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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft eine ein Fanglager aufweisende Lageranordnung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ein Fanglager ist allgemein dazu vorgesehen, bei Ausfall einer insbesondere als Magnetlagerung ausgebildeten Hauptlagerung in Funktion zu treten.
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Hintergrund der Erfindung
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Eine gattungsgemäße Lageranordnung mit einem Fanglager ist aus der
DE 10 2011 005 761 A1 bekannt. Eine gezielte Nachgiebigkeit des Fanglagers in radialer Richtung, bezogen auf die Rotationsachse einer gelagerten Welle, wird in diesem Fall dadurch hergestellt, dass ein das Fanglager aufnehmendes Gehäuse einen Schlitz in Umfangsrichtung eines Lagerrings des Fanglagers aufweist. Der Schlitz erstreckt sich beispielsweise über einen Umfangswinkel von 50° bis 180° und hat eine Breite von ca. 0,2 mm. Fällt ein in bestimmungsgemäßen Betrieb zur Lagerung der Welle vorgesehenes Lager, insbesondere Magnetlager, aus, so wird die Welle durch das Fanglager aufgefangen, wobei eine auf das Fanglager sowie das Gehäuse einwirkende Lastspitze auftritt und die Wandungen des einen Federweg von ca. 0,2 mm bereitstellenden Schlitzes auf Block gehen können.
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Ein weiteres Fanglager für eine Magnetlagerung ist aus der
DE 10 2010 035 183 A1 bekannt. Ein Außenring dieses Fanglagers ist von einem Dämpfungsring umgeben, welcher auf seiner Mantelfläche regelmäßig angeordnete Ausnehmungen aufweist. Ein solches Fanglager ist beispielsweise für die Verwendung bei elektrischen Maschinen oder Turboladern vorgesehen.
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Zur Dämpfung eines Lagerrings sind außer mechanischen Dämpfungselementen grundsätzlich auch hydraulische Dämpfungsvorrichtungen bekannt. Ein Beispiel hierfür ist in der Patentschrift
DE 10 2006 026 123 B4 offenbart, welche ein Verfahren zum Dämpfen von Bewegungen eines Rotors radial zur Rotorachse betrifft. Ein um die Rotorachse herum verlaufender Ringspalt ist hierbei mit einem viskosen Medium gefüllt, welches in Abhängigkeit vom Betriebszustand des Rotors mit unterschiedlichen Drücken beaufschlagt wird.
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Aufgabe der Erfindung
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Lageranordnung mit einem Fanglager anzugeben, welches besonders gut auf die bei Ausfall einer Hauptlagerung auftretenden Lastzustände angepasst ist.
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Beschreibung der Erfindung
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine ein Fanglager umfassende Lageranordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
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Die Lageranordnung weist ein bei Ausfall einer Hauptlagerung in Funktion tretendes Fanglager auf, welches einen in einer Gehäusekonstruktion nachgiebig angeordneten Außenring umfasst. Das Fanglager ist vorzugsweise als Radiallager ausgebildet oder zumindest im Wesentlichen als Radiallager wirksam, wobei die radiale Steifigkeit, definiert als Kehrwert der radialen Nachgiebigkeit, winkelabhängig ist. Es existieren mehr als zwei Winkel (innerhalb von 360°, bezogen auf den Umfang des Außenrings), bei welchen die Nachgiebigkeit des Außenrings einen zumindest lokalen Extremwert, also ein Minimum oder ein Maximum, aufweist. Grundsätzlich kann das Fanglager auch als Axiallager ausgebildet sein, wobei in diesem Fall derjenige Lagerring, der in der Gehäusekonstruktion angeordnet ist, als Außenring bezeichnet wird. In bevorzugten Ausführungsformen ist das Fanglager sowohl zur Aufnahme von Radialkräften als auch zur Aufnahme von Axialkräften geeignet. Vorzugsweise handelt es sich bei dem Fanglager um ein Wälzlager, beispielsweise ein zweireihiges Schrägkugellager. Ebenso sind auch Gleitlager oder kombinierte Wälz-Gleitlager als Fanglager innerhalb der Lageranordnung geeignet. Sofern das Fanglager als Wälzlager ausgebildet ist, sind dessen Wälzkörper, insbesondere Kugeln, vorzugsweise ohne Käfig zwischen den Lagerringen angeordnet.
