DE68907535T2

DE68907535T2 - Kugellager.

Info

Publication number: DE68907535T2
Application number: DE89115449T
Authority: DE
Inventors: Dennis W Smith
Original assignee: Honeywell Inc
Current assignee: Honeywell Inc
Priority date: 1988-08-25
Filing date: 1989-08-22
Publication date: 1993-12-16
Anticipated expiration: 2009-08-23
Also published as: JPH0289808A; CA1292495C; JP2707332B2; EP0356882A1; US4859090A; EP0356882B1; DE68907535D1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Kugellager gemäß Gattungsbegriff des Anspruchs 1. Ein Kugellager dieser Art ist aus DE-U 88 06 186 bekannt, wo die Kugeln durch einen Käfig in einem vorgegebenen Abstand voneinander gehalten werden.
Die am 15.2.1989 veröffentlichte ältere EP-A 0 303 228 zeigt eine Kugellageranordnung mit Trennkörpern zwischen den Kugeln sowie einen ersten und einem zweiten Spurkranz für die Lagerung der Trennkörper.
Ein in der Zeitschrift "Product Engineering" vom 17.8.64 auf Seite 44 veröffentlichter Aufsatz "Rolling Element Slip Rings" beschreibt ein Kugellager, dessen Rollkörper anstelle von Kohlebürsten als Ersatz für Schleifringe benutzt werden, die elektrische Energie oder Signale von einem drehenden Maschinenteil auf einen stationären Maschinenteil übertragen. Um einen guten elektrischen Kontakt zu erzielen und aufrechterhalten, bestehen die Kugeln und die Laufringe aus kohlenstofffreiem Stahl, sind goldplattiert und mit einem dünnen Anfangsfilm von Molybden-Disulfid beschichtet.
In der Zeitschrift "PATENT ABSTRACTS OF JAPAN", Band 10, Heft 114 (M-473) (2173) vom 26.4.1986 beschreibt ein Kurzauszug der japanischen Patentanmeldung JP-A-60 241516 ein Kugellager, dessen innere und äußere Laufringe mit Bleibeschichtungen versehen sind, um die Reibung zu verringern und damit die Lebensdauer des Lagers zu erhöhen. Ein Haltering für die Kugeln besteht aus einem Kupfersystemmetall mit Blei.
Verschiedene Satellitensysteme erfordern eine Wärmeübertragung über ein drehbares Gelenk. Einige dieser Systeme, wie beispielsweise das Lagersystem für einen Infrarotsensor müssen bei so niedrigen Temperaturen wie 10º Kelvin (10ºK) betrieben werden, während andere System, wie Verlustwärmeableitsysteme, im Bereich von 300º bis 400ºK arbeiten. In all diesen Fällen besteht die Forderung nach einem niedrigen Drehmoment und einem geringen Temperaturabfall über das Gelenk.
Hauptaufgabe eines Rollkörperlagers ist normalerweise die Gewährleistung einer geringen Reibung zwischen den relativ zueinander, um eine gemeinsame Achse drehenden Teilen. Normalerweise ist ein Rollkörperlager eine schlecht wärmeübertragende Vorrichtung, weil mehr oder weniger nur eine Vielzahl von Punktkontakten zwischen den Kugeln und dem inneren und dem äußeren Laufring des Lagers besteht. Die vorliegende Erfindung jedoch offenbart neue Eigenschaften eines Rollkörperlagers, um dieses als eine wirksame Wärmeübertragungsvorrichtung verwenden zu können. Die Erfindung ist im Anspruch 1 gekennzeichnet, und besonders nützliche Einzelheiten und Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
Die genannten Ziele, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, wie sie in den beiliegenden Zeichnungen wiedergegeben ist.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Figur 1 zeigt einen Schnitt längs der Linie 1-1 von Figur 2 durch ein Kugellager gemäß der Erfindung;
Figur 2 zeigt eine teilweise geschnittene Ansicht in Richtung der Pfeile 2-2 in Figur 1;
Figur 3 ist ein Teilschnitt längs der Linie 3-3 in Figur 2; und
Figur 4 ist eine graphische Darstellung der thermischen Leitfähigkeit in Abhängigkeit von der Temperatur für vier verschiedene Kupferlegierungen.

Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels

Die Figuren 1 und 2 zeigen ein Kugellager 10. Es hat eine Rotationsachse 12 und umfaßt einen äußeren Laufring 14 sowie einen inneren Laufring 16. Das Kugellager 10 weist ferner eine Vielzahl von Lagerkugeln 18, 20, 22, 24, 26, 28, 30, 32, 34, 36, 38 auf, welche radial zwischen dem inneren Laufring 16 und dem äußeren Laufring 14 angeordnet sind. Das Kugellager 10 ist ferner mit einer Vielzahl von Rollen oder Trennkörpern 40, 42, 44, 46, 48, 50, 52, 54, 56, 58 ausgestattet, welche in Umfangsrichtung zwischen den entsprechenden Lagerkugeln angeordnet sind.
In den Figuren 1 und 2 hat der Innenring 16 eine mit ihm einstückige erste Seitenplatte 60. Die Platte 60 weist einen mit ihr einstückig ausgebildeten Rollenspurkranz 62 auf. Der Innenring 16 ist ferner mit einer zweiten Seitenplatte 64 ausgestattet, die einen mit ihr einstückigen zweiten Rollenspurkranz 66 aufweist. Die Platte 64 ist mittels einer Vielzahl in Umfangsrichtung beabstandeter Schrauben 68, 70, 72, 74, 76, 78, 80, 81 am Innenring 16 befestigt.
Ein in Figur 3 wiedergegebener typischer Trennkörper 40 weist einen ersten zylindrischen Teil 82, einen zweiten zylindrischen Teil 84, sowie einen im Durchmesser verringerten Mittelteil 86 auf. Der erste Spurkranz 62 hat eine innere Rollfläche 88, und der zweite Spurkranz 66 ebenfalls eine innere Rollfläche 90. Der geteilte Innenring 60 hat einen feststehenden Ringteil 92 sowie einen beweglichen Ringteil 94, der vom festen Ringteil 92 trennbar oder entfernbar ist.
In Figur 3 ist der feste Ringteil 92 mit einer ersten inneren Lagerfläche 96 ausgestattet und der bewegliche Ringteil 94 mit einer zweiten inneren Lagerfläche 98. Die Flächen 96 und 98 haben zusammen ein Profil in Form eines Spitzbogens. Der Außenring 14 ist mit einer dritten Lagerfläche 100 sowie einer vierten Lagerfläche 102 versehen. Diese Flächen 100 und 102 haben auch das Profil eines Spitzbogens. Der Außenring 14 weist einen dritten mittleren Flächenteil oder Scheitelteil 104 auf. Die Lagerkugel 18, eine typische Lagerkugel, hat eine kugelförmige Oberfläche 106, die vom Scheitelteil 104 durch einen Zwischenraum 108 getrennt ist.
In Figur 2 ist der bewegliche Ringteil 94 mit einer Vielzahl von Federelementen oder Schraubenfedern 110, 112, 114, 116, 118, 120 und 122 versehen. Wenn die erste Platte 60 mit den Schrauben 68, 70, 72, 74, 76, 78, 80, 81 an dem festen Ringteil 92 befestigt ist, drücken die Federn 110, 112, 114, 116, 118, 120 und 122 gegen den beweglichen Ringteil 94 und erzeugen Kräfte, welche senkrecht zu den Flächen 96 und 98 stehen, sowie Reaktionskräfte, welche senkrecht zu den Flächen 100 und 102 gerichtet sind.
Der Betrag der von jeder Feder ausgeübten Kraft ist proportional zum Betrag jeder senkrecht zu den Flächen 96, 98, 100 und 102 stehenden Kraft. Die Federkräfte sind untereinander praktisch gleich. Die auf die Flächen 96, 98, 100 und 102 einwirkenden Kräfte sind untereinander etwa gleich. Die Größe des Wärmestroms zwischen den Laufringen 14 und 16 ist dem Betrag jeder Kraft auf die Flächen 96, 98, 100 und 102 proportional, die ihrerseits der Größe der von jeder Feder ausgeübten Kraft proportional ist. Die Feder ist derart gestaltet, daß sie die gewünschte Wärmeübertragungsrate zwischen aneinanderliegenden Teilen 124 und 126 erzielt, die, wie Figur 3 zeigt, über die Laufringe 14 und 16 miteinander in Verbindung stehen.
Gemäß Figur 3 wird die Kontaktfläche an jeder Oberfläche 96, 98, 100 und 102 mit der Kugeloberfläche 106 relativ breit gehalten, um die Wärmeübertragung zu maximieren. Deshalb ist die Krümmung der Flächen 96 und 98 sowie die entsprechende Krümmung der Flächen 100 und 102 relativ eng. Der Abstand 108 ist aus diesem Grund ziemlich klein. Wenn die Teile 92 und 94 durch die Feder 110 zusammengedrückt werden - vgl. Figur 3 -, so ist der Kontaktwinkel des inneren Laufrings 16 praktisch der gleiche wie der des äußeren Laufrings 14.
