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Kegelrollenlager Die Erfindung bezieht sich auf Kegelrollenlager,
die sowohl Lager zurr Aufnehmen von radialen oder solche zum Aufnehmen von axialen
wie auch solche zum gleichzeitigen Aufnehmen von radialen wie axialen Lasten sein
können.
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In der Veröffentlichung »Kugellager und Kegelrollenlagera im :) Journal
of the Royal Aeronautical Society<c London, England (Nr. 423, März 1946, S, 19g
bis 236), ist bewiesen, daß in den jetzigen Konstruktionen von Kegelrollenlagern
die im Betriebe solcher Lager auf die Rollen wirkenden Kräfte und Kräftepaare ein
Schränken der Rollen zwischen ihren Laufbahnen verursachen, welches mit Schwingungen
einschließlich Hinundherbewegung der Rollen längs ihrer geometrischen Achsen verbunden
ist und periodische Stöße der Rollen gegen ihre Laufbahnen und gegen den Führungsflansch
mit sich bringt. Diese Phänomene nehmen an Stärke zu reit steigender Laufgeschwindigkeit
des Lagers und sind hauptsächlich verantwortlich für die Ermüdungserscheinungen
des Materials und die allgemein schnelle Abnutzung, die in den jetzigen Lagern die
Höchstgeschwindigkeiten und die Lebensdauer der Lager begrenzen und die diese Lager
für den Gebrauch bei hohen Geschwindigkeiten praktisch unverwendbar machen.
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In der erwähnten Veröffentlichung ist bewiesen, daB in Kegelrollenlagern
ohne die im folgenden beschriebenen Haupteigenschaften, d. h. hauptsächlich ohne
die richtige Lage des Schwerpunktes einer jeden Rolle relativ zu der wirksamen Rollfläche
dieser Rolle die die Schränkung verursachenden Kräftepaare im Betriebe des Lagers
entstehen müssen, und zwar hauptsächlich wegen des Einflusses des Führungsflansches,
und daß es unmöglich ist, in diesem Falle die schädlichen Wirkungen zu verhindern,
welche die Höchstgeschwindigkeiten
und Lebensdauer der jetzigen
Kegelrollenlager so stark begrenzen.
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Daher ist Zweck dieser Erfindung, ein Kegelrollenlager von solcher
Ausbildung zu erhalten, daß die Kräfte und Kräftepaare, die während des Betriebes
auf die Rollen wirken, anstatt die oben beschriebenen schädlichen Wirkungen hervorzurufen,
nützlich werden, indem sie das Schränken und Schwingungen der Rollen bei höheren
Laufgeschwindigkeiten verhindern und auch ein reines Rollen der Rollen auf den Laufbahnen
hervorbringen, so daß Kegelrollenlager für gewünscht hohe Geschwindigkeiten bei
großen Belastungen und für große Lebensdauer hergestellt werden können.
