauptsächlich in einer Richtung belastet, die in einer zu den Stirnflächen parallelen Ebene liegt.

Bei herkömmlichen Lagern der Gattung ist normalerweise ein leichtes radiales Spiel zwischen der Lagerlauffläche des äu­ ßeren Lagerrings und der äußeren Lageroberfläche der inneren Gelenkkugel vorgesehen. Wenn auf das Lager Zugbelastungen längs einer zur Achse des äußeren Lagerrings rechtwinkligen Linie aufgebracht werden, wie es beispielsweise bei der Verwendung in einer Stangenendverbindung vorkommen kann, bewegen sich die rechtwinklig zur Kraftlinie liegenden Seiten des Lagerrings zur Gelenkkugel einwärts, wobei das Spiel aufgenommen und die Lagerlauffläche des äußeren Lagerrings etwas oval wird. Eine solche Bewegung führt zu einer Biegebeanspruchung im äußeren Lagerring, zusätzlich zur direkten Zugspannung infolge der aufgebrachten Zugbelastung auf; die Beanspruchung wächst mit dem Ab­ stand von der neutralen Biegeachse des äußeren Lagerrings. Der Abstand und demnach die Zugspannung ist an der Schnittstelle der kugeligen Lageroberfläche und des Lagergehäuses rechtwinklig zur Kraftlinie am größten, und die Erfahrung hat gezeigt, daß an die­ ser Schnittstelle Ermüdungsausfälle entstehen, die zu einer kur­ zen Lebensdauer des äußeren Lagerrings führen und/oder größere Ermüdungsfestigkeitserfordernisse notwendig machen.

Bei sphärischen Lagern vom Messerschmidt-Typ können frühzeitige Ausfäl­ le des Lagerrings auftreten. Diese Lager enthalten einen Lager­ ring und eine abgestumpfte bzw. abgeflachte Kugel, wobei der Lagerring mit schlüssellochartigen Schlitzen ausgebildet ist, durch die die Kugel für Montage- und Erneuerungszwecke eingesetzt und abgezogen werden kann. Beispiele für derartige Lager ergeben sich aus den US-Patenten 31 16 539 und 23 09 281. Bei solchen La­ gern sind die Schlüssellochschlitze diametral gegenüberliegend angeordnet, und sie erstrecken sich entweder halbwegs oder voll­ ständig über die Lagerlauffläche des Lagerrings. Bei Lagern, bei denen sich die Schlüssellochschlitze über den halben Weg erstrecken, können Ermüdungsausfälle an Punkten großer Span­ nungskonzentration im ungeschlitzten Bereich des Lagerrings auftreten. Wenn sich dagegen die Schlüssellochschlitze ganz über die innere Lagerlauffläche erstrecken, entstehen im Lagerring Punkte großer Spannungskonzentration, wenn das auf der Schlitzgebung beruhende größere Spiel während der Belastung des Lagers in der zuvor beschriebenen Weise aufgenommen wird.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht deshalb in der Schaffung eines verbesserten Gelenklagers der genannten Art mit einer Spannungsentlastung. Es soll verhindert werden, daß der La­ gerring einem frühzeitigen Ermüdungsausfall unterworfen ist. Das Lager soll eine vergrößerte praktische Belastungsgrenze haben und leicht montiert sowie demontiert werden können.

