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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft eine Lageranordnung zum drehbaren Lagern einer drehbaren Welle in einer Aufnahmevorrichtung, insbesondere eine neue und zweckmäßige Verbesserung einer solchen Lageranordnung.
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Hintergrund
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In vielen Technikfeldern ist eine drehbare Lagerung einer Welle (oder einer ähnlichen Vorrichtung) in einer Aufnahmevorrichtung notwendig. Z. B. müssen drehbare Wellen in einer Art Gehäuse oder Halteeinrichtung für Fördersysteme, Fahrzeugräder und allen Arten von Generatoren, Pumpen und Motoren drehbar gelagert werden. Als spezielles Beispiel aus dem Gebiet von Pumpen oder Motoren muss eine Kurbelwelle (an der normalerweise einige Kolben angeordnet sind) drehbar in einem Einbaubereich eines Gehäuses gelagert sein (wobei der Einbaubereich beispielsweise ein Sackloch oder ein Durchgangsloch ist).
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Um die Vorrichtung so effizient und langlebig wie möglich zu machen, muss die Reibung der entsprechenden Lageranordnung (drehbare Lagerung der Welle im Einbaubereich) so wenig Reibung wie möglich zeigen, wobei natürlich gleichzeitig auf eine wirtschaftliche Realisierbarkeit geachtet werden muss.
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Zum Bereitstellen einer gering reibungsbehafteten, langlebigen und dennoch wirtschaftlichen Lagerung, welche in der Lage ist, vergleichsweise hohe Lasten zu tragen, werden unterschiedliche Arten von Lager verwendet. Neben den wenig vorteilhaften Gleitlagern (welche normalerweise eine geringe Reibung aufgrund von irgendeinem Schmiermittel in einem Spalt zwischen den Lagerflächen der Welle und der Aufnahmevorrichtung zeigen) werden insbesondere Kugellager oder Rollenlager verwendet. Letztere insbesonders dann, wenn höhere Anforderungen an eine geringe Reibung und/oder einen geringen Verschleiß gestellt werden.
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Auch wenn solche Lager in der Praxis gut arbeiten, so haben sie dennoch einige Nachteile, insbesondere unter speziellen Betriebsbedingungen. Eine problematische Betriebsbedingung, die in der Praxis oft auftritt, ist wenn der Aufnahmebereich (welcher typischerweise eine Art rohrartige Bohrung darstellt (z. B. eine Sattlochbohrung oder ein Durchgangsloch)) und die Welle nicht perfekt zueinander bezüglich ihrer Längsachsen ausgerichtet sind, sondern eine Winkelabweichung zeigen. Insbesondere im Fall von Wälzlagern können selbst relative kleine Winkelabweichungen in einem verhältnismäßig großen Verschleiß der Wälzkörper des Wälzlagers resultieren. Selbstverständlich resultiert ein solch erhöhter Verschleiß in einer signifikant geringeren Lebensdauer der entsprechenden Vorrichtung, was nicht wirklich erwünscht ist.
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Um diesen Nachteil zu überwinden, werden manchmal Kugellager vorgeschlagen. Jedoch zeigen Kugellager typischerweise eine geringere Tragfähigkeit verglichen mit Nadellagern derselben Baugröße oder andersrum beschrieben, benötigen diese einen größeren Bauraum für dieselbe mechanische Tragfähigkeit. Das ist selbstverständlich nachteilig. Darüber hinaus, auch wenn Kugellager verwendet werden, können diese vernünftigerweise nur bis zu einem gewissen Winkelversatz verwendet werden.
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Ein anderer Ansatz ist den Durchmesser der Welle und der zugehörigen Aufnahmebohrung „künstlich zu vergrößern”, auch wenn der entsprechend vergrößerte Durchmesser aus dem Blickwinkel der Tragfähigkeit der betreffenden Vorrichtung nicht notwendig ist. Das ergibt sich, daraus, dass wenn ein größerer Durchmesser der Welle verwendet wird, ein gewisser Versatz in radialer Richtung an einer Stelle, die von der Lageranordnung entfernt ist (gemessen in Längeneinheiten wie beispielsweise mm), in kleineren Winkelversätzen resultiert. Es ist nachvollziehbar, dass dieser Ansatz ebenfalls nachteilig ist, weil er in vergrößertem Bauraum und in erhöhtem Gewicht der beteiligten Komponenten resultiert, was normalerweise auch zu einer geringeren Energieeffizienz führt. Manchmal ist die Erhöhung der Größe ebenfalls keine Option, wenn Größenbeschränkungen Anwendung finden.
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Daher ist eine verbesserte Lageranordnung erforderlich, die weniger anfällig für Verschleiß aufgrund von Winkelversatz ist.
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Diese Erfindung stellt daher eine zweckmäßige Lageranordnung bereit, die gegenüber Lageranordnungen, die aus dem Stand der Technik bekannt sind, verbessert ist.
