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Der Erfinder hat beantragt, nicht genannt zu werden Die Erfindung
bezieht sich auf Gleitlager und betrifft im besonderen Verbesserungen an Lagern,
die sich besonders zur Verwendung in Schleifmaschinen und anderen Präzisionswerkzeugmaschinen
eignen, bei denen es von Wichtigkeit ist, daß eine Spindel oder ein Lagerzapfen
genau zentriert ist und unter Belastung keine nennenswerte Bewegung aus der Mittellage
heraus erfährt.
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In manchen Fällen ist es möglich, eine schmierende Ölhaut oder Fettschicht
zu verwenden, die so außerordentlich dünn ist, daß ein zwischen Zapfen und Lager
vorhandenes Spiel selbst geringer ist als die zulässige außermittige Bewegung des
Zapfens unter Belastung. Derartige Lageranordnungen sind jedoch, was die aufzunehmende
Last anbelangt, sehr beschränkt, und im allgemeinen ist es nötig, für die Bildung
einer vollkommen flüssigen Ölhaut zu sorgen, damit die Belastung ohne Überhitzung
und ungebührliche Abnutzung ausgehalten werden kann. Dieses Erfordernis macht ein
beträchtliches Spiel zwischen Zapfen und Lager notwendig, damit sich ein ausreichender
schmierender Film durch hydrodynamische Wirkung ausbilden kann.
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Bei üblichen Lageranordnungen bildet sich durch die Drehung des Zapfens
ein Ölpolster unter einem Druck, der von der Geschwindigkeit, der Viskosität und
dem Spiel abhängig ist, und bei einer entsprechenden konstanten Geschwindigkeit
sucht der unbelastete
Zapfen gleichachsig zum Lager umzulaufen.
Sobald der Zapfen jedoch belastet wird, wird er verschoben; und es wird selbsttätig
ein Ölhautdruck erzeugt, de sich von einem Minimum (im wesentlichen vom Wert Null)
über etwa der Hälfte des Umfanges auf ein Maximum an einer Stelle ändert, die angenähert
der Richtung der größten Belastung entspricht. Unter derartigen Bedingungen erhält
der Zapfen die Möglichkeit, sich aus der Mittellage herauszubewegen, und zwar im
wesentlichen in einer Richtung und in einem Ausmaß; die unter anderem von dem Spiel
zwischen Zapfen und Lager abhängig sind, und diese Bewegung ist bei vielen Präzisionslageranordnungen
zu groß: Zweck der Erfindung ist, eine verbesserte Lagerausführung zu schaffen,
bei welcher unter Aufrechterhaltung des Vorteiles einer Schmierung durch eine vollkommen
flüssige Ölhaut gewährleistet wird, daß der Zapfen bzw. die Spindel dauernd im wesentlichen
gleichachsig zum Lager gehalten wird, und zwar ohne Rücksicht auf die Größe der
Belastung und ihre Angriffsrichtung.
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Bei einer Gleit- oder Zapfenlageranordnung gemäß der Erfindung weist
das Lager im Querschnitt ein im wesentlichen nach einer Spirale verlaufendes Profil
auf, welches sich über etwa 36o° erstreckt und derart angeordnet ist, daß sich das
Spiel zwischen- Zapfen und Lager in Richtung des bei der Drehung des Zapfens relativ
zum Lager hervorgerufenen Ölflusses von einem Maximum auf ein Minimum verringert,
so daß bei unbelastetem Zapfen ein im wesentlichen konstanter Schmiermitteldruck
rings um den Zapfen herum erzeugt wird.
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Die Erfindung umfaßt auch eine Anordnung, bei welcher das Lager mit
einer Bohrung versehen ist, deren Querschnittsprofil eine fortlaufende, im wesentlichen
spiralförmige Umrißlinie bildet, die bis auf eine Stufe vom kleinsten zum größten
Spiel irri wesentlichen über 36o° herumläuft.
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Bei einer solchen Lageranordnung wird das Öl vorzugsweise an oder
nahe der Stelle des größten Spieles zwischen Zapfen und Lager eingeführt.
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Es kann auch der Zapfen ein im Querschnitt spiralförmiges Profil aufweisen,
und in diesem Fall kann das Öl an einer Anzahl von im Abstand um das Lager herumliegenden
Stellen oder durch ein Loch im Zapfen in der Nähe des größten Spiels zwischen Zapfen
t nd Lager eingeführt werden.
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Die Bed ngungen, welche das dem Lager bzw. dem Zapfen zugebezz _t
: Profil beeinflussen, können sich auf die Drehgeschwindigkeit des Zapfens, die
Länge des Lagers, die Viskosität des Öls und darauf erstrecken, .ob der Ölausfluß
aus den Enden des Lagers beschränkt ist oder nicht.