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Aus der erwähnten Veröffentlichung gehen nicht nur die Gründe hervor,
die die Schäden verursachen, sondern auch die Bedingungen, die zur Verhinderung
der Schäden erfüllt sein müssen. Diese Bedingungen sind durch ein System von mathematischen
Gleichungen, welche alle Dimensionen des Kegelrollenlagers in ein bestimmtes Verhältnis
zueinander setzt, gegeben. -Gemäß der Erfindung ist ein Kegelrollenlager mit zwei
Lagerringen, von welchen je einer die eine von zwei gleichachsigen, nach den Mantelflächen
von Kegelstümpfen verlaufenden Laufflächen aufweist, und mit einer Anzahl von Rollen,
welche j e eine nach der Mantelfläche eines Kegelstumpfes verlaufende Rollfläche
haben und durch einen Flansch an einem der beiden Lagerringe zwischen diesen Laufflächen
gehalten werden, wobei dieser Flansch die Rollen nur an ihren der Lagerachse abgekehrten
Stirnflächen berührt, und welche Rollen im Betriebe des Lagers durch den einen der
Lagerringe getrieben werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Rollen je eine solche
Massenverteilung zu ihren wirksamen, nach den Mantelflächen von Kegelstümpfen verlaufenden
Rollflächen haben, daß der Schwerpunkt einer jeden Rolle zwischen zwei zu der geometrischen
Achse der Rolle normalen Querschnittsflächen liegt, von welchen Querschnittsflächen
die eine den Querschnitt an der Stelle des der Lagerachse am nächsten liegenden
Endes der wirksamen Rollfläche der Rolle darstellt und die zweite durch die Schwerpunkte
derjenigen Längen der Erzeugenden der Rollfläche geht, die mit der Lauffläche in
dem treibenden Lagerring in Berührung kommen. -Dabei ist unter dem Schwerpunkt derjenigen
Länge jeder Erzeugenden der Rollenrollfläche, die mit der nach der Mantelfläche
eines Kegelstumpfes verlaufenden Rollfläche im treibenden Lagerring in Berührung
kommt, für mehrteilige Rollflächen der resultierende Schwerpunkt der verschiedenen,
die Rollfläche im treibenden Lagerring berührenden Einzelteile der Erzeugenden zu
verstehen, wobei die Position dieses Schwerpunktes unter Berücksichtigung der zwischen
diesen Einzelteilen vorhandenen Lücken bestimmt wird. Dieses gilt sowohl für Rollen,
die aus ein und demselben Material bestehen, als auch für Rollen, die aus mehreren
Materialien von verschiedenen spezifischen Gewichten zusammengesetzt sind.
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Die Zusammensetzung der Rolle aus mehreren Materialien von verschiedenen
spezifischen Gewichten beeinflußt die Lage des Rollenschwerpunktes mit Bezug auf
die Lage des resultierenden Schwerpunktes einer jeden Erzeugenden der wirksamen
Rollfläche, wobei die letztere durch Verschiedenheiten der Materialien nicht beeinflußt
wird.
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Weiterhin geht aus dein allgemeinen Ausdruck hervor, daß für ein Kegelrollenlager
mit ununterbrochener, nach der Mantelfläche eines Kegelstumpfes verlaufender wirksamer
Rollfläche der Rollen der Schwerpunkt einer jeden Rolle zwischen dem der Lagerachse
am nächsten liegenden, d. h. zugekehrten Endquerschnitt der wirksamen Rollfläche
und dem Querschnitt, der durch die Halbierungspunkte der Erzeugenden dieser Rollfläche
durchgeht, liegen muß.
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Das ist in vollkommenem Gegensatz zu den jetzigen Kegelrollenlagern,
bei welchen die Rollen im allgemeinen massive Kegelstümpfe sind, bei welchen der
Schwerpunkt jeweilig zwischen dem größeren Endquerschnitt und dem Querschnitt durch
die Halbierungspunkte der Erzeugenden des Kegelstumpfes liegt.
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Es werden nun mit Bezugnahme auf die diagrammatische Zeichnung einige
Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben. In dieser Zeichnung veranschaulichen
die Fig. i bis 5 die Hälften von Axialschnitten durch die wirksamen Lagerteile dieser
Ausführungsbeispiele.
