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Kugellagerdrehverbindung, insbesondere für das Schwenkwerk eines
Baggers, Krans od. dgl.
Die Erfindung bezieht sich auf eine Kugeldrehverbindung, insbesondere für das Schwenkwerk eines Baggers, Krans od. dgl., wobei zwischen dem gegenüber dem Unterwagen drehbaren, die Arbeitslast tragenden Oberteil und den Anlageflächen des Kugellagerdrehkrans mindestens eine elastische
Zwischenlage angeordnet ist.
Es ist bekannt, bei einem Schwenkbagger mit einem Abwurfband zwischen dem Oberbau und dem Unterbau des Baggers einen sogenannten Mittelbau anzuordnen, an dem mit Hilfe eines Gelenkes der Träger eines Abwurfbandes gelagert ist. Zwischen dem Mittelbau und dem Oberbau sind Rollen angeordnet. Um den Mittelbau nicht mehr durch den Oberbau zu belasten und damit eine Verringerung der Bauhöhe und eine Gewichtsverminderung zu erzielen, werden die Rollen unter dem Oberbau in über den Umfang verteilten Stützkörpern gelagert, die im Mittelbau geführt sind, wobei der Lastanteil jeder oberen Rolle oder Rollengruppe durch den Mittelbau hindurch auf eine unterhalb derselben angeordnete Rolle oder Rollengruppe übertragen wird, ohne den Mittelbau zu belasten, und die unteren Rollen gleichzeitig den Mittelbau tragen.
Dabei sind die Stützkörper teilweise nachgiebig und teilweise unnachgiebig. Diese Nachgiebigkeit wird entweder hydraulisch oder mit Hilfe von Tellerfedern erreicht, und hat lediglich die Aufgabe, den Mittelbau lastfrei zu halten.
Dieser Schwenkbagger führt jedoch keine Kippbewegungen aus, abgesehen davon, dass dafür auch keine Einrichtungen vorgesehen sind. Falls dieser Bagger jedoch durch Kipplasten beansprucht würde, würden die nachgiebig ausgebildeten Stützkörper, die von unnachgiebigen durchsetzt sind, nicht verhindern, dass der Kippunkt am Kugellaufbahnrand der Auslegerseite auf der Laufbahn liegt, so dass an diesen Stellen sowohl an den Kugeln als auch an den Laufbahnen extrem hohe Flächenpressungen auftreten würden, die eine baldige Zerstörung dieser Teile zur Folge hätten.
Ausserdem gehört es zum Stand der Technik, bei Schwenklagerungen für Bagger, Absetzer und Krane den den Ausleger tragenden Oberbau auf dem Unterbau mit Hilfe von Räderfahrwerken abzustützen. Diese Räderfahrwerke bestehen jeweils aus zwei Rädern, die durch Ausgleichsschwingen miteinander verbunden sind. Diese Ausgleichsschwingen haben Höhenverstellungen und sind zur Mehrzahl federnd abgestützt. Die Abstützungen dienen aber nur einem allgemeinen Ausgleich der Raddrücke und sind nicht in der Lage, die Wirkungen von Kippkräften herabzumindern.
Es ist weiterhin bekannt, bei Drehverbindungen für Bagger und Krane, den sogenannten Lenkkränzen, die radiale Komponente infolge ruckartigen Anfahrens des Fahrzeuges nur so gross werden zu lassen, wie die axiale Komponente, was dadurch erzielt wird, dass zwischen den Drehringen Federelemente eingeschaltet sind, wobei die Federung durch einen Draht erfolgt, der in Ausdrehungen der Drehringe eingreift und gewellt ist. Diese Anordnung erzielt jedoch keine Verteilung der Kugeldrücke bei der Kippbewegung, denn der Kippunkt bleibt dabei in der Kugellaufbahn liegen. Sie würde dabei ausserdem das Drehwerk eines Baggers sofort blockieren und ihn damit ausser Betrieb setzen.
