Hydrostatisches Radial- und Axialgleitlager für Welle
Die Erfindung betrifft ein hydrostatisches Radialund Axialgleitlager für eine Welle.
Bei derartigen bekannten Lagern, die häufig zur Spindellagerung bei Werkzeugmaschinen verwendet werden, kann die axiale Lagerung irgendwelchen Kippbelastungen keinen oder so gut wie keinen Widerstand entgegensetzen, und dementsprechend muss die radiale Lagerung ein Rücksteil-Kräftepaar aufbringen. Wenn überdies, wie allgemein üblich, zwei radiale Lagerflächen vorgesehen sind, wirken die bei einer Kippbelastung auftretenden, von diesen Lagerflächen erzeugten Kräfte in einander entgegengesetzten Richtungen, so dass die hintere Lagerfläche ein Teil der von der vorderen Lagerfläche erzeugten Kraft aufhebt.
Die Rückstellkraft dieser Lagerflächen hängt von der Druckzunahme in Bereichen verringerten Lagerspiels und von der Druckabnahme in Bereichen vergrösserten Lagerspiels ab. Die ungleiche Druckverteilung, die somit bei einem mit einem Radiallagerab schnitt in Verbindung stehenden Axiallagerabschnitt auftritt, hat die entgegengesetzte Wirkung und verringert somit die Belastbarkeit des Radialabschnittes. Das Ausmass dieses auf ungleiche Strömung zurückzuführenden Effektes hängt vom Verhältnis des Strömungswiderstandes des radialen Lagerspiels zum Spiel des angrenzenden Axiallagerabschnittes ab.
Bei einem nur wenig belasteten Axiallagerabschnitt, dessen Lagerspiel 10 mal grösser als das Lagerspiel des angrenzenden Radiallagerabschnittes ist, ist der Reihenschaltungseffekt der Strömung vernachlässigbar, und der Verteilereffekt ist ebenfalls klein, so dass beide häufig nicht beachtet zu werden brauchen. Bei grösseren kombinierten Radial- und Axiallagern wird der Verlust an radialer Belastbarkeit häufig sehr gross. Wenn die Axiallast weiter zunimmt, wird schliesslich ein Zustand erreicht, in dem der Strömungswiderstand des des Axiallagerabschnittes den des Radiallagerabschnittes erreicht, und an diesem Punkt vernichtet die Wirkung der ungleichen Strömung die gesamte Rückstellkraft des Radiallagerabschnittes.
Man hat versucht, diese Wirkung durch eine ringförmige Nut am Entlüftungsrand des Radiallagerabschnittes zu mildern, um den durch das verringerte Lagerspiel des Axiallagerabschnittes erzeugten Druck auszugleichen. Solch eine Nut muss jedoch bezüglich der Strömungsgeschwindig keit des Fluids einen grossen Rauminhalt haben, um wirksam zu sein; im Fall von kompressiblen Strömmlgsmedien hat dies eine Instabilität der Axiallager zur Folge. Somit muss bei Lagern mit einer Strömung in Reihenschaltung das Lagerspiel des Axiallagerabschnittes wesentlich grösser als das des Radiallagerabschnittes sein.
Aufgabe der Erfindung ist es, die Eigenschaften eines Radial- und Axialgleitlagers der oben beschriebenen Art zu verbessern.
Erfindungsgemäss wird dies dadurch erreicht, dass zwischen zwei in der Bohrung der Lagerschale vorgesehenen Lagerflächen ein Entlüftungskanal gebildet ist, der zwei im Abstand liegende Ränder aufweist, die von den benachbarten Enden der beiden Lagerflächen gebildet werden, dass in der Bohrung ein Wellenzapfen mit einem radialen Schmierspalt bildenden Spiel angeordnet ist, dass die Druckmittelzuführung durch an jedem Ende der Lagerschalenbohrung vorgesehene Zuführkanäle erfolgt, dass in dem radialen Schmierspalt mindestens eine zusätzliche Drosselstelle bezüglich des Entlüftungskanals vorgesehen ist und dass Axiallagerflächen an beiden Enden des Wellenzapfens vorgesehen sind, die die Stirnflächen der Lagerschale teilweise überdecken und einen Abstand zu diesen bilden, durch welchen axiale Schmierspalten gebildet sind,
und dass in diesen axialen Schmierspalten ebenfalls eine zusätzliche Drosselstelle vorgesehen ist, wobei die Zuführkanäle mit den radialen und axialen Schmierspalten unmittelbar in Verbindung stehen.
