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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Drehführung einer
Last und wird insbesondere bei der Führung einer überhängenden
Last angewendet. Sie betrifft allgemein drehende Lasten jeder Einrichtung,
die starken thermischen Veränderungen
ausgesetzt ist und hohe Steifigkeiten benötigen kann.
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Zum
Beispiel im Rahmen der Gestaltung von luftgestützten Einrichtungen stellt
es sich als notwendig heraus, Mechanismen mit immer reduzierteren Abmessungen
und Massen herzustellen, die in der Lage sind, Umgebungen mit starken
Schwingungen, Stöße und Temperaturveränderungen
ohne Verschlechterung oder Veränderung
der Leistungen auszuhalten.
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1 zeigt
eine klassische Gestaltung einer Drehführungsvorrichtung einer überhängenden
Last (nicht dargestellt), die auf ein Tragwerk 1 montiert
ist. Die Führungsvorrichtung
gemäß dem Stand
der Technik weist zwei Paare von vorgespannten Kugellagern 2, 2' auf, die einen
um eine Drehachse (Δ)
drehenden Teil 3 oder Achszapfen tragen, an dem die Last
befestigt ist, und die in einem Gehäuse 4 befestigt sind.
Die thermischen Beanspruchungen, denen zum Beispiel die luftgestützten Einrichtungen
ausgesetzt sind (etwa –55° bis +85°), bedingen
die Verwendung von Titan als Herstellungswerkstoff für den Achszapfen
und das Gehäuse.
Die Differenz des Dehnungskoeffizienten zwischen den Wälzlagern aus
Stahl und ihrer Umgebung beansprucht nämlich die Bauteile und erhöht das Reibungsmoment
der Lager beträchtlich.
Im Kaltzustand würde
so ein Gehäuse
aus Aluminium die äußeren Ringe
der Wälzlager zu
stark komprimieren. Im Warmzustand würde ein Achszapfen aus Aluminium
die inneren Ringe des Wälzlagers
zu stark komprimieren, während
die Spielräume
der äußeren Ringe
durch die Dehnung des Gehäuses
freigegeben würden.
Das Titan, das einen Dehnungskoeffizient nahe dem des Stahls aufweist, ermöglicht es,
diese Wirkungen zu reduzieren. Außerdem hat es eine geringere
Dichte als der Stahl, was es ermöglicht,
die Masse der Einrichtung zu reduzieren. Schließlich bestärkt die Steifheitserfordernis,
der die luftgestützten
Einrichtungen unterliegen, die Wahl des Titans, da nämlich die
Steifheit der Drehachse ebenfalls durch die Steifheit des Achszapfens
vorgegeben wird.
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Diese
klassische Gestaltung hat aber mehrere Nachteile. Insbesondere der
Preis des Titans, seines Formens und seiner Feinbearbeitung, um
vier Lagerungen zu formen, ist hoch. Andererseits ist der Einbau
der Wälzlager
ungenau und mangelt an Wiederholbarkeit bezüglich des Drehmoments und der Unrundheit.
Schließlich
bleiben der Platzbedarf und die Masse der Führungsvorrichtung beträchtlich, trotz
der Verwendung des Titans, aufgrund der Abweichung zwischen den
Drehlagern.
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Die
Druckschrift
US-A-4635330 zeigt
auch eine Drehführungsvorrichtung.
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Die
vorliegende Erfindung ermöglicht
es, die erwähnten
Nachteile zu beseitigen, indem sie eine neue Gestaltung einer Drehführungsvorrichtung
anbietet, die ein kompaktes Lager mit zwei Reihen von Kugeln verwendet,
deren spezifische Form es ermöglicht,
die thermischen Schwankungen zu absorbieren, ohne das Wartungsmoment
des Lagers oder die Last der Kugeln zu verändern.
