CH642724A5

CH642724A5 - Drehmomentuebertragende, axial verschiebbare lagerung einer welle.

Info

Publication number: CH642724A5
Application number: CH950479A
Authority: CH
Inventors: Guenter Blaurock; Ernst Albert; Klaus Reichert; Rudolf Schlereth
Original assignee: Star Kugelhalter Gmbh Dt
Priority date: 1978-11-16
Filing date: 1979-10-23
Publication date: 1984-04-30
Also published as: GB2040393A; FR2441758A1; BE879996A; NL7908170A; DE2849758A1; DE2849758C2; US4312545A; IT7915296V0; IT7912795A0; IT1124218B; NL187709C; GB2040393B; DD146991A5; JPS5569318A; FR2441758B1; JPH0154570B2; SE7908556L; NL187709B; SE434552B

Description

Die Erfindung betrifft eine drehmomentübertragende und axial verschiebbare Lagerung einer Welle in einem Gehäuse, umfassend eine in eine Buchsenaufnahmebohrung des Gehäuses eingesetzte Kugelbüchse mit in Kugelumlaufbahnen geführten Kugelkränzen, von denen j eweils ein lastübertragender Kugelkranzabschnitt nach radial innen an der Welle und nach radial aussen an einer Aussenstützfläche anliegt, wobei der lasttragende Kugelkranzabschnitt mindestens eines Kugelkranzes wellenseitig in eine Laufbahnrille der Welle und stützflächenseitig in eine Laufbahnrille einer in die Kugelbüchse eingebauten Laufplatte drehmomentübertragend eingreift und wobei diese Laufplatte durch mindestens eine Radialspannvorrichtung innerhalb einer radial zur Büchsenaufnahmebohrung gerichteten Spannbohrung radial einwärts drückbar ist.

Eine solche Lagerung ist bekannt.

Bei der bekannten Vorrichtung greift die Spannvorrichtung, welche im wesentlichen von einem in der Spannbohrung eingeschraubten Gewindebolzen gebildet ist, mit einem radial inneren, zentralen, gegenüber dem Bolzendurchmesser durchmesserverringerten kegelstumpfförmigen Fortatz lose in eine konische Nut an der Aussenseite der Laufplatte ein. Es hat sich gezeigt, dass bei dieser Ausbildung ein Kippen der Laufplatte um eine der Büchsenachse parallele Kippachse im Bereich der Anlage zwischen Spannbolzen und Laufplatte nicht völlig ausgeschlossen ist, insbesondere dann nicht, wenn grosse Drehmomente übertragen werden sollen und wenn die Büchse aus einem nachgiebigen Material, beispielsweise Kunststoff, gefertigt ist, so dass die Laufplatte sich relativ zu der Kunststoffkonstruktion der Büchse bewegen kann. Dies bedeutet, dass bei Drehmomentbeanspruchung eine Winkelnachgiebigkeit besteht, die sich auf die Führungsgenauigkeit negativ auswirkt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mit einfachen Mitteln und insbesondere ohne höhere Qualität des für die Herstellung der Kugelbüchse und der Laufplatten angewandten Werkstoffes sowie der für die Fertigung dieser Teile angewandten Präzision dafür zu sorgen, dass die Drehmomentsteifigkeit der Lagerung und damit die Führungsgenauigkeit verbessert wird.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäss vorgeschlagen, dass die Radialspannvorrichtung an der Laufplatte mit einer Berührungsfläche anliegt, welche eine zur Büchsenachse parallele Resultantenebene der von dem drehmomentübertragenden Kugelkranzabschnitt übertragenen Drehmomentübertragungskräfte unter einem Selbsthemmung gewährleistenden Winkel schneidet.

Es hat sich gezeigt und lässt sich auch theoretisch beweisen, dass bei Einhaltung dieser erfindungsgemässen Vorschrift ein Kippen der Laufplatte auch bei grosser Drehmomentübertragung nicht mehr möglich ist und deshalb die Drehmomentsteifigkeit der Lagerung und damit die Führungsgenauigkeit wesentlich verbessert sind.