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Bei einer gegebenen Reihe solcher Bedingungen ändert sich der nachstehend
mit Profilneigung bezeichnete Winkel zwischen der Tangente an das Profil und einer
Linie, die rechtwinklig zu einem Radius von der Zapfenmitte zum Berührungspunkt
der Tangente verläuft, entsprechend der Beziehung, welche empirisch ermittelt und
so gewählt werden kann, daß jeder notwendige Druck, selbst in der Größenordnung
von einigen Hundert Kilogramm je Quadratzentimeter, hervorgerufen werden kann. Auf
diese Weise ist es möglich, wenn der Zapfer keine äußere Belastung erfährt, einen
weitgehend konstanten Öldruck rings um den Zapfen herum zt erzielen, so daß, sobäld
der Zapfen eine Belastung oder Kraft aufnimmt, eine vernachlässigbare Abweichung
der Lage des Zapfens innerhalb des Lagers zur Folge hat: erstens zwischen dem Lager
und dem Zapfen einen erhöhten Druck, welcher der angelegten Belastung entgegenwirkt,
und zweitens einen dem erhöhten Druck diametral entgegengesetzten verminderten Druck,
wobei die Druckverminderung ebenfalls der angelegten Belastung und dem Zapfen wirksam
entgegenwirkt. Der Druckanstieg entsteht dadurch, daß die kleine Lageänderung die
Wirkung hat, das Verhältnis der Profilneigung zum Spielraum in dem betreffenden
Bereich zu vergrößern, und der diametral entgegengesetzt wirkende Druckabfall entsteht
auf Grund des Umstandes, daß das Verhältnis der Profilneigung zum Spielraum verkleinert
wird.
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Die Erfindung wird nachstehend an Hand der Zeichnung an einem Ausführungsbeispiel
näher erläutert.
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Fig. r ist eine Endansicht einer Ausführungsform eines Gleitlagers
gemäß der Erfindung; Fig. 2 ist -ein Schnitt nach der Linie II-II von Fig.
i ; _ Fig. 3 ist eine schematische Ansicht, welche zeigt, auf welche Weise ein Lager
mit einem Profil hergestellt werden kann, das angenähert nach einer Archimedischen
Spirale verläuft, wobei jedoch deren Form aus Gründen der besseren Übersichtlichkeit
übertrieben dargestellt ist.
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Bei der in den Fig. r und 2 schematisch wiedergegebenen Ausführungsform
der Erfindung ist das Gleitlager i, welches aus zwei Hälften id und ib besteht,
derart bearbeitet worden, daß die Bohrung 2, statt einen kreisförmigen Querschnitt
zu erhalten, einen spiralförmigen Querschnitt aufweist. Das Profil der Bohrung ist
ein solches, daß, wie aus Fig. 3 ersichtlich, die Profilneigung, d. h. der Winkel
a zwischen einer Tangente an die Bohrung und einer Linie, die rechtwinklig zu einem
Radius von der Lagermitte zum Berührungspunkt der Tangente verläuft, in einer bestimmten
Beziehung zu dem Spiel ö steht. Die Beziehung zwischen dem Profilwinkel a und dem
Spiel ö kann, je nach den Bedingungen des Ölausflusses an den Seiten, d. h. an den
Enden des Lagers oder in einer Richtung parallel zur Lagerachse, exponential, konstant
oder hybrid sein. In der Praxis kann sich das Spiel von etwa 0,o25 mm an der zum
Radius A gehörigen Stelle auf etwa 0,125 mm an der zum Radius B gehörigen Stelle
der Bohrung ändern. Diese Änderung im Spiel kann gemäß den besonderen Bedingungen
hinsichtlich der Geschwindigkeit, der Lagerlänge, der Ölviskosität oder danach,
ob die Enden des Lagers offen oder beschränkt sind, experimentell dadurch bestimmt
werden, daß eine Reihe von Röhren, die verschiedene um den Umfang der Bohrung verteilte
Punkte mit Druckmessern verbinden, vorgesehen wird und die Kurve so lange verändert
wird, bis unter den gegebenen Bedingungen alle Druckablesungen bei unbelastetem
Zapfen im wesentlichen die gleichen sind.
Wie bereits oben erwähnt,
verläuft die Drehrichtung des Zapfens von der Stelle des größten Spieles zur Stelle
des kleinsten Spieles, und Öl wird durch einen Kanal 1e und eine Nut ill an oder
nahe der Stelle des größten Spieles eingeführt.
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Gemäß einem Merkmal der Erfindung bildet das Lagerprofil im Betrieb
eine sich im wesentlichen über 36o° erstreckende, fortlaufende, glatte Fläche mit
einer Stufe 211 vom kleinsten Spiel zum größten Spiel.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist der Druck, mit welchem das
Öl eingeführt wird, von derselben Größenordnung wie der. Druck, der um den Zapfen
herum im belastungsfreien Zustand hervorgerufen wird.
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Das Öl entweicht an den Enden des Lagers, und es ist daher vorteilhaft,
das Lager an den Enden mit genau zylindrisch ausgebohrten Teilen mit einem kleinen
Spiel von dem Zapfen zu versehen, so daß der Ausfluß von Öl verhindert wird und
dadurch die größte Wirkung mit der Ausgestaltung des Bohrungsprofils als Spirale
erhalten werden kann.
