Die Erfindung betrifft ein Wälzrollenlager.
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Die GB-A-324,792 zeigt in Fig. 12 eine Freilauf- oder
in nur einer Richtung wirkende Kupplung mit einem
äußeren Antriebsglied und einem inneren angetriebenen
Glied, die durch ein bewegliches Zwischenglied und
Rollkörper miteinander verbunden sind. Das bewegliche
Zwischenglied und das innere angetriebene Glied weisen
konvexe bzw. konkave Oberflächen auf, die eine Laufbahn
für die darin angeordneten Rollkörper bilden, deren
Achsen schräg zu einer Ebene angeordnet sind, in der
die Achse der Kupplung liegt. Es ist eine Feder
vorhanden, die die Tendenz hat, das bewegliche Zwischenglied
in axialer Richtung der Kupplung in die Eingriffslage
zu drücken. Wenn das angetriebene Glied das
Antriebsglied überholt, wird das bewegliche Zwischenglied gegen
die Kraft der Feder durch die axiale Komponente des
Reibungswiderstandes zwischen den Rollkörpern und ihren
Kontaktflächen bewegt, so daß die Kupplungsglieder
gelöst werden. Mit dem beweglichen Zwischenstück ist eine
Abschlußplatte für die Rollkörper verbunden, die am im
Durchmesser größeren Ende der Laufbahn angeordnet ist.
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Generell sind drei Arten von Wälzrollenlagern bekannt,
nämlich Zylinderrollenlager, Kegelrollenlager und
Pendelrollenlager.
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Zylindrische Rollen haben linienförmigen Kontakt mit
den Innen- und Außenringen des Lagers, und eine radiale
Belastung des Lagers führt nur zu normalen Belastungen
der Kontaktbereiche.
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Kegelrollenlager und Pendelrollenlager sind dadurch
gekennzeichnet, daß eine radiale Belastung eine auf die
schräge Oberfläche wirkende normale Belastung und eine
parallel zu der schrägen Oberfläche wirkende
tangentiale Belastung erzeugt. Da diese Lager jedoch stets
einer Schubbelastung ausgesetzt sind, um zu verhindern,
daß sich die Innen- und Außenringe in axialer Richtung
verschieben, tritt zwischen den Ringen und den Rollen
eine zusätzliche normale Komponente der Schubkraft auf,
wodurch ein zusätzlicher Oberflächenkontaktdruck
erzeugt wird. Da außerdem die zwischen den Ringen und den
Rollen wirksame normale Belastung die Tendenz hat, die
Rollen vom im Durchmesser kleineren Ende zum im
Durchmesser größeren Ende der Laufbahn aus der Laufbahn
herauszudrücken, ist am im Durchmesser größeren Ende ein
Führungsflansch vorzusehen, der verhindert, daß die
Rollen aus der Laufbahn herausgedrückt werden. Da
jedoch die im Durchmesser größere Begrenzungsfläche der
Kegelrollen in Gleitkontakt mit dem Führungsflansch
steht, wird die Belastbarkeit der Kegelrollenlager
weitgehend durch den PV-Wert begrenzt, d. h. durch das
Produkt aus Oberflächendruck P und Geschwindigkeit V,
wozu noch die Gleitreibung kommt.
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Wälzrollenlager werden oft dort eingesetzt, wo eine
Welle oder ein Wellenzapfen sowohl in normaler als auch
in umgekehrter Richtung gedreht wird, aber - je nach
Art der Maschine - auch in Fällen, wo eine Welle oder
ein Wellenzapfen nur in einer Richtung gedreht wird.
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Die Erfindung betrifft ein Wälzrollenlager zur
vielseitigen Verwendung bei einer Vielzahl von Maschinen, das
eine größere Belastbarkeit als die herkömmlichen
Zylinder- und Kegelrollenlager und eine bessere
Rollenleistung aufweist, ohne daß eine so große Gleitreibung an
der im Durchmesser größeren Begrenzungsfläche der
Rollen entsteht, wie es beim Kegelrollenlager der Fall
ist, sowie mit einer hohen Lagereffizienz, ohne daß die
Gefahr einer Blockierung des Lagers besteht, wodurch
dieses Lager für hohe Drehzahlen sehr gut geeignet ist.
