DE3834441C2 - - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Lastüber
tragung mit einem Laufelement, insbesondere einer Rolle,
einem Rollensegment o.ä. Laufelement, deren Innenfläche in
unmittelbarem Drehkontakt mit der Außenfläche eines
Zapfens ist und das eine Außenfläche aufweist, welche in
einer Bahn in der Weise abrollt, daß zwischen Laufbahn und
Zapfen eine Last übertragen wird, wobei im belasteten
Zustand zwischen den Flächen von Zapfen und Laufelement
eine Annäherung durch Formänderung vorhanden ist.
Aus der DE 37 47 134 A1 ist eine Vorrichtung zur
Lastübertragung bekannt, bei der zwar ebenfalls eine
weitgehende Konformität und damit einheitliche Druck
verteilung (d.h. Druckverteilung ohne Berücksichtigung des
Schmiermitteldrucks), angestrebt wird.
Nach der Beschreibung wird dies jedoch lediglich durch die
Bemessung des Durchmessers einer Bohrung im Zapfen zu
erreichen versucht. Im unbelasteten Zustand sind dabei
offenbar die Flächen ebenfalls konform, es soll dann bei
auftretender Belastung sich die Verformung annähernd pa
rallel ausbilden, so daß die Konformität so weit als mit
diesen einfachen Mitteln möglich, erhalten bleibt.
Die DE 33 09 551 A1 enthält zwar bereits den Gedanken, im
unbelasteten Zustand keine Konformität zu haben, so daß
sich dann erst im belasteten Zustand die Flächen
aneinander annähern, jedoch wird das ebenfalls lediglich
durch die unterschiedliche Bemessung der Durchmesser von
Innen- und Außenfläche zu erreichen versucht, um damit die
Biegung des Ringsegmentes zu kompensieren.
In der DE-OS 27 37 557 ist gelehrt, die Verformung durch
elliptische Gestaltung einer der Laufflächen zu
kompensieren.
Laufelemente, wie z.B. Rollen, Rollensegmente und
ähnliche Elemente, die sich unmittelbar auf einem Zapfen
drehen, sind in zahlreichen Mechanismen verwendbar.
Diese Laufelemente besitzen eine äußere Lauffläche, die
zylindrisch, doppelkonisch, torisch, sphärisch usw. sein
kann. Das Laufelement bewegt sich in einer Laufbahn, deren
Profil die Außenfläche ergänzt, und dreht sich auf einer
Mittelachse oder einem Zapfen, wodurch die Nutzlast
zwischen Bahn und Zapfen übertragen wird.
In bestimmten Anwendungsfällen sind Laufkörper wie z.B.
Nadeln, Kugeln oder Rollen zwischen der Innenfläche des
Laufelements und der Außenfläche des Zapfens eingesetzt.
Bei Anwendungen mit geringer Umdrehungsgeschwindigkeit
oder bei Schwingbewegungen und wenn bei geringem Platzbe
darf eine hohe Leistung benötigt wird, erscheinen jedoch
die zwischen Zapfen und Laufelement, wie z.B. der Rolle,
eingesetzten Wälzkörper relativ leistungsschwächer.
Diese Bedingungen trifft man insbesondere bei Gleichlauf
gelenken, vor allem in Tripodenausführung, an, wie sie für
den Antrieb von Automobilrädern verwendet werden. Bei
diesen Gelenken greift jeder Tripodenarm, der starr mit
einer der Gelenkwellen verbunden ist, gelenkig zwischen
zwei fest mit der anderen Wellen des Gelenks verbundenen
und parallel zur Achse desselben verlaufenden Bahnen ein.
Eine Rolle oder zwei Rollensegmente umgibt (umgeben) jeden
Tripodenarm und liegt (liegen) damit zwischen diesem und
den beiden Laufbahnen. Während der Funktion dieser Gleich
laufgelenke geht die Schwingbewegung jedes Laufelements
auf dem entsprechenden Zapfen mit einer abwechselnden
Längstranslation einher. Die Amplitude dieser kombinierten
Bewegung richtet sich nach der Abwinklung des Gleichlauf
gelenks, die sich beim Einsatz am Fahrzeug stark verändern
kann. Ebenso schwankt die übertragene Last weitgehend und
entsprechend dem Antriebsmoment.
Man hat zwar versucht, die Konformität von unmittelbar
aneinander laufenden Drehflächen zu verbessern, ohne je
doch das Problem in Wirklichkeit zu lösen.
Bei Lastübertragungsvorrichtungen mit langsamer Relativbe
wegung sind zur Erzielung einer optimalen Tragfähigkeit
die Regeln für schnellaufende Gleitlager nicht anwendbar,
nach denen zur Ausbildung eines hydrodynamischen Schmier
films ein Keilspalt erforderlich ist. Wegen der geringen
Gleitgeschwindigkeiten kommt es darauf an, eine optimale
Parallelität/Konformität zwischen den aneinanderliegenden
Flächen zu erreichen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung
zur Lastübertragung für unmittelbar auf einem Zapfen dreh
ende Laufelemente vorzuschlagen, die bei einem bestimmten
Bauraum gegenüber bekannten Bauformen gesteigerte
Kapazitäts- und Leistungswerte ergibt und bei der die für
die Aufrechterhaltung der Flüssigkeitsschmierung
erforderliche Konformität auch bei geringen
Drehgeschwindigkeiten gewährleistet ist.
Dies wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Außen
fläche des Zapfens und die Innenfläche des Laufelementes
im entlasteten Zustand entlang des Berührungsumfanges
einen Abstand zueinander aufweisen, der von der Einwirkung
zweier kumulierter Spannungen, und zwar eines Biegemomen
tes und einer Querkraft aus der zu übertragenden Last
bestimmt ist.
Eine perfekte Kompensierung der auftretenden Verformungen,
die auch die Verformung durch Querkraft berücksichtigen
muß, ist dem Stand der Technik nicht entnehmbar.
Die Erfindung berücksichtigt die Erkenntnis, daß die Rolle
oder das Rollensegment im allgemeinen ein sehr großes
Verhältnis zwischen der Dicke H und der halben Länge l
aufweist. Im übrigen trägt sie eine konzentrierte Last Q
von seiten der Laufbahn. Daraus ergibt sich an jedem be
liebigen Punkt eine Querkraft T und eine Quer-Spannung
(eine sogenannte "tangentiale" Spannung, die jedoch beim
Auftreten radial verläuft), wodurch bewirkt wird, daß die
aufeinander folgenden Abschnitte der Rolle oder des Seg
ments im Verhältnis zueinander eine radiale Gleitbewegung
ausführen. An jedem Punkt des Segments wird die Querkraft
durch die verteilte Last bestimmt, die vom Zapfen jenseits
dieses Punktes im Verhältnis zur axialen Einspannungsebene
aufgebracht wird. Die Schubspannung ist somit in unmittel
barer Nähe der Einspannung am größten, und daher weist die
Kurve für die Durchbiegung aufgrund der Querkraft ent
sprechend dem relativen Abstand zur radialen Einspannungs
ebene anfänglich eine maximale Steilheit auf. Somit zeigt
die daraus resultierende Kurve für die Gesamtdurchbiegung
unter Einwirkung der kumulierten Biege und Schubspannungen,
insbesondere in Nähe ihres Anfangs einen ganz anderen
Verlauf als die Kurve, bei der nur die Biegespannung
berücksichtigt wird.
Man kann insbesondere feststellen, daß die Komponente der
radialen Durchbiegung, die an der neutralen Achse gemessen
wird und auf die Querkraft zurückzuführen ist, im gesamten
mittleren Teil der Auflagezone Rolle/Zapfen und bei Win
keln bis zu ca. +20° und -20° vorherrschend ist.
Wenn man also die geometrischen Merkmal, die die
Verteilung der Krümmungshalbmesser entlang der Dreh
fläche des Laufelements und des Zapfens und weiterhin die
Starrheit des Zapfens gegenüber Veränderungen des Krüm
mungshalbmessers seiner peripheren Drehfläche unter Be
rücksichtigung einer Verformung des Laufelements unter
Einwirkung der addierten Schub- und Biegespannungen defi
niert, so erhält man unter Belastung eine fast vollständi
ge Konformität der Drehflächen des Laufelements und des
Zapfens innerhalb eines besonders großen Winkelbereichs.
Bei einem Rollensegment kann es sich dabei um den Gesamt
winkelbereich handeln.
