Axiales Drueldager für einte Drehwelle Die Erfindung betrifft ein axiales Drucklager für eine in einem Medium auflaufende Welle, mit einem feststehenden Stützelement, welches eine dreh symmetrische Aushöhlung aufweist, deren Erzeu gende eine gekrümmte Linie ist und deren Drehachse mit der Mittellinie der Welle zusammenfällt, wobei die Welle ein zentrisch liegendes und im Betrieb mit dem Stützelement zusammenwirkendes Druckelement hat und die zusammenwirkenden Oberflächen der beiden Elemente die gleiche Form haben, wobei eine dieser Oberflächen wenigstens über einen Teil mit regelmässig verteilt liegenden, ununterbrochenen und einander gleichen Nuten versehen ist.
Bei einem der artigen bekannten Drucklager ist eine der Oberflä chen mit einzelnen flachen Vertiefungen versehen. Das Lager nach der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass die Nuten eine sehr geringe Tiefe haben und ihre Mittellinien einen Teil einer Spirale darstellen derart, dass im Betrieb das Medium von der Aussen seite des Lagers her, unter Aufbau eines Druckes, einwärtsgetrieben wird, wobei jede;: Nut in einem im Element vorgesehenen zentrisch liegenden Raum mündet, der im Betrieb nur durch den dann auftre tenden Raum zwischen den Elementen und durch die Nuten hindurch mit der Aussenseite des Lagers in Verbindung steht.
Ein solches Lager eignet sich besonders für eine senkrecht angeordnete Welle, die im Betrieb eine grössere Umdrehungszahl ausführt, wie zum Beispiel Wellen von Zentrifugen, Garnspulmaschinen, Draht- a'bwickelmaschinen und ähnlichen Werkzeugen. Ein Lager nach der Erfindung bietet den Vorteil, d'ass die Tragkraft viel grösser ist als bei den bekannten Lagern und der Reibungskoeffizient viel geringer ist, so dass verhältnismässig kleine Reibungsverluste ent stehen.
Nach einer Ausführungsform der Erfindung ist die Dammbreite zwischen zwei Nuten immer gleich der Nutbreite in demselben Punkt. Folglich ergibt sich bei einem bestimmten Lager eine maximale Tragkraft.
Nach einer weiteren Ausführungsform der Erfin- dung ist die nicht mit Nuten versehene- Oberfläche gleichfalls mit einem im Betrieb einseitig offenen Raum versehen. Dadurch wird die Herstellung des Lagers einfacher.
Um etwa auftretende radiale Kräfte auf die Welle aufzunehmen, ist nach einer weiteren Ausführungs form der Erfindung der Drehteil der Welle nicht nur mit einem drehsymmetrischen Teil mit einer ge krümmten Linie als Erzeugende, sondern auch mit einem drehsymmetrischen Teil mit einer geraden Linie als Erzeugende versehen, der an dien ge krümmten Teil grenzt. Dieser gerade Teil kann sich dann zum Beispiel in einem Kugellager drehen.
Nach einer Ausführungsform der Erfindung hat das Mittel, in dem das Lager angeordnet ist, eine geringe Viskosität. Dies ist möglich, da das Lager im Betrieb eine grosse Tragkraft hat. Das Mittel kann Luft sein, aber es ist vorteilhaft, als Mittel Öl zu wäh len.
Die Erfindung wird an Hand der einige Ausfüh rungsbeispiele der Erfindung darstellenden Zeichnung näher erläutert.
Fig. 1 zeigt einen Schnitt gemäss der Mittellinie eines axialen Drucklagers für eine senkrecht um- laufende Welle, wobei das Druckelement in Ansicht dargestellt ist.
Fig. 2 ist eine Unteransicht der Welle mit dem Druckelement nach Fig. 1.
Fig.3 zeigt eine weitere Ausführungsform des Stützelementes. Fig. 4 zeigt ein axiales Drucklager nach Fig. 1 mit einer Vorrichtung zur Aufnahme radialer Kräfte und Fig. 5 einen Schnitt durch ein Drucklager nach den _Fig. 1, 2, 3, jetzt aber mit einer durchgehenden Welle.
In Fig. 1 bezeichnet 1 eine senkrecht angeordnete Drehwelle, welche in der Pfeilrichtung umläuft und mit einem Druckelement 2 versehen ist, welches die Form einer Halbkugel hat. Wenn die Welle nicht umläuft, ruht das Druckelement 2 in einer gleichfalls kugelförmigen Aushöhlung 3 in einem Stützelement 4. Das Druckelement 2 ist mit Nuten 5 rechteckigen Querschnitts versehen, die regelmässig über die Ober fläche der Halbkugel aufgeteilt sind und einen spiral förmigen Verlauf haben, wie aus Fig. 2 ersichtlich.
