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 III

Rollenlagers: de stand van zaken omstreeks 1890

In de late jaren 1880 nam de belangstelling voor rollenlagers snel toe. Men ontdekte dat zulke lagers - indien correct ontworpen - bijzondere voordelen bieden boven conventionele olie- of vet-gesmeerde glijlagers. Namelijk:

  1. Kleiner aanloopeffect (minimale kleef)
  2. Minder wrijving bij het nominale bedrijfstoerental
  3. Geen last van warmlopers
  4. Zuinige smering

Rolling bearings III

Roller bearings: the state of the art around 1890

In the late 1880s interest in roller bearings quickly grew. It was discovered that such bearings - if properly designed - have some considerable advantages over traditional oil- or grease-lubicated sliding bearings. To wit:

  1. Reduced starting effort (minimal sticking)
  2. Reduced friction during running at normal operating speed
  3. No trouble with hot bearings
  4. Economic in lubrication

Wat nu precies uitmaakte of een lager "correct ontworpen" was, bepaalde men proefondervindelijk. Op deze manier werd gedurende de jaren 1890 de bouwwijze van rollenlagers stapje voor stapje verbeterd. Laten we die ontwikkelingsgang eens op de korrel nemen.

What exactly constituted "properly designed" was determined by trial and error, in other words, by practical experiment. In this way, during the 1890s, roller bearing construction was improved step by step. Let us have a closer look at this evolution.


De eerste ontwikkelingen

De belangrijkste voorwaarden voor een goed rollenlager zijn:

  1. De rollen moeten van geschikt materiaal en voldoende lengte en diameter zijn om de belasting en vervorming die ze ondergaan te kunnen weerstaan
  2. De rollen mogen niet tegen elkaar wrijven noch zijdelings kunnen bewegen; verder moeten ze altijd precies evenwijdig blijven aan de astap en het lagerhuis om puntcontact in plaats van lijncontact en een spiraalbeweging van het rollenpakket te voorkomen
  3. Alleen rollend contact en geen glijdend contact
  4. Geen zijdelingse beweging van de as onder axiale belasting
  5. Stof, vuil en vocht mogen niet in het lager kunnen komen
  6. Smering, onderhoud en reparatie moeten zo eenvoudig mogelijk zijn
  7. De fabricagekosten moeten zo laag mogelijk zijn

In de vroege ontwerpen werden de rollen van elkaar gescheiden met kleine hulprollen of kogels, zoals getoond in de volgende twee tekeningen.


Early efforts

The main requirements for a good roller bearing design are:

  1. The rollers must be of suitable material and of sufficient length and diameter to withstand the stresses and deformations imposed upon them
  2. The rollers may not rub against each other nor move laterally; further they must remain exactly parallel with the axis of the journal and the bearing housing to prevent point contact instead of line contact and spiral movement of the full roller set
  3. Only rolling contact and no sliding contact
  4. No lateral movement of the journal under axial thrust
  5. Dust, dirt and water should be kept out of the bearing
  6. Lubrication, maintenance and repair should be as simple as possible
  7. Production costs should be as low as possible

In the early designs, the rollers were kept apart by means of small subsidiary rollers or balls, as shown in the following two drawings.


vroeg ontwerp, rollen gescheiden door kleine hulprollen
early design, rollers separated by small subsidiary rollers

In dit ontwerp is de binnenring uit één stuk, terwijl de buitenring in het midden is gedeeld zodat het lager kan worden samengebouwd. Dit is niet goed, want tijdens bedrijf zal de naad geleidelijk worden vervormd, waar­door het lager gaat "hameren". De twee halve deksels werden eerst vast­gebout op de buitenringhelften, waarna deze werden samengevoegd. Zijdelingse beweging van de rollen en het spiralen van het rollenpakket worden niet effectief voorkomen. De hulprollen wrijven (licht) in hun banen. Ze willen naar buiten vliegen door de centrifugaal­kracht. Dat verknoeit hun spatiering. Axiaalkrachten op de as kunnen niet worden opgenomen. Al met al niet zo'n aantrekkelijk ontwerp.

