DE349476C

DE349476C - Device for the frictionless storage of rotating parts

Info

Publication number: DE349476C
Application number: DENDAT349476D
Authority: DE
Original assignee: Carl Zeiss SMT GmbH
Current assignee: Carl Zeiss SMT GmbH
Publication date: 1922-03-02

Description

Einrichtung zur reibungsfreien Lagerung von drehbaren Teilen. Bei der Konstruktion von Meßinstrumenten und sonstigen feinmechanischen Apparaten liegt häufig die Aufgabe vor, drehbare Teile derart zu lagern, daß das Reibungsmoment, das bei ihrer Bewegung überwunden werden muß, ein möglichst geringes ist. Insbesondere ist dies von Bedeutung bei solchen Meßinstrumenten, bei denen ein die Messung bewirkendes Organ aus einer Ruhelage heraus in Bewegung gesetzt werden muß, da bekanntlich das hierbei zu überwindende Reibungsmoment der Ruhe noch wesentlich größer ist als das bei der Bewegung vorhandene Reibungsmoment , und die Genauigkeit einer Messung unmittelbar in dem Maße zunimmt, als es gelingt, dieses Reibungsmoment zu verkleinern. Die Erfindung bietet nun ein Mittel, solche Teile von Meßinstrumenten u. dgl. praktisch völlig reibungsfrei zu lagern, also die bisher unvermeidlichen Reibungswiderstände ganz auszuschalten, und zwar sowohl bei Teilen, die nur eine schwingende Bewegung ausführen, wie z. B. Waagebalken, als auch bei umlaufenden Teilen.Device for the friction-free storage of rotating parts. at the construction of measuring instruments and other fine mechanical apparatus often the task of storing rotating parts in such a way that the frictional torque, that must be overcome in their movement is as small as possible. In particular this is of importance in those measuring instruments in which a measurement causes Organ must be set in motion from a rest position, as it is well known that the friction moment of rest to be overcome here is still much greater than that Frictional torque present during the movement, and the accuracy of a measurement immediately increases as it succeeds in reducing this frictional torque. The invention now offers a means of practically completely eliminating such parts of measuring instruments and the like to be stored without friction, i.e. the previously unavoidable frictional resistance entirely off, both for parts that only perform an oscillating movement, such as B. balance beam, as well as rotating parts.