Die Richtung der Nuten ist derart, d@ass im Betrieb beim angegebenen Drehsinn das Mittel, in dem die Welle umläuft, von aussen her einwärts getrieben wird. Die Dammbreite zwischen zwei Nuten in jedem Punkt ist gleich der Nutbreite in demselben Punkt. Die Nuten münden in einen Raum 6, der im Betrieb einseitig offen ist und, also nur über die Nuten und den im Betrieb zwischen dem Druckelement und dem Stützelement auftretenden Raum mit der Aussen seite des Lagers in Verbindung steht.
Der Raum zwi schen den Elementen entsteht dadurch, d'ass, wie ge sagt, die Nutrichtung derart ist, d'ass im Betrieb d!as Mittel von aussen nach innen strömt, und somit in den Nuten und im Raum ein Druckaufbau erfolgt, wodurch die Welle mit dem Druckelement etwas ge hoben wird.
Ein solcher Raum 6 kann, wie in Fig. 3 dargestellt, auch im Stützelement 4 vorgesehen sein, wo dieser Raum mit 7 bezeichnet ist. In diesem Falle kann die Tiefe des Raumes 6 kleiner sein. Ein Lager nach den Fig.1, 2 und 3 hat eine grössere Tragkraft, und dessen Reibungskoeffizient ist kleiner als beim entsprechenden bekannten Lager, dessen Stützfläche keine durchlaufenden Nuten hat und nicht mit einem nur einseitig offenen Raum, der ausschliesslich durch die Nuten und den im Betrieb auftretenden Raum zwischen den Elementen mit der Aussenseite des La gers in Verbindung steht, versehen ist.
Die Nuten sind nach der Zeichnung im Drehteil des Lagers vorgesehen. Sie können aber, was die Wir kung des Lagers anbelangt, ebenso gut im feststehen den Teil vorgesehen werden, wobei dann der Verlauf der Nuten umgekehrt werden muss. Selbstverständt- lieh muss dieser Verlauf stets mit dem Drehsinn in Übereinstimmung sein, so d'ass das Mittel von aussen nach innen getrieben wird. Vorzugsweise werden die Nuten dort vorgesehen, wo das Material des Lagers der geringsten Abnutzung unterworfen ist.
Bei einer Welle mit einem Durchmesser von 5 mm, welche 10 000 Umdrehungen per Minute voll führte und deren Druckelement 2 einen Durchmesser von 3 mm hatte, waren die Nuten etwa 15 Mikron tief. Der Raum zwischen dem Druckelement und dem Stützelement 5 war im Betrieb etwa 5 Mikron. Die Tiefe der Nuten ist im allgemeinen ein Vielfaches des im Betrieb zulässigen Raumes zwischen dem Druck element und dem Stützelement.
Da das Lager sich durch grosse Tragkraft aus zeichnet, eignet es sich besonders für ein Mittel ge ringer Viskosität. Hierfür kann ein Gas, wie zum Beispiel Luft, verwendet werden. Beim Lager mit den erwähnten Abmessungen wurde ein leichtes Öl mit bei normaler Temperatur geringer Viskosität ver wendet. In Fig.4 ist die Welle 1 ausser mit dem Druck element 2 mit einem Zylinderkragen 8 versehen. Der Kragen 8 läuft in einem Kugellager 9, dessen Aussenring 10 am Stützelement 4 starr befestigt ist.
Der Kragen kann sich in, einem Innenring 11 des Kugellagers schieben; gegebenenfalls auf die Welle wirkende radiale Kräfte, können aufgenommen wer den, während die Welle 1 mit dem Kragen 8 und dem Druckelement 12 im. Betrieb noch etwas heben kann, da der Innenring 11 etwas schmäler ist als der Aussenring 10.
Es ist selbstverständlich auch möglich, die kugelförmige Oberfläche, welche die Begrenzung des Druckelementes 2 darstellt, bis zur Welle 1 durchlaufen zu lassen und, denjenigen Teil der Kugel oberfläche, der aus dem Stützelement 4 herausragt, durch einen geeignet gestalteten Innenlaufring eines Kugellagers oder die Schale eines normalen Reibungs lagers zu umfassen.
