WO1995006824A1 - Pendelstirnlager - Google Patents

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WO1995006824A1
WO1995006824A1 PCT/EP1994/002488 EP9402488W WO9506824A1 WO 1995006824 A1 WO1995006824 A1 WO 1995006824A1 EP 9402488 W EP9402488 W EP 9402488W WO 9506824 A1 WO9506824 A1 WO 9506824A1
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bearing
self
axis
balls
aligning face
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PCT/EP1994/002488
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Inventor
Hans-Ludwig Schirneker
Original Assignee
Schirnecker Hans Ludwig
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Publication date
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    • F16C19/00—Bearings with rolling contact, for exclusively rotary movement
    • F16C19/02—Bearings with rolling contact, for exclusively rotary movement with bearing balls essentially of the same size in one or more circular rows
    • F16C19/10—Bearings with rolling contact, for exclusively rotary movement with bearing balls essentially of the same size in one or more circular rows for axial load mainly
    • F16C19/12—Bearings with rolling contact, for exclusively rotary movement with bearing balls essentially of the same size in one or more circular rows for axial load mainly for supporting the end face of a shaft or other member, e.g. footstep bearings
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F16C33/00—Parts of bearings; Special methods for making bearings or parts thereof
    • F16C33/30—Parts of ball or roller bearings
    • F16C33/58—Raceways; Race rings
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    • G01—MEASURING; TESTING
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    • G01C17/06—Suspending magnetic elements
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    • G—PHYSICS
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    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
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    • G01R11/02—Constructional details
    • G01R11/12—Arrangements of bearings

Definitions

  • the invention relates to a spherical front bearing with an upper and a lower concave and rotationally symmetrical bearing shell, between which a ball is arranged, and wherein the radii of curvature of the bearing shells in the radial planes running through the central axis in the ball race area correspond to at least 2.4 times the ball radii .
  • Such a bearing is known from DE-PS 749 856, in which a ball or a barrel-shaped bearing body is arranged on a further bearing body, which has a larger radius of curvature on the top side, is concave or planar and underside convex, so that three pivots in the direction the axis of rotation lie one above the other.
  • compass needles, measuring disks, counter measuring disks, mobiles and precision mechanical parts of the device are easily rotatably and pendulum-supported on a standing axis on the end face by the arrangement of a ball between two concave bearing shells.
  • the ball In order to achieve low friction, the ball is formed with the smallest possible diameter. This results in a very high pressure load in the points of contact of the ball and the bearing shells, whereby the bearing points wear out and the friction increases drastically after frequent and long torsional loading, although the hardest and smoothest materials are used for the bearing shells and the ball become. Axial shock loads also easily destroy the bearing points. The fixed lower bearing point is particularly at risk. Dust and enamel particles also collect there, which have a lubricating and destructive effect on the bearing point.
  • the known tip bearings also have a limited service life due to the high pressure load at the bearing point, and they are only suitable for very low loads and speeds.
  • a bearing which allows a limited oscillation of the axis, which contains several balls which are on the one hand in a concave shell with outward progressive curvature and on the other hand are guided in an axially concave annular space squares, the Bearing surface the balls diverging, i.e. pushing outwards.
  • the axle-side bottom bracket ring is made of resilient material, which leads to increased friction.
  • the solution to the problem is that at least two balls are arranged between the bearing shells, each ball of which touches both bearing shells on their concave surface, and the mutual distance between the bearing shells, measured parallel to the central axis, at the point of intersection of the central axis through the bearing shells on greatest is.
  • An extremely preferred embodiment has only two balls on. These have line-shaped tracks, which means that constant grinding on one point and thus wear and tear are excluded. Furthermore, the axial load of the bearing is always evenly distributed over the two balls, which means that their cross-section can be halved if the same bearing pressure is permitted.
  • the two balls are subject to essentially very low rolling friction.
  • there is a rotating friction of the spherical surfaces which is constantly shifting linearly over the spherical surfaces.
  • the constant shifting of the contact points both on the balls and in the bearing shells leads to permanent smoothing.
  • the contact force of the balls against each other at the specified smallest radius of curvature of the two raceways in the axial plane of 2.4 times the ball radius is just equal to the axial bearing load.
  • the supporting shear force between the balls is therefore advantageously reduced in that the bearing shell curvatures in the axial plane are chosen to be as large as possible than the maximum curvature mentioned, the appropriate maximum dimension of the radii of curvature is to be determined according to the respective conditions.
  • the useful radius of curvature of the lower static bearing shell depends on the maximum transverse force to be expected to be exerted on the bearing and on the permissible misalignment of the axes of the support axis and the rotatable shaft.
  • the connecting line of the two given the maximum offset Ball contact points in the bearing shell are perpendicular to the result of the bearing axial force and the shear force.
  • a useful radius of curvature of the upper bearing shell results from a maximum expected inclination of the shaft head axis against the load axis, the bearing shells and the axis to the shaft still having to remain in contact. Any dynamic pendulum movements that occur should also be taken into account.
  • the load axis runs with pure heavy loads from the center of gravity to the center of the bearing.
  • the radii can be selected 5 to 20 times as large as the radius of the ball, so that, relative to the rolling friction, only extremely low frictional losses occur due to the ball friction between the balls.
  • the bearing materials are appropriately selected from known low-friction pairings, eg steel with agate or ruby or steel on steel or glass on agate or, for very high loads, silicon nitride on ruby or steel.
  • the surfaces are to be polished well in order to achieve low friction.
  • the bearing cap can be easily stamped or pressed using a ball, and steel balls added result in an extremely inexpensive, high-quality one Forehead bearing for everyday items. Even for loads of 1 kg, two steel balls with a diameter of 1 mm are sufficient, so that the entire bearing has only small dimensions.
  • Calottes ground from agate or ruby can be used for this.
  • the above advantageous properties can be approximately achieved with more than two balls, and the dimensions can be transferred to such bearings, modified in accordance with the load distribution and the geometric conditions. However, it is basically the case that more balls always bring more friction losses under otherwise similar conditions. Also, only up to three balls have a defined equal load distribution on them, with four and more balls an alternating load shifting is to be expected during bearing movements, whereby in the worst case only two balls are carried and accordingly the balls are not smaller than for 1 / 2 of the axle load are to be dimensioned.
