DE60210884T2

DE60210884T2 - 4-Kontaktpunkt- Kugellager

Info

Publication number: DE60210884T2
Application number: DE60210884T
Authority: DE
Inventors: Norio Minamiazumi-gun Nagano-ken Shirokoshi; Harushige Minamiazumi-gun Nagano-ken Aoyagi
Original assignee: Harmonic Drive Systems Inc
Current assignee: Harmonic Drive Systems Inc
Priority date: 2001-09-25
Filing date: 2002-09-24
Publication date: 2007-05-24
Anticipated expiration: 2022-09-25
Also published as: US20030059142A1; EP1296074A3; EP1296074A2; EP1296074B1; JP2003097564A; DE60210884D1; US6837623B2

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG 1. Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Kugellager mit 4-Punkt-Berührung und betrifft im Spezielleren ein Kugellager mit 4-Punkt-Berührung, das einen Anstieg von unterschiedlichem Schlupf zwischen Kugeln und Laufbahnoberflächen unterdrücken kann, wenn die Kontaktwinkel zwischen den Kugeln und den Laufbahnoberflächen sich aufgrund von Fehlern bei der spanenden Bearbeitung in den Laufbahnoberflächen und dergleichen verändern.
2. Einschlägiger Stand der Technik
Wie in 3 gezeigt ist, weist ein typisches Kugellager 100 mit 4-Punkt-Berührung einen Außenring 102, einen Innenring 103 sowie Kugeln 105 auf. Die Kugeln 105 sind in eine ringförmige Laufbahn eingesetzt, die zwischen einer Innenumfangsfläche des Außenrings 102 und einer Außenumfangsfläche des Innenrings 103 in einer derartigen Weise ausgebildet ist, dass eine 4-Punkt-Berührung hergestellt werden kann. Die ringförmige Laufbahn ist durch ein Paar ringförmiger Laufbahnflächen 106, 107 des Außenrings 102 sowie durch ein Paar ringförmiger Laufbahnflächen 108, 109 des Innenrings 103 gebildet. Bei der Bildung eines Querschnitts des Kugellagers 100 mit 4-Punkt-Berührung in einer Ebene, die eine zentrale Rotationsachse beinhaltet, ist das Profil jeder ringförmigen Laufbahnfläche durch einen Kreisbogen gebildet, der die Kugeln 105 umschreiben kann.
Die Krümmungszentren 106a, 107a, 108a und 109a dieser ringförmigen Laufbahnflächen 106 bis 109 sind zueinander versetzt, so dass bei Aufbringen einer radialen Last die Kugeln 105 mit den vier ringförmigen Laufbahnflächen 106 bis 109 in Berührung treten. Bei Aufbringen einer axialen Last oder bei derartigen Lastverhältnissen, dass die axiale Last dominant ist, treten die Kugeln 5 des Kugellagers 100 mit 4-Punkt-Berührung nur mit einer ringförmigen Laufbahnfläche an dem Innenring 103 bzw. dem Außenring 102 in Berührung. Dies geschieht in der gleichen Weise wie in der Situation, in der ein einreihiges winkeliges Kugellager einer axialen Kraft ausgesetzt wird.
Es ist nur eine sehr geringe Differenz in den Krümmungsradien zwischen den Kugeln 105 und den die vier Laufbahnflächen 106 bis 109 bildenden Kreisbögen vorhanden. Aus diesem Grund führen Fehler bei der spanenden Bearbeitung der Laufbahnflächen 106 bis 109 zu hohen Schwankungen bei den Kontaktstellen zwischen den Laufbahnflächen 106 bis 109 und den Kugeln 105. Als Ergebnis hiervon variieren die Berührungswinkel der Kugeln, wobei dies die Leistungseigenschaften des Lagers stark beeinträchtigt.
Auch aufgrund von elastischer Verformung des Innenrings 103 und des Außenrings 102 wird die Berührung zwischen den Kugeln 106 und den Laufbahnflächen 105 bis 109 nicht zu einer punktförmigen Berührung, sondern zu einer Berührung innerhalb ovaler Flächen 110, die eine Hauptachse in Richtung der zentralen Rotationsachse haben und eine Nebenachse in Wälzrichtung der Kugeln 105 haben. An unterschiedlichen Stellen innerhalb dieser Berührungsflächen ist die Distanz von der zentralen Rotationsachse für die Kugeln 105 und die Laufbahnringe 102, 103 nicht konstant, so dass Schlupf zwischen den Außenumfangsflächen der Kugeln 105 und den Laufbahnringen 102, 103 auftritt.
