DE3206739A1 - "kugellager" - Google Patents
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Description
S0156.001 - Hn/Nb .: · \.: ...*.* -"..Seite 6
Kugellager
Die Erfindung betrifft ein einreihiges Kugellager, bestehend
aus einem Außenring, einem koaxial dazu angeordneten Innenring, welche in ihrer Innen- bzw. Außenfläche mit je einer Bahn zur
Aufnahme von darin sich bewegenden Kugeln ausgebildet sind und einem Käfig, der konzentrisch zwischen Außenring und Innenring angeordnet ist und die Kugeln zueinander in einem bestimmten
Abstand hält.
aus einem Außenring, einem koaxial dazu angeordneten Innenring, welche in ihrer Innen- bzw. Außenfläche mit je einer Bahn zur
Aufnahme von darin sich bewegenden Kugeln ausgebildet sind und einem Käfig, der konzentrisch zwischen Außenring und Innenring angeordnet ist und die Kugeln zueinander in einem bestimmten
Abstand hält.
Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zum Herstellen
der Rollbahnen eines Kugellagers, die mit einem Schleifkörper, motorbetriebener Spindel, senkrecht zur Spindelachse stehendem Werkstückträger, Vorrichtungen zur elastischen Verbindung zwischen Werkstückträger und Spindel, Vorrichtungen zur variablen
der Rollbahnen eines Kugellagers, die mit einem Schleifkörper, motorbetriebener Spindel, senkrecht zur Spindelachse stehendem Werkstückträger, Vorrichtungen zur elastischen Verbindung zwischen Werkstückträger und Spindel, Vorrichtungen zur variablen
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Beanspruchung des Werkstückträgers während seiner Drehbewegung - zumindest in paralleler Richtung zu seiner Achse -, sowie
Vorrichtungen zum Halten eines Lagerringes koaxial zum Werkstückträger versehen ist.
Kugellager dieses Typs besitzen koaxiale Lauf- bzw. Rollbahnen
sowie eine absolute Rotationssymmetrie um die Lagerachse.
Daraus ergibt sich eine gleichmäßige Vorspannung der Kugeln.
Bei Kugellagern ist es zur Vermeidung von hohen Reibungskräften bekannt, die Laufbahnen mit einem Radius zu schleifen, der geringfügig
über dem der Kugeln liegt, so etwa mit einer Schmiegung ^ = 0,94. Daraus folgt, daß wenn das Lager einem senkrecht
zu seiner Achse einwirkenden Moment ausgesetzt wird, etwa einem Kippmoment bei einem Kfz-Radlager, die Berührungspunkte
der Kugeln auf den Laufbahnen sich axial so verschieben, daß
sich die Ringe um die Momentachse gegeneinander winkelförmig verlagern. Die Führung ist also ungenau. Wünscht man indes eine
genau ausgerichtete Führung eines Teils, das sich über ein einziges
Kugellager dreht, erweist sich die Verwendung der einreihigen Kugelanordnung in herkömmlichen Lagern als unzulässig, da
sie konstruktiohsbedingt unter Einwirkung des Kippmoments einen größeren Ausschlag ermöglichen. Es ist zur Gewährleistung der
Kippfestigkeit bekannt, pro Ring zwei Berührungszonen für jede Kugel vorzusehen, so etwa mit Hilfe eines spitzbogenförmigen
Profils der Laufbahn? eine derartige Lösung führt jedoch zu einer hohen Reibung und folglich zu unzulässig hohen Erwärmungsund
Verschleißerscheinungen.
Hiervon ausgehend ist es Aufgabe der Erfindung, ein einreihiges
Kugellager zu schaffen, das bei gleichen Abmessungen und Werkstoffen eine höhere Lastübertragungskapazität, insbesondere bei
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Aufnahme von Momenten, aufweist, ohne nachteilige Beeinflussung
der Lagerreibung.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die die
Kugeln aufnehmenden Rollbahnen des Innen- und Außenringes im Querschnitt aus zwei zu ihrer Mittenachse (P bzw. Q) einer der
Rollbahnen zumindest über Teile ihres Umfanges zur Mittenachse (P bzw. Q) der anderen Rollbahn axial versetzt angeordnet ist.
Von Vorteil bei dieser Ausbildung ist, daß auch außermittige
Lasten aufgenommen werden können, ohne daß die Kugeln gleiten oder eine Verlagerung der Lagerteile zueinander eintritt. Die
Kugeln rollen stets ab, da diese je Rollbahn nur einen Abstütz punkt aufweisen.
Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung ist vorgesehen, daß
die eine versetzt verlaufende Mittenachse (Q) aufweisende Rollbahn zur Mittenachse (P) der anderen konstanten Rollbahn alternierend
versetzt verläuft.
Hierdurch ist es möglich, Kippmomente mit zwei Wirkrichtungen, wie sie beispielsweise in den angetriebenen Vorderrädern eines
Kraftfahrzeuges vorkommen, mit einem einreihigen Lager aufzunehmen, wo es sonst erforderlich ist, zwei Kugellager im Abstand
nebeneinander anzuordnen.
In weiterer Ausgestaltung einer solchen Lösung ist nach der Erfindung
vorgesehen, daß mindestens zwei der aufeinanderfolgenden und versetzten Umfangsabschnitte der einen Rollbahn eine
entlastete Übergangs- bzw. Entlastungszone zugeordnet ist.
Da die Berührung zwischen Kugel und Bahn bei alternierend ver-
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laufenden Mittelachsen wechselt, sorgt die Übergangs- bzw. Entlastungszone dafür, daß die Kugeln leicht in die neue Drehposition
überführt werden können.
Bevorzugt wird die Entlastung dadurch erreicht, daß die Mittenachse
(Q) der ansonsten versetzten Rollbahn im Bereich der Übergangszone, sich der Ebene der Mittenachse (P) der anderen
Rollbahn annähernd in dieser und/oder diese schneidend, verläuft (Fig. 4).