Anhand der Zeichnungen werden Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Ansicht eines Lagers,
Fig. 2 und 3 der Fig. 1 entsprechende Ansichten weiterer Ausführungsbeispiele,
Fig. 4 eine schematische Ansicht, in dem die Wirkungsweise des Lagers erläutert wird,
Fig. 5 bis 7 Ansichten von üblicherweise verwendeten Lagern zum Vergleich mit dem erfindungsgemässen Lager (Fig. 7 stellt eine Ansicht in einer Ebene dar, die senkrecht zur Achse der Welle in Fig. 6 verläuft).
Das in Fig. 1 dargestellte Lager ist mit 10 bezeichnet.
An einem Lagerträger 12 ist eine Lagerschale 14 befestigt, die in einer Längsebene einen rechteckigen Quelschnitt hat und von verhältnismässig kurzer Baulänge ist. In der Lagerschale ist eine zylindrische Bohrang 16 gebildet.
In der Mitte der Bohrung, in der Oberfläche der Lagerschale, ist eine ringförmige Nut 17 gebildet, die als Entlüftungskanal dient. An die ringförmige Nut ist eine Auslassleitung 20 angeschlossen, die zu einem äusseren Auslass 21 führt. Die ringförmige Nut 17 ist verhältnismässig schmal und weist zwei dicht beieinander liegende Ränder 18 und 19 auf.
Auf jeder Seite des Entlüftungskanals 17 befinden sich Radiallagerflächen 25 und 26. In der Zeichnung sind diese Lagerflächen zwar mit gleicher Länge dargestellt, es versteht sich jedoch von selbst, dass sie auch unterschiedliche Länge haben können. Die benachbarten Enden der Lagerflächen bilden die Ränder 18 und
19.
An den gegenüberliegenden Enden der Bohrung, innerhalb der Stirnwände 28 und 29 der Lagerschale, befinden sich ringförmige Druckmittel-Zuführnuten 32 und 33. Diese Druckmittel-Zuführnuten versorgen die Radiallager und Axiallager mit dem vollen Leitungsdruck.
Zu den Nuten 32 und 33 führen Zuführleitungen 34 und 35, die durch die Lagerschalen verlaufen und zu einer Druckquelle eines Druckmittels (beispielsweise Luft) führen.
Innerhalb der Lagerschale ist eine Welle 36 mit einem Wellenzapfen 37 gelagert. Der zwischen den
Lagerflächen 25 und 26 und dem Wellenzapfen gebildete Schmierspalt ist bezüglich den entsprechenden
Längen der Lagerflächen derart bemessen, dass die auf das Druckmittel wirkenden Trägheitskräfte im Vergleich zu den Reibungskräften vernachlässigbar sind.
Diese Bedingung ist dann erfüllt, wenn die Länge einer
Lagerfläche mindestens 500 mal das Lagerspiel beträgt. Der Schmierspalt zwischen dem Wellenzapfen und den Lagerflächen bildet primäre Strömungskanäle Pl.
In der Mitte des Schmierspaltes Pl ist eine weitere
Drosselstelle 40 vorgesehen, die von einem Wellen bund gebildet wird. Der Wellenbund P3 bildet gemein sam mit entsprechenden Abschnitten der Lagerflächen 25. 26 Drosselstellen bezüglich des Entlüftungskanals
17 und insbesondere bezüglich der Ränder 18 und 19 des Entlüftungskanals. Die Länge jeder der Drossel stellen P3 sollte mindestens 20 mal so gross sein wie das radiale Spiel zwischen dem Wellenbund und der
Bohrung.