Unter diesen Bedingungen gewährleistet ein schnelles Ein
laufen zu Beginn des Einsatzes die endgültige Entfernung
der verbleibenden Schleifrauheiten und gestattet die Bil
dung eines durchgehenden Schmierfilms in der Größenordnung
von 1 µm oder sogar von einem 1/10 µm, der in der Lage
ist, einen Druck bis über 40 Mpa standzuhalten. Die sehr
niedrige Betriebstemperatur ergibt einen ausgezeichneten
Wirkungsgrad, der in der Nähe des Wirkungsgrades von
Nadellagern liegt und typisch ist für die Viskositäts-
Flüssigkeitsschmierung. Die Vorrichtungen zur Lastüber
tragung gemäß der Erfindung weist bessere Leistungswerte
in Verbindung mit einem erstaunlich hohen mechanischen
Wirkungsgrad auf.
Ein weiteres bevorzugtes Anwendungsgebiet der Lehre der
Erfindung ist, das die Antriebsgelenke für Kraftfahrzeuge,
wobei mehrere Zapfen vorhanden sind, die jeweils die
zwischen die Laufbahnen eines entsprechenden Laufbahn
paares eingreifen, wobei jeweils ein Laufelement zwischen
jeder Laufbahn und dem dazugehörigen Zapfen so eingesetzt
ist und entlang der im wesentlichen axial ausgerichteten
Laufbahn bewegbar ist und diese zusammen ein Antriebsge
lenk bilden.
Ferner ist erfindungsgemäß ein Verfahren zur Herstellung
des Laufelements vorgesehen, bei dem die Außenfläche eines
Rohlings des Laufelements einer konzentrierten radialen
Beanspruchung unterworfen wird, die in Stärke und Aus
richtung im wesentlichen einer typischen unter Betriebsbe
dingungen auftretenden Belastung entspricht und die
konzentrierte radiale Beanspruchung durch zwei im
wesentlichen tangentiale Beanspruchungen erzeugt wird, die
symmetrisch beiderseits in einem Abstand der konzen
trierten radialen Beanspruchung angreifen, und daß bei
dieser Beanspruchung die Innenfläche des Rohlings durch
Schleifen als Rotationsfläche bezüglich der Drehachse
hergestellt wird.
Die Erfindung beruht auf dem Gedanken, die Drehfläche des
Laufelements rotierend zu bearbeiten, während das Laufele
ment einer Belastungsart ausgesetzt wird, die derjenigen
gleicht, welche man für die Betriebsbedingungen wünscht.
Unter "Belastungsart" ist die Druckverteilung entlang der
Drehfläche zu verstehen. Im Leerlauf besteht daher keine
Konformität zwischen Laufelement und Zapfen. Beim Betrieb
unter Belastung sind die Gleichgewichtsbedingungen so
beschaffen, daß die gewünschte Belastung erzielt wird und
das Laufelement im wesentlichen seine fast vollständige
Konformität mit der Form des Zapfens erlangt. Auf diese
Weise wird die Art der Belastung, die man für die tatsäch
lichen Betriebsbedingungen wünscht, realisiert.
Da es kaum möglich ist, die Innenfläche des Laufelements
zu bearbeiten, während diese der im Betrieb auftretenden
verteilten Last ausgesetzt ist, ist vorgeschlagen, diese
verteilte Last durch konzentrierte Lasten zu ersetzen, die
im wesentlichen die gleichen Verformungen hervorrufen wie
die verteilte Last. Diese konzentrierten Kräfte sind die
beiden Tangentialkräfte, die an den Umfangsenden der Kon
formitätszone angreifen. Tatsächlich verfügt jede dieser
Kräfte im Verhältnis zu einem beliebigen Punkt der neutra
len Achse über einen Hebelarm, der in Anbetracht der Krüm
mung der erwähnten neutralen Achse im wesentlichen so
zunimmt wie das Quadrat des Abstandes zwischen dem Punkt
des Tangentialkraftangriffs und dem betreffenden Punkt der
neutralen Achse. Das Biegemoment, welches sich aus der
konzentrierten Tangentialkraft ergibt, ist somit an jedem
Punkt proportional zum Quadrat des Abstandes zwischen dem
Punkt des Tangentialkraftangriffs und dem betreffenden
Punkt. Weiterhin besitzt die konzentrierte Tangentialkraft
eine radiale Komponente, die Erzeugende der Schubspannung,
die am Angriffspunkt gleich Null ist und bis zur axialen
Ebene zunimmt, wo die konzentrierte radiale Beanspruchung
angreift. Insgesamt erhält man somit im Rohling eine Ver
teilung der Biegemomente und Querkräfte, die derjenigen
gleicht, welche sich aus der für den Betrieb gewünschten
tatsächlichen Belastungsart ergibt.
Nach der Erfindung können entweder die Innenfläche des
Rollensegments oder die Außenfläche des Zapfens die Kor
rekturmaßnahmen enthalten.
Das Laufelement kann eine Innenfläche besitzen, deren Form
im entlasteten Zustand einer Rotationsfläche entspricht.
Der Zapfen weist eine periphere Wandung auf, die unter
Belastung eine Form hat, welche zu derjenigen paßt, die
die Innenfläche der Rolle unter Belastung annimmt.
Hierzu ist vorgesehen, daß in eine Bohrung eines Rohlings
des Zapfens ein Spreizwerkzeug eingesetzt wird, welches
eine nach außen gerichtete konzentrierte radiale
Beanspruchung an wenigstens zwei lokalen und winklig
verteilten Punkten der Bohrungswand ausübt, so daß der
Krümmungshalbmesser des Rohlings in Nähe dieser Stelle
reduziert wird, und daß dann eine Außenfläche des Rohlings
als Rotationsfläche um eine Achse des Rohlings durch
Schleifen hergestellt wird.
Tatsächlich bewirkt das bei der Bearbeitung in den Zapfen
eingeführte Werkzeug eine lokale Belastung des Zapfens in
der künftigen axialen Einspannungsebene des Laufelements
sowie tangentiale Zugreaktionen in der rohrförmigen Wand
des Zapfens zwischen den Angriffspunkten der konzentrier
ten Beanspruchungen. Die tangentialen Beanspruchungen
werden in Zugrichtung ausgeübt, während die konzentrierten
Beanspruchungen radial ausgeübt werden. Entsprechend den
schon gegebenen Erläuterungen ist verständlich, daß diese
Belastungsart diejenige Belastung simuliert, welche sich
im Falle von konzentrierten Beanspruchungen ergeben würde,
die durch eine an der Außenfläche des Zapfens verteilte
Last ausgeglichen werden. Die Verformung der neutralen
Achse des Zapfens während der Bearbeitung verhält sich
somit in gleicher Weise wie die Verformungen, die weiter
oben im Hinblick auf das Laufelement besprochen wurden.
Wenn man also die Spannung nach der Bearbeitung lockert,
weist die Außenfläche des Zapfens im Konformitätsbereich
Veränderungen des Krümmungshalbmessers in Richtung der
Zunahme auf. Wenn man davon ausgeht, daß der Zapfen
wesentlichen durch die Einwirkung der im Betrieb zu er
wartenden Belastungen nicht verformt werden kann, muß bei
der Fertigung eine Korrektur in dem Sinne erfolgen, daß
das Umgangsprofil des Zapfens der Biegungslinie der Innen
fläche der Rolle beim Betrieb unter Belastung entspricht.
In dem am häufigsten auftretenden Fall, bei dem der rohr
förmige Zapfen unter Betriebsbelastung eine bestimmte
Verformbarkeit aufweist, ist die bei der Bearbeitung vor
genommene Korrektur geringer und bewirkt lediglich den
Ausgleich des Verformbarkeitsunterschiedes zwischen Rolle
und Zapfen.
Zur Ausübung des beanspruchten Verfahrens und zur Er
zielung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind verschie
dene Vorrichtungen vorgesehen, die in den Unteransprüchen
beansprucht sind.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich
noch aus der Beschreibung der Zeichnungen.
