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Hintergrund der Erfindung
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1. Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Zylinderrollenlager. Insbesondere betrifft sie ein Zylinderrollenlager, das bevorzugt bzw. vorteilhafterweise in Werkzeugmaschinen, Motoren so wie Düsentriebwerken oder Gasturbinen und anderen Anwendungen enthalten ist, um eine Welle zu lagern, die mit einer hohen Geschwindigkeit rotiert.
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2. Beschreibung des Stands der Technik
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Es gibt viele Fälle, in denen der Hauptspindelaufbau einer Werkzeugmaschine so wie ein Bearbeitungszentrum, eine CNC Drehmaschine oder eine Fräsmaschine etc. mit einer hohen Rotationsgeschwindigkeit angetrieben wird, aus Gründen einschließlich einer Verbesserung der Arbeitsvorgangsleistungsfähigkeit und -genauigkeit. Es gibt in letzter Zeit besonders einen auffallenden Trend in Richtung der Erhöhung der Rotationsgeschwindigkeit der Hauptspindel.
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Allgemein wird die Hauptspindel des Hauptspindelaufbaus einer Werkzeugmaschine durch ein Rollenlager gelagert, um in Bezug auf ein Gehäuse frei drehbar zu sein. Das Rollenlager wird durch Ölnebelschmierung, Luft/Ölschmierung, Düsen- bzw. Spritzschmierung, Fettschmierung oder andere derartige Verfahren geschmiert, entsprechend den Bedingungen, unter denen es verwendet wird, zusammen mit anderen Faktoren. Zylinderrollenlager, Schrägkugellager etc. werden für Rollenlager verwendet.
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Zylinderrollenlager sind allgemein aus einem inneren Ring mit einer Laufbahn auf einem äußeren Umfang davon, einem äußeren Ring mit einer Laufbahn auf einem inneren Umfang davon, einer Vielzahl zylindrischer Rollen, die angeordnet sind, frei zwischen den jeweiligen Laufbahnen auf dem inneren Ring und dem äußeren Ring zu rollen, und einem Käfig zusammengesetzt, der dafür sorgt, dass die zylindrischen Rollen in der umfänglichen Richtung gleichmäßig beabstandet bleiben.
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Wenn Flanschabschnitte an beiden Seiten des inneren Rings gebildet sind, sind Vertiefungsrillen jeweils an Eckenabschnitten angeordnet, wo Flanschoberflächen von jedem der Flanschabschnitte des inneren Rings und der Laufbahnen aufeinander treffen. Die Vertiefungsrillen werden hauptsächlich als Unterschnittrillen während dem Schleifen der Laufbahnen und der Flanschoberflächen gebildet. Abschrägungen sind an Winkelabschnitten angeordnet, wo Rollenoberflächen und beide Endoberflächen der zylindrischen Rollen jeweils aufeinander treffen. Weiterhin ist eine axiale Abmessung zwischen den Flanschoberflächen, die in die axiale Richtung zeigen, geringfügig größer gestaltet als die Länge der zylindrischen Rollen, und daher wird ein Führungszwischenraum zwischen den zylindrischen Rollen und den Flanschabschnitten aufrechterhalten.
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Da sich die Rollenoberflächen der zylindrischen Rollen und die Laufbahnen der Bahnen (innerer und äußerer Ring) in Linienkontakt befinden, hat ein Zylinderrollenlager, wie es beschrieben worden ist, ein hohe Vermögen, mit radialen Belastungen umzugehen, und ist für eine Rotation mit hoher Geschwindigkeit geeignet. Dagegen ist im Vergleich zu einem Kugellager das Ausmaß an Hitze, das während einer Rotation mit hoher Geschwindigkeit erzeugt wird, groß, und es existiert insbesondere ein Problem, bei dem die Zunahme in erzeugter Hitze, Abnutzung an Abschnitten, bei denen gleitender Kontakt zwischen den zylindrischen Rollen und den Flanschabschnitten besteht, und andere Effekte leicht auftreten.
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Insbesondere haben die zylindrischen Rollen einen Freiheitsgrad in der Neigung, der so groß ist wie der vorstehend genannte Führungszwischenraum, und während der Rotation des Lagers tritt ein unvermeidliches Phänomen auf, bei dem sich die Achsen der zylindrischen Rollen relativ zu der Achse des Lagers neigen, d. h. schief laufen. Wenn die zylindrischen Rollen schief laufen, wird eine Komponente in axialer Richtung in der Antriebskraft erzeugt, die von der Laufbahn auf der rollenden Seite bereitgestellt wird, wobei diese zu einem axialen Schub F wird, der die Endabschnitte der zylindrischen Rollen gegen einen der Flanschabschnitte drückt bzw. schiebt.
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Daher gibt es Fälle ansteigenden Reibungswiderstands in Bereichen, in denen gleitender Kontakt zwischen den zylindrischen Rollen und dem Flanschabschnitt besteht, und die Endabschnitte der zylindrischen Rollen und der Flanschabschnitt erzeugen dadurch Hitze und leiden unter Abnutzung.
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Im Bezug auf dieses Problem sind im Stand der Technik vielfältige Verfahren der Verbesserung vorgeschlagen worden. Zum Beispiel gibt es Auslegungen, in denen der Zustand der Schmierung an den vorstehend genannten Abschnitten gleitenden Kontakts verbessert wird, indem die Vertiefungsrillen mit einer größeren Höhe als der der Abschrägung der zylindrischen Rollen ausgelegt werden, und sich erweiternde verjüngende Oberflächen auf den Flanschstirnflächen mit einem vorbestimmten Winkel nach außen in der axialen Richtung gebildet werden (zum Beispiel die
japanische Patentveröffentlichung No. Sho 58-43609 ).
