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Vorliegende Erfindung betrifft ein Radialgelenklager mit zumindest einem Außenring und einem Innenring, eine Radialgelenklageranordnung mit zwei derartigen Radialgelenklagern, sowie eine Kreuzgelenkanordnung mit zwei derartigen Radialgelenklageranordnungen.
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Um gleichzeitig einer radialen und einer axialen Belastung gerecht zu werden, wurde im Stand der Technik hauptsächlich eine Kombination aus einem Radiallager und einem Axiallager eingesetzt, wobei das Radiallager in Loslagerausführung und das Axiallager als Festlager ausgebildet sind. Nachteilig an diesen ist jedoch, dass derartige Lager nur eine sehr begrenzte Lebensdauer aufweisen und insbesondere bei extremen Kraftverhältnissen leicht beschädigt werden, beziehungsweise Funktionsstörungen sich zeigen. Zudem ist die aus dem Stand der Technik bekannte Lageranordnung hohen Fertigungstoleranzen unterworfen und weist ein vergleichsweise großes Spiel auf.
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Aufgabe vorliegender Erfindung ist es deshalb, ein Lager bereitzustellen, das zum einen axiale und radiale Belastung aufnehmen kann und dabei eine lange Lebensdauer auch unter extremen Last- wie auch Bewegungsbeanspruchungen aufweist.
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Diese Aufgabe wird erfüllt durch ein Radialgelenklager gemäß Patentanspruch 1, eine Radialgelenklageranordnung gemäß Patentanspruch 5, sowie eine Kreuzgelenkanordnung gemäß Patentanspruch 9.
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Erfindungsgemäß wird ein Radialgelenklager mit zumindest einem Außenring und einem Innenring bereitgestellt, wobei der Außenring zumindest einen Außenringinnendurchmesser d1 aufweist und der Innenring eine Bohrung mit einem Bohrungsdurchmesser d2. Derartige Radialgelenklager können radiale und insbesondere einseitig hohe axiale Kräfte aufnehmen, und gleichzeitig eine große Oszillationsbewegung ausüben, die insbesondere beispielsweise bei einem Wellenkraftwerk oder auch bei der Verbindung von Eisenbahnwaggons auftreten können.
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Dabei basiert die Erfindung auf der Idee, den Außenringinnendurchmesser d1 kleiner als den Bohrungsdurchmesser d2 auszubilden. Vorteilhafterweise können durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Außenringdurchmessers d1 und des Bohrungsdurchmessers d2 von dem Radialgelenklager größere axiale Kräfte aufgenommen werden, so dass auch bei extremer Beanspruchung des Lagers dieses nicht beschädigt wird beziehungsweise ausreichend Lebensdauer zeigt. Selbstverständlich werden, wenn auch nicht immer explizit erwähnt, nach wie vor die radialen Kräfte ebenso von dem Lager aufgenommen.
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Gemäß einem weiteren vorteilhaften Ausführungsbeispiel ist das Radialgelenklager asymmetrisch ausgebildet, wobei vorzugsweise der Außenring einen zweiten Außenringinnendurchmesser d3 aufweist, der insbesondere größer ist als der erste Außenringinnendurchmesser d1. Zudem ist der zweite Außenringinnendurchmesser d3 größer als der Bohrungsdurchmesser d2. Dadurch wird eine erfindungsgemäße asymmetrische Ausbildung und damit eine großräumige insbesondere einseitige axial weite Umschlingung des Innenrings bereitgestellt, die, wie oben bereits erwähnt, eine Aufnahme von einseitig größeren axialen Kräften ermöglicht, ohne dass die separate Ausbildung eines Radiallagers und eines Axiallagers nötig ist.
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Dabei ist insbesondere die Bohrung im Innenring konisch ausgebildet, wobei vorzugsweise die Bohrung einen zweiten Bohrungsdurchmesser d4 aufweist, der insbesondere kleiner ist als der erste Bohrungsdurchmesser d2. Dadurch kann eine Welle in dem Radialgelenklager aufgenommen werden, die einen im Vergleich zum Lager großen Anschluss-Durchmesser aufweist. Gleichzeitig stellt der Außenring des Lagers eine große Umschlingung des Innenrings bereit, so dass zudem ein Lager mit großer axialer Kraftaufnahme ausgebildet ist.