Zum Stand der Technik gehört weiterhin ein Schwenkbagger mit auf einer Kugelbahn abgestütztem schwenkbarem Oberbau. Um die unterschiedlichen Lastanteile auszugleichen, die durch
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die elastische Verformung der unterstützenden Träger des Baggerunterbaues und gegebenenfalls des - oberbaues auftreten, wird eine elastische Unterlage aus Gummi zwischen den Laufring und den
Baggerunterbau oder gegebenenfalls-oberbau gelegt. Hiebei handelt es sich jedoch um einen grossen
Eimerbagger, die in der Technik allgemein als Schwenkbagger bezeichnet werden, bei denen
Spitzenkräfte durch Kippbelastungen nicht auftreten. Das einrillige Kugellager gemäss dieser
Konstruktion soll und kann keine Kippbewegungen auffangen, weil dafür keine konstruktiven
Vorkehrungen getroffen sind.
Es kommt hiebei lediglich darauf an, dass die elastische Zwischenlage zwischen dem Oberteil und dem oberen Laufring weich genug ist, um die geringen Verformungen des
Unterwagens wirksam auszugleichen, zumal die Verformungen bei der Schwenkbewegung ständig ihre
Lage relativ zum Oberbau ändern. Die Gummizwischenlage bewirkt bei Kippkräften, deren
Hauptkomponente Axialkräfte sind, eine komplette Neigung des ganzen Oberringes der Drehverbindung in gleicher Weise wie beim Fehlen einer federnden Zwischenlage. Es würden immer nur wenige Kugeln am Kugellaufbahnrand belastet.
An Drehverbindungen, insbesondere für Bagger und Krane, treten beim Arbeiten der Geräte axiale und radiale Kräfte wechselnder Grösse auf. Die axialen Kräfte erreichen dann ihre Höchstwerte, wenn sich der Schwerpunkt des die aussermittige Last tragenden, drehbaren Teiles so weit in Richtung der
Last verlagert, dass er ausserhalb des Durchmessers der Kugellaufbahn liegt und dadurch der die Last tragende, drehbare Oberteil zu kippen versucht. Dann entstehen an der Lastseite der Drehverbindung grosse abwärtsgerichtete und an der gegenüberliegenden Gegengewichtsseite kleinere aufwärtsgerichtete
Kräfte.
Da sich der drehbare Teil mit dem an ihm befestigten oberen Laufring der Drehverbindung infolge des Laufspiels der Drehverbindung dabei geringfügig neigt, kommen an der Lastseite und an der
Gegengewichtsseite nur einige wenige Kugeln zur Anlage und die Drücke auf den Laufbahnen werden entsprechend gross. Dadurch nutzen die Laufbahnen ab, das Laufspiel der Drehverbindung vergrössert sich, der drehbare Teil neigt sich mehr als zu Anfang und die Zahl der tragenden Kugeln wird noch kleiner. Die Lebensdauer solcher Drehverbindungen ist nicht ausreichend, obwohl sie mit grosser Präzision und gehärteten Laufbahnen hergestellt werden.
Die Erfindung vermeidet diese Nachteile dadurch, dass die elastische Zwischenlage zwischen dem Kugeldrehkranz und dem Oberteil bzw. bei Vorhandensein eines mit dem Oberteil fest verbundenen Halteringes zwischen dem Kugellagerkranz, dem Oberteil und dem Haltering jeweils an der Stelle des Angriffes der Arbeitslast, z. B. unter dem Ausleger, Ballastkasten od. dgl. angeordnet ist, wobei die Zwischenlage aus einem Werkstoff, beispielsweise einem Kunststoff auf der Basis eines Polyesters und eines Isocyanates, Hartholz od. dgl. besteht, dessen Elastizitätsmodul in bezug auf Druck mindestens 400 kg/cm2 beträgt. Da dieser Ring wie ein Polster wirkt, weicht der sich mit der umlaufenden Last drehende Laufring unter der grossen Kraft an der Lastseite geringfügig zu dem die Last tragenden Teil hin aus, wobei er sich etwas verformt.
Dadurch verteilt sich die Kraft auf eine grössere Anzahl Kugeln und die spezifischen Drücke auf die Kugellaufbahnen werden wesentlich geringer. Die Abnutzung geht auf ein Minimum zurück und die Lebensdauer der Drehverbindung steigt erheblich an. Durch die geringfügige Abnutzung wird auch nicht die Zahl der tragenden Kugeln verringert, wie beim üblichen starr gelagerten Laufring, sondern der elastisch gelagerte Laufring passt sich der Abnutzung an.
