USM Corporation, Farmington, Connecticut 06032 Zustelladresse: 181 Elliott Street
Beverly, MA 01915 USA 23. August 1983
U 4809 Al/Sch
Beschreibung
Kugellagerkäfig
Die Erfindung betrifft Käfige für Wälzrollelemente, insbesondere Kugelkäfige für radial biegsame Lager. Die Käfige
können besonders vorteilhaft in Getrieben oder Antrieben
verwendet werden, bei denen Generatoren zur Erzeugung einer radialen Biegewelle eingesetzt werden, normalerweise
bekannt als harmonische Antriebe oder Spannungswellengetriebe.
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Harmonische Antriebe weisen normalerweise drei Elemente in konzentrischer Beziehung zueinander auf: ein kreisförmiges
Zahnrad, ein Spannungszahnrad, das außen oder innen mit
dei.i kreisförmigen Zahnrad in Eingriff steht, und einen Wellen-25
generator zum radialen Ausbiegen des SpannungsZahnrades zur
Erzeugung eines solchen Eingriffs an in Umfangsrichtung beabstandeten Punkten. Ein Element in diesem kompakten
Getriebeaufbau kann als Eingang und ein anderes Element
als Ausgang dienen. Die vorliegende Erfindung wird besonders 30
bei einem neuen Lager eingesetzt, das zwischen das Spannungszahnrad und den Wellengenerator eingefügt wird, um die
Erzeugung der Wellenformung wirksamer zu machen.
OI- In herkömmlichen ringförmigen Kugellagern ist normalerweise
ein Käfig an einem Laufring eines Paars von konzentrischen Laufringen gelagert oder der Käfig schwimmt
bzw. ruht auf den Kugeln, die hierdurch gehalten werden.
-S-S-
Diese im Handel erhältlichen Käfige sind mit eng passendem, in Umfangsrichtung beabstandeten Kugeltaschen geformt zum
Aufnehmen und Führen der jeweiligen Kugeln in Laufbahnen der Ringe. Obwohl die Leistungsfähigkeit solcher Lager
in harmonischen Antrieben erfahrungsgemäß relativ gut ist, neigen die sich radial bewegenden Rollelemente im Belastungsbereich
ihrer Umfangsbahn dazu, den Käfig einzuklemmen oder zu binden, wodurch unangemessener Verschleiß
entsteht. Dieses Problem wird in der US-Patentschrift
3 285 099 behandelt. Dieser bekannte Aufbau weist eine Halteleiste oder Platte zum Halten des Käfigs in axialer
Position auf. Diese Komponenten erhöhen die Trägheit der Hochgeschwindigkeitsrollelemente, die unerwünscht ist,
da die Trägheit die Anspruchszeit der Komponenten einschließlich des Systems, in welchem sie arbeiten, verlangsamt
bzw. verlängert.
Da das Wellengeneratorlager elliptisch (oder dreieckförmig)
geformt sein kann, bewegen sich die RoIlelemente darin bei verschiedenen Radien und haben eine
sich ändernde Winkelgeschwindigkeit. Die bekannten Kugelkäfige haben die Trägheit in Spannungswellengetriebesystemen
nicht minimiert noch haben sie einen einfachen, preiswerten Rollelementring geschaffen, der leicht zusammenzubauen
ist und eine lange Lebensdauer für eine Bewegung auf einer nichtkreisförmigen Bahn aufweist.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen wirtschaftlicheren Rollelementkäfig zu schaffen, insbesondere
für biegbare, unrunde Lager, welcher Reibungsverluste reduziert, die Trägheit gegenüber bekannten Lagern verringert,
formbar ist, eine Inspektion während des Zusammenbaus erlaubt, leicht montierbar ist und sich leicht einer
nichtkreisförmigen Bewegungsbahn anpaßt.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch Kugellagerkäfige
gemäß den Ansprüchen gelöst.
