DE102011005761A1

DE102011005761A1 - Lageranordnung mit einem Fanglager

Info

Publication number: DE102011005761A1
Application number: DE102011005761A
Authority: DE
Inventors: Michael Pausch; Wolfgang May; Hermann Golbach; Peter Siebke; Horst Masuch
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2011-03-18
Filing date: 2011-03-18
Publication date: 2012-09-20
Also published as: US20140072254A1; CA2827785A1; WO2012126743A1; CN103429919A; RU2013146514A; BR112013022260A2

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Lageranordnung zur Lagerung einer Welle an einer Anschlusskonstruktion, umfassend ein Gehäuse (1), ein die Welle lagerndes Lager, und ein Fanglager, wobei das Fanglager einen Lagerring umfasst, der das Gehäuse (1) kontaktiert. Die Aufgabe, eine Lageranordnung mit einem Fanglager anzugeben, bei der die im Lastfall auftretenden Kräfte in dem Fanglager besser aufgefangen werden können, wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass in dem Gehäuse (1) ein sich im wesentlichen in Umfangsrichtung erstreckender, als Durchbrechung ausgebildeter Schlitz (9) vorgesehen ist.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Lageranordnung zur Lagerung einer Welle an einer Anschlusskonstruktion, wobei die Lageranordnung ein Fanglager umfasst, nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.
Aus der Praxis ist eine Lageranordnung zur Lagerung einer Welle an einer Anschlusskonstruktion ist der Einsatz eines Fanglagers bekannt, wobei das Fanglager einen Lagerring umfasst, wobei der Lagerring des Fanglagers bei normaler Funktion des Lagers einen Fanglagerspalt mit der Welle ausbildet, und in einem Lastfall, nämlich bei Ausfall des Lagers, die Welle kontaktiert. Ein Gehäuse mit dem Lager und dem Fanglager ist dann in der Bohrung einer Lageraufnahme an einer Anschlusskonstruktion befestigt. Versagt das Lager, beispielsweise ein Magnetlager, tritt also der Lastfall ein, berührt der Lagerring des Fanglagers, der im normalen Betrieb des Lagers den Fanglagerspalt zu der Welle einhält, die schnelldrehende Welle, wobei in dem Fanglager hohe Kräfte auftreten, die sich auf einen nur geringen Abschnitt des Umfangs des Lagerrings des Fanglagers konzentrieren. In diesem Bereich können Wälzkörper bzw. die Laufbahn des Lagerrings des Fanglagers beschädigt werden.
EP 1 395 759 B1 beschreibt eine Lageranordnung zur Lagerung einer Welle an einem Gehäuse, umfassend ein die Welle lagerndes magnetisches Lager und ein Fanglager, wobei der Lagerring des Fanglagers im normalen Betrieb des magnetischen Lagers zu der Welle einen Fanglagerspalt einhält. Fällt das magnetische Lager aus, fällt die Welle in einen Innenring des Fanglagers. Um hohe axiale und radiale Kräfte zu vermeiden, ist an dem Gehäuse ein erstes Zwischenelement und an einem Außenring des Fanglagers ein zweites Zwischenelement befestigt, wobei das zweite Zwischenelement eine radiale Nut aufweist, in die ein radialer Vorsprung an dem ersten Zwischenelement eingreift. Zwischen dem Vorsprung und der Nut sind Dämpfungselemente vorgesehen, die eine Kraftübertragung von dem Fanglager zu dem steifen Gehäuse unterdrücken sollen.
Aufgabe der Erfindung
Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine Lageranordnung mit einem Fanglager anzugeben, bei der die im Lastfall auftretenden Kräfte in dem Fanglager besser aufgefangen werden können.
Zusammenfassung der Erfindung
Diese Aufgabe wird für die eingangs genannte Lageranordnung erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass in dem Gehäuse ein sich im wesentlichen in Umfangsrichtung erstreckender, als Durchbrechung ausgebildeter Schlitz vorgesehen ist.
Die Durchbrechung erstreckt sich im wesentlichen in Umfangsrichtung, so dass ein gekrümmter Schlitz ausgebildet wird. Die Durchbrechung ist beispielsweise im wesentlichen parallel zu der Achse des Lagers zwischen axial beabstandeten Stirnflächen des Gehäuses geführt.