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Ebenso gibt es Auslegungen, bei denen durch eine Struktur, in der die zylindrischen Rollen schief gelaufen sind, dadurch, dass die äußeren umfänglichen Kantenabschnitte von beiden Endoberflächen der zylindrischen Rollen mit einem Abschnitt näher dem Basisende als den Spitzen- bzw. Endenkanten der Flanschoberflächen in Kontakt treten, die Kantenbelastung der Abschnitte gleitenden Kontakts geringer ist, verglichen damit, wenn die äußeren umfänglichen Kantenabschnitte von beiden Endoberflächen der zylindrischen Rollen mit den Spitzenkanten der Flanschoberflächen in Kontakt treten (zum Beispiel die
japanische Offenlegungs-Patentveröffentlichung No. Hei 7-12119 ).
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Wie diskutiert wurde, haben die zylindrischen Rollen einen Freiheitsgrad in der Neigung so groß wie der Führungszwischenraum, und während der Rotation des Lagers rotieren die zylindrischen Rollen auf deren eigenen Achsen und rollen ebenso um eine Welle, während sich ihre Stellungen dauernd innerhalb eines Bereichs eines maximalen Schieflaufwinkels θMAX ändern. Der maximale Schieflaufwinkel θMAX bezeichnet hier einen Zustand, in dem die äußeren umfänglichen Kantenabschnitte von beiden Endoberflächen der zylindrischen Rollen mit den Flankenabschnitten auf beiden Seiten der Laufbahn in Kontakt treten, wobei sie sich bei dem maximalen Schieflaufwinkel innerhalb des gesamten Freiheitsgrad des Schieflaufwinkels der zylindrischen Rollen befinden.
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Wie in 10 gezeigt, wenn die zylindrischen Rollen 23 bei einem Schieflaufwinkel θ geringer als der maximale Schieflaufwinkel θMAX schief laufen, werden die zylindrischen Rollen 23 in einer Richtung durch den vorstehend erwähnten axialen Schub F axial gedrückt, und rollen, während sie in einem Zustand geführt werden, in dem sie gegen einen der Flanschabschnitte 21b gedrückt werden. In diesem Fall ändert sich der Zustand des Kontakts zwischen den zylindrischen Rollen 23 und einem der Flanschabschnitte 21b entsprechend dem Schieflaufwinkel θ (0 < θT < θU < θMAX) auf die folgende Weise.
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In dem Bereich wo der Schieflaufwinkel θ 0 < θ ≤ θT ist, wie in 11 gezeigt, tritt eine erste Grenze R13 zwischen den Endoberflächen 23b und Abschrägungen 23c der zylindrischen Rollen 23 mit einer zweiten Grenze R11 zwischen den Flanschoberflächen 21b 1 und den Vertiefungsrillen 21c in Kontakt (der Kontaktpunkt ist durch einen schwarzen ”•” gezeigt). Dann, in dem Bereich, in dem der Schieflaufwinkel θ θT < θ < θU ist, wie in 12 gezeigt, tritt die erste Grenze R13 zwischen den Endoberflächen 23b und den Abschrägungen 23c der zylindrischen Rollen 23 mit den Flanschoberflächen 21b 1 in Kontakt (der Kontaktpunkt ist durch einen schwarzen ”•” gezeigt). Wenn der Schieflaufwinkel θ als nächstes θU erreicht, tritt die erste Grenze R13 zwischen den Endoberflächen 23b und Abschrägungen 23c der zylindrischen Rollen 23 mit einer dritten Grenze R12 zwischen den Flanschoberflächen 21b 1 und den Flanschabschrägungen 21b 3 in Kontakt (nicht in der Zeichnung gezeigt). Danach treten beide Endabschnitte der zylindrischen Rollen 23 jeweils mit beiden der Flanschabschnitte 21b in Kontakt, um den maximalen Schieflaufwinkel θMAX zu erreichen (nicht in der Zeichnung gezeigt).
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13 zeigt die Beziehung zwischen dem Schieflaufwinkel θ der zylindrischen Rollen 23 und dem Druck P an der Kontaktoberfläche der zylindrischen Rollen 23 und der Flanschabschnitte 21b (durchgezogene Linie), und zeigt ebenfalls die Beziehung des axialen Stoßes F, der auf die zylindrischen Rollen 23 wirkt (unterbrochene Linie). Wie in der gleichen Zeichnung gezeigt ist, wird der axiale Schub F eine Erhöhung in dem Schieflaufwinkel θ begleitend größer.
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Innerhalb des Bereichs 0 < θ ≤ θT tritt ein Phänomen auf, bei dem der Druck an der Kontaktoberfläche sich eine Erhöhung in dem Schieflaufwinkel θ begleitend mit einem vergleichsweise steilen Gradienten erhöht. Dies beruht darauf, dass die zylindrischen Rollen 23 und einer der Flanschabschnitte 21b an der ersten Grenze R13 und an der zweiten Grenze R11 in Kontakt stehen (der in 11 gezeigte Zustand), und der axiale Schub F größer wird eine Erhöhung in dem Schieflaufwinkel θ begleitend größer. Insbesondere wurde durch Überprüfen bzw. Testen bestätigt bzw. überprüft, dass der Druck P an der Kontaktoberfläche größer wird als ein Oberflächendruckniveau P0, bei dem Abnutzung in den Bereichen von Kontakt davon in dem Bereich θ0 ≤ θ ≤ θT auftritt (Bereich durch Gitterschnitt in derselben Zeichnung gezeigt).
