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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Lagervorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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In derartigen Lagervorrichtungen wird eine rotierende Welle, die mit einem drehbar gelagerten Rotor gekoppelt ist, mit einem Druckfluid versorgt. Dieses Druckfluid wird durch eine sogenannte Drehdurchführung von einem stationären Teil in den rotierenden Teil übertragen. Zu diesem Zweck erstreckt sich ein Fluidkanal axial durch den Rotor bis zu dessen Auslassende, an welches die Welle gekoppelt ist.
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Ein grundlegendes Problem solcher Drehdurchführungen ist stets deren Abdichtung zwischen dem feststehenden und dem rotierenden Teil. Bei einer bekannten Ausführungsform wird hierzu der Fluiddruck als Schließdruck genutzt, der auf einen Stator wirkt, welcher gegen das Einlassende des Rotors gedrückt wird, so dass Stator und Rotor auf entsprechenden Gleitflächen aufeinander gleiten. Der Stator weist auf seiner dem Rotor abgewandten Seite zumindest eine Druckfläche auf, auf welche das Druckfluid wirkt. Hierdurch wird der Stator axial gegen den Rotor gedrückt.
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Die hierbei wirkenden axialen Kräfte müssen vom Rotor und seinen Lagern aufgenommen werden. Die Lager müssen daher entsprechend dimensioniert werden, und ihre Lebensdauer wird durch die eingeleiteten Kräfte verkürzt. Dieses Problem verschärft sich mit steigenden Anforderungen an die Belastbarkeit der Lagervorrichtung, etwa in Motorfrässpindeln mit sehr hoher Drehzahl, welche hohe Fluiddrücke erfordern.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Lagervorrichtung der eingangs beschriebenen Art so zu verbessern, dass eine Entlastung des Lagers des Rotors möglich ist und auch bei hohen Fluiddrücken eine übermäßige Last des Lagers vermieden wird. Auf diese Weise soll die Lebensdauer der Lagervorrichtung verbessert werden, und es soll möglich sein, das Lager einfacher und kostengünstiger konstruieren und dimensionieren zu können.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Lagervorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Erfindungsgemäß umfasst die Lagervorrichtung zumindest eine Gegendruckfläche zur zumindest teilweisen Kompensation des Schließdrucks. Diese liegt der Druckfläche, über welche der Schließdruck in der oben beschriebenen Weise ausgeübt wird, axial gegenüber und ist ebenfalls mit dem Fluiddruck beaufschlagbar. Hierdurch wird der Fluiddruck von der Seite der Welle in Richtung des Stators auf den Rotor übertragen. Der Fluiddruck liegt somit gleichermaßen an der Druckfläche und der Gegendruckfläche an. Bei entsprechend dimensionierten Flächenverhältnissen kann der Schließdruck vollständig kompensiert werden. Die Lager für den Rotor müssen daher in diesem Fall nicht zur Aufnahme sehr hoher axialer Lasten ausgelegt sein, während gleichzeitig die Lebensdauer der gesamten Lagervorrichtung erhöht wird. Durch die kleinere Dimensionierung und vereinfachte Konstruktion der Lager ist ferner eine Kostenersparnis möglich.
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Vorzugsweise sind die Druckfläche und/oder die Gegendruckfläche Ringflächen, die sich um den Fluidkanal herum erstrecken.
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Weiter vorzugsweise werden mehrere Druckflächen und/oder mehrere Gegendruckflächen jeweils durch radial aneinander angrenzende und axial gegeneinander versetzte Ringflächen gebildet. Es muss also nicht eine einzige kontinuierliche Druckfläche oder Gegendruckfläche vorhanden sein, sondern die jeweilige Fläche kann in sich axial abgestuft sein und sich somit aus unterschiedlichen Flächenteilen zusammensetzen, die in der Summe die Wirkfläche für den Fluiddruck in der entsprechenden Richtung bilden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist das der Welle zugewandte Kopplungsende des Rotors in eine Dichthülse eingefasst, die innen eine ringförmige Fluidkammer begrenzt und zum Rotor hin durch eine am Kopplungsende vorgesehene Druckfläche begrenzt wird. Der innerhalb dieser ringförmigen Fluidkammer wirkende Fluiddruck wirkt somit in Richtung des Rotors auf eine Gegendruckfläche. Die Dichthülse hingegen kann auf der Umfangsoberfläche des Rotors axial verschiebbar sein.
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Weiter vorzugsweise ist die Welle in diesem Fall axial in das Kopplungsende einschiebbar, wobei während des Einschubs die Dichthülse auf das Kopplungsende aufgeschoben wird.
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Im Folgenden wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert.
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Die einzige Figur zeigt einen Längsschnitt durch eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lagervorrichtung.
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Die in der Figur dargestellte Lagervorrichtung 10 umfasst ein äußeres Gehäuse 12, einen in dem Gehäuse 12 drehbar gelagerten Rotor 14 und eine Welle 16, mit welcher der Rotor 14 drehmomentfest gekoppelt ist. Der Rotor 14 und die Welle 16 sind somit um eine gemeinsame Achse A drehbar. Zur Lagerung des Rotors 14 innerhalb des Gehäuses 12 sind Kugellager 18, 20 vorgesehen.