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Die Erfindung betrifft verbesserte Wälzlager mit
zylindrischen oder konischen Rollkörpern, die zwischen einem
Innenring und einem Außenring auf einer Laufbahn
angeordnet sind, und deren Kontaktlinien schräg zu einer
Ebene angeordnet sind, in der die Achse des Lagers
liegt.
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Gemäß der Erfindung umfaßt das Wälzrollenlager folgende
Bauteile:
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zwei Paar einzelner Einheiten, jeweils bestehend aus
einem Innenring, einem Außenring und
Zwischenrollkörpern mit zylindrischer oder konischer Rollfläche und
einem Paar auf den Innenring oder den Außenring
wirkender Druckeinheiten;
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wobei der Innenring eine innere Laufbahnfläche in Form
eines Monohyperboloids um eine Achse aufweist;
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wobei der Außenring eine äußere Laufbahnfläche in Form
eines Monohyperboloids um die Achse aufweist;
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wobei die innere Laufbahnfläche und die äußere
Laufbahnfläche einander zugewandt sind und eine Laufbahn
bilden, deren Durchmesser an einem Ende größer ist als
am anderen Ende;
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wobei die Mittelachse der Zwischenrollkörper in
Umfangsrichtung der Laufbahn angeordnet ist und mit einer
die Achse enthaltenden Ebene einen Winkel bildet, und
wobei die Oberfläche der Zwischenrollkörper derart
angeordnet ist, daß sie mit der inneren Laufbahnfläche
und mit der äußeren Laufbahnfläche linienförmigen
Kontakt hat;
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wobei sich der Innenring oder der Außenring nur in
einer solchen vorgegebenen Richtung dreht, daß die
Zwischenrollkörper auf der inneren Laufbahnfläche in
axialer Richtung zu einem im Durchmesser kleineren Ende der
Laufbahn rollen;
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wobei der Innenring an seinem im Durchmesser kleineren
Ende einen ringförmigen Teil aufweist, um die
Bewegungen der Zwischenrollkörper in Richtung auf das im
Durchmesser kleinere Ende zu begrenzen;
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wobei die beiden einzelnen Einheiten derart angeordnet
sind, daß sie einander in axialer Richtung zugewandt
sind;
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wobei die Druckeinheit zwischen den Innenringen oder
den Außenringen angeordnet ist, die einander in axialer
Richtung zugewandt sind, um die Innenringe oder die
Außenringe in axialer Richtung zu beaufschlagen und die
lichte Weite der Laufbahnen zu verengen; und
wobei die von der Druckeinheit nicht beaufschlagten
Außenringe oder Innenringe ortsfest sind, um sich in
axialer Richtung nicht zu verlagern.
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Da sowohl die innere als auch die äußere Laufbahnfläche
in Form eines Monohyperboloids ausgebildet sind, hat
die durch diese Flächen gebildete Laufbahn einen
Durchmesser, der an einem axialen Ende größer ist als am
anderen Ende. Da ferner die Zwischenrollkörper derart
angeordnet sind, daß ihre Kontaktlinien relativ zu einer
die Mittelachse des Lagers enthaltenden Ebene geneigt
sind, rollen die Zwischenrollkörper während der Drehung
der Innen- oder Außenringe nicht nur auf den
Laufbahnflächen des Innen- und Außenringes ab, wobei sie in
linienförmigem Kontakt zu diesen Flächen bleiben und von
ihnen geführt werden, sondern haben auch die Tendenz,
sich in axialer Richtung nach vorn zu bewegen. Da
jedoch die Bewegungsrichtungen der Zwischenrollkörper auf
der inneren und der äußeren Laufbahnfläche
entgegengesetzt zueinander sind, sind die Innenringe und die
Außenringe in axialer Richtung durch die
Zwischenrollkörper voneinander getrennt.
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Da in diesem Fall die Innenringe (oder die Außenringe)
in einer vorgegebenen Richtung zu drehen sind, wodurch
sich die Zwischenrollkörper auf den inneren
Laufbahnflächen in Richtung auf die im Durchmesser kleineren
Enden bewegen, hat die obengenannte Trennungskraft die
Tendenz, die Innenringe zu den im Durchmesser größeren
Enden der Laufbahn und die Außenringe zu den im
Durchmesser kleineren Enden zu bewegen, was unweigerlich zur
Folge hat, daß die Tendenz besteht, daß sich die lichte
Weite der Laufbahn vergrößert.
