Die Erfindung betrifft ein Pendelstirnlager mit einer oberen und einer unteren jeweils konkaven und rotationssymmetrischen Lagerschale, zwischen denen eine Kugel angeordnet ist, und wobei die Krümmungssradien der Lagerschalen in den durch die Mittelachse verlaufenden radialen Ebenen im Kugellaufbereich mindestens dem 2,4- fachen der Kugelradien entsprechen.

Ein derartiges Lager ist aus der DE-PS 749 856 bekannt, bei dem eine Kugel oder ein tonnenformiger Lagerkörper auf einem weiteren Lagerkörper angeordnet ist, der obenseitig einen größeren Krümmungsradius aufweisend konkav oder planar und untenseitig konvex ausgebildt ist, so daß jeweils drei Drehpunkte in Richtung der Drehachse übereinander liegen.

Insbesondere Kompaßnadeln, Meßscheiben, Zählermeßscheiben, Mobiles und feinmechanische Geräteteile werden leichtgängig drehbar und pendelbar auf einer stehenden Achse stirnseitig durch die Anordnung einer Kugel zwischen zwei konkaven Lagerschalen gelagert. Zur Erreichung einer geringen Reibung wird die Kugel mit möglichst geringem Durchmesser angebildet. Hierdurch ergibt sich eine sehr hohe Druckbelastung in den Berührungspunkten der Kugel und der Lagerschalen, wodurch nach häufiger und langer Drehbelastung die Lagerpunkte verschleißen und die Reibung drastisch ansteigt, obwohl möglichst harte und glatte Materialien für die Lagerschalen und die Kugel verwandt

werden. Auch führen axiale Stoßbelastungen leicht zu einer Zerstörung der Lagerpunkte. Insbesondere der feste untere Lagerpunkt ist äußerst gefährdet. Auch sammeln sich dort Staub- und Schmelzpartikel, die schmiergelnd und zerstörend auf dem Lagerpunkt wirken. Auch die bekannten Spitzenlager weisen durch die Hohe Druckbelastung im lagerpunkt nur beschränkte Lebensdauer auf, und sie eignen sich nur für sehr geringe Lasten und Drehzahlen.

Weiterhin ist aus der DE-PS 642 015 ein Lager bekannt, das ein beschränktes Pendeln der Achse zuläßt, das mehrere Kugeln enthält, die einerseits in einer konkaven Schale mit nach außen progressiver Krümmung liegen und andererseits in einem achsseitig konkav ausgebildeten Ringraumquadraten geführt sind, dessen Lagerfläche die Kugeln divergierend, also nach außen drückt. Der achsseitige Innenlagerring ist aus federelastischem Material hergestellt, was zu erhöhter Reibung führt.

Es ist Aufgabe der Erfindung, das bekannte Pendelstirnlager bei geringer Reibung in seiner Belastbarkeit und Lebensdauer entscheidend zu verbessern.

Die Lösung der Aufgabe besteht darin, daß mindestens zwei Kugeln zwischen den Lagerschalen angeordnet sind, von denen jede Kugel beide Lagerschalen an deren konkav ausgebildeter Oberfläche berührt, und der gegenseitige Abstand der Lagerschalen, gemessen parallel zur Mittelachse, im Durchstoßpunkt der Mittelachse durch die Lagerschalen am größten ist.

Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.

Eine äußerst bevorzugte Ausführung weist nur zwei Kugeln

auf. Diese haben linienförmige Bahnen, wodurch ein ständiges Mahlen auf einem Punkt und somit dessen Abnutzung ausgeschlossen ist. Weiterhin verteilt sich die Axiallast des Lagers stets gleichmäßig auf die zwei kugeln, wodurch diese in ihrem Querschnitt halbiert werden könne, wenn der gleich Lagerdruck zugelassen ist.

