DE3330535C2 - Kugellagerkäfig - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft Käfige für Wälzrollelemente, insbesondere Kugelkä­ fige 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.

Harmonische Antriebe weisen normalerweise drei Elemente in konzen­ trischer Beziehung zueinander auf: ein kreisförmiges Zahnrad, ein Span­ nungszahnrad, das außen oder innen mit dem kreisförmigen Zahnrad in Eingriff steht, und einen Wellengenerator zum radialen Ausbiegen des Spannungszahnrades zur Erzeugung eines solchen Eingriffs an in Um­ fangsrichtung beabstandeten Punkten. Ein Element in diesem kompakten Getriebeaufbau kann als Eingang und ein anderes Element als Ausgang dienen. Die vorliegende Erfindung wird besonders bei einem neuen Lager eingesetzt, das zwischen das Spannungszahnrad und den Wellenge­ nerator eingefügt wird, um die Erzeugung der Wellenformung wirksamer zu machen.

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.

Diese im Handel erhältlichen Käfige sind mit eng passenden, in Um­ fangsrichtung beabstandeten Kugeltaschen geformt zum Aufnehmen und Führen der jeweiligen Kugeln in Laufbahnen der Ringe. Obwohl die Leistungsfähigkeit solcher Lager in harmonischen Antrieben erfahrungs­ gemäß 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 wel­ chem sie arbeiten, verlangsamt bzw. verlängert.

Da das Wellengeneratorlager elliptisch (oder dreieckförmig) geformt sein kann, bewegen sich die Rollelemente darin bei verschiedenen Radien und haben eine sich ändernde Winkelgeschwindigkeit. Die bekannten Kugelkä­ fige 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.

Aus der DE-AS 12 34 455 ist ein dem Oberbegriff des Anspruchs 1 entsprechender elastischer Kugelkäfig bekannt. Dabei ist als Abstandhalter ein Kunststoffstreifen in Form eines aus Segmenten bestehenden Rings vorgesehen, wobei die Wälzkörper in Aussparungen in Form von runden Löchern aufgenommen sind. Zu diesen Aussparungen ist jeweils abwech­ selnd von der einen und von der anderen Seite des Rings ein Schlitz geführt, wodurch die Verformung des Kugellagerkäfigs erleichtert wird.

Eine Kugeltrenneinrichtung, bestehend aus einem Ring und damit ver­ bundenen axialen Wänden, ist nicht vorgesehen.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen wirtschaftli­ cheren Rollelementkäfig zu schaffen, insbesondere für biegbare, unrunde Lager, welcher Reibungsverluste reduziert, die Trägheit gegenüber be­ kannten Lagern verringert, formbar ist, eine Inspektion während des Zusammenbaus erlaubt, leicht montierbar ist und sich leicht einer nicht­ kreisförmigen Bewegungsbahn anpaßt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Anspruch 1 angegebe­ nen Merkmale gelöst.

Wie oben erwähnt, können harmonische Antriebe einen ellipsenförmigen Wellengenerator aufweisen, um welchen das Kugellager angeordnet wird. Das Kugellager ist außerdem in Beziehung zu einem Spannungsrad mit Zähnen angeordnet, welche radial ausbiegbar sind zum Eingriff bzw. Kontakt mit Zähnen eines starren Ringrades. Das Kugellager weist einen inneren Laufring, einen äußeren Laufring und eine Vielzahl von Roll­ elementen, vorzugsweise Kugeln auf, welche zwischen den Laufringen durch einen Käfig gehalten werden.

Der Käfig besteht erfindungsgemäß aus einer Kugeltrenneinrichtung und einem axialen Haltering. Die Kugeltrenneinrichtung weist einen Ring auf mit einer Vielzahl von axial angeordneten Wänden, die auf einer Seite des Rings im Abstand voneinander angeordnet sind. Jedes Paar von benachbarten Wänden bestimmt mit dem dazugehörigen Ringabschnitt eine Kugeltasche zum Halten einer Kugel. Jede Tasche weist eine aus­ reichende 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 harmoni­ schen Antrieb benutzt wird. Der Käfig selbst ist radial biegbar. Dies wird dadurch erreicht, daß die Kugeltrenneinrichtung und der axiale Haltering jeweils in Umfangsrichtung verteilte Abschnitte aufweisen, die sich zy­ klisch von radial dickeren Abmessungen zu reduzierten radialen Ab­ messungen verjüngen 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 benachbarten Wänden angeordnet.