Es sind auch bereits dreiringige Drehverbindungen mit zwei Kugel-bzw. Wälzkörperreihen bekannt, die durch spielfreien Lauf die Kräfte und Momente auf eine möglichst grosse Anzahl von Wälzkörpern bzw. Kugeln übertragen sollen und erreichen dieses durch federnde Elemente, die den Oberring und den Unterring eines geteilten Laufringes unter Vorspannung zusammenpressen und dadurch die beiden dazwischenliegenden Kugelreihen zusätzlich belasten. Da diese Spielfreiheit unter den vielseitigen Belastungsfällen erhalten bleiben soll, müssen beide Kugelreihen ständig unter einer der Höchstlast nahekommenden Vorspannung laufen und haben demgemäss eine entsprechend grosse Abnutzung der Laufbahnen.
Im Gegensatz dazu liegt nach der Erfindung bei der Ausführung mit zwei Kugelreihen das federnde Element zwischen dem sich drehenden, die Last tragenden Oberteil des Gerätes und dem an diesem befestigten Laufring, ohne die Kugeln zusätzlich zu belasten. In allen Fällen, in denen der Schwerpunkt des die Last tragenden drehbaren Teiles innerhalb der Kugellaufbahn liegt, ist die untere Kugelreihe unbelastet. Nur in den verhältnismässig kurzen Zeitspannen, während der der Schwerpunkt des drehbaren Teiles ausserhalb der Kugellaufbahn liegt, treten an beiden Laufbahnen Belastungen und gelegentlich die Höchstlasten auf. Die Kugeldrehverbindung wird daher weitgehend geschont.
Da der Schwerpunkt des die Last tragenden drehbaren Teiles beim Arbeiten des Gerätes meistens innerhalb des Durchmessers der Kugellaufbahn liegt und nur von einer gewissen Grösse der Last anfangend ausserhalb und an der Gegengewichtsseite die aufwärtsgerichteten Kräfte viel kleiner sind als
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die Kräfte an der Lastseite, genügt für die Gegengewichtsseite meistens die starre Verbindung zwischen dem die Last tragenden drehbaren Teil und dem an ihm befestigten Laufring. Es gibt aber Krane und
Fördergeräte mit grosser Ausladung, die so belastet sind, dass der Schwerpunkt des die Last tragenden, drehbaren Teiles dauernd ausserhalb des Durchmessers der Kugellaufbahn liegt.
Hiefür wird bei
Vorhandensein eines mit dem Oberteil fest verbundenen Halteringes zwischen dem Kugellagerdrehkranz, dem Oberteil und dem Haltering jeweils an der Stelle des Angriffes der Arbeitslast eine elastische
Zwischenlage angeordnet. Nun kann auch der an der Gegengewichtsseite liegende Teil des mit der Last umlaufenden Laufringes unter dem Einfluss der aufwärtsgerichteten Kraft etwas ausweichen in Richtung vom drehbaren Teil weg, so dass sich die Kraft auf eine grössere Anzahl von Kugeln verteilt und die spezifischen Drücke auf die Laufbahnen viel kleiner werden.
Nach einem weiteren Erfindungsgedanken soll die obere Zwischenlage schmaler sein als die an diese angrenzende Anlagefläche des Oberwagens bzw. Kugellagerdrehkranzes. Die Breiten der Flächen des Laufringes sind durch die Laufbahnen und durch die Art seiner Befestigung bedingt. Eine elastische Zwischenlage von geringer Breite aber ergibt eine grosse Materialersparnis, weil sie dann bei gleich grosser Durchfederung auch noch dünner sein kann.
In den Zeichnungen sind Beispiele für die auftretenden Kräfte und für die Ausführung einer Kugeldrehverbindung gezeigt.
Fig. l zeigt einen Bagger bei verschiedenen Belastungen und Fig. 2 die dazugehörigen Streckenlasten auf der abgewickelten Kugellaufbahn. Fig. 3 zeigt einen Querschnitt durch eine zweireihige und Fig. 4 einen Querschnitt durch eine einreihige Kugeldrehverbindung.