Wenn die Berührungsstellen der Kugeln 105 und der Laufbahnflächen 106 bis 109 aufgrund von Fehlern bei der spanenden Bearbeitung der Laufbahnflächen 106 bis 109 variieren, wie z.B. bei Entstehung eines Spalts mit einer Distanz C zwischen zentralen Berührungsstellen 112 und 113, wird ferner der rotationsmäßige Schlupf der Kugeln 105 ausgeprägter.
KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Ein Ziel der vorliegenden Erfindung besteht in der Schaffung eines Kugellagers mit 4-Punkt-Berührung, das sowohl Schwankungen bei den Berührungsstellen zwischen Kugeln und den Laufbahnflächen unterdrücken kann als auch eine Zunahme beim rotationsmäßigen Schlupf der Kugeln aufgrund von Fehlern bei der spanenden Bearbeitung der Laufbahnflächen und dergleichen unterdrücken kann und darüber hinaus auch differenziellen Schlupf zwischen den Laufbahnflächen und den Kugeln unterdrücken kann.
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zum Herstellen des erfindungsgemäßen Kugellagers mit 4-Punkt-Berührung anzugeben.
Zum Erreichen der vorstehenden Ziele sowie weiterer Ziele beinhaltet ein Kugellager mit 4-Punkt-Berührung gemäß der vorliegenden Erfindung (die in dem unabhängigen Vorrichtungsanspruch 1 bzw. dem unabhängigen Verfahrensanspruch 2 definiert ist) vier ringförmige Berührungsflächen zum Bilden einer ringförmigen Laufbahn. Jede der vier ringförmigen Berührungsflächen hat im Schnitt entlang einer Ebene, die eine zentrale Rotationsachse der Kugeln und eine zentrale Rotationsachse der ringförmigen Laufbahn beinhaltet, ein durch eine konkave Kurve gebildetes Schnittprofil. Ferner ist die konkave Kurve derart ausgebildet, dass ihr Krümmungsradius an einer Kugel-Berührungsstelle am Größten ist und in Richtung von der Kugel-Berührungsstelle weg allmählich kleiner wird.
Das Kugellager mit 4-Punkt-Berührung, das die Laufbahnflächen gemäß der vorstehend beschriebenen Definition aufweist, lässt sich folgende Schritte herstellen.
Als Erstes erfolgt ein Annähern von Bogenflächen, die die Kugeln umschreiben können, an die vier ringförmigen Berührungsflächen. Anschließend werden Läpp-Kugeln bereitgestellt, die den gleichen Durchmesser wie den der Kugeln aufweisen, bei denen es sich um Bauteil-Kugeln des Kugellagers mit 4-Punkt-Berührung handelt. Die Bogenflächen werden einem Läpp-Vorgang mittels der Läpp-Kugeln unterzogen, so dass man die resultierenden Laufbahnflächen erhält. Zum Beispiel werden die inneren und die äußeren Ringelemente mit den Bogenflächen ausgebildet und zum Bilden der ringförmigen Laufbahn zusammengebaut. Anschließend werden die Läpp-Kugeln in die ringförmige Laufbahn eingesetzt, und die Bogenflächen werden einem Läpp-Vorgang mittels der Läpp-Kugeln unterzogen.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
In den Zeichnungen zeigen:
1A und 1B eine Schnittdarstellung bzw. eine fragmentarische Seitenansicht zur Erläuterung eines Beispiels eines Kugellagers mit 4-Punkt-Berührung gemäß der vorliegenden Erfindung;
2 eine erläuternde Darstellung der konkaven Kurven, die die Laufbahnflächen des Kugellagers mit 4-Punkt-Berührung gemäß 1 definieren; und
3 eine erläuternde Darstellung zur Veranschaulichung der Probleme bei einem herkömmlichen Kugellager mit 4-Punkt-Berührung.
BESCHREIBUNG DES BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELS
Unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen wird nun ein Ausführungsbeispiel eines Kugellagers mit 4-Punkt-Berührung gemäß der vorliegenden Erfindung beschrieben.
