-
Diese
Erfindung bezieht sich auf ein Axialwälzkörperlager, das zwischen zwei
Elementen angeordnet ist, wobei diese Elemente eine exzentrische Drehbewegung
relativ zueinander ausführen,
wie z. B. ein stationäres
Schneckenrad und ein drehendes Schneckenrad eines Schneckenverdichters.
-
Ein
Wälzkörperlager,
das in einem Schneckenverdichter verwendet wird, ist in der
JP 10-89350 A offenbart.
Wie in den
4A,
4B gezeigt
ist, umfasst das Axiallager ein Paar gegenüberliegender Laufringe
1 und
2 mit
mehreren Paaren gegenüberliegender
ringförmiger
Laufbahnen
3 und
4, die in vorbestimmten Winkelintervallen
angeordnet sind, und Kugeln
5, die einen Durchmesser dw (
4A)
aufweisen und zwischen einem der Laufbahnenpaare
3 und
4 angeordnet
sind. Die Kugeln
5 sind aus einem Lagerstahl hergestellt.
-
Der
Laufring 1 ist an einem Rahmen 8 angebracht, der
an einem stationären
Schneckenrad 7 befestigt ist und der Laufring 2 ist
an einem drehenden Schneckenrad 6 befestigt.
-
Die
Schneckenräder 6 und 7 weisen
Spiral-Trennwände 9 und 10 auf,
die jeweils entsprechend in der Lücke, die zwischen den Wänden 10 und 9 des
zugehörigen
Schneckenrads definiert ist, aufgenommen ist. Eine Kompressionskammer 11 ist zwischen
jedem Paar der benachbarten Trennwände 9, 10 definiert.
-
Das
drehende Schneckenrad 6 ist von einem Lager auf einer exzentrischen
Drehwelle 12 an einem Bereich gelagert, der versetzt zu
dem Drehzentrum um einen Abstand e angeordnet ist, so dass das Laufrad 6 um
das Drehzentrum der Welle 12 dreht, ohne sich um seine
eigene Mittenachse zu drehen. Jede Laufbahn 3, 4 weist
einen Nutgrundkreisdurchmesser d auf, der im Wesentlichen gleich
zu dem Versatzbetrag e gewählt
ist, um ein vorgewähltes Kompressionsverhältnis in
der Kompressionskammer zu erhalten. Die Laufbahnen 1, 2 sind üblicherweise
durch einen Pressvorgang geformt.
-
Die
Axialwälzkörperlager
tragen eine Axialkraft, die mit der Kompression einhergeht, und
hindern ebenso das Schneckenrad 6 am Drehen um seine eigene
Achse.
-
5 ist
eine vergrößerte Ansicht
des Laufrings 1. Die ringförmige Laufbahn 3 umfasst
eine Ringnut 13 mit einer Außenkante 14 und einer
Innenkante 14',
eine äußere Schulter 15 und
einen flachen Bereich 17, der außerhalb der Außenkante 14 geformt
ist, und eine mittige Erhebung 16, die innerhalb der Innenkante 14' geformt ist.
Die mittige Erhebung 16 umfasst eine Spitze (bzw. Gipfel)
und eine Schulter 18, die zwischen der Spitze und der Innenkante 14' angeordnet
ist. Die mittige Erhebung 16 ist symmetrisch im Querschnitt
bezüglich
ihrer Spitze, wobei die Spitze im Wesentlichen die gleiche Höhe wie der flache
Bereich 17 aufweist. Die Außen- und Innenkanten 14 und 14' sind ebenso
auf einer gemeinsamen Höhe
a, ausgehend vom Nutgrund, angeordnet.
-
Der
Nutgrundkreisdurchmessser d eines Lagers diesen Typs ist im Wesentlichen
kleiner gewählt, als
der Kugeldurchmesser dw. Aus Gründen
der Kompaktheit und Lebensdauer des Lagers sollte das Verhältnis dw/d
so groß wie
möglich
sein. Der Kugeldurchmesser dw ist im Hinblick auf die Dauerhaltbarkeit
der Kugeln vorbestimmt. Somit ist es notwendig, den Wert d so weit
wie möglich
zu reduzieren, während
das Kompressionsverhältnis
auf einem vorbestimmten Wert gehalten wird.
