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Die
Erfindung betrifft eine Axiallageranordnung, insbesondere für hohe Drehzahlen,
mit einer ortsfesten Stützfläche und
einem an einer zu lagernden Welle vorgesehenen Axiallagerbund, welcher eine
Lagerfläche
zum axialen Abstützen
an der Stützfläche aufweist.
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Eine
Axiallageranordnung der eingangs genannten Art ist bereits seit
langem bekannt. Ein Beispiel für
eine aus dem Stand der Technik bekannte Axiallageranordnung a zeigt 4,
in der die obere Hälfte
der Axiallageranordnung a als Längsschnitt entlang
der Rotationsachse R dargestellt ist.
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Die
Axiallageranordnung a hat eine ortsfeste Stützfläche b, die beispielsweise in
einem Lagergehäuse
der Axiallageranordnung a vorgesehen ist. Die Welle c ist zur axialen
Lagerung mit einem Axiallagerbund d versehen. Der Axiallagerbund
d hat eine rechtwinklig zur Rotationsachse R der Welle c verlaufende
Lagerfläche
e, mit der der Axiallagerbund d an der Stützfläche b zur Anlage kommt, wenn
die Welle c in axialer Richtung gegen die Stützfläche b vorgespannt ist.
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Bei
Verwendung einer Axiallageranordnung a, wie sie in 4 gezeigt
ist, hat sich gezeigt, dass bei hohen Drehzahlen der Welle c, insbesondere
bei Drehzahlen von mehreren tausend Umdrehungen pro Minute, eine
Verformung des Axiallagerbundes d auftritt, bei der sich der Axiallagerbund
d von der Stützfläche b mit
zunehmenden Abstand von der Rotationsachse R wegbiegt, wie in 4 durch
die gestrichelte Darstellung des Axiallagerbundes c zum besseren
Verständnis
nicht maßstabsgerecht
angedeutet ist. Dabei nimmt die axiale Vorspannung zwischen der
Stützfläche b und
der Lagerfläche
e mit zunehmendem radialen Abstand von der Rotationsachse R ab.
Die ungleichmäßige Vorspannung
der Axial lageranordnung a führt
zu ungleichmäßigem Verschleiß sowohl
an der Stützfläche b als
auch an der Lagerfläche
e. Ferner muss die Welle c mit entsprechend höherer Vorspannkraft axial vorgespannt
sein, um eine ausreichende axiale Vorspannung für die Lagerung sicherzustellen.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, eine Axiallageranordnung der eingangs genannten
Art zu verbessern, und insbesondere so weiterzubilden, dass mit vergleichsweise
geringem Aufwand der Verschleiß an
der Stützfläche und
der Lagerfläche
der Axiallageranordnung vermindert ist.
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Erfindungsgemäß wird diese
Aufgabe durch einen Axiallageranordnung mit den Merkmalen nach Anspruch
1 und insbesondere dadurch gelöst,
dass der rotationssymmetrische Axiallagerbund in radialer Richtung
betrachtet bezüglich
der Lagerfläche
eine Massenverteilung aufweist, durch die bei hohen Drehzahlen im
Axiallagerbund ein in Richtung der Lagerfläche wirkendes Biegemoment entsteht,
welches einer durch die hohen Drehzahlen verursachten Verformung
der Lagerfläche
des Axiallagerbundes von der Stützfläche weg
entgegenwirkt.
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Wie
Versuche gezeigt haben, ist es möglich, durch
eine gezielte Massenverteilung im Axiallagerbund ein definiertes
Biegemoment zu erzeugen, das einer durch die hohen Drehzahlen verursachten
Verformung der Lagerfläche
des Axiallagerbundes von der Stützfläche weg
entgegenwirkt. Wie der Grad der unerwünschten Verformung ist auch
das Biegemoment seinerseits von der Drehzahl abhängig. Durch entsprechende Massenverteilung
im Axiallagerbund, die sich beispielsweise durch Anwendung der Finite-Elemente-Methode
sehr genau bestimmen lässt, ist
es möglich,
dass Biegemoment so einzustellen, dass bei nahezu allen Drehzahlen
eine unerwünschte
Verformung der Lagerfläche
verhindert oder jedenfalls reduziert werden kann. So lässt sich
der Axiallagerbund in Abhängigkeit
von der Massenverteilung ausgehend von der Rotationsachse gedanklich
in Abschnitte mit unterschiedlichen Massen untergliedern, so einen
Abschnitt mit größtem radialen
Abstand zur Rotationsachse und einen sich an diesen anschließenden Ab schnitt
geringeren radialen Abstandes zur Rotationsachse. Indem den verschiedenen
Abschnitten unterschiedliche Massen zugeordnet werden, kommt es
in axialer Richtung betrachtet auch zu einer von der Masse abhängigen Verlagerung
der den einzelnen Abschnitten jeweils zuzuordnenden Schwerpunkte.