Die beiden Kugeln unterliegen bei einer Lagerdrehung in Berührungspunkten zu den kalottenförmigen Lagerschalen im wesentlichen sehr geringer rollender Reibung. Hinzu kommt jedoch eine drehende, über die Kugeloberflächen sich ständig linienförmig verlagernde Reibung der Kugeloberflächen aneinander. Auch hier tritt kein punktueller Verschleiß auf; sondern die ständige Verlagerung der Berührungspunkte sowohl auf den Kugeln als auch in den lagerschalen führt zu einer permanenten Nachglättung. Außerdem ist die Berührungskraft der Kugeln gegeneinander bei dem angegebenen geringsten Krümmungsradius der beiden Laufbahnen in der Achsialebene vom 2,4-fachen des Kugelradius gerade gleich der Achsiallagerlast. Zur Verringerung der Reibung der Kugeln aneinander wird deshalb vorteilhaft die stützende Querkraft zwischen den Kugeln dadurch verringert, daß die Lagerschalenkrümmungen in der Achsialebene möglichst größer als die genannte maximale Krümmung gewählt werden, das zweckmäßige Größtmaß der Krümmungsradien ist nach den jeweiligen Verhältnissen zu bestimmen.

Der zweckmäßige Krümmungsradius der unteren statischen Lagerschale hängt von der zu erwartenden maximal aufretenden Querkraft auf, die auf das Lager einwirkt, sowie von dem dabei zulässigen Versatz der Achsen der Stützachse und der drehbaren Welle. Die bei dem maximalen Versatz gegebene Verbindungslinie der beiden

Kugellagerberührungspunkte in der Lagerschale liegt senkrecht zur Resultierenden aus der Lagerachsialkraft und der Querkraft. Der Schnittpunkt der Resultierenden, die vom Mittelpunkt zwischen den Kugellagerberührungspunkten ausgeht, trifft die Lagerachsen-Mittelachse im Mittelpunkt des Krümmungskreises des Lagerschale.

Ein zweckmäßiger Krümmungsradius der oberen Lagerschale ergibt sich aus einer maximal zu erwartenden Neigung der Wellenkopfachse gegen die Lastachse, wobei die Lagerschalen sowie die Achse zur Welle noch berührungsfrei bleiben müssen. Hierbei sind auch etwa auftretende dynamische Pendelbewegungen zu berücksichtigen. Die Lastachse verläuft bei reiner Schwerebelastung vom Schwerpunkt zum Lagermittelpunkt.

Es sind nach den vorstehenden Dimensionierungsregeln häufig unterschiedliche Lagesschalenradien optimal vorzugsehen. Die Kugelberührungskräfte, die sich aus den beiden Lagerschalenkrümmungen ergeben addieren sich, und i.a. lassen sich die Radien 5- bis 20-fach so groß wie der Kugelradius wählen, so daß relativ zur Rollreibung nur äußerst geringe Reibungsverluste durch die Kugelreibung der Kugeln aneinander auftreten.

Die Lagermaterialien werden zweckmäßig je nach der Anwendung aus bekannten reibungsarmen Paarungen, z.B. Stahl mit Achat oder Rubin oder Stahl auf Stahl oder Glas auf Achat oder für sehr hohe Lasten Siliziumnitrid auf Rubin oder Stahl, auswählen. Selbstverständlich sind die Oberflächen gut zu polieren, um geringe Reibungen zuerreichen. In Stahl läßt sich die Lagerkalotte mittels eine Kugel leicht einprägen oder drücken, und Stahlkugeln hinzugenommen ergibt ein äußerst preiswertes hochwertiges

Stirnlager für Artikel des täglichen Bedarfs. Selbst für Lasten von 1 kg genügen zwei Stahlkugeln von 1 mm Durchmesser, so daß das ganze Lager nur kleine Abmessungen hat. Für Meßgeräte, insbesondere Gas, Wasser- und Elektrizitätszählerrotore, ergeben sich wegen der geringeren Reibung der Lager und der hohen Standfestigkeit ganz neue Dimensionierungsaspekte und Gerätegualitäten. Hierfür können aus Achat oder Rubin geschliffene Kalotten genutzt werden.