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Die Erfindung geht von der Überlegung aus, dass das Auffangen einer Welle mittels eines Fanglagers eine Schwingungsanregung darstellt. Nachdem der Betriebszustand beim Ausfall der Hauptlagerung, welcher die Funktionsübernahme durch das Fanglager auslöst, nicht determinierbar ist, sind auch weder Anregungsfrequenzen noch Schwingungsantworten der Lageranordnung präzise prognostizierbar. Insbesondere sind nicht exakt diejenigen Bereiche von Betriebsparametern bestimmbar, in welchen bei der Funktionsübernahme durch das Fanglager ein sogenanntes Wirbeln auftreten kann. Unter einem Wirbeln wird hierbei ein Zustand mit umlaufendem lokalem Wellenschwerpunkt verstanden. Im Spezialfall des Rückwärtswirbeln laufen Lagerbauteile gegen die Rotationsrichtung der Welle in einem Umgebungsbauteil um.
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Es hat sich gezeigt, dass das Wirbeln besonders gut mit einer gedämpften Lageranordnung vermeidbar ist, bei welcher weder eine gleichmäßige Dämpfungswirkung am Umfang gegeben ist, wie etwa nach der
DE 10 2010 035 183 A1 , noch ein einziger, begrenzter Winkelbereich am Lagerumfang nachgiebig gestaltet ist, wie prinzipiell aus der
DE 10 2011 005 761 A1 bekannt.
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Vielmehr wird gemäß der Erfindung eine überraschend gute Dämpfung von Schwingungen dadurch erzielt, dass die radiale Steifigkeit am Umfang des Lagers mehrfach zu- und/oder abnimmt. In bevorzugter Ausgestaltung weist eine von einer Anregungsfrequenz und/oder Anregungsrichtung abhängige, am Außenring des Fanglagers gemessene Schwingungsamplitude mindestens zwei Maxima auf. Rechnerisch existieren am Umfang des Fanglagers unterschiedliche, winkelabhängige Resonanzfrequenzen, die dafür sorgen, dass letztlich bei keiner einzigen Anregungsfrequenz, die auf das Fanglager wirkt, eine stark ausgeprägte Resonanz entstehen kann.
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Was die winkelabhängige Nachgiebigkeit des Fanglagers, d. h. die auf die einwirkende Radialkraft bezogene Auslenkbarkeit des Außenrings des Fanglagers in radialer Richtung, betrifft, sind gemäß einer möglichen Ausgestaltung zwei Minima und zwei Maxima innerhalb von 360° gegeben. Diese beiden Minima und Maxima der Nachgiebigkeit und damit auch der radialen Steifigkeit des Fanglagers am Umfang können jeweils gleich hoch sein. Dies ist beispielsweise dadurch erreichbar, dass der Außenring an zwei einander gegenüberliegenden Abschnitten an einer Gehäusekonstruktion starr oder nahezu starr abgestützt ist, während in den übrigen, dazwischenliegenden Umfangsabschnitten keine oder lediglich eine weichere Abstützung des Außenrings gegeben ist.