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 sind. An diesem Punkt der Montage können die richtige 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 ermöglichen dann, den axialen Haltering auf der Kugeltrenneinrichtung zu plazieren und zu fixieren
Die radialen Abmessungen der reduzierten Abschnitte sind vorzugsweise kleiner als die axialen Abmessungen der reduzierten Abschnitte, d. h. die Dicke des Rings, der Kugeltrenneinrichtung und des axialen Halterings. 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 Kugeln während der Montage zu ermöglichen, da bei dieser Ausführungsform keine Präzession auf­ zutreten braucht, auf Grund der radialen Biegung des Käfigs in dem radial biegsamen Lager; das durch die in Umfangsrichtung verteilten, verjüngten Abschnitte der ringförmigen Bauteile ermöglicht wird.

Die axial angeordneten Wände, die sich vom Ring aus erstrecken, kön­ nen jeweils nahe ihrem Fußende auf ihrer radial innersten Seite einen Kanal aufweisen. Der axiale Haltering hat eine Vielzahl von axial an­ geordneten Fingern, die auf einer Seite des Rings im Abstand angeord­ net sind, und zwar entsprechend den Wänden der Kugeltrenneinrichtung. Der axiale Haltering kann koaxial mit der Kugeltrenneinrichtung in Eingriff gebracht werden, um den Käfig zu bilden. Die Finger am axia­ len 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 dachförmig geformt, um mit einer Stufe in der Wand in Eingriff zu kommen. Drehung des Lagers und entsprechende Drehung des Käfigs verursacht in dem Finger Zen­ trifugalkräfte, um die Nase in der Stufe zu verriegeln.

Bei einer weiteren Ausführungsform sind axial angeordnete Stifte vor­ gesehen, die sich von den freien Enden der Wände aus erstrecken und mit entsprechend verteilten, axial angeordneten Öffnungen in dem Halte­ ring 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 Kugeltrenneinrich­ tung zu verhindern.

Im folgenden wird die Erfindung an Hand von in der Zeichnung darge­ stellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines Teils eines Kugellagerkä­ figs gemäß der Erfindung,

Fig. 2 eine perspektivische Ansicht einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.

In Fig. 1 ist ein Kugellagerkäfig 78 gezeigt, der um eine nicht gezeigte Achse quer dazu drehbar ist. Der Käfig 78 weist eine Kugeltrenneinrich­ tung 60 und einen axialen Haltering 62 auf. Die Kugeltrenneinrichtung 60 weist einen Ring 68 auf mit einer Vielzahl von axial angeordneten Wänden 70, die in Umfangsrichtung auf einer Seite des Rings verteilt sind. Zwischen benachbarten Wänden 70 ist jeweils eine Kugeltasche 64 als im wesentlichen kubisch geformtes Volumen bestimmt. Jede Wand 70 hat auf jeder Seite eine im allgemeinen radial ausgerichtete Wandober­ fläche, die konkav geformt ist und zusammen mit einer gegenüberliegen­ den Wandoberfläche einer benachbarten Wand einen radialen Austritt einer Kugel 66 verhindert. Jede konkave Wandoberfläche hat eine aus­ reichende radiale Abmessung in Abhängigkeit von der Größe der ver­ wendeten Kugel 66, und jede Kugeltasche 64 hat eine ausreichend gewölbte Abmessung, um eine Kugelpräzession zu ermöglichen, ohne daß die Kugel sich mit der Kugeltrenneinrichtung 60 verklemmt.