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Gemäß einem weiteren vorteilhaften Ausführungsbeispiel kann das Radialgelenklager als wartungsfreies Gleitlager ausgebildet sein. Alternativ kann das Radialgelenklager auch als Radialgelenklager mit einem zwischen den Gleitflächen angeordneten Schmiermittel, insbesondere einer Ölschmierung, ausgebildet sein. Dabei ist insbesondere bevorzugt, wenn an dem Außenring und/oder an dem Innenring Schmiermittelführungskanäle vorgesehen sind, die die Gleitflächen mit Schmiermittel über kurze Wege beaufschlagen.
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Ein weiterer Aspekt vorliegender Erfindung betrifft eine Radialgelenklageranordnung mit einem ersten und einem zweiten Radialgelenklager, wie oben beschrieben, wobei das erste und das zweite Radialgelenklager über eine in der Bohrung aufgenommene Welle miteinander verbunden sind. Aufgrund der erfindungsgemäßen Ausgestaltung der Lager kann dabei eine Lageranordnung bereitgestellt werden, bei der unter normaler Belastung hauptsächlich ein Lager den Hauptteil der axialen Lastkomponente aufnimmt, während das andere Lager durch die axiale Lastkomponente nahezu unbelastet gehalten wird.
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Wie für einen Fachmann selbstverständlich nehmen die Lager der Radialgelenklageranordnung natürlich auch radiale Lastkomponenten auf, die in bekannter Weise auf die Lager der Radialgelenklageranordnung verteilt übergehen.
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Da das erfindungsgemäße Radialgelenklager sowohl radiale als auch axiale Lastkomponenten auch bei starker Belastung aufnehmen kann, kann auf die aus dem Stand der Technik bekannte Ausgestaltung der Lageranordnung als Loslager und Festlager verzichtet werden. Die hat zudem den Vorteil, dass aufgrund der erfindungsgemäßen Ausgestaltung des Radialgelenklagers enge Fertigungstoleranzen und eine geringes Gesamtspiel der Radialgelenklageranordnung realisiert werden können. Relativbewegungen zwischen Radialgelenklagerbohrung und Welle, wie im beschriebenen Stand der Technik, werden vermieden beziehungsweise können nicht auftreten, was wiederum beispielsweise ein Festfressen der Welle oder Verschleiß in einer Loslagerbohrung verhindert. Vorzugsweise sind dabei das erste und das zweite Radialgelenklager bezüglich einer Mittelachse spiegelbildlich angeordnet. Dadurch können axiale Kräfte in beide Richtungen aufgenommen werden, wobei die Kraftaufnahmen richtungsabhängig über das erste oder zweite Lager erfolgen.
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Gemäß einem weiteren vorteilhaften Ausführungsbeispiel sind das erste und das zweite Radialgelenklager vorzugsweise axial gegeneinander vorgespannt ausgebildet. Die axiale Vorspannung sorgt dabei dafür, dass im Normalfall nur eine Seite im Gelenklager, beispielsweise die im Lagerpaar außen liegende Seite belastet wird, während die innen liegende Seite unbelastet geführt ist. Bei Extrembelastung in Axialrichtung kann auch die normalerweise unbelastete Lagerseite belastet werden und unterstützt das erste Radialgelenklager bei der Aufnahme der Axiallast in gleicher Richtung, so dass das erste und das zweite Radialgelenklager die axiale Belastung aufnehmen. Ein Ausschnappen der Lagerringe wird durch beidseitige axiale Umschlingung verhindert.
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Dabei ist insbesondere eine federnde Vorspannungsvorrichtung bevorzugt. Eine derartige Vorspannung kann beispielsweise über eine elastische Verformung eines die Radialgelenklageranordnung aufnehmenden Gehäuses ausgebildet sein. Durch elastische Aufbiegung ergibt sich eine Rückfederwirkung, die das Radialgelenklagerpaar axial gegeneinander vorspannt. Eine Umkehrung des Prinzips mit elastischem Zusammendrücken und Rückfederwirkung des Gehäuses ist ebenfalls denkbar. In diesem Fall wäre die große axiale Tragfläche der Lager auf der Innenseite des Lagerpaares angeordnet.