Der Grundgedanke der Erfindung ergibt sich aus folgender überlegung. Es sei angenommen, daß beispielsweise auf einen Waagebalken eine GesamtbelastungN wirke, die sich auf zwei gleichachsige, zu beiden Seiten des Waagebalkens angeordnete Lager mit den Beträgen N, und N. verteile. Die Halbmesser der beiden zylindrischen Lagerzapfen seien r, und r2, die Zapfenreibungszahlen der beiden Lager f, und f,. Jedes der beiden Lager setzt sodann einer Bewegung des Waagebalkens ein Reibungsmoment entgegen, dessen Größe bekanntlich gleich N,_ # f, # r, bzw. :V'2 # f2 # r2 ist, und das Gesamtreibnugsmoment, das bei jeder Bewegung des Waagebalkens überwunden werden muß, hat den Wert: LIIIR-N, # f, # r,+N; # f2 # r.,. Wenn es nun gelingt, die beiden Summanden des Gesamtreibungsmoinentes MR in ihrem absoluten Werte gleich groß, jedoch von entgegengesetztem Vorzeichen zu erhalten, also N, # f, # r, = - N2 # f 2 # r. zu machen, so ergibt sich für das Gesamtreibungsmoment MR der Wert Null, d. h. der so gelagerte drehbare Teil kann sich völlig reibungsfrei bewegen. Dies kann in der Tat erreicht werden in allen Fällen, in denen das Reibungsmoment eines drehbaren Teils aus zwei Summanden sich zusammensetzt, und zwar einerseits die gleiche Größe des absoluten Wertes beider Summanden durch entsprechende Wahl von N, und N2 sowie r, und r2 mit Berücksichtigung der auftretenden Reibungszahlen f, und f 2 und anderseits das umgekehrte Vorzeichen dadurch, daß die stützenden Glieder beider Lager während der Benutzung des Instruments dauernd in einander entgegengesetztem Sinne um ihre gemeinsame Achse -gedreht werden, so daß die beiden Reibungsmomente, die auf diese Weise von den sich drehenden Lagergliedern auf den drehbaren Teil ausgeübt werden, stets in entgegengesetztem Sinne wirken. Dabei ist folgendes zu beachten. Die Werte N, und N= sowie r, und r2 sind im allgemeinen durch die Konstruktion festgelegt oder behalten nach erfolgterEinstellung ihre Größe unverändert bei. Es läuft also die Forderung, die beiden Lagerreibungsmomente ihrem absoluten Werte nach gleich groß zu erhalten, darauf hinaus, daß die Reibungszahlen bei beiden Lagern während der Benutzung des Instruments ihre Werte nicht ändern dürfen. Nun ist bekanntlich zwar die Reibungszahl bei Lagern im allgemeinen abhängig von der Geschwindigkeit, mit der die reibenden Teile sich gegeneinander bewegen, jedoch in der Weise, daß sie, ausgehend von ihrem Werte in der Ruhelage, mit beginnender Geschwindigkeit zunächst rasch auf einen Bruchteil ihres ursprünglichen Wertes sinkt, sodann mit zunehmender Geschwindigkeit ansteigt auf einen Wert, der auch bei weiter zunehmender Geschwindigkeit nahezu gleichbleibt und erst bei großen Geschwindigkeiten wieder stärker ansteigt. Es besteht also ein mittlerer Bereich von Geschwindigkeiten, innerhalb dessen praktisch genügend genau die Reibungszahl ihren Wert nicht ändert. Dieser mittlere Bereich kommt für die vorliegende Erfindung in Frage. Solange man mit den beiden in den Lagern auftretenden Geschwindigkeiten innerhalb dieses Bereiches bleibt, ist stets die Möglichkeit gegeben, und zwar allgemein für jeden beliebigen, auf zwei gleichachsigen Lagern ruhenden drehbaren Teil, vermittels der umlaufenden stützenden Glieder beider Lager auf den drehbaren Teil zwei einander entgegengesetzt gleiche Reibungsmomente auszuüben, die sich gegenseitig in ihrer Wirkung gerade aufheben, also das Gesamtreibungsmoment für den drehbaren Teil auf den Wert Null bringen. Umgekehrt folgt daraus, daß durch die Schwankungen der Eigengeschwindigkeit des drehbaren Teils die Geschwindigkeiten in den beiden Lagern sich in ihrer Größe nicht so weit ändern dürfen, claß damit auch eine Änderung der zugehörigen Reibungszahlen verursacht . wird, d. h. es muß die Winkelgeschwindigkeit, mit der der drehbare Teil sich bewegt, stets wesentlich kleiner bleiben als die Winkelgeschwindigkeiten der sich drehenden Lagerglieder gegenüber dem drehbaren Teil. Man wird also zweckmäßigerweise die Winkelgeschwindigkeiten, mit der die beiden stützenden Lagerglieder gegenüber dem drehbaren Teil gedreht werden, von vornherein so groß wählen, daß sie stets wesentlich größer bleiben als die voraussichtlich größte Winkelgeschwindigkeit des drehbaren Teils. Am leichtesten erreicht man die-völlig reibungsfreie Lagerung, wenn es sich um einen drehbaren Körper handelt, der aus einer Ruhelage heraus geringe Bewegungen mit kleiner Winkelgeschwindigkeit ausführt, wie dies beispielsweise bei Waagebalken der Fall ist. Doch kann man auch in derselben Weise bei dauernd umlaufenden Teilen eine reibungsfreie Lagerung erzielen, wenn keine zu großen Geschwindigkeitsschwankungen auftreten, so daß sich die obige Bedingung gleichbleibender Reibungszahlen noch genügend genau einhalten läßt.The basic idea of the invention results from the following consideration. It is assumed that, for example, a total load N acts on a balance beam, which is distributed over two equiaxed bearings with the amounts N, and N, arranged on both sides of the balance beam. Let the radius of the two cylindrical bearing journals be r, and r2, the journal friction coefficients of the two bearings f, and f ,. Each of the two bearings then opposes a movement of the balance beam with a friction torque, the magnitude of which is known to be equal to N, _ # f, # r, or: V'2 # f2 # r2, and the total friction torque that is overcome with every movement of the balance beam must be has the value: LIIIR-N, # f, # r, + N; # f2 # r.,. If it is now possible to obtain the two summands of the total friction term MR equal in their absolute values, but with opposite signs, i.e. N, # f, # r, = - N2 # f 2 # r. To do this, the total friction torque MR is zero, ie the rotatable part mounted in this way can move completely without friction. This can in fact be achieved in all cases in which the frictional torque of a rotatable part is composed of two summands, on the one hand the same size of the absolute value of both summands by appropriate choice of N, and N2 as well as r, and r2 with consideration of the occurring friction coefficients f, and f 2 and on the other hand the opposite sign due to the fact that the supporting members of both bearings are continuously rotated in opposite directions about their common axis while the instrument is in use, so that the two friction torques created in this way by the rotating bearing members are exerted on the rotatable part, always act in the opposite sense. Please note the following. The values N, and N = as well as r, and r2 are generally fixed by the construction or retain their size unchanged after they have been set. So the requirement to keep the two bearing friction torques equal in terms of their absolute values amounts to the fact that the coefficients of friction in both bearings must not change their values during use of the instrument. As is well known, the coefficient of friction in bearings is generally dependent on the speed at which the frictional parts move against each other, but in such a way that, starting from their values in the rest position, they initially quickly decrease to a fraction of their original speed as the speed begins The value decreases, then increases with increasing speed to a value which remains almost the same even with further increasing speed and only increases more sharply again at high speeds. There is therefore a medium range of speeds within which the coefficient of friction does not change its value with practically sufficient accuracy. This middle range is suitable for the present invention. As long as the two speeds occurring in the bearings remain within this range, the possibility is always given, generally for any rotatable part resting on two coaxial bearings, by means of the rotating supporting members of both bearings on the rotatable part two opposing each other to exert the same frictional torques, which just cancel each other out in their effect, i.e. bring the total frictional torque for the rotating part to the value zero. Conversely, it follows from this that, due to the fluctuations in the speed of the rotating part, the speeds in the two bearings must not change in size to such an extent that this also causes a change in the associated coefficients of friction. becomes, that is, the angular velocity at which the rotatable part moves must always remain significantly smaller than the angular velocities of the rotating bearing members with respect to the rotatable part. The angular velocities with which the two supporting bearing members are rotated relative to the rotatable part will therefore expediently be selected from the outset so large that they always remain significantly greater than the presumably greatest angular velocity of the rotatable part. The easiest way to achieve the completely friction-free mounting is when it comes to a rotatable body which, from a rest position, executes small movements at a low angular velocity, as is the case, for example, with a balance beam. But you can also achieve friction-free storage in the same way with continuously rotating parts if there are no excessive fluctuations in speed, so that the above condition of constant coefficients of friction can still be met with sufficient accuracy.