Anhand der Zeichnungen sind verschiedene Ausführungsvari
anten der Erfindung näher beschrieben:
Es zeigt
Fig. 1 eine schematische Ansicht einer Vorrichtung
zur Lastübertragung mittels unmittelbar auf
einem Zapfen drehender Rolle,
Fig. 2 eine Schnittansicht entlang der Ebene II-II
aus Fig. 1, wobei der Zapfen nicht geschnit
ten ist,
Fig. 3 eine Grafik der Durchbiegung im Rollensegment
unter Belastung entsprechend der Winkelposi
tion des betreffenden Punktes der neutralen
Achse um die Drehachse, wobei lediglich die
Biegespannung berücksichtigt ist,
Fig. 4 die Grafik der Durchbiegung im Rollensegment
unter Belastung entsprechend der Winkelposi
tion des betreffenden Punkts der neutralen
Achse um die Drehachse, wobei einerseits nur
die Scherbeanspruchung (Kurve a) und anderer
seits die Summe aus Scher- und Biegespannun
gen (Kurve b) berücksichtigt sind,
Fig. 5 in stark übertriebener Weise die Verformung
der neutralen Achse des Rollensegments unter
Belastung,
Fig. 6, 7 eine schematische Ansicht einer ersten Aus
führungsart der Vorrichtung gemäß der Erfin
dung im entlasteten bzw. belasteten Zustand,
wobei die Abstände im Verhältnis zu den Um
fangslinien übertrieben sind,
Fig. 8 eine Endansicht einer Vorrichtung zum Ab
schleifen der Innenfläche eines Rohlings mit
drei Rollensegmenten einer Vorrichtung gemäß
den Fig. 6 und 7,
Fig. 9 einen Längsschnitt durch die Vorrichtung
gemäß Fig. 8,
Fig. 10 eine Ansicht des Segments, welches mit der
Vorrichtung gemäß den Fig. 8 und 9 erzielt
wird, in vergrößertem Maßstab,
Fig. 11 eine Endansicht einer Vorrichtung zum Schlei
fen der Innenfläche von drei Rohlingen von
Rollensegmenten der Vorrichtung gemäß den
Fig. 6 und 7,
Fig. 12 einen Längsschnitt durch die Vorrichtung
gemäß Fig. 11,
Fig. 13 eine Querschnittsansicht einer Vorrichtung
zum Schleifen der Innenflächen einer Reihe
von Rohlingen von Rollensegmenten für eine
Vorrichtung zur Lastübertragung gemäß den
Fig. 6 und 7,
Fig. 14 einen Längsschnitt der Schleifvorrichtung;
gemäß Fig. 13,
Fig. 15, 16 zwei Längsschnitte, entlang zwei zueinander
um 90° versetzten Ebenen, einer vierten Vor
richtung zum Schleifen der sphärischen
Flächen der Rollensegmente, die für eine
Vorrichtung zur Lastübertragung gemäß den
Fig. 6 und 7 bestimmt sind,
Fig. 17, 18 Ansichten ähnlich den Fig. 6 und 7, die
sich jedoch auf eine zweite Ausführungsart
der Vorrichtung gemäß der Erfindung beziehen,
Fig. 19 einen Längsschnitt einer Vorrichtung zum
Schleifen der Außenfläche eines Zapfens, der
Bestandteil einer Vorrichtung zur Lastüber
tragung gemäß den Fig. 17 und 18 sein
soll, wobei dieser Zapfen zu einer Gleich
laufgelenktripode gehört,
Fig. 20 eine Schnittansicht entlang der Ebene XX-XX
von Fig. 19,
Fig. 21, 22 beziehen sich auf eine dritte Ausführungsart
der Vorrichtung zur Lastübertragung gemäß der
Erfindung vergleichbar zu den Fig. 6 bzw.
7,
Fig. 23 eine Ansicht einer Gleichlaufgelenktripode
entlang der Achse eines der Zapfen sowie
einer mit diesem verbundenen Rolle, die mit
diesem eine Vorrichtung zur Lastübertragung
gemäß den Fig. 21 und 22 bildet,
Fig. 24 eine Teilaußenansicht eines Gleichlaufgelenks
mit sphärischer Rolle und teilweise einen
Schnitt entlang der Ebene der Zapfenachsen,
Fig. 25 Ansicht entlang der Ebene XXV-XXV von Fig. 24,
Fig. 26 eine ähnliche Ansicht wie Fig. 24, jedoch
bezogen auf ein Gleichlaufgelenk mit Rollen
segmenten, die innen sphärisch und außen
torisch sind und
Fig. 27 eine Schnittansicht entlang der Ebene
XXVII-XXVII von Fig. 26.
Die Fig. 1 und 2 stellen auf schematische Weise eine
Vorrichtung zur Lastübertragung dar, die einen Zapfen 101
enthält, bei welchem es sich um einen Tripodenarm eines
Gleichlaufgelenks handeln kann und dessen Außenfläche 102
eine Form hat, die im wesentlichen eine Rotationsfläche um
die Drehachse 103 darstellt (beim Ausführungsbeispiel
handelt es sich um eine Zylinderform). Auf der Außenfläche
102 stützt sich unmittelbar für die Drehung die Innen
fläche 104 eines Rollensegments 106 ab, dessen Außenfläche
4 von allgemein torischer Form ist und sich in einer Lauf
bahn 108 mit dazu passendem Querschnitt eines Organs 109
bewegt, welches als Schale eines Gleichlaufgelenks ausge
bildet sein kann. Beim Gebrauch des Gleichlaufgelenks
bewegt sich das Segment 106 auf dem Zapfen 101 in Umfangs
richtung hin und her, wie es durch den Doppelpfeil am
Rollensegment in Fig. 1 gezeigt ist. Gleichzeitig führt er
auf dem Zapfen 101 eine Hin- und Herbewegung in Axial
richtung aus, wie der Doppelpfeil in Fig. 2 veranschau
licht.
Das Rollensegment 106 muß eine Last Q zwischen dem Zapfen
101 und der Laufbahn 108 übertragen. Es ist erwünscht, daß
die Last Q sich gleichmäßig über die Innenfläche 104 des
Segments 106 in Form eines mittleren Druckes p verteilt.
Die erwünschte Gleichmäßigkeit schließt nicht aus, daß das
Segment 106 mit einer oder mehreren Querschmiernuten
111 versehen ist. Die Nut 111 kann durch eine oder mehrere
Nuten gleicher Ausrichtung auf der Außenfläche 102 des
Zapfens 101 ersetzt werden.
Eine derartige Druckverteilung, die erforderlich ist,
damit das Segment 106 sich auf dem Zapfen 101 mittels
reiner Viskositäts-Flüssigkeitsschmierung unmittelbar
dreht, erfordert eine einwandfreie Konformität oder Kom
plementarität der Flächen 102 und 104 unter Belastung, was
nur möglich ist, wenn das Segment 106 und/oder der Zapfen
101 festgelegte geometrische Anordnungen einhalten.
Tatsächlich beobachtet man unter Belastung eine Zunahme
der Krümmungshalbmesser der neutralen Achse 9 und der
Innenfläche 104 des Segments 106. Wenn der Zapfen 101
gegenüber Veränderungen im Krümmungshalbmesser seiner
Außenfläche 102 im wesentlichen starr ist und wenn die
Flächen 102 und 104 im entlasteten Zustand einander genau
ergänzen (komplementär sind), so ergibt sich daraus eine
stark abnehmende Verteilung des Druckes Zapfen 101/Rolle
106 von der axialen Einspannungsebene 113 aus und in Rich
tung auf jedes Umfangsende des Segments 106. Man bezeich
net die Ebene 113 als Einspannungsebene, denn beiderseits
dieser Ebene verhält sich das Segment 106 wie ein einge
spannter Träger, der einer verteilten Last ausgesetzt wird.
Dies ist der Grund, weshalb man bei den früheren Versuchen
zur Verbesserung der Verteilung des auf die Innenwand des
Segments 106 ausgeübten Drucks Bemühungen gemacht hatte,
die Durchbiegung des Segments 106 unter Einwirkung der
Biegespannung auszugleichen. Fig. 3 zeigt ein Beispiel für
eine radiale Durchbiegung, gemessen in Mikrometer, die die
Innenfläche eines Laufelements 106 unter Einwirkung der
Biegespannung aufweist, die sich aus einer verteilten Last
ergibt, wie sie für den Kontakt Rolle/Zapfen erwünscht
ist. Man stellt fest, daß die Durchbiegung f im wesent
lichen mit dem Quadrat des Winkels A zwischen dem betref
fenden Punkt und der Einspannungsebene 113 zunimmt.
Um also die nachteiligen Wirkungen der Verformung des
Rollensegments 106 unter Belastung auszugleichen, bestan
den die früheren Lösungen in der Realisierung der Vor
richtung zur Lastübertragung mit einem Segment, dessen
Innenfläche auf einen Krümmungshalbmesser abgeschliffen
ist, der kleiner ist als der der Zapfenaußenfläche, so daß
die Zunahme des Krümmungshalbmessers der Innenfläche 104
bei Belastung und unter Einwirkung der darauf ausgeübten
Biegebeanspruchung eine Umdrehungsform verleiht, die den
jenigen des Zapfens entspricht. Es hat sich gezeigt, daß
diese Verfahren nur eine mäßige Verbesserung der Druckver
teilung unter Belastung in dem belastungsnahen Bereich
bewirkten.