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Andererseits sind die einzelnen Einheiten des Lagers,
die jeweils den Innen- und den Außenring sowie die
Zwischenrollkörper enthalten, in axialer Richtung
gegenüberliegend angeordnet, und ein Paar von einander
gegenüberliegenden Außenringen (oder Innenringen) ist
zusammen mit dem anderen Paar, das von der Druckeinheit
in axialer Richtung beaufschlagt wird, um die lichte
Weite der Laufbahn zu verengen, an einem Lagergehäuse
angebracht. Daher kann die obengenannte Trennungskraft
die Innenringe und die Außenringe nicht voneinander
trennen, so daß sich die Zwischenrollkörper auf den
Laufbahnflächen drehen, während die Innenringe (oder
die Außenringe) einer Trennungskraft in einer Richtung
und einer Trennungskraft in der entgegengesetzten
Richtung unterworfen sind.
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Die Zwischenrollkörper sind daher Kräften ausgesetzt,
die jeweils entgegengesetzt zur axialen Richtung wirken
und von den Innen- und Außenringen als Reaktion auf
eine Kraft ausgeübt werden, durch die die Innen- und die
Außenringe voneinander getrennt werden. Ist die Stärke
der entgegengesetzten Kräfte unterschiedlich, so können
die Zwischenrollkörper die Tendenz haben, sich in
axialer Richtung zu bewegen. Sind die Zwischenrollkörper
von konischer Form, so können sie einer zusätzlichen
Kraft unterworfen sein, die sie von dem im Durchmesser
kleineren Ende zu dem im Durchmesser größeren Ende
drückt, was eine Bewegung in axialer Richtung zur Folge
hat, je nachdem, welche Kraft stärker ist. Die
ringförmigen Teile oder Flansche am Ende des Innenringes oder
am Ende des Außenringes dienen dazu, eine solche
Bewegung der Zwischenrollkörper zu begrenzen und dadurch zu
verhindern, daß sie aus der Laufbahn herausgetrieben
werden.
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Des weiteren hängt die Stärke der obengenannten
Trennungskraft, die an der Kontaktlinie der
Zwischenrollkörper mit den Innen- und den Außenringen entsteht, von
den Kontaktbedingungen ab. Um es anders auszudrücken:
Da konvexe Abschnitte der Zwischenrollkörper in Kontakt
mit konvexen Abschnitten der Innenringe und
gleichzeitig mit konkaven Abschnitten der Außenringe stehen,
kann der Kontaktflächendruck bei radialer Belastung des
Lagers auf der Seite der inneren Laufbahnfläche größer
sein, wodurch auf der inneren Laufbahnfläche eine
größere Trennungskraft erzeugt wird. Dies hat zur
Folge, daß Zwischenrollkörper von zylindrischer Form
aufgrund der unterschiedlichen Trennungskraft in
axialer Richtung gegen den ringförmigen Flansch gleiten und
dort liegenbleiben, so daß die unterschiedliche Kraft
zwischen den Zwischenrollkörpern und den Flanschen als
Kontaktflächendruck wirksam ist. Dieser
Differentialdruck ist jedoch nicht groß genug, um Reibungsprobleme
an den Kontaktstellen zu verursachen.
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Andererseits sind Zwischenrollkörper von konischer
Form, wie zuvor beschrieben, durch den Druck auf die
Kontaktabschnitte einer Schubkraft unterworfen. Der
Kontaktdruck verringert sich jedoch durch die
Trennungskraft, die in entgegengesetzter Richtung wie die
Schubkraft wirkt. Daher entsteht zwischen den
Zwischenrollkörpern und den ringförmigen Flanschen kein großer
Kontaktflächendruck.
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Im folgenden sind einige bevorzugte Ausführungsformen
des erfindungsgemäßen Wälzrollenlagers unter Bezugnahme
auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
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Fig. 1 einen Schnitt durch ein
Ausführungsbeispiel des Wälzrollenlagers;
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Fig. 2 und 3 perspektivische Ansichten der Anordnung
der Hauptkomponenten und der Rollen bei
dem obengenannten Ausführungsbeispiel;
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Fig. 4 und 5 schematische Darstellungen der im
Wälzrollenlager herrschenden
Kraftverhältnisse;
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Fig. 6 einen Schnitt durch ein weiteres
Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen
Wälzrollenlagers;
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Fig. 7 bis 9 schematische Darstellungen zur Bestimmung
der Form der Laufbahnfläche des in Fig. 6
gezeigten Ausführungsbeispiels;
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Fig. 10 einen Schnitt durch ein weiteres
Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen
Wälzrollenlagers; und
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Fig. 11 die Wirkungsweise von Kräften auf die
Rollen in dem in Fig. 10 gezeigten
Ausführungsbeispiel.
