DE69913536T2

DE69913536T2 - Doppelkegelrolle für axiallager

Info

Publication number: DE69913536T2
Application number: DE69913536T
Authority: DE
Inventors: Koichi Yao-shi UEDA; Masahiro Osaka-shi HARADA
Original assignee: Koyo Seiko Co Ltd; Koyo Machine Industries Co Ltd
Current assignee: Koyo Seiko Co Ltd; JTEKT Machine Systems Corp
Priority date: 1998-07-24
Filing date: 1999-07-19
Publication date: 2004-11-11
Anticipated expiration: 2019-07-20
Also published as: EP1101962A1; US6621525B1; WO2000005513A1; JP2000046049A; EP1101962B1; DE69913536D1; EP1101962A4

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft Doppelkegelrollen eines Schnecken-Drucklagers und im einzelnen eine konische Oberflächenform von Doppelkegelrollen, die als rollende Elemente in einem Schnecken-Drucklager verwendet werden, das vorzugsweise zum Beispiel in einer Druckkraft-Stützstruktur in einem Schneckenverdichter eingesetzt wird.
STAND DER TECHNIK
Der Schneckenverdichter ist eine Art von Rotationsverdichtern, und die Fluidverdichtung ist fortlaufend, und im Vergleich mit den herkömmlichen Hubkolbenverdichtern sind Drehmomentschwankungen und Vibrationen gering und ein hochtouriger Betrieb ist möglich, und folglich wird er gegenwärtig häufig angewendet.
Diese Kompressorenart hat eine Druckkraft-Stützstruktur, um einen Schneckenantrieb zu ermöglichen. Diese Stützstruktur ist ein sogenannter Einbautyp, der integriert in den Verdichter eingebaut wird, bildet aber eine Art Drucklager, und ein als Kugelkupplung bekanntes, in einer solchen Position verwendetes, Lager ist bereits als ein unabhängiges Maschinenteil bekannt geworden.
Jedenfalls werden als rollende Elemente Kugeln, wie beispielsweise Stahlkugeln, verwendet, und solche Kugeln werden im Punktkontaktzustand gestützt und haben daher eine kleine Belastbarkeit und eine schlechte Haltbarkeit, und sie können einen Langzeiteinsatz unter den Bedingungen von hoher Drehzahl und hoher Belastung nicht aushalten und haben Probleme in der Nutzungsdauer.
In dieser Hinsicht ist, wie in 4 gezeigt wird, ein Schneckenverdichter mit mehreren Doppelkegel-Rollelementen (Doppelkegelrollen) als Druckkraft-Stützstruktur vorgeschlagen worden.
Die Schneckenstruktur des Verdichters wird, wie in der Zeichnung gezeigt wird, gekennzeichnet durch Befestigen eines feststehenden Schneckenelements (c) mit einem Spiralkörper (b) in einem Gehäuse (a), das ein Wirbel-Schneckenelement (e) mit einem Spiralkörper (d) in Eingriff mit dem Spiralkörper (b) stützt, um sich so frei mit Hilfe einer Druckkraft-Stützstruktur (f) zu drehen oder umzuwälzen, und Antreiben und Koppeln des Wirbel-Schneckenelements (e) an eine nicht gezeigte Antriebsquelle durch eine Antriebswelle (h) mit einem Kurbelzapfen (g).
Diese Stützstruktur (f) wird, wie oben erwähnt, als eine Art Drucklager geformt, und eine Vielzahl von Doppelkegelrollen R, R, ... wird zwischen ein Paar von parallelen Laufringen (i), (j) geschaltet, um so frei rollen zu können. Die Doppelkegelrollen R werden in einem Paar von Taschen gehalten, bereitgestellt gegenüber den Laufringen (i) bzw. (j) (siehe zum Beispiel Japanisches Offengelegtes Patent Nr. 62-274113, Japanisches Offengelegtes Patent Nr. 7-119741).