Die Erfindung geht von der Feststellung aus, daß die Rolle
oder das Rollensegment ein sehr großes Verhältnis zwischen
der Dicke H und der halben Länge L aufweist. Daher sind
die sich aus dem Biegemoment ergebenden Verformungen nicht
so stark, als daß alle übrigen Verformungsarten vernach
lässigbar wären. Insbesondere ist die Rolle Ausgangspunkt
einer Querkraft, die in jeder Ebene, die durch den Winkel
A mit der Einspannungsebene 113 gebildet wird, gleich der
Gesamtkraft ist, die an der Fläche 104 zwischen dieser
Ebene und dem Umfangsende von Segment 106, welches dieser
Ebene am nächsten gelegen ist.
Die Kurve a (Fig. 4) stellt entsprechend dem Winkel A die
an der neutralen Achse gemessene radiale Durchbiegung aus
der sogenannten Querkraft T dar. Für jeden Winkel A ist
die Tangente des Winkels der Kurvensteilheit gleich der
Querkraft (wie sie weiter oben für A definiert wurde),
multipliziert mit 1/SG. Dabei ist:
S: die Querfläche der Rolle;
G: der Schubmodul des Stahls.
G: der Schubmodul des Stahls.
Insbesondere in der Ebene 113 ist der Winkel B der Stei
gung so beschaffen, daß:
tg b=Q/2 SG
tg b=Q/2 SG
Q entspricht dabei der auf das Rollensegment einwirkenden
Gesamtlast. Somit gelangt man entsprechend der vorliegen
den Erfindung bei einer Rolle oder einem Rollensegment zu
einer fast vollkommenen Konformität, wie sie für die reine
Viskositäts-Flüssigkeitsschmierung erforderlich ist, indem
man zu dem Ausgleich, der sich aus der Kurve nach Fig. 3
ergeben würde, einen Ausgleich hinzu addiert, der durch
die Kurve a aus Fig. 4 dargestellt wird. Somit erhält man
einen durch die Kurve b aus Fig. 4 dargestellten Gesamt
ausgleich, der der Summe von Kurve a und der Kurve aus
Fig. 3 entspricht. Die Kurve b definiert die auszugleich
ende radiale Gesamtdurchbiegung, gemessen an der neutralen
Achse, zur Realisierung der gewünschten hydrodynamischen
Reibung.
Fig. 5 zeigt auf übertriebene Weise durch Hervorhebung des
Unterschiedes zwischen der unverformten kreisförmigen
neutralen Achse 9 und der verformten Achse 9 a die Durch
biegung, deren Ausgleich Zweck dieser Erfindung ist. Be
rücksichtigt man, daß der Winkel B (Fig. 4) nicht gleich
Null ist, so nimmt die auszugleichende Durchbiegung bei
derseits der Ebene 113 relativ schnell zu, im Gegensatz zu
dem Fall, bei dem nur die Biegespannung berücksichtigt
würde. Die Durchbiegungen zeigen die verschiedenen Tangen
ten für die Kurven 9 und 9 a in Ebene 113.
Gemäß einer ersten Ausführungsart der Erfindung (Fig. 6
und 7) weist der Zapfen 101 gegenüber Schwankungen im
Krümmungshalbmesser unter Einwirkung der im Betrieb zu
erwartenden Lasten Q eine Steifigkeit auf, die im Ver
hältnis zur Steifigkeit des Segments 106 gegenüber den
Krümmungshalbmesserschwankungen seiner Innenfläche 104
groß ist. Die Außenfläche 102 des Zapfens 101 erlaubt eine
Drehung. Das Rollensegment 106 besitzt eine Innenfläche
104, die sich im wesentlichen so verhält, wie es sich aus
der Hinzufügung einer radialen Überdicke an einer ergän
zenden Fläche 114 der Außenfläche 102 ergeben würde, die
an jedem Punkt der zu erwartenden Durchbiegung gemäß Kurve
b aus Fig. 4 gleich wäre. Die Innenfläche 104 weist somit
in einer lotrecht zur Achse 103 verlaufenden Ebene (Ebene
gemäß Fig. 6 und 7) Krümmungshalbmesser auf, die klei
ner sind als die entsprechenden Krümmungshalbmesser der
Außenfläche 102 des Zapfens. Die neutrale Achse 9 ist
kreisförmig.
Diese Bedingungen sind so beschaffen, daß bei Belastung
(Fig. 7), während sich die neutrale Achse 9 entsprechend
Kurve b aus Fig. 4 verfornt, die Fläche 104, welche einer
entsprechenden Verformung unterworfen wird, eine Form
annimmt, die im wesentlichen der Außenfläche 102 ent
spricht, welche sich nicht verformt.
Unter Bezugnahme auf die Fig. 8, 9 und 10 wird nunmehr
ein erstes Verfahren zum Schleifen der Innenfläche des
Rollensegments 106 nach den Fig. 6 und 7 beschrieben.
Gemäß dem Verfahren erhält man einen ringförmigen Mehr
fachrohling 1, der in seiner Innenfläche drei Einschnitte
2 im Abstand von 120° zueinander aufweist und der an der
torischen Außenfläche 4 drei Paare von Feldern 3 aufweist,
die V-förmige Einschnitte gegenüberliegend zu den Ein
schnitten 2 definieren. Somit umfaßt der Mehrfachrohling 1
drei einzelne Rollensegmentrohlinge. In der Phase, die in
den Fig. 8 und 9 berücksichtigt ist, ist der ringförmi
ge Mehrfachrohling bereits einer Härtung unterworfen wor
den.
Gemäß dem Verfahren wird der ringförmige Rohling 1 in
einen Dorn 6 zwischen drei Spannbacken 5 eingespannt, die
rund um die gemeinsame Achse von Rohling und Dorn um je
weils 120° zueinander versetzt verteilt angeordnet sind.
Jede Spannbacke 5 liegt auf der Außenfläche eines der
Einzelrohlinge mit gleichem Abstand zu den beiden Umfangs
enden desselben an. Der Dorn 6 und die Backen 5 gehören zu
einer Innenschleifmaschine, deren Schleifscheibe 7 einen
Außendurchmesser hat, der kleiner ist als der Durchmesser
der Innenfläche des Mehrfachrohlings 1.
Während des Schleifvorganges wird über die Backen 5 in der
axialen Mittelebene der Segmente, die während des Be
triebes die Einspannungsebene 113 bildet, eine Radialkraft
Q ausgeübt, die einer typischen Belastung entspricht, wie
sie im Betrieb auf jedes der Segmente 106 im Gleichlaufge
lenk einwirkt.
Die Einwirkung der drei Kräfte Q bestimmt an jedem der
Umfangsenden jedes Segmentes in der Zunge 8, die die Ver
bindung zum angrenzenden Segment herstellt, eine Kraft F,
die tangential in Richtung der Segmentkompression ausge
richtet ist.
Wie aus Fig. 10 ersichtlich, bestimmt jede Kraft F an
jedem Punkt (z.B. D 1, D 2, D 3) der neutralen Achse 9 des
Rohlings ein Biegemoment, welches gleich F, multipliziert
mit dem Abstand (z.B. h 1, h 2, h 3) zwischen dem betreffen
den Punkt und der Angriffslinie der Kraft F ist.
Unter Berücksichtigung der Krümmung der neutralen Achse 9
ist der Wert des Biegemomentes an jedem Punkt im wesent
lichen proportional zum Quadrat des Winkels a 1, a 2, a 3),
der diesen Punkt vom nächstgelegenen Umfangsende trennt.
Ebenso ist die radiale Komponente F, die die aus F resul
tierende Schubspannung erzeugt, am Umfangsende des Seg
ments gleich Null und nimmt entsprechend dem Winkel a
stark zu.
Damit kommt man im Rohling zu einer Verteilung der Biege
momente und Querkräfte, die derjenigen einer verteilten
Last an der Innenfläche gleicht. Während der Bearbeitung
gleicht die Verformung der neutralen Achse 9 somit der
jenigen, die auch im Betrieb auftreten wird.
Bei dieser Belastung, die einer tatsächlichen Belastung
gleicht, verleiht die Schleifscheibe 7 der Innenfläche des
ringförmigen Rohlings 1 die Form einer Rotationsfläche um
die Drehachse des Rohlings, welche durch die Einschnitte 2
sowie durch eventuelle Schmiernuten 111 unterbrochen wird.