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Wenn der Schieflaufwinkel θ θT überschreitet, verringert sich der Druck P an der Kontaktoberfläche auf einen Wert unterhalb des Oberflächendruckniveaus P0, bei dem Abnutzung in den Bereichen von Kontakt davon zwischen den zylindrischen Rollen 23 und einem der Flanschabschnitte 21b auftritt, wonach ein stabiler Übergang bei einem vergleichsweise niedrigen Wert gezeigt ist, ungeachtet einer Erhöhung in dem Schieflaufwinkel θ. Dies beruht auf einer Bewegung in dem Zustand des Kontakts zwischen den zylindrischen Rollen 23 und einem der Flanschabschnitte 21b vom Kontakt zwischen der ersten Grenze R13 und der zweiten Grenze R11 (der in 11 gezeigte Zustand) zum Kontakt zwischen der ersten Grenze R13 und einem der Flanschabschnitte 21b 1 (der in 12 gezeigte Zustand).
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Wenn der Schieflaufwinkel θ θU erreicht, wie in 13 gezeigt, beginnt der Druck P an der Kontaktoberfläche erneut eine steile Erhöhung, und nimmt einen Wert an, der das Oberflächendruckniveau P0 an dem Punkt, wo θU erreicht worden ist, überschreitet. Dies beruht darauf, dass sich der Zustand des Kontakts zwischen den zylindrischen Rollen 23 und einem der Flanschabschnitte 21b vom Kontakt zwischen der ersten Grenze R13 und den Flanschoberflächen 21b 1 (der in 12 gezeigte Zustand) zu einem Zustand des Kontakts zwischen der ersten Grenze R13 und der dritten Grenze R12 bewegt.
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Wie vorhergehend erklärt, befindet sich der Druck P an der Kontaktoberfläche der zylindrischen Rollen und der Flanschabschnitte bei einem Wert, der das Oberflächendruckniveau P0 überschreitet, bei dem Abnutzung in den Abschnitten des Kontakts zwischen den zylindrischen Rollen 23 und den Flanschabschnitten 21b in dem Stadium bevor der maximale Schieflaufwinkel θMAX erreicht wird, auftritt, das heißt, in dem Bereich, wo der Schieflaufwinkel θ θ0 ≤ θ ≤ θT θU ≤ θ < θMAX ist. Dies wird als ein Hauptfaktor angesehen, der zu solchen Problemen wie Hitzeerzeugung und Abnutzung an den Kontaktabschnitten beiträgt.
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Jedoch erkennt die Erfindung, die in der
japanischen Patentveröffentlichung No. Sho 58-43609 offengelegt ist, das vorstehend genannten Phänomen nicht, und schlägt keinen Weg vor, es zu verbessern. Ebenso beschränkt die Erfindung, die in der
japanischen Offenlegungs-Patentveröffentlichung No. Hei 7-12119 offengelegt ist, den Zustand des Kontakts zwischen den äußeren umfänglichen Kantenabschnitten von beiden Endoberflächen der zylindrischen Rollen und den Flanschoberflächen bei dem maximalen Schieflaufwinkel θ
MAX, und die Hitzeentwicklung, Abnutzung oder andere Probleme werden nicht erkannt, die in dem Stadium θ
0 ≤ θ ≤ θ
T auftreten, und schlägt keine Mittel für eine Verbesserung vor.
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Die diskutierte Hitzeentwicklung, Abnutzung und andere Probleme, die in dem Stadium θ0 ≤ θ ≤ θT in Fällen leicht auftreten, in denen ein zylindrisches Rollenlager gebildet wird, das Flanschabschnitte nur an einem der inneren und äußeren Ringe aufweist (z. B. NU Typ, N Typ etc.) bei hohen Geschwindigkeiten mit negativem radialem internen Zwischenraum angetrieben wird (Vorbelastungszustand). Zylinderrollenlager, die gebildet sind, Flanschabschnitte nur an einem der inneren und äußeren Ringe aufzuweisen, gehen mit axialer Belastung nicht um, und daher tritt das schief Laufen der zylindrischen Rollen auf als eine Folge von solchen Faktoren wie schlechter Ausrichtung während der Lagerinstallation und geringfügigen Ungenauigkeiten in der Form der Laufbahnen der Lager. Der Schieflaufwinkel davon ist daher nur geringfügig mit einer hohen Wahrscheinlichkeit, θ0 ≤ θ ≤ θT zu sein, und dass der Oberflächendruck an den Kontaktabschnitten zwischen den zylindrischen Rollen und einem der Flanschabschnitte einen Wert annimmt, der größer als das Oberflächendruckniveau P0 ist, bei dem Abnutzung auftritt, ist ein häufiger Zustand, was durch Überprüfen bestätigt worden ist. Weiterhin schreiten Hitzeentwicklung, Abnutzung etc. leicht fort, wenn mit hohen Geschwindigkeiten angetrieben wird, da die Gleitgeschwindigkeit in den Abschnitten, in denen Kontakt zwischen den zylindrischen Rollen und den Flanschabschnitten besteht, hoch ist.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung zielt darauf, ein Zylinderrollenlager im Lichte des vorstehend genannten Wissens zu verbessern. Dieses Ziel wird durch das Zylinderrollenlager gemäß dem beigefügten Anspruch 1 erreicht.