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Gemäß einer alternativen Ausführungsform sind am Umfang des Außenrings jeweils drei Minima und Maxima der radialen Nachgiebigkeit gegeben. Unabhängig von der Anzahl der lokalen Minima und Maxima der Nachgiebigkeit des Außenrings des Fanglagers an dessen Umfang sind unterschiedliche Umfangsabschnitte, an welchen die radiale Steifigkeit gezielt erhöht bzw. herabgesetzt ist, bevorzugt unsymmetrisch am Umfang des Fanglagers verteilt. Hierdurch wird in besonders effektiver Weise Resonanzen beim Auffangen der Welle durch das Fanglager entgegengewirkt. In unterschiedlichen Umfangsbereichen kann die radiale Steifigkeit des Fanglagers stufenweise variieren, wobei beispielsweise zwei oder drei unterschiedliche Federkonstanten, jeweils in radialer Richtung gemessen, vorgesehen sein können. Ebenso sind Ausführungsformen realisierbar, bei welchen sich die radiale Steifigkeit des Fanglagers kontinuierlich am Umfang ändert.
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Die winkelabhängige radiale Steifigkeit des Fanglagers kann beispielsweise dadurch realisiert sein, dass zwischen dem Außenring und der Gehäusekonstruktion ein Wellband angeordnet ist, welches den Außenring mit winkelabhängiger Nachgiebigkeit gegenüber der Gehäusekonstruktion abstützt.
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Eine weitere Möglichkeit, die Steifigkeit des Außenrings winkelabhängig zu gestalten, liegt – auch ohne Verwendung eines rein als Feder- und/oder Dämpfungselement wirkenden Bauteils – in der Verwendung eines Außenrings mit nicht einheitlicher Wandstärke. Ein solcher Außenring liegt vorzugsweise nur an einigen Punkten oder Umfangsabschnitten an der Gehäusekonstruktion an, während die übrigen Umfangsabschnitte eine Einfederung des Fanglagers in radialer Richtung ermöglichen.
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Bei einem als Kugellager, insbesondere Schrägkugellager, ausgebildeten Fanglager, kann zumindest eine der Größen Druckwinkel und Schmiegung winkelabhängig sein, um die gewünschte Winkelabhängigkeit der radialen Steifigkeit zu erzielen. Diese Maßnahme ist mit den vorstehend erläuterten Gestaltungsmöglichkeiten, wie der Variation der Wandstärke des Außenrings oder der Anbringung von federnden sowie dämpfenden Elementen, beispielsweise Wellbandabschnitten, kombinierbar.
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Eine Lageranordnung, welche eine Magnetlagerung als Hauptlagerung aufweist, kann in vorteilhafter Weise mit mehreren, zum Auffangen derselben Welle vorgesehenen Fanglagern ausgerüstet sein, deren Feder- und Dämpfungseigenschaften sich voneinander unterscheiden. Hierbei kann ein erstes Fanglager Resonanzfrequenzen aufweisen, welche von Resonanzfrequenzen eines zweiten Fanglagers verschieden sind, wobei sich die Anzahl der Resonanzfrequenzen des ersten Fanglagers von der Anzahl der Resonanzfrequenzen des zweiten Fanglagers unterscheiden kann.
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Die Winkel, bei welchen eines der Fanglager Extremwerte der Nachgiebigkeit, insbesondere in radialer Richtung, aufweist, unterscheiden sich in vorteilhafter Ausgestaltung von den Winkeln, bei denen ein weiteres Fanglager Extremwerte der Nachgiebigkeit aufweist. Im einfachsten Fall ist dies erreichbar, indem zwei gleichartige Fanglager in zueinander verdrehter Winkellage eingebaut werden. Vorzugsweise werden jedoch Fanglager unterschiedlicher Bauart, wobei Unterschiede sowohl hinsichtlich der mittleren Steifigkeit der Lagerungen als auch hinsichtlich der Winkelverteilung nachgiebigerer und steiferer Bereiche am Umfang der einzelnen Fanglager gegeben sind, zur Abstützung an verschiedenen Stellen der Welle verwendet.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Nachfolgend werden mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen, teilweise schematisiert:
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1 in einem Diagramm die Winkelabhängigkeit der radialen Steifigkeit eines Fanglagers,
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2 eine erste Ausführungsform eines gedämpften Fanglagers,
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3 eine zweite Ausführungsform eines gedämpften Fanglagers,
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4 eine dritte Ausführungsform eines gedämpften Fanglagers,
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5 eine vierte Ausführungsform eines gedämpften Fanglagers,
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6 eine fünfte Ausführungsform eines gedämpften Fanglagers,
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7 in einem Diagramm die Abhängigkeit einer Schwingungsamplitude eines erfindungsgemäßen Fanglagers von einer auf das Fanglager einwirkenden Anregungsfrequenz, verglichen mit dem Resonanzverhalten einer herkömmlichen Lageranordnung,
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8 einen ersten Querschnitt eines Fanglagers mit winkelabhängiger Lagergeometrie,
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9 einen zweiten Querschnitt eines Fanglagers mit winkelabhängiger Lagergeometrie,
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10 einen dritten Querschnitt eines Fanglagers mit winkelabhängiger Lagergeometrie,
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11 eine Lageranordnung mit Magnetlagerung als Hauptlagerung sowie mehreren, unterschiedlichen Fanglagern.