Die vorstehenden vorteilhaften Eigenschaften lassen sich annähernd auch mit mehr als zwei Kugeln erreichen, und die Dimensionierungen lassen sich, entsprechend der Lastverteilung und den geometrischen Verhältnissen abgewandelt, auf solche Lager übertragen. Es ist jedoch grundsätzlich so, daß mehr Kugeln bei sonst gleichartigen Bedingungen stets mehr Reibungssverluste bringen. Auch ist nur bei bis zu drei Kugeln eine definiert gleiche Lastverteilung auf diese gegeben, bei vier und mehr Kugeln ist mit einer wechselnden Lastverlagerung bei Lagerbewegungen zu rechnen, wobei jeweils im ungünstigsten Fall nur zwei Kugeln tragen und demgemäß die Kugeln nicht kleiner als für 1/2 der Achslast zu dimensionieren sind.

Aus diesem Grunde ist es vorteilhaft, solche Lager, die drei, insbesondere vier und mehr Kugeln aufweisen, durch einen zentralen Abstandshalter, der vorzugsweise Zylinder¬ oder Polygonform hat, zueinander definiert zu lokalisieren und deren gegenseitige Reibung zu verhindern, indem nur am Abstandshalter Stützpunkte, in denen Reibungsverluste entstehen, durch eine entsprechende

Querschnittsdimensionierung des Abstandhalters geboten werden. Es ist zweckmäßig um einen ganz geringen Abstand der Kugeln voneinander herbeizuführen. Auf diese Weise

läßt sich eine weitgehende Lastverteilung zwischen den Kugeln erreichen, und dementsprechend sind diese zu dimensionieren.

Der Abstandshalter ist zweckmäßig etwas niedriger als der Abstand der Lagerschalen, also etwa dem Kugeldurchmesser entsprechend. Die Enden des Abstandshalters sind abgerundet, damit die Drehung derselben bei Berührung mit einer Lagerschale leichtgängig ist. Wird ein Zylinder als Abstandshalter genutzt, so ist dieser in der Lage, reibungsmindernd eine Ausgleichsdrehung auszuführen; eine der Kugeln aneinander läßt sich jedoch damit nicht verhindern; da die Berührung jedoch praktisch kraftlos ist, tritt dort nur sehr geringe Reibung auf, wenn die Welle gedreht wird.

Das Lager wird zweckmäßig mit einer Muffe mit Spiel für das Pendeln und ggf. einen Versatz beabstandet umgeben, die an der Achse oder dem Wellenkopf angeordnet ist. Das Spiel ist zweckmäßig kleiner als der Kugelradius, so daß die Kugeln bei einer Ablenkung der Welle nicht herausfallen können. Falls das Lager außer Betrieb, z.B. beim Transport, auch auseinandergezogen werden kann, so wird die Muffe zweckmäßig mit einem Sperring versehen, der mit Spiel hinter einen Kragen oder in eine Nut andererseits eingreift und so ein Auseinanderziehen verhindert und die Kugeln dort sicher hält. Die beiden Lagerschalen und deren umgebenden Bereiche sind derartig konkav abgeschrägt oder abgerundet ausgebildet, daß die Kugeln beim Auseinanderziehen der Lagerschalen stets zur Mitte rollen.

Insbesondere bei solchen Lagern, die im Alltagsgebrauch eingesetzt sind, z.B. bei Mobiles mit Aufwindbetrieb,

deren Schwerpunktlage und Seitenkraftbelastung schwer vorhersehbar ist, ist es vorteilhaft, die Lagerschalen von der Achse zur Seite hin stetig progressiv zu krümmen. Hierdurch wird bei erhöhter exzentrischer Last und/oder hoher Querkraft eine ausreichende Zentrierung auf Kosten zunehmender Reibung erreicht.

In einer weiteren Ausführung wird die Unverlierbarkeit der Kugeln auch bei auseinandernehmbaren Lagern bei vereinfachtem Aufbau zu erbracht, indem in oder unter der unteren oder in oder über der oberen Lagerschale ein axial orientiert magnetisierter Permanentmagnet angeordnet ist und die Kugeln aus einem magnetisch permeablen Material, z.B. Stahl, bestehen.

