DE3105632A1 - Waelz- und gleitlageranordnung - Google Patents

Waelz- und gleitlageranordnung

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Wälz- und Gleitlageranordnung eines Bauteiles auf einer Welle, mit in einem äußeren Kranzlager parallel zur Wellenachse angeordneten Rollkörpern mit linearem Kontakt, welches zwischen der Bohrungswand des zu lagernden Bauteils und einem Zwischenlagerelement angeordnet ist, und mit einem inneren Lager mit in Reihen senkrecht zur Wellenachse angeordneten Rollkörpern mit linearem Kontakt, welche zwischen rinnenförmigen Rollbahnen im Zwischenlagerelement und auf der Welle in Längsrichtung ausgebildeten Rollbahnen laufen.
Derartige Anordnungen haben sich als sehr vorteilhaft für Einbaubedingungen erwiesen, bei denen das zu lagernde Bauteil eine sehr hohe Last auf die Welle überträgt, da ein Rollkörper mit linearem Kontakt gegenüber einer gleich langen Reihe Kugeln, die ja nur punktförmigen Kontakt gewährleisten, eine sehr viel höhere (bei gehärtetem Chromstahl um ein 50-Faches) Tragfähigkeit aufweist.
Bei einer bekannten Anordnung dieser Art (US-PS 3 490 251) ist das Zwischenlagerelement als einzelner Ring ausgebildet, in dessen Innenfläche alle rinnenförmigen Rollbahnen eingearbeitet sind.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Lageranordnung der beschriebenen Art zu schaffen, welche auf einfachere und
damit wirtschaftlichere Weise herstellbar ist.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist gemäß der Erfindung jede rinnenförmige Rollbahn in einem getrennten halbkreisförmigen Element ausgebildet.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform bilden alle halbkreisförmigen Elemente zusammen mit einem Abschnitt der Welle das Zwischenlagerelement, wobei der Durchmesser dieses WEllenabschnitts etwas kleiner ist als der Durchmesser der zylindrischen Mantelfläche der halbkreisförmigen Elemente. Damit werden Reibungen bei Verschiebungsbewegungen unter Wahrung einer guten Drehführung verringert.
Zur Aufnahme von hauptsächlich aus zwei Richtungen z.B. entgegengesetzten, wechselweise aufzubringenden Kräften weist die Anordnung in zwei Reihen angeordnete Rollkörper auf, wobei jede Reihe auf einer auf der Welle längs ausgebildeten, jeweils in eine dieser beiden Kraftrichtungen weisenden Rollbahn läuft. Zur Aufnahme von Kräften unterschiedlicher Richtungen wird die Anordnung mit in drei Reihen angeordneten Rollkörpern ausgestattet.
Vorzugsweise ist jede Rollkörperreihe in einem Käfig festgelegt, wobei die Käfige an ihren Enden jeweils einen hochgezogenen Bord aufweisen, gegen welchen sich Rückstellfedern mit ihrem einen Ende abstützen, während sie mit ihrem anderen Ende das Zwischenlagerelement beaufschlagen. Nach einer abgewandelten Ausführungsform kann jede Reihe mit einer Rückführvorrichtung für ihre Rollkörper ausgestattet sein.
In allen Fällen lassen sich durch die Verwendung eines Zwischenlagerelementes, dessen Länge die Bohrung im zu lagernden Bauteil übertrifft, Fluchtfehler des Bauteils gegenüber den Rollkörpern vermeiden.
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Merkmalen der Ansprüche.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele näher beschrieben.
In den Zeichnungen zeigt:
Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine Lageranordnung gemäß einer Ausführungsform nach der Erfindung;
Fig. 2 einen Schnitt gemäß der Linie 2-2 in Fig. 1;
Fig. 3
und 4 jeweils eine Teilansicht der Anordnung;
Fig. 5 einen Längsschnitt durch eine weitere Ausführungsform;
Fig. 6 einen Schnitt gemäß Linie 6-6 in Fig. 5.