  • bearings of this type which have three, in particular four and more, balls in a defined manner by means of a central spacer, which preferably has a cylindrical or polygonal shape, and to prevent their mutual friction by providing support points only on the spacer, in which friction losses occur, through a corresponding
  • Cross-sectional dimensioning of the spacer can be offered. It is expedient to bring about a very small distance between the balls. In this way it is possible to achieve an extensive load distribution between the balls, and these must be dimensioned accordingly.
  • the spacer is expediently somewhat lower than the distance between the bearing shells, that is to say roughly corresponding to the ball diameter.
  • the ends of the spacer are rounded so that the rotation of the spacer is easy when it comes into contact with a bearing shell. If a cylinder is used as a spacer, it is able to perform a compensating rotation to reduce friction; one of the balls against each other cannot be prevented with it; however, since the touch is practically powerless, there is very little friction when the shaft is rotated.
  • the bearing is expediently surrounded by a sleeve with play for the pendulum and possibly an offset, which is arranged on the axis or the shaft head.
  • the game is suitably smaller than the radius of the sphere so that the balls cannot fall out when the shaft is deflected.
  • the sleeve is expediently provided with a locking ring which engages with play behind a collar or in a groove on the other hand and thus prevents pulling apart and holding the balls there securely.
  • the two bearing shells and their surrounding areas are chamfered or rounded in such a concave manner that the balls always roll towards the center when the bearing shells are pulled apart.
  • the captivity of the balls is also achieved in the case of detachable bearings with a simplified structure, in that an axially oriented magnetized permanent magnet is arranged in or under the lower or in or above the upper bearing shell and the balls are made of a magnetically permeable material, e.g. Steel.
  • one of the bearing bodies in the axle or shaft end surrounding it out of a stop seat To arrange the bearing direction axially displaceably and to hold it against the counter bearing in a spring-loaded manner, the spring support force being less than the load that usually occurs, as a result of which the bearing shells hold the ball by the spring force when the bearing, for example during transport, is relieved, the shaft end with its undercut finding a stop and hold on the annular stop of the axle end.
  • the spring loading ensures that the balls do not exit into the side gap.
  • Fig. 1 shows a first embodiment of the bearing axially sectioned
  • Fig. 2 shows a section II-II
  • Fig. 3 shows a second embodiment axially sectioned
  • Fig. 4 shows a three-ball bearing open in supervision
  • Fig. 5 shows a six-ball bearing opened in plan with a cylinder spacer
  • Fig. 7 shows a six-ball bearing opened in supervision with polygon spacer
  • Fig. 8 shows an embodiment with a holding magnet axially cut
  • Fig. 9 shows an embodiment with a retaining spring axially cut.
  • Figure 1 shows an axial section of a spherical front bearing with two balls (1, 2). These balls are between two bearing shells (Ll, L2), which are dome-shaped are arranged.
  • the bearing shells (L1, L2) are placed in flat cylindrical bearing bodies (10, 20), which are made of agate or another hard bearing material, for example.
  • the surfaces of the bearing shells (Ll, L2) are very finely polished to minimize friction.
  • the cylindrical bearing bodies (10, 20) are inserted on the end face into the lower fixed axis (11) or, on the other hand, into the upper rotatable and oscillatable shaft (12).
  • the axis is wrapped around the bearing like a jacket, with a gap (16) left to the shaft head (12) so that the bearing can deflect if a transverse force occurs or if a pendulum movement is necessary.
  • This gap (16) extends vertically in the area of the casing (15) and is then rounded off to the gap between the two bearing bodies (10, 20).
  • the width of the gap (16) is less than a radius of the sphere, so that the balls (1, 2) cannot escape therethrough.
  • the jacket (15) with an annular retracted area (17) behind an undercut (19) of the shaft shaft is advantageously folded over, so that the bearing cannot be completely pulled apart when the shaft is pulled up, but the ring-shaped shoulder (17) holds the shaft with its shoulder (21) and the balls (1, 2) cannot be lost. Above the undercut (19) there is sufficient play through a gap (18) so that the wave head (12) can swing freely in a larger area.
  • the load (P) runs in the direction of the central axis (M) of the static axis (11) and the shaft axis (MW), however Deviations tolerated to a certain extent by the balls (1, 2) dodging sideways and / or, depending on the type of deviation, the shaft head (12) pivoting.
  • Figure 2 shows a section II-II in the horizontal direction through the bearing.
  • the axis (11) is partially cut and the bearing body (10) with the finished bearing shell (L1) is arranged in the center.
  • the two bearing balls (1, 2) are freely rotatable in this.
  • Figure 3 shows a further embodiment of the spherical front bearing in a greatly enlarged form.
  • the fixed axle shaft (13) is dome-shaped on the end face to the bearing shell (Ll). It is provided that in the area of the central axis (M) the bearing shell radius (Rl) is larger than the bearing shell radius (Rl *) of the edge area. These radii are much larger than the radius (RK) or the diameter (2RK) of the balls (1, 2).
  • the shaft head (14) is likewise designed directly as a bearing shell (L2), the radius of curvature (R2) in the region of the central axis (MW) of the shaft also being greater here than the radius of curvature (R2 *) in the edge region.
  • the bearing shells (L1, L2) can be sections of ellipsoids of revolution.
  • the shaft head (14) is guided laterally as a jacket (15) around the bearing, which is continued in a hollow shaft (30) which carries, for example, a measuring disc or a compass plate or the like at the lower end.
  • the weight load which ultimately runs through the center of gravity of the pivotally and rotatably suspended arrangement, is usually congruent in its direction with that Central axis (MW) of the wave and characterized in the image by the arrow symbol with the designation (P). If a transverse force (Q) occurs on the bearing, the shaft (30), along with the balls (1, 2), dodges sideways until a corresponding equilibrium is created by the resulting component of the reaction force of the load (P) on the inclined connecting line of the ball support points arises on the bearing shell (Ll). So that evasion is possible, there is a free space (16) between the hollow shaft (30) and the static axis (13), since the inside diameter of the shaft (30) is larger than the axis diameter (Dl).