Wie aus Fig. 9 ersichtlich, weist jede Backe 5 eine Aus
sparung 112 auf, deren zylindrisches Profil sich an das
Profil der Außenfläche 4 des Rollensegments in der axialen
Einspannungsebene anpaßt. Bei Betrachtung in der lotrecht
zur Achse verlaufenden Ebene (Fig. 8) stützen sich die
Backen 5 tangential auf der Oberfläche 4 der Rollenseg
mente ab.
Wie in Fig. 9 schematisch dargestellt, kann es sich bei
den Backen 5 um Keile handeln, deren geneigte Fläche 116
radial an der Außenseite angeordnet ist und sich auf einer
ebenso geneigten Fläche 117 einer axialen Innennut 118 des
Dorns 6 abstützt.
Somit wird die auf jeden Grundrohling 1 einwirkende Kraft
Q durch eine Kraft erzeugt, die axial an den drei Keilen
in der Richtung angreift, in der die drei Flächen 117 der
Nuten 118 zusammenlaufen. Nicht dargestellte Vorrichtungen
halten die drei Backen 5 in stets übereinstimmenden Längs
positionen fest, so daß sich die Achse des Rohlings immer
in einer Richtung parallel zur Achse der Schleifscheibe 7
erstreckt, wie es auch bei herkömmlichen Dornen der Fall
ist.
Nach dem Schleifen löst man die Backen 5 und trennt die
drei einzelnen Rohlinge durch Abstechen oder Abbrechen in
Höhe der Zungen 8.
Die neutrale Achse jedes so gebildeten Segments nimmt
wieder Kreisform an, während die Innenfläche von einer
Rotationsform in eine Form übergeht, wie sie in Fig. 6
dargestellt ist. Der Umfang des erzielten Ausgleichs ver
hält sich proportional zu den Kräften Q und berücksichtigt
kumulierte Biege- und Schubverformungen.
Der radiale Abstand der Achse der Zungen 8 im Verhältnis
zur neutralen Achse des Abschnitts der Einzelrohlinge
bestimmt die relative Größe der Biege- und Schubaus
gleichsvorgänge. Ist der Abstand j (Fig. 8) zwischen der
Achse der Zungen 8 und der Achse des Rohlings 1 größer als
der Halbmesser r der neutralen Achse 9, so nimmt der An
teil des Biegungsausgleichs zu und umgekehrt.
Unter Bezugnahme auf die Fig. 11 und 12 wird nunmehr
ein weiteres Verfahren zur Herstellung der Segmente gemäß
Fig. 6 beschrieben.
Gemäß diesem Verfahren werden nach dem Härten von drei
Rohlingen der Segmente 10 mit sphärischer Innenfläche und
torischer Außenfläche die erwähnten Rohlinge in die
torische Bohrung 13 mit entsprechendem Profil (siehe Fig.
12) eines Dorns 12 eingesetzt. Die Bohrung 13 ist radial
nach außen in der Weise mit Aussparungen versehen, so daß
im Verhältnis zur Umfangsrichtung nur drei schmale Flächen
14 bis 16 erhalten bleiben. In jeder lotrechten zur Achse
verlaufenden Ebene ist der Durchmesser der torischen
Bohrung 13 des Dorn 12 geringfügig größer als der
entsprechende Außendurchmesser der Segmente 10, und zwar
um ca. 0,04 bis 0,08 mm.
Wie aus Fig. 12 ersichtlich, besitzt der Dorn 12 radiale
Kanäle 119, in denen Backen 11 verstellbar angebracht
sind, und radial nach innen beaufschlagt werden können.
Die Backen 11 verfügen in der Bohrung 13 über Enden, die
zur Achse hin entlang der Achse betrachtet (Fig. 11)
schmaler werden. Diese Enden sind zwischen den angrenzen
den Endflächen mit entsprechender Neigung der aufeinander
folgenden Rohlinge 10 eingesetzt und üben mittels Keil
wirkung auf die Enden dieser Rohlinge Tangentialkräfte F
aus, die die Rohlinge 10 in Richtung der Zunahme ihres
Krümmungshalbmessers verformen und damit jeden Rohling 10
an den drei Flächen 14 bis 16 zur Anlage bringen, wobei
die Fläche 14 dann durch Einwirkung auf die Außenfläche
des Rohlings eine lokale Beanspruchung ausübt, die radial
nach innen gerichtet ist.
Auf diese Weise setzt man jeden Rohling 10 einer Belastung
der gleichen Art aus, wie sie in Verbindung mit Fig. 10
beschrieben wurde.
Anschließend tritt die torische Schleifscheibe 16 eines
Innenschleifkopfes zur Fertigbearbeitung durch radiales
Einstechen in Aktion. Danach werden die Backen 11 gelöst
und die drei Segmente 10 nehmen die in Fig. 6 dargestellte
Form an.
Nachstehend wird unter Bezugnahme auf die Fig. 13 und
14 eine dritte Art der Herstellung der Segmente gemäß der
Darstellung in den Fig. 6 und 7 beschrieben.
Nach der Härtung werden die Rohlinge 10 in einer Aufnahme
17 mit torischen Nischen 18 eingesetzt, die den gleichen
Querschnitt wie die Segmente aufweisen und nebeneinander
angeordnet sowie auf einen Torus-Außendurchmesser abge
schliffen sind, der um 0,02 bis 0,10 mm größer ist als
derjenige der Segmente. Zwei Längsausnehmungen 19 sind in
den Boden der Aufnahme so eingearbeitet, daß nur zwei
Flächen 20 für die Umgangsenden der Segmente und eine
schmale Mittelfläche 21 im Verhältnis zur Umfangsrichtung
übrigbleiben. Außerdem ist die Fläche 21 zylindrisch aus
geführt und ihre Achse verläuft lotrecht zur Achse 103 der
Rohlinge. Ein fester Anschlag 22 dient der Abstützung,
eines der Umfangsenden sämtlicher Segmente 10.
Eine gemeinsame Antriebswelle 24 besitzt für jedes Segment
10 einen beweglichen Anschlag 23 und kann so betätigt
werden, daß die Anschläge 23 auf das andere Umfangsende
der Segmente 10 die Tangentialkraft F in der Weise auf
bringen, daß die Rohlinge 10, wie bereits unter Bezugnahme
auf Fig. 10 beschrieben, in Richtung der Zunahme ihres
Krümmungshalbmessers beansprucht werden und daß die Um
fangsenden der Segmente 10 mit den Flächen 20 in Kontakt
gebracht werden, und zwar durch eine radiale Reaktions
beanspruchung durch den zylindrischen Bereich 21 in
Richtung der Achse 103 in der axialen Mittelebene des
Rollensegments.
Die groß bemessene Schleifscheibe 25, deren Achse 141
lotrecht zur Achse 103 und zur Fluchtrichtung der Rohlinge
10 sowie parallel zu den Achsen der Flächen 21 verläuft
und deren Umfang ein kreisförmiges Profil mit einem sehr
genauen Halbmesser aufweist, bewirkt nacheinander das
Abschleifen aller "vorbeibewegbarer" Rohlinge 10, die
während der Translationsbewegung des Schleifmaschinen
tisches, an dem der Rechen 17 angebracht ist, in der Auf
nahme festgehalten werden.
Nach Freigabe des beweglichen Anschlags 23 geht die Innen
fläche der Segmente von einem zylindrischen Profil auf das
gewünschte Profil über, welches schematisch in Fig. 6
dargestellt ist.
Unter Bezugnahne auf die Fig. 15 und 16 wird nunmehr
eine vierte Art der Herstellung eines Segments der in Fig.
6 dargestellten Art beschrieben, und insbesondere eines
Segments 106, dessen Innenfläche 104 pseudosphärisch (d.
h. bis auf die Ausgleichsfläche fast sphärisch) und deren
Außenfläche torisch ausgebildet ist. Dieses Verfahren
arbeitet mit einer Topfschleifscheibe 27 oder Topf
schleifstift, der nach dem Abwälzprinzip arbeitet.
