DE68906600T2 - Verfahren zur Bestimmung der Berührungsgeometrie zwischen Laufbahnen und Rollen eines Rollenlagers. - Google Patents

Verfahren zur Bestimmung der Berührungsgeometrie zwischen Laufbahnen und Rollen eines Rollenlagers.

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Description

  • Die Erfindung betrifft allgemein Rollenlager und insbesondere ein Verfahren zum Bestimmen einer Berührungsgeometrie für die Laufbahnen und Rollen von derartigen Lagern, wobei diese Geometrie gewichtet wird, um dem gesamten Lastzyklus, dem das Lager ausgesetzt ist, Rechnung zu tragen, um die gewünschten Winkelbeziehungen zwischen den Laufbahnen und Rollelementen aufrechtzuerhalten und um eine Dauerfestigkeit zu maximieren.
  • Das Kegelrollenlager besitzt die Lasttragekapazität des Ringzylinderlagers, während es zugleich die Möglichkeit zur Einstellung und die damit zusammenhängende Genauigkeit anbietet, die für das Ringschrägkugellager kennzeichnend sind. In einem einfachen selbsterhaltenden Ringschräglager weisen der Konus (inneres Laufteil) und die Schale (äußeres Laufteil) verjüngte Laufbahnen auf, die entgegengesetzt zueinander ausgerichtet sind und einander gegenüberliegen, und zwischen den zwei Laufbahnen befindet sich eine einzige Reihe von verjüngten Rollen, deren Kegelstumpfseitenflächen die Laufbahnen berühren, wodurch Berührungslinien hergestellt werden, die in Richtung eines gemeinsamen Bereichs entlang der Drehachse konvergieren. Die Berührung entlang der verlängerten Linie ermöglicht, daß das Lager beträchtliche Lasten trägt, ähnlich wie ein Ringzylinderlager, während die konische Geometrie die Einstellmöglichkeit anbietet. Wie bei einem Tragkugellager wird diese Einstellung einfach durch Verschiebung eines Laufteils axial relativ zu dem anderen erreicht. In der Tat kann ein Kegelrollenlager auf einen Vorlastzustand eingestellt werden, bei dem zwischen seinem Konus und Schale keine freie axiale oder radiale Bewegung existiert und dies erlaubt die Verwendung des Lagers für die Präzisionsbearbeitung, bei der eine Drehachse bezüglich einer festen Referenz vollständig stabil bleiben muß.
  • Die verjüngten Rollen rollen natürlich entlang der Laufbahnen des Konus und der Schale und dieses Rollen sollte ohne irgendein Gleiten vonstatten gehen, das heißt ein reiner Rollkontakt sollte zwischen den Laufbahnen und den Rollen existieren. Dies wird erreicht, indem die Laufbahnen so konstruiert werden, daß sie bei Verlängerung an ihre jeweiligen Scheitelpunkte solche Scheitelpunkte aufweisen, die sich allgemein an einem gemeinsamen Punkt entlang der Drehachse für das Lager befinden. Ebenso besitzen die mit den Laufbahnen in Linienkontakt stehenden Rollen Scheitelpunkte, die sich an genau demselben Punkt befinden, wenn die Rollen an ihre jeweiligen Scheitelpunkte verlängert werden. Von einem so konstruierten Lager sagt man, daß es "Verjüngungs-angepaßt" oder "Scheitel-angepaßt" ist.
  • Über die Jahre ist das Kegelrollenlager Verbesserungen unterzogen worden und als Ergebnis derartiger Verbesserungen kann nicht gesagt werden, daß die Laufbahnen und die Rollen "Verjüngungs-angepaßt" im engsten Sinne dieses Ausdrucks sind. Somit wurde festgestellt, daß bei Vorliegen eines echten oder verjüngten Linienkontakts bei Rollen mit abrupten Enden hohe Kantenspannungen an den Enden der Kontaktlinie auftreten. Um die hohen Kantenspannungen zu beseitigen, sind die Enden der Rollenseitenflächen oder die Laufbahnen selbst eingefettet oder abgerundet. Außerdem sind die Laufbahnen oder die Rollenseitenflächen und gewöhnlicherweise beide "profiliert", das heißt, sie sind leicht ballig. Dies verschiebt mehr Belastung in die Mittenabschnitte der Rollen und verkleinert die Spannung an Enden des Linienkontakts. Gemäß einer analytischen Vorgehensweise wird eine Rollenseitenfläche und ein Körper unter einer Last in viele Elemente unterteilt und für jedes Element wird ein Durchmesser berechnet, welcher eine Spannung erzeugen wird, die im wesentlichen die gleiche ist wie die Spannung an den übrigen Elementen. Mit anderen Worten haben die Berechnungen Durchmesser zur Folge, die eine gleichmäßige Spannung entlang den Berührungslinien erzeugen und aus diesen Durchmessern bestimmt man natürlich das Profil (siehe US-Patent 4 456 313).
  • Eine auf einer Maschinenkomponenten positionierte Last wird eine Durchbiegung dieser Komponente bewirken und an der Stelle, an der die Komponente auf einem Kegelrollenlager gelagert ist, deformiert die Durchbiegung oft das Lager, was eine Neigung oder Fehlausrichtung erzeugt, die die Last auf ein Ende oder das andere Ende derjenigen Rollen konzentriert, die sich in der Lastzone befinden, welche der Abschnitt des Lagers ist, über den die Last übertragen wird. Um die Fehlausrichtung zu kompensieren, kann die Laufbahn, entlang derer das Lager entlang läuft, geschliffen werden oder irgendwie in eine nicht konusförmige Gestalt ausgebildet werden. Wenn die Last angelegt wird, nähert sich die Laufbahn somit genauer einer "Verjüngungs-angepaßten" an, zumindest innerhalb der Lastzone. Da eine Fehlausrichtung dazu tendiert, die Last an einem Ende oder dem anderen Ende der Reihe von Rollen zu konzentrieren, ermöglicht eine Krone auf den Rollen oder auf den Laufbahnen, daß das Lager die Fehlausrichtung besser aufnehmen kann - und tatsächlich ist dies eine herkömmliche Vorgehensweise - aber eine hohe Krone konzentriert die Spannungen in einem etwas begrenzten Bereich zwischen den Enden der Rollen, wenn keine oder nur eine geringfügige Fehlausrichtung existiert. Dies hat relativ hohe Spannungen über die reduzierte Kontaktlänge zur Folge und verringert somit die Dauerfestigkeit unter leichteren Lasten (siehe US-Patente 1 794 580 und 3 951 483.
  • Bei einer anderen Vorgehensweise, die zum Zwecke der Analyse ebenfalls die Unterteilung der Rollen in Elemente erfordert, wird der Durchmesser für jedes Element ausgelegt, um es und die Abschnitte der Laufbahnen, entlang denen es läuft, mit einer Lebensdauer auszustatten, die der Lebensdauer an den übrigen Elementen entspricht. Kurz zusammengefaßt erzeugt diese Vorgehensweise eine gleichförmige Lebensdauer, die ein Profil zur Folge haben könnte, welches sich von demjenigen unterscheidet, welches für eine gleichmäßige Spannung erforderlich ist. In der Tat ist die Spannung zusammen mit der Fehlausrichtung eine der Faktoren, die beim Erreichen eines Profils mit einer gleichmäßigen Lebensdauer berücksichtigt wird. Auf jeden Fall ist das sich ergebende Profil zu seiner Mitte symmetrisch (siehe SAE-Veröffentlichung 850764, M.R. Hoeprich, Numerical Procedures for Designing Rolling Element Contact Geometry as a Funktion of Load Cycle, April 1985. Die SAE-Veröffentlichung repräsentiert den nächsten Stand der Technik. In dieser SAE-Veröffentlichung wird eine iterative Berechnungsprozedur zum Entwerfen der Berührungsgeometrie in einem Kegelrollenlager diskutiert, um die Dauerfestigkeit zu maximieren, wobei das Lager wiederholten Lastzyklen ausgesetzt ist. Jeder Lastzyklus umfaßt eine Vielzahl von Segmenten oder Zuständen, wobei jedes eine Last, Dauer und zufällige Fehlausrichtung umfaßt, und er beginnt durch Auswählen einer Anfangsberührungsgeometrie für eine der Laufbahnen und dann durch Berechnen von geänderten Berührungsgeometrien entlang dieser Laufbahn, um eine gleichmäßige Lebensdauer zu erreichen. Trotzdem wird die beste zusammengesetzte Geometrie nicht erreicht, weil die sich ergebenden Profile symmetrisch und "verjüngungs-angepaßt" sind.