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Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
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Im Diagramm nach 1 ist eine mögliche Winkelabhängigkeit der radialen Steifigkeit S eines nach der Erfindung gestalteten Fanglagers dargestellt. Die dargestellte Kurve, welche die Form einer harmonischen Schwingung aufweist, deckt einen Winkel φ von 0° bis 360°, d.h. den vollen Umfang des Fanglagers, ab. Durch Maßnahmen, welche im Folgenden noch beispielhaft erläutert werden, ist dafür gesorgt, dass die radiale Steifigkeit S, bezogen auf den vollen Umfang des Fanglagers, zwei Minima und zwei Maxima aufweist, wobei im dargestellten Fall die beiden Minima und die beiden Maxima jeweils gleich hoch und jeder Extremwert vom nächsten Extremwert um 90° beabstandet ist. Die Variation der Steifigkeit S des Außenrings des Fanglagers an dessen Umfang ist beispielsweise allein durch die Form des Außenrings bewerkstelligt. Hierbei kann beispielsweise ein Fanglager-Außenring uneinheitlicher Wandstärke in eine zylindrische Bohrung eines das Fanglager aufnehmenden Gehäuses eingesetzt sein.
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Das Fanglager, dessen radiale Steifigkeit S in der 1 illustriert ist, kann grundsätzlich als Gleitlager, als Wälzlager, oder als Gleit-Wälzlager gestaltet sein. Im Fall der Gestaltung als Wälzlager kann es sich beispielsweise um ein Rollenlager oder um ein Kugellager handeln. Im letztgenannten Fall ist das Wälzlager vorzugsweise als zweireihiges Schrägkugellager, insbesondere in X-Anordnung oder in O-Anordnung, ausgebildet. Die Uneinheitlichkeit der Nachgiebigkeit am Umfang des Fanglagers kann zumindest teilweise auf einen winkelabhängigen Druckwinkel, eine winkelabhängige Schmiegung zwischen den Wälzkörpern und Laufbahnen, oder auf einer Kombination von winkelabhängigem Druckwinkel und winkelabhängiger Schmiegung beruhen, wie anhand der 8 bis 10 noch näher erläutert werden wird. Alternativ oder zusätzlich können außerhalb des Außenrings des Fanglagers innerhalb der das Fanglager umfassenden Lageranordnung federnde und/oder dämpfende Elemente angeordnet sein. In allen Ausführungsformen unterscheidet sich das Maximum der radialen Nachgiebigkeit des Fanglagers vorzugsweise um mindestens 5%, beispielsweise um mindestens 10%, um mindestens 25% oder um mindestens 50%, vom Minimum der Nachgiebigkeit.
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Das Ausführungsbeispiel nach 2 zeigt eine insgesamt mit dem Bezugszeichen 1 gekennzeichnete Lageranordnung, welche ein Fanglager 2 sowie eine nur andeutungsweise dargestellte Gehäusekonstruktion 12 umfasst und ebenso wie die Ausführungsbeispiele nach den 3 bis 6 prinzipiell die anhand 1 erläuterten Eigenschaften hat.