In this design, the inner ring of the bearing is in one piece but the outer ring is parted in the middle to allow assembly of the bearing. This is bad practice as the joint will gradually be deformed under operation, causing hammering of the bearing. The two half covers were first mounted on the outer ring halves before these were joined together. The prevention of axial movement of the rollers and spiralling of the roller set is not effective. The subsidiary rollers rub (slightly) in their races. Furthermore, they tend to fly outwards due to centrifugal force, which spoils their correct spacing. Axial journal thrust is not taken up at all. Not a very satisfactory design, all in all.


vroeg ontwerp, rollen gescheiden door kogels
early design, rollers separated by balls

Hier zijn zowel binnen- als buitenring ongedeeld, zodat "hameren" niet zal voorkomen. Het linker deksel wordt eerst in de buitenring gezet, daarna worden de rollen en kogels op hun plaats gebracht en tenslotte wordt het rechterdeksel gemonteerd. De rollen zijn zijdelings gefixeerd door de kogels in hun loopgroeven. De exacte positie van het rechterdeksel is van belang. Staat dit niet op de goede plaats, dan worden de kogels ver­spannen, met als gevolg veel wrijving. De kogels willen door de centri­fugaalkracht naar buiten vliegen, waardoor de juiste spatiering verloren gaat. Het spiralen van het rollenpakket wordt niet voorkomen. Axiale krachten (naar links) op de as worden opgenomen door één of meer kogels in een ringvormige groef. Beter maar niet goed genoeg.

In this design, both inner and outer bearing rings are in one piece, so no hammering occurs. The lefthand cover is first mounted in the outer ring. Next the balls and rollers are brought in place, after which the righthand cover is mounted. The rollers are axially fixed by the balls in their races. The exact axial position of the righthand cover is important. If it is not in the correct position, the balls will be under pressure, causing severe rubbing and excessive friction. The balls tend to fly outwards due to centrifugal force, which spoils their correct spacing. Spiralling of the roller set is not prevented at all. Axial journal thrust (towards the left) is taken up by one or more balls in a subsidiary ring-shaped race. Better, but not good enough.


Een verbetering: zwevende afstandsringen

De eerste stap voorwaarts was de introductie van zwevende afstandsringen, zoals getoond in onderstaande tekening.


An improvement: floating spacer rings

The first step forwards was taken with the introduction of floating spacer rings, as shown in the following drawing.


verbeterd ontwerp, hulprollen in afzonderlijke zwevende afstandsringen
improved design, subsidiary rollers in separate floating spacer rings

De buitenring (en een eventueel inzetstuk, alleen in de bovenste helft van de tekening getoond) is gedeeld om de samenbouw mogelijk te maken. Dus zal het lager "hameren". De hulprollen kunnen niet naar buiten bewegen omdat ze radiaal worden gefixeerd door de afstandsringen. De hulprollen wrijven (licht) in deze afstandsringen, welk effect wordt versterkt door de centrifugaalkracht die er op werkt. Spiralen van het rollenpakket wordt niet voorkomen. De beweging van de as onder axiale belasting wordt op wel erg grove wijze "voorkomen". Alles bij elkaar: dit ontwerp mag beter zijn dan de voorgaande - maar het kan beslist nog wel verder verbeterd worden.

The outer ring (and an eventual insert, as shown only in the top half of the drawing) must be divided in two halves to allow assembly. So this design will be subjected to hammering. The subsidiary rollers cannot move outwards as they are radially restrained by the spacer rings. There is a slight rubbing (sliding) movement of the subsidiary rollers in the floating rings, increased by the centrifugal force on them. Spiralling of the roller set is not prevented. Journal movement due to axial thrust is "prevented" in an extremely crude way. All in all, this may be a better design than the ones shown previously, but it certainly leaves a lot of scope for further improvement!


Verdere verbetering: geen spiralen meer

De volgende stap was logischerwijs te voorkomen dat het rollenpakket gaat spiralen. Daartoe combineerde men de hulprollen aan de linker- en rechterzijde tot enkele (geprofileerde) lange rollen.

