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Einrichtung zur reibungsfreien Lagerung von drehbaren Teilen. Bei
der Konstruktion von Meßinstrumenten und sonstigen feinmechanischen Apparaten liegt
häufig die Aufgabe vor, drehbare Teile derart zu lagern, daß das Reibungsmoment,
das bei ihrer Bewegung überwunden werden muß, ein möglichst geringes ist. Insbesondere
ist dies von Bedeutung bei solchen Meßinstrumenten, bei denen ein die Messung bewirkendes
Organ aus einer Ruhelage heraus in Bewegung gesetzt werden muß, da bekanntlich das
hierbei zu überwindende Reibungsmoment der Ruhe noch wesentlich größer ist als das
bei der Bewegung vorhandene Reibungsmoment , und die Genauigkeit einer Messung unmittelbar
in dem Maße zunimmt, als es gelingt, dieses Reibungsmoment zu verkleinern. Die Erfindung
bietet nun ein Mittel, solche Teile von Meßinstrumenten u. dgl. praktisch völlig
reibungsfrei zu lagern, also die bisher unvermeidlichen Reibungswiderstände ganz
auszuschalten, und zwar sowohl bei Teilen, die nur eine schwingende Bewegung ausführen,
wie z. B. Waagebalken, als auch bei umlaufenden Teilen.
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Der Grundgedanke der Erfindung ergibt sich aus folgender überlegung.
Es sei angenommen, daß beispielsweise auf einen Waagebalken eine GesamtbelastungN
wirke, die sich auf zwei gleichachsige, zu beiden Seiten des Waagebalkens angeordnete
Lager mit den Beträgen N, und N. verteile. Die Halbmesser der beiden zylindrischen
Lagerzapfen seien r, und r2, die Zapfenreibungszahlen der beiden Lager f, und f,.
Jedes der beiden Lager setzt sodann einer Bewegung des Waagebalkens ein Reibungsmoment
entgegen, dessen Größe bekanntlich gleich N,_ # f, # r, bzw. :V'2
# f2 # r2 ist, und das Gesamtreibnugsmoment, das bei jeder Bewegung des Waagebalkens
überwunden werden muß, hat den Wert: LIIIR-N, # f, # r,+N; # f2 #
r.,. Wenn es nun gelingt, die beiden Summanden des Gesamtreibungsmoinentes
MR in ihrem absoluten Werte gleich groß, jedoch von entgegengesetztem Vorzeichen
zu erhalten, also N, # f, # r, = - N2 # f 2 # r. zu
machen, so ergibt sich für das Gesamtreibungsmoment MR der Wert Null, d. h. der
so gelagerte drehbare Teil kann sich völlig reibungsfrei bewegen. Dies kann in der
Tat erreicht werden in allen Fällen, in denen das Reibungsmoment eines drehbaren
Teils aus zwei Summanden sich zusammensetzt, und zwar einerseits die gleiche Größe
des absoluten Wertes beider Summanden durch entsprechende Wahl von N, und N2 sowie
r, und r2 mit Berücksichtigung der auftretenden Reibungszahlen f, und f 2 und anderseits
das umgekehrte Vorzeichen dadurch, daß die stützenden Glieder beider Lager während
der Benutzung des Instruments dauernd in einander entgegengesetztem Sinne um ihre
gemeinsame Achse -gedreht werden, so daß die beiden Reibungsmomente, die auf diese
Weise von den sich drehenden Lagergliedern auf den drehbaren Teil ausgeübt werden,
stets in entgegengesetztem Sinne wirken. Dabei ist folgendes zu beachten. Die Werte
N, und N= sowie r, und r2 sind im allgemeinen durch die Konstruktion festgelegt
oder behalten nach erfolgterEinstellung ihre Größe unverändert bei. Es läuft also
die Forderung, die beiden Lagerreibungsmomente ihrem absoluten Werte nach gleich
groß zu erhalten, darauf hinaus, daß die Reibungszahlen bei beiden Lagern während
der Benutzung des Instruments ihre Werte nicht ändern dürfen. Nun ist bekanntlich
zwar die Reibungszahl bei Lagern im allgemeinen abhängig von der Geschwindigkeit,
mit der die reibenden Teile sich gegeneinander bewegen, jedoch in der Weise, daß