Der Haltering 62 weist eine Vielzahl von Fingern 72 auf, die ringförmig auf einer Seite des Rings angeordnet sind, ausgerichtet in Richtung auf die Kugeltrenneinrichtung 60. Die Finger 72 verlaufen im allgemeinen parallel zur Drehachse des Kugellagerkäfigs 78 und sind jeweils so angeordnet, daß sie mit einer Wand 70 der Kugeltrenneinrichtung 60 zusammenwirken. Radial nach außen vom freien Ende eines jeden Fingers 72 erstreckt sich eine Nase 73 von in allgemeinen dachförmiger Gestalt.

Jede Wand 70 hat einen Kanal 69 auf ihrem radial inneren Teil, der einen Finger 72 aufnimmt. Jeder Kanal 69 wird bestimmt durch eine radial innere Oberfläche der Wand mit einer Stufe 71. Die Stufe 71 der inneren Oberfläche der Wand 70 erlaubt ein Ineinandergreifen zwischen dem Finger 72 und der entsprechenden Wand 70.

Während der Drehung des Kugellagerkäfigs 78 verursacht die Zentrifugal­ kraft ein noch dichteres Anpressen der Finger 72 gegen die radial innere Oberfläche der Wand 70, wodurch die Verriegelung noch erhöht wird.

Die Kugeltrenneinrichtung 60 weist einen Ring 68 mit in Umfangsrich­ tung verteilten Abschnitten mit reduzierter radialer Abmessung zwischen benachbarten Wänden 70 auf. Der Haltering 62 weist an entsprechenden in Umfangsrichtung verteilten Abschnitten ebenfalls eine reduzierte radiale Abmessung auf, nämlich zwischen benachbarten Fingern 72. Die Kugeltrenneinrichtung 60 und der Haltering 62 haben jeweils eine äußere und eine innere Oberfläche 74 und 76, welche die verringerten radialen Abmessungen bestimmen, wobei sich diese Abmessungen gestuft, ge­ krümmt 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 bzw. zu jedem Finger 72, verändern, um einen neuen Zyklus zu beginnen Die radial kleinste Abmessung r1 der Kugeltrenneinrichtung 60 und des Halterings 62 ist kleiner als die axiale Abmessung a1 dieser Teile, wie in Fig. 1 gezeigt ist (r1 < a1).

Die reduzierte radiale Abmessung der Kugeltrenneinrichtung 60 und des Halterings 62, deren Abschnitte mit reduzierter radialer Abmessung axial ausgerichtet sind, ermöglicht es, daß der Kugellagerkäfig 78, der 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 An­ triebsbauart mit nichtkreisförmiger Konfiguration (elliptisch oder dreieck­ förmig) verwendet werden kann, wobei eine ausreichende Taschengröße vorgesehen ist, um eine Vielzahl von Kugeln zuverlässig und genau auszurichten.

Der Zusammenbau eines Kugellagers 78 umfaßt das Plazieren der Kugel­ trenneinrichtung in koaxialer Ausrichtung zwischen koaxial angeordneten, inneren und äußeren Laufringen, das Einfügen der Kugeln 66 in ihre jeweiligen Kugeltaschen 64, das Prüfen des proforma-Aufbaus auf richti­ gen Sitz und Ausrichtung, was eine Qualitätskontrolle ermöglicht. An­ schließend wird der Haltering 62 mit der Kugeltrenneinrichtung 60 so ausgerichtet, daß die Finger 72 in axialer und radialer Ausrichtung mit den Wänden 70 sind. Dann wird der Haltering 62 in seine endgültige Position gestoßen, wobei die Nasen 73 mit den Stufen 71 der radialen inneren Oberfläche der Wände 70 in Eingriff kommen. Das einschnap­ pende Ineinandergreifen gewährleistet die Verriegelung zwischen diesen Teilen.

In Fig. 2 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 dem vorher beschriebenen Ausführungsbeispiel. Die Wände 86 haben jeweils ein Paar gekrümmter Seiten 87 wie bei dem vorher beschriebenen Ausführungsbeispiel, welche mit einer axial quer verlaufenden Wand 90 des Rings 83 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 auf die Kugeltasche 91 während der Drehung um einen Wellengenerator harmonischer Antriebsart zu ermöglichen. Jede Wand 86 kann eine vollständige radiale Abmessung aufweisen, also ohne die Kanäle der vorstehend beschriebenen Ausführungsform, 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. In dem Haltering 84 ist in axialer Richtung und in Umfangsrichtung verteilt jeweils entsprechend der Position des Stiftes 94 eine Öffnung oder Bohrung 96 ausgebildet.