Durch einen Rotationsantrieb des Kurbelzapfens (g) dreht sich das Wirbel-Schneckenelement (e) oder rotiert, ohne sich auf dem feststehenden Schneckenelement (c) umzuwälzen, und das von einer Ansaugöffnung (nicht gezeigt) eingesaugte Fluidgas wird in einer zwischen den Spiralkörpern (b, d) gebildeten Verdichtungskammer verdichtet und aus einer Ableitungsöffnung (nicht gezeigt) abgeleitet.
In diesem Fall führen die in den Taschen der Laufringe (i, j) gefangenen Doppelkegelrollen R Rollbewegungen in den Taschen aus, um ein relatives und glattes Wirbeln der beiden Laufringe (i, j) zu sichern und eine relative Rotation der beiden Laufringe (i, j) anzuhalten (Rotation des Wirbel-Schneckenelements (e)).
Bei der Druckkraft-Stützstruktur (f), die solche Doppelkegelrollen R, R, ... verwendet, wird die Haltbarkeit im Vergleich mit den herkömmlichen rollenden Elementen aus sphärischen Körpern bei weitem verbessert, und es ist möglich, für einen längeren Zeitraum eine hohe Drehzahl und eine schwere Last auszuhalten.
Trotz einer solchen hervorragenden Haltbarkeit ist die Montage- und Fertigungstechnologie einer solchen Druckkraft-Stützstruktur (f) nicht erarbeitet, und außerdem hat die Doppelkegelrolle R selbst im Vergleich mit anderen herkömmlichen rollenden Elementen eine besondere Form, und sie wird nicht ausreichend komplettiert als das rollende Element für ein Lager. Also wird die Schneckenverdichter mit der Druckkraft-Stützstruktur (f), die Doppelkegelrollen R verwendet, noch nicht in den praktischen Einsatz gebracht.
Das heißt, die allgemeine Form der Doppelkegelrolle R, wie sie in 5(a) gezeigt wird, hat ein Paar von konischen oder kegelförmigen Oberflächen Ra, Rb, und die Ecken Rc, Rd der Doppelkegelrolle R (das heißt, die beiden Enden der Erzeugenden der kegelförmigen Oberflächen Ra, Rb) werden in einer runden Gestalt geformt, aber bei einer solchen Gestalt wird auf Grund einer Last an den beiden Enden der Schnittgeraden (Erzeugenden) eine Kantenlast erzeugt, und die Kontaktbeanspruchung mit den Laufringen (i, j) wird übermäßig (siehe 5(b)).
Zum Beispiel ist bekannt, daß, wenn in 5(a) die Länge L der Doppelkegelrolle R längs der Erzeugenden der konischen oder kegelförmigen Oberflächen Ra, Rb 4,8 mm beträgt, die Länge l₁ der Ecken Rc, Rd 0,5 mm beträgt und der Spitzenwinkel θ 90° betägt, bei Anwenden einer Drucklast von 50 kp (490,5 N) pro Stück der Doppelkegelrollen auf das Lager die an der Seite des kleinen Endes der Schnittgeraden auftretende Last etwa 500 kp/mm² (4,905·10⁹ Pa) erreicht.
Die Erfindung wird angesichts solcher Probleme des bekannten technischen Stands erdacht worden, und es ist daher ein Ziel derselben, Doppelkegelrollen bereitzustellen, die eine Struktur haben, um eine angemessene Kontaktbeanspruchung mit den Laufringen zu sichern, ohne auf Grund einer Last an den beiden Enden der Schnittgeraden auf den konischen Oberflächen eine Kantenlast zu verursachen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Um das Ziel zu erreichen, wird die Doppelkegelrolle eines Schnecken-Drucklagers der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß ein kegelförmiger Körper ein Paar von konischen oder kegelförmigen Oberflächen hat, an den Unterseiten koaxial aneinandergepaßt und miteinander gekoppelt, und die gesamte Oberfläche des Paares von kegelförmigen Oberflächen durch Balligdrehen bearbeitet wird.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die äußere Umrißgestalt der Balligkeit eine Bogengestalt mit einem einzigen Krümmungsradius längs der Gesamtlänge der Erzeugenden der kegelförmigen Oberfläche, und der Krümmungsradius der Bogengestalt wird auf das Hundertfache oder weniger der Länge der Erzeugenden der kegelförmigen Oberfläche festgesetzt.