Die Selbsthemmung in der Berührungsfläche ist dann gewährleistet, wenn die Resultantenebene die Berührungsfläche unter einem Winkel schneidet, welcher höchstens bis zum Wert des Reibungswinkels der in der Berührungsfläche aneinander anliegenden Teile von 90° abweicht.

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In der Regel will man eine drehmomentübertragende und axial verschiebbare Lagerung so ausführen, dass die Drehmomente in beiden Drehrichtungen übertragen kann; wenn diese Forderung besteht, so empfiehlt es sich, die Berührungsfläche symmetrisch in bezug auf eine Symmetrieebene zu legen, welche die Büchsenachse enthält und durch die Kugelmittelpunkte des drehmomentstützenden Kugelkranzabschnitts geht, und ferner die Resultantenebenen der Drehmomentstützkräfte für die beiden Drehmomentübertragungsrichtungen symmetrisch zu der so definierten Symmetrieebene zu legen. Die Lage der Resultantenebene kann durch die Querschnittsform der Laufbahnrillen in der Welle und in der Laufplatte beeinflusst werden.

Nach einer ersten konstruktiven Ausführungsform ist die laufplattenseitige Anlagefläche mit einer zur Spannbohrungsachse achsparallelen konvexen Kegel- oder Kegelstumpffläche ausgeführt und die spannvorrichtungsseitige Anlagefläche mit einer im wesentlichen komplementär-konischen konkaven Kegeloder Kegelstumpffläche. Bei dieser konstruktiven Ausführungsform ist die Bedingung der Ansprüche 1 und 2 jedenfalls erfüllt in einer zur Kugelbüchsenachse senkrechten Schnittebene, welche die Achse der Spannbohrung enthält. Die konkave Kegel- oder Kegelstumpffläche kann an dem radial inneren Ende eines in ein Gewinde der Spannbohrung eingeschraubten Gewindebolzens angebracht sein, so dass als Spannvorrichtung insgesamt nur ein Gewindebolzen benötigt wird, der unmittelbar an der Laufplatte angreift.

Selbstverständlich können in Achsrichtung der Kugelbüchse nebeneinander mehrere Spannbohrungen ein und derselben Laufplatte zugeordnet sein.

Nach einer anderen Ausführungsform ist die laufplattenseitige Anlagefläche von einer konvexen Folge von zur Laufbüchsenachse parallelen Prismenflächen gebildet, während die spannvorrichtungsseitige Anlagefläche von an einem in der Spannvorrichtung geführten Druckstück in konkaver Folge angeordneten laufbüchsenparallelen Prismenflächen gebildet ist. Bei dieser Ausführungsform ist eine unmittelbare Anlage eines drehenden Teils der Spannvorrichtung an der Laufplatte im Gegensatz zu der zuvor behandelten Ausführungsform nicht mehr möglich, so dass die Verwendung eines Druckstücks zwischen der Laufplatte und dem drehenden Teil der Spannvorrichtung notwendig wird. Dieses Druckstück kann selbst zylindrisch ausgebildet und in einem entsprechenden radial inneren Abschnitt der Spannbohrung im wesentlichen spielfrei aufgenommen sein, wobei dann ein in einem Innengewinde eines radial äusseren Abschnitts der Spannbohrung sitzender Gewindebolzen gegen eine radial äussere Fläche des Druckstücks drückt. Das Druckstück braucht in der Spannbohrung in Winkelrichtung nicht zentriert zu sein, sondern zentriert sich selbst durch die Anlage an der Laufplatte.

Hervorzuheben ist, dass in beiden Ausführungsformen für die Herstellung der Drehmomentabstützung zwischen der Welle und dem Gehäuse keine Bearbeitung der Innenfläche der Büchsenaufnahmebohrung des Gehäuses notwendig ist, weil sämtliche Teile der Drehmomentabstützung, soweit sie nicht innerhalb der Büchsenaufnahmebohrung liegen, innerhalb der Spannbohrung untergebracht sind.

