DE2030055B2 - Wälzlager - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Wälzlager mit einem äußeren und einem inneren Laufring und zwischen diesen angeordneten Rollen, wobei ein Laufring mit einer zylindermantelförmigen Lauffläche ausgebildet ist und der andere Laufring mit einer Lauffläche, die an ihrem einen axialen Ende einen größeren Durchmesser als an ihrem anderen axialen Ende aufweist.

Bei einem bekannten Wälzlager (USA.-Patentschrift 2664325) sind eine äußere konische Lauffläche, eine innere zylindermantelförmige Lauffläche und zwischen diesen im wesentlichen konische Rollen vorgesehen, wobei letztere so profiliert sind, daß ein mittlerer Teil jederzeit als Kontaktfläche wirkt.

Bei jedem Lager veranlaßt eine radiale Belastung, daß eine gewisse Anzahl der Rollen die Belastung aufnehmen, welche Zahl von den im Lager herrschenden Spielen abhängt.

Im allgemeinen werden weniger als die Hälfte der Rollen die Belastung aufnehmen. Die Veränderliche radiale Belastung bringt eine belastete Rolle zur Anlage gegen die Lauffläche des inneren Laufringes. Die unbelasteten Rollen bleiben infolge der Fliehkräfte im allgemeinen in Anlage gegen die äußere Lauffläche. Das innere Spiel in dem Lager reicht aus, um einen Spalt zwischen den unbelasteten Rollen und der inneren Lauffläche und bei auf einer Axialseite des Lagers erfolgendem Lastangriff den der Lagerbelastung proportionalen Fluchtungsfehlerwinkel zu bilden.

Bei einer Ausgestaltung eines Wälzlagers in der eingangs erwähnten Art ergibt sich bei starken einseiligen Belastungen ein Fluchtungsfehlerwinkel, der zu einem frühzeitigen Verbrauch des Lagers führt. Dies gilt auch für Lager, bei denen zylindrische bzw. konvex

ι» gewölbte Rollen zwischen Laufflächen, von denen mindestens eine konvex gewölbt ist, angeordnet sind (z. B. britische Patentschrift 803 501, französische Patentschrift 897201).

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein

Wälzlager der eingangs erwähnten Art so auszugestalten, daß bei derartigen Belastungen eine gleichmäßigere Kraftverteüung unter Ausgleich des Fluchtungsfehlerwinkels erzielt wird, wodurch die Lebensdauer des Lagers erhöht wird.

»ο Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Lauffläche des anderen Laufrings oder die Mantelflächen der zu ihrer radialen Mittelebene symmetrischen Rollen oder beide konvex profiliert sind und die Lauffläche des anderen Laufrings so geformt ist, daß im unbelasteten Zustand des Lagers die Berührungslinie zwischen dem anderen Laufring und den Rollen in einer Ebene liegt, die parallel zur Lagermittelebene verläuft und gegenüber dieser entgegen der bei Belastung zu erwartenden Verlagerung der

Berührungslinie um einen Betrag axial versetzt ist, der dem Fluchtungsfehlerwinkel bei einer vorgegebenen belastung entspricht. Das unbelastete Lager wird also unter Berücksichtigung eines aus der zu erwartenden Belastung errechneten Fluchtungsfehlerwinkels aus-

gebildet, bei dessen Auftreten die Belastung in der Lagermittelebene, also unter günstigsten Voraussetzungen, aufgenommen wird.

Außer der Lösung der zuvor erwähnten Aufgabe ergibt sich der Vorteil, daß beträchtliche Kosten dort

»ο eingespart werden können, wo verhältnismäßig billige Lager nur unter Schwierigkeiten ausgetauscht werden können, wie dies beispielsweise in Lokomotivantrieben der Fall ist. Durch die erhöhte Lebenszeit der Lager sind derartige Austausche seltener vorzuneh-

♦5 men.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Lauffläche des inneren Laufrings kegelstumpfmantelförmig und die der Rollen nach einem Kreisbogen profiliert verläuft.

