DE102010034941B4 - Lager, speziell zur Verwendung unter Wasser - Google Patents

Abstract

Lager, umfassend einen zwischen einer Dichtung (4, 5) und einem Lagerring (1, 2) abgeschlossenen Lagerraum (6), sowie eine Bohrung (7) mit einem die Bohrung (7) verschließenden Druckausgleichselement (8),
wobei der Lagerraum (6) mit einer Flüssigkeit (9) gefüllt ist, und
wobei das Druckausgleichselement (8) in der Bohrung (7) beweglich angeordnet ist,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Druckausgleichselement (8) einen Kolben (10) umfasst, wobei der Kolben (10) mittels eines Dichtbalgs (11) an der Bohrung (7) befestigt ist, und
dass der Kolben (10) als massives Vollbauteil, nämlich als Vollzylinder, ausgebildet ist.

Description

• Gebiet der Erfindung
• Die Erfindung betrifft ein Lager nach Anspruch 1, insbesondere ein Lager zur Verwendung in einer flüssigen Umgebung, speziell zur Verwendung unter Wasser.
• Aus dem Stand der Technik sind Lager bekannt, die unter Wasser, insbesondere in einer beträchtlichen Tiefe von ca. 100 Metern unter dem Meeresspiegel, eingesetzt werden. In derartigen Tiefen spielt der hydrostatische Druck der flüssigen Umgebung des Lagers eine bedeutende Rolle insbesondere im Hinblick auf die Dichtung, die erheblichen mechanischen Belastungen ausgesetzt ist.
• Die Erfindung wird im folgenden für den Fall näher erläutert, dass die flüssige Umgebung des Lagers Wasser ist, insbesondere Meereswasser in einer Tiefe von ca. 100 Metern. Es versteht sich, dass die Erfindung sinngemäß auf andere flüssige Umgebungen, insbesondere andere Flüssigkeiten als Meerwasser bzw. andere statische Drücke zu übertragen ist.
• Um ein Eindringen von Wasser in das Lager zu vermeiden, wird die Dichtlippe der Dichtung unter einer hohen mechanischen Spannung gegen die gelagerte Welle bzw. einen der beiden Lagerringe gedrückt gehalten. Beim Betrieb des Lagers treten dann hohe mechanische Reibverluste an der Dichtlippe auf, so dass die Dichtung kurzfristig versagt.
• Für hohe Drücke ausgelegte Spezialdichtungen, die mehrere Kammern umfassen, in denen jeweils ein Zwischendruck eingestellt wird, sind aufwendig und nehmen einen hohen Bauraum ein. Weiter versagen die Kammern bei längerem Betrieb nach und nach.
• Die Möglichkeit, auf eine Dichtung zu verzichten und das Lager mit dem Wasser selbst zu fluten, stößt auf Schwierigkeiten, weil das in das Lager eingedrungene Wasser gefiltert werden muss und als Schmiermittel des Lagers nur wenig geeignet ist.
• Aus dem Stand der Technik ist grundsätzlich bekannt, einen Druckausgleich zwischen einem Lagerinneren und einer Lagerumgebung vorzusehen, so dass die Dichtung des Lagers entlastet und die Lebensdauer der Dichtung verlängert wird.
• DE 10 2007 038 604 A1 beschreibt ein Lager mit zwei Lagerringen und einer Dichtung, wobei die beiden Lagerringe und die Dichtung einen Lagerraum ausbilden. Um einen Druckausgleich zwischen dem Lagerraum und einer Lagerumgebung zu ermöglichen, ist ein Druckausgleichselement vorgesehen, das über eine Leitung in einer Bohrung in einem der beiden Lagerringe außerhalb der Bohrung angeordnet ist. Das Druckausgleichselement umfasst eine Rollmembran, die an einem Ende eines Trägerelementes angeordnet ist, das in die Leitung übergeht. Der Lagerraum ist mit Luft gefüllt, und das Lager wird mit Luft als Umgebungsmedium betrieben. Die Rollmembran ist luftundurchlässig, jedoch durchlässig für Wasserdampf, der aus dem Lagerraum in die Lagerumgebung entweichen kann. Die Rollmembran dehnt sich aus, wenn sich die Temperatur des Lagerraums gegenüber der Temperatur der Umgebung des Lagers erhöht. Dabei nimmt die Rollmembran einen erheblichen Platz außerhalb der Lagerringe in Anspruch.