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Das Fanglager 2 nach 2 ist als Sicherheitsvorrichtung zur Lagerung einer Welle 3 vorgesehen, welche im bestimmungsgemäßem Betrieb durch eine nicht dargestellte Magnetlagerung gelagert ist. Komponenten des Fanglagers 2 sind ein Außenring 4 sowie eine Vielzahl an Wälzkörpern 5, nämlich Kugeln. Abweichend von der vereinfachten Darstellung nach 2 rollen die Wälzkörper 5 nicht direkt auf der Welle 3, sondern auf einem nicht dargestellten Innenring des Fanglagers 2 ab, welcher im bestimmungsgemäßen Betrieb durch einen geringen Spalt von der Welle 3 beabstandet ist. Erst bei Ausfall der Magnetlagerung fällt die Welle 3 in den Innenring und reißt diesen mit, sodass das Fanglager 2 in Funktion tritt. Die Wälzkörper 5 sind ohne Käfig zwischen dem Innenring und dem Außenring 4 des Fanglagers 2 angeordnet. Das Fanglager 2 – genauer: dessen Außenring 4 – ist lediglich an zwei Umfangsabschnitten an der Gehäusekonstruktion 12 abgestützt. Ein in 2 der übersichtlichen Darstellung halber eingezeichneter Spalt zwischen dem Außenring 4 und zwei Stützbereichen 6 der Gehäusekonstruktion 12 ist tatsächlich nicht vorhanden. Vielmehr stehen, so lange die Magnetlagerung fehlerfrei funktioniert, sämtliche Komponenten des Fanglagers 2 still, während die Welle 3, wie bereits erläutert, einen zumindest geringen Abstand zum Fanglager 2 hat.
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Die beiden Stützbereiche 6 der Lageranordnung 1 nach 2 weisen keine oder nur eine sehr geringe Nachgiebigkeit in radialer Richtung aus. Die Umfangsbereiche des Außenrings 4, in welchen dieser an den Stützbereichen 6 anliegt, insbesondere in die Gehäusekonstruktion 12 eingepresst ist, entsprechen den beiden Maxima der radialen Steifigkeit S nach 1. Die zwischen den beiden Stützbereichen 6 liegenden Umfangsbereiche bilden dagegen die Minima der radialen Steifigkeit S des Außenrings 4. Die radiale Steifigkeit S ist als Federkonstante zu verstehen und stellt den Kehrwert der radialen Nachgiebigkeit dar. Zusätzlich zur radialen Abstützung kann das Fanglager 2 nach 2 auch in axialer Richtung, bezogen auf die Rotationsachse der Welle 3, abgestützt sein, wobei in diesem Fall auch die axiale Steifigkeit der Lageranordnung 1 winkelabhängig sein kann.
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Das Ausführungsbeispiel nach 3 unterscheidet sich vom Ausführungsbeispiel nach 2 zunächst dadurch, dass das Fanglager 2 an dessen gesamten Umfang in die Gehäusekonstruktion 12 eingebettet ist. Des Weiteren sind im in 3 skizzierten Ausführungsbeispiel jeweils drei Umfangsabschnitte 7 erhöhter radialer Nachgiebigkeit und drei Umfangsabschnitte 8 reduzierter radialer Nachgiebigkeit gegeben. Die radiale Nachgiebigkeit ergibt sich hierbei zum Einen aus den Eigenschaften eines Wellbandes 9, allgemein als Federund Dämpfungselement bezeichnet, welches zwischen den Außenring 4 und die Gehäusekonstruktion 12 eingespannt ist, und zum Anderen aus dem Raum, der dem Wellband 9 innerhalb der verschiedenen Umfangsabschnitte 7, 8 zur Verfügung steht. Während innerhalb der Umfangsabschnitte 7 das Wellband 9 einen breiten Raum einnimmt, steht dem Wellband 9 in den Umfangsabschnitten 8 lediglich ein relativ schmaler Spalt zwischen dem Außenring 4 und der Gehäusekonstruktion 12 zur Verfügung, was zu einer vergleichsweise hohen radialen Steifigkeit S führt.