Um die günstige Aufnahme auch unterschiedlich großer Belastungen, d. h. auch bei unterschiedlichen Fluchtungsfehlerwinkeln, zu ermöglichen, ist nach einem weiteren Merkmal der Erfindung vorgesehen, daß die Lauffläche des inneren Laufrings nach einem Kreisbogen profiliert ist, dessen Mittelpunkt außerhalb der Lagermittelebene liegt und dessen Sehne um den Fluchtungsfehlerwinkel zur Lagerhauptachse geneigt ist, und daß die Rollen zylindermantelförmige Laufflächen aufweisen. Die Einstellung des Lagers dergestalt, daß die Belastungen etwa in der Lagermittelebene aufgenommen werden, ist durch die Überlagerung der konvexen Profilierung mit der einem mittleren Fluchtungsfehlerwinkel entsprechenden Neigung der Fläche ermöglicht.

6s In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele von Wälzlagern nach der Erfindung dargestellt. In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 einen senkrechten Schnitt durch ein Rollen-

lager nach der Erfindung,

Fi g. 2 einen Schnitt, entsprechend Fig. 1, mit den Laufflächen in der Stellung des vorgegebenen Fluchtungsfehlerwinkels,

F i g. 3 einen senkrechten Schnitt durch eine zweite Ausführungsform eines Rollenlagers und

F i g. 4 einen der F i g. 3 entsprechenden Schnitt mit den Laufflächen in der Stellung des vorgegebenen Fluchtungsfehlerwinkels.

Bei der Bauform nach Fig. 1 trägt eine Welle Hi ein Ritzel 12 und ist in einem Lagerstuhl 14 durch ein Rollenlager 16 abgestützt. Das Rollenlager 16 enthält einen äußeren Laufring 18 mit einer zylindermantelförmigen Lauffläche 20. Das Rollenlager enthält mehrere konvex gewölbte Mantelflächen aufweisende Rollen 22, die in Umfangsrichtung durch einen Käfig 24 in Abstand voneinander gehalten sind. Ein innerer Laufring 26 hat eine kegelstumpfmantelförmige Lauffläche 28, die zur Lagerhauptachse 34 um einen auf Grund einer zu erwartenden Belastung P am Ritzel 12 errechneten Fluchtungsfehlerwinkel Θ ivneigt ist. Der Winkel Θ ist in den Fig. 1 und 2 tiivrtrieben groß dargestellt, um die Wirkungsweise der Erfindung besser zu erklären. Im allgemeinen betrugt der Winkel Θ weniger als 0,02 Radiant. Bei Auftreten der Belastung P am Ritzel 12 ergibt sich im Bereich der unbelasteten Rollen 22' zum Innenlii'ifring 26 ein Spalt 23.

Anordnungen gemäß Fi g. 1 sind beispielsweise bei starken Zugmotoren üblich, bei denen das Ritzel 12 i!;ts Ausgangsritzel bildet. Das AußerfluchUommen i\\ Ischen den beiden Laufflächen des Rollenlagers 16 kann in zwei Komponenten aufgeteilt werden. Die ersie ist der Belastung proportional und beruht auf der elastischen Verformbarkeit der Bauteile, beispielsweise der Laufringe, der Rollen, der Welle oder des Lagerstuhls usw. Die zweite Komponente ergibt sich aus den Spielen und Herstellungsungenauigkeiten des I agers und ist im wesentlichen lastunabhängig. Im allgemeinen werden diese Spiele bereits durch verhältnismäßig kleine Belastungen beseitigt. Die Abweichung auf Grund dieser beiden Einflüsse ist schematisch durch eine Bewegung der Lagerhauptachse 34 in die gestrichelt gezeichnete Kurve 30 in F i g. 1 dargestellt. Diese Kurve 30 ergibt sich zum Teil aus der elastischer. Verformbarkeit der Bauteile und zum Teil durch das Aufnehmen der Lagerspicle an beiden Enden der Welle. Die Linie 32 deutet die Lagermittelcbene an. Zur Erläuterung kann eine gerade Linie 30' mit einer Neigung der Kurve 30 entsprechenden Neigung zur Lagermittelebene 32 angenommen werden, wie dies in Fig. 2 dargestellt ist. Die Neigung der Linie 30' zur ursprünglichen Lagerhauptachse 34' beträgt Θ und entspricht dem Neigungswinkel der Lauffläche des inneren Laufringes 26. Während die Neigung der Welle bei einer vorgegebenen Belastung P analytisch ermittelt werden kann, ist dies bei anderen Einflüssen, wie Formänderungen des Lagerstuhls 14, des äußeren Laufrings 18, der Rollen 22 und der übrigen Teile des Lagers schwierig, so daß die Lösung besser durch Versuch gefunden wird. Für das Lager 16 wird daher ein errechneter Fluchtungsfehlerwinkel Θ zugrunde gelegt, der die Abweichung bestimmt, die bei einer vorgegebenen Belastung eintritt, so daß bei entsprechender Wahl der Neigung der Lauffläche des inneren Laufrings die Kontaktfläche zwischen der Lauffläche 28 und der belasteten Rolle 22 diametral der Belastung P gegenüberliegend in der Lagermittelebene 32 (Fig. 2) liegt. Bei der vorgegebenen Belastung läuft das Lager unter diesen Bedingungen. Obwohl im Ausführungsbeispiel die innere Lauffläche geneigt ausgebildet ist und die Außcnlauifläche zyiindermantelförmig gestaltet ist, könnte die geneigte Fläche auch an der äußeren Lauffläche gebildet sein.