Während des Zusammenbaus des Kugellagerkäfigs 88 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 gewährleisten, wodurch der Zusammen­ bau des Kugellagerkäfigs 88 vervollständigt wird.

Die Kugeltrenneinrichtung 82 und der Haltering 84 haben Abschnitte reduzierter radialer Abmessung an in Umfangsrichtung verteilten Stellen zwischen benachbarten Wänden 86, wie bei dem vorhergehenden Aus­ führungsbeispiel beschrieben worden ist. Wenn diese Ausbildung gewählt wird, können die Kugeltaschen 91 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 Wellengene­ rators anzupassen.

Die beschriebenen Kugellagerkäfige können aus Kunststoffmaterial ge­ formt sein, ermöglichen eine Kugelinspektion vor dem abschließenden Zusammenbau und minimieren die Ungleichgewichts- und Drehmoment­ probleme in Kugellagern, welche in Hochgeschwindigkeitsmechanismen harmonischer Antriebsart unerwünscht sind.

Claims (5)

1. Kugellagerkäfig für radial biegbare Kugellager mit einer ringförmigen Kugeltrenneinrichtung zur Aufnahme einer Vielzahl von Kugeln, geeignet zur Verwendung in harmonischen Antrieben oder Span­ nungswellengetrieben, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

• a. die Kugeltrenneinrichtung (60; 82) besteht aus einem Ring (68, 83) mit einer Vielzahl von axial verlaufenden Wänden (70; 86), die in Umfangsrichtung verteilt auf der Innenseite des Rings an­ geordnet sind;
• b. es ist ein Haltering (62; 84) angeordnet, der mit den Wänden (70; 86) im Eingriff steht, wodurch eine Vielzahl von in Um­ fangsrichtung verteilten Kugeltaschen (64; 90) gebildet wird;
• c. zum Verbinden der Wände (70; 86) mit dem Haltering (62; 84) sind formschlüssig ineinandergreifende Einrichtungen (72; 94) vorgesehen;
• d. die Kugeltrenneinrichtung (60; 82) weist jeweils zwischen be­ nachbarten Wänden (70, 86) am Ring (68, 83) eine reduzierte radiale Abmessung auf;
• e. der Haltering (62; 84) weist an Stellen entsprechend den redu­ zierten Abmessungen des Rings (68; 83) ebenfalls eine reduzier­ te radiale Abmessung auf.

2. Käfig nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die reduzierten radialen Abmessungen (r1) des Rings (68; 83) und des Halterings (62; 84) jeweils kleiner sind als die jeweiligen axialen Abmessungen (a1).

3. Käfig nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Haltering (62) eine axiale Anordnung von Fingern (72) aufweist, die sich von einer Seite aus erstrecken, daß die Finger (72) an ihren freien Enden radial ausgerichtete Nasen (73) aufweisen und daß jede Wand (70) einen Kanal (69) aufweist, der geeignet ist, die Finger (72) aufzunehmen, wobei der Kanal (69) auf einer Oberfläche eine Stufe (71) aufweist, die mit der radial ausgerichteten Nase (73) in Eingriff bringbar ist.

4. Käfig nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wände (86) axial ausgerichtete und einstückig mit den Wänden ausgebildete Stifte (94) aufweisen, welche mit entsprechenden ver­ teilten Bohrungen (96) in dem Haltering (84) in Eingriff bringbar sind, wodurch der Haltering (84) an die freien Enden der Wände (86) anstößt.

5. Käfig nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die freien Enden der Stifte (94) nach Eingriff in die Bohrungen (96) im Halte­ ring (84) deformierbar sind, um den Haltering (84) in seinem gegen die Wand (86) anliegenden Zustand festzulegen.