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Die
Erfindung befaßt
sich mit Wälzlagern
und insbesondere mit solchen Lagern, welche derartige Auslegungseinzelheiten
haben, daß man
eine günstigere
Belastungsverteilung auf die Lagerelemente erhält, so daß sich die Standzeit und/oder
das Belastungsaufnahmevermögen
verbessern lassen.
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Wälzlager,
wie Kugellager, Konuslager, Nadellager und Zylinderrollenlager werden
in großem Umfange
eingesetzt. Wenn Wälzlager
eingesetzt werden, um nur radiale Belastungen abzustützen oder
eine Kombination aus radialen und axialen Belastungen abzustützen (im
Gegensatz zu reinen Axialbelastungen) haben sie einen Innenlaufring,
welcher von einem Außenlaufring
umgeben ist und die Wälzelemente
zwischen diesen beiden angeordnet sind. Die Betriebszeit der Wälzlager
hängt von
den maximalen Belastungen ab, welche an den Lagerbauteilen auftreten.
Die zyklische Einwirkung dieser Belastungen führt zu einem Ermüdungsversagen
der Lager, wodurch sich schließlich
ein Versagen der Lager ergibt. Wenn man eine gleichmäßigere Verteilung der
Wälzelementbelastung
um den Umfang der Laufringe bereitstellt und wenn man günstigere
Belastungsverteilungen an dem jeweiligen Wälzelement (Laufringkontakt)
verwirklicht, lassen sich die Lagerstandzeit und das Belastungsaufnahmevermögen verbessern.
Die Erfindung befaßt
sich mit Auslegungseinzelheiten zum Bereitstellen derartiger Belastungsverhältnisse.
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In
den Arbeitsumgebungen können
die Lager einwirkenden Belastungen ausgesetzt sein, welche Kontaktbelastungen
erzeu gen, welche um den Umfang einer der Laufringe nicht gleichmäßig sind und
welche wiederholt auf ein und denselben Bereich einwirken. Folglich ändert sich
die Kontaktbelastung auf einem oder beiden Laufringen stetig zwischen den
Wälzelementen
und den Lagerlaufringen als eine Funktion der Winkelposition, wobei
die Kontaktbelastung in Umfangsrichtung kontinuierlich bis zu einer
Spitzenbelastung zunimmt und dann wieder kontinuierlich abnimmt.
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Es
gibt zahlreiche Auslegungsvorschläge zur Herabsetzung der Spitzenkontaktbelastungen,
wie z.B. das Vergrößern der
Gesamtlagerabmessungen, so dass größere und in einer größeren Zahl
vorgesehene Wälzelemente
in Kombination dazu führen dass
die einwirkenden Belastungen eingeschränkt werden. Derartige Auslegungsversuche
jedoch führen
zu Abstrichen und Nachteilen, welche hierdurch von selbst verursacht
werden.
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US 4 898 481 offenbart ein
Lagergehäuse,
in dem eine zylindrische Hülse
angeordnet ist, mit einem in dem Lagergehäuse gehaltenen Wälzlager, das
in konventioneller Weise ausgestaltet ist und mit der äußeren Umfangsfläche des
Außenlaufrings
an der inneren Umfangsfläche
der Hülse
abgestützt
ist und eine Welle drehbar lagert. Das Wälzlager wird von zwei Segmenten
unterschiedlicher Steifigkeit umfänglich gestützt. Hierzu weist die Hülse an ihrer äußeren Umfangsfläche eine
Aussparung auf, die in Umfangsrichtung in einem Winkel von 50° ausgespart
ist. Bei einem alternativen Ausführungsbeispiel ist
die Aussparung an dem Lagergehäuse
vorgesehen. Bei dieser Ausführungsform
fehlt es an einer Hülse.
Die Ausführung
der Aussparung entspricht der Aussparung an der vorerwähnten Hülse. Die
Aussparung ist in beiden Fällen
mit einer gleichbleibenden Tiefe ausgeführt.
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Die
aus dem Stand der Technik bekannte Anordnung weist den Nachteil
auf, dass entweder durch eine zusätzliche Hülse oder aber durch Modifikationen
an dem Lagergehäuse
die Aussparung ausgebildet werden muss, da bei dem gattungsbildenden Stand
der Technik davon ausgegangen wird, dass ein konventionelles Wälzlager
zum Einsatz kommt. Darüber
hinaus führt
die Ausgestaltung einer Aussparung mit gleichbleibender Tiefe zu
hohen Belastungsspitzen aufgrund von Kerbwirkung. Zwar können im Bereich
der Spitzenbelastung Spannungsspitzen umverteilt werden. Gleichwohl
ergibt sich am Übergang
zwischen der Aussparung und demjenigen Bereich der Hülse, der
flächig
an dem Gehäuse
anliegt, ein Steifigkeitssprung, aus dem im Lager Spannungsspitzen
resultieren.
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Eine
weitere Lageranordnung ist beispielsweise auch aus der
JP 51 149 444 A bekannt,
bei der Außenlagerlaufring
eine exzentrische Bohrung aufweist, in welcher die Wälzlagerelemente
wie auch der Innenlagerlaufring drehbar gelagert sind. Der Außenlagerlaufring
hat wiederum eine kreisrunde Außenumfangsfläche, die
in einer entsprechenden Bohrung eines Gehäuses verdrehbar gelagert ist,
so dass der Innenlagerlaufring durch Drehung des Außenlagerlaufringes
in dem Gehäuse
lagegenau positioniert werden kann.
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Nicht
zuletzt im Hinblick auf den hohen Verschleiß von Wälzlagern in der Industrie (dem
Automobilbau und dergleichen) und der damit einhergehenden verminderten
Verfügbarkeit
der die Wälzlager
aufweisenden Maschinen und Anlagen wird zunehmend eine Wälzlageranordnung
gefordert, die sich durch eine besondere Langzeitstabilität auszeichnet.
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Dementsprechend
liegt der vorliegenden Erfindung das Problem zugrunde, eine Wälzlageranordnung
mit erhöhter
Lebensdauer anzugeben.