Zur Lösung der gestellten Aufgabe zeichnet sich ein Gelenklager der im Oberbegriff genannten Gattung erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen von Anspruch 1 aufgeführten Merkmale aus. Wei­ tere Merkmale ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Erfindungsgemäß kann demnach die Lebensdauer des äußeren Lager­ rings verlängert werden, indem diejenigen seiner Bereiche entfernt werden, welche großen Spannungskonzentrationen unterworfen sind, ohne jedoch das Seitenspiel zwischen der inne­ ren Lagerlauffläche des Lagerrings und der äußeren Lagerober­ fläche der Gelenkkugel zu vergrößern. Der Lagerring ist an jeder seiner entgegengesetzten Stirnflächen an den Seiten des Auges rechtwinklig zur Kraftlinie mit einem Paar von diame­ tral gegenüberliegenden, sich axial erstreckenden, segmentförmi­ gen Ausnehmungen versehen, wobei die Ausnehmungen der einen Stirnfläche mit denen der anderen Stirnseite diame­ tral ausgerichtet sind. Die diametral gegenüberliegenden Ausnehmungen erstrecken sich von jeder Stirnseite transversal höchstens zum Äquator der Lagerlauffläche hin, wobei die paarweisen Ausnehmungen an entgegengesetzten Stirnseiten durch einen ringförmigen Berüh­ rungsbereich voneinander getrennt sind, der ein im wesentlichen konstantes seitliches Spiel zwischen der inneren Lagerlauffläche des Lagerrings und der äußeren Lageroberfläche der Gelenkkugel aufrechterhält, um hierdurch für deren Seitenabstüt­ zung zu sorgen. Der äußere Lagerring kann mit den Ausnehmungen geformt werden, oder es können die Ausnehmungen nachfolgend in den Lagerring eingearbeitet werden, wo­ bei der Berührungsbereich denjenigen Teil der Lagerlauffläche ausmacht, der nach dem Bearbeiten zwischen den Ausnehmungen ver­ bleibt. Im Betrieb sind die diametral gegenüberliegenden Ausnehmungen eines jeden Paares rechtwinklig zur Kraftlinie der aufgebrach­ ten Zugbelastungen ausgerichtet. Dementsprechend werden Punkte großer Spannungskonzentration im Lagerring eliminiert, wo­ bei kein weiteres Biegen auftreten kann, und zwar infolge des bandartigen Berührungsbereiches, der ein im wesentlichen konstan­ tes Seitenspiel aufrechterhält.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einer lediglich beispiel­ haften, zeichnerisch dargestellten Ausführungsform. Es zeigt

Fig. 1 - in einer perspektivischen Ansicht die bevorzugte Aus­ führungsform des in einem Stangenendaufbau benutzten Lagers nach der vorliegenden Erfindung,

Fig. 2 - den Stangenendaufbau aus Fig. 1 in einer geschnittenen perspektivischen Ansicht,

Fig. 3 - den Stangenendaufbau aus Fig. 1 in einer Draufsicht,

Fig. 4 - den Stangenendaufbau aus Fig. 1 in einer teilweise ge­ schnittenen Seitenansicht,

Fig. 5 - den Stangenendaufbau in einem Transversalschnitt längs der Ebene der Linie 5-5 aus Fig. 3, wobei die Kugel teilweise weggelassen ist und ein Abschnitt der inneren Lagerlauffläche dargestellt ist, und

Fig. 6 - in einem Transversalschnitt ähnlich Fig. 5 den Stan­ genendaufbau ohne Ausnehmungen.

Ein mit einer Kugelbewegung arbeitendes sphärisches Gelenklager ist mit der Hinweiszahl 10 bezeichnet. Es ist hier in Form eines Stangenendaufbaues 12 dargestellt; jedoch kann das erfindungsgemäße Lager auch in anderer Weise angewendet wer­ den. Der Stangenendaufbau 12 und somit das sphärische Lager 10 können beispielsweise bei Flugzeug-Steuergestängen benutzt werden, wo der Stangenendaufbau längs seiner Längsachse zykli­ schen Zugbelastungen T unterworfen werden kann, die in Fig. 1 schematisch dargestellt sind.

Das sphärische Lager 10 besitzt einen äußeren Lagerring 14, der mit einer Stange 16 zusammenhängend ausgebil­ det oder separat hergestellt und hierin eingebaut werden kann. Der Lagerring 14 hat gegenüberlie­ gende planare Stirnflächen 18 und 20 und eine konkave kugelige innere Lagerlauffläche 22, die das Auge des Lagerrings 14 bil­ det. Das Lager 10 besitzt ferner eine innerhalb des Lagerrings 14 untergebrachte Gelenkkugel 24, ähnlich denen bekannter Lager dieser Gattung, welche im wesentlichen die Form einer abgestumpften Kugel hat. Diese besitzt eine zentrale Bohrung 26 und eine konvexe, kugelige, äußere Oberfläche 28, die komplementär zu der konkaven inneren Lagerlauffläche 22 des Lagerrings 14 ist und einen im Vergleich hierzu etwas kleineren Radius hat.