sie, ausgehend von ihrem Werte in der Ruhelage, mit beginnender Geschwindigkeit
zunächst rasch auf einen Bruchteil ihres ursprünglichen Wertes sinkt, sodann mit
zunehmender Geschwindigkeit ansteigt auf einen Wert, der auch bei weiter zunehmender
Geschwindigkeit nahezu gleichbleibt und erst bei großen Geschwindigkeiten wieder
stärker ansteigt. Es besteht also ein mittlerer Bereich von Geschwindigkeiten, innerhalb
dessen praktisch genügend genau die Reibungszahl ihren Wert nicht ändert. Dieser
mittlere Bereich kommt für die vorliegende Erfindung in Frage. Solange man mit den
beiden in den Lagern auftretenden Geschwindigkeiten innerhalb dieses Bereiches bleibt,
ist stets die Möglichkeit gegeben, und zwar allgemein
für jeden
beliebigen, auf zwei gleichachsigen Lagern ruhenden drehbaren Teil, vermittels der
umlaufenden stützenden Glieder beider Lager auf den drehbaren Teil zwei einander
entgegengesetzt gleiche Reibungsmomente auszuüben, die sich gegenseitig in ihrer
Wirkung gerade aufheben, also das Gesamtreibungsmoment für den drehbaren Teil auf
den Wert Null bringen. Umgekehrt folgt daraus, daß durch die Schwankungen der Eigengeschwindigkeit
des drehbaren Teils die Geschwindigkeiten in den beiden Lagern sich in ihrer Größe
nicht so weit ändern dürfen, claß damit auch eine Änderung der zugehörigen Reibungszahlen
verursacht . wird, d. h. es muß die Winkelgeschwindigkeit, mit der der drehbare
Teil sich bewegt, stets wesentlich kleiner bleiben als die Winkelgeschwindigkeiten
der sich drehenden Lagerglieder gegenüber dem drehbaren Teil. Man wird also zweckmäßigerweise
die Winkelgeschwindigkeiten, mit der die beiden stützenden Lagerglieder gegenüber
dem drehbaren Teil gedreht werden, von vornherein so groß wählen, daß sie stets
wesentlich größer bleiben als die voraussichtlich größte Winkelgeschwindigkeit des
drehbaren Teils. Am leichtesten erreicht man die-völlig reibungsfreie Lagerung,
wenn es sich um einen drehbaren Körper handelt, der aus einer Ruhelage heraus geringe
Bewegungen mit kleiner Winkelgeschwindigkeit ausführt, wie dies beispielsweise bei
Waagebalken der Fall ist. Doch kann man auch in derselben Weise bei dauernd umlaufenden
Teilen eine reibungsfreie Lagerung erzielen, wenn keine zu großen Geschwindigkeitsschwankungen
auftreten, so daß sich die obige Bedingung gleichbleibender Reibungszahlen noch
genügend genau einhalten läßt.
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Um die durch die Zufälligkeiten der Ausführung bedingten Unterschiede-
der Reibungszahlen in den beiden Lagern ausgleichen zu können, empfiehlt es sich,
wenigstens eines der beiden Lager mit einer Vorrichtung zu verbinden, die das Maß
der erzeugten Reibung zu verändern gestattet. In einfacher Weise kann dies beispielsweise
durch eine Klemmung des Lagers, etwa mittels einer Schraube o. dgl., erfolgen. Eine
andere Möglichkeit; einen Unterschied in der Größe der beiden Reibungsmomente zu
beseitigen, besteht darin, daß man durch Feder- oder Gewichtswirkung die Verteilung
der Gesamtbelastung auf die beiden Lager verändert. Hierfür können einstellbare
Gewichte dienen, die mit dem drehbaren Teil in Verbindung stehen, oder Federn, die
durch das Maß ihrer Spannung die Verteilung des Gesamtdruckes auf die beiden Lager
beeinflussen. Ferner kann der gleiche Zweck auch durch eine Änderung der Größe der
Auflagerfläche herbeigeführt werden, beispielsweise indem bei einer wagerechten
Achse eines der stützenden Glieder in Richtung der Drehachse mehr oder weniger nahe
an den drehbaren Teil herangebracht wird.