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Das
der Erfindung zugrundeliegende Problem wird mit der vorliegenden
Erfindung durch eine Wälzlageranordnung
mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Ein alternativer Lösungsvorschlag
ist in Anspruch 21 angegeben. Beiden alternativen Lösungsvorschlägen der
Erfindung liegt die Überlegung zugrunde,
dass die Spitzenkontaktbelastung in den Wälzlagern dadurch herabgesetzt
wird, dass über das
erste Segment hinweg eine weniger starre Abstützung zwischen dem Innenlagerlaufring
und dem Außenlagerlaufring
bzw. der Lagerschale und dem Lagerkonus vorgesehen ist.
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Durch
die Herabsetzung von Spitzenkontaktbelastungen lässt sich die Standzeit des
Lagers verlängern,
oder alternative können
die Lager so vorbestimmt werden, dass sie ein größeres Außenbelastungsaufnahmevermögen haben.
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Übliche Wälzlager
haben einen inneren und einen äußeren Laufring,
welche rotationssymmetrisch ausgelegt sind. In anderen Worten ausgedrückt bedeutet
dies, dass bei einem Radialschnitt durch eine beliebige Umfangsstelle
man die gleiche Querschnittsgestalt und die gleiche Querschnittsfläche erhält. Nach
der Erfindung ist der Innenlaufring und/oder der Außenlaufring
des Lagers mit Umfangssegmenten versehen, welche in Abhängigkeit
von Wälzelementkontaktbelastungen
flexibler im Vergleich zu den anderen Segmenten sind. Eine derartige „konstruktionsbedingte
Asymmetrie" lässt sich
dadurch bereitstellen, dass man die Lagertragkonstruktion oder die
Lagerlaufringe selbst modifiziert.
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Bei
der erfindungsgemäßen Wälzlageranordnung
sind in Umfangsrichtung zwei verschiedene Umfangselemente vorgesehen,
nämlich
ein erstes Umfangselement mit einer verminderten ggf. sich in Umfangsrichtung
kontinuierlich ändernden
steifen Abstützung
und ein zweites Segment, welches durch den verbleibenden Rest umfang
ausgebildet ist. Im Gegensatz zum gattungsbildenden Stand der Technik
ist bei der erfindungsgemäßen Wälzlageranordnung
an der Grenzfläche
zwischen einer der Außenlagerringflächen und
dem Lagergehäuse über das erste
Umfangselement ein Bereich mit einer weniger steifen Abstützung vorgesehen.
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Wenn
man die flexibleren Umfangssegmente in dem Bereich anordnet, an
welchem einwirkende Spitzenbelastungen zu erwarten sind, erhält man eine
Herabsetzung einer Spitzenkontaktbelastung. Diese Herabsetzung führt zu einem
Lager, welches längere
Standzeitcharakteristika hat, und das Lager läßt sich auch bei höheren anliegenden
Belastungen einsetzen. Verschiedene, bevorzugte Ausführungsformen
der Erfindung beschreiben die Techniken, mittels welchen asymmetrische
Flexibilitätseigenschaftn
bei dem Lager bereitgestellt werden.
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Zusätzlich zu
der Umfangsverteilung der einwirkenden Belastung können Wälzlager
einer Fehlausrichtung zwischen den inneren und äußeren Lagerlaufringen ausgesetzt
sein. Eine derartige Fehlausrichtung sowie weitere Einflußgrößen können verursachen,
daß die
Kraftverteilung entlang des Linienkontakts zwischen den Wälzelementen
und den Laufringen ungleichmäßig wird.
Beträchtlich
höhere
Kräfte
und hieraus resultierende höhere
Belastungen können
an einem axialen Ende der Wälzelemente
im Vergleich zu den anderen Stellen auftreten. Zusätzlich zu
Verhältnissen,
bei denen ein axiales Ende eines Wälzelements unproportional belastet wird,
können Übergangsbelastungszustände entlang den
Lagerelementkontaktlinien auftreten. Unter diesen Umständen ändert sich
die Spitzenbelastung zwischen den Enden der Lagerelemente, oder
ein Wälzelement
hat wiederholt eine höhere
Grundbelastung im Mittel als das andere Element. Die bei der durch
eine anliegende Belastung verursachten Belastungen wird durch eine
Herabsetzung der Spitzenbelastung und eine Eliminierung der Übergänge entlang
der Wälzelementkontaktlinien
ebenfalls versucht, die Lagerstandzeit zu verlängern.
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Unter
Berücksichtigung
der vorstehenden Ausführungen
gibt die Erfindung ferner Techniken an, mit denen man eine bessere Gleichmäßig bei
der Belastungsverteilung entlang den Lagerelementkontaktlinien dadurch
erhält,
daß man
selektiv Teile mit einer axialen Länge einer der Lagerlaufringe
mit einer größeren Flexibilität versieht.
Diese vergrößerte Flexibilität kann man
entweder dadurch erhalten, daß man
das Lagergehäuse
modifiziert oder die Laufringe selbst modifiziert.
