Nederlands   English
 1   2   3   4   5   6   7   8   9   10   11 

dommekracht / jack

ALEX DEN OUDEN
EINDHOVEN - NEDERLAND

 1024×768
   (min.)
Oude techniek en werktuigbouw,
industriële geschiedenis en archeologie
Historical engineering and technology,
industrial archaeology and history
© AdO 1998 ... 2004

     


      Terug naar de index der artikelen ...                Back to the index of articles ...   

Wentellagers I

Voor de ondersteuning van draaiende assen werden tot zeker 1900 overwegend vaste kussenblokken gebruikt. Ik heb elders op deze website al eens beschreven en getoond hoe die zijn opgebouwd en hoe ze werken. Wanneer een dergelijk kussenblok goed gesmeerd wordt, vertoont het tamelijk weinig wrijving en warmte-ontwikkeling. Toch is voor sommige toepassingen de wrijving (nog) te groot, vooral voor snellopende en tegelijkertijd nauwkeurig werkende machines. Denk hierbij bijvoorbeeld aan textielmachines. Er werd dus driftig gezocht naar een lagerconstructie met werkelijk minimale wrijving.

Rolling bearings I

Until at least 1900, it was common practice to support rotating shafts and axles in fixed bearing blocks. Elsewhere on this website I have described and shown how these bearings are constructed and how they operate. If such a bearing block is kept well-lubricated, friction and heat development remain insignificant. Nevertheless, in some applications, the friction still is too large. Particularly for machinery that needs to be fast-running and very accurate at the same time. Think of textile machinery, for instance. So there was a great interest in bearing constructions with really minimal friction.

Ooit al eens geprobeerd een zware machine te verplaatsen? Schuiven over de vloer lukt niet. Je licht hem met een zware koevoet aan één zijde een klein stukje op, schuift er een stalen pijp onder. Datzelfde doe je ook aan de andere kant. En hup, je verrolt de machine met één hand. Wel even opletten, de pijpen rollen geleidelijk onder de machine uit, dus leg je steeds nieuwe pijpen aan de voorzijde bij. Aan de achterzij komen ze vanzelf vrij.

We constateren, dat rollende wrijving aanmerkelijk geringer is dan glijdende wrijving. Dat is ook wel logisch. In het eerste geval is er sprake van lijncontact; in het tweede geval van oppervlaktecontact. Je moet je wel realiseren, dat in het eerste geval de druk (gewicht gedeeld door contactoppervlak) vele malen hoger is dan in het tweede geval. De pijpen willen dan ook wel eens piepen. Neem je (te) dunwandige pijpen, dan zie je dat deze enigszins inveren onder het gewicht van de machine. In dat geval komt er van verrollen niet veel terecht! De rollichamen moeten daarom hard en sterk zijn, met andere woorden, ze mogen onder belasting nauwelijks vervormen.

Did you ever try to move a heavy piece of machinery? Sliding it over the floor, forget it. Impossible! You first lift one end with a heavy crowbar, push a piece of tubing under it. Repeat at the other end. And see, you can shift the machine with pressure of just one hand. Take care, you'll notice that the pipes gradually roll out from under the machine. So you put more pipes in front of the machine and collect the ones coming free at the rear.

We conclude that rolling friction is far less than sliding friction. Which makes sense, in the first case there is only a line of contact; in the second case there is a whole surface of contact. You must remember, however, that in the former case the contact pressure (weight divided by contact surface) is many times as high as in the latter case. Your pipes tend to squeal under the load. If you use (too) thin-walled pipes, you observe that they are slightly flattened under the weight of the machine. In that case you can forget about rolling! So you see that the rollers used must be hard and strong, in other words, they should not deform under load.

Rollen in kussenblokken

Rollen kun je prima gebruiken in kussenblokken, voor de ondersteuning van draaiende assen. Een eerste (primitieve) uitvoering dateert uit de Middeleeuwen. Vermoedelijk voor het eerst toegepast bij de ophanging van kerkklokken, dus voor heen- en weergaande beweging.