Further improvement: no more spiralling

The next step of course was to combine the opposite subsidiary rollers at both sides into single (profiled) long rollers. In that way, spiralling of the roller set was out of the question.


verder verbeterd ontwerp, linker en rechter hulprollers met elkaar verbonden
further improved design, left and right subsidiary rollers combined

De hoofdrollen, roze in de bovenhelft van bovenstaande tekening, zijn aan beide zijden verjongd met een ruwweg driehoekige profiel. De hulprollen, roze in de onderhelft van de tekening, hebben aan elke zijde twee bol­vormige verdikkingen. De twee binnenste verdikkingen passen in de verjongingen van de hoofdrollen; de twee buitenste passen in de afstands­ring. Het lager heeft geen binnenring, de hoofdrollen lopen direct op de geharde astap. Het heeft wel een aparte, relatief dunne buitenring, die in het lagerhuis is geperst. De afstandsringen zijn gedeeld en nastelbaar om de speling te kunnen minimaliseren. De hulprollen kunnen niet naar buiten bewegen. De buitenste bolvlakken van de hulprollen lopen met hun naar binnen gerichte zijde in speciale inzetringen. Hierdoor kan geen van de rollen zich axiaal verplaatsen. De (naar links gerichte) axiale belasting op de astap wordt opgenomen in één of meer grote kogels die in een eigen groef lopen. Dit geeft wat wrijving, maar omdat deze op een kleine straal aangrijpt, is het effect te verwaarlozen. De laatste verbetering is een afdichtingsring die vuil, stof en vocht uit het lager weert.

The main rollers, shown pink in the upper half of the above drawing, are given an indentation of roughly triangular section at each end. The subsidiary rollers, shown pink in the bottom half of the drawing, have two ball-shaped bulges at each end. The inner bulges engage with the indentations of the main rollers; the outer bulges engage with the spacer rings. The bearing has no inner ring, the main rollers run directly on the hardened journal. It does have a separate relatively thin-walled outer ring, which is pressed into the bearing housing. The spacer rings are split and can be adjusted to minimise play. The subsidiary rollers cannot fly outwards. The inner curves of the outer ball surfaces of the subsidiary rollers run in special inserts. These ensure that none of the rollers can move in axial direction. Axial journal thrust (towards the left) is taken up by one or more large balls running in a subsidiary ring-shaped race. We have some sliding friction here, but as it attacks at a small diameter, this causes no problems. The final improvement is a stationary slipring which seals the bearing from dirt, dust and water.


Een perfect ontwerp: geen hulprollen of kogels meer

Het hierboven laatstgetoonde ontwerp voldeed uit technisch oogpunt volledig. Helaas was het een tamelijk complexe constructie, die dus werkelijk peperduur uitviel. Naarmate er meer ervaring met afstandsringen werd opgedaan, werd steeds duidelijker dat hulprollen of kogels feitelijk helemaal niet nodig waren. In dat geval moeten de twee afstandsringen stijf met elkaar worden verbonden tot een enkele kooi. Hierin worden de rollen opgehangen met kleine puntlagertjes. De kooi blijft geheel vrij van alle andere lagerdelen. Weliswaar veroorzaken de puntlagertjes die nu zorg dragen voor het uit elkaar houden van de rollen wel enige wrijving, maar deze grijpt op kleine straal aan en mag worden verwaarloosd. De kooi loopt trouwens in een oliebad in het lagerhuis.

Perfect design: no more spacing rollers or balls

The last design shown above was completely satisfactory from a technical point of view. It was however of quite complicated construction and therefore came really expensive. As more and more experience with spacer rings was gathered, it became clear that subsidiary rollers or balls are in fact not really necessary. In that case, the two spacer rings must be coupled together to form a single cage in which the rollers are supported with small conical bearings. This cage remains completely free from all other bearing components. Admittedly, the small conical bearings spacing the rollers do show some sliding friction, but as the point of application is at a small diameter, this is negligible. Remember, the cage runs in an oil bath contained in the bearing housing.


perfect ontwerp, geen hulprollen of kogels
perfect design, no subsidiary rollers or balls

Hierboven zien we een dwarsdoorsnede van zo'n uit­ontwikkeld rollenlager; hieronder een langsdoorsnede. De rollen hebben aan beide zijden conische uiteinden. Ze zijn door en door gehard en de conusjes lopen in kleine bronzen lagerblokjes, die aan de binnenzijde van de kooiringen zijn bevestigd. Hiernaast rechts zie je zo'n lagertje. De twee kooiringen zijn stijf verbonden met langsliggers tussen de rollen. De rollen (en dus ook de kooi) zijn zijdelings gefixeerd door twee lage borsten op de binnenring van het lager. De buitenring is glad.