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Zunächst wird der Aufbau eines erfindungsgemäßen
Wälzrollenlagers anhand des Schnittes und der
perspektivischen Ansichten in den Fig. 1 bis 3 erläutert.
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Eine einzelne Einheit 20 (oder 20') eines
Wälzrollenlagers enthält einen Innenring 1 (oder 1'), einen
Außenring 2 (oder 2') und Zwischenrollkörper oder Rollen 3
(oder 3'). Dieses erfindungsgemäße Wälzrollenlager
besteht aus mindestens einem Satz der beiden einander
gegenüberliegenden einzelnen Einheiten 20 und 20'. Da die
beiden Einheiten gleich ausgebildet sind, wird nur die
einzelne Einheit 20 näher erläutert.
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Der Innenring 1 kann durch Eingriffsverbindung mit
einem Keil 5 auf einer Welle 4 montiert sein. Eine innere
Laufbahnfläche 1a und eine äußere Laufbahnfläche 2a
bilden eine Laufbahn 8 für die Rollen 3.
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Mehrere Rollen 3 weisen eine zylindrische Form auf und
sind, wie in Fig. 3 gezeigt, in der Laufbahn 8 derart
angeordnet, daß sie mit einer die Mittelachse 6 des
Innenringes 1 enthaltenden Ebene einen Winkel β von
beispielsweise 15º bilden.
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Eine als Druckeinheit dienende Feder 7 ist zwischen den
Innenringen 1, 1' angeordnet und hat die Tendenz, diese
Ringe ständig wegzudrücken, um die lichte Weite der
Laufbahn 8 zu verringern oder die Innenringe 1, 1'
voneinander zu trennen.
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Der Innenring 1 weist einen ringförmigen Flansch 9 auf,
um eine Axialbewegung der Rollen 3 zu begrenzen, wenn
sich der Innenring 1 dreht und die Rollen 3 um ihre
eigenen Achsen rotieren, um sich in der axialen Richtung
6 vorwärtszubewegen.
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In Fig. 3 sind die Rollen 3 auf dem Innenring 1
angeordnet und in einem Winkel 1 zu einer Ebene geneigt, in
der die Mittelachse 6 des Innenringes 1 liegt. Die
Rollen 3 sind in jeder Lage in einem Käfig 10 gehalten, so
daß sie einander nicht berühren. Durch diese Anordnung
kann verhindert werden, daß benachbarte Rollen, die
sich in derselben Richtung um ihre eigenen Achsen
drehen, mit entgegengesetzt gerichteten
Tangentialgeschwindigkeiten gegeneinanderlaufen, so daß sich die
Rollen gleichmäßig um ihre eigenen Achsen drehen und
auf der Laufbahnfläche 1a des Innenringes gleichmäßig
umlaufen.
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Die Welle 4 dreht sich stets in einer vorgegebenen
Richtung, und zwar in Fig. 2 von rechts gesehen im
Uhrzeigersinn, wie durch den Pfeil a bezeichnet. Wird der
Innenring 1 von der Welle 4 in Richtung a gedreht, so
werden die Rollen 3 von der Laufbahnfläche 1a des
Innenringes geführt, wobei sie in linienförmigem Kontakt
mit der Laufbahnfläche 1a des Innenringes bleiben, so
daß sie sich im Gegenuhrzeigersinn um ihre eigenen
Achsen drehen, wie durch den Pfeil b bezeichnet, und sich
in Fig. 2 nach links bewegen.
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Andererseits haben die Rollen 3 beim Drehen in der
Richtung b die Tendenz, sich auch nach rechts zu
bewegen, weil sie auch von der äußeren Laufbahnfläche 2a
geführt werden, während sie mit der äußeren
Laufbahnfläche 2a in linienförmigem Kontakt bleiben.