  • the shaft head (14) rotates until the center of gravity is parallel to the central axis (M) of the fixed shaft (13) or in the central axis (M) lies if there is no shear force.
  • the radii (R2, R2 *) of the upper bearing shell (L2) are smaller than the radii of the lower bearing shell (Ll).
  • Figure 4 shows an arrangement of three balls of the same size (1, 2, 3) in the bearing shell (L1) in supervision of the end of the fixed axis.
  • Figure 5 shows the bearing shells (L1, L2) in vertical section of a bearing with six balls (1, 2, 3, 6).
  • a cylinder body (7) In the middle between the balls is a cylinder body (7), which is rounded at the top and bottom so that it only touches the bearing shell (L1) in a punctiform manner.
  • the radii of curvature of the bearing shells (Ll, L2) are shown greatly exaggerated.
  • the two front balls are not visible in the cut.
  • the bearing which is shown vertically in FIG. 5 is shown in FIG. 6 without the upper bearing shell in supervision.
  • the middle cylinder (7) has a slightly larger diameter than the bearing balls (1-6) and thus acts as a spacer between them. With this arrangement there is no defined division of the distances between the individual balls (1-6), so that individual points of friction can occur between these balls.
  • Figure 7 shows an arrangement of six balls (1 - 6) around a polygonal spacer (8), which ensures that a minimally defined gap remains between the individual balls, and thus only in the bearing shells (L1, L2) and each Friction and / or roll points occur between the balls (1 - 6) and the adjacent polygon surface.
  • Fig. 8 shows an axial section of a spherical front bearing with two balls (1, 2) similar to that shown in Fig.l.
  • a small permanent magnet (PM) is arranged under the lower bearing shell (Ll), which is pressed, for example, from ceramic as a round plate and is axially magnetized.
  • the axis of the shaft is placed around the bearing in a sleeve-like manner, a gap (16) being left in relation to the shaft head (12), so that the bearing can deflect when a transverse force occurs or when a pendulum movement is necessary.
  • This cylindrical gap (16) extends vertically in the area of the sleeve (15) and is rounded off at the bottom to the gap between the two bearing bodies (10, 20).
  • the height of the sleeve is for example 2 to 3 times the bearing diameter. Since the gap (16) can be wider than the ball diameter; because the balls do not fall out because of the magnetic force; there is sufficient freedom of inclination and misalignment of the shaft even with a relatively high sleeve (15). Since support arms (T) lead downwards from the shaft (12), a cap (K) can be provided on the top, which counteracts dusting of the bearing.
  • Fig. 9 shows an advantageous variant of Fig. 1.
  • a spring sleeve (FB) with a prestressed compression spring (F) is screwed axially from below in the axis (11), so that the bearing body (10 *) in the direction of applied to the counter bearing. Since the spring force is less than the usually occurring shaft load (P), the bearing body (10 *), which is held axially displaceably in the axle end, finds a lower stop seat (AS). If the shaft (12) is relieved, e.g. during transport, the undercut (19) holds it against the spring force at the annular stop (17).
  • the spring preload can be adjusted by adjusting the spring bushing axially (FB) so that it ate slightly less than the shaft load (P) is.

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Abstract

Pendelstirnlager mit einer oberen und einer unteren jeweils konkaven und rotationssymmetrischen Lagerschale (L1, L2) zwischen denen mindestens zwei Kugeln (1-6) angeordnet sind und wobei die Krümmungsradien (R1, R2; R1*, R2*) der Lagerschalen (L1, L2) in den durch die Mittelachse (M) verlaufenden radialen Ebenen im Kugellaufbereich mindestens dem 2,4-fachen der Kugelradien (RK) entsprechen.

Description

Pendelstirnlager
Die Erfindung betrifft ein Pendelstirnlager mit einer oberen und einer unteren jeweils konkaven und rotationssymmetrischen Lagerschale, zwischen denen eine Kugel angeordnet ist, und wobei die Krümmungssradien der Lagerschalen in den durch die Mittelachse verlaufenden radialen Ebenen im Kugellaufbereich mindestens dem 2,4- fachen der Kugelradien entsprechen.
Ein derartiges Lager ist aus der DE-PS 749 856 bekannt, bei dem eine Kugel oder ein tonnenformiger Lagerkörper auf einem weiteren Lagerkörper angeordnet ist, der obenseitig einen größeren Krümmungsradius aufweisend konkav oder planar und untenseitig konvex ausgebildt ist, so daß jeweils drei Drehpunkte in Richtung der Drehachse übereinander liegen.
Insbesondere Kompaßnadeln, Meßscheiben, Zählermeßscheiben, Mobiles und feinmechanische Geräteteile werden leichtgängig drehbar und pendelbar auf einer stehenden Achse stirnseitig durch die Anordnung einer Kugel zwischen zwei konkaven Lagerschalen gelagert. Zur Erreichung einer geringen Reibung wird die Kugel mit möglichst geringem Durchmesser angebildet. Hierdurch ergibt sich eine sehr hohe Druckbelastung in den Berührungspunkten der Kugel und der Lagerschalen, wodurch nach häufiger und langer Drehbelastung die Lagerpunkte verschleißen und die Reibung drastisch ansteigt, obwohl möglichst harte und glatte Materialien für die Lagerschalen und die Kugel verwandt werden. Auch führen axiale Stoßbelastungen leicht zu einer Zerstörung der Lagerpunkte. Insbesondere der feste untere Lagerpunkt ist äußerst gefährdet. Auch sammeln sich dort Staub- und Schmelzpartikel, die schmiergelnd und zerstörend auf dem Lagerpunkt wirken. Auch die bekannten Spitzenlager weisen durch die Hohe Druckbelastung im lagerpunkt nur beschränkte Lebensdauer auf, und sie eignen sich nur für sehr geringe Lasten und Drehzahlen.