-
Wenn
der Wert d zu sehr reduziert wird, würde die mittige Erhebung 16 zu
niedrig im Hinblick auf die Ausgestaltungsmöglichkeit und aus Fertigungsgründen sein.
Wenn die mittige Erhebung 16 zu niedrig ist, könnte die
Kontaktellipse A oder Kontakteindruck auf die Schulter 18 der
mittigen Erhebung 16, wie bei der Bezugsziffer B der 5 dargestellt
ist, auflaufen. Dieses erhöht
die Oberflächenpressung und
verlängert
die Lebensdauer der Lagers.
-
Der
Nutgrundkreisdurchmesser d ist auf einen Wert so klein wie möglich gesetzt,
solange hierdurch nicht ein Abfall der Lebensdauer aufgrund geringerer
Formgenauigkeit der Nut erhalten wird. Basierend auf dem so vorgegebenen
Durchmesser d wird die Höhe
a der Innenkante auf einen geeigneten Wert festgelegt.
-
Die
Kontaktellipse ist ein Kontaktabdruck mit einer elliptischen Form,
die durch Berührung
der Kugel 5 mit den Laufbahnen 3, 4 ausgebildet
wird. Für längere Lebensdauer
des Lagers muss die Laufbahn 3 so ausgestaltet werden,
dass der elliptische Kontaktabdruck sich nicht bis zu den Schultern 15 oder 18 erstreckt
oder auf diese aufläuft.
-
Ein
Weg um dieses Problem zu lösen,
während
der Durchmesser d so klein wie möglich
gehalten wird, besteht darin, den Durchmesser d kleiner als den
Betrag des Versatzes e festzulegen. Dieses würde die Kugel 5 dazu
bringen, nahe der Außenschulter 15 und
weg von der Innenschulter 18 abzurollen. Jedoch hat diese
Lösung
einen Nachteil, der darin besteht, dass der elliptische Kontaktabdruck sich
bis zu der Außenschulter 15 erstreckt
oder auf diese aufläuft
(wie bei C der 5 gezeigt). Dieses resultiert
ebenso in erhöhtem
Kontaktdruck und verringert die Lagerlebensdauer.
-
Das
Gleiche ist für
die Laufbahn 2 gültig.
-
Es
ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Axialwälzkörperlager
mit einem Laufbahndesign bereitzustellen, welches den elliptischen
Abdruck daran hindert, sich bis zur Außenschulter der Nut zu erstrecken,
während
der Durchmesser d kleiner als der Versatzbetrag e gehalten wird.
-
Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein
Axialwälzkörperlager
mit den Merkmalen des unabhängigen
Patentanspruchs 1 gelöst.
Bevorzugte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen dargelegt.
-
Es
wird somit ein Axialwälzkörperlager
bereitgestellt, das ein Paar Laufringe umfasst, die eine exzentrische
Drehbewegung relativ zueinander ausführen, wobei die Laufringe mit
mehreren Paaren gegenüberliegender
Laufringbahnen ausgeformt sind, wobei Wälzkörper, die jeweils in einem
gegenüberliegenden
Paar der Laufbahnen aufgenommen sind, vorgesehen sind, wobei jede
der Laufbahnen eine Nut mit einem Nutgrundkreisdurchmessser umfasst, der
kleiner ist, als der Versatzbetrag der exzentrischen Drehbewegung,
und wobei die Nut eine Innenkante und eine Außenkante aufweist, die Höhe der Innenkante
vom Nutgrund auf einen vor gegebenen Wert festgesetzt ist, und die
Höhe der
Außenkante vom
Nutgrund größer ist
als die Höhe
der Innenkante vom Nutgrund.
-
Mit
dieser Anordnung ist die Neigung der Kontaktellipse, weil die Höhe der Außenkante
vom Nutgrund größer gewählt ist
als die Höhe
der Innenkante vom Nutgrund, sich unter Last nach außen über die
Außenkante
hinauszubewegen unterdrückt, selbst
wenn der Wälzkörper dazu
neigt, außerhalb des
Nutgrundkreises abzurollen.