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Gemäß einem weiteren vorteilhaften Ausführungsbeispiel weist die Radialgelenklageranordnung weiterhin mindestens ein Sicherungselement auf, das dazu ausgelegt ist, die Welle in der mindestens einen Bohrung des ersten und/oder zweiten Radialgelenklagers zu sichern. Dadurch kann sichergestellt werden, dass auch bei hohen axialen Belastungen die die Lagerpaare verbindende Welle nicht aus ihren Aufnahmen im Innenring rutscht. Dabei kann das Sicherungselement beispielsweise als anschraubbarer Deckel oder als große Mutter ausgebildet sein.
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Gemäß einem weiteren vorteilhaften Ausführungsbeispiel ist die Radialgelenklageranordnung mit einem ersten und/oder zweiten Radialgelenklager ausgestattet, die als Festlager ausgebildet sind. Die aus dem Stand der Technik bekannte Lösung mit einem als Loslager ausgebildeten Radiallager führt ungünstigerweise zu einem Wellenverschleiß aufgrund der Relativbewegung zwischen Bohrung und Welle. Zudem kann sich die Welle am Lager festfressen, wodurch eine Überlastung der Lageranordnung und ein Frühausfall entstehen können.
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Ein weiterer Aspekt betrifft eine Kreuzgelenkanordnung mit einer ersten und zweiten Radialgelenklageranordnung wie oben beschrieben, wobei vorzugsweise die erste und die zweite Radialgelenklageranordnung im Wesentlichen senkrecht zueinander in einer Ebene angeordnet sind. Eine derartige Kreuzgelenkanordnung ist insbesondere bei einem Wellenkraftwerk vorteilhaft. Dabei ist erfindungsgemäß ein Lagersystem für gleichzeitig große Oszillations- und Kippbewegungen sowie zur Aufnahme von extremen radialen und axialen Belastungen bereitgestellt.
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Weitere Vorteile und bevorzugte Ausführungsformen sind in den Ansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen definiert.
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Im Folgenden soll die Erfindung anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher beschrieben werden. Dabei sind die Ausführungsbeispiele rein exemplarischer Natur und sollen nicht den Schutzbereich der Anmeldung festlegen. Dieser wird allein durch die anhängigen Ansprüche definiert.
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Es zeigen:
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1: eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Radialgelenklagers;
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2: eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Radialgelenklageranordnung unter
a: Normallast;
b: Extrembelastung und
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3: eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Radialgelenklagers.
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Im Folgenden werden gleiche oder funktionell gleichwirkende Elemente mit denselben Bezugszeichen gekennzeichnet.
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1 zeigt schematisch eine Schnittansicht durch ein erfindungsgemäßes Radialgelenklager 1 mit einem Außenring 2 und einem Innenring 4. Wie der 1 zu entnehmen, umschlingt der Außenring 2 den Innenring 4 fast vollständig, so dass der Innenring 4 sowohl oszillierend beziehungsweise rotierend bewegt werden kann und gleichzeitig ebenfalls kleine Kippbewegung ausführen kann. Dabei ist der Außenring 2 asymmetrisch ausgebildet und weist in einem Bereich 6 eine größere Umschlingung des Innenrings 4 auf als in einem Bereich 8. Mit anderen Worten hat der Außenring 2 an seinem einen Ende eine größere Öffnung mit einem Öffnungsdurchmesser von d1, während er an seiner zweiten Öffnung einen Durchmesser d3 aufweist, der deutlich größer als der Durchmesser d1 ausgebildet ist.
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Wie 1 weiter zu entnehmen, weist der Innenring 4 eine im Wesentlichen konisch ausgebildete Bohrung 10 auf, deren erster Durchmesser d2 deutlich größer ist als der zweite Durchmesser d4. Aufgrund der konischen Bohrung 10 kann in dem Radialgelenklager 1 eine Welle (nicht dargestellt) mit einem besonders großen Durchmesser und konischem Wellenende aufgenommen werden, so dass diese Welle eine sehr große Stabilität aufweist. Dabei ist erfindungsgemäß der Öffnungswinkel d2 der konischen Bohrung 10 größer als der Öffnungswinkel d1 des Außenrings 2 im Bereich 6. Aufgrund dieser erfindungsgemäßen Ausgestaltung kann ein Radialgelenklager 1 bereitgestellt werden, das eine besonders große konische Anschlusswelle aufnehmen kann, die aufgrund ihres großen Durchmessers, der größer oder gleich dem Durchmesser d2 sein kann, und eine große Belastung und Biegemomente aufnehmen kann. Gleichzeitig kann jedoch das Lager 1 aufgrund der großen Umschlingung des Außenrings 2 im Bereich 6 große Axialkräfte aufnehmen.