  • Bis jetzt lag das allgemeine Vorgehen darin, Kegelrollenlager mit symmetrischen Profilen entlang ihrer Laufbahnen und Rollen zu versehen, aber nicht um durch Einstellen des Laufbahnwinkels eine Fehlausrichtung zu kompensieren. Das Fehlen einer Laufbahnwinkelkompensation für eine Fehlausrichtung stützt sich teilweise auf die Bedenken, ein Lager vorzusehen, welches so kompensiert ist, daß es bei anderen Lasten, als bei denen, für die es kompensiert ist, schlecht arbeitet. Falls die Kontaktlinien entlang der Laufbahnen wirklich linear wären, würde diese Begründung irgendeine Rechtfertigung besitzen, aber die Laufbahnen und die Rollen sind an den Stellen, an denen sie einander berühren, konvex, und dies hält den Berührungsbereich in Richtung der Mitte der Laufteile, sogar bei relativ kleinen Lasten.
  • Bei einer wichtigen Verwendung ermöglicht die vorliegende Erfindung die Bestimmung der Berührungsgeometrie und der Profile der Laufbahnen und Rollenseitenflächen, sowie eine Laufbahn-Winkelmodifikation bei einem Kegelrollenlager, für das Lastzyklus und die relative Fehlausrichtung der inneren und äußeren Laufteile bekannt sind. Durch geeignete Gewichtung der Betriebslasten und der Fehlausrichtungen, die ein Kegelrollenlager erfährt, erzeugt das Verfahren eine Berührungsgeometrie, die die Lebensdauer des Lagers weit über diejenige hinaus verlängert, die von herkömmlichen Modifikationen für ein echtes "verjüngungs-angepaßtes" Design erwartet werden könnte. Das Verfahren kann auch im Zusammenhang mit Zylinderrollenlagern verwendet werden.
  • Gemäß dieser Erfindung ist ein Verfahren zur Bestimmung der Berührungsgeometrien für Laufbahnen und Rollen eines Rollenlagers, das Wiederholungen eines Lastzyklusses erfährt, vorgesehen, wobei sich in dem Lager eine erste Laufbahn auf einem ersten Laufteil befindet und sich eine zweite Laufbahn auf einem zweiten Laufteil befindet, wobei die zweite Laufbahn gegenüberliegend zur ersten Laufbahn angeordnet ist, sich die Rollen zwischen den Laufteilen befinden und Seitenflächen besitzen, die die erste Laufbahn an einem ersten Berührungsbereich und die zweite Laufbahn an einem zweiten Berührungsbereich berühren, wobei jeder Lastzyklus eine Vielzahl von Segmenten einschließt, wobei jedes Segment eine Last, eine Dauer und eine externe Fehlausrichtung umfaßt, wobei die externe Fehlausrichtung die Winkelverschiebung der Achse eines Laufteils relativ zu der Achse des anderen Laufteils aufgrund der Durchbiegung einer von dem Lager gehaltenen Komponente darstellt; wobei das Verfahren umfaßt: willkürliches Auswählen von Anfangsberührungsgeometrien beider Laufbahnen und für die Seitenflächen der Rollen; Berechnen der inneren Fehlausrichtungen zwischen der ersten Laufbahn und den Rollen und zwischen der zweiten Laufbahn und den Rollen für jedes Segment des Lastzyklusses für die anfänglich gewählten Berührungsgeometrien, wobei eine innere Fehlausrichtung für jedes Segment des Lastzyklusses den Abschnitt der äußeren Fehlausrichtung darstellt, die zwischen den Rollen und der ersten Laufbahn existiert, und eine weitere innere Fehlausrichtung für das gleiche Segment den Abschnitt der externen Fehlausrichtung darstellt, die zwischen den Rollen und der zweiten Laufbahn existiert; unter Verwendung der inneren Fehlausrichtungen, Berechnen von Modifikationen für die gewählten Berührungsgeometrien, um geänderte Berührungsgeometrien vorzusehen, in denen im wesentlichen eine gleichmäßige Lebensdauer theoretisch an dem ersten Berührungsbereich und ebenso an dem zweiten Berührungsbereich existiert; Berechnen der inneren Fehlausrichtungen für die geänderten Berührungsgeometrien für jedes Segment des Lastzyklusses; Berechnen von weiteren Modifikationen für die geänderten Berührungsgeometrien, um weitere geänderte Berührungsgeometrien vorzusehen, in denen im wesentlichen eine gleichmäßige Lebensdauer theoretisch entlang den ersten und zweiten Berührungsbereichen an den erneut berechneten inneren Fehlausrichtungen existiert; und Wiederholen der obigen Schritte des Berechnens von inneren Fehlausrichtungen und des Berechnens von Geometrie-Modifikationen und geänderten Berührungsgeometrien, bis ein weiteres Fortschreiten der Iteration keine wesentlichen Änderungen von inneren Fehlausrichtungen oder Berührungsgeometrien erzeugt.
  • In den beiliegenden Zeichnungen, die einen Teil der Beschreibung bilden und in denen gleiche Bezugszahlen und -zeichen ähnliche Teile bezeichnen, wenn immer sie auftreten, zeigt:
  • Fig. 1 eine Querschnittsansicht eines Kegelrollenlagers und vektoriell die Kräfte, die auf das Lager wirken;
  • Fig. 2 eine Querschnittsansicht eines Lagers, bei dem der Konus und die Schale fehlausgerichtet sind, aber die Fehlausrichtung ist übertrieben dargestellt, um sie deutlicher zu beobachten;
  • Fig. 3 eine schematische Ansicht, die die Berührungsfläche zwischen einer Rolle und einer Laufbahn zeigt, die zum Zwecke einer Durchführung einer Spannungsanalyse in Elemente unterteilt ist;
  • Fig. 4 eine rechtwinkelige Fläche eines gleichmäßigen Drucks zur Verdeutlichung einer Durchbiegung an einem bestimmten Punkt;
  • Fig. 5 eine Berührungsgeometrie als Gegenstück eines Profils, welches auf eine Neigung überlagert ist; und
  • Fig. 6 sowohl vorläufige als auch letzte Berührungsgeometrien für mehrere Berührungsbereiche (Laufbahnen und Rollen).
  • Ein typisches Kegelrollenlager A (Figur 1), welches eine der einfachsten Konfigurationen besitzt, weist drei Basiskomponenten auf, über die Lasten sowohl radial als auch axial übertragen werden, nämlich einen Konus 2, eine Schale 4, und ein Satz von verjüngten Rollen 6, die in einer einzigen Reihe zwischen dem Konus 2 und der Schale 4 angeordnet sind. Die Rollen 6 ermöglichen die Drehung des Konus 2 relativ zu der Schale 4 oder umgekehrt, um eine Drehachse X mit relativ geringem Reibungswiderstand, und wenn diese Drehung auftritt, bewegen sich die Rollen 6 als eine Reihe relativ zu dem Konus 2 und zu der Schale 4 und rollen in der Tat entlang des Konus 2 und der Schale 4. Eine weitere Komponente, ein Käfig 8 hält den geeigneten Abstand zwischen den Rollen 6 aufrecht und hält diese außerdem um den Konus 2 herum, wenn der Konus 2 aus der Schale 4 zurückgezogen wird.