Weiterhin ist aus der DE-PS 642 015 ein Lager bekannt, das ein beschränktes Pendeln der Achse zuläßt, das mehrere Kugeln enthält, die einerseits in einer konkaven Schale mit nach außen progressiver Krümmung liegen und andererseits in einem achsseitig konkav ausgebildeten Ringraumquadraten geführt sind, dessen Lagerfläche die Kugeln divergierend, also nach außen drückt. Der achsseitige Innenlagerring ist aus federelastischem Material hergestellt, was zu erhöhter Reibung führt.
Es ist Aufgabe der Erfindung, das bekannte Pendelstirnlager bei geringer Reibung in seiner Belastbarkeit und Lebensdauer entscheidend zu verbessern.
Die Lösung der Aufgabe besteht darin, daß mindestens zwei Kugeln zwischen den Lagerschalen angeordnet sind, von denen jede Kugel beide Lagerschalen an deren konkav ausgebildeter Oberfläche berührt, und der gegenseitige Abstand der Lagerschalen, gemessen parallel zur Mittelachse, im Durchstoßpunkt der Mittelachse durch die Lagerschalen am größten ist.
Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Eine äußerst bevorzugte Ausführung weist nur zwei Kugeln auf. Diese haben linienförmige Bahnen, wodurch ein ständiges Mahlen auf einem Punkt und somit dessen Abnutzung ausgeschlossen ist. Weiterhin verteilt sich die Axiallast des Lagers stets gleichmäßig auf die zwei kugeln, wodurch diese in ihrem Querschnitt halbiert werden könne, wenn der gleich Lagerdruck zugelassen ist.
Die beiden Kugeln unterliegen bei einer Lagerdrehung in Berührungspunkten zu den kalottenförmigen Lagerschalen im wesentlichen sehr geringer rollender Reibung. Hinzu kommt jedoch eine drehende, über die Kugeloberflächen sich ständig linienförmig verlagernde Reibung der Kugeloberflächen aneinander. Auch hier tritt kein punktueller Verschleiß auf; sondern die ständige Verlagerung der Berührungspunkte sowohl auf den Kugeln als auch in den lagerschalen führt zu einer permanenten Nachglättung. Außerdem ist die Berührungskraft der Kugeln gegeneinander bei dem angegebenen geringsten Krümmungsradius der beiden Laufbahnen in der Achsialebene vom 2,4-fachen des Kugelradius gerade gleich der Achsiallagerlast. Zur Verringerung der Reibung der Kugeln aneinander wird deshalb vorteilhaft die stützende Querkraft zwischen den Kugeln dadurch verringert, daß die Lagerschalenkrümmungen in der Achsialebene möglichst größer als die genannte maximale Krümmung gewählt werden, das zweckmäßige Größtmaß der Krümmungsradien ist nach den jeweiligen Verhältnissen zu bestimmen.
Der zweckmäßige Krümmungsradius der unteren statischen Lagerschale hängt von der zu erwartenden maximal aufretenden Querkraft auf, die auf das Lager einwirkt, sowie von dem dabei zulässigen Versatz der Achsen der Stützachse und der drehbaren Welle. Die bei dem maximalen Versatz gegebene Verbindungslinie der beiden Kugellagerberührungspunkte in der Lagerschale liegt senkrecht zur Resultierenden aus der Lagerachsialkraft und der Querkraft. Der Schnittpunkt der Resultierenden, die vom Mittelpunkt zwischen den Kugellagerberührungspunkten ausgeht, trifft die Lagerachsen-Mittelachse im Mittelpunkt des Krümmungskreises des Lagerschale.
Ein zweckmäßiger Krümmungsradius der oberen Lagerschale ergibt sich aus einer maximal zu erwartenden Neigung der Wellenkopfachse gegen die Lastachse, wobei die Lagerschalen sowie die Achse zur Welle noch berührungsfrei bleiben müssen. Hierbei sind auch etwa auftretende dynamische Pendelbewegungen zu berücksichtigen. Die Lastachse verläuft bei reiner Schwerebelastung vom Schwerpunkt zum Lagermittelpunkt.
Es sind nach den vorstehenden Dimensionierungsregeln häufig unterschiedliche Lagesschalenradien optimal vorzugsehen. Die Kugelberührungskräfte, die sich aus den beiden Lagerschalenkrümmungen ergeben addieren sich, und i.a. lassen sich die Radien 5- bis 20-fach so groß wie der Kugelradius wählen, so daß relativ zur Rollreibung nur äußerst geringe Reibungsverluste durch die Kugelreibung der Kugeln aneinander auftreten.
Die Lagermaterialien werden zweckmäßig je nach der Anwendung aus bekannten reibungsarmen Paarungen, z.B. Stahl mit Achat oder Rubin oder Stahl auf Stahl oder Glas auf Achat oder für sehr hohe Lasten Siliziumnitrid auf Rubin oder Stahl, auswählen. Selbstverständlich sind die Oberflächen gut zu polieren, um geringe Reibungen zuerreichen. In Stahl läßt sich die Lagerkalotte mittels eine Kugel leicht einprägen oder drücken, und Stahlkugeln hinzugenommen ergibt ein äußerst preiswertes hochwertiges Stirnlager für Artikel des täglichen Bedarfs. Selbst für Lasten von 1 kg genügen zwei Stahlkugeln von 1 mm Durchmesser, so daß das ganze Lager nur kleine Abmessungen hat. Für Meßgeräte, insbesondere Gas, Wasser- und Elektrizitätszählerrotore, ergeben sich wegen der geringeren Reibung der Lager und der hohen Standfestigkeit ganz neue Dimensionierungsaspekte und Gerätegualitäten. Hierfür können aus Achat oder Rubin geschliffene Kalotten genutzt werden.