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Insbesondere ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Zylinderrollenlager bereitzustellen, das für höhere Rotationsgeschwindigkeiten geeignet ist, das Hitzeentwicklung, Abnutzung und andere Effekte an den Endabschnitten der zylindrischen Rollen und der Flanschabschnitte steuert, indem der Druck an der Kontaktoberfläche zwischen den zylindrischen Rollen und den Flanschabschnitten verringert wird, insbesondere der Druck an der Kontaktoberfläche innerhalb eines Bereichs, in dem der Schieflaufwinkel der zylindrischen Rollen θ0 ≤ θ ≤ θT ist.
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Ein Zylinderrollenlager der vorliegenden Erfindung umfasst einen inneren Ring, der eine Laufbahn auf einem äußeren Umfang davon aufweist, einen äußeren Ring, der eine Laufbahn auf einem inneren Umfang davon aufweist, eine Vielzahl von zylindrischen Rollen, die angeordnet sind, frei zwischen der Laufbahn des inneren Rings und der Laufbahn des äußeren Rings zu rollen, Flanschabschnitte, die jeweils auf beiden Seiten der Laufbahnen mindestens eines des inneren Rings und des äußeren Rings angeordnet sind, und eine Vertiefungsrille, die an einem Eckenabschnitt abgeordnet sind, wo eine Flanschoberfläche von mindestens einem der Flanschabschnitte von beiden Seiten und die Laufbahn aufeinander treffen, wobei die Flanschabschnitte von einem Basisendabschnitt zu einem Spitzen- bzw. Enden-Endabschnitt davon mit demselben Winkel geneigt sind, eine radiale Abmessung h3 von Abschrägungen, die auf äußeren umfänglichen Kantenabschnitten der zylindrischen Rollen gebildet sind, schmaler gestaltet ist als eine radiale Höhe h1 von der Laufbahn nahe der Vertiefungsrille, wobei gekrümmte Abschnitte zwischen den Abschrägungen und Endoberflächen der zylindrischen Rollen gebildet sind.
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Gekrümmte Abschnitte bezieht sich hier auf die äußeren umfänglichen Kantenabschnitte an den Endoberflächen der zylindrischen Rollen, die im Querschnitt bogenförmig geformt sind, wobei der Krümmungsradius des Bogens davon eine sich nach und nach entlang der radialen Richtung ändernde Form aufweist. Weiterhin ist, beim Bilden der gekrümmten Abschnitte, ein Bearbeiten bevorzugt, bei dem ein flexibles Hon- bzw. Schleifmittel im Bezug auf die Endoberflächen der zylindrischen Rollen in einem geringfügig geneigten Zustand in Kontakt steht bzw. eingreift.
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Die gekrümmten Abschnitte werden eingestellt bzw. ausgebildet, eine Gestalt aufzuweisen, in der die folgenden Ausdrücke erfüllt werden: 0,8 ≤ h2/h1 1 ≤ tan–1[δ/(h2 – h3)](°) wobei h1 eine radiale Höhe von der Laufbahn nahe der Vertiefungsrille ist, h2 eine radiale Abmessung von den Rollenoberflächen der zylindrischen Rollen zu einer Grenze zwischen den gekrümmten Abschnitten und den Endoberflächen ist, h3 eine radiale Abmessung der Abschrägungen der zylindrischen Rollen ist, und δ eine axiale Abmessung von einer Grenze zwischen den Abschrägungen und den gekrümmten Abschnitten zu den Endoberflächen der zylindrischen Rollen ist.
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Dadurch, dass die vorliegende Erfindung die vorstehend genannte Struktur besitzt, können Probleme, die im Stand der Technik auftreten, wenn der Schieflaufwinkel in den Bereich θ0 ≤ θ ≤ θT fällt, das heißt, das Phänomen, dass die Grenze zwischen den Endoberflächen und den Abschrägungen der zylindrischen Rollen mit der Grenze zwischen den Flanschoberflächen und den Vertiefungsrillen in Kontakt steht, vermieden werden. Daher können Hitzeentwicklung, Abnutzung etc. an den Endabschnitten der zylindrischen Rollen und den Flanschabschnitten verhindert werden. Ein Zylinderrollenlager, das für höhere Rotationsgeschwindigkeiten geeignet ist, kann bereitgestellt werden, insbesondere ein vorteilhaftes Zylinderrollenlager für einen Hauptspindelaufbau einer Werkzeugmaschine, das mit höheren Rotationsgeschwindigkeiten angetrieben wird.