Ein besonders günstiges Kugellager zur Aufnahme von Momenten
mit zwei entgegengesetzten Wirkriehtungen ist dadurch erreicht,
daß die Rollbahn sechs gleichmäßig über ihren Umfang verteilte tragende Zonen aufweist, wobei die Mittenachse (Q) die Rollbahn
in drei tragenden Zonen zu deren einen Seite hin und die anderen drei tragenden Zonen zu deren anderen Seite hin versetzt
s ind.
Dabei ist vorgesehen, daß die tragenden Zonen mittels Übergangszonen
verbunden sind.
Um entgegengesetzte Momente unterschiedlicher Größe wirksam
aufnehmen zu können, ist vorgeschlagen, daß der Versatz mindestens einer der tragenden Zonen oder Gruppe von tragenden Zonen
eine Vorspannung erzeugend bemessen ist.
Ein besonders günstiger Einsatz ist dann gegeben, wenn im eingebauten
Zustand des Lagers die entlastete(n) Übergangszone(n)
zur Wirkrichtung der/des das Lager belastenden Kraft/Momentes angeordnet ist (sind).
Die Lagerkapazität kann nach einem weiteren wesentlichen Merk-
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mal der Erfindung dadurch vergrößert werden, daß in die Übergangszone
eine im Außenring oder Innenring angeordnete Einfüllöffnung mündet, die durch einen Verschluß verschließbar ist
(Fig. 5) . .
Durch diese Bauweise kann ein einteiliger Käfig benutzt und darüber hinaus der Einschlußwinkel der Rollbahnen gegenüber
herkömmlichen Lösungen erheblich vergrößert werden.
Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung ist vorgesehen, daß die Rollbahn im Querschnitt aus einem aus zwei Kreisbögen gebildeten
Spitzbogenprofil besteht, die sich auf der Mittenachse (Q bzw. P) schneiden.
Der Vorteil dieser Bahnform liegt in einem definierten und zudem
großen Kontaktwinkel, der die Übertragungsfähigkeit bei außermittigen Lasten günstig beeinflußt.
Die Vorrichtung zur Herstellung des erfindungsgemäßen Kugellagers
ist dadurch gekennzeichnet, daß die elastischen Verbindungsvorrichtungen so ausgebildet sind, daß sie die Drehung des
Ringes um eine feste, ungefähr durch seinen Mittelpunkt verlaufende
Achse unter Einwirkung der Beanspruchungsvorrichtungen gewährleisten.
Bevorzugt ist hierbei vorgesehen, daß die elastischen Verbindungsvorrichtungen
mehrere flexible Bauteile enthalten, die schräg zur Spindelachse stehen und deren Mittellinien im Mittelpunkt
des Ringes zusammenlaufen.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele nach der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt. Dabei zeigt:
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Fig. 1 einen Querschnitt durch ein Kugellager in der senkrecht zu seiner Achse stehenden Symmetrieebene
Fig. 2 eine Detailansicht in größerem Maßstab eines Schnittes nach irgendeiner der Linien 2A-2A,
2B-2B oder 2C-2C von Fig. 1
Fig. 3 eine zu Fig. 2 analoge Detailansicht vom linken
Schnitt nach irgendeiner der nachstehenden Linien 3A-3A, 3B-3B oder 3C-3C von Fig. 1
Fig. 4 bzw. 5 eine zu Fig. 2 analoge Detailansicht eines Schnittes nach Linie 4-4 bzw. 5-5 von Fig. 1
Fig. 6 eine schematische Darstellung des abgewickelten Kugellagers
Fig. 7 bis 10 einen axialen Schnitt durch zwei Anwendungsmöglichkeiten
des Lagers
und
und
Fig. 11 eine schematische Darstellung von einem Querschnitt einer Schleifvorrichtung.
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-A-
Nachstehend sei die Erfindung in beispielsweiser Anwendung auf
ein angetriebenes Vorderrad eines Kraftfahrzeuges beschrieben:
De.r Außenring 3 des Lagers ist in an sich bekannter Weise in einem Achszapfengehäuse 2 fest eingesetzt und entsprechend
festgehalten. Er trägt die äußere Rollbahn 4. In Fig. 1 erkennt man eines der beiden vom Gehäuse getragenen Kugelgelenke 5 sowie
die Durchbrüche 6 des Gehäuses, die zur Befestigung einer Bremsbacke und eines Lenkfingers (nicht dargestellt) dienen.
Das Lager 1 enthält ebenfalls Kugeln 7, die durch Stege 8 eines Käfigs 9 getrennt sind und sich auf einer Lauf- bzw. Rollbahn
10 des sich drehenden Innenringes 11 abwälzen; an diesem ist in an sich bekannter Weise der Zapfen eines Gleichlaufgelenkes sowie
ein Radflansch (nicht dargestellt) montierbar. Die innere Rollbahn 10 erhält parallel zur Achse X-X des Lagers einen
Rundschliff. Ihr Mittenprofil kann im Querschnitt zweckmäßigerweise - wie in Fig. 2 bis 5 dargestellt - aus zwei Kreisbogen
12 und 13 zusammengesetzt sein, deren Radien größer sind als die der Kugeln, und die sich spitzbogenförmig in der Ebene P (=
Zeichenebene von Fig. 1) von Fig. 1 so schneiden, daß eine frei auf die Rollbahn 10 aufgesetzte Prüfkugel zwei Berührungspunkte
findet. Die Berührungspunkte sollen unter einem Winkel O^ ,
der zweckmäßigerweise etwa 25" bis 45^ beträgt (Fig. 2), zur
Ebene P angeordnet sein.