Der Trennkörper 40, ein typischer Trennkörper, ist so gestaltet, daß er rollende Reibung ermöglicht und Gleitreibung minimiert. Da die Gleitreibung minimiert ist, kann eine dünne Goldplattierung auf dem Trennkörper 40 zur Schmierung sowie zum Korrosionsschutz des leicht oxidierbaren Kupfers verwendet werden. Eine solche Goldplattierung deformiert sich relativ leicht, wodurch die wirksame Kontaktfläche mit benachbarten Kugeln 18, 20 erhöht wird.
Zur optimalen Wärmeübertragung bei niedrigen cryogenen Temperaturen wird für die Laufringe 14 und 16 sowie die Kugeln 18 bis 38 hochreines Kupfer verwendet. Wie Figur 4 zeigt ist hochreines Kupfermaterial oder Reinkupfermaterial (OFHC = Oxygen Free High Copper Alloy) für die Wärmeübertragung bei sehr niedrigen Temperaturen besser als andere Kupferlegierungen. Figur 4 zeigt, daß hochreines Kupfer eine thermische Leitfähigkeit aufweist, welche beim Absinken der Temperatur von etwa 100ºK auf 10ºK rapide ansteigt.
Die Zahlen längs der Vertikalachse in Figur 4 sind in britischen Warmeeinheiten BTU pro Stunde, pro Fuß und pro Grad Fahrenheit angegeben. Sie können in Watt pro Zentimeter und pro Grad Celcius umgewandelt werden, indem man den BTU-Wert mit 0,01731 multipliziert.
Für eine optimale Wärmeübertragung bei anderen als sehr niedrigen Temperaturen wird ein Material mit einem relativ niedrigen Elastizitätsmodul benutzt, weil es eine relativ größere Deformation aufweist als ein Material mit einem relativ hohen Elastizitätsmodul. Solche Materialien mit niedrigem Elastizitätsmodul führen bei vorgegebener Belastung zu einer relativ starken Deformation und einer relativ großen Kontaktfläche und damit zu einer besseren Wärmeleitfähigkeit.
Zur Erzielung einer optimalen Wärmeübertragung bei relativ hohen Temperaturen wird ein flüssiges Schmiermittel verwendet, um die Wärmeübertragung zu verbessern und die Wärmeleitfähigkeit zwischen der Lagerkugel und dem inneren und dem äußeren Laufring zu erhöhen. Das flüssige Schmiermittel erzeugt bei vorgegebener Last und Kugelgeschwindigkeit an den Fläche 96, 98, 100, 102 keinen elastohydrodynamischen Film, weil ein solcher Film den Kontaktwiderstand für den Wärmefluß wesentlich erhöhen würde.
Verschiedene Merkmale im Kugellager 10 können unterschiedlichen Betriebstemperaturen und Betriebszuständen angepaßt werden. Hierzu gehören die Federn 110 mit einer relativ hohen Federsteifigkeit, um eine hohe Wärmeübertragungsrate zu erzielen, sowie eine hochreine Kupferkugel 18 und Laufringe 14 und 16, die bei Temperaturen, welche unter 100ºK fallen, die Wärmeleitfähigkeit erhöhen, ferner die Vermeidung von Gleitreibung sowie die Verwendung einer dünnen Goldplattierung auf den Kugeln 18 und den Laufringen 14, 16 zur Erhöhung der Gesamtwärmeleitung bei allen Temperaturen, ferner die Verwendung eines niedrigen Elastizitätsmoduls für die Kugeln 18 und die Laufringe 14, 16 zur Erhöhung der Wärmeleitung durch diese Bauteile und zum Erhöhen der Wärmeleitfähigkeit an den Kontaktstellen zwischen ihnen.
Während die Erfindung zuvor anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels beschrieben wurde, ist gleichwohl verständlich, daß die benutzten Bezeichnungen nur der Beschreibung und keineswegs der Beschränkung dienen sollen und daß Änderungen innerhalb des Rahmens der beigefügten Ansprüche vorgenommen werden können, ohne vom Schutzbereich der Erfindung abzuweichen. Beispielsweise kann man anstelle der Federn 110, 112, 114, 116, 118, 120, 122 andere als Schraubenfedern verwenden, beispielsweise gewellte Federscheiben, ein elastomeres Bauteil oder eine Tellerfeder.