Die Erfindung beruht auf den Ergebnissen von verschiedenen vorangehenden Prüfungen und Untersuchungen durch den Erfinder des Vorliegenden.
Zuerst bemerkte der Erfinder, daß die zylindrische Oberfläche der zylindrischen Rolle bisher allgemein durch Balligdrehen bearbeitet wurde, um das Erzeugen einer Kantenlast auf Grund einer Last an den beiden Enden der Schnittgeraden (Erzeugenden) zu verhindern (zum Beispiel Japanisches Offengelegtes Patent Nr. 59-69519, Japanisches Offengelegtes Gebrauchsmuster Nr. 2-141723, Japanisches Offengelegtes Patent Nr. 4-60215).
Das heißt, wie es in 6 gezeigt wird, wurden die konischen oder kegelförmigen Oberflächen Ra, Rb der Doppelkegelrolle R genau wie die zylindrische Oberfläche einer zylindrischen Rolle durch Balligdrehen C₁, C₁ bearbeitet. Bei dieser Gestalt wurde jedoch die Erzeugung einer Kantenlast an den beiden Enden der Schnittgeraden (Erzeugenden) beseitigt, aber die Neigung zur Zunahme der Kontaktbeanspruchung an der Spitzenseite wurde nicht verbessert.
Zum Beispiel zeigte es sich, daß in 6 in dem Fall einer Länge L der Doppelkegelrolle R längs der Erzeugenden der konischen Oberflächen Ra, Rb von 4,8 mm, einer Länge l_I der Ecken Rc, Rd von 0,4 mm, die Länge l₂ der Balligkeit von 0,2 mm und eines Spitzenwinkels θ von 90° bei Anwenden einer Last von 50 kp (490,5 N) pro Stück der Doppelkegelrollen die maximale Kontaktbeanspruchung an der Seite des kleinen Endes der Schnittgeraden auftretende Last etwa 300 kp/mm² (2,943·10⁹ Pa) erreicht (wobei die zulässige maximale Kontaktbeanspruchung 250 kp/mm² (2,453·10⁹ Pa) beträgt).
Auf der Grundlage solcher Ergebnisse wurden weitere Prüfungen und Untersuchungen fortgesetzt, und die Erfindung mit einer solchen Struktur wird realisiert.
Bei der Erfindung wird an den beiden Enden der Schnittgeraden der konischen Oberflächen keine Kantenlast erzeugt, und die Kontaktbeanspruchung an der Spitzenseite kann auf einen niedrigen Wert innerhalb eines zulässigen Bereichs gedrückt werden, weil die gesamte Oberfläche des Paars von konischen oder kegelförmigen Oberflächen durch Balligdrehen bearbeitet wird, das heißt ein Vollballigdrehen ausgeführt wird.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine Vorderansicht, die eine Doppelkegelrolle eines Schneckendrucklagers im Ausführungsbeispiel 1 der Erfindung zeigt.
2 ist ein Diagramm, das die maximale Kontaktbeanspruchung auf dem Laufring der konischen Oberfläche der Doppelkegeholle zeigt.
3 ist eine Vorderansicht, die eine Doppelkegelrolle eines Schneckendrucklagers im Ausführungsbeispiel 2 der Erfindung zeigt.
4 ist eine Vorderansicht im Schnitt, die eine Druckkraft-Stützstruktur eines Schneckenverdichters zeigt, bei der das Druckrollenlager angewendet wird.
5 zeigt eine bei der Druckkraft-Stützstruktur verwendete herkömmliche Doppelkegelrolle, wobei 5(a) eine Vorderansicht ist und 5(b) ein Diagramm ist, das die maximale Kontaktbeanspruchung auf dem Laufring der konischen Oberfläche zeigt.