Die Erfindung betrifft Kugellagerkäfige in radial biegsamen
Kugellagern.
Wie oben erwähnt, können harmonische Antriebe einen ellipsenförmigen Wellengenerator aufweisen, um welchen
das Kugellager angeordnet wird. Das Kugellager ist außerdem in Beziehung ^u einem Spannungsrad mit Zähnen angeordnet,
welche radial ausbiegbar sind zum Eingriff bzw. Kontakt mit Zähnen eines starren Rinarades.Das Kugellager weist
einen inneren Laufring, einen äußeren Laufring und eine Vielzahl von Rollelementen, vorzugsweise Kugeln auf, welche
zwischen den Laufringen durch einen Käfig gehalten werden.
Der Käfig besteht aus einer Kugeltrenneinrichtung und einem axialen Haltering . Die Kugeltrenneinrichtung weist
ein ringförmiges Bauteil auf mit einer Vielzahl von axial angeordneten Wänden, die auf einer Seite des Bauteils
im Abstand angeordnet sind. Jedes Paar von benachbarten Wänden hat eine Anordnung von gekrümmten Wänden,
die ausreicht, um zwischen den Wänden eine Kugel zu halten, und welche mit dem ringförmigen Bauteil und dem Haltering
eine Kugeltasche bestimmt. Jede Tasche weist eine ausreichende Größe auf, um KugelpräZession zu ermöglichen,
ohne daß sich die Kugel mit dem Kugelkäfig verklemmt, wenn der Käfig mit einem ellipsenförmigen oder dreieckförmigen
Wellengenerator in einem harmonischen Antrieb benutzt wird.
Die axial angeordneten Wände, die sich vom ringförmigen ^O Bauteil aus erstrecken, können jeweils nahe ihrem Fußende
auf ihrer radial innersten Seite eine Raste aufweisen. Vom freien Ende der Raste axial in Richtung zum freien
Ende der Wand ist ein Kanal oder eine Aussparung in der Wand geformt. Der axiale Haltering hat eine Vielzahl von
axial angeordneten Fingern, die auf einer Seite des Ringes im Abstand angeordnet sind, neben den Wänden der
Kugeltrenneinrichtung. Der axiale Haltering kann koaxial mit der Kugeltrenneinrichtung in Eingriff gebracht werden,
um den Käfig zu bilden. Die Finger am axialen Haltering
greifen jeweils in die Kanäle auf der radial inneren Seite der Wände ein. Am freien Ende eines jeden Fingers ist
radial nach außen eine Nase angeordnet. Die Nase ist W'-förmig geformt, um mit der Raste in der Wand in
Eingriff zu kommen. Drehung des Lagers und entsprechende Drehung des Käfigs verursacht in dem Finger Zentrifugalkräfte,
um die Nase in der Raste zu verriegeln.