Claims

1. Kugellager (10) mit

a) einem äußeren Laufring (14) und einem hierzu koaxialen inneren Laufring (16);

b) einer Vielzahl von in radialer Richtung zwischen dem inneren und dem äußeren Laufring angeordneten Lagerkugeln (18, 20, 22, 24, 26, 28, 30, 32, 34, 36, 38);

c) einer Vielzahl von abwechselnd in Umfangsrichtung zwischen den Lagerkugeln angeordneten Trennkörpern (40, 42, 44, 46, 48, 50, 52, 54, 56, 58); wobei

d) der innere Laufring einen ersten Innenringteil (92) mit einer ersten Lagerfläche (96) sowie einen zweiten Innenringteil (94) mit einer zweiten Lagerfläche (98) umfaßt;

e) der äußere Laufring eine in Radialrichtung gegenüber der ersten Lagerfläche (96) angeordnete dritte Lagerfläche (100) aufweist;

f) der äußere Laufring eine in radialer Richtung der zweiten Lagerfläche (98) gegenüberliegende vierte Lagerfläche (102) aufweist;

g) die ersten und zweiten sowie dritten und vierten Lagerflächen mit jeder der Lagerkugeln in Kontakt stehen; und das Kugellager ferner

h) Federn (110, 112, 114, 116, 118, 120, 122) aufweist, welche den zweiten Innenringteil (94) in Achsrichtung gegen den ersten Innenringteil (92) drücken, um erste und zweite sowie dritte und vierte senkrecht zu den ersten und zweiten sowie dritten und vierten Lagerflächen gerichtete Kräfte auszuüben;

dadurch gekennzeichnet,

daß

i) die Lagerkugeln (18, 20, 22, 24, 26, 28, 30, 32, 34, 36, 38) sowie der innere Laufring (16) und der äußere Laufring (14) aus hochreinem Kupfer mit relativ hoher Wärmeleitfähigkeit bestehen;

j) die Lagerkugeln (18, 20, 22, 24, 26, 28, 30, 32, 34, 36, 38> sowie der innere Laufring (16) und der äußere Laufring (14) mit einer dünnen Goldschicht versehen sind, um die Wärmeleitfähigkeit an den Kontaktstellen zwischen den Lagerkugeln und den Laufringen zu erhöhen; und

k) ein erster Spurkranz (62) sowie ein zweiter Spurkranz (66) zur Abstützung der Trennkörper vorgesehen sind.

2. Kugellager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lagerkugeln (18, 20, 22, 24, 26, 28, 30, 32, 34, 36, 38) sowie der innere Laufring (16) und der äußere Laufring (14) aus einem Material mit einem relativ niedrigen Elastizitätsmodul bestehen, um die Wärmeleitfähigkeit an den Kontaktpunkten durch Erhöhung der Deformation an den Kontaktpunkten zu vergrößern.

3. Kugellager nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Federn (110, 112, 114, 116, 118, 120, 122) eine hohe Federsteifigkeit aufweisen, um die Wärmeleitfähigkeit an den Kontaktstellen durch Erhöhung der Kontaktkräfte zu vergrößern.

4. Kugellager nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Federn (110, 112, 114, 116, 118, 120, 122) eine Vielzahl von Schraubenfedern sind.

5. Kugellager nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten Lagerflächen (96, 98) sowie die dritten und vierten Lagerflächen (100, 102) das Profil eines Spitzbogens aufweisen.

6. Kugellager nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die dritten und vierten Lagerflächen (100, 102) zwischen sich eine Scheitellagerfläche (104) aufweisen und jede Lagerkugel eine kugelförmige Oberfläche (106) hat, wobei die Scheitellagerfläche und die kugelförmige Oberfläche zwischen sich einen Abstand (108) bilden, dessen Größe vom Kontaktwinkel zwischen der Kugel und den dritten und vierten Lagerflächen sowie vom Krümmungsverhältnis der Kugel zu den dritten und vierten Lagerflächen abhängt; und daß der Kontaktwinkel und das Krümmungsverhältnis derart optimiert sind, daß maximale Kontaktflächen zu beiden Seiten des Zwischenraums entstehen, um die Wärmeleitfähigkeit an den Kontaktflächen zu erhöhen.