Ein in dieser Weise ausgebildetes Lager weist eine erhöhte Lebenszeit auf, ist jedoch gegen Änderungen

ίο der vorgegebenen Belastung empfindlich. Diese Bauform ist daher besonders geeignet, wenn die Belastung P im wesentlichen konstant ist und Änderungen kaum vorkommen bzw. klein gegenüber den lastunabhängigen Einflüssen sind, wie dies z. B. im Falle eines starren Lagerstuhls, eines starren Gehäuses und verhältnismäßig großer radialer Spiele im Lager der Fall ist. Ein derartiges Lager würde an den Rollen nur eine übliche Proiilierung erfordern, die eine Kantenbeanspruchung ausschließt. Bei Betriebszuständen, bei denen sich die Belastung innerhalb eines gegebenen Bereiches ändert und die Verlagerung infolge elastischer Verformung bedeutend ist, wird eine weitere Maßnahme an dem Lager vorgenommen. Wie bereits erwähnt, kann das gesamte Außerfluchtkommen in einem Lager als Ergebnis zweier Einflüsse angesehen werden, von denen der eine der Belastung proportional und der andere von der Belastung unabhängig ist. Jeder dieser Anteile wird in unterschiedlicher Weise ausgeglichen. Der Einfluß der Belastung wird durch eine Neigung einer oder mehrerer der Komponenten des Rollenlagers ausgeglichen, und Änderungen dieser Belastung von dem vorgegebenen Wen veranlassen Änderungen des Fluchtungsfehlerwinkels im Lager. Diese Änderungen werden durch eine Profilierung mit konvexen Flächen an einer oder an zwei Komponenten des Rollenlagers ausgeglichen. Diese konvexen Flächen dienen zugleich dem Ausgleich des Anteils der Abweichung, der lastunabhängig ist, also auf Änderungen im Spiel beruht oder durch Herstellungstoleranzen bedingt ist. Bei der Überlagerung einer Neigung und einer Profilierung ist Hauptaugenmerk darauf zu richten, daß eine maximale Ermüdungszeit erreicht wird, d. h. etwa gleiche Ermüdungszeiten in der Mitte und an den Seiten der Rollen. Zu diesem Zweck kann die Profilierung oder die konvexe Fläche eines oder zweier Lagerteile abgewandelt werden, um übermäßige Spannungen im Randbereich wie auch im mittleren Bereich der Rollen zu verhindern.