Die Durchbrechung bewirkt eine Materialschwächung, so dass die in das Fanglager fallende Welle ein elastisches Nachgeben des Materials des Gehäuses zwischen der Durchbrechung des gekrümmten Schlitzes und dem Lagerring des Fanglagers bewirkt. Der in das Gehäuse fallende Lagerring des Fanglagers wird dabei im Lastfall lokal, im Bereich des Schlitzes, elastisch abgefedert aufgefangen. Insbesondere vergrößert sich derjenige Flächenabschnitt in Umfangsrichtung des Lagerrings des Fanglagers, der das Gewicht der Welle aufnimmt, so dass sich das Gewicht der in das Fanglager fallenden Welle auf einen vergrößerten Flächenbereich des Lagerrings des Fanglagers verteilt, wodurch lokalisierte Spitzenbelastungen des Fanglagers unterdrückt werden. Die sich nur abschnittsweise in Umfangsrichtung erstreckende Durchbrechung setzt insbesondere die Starrheit der Lageranordnung gezielt herab.
Durch das elastische Nachgeben des Materials des Gehäuses zwischen der Durchbrechung und der Welle im Lastfall lässt sich weiter ein sogenannter backward whirl unterdrücken, also ein Wandern der Welle entlang des der Welle zugewandten Lagerrings des Fanglagers, bei dem die Welle mit hoher Drehgeschwindigkeit die innere Mantelfläche des inneren Lagerrings des Fanglagers entlangläuft. Bei dem Entlanglaufen erfährt der der Welle zugekehrte Lagerring des Fanglagers eine hohe Beschleunigung, so dass in dem Fanglager hohe Kräfte sowie eine Schlupf auftreten kann, was jeweils das Fanglager beschädigen könnte.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Durchbrechung des Schlitzes durch Drahterosion, Laserstrahlschneiden oder Wasserstrahlschneiden hergestellt ist, so dass sich die Durchbrechung als sich linienhaft erstreckende Durchbrechung von nur geringer Spaltbreite ausbilden lässt. Die Spaltbreite des Schlitzes beträgt dabei typischerweise weniger als ca. 2,0 Millimeter, beispielsweise nur ca. 0,25 Millimeter, und entspricht im wesentlichen dem Betrag der Einfederung des Fanglagers mit der Welle in dem Gehäuse im Lastfall.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass das Fanglager eine Lastrichtung aufweist, und dass sich die Durchbrechung im wesentlichen symmetrisch zu der Lastrichtung erstreckt. Die Lastrichtung entspricht beispielsweise der Richtung der Schwerkraft. Sind zwei oder mehr Lastrichtungen anzunehmen, kann mehr als eine Durchbrechung vorgesehen sein, insbesondere jeweils eine Durchbrechung für jede Lastrichtung, wobei die Durchbrechungen entlang des Umfangs sowie radial, bezogen auf die Drehachse der Welle, versetzt angeordnet sind.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die abschnittsweise vorgesehene Durchbrechung sich über einen Umfangswinkel von ca. 50° bis ca. 180°, insbesondere ca. 120°, erstreckt. Aufgrund des größeren Umfangswinkels verteilt sich im Lastfall die Kraft auf mehrere Wälzkörper bzw. einen größeren Umfangsabschnitt des Lagerrings des Fanglagers, wobei besonders hohe anzunehmende Kräfte des Lastfalls von einer sich über einen großen Umfangswinkel erstreckende Durchbrechung aufgenommen werden.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Durchbrechung einen im wesentlichen konstanten Abstand von einer Drehachse des Lagerrings des Fanglagers aufweist, wobei die Durchbrechung als Kreisbogen ausgebildet ist. Es versteht sich aber, dass auch andere Verläufe der Durchbrechung in Umfangsrichtung vorgesehen sein können, so dass die Durchbrechung bei einer Draufsicht auf die Lageranordnung in Richtung der Drehachse der Welle beispielsweise als Polygonzug oder als Sinus-Welle ausgebildet sein kann.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass in einem Überlastfall die Wandungen der Durchbrechung einander anliegen. Dabei wird die maximal mögliche elastische Verformung ausgenutzt, gleichzeitig aber eine schädigende plastische Verformung des Gehäuses vermieden. Unter einem Überlastfall ist dabei in Lastfall zu verstehen, bei dem eine außergewöhnlich hohe Stoßüberhöhung auftritt.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass eine Spaltbreite der Durchbrechung des Schlitzes zu mindestens einem Endabschnitt der Durchbrechung hin zunimmt. Durch die Zunahme der Spaltbreite des Schlitzes wird ein Auftreten von Kerbspannungen an den Enden des Schlitzes unterdrückt, die im Lastfall das Gehäuse beschädigen könnten.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Durchbrechung an mindestens einem Endabschnitt fort von der Welle gekrümmt ist. Die Krümmung des Schlitzes bewirkt ebenfalls eine Unterdrückung von Kerbspannungen im Lastfall.