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Zusammenfassung
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Es wird daher vorgeschlagen, eine Lageranordnung zu konzipieren, die eine Welle mit einer äußeren Umfangslagerfläche und eine Aufnahmevorrichtung mit einer inneren Umfangslagerfläche aufweist, wobei die Aufnahmevorrichtung die Welle in einer drehbaren Art und Weise mittels Verwendung von Lagerelementen, wobei zumindest ein neigbares Hülsenelement zwischen zumindest einer der Lagerflächen und den Lagerelementen angeordnet ist. Mit diesem vergleichsweise einfachen Design ist es möglich, die Lageranordnung so zu konzipieren, dass dieses in der Lage ist, einen Winkelversatz der Welle und der Aufnahmevorrichtung ohne Erhöhung der Kontaktlast in speziellen Oberflächenbereichen der Lagerelemente aufzunehmen (was sich insbesondere auf eine unebene Kontaktlast auf der entsprechenden Oberfläche bezieht). Dies ist insbesondere möglich, weil Einige, die Mehrheit oder im Wesentlichen alle Winkelabweichungen durch Neigen (und/oder Inklinieren, Schwenken, Schrägstellen, (inneres) Biegen, (inneres) Verkrümmen und/oder (inneres) Verdrehen) des Hülsenelementes ausgeglichen werden kann.
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Die folgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen und Beispiele der Erfindung beabsichtigt nicht die Erfindung auf diese bevorzugten Ausführungsbeispiele einzuschränken, sondern einen Fachmann in die Lage zu versetzen, die Erfindung nachzuarbeiten und zu verwenden.
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Darunter soll verstanden werden, das von Äquivalente der Erfindung, die für einen Fachmann einfach vorstellbar sind, angenommen wird, dass diese in der Beschreibung enthalten, von dieser umfasst oder offenbart sind. Darüber hinaus sind alle diese Ausführungsformen, Alternativen und Äquivalente durch den Umfang dieser Anmeldung umfasst, so lange sie unter den Umfang der beigefügten Ansprüche fallen.
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Insbesondere ist es möglich, gewisse hier beschriebene Aspekte Merkmale usw. der vorliegend vorgeschlagenen Lageranordnung zu kombinieren. Das betrifft insbesondere Kombinationen der Beschreibung von allgemeinen und bevorzugten Ausführungsbeispielen der vorliegend vorgeschlagenen Lageranordnung und/oder möglicherweise der detailliert beschriebenen Beispiele der vorliegend vorgeschlagenen Vorrichtungen.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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1: Fluid-Arbeitsmaschine gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel mit Lageranordnungen in schematischem Querschnitt;
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2: ein vergrößerter Querschnitt durch einen Bereich einer Lageranordnung der Fluid-Arbeitsmaschine nach einer ersten Ausführungsform; und
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3: ein vergrößerter Querschnitt durch einen Bereich einer Lageranordnung einer Fluid-Arbeitsmaschine nach einem bevorzugten zweiten Ausführungsbeispiel.
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Kurzbeschreibung
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Insbesondere, wenn wie vorliegend vorgeschlagen ein neigbares Hülsenelement verwendet wird, ist es normalerweise möglich, dass die Flächen, die direkt benachbart zu dem Bauraum sind, in welchem die Wälzelemente angeordnet sind (typischerweise Kugeln oder Rollen), „perfekt parallel” zueinander angeordnet werden können. Daher ist es normalerweise möglich, dass Standardlagerelemente, die bereits im Markt verfügbar sind, in Kombination mit der vorliegend vorgeschlagenen Lageranordnung verwendet werden und trotzdem eine Lageranordnung, die signifikant weniger anfällig für Winkelabweichungen ist, in einer kostengünstigen Art bereitgestellt werden kann. Es ist leicht nachvollziehbar, dass die Größe der Neigung/Verkippung gewisse Bereiche des neigbaren Hülsenelements entlang ihres Umfangs normalerweise unterschiedlich sein müssen. Dies kann einfach dadurch bereitgestellt werden, dass man ein etwas elastisches Material verwendet. Da das neigbare Hülsenelement in der Regel nicht groß sein muss (insbesondere in Dickenrichtung, d. h. in seiner Ausdehnung in einer radialen Richtung), können Metalle, insbesondere Metalle wie Kupfer, Messing, Stahl, Federstahl oder ähnliches zu diesem Zweck verwendet werden. Jedoch sind andere Materialien ebenfalls möglich. Um nur einige Beispiele zu nennen, es können einige elastische Materialien wie Plastik, Kunststoff, glasfaserverstärkte Kunststoffe (die Glasfasern/Kohlefasern verwenden) und ähnliches ebenfalls zu diesem Zweck verwendet werden. Davon abgesehen können die anderen Komponenten normalerweise eine Standardausgestaltung haben (einschließlich der Lagerelemente wie bereits angedeutet). Daher und ungeachtet der Vorteile der vorliegend vorgeschlagenen Lageranordnung, können Standardkomponenten die bereits auf dem Markt zur Verfügung stehen, verwendet werden, so dass die Gesamtkosten für die Lageranordnung sehr niedrig sein können. Darüber hinaus stellt das Konzept eine Art „Einklick-Lösung” bereit (auch wenn die ausgewählten Größen ein bisschen von den Größen der Komponenten abweichen, die „normalerweise” ausgewählt werden (d. h. insbesondere in Abwesenheit des neigbaren Hülsenelements)).