Die erfindungsgemässe Lösung ist von besonderer Bedeutung, wenn die Kugelbüchse einen die Kugelumlaufbahnen definierenden und die Laufplatten aufnehmenden Käfig aus einem relativ nachgiebigen Material aufweist, insbesondere einen Käfig aus Kunststoff; wenn in diesem Falle die Laufplatten aus einem harten Material, beispielsweise aus Stahl hergestellt sind, so ergibt sich bei der erfindungsgemässen Lösung trotz der Nachgiebigkeit des Käfigs eine spielfreie Drehmomentübertragung von der Welle auf das Gehäuse.

Die erfindungsgemässe Vorschrift lässt sich natürlich am saubersten einhalten, wenn die Resultantenebenen exakt definiert sind. Um eine exakte Lage der Resultantenebenen zu gewinnen, wird deshalb in Weiterbildung der Erfindung vorgeschlagen, dass

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die Laufrillen der Welle und/oder der Laufplatte im Querschnitt derart spitzbogenförmig mit den Kugelradius übersteigendem Teilbogenradius ausgeführt sind, dass die Berührungsbahnen der Kugeln an den Laufbahnen und damit die Lage der Resultantenebenen eindeutig festgelegt sind. Bevorzugt liegen diese Resultantenebenen unter einem Winkel von 20 bis 50°, vorzugsweise von 30 bis 45° gegenüber der oben definierten Symmetrieebene.

Die beiliegenden Figuren erläutern die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen. Es stellen dar:

Fig. 1 einen Querschnitt durch eine erfindungsgemässe Lagerung;

Fig. 2 das Schema des Eingriffs einer Laufkugel mit einer Laufbahnrille einer Welle und einer Laufbahnrille einer Stahleinlage;

Fig. 3 eine Draufsicht auf die radial äussere Seite einer Laufplatte;

Fig. 4 die Laufplatte im Schnitt nach Linie IV-IV der Fig. 3;

Fig. 5 das radial innere Ende des Gewindebolzens einer Radialspannvorrichtung, teilweise geschnitten und

Fig. 6 einen Schnitt entsprechend demjenigen nach Fig. 1 bei einer abgewandelten Ausführungsform.

In Fig. 1 ist ein Gehäuse mit 10 bezeichnet; dieses Gehäuse weist eine Büchsenaufnahmebohrung 12 auf, in welche eine Kugelbüchse 14 eingesetzt ist.

Die Kugelbüchse weist eine Mehrzahl von Kugelumlaufbahnen auf, in welche Kugelkränze eingesetzt sind. Ein erster dieser Kugelkränze ist mit 16 bezeichnet, ein zweiter mit 18. Der mit 16 bezeichnete Kugelkranz dient nur der Aufnahme von Radiallasten zwischen einer Welle 20 und dem Gehäuse 10; der radiallast-übertragende Kugelkranzabschnitt ist dabei mit 22 bezeichnet. Dieser Kugelkranzabschnitt 22 liegt auf der zylindrischen Um-fangsfläche 24 der Welle 20 einerseits an und andererseits an einer Stahllaufplatte 26, welche in einen Kugelbüchsenkäfig 28 aus Kunststoff eingesetzt ist und für die Führung des Kugelkranzabschnitts 22 eine Laufbahnrille 30 aufweist. In dem Käfig 28 ist die Kugelumlaufbahn mit 32 bezeichnet und gestrichelt dargestellt. Der nicht tragende Rücklaufabschnitt des Kugelkranzes 16 ist mit 34 bezeichnet.

Es wird nunmehr der Kugelkranz betrachtet, der mit 18 bezeichnet ist und der neben der Aufgabe des Übernehmens von radialen Kräften auch noch die Aufgabe hat, Drehmomente zwischen der Welle 20 und dem Gehäuse 10 zu übertragen.

