DE4335704A1 - Pendelstirnlager - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Pendelstirnlager gemäß der Hauptanmeldung P 43 219 298.4 mit einer oberen und einer unteren jeweils konkaven und rotationssymmetrischen Lagerschale, zwischen denen mindestens zwei Kugeln angeordnet sind und wobei die Krümmungsradien der Lagerschalen in den durch die Mittelachse verlaufenden radialen Ebenen im Kugellaufbereich mindestens dem 2,4- fachen der Kugelradien entsprechen.

Es war bekannt, Meßscheiben, Zählermeßscheiben, Mobiles und feinmechanische Geräteteile leichtgängig drehbar und pendelbar auf einer stehenden Achse stirnseitig durch die Anordnung nur einer Kugel zwischen zwei konkaven Lagerschalen zu lagern. Zur Erreichung einer geringen Reibung wird die Kugel mit möglichst geringem Durchmesser angebildet. Hierdurch ergibt sich eine sehr hohe Druckbelastung in den Berührungspunkten der Kugel und der Lagerschalen, wodurch nach häufiger und langer Drehbelastung die Lagerpunkte verschleißen und die Reibung drastisch ansteigt, obwohl möglichst harte und glatte Materialien für die Lagerschalen und die Kugel verwandt werden. Auch führen axiale Stoßbelastungen leicht zu einer Zerstörung der Lagerpunkte. Insbesondere der feste untere Lagerpunkt ist äußerst gefährdet. Auch sammeln sich dort Staub- und Schmutzpartikel, die schmiergelnd und zerstörend auf dem Lagerpunkt wirken. Auch die bekannten Spitzenlager weisen durch die hohe Druckbelastung im Lagerpunkt nur beschränkte Lebensdauer auf, und sie eignen sich nur für sehr geringe Lasten und Drehzahlen. Diese Nachteile wurden durch die Verwendung mindestens zweier Kugeln gemäß der Hauptanmeldung vermieden.

Eine äußerst bevorzugte Ausführung davon weist zwei Kugeln auf. Diese haben linienförmige Bahnen, wodurch ein ständiges Mahlen auf einem Punkt und somit dessen Abnutzung ausgeschlossen ist. Weiterhin verteilt sich die Axiallast des Lagers stets gleichmäßig auf die zwei Kugeln, wodurch diese in ihrem Querschnitt halbiert werden könne, wenn der gleich Lagerdruck zugelassen ist.

Die beiden Kugeln unterliegen bei einer Lagerdrehung in Berührungspunkten zu den kalottenförmigen Lagerschalen im wesentlichen sehr geringer rollender Reibung. Hinzu kommt jedoch ein drehender, über die Kugeloberflächen sich ständig linienförmig verlagernde Reibungskontakt der Kugeloberflächen aneinander. Auch hier tritt kein punktueller Verschleiß auf; sondern die ständige Verlagerung der Berührungspunkte sowohl auf den Kugeln als auch in den Lagerschalen führt zu einer permanenten Nachglättung. Außerdem ist die Berührungskraft der Kugeln gegeneinander bei dem angegebenen geringsten Krümmungsradius der beiden Laufbahnen in der Achsialebene vom 2,4-fachen des Kugelradius gerade gleich der Achsiallagerlast. Zur Verringerung der Reibung der Kugeln aneinander wird deshalb vorteilhaft die stützende Querkraft zwischen den Kugeln dadurch verringert, daß die Lagerschalenkrümmungen in der Achsialebene möglichst größer als die genannte maximale Krümmung gewählt werden. Das zweckmäßige Größtmaß der Krümmungsradien ist nach den jeweiligen Verhältnissen zu bestimmen.

Der zweckmäßige Krümmungsradius der unteren statischen Lagerschale hängt von der zu erwartenden maximal auftretenden Querkraft auf, die auf das Lager einwirkt, sowie von dem dabei zulässigen Versatz der Achsen der Stützachse und der drehbaren Welle. Die bei dem maximalen Versatz gegebene Verbindungslinie der beiden Kugellagerberührungspunkte in der Lagerschale liegt senkrecht zur Resultierenden aus der Lagerachsialkraft und der Querkraft. Der Schnittpunkt der Resultierenden, die vom Mittelpunkt zwischen den Kugellagerberührungspunkten ausgeht, trifft die Lagerachsen-Mittelachse im Mittelpunkt des Krümmungskreises des Lagerschale.

Ein zweckmäßiger Krümmungsradius der oberen Lagerschale ergibt sich aus einer maximal zu erwartenden Neigung der Wellenkopfachse gegen die Lastachse, wobei die Lagerschalen sowie die Achse zur Welle noch berührungsfrei bleiben müssen. Hierbei sind auch etwa auftretende dynamische Pendelbewegungen zu berücksichtigen. Die Lastachse verläuft bei reiner Schwerebelastung vom Schwerpunkt zum Lagermittelpunkt.