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist zumindest einer dieser neigbaren Hülsenelemente zwischen einer der Lagerflächen der Lagerelemente angeordnet. Erste Experimente haben gezeigt, dass das Anordnen des neigbaren Hülsenelements an dieser Stelle normalerweise die besten Resultate hervorbringt. Insbesondere ist es möglich, „im Wesentlichen perfekt ausgerichtete” Oberflächen für das Aufnehmen der Lagerelemente und/oder der Rollen oder Kugeln dieser Lagerelemente bereitzustellen. Auf diese Art und Weise kann Verschleiß der entsprechenden Lagermittel/Rollen/Kugeln normalerweise minimiert werden.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel kann erreicht werden, wenn das neigbare Hülsenelement zwischen der äußeren Umfangslagerfläche der Welle und der Lagerelemente angeordnet ist. Erste Experimente haben gezeigt, dass diese spezielle Position normalerweise vorteilhafter bezüglich Kompensation von Winkelversatz und/oder Verschleißreduzierung der Lagerbauteile aufgrund von Winkelversatz ist.
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Normalerweise wird bevorzugt, dass für die Lageranordnung zumindest für eine der Lagerflächen und/oder zumindest eine der Flächen des neigbaren Hülsenelements und/oder zumindest einer der Flächen der Lagermittel als bombierte Fläche ausgestaltet ist, bevorzugt in Kontakt mit einer im Wesentlichen flachen Oberfläche. Auf diese Art kann die Neigung durch eine Wälzbewegung einer bombierten Oberfläche auf einer planen Oberflächen „ausgeführt werden” (oder einer anderen benachbarten Oberfläche) oder – andersrum gesehen – durch eine Wälzbewegung einer flachen Oberfläche auf einer gewölbten Oberfläche. Auf diese Art ist eine insbesondere einfache Ausgestaltung möglich, die zudem sehr effektiv ist. Die gewölbte Oberfläche kann eine Krümmung aufweisen, die im Wesentlichen ein Kreissegment ist (gesehen als Querschnitt durch den entsprechenden Bereich der Vorrichtung). Trotzdem sind Abweichungen davon auch möglich. Insbesondere ist eine konvexe Kontur der gewölbten Oberfläche von im Wesentlichen jeder Art möglich, auch wenn typischerweise ein Kreissegment bevorzugt ist. Normalerweise ist es ausreichend, wenn eine bombierte Oberfläche bereitgestellt wird. Auf diese Weise kann die Herstellung der Lageranordnung und/oder des neigbaren Hülsenelements und/oder der Befestigungsvorrichtung und/oder der Welle sehr einfach sein. Für diesen Fall sind die verbleibenden Oberflächen (d. h. die verbleibenden (umfänglichen) Lagerflächen und/oder die verbleibenden Oberflächen der Lagermittel und/oder der verbleibenden Oberflächen des neigbaren Hülsenelements) ebene Flächen. Dies schließt nicht unbedingt aus, dass einige „gerundete Ecken”, konische Oberflächen usw. vorgesehen sind, oder dass möglicherweise einige Aussparungen oder Vorsprünge in einigen Bereichen vorgesehen sind (welche für einen einfacheren Zusammenbau der Vorrichtung und/oder zum Bereitstellen einer Labyrinthdichtung, einem Bewegungsanschlag in axialer Richtung, usw., verwendet werden können).
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel kann erzielt werden, wenn das neigbare Hülsenelement eine bombierte Oberfläche und eine (im Wesentlichen) ebene Oberfläche bevorzugt auf gegenüberliegenden Seiten des neigbaren Hülsenelements aufweist. Auf diese Weise kann der Herstellungsprozess der Lageranordnung noch weiter vereinfacht werden. Insbesondere können Standardkomponenten von „regulären Teilen” verwendet werden (reguläre Welle, reguläre Befestigungsbohrung, reguläre Lagermittel). Mit anderen Worten, der „spezielle Oberflächenteil” kann somit auf das neigbare Hülsenelement begrenzt werden, was normalerweise ein Zusatzteil ist, welches vorgesehen werden muss. Auf diese Art und Weise kommt die resultierende Lageranordnung so nah wie möglich an eine „Einschnapp-Lösung” heran. Sogar ein Nachrüsten wird möglich.
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Insbesondere wird vorgeschlagen, dass in dieser Lageranordnung die bombierte Fläche des neigbaren Hülsenelements einer Lagerfläche gegenüberliegt, während die im Wesentlichen ebene Oberfläche des neigbaren Hülsenelementes den Lagermitteln gegenüberliegt. Erste Experimente haben gezeigt, dass diese Anordnung insbesondere hinsichtlich eines geringen Verschleiß der Komponenten von Vorteil ist, in Kombination mit potentiell hohen erreichbaren Lagerlasten.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel kann erreicht werden, wenn die Abstützfläche äquivalent zur äußeren Umfangslagerfläche der Welle ist. „Diese Lagerfläche” ist vorliegend die, welche die Abstützoberfläche ist, welche der bombierten Oberfläche des neigbaren Hülsenelements gegenüberliegt. Dieses Anordnen der entsprechenden Dienste hat sich als insbesondere für die vorliegend vorgeschlagene Lageranordnung als vorteilhaft erwiesen, insbesondere hinsichtlich reduziertem Verschleiß.