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 eine Draufsicht auf ein Gehäuse, das Teil eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Lageranordnung ist,
2 zeigt ausschnittsweise eine geschnittene Ansicht des Gehäuses aus 1, entlang der Schnittlinie ‚A-A’ in 1, und
3 zeigt den Ausschnitt ‚A’ aus 2 in vergrößerter Darstellung.
Detaillierte Beschreibung der Zeichnung
1 zeigt eine Draufsicht auf ein Gehäuse 1, das Teil einer Lageranordnung zur drehbaren Lagerung einer nicht dargestellten Welle an einer nicht dargestellten Anschlusskonstruktion ist. Dabei wird eine Außenfläche des Gehäuses 1 in einer Bohrung einer Lageraufnahme befestigt. Die Welle ist gegenüber dem Gehäuse 1 sowie der Anschlusskonstruktion mittels eines Lagers, insbesondere mittels eines nicht dargestellten Magnetlagers, drehbar gelagert.
Die Lageranordnung umfasst weiter ein nicht dargestelltes Fanglager, das als Wälzlager ausgebildet ist, dessen Innenring an der Welle befestigt ist und dessen Außenring einen Fanglagerspalt zu einer Innenfläche des Gehäuses 1 einhält, so lange die Lagerung der Welle durch das Magnetlager sichergestellt ist. Fällt das Magnetlager aus, tritt also der Lastfall ein, fällt die Welle unter ihrem Gewicht in das Fanglager, so dass das Fanglager mit dem Außenring auf eine Innenfläche 15 des Gehäuses 1 (2, 3) gedrückt wird, das in diesem Fall die Welle zumindest kurzzeitig abstützt.
Das im wesentlichen drehrunde Gehäuse 1 weist einen hinteren Abschnitt 2 auf, der unterhalb der Papierebene angeordnet ist, wobei in dem hinteren Abschnitt 2 eine umlaufende Abfolge von Sackbohrungen vorgesehen ist, deren eine mit dem Bezugszeichen ‚3’ versehen ist. In den Sackbohrungen 3 sind Federn befestigt, die den Außenring des Fanglagers in axial, also in einer Richtung senkrecht zu der Papierebene, beaufschlagen, so dass das Fanglager, das als zweireihiges Schrägkugellager mit gemeinsamen Innenring für beide Laufbahnen der kugelförmigen Wälzkörper ausgebildet ist, mechanisch vorgespannt ist. Das Gehäuse 1 weist einen vorderen, oberhalb der Papierebene befindlichen Abschnitt 4 auf, in dem eine ebenfalls umlaufende Abfolge von Bohrungen vorgesehen ist, deren eine mit dem Bezugszeichen ‚5’ ausgewiesen ist, wobei die Bohrungen 5 zur Befestigung eines Deckels ausgebildet sind. Im Bereich des vorderen Abschnitts 4 ist weiter eine umlaufende Abfolge von Lüftungsbohrungen vorgesehen, deren eine mit dem Bezugszeichen ‚6’ ausgewiesen ist, sowie von Befestigungsbohrungen zur Befestigung des Gehäuses 1 an der Anschlusskonstruktion, wobei eine der Befestigungsbohrungen mit dem Bezugszeichen ‚7’ ausgewiesen ist.
Die umlaufende Abfolge der Bohrungen 5, der Lüftungsbohrungen 6, der Befestigungsbohrungen 7 des vorderen Abschnitts 4 sowie der Sackbohrungen 3 des hinteren Abschnitts 2 des Gehäuses 1 ist jeweils konzentrisch zu einer Symmetrieachse 8 ausgerichtet, wobei die Symmetrieachse 8 der Drehachse der Welle bei normalen, ungestörten Betrieb des Magnetlagers sowie der Drehachse des Fanglagers entspricht.