Rollers in bearing blocks

Rollers can be used to great advantage in bearing blocks, to support rotating shafts. A first, still primitive, design dates back to the Middle Ages. It was presumably first applied to support hanging church bells, i.e., for back and forwards motion.

klokkestoel, zijaanzicht
bell framing, elevation klokkestoel, bovenaanzicht
bell framing, plan

Eigenlijk is hier nog geen sprake van zuiver rollende wrijving. Het contact tussen de astap D en de twee grote rollen B B is weliswaar rollend; maar de rollen bewegen in vier gewone glijlagers a a. Toch is deze constructie wel geslaagd, want de glijsnelheden in die laatste lagers blijven klein, waardoor wrijving en warmte-ontwikkeling beperkt zijn. De as wordt in verticale zin niet opgesloten en blijft alleen door zijn eigen gewicht op z'n plaats.

To be perfectly honest, this is not a case of pure rolling friction. The contact between the gudgeon D and the two large rollers B B may be rolling, but the rollers are supported in four ordinary sliding bearings a a. Nevertheless this is an advantageous construction, as the sliding speed in the latter bearings remains small, so minimising friction and heat generation. The gudgeon is not restrained in vertical direction, it remains in place solely due to its own weight.

Het rollager

Aan het eind van de achttiende eeuw tref je de eerste echte rollagers aan, heel ingenieuze constructies.

The roller bearing

At the end of the eighteenth century we find the first real roller bearings, very ingenious designs.

rollenlager, zijaanzicht
roller bearing, elevation

De astap e is ingebed in een krans van zes rollen a-a in een ringvormig huis B-B. Draait de astap, dan draaien ook de rollen, zowel om hun eigen as als om de astap. Wanneer astap en kussenblok perfect evenwijdig zijn uitgericht, is er sprake van het gewenste (wrijvingsarme) lijncontact. Is de uitrichting minder perfect, dan krijg je puntcontact, met plaatselijk extreem hoge contactdrukken. Dat is funest voor het lager. Gelukkig laat deze constructie zich eenvoudig goed uitrichten.

The gudgeon E is bedded in a ring of six rollers a-a held in a ring-shaped frame B-B. When the gudgeon rotates, so do the rollers, both around their own centres and around the shaft. When bearing block and shaft are set perfectly parallel, we obtain the desired (nearly frictionless) line contact. Is parallelity not perfect, we get point contact, with locally extremely high pressures. This destroys the bearing. Happily, it is not very difficult to align the bearing well.

Het kussenblok wordt in één stuk uit gietijzer gegoten. Het wordt zo snel afgekoeld dat de kristalstructuur wit (kristallijn) blijft. Dit betekent, dat zich tijdens de afkoeling geen grafietlamellen kunnen vormen, alle koolstof in het ijzer blijft in de cementietvorm en dat maakt het ijzer keihard. Ook de astap wordt wit gegoten, om dezelfde reden. De rollen zijn gehard koolstofstaal (minimaal 1% C), ontlaten tot circa 300 graden (veertemper, aanloopkleur blauw). Het genoemde materialenpaar geeft opvallend gunstige resultaten (zolang de rollen in een oliebad lopen).

The bearing block is cast in a single piece of cast iron. It is cooled very fast, so that it is of white (crystalline) character. This means that no graphite flakes are formed, all carbon in the iron remains as cementite and the iron is hard as rock. The gudgeon is also cast in white iron, for the same reason. The rollers are made of carbon steel (at least 1% C), hardened and tempered to about 300 degrees C (spring temper, blue colour). This particular combination of materials gives surprisingly favourable results (as long as the rollers are running in an oil bath).

een van de zes rollen, zijaanzicht
one of the six rollers, elevationafstandshouder, vooraanzicht
distance holder, front viewbuiten-lagerdeksel, vooraanzicht
outside bearing cover, front view

De rollen Z moeten tijdens gebruik equidistant blijven. Ze hebben in het midden een diepe groef. Een afstandshouder L met sleufgaten houdt ze in de voorgeschreven onderlinge positie. De binnendiameter van de afstandshouder is groter dan die van de astap; de buitendiameter kleiner dan die van het lagerhuis. De groeven in de rollen zijn wijder dan de plaatdikte van de afstandshouder. Zodoende geeft deze constructie maar weinig extra wrijving.