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Jeder Umfangsabschnitt 7, 8 erstreckt sich über einen Winkel, der sich von jedem Winkel, den einer der übrigen Umfangsabschnitte 7, 8 einnimmt, unterscheidet. Die Lageranordnung 1 nach 3 weist keine Punkt- oder Spiegelsymmetrie auf, womit dem Entstehen von Resonanzen bei der Funktionsübernahme durch das Fanglager 2 entgegengewirkt wird.
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Die in 4 skizzierte Lageranordnung kommt, wie das Ausführungsbeispiel nach 2, ohne gesonderte Feder- und/oder Dämpfungselemente aus, wobei dennoch eine ausgeprägte Winkelabhängigkeit der radialen Steifigkeit S, wie in 1 dargestellt, gegeben ist. Der Außenring 4 des Fanglagers 2 nach 4 weist eine uneinheitliche Wandstärke an seinem Umfang auf und liegt lediglich an schmalen Umfangsabschnitten an der Gehäusekonstruktion 12 an. Die Bohrung in der Gehäusekonstruktion 12, in welche der Außenring 4 eingelegt ist, ist zylindrisch. Ebenso ist der Innenumfang des Außenrings 4 zylindrisch. In nicht dargestellter Weise kann sich in denjenigen Umfangsabschnitten, in denen der Außenring 4 von der Gehäusekonstruktion 12 beabstandet ist, ein Dämpfungsmittel, beispielsweise ein Elastomer oder ein Metallschaum, befinden. Ebenso kann in nicht dargestellter Weise eine Verdrehsicherung zwischen dem Außenring 4 des als Wälzlager ausgebildeten Fanglagers 2 und der Gehäusekonstruktion 12 realisiert sein.
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Die 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem der Außenring 4 sowie die Gehäusekonstruktion 12 symmetrisch gestaltet sind. In den Spalt konstanter Breite zwischen dem Außenring 4 und der Gehäusekonstruktion 12 ist in diesem Fall ein Abschnitt eines relativ steifen Wellbandes 9 sowie ein Abschnitt eines im Vergleich hierzu weichen Wellbandes 10, das heißt eines weiteren Feder- und Dämpfungselementes, gespannt. Der Umfang des Fanglagers 2 ist durch die unterschiedlichen Abschnitte an Wellband 9, 10 im Wesentlichen ausgefüllt. Die beiden Übergangsbereiche zwischen dem Wellband 9 und dem Wellband 10 können derart gestaltet sein, dass dort jeweils ein lokales Maximum der radialen Steifigkeit S des Fanglagers 2 auftritt. Das steifere Wellband 9 ist bevorzugt, wie in 5 dargestellt, im unteren Bereich der Lageranordnung 1 eingebaut, sodass in diesem Bereich auch auf die Welle 3 einwirkende Gewichtskräfte aufgenommen werden können.
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Im Ausführungsbeispiel nach 6 ist in zwei schmalen Umfangsabschnitten die radiale Steifigkeit der Lageranordnung 1 durch zwei den Außenring 4 abstützende Blöcke 11, insbesondere aus Metall, stark erhöht. In den übrigen, zwischen den Blöcken 11 liegenden Umfangsabschnitten ist dagegen jeweils ein Wellband 9 zwischen den Außenring 4 und die Gehäusekonstruktion 12 gelegt. Abweichend von der Darstellung nach 6 können in diesen beiden Umfangsabschnitten auch Abschnitte von Wellbändern 9, 10 unterschiedlicher Eigenschaften, wie in 5 skizziert, angeordnet sein.