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Kurze Beschreibung der Zeichnung
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1 ist eine vergrößerte Querschnittsansicht, die wesentliche Abschnitte einer zylindrischen Rolle und einer Laufbahn eines inneren Rings und einen Flanschabschnitt gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
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2 ist eine Querschnittsansicht, die ein strukturelles Beispiel eines Hauptspindelaufbaus einer Werkzeugmaschine zeigt;
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3 ist eine Querschnittsansicht einschließend teilweise weggelassener Abschnitte, die ein Zylinderrollenlager gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
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4 ist eine Ansicht, die eine zylindrische Rolle und ein flexibles Schleifmittel zeigt;
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5A ist eine Ansicht, die einen Querschnitt zeigt, wenn eine zylindrische Rolle auf der Ebene A quergeschnitten wird;
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5B ist eine Ansicht, die einen Zustand des Kontakts zwischen einer zylindrischen Rolle und einem Flanschabschnitt gemäß einem Beispiel des Stands der Technik zeigt, wenn ein Schieflaufwinkel θ = 0° ist;
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5C ist eine Ansicht, die einen Zustand des Kontakts zwischen der zylindrischen Rolle und dem Flanschabschnitt gemäß dem Beispiel des Stands der Technik zeigt, wenn der Schieflaufwinkel 0 < θ ≤ θT ist;
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5D ist eine Ansicht, die einen Zustand des Kontakts zwischen einer zylindrischen Rolle und einem Flanschabschnitt gemäß einem Beispiel des Stands der Technik zeigt, wenn ein Schieflaufwinkel θ = 0° ist;
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5E ist eine Ansicht, die einen Zustand des Kontakts zwischen der zylindrischen Rolle und dem Flanschabschnitt gemäß dem Beispiel des Stands der Technik zeigt, wenn der Schieflaufwinkel 0 < θ ≤ θT ist;
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6 ist eine vergrößerte Ansicht, die wesentliche Abschnitte einer Abschrägung und einen gekrümmten Abschnitt einer zylindrischen Rolle gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
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7 ist ein Graph, der Formabmessungen von gekrümmten Abschnitten von zylindrischen Rollen gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
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8 ist ein charakteristischer Graph von Testergebnissen von Ausführungsformen, der die Beziehung zwischen der Anzahl der Umdrehungen und einer Temperaturerhöhung zeigt;
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9 ist eine Ansicht einer Endoberfläche einer zylindrischen Rolle, die zeigt, was als Abdrücke von geringfügigem Kontakt mit einem Flanschabschnitt auf einem gekrümmten Abschnitt angesehen wird, erhalten als Testergebnisse einer Ausführungsform;
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10 ist eine Ansicht, die einen Zustand zeigt, in dem zylindrische Rollen bei einem Winkel θ weniger als ein maximaler Schieflaufwinkel θMAX schief laufen, und mit einem Paar von Flanschabschnitten in Kontakt stehen;
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11 ist eine Ansicht, die einen Zustand zeigt, in dem eine Grenze zwischen Endoberflächen und Abschrägungen von zylindrischen Rollen mit einer Grenze zwischen einer Flanschoberfläche und einer Vertiefungsrille in Kontakt steht;
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12 ist eine Ansicht, die einen Zustand zeigt, in dem eine Grenze zwischen Endoberflächen und Abschrägungen von zylindrischen Rollen mit einer Flanschoberfläche in Kontakt steht;
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13 ist ein Graph, der eine Beziehung zwischen einem Schieflaufwinkel θ von zylindrischen Rollen eines Zylinderrollenlagers und einem Druck P an der Kontaktoberfläche zwischen den zylindrischen Rollen und den Flanschabschnitten zeigt (durchgezogene Linie), ebenso wie die Beziehung eines axialen Schubs F, der auf die zylindrischen Rollen wirkt (unterbrochene Linie), gemäß dem Stand der Technik.
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Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
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2 zeigt ein strukturelles Beispiel eines Hauptspindelaufbaus einer Werkzeugmaschine so wie ein Bearbeitungszentrum oder eine Schleifmaschine. Der in der gleichen Zeichnung gezeigte Hauptspindelaufbau wird als eingebauter Typ bezeichnet, und ist ausgelegt, um eine Hauptspindel 11 durch einen internen Motor 10 bei hoher Geschwindigkeit rotierend anzutreiben. Der Motor 10 ist in dem axialen zentralen Abschnitt des Hauptspindelaufbaus angeordnet, und umfasst einen Rotor 10a, der auf dem äußeren Umfang der Hauptspindel 11 angeordnet ist, und einen Stator 10b, der auf dem inneren Umfang eines Gehäuses 12 angeordnet ist. Wenn der Stator 10b mit elektrischem Strom versorgt wird, wird ein Erregerstrom zwischen dem Stator 10b und dem Rotor 10a erzeugt, und die Hauptspindel 11 wird durch den Erregerstrom bei hoher Geschwindigkeit rotierend angetrieben.
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Die Rotation der Hauptspindel 11 wird gelagert, um in Bezug auf das Gehäuse 12 frei drehbar zu sein, durch Rollenlager, die jeweils an einem vorderen Ende (Werkzeugende) und einem hinteren Ende (entgegengesetzt dem Werkzeugende) angeordnet sind, wobei sich der Motor 10 dazwischen befindet. Normalerweise ist das rollende Kontaktlager strukturiert, um eine Verschiebung in der axialen Richtung (freies Ende) zu ermöglichen, um das Ausmaß, in dem sich die Hauptspindel 11 axial aufgrund von Hitze während des Antreibens ausdehnt, zu absorbieren oder entweichen zu lassen. In diesem Beispiel werden passende Einbauschrägkugellager (ein Paar von Schrägkugellagern) 13 als Rollenlager für das vordere Ende verwendet, und ein einreihiges Zylinderrollenlager 14 wird als Rollenlager für das hintere Ende verwendet.
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3 zeigt das Zylinderrollenlager 14, das an dem hinteren Ende angeordnet ist. Das Zylinderrollenlager umfasst einen inneren Ring 1, der eine Laufbahn 1a auf dem äußeren Umfang davon aufweist, einen äußeren Ring 2, der eine Laufbahn 2a auf dem inneren Umfang davon aufweist, eine Vielzahl von zylindrischen Rollen 3, die angeordnet sind, um zwischen der Laufbahn 1a des inneren Rings 1 und der Laufbahn 2a des äußeren Rings 2 frei zu rollen, und einen Käfig 4, der die zylindrischen Rollen 3 in der umfänglichen Richtung gleichmäßig beabstandet hält. Flanschabschnitte 1b sind jeweils an beiden Seiten der Laufbahn 1a des inneren Rings 1 angeordnet. Der Käfig 4 kann aus einem Harzmaterial gebildet sein.