Die vorstehenden vorteilhaften Eigenschaften lassen sich annähernd auch mit mehr als zwei Kugeln erreichen, und die Dimensionierungen lassen sich, entsprechend der Lastverteilung und den geometrischen Verhältnissen abgewandelt, auf solche Lager übertragen. Es ist jedoch grundsätzlich so, daß mehr Kugeln bei sonst gleichartigen Bedingungen stets mehr Reibungssverluste bringen. Auch ist nur bei bis zu drei Kugeln eine definiert gleiche Lastverteilung auf diese gegeben, bei vier und mehr Kugeln ist mit einer wechselnden Lastverlagerung bei Lagerbewegungen zu rechnen, wobei jeweils im ungünstigsten Fall nur zwei Kugeln tragen und demgemäß die Kugeln nicht kleiner als für 1/2 der Achslast zu dimensionieren sind.
Aus diesem Grunde ist es vorteilhaft, solche Lager, die drei, insbesondere vier und mehr Kugeln aufweisen, durch einen zentralen Abstandshalter, der vorzugsweise Zylinder¬ oder Polygonform hat, zueinander definiert zu lokalisieren und deren gegenseitige Reibung zu verhindern, indem nur am Abstandshalter Stützpunkte, in denen Reibungsverluste entstehen, durch eine entsprechende
Querschnittsdimensionierung des Abstandhalters geboten werden. Es ist zweckmäßig um einen ganz geringen Abstand der Kugeln voneinander herbeizuführen. Auf diese Weise läßt sich eine weitgehende Lastverteilung zwischen den Kugeln erreichen, und dementsprechend sind diese zu dimensionieren.
Der Abstandshalter ist zweckmäßig etwas niedriger als der Abstand der Lagerschalen, also etwa dem Kugeldurchmesser entsprechend. Die Enden des Abstandshalters sind abgerundet, damit die Drehung derselben bei Berührung mit einer Lagerschale leichtgängig ist. Wird ein Zylinder als Abstandshalter genutzt, so ist dieser in der Lage, reibungsmindernd eine Ausgleichsdrehung auszuführen; eine der Kugeln aneinander läßt sich jedoch damit nicht verhindern; da die Berührung jedoch praktisch kraftlos ist, tritt dort nur sehr geringe Reibung auf, wenn die Welle gedreht wird.
Das Lager wird zweckmäßig mit einer Muffe mit Spiel für das Pendeln und ggf. einen Versatz beabstandet umgeben, die an der Achse oder dem Wellenkopf angeordnet ist. Das Spiel ist zweckmäßig kleiner als der Kugelradius, so daß die Kugeln bei einer Ablenkung der Welle nicht herausfallen können. Falls das Lager außer Betrieb, z.B. beim Transport, auch auseinandergezogen werden kann, so wird die Muffe zweckmäßig mit einem Sperring versehen, der mit Spiel hinter einen Kragen oder in eine Nut andererseits eingreift und so ein Auseinanderziehen verhindert und die Kugeln dort sicher hält. Die beiden Lagerschalen und deren umgebenden Bereiche sind derartig konkav abgeschrägt oder abgerundet ausgebildet, daß die Kugeln beim Auseinanderziehen der Lagerschalen stets zur Mitte rollen.
Insbesondere bei solchen Lagern, die im Alltagsgebrauch eingesetzt sind, z.B. bei Mobiles mit Aufwindbetrieb, deren Schwerpunktlage und Seitenkraftbelastung schwer vorhersehbar ist, ist es vorteilhaft, die Lagerschalen von der Achse zur Seite hin stetig progressiv zu krümmen. Hierdurch wird bei erhöhter exzentrischer Last und/oder hoher Querkraft eine ausreichende Zentrierung auf Kosten zunehmender Reibung erreicht.
In einer weiteren Ausführung wird die Unverlierbarkeit der Kugeln auch bei auseinandernehmbaren Lagern bei vereinfachtem Aufbau zu erbracht, indem in oder unter der unteren oder in oder über der oberen Lagerschale ein axial orientiert magnetisierter Permanentmagnet angeordnet ist und die Kugeln aus einem magnetisch permeablen Material, z.B. Stahl, bestehen.
Es hat sich als zweckmäßig erwiesen, den Permanentmagneten unter der unteren Lagerschale anzuordnen sowie dieses Lager mit einer zylindrischen Muffe zu umgeben. Auf diese Weise kann auf einen Kragen an der Welle, eine Umbördelung der Muffe sowie einen Sperring verzichtet werden, da der Magnet bei einer Trennung des Lagers die Kugeln fest hält und bei einer Stoßbelastung die Muffe die Kugeln am Herausspringen hindert und sie vom Magneten hinein- und zurückgezogen werden. Auch die Halterung der oberen Lagerschale ist vereinfacht, da sie nur aus einem zylindrischen Stift als die Welle besteht, der reichlich Spiel zur Muffe haben kann, da die Kugeln wegen der Magnetkraft durch den Spalt nicht austreten. Auch bei relativ hohen Muffenwänden ergibt sich deshalb ein großer Pendelwinkel des Wellenstiftes.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführung ist es vorgesehen, einer der Lagerkörper in dem ihn umgebenden Achs- oder Wellenende aus einem Anschlagsitz heraus in Lagerrichtung axial verschieblich anzuordnen und federbelastet gegen das Gegenlager zu halten, wobei die Federstützkraft geringer als die Last ist, die gewöhnlich auftritt, dadurch tritt eine die Kugeln haltende Zuhaltung der Lagerschalen jeweils dann durch die Federkraft auf, wenn das Lager, z.B. bei einem Transport, entlastet wird, wobei das Wellenende mit seiner Hinterschneidung an dem ringförmigen Anschlag des Achsendes einen Anschlag und Halt findet. Durch die Federbelastung wird sichergestellt, daß die Kugeln nicht in den seitlichen Spalt austreten.
Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Figuren 1 bis 9 gezeigt.
Fig. 1 zeigt eine erste Ausführung des Lager axial geschnitten;
Fig. 2 zeigt einen Schnitt II-II;
Fig. 3 zeigt eine zweite Ausführung axial geschnitten;
Fig. 4 zeigt eine Dreikugellagerung geöffnet in Aufsicht;
Fig. 5 zeigt ein Sechskugellager geöffnet in Aufsicht mit Zylinderabstandshalter;
Fig. 7 zeigt ein Sechskugellager geöffnet in Aufsicht mit Polygonabstandhalter;
Fig. 8 zeigt eine Ausführung mit einem Haltemagneten axial geschnitten;
Fig. 9 zeigt eine Ausführung mit Haltefeder axial geschnitten.