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Die 7 zeigt einen schematischen Vergleich zwischen Eigenschaften einer nach der Erfindung gestalteten Lageranordnung 1 einerseits und einer herkömmlichen Lageranordnung mit elastischen Eigenschaften andererseits. Gezeigt ist die prinzipielle Abhängigkeit einer Schwingungsamplitude A von einer Anregungsfrequenz F, wobei das Verhalten einer erfindungsgemäßen Lageranordnung 1, wie sie beispielhaft in den 2 bis 6 skizziert ist, durch eine durchgezogene Linie und das Verhalten einer herkömmlichen Lageranordnung zum Vergleich durch eine gepunktete Linie veranschaulicht ist.
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Bei einer typischen herkömmlichen Lageranordnung weist die Schwingungsamplitude bei einer bestimmten Anregungsfrequenz, der Resonanzfrequenz R, ein stark ausgeprägtes Maximum auf. Durch die schwingungstilgende Gestaltung der Lageranordnung 1 wird dieses Maximum in jedem der Ausführungsbeispiele nach den 2 bis 6 vermieden. Stattdessen können sich, wie aus 7 hervorgeht, mehrere, vergleichsweise niedrige Maxima der Schwingungsamplitude A ausbilden. Somit tritt während des gesamten durch das Fanglager 2 abgestützen Auslaufens der Welle 3 nach dem Ausfall der Magnetlagerung keine stark ausgeprägte Resonanz in der Lageranordnung 1 auf.
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Die 8 bis 10 zeigen jeweils ein Ausführungsbeispiel eines Fanglagers 2, welches eine winkelabhängige Lagergeometrie aufweist, wobei in jedem der drei Fälle die Schmiegung und/oder der Druckwinkel längs des Umfangs des Fanglagers 2 variiert. In jedem Fall ist in der linken Hälfte der jeweiligen Figur ein erster Querschnitt gezeigt, welcher sich auf eine erste Winkelposition, definiert als O°-Position, bezieht und in allen Fällen gleich ist. Rechts ist in jeder Figur zum Vergleich ein zweiter Querschnitt gezeigt, der sich auf eine zweite Winkelposition, beispielsweise die 45°-Position oder die 90°-Position, bezieht.
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Bei dem in 8 illustrierten Fanglager 2 weisen Außenring 4 und Innenring 13 die gleiche Schmiegung auf. Der Radius der Laufbahn am Außenring 4 entspricht in dem dargestellten Querschnitt dem Radius der Laufbahn am Innenring 13. In der O°-Position (links) ist der Druckwinkel Null, das Fanglager 2 somit als reines Radiallager ausgebildet. Dagegen ist in der zweiten Winkelposition (rechts) der Druckwinkel deutlich größer als Null. In diesem Winkelbereich übertragen die Wälzkörper 5 damit zusätzlich zu Radialkräften in signifikantem Umfang auch Axialkräfte. Das Einfederverhalten unterscheidet sich in den beiden dargestellten Winkelbereichen deutlich voneinander. Insbesondere wird in demjenigen Bereich, in dem der Druckwinkel von Null verschieden ist, bei einer Belastung des Fanglagers 2 in Radialrichtung auch eine Kraftkomponente in Axialrichtung erzeugt. Die Bereiche unterschiedlicher Druckwinkel gehen kontinuierlich ineinander über, wobei der Unterschied zwischen einem geringen Druckwinkel und einem vergrößerten Druckwinkel in 8 übertrieben dargestellt ist.
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Im Unterschied zur Ausführungsform nach 8 variiert bei der Ausführungsform nach 9 nicht der Druckwinkel, sondern die Schmiegung längs des Umfangs des Fanglagers 2. Während im ersten Winkelbereich sowohl die Laufbahn des Außenrings 4 als auch die Laufbahn des Innenrings 13 im Vergleich zum Radius der Wälzkörper 5 relativ wenig gekrümmt ist, trifft dies im zweiten Winkelbereich nur auf den Innenring 13 zu. Beim Außenring 4 ist dagegen der Krümmungsradius der Laufbahn wesentlich mehr dem Krümmungsradius der Kugel 5 angenähert, also eine engere Schmiegung (näher an 100%) gegeben. Die engere Schmiegung sorgt dafür, dass die Kugel 5 unter radialer Krafteinwirkung weniger einfedert als bei weiterer Schmiegung.