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Fig. 4 ist eine schematische Darstellung von Kräften,
die zwischen den Rollen 3 sowie den Innen- und
Außenringen 1 und 2 wirksam sind und durch die oben
beschriebene Bewegung der Rollen 3 ausgelöst werden:
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Jede der Rollen 3 steht in linienförmigem Kontakt
(genauer gesagt in flächenförmigem Kontakt von geringer
Breite) mit den inneren und äußeren Laufbahnflächen 1a
und 2a. Der Einfachheit halber ist dieser linienförmige
Kontakt durch Kontaktpunkte A und B auf den
Kontaktebenen dargestellt. Da die Achse 3a einer Rolle 3 zu einer
die Achse 6 enthaltenden Ebene in einem Winkel β
angeordnet ist, bildet die Drehrichtung 5 der Rollen einen
Neigungswinkel β mit die Laufbahnflächen 1a und 2a
tangierenden Richtungen T. Wenn sich daher die Rollen 3 auf
den Laufbahnflächen 1a und 2a drehen, wie in Fig. 3
gezeigt, sind die Innen- und Außenringe 1, 2
Tangentialkraftkomponenten Ti und To und Axialkraftkomponenten Ri
und Ro unterworfen.
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Die Axialkräfte Ri und Ro haben die Tendenz, die Innen-
und Außenringe 1 und 2 in zur axialen Richtung der
Welle 4 entgegengesetzten Richtungen voneinander zu
trennen. Bei diesem Ausführungsbeispiel, bei dem die
Position des Außenringes 2 festgelegt ist, hat der
Innenring 1 die Tendenz, sich in den Fig. 1 und 2 nach
rechts zu bewegen, um die lichte Weite der Laufbahn 8
zu vergrößern.
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Diese auf die Innen- und Außenringe 1 und 2 wirkenden
Kräfte erzeugen eine gleichmäßige Spannung der Feder 7,
so daß sich die Rollen 3 auf den Innen- und Außenringen
1 und 2 bewegen, was nicht nur zu einer Verringerung
des Rollkontaktflächen-Druckes führt, sondern auch
verhindert, daß bei Überlastung Probleme wie z. B.
Verschmutzen, Verschleißen und Verhärten der Oberflächen
auftreten.
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Wie in Fig. 5 gezeigt, steht beim Oberflächenkontakt
der Rollen mit den Innen- und Außenringen 1 und 2 ein
konvexer Teil einer Rolle 3 mit einem konkaven Teil der
Laufbahnfläche 2a des Außenringes in Kontakt, wobei ein
konvexer Teil der Rolle 3 mit einem konvexen Teil der
Laufbahnfläche 1a des Innenringes in Kontakt steht. Als
Folge davon ist der maximale Kontaktflächendruck Pi auf
den Innenring 1 größer als der maximale
Kontaktflächendruck Po auf den Außenring 2. An den Kontaktstellen der
Rollen 3 mit den Innen- und Außenringen 1 und 2
verursacht der Innenring 1 daher eine größere lokal
konzentrierte Belastung als der Außenring 2. Wird also bei
sich drehenden Rollen 3 dieselbe Normalkraft N auf die
Innen- und Außenringe 1 und 2 ausgeübt, so ist die
Kraftkomponente Ri der Rollen 3, die die Tendenz hat,
den Innenring 1 in axialer Richtung zu bewegen, größer
als die Kraftkomponente Ro der Rollen 3, die die
Tendenz hat, den Außenring 2 zu bewegen.
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Als Reaktion auf diese Kraftkomponenten Ri und Ro sind
die Rollen 3 von den Innen- und Außenringen 1 und 2
ausgehenden Kräften -Ri und -Ro ausgesetzt, die von
gleicher Stärke wie Ri und Ro und von entgegengesetzter
Richtung sind. Als Folge davon zeigen die Rollen 3 die
Tendenz, sich in Richtung der Mittelachse 6 auf die
linke Seite (in den Fig. 1 und 2) zu bewegen, wobei sie
von der Laufbahnfläche 1a des Innenringes geführt
werden. Zur Begrenzung einer solchen Bewegung der Rollen 3
ist, wie oben beschrieben, der ringförmige Flansch 9
auf dem Endabschnitt des Innenringes 1 angeordnet.
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Dabei stehen die Begrenzungsflächen der Rollen 3, die
sich um ihre eigenen Achsen und in der Laufbahn 8
drehen, in Gleitkontakt mit dem Flansch 9, wobei die
Kontaktkraft aber gleich (Ri - Ro) ist und somit gering
bleibt, so daß diese Gleitreibung keine nennenswerten
Störungen im Lager verursacht.