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Weitere
Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus
der nachstehenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen unter
Bezugnahme auf die beigefügte
Zeichnung. Darin zeigt:
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1 eine schematische Ansicht
eines Kegelrollenlagers zur Verdeutlichung einer anliegenden Kraft,
welche eine beträchtliche
radiale Komponente hat, wobei die Reaktionskräfte gezeigt sind, welche auf
die Wälzlagerelemente
wirken, sowie ihre Umfangsverteilung,
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2 ein Diagramm zur Verdeutlichung
der Druckbelastungen über
die Wälzkörperposition
um den Umfang eines Lagers sowohl für ein übliches Lager als auch für ein Lager
nach der Erfindung,
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3 eine schematische Ansicht
eines Lagerlaufrings bzw. einer Lagerschale nach der Erfindung,
welcher Teile an der Rückfläche hat,
welche über
ein Umfangssegment ausgenommen sind, um eine größere axiale Nachgiebigkeit
des Laufrings in dem Bereich des Segments bereitzustellen,
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4 eine Radialschnittansicht
durch eine Lagerschale nach der Erfindung zur Verdeutlichung eines
alternativen Vorschlags zur Bereitstellung von Umfangssegmenten
mit größerer radialer
Flexibilität,
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5 eine Radialschnittansicht
eines Kegelrollenlagers zur Verdeutlichung der Lastverteilung, welche
auf eine Wälzelement-Kontaktlinie
in Abhängigkeit
von einer Belastungsfehlausrichtung wirkt,
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6 ein Diagramm zur Verdeutlichung
der Kompressionsbelastungen, aufgetragen über der Wälzkörperposition für die großen und
kleinen Enden der Kegelrollenlager-Wälzelemente des in 5 gezeigten Lagers,
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7 eine schematische Ansicht
einer Lagerschale bzw. eines Laufrings nach einer bevorzugten Ausführungsform
nach der Erfindung, welche derart modifiziert ist, daß eine gleichmäßigere Verteilung
der Belastungen auf die Lagerwälzelementkontaktlinien
erzielt wird,
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8 eine schematische Ansicht
eines Lagers nach der Erfindung zur Verdeutlichung der Kontaktlinien-Belastungsverteilung
eines nach der Erfindung modifizierten Lagers,
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9 ein Diagramm zur Verdeutlichung
der Belastungen der großen
und kleinen Enden eines Kegelrollenlager-Wälzelements an verschiedenen Umfangspositionen
zur Verdeutlichung der Verbesserung der Gleichmäßigkeit der Lastverteilung
eines nach der Erfindung modifizierten Lagers,
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10 eine Radialschnittansicht
durch eine Lagerschale, welche nach der Erfindung modifiziert ist,
um eine Herabsetzung der Belastung am kleinen Ende zu erzielen,
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11 eine Radialschnittansicht
durch eine Lagerschale gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
nach der Erfindung, bei der die Rückfläche modifiziert ist, um eine
Entlastung hinsichtlich der Belastungen an dem großen Ende
zu erzielen,
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12 eine Radialschnittansicht
einer Lagerschale nach der Erfindung, welche eine Ausnehmung an
einer Rückseite
zur Herabsetzung der Belastungen am kleinen Ende hat,
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13 eine Radialschnittansicht
durch eine Lagerschale nach der Erfindung, welche eine Herabsetzung
der maximalen Belastung bereitstellt, welche aus einwirkenden Belastungen
sowie aus einer Lagerfehlausrichtung resultiert,
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14 eine Radialschnittansicht
durch eine Lagerschale nach der Erfindung, wobei ein Vorschlag gezeigt
ist, mittels dem die Nachgiebigkeit einer Lagerschale dadurch beeinflußbar ist,
daß stufenförmige Änderungen
in der radialen Dicke der Schale vorgesehen werden,
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15 eine Radialschnittansicht
einer Schale gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
nach der Erfindung, bei der eine modifizierte Rückfläche vorgesehen ist, welche
sowohl eine Herabsetzung einer maximalen Belastung in Abhängigkeit
von einer Radialbelastung als auch eine Herabsetzung der Belastungen
am großen
Ende bereitstellt,
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16 eine Radialschnittansicht
einer Lageranordnung gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
nach der Erfindung, welche in Verbindung mit einem Lager gehäuse zur
Modifizierung der Belastungsverteilung auf die Lagerelemente eingesetzt wird,
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17 eine Radialschnittansicht
einer weiteren Lageranordnung nach der Erfindung zur Verdeutlichung
einer alternativen Vorgehensweise zur Modifizierung der Nachgiebigkeit,
bei dem ein Schlitz in dem Lageraußenlaufring ausgebildet wird,
und
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18 eine Radialschnittansicht
einer Lageranordnung nach der Erfindung mit einer zylindrischen
Lagerauslegung zur Verdeutlichung von alternativen Ausführungsvarianten
zur Umverteilung der anliegenden Belastungen.
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Zum
Zwecke der Erläuterung
der neuartigen Merkmale nach der Erfindung werden einige allgemeine
Prinzipien der Lagerauslegung und -belastung nachstehend unter Bezugnahme
auf die 1 und 2 näher beschrieben. 1 zeigt eine repräsentative Darstellung
einer Kegelrollenlageranordnung, welche insgesamt mit dem Bezugszeichen 10 versehen ist.
Das Kegelrollenlager 10 umfaßt einen Lageraußenlaufring
oder eine Lagerschale 12, einen Lagerinnenlaufring oder
einen Konus 14, und eine Anzahl von Kegelwälzlagerelementen 16.
Die Lagerschale 12 hat einen zylindrischen Außendurchmesser 18, eine
radiale Rückfläche 20 und
eine Vorderfläche 22, sowie
eine konische Fläche,
welche die Lauffläche 24 bildet.
Der Lagerkonus 14 hat einen Innendurchmesser 26,
eine radiale Rückfläche 28 und
eine Vorderfläche 30 sowie
eine konische Fläche,
welche die Lauffläche 32 bildet.
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Das
in 1 schematisch dargestellte
Wälzlager 10 ist
einer Außenbelastung
ausgesetzt, welche auf die Lagerlaufringe senkrecht zu ihrer Oberfläche wirkt,
und welche mit dem mittleren Kraftvektor bezeichnet mit "F" angegeben ist, welcher bei diesem Beispiel
eine stationäre
Ausrichtung bezüglich
der Lager schale 12 aufrechterhält. Die anliegende Kraft F
wird in eine mit Fr bezeichnete Radialkomponente und
eine mit Fa bezeichnete Axialkomponente
aufgeteilt (die Axial- und Radialrichtungen des Lagers stimmen mit
der Richtung der Vektorkomponenten Fa und Fr jeweils überein). Die anliegende Kraft
F erzeugt Reaktionskräfte,
welche um die Lageranordnung durch den Kontakt zwischen den einzelnen
Lagerelementen 16 an ihren Kontaktlinien mit der Schale 12 und
dem Konus 14 verteilt werden. Die resultierenden Kräfte, welche
auf die jeweiligen Lagerelemente 16 wirken, sind in 1 gezeigt und sie sind mit
den Kraftvektoren Lr bezeichnet. Obgleich
die Wälzkörperbelastungen
Lr entlang den Kontaktlinien der jeweiligen
Kegelelemente 16 verteilt sind, sind sie als ein einziger
mittlerer Kraftvektor in dieser Figur aus Vereinfachungsgründen dargestellt.