An jedem Ende der Welle 37 sind Axiallagerplat ten 43 und 44 befestigt. Die inneren Flächen 45 und
46 der Axiallagerplatten bilden zusammen mit den Stirnwänden 28 und 29 der Lagerschale 14 jeweils einen Axiallager-Schmierspalt P . Auch an diesen Schmierspalten sind zusätzliche Drosselstellen 49 und 50 vorgesehen, die durch den Umfang der Flächen 45 und 46 vorgesehene Stufen gebildet werden und als Entlüftuiigskanäle P, dienen.
Die Breite der Kanäle Po und P7 kann der der Kanäle Pl und P3 entsprechen.
Die Axiallagerplatten haben einen Durchmesser, der vorzugsweise grösser als die Länge des Wellenzapfens 37 ist. Sie haben vorzugsweise eine solche Länge, dass der Kippwinkel der Welle 36 auf einen Kippwinkel beschränkt ist, der kleiner ist als der Kippwinkel, der durch die Länge des Wellenzapfens 37 und dem zugehörigen Lagerspiel bestimmt wäre. Somit hängen die Durchmesser der Axiallagerplatten sowohl von der Länge des Wellenzapfens und den entsprechenden Lagerspielen des Wellenzapfens und der Axiallagerplatten ab. Dies ist eine bevorzugte Betriebsbedingung, sie sollte jedoch nicht als Einschränkung für die Grösse der Durchmesser der Axiallagerplatten angesehen werden.
An der Axiallagerplatte 43 ist ein üblicher Werk zeughalter 55 befestigt.
Die Lager spiele sind in den gesamten Zeichnungen der Deutlichkeit halber übertrieben.
Das beschriebene Lager hat eine verhältnismässig grosse Steifigkeit und ermöglicht somit eine grösser Belastbarkeit als die bekannten Lager.
Bei den üblichen hydrostatischen Radial- und Axialgleitlagern wird das Druckmittel unter vollem Leitungsdruck den Radiallagern zugeführt; es gelangt von dort nach einem in den Radiallager-Schmierspalten bewirkten Druckabfall in die Axiallager. Dem Axiallager wird somit nicht der gesamte Schmiermitteldruck, sondern ein verminderter Druck zugeführt.
Diese Anordnung entspricht einer Reihenschaltung.
Bei dem erfindungsgemässen Lager wird dagegen der volle Leitungsdruck durch die Leitungen 32 und 33 sowohl den Radial- wie auch den Axiallagern zugeführt. Dementsprechend wird die maximale Belastbarkeit für einen gegebenen Leitungsdruck erreicht. Die Anordnung entspricht einer Parallelschaltung.
In Fig. 4 ist ein Kräftediagramm dargestellt, das die Wirkngsweise des Lagers und die Beziehung zwischen den Radiallagern 25 und 26 und den Axiallagern 43 und 44 darstellt.
Die auf das Lager ausgeübte Betriebslast F lässt sich schematisch durch ein Kräftepaar A-A und eine Kraft Fa, die im Mittelpunkt M der Wellenachse angreift, darstellen. Diese Art der Belastung tritt beispielsweise bei Drehbänken auf, bei denen das Lager besonders zweckmässig verwendbar ist.
Das Kräftepaar A-A sucht die Welle 36 um eine Achse zu kippen, die zur Ebene des Kräftepaars senkrecht verlauft. Dies wird durch die Bezugslinie Rotor axis und die Bezugslinie Stator axis angedeutet. Ein Rückstellkräftepaar R-R wird durch den zunehmenden Druck im Bereich der abnehmenden Lagerspiele in den Schmierspalten P und P, der Axiallagerplatten 43 und 44 und durch den abnehmenden Druck in den entspre chenden Bereichen vergrösserten Lagerspiels erzeugt.
Die Durchmesser der Axiallagerplatten 43 und 44 müssen daher bezüglich der Bereiche verringerten
Lagerspiels in den Kanälen P, derart bemessen sein, dass ein merkliches Rückstellkräftepaar erzeugt wird, bevor der Wellenzapfen 37 anläuft. Die Axiallager er zeugen somit ein Rückstellkräftepaar und nehmen die Momentenbelastung auf.