In Fig. 5 ist eine Ausführungsform dargestellt, bei der die Welle 1 durch das Lager hindurchgeführt ist. Die Kugeloberfläche 3 befindet sich jetzt auf einem Druckelement 12, welches durch Schrauben 13 auf der Welle 1 befestigt ist, wobei ein Keil 14 die Dre hung des Druckelements 12 gegenüber der Welle 1 verhütet. Die Nuten 2 münden wieder in einen Raum 6 und dieser Raum ist durch einen O-Ring 15, der die Welle 1 umklemmt, an der Oberseite abgeschlos sen, so dass auch in diesem Falle der Raum 6 nur einseitig offen ist. Das Stützelement 4 besitzt gleich falls wieder einen Raum 7, der durch einen O-Ring 16 gegenüber .der Welle 1 abgedichtet ist.
Auch bei dieser Ausführungsform sind die beiden Räume im Betrieb nur einseitig offen. Die Oberfläche des aus dem Stützelement 4 herausragenden Teiles des Druckelementes 12, die nicht mit Nuten versehen ist, kann wieder dazu dienen, in Zusammenwirkung mit einem geeigneten Lager radiale Kräfte aufzu nehmen. Bei der Ausführungsform nach Fig.5 können, wenn die axialen Kräfte gross sind, mehrere solcher Lager hintereinander angeordnet werden.
Das Anbringen der manchmal sehr flachen Nuten in kugelförmigen Oberflächen mit kleineren Abmes sungen kanig nicht einfach durch eine zerspanende Bearbeitung erfolgen. Es hat sich in der Praxis erge ben, dass diese Nuten in geeigneter Weise durch Atzen geformt werden können; auch eine Bearbei tung durch Erosion, zum Beispiel Sand, Diamant pulver und Hartmetallpulver, liefert günstige Ergeb nisse.
Es ist nicht notwendig, d'ass die Oberflächen des Stützelementes und des Druckelementes Teile einer Kugeloberfläche sind; auch andere Teile drehsymme trischer Oberflächen, die eine gekrümmte Linie als Erzeugende haben, sind verwendbar.
Axial thrust bearing for a rotating shaft The invention relates to an axial thrust bearing for a shaft running up in a medium, with a stationary support element which has a rotationally symmetrical cavity, the generation of which is a curved line and whose axis of rotation coincides with the center line of the shaft, the Shaft has a centrally located pressure element that interacts with the support element during operation and the interacting surfaces of the two elements have the same shape, one of these surfaces being provided at least over part of with regularly distributed, uninterrupted and identical grooves.
In one of the kind of known thrust bearing one of the surfaces is provided with individual shallow depressions. The bearing according to the invention is characterized in that the grooves have a very shallow depth and their center lines represent part of a spiral in such a way that, during operation, the medium is driven inwards from the outside of the bearing while building up a pressure each ;: Groove opens into a centrally located space provided in the element which, during operation, is only connected to the outside of the bearing through the space between the elements and through the grooves.
Such a bearing is particularly suitable for a vertically arranged shaft that rotates a greater number of revolutions during operation, such as, for example, shafts of centrifuges, yarn winding machines, wire winding machines and similar tools. A bearing according to the invention offers the advantage that the load-bearing capacity is much greater than in the case of the known bearings and the coefficient of friction is much lower, so that relatively small friction losses arise.
According to one embodiment of the invention, the dam width between two grooves is always the same as the groove width at the same point. As a result, a particular bearing has a maximum load capacity.
According to a further embodiment of the invention, the surface not provided with grooves is also provided with a space that is open on one side during operation. This makes it easier to manufacture the bearing.
In order to absorb any radial forces occurring on the shaft, according to a further embodiment of the invention, the rotating part of the shaft is provided not only with a rotationally symmetrical part with a curved line as the generator, but also with a rotationally symmetrical part with a straight line as the generator, which borders on the curved part. This straight part can then rotate in a ball bearing, for example.
According to one embodiment of the invention, the means in which the bearing is arranged has a low viscosity. This is possible because the warehouse has a large load capacity during operation. The medium can be air, but it is advantageous to choose oil as the medium.
The invention is explained in more detail on the basis of the drawings illustrating some Ausfüh approximately examples of the invention.
1 shows a section along the center line of an axial pressure bearing for a vertically rotating shaft, the pressure element being shown in a view.
FIG. 2 is a bottom view of the shaft with the pressure element of FIG. 1.