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Der innere Ring 1 und der äußere Ring 2 des Zylinderrollenlagers 14 sind auf den äußeren Umfang der Hauptspindel 11 bzw. den inneren Umfang des Gehäuses 12 aufgesetzt. Ein radialer interner Zwischenraum während des Antreibens ist zum Beispiel ein negativer Zwischenraum. Die internen Teile des Lagers werden durch ein Verfahren so wie Ölnebelschmierung, Luft/Öl-Schmierung, Spritzschmierung oder Fettschmierung geschmiert.
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Wenn die Hauptspindel 11 rotierend bei hohen Geschwindigkeiten durch den in dem Hauptspindelaufbau enthaltenen Motor 10 angetrieben wird, wird die Rotation davon gelagert, um in Bezug auf das Gehäuse frei drehbar zu sein, durch die Schrägkugellager 13 an dem vorderen Ende und das Zylinderrollenlager 14 an dem hinteren Ende. Wenn die Hauptspindel 11 einer Ausdehung aufgrund von Hitze in der axialen Richtung aufgrund eines Temperaturanstiegs während dem Antreiben ausgesetzt ist, wird das Ausmaß von axialer Ausdehung davon absorbiert oder es wird ihm gestattet, zu entweichen, durch gleitende Verschiebung zwischen dem äußeren Ring 2 und den zylindrischen Rollen 3 des Zylinderrollenlagers 14.
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Weiterhin, wenn die vorliegende Erfindung auf ein einreihiges Zylinderrollenlager angewendet wird, ist die Anwendung auf vielfältige bekannte Lagertypen möglich, einschließlich N-Typ (zwei innere Ringflansche), NU-Typ (zwei äußere Ringflansche), NF-Typ (zwei innere Ringflansche, ein äußerer Ringflansch), NJ (ein innerer Ringflansch, zwei äußere Ringflansche) oder NUP-Typ (einer von zwei inneren Ringflanschen ist teilbar, zwei äußere Ringflansche). In einem Fall, in dem der Flanschabschnitt teilbar ist, werden Unterschnittrillen manchmal nicht in den Eckenabschnitten zwischen den Flanschoberflächen und den Laufbahnen davon gebildet. Die vorliegende Erfindung kann ebenfalls auf doppelreihige oder mehrreihige Zylinderrollenlager angewendet werden. In solchen Fällen können ebenfalls vielfältige bekannte Lagertypen angenommen werden.
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Gemäß dieser Ausführungsform, wie in Vergrößerung in 1 gezeigt, werden Vertiefungsrillen 1c an den Eckenabschnitten gebildet, wo die Flanschoberflächen 1b 1 von jedem der Flanschabschnitte 1b bzw. die Laufbahn 1a des inneren Rings 1 aufeinander treffen. Die Vertiefungsrillen 1c sind während dem Schleifen der Laufbahn 1a und der Flanschoberflächen 1b 1 hauptsächlich als Unterschnittrillen gebildet. Gemäß dieser Ausführungsform sind die Flanschoberflächen 1b 1 verjüngte Oberflächen, die in einer Richtung geneigt sind, um sich in einer radial nach außen gerichteten Richtung nach und nach zu öffnen, und Flanschabschrägungen 1b 3 sind an Winkelabschnitten gebildet, wo die Flanschoberflächen 1b 1 und äußere radiale Oberflächen 1b 2 der Flanschabschnitte 1b aufeinander treffen.
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Abschrägungen 3c sind an den Winkelabschnitten gebildet, wo Rollenoberflächen 3a und beide Endoberflächen 3b der zylindrischen Rotten 3 jeweils aufeinander treffen. Eine erste radiale Abmessung h3 der Abschrägungen 3c, die auf den äußeren umfänglichen Kantenabschnitten der zylindrischen Rollen 3 gebildet sind, ist kleiner gestaltet als eine radiale Höhe h, von der Laufbahn 1a nahe den Vertiefungsrillen 1c. Weiterhin sind gekrümmte Abschnitte 3d zwischen den Abschrägungen 3c und den Endoberflächen 3b der zylindrischen Rollen 3 gebildet.
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Die radiale Höhe h1 ist die Abmessung von dem Ort der Laufbahn 1a des inneren Rings 1 zu einer ersten Grenze R1 zwischen den Vertiefungsrillen 1c und den Flanschoberflächen 1b 1. Eine zweite radiale Abmessung h2 ist die Abmessung von dem Ort einer zweiten Grenze R4 zwischen den Rollenoberflächen 3a und den Abschrägungen 3c zu einer dritten Grenze R5 zwischen den gekrümmten Abschnitten 3d und den Endoberflächen 3b der zylindrischen Rollen 3. Die erste radiale Abmessung h3 ist die Abmessung von dem Ort der zweiten Grenze R4 zwischen den Rollenoberflächen 3a und den Abschrägungen 3c zu einer vierten Grenze R3 zwischen den Abschrägungen 3c und den gekrümmten Abschnitten 3d. Weiterhin ist es bevorzugt, dass die Grenzen R1 bis R5 mit gekrümmten Oberflächen gebildet sind, um den Druck an der Kontaktoberfläche zu verringern, zum Beispiel mit bogenförmigen Oberflächen, die einen Krümmungsradius von 0,1 bis 0,3 mm aufweisen, um eine glatte Fortsetzung mit benachbarten Oberflächen zu bilden.
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Der Grund, warum die erste radiale Abmessung h3 der Abschrägungen 3c der zylindrischen Rollen kleiner gestaltet ist als die radiale Höhe h1 von der Laufbahn 1a nahe den Vertiefungsrillen 1c, wird nun erklärt werden.