Die Winkelerstreckung der "Belastungszone" in Umfangsrichtung um
die Lagerschale 12 ist durch den Winkel ψ bezeichnet
und bezieht sich auf das Verhältnis
zwischen den radialen und axialen Komponenten der anliegenden Belastung
F (Fr/Fa). Wenn
dieses Verhältnis
größer wird,
wird die Winkelerstreckung ψ der Belastungszone
kleiner und umgekehrt. Wie in 1 gezeigt
ist, ist es für
ein Kegelrollenlager 10 möglich, daß es sehr stark über einen
relativ niedrigen Prozentsatz des Lagerumfangs infolge eines hohen Lastverhältnisses
radial-zu-axial belastbar ist. Bei der Darstellung nach 1 erstrecken sich die Wälzkörperbelastungen
Lr etwa um 200° des Umfangs der Schale 12,
obgleich die stärker
belasteten Bereiche etwa ein Drittel des Umfangs oder etwa 120° einnehmen.
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2 zeigt eine Kurve 34,
welche sich auf die Druckbelastungen bezieht, die aus unterschiedlichen
Wälzkörperkontaktbelastungen
Lr resultieren, welche auf der Y-Achse an
verschiedenen Wälzkörperpositionen
in Graden aufgetragen sind, die auf der X-Achse angegeben sind.
Wie gezeigt, treten bei der Lastverteilung scharfe Spitzen auf,
welche auf einen relativ schmalen Umfangswinkelbereich begrenzt sind.
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Die
verallgemeinerten Belastungsverhältnisse
nach den 1 und 2 sind nicht atypisch. Es
gibt viele Anwendungsfälle,
bei denen eine große
einwirkende Belastung auf ein Wälzlagerelement
vorhanden ist, welches eine feste Orientierung bezüglich der Lagerschale
hat. Bei einem Kraftfahrzeug-Radlager beispielsweise ist eine konstante
Belastung vorhanden, welche sich durch das Gewicht des Fahrzeugs ergibt,
welches auf die Lagerelemente wirkt. Es gibt aber auch andere Lageranwendungen,
bei denen ein großes
Lastverhältnis
von radial-zu-axial vorhanden ist, wobei die Radialbelastung bezüglich des
Lagerkonus im Gegensatz zur Schale stationär ist. Bei solchen Beispielen
wirken hohe Belastungen wiederholt an festen Bereichen des Konus
ein, welche zu einem frühzeitigen
Lagerversagen sogar dann führen
können,
wenn diese Belastungen auf die Lagerschale wirken.
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Die
Ermüdungsfestigkeit
eines Wälzlagers und
das maximale Belastungsaufnahmevermögen steht in unmittelbarem
Zusammenhang mit der maximalen Belastung, welche zwischen den Wälzelementen
und den Lagerlaufringen auftreten. Daher führt ein Versuch einer Auslegungsveränderung
eines Lagers, bei dem die Spitzenbelastungen nach den 1 und 2 herabgesetzt werden, dazu, daß man die
Lagerstandzeit selbst dann erhöhen
kann, wenn die Winkelerstreckung dieser Belastungen vergrößert wird.
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Ein
Lösungsgedanke
nach der Erfindung befaßt
sich mit der Verbesserung der Wälzlager-Standzeit
durch eine Herabsetzung der Spitzenbelastungen, welche festgestellt
werden, wenn hohe anliegende Belastungskomponenten vorhanden sind. Derartige
Herabsetzungen der Spitzenbelastung werden dadurch erzielt, daß die Flexibilität eines
Lagerlaufrings in ausgewählten
Bereichen des Lagers abgestimmt und eingestellt wird. Wenn die Flexibilität des Lagerlaufrings
größer wird,
lassen sich Spitzenbelastungen herabsetzen. Das übliche Kegelrollenlagerelement,
welches in 1 gezeigt
ist, hat eine Lagerschale 12 und einen Konus 14,
welche eine symmetrische Auslegung haben, d.h. alle Radialquer schnittssegmente
sind im wesentlichen übereinstimmend
ausgelegt. Nach der Erfindung wird diese Symmetrie durchbrochen,
um Umfangssegmente eines (oder beider) Lagerlaufringe bereitzustellen,
welche eine geringere axiale Steifigkeit oder eine größere Flexibilität haben.
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3 zeigt eine erste bevorzugte
Ausführungsform
einer derartigen Lageranordnung. Bei der dargestellten bevorzugten
Ausführungsform
und jenen, die nachstehend in der Beschreibung näher erläutert werden, werden die Bezugszeichen,
welche in der Beschreibung der Lageranordnung 10 zuerst
verwendet wurden, insoweit wiederholt, daß sie mit den Einzelheiten übereinstimmen,
die in 1 gezeigt sind.
Wie in 3 gezeigt ist,
umfaßt
eine Lagerschale 36 ein modifiziertes Umfangssegment 38 an der
Rückfläche 20,
welches aus der Ebene des verbleibenden, unmodifizierten Segments 40 der
Rückfläche derart
ausgenommen oder ausgeschnitten ist, daß das modifizierte Segment
eine verminderte axiale Dicke hat. Wie in 3 gezeigt ist, beläuft sich das modifizierte Segment 38 auf
etwa 120° des
Umfangs der Lagerschale 36. Die über dem Segment 38 liegenden
gebrochenen Linien bezeichnen die Ebene des nicht modifizierten
Segments 40. Das modifizierte Segment 38 ist unterhalb
der Oberfläche
des Segments 40 ausgeschnitten und könnte eine Ebene definieren,
welche parallel zu der Ebene des Segments 40 ist. Daher
ist die Querschnittsfläche
der Schale im modifizierten Segment 38 kleiner als bei
dem unmodifizierten Segment 40. Die bei dem modifizierten Segment 38 abgenommene
Materialmenge ist proportional zu dem Ausmaß der asymmetrischen Wälzlagerbelastung
an dieser Position. Die Wirkung der Materialabnahme beim modifizierten
Segment 38 bezieht sich auf die Tatsache, daß die Rückfläche 20 in diesem
Bereich einen Spalt oder einen Bereich mit einer weniger starren
Kopplung mit dem sie umgebenden Gebilde zwischen demselben und dem Schalengehäuse 42 bildet,
wie dies in 3 gezeigt ist.
