DE102010034942A1

DE102010034942A1 - Lager, speziell zur Verwendung unter Wasser

Info

Publication number: DE102010034942A1
Application number: DE102010034942A
Authority: DE
Inventors: Dr. Braun Wolfgang; Dr. Schwarz Sergej
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2010-08-20
Filing date: 2010-08-20
Publication date: 2012-02-23
Also published as: WO2012022603A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Lager, insbesondere zur Verwendung in einer flüssigen Umgebung, speziell zur Verwendung unter Wasser, 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 elastischen Druckausgleichselement (8). Die Aufgabe, für ein insbesondere für den Betrieb in einer flüssigen Umgebung vorgesehenen Lager eine im wesentlichen bauraumneutrale Möglichkeit zum Druckausgleich anzugeben, wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Lagerraum (6; 26) mit einer Flüssigkeit (9) gefüllt ist, und dass das Druckausgleichselement (8; 28) für die Flüssigkeit (9) des Lagerraums (6; 26) sowie für das Material der Umgebung des Lagers undurchlässig 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 vorgesehenen 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 für die Flüssigkeit des Lagerraums sowie für das Material der Umgebung des Lagers undurchlässig 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 elastischen 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 Verformung einer elastischen Membran des Druckausgleichselementes von ca. 1 Millimeter ausreichend sein kann, um den Druckausgleich zwischen dem Lagerraum und dem Wasser der Lagerumgebung auszugleichen. Aufgrund der nur geringen erforderlichen Verformung des elastischen Druckausgleichselementes ist es möglich, das Druckausgleichselement an oder in der Bohrung selbst zu befestigen, so dass das Lager mit dem Druckausgleichselement im wesentlichen bauraumneutral ausgelegt werden kann.
Die Dichtheit des Druckausgleichselementes sowohl für die Flüssigkeit der Lagerumgebung als auch für die Flüssigkeit des Lagerraumes stellt sicher, dass der ausgeglichene Druckunterschied, einmal eingestellt, erhalten bleibt.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass das Druckausgleichselement eine im wesentlichen ebene Membran umfasst, die sich senkrecht zu der Bohrung erstreckt. Aufgrund der nur geringen Verformung der elastischen Membran lässt sich diese innerhalb der Bohrung, beispielsweise im wesentlichen mittig zwischen den beiden Öffnungen der Bohrung, anbringen. Im Belastungsfall verformt sich die Membran im wesentlichen in Richtung der Erstreckung der Bohrung, ohne über die Öffnung der Bohrung vorzustehen, so dass sich ein im wesentlichen bauraumneutrales Lager ergibt. Die Membran kann alternativ hierzu auch an einem Ende der Bohrung, also an einer Öffnung der Bohrung, befestigt sein, ohne wesentlich über die die Öffnung berandende Fläche überzustehen.
Umfasst das Druckausgleichselement eine Membran, ist vorzugsweise vorgesehen, dass die Membran aus einem Kunststoff oder einem Metall ausgebildet ist. Die Membran ist im wesentlichen vollständig undurchlässig für Flüssigkeiten wie auch für Gase und bildet eine Trennschicht aus zwischen dem Lagerraum und der das Lager umgebenden Lagerumgebung. Als Material für die Membran kommt eine dünne, elastisch verformbare Scheibe aus einem Metall oder einem Kunststoff in Frage, wobei sowohl thermoplastische Kunststoffe wie z. B. Polystyrol (PS), weicher PVC (Polyvinylchlorid), Polymethylmethacrylat (PMMA), weiches Polyethylen (PE, z. B. Baylon), Polyamid (PA, z. B. Nylon), oder Polypropylen (PP) wie auch Elastomere, wie unter anderem Polyurethan (PUR, z. B. Vulkolan), Chlorbutadien-Kautschuk (CR, z. B. Neoprene), Fluor-Kautschuk (FPM, zu. B. Vitorn), Nitril-Butadien-Kautschuk (NBR) oder Styrol-Butadien-Kautschuk (SBR) und Chlor-Sulfat-Polyethylen (CSM, z. B. Hypalon) für die Scheibe aus Kunststoff vorgesehen sein können.
Zur Befestigung des Druckausgleichselementes mit der Membran an oder in der Bohrung ist beispielsweise vorgesehen, dass der Rand der Membran an einem Trägerring befestigt ist, und dass der Trägerring beispielsweise mittels einer Schraubverbindung oder einem Presssitz an der Wandung der Bohrung befestigt ist. Ebenfalls kann vorgesehen sein, dass der Trägerring an einer Stufe aufliegt, die Teil der gestuften Wandung der Bohrung ist, und mittels einer Klemmhülse an der Stufe festgelegt ist.
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. Die Membran des Druckausgleichselementes liegt dabei bei der Montage, vor dem Absenken des Lagers in die Tiefe, unter einer mechanischen Spannung, nach außen gewölbt, vor, während in der vorgesehenen Tiefe die Membran entspannt und im wesentlichen flach liegend ist. Druckschwankungen in der vorgesehenen Tiefe kann eine derartig entspannte Membran besser ausgleichen, als für den Fall einer ständig elastisch gespannten Membran.