Die Kraft Fa bewirkt, dass sich der Mittelpunkt M nach unten bewegt und das Lagerspiel an den dicht beieinanderliegenden Rändern 18 und 19 im Bereich EX abnimmt und das Lagerspiel im entsprechenden Bereich E, zunimmt, so dass der Druck im Bereich Et ansteigt und im Bereich E2 abnimmt, was zur Erzeugung von Rückstellkräften Ft und F2 führt. Die Rückstellkräfte bilden sich, sobald sich der Wellenzapfen den Rändern 18 und 19 nähert. Da die Ränder 18 und 19 dicht beieinanderliegen, ist der Unterschied im Lagerspiel bezüglich der beiden Ränder beim Kippen der Welle vernachlässigbar. Somit wird die Rückstellkraft für beide Radiallager auf der gleichen Seite der Welle 37 gebildet.
Somit wirken die Rückstellkräfte in der gleichen Richtung, und zwar entgegen der Kraft Fa, wodurch sich ein Kräftegleichgewicht einstellt.
Die Axiallager nehmen somit die gesamte Kipplast auf, während die Radiallager lediglich die Einzelkraft aufnehmen müssen.
Anhand der Fig. 5 bis 7 wird nun ein Vergleich mit bekannten hydrostatischen Radial- und Axialgleitlagern gemacht. Solche Lager haben im allgemeinen verhältnismässig weit auseinanderliegende Entlüftungskanalränder.
Eine Kraftverteilung, wie sie aufgrund einer in Fig. 4 gezeigten Belastung auftritt, ist in Fig. 5 anhand eines Lagers 60 dargestellt. Das Lager besteht aus Radiallagern 61 und 62 und einer Welle 63, die einen Wellenzapfen 66 und Axiallagerflächen 64 und 65 aufweist.
Bei derartigen Lagern können die Axiallagerflächen im wesentlichen keine Kippbelastungen aufnehmen, und somit müssen die beiden Radiallager den grössten Teil, wenn nicht den ganzen Teil, des Rückstellkräftepaares erzeugen. Die beiden Radiallager 61 und 62 sind daher soweit voneinander getrennt, wie es die Wellensteifigkeit erlaubt, damit die negative Kraft des hinteren Lagers 62 so klein wie möglich ist.
In der Darstellung greifen die Momente am Tragmittelpunkt des vorderen Lagers 61 an. Eine aussen angreifende Kraft Fa wird durch das Rückstellkräftepaar R-R und die Rückstellkraft Ft ausgeglichen.
Wegen ds grossen Abstands der Entlüftungsränder der beiden Radiallager wird bei einem Kippen der Welle das Lagerspiel am vorderen Lager 61 in Richtung der aussen angreifenden Kraft und am hinteren Lager 62 in der entgegengesetzten Richtung verringert. Somit können die Radiallager nicht in der gleichen Richtung wirken, und das hintere Lager übt eine merkliche Kraft aus, die bezüglich der vom vorderen Lager erzeugten Rückstellkraft negativ ist. Überdies kann die Welle 73 nur um einen kleinen Winkel kippen, und somit können die Axiallager 64 und 65 nur ein vernachlässigbares Rückstellkräftepaar entwickeln. Das vordere Lager 61 muss daher ihre Hälfte des Rückstellkräftepaares aufbringen.
Die Fig. 6 und 7 dienen dazu, den Reihenschaltungseffekt einer Kraft, die auf ein Radial- und Axiallager ausgeübt wird, bei einer Axialbelastung zu erläutern. In Fig. 6 ist eine Verschiebung der Welle axial zu den Lagern dargestellt, und Fig. 7 zeigt einen Bereich, in dem die Rückstellkraft ihren maximalen Einfluss hat; diese Figur ist eine Ansicht einer Ebene, die senkrecht zur Lagerachse verläuft.
In den Fig. 6 und 7 ist ein Lager 70 mit Axiallagerflächen 71, 72 dargestellt, die auf einem Wellenzapfen 75 einer Welle 76 gebildet sind. Diese Axiallager sind bezüglich der Radiallager 73 und 74 in Reihe geschaltet, so dass sie nur mit einem bezüglich des vollen Leitungsdrucks verringerten Schmiermitteldruck versorgt werden. Die Axiallager weisen an ihrem Umfang ringförmige Stufen 77 und 78 auf.