Das Schalengehäuse 42 hat
eine zylindrische Innenfläche 43 und
eine radiale Fläche 45,
welche beide derart dimensioniert sind, daß sie die Lagerschale 12 abstützen in
enger Anlage aufnehmen.
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Durch
das Vorsehen eines Spalts oder eines Bereiches mit einer geringen
steifen Kopplung zwischen der Schale 36 und einer der beiden
Schalengehäuseflächen 43 und 45 wird
eine größere Flexibilität bereitgestellt,
da die Schale sich in Querrichtung infolge der weniger steifen Abstützung durch
das Schalengehäuse
in diesem Bereich verformen kann. Die Wälzelementbelastungen im modifizierten
Segment 38, welches durch das Schalengehäuse 42 weniger
steif abgestützt
wird, werden herabgesetzt, wenn die Schale 36 sich von
den Wälzelementen 16 weg
verformt. Das unmodifizierte Segment 40 bleibt starr abgestützt und
wird gezwungen, Teile von den ausgenommenen Belastungen aufzunehmen,
um einen Gleichgewichtszustand aufrechtzuerhalten. Bei dieser Modifikation
erhält
man das Resultat einer Abnahme der maximalen Größe der Belastung zusammen mit
einer Verteilung auf das Umfangssegment, welches dieser Belastung
ausgesetzt ist, und welche mit der Kurve 47 in 2 gezeigt ist. Eine derartige Abnahme
der maximalen Belastung ermöglicht
eine verbesserte Ermüdungsfestigkeit
für das
Lager und ein größeres maximales
Belastungsaufnahmevermögen.
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Es
sollte noch erwähnt
werden, daß verschiedene "Spalte", welche in 4 und den vielen anderen
Figuren gezeigt sind, aus Übersichtlichkeitsgründen hinsichtlich
der Darstellung bei einigen Anwendungsfällen überzeichnet sind. Bei einem
speziellen Anwendungsfall kann ein feststellbarer Spalt nicht vorhanden
sein, obgleich sich die Flexibilität im Laufring durch die Modifikation
des Laufringes variieren kann. In einigen Fällen kann der gezeigte "Spalt" lediglich eine örtliche
Verminderung des Ausmaßes der
Paarung für
den Preßsitz
der Teile sein.
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4 stellt eine alternative
Ausführungsform einer
modifizierten Lagerschale nach der Erfindung dar, welche insgesamt mit
dem Bezugszeichen 44 versehen ist. Die Schale 44 ist
auch im Zusammenhang mit einem Umfangssegment am Umriß modifiziert,
wobei in diesem Fall eine radiale Dicke vermindert ist. 4 ist eine Radialschnittansicht
durch die Schale 44 und zeigt in gebrochenen Linien den
Umriß des
unmodifizierten Teils des Aussendurchmessers 18, wodurch
eine zylindrische Fläche
begrenzt wird, deren Mittelachse zu dem Begrenzungsdurchmesser 18 ist.
Der modifizierte Außendurchmesserbereich 46 hat
einen kleineren Durchmesser als der restliche Teil des Außendurchmessers 18.
Das modifizierte Segment 46 bildet einen Radialspalt oder
einen Bereich mit geringerer Steifigkeit bezüglich der Schalengehäuseoberfläche 43,
und der modifizierte Bereich hat folglich eine größere radiale
Flexibilität, wodurch
eine Abnahme der Stärke
der Belastungen erzielt wird, wie dies mit der Kurve 47 in 2 verdeutlicht ist.
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Auch
sollte noch erwähnt
werden, daß die asymmetrischen
Varianten bei der Flexibilität
der Lagerelemente (d.h. die strukturelle Asymmetrie) entweder durch
eine Modifikation einer Lageranordnungskomponente, wie der Lagerschalen 36 und 44, wie
dies voranstehend beschrieben ist, oder durch eine geeignete Modifikation
des Schalengehäuses 42 erzielt
werden kann. Wenn das Schalengehäuse 42 derart
ausgebildet ist, daß es
eine nicht kreisförmige
Innenfläche 43 hat,
welche Bereiche mit größerem Durchmesser
(oder eine nicht-planare Stützfläche 45)
hat, um einen Spalt oder einen Bereich mit verminderter Abstützung an
ausgewählten
Teilen der Lagerschale zu erzeugen, läßt sich der gleiche Effekt hinsichtlich
der vergrößerten Flexibilität über einen begrenzten
Winkelbereich hinweg erzielen.
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Infolge
der örtlichen
Modifikationen der Lagerschalen 36 und 44 ist
es erforderlich, diese modifizierten Bereiche bezüglich der
einwirkenden Belastung F in geeigneter Weise auszurichten oder diesen zuzuordnen.
Hinsichtlich dieser Zuordnung gibt es zahlreiche, unterschiedliche
Vorschläge.
Beispielsweise kann eine Indexiermarkierung 48, wie dies
in 3 gezeigt ist, genutzt
werden. Die Kennmarkierung 48 kann derart beschaffen sein,
daß sie
in gegenüberliegender
Anordnung zu einer ähnlichen Markierung
am Schalengehäuse 42 kommen
soll oder daß diese
einer körperlichen
Einzelheit des Schalengehäuses 42 zugeordnet
wird. Ferner können
Zwangszuordnungseinzelheiten, wie Schlitze, Keilnuten usw. eingesetzt
werden, um eine spezielle zugeordnete Winkelposition sicherzustellen.
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Zusätzlich zu
der ungleichmäßigen Umfangsbelastungsverteilung,
bewirkt durch die Radialkräfte,
können
andere Belastungsverhältnisse
starke Eigenbelastungen mit einer Begrenzung der Lagerstandzeit
hervorrufen. Ein Umstand derartiger Spitzenbelastungen ergibt sich
als Folge einer Fehlausrichtung zwischen der Lagerschale 12 und
dem Konus 14. Bei den Fehlausrichtungsverhältnissen
kann die Belastungsverteilung entlang den Kontaktlinien der jeweiligen
Wälzelemente 16 mit
den Laufringen 12 und 14 stark ungleichmäßig sein. 5 zeigt die Belastungsverteilung
an einer Kontaktlinie eines Kegelwälzelements 16, wobei
wesentlich höhere
Normalkräfte
an dem großen
Ende 50 des Elements (d.h.dem Ende mit dem größeren Durchmesser)
als an dem kleinen Ende 52 vorhanden sind.