Ähnlich, wie die Neigung an verschiedenen Teilen des Lagers vorgesehen werden kann, besteht auch weitgehende Freiheit bezüglich der Anordnung der Profilierung. Bei dem Ausführungsbeispiel in Fig. 1 ist die gesamte Profilierung in die Rollen gelegt, so

daß die innere Lauffläche eine rein kegelstumpfniantclförmige Fläche ist und die äußere Lauffläche eine reinzylindcrmantelförmige. Die Rollen in Fig. 1 und 2 sind nach einem Kreisbogen profiliert, jedoch kann auch eine andere Profilierung mit veränderlicher Krümmung vorgesehen und auch erwünscht sein, wie auch nicht erforderlich ist, daß die Profilierung symmetrisch zur Lagermittelebene 32 ausgebildet wird. In der Zeichnung ist das Ausmaß der Profilierung übertrieben stark dargestellt. Die Abweichung der Rollen von der reinen Zylinderform wird in der Praxis nur wenige hundertstel Millimeter betragen, jedoch ist diese Profilierung stärker, als sie normalerweise üblich ist, um Kantenbelastungen an den Rollen zu

vermeiden. In abgewandelter Weise können die RoI- stelle bei der in Fig. 3 dargestellten ausgerichteter

len auch rein zylindrisch ausgebildet sein, wobei dann Lage ist. Der Abstand g des Punktes X von der La-

eine Profilierung der Lauffläche eines Laufrings vor- germittelebene 132 errechnet sich, wie sich aus Fi g. A

genommen wird. Ebenso ist es möglich, eine Laufflä- ergibt, zu etwa

ehe und die Rollen mit Profilen zu versehen. 5 _

Eine abgewandelte Bauform ist in den Fig. 3 und g— R&.

4 dargestellt, bei der die Neigung an der Lauffläche Schwingt der Innenlauf ring 126 in die Lage gemäC des inneren Laufrings wie bei der ersten Ausführungs- Fig. 3 zurück, so dreht sich der Radius R' um der form vorgesehen ist. Die äußere Fläche ist zylinder- Punkt X, bis die profilierte Lauffläche 128 tangential mantelförmig und die gesamte Profilierung ist in die »« zur Rolle im Punkt X liegt. Der Radius R' steht dann innere Lauffläche gelegt, während die Rollen nur die senkrecht zur ursprünglichen Hauptlagerachse 134. zur Vermeidung übermäßiger Kantenbeanspruchung und sein Mittelpunkt C liegt in einer Ebene 138, parnotwendige Profilierung aufweisen. Die Rollen sind allel zur Lagermittelebene 132 und in einem Abstand in F i g. 3 und 4 als reine Zylinder ohne Übertreibung von dieser, entsprechend dem Wert g. Bei dieser Ausder Profilierung dargestellt, während die Neigung und 15 führungsform ergibt sich eine einfache Herstellung. die Profilierung an der inneren Lauffläche zur besse- da die gesamte Lauffläche des inneren Laufrings ah ren Deutlichkeit stark übertrieben gezeichnet sind. Umdrehungskörper um die Achse des Innenlaufringes Bauteile, die mit der ersten Ausführungsform nach mit einem Kreisbogen als Erzeugender herstellbar ist. Fig. 1 und 2 vergleichbar sind, haben gleiche Bezugs- Wichtig ist nur die Profilierung der inneren Lauffläzeichen, jedoch um die Zahl 100 erhöht, erhalten, *> ehe, die mit einer belasteten Rolle 122 in Berührung

Nach Fig. 4 hat der innere Laufring 126 eine steht,da die Bedingungen an den unbelasteten Rollen

gleichmäßig gewölbte Lauffläche 128, wobei eine Pro- unbeachtlich sind.