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Ein noch stärker bevorzugtes Ausführungsbeispiel kann realisiert werden, wenn die äußere Umfangslagerfläche der Welle eine bombierte Oberfläche aufweist. Dies ist speziell dann der Fall, wenn die Lageranordnung und/oder die Vorrichtung (z. B. die Fluid-Arbeitsmaschine), für die die Lageranordnung verwendet wird, neu konzipiert wird (im Gegensatz zu einer Situation, in der die vorliegend vorgeschlagene Lageranordnung als eine „Einschnapp-Lösung” verwendet wird). Hierbei haben erste Bewertungen überraschenderweise gezeigt, dass wenn die bombierte Oberfläche auf der Welle angeordnet ist (d. h. die äußere umfängliche Lageroberfläche der Welle als bombierte Oberfläche ausgestaltet ist), die Gesamtkosten für die Lageranordnung niedriger sein können (möglicherweise niedriger im Vergleich zu der Situation, in der die bombierte Oberfläche auf dem neigbaren Hülsenelement bereitgestellt wird). Diese Gegebenheit kann auftreten, da die Welle sowieso eine Bearbeitung benötigt. Daher kann die Werkzeugmaschine (wenn verwendet) einfach programmiert werden, um eine bombierte Oberfläche in einem speziellen Teil der Welle bereitzustellen (typischerweise ohne die Welle in der Werkzeugmaschine neu zu spannen). Dies erweist sich oft als weniger kompliziert als das Bearbeiten des neigbaren Hülsenelements.
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Es wird vorgeschlagen, dass die bombierte Oberfläche der Welle bevorzugt einer im Wesentlichen ebene Oberfläche des neigbaren Hülsenelements gegenüberliegt. Auf diese Art kann das neigbare Hülsenelement mit seiner (bevorzugt im Wesentlichen ebenen) Oberfläche auf der bombierten Oberfläche, die auf der Welle vorgesehen ist, rollen und dabei das Neigen zum „perfekten Ausrichten” der Oberflächen, zwischen welchen die Lagermitteln eingeschlossen sind, ausführen (insbesondere ein Rollenlager oder ein Nadelrollenlager).
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Eine speziell einfache Anordnung der Lageranordnung kann realisiert werden, wenn das neigbare Hülsenelement zwei im Wesentlichen ebene Oberflächen aufweist, die bevorzugt parallel zueinander liegen. Solche Hülsen können normalerweise einfach erhalten werden, durch Ablängen eines Rohres in mehrere ringförmige Teile. Diese Ausführungsform einer Lageranordnung ist insbesondere dann zweckdienlich, wenn die bombierte Oberfläche auf der Welle angeordnet ist.
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Insbesondere ist es möglich, die Lageranordnung in einer solchen Art und Weise auszubilden, dass die Lagermittel ausgewählt werden aus der Gruppe aufweisend Nadelrollenlager, Rollenlager, Gleitlager und Kugellager. Es versteht sich, dass nicht nur eine Art von „im Wesentlichen geschlossenen” Lager möglich ist, bei denen die entsprechenden Lagerelemente (Nadeln, Rollen, Kugeln usw.) in Nuten von konzentrisch angeordneten ringähnlichen Strukturen in einer Art und Weise aufgenommen sind, dass im Wesentlichen keine Oberflächenteile der Lagerelemente (z. B. Rollen, Nadeln und Kugeln) in mechanischen Kontakt mit „äußeren Teilen” stehen. Stattdessen sind Lagermittel möglich, bei denen einige oder verlängerte Teile der entsprechenden Lagerelemente über andere Bauteile (z. B. durch eine Oberfläche des neigbaren Hülsenelements und/oder einer Oberfläche von einer der Lagerflächen) „mechanisch zugänglich” sind. Z. B. können die entsprechenden Lagerelemente nur durch Elemente in Position gehalten werden, die in seitlichen Bereichen (erstes und/oder letztes Teil der Lagermittel, gesehen in axialer Richtung) angeordnet sind, oder (im Wesentlichen) überhaupt kein Abstützelement enthalten können.
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Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform kann erreicht werden, wenn die Lagermittel ein Nadelrollenlager sind. In diesem Fall können die immanenten Vorteile und Merkmale der vorliegend vorgeschlagenen Lageranordnung besonders gut erkannt werden.
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Es wird weiter vorgeschlagen, die Lageranordnung so auszugestalten, dass die Länge des neigbaren Hülsenelements gleich der Länge der Lagermittel ist. Mit „Länge” ist typischerweise eine Ausdehnung in axialer Richtung bezeichnet. Bei Anwendung dieser Konstruktion kann nicht nur der Bauraum reduziert werden, sondern auch der Verschleiß, aufgrund einer axialen Bewegung der Welle relativ zum Befestigungsbereich, kann reduziert werden.
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Eine weitere bevorzugte Ausführungsform kann realisiert werden, wenn der Spalt zwischen der Welle und zurückgenommenen Bereichen der bombierten Oberfläche des neigbaren Hülsenelements so gewählt wird, dass die Kontaktlast zwischen der bombierten Oberfläche des neigbaren Hülsenelements und der Lagerfläche der Welle unterhalb der Fähigkeiten des Materials bleibt. Auf diese Art kann eine im speziell dauerhafte Lageranordnung realisiert werden.