Der in Fig. l dargestellte Bagger--l--hat als die Last tragender Teil einen drehbaren Oberteil --2-- und als festen Teil einen beispielsweise auf Raupen fahrenden Unterteil-3--. Zwischen beiden liegt die Kugeldrehverbindung-4--. Der Wagenoberteil trägt vorn einen Ausleger--S-- und das im Raum verschiebbare Grabgefäss--8--, das mit den daran angreifenden Grabkräften und seinem Inhalt die Last verkörpert. Entgegen der Last ist das Gegengewicht --6-- angeordnet.
Ist das Grabgefäss leer und steht in Stellung-7-, dann liegt der Schwerpunkt des Oberteiles --2-- etwa in der Mitte des Baggers, also zwischen-A und B--. Ist das Grabgefäss in dieser Stellung mit schwerem Material gefüllt, dann liegt der Schwerpunkt des Oberteiles-2-näher zur Last hin, etwa in der Mitte der Strecke zwischen Punkt-A-und der Mitte des Baggers.
Steht das Grabgefäss in Stellung --8-- und greift die grosse Kraft-P-daran an, dann liegt der Schwerpunkt des Oberteiles --2-- in Richtung zur Last weit über den Durchmesser der Kugellaufbahn hinaus und am Rand der Kugeldrehverbindung greift an der Lastseite bei-A-eine grosse abwärtsgerichtete Kraft --Pa-- an und am Rand an der Gegengewichtsseite bei-B-eine kleinere aufwärtsgerichtete Kraft--Pb--.
In Fig. 2 ist die eine Hälfte der Kugellaufbahn in gestreckter Lage gezeichnet, damit man die daran angreifenden Kräfte besser darstellen kann. Wenn der Schwerpunkt des Oberwagens--2--in der Mitte des Baggers liegt, sind alle Kugeln gleichmässig belastet. Die Streckenlast über der oberen Laufbahn der Kugeldrehverbindung stellt sich als gerade Linie--9--dar, die einer gleichmässig verteilten Streckenlast-p-entspricht. Befindet sich das gefüllte Grabgefäss in Stellung-7-,
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Kräfte-Pa und Pb-bei den üblichen Kugeldrehverbindungen Streckenlasten,
die sich nur auf wenige Kugeln und damit auf einen ganz geringen Teil der Kugellaufbahn bei-A und B-absetzen und hier die durch die Linien-11 und 12-angegebenen Streckenlasten erzeugen, welche die Kugellaufbahnen an der Lastseite und an der Gegengewichtsseite hoch belasten.
In Fig. 3 ist eine übliche Kugeldrehverbindung mit zwei Kugelreihen gezeichnet. Sie besteht aus dem mit dem Unterteil --3-- fest verbundenen und mit Aussenverzahnung-13-versehenen Unterteil-Lauf ring --14-- und dem sich mit dem Oberteil drehenden Oberteil-Laufring, der sich aus den beiden gegeneinander zentrierten Teilen-15 und 16-zusammensetzt. Der Unterteil-Laufring - hat die obere Laufbahn --17-- und die untere Laufbahn --18-- und der Oberteil-Laufring--15, 16-- hat die obere Laufbahn--19--und die untere Laufbahn--20--.
Dazwischen liegt die obere Kugelreihe --21-- und die untere Kugelreihe-22-. Zwischen der Oberfläche des Oberteil-Laufringes-15, 16- und der Auflagerfläche --23-- des Oberteiles - liegt als neues Element eine elastische Zwischenlage--24--, die aus einem Metall mit kleinerem Elastizitätsmodul als Stahl, oder aus einem Kunststoff auf der Basis eines Polyesters und eines Isocyanates oder Hartholz oder einem Paket aus Stahlfederringen bestehen kann. Sie ist hier
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kleiner im Durchmesser als die Oberfläche des Oberteil-Laufringes, damit sie bei Belastung genügend nachgeben kann. Sie kann auch aus mehreren Segmenten bestehen.
Wenn nun im Punkt--A-die grosse Kraft --Pa-- drückt, dann drückt sich an dieser Stelle die elastische Zwischenlage--24--etwas zusammen, d. h. der Oberteil-Laufring --15,16-- nähert sich der Auflagerfläche --23-- des Oberteiles. Dabei muss er sich etwas verformen, denn bei-B-- bleibt er in unveränderter Lage gegenüber dem Oberteil --2--, weil ihn die Befestigungsschrauben - -25-- festhalten. Die Verformung ist aber sehr gering und bewegt sich in hunderstel und zehntel Millimetern. Die bei diesen Verbindungen übliche seitliche Luft der Befestigungsschrauben ist dafür ausreichend.