Dieser Kugelkranz 18 umfasst einen drehmomentübertragenden Kugelkranzabschnitt 38 und einen Rücklaufabschnitt 40. Die Kugelumlaufbahn ist hier mit 42 bezeichnet. Die in Fig. 1 gerade in der Schnittebene liegende Kugel ist mit 44 bezeichnet. Die Kugeln 44 laufen in einer achsparallelen Laufbahnrille 46 der Welle 20 und in einer ebenfalls achsparallelen Laufbahnrille 48 der Stahllaufplatte 50. Die Stahllaufplatte 50 unterscheidet sich von der Stahllaufplatte 26 wie im folgenden näher ausgeführt.

Wie aus Fig. 1,3 und 4 ersichtlich, ist auf der Rückseite der Stahllaufplatte 50 eine ganz allgemein mit 52 bezeichnete Anlagefläche ausgebildet; diese Anlagefläche 52 umfasst eine konvexe Kegelstumpffläche 54. In dem Gehäuse 10 ist eine radial zur Büchsenaufnahmebohrung 12 gebohrte Spannbohrung 56 vorgesehen, die ein Innengewinde 58 aufweist. In dieses Innengewinde 58 ist ein Gewindebolzen 60 eingeschraubt. Dieser Gewindebolzen weist an seinem radial inneren Ende wie aus Fig. 5 insbesondere ersichtlich, eine Anlagefläche 62, welche eine zu der Kegelstumpffläche 54 der Laufplatte 50 komplementärkonische konkave Kegelstumpffläche 64 aufweist. Die konvexe Kegelstumpffläche 54 und die konkave Kegelstumpffläche 64 der Laufplatte 50 bzw. des Gewindebolzens 60 ergeben zusammen die in Fig. 1 mit 66 bezeichnete Berührungsfläche.

Zur Darstellung der Drehmomentübertragung zwischen der Welle 20 und dem Gehäuse 10 sei nun auf die Fig. 2 verwiesen, wo die Übertragungsverhältnisse in vergrössertem Massstab dargestellt sind. Man erkennt, dass die Laufbahnrille 46 der

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Welle 20 und die Laufbahnrille 48 des Gehäuses 10 spitzbogenförmig ausgebildet sind, wobei der Radius rt der Teilbögen 46a, 46b, 48a, 48b grösser ist als der Kugelradius r2.

Die Berührungspunkte der Kugel 44 mit den Teilbögen 46a, 46b und 48a, 48b der Laufbahnrillen 46 bzw. 48 sind mit 46c, 46d bzw, 48c, 48d bezeichnet. Diese Berührungspunkte stellen gleichzeitig im Schnitt gemäss Fig. 2 die Laufbahnen dar, auf denen sich die Kugeln 44 in den Laufbahnrillen 46,48 bei ihrem Umlauf abwälzen. Dank dieser Punktberührung der Kugeln 44 mit den spitzbogenförmigen Laufbahnrillen 46,48 ist die Richtung der Drehmomentstützkräfte festgelegt, welche Drehmomente von der Welle 20 auf das Gehäuse 10 oder umgekehrt übertragen. Diese Richtung ist in Fig. 2 mit A und B bezeichnet. Die Linien A und B in Fig. 2 stellen auch die Resultantenebenen dar, in denen über die ganze Länge der Lagerung betrachtet, Drehmomentstützkräfte zwischen Welle 20 und Gehäuse 10 übertragen werden. Diese Ebenen werden Resultantenebenen genannt. Von Resultantenebenen könnte man aber auch dann sprechen, wenn nicht - wie in Fig. 2 dargestellt - die Kugeln 44 punktförmig an den Laufbahnrillen 46a und 48a anliegen würden , sondern wenn sie sich über einen grösseren B ogen anschmiegen würden; in diesem Fall würde für jede Kugel eine resultierende Drehmomentübertragungskraft zu definieren sein und die Summe dieser resultierenden Kräfte würde wieder die Resultantenebenen A und B bestimmen.