Die in bezug auf das Fahrzeug ortsfeste, d.h. auf die sich
nicht drehende Rollbahn 4, im vorliegenden Beispiel die äußere Rollbahn, besitzt ebenfalls einen Querschnitt, der vorzugsweise
aus zwei spitz zulaufenden Kreisbögen besteht, d.h. Kreisbögen mit Radien, die größer sind als die der Kugeln. Hierbei findet
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S0156.001 - Hn/Nb .:!....: " : JÄ ^
eine frei innerhalb dieser Rollbahn aufgesetzte Kugel zwei Berührungspunkte,
die auf beiden Seiten der Symmetrieebene P mit den gleichen Winkeln £κ^ hinsichtlich der inneren Rollbahn 10
angeordnet sind. Die Symmetrielinie Q des Halbquerschnittes der Rollbahn 4 ist zusätzlich abwechselnd in beiden Richtungen
gegenüber bzw. aus der Ebene P axial verschoben.
Genauer gesagt, ist im oberen vertikalen Querschnitt 2A-2A sowie in jedem Querschnitt 2B-2B bzw. 2C-2C, der jeweils in einem
Winkel von 120" bzw. 240 zum ersten Querschnitt liegt, die
Linie Q in einer ersten Richtung (nach links in Fig. 2 bis 5)
um einen Wert -h^ in der Größenordnung von ca. 0,01 - 0,05 mm
verschoben. Sofern keine Kraft auf den Außenring 3 einwirkt, wird eine Vorspannkraft F^ übertragen, die mit der Symmetrieebene
P des Lagers im schon genannten Winkel οζ steht. Die
Kraftübertragung erfolgt dabei durch die Kugel von der äußeren Rollbahn 4 zur inneren Rollbahn 10 des Innenringes (11) mit der
Reaktion F'l = -F^. Während sich der Lagerring 11 dreht, drehen
sich auch die Kugeln 7 in dieser Zone um eine etwa senkrecht zu F^ stehenden Achse Zj-Z^ mit einem einzigen Berührungspunkt auf
jeder Rollbahn 4 bzw. 10 und bewegen sich dadurch mittels einer fast ausschließlichen Rollbewegung.
Fig. 3 zeigt schematisch die Position der Kugeln 7 in Querschnittsebene
3A-3A nach Fig. 1, die zur Querschnittsebene 2A-2A in einem Winkel von ca. 60° steht bzw. in einem der Querschnittsebenen
3B-3B und 3C-3C, die in einem Winkel von 120° bzw. 240° zur Querschnittsebene 3A-3A stehen. In diesen Querschnittsebenen ist die Symmetrieachse Q des Querschnitts der
äußeren ortsfesten Rollbahn 4 gegenüber der Ebene P in umgekehrter Richtung wie im letztgenannten Fall verschoben, d.h.
auf die rechte Seite der Ebene P, wie in Fig. 2 bis 5 darge-
S0156.001 - Hn/Nb :" '·
stellt, um einen Wert +h2» der etwa die Größenordnung von ca.
0,01 - 0,05 mm haben kann. Sofern keine Kraft auf den Außenring 3 einwirkt, wird eine Vorspannkraft F2 mit der Reaktion F'2 =
~F2 durch die Kugel von der äußeren Rollbahn 4 zur inneren
Rollbahn 10 übertragen. Die Vorspannkraft steht dabei mit der Symmetrieebene P des Lagers im vorgenannten Winkel fc^ . Während
sich das Lager dreht, dreht sich darüberhinaus die Kugel 7 um eine etwa senkrecht zu F2 stehende Achse Z3-Z2 mit einem
einzigen Berührungspunkt auf jeder Rollbahn 4 bzw. 10. Sie bewegt sich somit dadurch mittels einer fast ausschließlichen
Rollbewegung.
Fig. 4 zeigt eine schematische Darstellung der beiden Rollbahnen
4,10 von Außenring 3 und Innenring 11 und einer Kugel 7 senkrecht zum Schnitt 4-4, der gegenüber dem Schnitt 2A-2A in
einem Winkel von 90^ und somit in einem Winkel von 30° gegenüber
den Schnitten 3A-3A und 2B-2B steht.
Im Schnitt 4-4 (Fig. 4) sind die Symmetrieachsen der Querschnitte der beiden Rollbahnen 4,10 in der Ebene P deckungsgleich,
also hß = 0. Die Abmessungen sind so gewählt, daß die
Kugel 7 keiner größeren Kraft an der Rollbahn 4,7 ausgesetzt ist. Sie kann sogar ein geringfügiges Spiel in der Größenordnung
von ca. 0,05 - 0,1 mm aufweisen. Das gleiche gilt für die fünf übrigen Schnitte, die gegenüber dem Querschnitt 4-4 in
Winkeln von 60° und 120°, 180°, 240° und 300° angeordnet sind.
In einem dieser sechs Querschnitte, etwa im Querschnitt 5-5, der zum Querschnitt 4-4 in einem Winkel von 180^ steht und in
Fig. 5 dargestellt ist, mündet eine mit einem herausnehmbaren Verschluß 15 versehene Öffnung 14 in den Hohlraum des Lagers.
Mittels dieser Anordnung wird das Einfüllen der Kugeln 7 zwi-
S0156.001 - Hn/Nb ·* * " · iei'te *"l5 ^*
sehen die Rollbahnen 4,10 der beiden Ringe 3,11 ermöglicht. Der
Verschluß 15 besitzt eine auf den Mittelpunkt 0 des Lagers zen-,
trierte kugelförmig-konkave Unterseite 16, die die äußere Führung der Kugeln zusammen mit der Rollbahn 10 des Innenringes 11
sowie mit dem Käfig 9 gewährleistet, und zwar in einer Zone, in der die Kugeln 7 vollkommen entlastet sind. Der Verschluß 15
ist in die Öffnung 14 eingeschraubt. Hierdurch erfolgt eine genaue radiale Positionierung der konkaven Verschluß-Unterseite
16. Durch die Form der Oberfläche ist die Drehwinkelposition des Verschlusses 15 in der Öffnung 14 unwesentlich; die Oberfläche
gewährleistet den kontinuierlichen Mittellinienverlauf der äußeren Rollbahn 4, sobald ihre radiale Position richtig
ist.