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Demzufolge können mit diesem erfindungsgemäßen
Wälzrollenlager Probleme gelöst werden, die bei herkömmlichen
Lagern mit konischen Rollen auftreten, wie z. B.
Blockierungen bei hohen Drehzahlen infolge eines zu
hohen PV-Wertes des Führungsflansches und Ausfälle
aufgrund unzureichender Schmierung. Außerdem wird durch
den verringerten Gleitreibungsverlust und die
Möglichkeit, mit hohen Drehzahlen zu arbeiten, die mechanische
Abnutzung des Lagers beträchtlich reduziert, was zu
einer wesentlichen Steigerung der Effizienz des Lagers
führt.
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Fig. 6 zeigt einen Schnitt durch ein weiteres
Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Wälzrollenlagers:
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Der Innenring 1 ist an der Welle 4 befestigt, um eine
Axialverschiebung des Innenringes 1 zu verhindern,
während der Außenring 2 in axialer Richtung bewegbar und
die Feder 7 zwischen den Außenringen 2 und 2'
angeordnet ist.
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Beim Drehen der Welle 4 in einer vorgegebenen Richtung
drehen sich daher aufgrund der Führung durch die
Innenringe 1 und 1' auch die Rollen 3 und 3', wodurch sich
die Außenringe 2 und 2' einander nähern, um die lichte
Weite der Laufbahn zu vergrößern. Als Folge davon
bewegen sich die Rollen 3 und 3' auf den Innenringen 1 und
1' und in den Außenringen 2 und 2', wodurch die
Kontaktflächendrücke zwischen ihnen reduziert werden. Im
übrigen ist das Wälzrollenlager in Aufbau und Funktion
identisch mit dem in Fig. 1 gezeigten Lager, so daß
weitere Einzelheiten nicht erläutert werden.
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Im folgenden ist die Form der Laufbahnflächen 1a und 2a
des Innen- und Außenringes beschrieben, die für ihren
linienförmigen Kontakt mit den Rollen 3 erforderlich
ist.
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Die Fig. 7 bis 9 sind erläuternde Zeichnungen zur
Bestimmung der Form der Laufbahnfläche bei zylindrischen
Rollen 3.
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Fig. 7 zeigt in perspektivischer Ansicht X-, Y- und
Z-Koordinaten, innerhalb derer eine Rolle 3 derart
angeordnet ist, daß ihre Achse 3a die Y-Achse in einem
Abstand F vom Nullpunkt 0 schneidet, parallel zu der
X-Z-Ebene verläuft und in einem Winkel β zur X-Y-Ebene
geneigt ist. Die X-Achse stellt die gemeinsame Achse 6
der Innen- und Außenringe 1 und 2 dar. Der Querschnitt
3b der Rolle 3 ist ein Schnitt in einer zur X-Z-Ebene
parallelen Ebene, welche die X-Achse in einer
beliebigen Lage x passiert. Die Punkte Uc bzw. U'c sind
Schnittpunkte mit der X-Achse und der X-Z-Ebene, in
denen die Senkrechten vom Mittelpunkt Pc des Schnittes
die X-Achse und die X-Z-Ebene schneiden. Die durch den
Nullpunkt 0 und den Schnittpunkt U'c verlaufende
Linie 3a' bezeichnet die in die X-Z-Ebene projizierte
Rollenachse 3a und bildet mit der X-Achse einen Winkel β.
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Wie aus Fig. 7 deutlich wird, ist
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die Strecke von Uc nach U'c = x tan β
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die Strecke von Pc nach U'c = F
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Bezeichnet man daher den Abstand zwischen der Drehachse
6 der Ringe (oder der X-Achse) und dem Mittelpunkt Pc
der Rolle 3 als yc ( = PcUc), so ist
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yc² = F² + (x tan β)² und daher
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yc² / F² - x²/(F/tan β)²... (1)
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Da die Gleichung (1) eine Hyperbel bezeichnet, ist die
Mittellinie der Rollen 3, d. h. die Mittellinie der
durch den Innenring 1 und den Außenring 2 gebildeten
Laufbahn, in bezug auf die Drehachse 6 der Ringe
hyperbolisch.
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Aus Fig. 8 wird deutlich, in welcher Weise die Ringe 1
und 2 mit der Rolle 3 in Kontakt treten, die in der
oben beschriebenen Weise angeordnet ist.