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Fig. i zeigt ein Kegelrollenlager, wobei in der Figur die verschiedenen
Dimensionen angezeichnet sind. Bei diesem Beispiel nach Fig. i laufen die Rollen
ii mit konischer Rollfläche 9 zwischen den konischen Laufflächen 7 und 8 der beiden
Lagerringe 12 und 1q. Der Lagerring 12 ist an der rotierenden Achse 1.3 befestigt
und stellt somit den die Rollen treibenden Ring dar. Der feststehende Lagerring
1q. hat einen Flansch 6, welcher an das Rollenende 5 stößt und die Rollen zwischen
den konischen Rollflächen hält. Jede der Rollen zi hat ein um die geometrische Achse
symmetrisches konisches Loch, welches durch die ganze Rolle hindurchgeht, und an
dem der Lagerachse zu liegenden Rollenende ist ein Teil der konischen Rollfläche
weggeschnitten, so daß ein Fortsatz iid vorhanden ist. Durch diese Massenverteilung
an der Rolle relativ zu ihrer wirksamen, nach der Mantelfläche eines Kegelstumpfes
verlaufenden Rollfläche fällt der Schwerpunkt C der Rolle zwischen den der Lagerachse
am nächsten und in der Schnittebene b liegenden Endquerschnitt dieser Rollfläche
und den in der Schnittebene a liegenden Rollenquerschnitt, welcher den Schwerpunkt
A der Länge der Erzeugenden der Rollfläche der Rolle enthält, die mit der Lauffläche
in dem treibenden Lagerring in Berührung kommt; diese Schnittfläche a geht für den
gezeigten Fall einer ununterbrochenen, nach der Mantelfläche eines Kegelstumpfes
verlaufenden wirksamen Rollfläche durch die Halbierungspunkte dieser Erzeugenden.
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Der genaue Abstand Lm" zwischen dem oben definierten, in der Ebene
a liegenden Rollenquerschnitt und dem Rollenschwerpunkt C längs der geometrischen
Achse der Rolle wird später in der Beschreibung als Funktion der anderen Dimensionen
des Lagers und auch als Funktion der Laufbedingungen genau
angegeben
mit Bezugnahme auf die weiteren in Fig. r angezeigten Symbole.
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In dem in Fig. 2 gezeigten Ausführungsbeispiel liegt jede Rolle 16
mit der konischen Rollfläche 17 zwischen den konischen Laufflächen des treibenden
Lagerringes 2o und des nicht treibenden Lagerringes z9. Jede Rolle hat ein konisches
Loch 18, welches koaxial zur geometrischen Achse der Rolle liegt und von dem größeren
Endquerschnitt der Rolle sich in diese hineinerstreckt, wobei dieses Loch so geformt
und bemessen ist, daß der Schwerpunkt C der Rolle die erfindungsgemäße Lage relativ
der konischen Rollfläche der Rolle einnimmt, welche in diesem Beispiel von der gesamten
Mantelfläche der Rolle gebildet ist.
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Die erfindungsgemäße Lage des Rollenschwerpunktes relativ zu der wirksamen
Rollfläche könnte auch durch richtige Formung und Bemessung eines Loches der Rolle
erreicht werden, welches sich von dem größeren Endquerschnitt in die Rolle hinein-,
aber nicht ganz durch die Rolle hindurch erstrecken würde.
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In dem in Fig. 3 gezeigten Ausführungsbeispiel hat die Rolle 2q.,
die zwischen den konischen Laufflächen 28 und 29 der Lagerringe 26 und 27 läuft,
einen in Richtung gegen die Lagerachse von dem kleineren Endquerschnitt ihrer nach
der Mantelfläche eines Kegelstumpfes verlaufenden Rollfläche vorstehenden zylindrischen
Fortsatz 25, welcher gleichachsig mit der geometrischen Achse der Rolle ist und
keine Berührung mit den Laufflächen 28 und 29 der Lagerringe 26 und 27 hat. Dieser
Fortsatz 25 der Rolle ist so bemessen, daß der Rollenschwerpunkt seine dieser
Erfindung entsprechende Lage einnimmt zwischen dem kleinen Endquerschnitt der wirksamen
Rollfläche und dem Rollenquerschnitt in der Schnittebene a, welche die Schwerpunkte
A derjenigen Längen der Erzeugenden der Rollfläche der Rolle enthält, die
mit der Lauffläche in dem treibenden Lagerring in Berührung kommen, wo dieser Querschnitt
a für den gezeigten Fall einer ununterbrochenen, nach der Mantelfläche eines Kegelstumpfes
verlaufenden wirksamen Rollfläche durch den Halbierungspunkt dieser Erzeugenden
geht.
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Diese Lage des Rollenschwerpunktes wird durch das im weiteren gegebene
Gleichungssystem genau bestimmt als Funktion anderer Dimensionen des Lagers.