jQ Beim Zusammenbau des Lagers wird der Käfig zwischen dem
inneren und äußeren Lagerring eingefügt. Anschließend werden die Kugeln in die Kugeltaschen eingefügt, welche durch
die benachbarten Wände definiert werden. An diesem Punkt der Montage können die richtigen Abstände zwischen dem
inneren und äußeren Laufring und den Kugeln und sogar der Einheit, mit welcher das Lager in Eingriff steht, untersucht
und ausgewertet werden. Zufriedenstellende Inspektion und Vormontage ermöglicht dann, den axialen Haltering auf
der Kugeltrenneinrichtung zu plazieren und einschnappen zu lassen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann der Käfig für
Kugellager vorgesehen sein, in welchen die Käfige selbst radial biegbar sind. Dies sind solche Lager in harmonischen
Antrieben, bei denen der innere oder äußere Laufring mit einem ellipsenförmigen oder dreieckförmigen Generator in
Eingriff bringbar ist, um darin eine fortschreitende Biege- * welle zu verursachen, wie in der US-Patentschrift 3 285
offenbart ist. Bei einer solchen Ausführungsform weist der Käfig, wie oben erwähnt, eine Kugeltrenneinrichtung und
einen axialen Haltering auf. Die Kugeltrenneinrichtung und der axiale Haltering können jeweils in Umfangsrichtung
verteilte Abschnitte ihrer ringförmigen Bauteile aufweisen die sich zyklisch zu reduzierten radialen Abmessungen verjungen
von radial dickeren Abmessungen und sich zurück zu dickeren Abschnitten vergrößern, um ein Biegen an den verteilten
dünneren Abschnitten zu ermöglichen. Die Abschnitte mit verringerten radialen Abmessungen sind zwischen benach-
harten Wänden angeordnet. Die radialen Abmessungen der reduzierten Abschnitte sind kleiner als die axialen Abmessungen
der reduzierten Abschnitte, d. h. die Stärke der ringförmigen Bauteile der Kugeltrenneinrichtung und des
axialen Halteringes. Die Wände haben auch bei dieser Ausführungsform konkave Oberflächen, um eine Kugeltasche
zu definieren, wobei die Kugeltaschen nur groß genug sein müssen, um das Einführen der Kugel während der Montage zu
ermöglichen, da bei dieser Ausführungsform keine Präzession auftreten braucht, aufgrund der radialen Biegung des
Käfigs in dem radial biegsamen Lager, das durch die in Umfangsrichtung verteilten » verjüngten Abschnitte der
ringförmigen Bauteile ermöglicht wird.
Bei einer weiteren Ausführungsform weist ein Kugellagerkäfig eine Trenneinrichtung mit axial angeordneten Wänden
auf einer Seite auf sowie einen gesonderten Haltering, der auf den freien Enden der Wände aufliegt. Es sind jedoch
axial angeordnete Stifte vorgesehen, die sich von den freien Enden der Wände aus erstrecken und mit entsprechend
verteilten, axial angeordneten öffnungen in dem Haltering in Eingriff stehen. Die Stifte sind mit der Trenneinrichtung
aus Kunststoffmaterial geformt. Wenn die Kugeln in ihre entsprechenden Taschen eingeführt worden sind und die
Stifte in die entsprechenden öffnungen im Haltering eingeführt
sind, können die freien Enden der Stifte durch Heizeinrichtungen oder dergleichen verformt werden, um ein
Trennen oder Lockern des Halterings gegenüber der Kugeltrenneinrichtung
zu verhindern. Das ringförmige Bauteil
der Kugeltrenneinrichtung und der Haltering können bei dieser Ausführungsform auch Abschnitte mit reduzierten
radialen Abmessungen zwischen benachbarten Wänden und entsprechende Abschnitte auf dem Haltering aufweisen, wie bei
den vorher beschriebenen Ausführungsformen, um ein Biegen des Käfigs während seiner Bewegung und ein Anpassen an
die nichtkreisförmige Krümmung eines Wellengenerators harmonischer Antriebsart zu ermöglichen.
Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden
Beschreibung von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung. Darin zeigen:
Figur 1 eine perspektivische Ansicht eines Teils eines Kugellagerkäfigs gemäß der vorliegenden Erfindung,
Figur 2 eine Schnittansicht eines Kugellagers längs der
Linie 2-2 .des Käfigs gemäß Figur 1,
Figur 3 eine perspektivische Ansicht eines Teil einer
anderen Ausführungsform eines Kugellagerkäfigs, 15
Figur 4 eine perspektivische Ansicht eines Teils einer noch anderen bevorzugten Ausführungsform eines
Kugellagerkäfigs, und
Figur 5 eine perspektivische Ansicht einer weiteren
Ausführungsform der Figur 4.