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Q bezeichnet den Schnittpunkt der X-Achse mit einer
Ebene, die rechtwinkelig zur Achse 3a der Rolle 3 durch
deren Mittelpunkt Pc verläuft. Da die Kugeln Si und So
(in Fig. 8 ist nur So gezeigt) mit dem gemeinsamen
Mittelpunkt Q in bezug auf die Rollen eingeschrieben bzw.
umschrieben sind, liegen die Kontaktpunkte Pi und Po
der Rolle 3 mit den Kugeln Si und So auf einer die
Punkte Q und Pc verbindenden Senkrechten bzw. um den
Radius r der Rolle 3 entfernt von deren Mittelpunkt Pc.
Bezeichnet man den Abstand zwischen dem Punkt Q und dem
Punkt Pc mit R, so betragen die Radien der Kugeln Si
und So demnach (R - r) bzw. (R + r).
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Bezeichnet man die Schnittpunkte der durch die
Punkte Pi und Po und parallel zur Y-Z-Ebene verlaufenden
Ebenen mit der X-Achse als Ui und Uo (Fig. 9), so sind
die Längen yi und yo der Strecken PiUi und PoUo die
Abstände der Punkte Pi und Po von der X-Achse, und die
Abstände xi und xo zwischen dem Nullpunkt 0 und den
Schnittpunkten Ui und Uo sind die X-Achsen-Koordinaten
der Punkte Pi bzw. Po. Die Funktionen F (xi, yi) und
F (xo, yo) bezeichnen daher die gekrümmte Form der
Laufbahnflächen 1a und 2a der Innen- und Außenringe 1
und 2.
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Fig. 9 zeigt in vergrößerter Darstellung die
Abmessungen zur Bestimmung dieser Funktionen.
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Da die Strecke QPc (gleich R) mit der Mittellinie 3a
der Rolle 3 einen rechten Winkel bildet und der
Punkt U'c der Schnittpunkt einer Senkrechten vom
Punkt Pc mit der X-Z-Ebene ist, bildet die Strecke U'cQ
mit der Linie 3a' einen rechten Winkel. Daher ist
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der Abstand zwischen dem Punkt 0 und dem Punkt Q
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Bezeichnet man den Winkel QPcUc mit φ, da das Dreieck
QPcUc rechtwinklig ist, so ist
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Da andererseits die Länge der Strecken PcPi und PcPo
gleich r ist und die Dreiecke QPiUi und QPoUo dem
Dreieck QPcUc ähnlich sind, ist
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Aus den obigen Gleichungen werden F (xi, yi) und
F (xo, yo) wie folgt eingesetzt:
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Durch diese Gleichungen ist lediglich ausgesagt, daß
die inneren und äußeren Laufbahnflächen 1a und 2a
jeweils die Form einer quadratisch gekrümmten Fläche
haben. Aus den Gleichungen (2) bis (5) ergeben sich
folgende Verhältnisse von (xi-x) 1 (yi-yc) und
(xo-x) / (yo-yc):
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Da das Verhältnis von x zu yc aufgrund der
Gleichung (1) hyperbolisch und tan² β in der obigen
Gleichung konstant ist, ist das Verhältnis von xi zu yi
und xo zu yo hyperbolisch. Demzufolge haben die inneren
und äußeren Laufbahnflächen 1a und 2a jeweils die Form
eines Monohyperboloids mit derselben Achse 6.
Setzt man beispielsweise
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und F = 9, r = 1,5 sowie β = 15º, so erhält man für
ai, bi, ao und bo Werte von 7,5, 30,7, 10,5 und 36,2
und somit monohyperbolische innere und äußere
Laufbahnflächen.
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Im folgenden ist ein Wälzrollenlager beschrieben, bei
dem die einzelne Lagereinheit Zwischenrollkörper von
konischer Form aufweist.
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Fig. 10 zeigt einen Schnitt durch ein
Ausführungsbeispiel des obengenannten Wälzrollenlagers entsprechend
Fig. 1. Das Lager unterscheidet sich von dem in Fig. 1
lediglich dadurch, daß die Rollen 3 und 3' konisch
anstatt zylindrisch sind.
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Durch Verwendung der konischen Rollen wird die
Rollenleistung des Lagers weiter verbessert.
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Im Vergleich zu den herkömmlichen Lagern mit
zylindrischen Rollen tritt bei Lagern mit konischen Rollen im
allgemeinen das Problem einer großen Gleitreibung an
den im Durchmesser größeren Enden der Rollen auf;
dieses Problem wird durch das erfindungsgemäße
Wälzrollenlager gelöst.