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6 gibt eine schematische
Darstellung der Lagerelementkontaktbelastungen für einen Anwendungsfall wieder,
bei dem das Lager einer hohen Radialbelastungskomponente ausgesetzt
ist, sowie eine Fehlausrichtung vorhanden ist. Die Kurve 54 gibt
die Kontaktbelastungen am großen
Ende 50 wieder, während
die Kurve 56 die Belastung am kleinen Ende wiedergibt.
Wie bei dem Fall der zuvor angegebenen bevorzugten Ausführungsformen,
welche sich nur mit der Umfangsbelastungsverteilung befassen, beeinflußt das Vorhandensein
der Spitzenbelastungen gemäß dem Kurvenzug 54 in
nachteiliger Weise die Lagerermüdungsfestigkeit
und das als Nennwert vorgegebene Belastungsaufnahmevermögen. Ferner
können
unzweckmäßige Übergangsverhältnisse auftreten, bei
denen höhere
Belastungen abwechselnd zwischen den Enden des Wälzelements auftreten. Nach
der Erfindung werden diese Lagerbelastungen auf die bei den voranstehend
beschriebenen Beispielen angegebene Weise durch Vorsehen einer größeren Flexibilität in den
Bereich der höheren
Normalbelastung herabgesetzt, wodurch versucht wird, diese Belastungen
herabzusetzen. Hierdurch werden die Normalbelastungen an dem großen und
dem kleinen Ende vergleichmäßigt.
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Eine
bevorzugte Ausführungsform
zur Erzielung dieses Ergebnisses ist darin zu sehen, daß Teile des
Außendurchmessers 18 der
Lagerschale abgenommen werden, welche die hohe Kantenbelastung abstützen. In
diesem in 5 gezeigten
Beispiel ist das große
Ende 50 stärker
belastet und daher sind Teile des Schalenaußendurchmessers 18,
welche dem großen
Ende 50 des Elements gegenüberliegen, entfernt. Wie in 7 gezeigt ist, wird das
Material von der Außendurchmesserfläche 18 der
Schale 53 in gleichmäßig konischer
Gestalt, ausgehend von der Ausgangsfläche, abgetragen, welche dem kleinen
Ende 52 gegenüberliegt,
und die konische Ausbildung erzeugt einen Spalt in dem Bereich,
welcher dem großen
Ende 50 gegenüberliegt,
so daß man
eine konische bzw. sich verjüngende
Fläche
erhält.
Wiederum ist die abgetragene Materialmenge proportional zu der Größe der Kantenbelastung.
Ein Teil des Außendurchmessers 18 muß jedoch
an dem ursprünglichen
Außendurchmesser
verbleiben, um sicherzustellen, daß die Schale in geeigneter
Weise in dem Schalengehäuse 42 sitzt.
Da der Teil des Schalenaußendurchmessers 57,
welcher dem großen
Ende 50 gegenüberliegt,
nicht die Schalengehäusefläche 53 berührt oder
weniger starr durch das Gehäuse
abgestützt
ist, kann es sich leichter in einer radialen Richtung biegen. Das
Ergebnis dieser Modifikation ist in den 8 und 9 angezeigt. 8 zeigt die gleichmäßigere Lastverteilung über die
Kontaktlinien des Wälzelements 16 hinweg
und zeigt den Radialen Spalt 58, welcher einen Bereich
mit geringerer Steifigkeit darstellt, welcher in dem Bereich vorhanden
ist, welcher dem großen
Ende 50 des Elements gegenüberliegt, und zwar an der Grenzfläche zwischen
der Lagerschale 53 und dem Gehäuse 42. Die Wirkung
dieser Modifikation ist in 9 gezeigt,
welche verdeutlicht, daß die
Belastungen für
die großen und
kleinen Enden 54 und 56 jeweils bezüglich einander
vergleichmäßigt sind.
Wie vorstehend angegeben ist, wird durch eine Herabsetzung der höheren Spitzenbelastungen,
wie dies in 6 gezeigt
ist, die Langlebigkeit des Lagers gefördert.
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10 zeigt eine modifizierte
Lagerschale 66, welche eine konische Außenfläche 67 hat, welche
in Gegenrichtung zu jener der Lagerschale 53 konisch ausgebildet
ist, wie dies in 7 gezeigt
ist. Diese bevorzugte Ausführungsform
dient dazu, eine Entlastung für
eine höhere
Kontaktbeanspruchung zu schaffen, welche in dem Bereich des kleinen
Endes 52 der Lagerschale vorhanden ist. Wiederum ist ein
mit 68 bezeichneter Bereich an dem Ausgangslagerdurchmesser 18 zur
Sitzanlage der Schale vorhanden.
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Die
Erfinder haben durch Versuche aufgefunden, daß man die Korrektur der ungleichmäßigen Belastungsverteilungen
entlang den Kontaktlinien der Wälzelemente 16 auch
dadurch beeinflussen kann, daß man
beeinflußbare
Spalte oder Bereiche mit geringerer Steifigkeit an der Grenzfläche zwischen
der Lagerrückfläche 20 und
der Seitenfläche 45 des
Schalengehäuses
vorsieht. Die Schale 72, welche in 11 gezeigt ist, umfaßt eine Rückfläche 74, welche eine
Fläche
hat, die konisch ausgebildet ist und die geneigt verläuft, um
einen Spalt zu bilden, welcher sich in Radialrichtung in Richtung
nach außen
erweitert. Diese Modifikation stellt einen Spalt oder einen Bereich
mit größerer Flexibilität im konischen
Bereich bereit, weil sich ergeben hat, daß sich hierdurch Kantenbelastungen
am großen
Ende 50 vermeiden lassen. Die Belastungsherabsetzung tritt auf,
da das Material in dem Bereich, welcher modifiziert ist, dazu bei trägt, daß Belastungen
am großen Ende 50 abgestützt werden.
Ein Teil der Rückfläche 20 der
Lagerschale ist dazu bestimmt, eine axiale Lage der Schale 72 in
dem zugeordneten Schalengehäuse 42 bereitzustellen.