• DE 202 13 600 U1 beschreibt ein Lager mit zwei Lagerringen und einer Dichtung, die einen Lagerraum umschließen, wobei zwischen dem Lagerraum und einer Umgebung des Lagers eine Bohrung vorgesehen ist, die mit einer Membran aus einem semipermeablen Material, das Feuchtigkeit aus dem Lagerraum in die Umgebung des Lagers austreten lässt, aber in den Lagerraum keine Feuchtigkeit eintreten lässt, abgeschlossen ist. Das Lagerinnere ist dabei mit einem Gas, also feuchter Luft, ausgefüllt, und die Lagerumgebung besteht aus feuchter Luft.
• DE 199 35 014 B4 beschreibt ein Lager mit zwei Lagerringen und einer Dichtung, die einen Lagerraum bilden, wobei in einem der Lagerringe eine Bohrung vorgesehen ist, die mittels einem betätigbaren Dichtelement verschlossen bzw. geöffnet werden kann, um Luft aus dem Lagerraum abzulassen.
• Aufgabe der Erfindung
• Es ist die Aufgabe der Erfindung, für ein insbesondere für den Betrieb in einer flüssigen Umgebung vorgesehenes Lager eine im wesentlichen bauraumneutrale Möglichkeit zum Druckausgleich anzugeben.
• Zusammenfassung der Erfindung
• Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Lagerraum mit einer Flüssigkeit gefüllt ist, und dass das Druckausgleichselement in der Bohrung beweglich angeordnet ist.
• Aufgrund der nur geringen Kompressibilität von Flüssigkeiten im Gegensatz zu Gasen bewirkt die Flüssigkeit in dem Lagerraum zusammen mit der Flüssigkeit der Lagerumgebung, dass bei einer Erhöhung des Drucks eine nur geringe Bewegung des Druckausgleichselementes bewirkt wird. Das Druckausgleichselement steht dabei in Kontakt sowohl mit der Flüssigkeit in dem Lagerinneren als auch mit der Flüssigkeit der Lagerumgebung. Die Bewegung des Druckausgleichselementes stellt sicher, dass außerhalb des Lagers sowie in dem Lagerraum der gleiche Druck auftritt, so dass die Dichtung des Lagers nur gering belastet wird. Eine Abschätzung zeigt, dass für ein Volumen von ca. 1 Liter für den Lagerraum, der mit einem Schmieröl gefüllt ist, für ein Lager, das in einer Tiefe von ca. 100 Metern unter Wasser betrieben wird, eine Verschiebung des Druckausgleichselementes von ca. einigen Millimeter ausreichend sein kann, um den Druckausgleich zwischen dem Lagerraum und dem Wasser der Lagerumgebung auszugleichen. Aufgrund der hierzu nicht erforderlichen Verformung des Druckausgleichselementes ist es möglich, das Druckausgleichselement an oder in der Bohrung selbst verschieblich aufzunehmen, so dass das Lager mit dem Druckausgleichselement im wesentlichen bauraumneutral ausgelegt werden kann.
• Die bewegliche Anordnung des Druckausgleichselementes in der Bohrung ermöglicht den Druckausgleich durch die Bewegung des Druckausgleichselementes, das in der Bohrung geführt und aufgenommen ist, insbesondere nicht aus der Bohrung wesentlich heraustritt und beispielsweise vollständig in der Bohrung aufgenommen ist. Während der Bewegung des Druckausgleichselementes in der Bohrung ist die Abdichtung des Lagerraumes gegenüber der Umgebung des Lagers sichergestellt; beispielsweise kann das Druckausgleichselement mit der Wandung der Bohrung eine zusätzliche Dichtung ausbilden; hierzu kann das Druckausgleichselement Dichtlippen aufweisen, die an der Wandung der Bohrung anliegen und die mit dem Druckausgleichselement mitgeführt werden.
• Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das Druckausgleichselement einen Kolben umfasst, wobei der Kolben mittels eines Dichtbalgs an der Bohrung befestigt ist. Der Kolben ist der in der Bohrung beweglich geführte Bestandteil des Druckausgleichselementes. Dabei weist der Kolben zur leichten Verschieblichkeit einen Abstand von der Wandung der Bohrung auf. Der Dichtbalg ist sowohl an dem Kolben als auch an der Wandung der Bohrung befestigt und dichtet den Lagerraum gegenüber der Umgebung des Lagers ab. Dabei ermöglicht der zieharmonikaartige Dichtbalg aus einem elastischen Material wie einem Kunststoff eine Bewegung des Kolbens in der Bohrung.