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Das Ausführungsbeispiel nach 10 kombiniert Merkmale der Ausführungsbeispiele nach den 8 und 9. Wie aus dem Vergleich der beiden Querschnitte hervorgeht, ist in der zweiten Winkelposition des Fanglagers 2 sowohl der Druckwinkel als auch die Schmiegung gegenüber der ersten Winkelposition geändert. In jedem der Ausführungsbeispiele nach den 8 bis 10 weist der Innenring 13 längs seines gesamten Umfangs eine konstante Querschnittsgeometrie auf, während die Querschnittsgeometrie des Außenrings 4 winkelabhängig ist. Ebenso könnte ausschließlich die Geometrie des Innenrings 13 oder die Geometrie beider Lagerringe 4, 13 winkelabhängig sein.
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In 11 ist eine Lageranordnung 1 skizziert, welche zusätzlich zu einem ersten Fanglager 2 ein zweites Fanglager 14 aufweist, welches zum Auffangen derselben Welle 3 vorgesehen ist, welche ansonsten mittels einer Magnetlagerung 15 gelagert ist. Während das in der Anordnung nach 11 rechte Fanglager 2 ein Feder- und Dämpfungselement 9 entsprechend einem der vorstehend erläuterten Gestaltungsmöglichkeiten aufweist, sind bei dem zweiten Fanglager 14 andere elastische Eigenschaften gegeben. Jedes der Fanglager 2, 14 weist ein spezifisches Resonanzverhalten auf. Insbesondere unterscheidet sich die Anzahl der Resonanzfrequenzen des ersten Fanglagers 2 von der Anzahl der Resonanzfrequenzen des zweiten Fanglagers 14. Dabei ist keine Resonanzfrequenz des ersten Fanglagers 2 mit irgendeiner Resonanzfrequenz des zweiten Fanglagers 14 identisch. Jedes der Fanglager 2, 14 weist eine Nachgiebigkeit in radialer Richtung auf, die winkelabhängig ist. Hierbei wird davon ausgegangen, dass ein Kraftvektor normal zur Rotationsachse des Fanglagers 2, 14 von der Welle 3 nach außen wirkt. Die Winkel, bei denen das erste Fanglager 2 lokale oder absolute Extremwerte der Nachgiebigkeit aufweist, unterscheiden sich von Winkeln, bei denen das zweite Fanglager 14 lokale oder absolute Extremwerte der Nachgiebigkeit aufweist.
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Auf diese Weise sind zwei unterschiedliche Fanglager 2, 14 bereitgestellt, die sich insbesondere hinsichtlich ihres Schwingungsverhaltens gravierend voneinander unterscheiden und damit insgesamt einen maßgebliche Beitrag zu schwingungstechnisch günstigen Eigenschaften der Lageranordnung 1 leisten.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Lageranordnung
- 2
- Fanglager
- 3
- Welle
- 4
- Außenring
- 5
- Wälzkörper
- 6
- Stützbereich
- 7
- Umfangsabschnitt
- 8
- Umfangsabschnitt
- 9
- Wellband
- 10
- Wellband
- 11
- Block
- 12
- Gehäusekonstruktion
- 13
- Innenring
- 14
- Fanglager
- 15
- Magnetlagerung
- A
- Schwingungsamplitude
- F
- Anregungsfrequenz
- R
- Resonanzfrequenz
- S
- Steifigkeit
- φ
- Winkel
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102011005761 A1 [0002, 0009]
- DE 102010035183 A1 [0003, 0009]
- DE 102006026123 B4 [0004]