Es hat sich als zweckmäßig erwiesen, den Permanentmagneten unter der unteren Lagerschale anzuordnen sowie dieses Lager mit einer zylindrischen Muffe zu umgeben. Auf diese Weise kann auf einen Kragen an der Welle, eine Umbördelung der Muffe sowie einen Sperring verzichtet werden, da der Magnet bei einer Trennung des Lagers die Kugeln fest hält und bei einer Stoßbelastung die Muffe die Kugeln am Herausspringen hindert und sie vom Magneten hinein- und zurückgezogen werden. Auch die Halterung der oberen Lagerschale ist vereinfacht, da sie nur aus einem zylindrischen Stift als die Welle besteht, der reichlich Spiel zur Muffe haben kann, da die Kugeln wegen der Magnetkraft durch den Spalt nicht austreten. Auch bei relativ hohen Muffenwänden ergibt sich deshalb ein großer Pendelwinkel des Wellenstiftes.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführung ist es vorgesehen, einer der Lagerkörper in dem ihn umgebenden Achs- oder Wellenende aus einem Anschlagsitz heraus in

Lagerrichtung axial verschieblich anzuordnen und federbelastet gegen das Gegenlager zu halten, wobei die Federstützkraft geringer als die Last ist, die gewöhnlich auftritt, dadurch tritt eine die Kugeln haltende Zuhaltung der Lagerschalen jeweils dann durch die Federkraft auf, wenn das Lager, z.B. bei einem Transport, entlastet wird, wobei das Wellenende mit seiner Hinterschneidung an dem ringförmigen Anschlag des Achsendes einen Anschlag und Halt findet. Durch die Federbelastung wird sichergestellt, daß die Kugeln nicht in den seitlichen Spalt austreten.

Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Figuren 1 bis 9 gezeigt.

Fig. 1 zeigt eine erste Ausführung des Lager axial geschnitten;

Fig. 2 zeigt einen Schnitt II-II;

Fig. 3 zeigt eine zweite Ausführung axial geschnitten;

Fig. 4 zeigt eine Dreikugellagerung geöffnet in Aufsicht;

Fig. 5 zeigt ein Sechskugellager geöffnet in Aufsicht mit Zylinderabstandshalter;

Fig. 7 zeigt ein Sechskugellager geöffnet in Aufsicht mit Polygonabstandhalter;

Fig. 8 zeigt eine Ausführung mit einem Haltemagneten axial geschnitten;

Fig. 9 zeigt eine Ausführung mit Haltefeder axial geschnitten.

Figur 1 zeigt einen Axialschnitt eines Pendelstirnlagers mit zwei Kugeln (1, 2). Diese Kugeln sind zwischen zwei Lagerschalen (Ll, L2) , die kalottenförmig geschliffen

sind, angeordnet. Die Lagerschalen (Ll, L2) sind in flachzylindrische Lagerkörper (10, 20) eingebracht, die beispielsweise aus Achat oder einem anderen harten Lagerwerkstoff bestehen. Die Oberflächen der Lagerschalen (Ll, L2) sind hochfein poliert, um möglichst geringe Reibung zu erbringen. Die zylindrischen Lagerkörper (10, 20) sind stirnseitig in die untere feststehende Achse (11) bzw. andererseits in die obere dreh- und pendelbare Welle (12) eingesetzt.

Die Achse ist randseitig mantelartig um das Lager herumgelegt wobei zu dem Wellenkopf (12) ein Spalt (16) gelassen ist, damit das Lager bei einer auftretenden Querkraft oder bei der Notwendigkeit einer Pendelbewegung ausweichen kann. Dieser Spalt (16) verläuft im Bereich des Mantels (15) vertikal und ist dann abgerundet auf den Spalt zwischen den beiden Lagerkörpern (10, 20) weitergeführt. Die Weite des Spaltes (16) ist geringer als ein Kugelradius, so daß die Kugeln (1, 2) dorthindurch nicht ausweichen können. Vorteilhaft ist der Mantel (15) mit einem ringförmigen eingezogenen Bereich (17) hinter eine Hinterschneidung (19) des Wellenschaftes umgelegt, so daß das Lager, wenn die Welle nach oben hochgezogen wird, nicht völlig auseinander gezogen werden kann, sondern der ringförmig umgelegte Ansatz (17) die Welle mit ihrem Absatz (21) festhält und die Kugeln (1, 2) nicht verloren gehen können. Auch oberhalb der Hinterschneidung (19) ist ausreichend Spiel durch einen Spalte (18) gegeben, so daß der Wellenkopf (12) in einem größeren Bereich frei pendeln kann.