Die Massenverteilung erfolgt nun bevorzugt so, dass die Schwerpunkte
der einzelnen Abschnitte in axialer Richtung betrachtet derart zueinander
versetzt sind, dass der Schwerpunkt des Abschnittes mit größtem radialen
Abstand zur Rotationsachse einen größeren axialen Abstand zur Lagerfläche aufweist,
als der Schwerpunkt des sich anschließenden Abschnittes geringeren
axialen Abstandes zur Rotationsachse. Durch die versetzte Ausbildung
der Schwerpunkte entsteht bei hohen Drehzahlen der Welle im Axiallagerbund
ein Biegemoment, das in Richtung der Lagerfläche wirkt und der sonst auftretenden
Verformung, wie sie bei Axiallageranordnungen nach dem Stand der
Technik bekannt ist, entgegenwirkt. Auf diese einfache und elegante
Weise kann auch bei hohen und höchsten Drehzahlen
dem im Stand der Technik auftretenden sich Aufbiegen des Axiallagerbundes
gezielt entgegengewirkt werden. Ergänzend ist dabei zu bemerken,
dass der Axiallagerbund einstückig
mit der Welle ausgebildet oder alternativ in bekannter Weise drehfest
und axial unverschieblich, beispielsweise durch einen Wellenabsatz
und einen Preßsitz,
fest mit der Welle verbunden sein kann.
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Weitere
vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus der
Beschreibung, den Unteransprüchen
sowie der Zeichnung.
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So
wird bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Axiallageranordnung
vorgeschlagen, den Abschnitt des Axiallagerbundes mit größtem radialen
Abstand zur Rotationsachse verglichen mit dem sich an diesen anschließenden radial
weiter innen angeordneten Abschnitt des Axiallagerbundes mit einer
größeren Masse
zu versehen, um die Ausbildung des gewünschten Biegemomentes bei hohen
Drehzahlen zu erreichen. Dabei ist auch hier der sich ergebende Schwerpunkt
des Abschnittes mit größtem radialen Abstand
zur Rotationsachse in seiner Lage so konzipiert, dass er in axialer
Richtung betrachtet, wei ter entfernt von der Lagerfläche angeordnet
ist als der Schwerpunkt des sich anschließenden Abschnittes, wodurch,
wie bereites erläutert,
das gewünschte
Biegemoment bei hohen Drehzahlen entsteht.
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Um
die gewünschte
Massenverteilung bei dem Axiallagerbund zu erreichen, ist bei einer
besonders bevorzugten Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Axiallageranordnung
an der der Lagerfläche
abgewandten Rückseite
des radial weiter innen angeordneten Abschnittes des Axiallagerbundes konzentrisch
zur Rotationsachse der Welle mindestens eine umlaufende Ringnut
vorgesehen. Durch die Ringnut wird eine Verminderung der Masse in
diesem Abschnitt bei gleichzeitiger Verlagerung des Schwerpunktes
in Richtung der Lagerfläche
erreicht, so dass einerseits die gewünschte Massenverteilung und gleichzeitig
die erforderliche Verlagerung des Schwerpunktes erreicht werden.
Des weiteren besteht ein wesentlicher Vorteil bei dieser Ausführungsform
darin, dass durch gezielte Bemessung der Tiefe und Breite der Nut,
sowie deren Abstand zur Rotationsachse sehr gezielt in Abhängigkeit
von der vorgegebenen Drehzahl das Biegemoment vorgegeben und gegebenenfalls
nachkorrigiert werden kann. Sollen Axiallageranordnungen mit unterschiedlich
hohen maximal zulässigen
Drehzahlen betrieben werden, können
diese aus denselben Grundkomponenten aufgebaut werden, wobei bei
der Herstellung des Axiallagerbundes lediglich durch entsprechende
Anordnung und Ausbildung der Nut die unterschiedlichen maximal zulässigen Drehzahlen
berücksichtigt
und für
diese optimierte Biegemomente vorgegeben werden können. Dabei
ist es besonders von Vorteil, wenn der Axiallagerbund als separates
Bauteil ausgeführt
ist, welches später
mit der zu lagernden Welle fest verbunden wird.