Das Lager 1 hat somit (Fig. 1) zum einen drei tragende Zonen
bzw. Sektoren 17, die in einer Richtung auf beiden Seiten der Schnitte 2A-2A, 2B-2B und 2C-2C angeordnet sind, sowie zum anderen
drei tragende Zonen bzw. Sektoren 18 in der anderen Richtung, die sich mit den erstgenannten abwechseln und auf beiden
Seiten der Schnittebenen 3A-3A, 3B-3B und 3C-3C angeordnet sind. Zudem hat das Lager 1 sechs Übergangssektoren bzw. -zonen
19, die gegenüber dem oberen Schnitt 2A-2A in einem Winkel von ca. 30°, 90°, 150°, 210°, 270° und 330° angeordnet sind. Diese
Übergangszonen ermöglichen es den Kugeln 7, beim Rollen von einer Vorspannungszone zur nächsten ihre Rotationsachse zu ändern.
Die Teilabwicklung des äußeren Lagerteils bzw. Außenringes 3
(vertikale Ansicht senkrecht zur Achse X-X) ist in Fig. 6 dargestellt.
Dabei ist die Rollbahn 4 des ortsfesten Außenringes 3 als durchgezogene Linie und die Rollbahn 10 des sich drehenden
Innenringes 11 als gestrichelte Linie dargestellt. Aus Gründen
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besserer Übersichtlichkeit sind die Berührungspunkte mit den
Kugeln so gezeichnet, als würden sie in der Darstellungsebene der Zeichnungsfigur liegen. Aus den schon genannten Gründen ist
der ungeradlinige Verlauf der Rollbahn 4 des ortsfesten Außenringes 3 stark übertrieben dargestellt. Darüber hinaus ist die
Welligkeit oder Verspannung der Rollbahn 4 zur Verdeutlichung . stark übertrieben gezeichnet. Ferner sind in der Praxis die
Übergänge zwischen den Zonen 17,18 und 19 fließend.
Betrachtet man einen Bord, d.h. eine Rollbahnseite, so findet man auf beiden Seiten des Schnittes 2A-2A (Fig. 2) von Fig. 1
eine tragende Fläche 17A, deren Länge 1 sich über die gesamte Zone 17 erstreckt. Zu beiden Seiten dieser Flächen befinden
sich Be- und Entlastungsprofile 19A, die in der Mitte einen
Querschnitt haben, welcher etwa dem im Schnitt 4-4 (Fig. 4) gemäß Fig. 1 dargestellten entspricht.
Die Profile 19A mit der Länge t erstrecken sich über die beiden
Zonen 19, die sich an beide Seiten der erwähnten Zone 17 anschließen;
ihre gegenüber der Zone 17 liegenden Endpunkte gehen in zwei nichttragende Flächen 18A über. Diese wiederum erstrekken
sich über die beiden benachbarten Zonen 18. Die Ausführung der anderen Rollbahnseite verläuft umgekehrt zur oben beschriebenen,
und dies wiederholt sich in zyklischen Abständen im äußeren
Bereich des Lagers.
Bei sich in Richtung J: drehendem Lagerring (in Fig. 6 von links
nach rechts) zeigt Fig. 6 schematisch zwei Kugeln 7A und 7B bei einer Entlastung von 50 % für die erste und bei einer Belastung
von 50 % für die zweite Kugel, im Vergleich zu den praktisch konstant belasteten Kugeln 7C, die auf der Fläche 17A zwischen
den beiden Endpunkten 22 rollen. Diese Kugeln 7A und 7B befin-
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den sich zu diesem Zeitpunkt ungefähr bei einem Viertel der Länge Jb zwischen Bord 22 und tragender Fläche 17A.
Um den Kapazitätsverlust des Lagers, resultierend aus den Übergangszonen
19, zu begrenzen, müssen diese nur relativ kurz bemessen sein. Darüberhinaus sind der Abstand £ = 1 + t der tragenden
Fläche, etwa 17A, und die Länge t der Profile 19A in Hinsicht auf den Durchmesser d und die Anzahl N der Kugeln 7 so
gewählt, daß die Entlastungsphase einer Kugel 7 mit der Belastungsphase einer anderen Kugel 7 übereinstimmt, so daß die gesamte
Schubkraft der auf einer gegebenen tragenden Fläche rollenden Kugeln 7 praktisch konstant ist und von den Belastungsund
Entlastungsphasen nicht beeinflußt wird.
Wenn man mit e_ den Abstand zwischen zwei Kugeln 7 bezeichnet,
der durch den Käfig 9 definiert ist, kann man im vorliegenden Fall einfach nachstehende Beziehung aufstellen:
ρ = k (d + e) + t/2,
(D
wobei Jc für die Anzahl der auf einer tragenden Fläche belasteten
Kugeln 7 steht.
Nimmt man 3+3=6 Flächen mit Abstand ρ an, so kann die gesamte Anzahl der Kugeln durch
N = 6p/(d + e)
(2)
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S&ftä :*Ϊ3 .*"
ausgedrückt werden, d.h. unter Einbeziehung der Gleichung (1)
ergibt sich:
N = 6k(d + e) + 3t /(d + e) = 6k + 3t/(d + e)
(3)
Der Ausdruck (d + e) definiert dabei den Abstand der Mittelpunkte zweier benachbarter Kugeln 7.