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Dabei kann das in 1 dargestellte Radialgelenklager 1 als im Wesentlichen wartungsfreies Radialgelenklager 1 mit einem Lagerspiel zwischen Innenring 4 und Außenring 2 ausgebildet sein, es ist jedoch auch möglich, wie die Ausgestaltung von 3 zeigt, das erfindungsgemäße Radialgelenklager 1 mit Ölzuführkanälen 12 auszustatten, die sich im Wesentlichen axial, alternativ aber auch anders laufend, am Außenring 2 und/oder am Innenring 4 erstrecken, und den Raum zwischen Außenring 2 und Innenring 4 mit Öl beaufschlagen. Dabei kann in den Kanälen 12 auch ein anderes Schmiermittel als Öl geführt werden.
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Wie oben bereits erwähnt, kann das erfindungsgemäße Radialgelenklager 1 neben den radialen Belastungen, insbesondere einseitig große axiale Belastungen aufnehmen. Dies ist schematisch in den 2a und 2b dargestellt. Dabei zeigen die 2a und 2b eine Radialgelenklageranordnung 14 mit einem ersten Radialgelenklager 1 und einem zweiten Radialgelenklager 11, die über eine Welle 16 miteinander verbunden sind. Die Welle 16 ist erfindungsgemäß an den Enden konisch ausgebildet und kann beispielsweise in ihrem die beiden Radialgelenklager 1, 11 verbindenden Bereich einen im Wesentlichen dem Öffnungsdurchmesser d2 entsprechenden oder größeren Durchmesser aufweisen, während sie an ihren Enden konisch zuläuft und am axialen Ende der Radialgelenklageranordnung 14 einen Durchmesser aufweist, der im Wesentlichen dem Durchmesser d4 entspricht. Dabei ist wiederum, wie in der 1 gezeigt, der Außenring 2, 21 in seinem axialen Endbereich 6, 61 mit einem Durchmesser d1 ausgestattet, der kleiner ist als der Durchmesser d2 der Bohrung im Innenring 4, 41. Weiterhin zeigen die 2a und 2b weiterhin, dass die Welle 16 endseitig mit Sicherungselementen 18, 181 an den Radialgelenklagern 1, 11 gesichert ist. Dabei zeigt 2a, dass in den Bereich 61 bei wenig bzw. normaler Belastung (siehe Pfeil) die axiale Kraftkomponente eingeleitet wird. Das bedeutet aber auch, dass üblicherweise die axiale Kraftkomponente (siehe Pfeil) auf der Seite eingeleitet wird, in die die Richtung der Lastkomponente zeigt.
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Weiterhin kann die Radialgelenklageranordnung 14 vorzugsweise axial zueinander vorgespannt sein, d.h. die Radialgelenklageranordnung 14 kann beispielsweise in ihrem Gehäuse (nicht dargestellt) unter Vorspannung montiert werden, wodurch ein im Wesentlichen spielfreies System entsteht. Das bedeutet dann beispielsweise, dass auch unter keiner bzw. sehr geringer axialer Belastung der Innenring 41 des Lagers 11 in dem Bereich 61 den Außenring 21 kontaktiert. Analoges gilt natürlich auch für das Lager 1. Aufgrund der asymmetrischen Ausgestaltung des Lagers 1, 11 kann aber unabhängig von der Vorspannung, eine axiale Kraftkomponente im Bereich 6, 61 besonders gut aufgenommen werden, da im Bereich 6, 61 der Innenring 4, 41 weiter vom Außenring 2, 21 umschlungen wird als in einem Bereich 8, 81.