6 ist ein Diagramm, das die maximale Kontaktbeanspruchung auf dem Laufring der konischen Oberfläche der Doppelkegelrolle zeigt, wobei die Doppelkegelrolle genau wie bei der zylindrischen Rolle balliggedreht wird.
BESTES VERFAHREN ZUM UMSETZEN DER ERFINDUNG
Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen werden nun im folgenden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung detailliert beschrieben.
AUSFÜHRUNGSBEISPIEL 1
In 1 wird eine Doppelkegelrolle eines Schnecken-Drucklagers der Erfindung gezeigt, wobei die Doppelkegelrolle R spezifisch in einem Drucklager verwendet wird, das vorzugsweise als eine Druckkraft-Stützstruktur in einem Schneckenverdichter, wie er zum Beispiel in 4 gezeigt wird, verwendet wird.
Die Doppelkegelrolle R ist ein konischer Körper mit einem Paar von konischen oder kegelförmigen Oberflächen Ra, Rb, an den Unterseiten koaxial aneinandergepaßt und miteinander gekoppelt, und die Ecken der Doppelkegelrolle R, das heißt, die Spitze der Doppelkegelrolle R und die Grenzen Rc, Rd der beiden konischen oder kegelförmigen Oberflächen Ra, Rb sind sphärische Oberflächen.
Die beiden konischen Oberflächen Ra, Rb sind Rolloberflächen, deren Oberfläche durch Polieren bearbeitet wird, und der Spitzenwinkel der beiden Spitzen (geometrischer Scheitelpunkt) der Doppelkegelrolle R, das heißt, der Kegelwinkel berägt 90°, und folglich wird der Schnittwinkel der beiden konischen Oberflächen Ra, Rb ebenfalls auf 90° festgesetzt.
Die Länge der Erzeugenden der konischen Oberflächen Ra, Rb, das heißt, die Länge L der konischen Oberflächen Ra, Rb, wird gleich dem Schneckenradius in dem Schneckenverdichter festgesetzt, in den sie eingebaut wird, und die gesamte Oberfläche der konischen Oberflächen Ra, Rb wird durch Balligdrehen C bearbeitet.
Die äußere Umrißgestalt der Balligkeit C ist eine Bogengestalt mit einem einzigen Krümmungsradius längs der Gesamtlänge der Erzeugenden der konischen Oberflächen Ra, Rb, und der Krümmungsradius r_c (siehe 2) dieser Bogengestalt wird vorzugsweise auf das Hundertfache oder weniger der Länge L der Erzeugenden der konischen Oberflächen Ra, Rb festgesetzt. Wenn zum Beispiel die Länge L der Erzeugenden der konischen Oberflächen Ra, Rb 4,8 mm beträgt, wird der Krümmungsradius r_c der Balligkeit C auf 480 mm oder weniger, zum Beispiel etwa 300 mm, festgesetzt.
Bei der so strukturierten Doppelkegelrolle R rollt zwischen den beiden Lagerplatten 1, 2 die eine konische Oberfläche Ra auf der Laufrille 1a des Laufrings 1, und die andere konische Oberfläche Rb rollt auf der Laufrille 2a des Laufrings 2.
Bei der Doppelkegelrolle R des Ausführungsbeispiels wurde die Kontaktbeanspruchung mit den Laufringen 1, 2 untersucht.
Das Muster der Doppelkegelrolle R wird in 2 gezeigt, wobei die Länge L der Doppelkegelrolle längs der Erzeugenden der konischen Oberflächen Ra, Rb 4,8 mm beträgt, die Länge l₁ der Ecken Rc, Rd 0,5 mm beträgt, der Krümmungsradius r_c der Bogengestalt der Balligkeit C etwa 300 mm beträgt und der Spitzenwinkel θ 90° beträgt.
Eine Vielzahl von Doppelkegelrollen R in solchen Standardabmessungen wurde zwischen dem Paar von Lagerplatten 1, 2 angeordnet, und es wurde eine Drucklast von 50 kp (490,5 N) pro Stück der Doppelkegelrollen R auf dieses Drucklager ausgeübt, und im Ergebnis betrug die maximale Kontaktbeanspruchung an der Seite des kleinen Endes im Kontaktbereich l₃ der Schnittgeraden etwa 200 kp/mm² (1,962·10⁹ Pa), was sich als innerhalb eines zulässigen Bereichs liegend erwies (zulässige maximale Kontaktbeanspruchung 250 kp/mm² (2,453·10⁹ Pa) oder weniger).