  • Der Konus 2 weist eine verjüngte Laufbahn 10 auf, die von der Achse X abgewendet ist und zwei Einschitte 11, zwischen denen die Laufbahn 10 liegt. Zusätzlich ist der Konus 2 mit einer Druckrippe 12 an dem Einschnitt 11 entlang dem großen Ende der Laufbahn 10 und mit einer Halterippe 14 an dem Einschnitt llentlang dem kleinen Ende versehen. Beide Rippen 12 und 14 zeigen nach außen über die Laufbahn 10 hinaus und dienen dazu, die Rollen 6 axial einzuschließen, wenigstens wenn der Konus 2 von der Schale 4 entfernt wird. Die Druckrippe 12 schafft außerdem einen Anschlag, der verhindert, daß die Rollen 6 von dem Raum zwischen dem Konus 2 und der Schale 4 herausgeschleudert werden, wenn eine Last über die Lager 6 übertragen wird. Die Schale 4 besitzt ebenfalls eine verjüngte Laufbahn 16, aber die Laufbahn 16 ist nach innen auf die Achse X gerichtet und umschließt tatsächlich die Konuslaufbahn 10. Jede verjüngte Rolle 6 weist eine verjüngte Seitenfläche 18, die manchmal als Rollkörper bezeichnet wird und ebenfalls eine geringfügig konvex ausgeführte Endfläche 2 an ihrem großen Ende auf. Entlang ihrer Seitenflächen 18 berühren die Rollen 6 den Konus 2 und die Schale 4, das heißt tatsächlich die Laufbahnen 10 und 16 des Konus 2 und der Schale 4. Die Rollen 6 berühren außerdem den Konus 2 entlang ihrer Endflächen 20, wobei sie an dieser Stelle an der Druckrippe 12 anliegen.
  • Das Lager A ist ausgelegt, um radiale Lasten sowie axiale oder Drucklasten zu tragen, wobei die ersteren gewöhnlich größer sind als die letzteren. Unter der typischen Last laufen die Rollen 6 durch eine Lastzone, sowie sie zwischen den Laufbahnen 10 und 16 des Konus und der Schale umlaufen. Sowie sie sich durch die Mitte dieser Zone bewegen, erfährt jede Rolle 6 ihre größten Belastungen und die Kräfte und Spannungen auf dem Konus 2, der Schale 4 und den Rollen 6 werden allgemein hier analysiert, obwohl alle Lasten in der Lastzone berücksichtigt werden könnten. Unabhängig davon, ob die Lasten an der Mitte der Lastzone oder überall über die Lastzone ausgewertet werden, sind die Ergebnisse der Analyse im wesentlichen die gleichen.
  • Zum Zwecke einer Analyse kann die von der Schale 4 an die Rolle 6 an der Mitte der Lastzone übertragene Kraft oder Last als ein einziger Vektor F-Schale betrachtet werden, der auf der Schalenlaufbahn 16 (Figur 1) senkrecht steht. In ähnlicher Weise kann die entgegengesetzte Kraft oder Last, die von dem Konus 2 an die Rolle 6 übertragen wird, genauso als ein Vektor F-Konus dargestellt werden, der auf der Konus-Laufbahn 10 senkrecht steht. Die Vektoren F-Schale und F-Konus sind in radiale und axiale Komponenten aufgelöst. Da die Rolle 6 verjüngt ist, wirkt die auf die Schalen-Laufbahn 16 angewendete Kraft F-Schale mit einem geringeren Winkel bezüglich der Achse X, als dies die Kraft F-Konus tut, die auf die Konus-Laufbahn 10 ausgeübt wird. Infolgedessen übersteigt die axiale Komponente der Kraft F-Schale die axiale Komponente der Kraft F-Konus und die Rolle 6 würde aus dem Raum zwischen den beiden Laufbahnen 10 und 16 herausgeworfen werden, wenn die entgegenwirkende Haltekraft, die auf die Druckrippe 12 ausgeübt wird, nicht vorhanden sein würde. Die Haltekraft, die durch den Vektor F-Rippe dargestellt ist, teilt sich genauso in axiale und radiale Komponenten auf, wobei die erstere die letztere größenmäßig wesentlich übersteigt.
  • Wie mit jedem System aus drei Kräften können die Vektoren F-Schale, F-Konus und F-Rippe vektoriell kombiniert oder addiert werden, um das herkömmliche geschlossene Dreieck (Figur 1) zu erzeugen. Dieses Dreieck repräsentiert einen statischen Zustand, bei dem eine Summierung der radialen Komponenten für die drei Kräfte F-Schale, F-Konus und F-Rippe Null ergibt, wobei die gleiche Aussage für eine Summierung der axialen Komponenten gilt.
  • Obwohl das herkömmliche Kraftdiagramm nützlich ist, repräsentiert es eine vereinfachte Analyse, die viele Faktoren nicht berücksichtigt, die in irgendeiner Art die Lebensdauer des Lagers A beeinträchtigen. Einer dieser Faktoren ist die Spannung, oder Kraft pro Einheitsfläche, entlang der beiden Laufbahnen 10 und 16 sowie entlang der verjüngten Seitenfläche 16 der Rolle 6. Natürlich ist weder die Kraft F-Schale noch die Kraft F-Konus in dem tatsächlichen Lager A auf einen einzigen Punkt auf der Rolle 6 konzentriert, sondern jede Kraft repräsentiert anstelle davon eine Kraft, die über die volle Länge der Rolle 6 oder zumindest über den größten Teil der Länge der Rolle 6 verteilt ist. Jede weitere stellt eine Resultierende der Spannung über der Berührungsfläche dar. Somit ist es vielleicht besser, die Kräfte F-Schale und F-Konus durch die Spannung zu betrachten und natürlich ist die Spannung ein Faktor, der die Lebensdauer des Lagers A beeinflußt.
  • Ein anderer Faktor, der sich auf die Lebensdauer des Lagers A auswirkt, ist die Fehlausrichtung Theta (Figur 2), die durch die Durchbiegung der Maschinenkomponente, die sie trägt, bewirkt wird, da jede Maschinenkomponente sich unter Belastung durchbiegen wird. Während die Achse X des Konus 2 und der Schale 4 in einer vereinfachten und idealisierten Analyse miteinander übereinstimmen, kann eine Durchbiegung bewirken, daß sich eine um einen Winkel Theta relativ zu der anderen verschiebt. Diese externe Fehlausrichtung bewirkt, daß sich die Last entlang der Laufbahnen 10 und 16 in Richtung eines Endes oder des anderen Endes der Rollen 6 konzentriert.
  • Jedes Lager kann Lasten mit sich ändernder Größe erwarten und noch ein anderer Faktor, der die Lebensdauer eines Lagers beeinträchtigt, ist die Zeitdauer, für die verschiedene Lasten und die Fehlausrichtungen, die diese erzeugen, existieren. Diese Lasten werden allgemein in einer zyklischen Vorgehensweise wiederholt. Diese zyklisch-wiederholte Abfolge von Lasten wird als "Lastzyklus" bezeichnet. Falls ein Lager lediglich in Hinsicht auf die schwersten Lasten und größten Fehlausrichtungen entworfen wäre, aber nur zu einem kleinen Zeitanteil unter diesen arbeitet, würden die Laufbahnen 10 und 16 oder die Rollen 6 oder beide exzessive Kronen besitzen, zumindest um die Fehlausrichtung aufzunehmen, aber diese übermäßige Krone würde mehr mäßige Lasten in der Mitte der Laufbahnen 10 und 16 und der Rollen-Seitenflächen 18 konzentrieren und dies hätte eine verkürzte Lebensdauer des Lagers A zur Folge.