The rollers Z must be kept equidistant during operation. They are deeply grooved in the centre. A notched distance holder L maintains them in the prescribed mutual positions. The inner diameter of the distance holder is larger than that of the shaft; the outer diameter smaller than that of the outer ring. The grooves in the rollers are wider than the thickness of the holder. In this way, the contraption causes but very little extra friction.

De lagerring, de astap en de rollen worden op de draaibank nauwkeurig nabewerkt. De loopvlakken moeten zuiver cilindrisch zijn, de geringste tapsheid kan al tot problemen leiden. De rollen moeten verder precies dezelfde diameter hebben. Ze passen exact tussen astap en ring. De uiteinden van de astap en van de rollen zijn licht bolvormig afgedraaid. Contact met de afdekplaten levert dan maar heel weinig wrijving op, omdat de contactsnelheid bij het hart van de as c.q. de rollen miniem is.

The bearing ring, the gudgeon and the rollers are turned accurately on a lathe. The rolling surfaces must be precisely cylindrical, the slightest taper will cause problems. Furthermore, the rollers must be of exactly the same diameter to fit precisely between gudgeon and ring. The extremities of gudgeon and rollers are turned slightly spherically. This minimizes contact friction with the cover rings, as contact speed near the centre of the shaft c.q. the rollers is minimal.

Aan de ene zijde is het lagerhuis afgedekt met een cirkelvormige plaat N. Aan de andere zijde met een ringvormige plaat. Per slot van rekening moet je de astap wel in het lager kunnen steken. De platen zijn met kit tegen het huis afgedicht. Je kunt het huis daarom tot juist onder de as met olie volgieten. De langzaam rond de as draaiende rollen worden dan regelmatig in de olie ondergedompeld.

On one side, the bearing housing is covered with a circular plate N. On the other side with a ring-shaped plate. After all, you must be able to insert the shaft into the bearing. These covers are jointed to the bearing housing with mastic. You can therefore fill the bearing with oil up to about the bottom of the shaft level. So the rollers, slowly rotating around the shaft, are regularly immersed in oil.

Vuil en water zijn fataal voor dit rollager. Harde deeltjes (zand, bijvoorbeeld) krassen groeven in de lagervlakken of blokkeren de rondgaande beweging. In dat geval gaat de astap over de stilstaande rollen glijden. Niet alleen is de wrijving dan vele malen groter geworden - de slijtage óók! Is er eenmaal een plat kantje aan een of meer rollen gesleten, dan zal de zaak nooit meer naar behoren rollen. Water in het lager verdrijft de olie, verslechtert de loopeigenschappen en veroorzaakt roest. Allemaal redenen om van rollen in glijden te vervallen.

Het oorspronkelijk patent had in het bijzonder betrekking op rollagers voor wagenassen en waterraderen. Slechter toepassingen zijn nauwelijks denkbaar ....

Dirt and water are fatal for this type of bearing. Hard particles (sand for example) will wear grooves in the bearing surfaces or even block the rotation. In that case, the gudgeon starts to slide over the stationary rollers. The friction increases considerably, but that is not the only problem. Wear inceases, too! Once a flat facet has been worn on one or more of the rollers, the whole set up will never function again. Water in the bearing displaces oil, deteriorates running properties and causes rust. All reasons to turn from rolling to sliding.

The original patent for this type of bearing specifically covered roller bearings for carriage and waggon wheels and waterwheels. It is hard to think of an application for which they are less suited ....


naar de top    naar de top to the top    to the top