• Hinsichtlich des Kolbens ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass der Kolben als massives Vollbauteil, nämlich als Vollzylinder, ausgebildet ist. Das Gewicht des Vollbauteils lastet auf dem abgeschlossenen Lagerraum und bewirkt einen ständigen leichten Überdruck des Lagerraums gegenüber der Lagerumgebung. Die das Gewicht des Vollbauteils sowie die Anordnung der Bohrung in Richtung der Schwerkraft ermöglicht ein Einstellen des in dem Lagerraum herrschenden Drucks; dieser Druck kann vor der Montage des Lagers, also beispielsweise unter atmosphärischen Bedingungen, als Überdruck eingestellt sein, wobei der Überdruck so bemessen ist, dass er dem hydrostatischen Druck in der Tiefe des Wassers entspricht, in der das Lager montiert sein soll. In der vorgesehenen Tiefe ist das Druckausgleichselement dann mechanisch entlastet und befindet sich innerhalb der Bohrung beispielsweise in einer mittigen Stellung, zwischen den Enden der Bohrung, um auf Druckschwankungen reagieren zu können. Der durch das Gewicht des Vollbauteils bzw. den Winkel der Bohrung relativ zu der Richtung der Schwerkraft einstellbare Überdruck kann auch so bemessen sein, dass er etwas größer ist als der der vorgesehenen Tiefe entsprechende hydrostatische Druck. In diesem Fall weist das Lager in der montierten Stellung einen leichten Überdruck in dem Lagerraum auf, so dass bei einer Undichtigkeit der Dichtung auf jeden Fall sichergestellt ist, dass kein verschmutztes Umgebungswasser in das Lager eindringt. Weist das Lager in der montierten Stellung unter Wasser einen leichten Überdruck in Bezug auf den hydrostatischen Druck der Umgebung auf, sind die Dichtungen bevorzugt als Doppellippendichtung ausgebildet, die dauerhaft einen leichten Überdruck gegenüber der Umgebung aufnehmen können.
• Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Flüssigkeit in dem Lagerraum ein Schmieröl, insbesondere ein biologisch abbaubares Schmieröl, umfasst. Das Schmieröl bewirkt dann zusätzlich zu dem Druckausgleich eine Schmierung des durch das Druckausgleichselementes abgedichteten Lagers. Das Schmieröl kann beispielsweise ein biologisch abbaubares Pflanzenöl sein, dass im Fall einer Leckage nur geringe Umweltschäden bewirkt.
• Die den Lagerraum ausfüllende Flüssigkeit kann in dem Lagerraum mit einem Überdruck beaufschlagt sein; beispielsweise kann vor der Montage des Lagers, speziell vor dem Absenken des Lagers in die vorgesehene Wassertiefe, der Überdruck so eingestellt werden, dass der Überdruck dem in der vorgesehenen Tiefe zu erwartenden hydrostatischen Druck entspricht, so dass in der vorgesehenen Tiefe das Druckausgleichselement keinen wesentlichen Druckunterschied zwischen dem Lagerraum und der Umgebung des Lagers erfährt. Wie weiter oben ausgeführt, kann der Überdruck beispielsweise durch ein das Gewicht des Kolbens oder durch ein Federelement eingestellt und ggf. nachgeführt werden, wobei das Federelement auf das Druckausgleichselement einwirkt.
• Die Bohrung, innerhalb derer das Druckausgleichselement angeordnet ist, kann in einem der Lagerringe des Lagers vorgesehen sein; insbesondere können mehrere Bohrungen mit je einem Druckausgleichselement vorgesehen sein. Es versteht sich in diesem Fall, dass die Bohrung auch eine Lageraufnahme durchsetzen kann, an der der die Bohrung aufweisende Lagerring angeordnet ist. Auch können mehrere Druckausgleichselemente innerhalb einer einzigen Bohrung vorgesehen werden.
• Alternativ oder ergänzend zu einer in einem der Lagerringe vorgesehenen Bohrung kann eine Bohrung mit einem Druckausgleichselement in der Dichtung vorgesehen sein.
• Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen sowie aus der folgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung.
• Die Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen näher beschrieben und erläutert.
• Figurenliste
• 1a zeigt eine geschnittene schematische Ansicht eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Lagers, vor der Montage, bei Atmosphärendruck,