filierung einer um den errechneten Fluchtungsfehler- So ergibt sich aus Fig. 3, daß der innere Laufring winkel θ einer um den errechneten Fluchtungsfehler- 126 eine Lauffläche 128 in Form eines Kreisbogens winkel θ geneigten kegelstumpfmantelförmigen Fla- »5 hat, dessen Mittelpunkt gegenüber der Lagermittelche überlagert ist. Im allgemeinen kann die Lauffläche ebene 132 versetzt is:. Bei Überlagerung eines kreis- 128 nach einer kontinuierlichen Kurve ausgebildet bogenförmigen Profils auf einem Lagerteil mit einer sein. Bei der Wahl der Profilierung muß wiederum errechneten Neigung muß berücksichtigt werden, daß berücksichtigt werden, daß eine über den gesamten die zuvor erwähnte Abhängigkeit zwischen dem Ra-Kontaktbereich gleichmäßige Ermüdungszeit erreicht 30 dius R der Profilierung und dem Abstand g des Mitwird. Die Kurve sollte eine Neigung Null in der Lager- telpunktes der Profilierung von der Lagermittelebene mittelebene 132 haben, wenn die innere Lauffläche durch den errechneten Fluchtungsichlerwinkel Θ ge- 128 in ihrer in Fig. 4 dargestellten Lage ist. Diese geben ist. Unter Berücksichtigung dieser AMiängig-Kurve ist in den Fig. 3 und 4 als Kreisbogen mit einem keit kann R und g bestimmt werden, um eine gleichverhältnismäßig großen Radius R dargestellt. Dieser 35 mäßige Ermüdungszeit an den Enden und in der Mitte Kreisbogen verläuft so, daß bei der in Fig. 4 darge- der Rollen bei den gegebenen Betriebsbedingungen stellten Lage des inneren Laufrings 126 der Mittel- des Lagers innerhalb eines veränderlichen BeIapunkt C des Kreisbogens in der Lagermittelebene 132 stungsbereichs zu erzielen.

liegt und damit die herrschende Belastung P gleich- Als ein Beispiel sei angegeben, daß bei einem Lager

mäßig auf die Rollen 122 überträgt. 40 gemäß Fig. 3 und 4 bei einem Nennaußendurchmes-

In F ig. 4 ist der Radius Λ die Entfernung vom Mit- ser von 279,4 mm das Lager eine Bohrung von telpunkt C bis zur Berührungsstelle in der Lagcrmit- 129,5 mm aufwies und der Durchmesser des inneren telebene 132. Der Radius R steht somit senkrecht zur Laufringes 165,1 mm betrug. Durch Versuch wurde ursprünglichen Lagerhauptachse 134'. wobei der Mit- ermittelt, daß das Lager einen errechneten Fluchtelpunkt C in der Lagermittelebene 132 liegt. R' ist 45 tungsfehlerwinkel von etwa 0,00067 Radiant haben ein Radius, der senkrecht zur als Gerade angenomme- sollte. Die innere Lauffläche war nach einem Kreisbo nen verlagerten Lagerhauptachse 130' liegt und somit gen profiliert, dessen Radius 7620 mm betrug, wobei um den Winkel θ zum Radius R verdreht ist. Der der Mittelpunkt etwa 5,1 mm aus der Lagermiltd Radius R' legt den Punkt X fest, der die Berührungs- ebene versetzt lag.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Wälzlager mit einem äußeren und einem inneren Laufring und zwischen diesen angeordneten Rollen, wobei ein Laufring mit einer zylindermantelförmigen Lauffläche ausgebildet ist und der andere Laufring mit einer Lauffläche, die an ihrem einen axialen Ende einen größeren Durchmesser als an ihrem anderen axialen Ende aufweist, d adurch gekennzeichnet, daß die Lauffläche des anderen Laufringes (126) oder die Mantelfläche der zu ihrer radialen Mittelebene symmetrischen Rollen (22) oder beide konvex profiliert sind und die Lauffläche des anderen Lauf rings (26; 126) so geformt ist, daß im unbelasteten Zustand des Lagers die Berührungslinie zwischen dem anderen Laufring und den Rollen in einer Ebene liegt, die parallel zur Lagermittelebene verläuft und gegenüber dieser entgegen der bei Belastung zu erwartenden Verlagerung der Berührungslinie um einen Betrag (g) axial versetzt ist, der dem Fluchtungsfehlerwinkel (Θ) bei einer vorgegebenen Belastung entspricht.

2. Wälzlager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lauffläche des inneren Laufrings (26) kegelstumpfmantelförmig und die der Rollen (22) nach einem Kreisbogen profiliert verläuft.

3. Wälzlager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lauffläche des inneren Laufrings (126) nach einem Kreisbogen profiliert ist, dessen Mittelpunkt außerhalb der Lagermittelebene (132) liegt und dessen Sehne um den FJuchtungsfehlerwinkel ( 0) zur Lagerhauptachse geneigt ist, und daß die Rollen (122) zylindermantelförmige Laufflächen aufweisen.