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Noch eine weiter bevorzugte Ausführungsform kann erreicht werden, wenn die Lageranordnung als eine Lageranordnung für eine Fluid-Arbeitsmaschine ausgelegt wird. Hier können die Konstruktionsmerkmale der vorliegend vorgeschlagenen Lageranordnung ihre inhärenten Charakteristiken und Vorteile besonders gut zeigen.
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Insbesondere kann die Lageranordnung als eine Lageranordnung für hydraulische Fluid-Arbeitsmaschinen ausgebildet werden.
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Insbesondere kann die Lageranordnung in der Art ausgestaltet werden, um einen Winkelversatz der Welle und der Befestigungsvorrichtung ohne Erhöhen der Kontaktlast in bestimmten Oberflächenteilen der Lagermitteln zu erhöhen. Dieses Merkmal kann speziell durch Verwendung von einigen zuvor beschriebenen Konstruktionsmerkmalen allein und/oder in Kombination realisiert werden.
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Darüber hinaus wird eine Fluid-Arbeitsmaschine vorgeschlagen, die zumindest eine Lageranordnung der vorliegend vorgeschlagenen Art aufweist.
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In 1 ist eine Arbeitsmaschine 1 in Teilen in einem schematischen Querschnitt gezeigt. Die Fluid-Arbeitsmaschine 1 weist ein Gehäuse 3 auf, in welchem eine Kurbelwelle 2 derart angeordnet ist, dass diese bezüglich des Gehäuses 3 rotieren kann. Die Kurbelwelle 2 weist zwei Lagerstellen 4, 5 auf, an denen die Kurbelwelle 2 drehbar durch das Gehäuse 3 gelagert ist. In dem vorliegend gezeigten Ausführungsbeispiel weist die Lagerstelle 4 auf der linken Seite in 1 ein Nadelrollenlager 23 auf, während die Lagerstelle 5, welche auf der rechten Seite in 1 gezeigt ist, ein Kugellager aufweist (wobei das Kugellager vorliegend ein Standardbauteil ist, das im Stand der Technik bestens bekannt ist).
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Zusätzlich weist die Kurbelwelle 2 einen Exzenter 6 auf, auf dem ein Kolben 7 gleitend derart angeordnet ist, dass dieser eine Vor-Zurückbewegung in einer Kavität 8 zeigt, wenn die Kurbelwelle gedreht wird. Die Vor-Zurückbewegung des Kolben 7 und der Kavität 8 kann beispielsweise verwendet werden, um Hydrauliköl zu einem Hochdruckreservoir zu pumpen. Einzelheiten der Pump-Funktionalität sind vorliegend der Kürze halber nicht gezeigt, jedoch im Stand der Technik bestens bekannt und leicht durch einen Fachmann realisierbar.
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Ein Teil der Kurbelwelle 2, welche aus dem Gehäuse 3 hervorsteht, weist einen verzahnten Bereich 9 auf, zur drehfesten Verbindung mit anderen Komponenten (nicht gezeigt).
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Aufgrund von Toleranzen der verwendeten Komponenten zeigen die Mittelachse 10 der Kurbelwelle 2 und die Mittelachse 11 des Gehäuses 3 typischerweise einen Winkelversatz, so dass ein Winkel 12 zwischen ihnen vorhanden ist. Wenn die verwendeten Komponenten (insbesondere das Gehäuse 3, aber auch die Kurbelwelle 2 und andere Komponenten) mit höherer Genauigkeit hergestellt werden, kann der Winkel 12 kleiner gemacht werden. Jedoch ist die Herstellung mit höherer Genauigkeit teurer und daher unvorteilhaft. Darüber hinaus, abgesehen von Herstellungstoleranzen, kann ein Winkelversatz 12 der Kurbelwelle 2 auch durch mechanische Last, die über den Kolben 7 auf die Kurbelwelle 2 ausgeübt wird, entstehen, was in einer Durchbiegung der Kurbelwelle 2 resultiert. Da die mechanische Last in Abhängigkeit der vorliegenden Betriebsbedingungen variiert, variiert die Durchbiegung der Kurbelwelle und folglich die Größe des Winkels 12 in einer unvorhersehbaren Weise in Abhängigkeit der Betriebsbedingungen. Misslicherweise tritt ein erhöhter Verschleiß der Lagerstelle 4 (und möglicherweise der Lagerstelle 5), welche die Kurbelwelle drehbar unterstützt, auf, wenn ein etwas größerer Winkel 12 zwischen den beiden Mittelachsen 10, 11 vorhanden ist. Das kann der begrenzende Faktor für die Lebensdauer der Fluid-Arbeitsmaschine 1 sein. Frühzeitiges Versagen eines Lagers resultiert in teuren Reparaturen und wird von Kunden für die Langzeitanwendung oft nicht toleriert. Speziell Rollenlager und/oder Nadellager (wie derzeit für den Lagerpunkt 4 in 1 verwendet) sind anfällig für erhöhten Verschleiß, wenn ein Winkelversatz 12 zwischen den beiden Mittelachsen 10, 11 auftritt. Es wird darauf hingewiesen, dass rein für Darstellungszwecke der gezeigte Winkelversatz 12 übertrieben gezeichnet ist. So ein hoher Winkelversatz 12 tritt normalerweise in der Praxis nicht auf. Darüber hinaus ist die Krümmung der bombierten Oberfläche 20 der neigbaren Hülse 15 (gemäß dem vorliegend beschriebenen ersten Ausführungsbeispiel einer Lageranordnung 14) und die bombierte Oberfläche 32 der Kurbelwelle 35 (gemäß der vorliegend beschriebenen zweiten Ausführungsform einer Lageranordnung 31) ebenfalls übertrieben und dient rein dem Zweck der Darstellbarkeit (beides wird später im Detail beschrieben). Normalerweise ist die Krümmung kleiner.