Es sind nach den vorstehenden Dimensionierungsregeln häufig unterschiedliche Lagerschalenradien optimal vorzusehen. Die Kugelberührungskräfte, die sich aus den beiden Lagerschalenkrümmungen ergeben, addieren sich. Im allgemeinen lassen sich die Radien 5- bis 20fach so groß wie der Kugelradius wählen, so daß relativ zur Rollreibung nur äußerst geringe Reibungsverluste durch die Kugelreibung der Kugeln aneinander auftreten.

Die Lagermaterialien werden zweckmäßig je nach der Anwendung aus bekannten reibungsarmen Paarungen, z. B. Stahl mit Achat oder mit Rubin oder Stahl auf Stahl oder Messing, auswählen. Selbstverständlich sind die Oberflächen gut zu polieren, um geringe Reibungen zuerreichen. In Stahl oder Messing läßt sich die Lagerkalotte mittels eine Kugel leicht einprägen oder drücken, und Stahlkugeln hinzugenommen ergibt ein äußerst preiswertes hochwertiges Stirnlager für Artikel des täglichen Bedarfs. Selbst für Lasten von 1 kg genügen zwei Stahlkugeln von 1 mm Durchmesser, so daß das ganze Lager nur kleine Abmessungen hat. Für Meßgeräte, insbesondere Gas, Wasser- und Elektrizitätszählerrotore, ergeben sich wegen der geringeren Reibung der Lager und der hohen Standfestigkeit ganz neue Dimensionierungsaspekte und Gerätequalitäten. Hierfür können aus Achat oder Rubin geschliffene Kalotten genutzt werden.

Die vorstehenden vorteilhaften Eigenschaften lassen sich annähernd auch mit mehr als zwei Kugeln erreichen, und die Dimensionierungen lassen sich, entsprechend der Lastverteilung und den geometrischen Verhältnissen abgewandelt, auf solche Lager übertragen. Es ist jedoch grundsätzlich so, daß mehr Kugeln bei sonst gleichartigen Bedingungen stets mehr Reibungsverluste bringen. Auch ist nur bei bis zu drei Kugeln eine definiert gleiche Lastverteilung auf diese gegeben, bei vier und mehr Kugeln ist mit einer wechselnden Lastverlagerung bei Lagerbewegungen zu rechnen, wobei jeweils im ungünstigsten Fall nur zwei Kugeln tragen und demgemäß die Kugeln nicht kleiner als für 1/2 der Achslast zu dimensionieren sind. Aus diesem Grunde ist es vorteilhaft, solche Lager, die drei, insbesondere vier und mehr Kugeln aufweisen, durch einen zentralen Abstandshalter, der vorzugsweise Zylinder- oder Polygonform hat, zueinander definiert zu lokalisieren und deren gegenseitige Reibung zu verhindern, indem nur am Abstandshalter Stützpunkte, in denen Reibungsverluste entstehen, durch eine entsprechende Querschnitts- Dimensionierung des Abstandhalters geboten werden. Es ist zweckmäßig, einen ganz geringen Abstand der Kugeln voneinander herbeizuführen. Auf diese Weise läßt sich eine weitgehende Lastverteilung zwischen den Kugeln erreichen, und dementsprechend sind diese zu dimensionieren.

Der Abstandshalter ist zweckmäßig etwas niedriger als der Abstand der Lagerschalen, in seiner Höhe also etwa dem Kugeldurchmesser entsprechend. Die Enden des Abstandshalters sind abgerundet, damit die Drehung derselben bei Berührung mit einer Lagerschale leichtgängig ist. Wird ein Zylinder als Abstandshalter genutzt, so ist dieser in der Lage, reibungsmindernd eine Ausgleichsdrehung auszuführen; eine Reibung der Kugeln aneinander läßt sich jedoch damit nicht verhindern; da die Berührung jedoch praktisch kraftlos ist, tritt dort nur sehr geringe Reibung auf, wenn die Welle gedreht wird.

Das Lager wird zweckmäßig mit einer Muffe mit Spiel für das Pendeln und ggf. einen Versatz beabstandet umgeben, die an der Achse angeordnet ist.

Es ist Aufgabe der Erfindung, die Unverlierbarkeit der Kugeln auch bei auseinandernehmbaren Lagern bei vereinfachtem Aufbau zu erbringen.

Die Lösung besteht darin, daß in oder unter der unteren oder in oder über der oberen Lagerschale ein axial orientiert magnetisierter Permanentmagnet angeordnet ist und die Kugeln aus einem magnetisch permeablen Material, z. B. Stahl, bestehen.

Vorteilhafte Ausführungen bezeichnen die Unteransprüche.

Es hat sich als zweckmäßig erwiesen, den Permanentmagneten unter der unteren Lagerschale anzuordnen sowie dieses Lager mit einer zylindrischen Muffe zu umgeben. Auf diese Weise kann auf einen Kragen an der Welle, eine Umbördelung der Muffe sowie einen Sperring verzichtet werden, da der Magnet bei einer Trennung des Lagers die Kugeln fest hält und bei einer Stoßbelastung die Muffe die Kugeln am Heraus springen hindert und sie vom Magneten hinein- und zurückgezogen werden. Auch die Halterung der oberen Lagerschale ist vereinfacht, da sie nur aus einem zylindrischen Stift als die Welle besteht, der reichlich Spiel zur Muffe haben kann, da die Kugeln wegen der Magnetkraft durch den Spalt nicht austreten. Auch bei relativ hohen Muffenwänden ergibt sich deshalb ein großer Pendelwinkel des Wellenstiftes.

Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Fig. 1 und 2 gezeigt.

Fig. 1 zeigt eine erste Ausführung des Lager axial geschnitten;

Fig. 2 zeigt einen Schnitt II-II;

Fig. 1 zeigt einen Axialschnitt eines Pendelstirnlagers mit zwei Kugeln (1, 2). Diese Kugeln sind zwischen zwei Lagerschalen (L1, L2), die kalottenförmig geschliffen sind, angeordnet. Die Lagerschalen (L1, L2) sind in flachzylindrische Lagerkörper (10, 20) eingebracht, die beispielsweise aus Achat oder einem anderen harten Lagerwerkstoff bestehen. Die Oberflächen der Lagerschalen (L1, L2) sind hochfein poliert, um möglichst geringe Reibung zu erbringen. Die zylindrischen Lagerkörper (10, 20) sind stirnseitig in die untere feststehende Achse (11) bzw. andererseits in die obere dreh- und pendelbare Welle (12) eingesetzt. Unter der unteren Lagerschale (L1) ist ein kleiner Permanentmagnet (PM) angeordnet, der beispielsweise aus Keramik als ein rundes Plättchen gepreßt ist und axial magnetisiert ist.

Die Achse ist randseitig muffenartig um das Lager herumgelegt, wobei zu dem Wellenkopf (12) ein Spalt (16) gelassen ist, damit das Lager bei einer auftretenden Querkraft oder bei der Notwendigkeit einer Pendelbewegung ausweichen kann. Dieser zylinderförmige Spalt (16) verläuft im Bereich der Muffe (15) vertikal und ist unten abgerundet auf den Spalt zwischen den beiden Lagerkörpern (10, 20) weitergeführt. Die Höhe der Muffe beträgt beispielsweise das 2- bis 3-fache des Lagerdurchmessers. Da der Spalt (16) weiter als der Kugeldurchmesser sein kann; denn die Kugeln fallen wegen der Magnetkraft nicht heraus; ist auch bei relativ hoher Muffe (15) eine ausreichende Neigungs- und Versatzfreiheit der Welle gegeben. Da von der Welle (12) aus Tragarme (T) nach unten führen, kann obenseitig eine Kappe (K) vorgesehen werden, die einem Verstauben des Lagers entgegenwirkt.

Grundsätzlich ist es vorgesehen, daß die Last (P) in Richtung der zentralen Achse (M) der statischen Achse (11) und der Wellenachse (MW) verläuft, jedoch werden Abwei­ chungen bis zu einem gewissen Grad toleriert, indem die Kugeln (1, 2) seitlich ausweichen und/oder, je nach der Art der Abweichung, der Wellenkopf (12) sich verschwenkt.

Fig. 2 zeigt einen Schnitt II-II in horizontaler Richtung durch das Lager. Die Achse (11) ist teilweise geschnitten, und mittig ist der Lagerkörper (10) mit der ausgearbeiteten Lagerschale (L1) angeordnet. In dieser liegen die beiden Lagerkugeln (1, 2) frei drehbar.

Claims (7)

1. Pendelstirnlager mit einer oberen und einer unteren jeweils konkaven und rotationssymmetrischen Lagerschale (L1, L2) zwischen denen mindestens zwei Kugeln (1, 2) angeordnet sind, und wobei die Krümmungsradien (R1, R2; R1*, R2*) der Lagerschalen (L1, L2) in den durch die Mittelachse (M) verlaufenden radialen Ebenen im Kugellaufbereich mindestens dem 2,4-fachen der Kugelradien (RK) entsprechen, dadurch gekennzeichnet, daß in oder unter der unteren oder in oder über der oberen Lagerschale (L1, L2) ein axial orientiert magnetisierter Permanentmagnet (PM) angeordnet ist und die Kugeln (1, 2) aus einem magnetisch permeablen Material, z. B. Stahl, bestehen.

2. Pendelstirnlager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Permanentmagnet (PM) in oder unter der unteren Lagerschale (L1) angeordnet ist.

3. Pendelstirnlager nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Lagerschale (L1, L2) selbst der Permanentmagnet ist und aus Magnetstahl besteht.

4. Pendelstirnlager nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Permanentmagnet (PM) eine aus Magnetkeramik gesinterte Scheibe ist.

5. Pendelstirnlager nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Achse (11) sich als eine zylindrische Muffe (15), das Lager umgebend nach oben erstreckt, und die Höhe der Muffe (15) ein mehrfaches des Lagerdurchmessers beträgt.

6. Pendelstirnlager nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Spalt (16) zwischen der Muffe (15) und der zylindrischen Welle (12) größer als der Kugeldurchmesser der Lagerkugeln (1, 2) ist.

7. Pendelstirnlager nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es obenendig ein Staubschutzkappe (K) trägt.