3 shows a further embodiment of the support element. FIG. 4 shows an axial thrust bearing according to FIG. 1 with a device for absorbing radial forces, and FIG. 5 shows a section through a thrust bearing according to FIGS. 1, 2, 3, but now with a continuous wave.
In Fig. 1, 1 designates a vertically arranged rotary shaft which rotates in the direction of the arrow and is provided with a pressure element 2 which has the shape of a hemisphere. When the shaft is not rotating, the pressure element 2 rests in a likewise spherical cavity 3 in a support element 4. The pressure element 2 is provided with grooves 5 of rectangular cross-section, which are regularly divided over the upper surface of the hemisphere and have a spiral shape, such as can be seen from FIG.
The direction of the grooves is such that in operation with the specified direction of rotation, the means in which the shaft rotates is driven inwards from the outside. The dam width between two grooves at each point is equal to the groove width at the same point. The grooves open into a space 6 which is open on one side during operation and is connected to the outside of the bearing only via the grooves and the space that occurs between the pressure element and the support element during operation.
The space between the elements is created by the fact that, as said, the groove direction is such that during operation the medium flows from the outside to the inside, and thus a pressure build-up takes place in the grooves and in the space, as a result of which the shaft with the pressure element is slightly raised.
Such a space 6 can, as shown in FIG. 3, also be provided in the support element 4, where this space is designated by 7. In this case, the depth of the space 6 can be smaller. A bearing according to FIGS. 1, 2 and 3 has a greater load capacity, and its coefficient of friction is smaller than that of the corresponding known bearing, the support surface of which has no continuous grooves and does not have a space that is only open on one side, which is exclusively through the grooves and the Operation occurring space between the elements with the outside of the La gers is provided.
The grooves are provided in the rotating part of the bearing according to the drawing. But you can, as far as the action of the camp is concerned, just as well in the fixed part are provided, in which case the course of the grooves must be reversed. Of course, this course must always be in accordance with the direction of rotation, so that the means is driven from the outside in. The grooves are preferably provided where the material of the bearing is subject to the least amount of wear.
In the case of a shaft with a diameter of 5 mm, which performed 10,000 revolutions per minute and whose pressure element 2 had a diameter of 3 mm, the grooves were about 15 microns deep. The space between the pressure element and the support element 5 was about 5 microns in use. The depth of the grooves is generally a multiple of the space allowed during operation between the pressure element and the support element.
Since the bearing is characterized by its high load-bearing capacity, it is particularly suitable for a medium with low viscosity. A gas such as air can be used for this. In the case of the bearing with the dimensions mentioned, a light oil with a low viscosity at normal temperature was used. In Figure 4, the shaft 1 is provided with a cylinder collar 8 except with the pressure element 2. The collar 8 runs in a ball bearing 9, the outer ring 10 of which is rigidly attached to the support element 4.
The collar can slide into an inner ring 11 of the ball bearing; If necessary, acting on the shaft radial forces can be added to who, while the shaft 1 with the collar 8 and the pressure element 12 in the. Operation can still lift a little, since the inner ring 11 is slightly narrower than the outer ring 10.
It is of course also possible to let the spherical surface, which is the boundary of the pressure element 2, run through to the shaft 1 and that part of the ball surface that protrudes from the support element 4, through a suitably designed inner race of a ball bearing or the shell to include a normal friction bearing.
In Fig. 5 an embodiment is shown in which the shaft 1 is passed through the bearing. The spherical surface 3 is now on a pressure element 12, which is fastened by screws 13 on the shaft 1, with a wedge 14 prevents the Dre hung of the pressure element 12 relative to the shaft 1. The grooves 2 open again into a space 6 and this space is closed at the top by an O-ring 15 which clamps around the shaft 1, so that in this case too the space 6 is only open on one side. The support element 4 also has a space 7 which is sealed off from the shaft 1 by an O-ring 16.
In this embodiment, too, the two rooms are only open on one side during operation. The surface of the protruding from the support element 4 part of the pressure element 12, which is not provided with grooves, can again serve to take up radial forces in cooperation with a suitable bearing. In the embodiment according to FIG. 5, if the axial forces are large, several such bearings can be arranged one behind the other.
The sometimes very shallow grooves in spherical surfaces with smaller dimensions cannot simply be made by machining. It has been found in practice that these grooves can be suitably shaped by etching; Machining through erosion, for example sand, diamond powder and hard metal powder, also provides favorable results.
It is not necessary that the surfaces of the support element and the pressure element are parts of a spherical surface; Other parts of rotationally symmetrical surfaces that have a curved line as generators can also be used.