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Die Übergange
der Rückseite
des Axiallagerbundes in die Ringnut sind vorzugsweise als Radien
ausgebildet, so dass die entstehenden Biegespannungen, die insbesondere
im Bereich der Ringnut auftreten, im Material fließen können und
die Entstehung von Spannungsspitzen im Material vermieden wird.
Dabei ist es auch von Vorteil, wenn die Übergänge der Nutränder der
Ringnut in deren Nutgrund als Radien ausgebildet sind.
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Ferner
ist es bei dieser Ausführungsform
von Vorteil, den radial weiter außen angeordnete Nutrand unter
einem Winkel in einem Bereich von 40 bis 75° bezüglich der Rotationsachse geneigt
in den Nutgrund übergehen
zu lassen, wodurch gleichfalls der Spannungsverlauf bei hohen Drehzahlen
positiv beeinflusst wird. Ferner kann auch das Biegeverhalten des
Axiallagerbundes durch den Verlauf und die Länge des Nutrandes beispielsweise
durch Anwendung der Finite-Elemente-Methode
definiert vorgegeben werden.
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Ergänzend zu
der Ausführungsform
mit Nut oder als alternative Ausführungsform wird vorgeschlagen,
den Abschnitt des Axiallagerbundes mit größtem radialen Abstand zur Rotationsachse
mit einer zusätzlichen
Masse zu versehen, um die gewünschte
Entstehung des Biegemomentes zu bewirken.
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Hierzu
wird bei einer besonders bevorzugten Weiterbildung dieser Ausführungsform
die zusätzliche
Masse durch einen Bund gebildet, welcher über die der Stützfläche abgewandte
Rückseite
des Axiallagerbundes in axialer Richtung übersteht. Die Form und die
Länge des
Bundes sind dabei vorzugsweise so ausgelegt, dass auch hier unterschiedliche
maximal zulässige
Drehzahlen berücksichtigt
und unterschiedliche Biegemomente bei den sich unterscheidenden
Drehzahlen vorgegeben werden können.
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Alternativ
oder ergänzend
hierzu wird vorgeschlagen, die zusätzliche Masse durch mindestens ein
Gewichtselement aus einem Material höherer Dichte, vorzugsweise
einem Ring, bereitzustellen, welcher nahe der Rückseite oder an der Rückseite des
Axiallagerbundes in den Abschnitt mit größtem radialen Abstand zur Rotationsachse
eingesetzt oder an diesem beispielsweise durch Schweißen oder durch
einen Preßsitz
befestigt ist.
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Nachfolgend
wird die Erfindung anhand dreier Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme
auf die Zeichnung näher
erläutert.
Darin zeigt:
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1 die
obere Hälfte
eines Längsschnitts entlang
einer Rotationsachse eines ersten Ausführungsbeispieles einer erfindungsgemäßen Axiallageranordnung,
bei der an der der Lagerfläche
abgewandten Rückseite
des Axiallagerbundes eine Nut vorgesehen ist;
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2 die
obere Hälfte
eines Längsschnitts entlang
einer Rotationsachse eines zweiten Ausführungsbeispieles einer erfindungsgemäßen Axiallageranordnung,
bei der der radial am weitesten außen angeordnete Abschnitt des
Axiallagerbundes an der der Lagerfläche abgewandten Rückseite
mit einem axial überstehenden
Bund versehen ist;
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3 die
obere Hälfte
eines Längsschnitts entlang
einer Rotationsachse eines dritten Ausführungsbeispieles einer erfindungsgemäßen Axiallageranordnung,
bei der an der der Lagerfläche
abgewandten Rückseite
des Axiallagerbundes nahe dessen Außenumfangsfläche ein
Ring aus einem Material höhere
Dichte angeordnet ist; und
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4 die
obere Hälfte
eines Längsschnitts entlang
einer Rotationsachse einer aus dem Stand der Technik bekannten Axiallageranordnung,
in der die Verformung des Axiallagerbundes bei hohen Drehzahlen
dargestellt ist.
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In 1 ist
die obere Hälfte
eines Längsschnitts
entlang einer Rotationsachse R einer erfindungsgemäßen Axiallageranordnung 10 zur
axialen Lagerung einer Welle 12 gezeigt. Die Axiallageranordnung 10 weist
eine ortsfeste, in einem Gehäuse vorgesehene
Stützfläche 14 auf,
die in einer rechtwinklig zur Rotationsachse R verlaufenden Ebene liegt.