Das Axiallager 71 wird mit einer verhältnismässig grossen Axialkraft belastet, so dass sich die Welle nach links (in der Zeichnung) verschiebt und ein Axiallagerspiel bildet, das gleich oder kleiner als das Lagerspiel des entsprechenden Radiallagers ist. Auf die Welle wird eine radiale Kraft ausgeübt, die die Welle parallel verschiebt, so dass das radiale Spiel im Bereich E3 verringert und im Bereich E4 vergrössert wird. Der Druck mitteistrom in den Schmierspalten des Axiallagers im Bereich E'4 ist dann grösser als der Druckmittelstrom zum Bereich E'3. Dieser grössere Strom im Bereich E'4 bewirkt, dass der Druck im Bereich E4 stärker als im Bereich E3 ansteigt. Dieser grössere Druck wird in den Schmierspalt der Radiallager reflektiert.
Wie in Fig. 5 angedeutet, erreicht der Kippwinkel des Wellenzapfens seine Endstellung innerhalb der Bohrung, und der Wellenzapfen läuft an, bevor die Axiallager ein spürbares Rückstellmoment entwickeln können. Bei dem beschriebenen Lager kann dagegen das Axiallager die Momentenbelastung aufnehmen, und die Radiallager können eine wirkungsvolle Rückstellkraft erzeugen.
Es werden nun weitere Ausführungsbeispiele der Erfindung erläutert. In Fig. 2 ist ein Lager 80 mit konisch verlaufenden Schmierspalten und in Fig. 3 ein Lager 100 mit in den Schmierplatten gebildeten Nuten dargestellt.
Das Lager 80 weist eine Lagerschale 81 auf, die Radiallagerflächen 82 und 83 zu beiden Seiten eines Entlüftungskanals 84 aufweist. Der Entlüftungskanal 84 weist dicht beieinanderliegende Ränder 85 und 86 auf und ist mit Druckmittelzuführkanälen 87 und 88 an den entgegengesetzt liegenden Enden der Lagerflächen versehen. Innerhalb dieser Lagerflächen ist eine Welle 89 gelagert, die einen Wellenzapfen 90 und Axiallager 91 und 92 aufweist.
Die Druckmittelzuführkanäle liefern den vollen Leitungsdruck an die Drosselkanäle 94 und 95, die aus konisch nach aussen verlaufenden Schmierspalten bestehen, und an die Drosselkanäle 96 und 97, die aus konisch verlaufenden Axiallager-Schmierspalten bestehen. Die Druckmittelabführung erfolgt am äusseren Umfang der Schmierspalte, wie durch Pfeile angedeutet ist.
Das in Fig. 3 dargestellte Lager 100 besteht aus einer Lagerschale 101 mit Radiallagerflächen 102 und 103 auf jeder Seite des Entlüftungskanals 104, der dicht beieinanderliegende Ränder 105 und 106 aufweist.
An den entgegengesetzt liegenden Enden der Radiallager befinden sich Druckmittelzuführkanäle 107 und 108. Das Lager dient zur Aufnahme einer Welle 109 mit einem Wellenzapfen 110 und Axiallagerplatten 111 und 112.
Der eine primäre Drosselung bewirkende Radiallager-Schmierspalt wird durch Nuten 113 gebildet, die zu beiden Seiten eines mittleren Bundes 114 über den Umfang der Welle verteilt sind. Der Bund 114 bildet gemeinsam mit den Rändern 105 und 106 des Entlüf tungskanals 104 eine zusätzliche Drosselstelle bezüglich des Schmierspalts der Nuten.
Die inneren Flächen der Axiallagerplatten sind mit einer eine Drosselung bewirkenden Nut 115 und 116 versehen, die zu zusätzlichen Drosselstellen 117 und 118 führen, die durch ringförmige Abschnitte 119 und 120 am Umfang der inneren Flächen der Axiallagerplatten gebildet sind.
Die Länge der Wellenzapfen der Lagerspiele und die Grösse der Axiallagerplatten der Lager 80 und 100 ist entsprechend dem Ausführungsbeispiel der Fig. 1 bemessen.