Die 1A und 1B zeigen eine Schnittdarstellung bzw. eine fragmentarische Seitenansicht eines Ausführungsbeispiels eines Kugellagers mit 4-Punkt-Berührung. Wie in diesen Zeichnungen gezeigt ist, besitzt das Kugellager 1 mit 4-Punkt-Berührung einen integralen Außenring 2, einen integralen Innenring 3 sowie eine Mehrzahl von Kugeln 5. Die Kugeln 5 sind in eine ringförmige Laufbahn 4, die zwischen dem Außenring 2 und dem Innenring 3 gebildet ist, derart eingesetzt, dass sie eine freie Wälzbewegung entlang der ringförmigen Laufbahn 4 ausführen können. Ein linkes und ein rechtes Paar Laufbahnflächen 6, 7 ist in der Innenumfangsfläche des Außenrings 2 gebildet, und ein linkes und ein rechtes Paar Laufbahnflächen 8, 9 ist in der Außenumfangsfläche des Innenrings 3 gebildet.
Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist ein Kugeleinsetzbereich 10 in einer Seitenfläche des Innenrings 3 gebildet. Der Kugeleinsetzbereich 10 ist gebildet durch eine Einsetzöffnung 11, die sich von einer Seitenfläche des Innenrings 3 bis zu der ringförmigen Laufbahn 4 erstreckt, einen in die Einsetzöffnung 11 eingepassten Stopfen 12 sowie einen Schraubbolzen 13 zum Anbringen des Stopfens 12 an dem Innenring 3. Der Stopfen 12 ist an seiner der ringförmigen Laufbahn 4 zugewandten Endfläche mit einem Laufbahnflächenteil 12a ausgebildet. Das Laufbahnflächenteil 12 ist kontinuierlich mit einer der in dem Innenring 3 ausgebildeten Laufbahnflächen ausgebildet, nämlich der Laufbahnfläche 7.
2 zeigt eine vergrößerte fragmentarische Schnittdarstellung zur Erläuterung einer Querschnittsgestalt des Kugellagers 1 mit 4-Punkt-Berührung in einer Ebene, die eine zentrale Rotationsachse 1a der ringförmigen Laufbahn 4 sowie eine zentrale Rotationsachse 5a einer der Kugeln 5 beinhaltet. Die Laufbahnflächen 6, 7 und 8, 9 des vorliegenden Ausführungsbeispiels sind folgendermaßen definiert. Bei Betrachtung entlang einer Ebene, die die zentralen Rotationsachsen 1a und 5a beinhaltet, werden als Erstes Berührungsstellen 22 zwischen den Kugeln 5 und den Laufbahnflächen an 45-Grad-Positionen von der zentralen Rotationsachse 5a der Kugeln 5 gesetzt (wobei dies heißt, dass der Berührungswinkel mit 45° gewählt ist). Anschließend wird die theoretische Formgebung eines Kreisbogens 21 (in unterbrochener Linie dargestellt), der die Kugeln 5 umschreibt, unter Verwendung herkömmlicher Verfahren gezogen, so dass das Zentrum des Kreisbogens an einer mit dem Bezugszeichen 21a bezeichneten Stelle liegt. Anschließend wird der Kreisbogen 21 derart modifiziert, dass der Krümmungsradius in Richtung von der Berührungsstelle 22 weg geringer wird, um dadurch eine konkave Kurve zu erzielen, die die Laufbahnfläche 6 definiert. Die übrigen Laufbahnflächen 7, 8, 9 werden in der gleichen Weise definiert.
Die durch diese konkaven Kurven definierten Laufbahnflächen 6 bis 9 lassen sich folgendermaßen herstellen. Als Erstes werden ein inneres Ringelement bereitgestellt. Diese Elemente werden mit Laufbahnflächen ausgebildet, an die Bogenflächen angenähert werden, die die Bauteil-Kugeln 5 umschreiben können. Nach der Montage des inneren und des äußeren Ringelements zur Bildung einer ringförmigen Laufbahn zwischen diesen werden Läpp-Kugeln mit dem gleichen Durchmesser wie dem der Bauteil-Kugeln 5 in die ringförmige Laufbahn eingesetzt. Anschließend werden die Bogenflächen des inneren und des äußeren Ringelements einem Läpp-Vorgang mit den Läpp-Kugeln unterzogen, so dass man den Außen- und den Innenring 3, 4 mit den fertig gearbeiteten Laufbahnflächen 6, 7 bzw. 8, 9 erhält.