Zurück nun zu Fig. 1 : Auch hier sind die Resultantenebenen A und B eingezeichnet. Man erkennt, dass die Resultantenebenen A und B in der Schnittdarstellung gemäss Fig. 1 die Kegelstumpffläche 54 annähernd senkrecht schneiden, und zwar im Bereich der körperlichen Berührungsfläche 66. Dies bedeutet, dass die in den Resultantenebenen A und B übertragenen Drehmomentstützkräfte weder ein Kippen der Laufplatte 50 gegenüber dem als Spannvorrichtung dienenden Gewindebolzen 60 bewirken können, noch eine Verschiebung. Für die Unterdrückung einer Verschiebemöglichkeit, ist es notwendige Voraussetzung, dass die Laufplatte an dem Gewindebolzen 60 im Punkt 68 selbsthemmend anliegt. Ein selbsthemmendes Anliegen ist jedenfalls dann gegeben, wenn die Resultantenebene A senkrecht auf der Berührungsfläche 66 steht, ist aber auch noch dann gegeben, wenn die Neigung der Resultantenebene A bzw. B von der Berührungsfläche 66, wie in Fig. 1 gestrichelt eingezeichnet, um weniger als den Winkel y abweicht, welcher als der Reibungswinkel definiert ist und bestimmt ist durch den Reibungskoeffizienten zwischen den Anlageflächen 54 und 64 nach der Formel

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y = arc tan |x wobei [x der Reibungskoeffizient ist.

In Fig. 1 ist eine Symmetrieebene mit S-S bezeichnet, welche 1° die Achse des Gewindebolzens 60 und den Mittelpunkt der Kugel 44 enthält. Gegenüber dieser Symmetrieebene sind die Resultantenebenen A, B unter einem Winkel a von ca. 30° geneigt.

Die Ausführungsform nach Fig. 6 unterscheidet sich von derjenigen nach der Fig. 1 nur durch eine andere Gestaltung der 15 Spannvorrichtung und der Anlage zwischen Spannvorrichtung und Laufplatte. Analoge Teile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen, jeweils vermehrt um die Zahl 100.

Die Spannvorrichtung ist in dieser Ausführungsform mit 160 bezeichnet; sie umfasst einen Gewindebolzen 161, der in dem 20 Innengewinde 158 verschraubt ist; an dem Gewindebolzen 161 liegt an dessen radial innerer Planfläche ein Druckstück 163 an, an welchem Prismenflächen 164 angeformt sind; diese Prismenflächen 164 liegen an Prismenflächen 154 der Laufplatte 150 an. Die Prismenflächen der Laufplatte können sich über die Länge 25 der Kugelbüchse erstrecken; die Prismenflächen 164 des Druckstücks 163 sind auf die Masse des zylindrischen Druckstücks 163 beschränkt. Das Druckstück 163 ist in einem radial inneren Abschnitt 165 der Bohrung 156 im wesentlichen spielfrei aufgenommen.

30 Über die kipp- und gleitfreie Drehmomentstützkraftübertragung gilt für diese Ausführungsform das im Zusammenhang mit der früheren Ausführungsform Gesagte. Die Ausführungsform nach Fig. 6 ist etwas komplizierter, insofern als sie eine zweiteilige Spannvorrichtung, bestehend aus dem Gewindebolzen 161 35 und dem Druckstück 163 sowie eine abgestufte Bohrung erfordert. Die Ausführungsform dürfte aber insbesondere dann von Vorteil sein, wenn mehrere Spannvorrichtungen 160 in Längsrichtung der Büchse nebeneinander vorgesehen sind, weil diese dann auf die gleichen Prismenflächen 154 der Laufplatte 150 40 einwirken können.