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Im allgemeinen können bei dieser Art von Ausführungsbeispielen der
Erfindung die Fortsätze der Rollen von den kleinen Endquerschnitten ihrer Rollflächen
jede in bezug auf die geometrische Achse des Rollers symmetrische Form haben und
können sogar am einfachsten durch Fortsetzungen der Rollen selbst in derselben Kegelstumpfform
gebildet sein, solange diese Fortsetzungen nicht mit den Laufflächen der Lagerringe
in Berührung kommen. In dem Falle können die Rollen überhaupt von Kegelstumpfform
sein, und die richtige Lage des Schwerpunktes relativ zu der nach der Mantelfläche
eines Kegelstumpfes verlaufenden wirksamen Rollfläche jeder Rolle kann z. B. durch
entsprechend bemessene Verkürzung der kegelmantelförmigen Laufflächen in den Lagerringen
an der der Lagerachse nahe liegenden Seite dieser Laufflächen erreicht werden, so
daß nur ein von der Lagerachse entfernt liegender Teil der Mantelfläche einer jeden
Rolle deren wirksame Rollfläche darstellt.
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Fig. q. zeigt ein Ausführungsbeispiel des Lagers, bei welchem die
erfindungsgemäße Position des Rollenschwerpunktes relativ zu der Ebene, welche die
Schwerpunkte der Längen der Erzeugenden der wirksamen Rollfläche der Rolle enthält,
dadurch erzielt ist, daß die Mantelfläche der Rolle durch eine Nut 32 unterbrochen
ist, welche Nut eine geeignete Breite und Anordnung hat. Der Flansch 33 berührt
hier das äußere Ende der Rolle wie in den vorhergehenden Beispielen.
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Dasselbe Resultat könnte auch durch eine Nut in der Rollfläche des
einen der beiden Lagerringe hervorgebracht werden.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung können auch jede Kombination der
bisher beschriebenen Ausführungsbeispiele darstellen.
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Weiterhin können Ausführungsbeispiele dieser Erfindung auch Rollen
aus Materialien von verschiedenen spezifischen Gewichten haben, wobei diese Materialien
so in den Rollen verteilt sind, daß die erfindungsgemäße Lage des Rollenschwerpunktes
relativ zu der wirksamen Rollfläche der Rolle erreicht wird; es könnte z. B. bei
einer kegelstumpfförmigen Rolle das der Lagerachse näher liegende, im Durchmesser
kleinere Ende der Rolle aus einem Material von größerem spezifischem Gewicht und
das der Lagerachse abgekehrte, den größeren Durchmesser aufweisende Ende der Rollen
aus einem Material von kleinerem spezifischem Gewicht bestehen.
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In dem in Fig. 5 gezeigten Ausführungsbeispiel der Erfindung hat die
Rolle das axiale Loch q0, welches sich durch die Rolle hindurch erstreckt und dessen
lichte Weite von einer Stelle im Loch nach beiden Lochenden hin größer wird, so
daß das Loch die Form des Kanals einer Düse mit zylindrischer Kehle 42 hat, die
über einen Kanalteil mit dem Radius 43 in den kleinen Endquerschnitt der Rolle mündet.
Das Loch 40 ist so bemessen, daß die erfindungsgemäße Lage des Rollenschwerpunktes
relativ zu der wirksamen Rollfläche, wie später genau angegeben, erzielt wird. Weiterhin
bewirkt die Düsenform des Loches 40, daß während des Betriebes das Lager wie eine
Zentrifugalpumpe wirkt, welches aus dem der Lagerachse entfernten breiten Ende einer
jeden Rolle Luft herausbläst und im Innern des Lagers einen Unterdruck hervorbringt.
Dadurch wird ein solches Lager sich selbst kühlen und kann mit entsprechenden Anbauten
auch dazu verwendet werden, andere Teile einer Maschine zu kühlen.
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In dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel nach Fig. 5 stellt die nicht
treibende Lauffläche 44, die mit dem Flansch 45 versehen ist, die äußere Oberfläche
eines Kegelmantels dar und die Laufbahn 46 des treibenden Ringes, der an Achse 47
befestigt ist, die Innenfläche eines Kegelmantels.