Die in Fig. 1 und 2 dargestellte Anordnung 1 dient zur Lagerung eines sphärischen Wälzelements 3 auf einer horizontalen Welle 2 gleicher Achse X-X, welche mit ihrem einen Ende in einer vertikalen Wandung 2a festgelegt ist, und gestattet dem Wälzelement unter Aufbringung einer vertikalen Last auf die Welle eine Verschiebbarkeit längs dieser Achse X-X und eine freie und praktisch reibungslose Drehbarkeit um diese Achse.
Das Wälzelement 3, welches durch zwei ebene, zu einer senkrecht zur Achse X-X diametralen Ebene P symmetrische Stirnflächen 4 begrenzt ist, ist zwischen zwei parallelen Backen 5 eines (nicht dargestellten) beweglichen Organs festgelegt, in welchen zylindrische Wälzbahnen 6 gleichen Durchmessers ausgebildet sind, deren gemeinsame Achse Y-Y horizontal in der Ebene P verläuft. Sobald eine vertikale Kraft F oder F1 auf das Wälzelement 3 einwirkt, rollt dieses frei auf einer seiner Wälzbahnen 6 ab, je nach Richtung der aufgebrachten Kraft, und zwar dank eines geringen Radialspiels, das sich
aus dem unterschiedlichen Durchmesser des Wälzbahnenprofils und der sphärischen Mantelfläche des Wälzelementes ergibt.
Die Welle 2 weist über ihrer gesamten Länge zwei horizontale Abflachungen 7 auf. Zur Anordnung 1 gehören zwei identische halbkreisförmige Elemente 8, ein äußeres Wälzlager 9 mit einem zur Achse X-X parallelen Nadelkranz 10 und ein Gleitlager 11, bestehend aus zwei zur Achse Y-Y parallelen Nadelreihen 12.
Jedes halbkreisförmige Element 8 ist als zylindrisches Segment ausgebildet, welches z.B. um ein 2-faches länger ist als das Wälzelement 3 und die Querschnittsfläche der Welle 2 jeweils auf der der Achse X-X entsprechenden Seite ergänzt. Die der jeweiligen Abflachung 7 zugewandte plane Fläche jeden Elements 8 weist über ihre gesamte Länge eine Kehlu ng bzw. eine rinnenförmige Ausnehmung 13 mit rechteckigem Profil auf, in welchem eine Nadelreihe 12 aufnehmbar ist. Die Nadeln sind über einen die Länge des Wälzelements 3 übertreffenden, im wesentlichen der Länge der Elemente 8 entsprechenden Abschnitt der Welle 2 verteilt.
Die beiden halbkreisförmigen Elemente bzw. Segmente ergeben zusammen mit den zugewandten Abschnitten der Welle 2 einen zylindrischen Wellenhals. Die äußeren Nadeln 10 laufen zwischen der zylindrischen Ausnehmung 14 des Wälzelementes 3 und dem Mittelbereich der Mantelfläche dieses zylindrischen Wellenhalses über eine im wesentlichen dem Wälzelement entsprechende Länge.
Zur Anordnung 1 gehören außerdem Halteelemente für die Nadeln 10, 12 und für das Wälzelement 3. An jedem Ende der Segmente ist eine Umfangsnut 15 ausgebildet, in welcher ein Druckring 16 (Fig. 4) aufnehmbar ist. Der auf seiner Innenseite kreisförmige Ring 16 ist mit dem Querdurchmesser der Welle 2 entsprechenden Taschen 16a ausgebildet und somit in seiner Form dem Wellenhals 8-2-8 senkrecht zu den Nuten 15 genau anpaßbar.
j :".··■ i .··-···· '=3105832
- f-'i
Die beiden Ringe 16 legen das Wälzelement 3 in axialer Richtung fest und .außerdem die Nadeln 10 gegenüber den Segmenten 8 über zwei wahlweise vorsehbare O-Ringe 17. Die Ringe 16 dienen außerdem zur gegenseitigen axialen Ausrichtung der Segmente 8.
Jede Nadelreihe 12 ist in einem Käfig 18 gehalten, der im wesentlichen als Flachkäfig ausgeführt ist und an jedem Ende einen hochgezogenen Bord 19 mit einer Durchbohrung 20 aufweist. Jeder Käfig 18 erstreckt sich frei durch die rinnenförmige Ausnehmung 13 des zugehörigen Segments, und an jedem Ende der Anordnung stützt sich eine die Welle 2 umgebende Schraubenfeder 21 zwischen einem Bord 19 des Käfigs 18 und dem zugehörigen Ring 16 ab.