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Genauer
gesagt, schlägt
die Erfindung eine Vorrichtung zur Drehführung einer Last bezüglich eines
Tragwerks vor, dadurch gekennzeichnet, dass sie ein Lager mit zwei
Reihen von Kugeln aufweist, die zwischen einem inneren Ring, der
die Last trägt, und
einem äußeren Ring
angeordnet sind, der direkt am Tragwerk befestigt ist, und dass
der vordere Bereich des äußeren Rings
eine Kegelform aufweist, die dazu neigt, bei Temperaturveränderungen
den Druck zu kompensieren, der vom Tragwerk auf den äußeren Ring
ausgeübt
wird.
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Die
erfindungsgemäße Drehführungsvorrichtung
erfordert nicht mehr die Verwendung von Titan (das Lager ist zum
Beispiel aus Stahl), um die Temperaturveränderungen auszuhalten, ihr
Platzbedarf und ihre Masse sind aufgrund der Verwendung eines Lagers
mit zwei Reihen von Kugeln reduziert, das einen sehr viel kompakteren
Aufbau hat. Vorteilhafterweise ist der Kontaktwinkel der Reihen
von Kugeln groß,
was außerdem
insbesondere im Fall einer überhängenden
Last eine große
Kippsteifigkeit der Vorrichtung garantiert.
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Weitere
Vorteile und Merkmale gehen klarer aus der nachfolgenden Beschreibung
hervor, die von den beiliegenden Figuren veranschaulicht wird. Es zeigen:
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1 eine
Vorrichtung zur Drehführung
einer überhängenden
Last gemäß dem Stand
der Technik (bereits beschrieben);
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2 ein
Ausführungsbeispiel
einer Vorrichtung zur Drehführung
einer Last gemäß der Erfindung.
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2 zeigt
ein Ausführungsbeispiel
der erfindungsgemäßen Führungsvorrichtung.
In diesem Beispiel trägt
das Tragwerk (1) eine überhängende Last,
aber die Erfindung kann ebenfalls zum Beispiel auf eine axiale Last
angewendet werden.
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Sie
weist ein Lager 5 mit zwei vorderen bzw. hinteren Reihen
von Kugeln 51 und 52 auf, wobei die Kugeln zwischen
einem inneren Ring 53, der die Last trägt, und einem äußeren Ring 54 angeordnet
sind, der direkt am Tragwerk 1 befestigt ist. Die Reihen
von Kugeln 51 und 52 weisen einen im Wesentlichen
gleichen mittleren Durchmesser d auf.
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Im
Beispiel der 2 bildet der innere Ring 53,
zum Beispiel aus Stahl, den drehenden Teil, an dem die Last befestigt
ist, und gewährleistet
so die Funktion des Achszapfens (3) der Vorrichtung des Stands
der Technik (1). Der äußere Ring, ebenfalls aus Stahl,
der den zwei Reihen von Kugeln 51, 52 gemeinsam
ist, ist direkt am Tragwerk 1, zum Beispiel aus Aluminium,
befestigt, wodurch er die Funktion des Gehäuses (4) der Vorrichtung
des Stands der Technik gewährleistet.
Das Lager ist so in das Tragwerk integriert, was der erfindungsgemäßen Vorrichtung
eine wesentlich größere Kompaktheit verleiht,
und die Verwendung von Titan ist nicht mehr notwendig.
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Im
Beispiel der 2 wird der äußere Ring 54 des Lagers
durch einen Kragen 542 am Tragwerk 1 befestigt
und auf dem Tragwerk durch eine kurze kreisförmige Zentrierung 543 zentriert.
Der innere Ring (53), der ebenfalls den zwei Reihen von
Kugeln gemeinsam ist, ist zum Beispiel in zwei Teilen (nicht in 2 dargestellt)
vorgesehen, um die Kugeln montieren und das Wälzlager vorbelasten zu können.
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Erfindungsgemäß ist die
Form des vorderen Teils 541 des äußeren Rings 54 kegelig,
was es ermöglicht,
bei Temperaturabfällen
die Kräfte
ausgleichen zu können,
die sich auf die vorderen (52) und hinteren (51)
Reihen von Kugeln auswirken aufgrund der vom Tragwerk 1 ausgeübten Komprimierung.