In Figur 1 ist ein Kugellagerkäfig 10 gezeigt, der um eine
nicht gezeigte Achse quer dazu drehbar ist. Der Käfig 10 weist eine Kugeltrenneinrichtung 12 und einen axialen
Haltering 14 auf. Die Kugeltrenneinrichtung 12 weist ein ringförmiges Bauteil 16 auf mit einer Vielzahl von axial
angeordneten Wänden 18, die in Umfangsrichtung auf einer
Seite des Bauteils verteilt sind. Zwischen benachbarten Wänden 18 ist eine Kugeltasche 20 als im wesentlichen
kubisch geformtes Volumen bestimmt. Jede Wand 18 hat auf jeder Seite eine im allgemeinen radial ausgerichtete Wandoberfläche
22. Jede Wandoberfläche 22 ist konkav geformt und verhindert zusammen mit einer gegenüberliegenden Wandoberfläche
22 einer benachbarten Wand einen radialen Austritt einer Kugel 24. Jede konkave Wandoberfläche 22 hat
eine ausreichende radiale Abmessung in Abhängigkeit von der Größe der verwendeten Kugeln 24 und jede Kugeltasche
• AO -
20 hat eine ausreichende gewölbte Abmessung, um eine Kugelpräzession
zu ermöglichen, ohne daß die Kugel sich mit der Kugeltrenneinrichtung 12 verklemmt. Dies wird in der
US-Patentschrift 3 28 5 599 erläutert, die durch diese Bezugnahme in die vorliegende Offenbarung einbezogen wird.
Die Kugeltrenneinrichtung 12 und der Haltering 14 haben jeweils radial äußere Umfangsoberflächen 26 und 28 und
radial innere Umfangsoberflächen 30 und 32. 10
Der Haltering 14 weist eine Vielzahl von Fingern 34 auf, die ringförmig auf einer Seite des Ringes angeordnet sind,
wie in Figur 1 gezeigt ist, ausgerichtet in Richtung auf die Kugeltrenneinrichtung 12. Die Finger 34 verlaufen im
!5 allgemeinen parallel zur Drehachse des Kugellagerkäfigs
und sind jeweils so angeordnet, um mit einer Wand 18 der Kugeltrenneinrichtung 12 ineinanderzugreifen. Jeder Finger
34 weist einen Hauptteil 36 auf, der sich von der Seite des Halterings 14 aus erstreckt und eine radial innere
2^ Oberfläche aufweist, welche mit der inneren Oberfläche
des Halterings 14 fluchtet. Radial nach außen vom freien Ende des Hauptteils 36 eines jeden ringers 34 erstreckt sich
ein Vorsprung bzw. eine Nase 38 von im allgemeinen '/\"-förmiger
Gestalt.
■■._.. ■- .
Jede Wand 18 hat einen Kanal oder eine Aussparung 40 auf ihrem radial inneren Teil, die einen Finger 34 aufnimmt.
Jede Aussparung 4 0 wird bestimmt durch eine radial innere Oberfläche 4 2 mit einer Stufe 44, wie in den
Figuren 1 und 2 gezeigt ist, und durch die radial äußere Oberfläche eines inneren Laufrings 4 6 eines Kugellagers 48,
teilweise in Figur 2 gezeigt. Die Stufe 44 der inneren Oberfläche 42 der Wand 18 erlaubt ein Ineinandergreifen
zwischen dem Finger 34 und der entsprechenden Wand 18.
35
Das Kugellager 48, gezeigt in Figur 2 mit zusammengebautem'
Haltering 14 und Trenneinrichtung 12, weist auch einen äußeren Laufring 50 auf. Der innere Laufring 46 und der
äußere Laufring 50 haben jeweils einen trogförmigen Kanal
COPY
52, in welchem die Kugeln 24 laufen. Das Kugellager 4 8 ist j um ein zentrales Bauteil 54 herum angeordnet, wie in i
Figur 2 gezeigt. !