Wenn man die Anzahl der Kugeln Jc pro tragende Fläche gleich 3
setzt (wie in Fig. 6 dargestellt), läßt sich die nachstehende Tabelle aufstellen, aus der die ganzzahligen Werte von N in Abhängigkeit
von dem Verhältnis t/(d + e) hervorgehen:
t | e) | 0 | 1/3 | 2/3 | 1 | 4/3 | |
+ | |||||||
(d | N | 18 | 19 | 20 | 21 | 11 | |
Wird die abgewickelte Form der Profile 19A gegenüber der geradlinigen
Form von Fig. 7 verändert, ergibt sich als Variante die Entlastung und die Belastung der Kugeln von 50 % nicht mehr bei
einer Entfernung t/4, sondern beispielsweise bei einer Entfernung 7/8 der Borde 22 der Planflächen. Die Gleichungen (1) und
(3) lauten nun wie folgt:
(la)
.. 3.2OQ73.9
S0156.001 - Hn/Nb
-A
und
Na | = 6 | k(d H | 9_ h 2 |
t = | 6 | K H | t | e) |
(d H | (d + | |||||||
h 9 | ||||||||
κ e) | 2 |
(2a)
In diesem Fall kann man folgende Tabelle aufstellen:
t | 0 | 2/9 | 4/9 | 2/3 | 8/9 | 10/9 | 4/3 |
(d + e) | 18 | 19 | 20 | 21 | 22 | 23 | 24 |
N |
Die Montage des Lagers 1 kann nun, wie nachstehend beschrieben, erfolgen:
Innenring 11 und Käfig 9 werden in das Innere des Außenringes
eingeführt. Der Verschluß 15 wird herausgenommen. Der Käfig 9 wird so festgehalten, daß der Kugeleinfüllöffnung 14 eine Aussparung
des Käfigs 9 gegenübersteht. Nun kann eine erste Kugel 7 zwischen die Rollbahnen 4,10 eingeführt werden; durch Drehen
des Innenringes 11 wird dann diese eingeführte Kugel 7 weitergerollt und der Käfig 9 solange gedreht, bis seine nächste Aussparung
der Kugeleinfüllöffnung 14 gegenübersteht. Dieser Vorgang wird solange fortgeführt, bis sämtliche Kugeln 7 eingefüllt
sind.
Es liegt auf der Hand, daß die Kugeln leicht einzuführen sind,
S0156.001 - Hn/Nb .:*.....: * &ύ" : S
weil im Querschnitt des Schnittes 5-5 (Fig. 5) der Kugeleinfüllöffnung
14 keine Vorspannung auf die Kugeln 7 einwirkt. Im Gegensatz dazu werden die Kugeln 7, nachdem sie weitergerollt
sind, bei Ankunft in den Zonen 17 und 18 entsprechenden Querschnitten vorgespannt; somit ergibt sich auf relativ einfache
Weise die gewünschte Vorspannung, die nur von den Fertigungsmaßen der Rollbahnen 4,10 und den Abmessungen der Kugeln 7 abhängt.
Im Betrieb wirken auf ;das Lager 1 im wesentlichen eine vertikale
Kraft F, die durch den Mittelpunkt 0 verläuft, und ein horizontal durch diesen Punkt 0 verlaufendes Kippmoment M, ein.
Aufgrund der schon beschriebenen Auslegung der festen Rollbahn
besitzt das Lager nicht nur eine absolute Festigkeit gegenüber der Kraft F, sondern auch gegenüber dem Moment M. Angenommen,
daß in Fig. 1 dieses Moment von links nach rechts ausgerichtet
ist, so versucht dieses, die im Querschnitt des Schnittes 2A-2A
(Fig. 2) befindliche Kugel 7 in die Richtung zu verschieben, die die Kugelbelastung erhöht; das gleiche gilt für die im diametral
gegenüberliegenden Querschnitt befindliche Kugel 7. Der Innenring 11 führt somit gegenüber dem Außenring 3 keine Relativbewegung
um das Moment M aus.
Wirkt das Moment M in entgegengesetzter Richtung, werden die obere und die untere Fläche entlastet; die vier übrigen tragenden
Flächen verhindern jedoch jede relative Drehbewegung der beiden Lagerringe (Außenring 3 und Innenring 11) einander ge~
genüber.
Es ist an sich bekannt, daß beim seitlichen Anfahren einer
Fahrzeugfelge an eine Bordsteinkante ein sehr hohes Kippmoment auf das Lager einwirkt. Diese außergewöhnliche Belastung läßt
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sich dann zweckmäßigerweise auf eine größere Anzahl von Kugeln
7 verteilen, indem der feste Ring 3 so festgehalten wird, daß die in den oberen und unteren Querschnitten befindlichen Kugeln
7 unter Einwirkung dieses verstärkten Moments entlastet werden. Es ist also wünschenswert, daß sich der Außenbereich des Rades
links in Fig. 2 befindet, wobei das Spitzenmoment dem in Fig. 1 dargestellten Moment M entgegensteht.
Auf diese Weise berühren im oberen Bereich des Lagers bei einem
unbeabsichtigten seitlichen Stoß die Kugeln 7A und 7B sowie die
beiden dazwischen liegenden Kugeln 7C nur ausnahmsweise den Bord 23, der gegenüber ihren normalen Berührungsflächen liegt,
und entlasten somit die Kugeln, etwa die beiden äußeren Kugeln 7D in Fig. 6, so daß ein Teil der kurzzeitigen Überlastung von
diesen aufgenommen wird. Dieselben vorteilhaften Erscheinungen
treten natürlich auch im unteren Bereich des Lagers auf; in abgeschwächter
Form zudem in den Zwischenbereichen.
Hierbei wird das Risiko des Lagerbruchs durch lokalen Anriß infolge
eines Stoßes oder dgl. gegen die Bordsteinkante erheblich herabgesetzt.
Darüber hinaus ist festzustellen, daß die Kugeln 2 im Lager 1 eine fast ausschließliche Rollbewegung ausführen, d.h. es tritt
unter Belastung ein Minimum an Erwärmung und Verschleiß auf. Weiterhin ist das Lager überaus robust gegen Beanspruchungen
auf Radial- und Axialkräfte sowie gegen Kippmomenmte aufgrund des großen Rollbahneinschließwinkels. Der Käfig 9 kann nämlich
in einfachster Weise aus einem dünnen Ring mit in sich geschlossenen Aussparungen bestehen; die Rollbahnen 4,10 können
aufgrund des oben beschriebenen Lagermontage-Verfahrens einen großen Einschließwinkel 2ß und 2v» in der Größenordnung von
.. 3.2 O &7 3.9
»too« ·«* · ww Λ
S0156.001 - Hn/Nb .:' : * \£<U;b" "'22 .:'..
beispielsweise 150° (Fig. 4) aufweisen.