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Für das Bereitstellen einer Lageranordnung 14 (vgl. auch 2, welche eine vergrößerte schematische Querschnittsansicht durch einen Teil der Lageranordnung 14 darstellt, welche an der „linken” Lagerstelle vorgesehen ist, die in 1 gezeigt ist), ist eine spezielle Anordnung mit zusätzlichen, neigbaren Hülse gewählt. Dadurch kann die resultierende Lageranordnung 14 sogar vergleichsweise hohe Winkelversätze 12 ohne eine übermäßige Erhöhung des Verschleißes tolerieren, auch wenn eine normalerweise sehr empfindliches Nadellageranordnung 23 gewählt wird (empfindlich bezüglich eines erhöhten mechanisches Verschleißes aufgrund des Winkelversatz 12).
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An der Lagerstelle 4 ist die drehbare Kurbelwelle mit einer äußeren Umfangsfläche 16 versehen die, gemäß dem vorliegend gezeigtem Ausführungsbeispiels einer Lageranordnung 14 als ebene Oberfläche erstellt ist (d. h. eine konvexe oder konkave Oberfläche gesehen in axialer Richtung ist nicht vorhanden; natürlich, wenn man entlang der Umfangsrichtung läuft, ist die betreffende Oberfläche konvex aufgrund der zylindrischen Form der äußeren Umfangsfläche 16). Darüber hinaus wird auf einer Seite der äußeren Umfangsfläche 16 ein Bereich 17 der Kurbelwelle 2 mit einem vergrößerten Radius verwendet, um eine Bewegung der neigbaren Hülse 15 in axialer Richtung „nach rechts” zu verhindern. Gleichzeitig ist auf der gegenüberliegenden Seite der äußeren Umfangsfläche 16 eine Nut 18 angeordnet, in welcher ein Sicherungsring 19 (oder ähnliche Vorrichtung) angeordnet sein kann. Der Sicherungsring 19 hindert die neigbare Hülse 15 an einer axialen Bewegung „nach links”.
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Die äußere Umfangsoberfläche 16 ist durch die neigbare Hülse 15 umgeben. Die neigbare Hülse 15 hat auf einer Seite eine bombierte Oberfläche 20 und auf der anderen Seite eine ebene Oberfläche 21 (gemäß dem vorliegend gezeigten ersten Ausführungsbeispiel). In dem vorliegend gezeigten Ausführungsbeispiel ist die bombierte Oberfläche 20 zur äußeren Umfangsoberfläche 16 ausgerichtet (d. h. zur inneren Seite der neigbaren Hülse 15), wobei die ebene Oberfläche 21 zur Außenseite der neigbaren Hülse 15 ausgerichtet ist und den Nadelrollen 22 des Nadelrollenlagers 23 gegenüberliegt.
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Das Nadelrollenlager 23 ist als teilweise offenes Nadelrollenlager ausgestaltet. Daher sind die Nadelrollen 22 in direktem, mechanischen Kontakt mit der ebenen Oberfläche 21 der neigbaren Hülse 15. Um die Nadelrollen 22 in ihren geeigneten Positionen zu halten, ist ein umgreifender äußerer Ring 24 vorgesehen. Der umgreifende äußere Ring 24 ist zwischen den Nadelrollen 22 und der inneren Umfangsfläche 25 des Gehäuses 23, welches an der Lagerstelle 4 der Fluid-Arbeitsmaschine 1 vorgesehen ist, angeordnet. Vorliegend sind beide Oberflächen (die radial gelegenen äußere und innere Oberfläche) des umfassenden Außenrings 24 des Nadelrollenlagers 23 und die innere Umfangsfläche 25 als ebene Oberflächen ausgebildet. Genauso sind die Nadelrollen 22 des Nadelrollenlagers 23 als „plane Zylinder” ausgebildet. D. h. sie zeigen keine konische Form. Der Vollständigkeit halber wird angemerkt, dass die Nadelrollen 22 einige axiale Fortsätze 26 aufweisen können (wie vorliegend der Fall), die mit dem umgreifenden Außenring 24 des Nadelrollenlagers 23 in Kontakt stehen. Insbesondere können Bohrungen in dem Umfangsaußenring 24 vorgesehen werden, so dass die Nadelrollen 22 in ihren geeigneten Positionen gehalten werden können, während sie weiterhin in der Lage sind zu rotieren. So eine Ausgestaltung ist für einen Fachmann leicht nachvollziehbar und weitere Details werden vorliegend der Kürze halber nicht beschrieben.