In der nachfolgenden Beschreibung werden mit "vordere" die Elemente bezeichnet, die zur Last
hin angeordnet sind, und mit "hintere" die Elemente, die
sich zum Tragwerk hin befinden. Diese originelle Form des äußeren Rings
des erfindungsgemäßen Lagers wird
optimiert, um bei Temperaturabfällen
die Komprimierung zu kompensieren, die das Tragwerk aus Aluminium
(Dehnungskoeffizient im Wesentlichen gleich 23.10–6)
auf den äußeren Ring
aus Stahl (Dehnungskoeffizient im Wesentlichen gleich 12.10–6) ausübt. Bei
der Komprimierung verformt sich nämlich der äußere Ring kegelförmig, so
dass die Annäherung
der hinteren Bahnen in Kontakt mit den Kugeln 51 der hinteren
Reihe durch das Entfernen der vorderen Bahnen in Kontakt mit den
Kugeln 52 der vorderen Reihe kompensiert wird. So bleibt
das Zusammenquetschen der Kontakte Kugeln/Bahnen aufgrund der Vorbelastung
des Lagers konstant bei jeder Temperatur, und daher bleibt das Wartungsmoment
konstant.
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So
tendiert die Kegelform des vorderen Teils des äußeren Rings dazu, bei Temperaturveränderungen
die Komprimierung, die vom Tragwerk auf den äußeren Ring ausgeübt wird,
zu kompensieren, wobei diese Komprimierung aus den Differenzen bei den
Dehnungskoeffzienten der Werkstoffe resultiert, aus denen das Tragwerk
und das Lager bestehen.
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Die
Anmelderin hat gezeigt, dass zum Beispiel im Fall der Anwendung
auf Einrichtungen, bei denen die Temperaturbereiche groß sind (zum
Beispiel etwa –55° bis +85°), der Scheitelhalbwinkel θ des den
vorderen Teil 541 des äußeren Rings 54 bildenden
Kegels vorteilhafterweise zwischen 20° und 30° liegt. Im Beispiel der 2 ist
er nahe 25°.
Außerdem
hat die Anmelderin gezeigt, dass eine besonders interessante Kompensationswirkung
erhalten wird, wenn der Parameter r optimiert wird, der als der gemessene
Abstand zwischen dem hinteren Ende der Zentrierung 543 des äußeren Rings
und der die Zentren der Kugeln 51 der hinteren Reihe des
Lagers enthaltenden Ebene definiert wird. Es ist nämlich wichtig,
dass die Kugeln der hinteren Reihe bezüglich der Wirkungskraft überhängend sind,
die von dem Tragwerk auf den äußeren Ring
ausgeübt
wird. Dieser Abstand muss in Abhängigkeit
von einem Kompromiss zwischen einer starken Temperaturkompensation
(r groß)
und der Steifheit des Lagers festgelegt werden; wenn der Abstand
r zu groß ist,
kann die Steifheit nämlich
von dem mechanischen Tragwerk getragen werden.
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In
einem ersten Ausführungsbeispiel
hat die Anmelderin gezeigt, dass ein guter Kompromiss gefunden werden
kann, indem der Abstand r im Wesentlichen zwischen 2% und 4% des
mittleren Durchmessers d der Reihe der Kugeln gewählt wird.
Die Parameter r und θ ermöglichen
es so, die Kompensationswirkung in Abhängigkeit von den Temperaturveränderungen
zu optimieren und werden in Abhängigkeit
von der Amplitude dieser Veränderungen
gewählt.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
hat außerdem
den Vorteil, aufgrund ihres integrierten Lagers mit zwei Reihen
von Kugeln, bezüglich
der Vorrichtung des Stands der Technik vom in 1 beschriebenen
Typ wesentlich reduzierte Abmessungen und Masse zu haben. Außerdem kann
das Titan weggelassen werden.
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Diese
Vorrichtung hat trotzdem eine sehr gute Steifheit, was insbesondere
im Fall der Anwendung auf die Führung
einer überhängenden
Last wichtig ist. Die Wahl insbesondere der Kontaktwinkel α1 der
Kugeln 51 der hinteren Reihe und α2 der
Kugeln 52 der vorderen Reihe ermöglicht es nämlich, der Führungsvorrichtung
eine sehr gute Kippsteifigkeit zu verleihen. Hierzu werden die Kontaktwinkel größer als
etwa 35° gewählt. Gemäß einem
Ausführungsbeispiel
sind die Kontaktwinkel im Wesentlichen gleich und liegen im Wesentlichen
zwischen 40° und
50°.