Gemäß einer Variante können die Nadeln 12 auch unter direktem Kontakt ihrer Enden an den Flanken der rinnenförmigen Ausnehmung 13 geführt und axial entsprechend gesichert sein.
Die beschriebene Anordnung 1 gestattet dem Wälzelement 3:
- eine Wälzbewegung über die Nadeln 10 um die Achse X-X;
- eine freie Gleitbewegung auf der Achse X-X durch Abwälzen auf einer der beiden Nadelreihen 12, je nach Richtung der einwirkenden Kraft F bzw. F1. Bei einer Gleitbewegung rollt die betroffene Nadelreihe auf der ihr zugewandten Abflachung der Welle ab und durchläuft dabei lediglich die halbe Bewegungsstrecke wie das Wälz-
. element 3. Ist diese Bewegungsstrecke nur geringfügig pcleine Schwenkbewegung um eine der Ebene P entsprechende Gleichgewichtsstellung) dann werden die Federn 21 abwechselnd zusammengedrückt, ohne die Rollbewegung der Nadeln 12 zu beeinflussen. Ist diese Bewegungsstrecke jedoch groß, dann wird eine der Federn 21 so stark zusammengedrückt, daß der Käfig 18 gegenüber den Segmenten 8 wieder rückgeführt wird, und sich die Bewegung in derselben Richtung fortsetzen kann.
Dank der sphärischen Gestalt des Wälzelements 3 können sich die Backen 5 wie folgt frei bewegen:
2 ■"■ ·:·
- längs der Achse Y-Y;
- drehend um die vertikale Achse Z-Z des Wälzelementes 3. Diese Drehbewegung wird noch, wie an sich bekannt, begünstigt, wenn man entweder die sphärische Gestalt des Wälzelements 3 oder die Wälzbahnen 6 so hinterschleift, daß die Hauptachse der Kontaktellipse für mittlere Drucklasten kürzer ist.
Die Montage des Wälzelements 3 auf der Welle 2 erfolgt auf folgende Weise:
In das Innere des Elements 3 werden geschmierte Nadeln 10 eingefüllt (die Formringe 6, ggf. auch Zwischenringe 17) und auf beiden Seiten angeordnet. Dann wird ein Segment 8 unter radialer Verschiebung gegenüber der Ausnehmung beider Ringe 16 derart eingeführt, daß die Ringe mit ihrer Innenseite sich in den Boden der auf dem Segment ausgebildeten Nuten 15 einlegen. Dann wird das andere Segment auf gleiche Weise eingeführt, wobei die beiden Taschen 16a der Ringe freibleiben.
Anschließend werden die geschmierten Nadeln 12 in die rinnenförmige Ausnehmung der Segmente eingefüllt, die Käfige 18 gegeneinander gelegt gemeinsam in die Bohrung eingeführt und die Federn an jedem Käfigende eingesetzt. Schließlich werden durch Einführung der Welle 2 die Käfige radial auseinandergedrückt, und die gesamte Anordnung ist dann radial festgelegt. Das äußere umgebogene Ende 22 der Federn 21 wird dann in das in jedem Käfigbord 19 vorgesehene Loch 20 eingeführt.
Die erhaltene Anordnung ist absolut funktionssicher und läßt sich nur durch Herausziehen der Welle 2 wieder auseinandernehmen. Um ein Lösen der Welle 2 auszuschließen, genügt daher eine auf den jeweiligen Anwendungsfall abgestimmte Dimensionierung .
Wie ersichtlich, werden die Nadeln 10 auf der Innenseite niht nur von den Segmenten 8 sondern auch von einem zylin-
- 10 -
drischen Abschnitt 23 der Welle 2 geführt, so daß jegliche Verschiebung des Wälzelementes 3 in einer zur Achse X-X senkrechten Richtung ausgeschlossen ist.
