DE3206739C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein einreihiges Kugellager, bestehend aus einem Außenring und einem koaxial dazu angeordneten Innenring, welche Ringe 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, wobei eine senkrecht auf der Lagerachse stehende Mittenachse einer der Rollbahnen zumindest über Teile, deren Umfanges zu einer ebenfalls senkrecht auf der Lagerachse stehenden Mittenachse der anderen Rollbahn axial versetzt verläuft.

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 Beanspruchung des Werkstückträgers während seiner Drehbewegung - zumindest in paralleler Richtung zu seiner Achse -, sowie Vorrichtungen zum Halten eines Lagerringes koaxial zum Werkstückträger versehen ist.

Ein Kugellager nach dem Oberbegriff des Hauptanspruches ist aus der DE-AS 10 67 265 bekannt. Dabei sind Bereiche vorgesehen, in denen die Kugeln des Lagers entweder nur der Aufnahme von radialen oder nur der Aufnahme von axialen Lasten dienen.

Aus der DE-OS 23 45 866 ist ein einreihiges Kugellager bekannt, bei dem die Mittenachse einer Rollbahn in einer Ebene verbleibt, während die Mittenachse der anderen Rollbahn in axialer Richtung mit einem periodischen Schwingungsverlauf von dieser abweicht, um in Axialrichtung eine alternierende Hubbewegung zu erzeugen.

Ferner gehören Kugellager zum Stand der Technik, welche koaxiale Lauf- bzw. Rollbahnen sowie eine absolute Rotationssymmetrie um die Lagerachse besitzen. Bei solchen 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 konstruktionsbedingt 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 Erwärmungs- und Verschleißerscheinungen.

Hiervon ausgehend ist es Aufgabe der Erfindung, ein einreihiges Kugellager zu schaffen, das bei gleichen Abmessungen und Werkstoffen eine höhere Lastübertragungskapazität, insbesondere bei 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 spiegelbildlichen Abschnitten gebildet sind und daß die Mittenachse einer Rollbahn mit je Momentenrichtung jeweils mindestens zwei tragenden Zonen zu entgegengesetzten Seiten der Mittenachse der anderen Rollbahn versetzt verläuft und diese zusammen jeweils mindestens vier Zonen gleichmäßig über den Umfang der zugehörigen Laufbahn verteilt und durch Übergangszonen verbunden sind.

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 Abstützpunkt aufweisen. Hierdurch ist es ferner 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 die Kugeln in den Übergangszonen entlastet sind.

Da die Berührung zwischen Kugel und Bahn bei alternierend verlaufenden Mittenachsen wechselt, sorgt die Übergangszone dafür, daß die Kugeln leicht in die neue Drehposition überführt werden können.

Bevorzugt wird die Entlastung dadurch erreicht, daß die Mittenachse der ansonsten versetzten Rollbahn im Bereich der Übergangszone, sich der Ebene der Mittenachse der anderen Rollbahn annähernd, in dieser und/oder diese schneidend, verläuft.

Ein besonders günstiges Kugellager zur Aufnahme von Momenten mit zwei entgegengesetzten Wirkrichtungen ist dadurch erreicht, daß jeweils drei tragende, zusammen sechs gleichmäßig über den Umfang der Rollbahn verteilte tragende Zonen vorgesehen 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/Moments angeordnet sind.

Die Lagerkapazität kann nach einem weiteren Merkmal der Erfindung dadurch vergrößert werden, daß in die Übergangszone eine im Außenring oder Innenring angeordnete Einfüllöffnung mündet, die durch einen Verschluß verschließbar ist. Bevorzugt ist die Einfüllöffnung radial verlaufend angeordnet.

Ferner kann der Verschluß eine kugelförmige Innenoberfläche besitzen, deren Zentrum auf der Achse des Lagers angeordnet ist.

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 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

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

Fig. 11 eine schematische Darstellung von einem Querschnitt einer Schleifvorrichtung.

Nachstehend sei die Erfindung in beispielsweiser Anwendung auf ein angetriebenes Vorderrad eines Kraftfahrzeuges beschrieben:

Der Außenring 3 des Lagers ist in an sich bekannter Weise in einem Achszapfengehäuse 2 fest eingesetzt und entsprechend festgehalten. Es 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 α, der zweckmäßigerweise etwa 25° bis 45° beträgt (Fig. 2), zur Ebene P angeordnet sein.