Figur 1 zeigt einen Axialschnitt eines Pendelstirnlagers mit zwei Kugeln (1, 2). Diese Kugeln sind zwischen zwei Lagerschalen (Ll, L2) , die kalottenförmig geschliffen sind, angeordnet. Die Lagerschalen (Ll, L2) sind in flachzylindrische Lagerkörper (10, 20) eingebracht, die beispielsweise aus Achat oder einem anderen harten Lagerwerkstoff bestehen. Die Oberflächen der Lagerschalen (Ll, L2) sind hochfein poliert, um möglichst geringe Reibung zu erbringen. Die zylindrischen Lagerkörper (10, 20) sind stirnseitig in die untere feststehende Achse (11) bzw. andererseits in die obere dreh- und pendelbare Welle (12) eingesetzt.
Die Achse ist randseitig mantelartig um das Lager herumgelegt wobei zu dem Wellenkopf (12) ein Spalt (16) gelassen ist, damit das Lager bei einer auftretenden Querkraft oder bei der Notwendigkeit einer Pendelbewegung ausweichen kann. Dieser Spalt (16) verläuft im Bereich des Mantels (15) vertikal und ist dann abgerundet auf den Spalt zwischen den beiden Lagerkörpern (10, 20) weitergeführt. Die Weite des Spaltes (16) ist geringer als ein Kugelradius, so daß die Kugeln (1, 2) dorthindurch nicht ausweichen können. Vorteilhaft ist der Mantel (15) mit einem ringförmigen eingezogenen Bereich (17) hinter eine Hinterschneidung (19) des Wellenschaftes umgelegt, so daß das Lager, wenn die Welle nach oben hochgezogen wird, nicht völlig auseinander gezogen werden kann, sondern der ringförmig umgelegte Ansatz (17) die Welle mit ihrem Absatz (21) festhält und die Kugeln (1, 2) nicht verloren gehen können. Auch oberhalb der Hinterschneidung (19) ist ausreichend Spiel durch einen Spalte (18) gegeben, so daß der Wellenkopf (12) in einem größeren Bereich frei pendeln kann.
Grundsätzlich ist es vorgesehen, daß die Last (P) in Richtung der zentralen Achse (M) der statischen Achse (11) und der Wellenachse (MW) veläuft, jedoch werden Abweichungen bis zu einem gewissen Grad toleriert, indem die Kugeln (1, 2) seitlich ausweichen und/oder, je nach der Art der Abweichung, der Wellenkopf (12) sich verschwenkt.
Figur 2 zeigt einen Schnitt II-II in horizontaler Richtung durch das Lager. Die Achse (11) ist teilweise geschnitten, und mittig ist der Lagerkörper (10) mit der ausgearbeiteten Lagerschale (Ll) angeordnet. In dieser liegen die beiden Lagerkugeln (1, 2) frei drehbar.
Figur 3 zeigt eine weitere Ausführung des Pendelstirnlagers in stark vergrößerter Form. Der feststehende Achsschaft (13) ist stirnseitig kalottenförmig ausgearbeitet zur Lagerschale (Ll). Hierbei ist es vorgesehen, daß im Bereich der Mittelachse (M) der Lagerschalenradius (Rl) größer ist als der Lagerschalenradius (Rl*) des Randbereiches. Diese Radien sind wesentlich größer als der Radius (RK) bzw. der Durchmesser (2RK) der Kugeln (1, 2).
Der Wellenkopf (14) ist ebenfalls unmittelbar als Lagerschale (L2) ausgebildet, wobei auch hier der Krümmungsradius (R2) im Bereich der Mittelachse (MW) der Welle größer ist als der Krümmungsradius (R2*) im Randbereich. Beispielsweise können die Lagerschalen (Ll, L2) Abschnitte von Rotationsellipsoiden sein.
Der Wellenkopf (14) ist seitlich als Mantel (15) um das Lager herumgeführt, welcher sich in einer Hohlwelle (30) fortsetzt, die am unteren Ende beispielsweise eine Meßscheibe oder eine Kompaßplatte oder dergleichen trägt. Die Schwerelast, die letztlich durch den Schwerpunkt der schwenkbar und drehbar aufgehängten Anordnung verläuft, ist in ihrer Richtung gewöhnlich deckungsgleich mit der Mittelachse (MW) der Welle und im Bild durch das Pfeilsymbol mit der Bezeichnung (P) charakterisiert. Tritt eine Querkraft (Q) auf das Lager auf, so weicht die Welle (30) zusammen mit den Kugeln (1, 2) seitlich aus bis ein entsprechendes Gleichgewicht durch die resultierende Komponente der Reaktionskraft der Last (P) an der geneigten Verbindungslinie der Kugelauflagepunkte auf der Lagerschale (Ll) entsteht. Damit das Ausweichen möglich wird, befindet sich zwischen der Hohlwelle (30) und der statischen Achse (13) der freie Zwischenraum (16), da der Innendurchmesser der Welle (30) größer als der Achsdurchmesser (Dl) ist.
Liegt der Schwerpunkt der Wellenlast (P) nicht direkt auf der Mittelachse (MW) der Welle (30), so verdreht sich der Wellenkopf (14) bis die Schwereachse parallel der Mittelachse (M) des feststehenden Achseschaftes (13) liegt oder in der Mittelachse (M) liegt, sofern keine Querkraft vorhanden ist. Im Beispiel sind die Radien (R2, R2*) der oberen Lagerschale (L2) kleiner als die Radien der unteren Lagerschale (Ll).
Figur 4 zeigt eine Anordnung von drei gleich großen Kugeln (1, 2, 3) in der Lagerschale (Ll) in Aufsicht auf das Ende der feststehenden Achse.