Um die durch die Zufälligkeiten der Ausführung bedingten Unterschiede- der Reibungszahlen in den beiden Lagern ausgleichen zu können, empfiehlt es sich, wenigstens eines der beiden Lager mit einer Vorrichtung zu verbinden, die das Maß der erzeugten Reibung zu verändern gestattet. In einfacher Weise kann dies beispielsweise durch eine Klemmung des Lagers, etwa mittels einer Schraube o. dgl., erfolgen. Eine andere Möglichkeit; einen Unterschied in der Größe der beiden Reibungsmomente zu beseitigen, besteht darin, daß man durch Feder- oder Gewichtswirkung die Verteilung der Gesamtbelastung auf die beiden Lager verändert. Hierfür können einstellbare Gewichte dienen, die mit dem drehbaren Teil in Verbindung stehen, oder Federn, die durch das Maß ihrer Spannung die Verteilung des Gesamtdruckes auf die beiden Lager beeinflussen. Ferner kann der gleiche Zweck auch durch eine Änderung der Größe der Auflagerfläche herbeigeführt werden, beispielsweise indem bei einer wagerechten Achse eines der stützenden Glieder in Richtung der Drehachse mehr oder weniger nahe an den drehbaren Teil herangebracht wird.In order to avoid the differences caused by the randomness of execution To be able to compensate for the coefficients of friction in the two bearings, it is advisable to to connect at least one of the two bearings with a device that measures the to change the generated friction. This can be done in a simple manner, for example by clamping the bearing, for example by means of a screw or the like. One different possibility; a difference in the size of the two frictional moments eliminate, consists in that one by spring or weight action, the distribution the total load on the two bearings changed. Adjustable Weights are used, which are in connection with the rotatable part, or springs, which by the degree of their tension the distribution of the total pressure on the two camps influence. Furthermore, the same purpose can also be achieved by changing the size of the Bearing surface can be brought about, for example by using a horizontal Axis of one of the supporting members in the direction of the axis of rotation more or less close is brought to the rotatable part.