In dem Korpus des Gehäuses 1 ist ein Schlitz 9 vorgesehen, der sich in Umfangsrichtung des drehrunden Gehäuses 1 nur abschnittsweise erstreckt und als Durchbrechung ausgebildet ist, wobei die Durchbrechung parallel zu der Achse 8, also auch parallel zu der Drehachse des Magnetlagers bzw. des Fanglagers und damit senkrecht zu der Papierebene in 1 geführt ist.
Der Schlitz 9 erstreckt sich über einen Drittelkreis, also über einen Umfangswinkel von 120°, wobei die Durchbrechung des Schlitzes 9 durch Drahterosion (alternativ hierzu beispielsweise durch Laserstrahlschneiden oder Wasserstrahlschneiden) hergestellt ist. Der Umfangswinkel des Schlitzes 9 könnte auch andere Werte annehmen, beispielsweise einen Wert zwischen ca. 50° und ca. 180°.
Der Schlitz 9 weist zwei Endabschnitte 10, 11 auf, zu denen hin eine Spaltbreite der Durchbrechung, also des Abstandes der gegenüberliegenden Seiten der Durchbrechung, zunimmt. Die Spaltbreite des Schlitzes 9 beträgt über eine Länge von ca. 95% der Erstreckung in Umfangsrichtung ca. 0,2 Millimeter und nimmt zu den Endabschnitten 10, 11 deutlich zu. Aufgrund der nur geringen Spaltbreite von ca. 0,2 Millimetern liegen in einem Überlastfall, also einem Lastfall mit einer sehr hohen Stoßüberhöhung, die Wandungen der Durchbrechung des Schlitzes 9 aneinander an und damit der Schlitz 9 auf Block. Bei der Herstellung der Durchbrechung des Schlitzes 9 beispielsweise mittels Drahterosion wird der erodierende Strahl an den Endabschnitten 10, 11 in einem Bogen zu dem bereits erzeugten Schlitzabschnitt zurückgeführt, so dass ein annähernd zylindrisches Materialstück mit einem im wesentlichen tropfenförmigen Querschnittsprofil aus dem Korpus des Gehäuses 1 herausgetrennt wird. Es versteht sich, dass einer der beiden Endabschnitte 10, 11 als Einführbohrung für den Draht bereitgestellt sein kann, beispielsweise als Bohrung, in die der Erodierdraht eingeführt wird. Es versteht sich weiter, dass der Draht bei der Durchführung der Drahterosion nur unvollständig zurückgeführt sein kann, so dass sich ein von der Achse 8 fort weisendes, gekrümmtes, an den Endabschnitten nur wenig verbreiternder Spalt ergibt.
Die Durchbrechung des Schlitzes 9 ist innerhalb einer Vertiefung 12 ausgebildet, so dass der Materialabtrag bei der Ausbildung der Durchbrechung vermindet wird.
Die Lageranordnung mit dem Fanglager und dem Gehäuse 1 weist eine bevorzugte Lastrichtung auf, die durch die Richtung der auf die Welle wirkenden Schwerkraft gegeben ist und in der Darstellung von 1 in Richtung der Schnittlinie A-A in Pfeilrichtung 13 wirkt. Bezogen auf diese Lastrichtung 13 ist der Schlitz 9 mit der Durchbrechung symmetrisch ausgebildet.
Die Durchbrechung des Schlitzes 9 weist einen konstanten Abstand von der Drehachse 8 des Lagerrings des Fanglagers im normalen Betrieb des Magnetlagers auf, so dass der Schlitz 9 mit der Durchbrechung als Kreisbogen ausgebildet ist.
2 und 3 zeigen jeweils das Gehäuse 1 aus 1 ausschnittsweise in einer entlang der Linie A-A geschnittenen Ansicht. Die Durchbrechung des Schlitzes 9 ist von dem Boden 14 der Vertiefung 12 zu einem Boden einer Vertiefung auf der bezogen auf die Achse 8 axial gegenüberliegenden Seite des Gehäuses 1 ausgeführt und ist parallel zu der Achse 8 sowie senkrecht zu der Lastrichtung 13 geführt.