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Die Erfindung ist in ihrer Anwendung nicht auf solche drehbaren Teile
beschränkt, deren Belastung senkrecht zur Drehachse erfolgt, sondern kann bei jeder
beliebigen Belastungsart angewandt werden, sobald nur die Verteilung der Gesamtlast
auf zwei Lager möglich ist. Es lassen sich also auch Teile mit achsialer Belastung
der Erfindung entsprechend reibungsfrei lagern. Ebenso spielt die Art der Lagerkonstruktion
- ob zylindrische oder kegelförmige Zapfen, Walzenlager, Kugellager usw. - keine
Rolle, da es nur darauf ankommt, daß die beiden verwendeten Lager gleiche Reibungsmomente
verursachen. Der Antrieb für die beiden umlaufenden Lagerteile wird im allgemeinen
von einer gemeinsamen Welle aus erfolgen, die auf irgendeine geeignete Weise, z.
B. durch einen Elektromotor, ein Uhrwerk o. dgl., in Bewegung gesetzt wird.
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Bemerkt sei noch, daß der Erfindungsgedanke nicht nur für Meßinstrumente
Bedeutung hat, sondern auch für sonstige Fälle von Wert ist, bei denen es sich um
eine zeitweilige, möglichst reibungsfreie Lagerung eines drehbaren Teiles handelt.
Ein solcher Fall liegt beispielsweise vor, wenn umlaufende :Maschinenteile ausgewuchtet
werden sollen.
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Die Erfindung ist auf der Zeichnung durch zwei Beispiele von Lageranordnungen
veranschaulicht, von denen je ein lotrechter Schnitt gezeichnet ist. Das erste derselben
(Abb. r) zeigt die Anwendung der Erfindung auf einen Waagebalken, also eine wagerechte
Achse mit lotrechter Belastung, während das zweite Beispiel (Abb. 2) eine der Erfindung
entsprechende Lagerung einer lotrechten Welle mit im wesentlichen achsialer Belastung
darstellt.
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Beim ersten Beispiel ist der gezeichnete Schnitt senkrecht zur Längsrichtung
des Waagebalkens gelegt, so daß derWaagebalken selbst in der Zeichnung nur mit seinem
als rechteckig angenommenen Querschnitt a er- i scheint. Zu beiden Seiten des Waagebalkens
sind, zentrisch zur Drehachse desselben, zwei Lagerbüchsen b und c angeordnet, die
mit Hilfe von Flanschen b'- und cl fest mit dem Waagebalken verschraubt anzunehmen
sind. Die linke Lagerbüchse b ist auf der unteren Seite in der Längsrichtung geschlitzt
und kann durch eine Schraube b2 mehr oder weniger stark geklemmt werden. In die
beiden Lagerbüchsen b und c greifen von außen her i zwei Achsen d und
e hinein, auf die sich der Waagebalken a mit den beiden Lagerbüchseil
b
und c stützt und die ihrerseits in einem gemeinsamen Lagerbock f drehbar gelagert
sind. Die dein Waagebalken a zugekehrten Enden der Achsen d und c besitzen Kugelflächen
dl bzw. cl, mit denen sie sich gegen den Waagebalken legen und denselben in seitlicher
Richtung führen. Jede der beiden Achsen d und e trägt, fest damit
verbunden, ein Kegelrad g bzw. h, die beide in ein drittes, senkrecht dazu angeordnetes
Kegelrad i eingreifen. Das Kegelrad i ist auf einer lotrechten Achse h befestigt,
die ebenfalls in den Lagerbock t geführt ist, und die in beliebiger, auf der Zeichnung
nicht weiter dargestellten Weise gleichmäßig angetrieben zu denken ist. Beim Gebrauch
der Einrichtung wird die Drehung der Achse k durch die Kegelräder i,
g und
h in einander entgegengesetztem Sinne auf die beiden Achsen d und e übertragen,
so daß auf den Waagebalken a zwei entgegengesetzt gerichtete Reibungsmomente ausgeübt
werden, die sich bei richtiger Abstimmung der beiden Lagerreibungen mit Hilfe der
Schraube b2 gegenseitig aufheben. Dadurch kann der Waagebalken reibungsfrei nach
beiden Seiten sich bewegen.