  • Das Lager A arbeitet unter einem Lastzyklus, der aus verschiedenen Kombinationen von Last, Fehlausrichtung und Dauern, für die die Last und Fehlausrichtung angewendet werden, zusammengesetzt ist. Ein Lastzyklus darf nicht mit einem Spannungszyklus verwechselt werden. Ein Spannungszyklus tritt für einen Punkt auf einer Laufbahn jedesmal auf, wenn eine Rolle 6 darüberläuft und eine Spannung auf den Punkt ausübt, während er sich in der Lastzone befindet. Die Ermüdungsbeschädigung pro Spannungszyklus ist allgemein für geringe Lasten kleiner als für schwere Lasten. Normalerweise existieren diese leichten Lasten für den größten Teil der Zeit. Schwere Lasten verursachen größere Fehlausrichtungsbeträge und die beiden stellen eine Kombination dar, um die Ermüdungsbeschädigung bei disproportional höheren Raten zu akkumulieren.
  • Die Dauerfestigkeit eines Kegelrollenlagers ist ein etwas willkürlicher Faktor, weil der Punkt, an dem ein Lager ausfällt, verschiedenen Interpretationen ausgesetzt ist. Während des Betriebs ist ein Lager innerhalb seiner Lastzone wiederholten Spannungsanwendungen ausgesetzt, die schließlich einen Verschleiß und eine Absplitterung entlang der Berührungsoberflächen, das heißt entlang der Laufbahnen 10 und 16 für den Konus und die Schale und entlang der Rollenseitenflächen 18 bewirken. Die Timken Company hält sich an die Standards, daß ein Lager ausfällt, wenn die Körnungs- oder Absplitterungsfläche 0,065 sq . cm erreicht, obwohl Tests gezeigt haben, daß ein Lager weit über diesen Punkt hinaus betrieben werden kann. Die Timken Company definiert die Lebensdauer oder "bewertete Lebensdauer" eines Lagers als die Anzahl von Umdrehungen, die 90% einer Gruppe von identischen Lagern vollführen oder überschreiten werden, bevor sie das obige Ausfallkriterium erreichen. Diese Definition einer Lagerlebensdauer wird für diese Diskussion angewendet.
  • Allgemein kann man von den Rollen 6 sagen, daß sie wie die Rollen irgendeines Kegelkugellagers "verjüngungs-angepaßt" oder "scheitel-angepaßt" arbeiten, was bedeutet, daß die zwei Laufbahnen 10 und 16 bei Verlängerung an ihre jeweiligen Scheitelpunkte solche Scheitelpunkte besitzen würden, die sich an einem gemeinsamen Punkt entlang der Drehachse X befinden würden, und ebenso würden die Rollen 6 bei Verlängerung an ihren jeweiligen Scheitelpunkte diese Scheitelpunkte an dem gemeinsamen Punkt (Figur 1) aufweisen. Tatsächlich weichen die Rollen 6 und die Laufbahnen 10 und 16 geringfügig von einem echten verjüngungs-angepaßten oder scheitel-angepaßten Zustand ab. Zunächst weisen die beiden Laufbahnen 10 und 16 oder die Rollenseitenflächen 18 oder alle diese ein geringfügiges Profil auf, da sich sonst die Spannungen, die sich aus der Übertragung der Kräfte F-Schale und F-Konus ergeben an den Endkanten der Rollen 6 und an den Abschnitten der Laufbahnen 10 und 16 konzentrieren würden, die aufgrund der elastischen Eigenschaften des Metalls in Berührung mit diesen Endkanten sind, aus dem der Konus 2, die Schale 4 und die Rollen 6 gebildet sind. Sogar wenn die Profile vernachlässigt werden, wird eine Durchbiegung desjenigen Abschnitts, welcher das Lager A trägt, allgemein bewirken, daß eine der Laufbahnen 10 oder 16 relativ zu der anderen geneigt ist, oder mit anderen Worten ausgedrückt, die Laufbahnen 10 und 16 werden aufgrund dieser externen Fehlausrichtung (Figur 2) axial um einen Winkel Theta versetzt. Somit sollten die Laufbahnen 10 und 16 für einen als "nicht-Verjüngungs-angepaßt" gewichteten Lastzyklus ausgelegt werden, so daß sie an der Lastzone, wenn die Lasten angelegt werden, besser mit einem "verjüngungs-angepaßten" Zustand übereinstimmen. Eine geeignete Profilierung der Laufbahnen 10 und 16 oder der Rollenseitenflächen 18 verringert außerdem die Spannungskonzentrationen, die auf die Enden der Rollen als Folge der Last und die Restfehlausrichtung ausgeübt werden.
  • Die vorliegende Erfindung versieht die Laufbahnen 10 und 16 für den Konus und die Schale und die Rollenseitenflächen 18 mit Profilen und Verjüngungs-Einstellungen, die die Lebensdauer des Lagers A weit über diejenige hinaus verlängern, die von einem echten verjüngungs-angepaßten Design oder sogar mit einem verjüngungs-angepaßten-Design erreicht werden könnte, welches in der herkömmlichen Weise zur Kompensation der Kantenbelastung und der Fehlausrichtung modifiziert ist.
  • Um die geeigneten Profile für die Laufbahnen 10 und 16 und für die Rollenseitenflächen 18 zu bestimmen, wird für jede von diesen zu Anfang ein Anfangsprofil willkürlich gewählt. Bei diesem Anfangsprofil können die Laufbahnen 10 und 16 und die Rollenseitenflächen 18 je nach Anforderung geringfügig geballt sein. Die zyklisch wiederholten Lastbedingungen für das Lager A werden ebenfalls bestimmt, oder mit anderen Worten ein Lastzyklus wird erstellt. Der Lastzyklus besteht aus mehreren Segmenten und für jedes Segment muß die folgende Information vorhanden sein:
  • 1. Rollenlast
  • 2. Externe Lagerfehlausrichtung
  • 3. Teil der gesamten Betriebszeit, für die das Segment vorhanden ist.
  • Andere Faktoren, die die Dauerfestigkeit beeinflussen, wie beispielsweise die Auswirkungen von chemischen Substanzen und Oberflächengüte könnten bei der Bestimmung des Lastzyklus eingebaut werden, aber sie haben einen relativ geringen Einfluß auf die Profile, die bestimmt werden und sie werden dementsprechend vernachlässigt.
  • Für das Lager A (Figur 1) stellt die Rollenlast die Kraft dar, die an der Schale 4 auf diejenige Rolle 6 des Lagers ausgeübt wird, die in der Lastzone zentriert ist, oder stellt, mit anderen Worten ausgedrückt, die Kraft F-Schale dar, die normal zur Schalenlaufbahn 16 wirkt. Diese kann als Schalen-Rollenlast oder Schalen-Laufbahnlast bezeichnet werden und wird in Krafteinheiten ausgedrückt, wie beispielsweise Newton. Die Lagerfehlausrichtung Theta, die manchmal als externe Fehlausrichtung bezeichnet wird, repräsentiert die Fehlausrichtung zwischen den Laufbahnen 10 und 16 für den Konus und die Schale, welche sich als Folge der Durchbiegung der Maschinenkomponenten ergibt, zwischen denen das Lager A angeordnet ist (Figur 2). Dies ist eigentümlich für die Maschine, in der das Lager A angeordnet ist und steigt allgemein mit einem Ansteigen der Rollenlast. Mit anderen Worten hängt die Lagerfehlausrichtung Theta davon ab, wie weit sich die Maschinenkomponente, auf die der Konus 2 aufgebracht ist, relativ zu der Maschinenkomponente durchbiegt, auf die die Schale 4 aufgepaßt ist oder umgekehrt, wenn beide belastet werden, was wiederum von der Steifigkeit der Komponenten und des Lagers A abhängt. Die Lagerfehlausrichtung Theta kann durch die Zentimeter der Verjüngungsabweichung pro Zentimeter Länge (cm/cm) ausgedrückt werden, aber sie kann ebenso als ein Winkel ausgedrückt werden. Der Abschnitt des Lastzyklus, für den ein Segment vorhanden ist, welches die Dauer des Segmentes ist, wird in Prozentzahlen ausgedrückt und natürlich sollte der gesamte Prozentsatz der mehreren Segmente 100% sein. Die Rollenlast F-Schale und die Fehlausrichtung Theta werden mittels Formeln berechnet, die Lagerdesignern und Maschinendesignern wohlbekannt sind.