Dazu setzt man einen Rohling 26 so in einen Dorn ein, daß
die Umdrehungsachse 121 des Dorns 122 durch die Mitte O
der an der Fläche 104 auszuführenden sphärischen
Schleifung verläuft. Eines der Umfangsenden des Segments
26 ist am Umfang in einer Aussparung 32 des Dorns 122
verkeilt, die für die Außenfläche des Rohlings 26 eine
Endfläche 123 begrenzt, die im Verhältnis zur Umfangs
richtung schmal ist. Jenseits der Aussparung 32 bildet der
Dorn 122 eine feste Klaue 30, auf der sich das ent
sprechende Umfangsende des Rohlings 26 abstützen kann. Am
anderen Umfangsende des Rohlings 26 trägt der Dorn 122
eine hydraulisch betätigte Klaue 28, die eine kontrol
lierende Kraft F ausübt, die tangential am Umfangsende des
Segments angreift und eine tangentiale Reaktionskraft der
gleichen Größe seitens der festen Klaue 30 am anderen
Umfangende bestimnt. Diese Kräfte F bringen das Segment 26
gegen eine zylindrische konkave Fläche in der Mitte 31 zur
Anlage und öffnen gleichzeitig auf elastische Weise den
Rohling, bis die festgelegte Kraft F ausgeglichen ist, um
die gewünschte Korrektur zu erzielen. Dieses Mittel zur
Dosierung der Korrektur hat im Verhältnis zu den in Fig. 11
und 13 dargestellten Verfahren den Vorteil, daß
die ausgeführte Korrektur nicht von den Ausführungs
toleranzen des Außentorus der Segmente abhängig ist.
Die geometrische Umdrehungsachse 121 des Dorns 122 er
streckt sich entlang der axialen Mittelebene des Segments
26 (der künftigen Einspannungsebene). Die Drehungsachse
124 der Schleifscheibe 27 schneidet schräg die Achse 121
in der Mitte O. Beim Schleifen bewegt sich die Welle 33
der Topfschleifscheibe 27 in Längsrichtung vorwärts, ohne
die Mitte O der Innenwand von Segment 26 zu verlassen.
Beim Freigeben der gesteuerten Klaue 28 verändert sich die
geschliffene und völlig sphärische Wand 104 durch elas
tische Rückbildung und nimmt das gewünschte Profil an,
welches schematisch in Fig. 6 dargestellt ist.
Nach einer zweiten Führungsart der Vorrichtung gemäß der
Erfindung (Fig. 17 und 18) rotiert die Fläche 104 des
Segments 106 um die Drehachse, wenn die Vorrichtung ent
lastet ist. Auf der anderen Seite besitzt die Außenfläche
102 des Zapfens 101 ein Profil, welches der Biegungslinie
des Profils der Fläche 104 unter Einwirkung der im Betrieb
erwünschten Belastung entspricht, d.h. mit einer im we
sentlichen gleichmäßigen Verteilung des Druckes zwischen
den Flächen 102 und 104. Darüber hinaus ist der Zapfen 101
gegenüber den Änderungen des Krümmungshalbmessers seiner
Fläche 102 unter Einwirkung der vorgesehenen Belastungen
im wesentlichen unverformbar.
Wie es in Fig. 18 stark übertrieben dargestellt ist, sind
also die Flächen 102 und 104 bei Belastung nahezu einander
ergänzend in Übereinstimmung.
Unter Bezugnahme auf die Fig. 19 und 20 wird nunmehr
ein Verfahren zur Herstellung einer Tripode 35 beschrie
ben, deren Zapfen 101 jeweils dem schematisch in den Fig. 17
und 18 dargestellten Profil entsprechen.
Gemäß diesem Verfahren wird der Zapfen 35 an der Spindel
der Schleifmaschine durch ein Spreizwerkzeug - oder eine
Spreizklammer - 36, mit zwei Längsanlagekanten 37 festge
halten, die einander diametral gegenüberliegen und in
einer axialen Bohrung 39 eines der Zapfen 101 Bean
spruchungen Q ausüben, die entlang zweier Erzeugenden in
der Bohrung 39 radial nach außen gerichtet sind, welche in
der Ebene liegen, die später die Einspannungsebene der
Rolle oder der beiden Rollensegmente, die mit diesem
Zapfen zusammenwirken, sein wird. Diese Ebene ist im
übrigen die Mittelebene der Tripode, die durch die drei
Achsen der drei Zapfen verläuft. Um eine einwandfreie
Positionierung der Längsanlagekanten 37 in der Bohrung 39
sicherzustellen, weist das geschlossene Ende der Klammer
36, welches dem Innern der Tripode zugewandt ist, bei 41
eine V-Aussparung auf, die die Schnittkante der Bohrungen
42 der beiden anderen Tripodenzapfen überdeckt. Ab dem
vorgenannten geschlossenen Ende teilt sich das Spreizwerk
zeuges 37 in zwei Arme 126, von denen jeder eine der
Längsanlagekanten 37 trägt und die zwei schräge, einander
zugewandte Flächen 127 aufweisen, welche zum Tripoden
innern hin zusammenlaufen. Zwischen diesen beiden Flächen
127 ist ein Keil 128 eingelegt, der auf diesen mit zwei
Flächen 129 von entsprechender Schräge aufliegt. Zur Er
zeugung der Kräfte Q wird der Keil 128 axial nach innen
beansprucht, wie es der in Fig. 19 dargestellte Pfeil
anzeigt.
Die einander gegenüberliegenden schrägen Flächen des Keils
sind beiderseits miteinander durch zwei zylindrische
Flächen 40 verbunden, deren Durchmesser im wesentlichen
gleich dem Durchmesser der Bohrung 39 ist, jedoch mit
einem geringen Radialspiel zu dem Zweck, daß der Zapfen
sich unter Einwirkung der Kräfte Q frei verformen kann.
Die Flächen 40 gewährleisten eine Zentrierung des Keils in
der Bohrung 39, während nicht dargestellte Mittel das
Spreizwerkzeug im Verhältnis zum Keil positionieren und
dadurch die Zentrierung des Werkzeugs in der Bohrung 39
gewährleisten.
Die beiden Beanspruchungen Q, die die lokalen Radialkräfte
bilden und auf 90° vom Angriffspunkt beiderseits der An
griffsebene zwei Tangentialzugkräfte T bestimmen, stellen
eine Unrundbelastung des Zapfens durch Reduzierung des
Krümmungshalbmessers in Nähe der Längsanlagekanten 37 dar.
Ähnlich den Erklärungen, die im Hinblick auf Fig. 10 ge
geben wurden, wird man verstehen, daß die radiale Durch
biegung des Zapfens beiderseits jeder Kante 37 im wesent
lichen der Kurve b aus Fig. 4 entspricht. Man reguliert
die Kräfte Q in der Weise, daß der Wert dieser Durch
biegung an jedem einzelnen Punkt im wesentlichen der
Durchbiegung entspricht, die das Rollensegment unter
Einwirkung der im Betrieb auftretenden Belastung aufweist.
Da der Zapfen gegenüber Veränderungen im Krümmungshalb
messer unter Betriebslast im wesentlichen unverformbar
sein muß, sind die während der Bearbeitung angreifenden
Lasten Q größer als die für den Betriebsfall vorgesehene
Belastung.
Nachdem diese Montage erfolgt ist, versetzt man das
Spreizwerkzeug 36 und mit ihr die Tripode 35 um die
Montageachse 103 in Umdrehung. Gleichzeitig versetzt man
um eine parallel zur Achse 103 verlaufende Achse 130 eine
Schleifscheibe 131 in Umdrehung, deren Umfang mit ent
sprechend geeignetem Profil die Außenwand des Zapfens
tangiert. Damit erhält die Wand eine Form, die in dem
Beispiel gemäß einem geraden Profil zur Herstellung einer
zylindrischen Wand um die Achse 103 herum drehbar ist. Man
könnte jedoch ebensogut eine sphärische Fläche unter Ein
satz einer Schleifscheibe mit kreisförmigem Profil reali
sieren.
Nach beendetem Schleifvorgang gibt man den Keil 128 frei
und die Außenfläche 102 nimmt die schematisch in Fig. 17
dargestellte Form an, und zwar symmetrisch auf beiden
Seiten der Ebene 132 (Fig. 20), die die Mittelebene der
Tripode lotrecht entlang der Achse 103 schneidet.
Gemäß einer dritten Ausführungsart der Vorrichtung (Fig.
21) im entlasteten Zustand rotieren die Flächen 102 und
104 beide um die Achse 103 und ergänzen einander. Auf der
anderen Seite weist der Zapfen 101 geometrische Merkmale
auf, die ihm gegenüber Veränderungen im Krümmungshalb
messer seiner Außenfläche 102 eine entsprechende Ver
formbarkeit verleihen, so daß er sich unter Belastung der
Biegungslinie der Innenfläche 104 des Segments 106 an
passen kann.