conisch lager
conical bearing

Above, we see a cross section of such a perfected roller bearing; below, a longitudinal section. The rollers have conical ends at both sides. They are hardened throughout and their cones run in small bronze bearings, fitted on the insides of the cage rings. One such a small bearing is shown to the left, here. The left and right cage rings are joined by axial stringers between the rollers. The rollers (and consequently also the cage) are fixed in axial direction by low collars on the (cup-shaped) inner bearing ring. The outer bearing ring is smooth.

perfect ontwerp, geen hulprollen of kogels
perfect design, no subsidiary rollers or balls

Heb je de afdichting aan de rechterzijde gezien? En kijk eens hoe de (naar links gerichte) axiale krachten op de astap worden opgenomen in een paar schijven: eentje gehard staal, heel licht bolvormig; de ander brons.

Did you notice the neat seal on the righthand side? And did you observe how axial journal thrust (towards the left) is taken up by a set of two disks: one hardened steel, very slightly spherical; the other bronze.


Enkele overwegingen bij het ontwerpen

Hoe dimensioneer je de onderscheiden lagercomponenten? Te hoge spanningen in de lagers zullen tot miniscule elastische afplatting van de rollen leiden. Doet zich zo'n deformatie voor, dan moeten de rollen a.h.w. "tegen de hol op" lopen. Dat resulteert in een sterk toegenomen aan­loopkoppel. Daarom kies je het aantal rollen en de lengte daarvan zo groot dat de lineare spanningen tamelijk gering zijn. Ook kies je de diameter van de rol vrij groot, zodat ze niet in de lagerringen worden ingedrukt. Dat zou wederom "tegen de hol op" betekenen. Hoe zwaarder de schokbelasting op het lager, hoe langer en dikker je de rollen maakt. Zeer hoge lager­belastingen en zware schokken - ook indien maar heel kort - kunnen plastische vervormingen in rollen en/of ringen veroorzaken. Dan kun je het lager wel weggooien. Hou er wel rekening mee, dat naarmate je het aantal rollen en hun afmetingen groter kiest, ook de buitenafmetingen van het lager steeds groter worden. De gebruikelijke verhouding diameter / lengte van de rollen was 1:5 à 1:6; de verhouding diameter rol / diameter astap was 1:1 (lichte lagers) tot 1:2 (zware lagers).

Some design considerations

How to dimension the various bearing components? Too high bearing stresses will result in miniscule elastic flattening of the rollers. When such deformation occurs, the rollers have to "run uphill". This results in dramatically increased starting effort. Therefore, the number of rollers and the length of the rollers should be made large enough to ensure quite low linear stresses. Next, the diameter of the rollers should be chosen large enough to prevent them from being pressed into the bearing rings. This again would cause "uphill running". The heavier shock loads do occur on the bearing, the longer and thicker the rollers should be made. Very high bearing loads and/or shocks - even when transient - can easily result in plastic deformation of the rollers and/or the bearing rings. This effectively ruins the bearing. It should be borne in mind that the larger one chooses the number of rollers and their length and diameter, the larger the bearing will be in overall size. The ratio roller diameter / roller length was commonly chosen as 1:5 to 1:6; and the ratio roller diameter / journal diameter as 1:1 (light bearings) to 1:2 (heavy bearings).

Welke materialen waren het best geschikt voor de verschillende lager­delen? Meestal werden de rollen van gepolijst koudgetrokken staal gemaakt; en de ringen uit kroezen-gereedschapstaal (voor zwaar belaste lagers) of hard (wit) gietijzer (voor licht belaste lagers). Het was gebruikelijk om de rollen wat zachter te houden dan de ringen. Per slot van rekening is het veel makkelijker en goedkoper om rollen te vervangen dan ringen. Wanneer echter relatief dunne rollen werden toegepast, moesten deze zo hard mogelijk gemaakt worden, omdat zij makkelijker afplatten en daardoor al snel moeilijk aanlopen.

Which materials were best used for the various bearing components? Usually the rollers were made of polished cold drawn steel; while the cases were made of cast crucible (tool) steel (for heavy duty bearings) or hard (whitish) cast iron (for less severely loaded bearings). Generally the rollers were kept slightly softer than the bearing rings. Rollers are far more easily and cheaply replaced than rings. However, in the case of relatively slender rollers, these had to be made as hard as possible, since the deformation effects previously described are far more seriously in this instance.


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