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Die
Steifheit kann ebenfalls optimiert werden, indem auf andere Parameter
eingewirkt wird. So wird der Abstand b zwischen den zwei Reihen
von Kugeln 51 und 52 gewählt, um einen guten Kompromiss
zwischen der Steifheitsanforderung (b groß) und der Notwendigkeit der
Verringerung der Abmessung des äußeren Rings
sowie seiner Masse zu erhalten. Die Anmelderin hat gezeigt, dass
ein guter Kompromiss gefunden wird, indem der Abstand b zwischen
5% und 10% des mittleren Durchmessers d der Reihen gewählt wird.
Die Breite c des äußeren Rings
ist ebenfalls ein Parameter, auf den man einwirken kann, um die
Biegesteifheit des Balkens zu optimieren. Die Anmelderin hat gezeigt,
dass ein Wert der Breite c im Wesentlichen zwischen 8% und 9% des
mittleren Durchmessers d der Reihen von Kugeln dazu beiträgt, zufriedenstellende
Ergebnisse zu ergeben.
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So
hat das in 2 beschriebene Ausführungsbeispiel
es erlaubt, eine Steifheit zu erhalten, die um 20% höher ist
als bei der klassischen Vorrichtung, mit einem Kontaktwinkel in
der Größenordnung von
45° für die Kugeln
der zwei Reihen, einem Abstand b zwischen den zwei Reihen von Kugeln 51 und 52,
der zwischen 6,5% und 7,5% des mittleren Durchmessers d liegt, und
einer Breite c des äußeren Rings 54 im
Wesentlichen zwischen 8% und 8,5% des mittleren Durchmessers d.
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Der
Einfluss des inneren Rings 53 auf die Reaktionseigenschaften
bezüglich
der Temperatur oder der Steifheit ist sehr viel weniger kritisch.
Vorteilhafterweise wird der innere Ring sehr kurz gewählt, um
die Abmessung zu begrenzen.
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In
einem zweiten Ausführungsbeispiel
hat die Anmelderin gezeigt, dass gute Kompensationswirkungen der
Komprimierung aufgrund der Temperaturveränderungen sowie eine sehr gute
Steifheit mit den folgenden Parametern erhalten werden: der Scheitelhalbwinkel θ des den
vorderen Teil des äußeren Rings
bildenden Kegels zwischen 20° und
30°, der
Abstand r zwischen 4% und 8% des mittleren Durchmessers d, die im
Wesentlichen gleichen Kontaktwinkel α1 und α2 größer als
35°, ein
Abstand b zwischen 5% und 10% des mittleren Durchmessers d, eine
Breite c zwischen 12% und 14% des mittleren Durchmessers d. Ein
sehr guter Kompromiss wird erhalten, indem der Abstand r zwischen
5% und 7% des mittleren Durchmessers d und der Abstand b zwischen
6% und 7% des mittleren Durchmessers d gewählt wird.
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So
weist die erfindungsgemäße Führungsvorrichtung
eine wesentlich geringere Länge
auf als die Vorrichtung gemäß dem Stand
der Technik, und trotz der höheren
Dichte des Stahls im Vergleich mit Titan ist die Masse der Einheit
geringer. Wie oben erläutert
wurde, können
die Steifheit verbessert und die Last besser auf den Kugeln verteilt
werden; die mechanische Festigkeit ist also besser. Die originelle Form
des äußeren Rings
des Lagers ermöglicht
es, zu gewährleisten,
dass das Zusammenquetschen der Kugeln konstant bleibt, unabhängig von
der Temperatur; das Wartungsmoment variiert also nicht. Die Vorrichtung
zur Drehführung
gemäß der Erfindung hat
außerdem
den Vorteil, isostatisch zu sein, eine bessere Zuverlässigkeit
zu gewährleisten
und sehr einfach eingesetzt werden zu können.