Figur 5 zeigt die Lagerschalen (Ll, L2) im Vertikalschnitt von einem Lager mit sechs Kugeln (1, 2, 3, 6) . Mittig zwischen den Kugeln liegt ein Zylinderkörper (7), welcher oben- und untenseitig ballig abgerundet ist, damit er die Lagerschale (Ll) nur punktförmig berührt. Die Krümmungsradien der Lagerschalen (Ll, L2) sind stark überhöht dargestellt. Die beiden vorderen Kugeln sind in dem Schnitt nicht sichtbar. Das Lager welches in Figur 5 vertikal gezeigt ist, zeigt Figur 6 ohne die obere Lagerschale in Aufsicht. Man erkennt, daß der mittlere Zylinder (7) einen etwas größeren Durchmesser als die Lagerkugeln (1 - 6) hat und dadurch als Abstandshalter zwischen diesen fungiert. Bei dieser Anordnung ergibt sich keine definierte Aufteilung der Abstände zwischen den einzelnen Kugeln (1 - 6), so daß einzelne Reibungspunkte zwischen diesen Kugeln auftreten können.
Figur 7 zeigt eine Anordnung von sechs Kugeln (1 - 6) um einen polygonen Abstandshalter (8), welcher dafür sorgt, daß zwischen den einzelnen Kugeln jeweils ein minimaler definierter Spalt verbleibt, und somit nur in den Lagerschalen (Ll, L2) und jeweils zwischen den Kugeln (1 - 6) und der benachbarten Polygonfläche Reibungs- und/oder Rollpunkte auftreten.
Fig. 8 zeigt einen Axialschnitt eines Pendelstirnlagers mit zwei Kugeln (1, 2)ähnlich dem in Fig.l gezeigten. Um das Herausfallen der Kugeln bei demontiertem Lager zu verhindern, ist unter der unteren Lagerschale (Ll) ein kleiner Permanentmagnet (PM) angeordnet, der beispielsweise aus Keramik als ein rundes Plättchen gepreßt ist und axial magnetisiert ist.
Die Achse ist randseitig muffenartig um das Lager herumgelegt, wobei zu dem Wellenkopf (12) ein Spalt (16) gelassen ist, damit das Lager bei einer auftretenden Querkraft oder bei der Notwendigkeit einer Pendelbewegung ausweichen kann. Dieser zylinderförmige Spalt (16) verläuft im Bereich der Muffe (15) vertikal und ist unten abgerundet auf den Spalt zwischen den beiden Lagerkörpern (10, 20) weitergeführt. Die Höhe der Muffe beträgt beispielsweise das 2- bis 3-fache des Lagerdurchmessers. Da der Spalt (16) weiter als der Kugeldurchmesser sein kann; denn die Kugeln fallen wegen der Magnetkraft nicht heraus; ist auch bei relativ hoher Muffe (15) eine ausreichende Neigungs- und Versatzfreiheit der Welle gegeben. Da von der Welle (12) aus Tragarme (T) nach unten führen, kann obenseitig eine Kappe (K) vorgesehen werden, die einem Verstauben des Lagers entgegenwirkt.
Fig. 9 zeigt eine vorteilhafte Variante zu Fig. 1. Bei dieser ist in der Achse (11) eine Federbüchse (FB) mit einer vorgespannten Druckfeder (F) axial von unten eingeschraubt, so daß diese den Lagerkörper (10*) in Richtung auf das Gegenlager beaufschlagt. Da die Federkraft geringer als die gewöhnlich auftretende Wellenlast (P) ist, findet der Lagerkörper (10*), der axialverschieblich in dem Achsende gehalten ist, einen unteren Anschlagsitz (AS). ird die Welle (12) entlastet, z.B. bei einem Transport, so findet diese mit der hinterschneidung (19) ihren Halt gegen die Federkraft an dem ringförmigen Anschlag (17) Die Federvorspannung läßt sich durch die axiale schraubeneinstellung der Federbüchse (FB) so einstellend aß sie etwas geringer als die Wellenlast (P) ist.

Claims

Patentansprüche
1. Pendelstirnlager mit einer oberen und einer unteren jeweils konkaven und rotationssymmetrischen Lagerschale (Ll, L2), zwischen denen eine Kugel (1) angeordnet ist, und wobei die Krümmungssradien (Rl, R2; Rl*, R2*) der Lagerschalen (Ll, L2) in den durch die Mittelachse (M) verlaufenden radialen Ebenen im Kugellaufbereich mindestens dem 2,4-fachen der Kugelradien (RK) entsprechen, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei Kugeln (1, 2) zwischen den Lagerschalen (Ll, L2) angeordnet sind, von denen jede Kugel beide Lagerschalen (Ll, L2) an deren konkav ausgebildeter Oberfläche berührt, und der gegenseitige Abstand der Lagerschalen (Ll, L2), gemessen parallel zur Mittelachse (11), im Durchstoßpunkt der Mittelachse (n) durch die Lagerschalen (Ll, L2) am größten ist.
2. Pendelstirnlager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei gleiche Kugeln (1, 2) zwischen den Lagerschalen (Ll, L2) angeordnet sind.
3. Pendelstirnlager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß drei gleiche Kugeln (1, 2, 3) zwischen den Lagerschalen (Ll, L2) angeordnet sind.
4. Pendelstirnlager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß drei, vier, fünf oder sechs gleiche Kugeln (1 - 6) zwischen den Lagerschalen (Ll, L2) angeordnet sind und mittig zwischen diesen ein Abstandhaltezylinder (7) mit etwa vertikaler Achse lose angeordnet ist, dessen Höhe etwa dem Kugeldurchmesser (2RK) entspricht und dessen Durchmesser so groß gewählt ist, daß zwischen den umliegenden Kugeln ein geringer Abstand liegt.
5. Pendelstirnlager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß drei, vier, fünf oder sechs gleiche Kugeln (1 - 6) zwischen den Lagerschalen (Ll, L2) angeordnet sind und mittig zwischen diesen ein horizontal entsprechend der Kugelzahl polygonaler und vertikal säulenartiger Kugelabstandshalter (8) mit balliger Deck- und Bodenseite lose angeordnet ist, dessen Höhe etwa dem Kugeldurchmesser (2RK) entspricht..