Der Zusammenbau eines Kugellagers 48 umfaßt das Plazieren der Kugeltrenneinrichtung 12 in koaxialer Ausrichtung
zwischen dem koaxial angeordneten inneren und äußeren Laufring 4 6 und 50, das Einfügen der Kugeln 24 in ihre
jeweiligen Kugeltaschen 20, das Prüfen des pro forma-Aufhaus
auf richtigen Sitz und Ausrichtung, was eine Qualitätskontrolle ermöglicht. Anschließend wird der Haltering 14
mit der Kugeltrenneinrichtung 12 so ausgerichtet, daß die Finger 34 in axialer und radialer Ausrichtung mit den
Wänden 18 sind. Dann wird der Haltering in seine endgültige Position gestoßen, wobei die Nasen 38 mit den Stufen 44
der radialen inneren Oberfläche 42 der Wände 18 in Eingriff kommen. Das einschnappende Ineinandergreifen gewährleistet
die Verriegelung zwischen diesen Teilen.
Während der Drehung des Kugellagerkäfigs 10 verursacht die Zentrifugalkraft ein noch dichteres Anpressen der Finger
34 gegen die radial innere Oberfläche 4 2 der Wand, wodurch die Verriegelung noch erhöht wird.
Eine andere Ausführungsform eines Kugellagerkäfigs 78 ist
in Figur 3 gezeigt mit einer Kugeltrenneinrichtung 60, welche wie bei den vorher beschriebenen Ausführungsformen
mit einem Haltering 62 in Eingriff bringbar ist. Diese .Ausführungsform weist eine Vielzahl von Kugeltaschen 64
auf, welche die Kugeln 66 gegebener Größe' enger fassen, was keine wesentliche Kugelpräzession während der Dreh-
bewegung um einen Wellengenerator harmonischer Antriebsart erlaubt. Die Kugeltrenneinrichtung 6 0 weist ein ringförmiges
Bauteil 68 mit in Umfangsrichtung verteilten Abschnitten mit reduzierter radialer Abmessung zwischen
benachbarten Wänden 70 auf. Der Haltering 6 2 weist an 35
entsprechenden in Umfangsrichtung verteilten Abschnitten eine reduzierte radiale Abmessung auf, d. h. zwischen
benachbarten Fingern 72. Die Kugeltrenneinrichtung 60 und der Haltering 62 haben jeweils eine äuT^ere .und eine innere
• Λ 2 ·
-ß -
I Oberfläche 74 und 76, welche die verringerten radialen
Abmessungen bestimmen, wobei sich diese Abmessungen gestuft, gekrümmt oder abgeschrägt von den radial dicksten Abschnitten,
axial benachbart zu jeder Wand 70 zu den radial dünnsten Abschnitten, axial benachbart zu jeder Kugeltasche
64, und dann gestuft, gekrümmt oder abgeschrägt zu den radial dicksten Abschnitten, axial benachbart zu jeder
Wand 70 (oder jedem Finger 72) , verändern, um einen neuen Zyklus zu beginnen. Die radial kleinste Abmessung r1
der Kugeltrenneinrichtung 60 und des Halterings 62 sind kleiner als die axiale Abmessung al dieser Teile, wie in
Figur 3 gezeigt ist (riX al).
Die reduzierte radiale Abmessung der Kugeltrenneinrichtung 60 und des Halteringes 62, deren Abschnitte mit reduzierter
radialer Abmessung axial ausgerichtet sind, ermöglichen es, daß das Kugellager 78, das aus der Kugeltrenneinrichtung
60 und dem Haltering 62 und den Kugeln 66 besteht, an Punkten mit reduzierter radialer Abmessung gebogen wird,
wodurch der Käfig in Lagern um Wellengeneratoren harmonischer Antriebsbauart mit nichtkreisförmiger Konfiguration
(elliptisch oder dreieckformig) verwendet werden kann, wobei eine ausreichende Taschengröße vorgesehen ist, um
eine Vielzahl von Kugeln zuverlässig und genau auszurichten.