Bei dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel lagen in einem Überlastfall die bezogen auf die Achse 8 gegenüberliegenden Wandungen der Durchbrechung des Schlitzes 9 aneinander an. Es versteht sich, dass in der Durchbrechung ein Füllmaterial vorgesehen sein kann, beispielsweise eine biegsame Folie, die die Spaltbreite des Schlitzes reduziert oder den Zwischenraum zwischen den gegenüberliegenden Wandungen ausfüllt, oder ein Fluid, das den Spalt des Schlitzes ausfüllt, wobei das Füllmaterial die im Lastfall auftretetenden Kräfte aufnimmt.
Bei dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel wurde angenommen, dass der Fanglagerspalt zwischen dem Außenring des Wälzlagers und der Innenfläche des Gehäuses 1 im wesentlichen frei ist. Es versteht sich, dass zwischen dem Lagerring des Fanglagers und dem Gehäuse 1 eine Wellfeder angeordnet sein kann, die die im Lastfall auftretenden Kräfte zumindest teilweise aufnimmt und über einen größeren Flächenabschnitt des Gehäuses verteilt.
Bei dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel war die Durchbrechung des Schlitzes 9 als auch in den Endabschnitten 10, 11 vorgesehener Kreisbogen ausgebildet. Es versteht sich, dass der Schlitz in den Endabschnitten 10, 11 eine von der Welle bzw. der Achse 8 fort weisende Krümmung aufweisen und insoweit von der Kreisbogenkontur abweichen kann.
Abweichend von dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel kann der Schlitz auch eine von dem Kreisbogen abweichenden Verlauf in Umfangsrichtung des Gehäuses 1 aufweisen, beispielsweise kann der Abstand zu der Achse 8 in Umfangsrichtung periodisch variieren, so dass der Schlitz einen beispielsweise sinusförmigen Verlauf aufweist. Wiederum alternativ zu einem periodischen Verlauf in Umfangsrichtung kann der Schlitz als Polygonzug aufgebildet sein.
Bezugszeichenliste

1: Gehäuse
2: hinterer Abschnitt des Gehäuses 1
3: Sackbohrung
4: vorderer Abschnitt des Gehäuses 1
5: Bohrung
6: Lüftungsbohrung
7: Befestigungsbohrung
8: Achse
9: Schlitz
10: Endabschnitt
11: Endabschnitt
12: Vertiefung
13: Lastrichtung (Pfeil)
14: Boden
15: Innenfläche des Gehäuses 1

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 1395759 B1 [0003]

Claims

Lageranordnung zur Lagerung einer Welle an einer Anschlusskonstruktion, umfassend ein Gehäuse (1), ein die Welle lagerndes Lager, und ein Fanglager, wobei das Fanglager einen Lagerring umfasst, der das Gehäuse (1) kontaktiert, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Gehäuse (1) ein sich im wesentlichen in Umfangsrichtung erstreckender, als Durchbrechung ausgebildeter Schlitz (9) vorgesehen ist.
Lageranordnung, dadurch gekennzeichnet, dass das Fanglager eine Lastrichtung aufweist, und dass sich die Durchbrechung des Schlitzes (9) im wesentlichen symmetrisch zu der Lastrichtung (13) erstreckt.
Lageranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Schlitz (9) sich über einen Umfangswinkel von ca. 50° bis ca. 180°, insbesondere ca. 120°, erstreckt.
Lageranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchbrechung einen im wesentlichen konstanten Abstand von einer Drehachse (8) des Lagerrings des Fanglagers aufweist, wobei die Durchbrechung als Kreisbogen ausgebildet ist.
Lageranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Überlastfall die Wandungen der Durchbrechung einander anliegen.
Lageranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Spaltbreite der Durchbrechung des Schlitzes (9) zu mindestens einem Endabschnitt (10, 11) der Durchbrechung hin zunimmt.
Lageranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchbrechung an Endabschnitten fort von der Welle gekrümmt ist.
Lageranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchbrechung des Schlitzes (9) durch Drahterosion, Laserstrahlschneiden oder Wasserstrahlschneiden hergestellt ist.
Lageranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Lagerring des Fanglagers und dem Gehäuse (1) eine Wellfeder angeordnet ist.