-
Die
Höhe der
Außenkante
ist auf einen Wert festgelegt, so dass die Kontaktellipse des Wälzkörpers nicht
aus der Nut über
die Außenkante
hinauskommt.
-
Jede
Laufbahn umfasst weiter eine mittige Erhebung, die innerhalb der
Innenkante geformt ist, eine Spitze und eine Innenschulter aufweist,
die innerhalb der Innenkante angeordnet ist und die Innenkante mit
der Spitze verbindet, eine Außenschulter, die
außerhalb
der Außenkante
bereitgestellt ist, und eine flache Oberfläche, die außerhalb der Außenschulter
bereitgestellt ist, wobei die Laufbahnen jeweils symmetrisch im
Querschnitt in Bezug auf die mittige Erhebung ausgestaltet sind,
wobei die flache Oberfläche
eine größere Höhe aufweist,
als die Spitze der mittigen Erhebung.
-
Die
Innen- und Außenkante
sind Wendepunkte zwischen der Nut und der Innenschulter und zwischen
der Nut und der Außenschulter
entsprechend.
-
Nachfolgend
wird die vorliegende Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels
in Verbindung mit den beigefügten
Zeichnungen näher beschrieben
und erläutert.
In den Zeichnungen zeigen:
-
1A eine
vergrößerte Teilansicht
des Querschnitts eines Axialwälzkörperlagers
gemäß der vorliegenden
technischen Lehre;
-
1B eine
Draufsicht des stationären
Laufrings des Lagers aus 1A;
-
2 eine
vergrößerte Teilansicht
im Querschnitt und in Draufsicht von dem stationären Laufring des Lagers aus 1A;
-
3A und 3B schematische
Querschnittsansichten des stationären Laufrings, die unterschiedliche
Nutgeometrien zeigen;
-
4A eine
Schnittdarstellung eines Schneckenverdichters mit einem Axialwälzkörperlager;
-
4B eine
Draufsicht des stationären
Laufrings des Lagers aus 4A; und
-
5 eine
vergrößerte Teilansicht
im Querschnitt und in Draufsicht des stationären Laufrings eines konventionellen
Axialwälzkörperlagers.
-
Bezugnehmend
auf die 1 bis 3 ist
das Axialwälzkugellager
gemäß der vorliegenden
technischen Lehre dargestellt, welches, wie konventionelle Lager,
ein Paar Laufringe 1, 2, die mit mehreren gegenüberliegenden
Laufkreisbahnen 3, 4 versehen sind, die in vorbestimmten
Winkelintervallen angeordnet sind, und Kugeln 5, die jeweils
zwischen einem gegenüberliegenden
Paar der Laufbahnen 3, 4 aufgenommen sind, umfasst.
-
Wie
konventionelle Lager wird das Axialkugellager der vorliegenden technischen
Lehre in einem Rollkompressor verwendet (siehe 4A). Hierdurch
ist der Laufring 2 mit dem drehenden Laufrad und der Laufring 1 mit
einem integralen Bestandteil des stationären Laufrades verbunden, so
dass der Laufring 2 mit einem Versatzbetrag e relativ zu dem
Laufring 1 dreht. Jede Laufbahn 3, 4 weist
einen Nutgrundkreisdurchmesser d auf, welcher kleiner ist, als der
Versatzbetrag e (z. B. ungefähr
5% oder weniger).
-
2 ist
eine vergrößerte Querschnittsdarstellung
einer Laufbahn 3 des Laufrings 1. Die Laufbahn 3 weist
im Wesentlichen die gleiche Ausgestaltung wie die Laufbahn der 5 auf,
und die Höhe
a der Innenkante 14' über dem
Nutgrund und die Höhe und
Form der mittigen Erhöhung 16 sind
die gleiche, wie bei konventionellen Laufbahnen gemäß 5. Jedoch
ist die Höhe
b der Außenkante 14 von
dem Nut grund größer als
die Höhe
a und die Höhe
der flachen Erhöhung 17 ist
größer um einen
Betrag c als die Höhe
der mittigen Erhöhung 16.