• 1b zeigt einen vergrößerten Ausschnitt aus 1a,
• 2a zeigt eine geschnittene schematische Ansicht des Ausführungsbeispiels aus 1a und 1b nach der Montage, mit Wasser als Umgebungsmedium, und
• 2b zeigt einen vergrößerten Ausschnitt aus 2a.
• Detaillierte Beschreibung der Zeichnung
• 1a zeigt ein Lager, umfassend als Lagerringe einen zweiteiligen Innenring 1, einen einteiligen Außenring 2, zwei Reihen von Wälzkörpern 3 und zwei Dichtungen 4, 5 zu beiden Seiten der Lagerringe 1, 2. Die Dichtungen 4, 5 bilden mit den Lagerringen 1, 2 einen Lagerraum 6.
• In dem Korpus des Außenrings 2 ist im wesentlichen mittig zwischen dessen Stirnflächen eine Bohrung 7, die bezogen auf eine Drehachse des Lagers im wesentlichen radial gerichtet ist. Die Bohrung 7 verbindet den Lagerraum 6 mit der Umgebung des Lagers. In der Bohrung 7, im wesentlichen mittig zwisehen den beiden Öffnungen der Bohrung 7, ist ein Druckausgleichselement 8 vorgesehen, das die Bohrung 7 verschließt.
• Die Lagerringe 1, 2 sowie die Dichtungen 4, 5 bilden den abgeschlossenen Lagerraum 6 aus, der im Bereich der Bohrung 7 durch das Druckausgleichselement 8 verschlossen ist. Der abgeschlossene Lagerraum 6 ist mit einer Flüssigkeit 9 gefüllt, in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel mit einem biologisch abbaubaren Schmieröl.
• Das Druckausgleichselement 8 ist in 1b vergrößert dargestellt.
• Das Druckausgleichselement 8 umfasst einen Kolben 10, der als einseitig offener, im wesentlichen formstabiler Hohlzylinder ausgebildet ist, wobei der Hohlzylinder einen Abstand zu der Wandung der Bohrung 7 einhält, so dass der Kolben 10 innerhalb der Bohrung 7 verschieblich aufgenommen ist. Der Kolben 10 des Druckausgleichselementes 8 ist damit in der Bohrung 7 beweglich angeordnet. Der Kolben 10 ist mittels eines Dichtbalgs 11 an der Wandung der Bohrung 7 befestigt, so dass die Einheit aus dem Kolben 10 und dem Dichtbalg 11 ein Eindingen des Mediums der Umgebung des Lagers, also Meerwasser, in den Lagerraum 6 verhindert. Der Dichtbalg 11 ist mit einer ersten Randkante an dem offenen Ende des hohlzylindrischen Kolbens 10 und mit einer zweiten Randkante an einer Stufe der Bohrung 7 befestigt; zwischen den beiden Randkanten ist der Dichtbalg 11 zieharmonikaartig gefaltet.
• Die Bohrung 7 weist an der ersten, radial, bezogen auf die Drehachse des Lagers innenliegenden, Öffnung eine erste Stufe 11 auf, an der der Dichtbalg 11 befestigt ist, sowie eine zweite Stufe 13 an der zweiten, radial außenliegenden Öffnung. Im Bereich der beiden Stufen 12, 13 verjüngt sich der Querschnitt der Bohrung 7 derart, dass der Kolben 10 nicht aus der Bohrung 7 austreten kann. Die beiden Stufen 12, 13 bilden einen Anschlag für den Kolben 10, der dessen Beweglichkeit innerhalb der Bohrung 7 begrenzt. Die Stufen 12, 13 können als Freischnitte mit reduziertem Querschnitt ausgebildet sein, hierbei befindet sich die Bohrung 7 zwischen einem geteilten Lagerring; alternativ hierzu kann ein einzelner Freischnitt vorgesehen sein, und die Stufe des zweiten Freischnitts wird durch ein zusätzliches Element gebildet, beispielsweise durch eine Ringscheibe mit reduziertem Querschnittsdurchmesser, die an einer der Öffnungen der Bohrung 7 eingelegt und beispielsweise durch Schrauben gesichert befestigt ist.
• Das in 1a, b und 2a, b dargestellte Lager ist zur Montage unter Wasser vorgesehen.
• In 1a, b ist das Lager vor der Montage dargestellt, mit Luft von im wesentlichen Atmosphärendruck (1bar, ca. 1013 hPa) als Umgebungsmedium. Der Druck der Flüssigkeit 9 in dem Lagerraum 6 ist so eingestellt, dass der Kolben 10 des Druckausgleichselementes 8 zu der zweiten Stufe 13 hin verschoben ist, so dass der Dichtbalg 11 gestreckt ist.