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Wenn zum Beispiel die erste radiale Abmessung h3 der Abschrägungen 3c der zylindrischen Rollen größer gestaltet ist als die radiale Höhe h1 von der Laufbahn 1a nahe den Vertiefungsrillen 1c, wie es bei den zylindrischen Rollen 23 der Fall ist (siehe 12), steht die erste Grenze R13 zwischen den Endoberflächen 23b und den Abschrägungen 23c davon mit den Flanschoberflächen 21b 1 in einem Zustand in Kontakt, in dem die zylindrischen Rollen 23 nicht schief laufen. Normalerweise, da die Abschrägungen 23c durch Schmieden bearbeitet werden, ist die Genauigkeit in Form der ersten Grenze R13 schlecht. Es ist durch Überprüfen bestätigt worden, dass in einem Zustand, in dem die zylindrischen Rollen 23 nicht schief laufen, abnormale Vibration in den zylindrischen Rollen 23 auftritt, wenn die erste Grenze R13 mit schlechter Formgenauigkeit mit den Flanschoberflächen 21b 1 in Kontakt kommt, und Abnutzung tritt an der ersten Grenze R13 auf. Daher ist gemäß dieser Ausführungsform die erste radiale Abmessung h3 der Abschrägungen 3c der zylindrischen Rollen kleiner gestaltet als die radiale Höhe h1 von der Laufbahn 1a nahe den Vertiefungsrillen 1c.
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Die vorstehend erwähnten gekrümmten Abschnitte 3d sind ausgebildet, um die folgenden Bedingungen zu erfüllen: 0,8 ≤ h2/h1 1 ≤ tan–1[δ/(h2 – h3)](°) wobei h1 die radiale Höhe von der Laufbahn 1a nahe den Vertiefungsrillen 1c ist, h2 die zweite radiale Abmessung von den Rollenoberflächen 3a der zylindrischen Rollen 3 zu der dritten Grenze R5 zwischen den gekrümmten Abschnitten 3d und den Endoberflächen 3b ist, h3 die erste radiale Abmessung der Abschrägungen 3c der zylindrischen Rollen 3 ist, und δ die axiale Abmessung von der vierten Grenze R3 zwischen den Abschrägungen 3c und den gekrümmten Abschnitten 3d zu den Endoberflächen 3b der zylindrischen Rollen 3 ist.
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Weiterhin, wie in 4 gezeigt, können die gekrümmten Abschnitte hergestellt werden durch Bearbeiten, bei dem ein flexibles Schleifmittel 5 in einem geneigten Zustand von nur einem geringfügigen Winkel α in Bezug auf die Endoberflächen 3b der zylindrischen Rollen 3 in Kontakt damit gebracht wird.
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Indem die gekrümmten Abschnitte 3d zwischen den Abschrägungen 3c und den Endoberflächen 3b der zylindrischen Rollen 3 gebildet werden, kann das Problem des Stands der Technik, das auftritt, wenn der Schieflaufwinkel in den Bereich θ0 < θ ≤ θT (einschließlich θ0 ≤ θ) fällt, das heisst, das Phänomen, dass die erste Grenze R13 zwischen den Endoberflächen 23b und den Abschrägungen 23c der zylindrischen Rollen 23 mit der zweiten Grenze R11 zwischen den Flanschoberflächen 21b 1 und den Vertiefungsrillen 21c (siehe 11) in Kontakt steht, vermieden werden. Dies wird nun mit Bezug auf 5A bis 5E erklärt werden.
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5B und 5C, wie in 5A gezeigt, zeigen einen Querschnitt A der zylindrischen Rollen 23 und der zweiten Grenze R11 eines Beispiels des Stands der Technik, betrachtet aus einer Richtung radial außerhalb des Lagers in Richtung der Lagermitte. 5D und 5E, wie in 5A gezeigt, zeigen einen Querschnitt der zylindrischen Rollen 3 und der ersten Grenze R1 der vorliegenden Erfindung, betrachtet aus einer Richtung radial außerhalb des Lagers in Richtung der Lagermitte.
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Gemäß dem Beispiel des Stands der Technik, wie in den 5B und 5C gezeigt, wenn die zylindrischen Rollen 23 in dem Bereich θ0 ≤ θ ≤ θT (einschließlich θ0 ≤ θ) schief laufen, steht die erste Grenze R13 zwischen den Endoberflächen 23b und den Abschrägungen 23c davon mit der zweiten Grenze R11 zwischen den Flanschoberflächen 21b 1 und den Vertiefungsrillen 21c in Kontakt. In diesem Falle, da sowohl die Kanten der zylindrischen Rollen 23 als auch die Flanschoberflächen 21b in Kontakt stehen, ist der Druck an der Kontaktoberfläche groß, wobei abnormale Hitzeentwicklung, Abnutzung etc. auftreten.
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Im Gegensatz, gemäß dem Beispiel der vorliegenden Erfindung, wie in 5D und 5E gezeigt, wenn die zylindrischen Rollen 3 innerhalb des Bereichs θ0 < θ ≤ θT (einschließlich θ0 ≤ θ) schief laufen, kommen die gekrümmten Abschnitte 3d in Kontakt mit der ersten Grenze R1 zwischen den Flanschoberflächen 1b 1 und den Vertiefungsrillen 1c. In diesem Fall ist der Druck an der Kontaktoberfläche klein, da gegenseitiger Kontakt zwischen Kantenabschnitten wie bei dem Beispiel des Stands der Technik vermieden werden kann, und abnormale Hitzeentwicklung, Abnutzung etc. treten nicht auf.