Der Durchmesser dieses Abschnittes 23 kann vorteilhafterweise gegenüber dem Durchmesser der zylindrischen Mantelfläche der Segmente längs der Achse Z-Z geringfügig (in der Größenordnung von ca. 0,01 bis 0,1 mm) abgestuft sein, um eine Reibung zwischen den Nadeln 10 und diesem Abschnitt 23 der Gleitbewegung zu verhindern. Außerdem können die Segmente 8 vorteilhafterweise auch mit anderer Kreisförmigkeit ausgebildet sein, um eine gleichmäßige Druckverteilung der Nadeln zu gewährleisten (FR-PS 1 380 557).
Zwischen den Abflachungen 7 der Welle 2 und der zugewandten ebenen Fläche der Segmente 8 besteht ein geringfügiges Spiel (z.B. 0,1 mm), um eine frei axiale Verschiebbarkeit der Segmente auf der Achse X-X unter Vermeidung einer Reibwirkung auf die Welle 2 zu gewährleisten.
Die Wälz- und Gleitlageranordnung 1 bringt folgende Vorteile mit sich:
- praktisch völlige Reibungsfreiheit sowohl in der Wälz- als auch in der Verschiebebewegung, daher eine ausgezeichnete Leistung, wobei auch bei intensivem Betrieb keinerlei Heißlaufen auftritt und somit bei einfacher Schmierung eine lange Lebensdauer gewährleistet ist;
- erhöhte Lastübertragung bei geringem Platzbedarf;
- formschlüssige Verbindungen zwischen den einzelnen Elementen mit im äußersten Fall sehr geringen Spielen (in der Größenordnung von 0,01 bis 0,1 mm), so daß sie sogar vorspannbar sind.
Die Anordnung 1 besteht aus einfachen Einzelorganen, die keiner speziellen Fertigungsverfahren noch besonderer Maschi-
nen bedürfen; die Anordnung ist somit einfach im Aufbau und gewährleistet bei nur geringem Herstellungspreis eine gute Funktionstüchtigkeit.
Die Anordnung arbeitet zuverlässig, ist robust und eignet sich für Mechanismen, die einen hohen Sicherheitsgrad erfordern.
Die zahlreichen Anwendungsgebiete dieser Anordnung beschränken sich keineswegs auf eine Verbindung mit gleitenden Wälzelementen, sondern erstrecken sich ganz allgemein auf alle Verbindungen, die eine Dreh- und eine Gleitbewegung gegenüber einer Welle gestatten sollen. Die Anordnung 1 findet vor allem in Mechanismen Anwendung, die eine große Leistungskapazität hinsichtlich Übertragung/Gewicht erfordern, insbesondere in Mechanismen des Fahrzeugbaus.
Es besteht natürlich auch die Möglichkeit, daß die Wandung 2A beweglich ausgebildet ist, wobei dann die Backen 5 an einem festen Rahmen oder an einem anderen beweglichen Organ fest angeordnet sind.
Als weitere Variation lassen sich statt der Nadeln 12 Tonnenrollen als Rollkörper vorsehen, die dann ebenfalls senkrecht zur Achse X-X angeordnet sind. Diese Rollen laufen innen auf zwei konkaven Rollbahnen kreisförmigen Profils mit gleichen Radius, die statt der Abflachungen 7 auf der Welle 2 ausgebildet sind, und auch auf zwei äußeren Rollbahnen mit gleichem Radius.
Die Form des Laufabschnitts des Käfigs 18 wird den Rollkörpern angepaßt, so daß diese exakt senkrecht zur Achse X-X festgelegt sind, um einen guten linearen Kontakt zwischen diesen Rollkörpern und den Rollbahnen zu gewährleisten.
Die Anordnung 1 dient somit dazu, auf die Welle 2 Kräfte zu übertragen, die hauptsächlich aus einer Richtung her einwirken (im dargestellten Beispiel in senkrechter Richtung). Kommt jedoch die Kraft F aus beliebigen Richtungen, läßt sich die
Anordnung 1b nach Fig. 5 und 6 verwenden, die sich von der Anordnung 1 dadurch unterscheidet, daß die Welle 2 drei Abflachungen 7b aufweist und somit im Querschnitt ein gleichseitiges Dreieck mit abgerundeten Ecken bildet.
