ALEX DEN OUDEN
EINDHOVEN - NEDERLAND

Wentellagers IV

Rollenlagers voor grote belastingen

De volgende tekst verscheen (in het Engels) in "The Engineer's Year-Book for 1920":
"Er zijn heel wat pogingen ondernomen om een aan alle eisen voldoend rollenlager voor grote (radiale) belasting te fabriceren, maar op enkele uitzonderingen na zijn die weinig succesvol geweest. Dit is hoofdzakelijk toe te schrijven aan het feit dat de rollen sterk de neiging hebben, zich in axiale zin te verplaatsen en dus tegen het lagerhuis of lagerdeksel te drukken. De oorzaak is welbekend, maar moeilijk te ondervangen."

De schrijver, professor John Goodman, legt niet uit wat nu eigenlijk de zijdelingse kruip veroorzaakt. Uit contemporaine bronnen wordt duidelijk dat men onvoldoende cilindriciteit van de rollers als belangrijkste oorzaak ziet. Bedenk hierbij dat het centerloos slijpen als produktietechniek destijds nog niet beschikbaar was. Zijdelingse kruip leidt tot toegenomen wrijving tegen lagerhuis en lagerdeksel.

Rolling bearings IV

Roller bearings for high loads

The following is a quote from "The Engineer's Year-Book for 1920":
"A great many attempts have been made at producing a satisfactory roller bearing for big loads, but with the exception of one or two special designs, they have only met with indifferent success. This is mainly due to the fact that the rollers tend to creep endwise along the shaft and thereby produce end thrust on the case and casing. The cause of this trouble is perfectly well known but it is a defect that is exceedingly difficult to remedy."

The author, professor John Goodman, does not actually explain what causes the sideways creep of the rollers. From other contemporary sources it becomes clear, that insufficient cilindricity of the rollers is considered to be the main reason. You should remember that centreless grinding as a production technology was not yet available then. Sideways creep of the rollers leads to extra friction on the bearing housing and cover.

De typische bouwwijze van een rollenlager, omstreeks 1915

In deze tijd was het, om een hoge belastbaarheid te realiseren, onvermijdelijk om (in onze ogen) lange rollen te kiezen, met lengte/diameter-verhoudingen van wel 8. Vanzelf zijn de cilindriciteits-problemen ernstiger naarmate de rollen langer zijn. Constructeurs trachtten de wrijving te verminderen door de einden van de rollen af te ronden.

Typical roller bearing design, circa 1915

In this period, obtaining a high (radial) load capacity inevitably meant the use of (to us) really long rollers, with length/diameter ratio's of up to 8. The cilindricity problems of course become more serious the longer the rollers are. Designers tried to minimize the axial friction by rounding the ends of the rollers.

Het artikel in "The Engineer's Year-Book for 1920" gaat verder:
"Eén van die meer succesvolle ontwerpen is het Hyatt-lager. Hierin zijn de massieve rollen vervangen door zware spiraalveren, om en om links- en rechtsom gespiraliseerd. Door deze bouwwijze heeft men geen last van de centriciteits-problemen en de rollen-kruip inherent aan lagers met massieve lange rollen."

Dit is een interessant idee, het verend gedrag van de spiralen (hele) kleine onnauwkeurigheden in diameter te laten opvangen. De draagkracht lijdt hier uiteraard wel onder.

The article in "The Engineer's Year-Book for 1920" continues:
"One of those special designs that have been more succesful, is the Hyatt bearing, in which the solid rollers are replaced by helical springs arranged alternately with right and left handed helices. This construction avoids the centricity problems and roller creep inherent in bearings provided with long solid rollers."

It is an interesting idea to have the springyness of the coils compensate for (very) small inaccuracies in the diameter. But naturally, the load bearing capacity suffers.

Een andere remedie

Zijdelingse kruip van lagerrollen is onmogelijk wanneer ze in axiale richting gefixeerd zijn. Een middel om dit voor elkaar te krijgen: schouders op de binnen-lagerring. Deze methode was in de jaren 1910 al bekend, omdat zij - gedwongen - al werd gebruikt in kegel-rollenlagers. De conische lagers danken hun ontstaan aan de snel opkomende automotor. Ze zijn namelijk geschikt voor een combinatie van radiale en axiale (druk) belasting. Ze zijn bovendien individueel na te stellen, om de destijds nog aanzienlijke produktie-toleranties van motoren op te vangen. In conische lagers worden de rollen naar buiten gedrukt, tenzij ze bewust worden tegengehouden.