• In 2a, b ist das Lager nach der Montage dargestellt, in einer Wassertiefe, deren hydrostatischer Druck ca. 10 bar (ca. 10130 hPa) beträgt. Das Lager ist in diesem Fall von Wasser umgeben. Das Druckausgleichselement 8 mit dem Kolben 10 steht sowohl mit dem Umgebungsmedium, nämlich dem Wasser, als auch mit der Flüssigkeit 9 des Lagerraums 6 in Verbindung und bewirkt, dass sich in dem Lagerraum 6 der gleiche Druck einstellt wie außerhalb des Lagers, nämlich ein der Tiefe entsprechender hydrostatischer Druck. Der Kolben 10 als Bestandteil des Druckausgleichselementes 8 verschiebt sich dabei innerhalb der Bohrung, hin zu der ersten Stufe 12, so dass der Dichtbalg in eine stärker gefaltete, entspannte Stellung überführt wird. Die Verschiebung des Kolbens 10 innerhalb der Bohrung beträgt allerdings aufgrund der nur geringen Kompressibilität sowohl von Wasser als auch der Flüssigkeit 9 in dem Lagerraum 6 nur einen geringen Betrag, beispielsweise einige Millimeter. Dabei wird der im wesentlichen formstabile Kolben 10 in der Bohrung 7 zu dem Lagerraum 6 verschoben, aber nicht wesentlich verformt, und verbleibt vollständig innerhalb der Bohrung 7.
• Aufgrund des Druckausgleichs bleiben die Dichtungen 4, 5 mechanisch entlastet.
• Ergänzend zu dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel kann ein Federelement vorgesehen sein, das das Druckausgleichselement 8, insbesondere den Kolben 10, mechanisch vorspannt, und in der montierten Stellung des Lagers (2a, b) einen leichten Überdruck der Flüssigkeit in dem Lagerraum 6 gegenüber der Lagerumgebung aufrechterhält. In dem beschriebenen Ausführungsbeispiel kann das Federelement beispielsweise eine Tellerfeder umfassen, die vor dem Versenken des Lagers mechanisch gespannt, insbesondere zusammengedrückt, montiert und in der gespannten Stellung fixiert angebracht ist. Nach dem Versenken des Lagers in die vorgesehene Tiefe bildet sich der Druckausgleich zwischen dem Lagerraum 6 und der Lagerumgebung aus, nämlich durch Verschieben des Kolbens 10 in der Bohrung 7. Wird dann die Fixierung der Tellerfeder gelöst, kann diese entspannen und einen Federweg zurücklegen, so dass der Kolben 10 zusätzlich eine Verschiebung in der Bohrung 7 erfährt und der Lagerraum 6 mit einem leichten Überdruck beaufschlagt ist.
• Bei dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel war die Bohrung 7 in dem Außenring 2 angeordnet. Es versteht sich, dass die Bohrung 7 auch in einer der Dichtungen 4, 5 vorgesehen sein kann. Die Dichtungen 4, 5 können als Lippendichtungen ausgebildet sein und eine starre, beispielsweise metallische Einlage umfassen, die von einer elastischen Beschichtung umgeben ist. Die Bohrung kann in diesem Fall die Dichtung 4, 5 durchsetzen, dabei kann die Bohrung einen kreisförmigen oder quadratischen Querschnitt aufweisen. Allerdings kann die Bohrung auch der kreisringförmigen Kontur der Dichtung 4, 5 folgen und beispielsweise einen in Draufsicht auf die Bohrung kreisbogenförmigen Querschnitt aufweisen. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass in einer Dichtung 4, 5 mehrere Bohrungen angeordnet sind, die jeweils einen in Draufsicht kreisbogenförmigen Querschnitt aufweisen, so dass die verbleibende Einlage der Dichtung ein äußeres und ein inneres Ringteil umfasst, wobei die beiden Ringteile der Einlage durch zwischen den Bohrungen verbleibende Stege verbunden sind.
• Bei dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel war der Kolben 10 als einseitig offener Hohlzylinder ausgebildet. Es versteht sich, dass der Kolben auch als Vollzylinder ausgebildet sein kann, dessen Gewicht auf der Flüssigkeit in dem Lagerraum 6 lastet, so dass der Vollzylinder einen leichten Überdruck des Lagerraums 6 gegenüber der Lagerumgebung bewirkt. Es versteht sich ferner, dass anstelle eines hohl- oder vollzylindrischen Kolbens 10 mit einem kreisförmigen Querschnitt der Kolben auch einen kantigen Querschnitt, beispielsweise einen rechteckigen Querschnitt, aufweisen kann.
• Bezugszeichenliste