Die Höhe
b von dem Nutgrund zu der Außenkante 14 ist
größer gewählt, als
die Höhe
a von dem Nutgrund zu der Innenkante 14', oder in anderen Worten, auf solch
einen Wert festgelegt, dass die Kontaktellipse A der Kugel 5 sich
nicht über
die Außenkante 14 der
Nut 13 nach außen
bewegen würde.
-
Die
Außen
-und Innenkanten 14 und 14' sind Wendepunkte zwischen der
Nut 13 und der äußeren Schulter 15 und
zwischen der Nut 13 und der Innenschulter 18 entsprechend.
-
Die
Nut 13 weist eine solche Form wie in den 3A oder 3B in
einem Bereich zwischen der Außenkante 14 und
der Innenkante 14' auf.
-
Die
Form, die in 3A gezeigt ist, ist durch eine
Kurve mit gleichem Krümmungsradius
gebildet. In anderen Worten bedeutet dies, jede Nut 13 weist eine
Querschnittsform auf, so dass die Krümmungsradien, die zwischen
jeglichen zwei Punkten der Nut, die im gleichen Winkel θ in gegenüberliegender
Richtung von der Linie L, die senkrecht zu der Tangente im tiefsten
Punkt C der Nut 13 angeordnet ist, voneinander beabstandet
sind, gleich zueinander sind. Der Krümmungsradius ist konstant unabhängig vom
Winkel θ.
-
Die
Nut der 3A ist Teil eines Kreises. Die Nut
der 3B ist Teil einer Ellipse, die so angeordnet ist,
dass ihre kleine Achse auf der Linie L liegt, die senkrecht zur
Tangente im tiefsten Punkt C der Nut 13 angeordnet ist.
Auch in dieser Anordnung sind die an jedem Punkt der Nut gemessenen
Krümmungsradien,
die im gleichen Winkel θ in
gegenüberliegenden Richtungen
von der Linie L, die senkrecht zur Tangenten im tiefsten Punkt C
der Nut angeordnet ist, gleich zueinander. Jedoch ist der Krümmungsradius nicht
konstant, sondern variiert mit dem Winkel θ.
-
Die
Laufbahnen 4 des Laufrings 2 weisen den gleichen
Aufbau wie die Laufbahn 3 des Laufrings 1 auf.
-
Mit
dieser Anordnung wird, obwohl die Kugeln 5 unter Last dazu
tendieren, sich nach außen ausgehend
von dem Nutgrundkreis zu rollen, weil der Versatzbetrag e größer ist
als der Nutgrundkreisdurchmesser d, die Kontaktellipse A sich nicht über die
Außenkante 14 aus
der Nut herausbewegen, weil die Höhe b der Außenkante 14 ausgehend
vom Nutgrund groß genug
ist.
-
Die
Laufringe 1 und 2 sind aus einer Stahlplatte hergestellt
und die Laufbahnen 3, 4 durch Tiefziehen eingeformt.
Die Laufbahnoberflächen
sind oberflächengehärtet durch
Durchhärten,
Einsatzhärten
oder Induktionshärten.
Die Kugeln 5 sind bevorzugt aus Edelstahl oder einem Keramikwerkstoff
hergestellt, um spröde
Abplatzungen bzw. Sprödrisse
zu verhindern.
-
Wie
oben beschrieben, könnte,
wenn der Nutgrundkreisdurchmesser kleiner als der Versatzbetrag
der exzentrischen Drehbewegung gewählt wird, um die Lebensdauer
des Lagers zu erhöhen, die
Kontaktellipse aus der Nut herauslaufen. Gemäß der vorliegenden Erfindung
kann dieses Problem durch Festlegen einer größeren Höhe der Nutaußenkante
von dem Nutgrund als die Höhe
der Innenkante von dem Nutgrund, gelöst werden.
-
Gemäß der vorliegenden
Erfindung kann eine Größenreduzierung
und eine längere
Lebensdauer eines Axialwälzkörperlagers
erreicht werden.
-
Ebenso
ist, weil die Laufbahnen, die durch schwer herzustellende Kreisnuten
geformt sind, durch Tiefziehen formbar sind, eine Kostenreduzierung
möglich.
Des Weiteren kann, weil die Laufringe mit den Laufbahnen oberflächengehärtet sind,
ein höherer
Verschleißwiderstand
bereitgestellt werden.