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In der Nähe der Stufe 211 zwischen dem kleinsten und größten Spiel
kann ein Bereich geringeren Druckes vorhanden sein, der jedoch eine kleine nachteilige
Wirkung hat. Um dies aber zu vermeiden, kann die Bohrung mit zwei oder mehreren
Spiralabschnitten ausgebildet sein, die in bezug aufeinander im Winkel versetzt
sind, so daß jede Unvollkommenheit, die durch einen verringerten Druck an der Stufe
entsteht, ausgeglichen werden kann. Werden so zwei Spiralabschnitte vorgesehen,
dann wird die beste Beziehung erhalten, wenn sich die Stufen diametral gegenüberliegen,
jedoch kann schon eine kleine Winkelverschiebung genügen, um im wesentlichen konstante
Druckbedingungen rings um den Zapfen herum herbeizuführen.
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Die Richtung des Angriffs der Belastung ist nicht kritisch, jedoch
verläuft sie vorzugsweise gegen einen Punkt in einem 18o°-Sektor gegenüber der Stufe
in der Spirale, wenn eine einzige Spirale angewendet wird.
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Anstatt zwei oder mehrere spiralförmige Abschnitte für den genannten
Zweck vorzusehen, kann auch eine Schrägspirale angewendet werden, d. h. eine solche,
bei welcher die Stufe längs einer Schraubenlinie über die Länge der Bohrung verläuft.
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Für die Form des wirklichen Profils ist eine beträchtliche Toleranz
ohne wesentlichen Nachteil für den mit der Erfindung verfolgten Zweck zulässig.
So kann ein geeignetes Profil gewählt werden, welches sich als solches auf verschiedene
Weise herstellen läßt, z. B. durch Ausbohren einer Reihe von Segmenten mit allmählich
kleiner werdenden Radien, worauf die Segmente derart miteinander vereinigt werden,
daß ein fortlaufendes Profil gebildet wird.
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Das Zapfenlager i kann zum Beispiel, wie dies in Fig. 3 wiedergegeben
ist, aus vier Segmenten ie, 1f, 1g, ill bestehen. Das Segment 1e ist von einem Mittelpunkt
cl aus mit einem Radius R1 gebohrt, das Segment 1.f ist von einem Mittelpunkt e2
aus mit einem Radius R2 gebohrt, das Segment 1g ist von einem Mittelpunkt e3 aus
mit einem Radius R3 gebohrt, und das Segment ill ist von einem Mittelpunkt c4 aus
mit einem Radius R4 gebohrt. Wenn das Lager i mit einer Welle 3 verwendet wird,
die einen Durchmesser von 69,85 mm (2,75") hat, dann kann R1 einen Wert von 47,815
mm (i,8825"), R2 einen Wert von 47,764 mm (1,88o5"), R3 einen Wert von 47,713mm
(1,8785") und R4 einen Wert von 47,662 mm (i,8765") haben, wobei sich die Mittelpunkte
cl, c2, c3, c4 in solcher Lage befinden, daß nach dem Zusammenbau die Flächen 2b,
2e, 29, 2e der entsprechenden Elemente il, 1f 1g, ill ein spiralförmiges Profil
mit einem Minimumspiel d von 0,038 mm (o,ooi5") und einem Maximumspiel D
von o,191 mm (0,0075") bilden.
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Wahlweise kann auch ein Paar Segmente, die sich im wesentlichen über
18o° erstrecken, gebohrt werden, während sie einer zunehmenden Neigungsbewegung
entsprechend dem gewünschten Profil unterworfen werden.
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Anstatt das Lager mit einer Bohrung von spiralförmigem Profil herzustellen,
kann auch der Zapfen mit einem äquivalenten spiralförmigen Querschnitt ausgebildet
und mit einem Lager verwendet werden, das eine zylindrische Bohrung besitzt.
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Es ist zu bemerken, daß die Erfindung nicht auf die beschriebene besondere
Ausführungsform beschränkt ist. So kann zum Beispiel ein Gleitlager zwei oder mehrere
Lagerschalen aufweisen, deren jede eine Bohrung von spiralförmigem Querschnitt der
oben beschriebenen Art besitzt, wobei die Lagerschalen in einem Gehäuse derart angeordnet
sind, daß die betreffenden Spiralabschnitte im Winkel gegeneinander versetzt sind.
In ähnlicher Weise kann das zusammengesetzte Lager gesondert hergestellte Endabschnitte
einschließen, die genau zylindrische Bohrungen besitzen. Ebenso kann die Erfindung
auch auf konische Lager angewendet werden.
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Gegebenenfalls kann die Bohrung des Lagers zylindrisch und der Zapfen
so profiliert sein, daß ein oder mehrere Spiralabschnitte der beschriebenen Art
geschaffen werden, wobei in diesem Fall das Spiel zwischen dem Zapfen und dem Lager
in der Drehrichtung des Zapfens zunimmt.