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Die
Welle 12 ist an ihrem freien Ende mit einem radial nach
außen
abstehenden Axiallagerbund 16 versehen. Der Axiallagerbund 16 hat
eine im Querschnitt etwa rechteckige Grundform und geht unter Bildung
eines Freistiches in die Mantelfläche der Welle 12 über. Der
Axiallagerbund 16 hat eine gleichfalls rechtwinklig zur Rotationsachse
R verlaufende Lagerfläche 18,
mit welcher der Axiallagerbund 16 gegen die Stützfläche 14 zur
axialen Lagerung vorgespannt ist.
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Auf
seiner der Lagerfläche 18 abgewandten Rückseite 20 ist
der Axiallagerbund 16 mit Abstand zu seiner Mantelfläche 22 mit
einer Nut 24 versehen. Die Nut 24 hat einen parallel
zur Rotationsachse R verlaufenden ersten Nutrand 26, der
unter Bildung eines Radius 28 in einen ebenen Nutgrund 30 übergeht,
welcher bezüglich
der Lagerfläche 18 unter
einem Winkel von etwa 3° leicht
geneigt ist. Der Nutgrund 30 geht unter Bildung eines zweiten
Radius 32 in einen zweiten Nutrand 34 über, welcher
unter einem Winkel von etwa 45° bezüglich der
Rotationsachse R der Welle 12 geneigt verläuft.
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Zum
bessern Verständnis
wird der Axiallagerbund 16 in einen gedachten Abschnitt 36 mit größtem radialen
Abstand zur Rotationsachse R und einen sich an diesen anschließenden gedachten
Abschnitt 38 untergliedert (durch die gestrichelten Linien
angedeutet), in welchem die Nut 24 ausgebildet ist. Durch
die im Abschnitt 38 ausgebildete Nut 24 ist die
Verteilung der Massen zwischen den beiden Abschnitten 36 und 38 in
axialer Richtung gesehen unterschiedlich, so dass sich die beiden
Abschnitte 36 und 38 hinsichtlich der Lage ihrer
Schwer- bzw. Massenmittelpunkte 40 und 42 voneinander
unterscheiden. Dabei ist der Schwerpunkt 40 des Abschnittes 36 mit
größtem radialen
Abstand zur Rotationsachse R in axialer Richtung betrachtet von
der Lagerfläche 18 weiter
beabstandet als der Schwerpunkt 42 des sich anschließenden Abschnittes 38.
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Wird
nun die Welle 12 mit hoher Drehzahl, insbesondere mehreren
tausend Umdrehungen pro Minute betrieben, bewirkt die versetzte
Anordnung der Schwerpunkte 40 und 42 der beiden
Abschnitte 36 und 38 in dem Abschnitt 38 durch
die am Abschnitt 36 wirkende Zentripetalkraft ein in Richtung der
Stützfläche 14 wirkendes
Biegemoment, welches so bemessen ist, dass die in entgegengesetzter
Richtung sonst entstehende Verformung des Axiallagerbundes 16,
wie sie im Stand der Technik auftritt (vgl. 4), aufgehoben
ist und die Lagerfläche 18 ei nen zumindest
annähernd
planen Verlauf in der rechtwinklig zur Rotationsachse R verlaufenden
Ebene zeigt.
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2 zeigt
einen der 1 entsprechenden Längsschnitt
durch ein zweites Ausführungsbeispiel einer
erfindungsgemäßen Axiallageranordnung 50. Der
Aufbau der Axiallageranordnung 50 entspricht im wesentlichen
dem Aufbau der Axiallageranordnung 10. Einziger Unterschied
ist die Ausführung
des Axiallagerbundes 52. Der Axiallagerbund 52 hat
anstelle der am Axiallagerbund 16 des ersten Ausführungsbeispiels
ausgebildeten Nut 24 einen von der Rückseite 54 des Axiallagerbundes 52 abstehenden
Bund 56, welcher bündig
in die Mantelfläche 58 des
Axiallagerbundes 52 übergeht.