AUSFÜHRUNGSBEISPIEL 2
Dieses Ausführungsbeispiel wird in 3 gezeigt, wobei die Doppelkegelrolle R des Ausführungsbeispiels so gestaltet wird, daß die auf die konischen Oberflächen Ra, Rb ausgeübte Last in einem eingebauten Zustand in einem Schnecken-Drucklager zur Seite des großen Endes der konischen Oberfläche vorgespannt werden kann.
Im einzelnen wird der Spitzenwinkel θ der Doppelkegelrolle R auf 80° bis 85° festgesetzt, mit anderen Worten: Die Beziehung zwischen dem Schwingungsradius r des Schnecken-Drucklagers und dem Wirbelradius r₀ der Doppelkegelrolle R wird auf r₀ = 0,98 r bis 0,998 r festgesetzt.
Hierin bezieht sich der Schwingungsradius r des Schnecken-Drucklagers auf die Exzentrizität des Kurbelzapfens (g) zu der Antriebswelle (h), um das Schnecken-Drucklager zum Schwingen zu bringen, und der Wirbelradius r₀ der Doppelkegelrolle R bezieht sich auf den Radius des durch die Spitze (den geometrischen Scheitelpunkt) der einen konischen Oberfläche Ra oder Rb gezogenen Kreises, wenn die andere konische Oberfläche Rb oder Ra des konischen Körpers zum Zusammensetzen der Doppelkegelrolle R auf einer Ebene rollt.
Bei der so strukturierten Doppelkegelrolle R rollt, wie es in der Zeichnung gezeigt wird, zwischen den beiden Lagerplatten 1, 2 die eine konische Oberfläche Ra auf der Laufrille 1a des Laufrings 1, und die andere konische Oberfläche Rb rollt auf der Laufrille 2a des Laufrings 2, und wenn das Lager zusammengebaut ist, wird die auf die konischen Oberflächen Ra, Rb ausgeübte Last zur Seite des großen Endes der konischen Oberflächen Ra, Rb vorgespannt, und im Vergleich mit den Doppelkegelrollen des Ausführungsbeispiels 1 ist sie wirksamer dabei, zu verhindern, daß sich die Spitze der maximalen Kontaktbeanspruchung an der Scheitelpunktseite konzentriert.
Ansonsten sind die Struktur und die Funktion die gleichen wie bei dem Ausführungsbeispiel 1.
Die vorstehenden Ausführungsbeispiele 1 und 2 sind bevorzugte Beispiele der Erfindung, und die Erfindung ist nicht auf sie allein begrenzt, sondern kann in verschiedenen Gestaltungen innerhalb des Rahmens derselben verändert und modifiziert werden.
Zum Beispiel ist die spezifische Balligkeitsgestalt der Doppelkegelrolle R nicht auf die illustrierten Ausführungsbeispiele allein begrenzt, soweit die obigen Grundvoraussetzungen erfüllt werden (der Krümmungsradius r₀ der Bogengestalt der Balligkeit beträgt das Hundertfache oder weniger der Länge der Erzeugenden der konischen Oberflächen Ra, Rb, der Spitzenwinkel θ des konischen Körpers beträgt 90° oder weniger).
GEWERBLICHE ANWENDBARKEIT
Wie hierin beschrieben wird, ist die Doppelkegelrolle der Erfindung ein konischer Körper mit einem Paar von konischen Oberflächen, an den Unterseiten koaxial aneinandergepaßt und miteinander gekoppelt, und weil die gesamte Oberfläche des Paares von konischen Oberflächen durch Balligdrehen, d. h., Vollballigdrehen, bearbeitet wird, wird keine Kantenlast auf Grund einer Last an den beiden Enden der Schnittgeraden in dem Paar von konischen Oberflächen erzeugt, und die Kontaktbeanspruchung mit dem Laufring am Scheitelpunkt wird auf einem angemessenen Wert innerhalb des zulässigen Bereichs gesteuert.