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2 Blatt Zeichnungen

Claims

642 724 PATENTANSPRÜCHE

1. Momentübertragende und axial verschiebbare Lagerung einer Welle in einem Gehäuse, umfassend eine in eine Buchsenaufnahmebohrung des Gehäuses eingesetzte Kugelbüchse mit in Kugelumlaufbahnen geführten Kugelkränzen, von denen jeweils ein lasttragender Kugelkranzabschnitt nach radial innen an der Welle und nach radial aussen an einer Aussenstützfläche anliegt, wobei der lasttragende Kugelkranzabschnitt mindestens eines Kugelkranzes wellenseitig in eine Laufbahnrille der Welle und stützflächenseitig in eine Laufbahnrille einer in die Kugelbüchse eingebauten Laufplatte drehmomentübertragend eingreift und wobei diese Laufplatte durch mindestens eine Radialspannvorrichtung innerhalb einer radial zur Büchsenaufnahmebohrung gerichteten Spannbohrung radial einwärts druckbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Radialspannvorrichtung (60) an der Laufplatte (50) mit einer Berührungsfläche (66) anliegt, welche eine zur Büchsenachse parallele Resultantenebene (A, B) der von dem drehmomentübertragenden Kugelkranzabschnitt (38) übertragenen Drehmomentübertragungskräfte unter einem Selbsthemmung gewährleistenden Winkel schneidet.

2. Lagerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Resultantenebene (A, B) die Berührungsfläche (66) unter einem Winkel schneidet, welcher höchstens bis zum Wert des Reibungswinkels (y = arc tan p.) von 90° abweicht.

3. Lagerung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Berührungsfläche (66) symmetrisch ist in bezug auf eine Symmetrieebene (S-S), welche die Büchsenachse enthält und durch die Kugelmittelpunkte des drehmomentübertragenden Kugelkranzabschnitts (38) geht und dass die Resultantenebenen (A, B) der Drehmomentübertragungskräfte für die beiden Drehmomentübertragungsrichtungen symmetrisch zu der so definierten Symmetrieebene liegen.

4. Lagerung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die laufplattenseitige Anlagefläche (52) eine zur Spannbohrungsachse achsparallele konvexe Kegel- oder Kegelstumpffläche (54) umfasst und die spannvorrichtungsseiti-ge Anlagefläche eine im wesentlichen komplementärkonische konkave Kegel- oder Kegelstumpffläche (64) umfasst.

5. Lagerung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die konkave Kegel- oder Kegelstumpffläche (64) an dem radial inneren Ende einer in ein Gewinde (58) der Spannbohrung (56) eingeschraubten Gewindebolzens (60) angebracht ist.

6. Lagerung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die laufplattenseitige Anlagefläche eine konvexe Folge von zur Lauf büchsenachse parallelen Prismenflächen (154) umfasst und die spannvorrichtungsseitige Anlagefläche an einem in der Spannbohrung (156) geführten Druckstück (163) eine konkave Folge von zur Lauf büchsenachse parallelen Prismenflächen (164) umfasst.

7. Lagerung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Druckstück (163) zylindrisch ausgebildet und in einem entsprechenden radial innern Abschnitt (165) der Spannbohrung (156) im wesentlichen spielfrei aufgenommen ist und dass ein in einem Innengewinde (158) des radial äusseren Abschnitts der Spannbohrung (156) sitzender Gewindebolzen (161) gegen eine radial äussere Fläche des Druckstücks (163) drückt.

8. Lagerung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Kugelbüchse (14) einen die Kugelumlaufbahnen (16,18) definierenden und die Laufplatten aufnehmenden Käfig (28) aus relativ nachgiebigem Material wie Kunststoff aufweist und die Laufplatten (26,50) aus einem härteren Material, z. B. Stahl, gefertigt sind.

9. Lagerung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Käfig aus Kunststoff besteht.

10. Lagerung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Laufplatten aus Stahl bestehen.

11. Lagerung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Laufbahnrillen (46,48) der Welle (20) und/oder der Laufplatte (50) im Querschnitt derart spitzbogenförmig mit den Kugelradius übersteigendem Teilbogenradius ausgeführt sind, dass die Berührungsbahnen (46c, 46d; 48c, 48d) der Kugeln an den Laufbahnrillen (46,48) und damit die Lage der Resultantenebenen (A, B) eindeutig festgelegt ist.

12. Lagerung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Resultantenebenen (A, B) einen Winkel (a) von 20 bis 50°, vorzugsweise 30-50° mit der Symmetrieebene (S-S) ein-schliessen.