Da bei dem Kugellager 1 mit 4-Punkt-Berührung gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel die Laufbahnflächen 6, 7, 8, 9 in dieser Weise definiert werden, können Schwankungen bei den Berührungsstellen 22 zwischen den Laufbahnflächen 6, 7, 8 und 9 den Kugeln 5 aufgrund von Fehlern bei der spanenden Bearbeitung und dergleichen unterdrückt werden. Auch kann rotationsmäßiger Schlupf der Kugeln 5 verringert werden. Da die Berührungsflächen der Laufbahnflächen 6, 7, 8, 9 und der Kugeln 5 reduziert werden können, kann auch differenzieller Schlupf zwischen den Laufbahnflächen 6, 7, 8, 9 und den Kugeln 5 reduziert werden. Darüber hinaus sind Spalte zwischen den Laufbahnflächen und den Kugeln an von den Berührungsstellen 22 abgelegenen Stellen größer als in dem Fall der Verwendung herkömmlicher gekrümmter Flächen, wobei dies zum Schmieren wirksam ist.
Wie vorstehend beschrieben worden ist, sind bei dem Kugellager mit 4-Punkt-Berührung gemäß der vorliegenden Erfindung die vier ringförmigen Laufbahnflächen, die die ringförmige Laufbahn bilden, durch die gekrümmten Oberflächen definiert, deren Querschnittsprofil im Schnitt entlang einer Ebene, die die zentrale Rotationsachse der ringförmigen Laufbahn sowie die zentrale Rotationsachse der jeweiligen Kugeln beinhaltet, durch die konkave Kurve definiert ist. Die konkave Kurve ist derart definiert, dass ihr Krümmungsradius an den Berührungsstellen, an denen die Oberflächen mit den Kugeln in Berührung treten, am Größten ist und der Krümmungsradius entlang der Laufbahnflächen in Richtung von den Berührungsstellen weg geringer wird.
Durch Definieren der Laufbahnflächen in dieser Weise können Schwankungen bei den Positionen der Berührungsstellen zwischen den Kugeln und den Laufbahnflächen aufgrund von Fehlern bei der spanenden Bearbeitung und dergleichen unterdrückt werden, so dass rotationsmäßiger Schlupf der Kugeln verringert werden kann. Da die Berührungsflächen zwischen den Laufbahnoberflä chen und den Kugeln reduziert werden können, wird auch differenzieller Schlupf zwischen den Laufbahnflächen 6, 7, 8, 9 und den Kugeln 5 verringert.

Claims

Kugellager mit 4-Punkt-Berührung, aufweisend: einen Innenring (3), der in seiner Außenumfangsfläche mit zwei ringförmigen Berührungsflächen (8, 9) ausgebildet ist, einen Außenring (2), der in seiner Innenumfangsfläche mit zwei ringförmigen Berührungsflächen (6, 7) ausgebildet ist, und eine ringförmige Laufbahn (4), die zwischen den vier ringförmigen Berührungsflächen (6, 7, 8, 9) ausgebildet ist, sowie Kugeln (5), die in die ringförmige Laufbahn (4) derart eingesetzt sind, dass sie eine freie Wälzbewegung entlang der ringförmige Laufbahn ausführen können, wobei jede der vier ringförmigen Berührungsflächen (6, 7, 8, 9) im Schnitt entlang einer Ebene, die eine zentrale Rotationsachse (5a) jeder Kugel (5) und eine zentrale Rotationsachse (1a) der ringförmigen Laufbahn (4) beinhaltet, ein durch eine konkave Kurve gebildetes Schnittprofil aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die konkave Kurve derart ausgebildet ist, dass sie die Kugel (5) umschreibt und dass ein Krümmungsradius von dieser an einer Kugel-Berührungsstelle am größten ist und in Richtung von der Kugel-Berührungsstelle weg allmählich kleiner wird.
Verfahren zum Herstellen eines Kugellagers mit 4-Punkt-Berührung nach Anspruch 1, das folgende Schritte aufweist: Annähern von Bogenflächen, die die Kugeln umschreiben können, an die ringförmigen Berührungsflächen; Läppen der Bogenflächen mit einer oder mehreren Läpp-Kugeln mit dem gleichen Durchmesser wie dem der Bauteil-Kugeln.
Verfahren zum Herstellen eines Kugellagers mit 4-Punkt-Berührung nach Anspruch 2, wobei ein inneres und ein äußeres Ringelement bereitgestellt und mit den Bogenflächen ausgebildet werden; wobei das innere und das äußere Ringelement unter Bildung einer zwischen ihnen vorhandenen ringförmigen Laufbahn montiert werden; wobei die Läpp-Kugel oder -Kugeln in die ringförmige Laufbahn eingesetzt werden; und wobei die Bogenflächen einem Läpp-Vorgang mittels der Läpp-Kugeln unterzogen werden.