Die Erfindung ist in ihrer Anwendung nicht auf solche drehbaren Teile beschränkt, deren Belastung senkrecht zur Drehachse erfolgt, sondern kann bei jeder beliebigen Belastungsart angewandt werden, sobald nur die Verteilung der Gesamtlast auf zwei Lager möglich ist. Es lassen sich also auch Teile mit achsialer Belastung der Erfindung entsprechend reibungsfrei lagern. Ebenso spielt die Art der Lagerkonstruktion - ob zylindrische oder kegelförmige Zapfen, Walzenlager, Kugellager usw. - keine Rolle, da es nur darauf ankommt, daß die beiden verwendeten Lager gleiche Reibungsmomente verursachen. Der Antrieb für die beiden umlaufenden Lagerteile wird im allgemeinen von einer gemeinsamen Welle aus erfolgen, die auf irgendeine geeignete Weise, z. B. durch einen Elektromotor, ein Uhrwerk o. dgl., in Bewegung gesetzt wird.The invention is not in its application to such rotatable parts limited, the load of which is perpendicular to the axis of rotation, but can with each Any type of load can be applied once only the distribution of the total load is possible on two camps. Parts with an axial load can also be used according to the invention store without friction. The type of bearing construction also plays a role - whether cylindrical or conical journals, roller bearings, ball bearings, etc. - none Role, since it only matters that the two bearings used have the same frictional torques cause. The drive for the two rotating bearing parts is generally be made from a common shaft which may be communicated in any suitable manner, e.g. B. by an electric motor, a clockwork o. The like., Is set in motion.

Bemerkt sei noch, daß der Erfindungsgedanke nicht nur für Meßinstrumente Bedeutung hat, sondern auch für sonstige Fälle von Wert ist, bei denen es sich um eine zeitweilige, möglichst reibungsfreie Lagerung eines drehbaren Teiles handelt. Ein solcher Fall liegt beispielsweise vor, wenn umlaufende :Maschinenteile ausgewuchtet werden sollen.It should also be noted that the idea of the invention is not just for measuring instruments Has meaning, but is also of value in other cases where it is is a temporary, friction-free storage of a rotatable part. Such a case exists, for example, when rotating machine parts are balanced should be.

Die Erfindung ist auf der Zeichnung durch zwei Beispiele von Lageranordnungen veranschaulicht, von denen je ein lotrechter Schnitt gezeichnet ist. Das erste derselben (Abb. r) zeigt die Anwendung der Erfindung auf einen Waagebalken, also eine wagerechte Achse mit lotrechter Belastung, während das zweite Beispiel (Abb. 2) eine der Erfindung entsprechende Lagerung einer lotrechten Welle mit im wesentlichen achsialer Belastung darstellt.The invention is shown on the drawing by two examples of bearing arrangements illustrated, of which a perpendicular section is drawn. The first of these (Fig. R) shows the application of the invention to a balance beam, that is, a horizontal beam Axis with perpendicular loading, while the second example (Fig. 2) is one of the invention corresponding storage of a vertical shaft with essentially axial loading represents.