  • Die Schalen-Rollenkraft F-Schale, die für jedes Segment des Lastzyklusses bekannt ist, übersteigt die Konus-Rollenkraft F-Konus aufgrund der Winkelbeziehung zwischen den Kräften F-Schale, F-Konus und F-Rippe, aber der Unterschied ist gewöhnlicherweise nicht sehr groß. Trotzdem wird die Konus-Rollenkraft F-Konus für jedes Lastzyklussegment genauso berechnet und dies ist eine relativ einfache Berechnung, die aus dem Kraftdreieck (Figur 1) bestimmt werden kann. Die Konus-Rollenkraft F-Konus wird wie die Schalen-Rollenkraft F-Schale in Krafteinheiten, wie beispielsweise Newton, ausgedrückt. Sie stellt die Last entlang der Konuslaufbahn 10 dar und kann als die Konuslaufbahnkraft bezeichnet werden. Wenn das Lager A bei hohen Winkelgeschwindigkeiten arbeitet, werden ebenfalls zur Bestimmung der Größen F-Konus, F-Schale und F-Rippe Trägheitskräfte und Momente berechnet, wie beispielsweise diejenigen, die die Rollen 6 erfahren.
  • Sobald die Rollenlasten F-Konus, F-Schale und F-Rippe, die Fehlausrichtung Theta und die Dauer für jedes Segment des Lastzyklusses berechnet sind, wird die Fehlausrichtung Theta für jedes Segment weiter analysiert, um zu bestimmen, wieviel davon zwischen dem Konus 2 und der Rolle 6 existiert und wieviel davon zwischen der Rolle 6 und der Schale 4 existiert. Dies bezeichnet man manchmal als innere Fehlausrichtung. Wiederum kann die innere Fehlausrichtung in Einheiten von Zentimetern der Verjüngungsabweichung pro Zentimter Länge ausgedrückt werden. Für jedes Segment des Lastzyklusses gleicht die Konus-Rollenfehlausrichtung zusammen mit der Schalen-Rollenfehlausrichtung der gesamten Fehlausrichtung Theta.
  • Die Vorgehensweise zum Feststellen der inneren Fehlausrichtung zwischen der Rolle 6 und dem Konus 2 und äquivalent zwischen der Rolle 6 und der Schale 4 läuft im wesentlichen auf eine Suche für die Gleichgewichtsposition heraus, die die Rolle 6 annimmt, wenn sie den drei sich ergebenden Kräften F-Schale, F-Konus und F-Rippe und irgendwelchen Trägheitslasten verursacht durch den Betrieb bei hoher Geschwindigkeit ausgesetzt ist. Natürlich betrifft diese Analyse allgemein nur eine Rolle 6, wobei dies die Rolle 6 ist, die in der Mitte der Lastzone liegt. Die innere Fehlausrichtung kann bestimmt werden, indem diejenige Winkelposition der Rolle 6 bestimmt wird, die Spannungsverteilungen erzeugt, die sich in Kräfte F-Schale, F-Konus und F-Rippe aufteilen, die alle Momente auf der Rolle 6 aufheben, das heißt auf der Rolle 6 ein Netto-Nullmoment zur Folge haben. Die innere Fehlausrichtung zwischen der Schale 4 und der Rolle 6 zusammen mit der inneren Fehlausrichtung zwischen dem Konus 4 und der Rolle 6 gleichen der externen Fehlausrichtung Theta. Diese Vorgehensweise wird über eine Iteration durchgeführt, mit einer angenommenen anfänglichen Rollenposition, das heißt inneren Fehlausrichtung, die für die Anfangsberechnung verwendet wird.
  • Für jede Position der Rolle 6 bei der Iteration werden die sich ergebenden Kräfte F-Schale, F-Konus und F-Rippe über eine Berührungs-Spannungsanalyse des Typs bestimmt, die in der SAE-Veröffentlichung 850764 von Michael R. Hoeprich beschrieben ist, mit dem Titel Numerical Procedure for Designing Rolling Element Contact Geometry as a Function of Load Cycle. Diese Vorgehensweise beinhaltet die Unterteilung der Rollenseitenfläche 18 in Segmente und die Analyse jedes Segments. Sobald die Spannungsverteilungen festgestellt sind, sind die Positionen der sich ergebenden Kräfte F-Schale, F-Konus und F-Rippe leicht bestimmt. Sollten die Berechnungen für irgendeine angenommene Position der Rolle 6 irgendein Ungleichgewicht der Momente auf der Rolle 6 aufzeigen, wird eine weitere Reihe von Berechnungen durchgeführt, wobei die Rolle 6 geringfügig gedreht wird, um dieses Ungleichgewicht zu beseitigen, aber dies verändert natürlich die Positionen, auf die die sich ergebenden Kräfte F-Schale, F-Konus und F-Rippe wirken; deshalb wird die Iteration durchgeführt. In jedem Fall schreitet die Iteration bis zur Konvergenz fort, das heißt bis zu einer Rollenposition, an der die Summe der Momente, die auf die Rolle 6 wirken, Null ist oder im wesentlichen Null. Genau an dieser Position werden die inneren Fehlausrichtungen bestimmt.
  • An diesem Punkt in der Analyse für jedes Segment des Lastzyklusses sind die Lasten oder Kräfte F-Konus und F-Schale an den Laufbahnen 10 und 16, sowie die inneren Fehlausrichtungen zwischen der Rolle 6 und den Laufbahnen 10 und 16 bekannt. Die Dauer des Lastzyklussegments ist ebenfalls bekannt. Da diese Information verfügbar ist, ist es möglich zu bestimmen, an welchen Stellen die beliebigen Profile und Verjüngungen, die für die Laufbahnen 10 und 16 und für die Rollenseitenflächen 18 gewählt sind, geändert werden sollten und um wieviel, um eine maximale Lebensdauer zu erreichen. Dies kann erfordern, an eine der Laufbahnen 10 oder 16 und an die Rollenseitenfläche 18 an einer Stelle theoretisch Material hinzuzufügen und an einer anderen Stelle theoretisch zu entfernen, um die Berührungsgeometrien derartiger Flächen zu ändern.
  • Die Berührungsgeometrie bezieht sich auf sowohl das Profil als auch die Verjüngung einer Oberfläche, wie beispielsweise die Konuslaufbahn 10, die Schalenlaufbahn 16 oder die Seitenfläche 18 der Rolle 6. Die Änderung der Berührungsgeometrien für die Laufbahnen 10 und 16 und für die Seitenflächen 18 muß das Ausmaß wiedergeben, mit dem verschiedene Lastzyklussegmente unterschiedliche Abschnitte der Laufbahnen 10 und 16 und der Seitenfläche 18 mit einer Spannung beaufschlagt. Die Vorgehensweise zur Maximierung der Lagerdauerfestigkeit über verbesserte Berührungsgeometrien für die Laufbahnen 10 und 16 und die Seitenflächen 18 kann durch Kombination des Algorithmus in der SAE-Veröffentlichung 850764 mit der vorher beschriebenen Analyse zur Bestimmung der inneren Lagerfehlausrichtung erhalten werden.