Erfindungsgemäß ist der Lagerring 14 mit zwei Paaren von ent­ sprechend diametral gegenüberliegenden Ausnehmungen 30 und 32 an jeder der Stirnflächen 18 und 20 versehen. Die Ausnehmungen 30 und 32 eines jeden Paares sind diametral unter rechten Winkeln zur Richtung der aufgebrachten Zugbelastungen T ausgerichtet. Die diesbezüglichen Gründe werden noch klarer er­ sichtlich. Vorzugsweise sind die Ausnehmungen 30 und 32 zylindri­ sche segmentförmige Hohlräume mit einem Radius, der im wesentli­ chen demjenigen der Gelenkkugel 24 entspricht. Die Hohl­ räume bzw. Vertiefungen können in das Auge des Lagerrings 14 eingearbeitet oder eingeformt sein. Die Ausnehmungen 30 und 32 er­ strecken sich transversal teilweise über die Lagerlauffläche, wo­ bei transversal gegenüberliegende Ausnehmungen von entgegengesetz­ ten Paaren durch einen ringförmigen Berührungsbereich 34 an jeder Seite des Lagerrings voneinander getrennt sind. Der ringförmige Berührungsbereich 34 besteht aus demjenigen Teil der Lagerlauf­ fläche, der nach dem Anbringen der Ausnehmungen zwischen den transversal gegenüberliegenden Ausnehmungen verbleibt und stellt somit eine Fortsetzung der Lagerlauffläche dar. Das Seitenspiel zwischen der inneren Lagerlauffläche 22 und der äußeren kugeligen Oberfläche 28 der Gelenkkugel 24 wird somit durch das Anbringen der Ausnehmungen nicht vergrößert. Der Lagerring kann natürlich auch in der er­ wünschten Form gegossen werden.

Bei der bevorzugten dargestellten Ausführungsform erstrecken sich die Ausnehmungen 30 eines Paares vorzugsweise etwa über die halbe Lagerlauffläche, während die Ausnehmungen 32 des anderen Paares nur über einen Teil der Hälfte oder über etwa ein Drittel der Lagerlauffläche verlaufen, wobei ein Berührungsbereich 34 ver­ bleibt, der etwa ein Sechstel der axialen Länge des Lagerrings ausmacht. Die Länge der Ausnehmungen 30 ist auch zumindest so groß wie die axiale Länge oder Dicke der Gelenkkugel 24. Da­ durch kann das sphärische Lager 10 in herkömmlicher Weise zusam­ mengebaut werden, indem die Gelenkkugel hochkantig durch die Ausnehmungen 30 eingesetzt und zu der in Fig. 1 dargestellten Position gedreht wird. Natürlich kann das sphärische Lager auch durch andere Methoden zusammengesetzt werden, wobei der Berüh­ rungsbereich gemäß Darstellung axial versetzt oder, wenn dieses bevorzugt ist, im Lagerring zentral angeordnet ist.

Unter Bezugnahme auf Fig. 6 wird eine Spannungsentlastungsfunk­ tion der Erfindung erläutert. Fig. 6 ist eine Schnittansicht des Lagerrings 14 längs einer diametralen Ebene, die rechtwinklig zur Richtung der aufgebrachten Zugbeanspruchung ver­ läuft, in Fig. 1 durch Pfeile T dargestellt. Der durch das Schlitzen bzw. Aussparen normalerweise eliminierte Teil des Lagerrings 14 ist durch die gestrichelte Linie 35 begrenzt. Demnach gibt die kombinierte Schnittfläche des Lagerrings diesen ohne Aussparung nach der vorliegenden Erfindung und somit ohne Spannungsentlastung wieder. Wenn ein solcher Lagerring Zugbeanspruchungen unterworfen wird, bewegen sich seine Seiten rechtwinklig zur Linie der aufgebrachten Kraft (an der Oberseite und Unterseite des Lagerrings gemäß der Dar­ stellung in Fig. 6) seitlich einwärts, da jegliches Spiel zwi­ schen der inneren Lagerlauffläche des Lagerrings und der äuße­ ren Oberfläche des kugelartigen Gliedes aufgenommen wird. Eine solche Einwärtsbewegung führt im Lagerring zu einer Biege­ beanspruchung, die mit der direkten Zugbeanspruchung zusammenge­ faßt wird und Bereiche hoher Spannungskonzentration erzeugt. Darüber hinaus steigt die Biegebeanspruchung mit dem Abstand von der neutralen Biegeachse X, und sie wird der direkten Zugbean­ spruchung einwärts von der neutralen Biegeachse überlagert. Dem­ entsprechend entstehen Punkte maximaler Spanung an der Schnitt­ stelle zwischen der Peripherie der Lagerlauffläche und der dia­ metralen Ebene, die sich rechtwinklig zur Richtung der aufge­ brachten Kraft erstreckt. Diese Spannungskonzentrationspunkte sind bei 36 dargestellt. Außerdem sind die an diese Punkte größter Spannungskonzentration angrenzenden Bereiche des Lagerrings ebenfalls großen Spannungskonzentrationen unterworfen.