Bei einem Lager, auf das wechselnde Momente einwirken, ist es
zweckmäßig, mindestens drei tragende Zonen 17A in jeder Richtung vorzusehen. Da die Erhöhung der Anzahl dieser Flächen zu
einer Verringerung der Kapazität des Lagers sowie durch die Erhöhung der Anzahl der Übergangszonen 19 zu einer höheren
Wechselhäufigkeit der Rotationsachsen der Kugeln 7 führen kann,
ist es vorzuziehen, diese Zahl auf drei zu begrenzen. Es liegt jedoch auf der Hand, daß bei anderen Anwendungen, bei denen nur
eine Richtung des Momentes zu berücksichtigen ist, jeweils zwei Zonen 17 und jeweils zwei Zonen 18 ausreichen.
Darüber hinaus erfolgt im oben beschriebenen Beispiel die Entlastung
der Kugeln einfach durch ausschließlich axiale Verschiebung der festen Rollbahn 4. Als Variante könnte diese Verschiebung
eine radiale Komponente enthalten und sogar nur radial sein, falls auf das Lager lediglich eine radiale Kraft, z.B.
F, einwirkt; hierbei ist dann nur eine Entlastungszone vorhanden, die sich diametral gegenüber dieser Kraft befindet.
Fig. 7 und 8 zeigen zwei Naben-Achszapfen-Baugruppen eines angetriebenen
Kraftfahrzeug-Vorderrades. In diesen ist ein dem Kugellager 1 entsprechendes Lager integriert. Der eigentliche
Zapfen 24 dreht sich mit Hilfe von zwei Kugelgelenken 26 und um eine Achse 25. Die Bohrung 28 dieses Zapfens ist mit einer
Rille, Rollbahn 29 oder dgl. versehen, die so bearbeitet ist, daß sie eine hohe Oberflächenhärte aufweist und, wie vorstehend
beim ortsfesten Außenring 3 des Lagers 1 schon beschrieben, mit zyklischer axialer Verschiebung geschliffen ist (Rollbahn 4).
Im Beispiel nach Fig. 7 enthält der Radträgerflansch 30 eine axiale Verlängerung 31, die durch die Bohrung 28 hindurchver-
S0156.001 - Hn/Nb .""**": * :
läuft und mit einem GIeichlaufgelenk 32 an der Innenseite dieser
Bohrung verbunden ist. Im äußeren Bereich der Verlängerung 31 ist eine Rollbahn 33 vorgesehen, die vollkommen rund geschliffen
ist, wie die des drehenden Innenringes 11 vom Lager 1 nach entsprechendem Härten. Die Kugeln 7 werden durch eine
radial zum Achszapfen 24 stehende Öffnung 34 eingeführt und sind durch die Stege des Käfigs 9 getrennt. Auf beiden Seiten
dieses Käfigs 9 befinden sich Dichtungen 35.
Bei der in Fig. 8 gezeigten Variante ist das Gleichlaufgelenk
32A mit Hilfe einer Stirnverzahnung 36 koaxial mit der Verlängerung 31 des Flansches 30 verbunden. Die axiale Sicherung erfolgt
hierbei mittels einer Befestigungsschraube 37, die im äußeren Boden des Gleichlaufgelenkes 32A eingeschraubt ist. Sie
hat zudem an der Außenseite einen Flansch 38, der auf die Außenfläche des Flansches 30 paßt.
Während in den Beispielen nach den Fig. 1 bis 8 der Außenring 3 gegenüber der radialen Hauptkraft sowie dem Kippmoment feststeht,
zeigen Fig. 9 und 10 Ausbildungen, bei denen der Innenring gegenüber diesen auf das Lager einwirkenden Hauptbelastungen
feststeht. In Fig. 9 und 10 ist es also die Rollbahn 10 des Innenringes, die in zyklischen Abständen, wie vorstehend beschrieben,
einem Schlag ausgesetzt ist. Diese Ausbildungen sind
zweckmäßig für nicht angetriebene Räder bzw. lediglich für Laufräder, wie etwa Achsräder von Anhängern oder die Hinterräder
eines vorderradgetriebenen Fahrzeugs.
In der Lösung nach Fig. 9 weist die mit radialen Befestigungsflanschen 40 versehene Achse 39 an ihrem äußeren Ende den Innenring
41 des Kugellagers IA auf, der zwischen einer Achsschulter
42 und einer durch eine Schraube 44 festgezogenen Un-
S0156.001 - Hn/Nb .:* :**
terlegscheibe 43 eingeklemmt ist. Der einen Radbefestigungsflansch
46 tragende Außenring 45 ist mit einer absolut rundlaufenden
Rollbahn versehen. Die Einfüllöffnung 14 für die Kugeln
7 ist im Innenring 41 radial ausgespart, und der Verschluß 15A der Öffnung 14 besitzt eine kugelförmig gewölbte Außenoberfläche
47, deren Krümmungsmittelpunkt sich auf der Rotationsachse X-X und in der Symmetrieebene P der Rollbahn befindet. Diese
gewölbte Form gewährleistet ebenso wie die konkave Oberflächenform
16 nach Fig. 1 bis 8 die Kontinuität der Mittellinie der Innenrollbahn durch einfache und zudem radiale Positionierung
des Verschlusses 15A. Ein in der Achse 39 eingesetzter Stift 48 gewährleistet bei der Montage die richtige Einstellung des festen
Ringes 41 im Hinblick auf radiale Belastung und Kippmoment. Durch den Käfig 9 und die - nicht dargestellten - Dichtungen
wird dieses Lager vervollständigt.
Die in Fig. 10 dargestellte Variante unterscheidet sich von der eben beschriebenen lediglich dadurch, daß der Innenring 41 mit
einem Flansch 49 verbunden ist, der Gewindebohrungen besitzt. Diese wiederum dienen der Befestigung am Aufbau eines Fahrzeuges.