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Ähnlich zur Nut 18 mit einem eingesetzten Sicherungsring 19, welcher in Verbindung mit der Kurbelwelle 2 verwendet wird, zeigt das Gehäuse 3 zwei Nuten 18 in der Nähe der Lagerstelle 4, in welche Sicherungsringe 19 (und ähnliche Vorrichtungen) eingesetzt sind, um eine axiale Bewegung des Nadelrollenlagers 23 zu verhindern.
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Wie insbesondere aus 2 ersichtlich ist, ist die „axiale Länge” (axiale Erstreckung) der inneren Umfangsoberfläche 25 des Gehäuses 3, der äußeren Umfangsfläche 16, der Kurbelwelle 2, des Nadellagers 23 und/oder der neigbaren Hülse 15 (eine ringartige Struktur aufweisend; so dass es als neigbarer Hülsenring oder neigbarer Ring angesehen werden kann) im Wesentlich gleich. Daher ist im Wesentlichen keine axiale Bewegung der Kurbelwelle 2 relativ zum Gehäuse 3 vorgesehen und/oder möglich.
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Jedoch ist der Kraftabstützbereich 27 zwischen der bombierten Oberfläche 20 der neigbaren Hülse und der (flachen) äußeren Umfangsfläche 16 der Kurbelwelle 2 schmaler (gegenteilig dazu entsprechend die Ausdehnungen des Kraftabstützbereichs/Kontaktbereichs zwischen der neigbaren Hülse 15, der Nadelrolle 22, des umgreifenden Außenrings 24, des Nadelrollenlagers 23 und/oder der inneren Umfangsfläche 25 des Gehäuses 3 im Wesentlichen einander und/oder der axialen Länge der Lagerstelle 4). Außerhalb des Kraftabstützbereichs 27 (des Kontaktbereichs zwischen der neigbaren Hülse 15 und der äußeren Umfangsfläche 16 der Kurbelwelle 2) ist ein Spalt 28 auf beiden Seiten des Kraftabstützungsbereichs 27 vorhanden.
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Wenn ein Winkel 12 zwischen den Mittelachsen 10, 11 der Kurbelwelle 2 und des Gehäuses 3 auftritt, kann dieser Winkelversatz 12 mittels der neigbaren Hülse 15 kompensiert werden. Insbesondere wird die neigbare Hülse 15 mit ihrer bombierten Oberfläche 20 entlang der äußeren Umfangsfläche 16 der Kurbelwelle 2 in axialer Richtung rollen. Auf diese Weise kann die ebene Oberfläche 21 der neigbaren Hülse 15 und die Oberflächen der Nadelrollen 22 des Nadelrollenlagers 23 „perfekt ausgerichtet” parallel zueinander gehalten werden (selbstverständlich in Realität mit einigen kleineren Toleranzen, die normalerweise vorhanden sind). Wenn die bombierte Oberfläche entlang der äußeren Umfangsoberfläche 16 der Kurbelwelle 2 rollt, wird der Kraftunterstützungsbereich 27 entsprechend nach rechts oder nach links wandern (Ansicht der 2). Konsequenterweise wird sich die Größe (Höhe und/oder Länge) des Spaltes 28 auf der linken und der rechten Seite des Kraftabstützbereiches 27 ebenfalls ändern.
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Es wird darauf hingewiesen, dass sich aufgrund von geometrischen Erwägungen der notwendige Neigungswinkel der neigbaren Hülse 15 (bezüglich der äußeren Umfangsfläche 16) entlang des Umfangs des neigbaren Hülsenelements 15 bzw. der Kurbelwelle 2 ändert. Daher wird der Kraftabstützbereich 27 normalerweise keinen konventionellen Ring entlang der äußeren Umfangsfläche 16 der Kurbelwelle 2 bilden. Stattdessen wird er axiale Biegungen in axialer Richtung entlang seiner Umfangsfläche zeigen. Daher wird die neigbare Hülse 15 in sich selbst verdreht, wenn man entlang ihres Umfangs läuft. Daher hat man für die neigbare Hülse ein Material auszuwählen, das einen guten Kompromiss zwischen ausreichender Biegbarkeit und ausreichender Stabilität gegen mechanische Kräfte aufweist, die aufgrund von mechanischer Last auftreten, die auf die Lagerungsanordnung 14 einwirkt. Erste Experimente haben gezeigt, dass Stahl, insbesondere Werkzeugstahl und/oder Federstahl in der Lage ist, beide Anforderungen annehmbar zur selben Zeit zu erfüllen. Es soll noch einmal angemerkt werden, dass die Winkel 12 zwischen den Mittelachsen 10, 11 normalerweise vergleichsweise klein sind, so dass die erforderliche Fähigkeit zum Verwinden der neigbaren Hülse nicht besonders groß ist.
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Es ist für einen Fachmann leicht ersichtlich, dass die bombierte Oberfläche 20 aus einer großen Auswahl ausgewählt werden kann. In dem vorliegenden Beispiel folgt die bombierte Oberfläche 20 einem Kreissegment (auch wenn im Prinzip andere konvexe Formen gleichermaßen möglich sind). Darüber hinaus ist die bombierte Oberfläche so angeordnet, dass sie spiegelsymmetrisch zu der Mittelebene der neigbaren Hülse 15 ist (die in einem undeformierten Zustand ist). Jedoch können genauso nicht symmetrische Formen der bombierten Oberfläche 20 eingesetzt werden und können sich als vorteilhaft erweisen, insbesondere für spezielle Betriebsbedingungen.