Daher wird eine komplettierte Doppelkegeholle als ein rollendes Element für ein Lager vorgestellt, und das Schnecken-Drucklager, das Doppelkegelrollen verwendet, kann praktisch umgesetzt werden, so daß seine hervorragende Haltbarkeit wirksam gezeigt werden kann.
Im einzelnen wird der Schneckenverdichter, als Maßnahme zur Verbesserung der gegenwärtigen globalen Umwelt, intensiv als das für Propan oder ein anderes Kältemittel, das die herkömmlichen Fluorchlorkohlenwasserstoffe ersetzt, anwendbare Erzeugnis entwickelt, und das Schnecken-Drucklager, das die Doppelkegelrollen der Erfindung verwendet, hat eine hervorragende Haltbarkeit und hält eine hohe Drehzahl und eine schwere Last über einen längeren Zeitraum aus, und daher ist es ideal als die Druckkraft-Stützstruktur der Schneckenwirbeleinheit in dieser Art von Verdichter. Deshalb können das Schnecken-Drucklager für eine Druckkraft-Stützstruktur mit Doppelkegelrollen, bisher in der Entwicklung verzögert, und der Schneckenverdichter, der eine solche Stützstruktur umfaßt, in den praktischen Einsatz gebracht und in Massenproduktion gefertigt werden.

Claims

Doppelkegelrolle eines Schnecken-Drucklagers, verwendet als ein rollendes Element eines Drucklagers, zwischengeschaltet zwischen Positionen, die relative Schneckenbewegungen ausführen, die folgendes umfaßt: einen kegelförmigen Körper mit einem Paar von kegelförmigen Oberflächen, an den Unterseiten koaxial aneinandergepaßt und miteinander gekoppelt, bei welcher die gesamte Oberfläche des Paares von kegelförmigen Oberflächen durch Balligdrehen bearbeitet wird.
Doppelkegelrolle eines Schnecken-Drucklagers nach Anspruch 1, bei der die äußere Umrißgestalt der Balligkeit eine Bogengestalt mit einem einzigen Krümmungsradius längs der Gesamtlänge der Erzeugenden der kegelförmigen Oberflächen ist.
Doppelkegelrolle eines Schnecken-Drucklagers nach Anspruch 2, bei welcher der Krümmungsradius der Bogengestalt der Balligkeit auf das Hundertfache oder weniger der Länge der Erzeugenden der kegelförmigen Oberflächen festgesetzt wird.
Doppelkegelrolle eines Schnecken-Drucklagers nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei welcher der Spitzenwinkel des kegelförmigen Körpers auf 90° oder weniger festgesetzt wird.
Doppelkegelrolle eines Schnecken-Drucklagers nach Anspruch 1, bei der die auf die kegelförmigen Oberflächen ausgeübte Last in einem in ein Schnecken-Drucklager eingebauten Zustand zur langen Stirnseite der kegelförmigen Oberflächen vorbelastet wird.
Doppelkegelrolle eines Schnecken-Drucklagers nach Anspruch 5, bei welcher der Spitzenwinkel des kegelförmigen Körpers auf 80° bis 85° festgesetzt wird.
Doppelkegelrolle eines Schnecken-Drucklagers nach Anspruch 5, bei der das Verhältnis zwischen einem Schwingungsradius r des Schnecken-Drucklagers, entsprechend der Exzentrizität der Antriebswelle, um das Schnecken-Drucklager zum Schwingen zu bringen, und einem Wirbelradius r₀ des kegelförmigen Körpers, entsprechend dem Radius des durch den geometrischen Scheitel der einen kegelförmigen Oberfläche gezogenen Kreises, wenn die andere kegelförmige Oberfläche des kegelförmigen Körpers auf einer Ebene rollt, in einem Bereich von r₀ = 0,98 r bis 0,998 r festgesetzt wird.