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Diese Lösung ist unter Bezugnahme auf Fig. 11
beschrieben, die die Wirkungsweise von Kräften auf die Rollen
bei dem in Fig. 10 gezeigten Ausführungsbeispiel
schematisch darstellt.
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Wie oben beschrieben, sind die Rollen 3 und 3' den
axialen Komponenten von Kräften -Ri und -Ro ausgesetzt,
die von den Innen- und Außenringen 1 und 2 ausgehen. Da
Ri > Ro ist, wie in Fig. 11 gezeigt, ist die Rolle 3
einer axialen Kraftkomponente (Ri' - Ro') ausgesetzt,
die die Tendenz hat, die Rolle in axialer Richtung zum
im Durchmesser kleineren Ende zu bewegen. Da die Rolle
3 von konischer Form ist, wie in Fig. 11 gezeigt, ist
die Rolle 3 außerdem einer axialen Komponente U von auf
die Kontaktfläche wirkenden Normalkräften N ausgesetzt,
die die Tendenz hat, die Rolle in axialer Richtung zum
im Durchmesser größeren Ende zu bewegen.
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Wie oben beschrieben, kann die Rolle 3 in Richtung auf
das im Durchmesser kleinere Ende gleiten, je nachdem,
welche Kraft größer ist, nämlich die Kraft (Ri' - Ro')
oder U. Auf der Seite des Innenringes 1, zu der sich
die Rolle 3 verlagern kann, ist ein ringförmiger
Flansch 9 angeordnet. Bei dem in Fig. 10 gezeigten
Aus
führungsbeispiel wurde von einer Annahme
(Ri' - Ro') > U ausgegangen und der Flansch 9 daher auf
der Seite des Innenringes 1 angebracht, wo sich das im
Durchmesser kleinere Ende der Rolle befindet.
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Wie oben beschrieben, wird bei dem erfindungsgemäßen
Kegelrollenlager die starke Zugkraft U, die bei dem
bekannten Kegelrollenlager auf das im Durchmesser größere
Ende der Rolle 3 wirkt, beträchtlich verringert, so daß
die Anbringung nur eines Hilfsflansches am im
Durchmesser kleineren Ende der Rolle 3 ausreichend ist,
was einen geringeren PV-Wert aufgrund der Gleitreibung
zur Folge hat, wodurch die Belastbarkeit des Lagers
nicht beeinträchtigt wird.
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Da die Erzeugende der konischen Rolle eine schräge
Linie ist, sind die Laufbahnflächen des Innen- und
Außenringes in dem Kegelrollenlager wie auch die
Laufbahnflächen in den Zylinderrollenlagern ebenfalls
monohyperbolisch ausgebildet, wobei der Hyperboloid aber
entsprechend der Schrägung der konischen Rolle durch eine
Linie abgeschrägt ist.
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Das in Fig. 10 gezeigte Lager hat dabei dieselbe
Konfiguration wie das Lager in Fig. 1, kann aber auch eine
Konfiguration entsprechend dem Lager in Fig. 6
aufweisen.
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Bei den obengenannten Ausführungsbeispielen ist die
Welle 4 an eine Stromquelle angeschlossen und dreht
sich mit den Innenringen 1. Alternativ können aber auch
die Nabenseite (nicht dargestellt) und die Außenringe 2
gedreht werden.
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Wie oben im einzelnen beschrieben, ist die
Wirkungsweise des erfindungsgemäßen Wälzrollenlagers die
folgende.
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Die Zwischenrollkörper sind schräg zu den Innen- und
Außenringen derart angeordnet, daß sie mit den
Laufbahnflächen in linienförmigem Kontakt stehen, wobei die
Innen- und Außenringe getrennt sind, so daß die
Zwischenrollkörper auf ihnen abrollen, und wobei die
axialen Bewegungen der Zwischenrollkörper gleichmäßig sind.
Das erfindungsgemäße Wälzrollenlager bietet daher eine
höhere Lagerbelastbarkeit und Rollenleistung, wodurch
die Gleitreibung verringert wird, so daß nicht nur das
Auftreten von Defekten infolge Blockierung oder
ungenügender Schmierung vermieden, sondern auch eine große
Lagereffizienz erzielt wird, die für hohe Drehzahlen
bestens geeignet ist.