  • Diese Vorgehensweise beinhaltet im wesentlichen die Unterteilung der Rolle entlang ihrer Berührungslinie in Elemente, wobei die Elemente fortschreitend in Richtung der Enden der Kontaktlinie kleiner werden und die Berechnung der Lastzykluslebensdauer für jedes Element. Anfänglich werden die Elemente unterschiedliche Lastzykluslebensdauern aufzeigen. Für jedes Element mit einer relativ kurzen Lebensdauer wird an diesem Element theoretisch Metall entfernt, wohingegen für irgendein Element mit einer relativ langen Lebensdauer Metall hinzugefügt wird, wobei die Menge des an einem Element entfernten Metalls direkt proportional zum Unterschied der Lebensdauer zwischen dem Element und der Durchschnittslebensdauer für alle Elemente ist. Die Aufgabe der Berechnungen liegt darin, eine gleichmäßige Lastzykluslebensdauer entlang der Kontaktlinie zwischen der Rollenseitenfläche 18 und den Laufbahnen 10 oder 16 herzustellen, je nachdem, welche für die bestimmte innere Fehlausrichtung und die vorher berechneten Lasten berücksichtigt wird.
  • Insbesondere beginnt die Analyse, durch die eine Berührungsgeometrie mit einer gleichmäßigen Lebensdauer bestimmt wird, mit einer Spannungsanalyse, bei der die Spannung an jedem Element entlang der Berührungslinie bestimmt wird. Um das Berührungsspannungsproblem zu lösen, wird die Berührungslänge zwischen der Rollenseitenfläche 18 und der betreffenden Laufbahn 10 oder 16 zunächst in n-Elemente (Figur 3) unterteilt. Die Längen der Elemente nehmen in Richtung zur Mitte der Berührung zu, um die Anzahl von Elementen so groß wie möglich zu machen und dennoch eine geeignete Auflösung dort beizubehalten, wo sie benötigt wird. Es wird angenommen, daß die Druckverteilung über die Berührungsbreite halb-eliptisch ist und entlang der Elementlänge einen konstanten Wert annimmt. Die grundlegende Idee der Lösung liegt darin, daß in dem Berührungsbereich die gesamte Durchbiegung der beiden Körper an einem Punkt der Annäherung der zwei Körper minus dem Anfangsabstand gleichen muß. Die gesamte elastische Durchbiegung bei jeder Elementposition (das heißt k-tes Element) wird durch Anwendung des Überlagerungsverfahrens und durch Summierung der Durchbiegungen bestimmt, die an dem k-ten Element aufgrund Drücke Pi (Figur 3) für das n-Element auftreten. Daraus ergeben sich die zu lösenden Gleichungen wie folgt:
  • W - Ck = Wk (1)
  • wobei gesamte Rollenlast
  • Die in den obigen Gleichungen sowie in anderen Gleichungen verwendeten Symbole sind in der am Ende dieser Beschreibung aufgeführten Tabelle definiert.
  • Die Gleichungen (1), (2) und (3) werden verwendet, um einen Satz von n-gleichzeitigen nicht-linearen Gleichungen zu erzeugen, die verwendet werden, um für jeden Schätzwert von W für Pk aufzulösen. Die Gleichung (4) wird zur Iteration und Bestimmung des Wertes von W verwendet.
  • Die halb-elliptischen Druckverteilungen werden durch rechteckige Flächen mit gleichmäßigem Druck (Figur 4) angenähert. Falls Wa in der Gleichung (5) die Durchbiegung an einem Punkt aufgrund eines gleichmäßigen Drucks über einer rechteckigen Fläche darstellt, dann können die Werte für Kki aus der Gleichung (5) bestimmt werden.
  • wobei
  • Vor der Bestimmung von Kki, muß bi bestimmt werden, da Kki eine Funktion von bi ist. Dies wird unter Verwendung der lokalen Krümmungen an jeder Elementposition i in Umfangsrichtung und entlang der Berührungslänge durchgeführt, um den Zusammenhang zwischen der Berührungsbreite (2bi) und dem Spitzenberührungsdruck (Pi) aus den klassischen konzentrierten Berührungslösungen zu bestimmen. Dann werden die n-Einflußkoeffizienten Kki für jede der n-halb elliptischen Druckverteilungen unter Verwendung von Gleichung (5) bestimmt.
  • Nachdemdie Spannung für jedes Inkrement berechnet ist, wird die Dauerfestigkeit für jedes Element unter Verwendung der Regel von Miner bestimmt, nämlich Die Elemente werden nicht alle die gleiche Dauerfestigkeit aufzeigen. Um sich einer gleichmäßigen Dauerfestigkeit besser anzunähern, wird Metall von den Profilen an der Rollen-Schalenberührungsstelle und an der Rollen-Konuskontaktstelle zumindest von einem theoretischen Standpunkt hinzugefügt oder entfernt. In der Tat wird entlang des Profils an jeder Berührungsstelle, von einem Profil an jedem Element direkt proportional zur Größe und zum Vorzeichen der Zykluslebensdauer des Elements relativ zu der Durchschnittsdauerfestigkeit für alle Elemente Metall hinzugefügt oder entfernt. Die Veränderungen der Profile wirken sich auch auf die Verjüngung aus und können somit vielleicht geeigneter als eine Änderung der Berührungsgeometrie beschrieben werden, da sie nicht nur die Profile, sondern auch die Verjüngung verändern. Das entlang der Verjüngung betrachtete Profil stellt, wie man sich ins Gedächtnis zurückruft, die Berührungsgeometrie dar. In jedem Fall kann die sich ergebende Berührungsgeometrie numerisch als Koordinaten in einem kartesischen Koordinatensystem beschrieben werden oder sie kann numerisch als die Zusammensetzung eines auf eine Schräge überlagerten Profils beschrieben werden, wobei die Schräge die Verjüngung (Figur 5) darstellt. In der Zusammensetzung liegt die Linie, die die Schräge repräsentiert, tangential zur Mitte der Linie, die das Profil repräsentiert. Das Profil, welches mit dem Prozeß bestimmt wird, besitzt im Vergleich mit dem symmetrischen Profil ohne Verjüngungseinstellung, welches mit dem in der SAE-Veröffentlichung 850764 beschriebenen Verfahren bestimmt wird, eine geringere Krümmung und hat geringere Spannungen zur Folge.
  • Die Einstellung für die Verjüngung kann von der Berührungsgeometrie der Laufbahn 16 abgezogen werden und auf die Laufbahn 10 angewendet werden oder umgekehrt.
  • Bezüglich der Rollen-Schalen-Berührung wird die theoretische Hinzufügung oder Entfernung von Metall, das heißt die Änderung der Berührungsgeometrie, normalerweise entlang der Schalenlaufbahn 16 und nicht entlang der Rollenseitenfläche 18 durchgeführt, da eine Änderung dieser Stelle die Rollen-Konus-Berührung nicht beeinflußt. Genauso tritt eine Änderung der Berührungsgeometrie entlang der Rollen-Konus-Berührung normalerweise auf der Konuslaufbahn 10 und nicht auf der Rollenseitenfläche 18 auf. Als Folge der Berechnungen der gleichmäßigen Lebensdauer nehmen die Laufbahnen 10 und 16 geänderte Berührungsgeometrien an und dies ändert wiederum die innere Fehlausrichtung zwischen dem Konus 2 und der Rolle 6 und ebenso zwischen der Schale 4 und der Rolle 6. Unter Verwendung der obigen Prozedur mit den geänderten Berührungsgeometrien werden die beiden inneren Fehlausrichtungen für jedes Segment des Lastzyklusses nochmals berechnet. Mit diesen neuen inneren Fehlausrichtungen werden neue Berührungsgeometrien für die Konus- und Schalenlaufbahnen 10 und 16 bestimmt. Diese neuen Berührungsgeometrien erzeugen noch andere innere Fehlausrichtungen zwischen dem Konus 2 und der Rolle 6 und zwischen der Schale 4 und der Rolle 6 und diese haben wiederum noch andere Berührungsgeometrien zur Folge. Tatsächlich läuft die Vorgehensweise auf eine Iteration hinaus, bei der die obigen Schritte immer wieder wiederholt werden. Dies wird durch einen digitalen Rechner ermöglicht.