Beim ersten Beispiel ist der gezeichnete Schnitt senkrecht zur Längsrichtung des Waagebalkens gelegt, so daß derWaagebalken selbst in der Zeichnung nur mit seinem als rechteckig angenommenen Querschnitt a er- i scheint. Zu beiden Seiten des Waagebalkens sind, zentrisch zur Drehachse desselben, zwei Lagerbüchsen b und c angeordnet, die mit Hilfe von Flanschen b'- und cl fest mit dem Waagebalken verschraubt anzunehmen sind. Die linke Lagerbüchse b ist auf der unteren Seite in der Längsrichtung geschlitzt und kann durch eine Schraube b2 mehr oder weniger stark geklemmt werden. In die beiden Lagerbüchsen b und c greifen von außen her i zwei Achsen d und e hinein, auf die sich der Waagebalken a mit den beiden Lagerbüchseil b und c stützt und die ihrerseits in einem gemeinsamen Lagerbock f drehbar gelagert sind. Die dein Waagebalken a zugekehrten Enden der Achsen d und c besitzen Kugelflächen dl bzw. cl, mit denen sie sich gegen den Waagebalken legen und denselben in seitlicher Richtung führen. Jede der beiden Achsen d und e trägt, fest damit verbunden, ein Kegelrad g bzw. h, die beide in ein drittes, senkrecht dazu angeordnetes Kegelrad i eingreifen. Das Kegelrad i ist auf einer lotrechten Achse h befestigt, die ebenfalls in den Lagerbock t geführt ist, und die in beliebiger, auf der Zeichnung nicht weiter dargestellten Weise gleichmäßig angetrieben zu denken ist. Beim Gebrauch der Einrichtung wird die Drehung der Achse k durch die Kegelräder i, g und h in einander entgegengesetztem Sinne auf die beiden Achsen d und e übertragen, so daß auf den Waagebalken a zwei entgegengesetzt gerichtete Reibungsmomente ausgeübt werden, die sich bei richtiger Abstimmung der beiden Lagerreibungen mit Hilfe der Schraube b2 gegenseitig aufheben. Dadurch kann der Waagebalken reibungsfrei nach beiden Seiten sich bewegen.In the first example, the section drawn is placed perpendicular to the longitudinal direction of the balance beam, so that the balance beam itself only appears in the drawing with its cross-section a i, which is assumed to be rectangular. On both sides of the balance beam, centrically to the axis of rotation of the same, two bearing bushes b and c are arranged, which are to be assumed to be firmly screwed to the balance beam with the help of flanges b'- and c1. The left bearing bush b is slotted on the lower side in the longitudinal direction and can be clamped more or less strongly by a screw b2. In the two bearing bushes b and c, two axes d and e engage from the outside, on which the balance beam a with the two bearing bushing ropes b and c is supported and which in turn are rotatably mounted in a common bearing block f. The ends of the axes d and c facing your balance beam a have spherical surfaces dl and cl with which they lie against the balance beam and guide it in a lateral direction. Each of the two axes d and e carries, firmly connected to it, a bevel gear g and h, which both mesh with a third bevel gear i arranged perpendicular to it. The bevel gear i is attached to a vertical axis h, which is also guided into the bearing block t, and which can be thought of as being driven uniformly in any manner not shown in the drawing. When using the device, the rotation of the axis k is transmitted by the bevel gears i, g and h in mutually opposite directions to the two axes d and e , so that two oppositely directed frictional moments are exerted on the balance beam a, which, if correctly adjusted, the cancel both bearing friction with the help of screw b2. This allows the balance beam to move to both sides without friction.