Die in bezug auf das Fahrzeug ortsfeste, d. h. 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 eine frei innerhalb dieser Rollbahn aufgesetzte Kugel zwei Berührungspunkte, die auf beiden Seiten der Symmetrieebene P mit den gleichen Winkeln α 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 -h₁ in der Größenordnung von ca. 0,01-0,05 mm verschoben. Sofern keine Kraft auf den Außenring 3 einwirkt, wird eine Vorspannkraft F₁ übertragen, die mit der Symmetrieebene P des Lagers im schon genannten Winkel α steht. Die Kraftübertragung erfolgt dabei durch die Kugel von der äußeren Rollbahn 4 zur inneren Rollbahn 10 des Innenringes (11) mit der Reaktion F′₁ = -F₁. Während sich der Lagerring 11 dreht, drehen sich auch die Kugeln 7 in dieser Zone um eine etwa senkrecht zu F₁ stehenden Achse Z₁-Z₁ 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 dargestellt, 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 α. Während sich das Lager dreht, dreht sich darüber hinaus die Kugel 7 um eine etwa senkrecht zu F₂ stehende Achse Z₂-Z₂ mit einem einzigen Berührungspunkt auf jedr 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 h₃ = 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 zwischen die Rollbahnen 4, 10 der beiden Ringe 3, 11 ermöglicht. Der Verschluß 15 besitzt eine auf den Mittelpunkt O des Lagers zentrierte 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 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 l sich über die gesamte Zone 17 erstreckt. Zu beiden Seiten dieser Flächen befinden sich Be- und Entlastungsprofile 19A, die in der Mitte einen Querschnit 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 erstrecken 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 f 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 befinden sich zu diesem Zeitpunkt ungefähr bei einem Viertel der Länge t 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. Darüber hinaus sind der Abstand p = l+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 Belastungs- und 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:

p = k(d+e)+t/2 (1)

wobei k für die Anzahl der auf einer tragenden Fläche belasteten Kugeln 7 steht.

Nimmt man 3+3 = 6 Flächen mit Abstand p an, so kann die gesamte Anzahl der Kugeln durch

N = 6p/(d+e) (2)

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 k 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:

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:

und

In diesem Fall kann man folgende Tabelle aufstellen:

Die Montage des Lagers 1 kann nun, wie nachstehend beschrieben, erfolgen:

Innenring 11 und Käfig 9 werden in das Innere des Außenringes 3 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, 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 O verläuft, und ein horizontal durch diesen Punkt O 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 gegenüber.

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 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 Kippmomente 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 2β und 2γ in der Größenordnung von 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 27 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 hindurchverläuft und mit einem Gleichlaufgelenk 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 entsprechenden 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 Achsrädr 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 1A auf, der zwischen einer Achsschulter 42 und einer durch eine Schraube 44 festgezogenen Unterlegscheibe 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. Darüber hinaus sieht man in Fig. 10 auch den zur Bestückung 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 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^-1 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 O der zu schleifenden Laufrille 29 zusammenlaufen.

Im äußeren Bereich des Werkstückträgers 52 ist ein axialer Nocken 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 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 O 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 O führt, die einer Verlagerung der zu schleifenden Laufrille 29 um 5 × 1 : 500 = 0,01 mm, d. h. 10 µm 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 Außenschleifvorrichtung 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 O verläuft.

Eine Anregung, um der Verschiebung des Querschnitts der festen Rollbahn eine radiale Komponente zu geben, ergibt sich im übrigen aus dem FR-Patent 14 01 983.

Claims (12)

1. Einreihiges Kugellager, bestehend aus einem Außenring und einem koaxial dazu angeordneten Innenring, welche Ringe 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, wobei eine senkrecht auf der Lagerachse stehende Mittenachse einer der Rollbahnen zumindest über Teile, deren Umfang zu einer ebenfalls senkrecht auf der Lagerachse stehenden Mittenachse der anderen Rollbahn axial versetzt verläuft, 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) einer Rollbahn (4) mit je Momentenrichtung jeweils mindestens zwei tragenden Zonen (17 und 18) zu entgegengesetzten Seiten der Mittenachse (P) der anderen Rollbahn (10) versetzt verläuft und diese zusammen jeweils mindestens vier Zonen (17, 18) gleichmäßig über den Umfang der zugehörigen Laufbahn (4) verteilt und durch Übergangszonen (19) verbunden sind.

2. Kugellager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kugeln (7) in den Übergangszonen (19) entlastet sind.

3. Kugellager nach Anspruch 2, 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).

4. Kugellager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils drei tragende, zusammen sechs gleichmäßig über den Umfang der Rollbahn (4) verteilte tragende Zonen (17, 18) vorgesehen sind.

5. 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.

6. Kugellager nach Anspruch 2, 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 sind.

7. Kugellager nach Anspruch 2, 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).

8. Kugellager nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Einfüllöffnung (14) radial angeordnet ist.

9. Kugellager nach Anspruch 7, 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.

10. 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.

11. Vorrichtung zum Herstellen der Rollbahnen eines Kugellagers nach Anspruch 1, mit einem Schleifkörper, motorbetriebener Spindel, senkrecht zur Spindelachse stehendem Werkstückträger, Vorrichtungen zur elastischen Verbindung zwischen Werkstückträger und Spindel, Vorrichtung 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 (O) verlaufende Achse unter Einwirkung der Beanspruchungsvorrichtung (59) gewährleisten.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die elastischen Verbindungsvorrichtungen mehrere flexible Bauteile (56) enthalten, die schräg zur Spindelachse (56) stehen und deren Mittellinien im Mittelpunkt (O) des Ringes (24) zusammenlaufen.