Die Nadeln 10 rollen dann innen auf einer kreisförmigen Rollbahn ab, die sich durch Verbindung der Außenflächen der drei Segmente 8b ergibt, die analog den Segmenten 8 der Fig.2 ausgebildet sind und sich jeweils über 120° erstrecken. Die Verbindung der Segmente 8b erfolgt mit leichtem ümfangsspiel zueinander (op\ bis 0,1 mm z.B.) über zwei Sprengringe 24, wie bei der eingangs beschriebenen Ausführungsform, wobei die Zwischenringe 17 sich gegen radiale Schultern 25 der Segmente abstützen.
Die Anordnung 1b weist außerdem drei Käfige 18b für die Nadeln 12 auf. Diese Käfige sind mit Trennelementen und radialen Halteelementen für die Nadeln in beide Richtungen versehen, so daß die Nadeln 12 über eine gegenüber den Segmenten 8b größere Länge verteilbar sind und sich damit die Gleitstrecke verlängert, ohne dadurch die Rückstellung unter der Kraft der Federn 21 auszulösen.
Die Welle 2 kann statt mit drei auch mit einer größeren Anzahl ebener (Abflachungen 7) oder konkaver Rollbahnen ausgebildet sein.
Als weitere Abwandlung läßt sich statt der Rückstellfeder für die Nadeln 12 oder Tonnenrollen 12a eine (nicht dargestellte) Rückführvorrichtung für diese Wälzkörper vorsehen, insbesondere wenn eine große Gleitstrecke erforderlich ist.
Die Wälzlager können außerdem in Form von in Umfangsrichtung oder parallel zur Achse X-X laufenden Kugelreihen vorgesehen sein, wobei dann die Kugeln in Laufrillen mit gleichem Radius laufen, die in den zugehörigen Organen ausgebildet sind.
Dipl^ DipI.-lngT
0000 München'40, Ellsabelhstr. 34

Claims (7)

  1. Dipl.-ing. E. Eder ~ / " -
    Dipl.-Ing. K. Schiocchke
    CC:-0 EöüKcSicn 4G, Eii:sL8ihstr. 34
    Patentansprüche
    Wälz- und Gleitlageranordnung eines Bauteils auf einer Welle, mit in einem äußeren Kranzlager parallel zur Wellenachse angeordneten Rollkörpern mit linearem Kontakt, welches zwischen der Bohrungswand des zu lagernden Bauteils und einem ZwischGnlagoreloinent angeordnet ist, und mit einem inneren Lager mit in Reihe senkrecht zur Wel^chse angeordneten Rollkörpern mit linearem Kontakt, welche zwischen rinnenförmigen Rollbahnen im Zwischenlagerelement und auf der Welle in Längsrichtung ausgebildeten Rollbahnen laufen, dadurch gekennzeichnet, daß jede rinnenförmige Rollbahn (13) in einem getrennt ausgebildeten halbkreisförmigen Element (8, 8b) vorgesehen ist.
  2. 2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß alle halbkreisförmigen Elemente gemeinsam mit einem Abschnitt (23) der Welle (2) das Zwischenlagerelement bilden und daß der Durchmesser dieses Wellenabschnittes (23) etwas kleiner ist als der Durchmesser der zylindrischen Mantelfläche der halbkreisförmigen Elemente.
  3. 3. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch in zwei Reihen angeordnete Rollkörper (12), wobei die beiden auf der Welle (2) ausgebildeten Rollbahnen (7) jeweils in die Richtung der wesentlichen, auf die Welle zu übertragenden Kräfte (F, F1) weisen.
  4. 4. Anordnung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Rollkörper (12) in dreiReihen angeordnet sind.
  5. 5. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jede Rollkörperreihe (12) in einem Käfig (18, 18b) gehalten ist und daß die Käfige an ihren
    freien Enden mit einem Bord (19) ausgebildet sind, gegen welchen sich zwei Rückstellfedern (21) abstützen, die mit ihrem anderen Ende das Zwischenlagerelement (8, 23, 8b) beaufschlagen.
  6. 6. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Rückführvorrichtung für die Rollkörper des inneren Lagers.
  7. 7. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Zwischenlagerelement (8, 23, 8b) länger bemessen ist als die Bohrung (14) in dem zu lagernden Bauteil (3).
    p,f i.- inn. K/Scmecbhke SC. J ι,.ύπ than«, E.-ii-abüitar. 34
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