Durch das Entfernen dieser Bereiche großer Spannungskonzentration mittels Ausbildung der Ausnehmungen 30 und 32 in der zuvor be­ schriebenen Weise wird die maximale Dehnungsspannung stark vermin­ dert, da die Punkte maximaler Spannungskonzentration dann an den radial innersten Rändern 37 des verbleibenden Berührungsbereiches 34 auftreten, dessen Abstand von der neutralen Biegeachse X gemäß Darstellung viel kleiner ist. Darüber hinaus ist, wie es zuvor erwähnt wurde, das Vorhandensein des Berührungsbereiches wichtig, und das Spiel zwischen der inneren Lagerlauffläche des Lagerrings sowie der äußeren Oberfläche der Gelenkkugel wird nicht durch das Anbringen der Vertiefungen vergrößert. Der Berüh­ rungsbereich sorgt für ein Aufrechterhalten des Spiels und bildet die erforderliche Abstützung für die Kugel in dem Bereich der Ausnehmungen rechtwinklig zur Linie der aufgebrachten Kraft. Eine Vergrößerung des seitlichen Spiels würde ein größeres Biegen er­ möglichen, wodurch große Spannungskon­ zentrationen in zusätzlichen Teilen des Lagerrings entstehen. Damit würden die Vorteile zunichte, die sich aus dem Entfernen der Lager­ ringteile ergeben, welche normalerweise der großen Spannung un­ terworfen sind.

Claims (3)

1. Sphärisches Gelenklager, mit einem äußeren Lagerring, der zwei sich gegenüberliegende Stirnflächen und zwischen diesen eine sphärisch gekrümmte Lagerfläche zur Führung einer Gelenkkugel aufweist, wobei das Gelenk in einer Hauptbelastungsrichtung, die in einer zu den Stirnflächen parallelen Ebene liegt, belastet ist, und wobei die Lagerfläche zwei hinsichtlich des zur Hauptbelastungsrichtung senkrechten Durchmessers diametral gegenüberliegende Ausnehmungen aufweist, die sich von der einen der Stirnflächen ausgehend, im wesentlichen senkrecht zu dieser Stirnfläche orientiert, bis höchstens zum Äquator der Lagerfläche erstrecken, dadurch gekennzeichnet, daß auch von der anderen der Stirnflächen zwei sich hinsichtlich des genannten Durchmessers gegenüberliegende, im wesentlichen senkrecht zu dieser Stirnfläche orientierte Ausnehmungen der Lagerfläche ausgehen, die sich nur soweit auf den Lagerflächenäquator zu erstrecken, daß zwischen den beiden Paaren von Ausnehmungen eine ausnehmungsfreie Kugelzone auf der Lagerfläche verbleibt.

2. Gelenklager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmungen (30, 32) zylindrische segmentförmige Schlitze bzw. Vertiefungen sind.

3. Gelenklager nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich die von der einen der Stirnflächen (18) ausgehenden Ausnehmungen etwa über die halbe Lagerlauffläche (22) erstrecken und daß die von der anderen Stirnfläche ausgehenden Ausnehmungen (20) etwa über ein Drittel der Lagerlauffläche (22) verlaufen.