1

Innenring

2

Außenring

3

Wälzkörper

4

Dichtung

5

Dichtung

6

Lagerraum

7

Bohrung

8

Druckausgleichselement

9

Flüssigkeit

10

Kolben

11

Dichtbalg

12

erste Stufe

13

zweite Stufe

Claims (5)

1. Lager, umfassend einen zwischen einer Dichtung (4, 5) und einem Lagerring (1, 2) abgeschlossenen Lagerraum (6), sowie eine Bohrung (7) mit einem die Bohrung (7) verschließenden Druckausgleichselement (8), wobei der Lagerraum (6) mit einer Flüssigkeit (9) gefüllt ist, und wobei das Druckausgleichselement (8) in der Bohrung (7) beweglich angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Druckausgleichselement (8) einen Kolben (10) umfasst, wobei der Kolben (10) mittels eines Dichtbalgs (11) an der Bohrung (7) befestigt ist, und dass der Kolben (10) als massives Vollbauteil, nämlich als Vollzylinder, ausgebildet ist.
2. Lager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeit (9) in dem Lagerraum (6) ein Schmieröl umfasst.
3. Lager nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Schmieröl ein biologisch abbaubares Schmieröl ist.
4. Lager nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Bohrung (7) in dem Lagerring (2) angeordnet ist.
5. Lager nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Bohrung in der Dichtung (4, 5) angeordnet ist.

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