Dieses Beispiel ist genauer in Fig. 23 für den Fall einer
Tripode 43 dargestellt. Jeder Zapfen 101 dieser Tripode
weist eine längliche Bohrung 44 auf, die durch Kaltver
formung der Zapfen erzielt wird.
Die Bohrung 44, deren Hauptachse zur Ebene 113 gehört,
bewirkt an der Wand des Zapfens eine erhebliche Redu
zierung der Biegesteifigkeit in zwei einander diametral
gegenüberliegenden Bereichen 46 in der Mittelebene der
Tripode, d. h. genau in Höhe der konzentrierten Last Q,
die an den Segmenten 106 angreift (von denen nur eines
dargestellt ist). Ausgehend von diesen Bereichen 46 nimmt
die Flexibilität beiderseits dieser Bereiche allmählich ab.
Unter Belastung (Fig. 22) weist somit die elastische Bie
gungslinie der Wand des Zapfens einen Verlauf auf, der
weitgehend der Gesetzmäßigkeit entspricht (Kurve b aus
Fig. 4), welche erforderlich ist, um die Flüssigkeits
schmierung der Drehanordnung zu gewährleisten.
In den Fig. 24 und 25 ist teilweise ein Gleichlaufge
lenk 47 mit einer Tripode 113 dargestellt, deren Zapfen
101 jeweils über 360° von eine Rolle 48 umgeben sind,
deren Außenfläche 134 sphärisch und deren Innenfläche 104
zylindrisch ausgebildet ist. Jede Rolle 48 ist zwischen
zwei zylindrischen Laufbahnen 136 eingesetzt, deren ge
meinsame Achse ist geringem Spiel durch die Mittte der
sphärischen Außenfläche 134 verläuft. Die Rolle 48 kann
sich somit in der einen oder anderen Laufbahn 136 bewegen,
zwischen den Laufbahnen kippen und auf dem Zapfen drehen
und auf diesem gleiten. Je nach Richtung der Belastung
stützt sich die Rolle auf einer der Laufbahnen 136 ab und
weist im Verhältnis zur anderen Laufbahn ein Spiel auf
(welches in den Fig. 24 und 25 übertrieben dargestellt
ist). Ebenso stützt sich der Zapfen an der Innenfläche 104
der Rolle auf der Seite der Laufbahn 136 ab, in der sich
die Rolle spielfrei bewegt.
Damit der Kontaktbereich Rolle/Zapfen einen ausreichenden
Umfang aufweist, um die Flüssigkeitsschmierung zu gewähr
leisten, verleiht man dem Zapfen die in den Fig. 17 und
18 beschriebene Form, während der Zapfen unter den im
Betrieb möglicherweise auftretenden Belastungen Q durch
die Veränderungen des Krümmungshalbmessers seiner peri
pheren Wandung im wesentlichen nicht verformt werden kann.
Die Innenfläche der Rolle ist eine Rotationsfläche.
Um dem Zapfen die Außenform gemäß den Fig. 17 und 18 zu
verleihen, bearbeitet man ihn auf einer Spezialmaschine,
die sich zum Schleifen nach einem Profil eignet, welches
der gewünschten Kurve entspricht. Derartige Maschinen sind
bekannt, z. B. aus dem Patent FR-A-14 01 983.
In den Fig. 26 und 27 ist ein Teil eines Gleichlaufge
lenkes dargestellt, worin die Tripode 113 drei Zapfen 101
trägt, deren Außenfläche 102 sphärisch ist und sich, eben
so wie die Innenfläche 104 jedes der beiden Segmente 106
mit der torischen Außenfläche 4 in zylindrischen Lauf
bahnen 108 mit entsprechendem Profil abstützt.
Bei dieser Ausführungsart besteht die Möglichkeit, dafür
zu sorgen, daß die Innenflächen 104 der Segmente 106 die
in den Fig. 6 und 7 vorgesehene Spezialform aufweisen,
sofern nicht die Zapfen 101, die durch abschließendes
Schleifen mit einer Spezialschleifmaschine der Art, wie
sie im französischen Patent FR-A-14 01 983 beschrieben
ist, die in den Fig. 17 und 18 vorgesehene Spezialform
aufweisen.
Die Zapfen der unter Bezugnahme auf die Fig. 24 bis 27
beschriebenen Gelenke weisen vorteilhafterweise eine oder
mehrere Schmiernuten 55, 55 a auf, die vorzugsweise in den
durch die Zapfenachse verlaufenden Ebenen angeordnet sind.
Die Nuten 55 münden am Ende auf beiden Seiten des Seg
ments. Die Nuten 55 a, die ein anderes Beispiel darstellen,
sind an den erwähnten Enden geschlossen und werden durch
eine radiale Bohrung 55 b gespeist.
Es versteht sich, daß die Erfindung nicht auf die be
schriebenen und dargestellten Beispiele beschränkt ist.
So kann beispielsweise das Verfahren gemäß den Fig. 8
und 9 auf die Realisierung von Segmenten mit sphärischer
Innenfläche mit Hilfe einer Schleifscheibe gleich der
Schleifscheibe 16 aus Fig. 12 angewandt werden und umge
kehrt kann das Verfahren gemäß den Fig. 11 und 12 zur
Realisierung von Segmenten mit zylindrischer Innenfläche
mittels einer Schleifscheibe wie der Schleifscheibe 7 aus
den Fig. 8 und 9 angewendet werden.
Es kann auch von Vorteil sein, die Korrektur des Dreh
profils gleichzeitig am Zapfen und der Innenfläche der
Segmente oder Rolle unter Verwendung der beschriebenen
Verfahren vorzunehmen.
In den verschiedenen Figuren sind die Abstände, die be
stimmte Drehflächen im Verhältnis zu einem Umdrehungs
profil aufweisen, stark übertrieben dargestellt. Auf der
anderen Seite betrifft die Kurve b aus Fig. 4 den theore
tischen Fall, daß sich die Einspannung der Rolle auf eine
einzige Ebene beschränkt. In Anbetracht der sehr geringen
Radialdurchbiegungen der Rolle ist diese Annäherung be
reits ausgezeichnet. In der Wirklichkeit stützt sich je
doch die Rolle tangential auf der Laufbahn ab, was den
Verlauf der Kurve in Nähe ihres Ursprungs beeinflussen und
die festgestellten Durchbiegungen kleiner ausfallen lassen
kann als die theoretischen Durchbiegungen an jedem Punkt
der Kurve. Zu beachten ist jedoch, daß die Verfahren gemäß
den Fig. 8, 9, 11, 12 und 13 bis 16 dieses Phänomen
berücksichtigen, da die Außenfläche der Rolle bei Bear
beitung unter Lastbedingungen ebenfalls tangential auf
liegt. Die übrigen vorgestellten Verfahren können dies
ebenfalls berücksichtigen. So wäre es beispielsweise bei
dem Verfahren gemäß den Fig. 19 und 20 möglich, die
Längsanlagekanten 37 durch Rippen mit abgerundetem Schei
tel zu ersetzen. Bei den Schleifverfahren mittels einer
Spezialmaschine besteht natürlich die Möglichkeit, die
ausgeführte Kurve dementsprechend zu verändern.
Handelt es sich bei der ausgeglichenen Fläche um diejenige
des Laufelements (Ausführungsart gemäß den Fig. 6 und
7), so ist der Ausgleich nur dann ideal, wenn sich das
Laufelement in mittlerer Stellung befindet, d.h. wenn die
tatsächliche Einspannungsebene der Einspannungsebene ent
spricht, im Verhältnis zu der der Formausgleich vorgenom
men wurde. Bei Gleichlaufgelenken macht jedoch die Ar
beitsweise mit starker Gelenkabwinklung, die sich in einer
starken Verschiebung der Rolle im Verhältnis zur mittleren
Stellung wiederspiegelt, nur einen sehr kleinen Prozent
satz der Gesamtbetriebszeit aus, und diese Betriebsweise
findet während des größten Teils der Zeit bei geringem
Drehmoment statt.