Darüberhinaus sieht man in Fig. 10 auch den zur Bestükkung des Kugelkranzes dienenden Verschluß 15A mit gewölbter
Oberfläche sowie den Käfig 9 und den Radflansch 46.
Bei jeder der bisher beschriebenen Lagerausbildungen weisen die Rollbahnen 4,10 ein spitzbogenförmiges Profil auf. Es sind jedoch
auch Varianten zu dieser Profilform möglich, so etwa eine elliptische oder pseudo-elliptische Form oder sogar eine kreisförmige
Form; bei letzterer ist der Radius etwas größer als der Kugelradius. Für den hier vorgesehenen Anwendungsbereich sind
jedoch spitzbogenförmige oder elliptische Formen vorzuziehen, da sie bei einer wesentlich geringeren zyklischen Verschiebung
ft ψ- M rf* -«·*"· « * * Λ
S0156.001 - Hn/Nb .:*....: * :.£e.ite* :23 .:!.
der Symmetrieebene der ortsfesten Rollbahn eine günstigere
Kippmomentfestigkeit des Lagers gewährleisten.
Fig. 11 zeigt die schematische Darstellung einer Schleifvorrichtung
für die Rollbahn eines ortsfesten Ringes, wobei von einer der in Fig. 7 und 8 gezeigten Anordnungen ausgegangen
wird. Die feste Rollbahn (29) des Achszapfens 24, deren Bohrung 28 zuvor rundbearbeitet und gehärtet wurde, wird in schon beschriebener
Weise auf die exakte Form geschliffen. Das heißt, sie erhält einen konstanten Profilquerschnitt, der gegenüber
einer vertikalen Bezugsebene eine zyklische axiale Verschiebung erfährt. Der in dieser vertikalen Bezugsebene angeordnete
Schleifkörper 51 wird nur in radiale Zustell- und Arbeitsbewegung sowie in Rotationsbewegung um seine eigene Achse versetzt.
Der Werkstückträger 52, der sich parallel zur Bezugsebene befindet
und mit einer Drehzahl in der Größenordnung von 60 bis 200 min""·*· umläuft, trägt einen Achszapfen-Zentrierkranz 53 sowie
eine Flanschvorrichtung zur Befestigung des Zapfens. Diese ist durch eine parallel zum Werkstückträger stehende Platte 54
schematisch dargestellt; sie ist mit diesem durch Stehbolzen 55 verbunden. Der Werkstückträger 52 ist mit der Werkstückspindel
57 einer (durch einen nicht dargestellten Motor angetriebenen) Schleifmaschine über eine Anzahl flexibler Schwingen 56 verbunden,
die sich in regelmäßigen Abständen auf den Umfang verteilen. Die Schwingen 56 sind so ausgelegt, daß sie etwa im Mittelpunkt
0 der zu schleifenden Laufrille 29 zusammenlaufen.
Im äußeren Bereich des Werkstückträgers 52 ist ein axialer Nokken 58 angebracht, auf dem über ein Kugellager 60 eine Rolle 59
um die fast vertikale Achse eines flexiblen Arms 62 mit verstellbarer Nutzlänge unter ständigem Kontakt läuft. Das andere
Ende ist im Rahmen 63 der Schleifmaschine eingespannt. Der Arm
S0156.001 - Hn/Nb .:*..,..: " 'hU* :*
62 weist eine hohe Flexibilität auf, während die der Schwingen 56 wesentlich geringer ist. Auf dem Werkstückträger 52 ist eine
Ausgleichsmasse 64 angeordnet, die zum Auswuchten des Werkstückträgers, des zu schleifenden Zapfens sowie der Flanschvorrichtung
dient.
Der Schleifvorrichtung liegt folgende Arbeitsweise zugrunde:
Während sich der Werkstückträger 52 dreht, wirkt von der Rolle 59 auf den Nocken 58 eine axiale Schubkraft (in Pfeilrichtung
g), deren Intensität der Höhe des Nockens 58 proportional ist. Infolge der Flexibilität der Schwingen 56 schwingt der Werkstückträger
52 geringfügig um den Mittelpunkt 0 und bildet in sehr geringem Maße die Modulationen des Nockens nach. Dabei ist
das Verhältnis der Verschiebung der Rolle 59 und des angrenzenden Punktes des Werkstückträgers 52 durch das Verhältnis zwischen
der Elastizität des Arms 62 und der der Schwingen festgelegt.
Es läßt sich bei dieser Anordnung beispielsweise ein Untersetzungsverhältnis
von 1:500 zwischen Nocken 58 und Laufrille 59 wählen, wobei dann ein Höhenunterschied des Nockens 58 von
etwa 5 mm zu einer Drehbewegung um 0 führt, die einer Verlagerung der zu schleifenden Laufrille 29 um 5 χ 1:500 = 0,01 mm,
d.h. 10 fi m entspricht. Durch Verlagerung der Laufrille 29 wird
somit das Profil des Nockens 58 exakt nachgebildet; die Untersetzung erfolgt ohne innere Reibungs- oder Trägheitskräfte
und gewährleistet somit sämtliche gewünschten Genauigkeits- und Wiederholbarkeitseigenschaften.
Es liegt auf der Hand, daß in den Beispielen nach Fig. 9 und 10
die Rollbahn des festen Innenringes mit Hilfe einer Außen-
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schleifvorrichtung geschliffen werden kann. Das Modulationsprinzip der axialen Laufrillenposition bei dieser Schleifvorrichtung wäre analog zu dem in Fig. 11 dargestellten, jedoch
mit der notwendigen Anpassung für die Bedienungsperson.
Als Variante lassen sich die Schwingen 56 durch beispielsweise drei kleine flexible Streben ersetzen, die in gleicher Weise
ausgerichtet sind, oder aber auch durch eine ganz andere Verbindungsvorrichtung.
Eine solche gestattet über die Rolle 59 eine Drehbewegung des Zapfens um eine feste Achse, die in unmittelbarer
Nähe vom Punkt 0 verläuft.