Die Bohrung, an deren Ende oder innerhalb derer das Druckausgleichselement befestigt 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 befestigt 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.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt einen schematischen Schnitt eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Lagers vor der Montage, mit Luft als Umgebungsmedium,
2 zeigt einen schematischen Schnitt des Lagers aus 1 nach der Montage, mit Wasser als Umgebungsmedium, und
3 zeigt eine schematische geschnittene Ansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Lagers, nach der Montage unter Wasser.
Detaillierte Beschreibung der Zeichnung
1 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 zwischen den beiden Öffnungen der Bohrung 7, ist ein elastisches Druckausgleichselement 8 an der Wandung der Bohrung 7 befestigt, 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 elastische 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 umfasst eine Membran 10 aus einem Kunststoff, wobei die Membran 10 elastisch verformbar ist. Das Material der Membran 10 ist für die Flüssigkeit 9 des Lagerraums 6 sowie für die außerhalb des Lagers vorgesehene Flüssigkeit, in dem vorliegenden Fall Meerwasser, undurchlässig.
Die Membran 10 ist als im wesentlichen ebene, dünne Scheibe ausgebildet, an deren Rand ein Trägerring befestigt ist, wobei der Trägerring an der Wandung der Bohrung 7 befestigt ist. Der Trägerring weist hierzu ein Außengewinde auf, das in ein an der Wandung der Bohrung 7 angebrachtes Innengewinde eingeschraubt ist. Die dünne Scheibe der im wesentlichen ebenen Membran 10 ist so in der Bohrung 7 angeordnet, dass die sich die Bohrung 7 im wesentlichen senkrecht zu der Ebene der Membran erstreckt.
Das in 1 und 2 dargestellte Lager ist zur Montage unter Wasser vorgesehen.
In 1 ist das Lager vor der Montage dargestellt, mit Luft von im wesentlichen Atmosphärendruck (1 bar, ca. 1013 hPa) als Umgebungsmedium. Der Druck der Flüssigkeit 9 in dem Lagerraum 6 ist so eingestellt, dass die Membran 10 des Druckausgleichselementes 8 entspannt ist, also keine wesentliche elastische Verformung der Membran 10 auftritt, die sich senkrecht zu der Richtung der Bohrung 7 erstreckt.
In 2 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 der Membran 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. Das für Wasser wie auch für die Flüssigkeit 9 undurchlässige Druckausgleichselement 8 mit der Membran 10 verformt sich dabei, allerdings aufgrund der nur geringen Kompressibilität sowohl von Wasser als auch der Flüssigkeit 9 in dem Lagerraum 6 nur geringfügig, also um einige Millimeter. Dabei wird die elastische Membran 10 in der Bohrung 7 zu dem Lagerraum 6 hin leicht konvex verformt, verbleibt jedoch vollständig innerhalb der Bohrung 7.
Aufgrund des Druckausgleichs bleiben die Dichtungen 4, 5 mechanisch entlastet.
3 zeigt als zweites Ausführungsbeispiel ein Lager mit einem Innenring 21, einem Außenring 22 sowie einem Wälzkörper 23, wobei das Lager unter Wasser, in einer Tiefe, deren hydrostatischer Druck ca. 5 bar beträgt, angeordnet ist. Je eine Dichtung 24, 25 schließen das Lager ab und bilden einen Lagerraum 26 aus, der mit einer Flüssigkeit ausgefüllt ist, beispielsweise einem biologisch abbaubaren Schmieröl.
In jeder der beiden Dichtungen 24, 25 sind Membranen vorgesehen, deren eine mit dem Bezugszeichen ,30' ausgewiesen ist. Die Membran 30 weist in Draufsicht einen kreisförmigen Umriß auf und ist in einer Bohrung randseitig befestigt, wobei die Bohrung eine metallische Einlage der Dichtung 24 durchsetzt. Entlang des Umfangs der Dichtungen 24, 25 sind mehrere Bohrungen vorgesehen, deren jede mit jeweils einer Membran bedeckt ist. Die Membran 30 ist Teil eines Druckausgleichselementes 28, das bewirkt, dass der Druck in dem Lagerraum 26 dem Druck in der Umgebung des Lagers entspricht. Zum Druckausgleich verformt sich die Membran, in dem dargestellten Ausführungsbeispiel nach innen, auf den Wälzkörper 23 in dem Lagerraum 26 hin. Aufgrund des Druckausgleichs liegt eine Dichtlippe 31 der Dichtung 24 mit einem nur geringen Anpressdruck an der Wandung des Innenrings 21 an, so dass die Dichtlippe 31 bei der Drehung des Lagers nicht wesentlich verschleißt und die Lebensdauer des Lagers insgesamt verbessert ist.
Die Membran 30 umfasst dabei einen im wesentlichen kreisförmigen Zuschnitt aus einem elastischen Kunststoff, an dessen kreisförmigen Rand ein metallischer Kreisring befestigt ist, wobei der metallische Kreisring in der Bohrung an der metallischen Einlage der Dichtung 24 für Flüssigkeiten und Gase dicht festgelegt ist.
Bezugszeichenliste