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Nach der erwähnten Veröffentlichung im «Journal of the Royal Aeronautical
Society«, London, ist der erforderliche Abstand Lm" des Rollenschwerpunktes von
dem Rollenquerschnitt, der den Schwerpunkt der Gesamtlänge der Erzeugenden der Rollenfläche,
die mit dem treibenden Lagerring in Berührung
kommt, enthält (welcher
Rollenquerschnitt für den Fall einer ununterbrochenen, nach der Mantelfläche eines
Kegelstumpfes verlaufenden Rollfläche durch den Halbierungspunkt der Erzeugenden
dieser Rollfläche geht), gegeben mit Hilfe der Gleichung
wobei I das Trägheitsmoment der Rolle um eine Achse durch ihren Schwerpunkt ist,
die einen Winkel a, mit der geometrischen Achse der Rolle einschließt, wo a. der
halbe Spitzenwinkel der konischen Rollfläche der Rolle ist, R, der Radius des Kreisweges
des Schwerpunktes der Rolle, a2 der Winkel zwischen der Lagerachse und der geometrischen
Achse der Rolle, y. der -mittlere Radius der konischen Rollfläche der Rolle und
wo Il das Trägheitsmoment der Rolle um ihre geometrische Achse ist und M die Masse
der Rolle.
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Derselbe Abstand Lm", ausgedrückt nur durch die Dimensionen einer
Rolle mit ununterbrochener Rollfläche, ist
wobei 12 das Trägheitsmoment der Rolle um eine Achse durch den Rollenschwerpunkt
ist, welche senkrecht zu der geometrischen Achse der Rolle steht, und H die Höhe
der konischen Rollfläche der Rolle ist.
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Eine Bedingung, der die Dimensionen entsprechen müssen, ist
Weiterhin ergibt sich das schon definierte Trägheitsmoment I2 einer Rolle um eine
Achse, welche durch den Rollenschwerpunkt geht und senkrecht zu der geometrischen
Achse der Rolle steht, als Funktion der Zentrifugalkraft Cf, die auf die Rolle in
gegebenen Betriebsumständen wirkt, ferner als Funktion der Belastung des Lagers,
die durch die normale Druckkraft N zwischen einer Rolle und den Rollflächen dargestellt
wird, und als Funktion von anderen Dimensionen des Lagers als
wobei
Von diesem Ausdruck und von den vorher gegebenen Ausdrücken erhält man den Abstand
Lm" als Funktion der Betriebsbedingungen und anderer Lagerdimensionen als
Dimensionen vorteilhafter Ausführungsformen des Lagers können aus dem obigen Gleichungssystem
berechnet werden, wobei der Abstand e (s. Fig. z) von der in der Bildebene befindlichen
Erzeugenden der Rollfläche 8 zu dem Schwerpunkt der Berührungsfläche der äußeren
Stirnfläche 5 der Rolle r= mit dem Flansch 6 auf dem nicht treibenden Lagerring
1q. weiterhin zu berechnen ist aus
wo, die Größe S, die 'dieselbe wie oben ist, durch die anderen Abmessungen des Lagers
ausgedrückt werden kann durch
oder wo die Größe e direkt ausgerechnetwerdenkann aus
Jedenfalls muß die Größe e der Bedingung
entsprechen, wo e die Gesamtlänge der Erzeugenden der kegelstumpfmantelförmigen
Rollfläche der Rolle ist, die mit der Rollfläche im treibenden Lagerring in Berührung
kommt.
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Die Größe des Wertes e hängt ab von den Formen sowohl der äußeren
Stirnfläche der Rolle wie auch des Flansches, dem diese anliegt. Diese Formen können
beliebig sein, solange nur unter Betriebsbedingungen die Berührungsfläche zwischen
Rollerstirnfläche und Flansch eine solche ist; daß der den obigen Gleichungen entsprechende
Wert der Größe eintritt oder eingehalten wird.