  • Mit jedem Satz von Berührungsgeometrien bei der Iteration ändert sich die Fehlausrichtung weniger und dasselbe trifft für die Änderung der Berührungsgeometrien an der Berührungsstelle von Schale-Rolle und an der Berührungsstelle Konus-Rolle zu, und schließlich wird ein Punkt erreicht, bei dem ein weiteres Fortschreiten der Iteration keine wesentliche Änderung bei den inneren Fehlausrichtungen oder der Berührungsgeometrie erzeugt. Von diesem Punkt sagt man, daß die Prozedur auf eine Lösung konvergiert hat und keine Fortsetzung der Iteration ist erforderlich. Das Lager A wird dann geschliffen, um seine Laufbahnen 10 und 16 und seine Rollenseitenflächen 18 mit den so bestimmten Profilen zu versehen.
  • Eine geringfügige Abweichung von dem Kriterium für gleichmäßige Lebensdauer kann in die Profile für die Laufbahnen 10 und 16 und für die Rollenseitenflächen 18 an den Enden der Kontaktlinien eingebaut werden, um weiter Scherspannungen unter der Oberfläche zu reduzieren (siehe SAE-Veröffentlichung 850764).
  • Anstelle des oben beschriebenen numerisch bestimmten Profils ist es möglich, einen einzigen Radius als das Profil der Konuslaufbahn 10 oder der Schalenlaufbahn 16, im allgemeinen die Letztere, zu verwenden. Diese Prozedur erhält die Verjüngungseinstellung, die in der numerischen Analyse bestimmt wird. Die Kräfte F-Schale, F-Konus und F-Rippe und die berechnete innere Fehlausrichtung für die betrachtete Laufbahn 10 oder 16 schaffen eine Basis zur Auswahl eines Profilradius mit einer optimalen Lastzykluslebensdauer. Bei dieser Prozedur werden die Spannungen entlang jeder Laufbahn 10 und 12 und die sich ergebende Lebensdauer Ls für jeden Lastzykluszustand wie oben beschrieben bestimmt. Eine relative Zykluslebensdauer Lc für die Laufbahn 10 oder 16 wird durch Vergleichen von verschiedenen Profilradien unter Verwendung der folgenden Formeln bestimmt: Lebensdauer des Lastzyklussegments Lastzykluslebensdauer
  • Die Verwendung eines Profilradius ist nicht so effektiv wie ein numerisch bestimmtes Profil, aber die Vorzüge einer Verjüngungseinstellung auf der Basis des Lastzyklus werden zum größten Teil beibehalten.
  • Ein typisches Lager A würde einen Profilradius auf der Laufbahn 16 für seine Schale 4 aufweisen, einen anderen Profilradius auf der Seitenfläche 18 seiner Rollen 6 und ein numerisch bestimmtes Profil für die Laufbahn 10 seines Konus 2. Zur einfachen Herstellung wird die gesamte sowohl für die Konus- als auch die Schalen-Berührungsgeometrien bestimmte Verjüngungseinstellung während jedes Iterationsschrittes auf die Schalenlaufbahn 16 angewendet. Das folgende Beispiel bezieht sich auf ein Lager der obigen Konfiguration.
  • BEISPIEL
  • Ein Kegelkugellager A arbeitet unter einem Lastzyklus, der aus drei Segmenten oder Zuständen 1, 2 und 3 besteht, die die folgenden Merkmale besitzen: Lastzyklus zustand Schalen-Rollenlast F-Schale (externe) Fehlausrichtung Theta von Konus-Schale Dauer
  • Um die Analyse zu beginnen, werden geeignete Anfangsprofile für die Konus- und Schalenlaufbahnen 10 und 16 angenommen, wie in Figur 6A und D gezeigt. Das angenommene Anfangsprofil für die Konuslaufbahn 16 besteht in diesem Fall aus mehreren tangentialen Radien, obwohl diese Prozedur ebenso mit einem einfachen Konenradius beginnen könnte. Je näher der erste Schätzwert an der Endgestalt liegt, desto weniger Schritte werden bei der Iteration ausgeführt. Das Anfangsprofil für die Schalenlaufbahn 16 ist ein einfacher Konenradius. Das Profil für die Rollenseitenfläche 18 ist ebenfalls ein einfacher Kronenradius, der während der Entwurfsprozedur einen festen Wert beibehält und in Figur 6F gezeigt ist.
  • Obwohl das aufgezeigte Rollenprofil ziemlich eben ist, muß dies nicht unbedingt so sein, da es die zusammengesetzten Berührungsgeometrie der Rollenseitenfläche 18 und der Laufbahnen 10 und 16 ist, was wichtig ist. Der Grad einer Profilierung zwischen der Rollenseitenfläche 18 und der Laufbahnen 10 und 16 kann wahlweise ausgetauscht werden, solange der Nettoabstand zwischen den Körpern entlang der Laufbahnen 10 und 16 mit demjenigen übereinstimmt, der durch den Prozeß der vorliegenden Erfindung bestimmt wird.
  • Schritt I (Anfangsberechnung)
  • A. Unter Verwendung der vorangegangenen Information wird die innere Fehlausrichtung innerhalb des Lagers entlang der Konus-Rrollenlast berechnet. Lastzyklus zustand Konus-Rolle Schale-Rolle Last F-Konus Berührungs-Fehlausrichtung Last F-Schale
  • Positive Fehlausrichtungswerte zeigen an, daß die Last in Richtung des größeren Endes der Rolle verschoben ist.
  • B. Unter Verwendung der obigen Fehlausrichtungen für Konus-Rollenlasten, werden die Konuslaufbahnspannungen für die drei Lastzykluszustände berechnet. Das Kriterium für gleichmäßige Lebensdauer wird nun verwendet, um das gewünschte Profil für die Konuslaufbahn 10 zu bestimmen. Das sich ergebende Konusprofil hatte eine mit einem Lastzyklus gewichtete Verjüngungseinstellung von -,001130 cm/cm, was Spannungen an dem großen Ende der Konuslaufbahn verringern würde. Da bei diesem Lagerdesign die gesamte Verjüngungseinstellung auf der Schalenlaufbahn stattfinden soll, wird für die Konuslaufbahn nur das numerisch berechnete Profil mit der abgezogenen Verjüngungseinstellung beibehalten. Die Verjüngungseinstellung für die Konuslaufbahn von -,001130 cm/cm wird auf die Schalen-Rollenberührung angewendet, indem der Schalen-Laufbahnwinkel um ,001130 cm/cm erhöht wird.
  • C. Die Krone für die Schalenlaufbahn 16 wird nun unter Verwendung der Gleichungen (7) und (8) mit der Schalen-Rollenfehlausrichtung vom Schritt I A bestimmt. Ein Radius von 152,4 cm kombiniert mit der Verjüngungseinstellung ergibt sich.
  • Unter Verwendung dieser Laufbahngeometrien wird die Prozedur wiederholt. Die Laufbahnlasten werden sich nicht ändern, jedoch werden sich die Druckverteilungen und inneren Fehlausrichtungen ändern.
  • Schritt II (erster Schritt der Iteration)
  • A. Unter Verwendung der neuen Konus- und Schalenlaufbahngeometrien werden die inneren Lagerfehlausrichtungen neu berechnet. Lastzyklus zustand Fehlausrichtung von Konus-Rolle Fehlausrichtung von Schale-Rolle
  • B. Das sich aus den Daten im Schritt II A ergebende numerische Konusprofil besitzt eine Profileinstellung von -,000355 cm/cm, was in dem Schritt II C unten zusätzlich zu der vorangegangenen Verjüngungseinstellung von -,001130 cm/cm verwendet wurde.
  • C. Die neue erneut ausgewertete Schalenkrone ist 190,5 cm mit einer Verjüngungskompensation von -,001485 cm/cm.