Grundsätzlich ist es vorgesehen, daß die Last (P) in Richtung der zentralen Achse (M) der statischen Achse (11) und der Wellenachse (MW) veläuft, jedoch werden

Abweichungen bis zu einem gewissen Grad toleriert, indem die Kugeln (1, 2) seitlich ausweichen und/oder, je nach der Art der Abweichung, der Wellenkopf (12) sich verschwenkt.

Figur 2 zeigt einen Schnitt II-II in horizontaler Richtung durch das Lager. Die Achse (11) ist teilweise geschnitten, und mittig ist der Lagerkörper (10) mit der ausgearbeiteten Lagerschale (Ll) angeordnet. In dieser liegen die beiden Lagerkugeln (1, 2) frei drehbar.

Figur 3 zeigt eine weitere Ausführung des Pendelstirnlagers in stark vergrößerter Form. Der feststehende Achsschaft (13) ist stirnseitig kalottenförmig ausgearbeitet zur Lagerschale (Ll). Hierbei ist es vorgesehen, daß im Bereich der Mittelachse (M) der Lagerschalenradius (Rl) größer ist als der Lagerschalenradius (Rl*) des Randbereiches. Diese Radien sind wesentlich größer als der Radius (RK) bzw. der Durchmesser (2RK) der Kugeln (1, 2).

Der Wellenkopf (14) ist ebenfalls unmittelbar als Lagerschale (L2) ausgebildet, wobei auch hier der Krümmungsradius (R2) im Bereich der Mittelachse (MW) der Welle größer ist als der Krümmungsradius (R2*) im Randbereich. Beispielsweise können die Lagerschalen (Ll, L2) Abschnitte von Rotationsellipsoiden sein.

Der Wellenkopf (14) ist seitlich als Mantel (15) um das Lager herumgeführt, welcher sich in einer Hohlwelle (30) fortsetzt, die am unteren Ende beispielsweise eine Meßscheibe oder eine Kompaßplatte oder dergleichen trägt. Die Schwerelast, die letztlich durch den Schwerpunkt der schwenkbar und drehbar aufgehängten Anordnung verläuft, ist in ihrer Richtung gewöhnlich deckungsgleich mit der

Mittelachse (MW) der Welle und im Bild durch das Pfeilsymbol mit der Bezeichnung (P) charakterisiert. Tritt eine Querkraft (Q) auf das Lager auf, so weicht die Welle (30) zusammen mit den Kugeln (1, 2) seitlich aus bis ein entsprechendes Gleichgewicht durch die resultierende Komponente der Reaktionskraft der Last (P) an der geneigten Verbindungslinie der Kugelauflagepunkte auf der Lagerschale (Ll) entsteht. Damit das Ausweichen möglich wird, befindet sich zwischen der Hohlwelle (30) und der statischen Achse (13) der freie Zwischenraum (16), da der Innendurchmesser der Welle (30) größer als der Achsdurchmesser (Dl) ist.

Liegt der Schwerpunkt der Wellenlast (P) nicht direkt auf der Mittelachse (MW) der Welle (30), so verdreht sich der Wellenkopf (14) bis die Schwereachse parallel der Mittelachse (M) des feststehenden Achseschaftes (13) liegt oder in der Mittelachse (M) liegt, sofern keine Querkraft vorhanden ist. Im Beispiel sind die Radien (R2, R2*) der oberen Lagerschale (L2) kleiner als die Radien der unteren Lagerschale (Ll).

Figur 4 zeigt eine Anordnung von drei gleich großen Kugeln (1, 2, 3) in der Lagerschale (Ll) in Aufsicht auf das Ende der feststehenden Achse.