6. Pendelstirnlager nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Krümmungsradien
(Rl, R2; Rl*, R2*) der Lagerschalen (Ll, L2) in den durch die Mittelachse (M) verlaufenden radialen Ebenen, dem
3- bis 15-fachen der Kugelradien (RK) entsprechen.
7. Pendelstirnlager nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine der Lagerschalen (Ll, L2) im Bereich der Mittelachse (M) in den durch die Mittelachse (M) verlaufenden radialen Ebenen einen von einem mittig größten Krümmungsradius (Rl, R2) seitlich fortschreitend stetig abnehmenden Krümmungsradius (Rl*, R2*) aufweist.
8. Pendelstirnlager nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Lagerschalen (Ll, L2) und die Kugeln (1 - 6) und ggf. der Abstandshalter (7, 8) verwendungsabhängig in geeigneter Materialpaarung aus Rubin, Achat, Stahl, Glas, Siliziumnitrid oder ähnlichen Lagermaterialien ausgewählt zusammengestellt sind.
9. Pendelstirnlager nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die kalottenförmigen Profile der Lagerschalen (Ll, L2) in Zylinderkörper (10, 20) eingebracht sind, die jeweils in eine untere Achse (11) bzw. einen oberen Wellenkopf (12) eingelassen sind, in deren die Lagerschalen (Ll, L2) umgebenden Bereichen deren konkave Krümmung fortgeführt ist.
10. Pendelstirnlager nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die kalottenförmigen Profile der Lagerschalen (Ll, L2) stirnseitig in eine untere Achse (13) und/oder einen oberen Wellenkopf (14) eingearbeitet sind.
11. Pendelstirnlager nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Achse (11) oder der Wellenkopf
(14) zumindest im Lagerbereich einen kleineren Durchmesser (Dl) als der andererseits angeordnete Wellenkopf (12) oder die Achse (13) hat und daß daran stirnseitig eine Muffe
(15) angesetzt oder angearbeitet ist, die ringsum einen Pendelspalt (16) zur jeweils dünneren Welle (12) oder Achse (13) beläßt.
12. Pendelstirnlager nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Muffe (15) mit einem eingezogenen Rand (17) axial und radial einen Pendelfreiraum (18) belassend eine Hinterschneidung (19) eines Kragens (21) oder einer Nutwandung hintergreift, wobei die Weite des Pendelfreiraumes (18) bei einem äußersten Versatz von der Achse (11, 13) zum Wellenkopf (12, 14) enger als der Kugeldurchmesser (2RK) ist.
13. Pendelstirnlager nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß an den Wellenkopf (12) eine Hohlwelle (30) nach unten gerichtet, das Lager muffenartig umgebend, angesetzt ist, die die Achse (11) mit einem Abstand umgibt, der größer als Kugelradius (RK) ist.
14. Pendelstirnlager nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Achse (11) einen wesentlich größeren Kalottenradius (Rl) als der Wellenkopf (12) aufweist.
15. Pendelstirnlager, nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der minimale Kalottenradius (Rl) der Achse (13) bei gegebener Axiallast (P) gemäß einer maximalen auf den Wellenkopf (14) auftreffenden Seitenkraft und eines zulässigen maximalen Achsversatzes zwischen der Mittelachse (M) der Achse (13) und der Wellenkopfachse (MW) zentrierend ausgelegt ist und der minimale Kalottenradius (R2) des Wellenkopfes (14) gemäß einer Abweichung der Lastachse der Axiallast (P) zu der Mittelachse (MW) des Wellenkopfes zur Belassung eines minimalen Restabstandes zwischen der Hohlwelle (30) und der Achse (13) ausgelegt ist.
16. Pendelstirnlager nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß einer der Lagerkörper (10*) in der Achse (11) aus einem Anschlagsitz (AS) heraus in Richtung auf das Gegenlager axial verschieblich gelagert ist und durch eine Druckfeder (F) gegen die axiale Lagerkraft (P) mit einer Federvorspannung belastet ist, die geringer ist als die Lagerkraft (P) gewöhnlich ist.
17. Pendelstirnlager nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Feder (F) in einer axial schraubverstellbaren Federbüchse (FB) in der Achse (11) gehalten ist.
18. Pendelstirnlager nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in oder unter der unteren oder in oder über der oberen Lagerschale (Ll, L2) ein axial orientiert magnetisierter Permanentmagnet (PM) angeordnet ist und die Kugeln (1, 2) aus einem magnetisch permeablen Material, z. B. Stahl, bestehen.
19. Pendelstirnlager nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß der Permanentmagnet (PM) in oder unter der unteren Lagerschale (Ll) angeordnet ist.
20. Pendelstirnlager nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Lagerschale (Ll, L2) selbst der Permanentmagnet ist und aus Magnetstahl besteht.
21. Pendelstirnlager nach Anspruch 18 oder 19, dadurch 21ekennzeichnet, daß der Permanentmagnet (PM) eine aus Magnetkeramik gesinterte Scheibe ist.
22. Pendelstirnlager nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Achse (11) sich als eine zylindrische Muffe (15), das Lager umgebend nach oben erstreckt, und die Höhe der Muffe (15) ein mehrfaches des Lagerdurchmessers beträgt.
23. Pendelstirnlager nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Spalt (16) zwischen der Muffe (15) und der zylindrischen Welle (12) größer als der Kugeldurchmesser der Lagerkugeln (1, 2) ist.
24. Pendelstirnlager nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es obenendig ein Staubschutzkappe (K) trägt.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE83117C (de) *
GB601503A (en) * 1944-10-18 1948-05-06 Landis & Gyr Sa Improvements in bottom bearings for sensitive metering apparatus, such as electricity meters
FR1129445A (fr) * 1952-01-29 1957-01-21 Saphirwerk Nidau G Barth Vuill Palier à billes, notamment pour appareils de précision

Patent Citations (3)

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