  • Schritt III (zweiter Schritt der Iteration)
  • A. Unter Verwendung der Laufteilgeometrien im Schritt II und der Schalen-Verjüngungseinstellung für das Schalenlaufteil: Lastzyklus zustand Fehlausrichtung von Konus-Rolle Fehlausrichtung von Schale-Rolle
  • B. Das sich aus den Daten im Schritt III A ergebende numerische Konusprofil ist in Figur 6B gezeigt. Die Neigung in der Mitte ist -,000095 cm/cm, welches ausreichend klein ist, so daß man sagen kann, daß die Prozedur auf eine Lösung konvergiert hat. Dieses Profil kann dann unter Berücksichtigung von Herstellungsanforderungen geringfügig modifiziert werden, woraus sich das in Figur 6C gezeigte Profil ergibt.
  • C. Das End-Schalenprofil ist ein 228,6 cm Radius mit einer Verjüngungskompensation von -,00158 cm/cm. Dies ist in Figur 6E dargestellt.
  • NOMENKLATUR
  • a - halbe Länge der Fläche zur Integration
  • bi, bk - halbe Breite der Berührung
  • b - Exponent für die Lastlebensdauer
  • c - halbe Breite der Fläche zur Integration
  • Ck - Anfangsabstand zwischen Rolle und Laufbahn beim Element k vor der Belastung
  • d - Dispersionsfaktor für die Weibull-Lebensdauer
  • E - Elastizitätsmodul
  • fj - Umgebungs-Lebensdauer-Einstellungsfaktor
  • Kki - Einflußkoeffizient zur Bestimmung der Durchbiegung von zwei Körpern beim Element k aufgrund des Druckes auf das Element i
  • li, lk - axiale Länge eines Elementes
  • L - Zykluslebensdauer
  • Lk - Lastzykluslebensdauer des Elementes k
  • m - Anzahl der Zustande in dem Lastzyklus
  • n - Anzahl von Elementen
  • P - Druck
  • Pi, Pk - maximale Druckspannung über die Länge eines Elementes
  • Pkj - maximale Druckspannung über die Länge des Elementes k für den Lastzykluszustand j
  • s - Spannungs-Lebensdauerexponent
  • tj, ts - Bruchteil einer Zeit für einen Lastzykluszustand j, s
  • W - relative Annäherung von beabstandeten Punkten bei der Rolle und der Laufbahn
  • Wk - gesamte elastische Durchbiegung von Oberflächen beim Element k für sowohl die Rolle als auch die Laufbahn
  • Wa - elastische Durchbiegung aufgrund der Fläche eines gleichmäßigen Drucks
  • x, y, z - Koordinaten
  • Theta - Lagerfehlausrichtung
  • (+ Last ist zum großen Ende verschoben)
  • (- Last ist zum kleinen Ende verschoben)
  • z - Poisson-Verhältnis
  • Die Erfindung eignet sich auch zum Bestimmen von Profilen für Laufbahnen auf Scheibenkegelrollenlagern.

Claims (8)

1. Verfahren zur Bestimmung der Berührungsgeometrien für auf Laufbahnen und Rollen eines Rollenlagers, welches Wiederholungen eines Lastzyklusses erfährt, wobei sich in dem Lager eine erste Laufbahn (10) auf einem ersten Laufteil (2) befindet und sich eine zweite Laufbahn (16) auf einem zweiten Laufteil (4) befindet, wobei die zweite Laufbahn gegenüberliegend zur ersten Laufbahn angeordnet ist, sich die Rollen (6) zwischen den Laufteilen befinden und Seitenflächen (18) besitzen, die die erste Laufbahn (10) an einem ersten Berührungsbereich und die zweite Laufbahn (16) an einem zweiten Berührungsbereich berühren, wobei jeder Lastzyklus eine Vielzahl von Segmenten einschließt, wobei jedes Segment eine Last, eine Dauer und eine externe Fehlausrichtung umfaßt, wobei die externe Fehlausrichtung die Winkelverschiebung der Achse eines Laufteils relativ zu der Achse des anderen Laufteils aufgrund der Durchbiegung einer von dem Lager gehaltenen Komponente darstellt, wobei das Verfahren umfaßt: willkürliches Auswählen von Anfangsberührungsgeometrien beider Laufbahnen und der Seitenflächen der Rollen; Berechnen der inneren Fehlausrichtungen zwischen der ersten Laufbahn (10) und den Rollen (6) und zwischen der zweiten Laufbahn (16) und den Rollen (6) für jedes Segment des Lastzyklusses für die anfänglich gewählten Berührungsgeometrien, wobei eine innere Fehlausrichtung für irgendein Segment des Lastzyklusses den Abschnitt der äußeren Fehlausrichtung darstellt, die zwischen den Rollen (6) und der ersten Laufbahn (10) existiert, und eine weitere innere Fehlausrichtung für das gleiche Segment den Abschnitt der externen Fehlausrichtung darstellt, die zwischen den Rollen (6) und der zweiten Laufbahn (16) existiert; unter Verwendung der inneren Fehlausrichtungen, Berechnen von Modifikationen für die gewählten Berührungsgeometrien, um geänderte Berührungsgeometrien vorzusehen, in denen im wesentlichen eine gleichmäßige Lebensdauer theoretisch an dem ersten Berührungsbereich und ebenso an dem zweiten Berührungsbereich existiert; Berechnen der inneren Fehlausrichtungen für die geänderten Berührungsgeometrien für jedes Segment des Lastzyklusses; Berechnen von weiteren Modifikationen für die geänderten Berührungsgeometrien, um weitere geänderte Berührungsgeometrien vorzusehen, in denen im wesentlichen eine gleichmäßige Lebensdauer theoretisch entlang den ersten und zweiten Berührungsbereichen an den erneut berechneten inneren Fehlausrichtungen existiert; und Wiederholen der obigen Schritte des Berechnens von inneren Fehlausrichtungen und des Berechnens von Geometrie-Modifikationen und geänderten Berührungsgeometrien, bis ein weiteres Fortschreiten der Iteration keine wesentlichen Änderungen von inneren Fehlausrichtungen oder Berührungsgeometrien erzeugt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rollen und die Laufbahn (10, 16) allgemein verjüngt sind und daß die End-Berührungsgeometrien Verjüngungen aufweisen, die sich nicht an einem gemeinsamen Punkt auf der Drehachse (X) des Lagers treffen.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Profil, das für die Rollen (6) willkürlich gewählt wird, eine Krone einschließt.
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Modifikationen für die Berührungsgeometrien während der Iteration entlang der Laufbahnen (10, 16) durchgeführt werden.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Laufteil (2) innerhalb des zweiten Laufteils (4) liegt.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Berührungsgeometrien, die sich aus der Konvergenz ergeben, Verjüngungen aufweisen, die sich nicht an einem gemeinsamen Punkt auf der Drehachse (X) des Lagers treffen.
7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Laufbahn (10) abgewendet von der Drehachse für das Lager angeordnet ist, wobei die zweite Laufbahn (16) zur Drechachse hinweisend angeordnet ist und das Lager Lasten tragen wird, die allgemein radial bezüglich der Drehachse ausgerichtet sind.
8. Lager, umfassend Lagerrollen, die sich zwischen zwei Laufbahnen (10, 16) befinden, wobei sich jede von diesen auf einem Laufteil (4, 2) befindet, wobei die Laufbahnen entgegengesetzt zueinander angeordnet sind und die Rollen Seitenflächen (18) aufweisen, die die erste Laufbahn (10) an einem ersten Bereich und die zweite Laufbahn (16) an einem zweiten Bereich berühren, dadurch gekennzeichnet, daß die Berührungsgeometrien der Seitenflächen (18) und beider Laufbahnen (10, 16) entsprechend dem in einem der Ansprüche 1 bis 7 beanspruchten Verfahren bestimmt werden.
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