In Figur 4 ist eine weitere bevorzugte Ausführungsform dargestellt, bei welcher ein Kugellagerkäfig 88 eine Kugeltrenneinrichtung
82 und einen Haltering 84 aufweist. Die Kugeltrenneinrichtung 82 weist eine Vielzahl von axial
angeordneten Wänden 86 auf, die sich von einer Seite aus erstrecken, wie bei den vorher beschriebenen Ausführungsbeispielen.
Die Wände 86 haben jeweils ein Paar gekrümmter Seiten 88, wie die vorher beschriebenen Ausführungsformen,
welche mit einer axial quer verlaufenden Wand 90 des Hauptkörpers der Kugeltrenneinrichtung 82 und dem Haltering
84 eine Kugeltasche 91 bestimmen, die eine ausreichende Größe aufweist, um eine Kugel 92 darin zu halten, und
eine geeignete gewölbte Abmessung aufweist, um eine
Präzession der Kugel 92 in bezug zur Kugeltasche 91 während
der Drehung um einen Wellengenerator harmonischer Antriebsart zu ermöglichen. Jede Wand 86 kann eine vollständige
radiale Abmessung aufweisen (ohne die Aussparungen oder Kanäle der oben beschriebenen Ausführungsformen), die
ausreicht, um die Kugel festzulegen, und welche gleich der radialen Abmessung des Halterings 84 ist. Ein Stift 94,
der aus dem gleichen Material und in der gleichen Form wie die Kugeltrenneinrichtung 82 geformt ist, erstreckt sich
axial vom freien Ende einer jeden Wand 86 aus, wie in Figur 4 gezeigt ist. In dem Haltering 84 ist in axialer
Richtung und in Umfangsrichtung verteilt jeweils entsprechend
der Position des Stiftes 94, geformt an der
Kugeltrenneinrichtung 82, eine öffnung oder Bohrung 96 ausgebildet.
Während des Zusammenbaus des Kugellagerkäfigs 80 wird nach
dem Einführen der Kugeln 92 in ihre jeweilige Kugeltasche 91 der Haltering 84 auf der Kugeltrenneinrichtung 82 durch
Einführen der Stifte 94 in ihre jeweilige Bohrung 96 im Haltering 84 befestigt. Die freien Enden der Stifte 94,
welche sich über den Ring 84 hinaus erstrecken, können durch bekannte Einrichtungen wie z. B. Heizeinrichtungen
deformiert werden, um die anliegende Befestigung des Halterings 84 gegen die freien Enden der Wände 86 zu
erleichtern, wodurch der Zusammenbau des Kugellagerkäfigs 80 vervollständigt bzw. beendet wird.
Die Kugeltrenneinrichtung 82 und der Haltering 84 können
Abschnitte reduzierter radialer Abmessung an in Umfangsrichtung verteilten Abschnitten zwischen ihrem benachbarten
Wänden 86 aufweisen, wie in Figur 5 gezeigt ist, und wie bei dem vorhergehenden Ausführungsbeispiel beschrieben
worden ist. Wenn diese Ausbildung gewählt wird, können die Kugeltaschen 91 wie bei der zweiten Ausführungsform ausgebildet sein mit einem engen Sitz der Kugeln,
der keine Kugelpräzession während der Bewegung um einen Wellengenerator harmonischer Antriebsart erlaubt, wobei
jedoch die Kugeltrenneinrichtung (mit dem Haltering)
"ausgebogen" werden kann, um sich den nichtkreisförmigen Konturen des nichtkreisförmigen Wellengenerators anzupassen
5 Es sind verschiedene Kugellagerkäfige gezeigt und beschrieben worden, welche aus Kunststoffmaterial geformt
sein können und welche eine Kugelinspektion vor dem abschließenden Zusammenbau ermöglichen und welche die
Ungleichgewichts- und Drehmomentprobleme in Kugellagern minimieren, welche in Hochgeschwindigkeitsmechanismen
harmonischer Antriebsart unerwünscht sind.
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