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Das in Abb.2 dargestellte zweite Beispiel zeigt die Lagerung einer
lotrechten Welle 1, an deren unterem Ende eine umlaufende Scheibe an sitzt, die
die Welle l in der Hauptsache in achsialer Richtung belastet. Die Gesamtbelastung
der mit der Welle l sich drehenden Teile wird hier auf zwei übereinander angeordnete
Kugelspurlager verteilt, von denen die beiden stützenden Kugelschalen mit n1 und
öl, die mit der Welle l in Verbindung stehenden Kugelschalen mit n2 und o2 bezeichnet
sind. Die beiden ersteren ruhen auf je einem Kegelrad p bzw. q, deren jedes mit
einer Führungsbüchse pl bzw. q1 versehen und mit Hilfe dieser Büchse in j e einem
Tragarm r' bzw. y2 eines gemeinsamen Lager-Bocks r drehbar gelagert ist. Die Kegelräder
und q greifen beide in ein drittes, senkrecht dazu angeordnetes Kegelrad s ein,
dessen wagerechte Achse s1 in einem Ansatz r$ des Lagerbocks r geführt und in beliebiger
Weise gleichmäßig angetrieben zu denken ist. Von den beiden die Belastung übertragenden
Kugelschalen n2 und o2 ist nur die untere n2 mittels einer Scheibe t fest
mit der Welle l verbunden, während die obere o2 durch eine Scheibe ?s. mit
einer unten erweiterten Büchse v in Verbindung steht. Die Büchse
v
greift mit ihrem unteren Teil in eine mit der , Scheibe t fest verschraubte
Büchse w, die die Büchse v zentrisch führt, jedoch eine achsiale Bewegung
derselben nicht verhindert. Eine in der Büchse a, befestigte Schraube x, die in
einem achsenparallelen Schlitz v1 der Büchsev eingreift, bewirkt die Übertragung
der Drehbewegung der mit der Welle l fest verbundenen Teile auf die Büchse v und
damit auf das obere Kugellager. Durch den oberen Teil der Büchse v geht zentrisch
ein Stift y hindurch, der mit dem oberen Ende der Welle L durch eine dazwischengeschaltete
Zugfeder z in Verbindung steht. Der Stift y
trägt an seinem oberen,
mit Gewinde versehenen Teil eine Mutteryl mit Gegenmutter y2, die sich auf die Scheibe
u stützen, so daß durch- Einstellen der Muttern y1 und y2 die Spannung der Feder
z beliebig eingestellt werden kann. Diese Anordnung ermöglicht es, durch entsprechende
Spannung der Federz die Gesamtbelastung auf die beiden Kugellager derart zu verteilen,
daß zwei gleich große Reibungsmomente erzeugt werden. Durch den Antrieb der Achse
s' und der Kegelräder s, p und q werden die stützenden Lagerglieder wiederum in
einander entgegengesetztem Sinne gedreht, so daß die auftretenden Reibungsmomente
sich gegenseitig aufheben und die Welle l mit der Scheibe m damit reibungsfrei
beweglich ist.