Das in Abb.2 dargestellte zweite Beispiel zeigt die Lagerung einer lotrechten Welle 1, an deren unterem Ende eine umlaufende Scheibe an sitzt, die die Welle l in der Hauptsache in achsialer Richtung belastet. Die Gesamtbelastung der mit der Welle l sich drehenden Teile wird hier auf zwei übereinander angeordnete Kugelspurlager verteilt, von denen die beiden stützenden Kugelschalen mit n1 und öl, die mit der Welle l in Verbindung stehenden Kugelschalen mit n2 und o2 bezeichnet sind. Die beiden ersteren ruhen auf je einem Kegelrad p bzw. q, deren jedes mit einer Führungsbüchse pl bzw. q1 versehen und mit Hilfe dieser Büchse in j e einem Tragarm r' bzw. y2 eines gemeinsamen Lager-Bocks r drehbar gelagert ist. Die Kegelräder und q greifen beide in ein drittes, senkrecht dazu angeordnetes Kegelrad s ein, dessen wagerechte Achse s1 in einem Ansatz r$ des Lagerbocks r geführt und in beliebiger Weise gleichmäßig angetrieben zu denken ist. Von den beiden die Belastung übertragenden Kugelschalen n2 und o2 ist nur die untere n2 mittels einer Scheibe t fest mit der Welle l verbunden, während die obere o2 durch eine Scheibe ?s. mit einer unten erweiterten Büchse v in Verbindung steht. Die Büchse v greift mit ihrem unteren Teil in eine mit der , Scheibe t fest verschraubte Büchse w, die die Büchse v zentrisch führt, jedoch eine achsiale Bewegung derselben nicht verhindert. Eine in der Büchse a, befestigte Schraube x, die in einem achsenparallelen Schlitz v1 der Büchsev eingreift, bewirkt die Übertragung der Drehbewegung der mit der Welle l fest verbundenen Teile auf die Büchse v und damit auf das obere Kugellager. Durch den oberen Teil der Büchse v geht zentrisch ein Stift y hindurch, der mit dem oberen Ende der Welle L durch eine dazwischengeschaltete Zugfeder z in Verbindung steht. Der Stift y trägt an seinem oberen, mit Gewinde versehenen Teil eine Mutteryl mit Gegenmutter y2, die sich auf die Scheibe u stützen, so daß durch- Einstellen der Muttern y1 und y2 die Spannung der Feder z beliebig eingestellt werden kann. Diese Anordnung ermöglicht es, durch entsprechende Spannung der Federz die Gesamtbelastung auf die beiden Kugellager derart zu verteilen, daß zwei gleich große Reibungsmomente erzeugt werden. Durch den Antrieb der Achse s' und der Kegelräder s, p und q werden die stützenden Lagerglieder wiederum in einander entgegengesetztem Sinne gedreht, so daß die auftretenden Reibungsmomente sich gegenseitig aufheben und die Welle l mit der Scheibe m damit reibungsfrei beweglich ist.The second example shown in Fig.2 shows the storage of a vertical shaft 1, at the lower end of which a rotating disk sits, which loads the shaft l mainly in the axial direction. The total load of the parts rotating with the shaft 1 is distributed over two superimposed ball track bearings, of which the two supporting spherical shells are designated with n1 and oil, the spherical shells connected to the shaft 1 with n2 and o2. The first two rest on a bevel gear p or q, each of which is provided with a guide bushing pl or q1 and is rotatably mounted with the help of this bushing in a support arm r 'or y2 of a common bearing block r. The bevel gears and q both mesh with a third bevel gear s arranged perpendicular to it, the horizontal axis s1 of which is guided in an approach r $ of the bearing block r and can be thought of as being driven in any desired manner. Of the two load-transmitting spherical shells n2 and o2, only the lower n2 is firmly connected to the shaft 1 by means of a disk t , while the upper o2 is connected by a disk? S. communicates with a sleeve v which is enlarged below. The bushing v engages with its lower part in a bushing w which is firmly screwed to the disk t and which guides the bushing v centrically, but does not prevent axial movement of the same. A screw x fastened in the bushing a, which engages in an axially parallel slot v1 of the bushing v, causes the transmission of the rotational movement of the parts firmly connected to the shaft l to the bushing v and thus to the upper ball bearing. A pin y passes centrally through the upper part of the sleeve v and is connected to the upper end of the shaft L by an interposed tension spring z . The pin y carries on its upper, threaded part a nut y2 with lock nut y2, which are supported on the disk u, so that the tension of the spring z can be adjusted as desired by adjusting the nuts y1 and y2. This arrangement makes it possible to distribute the total load on the two ball bearings by appropriate tension on the spring so that two equally large frictional torques are generated. By driving the axis s' and the bevel gears s, p and q, the supporting bearing members are again rotated in opposite directions so that the frictional moments that occur cancel each other out and the shaft l with the disk m can thus be moved without friction.

Claims

PATENT CLAIMS: i. Device for frictionless storage of rotatable Parts, characterized in that the entire load on the rotatable part Pressure is distributed on two separate bearings that generate the same frictional torques and are arranged such that the supporting members of both bearings during the Continuous use of the instrument in opposite directions for their common use Axis can be rotated, with each an angular velocity opposite the rotatable part, which is always much larger than the largest occurring absolute Angular velocity of the rotatable part.

2. Device according to claim i, characterized characterized in that at least one of the two bearings is connected to a device is that allows the magnitude of the generated frictional torque to be changed.

3. Establishment according to claim i, characterized in that the spring or weight effect Changed the distribution of the total load on the rotating part between the two bearings can be.