Claims (16)
1. Vorrichtung zur Lastübertragung mit einem Lauf
element, insbesondere einer Rolle (48), einem Rollen
segment (106) o.ä. Laufelement, deren Innenfläche
(104) in unmittelbarem Drehkontakt mit der Außenfläche
(102) eines Zapfens (101) ist und das eine Außenfläche
(4) aufweist, welche in einer Bahn (108, 136) in der
Weise abrollt, daß zwischen Laufbahn und Zapfen eine
Last übertragen wird, wobei im belasteten Zustand
zwischen den Flächen von Zapfen und Laufelement eine
Annäherung durch Formänderung vorhanden ist,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Außenfläche (102) des Zapfens (101) und die
Innenfläche (104) des Laufelementes (48, 106) im ent
lasteten Zustand entlang des Berührungsumfanges einen
Abstand zueinander aufweisen, der von der Einwirkung
zweier kumulierter Spannungen, und zwar eines Biege
momentes und einer Querkraft aus der zu übertragenden
Last bestimmt ist.
2. Vorrichtung gemäß Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Außenfläche (102) des Zapfens (101) eine Ro
tationsfläche um die Drehachse (103) des Laufelementes
(106) darstellt und daß die Steifigkeit des Zapfens
(101) gegenüber der Veränderung des Krümmungshalb
messers der Außenfläche (102) im Verhältnis zur
Steifigkeit des Laufelements (106) gegenüber der Ver
änderung des Krümmungshalbmesser der Innenfläche (104)
groß ist (Fig. 6).
3. Vorrichtung gemäß Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Innenfläche (104) des Laufelementes (106) im
entlasteten Zustand eine Rotationsfläche um seine
Drehachse darstellt, und daß die Steifigkeit des
Zapfens (101) gegenüber der Veränderung des Krümmungs
halbmessers seiner Außenfläche (102) im Verhältnis zur
Steifigkeit des Laufelementes (106) gegenüber der
Veränderung des Krümmungshalbmessers seiner Innenfläche
(104) groß ist (Fig. 17).
4. Vorrichtung gemäß Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Außenfläche (102) des Zapfens (101) und der
Innenfläche (104) des Laufelements (106) im entlaste
ten Zustand beide eine Rotationsfläche um dessen Dreh
achse (103) darstellen und daß der Zapfen (101)
im vorerwähnten Bereich gegenüber der Veränderung des
Krümmungshalbmessers seiner Außenfläche (102) in einer
lotrecht zu Drehachse (103) verlaufenden Ebene eine
Flexibilität aufweist, die in Nähe der erwähnten axi
alen Ebene am größten ist und beiderseits dieser Ebene
allmählich abnimmt (Fig. 21).
5. Vorrichtung gemäß Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Zapfen eine Innenaussparung (44) mit läng
lichem Querschnitt aufweist, deren Hauptachse Teil der
erwähnten axialen Ebene (113) ist.
6. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1
bis 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß mehrere Zapfen vorhanden sind, die jeweils
zwischen die Laufbahnen (108) eines entsprechenden
Laufbahnpaares eingreifen, wobei jeweils ein Laufele
ment (48, 106) zwischen jeder Laufbahn (108) und dem
zugehörigen Zapfen (101) eingesetzt ist und entlang
der im wesentlichen axial ausgerichteten Laufbahn
bewegbar ist und zusammen ein Antriebsgelenk bilden.
7. Verfahren zur Herstellung des Laufelements einer Vor
richtung gemäß Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Außenfläche (4) eines Rohlings (1, 10, 26) des Laufelements (106) einer konzentrierten radialen Bean spruchung (Q) unterworfen wird, die in Stärke und Ausrichtung im wesentlichen einer typischen unter Betriebsbedingungen vorliegende Belastung entspricht und die konzentrierte radiale Beanspruchung durch zwei im wesentlichen tangentiale Beanspruchungen (F) erzeugt wird, die symmetrisch beiderseits in einem Abstand der konzentrierten radialen Beanspruchung angreifen, und
daß bei dieser Beanspruchung die Innenfläche (104) des Rohlings durch Schleifen als Rotationsfläche bezüglich der Drehachse (103) hergestellt wird.
daß die Außenfläche (4) eines Rohlings (1, 10, 26) des Laufelements (106) einer konzentrierten radialen Bean spruchung (Q) unterworfen wird, die in Stärke und Ausrichtung im wesentlichen einer typischen unter Betriebsbedingungen vorliegende Belastung entspricht und die konzentrierte radiale Beanspruchung durch zwei im wesentlichen tangentiale Beanspruchungen (F) erzeugt wird, die symmetrisch beiderseits in einem Abstand der konzentrierten radialen Beanspruchung angreifen, und
daß bei dieser Beanspruchung die Innenfläche (104) des Rohlings durch Schleifen als Rotationsfläche bezüglich der Drehachse (103) hergestellt wird.
8. Verfahren gemäß Anspruch 7 zur Herstellung eines
als Rollensegment gestalteten Laufelementes,
dadurch gekennzeichnet,
daß die tangentialen Beanspruchungen (F) an den beiden
Umfangsenden des Rohlings (1, 10, 26) des Rollenseg
ments aufgebracht werden.
9. Verfahren zur Herstellung des Zapfens (101) einer
Vorrichtung gemäß Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß in eine Bohrung (39) eines Rohlings des Zapfens
ein Spreizwerkzeug eingesetzt wird, welches eine nach
außen gerichtete konzentrierte radiale Beanspruchung
(Q) an wenigstens zwei lokalen und winklig verteilten
Punkten der Bohrungswand ausübt, so daß der Krümmungs
halbmesser des Rohlings in Nähe dieser Stelle redu
ziert wird, und daß dann eine Außenfläche des Rohlings
als Rotationsfläche um eine Achse (103) des Rohlings
durch Schleifen hergestellt wird.
10. Vorrichtung zur Ausübung des Verfahrens gemäß Anspruch
7,
dadurch gekennzeichnet,
daß ein ringförmiger Rohling (1) bestehend aus
wenigstens zwei Rollensegmentrohlingen, welche durch
Verdünnungen (8) an den angrenzenden Umfangsenden
verbunden sind, vorgesehen ist, der beim
Schleifvorgang zwischen winklig verteilten Spann
backen (5) eingespannt ist, die radial nach innen
verspannbar sind.
11. Vorrichtung zur Ausübung des Verfahrens gemäß Anspruch
8,
dadurch gekennzeichnet,
daß diese zwei Backen (11; 22, 23; 28, 30), die auf
die Umfangsenden des Rohlings (10, 26) einwirken, und
eine zentrale Fläche (14, 21, 31) mit reduzierter
Umfangsbemessung aufweist, an die der Rollensegment
rohling mit dem mittleren Umfangsbereich seiner
Außenfläche (104) angepreßt wird.
12. Vorrichtung gemäß Anspruch 11,
dadurch gekennzeichnet,
daß neben der zentralen Abstützfläche (14, 21, 31) min
destens einem der Umfangsenden eine im Verhältnis zur
mittleren Abstützung (14, 21, 31) ortsfeste Stützfläche
(15, 20, 123) zugeordnet ist.
13. Vorrichtung gemäß Anspruch 12,
dadurch gekennzeichnet,
daß für das gleichzeitige Schleifen mehrerer Rohlinge
(10) von Rollensegmenten mehrere der Stützflächen
(14, 15) umfangsversetzt einem Dorn (12) zugeordnet
sind und daß die Backen (11) als Keile ausgebildet
sind, die zwischen die angrenzenden Umfangsenden der
Rohlinge einfahrbar sind, bis die Außenfläche jedes
Rohlings auf den entsprechenden Stützflächen (14, 16)
aufliegt.
14. Vorrichtung gemäß Anspruch 12,
dadurch gekennzeichnet,
daß zum gleichzeitigen Schleifen mehrerer Rollenseg
mentrohlinge (10) eine Aufnahme vorhanden ist, die für
die Rohlinge die drei Stützflächen (20, 21) in
Nebeneinanderanordnung aufweist.
15. Vorrichtung gemäß Anspruch 14,
gekennzeichnet
durch die Zuordnung einer Schleifscheibe, deren Achse
(141) lotrecht zur Achse (103) der Innenfläche der
Rollensegmente verläuft, und die im Querschnitt ein
Schleifprofil besitzt, welches dem Profil der Innen
fläche entspricht.
16. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 11 oder 12,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Rohling in einen Dorn (122) eingesetzt ist,
dessen Drehachse durch das Zentrum (O) der spärischen
Innenfläche des Rollensegmentes verläuft, daß ein
Topfschleifstift oder eine Topfschleifscheibe (27)
vorgesehen sind, deren Drehachse (124) die Drehachse
(121) des Dorns im Zentrum (O) schneidet, und beim
Schleifen sowohl der Dorn als auch die Schleifscheibe
um die jeweiligen Drehachsen (121, 124) angetrieben
sind, und daß die Schleifscheibe in Richtung ihrer
Drehachse (124) verstellbar ist.
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