A different remedy

You won't have sideways creep of long rollers if they are fixed in axial direction. One way to do this is to use shoulders on the inner bearing ring. This practice was well known in the 1910s, because it was already applied - by necessity - in conical bearings, a type of bearing specially developed for the then emerging automobile engine. Conical bearings are suited for a combination of radial and axial (thrust) load. They can also easily be adjusted individually to take up the then still considerable production tolerances in engines. In conical bearings, the rollers are forced out unless they are positively prevented from doing so.

Het Timken-rollenlager van omstreeks 1915

Vroege Timken lagers hadden twee schouders met trapezium-doorsnede op de binnenring en in de slanke kegelrollen waren aan beide uiteinden soortgelijke uitsparingen ingedraaid. De groeven in de rollen pasten exact over de schouders op de binnenring. De rollen werden op de juiste onderlinge afstand gehouden door een vrij zwevende buitenliggende kooi. Dit is een produktie-technisch erg moeilijke bouwwijze. De groeven en schouders moeten vrijwel spelingsloos op elkaar sluiten; terwijl tegelijkertijd de last-dragende delen van de rollen perfect op de binnen- en buitenring moeten aanliggen. Timken lagers waren derhalve steenduur. Ik denk dat zij de afgewerkte rollen en ringen stuk voor stuk namaten en op afmetingen sorteerden, om dan met de hand perfect passende setjes samen te stellen.

The Timken roller bearing of circa 1915

The early Timken bearings had two shoulders of trapezoid section machined on the inner bearing ring and the conical rollers had grooves of similar section machined into them at each end. The grooves in the rollers fitted over the shoulders on the inner bearing ring. The rollers were furthermore kept in position relative to each other by a free-floating outside cage. This is a very difficult construction. Both sets of grooves and shoulders had to fit without much play --- while at the same time the actual load bearing tapered parts had to remain in firm contact with the inner and outer rings. Timken bearings were therefore extremely expensive. I think they measured and graded the finished rollers and rings by their dimensions and selected and combined them by hand into fitting sets.

Het artikel in "The Engineer's Year-Book for 1920" was niet best te spreken over het Timken lager: ".... aangezien dit als véél te duur voor praktische toepassing moet worden beschouwd."

The article in "The Engineer's Year-Book for 1920" did not approve of the Timken bearing: ".... it must be considered far too expensive for practical application."

Het Hoffman-rollenlager van omstreeks 1915

"Nee, de enige rollenlagers die aan hoge belastingen onderworpen kunnen worden zonder problemen met rollenkruip danwel relatief hoge wrijvingsverliezen, zijn lagers met korte rollen. Deze rollen hebben een lengte/diameter verhouding van circa 1 en ze lopen in een baan die in de binnenring is uitgedraaid. Met andere woorden, de rollen zijn opgesloten tussen twee schouders op de binnenring. Zowel de rollen als de ringen zijn vervaardigd uit het allerbeste gereedschapsstaal, glashard gehard en zo nauwkeurig op maat en glad geslepen en gepolijst als maar mogelijk is. De rollen in dergelijke lagers worden op hun plaats gehouden met een passende kooi. Dit type lager werd ontwikkeld door Hoffman."

The Hoffman bearing of circa 1915

"No, the only roller bearings which will run satisfactorily under high loads without problems with roller creep or alternatively relatively high friction losses are those in which short rollers are used. The rollers have a length/diameter-ratio of about 1 and they run in a race machined into the inner bearing ring. In other words, the rollers are retained between two shoulders on the inner ring. Both rollers and races are made of the best quality of glass hardened tool steel, finished and ground to as high a degree of accuracy as possible. The rollers in such bearings are kept in their correct relative positions by means of a suitable cage. This type of roller bearing was pioneered by Hoffmann."

Terug naar Timken

Welk lot was het oorspronkelijke Timken lager met lange rollen beschoren? Het verdween van de markt, om vervangen te worden door typen met korte rollen. Voor werkelijk zeer hoge toelaatbare belastingen werden twee of zelfs vier setjes rollen ingezet op één en hetzelfde paar lagerringen, zoals je kunt zien in onderstaande advertentie uit 1945.

Back to Timken

So what happened to the original long-rollered Timken bearing? It disappeared, to be replaced with short-rollered designs. To obtain really high admissable loads, two or even four sets of short rollers were combined in a single pair of bearing rings, as shown in the advertisement shown below. This dates from 1945.