Durch den Bund 56, der Bestandteil eines Abschnittes 60 mit
größtem radialen
Abstand zur Rotationsachse R ist, ist der Schwerpunkt 62 des
Abschnittes 60 in axialer Richtung gesehen von der Lagerfläche 64 des
Axiallagerbundes 52 weiter beabstandet als der Schwerpunkt 66 des sich
anschließenden
Abschnittes 68. Auch hier wird durch die relativ zueinander
verlagerten Schwerpunkte 60 und 66 der beiden
Abschnitte 62 und 68 erreicht, dass bei hohen
Drehzahlen ein Biegemoment entsteht, durch dass der Axiallagerbund 52 in
Richtung auf die Stützfläche 70 verformt
wird, so dass die Lagerfläche 64 auch
bei hohen Drehzahlen einen zumindest annähernd planen Verlauf zeigt.
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3 zeigt
eine dritte Ausführungsform
einer Axiallageranordnung 80, die sich gegenüber der in 2 gezeigten
Axiallageranordnung 50 dadurch unterscheidet, dass anstelle
des Bundes 56 am Übergang
der Mantelfläche 82 des
Axiallagerbundes 84 in dessen Rückseite 86 eine Ausnehmung 88 ausgebildet
ist, in welcher ein Ring 90 aus einem Werkstoff eingesetzt
ist, dessen Dichte höher
ist als die Dichte des restlichen Werkstoffes, aus dem der Axiallagerbund 84 gefertigt
ist. Der Ring 90 ist in der Ausnehmung 88 durch
einen Preßsitz
gehalten.
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Durch
den Ring 90 wird eine Verlagerung des Schwerpunktes 92 in
dem Abschnitt 94 mit größtem radialen
Abstand zur Rotationsachse R in axialer Richtung weg von der Lagerfläche 96 und
relativ zum Schwerpunkt 98 des sich anschließenden Abschnittes 100 bewirkt.
Bei hohen Drehzahlen führt
auch dies zur Entstehung eines Biegemomentes in Richtung der Lagerfläche 96,
durch dass die sonst entstehenden Verformungen des Axiallagerbund 84 aufgehoben
werden und die Lagerfläche 96 einen
zumindest annähernd
planen Verlauf zeigt.
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Die
in den 1 bis 3 gezeigten Ausführungsbeispiele
stellen nur drei der vielfältigen möglichen
Ausbildungen dar. So können
diese drei grundlegenden Ausführungen
beispielsweise auch miteinander kombiniert werden, so beispielsweise, indem
ein Ring aus einem Werkstoff mit höherer Dichte als der Werkstoff
der Axiallagerbundes verwendet wird, der sich in axialer Richtung über die Rückseite
hinaus erstreckt. Auch liegt es im Rahmen der Erfindung, die in
den 2 und 3 gezeigten Ausführungsbeispiele
an den Rückseiten
zusätzlich mit
einer oder mehreren konzentrisch zur Rotationsachse R verlaufenden
Ringnuten zu versehen.
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- a
- Axiallageranordnung
- b
- Stützfläche
- c
- Welle
- d
- Axiallagerbund
- e
- Lagerfläche
- 10
- Axiallageranordnung
- 12
- Welle
- 14
- Stützfläche
- R
- Rotationsachse
- 16
- Axiallagerbund
- 18
- Lagerfläche
- 20
- Rückseite
- 22
- Mantelfläche
- 24
- Nut
- 26
- erster
Nutrand
- 28
- erster
Radius
- 30
- Nutgrund
- 32
- zweiter
Radius
- 34
- zweiter
Nutrand
- 36
- Abschnitt
mit größtem radialen
Abstand zur Rotationsachse
- 38
- radial
weiter innen liegender Abschnitt
- 40
- Schwerpunkt
- 42
- Schwerpunkt
- 50
- Axiallageranordnung
- 52
- Axiallagerbund
- 54
- Rückseite
- 56
- Bund
- 58
- Mantelfläche
- 60
- Abschnitt
mit größtem radialen
Abstand zur Rotationsachse
- 62
- Schwerpunkt
- 64
- Lagerfläche
- 66
- Schwerpunkt
- 68
- radial
weiter innen liegender Abschnitt
- 70
- Stützfläche
- 80
- Axiallageranordnung
- 82
- Mantelfläche
- 84
- Axiallagerbund
- 86
- Rückseite
- 88
- Ausnehmung
- 90
- Ring
- 92
- Schwerpunkt
- 94
- Abschnitt
mit größtem radialen
Abstand zur Rotationsachse
- 96
- Lagerfläche
- 98
- Schwerpunkt
- 100
- radial
weiter innen liegender Abschnitt