Eine Anregung, um der Verschiebung des Querschnitts der festen Rollbahn eine radiale Komponente zu geben, ergibt sich im übrigen
aus dem FR-Patent 1 401 983.
Leerseite
Claims (14)
- Glaenzer Spicer ♦· * °.♦*.:.. %PI5l..Februar 198210, Rue J.P. Timbaud Hn/NbF-78301 Poissy S0156.001PatentansprücheEinreihiges Kugellager, bestehend aus einem Außenring, einem koaxial dazu angeordneten Innenring, welche in ihrer Innen- bzw. Außenfläche mit je einer Bahn zur Aufnahme von darin sich bewegenden Kugeln ausgebildet sind und einem Käfig, der konzentrisch zwischen Außenring und Innenring angeordnet ist und die Kugeln zueinander in einem bestimmten Abstand hält,dadurch gekennzeichnet,daß die die Kugeln (7) aufnehmenden Rollbahnen (4,10) des Innen- (11) und Außenringes (3) im Querschnitt aus zwei zu ihrer Mittenachse (P bzw. Q) spiegelbildlichen Abschnitten gebildet sind, und daß die Mittenachse (Q bzw. P) einer der Rollbahnen (4 bzw. 10) zumindest über Teile ihres Umfanges zur Mittenachse (P bzw. Q) der anderen Rollbahn (10 bzw. 4) axial versetzt angeordnet ist.S0156.001 - Hn/Nb ~ * '..*.:.. " \.S«Cte
- 2. Kugellager nach Anspruch lf
dadurch gekennzeichnet,daß die eine versetzt verlaufende Mittenachse (Q) aufweisende Rollbahn (4) zur Mittenachse (P) der anderen konstanten Rollbahn (10) alternierend versetzt verläuft. - 3. Kugellager nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,daß mindestens zwischen zwei der aufeinanderfolgenden und versetzten Umfangsabschnitte der einen Rollbahn (4) eine entlastete Übergangs- bzw. Entlastungszone J19) angeordnet ist. - 4. Kugellager nach den Ansprüchen 2 und 3, dadurch gekennzeichnet,daß die Mittenachse (Q) der ansonsten versetzten Rollbahn (4) im Bereich der Übergangszone (19) , sich der Ebene der Mittenachse (P) der anderen Rollbahn (10) annähernd in dieser und/oder diese schneidend, verläuft (Fig. 4).
- 5. Kugellager nach den Ansprüchen 1 bis 4 zur Aufnahme von Momenten mit zwei entgegengesetzten Wirkrichtungen,S0156.001 - Hn/Nb .: ' '..: .Seito..* .:3.dadurch gekennzeichnet,daß die Rollbahn (4) sechs gleichmäßig über ihren Umfang verteilte tragende Zonen (17,18) aufweist, wobei die Mittenachse (Q) der Rollbahn (4) in drei tragenden Zonen (17) in bezug auf die Mittenachse (P) der anderen Rollbahn (10) zu deren einen Seite hin und die anderen drei tragenden Zonen (18) zu deren anderen Seite hin versetzt sind.
- 6. Kugellager nach den Ansprüchen 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet,daß die tragenden Zonen (17,18) mittels Übergangszonen (19) verbunden sind.
- 7. Kugellager nach Anspruch 2 und/oder 3, dadurch gekennzeichnet,daß der Versatz mindestens einer der tragenden Zonen (17, 18) oder Gruppe von tragenden Zonen (17,18) eine Vorspannung erzeugend bemessen ist.
- 8. Kugellager nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet,daß im eingebauten Zustand des Lagers (1) die entlastete (n) Übergangszone(n) senkrecht zur Wirkrichtung der/des das Lager belastenden Kraft/Momentes angeordnet ist (sind)... .. 3205739nachqereichtI : :.**. . : : .** . '."".' .*S0156.001 - Hn/Nb * " Seite - 9. Kugellager nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,daß in die Übergangszone eine im Außenring (3) oder Innenring (11) angeordnete Einfüllöffnung (14) mündet, die durch einen Verschluß (15,15A) verschließbar ist (Fig. 5).
- 10. Kugellager nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Einfüllöffnung (14) radial angeordnet ist.
- 11. Kugellager nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet,daß der Verschluß (15,15A) eine kugelförmige Innenoberfläche (16,47) besitzt, deren Zentrum auf der Achse (X-X) des Lagers (1,1A) angeordnet ist.
- 12. Kugellager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,daß die Rollbahn (4,10,29,33) im Querschnitt aus einem aus zwei Kreisbögen gebildeten Spitzbogenprofil besteht, die sich auf der Mittenachse (Q bzw. P) schneiden.• ·S0156.001 - Hn/Nb .:.,«..* *..*.:., '.,Seite 5-r-
- 13. Vorrichtung zum Herstellen der Rollbahnen eines Kugellagers nach Anspruch 1, mit Schleifkörper, motorbetriebonor Spindel, senkrecht zur Spindelachse stehendem Werkstückträger, Vorrichtungen zur elastischen Verbindung zwischen Werkstückträger und Spindel, Vorrichtungen zur variablen Beanspruchung des Werkstückträgers während seiner Drehbewegung - zumindest in paralleler Richtung zu seiner Achse -, sowie Vorrichtungen zum Halten eines Lagerringes koaxial zum Werkstückträger,dadurch gekennzeichnet,daß die elastischen Verbindungsvorrichtungen (56) so ausgebildet sind, daß sie die Drehung des Ringes (24) um eine feste, ungefähr durch seinen Mittelpunkt (0) verlaufende Achse unter Einwirkung der Beanspruchungsvorrichtungen (59) gewährleisten.
- 14. Vorrichtung nach Anspruch 13,
dadurch gekennzeichnet,daß die elastischen Verbindungsvorrichtungen mehrere flexible Bauteile (56) enthalten, die schräg zur Spindelachse (56) stehen und deren Mittellinien im Mittelpunkt (0) des Ringes (24) zusammenlaufen.
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