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Der Grund, warum die Bedingungen zum Bilden der gekrümmten Abschnitte 3d mit 0,8 ≤ h2/h1, 1 ≤ tan–1[δ/(h2 – h3)](°) angesetzt werden, ist wie folgt (h1: radiale Höhe von der Laufbahn 1a nahe den Vertiefungsrillen 1c; h2: zweite radiale Abmessung von der Laufbahn 3a zu der dritten Grenze R5 zwischen den gekrümmten Abschnitten 3d und den Endoberflächen 3b der zylindrischen Rollen 3; h3: erste radiale Abmessung der Abschrägungen 3c der zylindrischen Rollen 3; δ: axiale Abmessung von der vierten Grenze R3 zwischen den Abschrägungen 3c und den gekrümmten Abschnitten 3d zu den Endoberflächen 3b der zylindrischen Rollen 3).
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Normalerweise steht die erste radiale Abmessung der zylindrischen Rollen 3 in einer Beziehung zu der radialen Höhe h1 von etwa 0,5 ≤ h3/h1 ≤ 0,9, und sogar in einem Fall von h3/h1 = 0,5 ist der untere Grenzwert von h2/h1 0,8, um die radiale Breite (h2 – h3) der gekrümmten Abschnitte 3d der zylindrischen Rollen 3 aufrechtzuerhalten.
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Ebenso, normalerweise für zylindrische Rollen 3, sogar bei dem maximalen Schieflaufwinkel θMAX ist es nur ein Winkel von annähernd 0,5 bis 1,0°, jedoch ist 1 ≤ tan–1[δ/(h2 – h3)](°) so angesetzt, dass die gekrümmten Abschnitte 3d mit der ersten Grenze R1 zwischen den Flanschoberflächen 1b 1 und den Vertiefungsrillen 1c in Kontakt kommen, wenn die zylindrischen Rollen 3 innerhalb eines Bereichs von θ0 < θ ≤ θT (einschließlich θ0 < θ) schief laufen, wenn ein Scheitelpunktswinkel θ1 eines Dreiecks, das von der radialen Breite (h2 – h3) der zylindrischen Rollen 3 und der axialen Abmessung δ gebildet wird (siehe 6), 1° oder größer ist. Eine Überprüfung ist in Anbetracht dessen durch den folgenden Test unter Verwendung hergestellter Produkte ausgeführt worden, wobei tan–1[δ/(h2 – h3)] = 1° erfüllt ist.
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(Ausführungsformen)
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Testlager für die Beispiele des Stands der Technik und der vorliegenden Erfindung wurden gefertigt und in einer Testvorrichtung platziert. Der Antriebsbetrieb wurde unter den hiernach beschriebenen Bedingungen ausgeführt, worin nach der Beziehung zwischen Anzahl von Umdrehungen und Temperaturerhöhung gesehen bzw. gesucht wurde, und die Bedingungen des Auftretens von Abnutzung an den Endabschnitten der zylindrischen Rollen wurde beobachtet.
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(Testbedingungen)
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- Testlager: einreihiges Zylinderrollenlager N1020 (Beispiel des Stands der Technik, Beispiel der vorliegenden Erfindung)
- Anzahl von Umdrehungen: 2000 bis 8000 Upm (Maximum dn = 80 × 104)
- interner Zwischenraum: –5 μm (radialer interner Zwischenraum nach dem Zusammenbau)
- Schmierung: Fettschmierung
- Form der gekrümmten Abschnitte 3d (siehe 7): h2/h1 = 1,05 tan–1[δ/(h2 – h3)] = 1°
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(Testergebnisse)
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Ergebnisse von Temperaturerhöhung mit dem Beispiel des Stands der Technik und des Beispiels der vorliegenden Erfindung sind in 8 gezeigt. Mit dem Beispiel des Stands der Technik ist die Temperaturerhöhung des Lagers hoch, und ebenso wurde die Lagertemperatur bei 7000 Upm instabil, und daher konnte der Test nicht fortgesetzt werden. Nach der Begutachtung des Lagers nach dem Test wurde das Auftreten von Abnutzung an der ersten Grenze R13 zwischen den Endoberflächen 23b und den Abschrägungen 23c der zylindrischen Rollen 23, und an der zweiten Grenze R11 zwischen den Flanschoberflächen 21b 1 und den Vertiefungsrillen 21c des inneren Rings 21 bestätigt.
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Im Gegensatz, mit dem Beispiel der vorliegenden Erfindung, war die Temperaturerhöhung des Lagers niedrig, und stabiles Antreiben bei 8000 Upm war möglich. Der Antriebsbetrieb wurde daher für 1000 Stunden ausgeführt, wonach das Lager begutachtet wurde. Eine Abnutzung an den Endoberflächen 3b der zylindrischen Rollen 3 war nicht sichtbar, mit ausschließlich, was als Kontaktabdrücke a auf den gekrümmten Abschnitten 3d angesehen wurde, die von geringfügigem Kontakt mit den Flanschabschnitten 1b des inneren Rings 1 herrühren (siehe 9), und daher waren Auswirkungen der vorliegenden Erfindung überprüfbar. Weiterhin wurde die Wirksamkeit der vorliegenden Erfindung, wenn tan–1[δ/(h2 – h3)] = 1° erfüllt war, ebenso bestätigt. Daher ist der untere Grenzwert von tan–1[δ/(h2 – h3)] als 1 angesetzt.