Figur 5 zeigt die Lagerschalen (Ll, L2) im Vertikalschnitt von einem Lager mit sechs Kugeln (1, 2, 3, 6) . Mittig zwischen den Kugeln liegt ein Zylinderkörper (7), welcher oben- und untenseitig ballig abgerundet ist, damit er die Lagerschale (Ll) nur punktförmig berührt. Die Krümmungsradien der Lagerschalen (Ll, L2) sind stark überhöht dargestellt. Die beiden vorderen Kugeln sind in dem Schnitt nicht sichtbar.

Das Lager welches in Figur 5 vertikal gezeigt ist, zeigt Figur 6 ohne die obere Lagerschale in Aufsicht. Man erkennt, daß der mittlere Zylinder (7) einen etwas größeren Durchmesser als die Lagerkugeln (1 - 6) hat und dadurch als Abstandshalter zwischen diesen fungiert. Bei dieser Anordnung ergibt sich keine definierte Aufteilung der Abstände zwischen den einzelnen Kugeln (1 - 6), so daß einzelne Reibungspunkte zwischen diesen Kugeln auftreten können.

Figur 7 zeigt eine Anordnung von sechs Kugeln (1 - 6) um einen polygonen Abstandshalter (8), welcher dafür sorgt, daß zwischen den einzelnen Kugeln jeweils ein minimaler definierter Spalt verbleibt, und somit nur in den Lagerschalen (Ll, L2) und jeweils zwischen den Kugeln (1 - 6) und der benachbarten Polygonfläche Reibungs- und/oder Rollpunkte auftreten.

Fig. 8 zeigt einen Axialschnitt eines Pendelstirnlagers mit zwei Kugeln (1, 2)ähnlich dem in Fig.l gezeigten. Um das Herausfallen der Kugeln bei demontiertem Lager zu verhindern, ist unter der unteren Lagerschale (Ll) ein kleiner Permanentmagnet (PM) angeordnet, der beispielsweise aus Keramik als ein rundes Plättchen gepreßt ist und axial magnetisiert ist.

Die Achse ist randseitig muffenartig um das Lager herumgelegt, wobei zu dem Wellenkopf (12) ein Spalt (16) gelassen ist, damit das Lager bei einer auftretenden Querkraft oder bei der Notwendigkeit einer Pendelbewegung ausweichen kann. Dieser zylinderförmige Spalt (16) verläuft im Bereich der Muffe (15) vertikal und ist unten abgerundet auf den Spalt zwischen den beiden Lagerkörpern (10, 20) weitergeführt. Die Höhe der Muffe beträgt

beispielsweise das 2- bis 3-fache des Lagerdurchmessers. Da der Spalt (16) weiter als der Kugeldurchmesser sein kann; denn die Kugeln fallen wegen der Magnetkraft nicht heraus; ist auch bei relativ hoher Muffe (15) eine ausreichende Neigungs- und Versatzfreiheit der Welle gegeben. Da von der Welle (12) aus Tragarme (T) nach unten führen, kann obenseitig eine Kappe (K) vorgesehen werden, die einem Verstauben des Lagers entgegenwirkt.

Fig. 9 zeigt eine vorteilhafte Variante zu Fig. 1. Bei dieser ist in der Achse (11) eine Federbüchse (FB) mit einer vorgespannten Druckfeder (F) axial von unten eingeschraubt, so daß diese den Lagerkörper (10*) in Richtung auf das Gegenlager beaufschlagt. Da die Federkraft geringer als die gewöhnlich auftretende Wellenlast (P) ist, findet der Lagerkörper (10*), der axialverschieblich in dem Achsende gehalten ist, einen unteren Anschlagsitz (AS). ird die Welle (12) entlastet, z.B. bei einem Transport, so findet diese mit der hinterschneidung (19) ihren Halt gegen die Federkraft an dem ringförmigen Anschlag (17) Die Federvorspannung läßt sich durch die axiale schraubeneinstellung der Federbüchse (FB) so einstellend aß sie etwas geringer als die Wellenlast (P) ist.