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Müssen extreme axiale Belastungen aufgenommen werden, wie beispielsweise in 2b dargestellt, in der eine extreme axiale Kraft auf die Radialgelenklageranordnung 14 wirkt (siehe dicker Pfeil), kontaktiert der Innenring 41 nicht nur den Außenring 21 im Bereich 61, sondern der Innenring 4 des ersten Radialgelenklagers 1 kontaktiert dann ebenfalls den Außenring 4 aber in einem Bereich 8. In diesem Bereich 8 ist zwar die Umschlingung des Außenrings 2 gegenüber dem Innenring 4 nicht so stark ausgeprägt wie in dem Bereich 6, da jedoch dieser als zusätzliche Kontaktzone bei extremen Belastungen ausgebildet ist, reicht sogar die geringere zusätzliche Umschlingung aus, um die extremen axialen Kräfte aufnehmen zu können. Ein Ausschnappen wird hierdurch ebenfalls verhindert.
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Selbstverständlich ist eine derartige Ausgestaltung auch bei dem in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel möglich, bei dem ebenfalls die Kontaktzonen, wie eben beschrieben, ausgebildet sind, es fehlt jedoch dann an der vorgespannten Einbaulage der Radialgelenklageranordnung 14.
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Das erfindungsgemäße Radialgelenklager 1 ist insbesondere in der Ausgestaltung als Kreuzgelenklager vorteilhaft, wobei derartige Lager insbesondere bei einem Wellenkraftwerk, eingesetzt werden können. Bei Wellenkraftwerken ist es insgesamt nötig, eine Lageranordnung bereitzustellen, die große Kräfte aufnehmen kann, beispielsweise bei Sturm, wobei gleichzeitig große Oszillations- und Kippbewegungen am Kreuzgelenksystem auftreten können. Die bisherige Lösung einer Lagerkombination aus Radial- und Axiallager, wobei das Radiallager in Loslagerausführung und das Axiallager als Festlager ausgebildet sind, ist ungünstig, da die Lebensdauer nicht ausreichend ist. Mit dem Einsatz des erfindungsgemäßen Radialgelenklagers dagegen kann auf eine Ausbildung als Loslager verzichtet werden, so dass weder Wellenverschleiß noch ein Festfressen im losen Wellenkontakt zu erwarten ist. Zudem kann das erfindungsgemäße Radialgelenklager auch bei extremen Belastungen verwendet werden. Des Weiteren ist eine derartige Ausbildung kostengünstiger als eine Kombination aus zwei Lagern. Die optionale axiale Vorspannung bewirkt, wie oben beschrieben, eine einseitige Lagerbelastung im Normaleinsatz, insbesondere im Außenbereich 6, 61, wodurch sich immer eine entlastete Lagerseite ergibt. Erst bei Extrembelastung erfolgt gegebenenfalls ein Verlust der Lagervorspannung und die normalerweise unbelastete axiale Lagerseite kann unterstützend zur Aufnahme der Axiallast beitragen. Dadurch tragen beide Lager die axiale Gesamtbelastung, wodurch ein extremes Abheben oder Ausschnappen verhindert wird.
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Darüber hinaus kann durch die Vorspannung, insbesondere bei wartungsfreien Lagertypen, eine Schlagbelastung der Gleitflächen bei Lastrichtungswechsel vermieden werden und dies insbesondere auch bei niedriger oder normaler Belastung. Hierdurch wird eine Materialermüdung der Gleitschicht und gegebenenfalls weiterer Lagerkomponenten reduziert beziehungsweise vermieden, was wiederum den Vorteil hat, dass die Lebensdauer des Lagers auch bei niedriger oder normaler Belastung deutlich steigt.
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Abhängig von der eingesetzten Lagerpaarung können weitere Merkmale, wie beispielsweise Ölzulaufnuten, (siehe 3) eine Verschleißsensorik, eine Ölstandsensorik oder eine Verschmutzungssensorik vorhanden sein. Ebenfalls kann der Außenring axial oder radial geteilt werden oder ohne Teilung ausgebildet sein, wobei die axiale Teilung zur internen Aufnahme von Spreizkräften bevorzugt ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1, 11
- Radialgelenklager
- 2, 21
- Außenring
- 4, 41
- Innenring
- 6, 61
- axialer Außenbereich
- 8, 81
- axialer Innenbereich
- 10
- konische Bohrung
- 12
- Ölzuführkanäle
- 14
- Radialgelenklageranordnung
- 16
- Welle
- 18, 181
- Sicherungselemente