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Ebenso können die Stellen (die Orte), wo die bombierte Oberfläche (oder auch eine Mehrzahl von bombierten Oberflächen) angeordnet ist (sind) abweichen von der zuvor beschriebenen ersten Ausführungsform einer Lageranordnung 14.
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Ein Beispiel hierfür ist gemäß einer zweiten Ausführungsform einer Lageranordnung 31 gezeigt und in 3 dargestellt. Solch eine Lageranordnung 23 ist als vergrößerte Schnittansicht eines Querschnitts durch die Lageranordnung 31 gezeigt. Die Lageranordnung 31 wird für eine Lagerstelle 30 (gemäß der zweiten Ausführungsform) verwendet, welche die Lagerstelle 4 ersetzt, die in den 1 und 2 beispielsweise gezeigt (und zuvor beschrieben) ist.
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Die 2 und 3 zeigen im Wesentlichen die gleiche Ansicht. Weiterhin sind die involvierten Teile im Wesentlichen die gleichen oder zumindest ähnlich zueinander. Für ein verbessertes Verständnis, ähnliche (oder auch gleiche) Teile werden mit identischen Nummern gezeigt. Dabei soll verstanden werden, dass identische Bezugszeichen nicht notwendigerweise bedeuten, dass die verwendeten Bauteile perfekt identisch sind. Stattdessen können kleine Abweichungen auftreten. Typischerweise ist der Zweck der entsprechenden Bauteile ähnlich oder der gleiche, wenn identische Bezugszeichen verwendet werden. Auch wenn verschiedene Bezugszeichen verwendet werden, können die entsprechenden Bauteile ähnliche Merkmale bis zu einem gewissen Ausmaß aufweisen.
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Gemäß der zweiten Ausführungsform einer Lageranordnung 31 und als größter Unterschied zu der ersten Ausführungsform einer Lageranordnung 14 ist die bombierte Oberfläche 32 der Lageranordnung 31 auf der äußeren Umfangsoberfläche 33 der Kurbelwelle 35 angeordnet (im Schnitt entlang der axialen Richtung der Kurbelwelle 35, in welcher die Lageranordnung 31 angeordnet ist). Diese Ausgestaltung erweist sich als die bevorzugte Ausführungsform, wenn die Fluid-Arbeitsmaschine 1 von Anfang an „neu ausgelegt” wird (d. h. vorherig konstruiert und/oder zuvor hergestellte Teile nicht unbedingt verwendet werden müssen). Es sollte beachtet werden, dass eine Bearbeitung der Kurbelwelle 35 (oder der Kurbelwelle 32 gemäß der ersten Ausführungsform) in (nahezu) jedem Fall notwendig ist. Während der Bearbeitung ist es normalerweise nicht sehr problematisch, eine bombierte Oberfläche im Bereich der Kurbelwelle, wo die Lageranordnung 31 angeordnet ist, vorzusehen. Normalerweise ist nur eine Änderung des Programms der Werkzeugmaschine dafür notwendig. Es sollte jedoch beachtet werden, dass (zumindest zu einem gewissen Ausmaß) keine „zuvor verwendete Bauteile” verwendet werden können, da die Größe und/oder die Ausgestaltung von zumindest einigen der Bauteile angepasst werden muss, um eine Fluid-Arbeitsmaschine gemäß der zweiten Ausführungsform zu erhalten.
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Entsprechend der bombierten Oberfläche 32, die entlang der äußeren Umfangsfläche 33 der Kurbelwelle 35 angeordnet ist, zeigt die neigbare Hülse 34 nun zwei ebene Oberflächen 21, die parallel zueinander angeordnet sind (und einander gegenüberliegen). In anderen Worten, die neigbare Hülse 34 hat die Ausgestaltung einer zylindrischen Trommel (mit begrenzter Dicke). So eine zylindrische Trommel ist normalerweise recht einfach herstellbar. Oftmals kann ein Rohr einfach in mehrere Ringe, ohne großen Bearbeitungsaufwand, geschnitten werden.
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Abgesehen des „umgekehrten Designs” (bezüglich der Anordnung der bombierten Oberfläche 32, die auf der Kurbelwelle angeordnet ist und in Kontakt mit der ebenen Oberfläche 21 der neigbaren Hülse 34 steht) kann die neigbare Hülse 34 weiterhin entlang der bombierten Oberfläche 32 rollen, und so eine „perfekte parallel-”Ausrichtung der ebenen Oberfläche, die das Nadelrollenlager 23 (oder ähnliche Lagermittel) umgibt, bereitstellen. Dies hat die zuvor beschriebenen Vorteile.
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Während die vorliegende Beschreibung bezüglich einer speziellen Ausführungsform davon dargestellt und beschrieben wurde, wird von einem einschlägigen Fachmann anerkannt werden, dass diverse Änderungen zu dieser Beschreibung erfolgen können, ohne von der Lehre und dem Umfang der vorliegenden Beschreibung abzuweichen.