Bei einigen Anwendungsfällen
würden
die Modifikationen zur Abstimmung der Belastung entlang der Kontaktlinie
zwischen den Wälzlagerelementen
und den Laufringen zu der Notwendigkeit führen, daß man die entsprechenden Vorkehrungen über 360° und den
Umfang eines Laufrings hinweg trifft. Bei Anwendungsfällen, bei
denen Modifikationen nicht um den Umfang des Lagers zuordenbar sind,
ist eine Zuordnungseinrichtung erforderlich.
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12 verdeutlicht eine Schale 76,
welche auch eine modifizierte Rückfläche 78 hat.
In diesem Fall jedoch erweitert sich der radiale Spalt in radialer Richtung
nach innen. Diese bevorzugte Ausführungsform stellt eine Herabsetzung
der Belastungen am kleinen Ende 52 bereit.
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Bei
einigen bevorzugten Ausführungsformen nach
der Erfindungen, bei denen beabsichtigt ist, die Belastungen in
Abhängigkeit
lediglich von der Fehlausrichtung abzustimmen, kennen Drehzuordnungseinrichtungen
wie im Falle der Schale 36 erforderlich sein. Es gibt jedoch
Anwendungsfälle,
bei denen es erwünscht
ist, eine Entlastung durch Eigenbeanspruchung verursachte Radialbelastungen
zusätzlich
zu einer Entlastung einer nicht-gleichmäßigen Kantenbelastung
zu schaffen. Eine bevorzugte Ausführungsform zur Erzielung einer
derartigen Kombination von Modifikationen ist in 13 gezeigt. 13 zeigt eine Querschnittsansicht durch
eine modifizierte Lagerschale 80. Wie gezeigt, ist der
Ausgangsaußendurchmesser 18 ausgenommen,
um eine Fläche 82 zu
bilden, welche einen Winkel bezüglich
des Ausgangsaußendurchmessers 18 einschließt. Bei
dieser bevorzugten Ausführungsform
jedoch bleibt keine der axialen Längserstreckungen des Außendurchmessers,
an der der Schnitt erfolgt, stehen, und daher ist dieser Bereich
weniger steif durch die Gehäusefläche 43 abgestützt. Da
es erforderlich ist, eine zylindrische Fläche von mehr als 180° um die Lagerschale 80 bereitzustellen,
welche zur Sitzanlage in dem Schalengehäuse 42 kommt, ist
die Modifikation nach 13 nicht
um den gesamten Umfang der Schale vorgesehen, und eine geeignete Drehzuordnung
ist erforderlich. Infolge der Neigung der konischen Fläche 82 zu
dem Ausgangsdurchmesser 18 ist eine Einstellung der Linienkontaktbelastungsverteilung
auf die Wälzelemente 16 vorgesehen.
Ferner ergibt sich infolge der Tatsache, daß ein Radialspalt oder ein
Bereich mit weniger steifer Abstützung
zwischen der Schale 80 und dem Schalengehäuse 42 über die
gesamte axiale Längserstreckung
der Schalenaußenfläche 82 hinweg
entlang des Umfangssegments der Lagerschale vorhanden ist, daß die Radialbelastungsbeanspruchungsverteilung
sich ebenfalls in vorteilhafter Weise einstellt.
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14 zeigt eine modifizierte
Schale 84, welche im Prinzip ähnlich wie die Schale 80 wirkt, welche
in 13 gezeigt ist, abgesehen
davon, daß an
Stelle des Vorsehens einer konischen Außenfläche die Außenfläche aus Segmenten 86, 88 und 90 aufgebaut
ist, welche zylindrische Flächen
mit größer werdenden
Durchmessern haben, wobei alle einen Durchmesser haben, welcher
kleiner als der unmodifizierte Durchmesser der Schalengehäusefläche 43 ist.
Eine derartige bevorzugte Ausführungsform
arbeitet auf die gleiche Weise wie jene Ausführungsform, die in 13 gezeigt ist, aber es
ergeben sich Vorteile hinsichtlich der maschinellen Bearbeitung und
Herstellung. Wie jedoch zuvor angegeben ist, ist es erforderlich,
daß ein
entsprechender Teil des Außenumfangs
der Lagerschale 84 vorhanden ist, welcher in Sitzanlage
in dem zugeordneten Lagergehäuse
kommt.
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15 verdeutlicht eine Lagerschale 92, welche
auch eine Entlastung einer maximalen Eigenbelastung bereitstellt,
welche durch eine anliegende Belastung an gewünschten Umfangssegmenten aufgebracht
wird, und die auch eine Umverteilung der Belastungen zwischen den
großen
und den kleinen Enden 50 und 52 des Wälzelements
vornimmt. Durch eine Modifikation der gesamten Rückfläche 94, welche eine
geneigte Fläche
darstellt, erhält
man einen axialen Spalt oder einen Bereich mit verminderter Steifigkeit,
welcher zur Belastungsentlastung unter Zuordnung zu einer anliegenden
Belastung beiträgt. Die
Neigung der Rückseitenfläche 94 ermöglicht eine relative
Einstellung der Belastungen zwischen den großen und den kleinen Enden 50 und 52 des
Elements. Die dargestellte Schale 92 stellt eine größere Herabsetzung
der Belastungen am großen
Ende 50 bereit.
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16 verdeutlicht eine bevorzugte
Ausführungsform
einer Lageranordnung 96, bei welcher Modifikationen für eine Flexibilität der Lageranordnung nicht
durch eine Modifikation der Schale 12 oder des Konus 14 bereitgestellt
werden, sondern im Zusammenhang mit den Konstruktionen, welche mit
diesen Teilen zusammenwirken. In 16 ist
die Fläche 98 des
Schalengehäuses 42,
welches normalerweise vollständig
in Kontakt mit der Lagerschalenrückfläche 20 ist,
ausgenommen, um einen keilförmigen Spalt 102 oder
einen Bereich mit verminderter Abstützung zu bilden. Das Vorhandensein
des Spalte 102 vergrößert die
Flexibilität
der Lager 12 in dem dem kleinen Ende 52 gegenüberliegenden
Bereich, wobei man dieselben Effekte wie bei der Modifikation nach 12 erhält. In ähnlicher Weise könnte die
Innenfläche 43 des
Schalengehäuses 42 entweder
entlang der gebrochenen Linie 104 oder 106 entlastet werden,
um Herabsetzungen der Belastungen an dem kleinen und dem großen Ende
jeweils zu erzielen, oder man kann die Auslegung wie bei den bevorzugten
Ausführungsformen
treffen, die in den 7 und 10 gezeigt sind.