Man kann die Verformung noch erleichtern, wenn man zwischen den waagrechten Flächen der Trennfuge--26--einen geringen Spalt lässt, der eine Verschiebung des Ringteiles--15-gegenüber dem Teil--16--zulässt. Die geringe Verformung reicht aber aus, um die hohe Spitzenlast auf den Randkugeln bei-A-abzuschwächen und die Kraft-Pa-auf eine grössere Anzahl
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--27-- begrenztensomit fast ein Viertel aller Kugeln zum Tragen bringen. Dadurch werden die höchsten Streckenlasten gegenüber der bisher üblichen starren Lagerung der Kugeldrehverbindung, die mit der Linie--l l-- gekennzeichnet sind, so klein, dass man in vielen Fällen auf die übliche Härtung der Kugellaufbahn verzichten kann.
In Fig. 4 ist eine Kugeldrehverbindung mit einer Kugelreihe dargestellt. Sie besteht aus dem mit dem Unterteil--3--fest verbundenen Unterteil-Laufring --28-- und dem sich mit dem Oberteil - 2-- drehenden Laufring--29--. Der Oberteil-Laufring -29-- hat die obere Laufbahn - und die untere Laufbahn --31-- und der Unterteil-Lauf ring --28-- hat die Gegenlaufbahnen-32 und 33--. Dazwischen bewegt sich die Kugelreihe-34--. Der Oberteil-Laufring --29-- wird von einem abgewinkelten Haltering --35-- gehalten, der mit dem Oberteil--2--fest verbunden ist und dessen abgewinkelter Teil eine waagrechte Auflage--36-für die untere Fläche des Oberteil-Laufringes --29-- bildet.
Zwischen der Auflagefläche --23-- des Oberteiles --2-- und der oberen Fläche des Oberteil-Laufringes --29-- liegt wie bei Fig. 3 die elastische Zwischenlage-24--, die für die bei-A-auftretenden Spitzenkräfte dieselbe Bedeutung hat, wie es bei der Anordnung nach Fig. 3 beschrieben wurde. Der Oberteil-Laufring - verformt sich also bei-A-relativ zum Oberteil in Richtung des Pfeiles-37--.
Zwischen der waagrechten Auflage-36-des Halteringes-35-und der unteren Fläche des Oberteil-Laufringes --29-- ist ebenfalls ein federnder Ring --38-- eingelegt, der dem oben eingelegten Ring--24--entspricht und für die Spitzendrücke, die durch die Kraft--Pb--bei --B-- auftreten, die gleiche vermindernde Wirkung hat wie der Ring --24-- bei --A--. Der Oberteil-Laufring --29-- kann sich unter der Kraft--Pb-infolge des federnden Ringes-38- etwas in Richtung des Pfeiles --39-- relativ zum Oberteil--2--verformen, die Kraft --Pb-verteilt sich dadurch auf eine grössere Anzahl von Kugeln und die Streckenlasten --12-- eines starr gelagerten Laufringes werden durch die Streckenlasten--40--nach Fig. 2 abgelöst.
Die spezifischen Drücke auf den Laufbahnen betragen nur noch einen Bruchteil der Streckenlasten bei starrer Lagerung.
Der oben und unten federnd gelagerte Oberteil-Laufring --29-- wird durch die Kräfte--Pa und Pb--nach verschiedenen Richtungen verformt, wie es die Pfeile--37 und 39--angeben. Um ihn biegsam zu machen, kann man ihn in den weniger belasteten, seitlichen Teilen an der Ober-und Unterseite oder an einer von beiden Aussparungen--41--geben, die fast an die Kugellaufbahnen heranreichen können.
Die Erfindung lässt sich für alle Kugel-oder Wälzkörperdrehverbindungen verwenden, ob sie mit einer Reihe oder mit zwei Reihen Kugeln oder Wälzkörpern ausgerüstet sind, ob die Trennfugen senkrecht, waagrecht oder schräg liegen, ob die Laufringe aus einem Stück bestehen oder geteilt sind, ob die Verzahnung innen oder nach aussen liegt.
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