1: Innenring
2: Außenring
3: Wälzkörper
4: Dichtung
5: Dichtung
6: Lagerraum
7: Bohrung
8: Druckausgleichselement
9: Flüssigkeit
10: Membran
21: Innenring
22: Außenring
23: Wälzkörper
24: Dichtung
25: Dichtung
26: Lagerraum
28: Druckausgleichselement
30: Membran

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102007038604 A1 [0008]
DE 20213600 U1 [0009]
DE 19935014 B4 [0010]

Claims

Lager, insbesondere zur Verwendung in einer flüssigen Umgebung, speziell zur Verwendung unter Wasser, umfassend einen zwischen einer Dichtung (4, 5; 24, 25) und einem Lagerring (1, 2; 21, 22) abgeschlossenen Lagerraum (6; 26), sowie eine Bohrung (7) mit einem die Bohrung (7) verschließenden elastischen Druckausgleichselement (8; 28), dadurch gekennzeichnet, dass der Lagerraum (6; 26) mit einer Flüssigkeit (9) gefüllt ist, und dass das Druckausgleichselement (8; 28) für die Flüssigkeit (9) des Lagerraums (6; 26) sowie für das Material der Umgebung des Lagers undurchlässig ist.
Lager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Druckausgleichselement (8; 28) eine im wesentlichen ebene Membran (10; 30) umfasst, die sich senkrecht zu der Bohrung (7) erstreckt.
Lager nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (10; 30) aus einem Kunststoff oder einem Metall ausgebildet ist.
Lager nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeit (9) in dem Lagerraum (6; 26) ein Schmieröl, insbesondere ein biologisch abbaubares Schmieröl, umfasst.
Lager nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Bohrung (7) in dem Lagerring (2) angeordnet ist.
Lager nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Bohrung in der Dichtung (24, 25) angeordnet ist.