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17 verdeutlicht eine weitere
bevorzugte Ausführungsform
der Erfindung, bei der eine vergrößerte Flexibilität nicht
durch eine Modifikation der Grenzfläche zwischen der Lagerschale 12 und
dem Gehäuse 42 bereitgestellt
wird, sondern durch die Kompressibilität eines der Lagerelemente,
in diesem speziellen Anwendungsfall der Lagerschale 108.
Die Schale 108 hat einen Schlitz 110, welcher
in der Schalenvorderfläche 22 ausgebildet
ist, wodurch sich die radiale Kompressibilität der Schale in diesem Bereich
vergrößert, so
daß man
die gleichen Belastungsherabsetzungen bereitstellen kann, welche man
bei den anderen bevorzugten Ausführungsformen
nach der Erfindung erreicht. Diese Konzepte können nicht nur zur Einstellung
der Belastungen an dem großen
oder einem kleinen Ende benutzt werden, sondern sie können auch
dazu benutzt werden, daß man
die Lastverteilung in Abhängigkeit
von der anliegenden Belastung modifizieren kann. Beispielsweise
könnte
ein Teil des Umfangs der Lagerschale 12 eine Reihe von Öffnungen
aufweisen, welche ausgehend von der Rückfläche 20 in Richtung
der Vorderfläche 22 eingebohrt
sind, wodurch man ein Segment des Umfangs der Schale mit vergrößerter Kompressibilität erhält.
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17 zeigt zusätzlich die
möglichen
Modifikationen an dem Lagerkonus 14, welche entweder zur
Einstellung für
eine ungleichmäßige Kontaktlinienkraftverteilung
genutzt werden, oder auch eine Verminderung der Eigenbelastungen
bereitstellt, die durch eine anliegende Belastung verursacht werden, welche
bei einer Drehbewegung mit dem Lagerkonus 14 auftritt.
In 17 kann die Welle
bzw. der Schaft 112, welche starr an dem Konus 14 angebracht
ist, entlang der Linie 114 ausgenommen sein, oder ein Teil
des Innendurchmessers des Konus 14 kann von der Linie 116 weg
ausgeschnitten sein, um die Flexibilität an örtlichen Umfangssegmenten zu
vergrößern. Die
Konzepte der Lagermodifikation, welche in 17 gezeigt sind, können auch in den Fällen zum Einsatz
kommen, bei denen der Konus 14 stationär ist, währenddem sich die Schale dreht,
oder wenn die Schale stationär
ist und eine Zentrifugalbelastung auf die Drehwelle 112 (und
den Konus 14) wirkt.
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18 zeigt eine Lageranordnung,
welche nach der Erfindung bei einem Zylinderrollenlager vorgesehen
wird. Die Lageranordnung 116 umfaßt einen äußeren Laufring 118,
einen inneren Laufring 120 und zylindrische Lagerelemente
bzw. Wälzelemente 122.
Wie gezeigt ist das Lagerelement 116 innerhalb der Stützkonstruktion
angebracht, welche das äußere Laufringgehäuse 124 und
die Welle 126 umfaßt. Wie
bei den Kegelrollenelementen des Lagers können die zylindrischen Rollenelemente 116 ungleichmäßigen anliegenden
Belastungen und Belastungsverteilungen entlang den Kontaktlinien
zwischen dem zylindrischen Element 122 und den zugeordneten Laufflächen 118 und 120 ausgesetzt
sein. Die Prinzipien der Erfindung, die im Zusammenhang mit Kegelrollenelementen
erläutert
wurden, lassen sich auch bei Lagern mit zylindrischer Auslegung
verwirklichen. Einige alternative Modifikationen sind in 18 gezeigt. Wenn beispielsweise
es erwünscht
ist, die Umfangsbelastungsverteilung auszugleichen, kann ein Teil
des Außenlaufrings 118 ausgenommen
sein. Durch eine maschinelle Bearbeitung entlang der Linie 128 wird
ein Umfangssegment des Außenlaufrings 118 weniger
starr abgestützt,
wodurch man eine Verbesserung hinsichtlich der Belastungsverteilung bzw.
der Eigenbelastungsverteilung erhält, wie dies näher in 2 zuvor beschrieben worden
ist. Wie bei den vorangehend angegebenen bevorzugten Ausführungsformen
ist es erforderlich, eine adäquate
Abstützung
des Außenlaufrings 118 in
dem Außenlaufringgehäuse 124 mit
dieser Modifikation sicherzustellen. Abstimmungen der Belastungsverteilung
entlang den Kontaktlinien zwischen dem zylindrischen Element 122 und
den zugeordneten Laufringen 118 und 120 können dadurch
bereitgestellt werden, daß keilförmige Spalte
oder Bereiche ausgebildet werden, an denen eine Änderung hinsichtlich der Abstützung entlang
der axialen Länge
des Lagerelements auftritt. Diese Modifikationen sind mit den Linien 130 und 132 verdeutlicht.
Aus Übersichtlichkeitsgründen sind
die Spalte, die durch die maschinelle Bearbeitung entlang den Linien 128, 130 und 132 gebildet
werden, in überzeichneter
Form dargestellt. In Abhängigkeit
von dem Anwendungsfall können
weitere Modifikationen bei dem in 18 gezeigten
Lager vorgenommen werden, und zwar am Außenlaufringgehäuse 24,
am inneren Laufring 120 oder an der Welle 126,
wie dies vorstehend im Zusammenhang mit den anderen bevorzugten
Ausführungsformen
erläutert
wurde.
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Obgleich
voranstehend bevorzugte Ausführungsformen
nach der Erfindung erläutert
wurden, ist die Erfindung natürlich
hierauf und die dort angegebenen Einzelheiten nicht beschränkt, sondern
es sind zahlreiche Abänderungen
und Modifikationen möglich,
ohne daß der
Schutzgedanke nach der Erfindung verlassen wird.