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Das in der Figur links angeordnete Ende des Rotors 14, welches ein entsprechendes Ende 22 der Welle 16 aufnimmt, soll im Folgenden als Kopplungsende 24 bezeichnet werden. Dieses Kopplungsende 24 ragt aus einer zur Welle 16 hin offenen Seite des Gehäuses 12 heraus. An der gegenüberliegenden Seite des Rotors 14 liegt ein Stator 26 an, der drehfest innerhalb des Gehäuses 12 positioniert ist. Das der Welle 16 gegenüberliegende Ende des Rotors 14 und das dem Rotor 14 zugewandte Ende des Stators 26 sind jeweils mit Gleitflächen 28, 30 versehen, die während der Rotation des Rotors 14 in Bezug auf den Stator 26 aufeinander gleiten.
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Zur Durchleitung eines Druckfluids durch den Stator 26 und den Rotor 14 in Richtung der Welle 16 dient eine Drehdurchführung mit einem Fluidkanal 32, der sich axial von einem der Welle 16 abgewandten Einlass 34 her axial durch den Stator 26 und den Rotor 14 bis zum Kopplungsende 24 erstreckt. Wird der Einlass 34 mit dem Druckfluid beaufschlagt, dringt dieses axial durch den Stator 26 und den Rotor 14 bis zur Welle 16.
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Die Gleitflächen 28 und 30, an welchen der Rotor 14 und der Stator 26 aneinander anliegen, sind so ausgeführt, dass das Fluid aus dem Kanal 32 nicht in radialer Richtung zwischen den aufeinander aufliegenden Gleitflächen 28 und 30 in den Innenraum 35 des Gehäuses 12 eindringen kann, der sich ringförmig um das dem Stator zugewandte Ende des Rotors 14 und den Stator 26 herum erstreckt. Hierzu muss an den Gleitflächen 28 und 30 ein gewisser Schließdruck ausgeübt werden, durch welchen der Rotor 14 und der Stator 26 gegeneinander gedrückt werden. Zu diesem Zweck weist der Stator 26 an der dem Rotor 14 abgewandten Seite eine Druckfläche 36 auf, die sich ringförmig um den Fluidkanal 32 herum erstreckt. Das Druckfluid wirkt auf die Druckfläche 36 und übt einen axialen Druck auf den Stator 26 in Richtung des Rotors 14 aus, durch welchen der Stator 26 gegen den Rotor 14 gedrückt wird. Der Stator 26 kann zu diesem Zweck geringfügig axial verschiebbar im Gehäuse 12 gehalten sein.
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Über den Stator 26 wird somit der Schließdruck des Druckfluids, der auf die Druckfläche 36 wirkt, auf den Rotor 14 und somit auf die Lager 18 und 20 übertragen.
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Erfindungsgemäß wird dieser axial in Richtung der Welle 16 wirkende Schließdruck zumindest teilweise kompensiert, nämlich durch Gegendruckflächen am Rotor 14, die der Druckfläche 36 des Stators 26 axial gegenüber liegen und auf welche der Fluiddruck ebenfalls wirkt. Bei der vorliegenden Ausführungsform handelt es sich um zwei ringförmige Gegendruckflächen 38, 40, die am Stator angebracht sind und um den Fluidkanal 32 herum erstrecken. Im Einzelnen sind dies eine äußere Gegendruckfläche 38 am Kopplungsende 24 des Rotors 14 und um eine innere Gegendruckfläche 40, die im Rotor 14 angeordnet ist und durch eine Abstufung des Fluidkanals 32 gebildet wird. Der Fluidkanal 32 erweitert sich während seines axialen Verlaufs vom Stator 26 in Richtung des Kopplungsendes 24 stufenweise nach außen, so dass er innerhalb des Rotors 14 einen axialen Abschnitt 42 kleineren Durchmessers und einen sich daran anschließenden axialen Abschnitt 44 größeren Durchmessers aufweist. Am Übergang zwischen dem axialen Abschnitt 42 kleineren Durchmessers zum axialen Abschnitt 44 größeren Durchmessers wird die ringförmige Gegendruckfläche 40 gebildet.
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Das Kopplungsende 24 ist in eine Dichthülse 46 eingefasst, die auch das Ende 22 der Welle 16 aufnimmt, und zwar auf solche Weise, dass das Ende 22 der Welle 16 in das Kopplungsende 24 des Rotors 14 einschiebbar ist und währenddessen die Dichthülse 46 auf die äußere Umfangsfläche 48 des Kopplungsendes 24 aufgeschoben wird. Dies ist in der Figur derart dargestellt, dass der oberhalb der Achse A befindliche Teil der Lagervorrichtung die Dichthülse 46 und die Welle 16 in nur teilweise aufgeschobenem Zustand zeigt, während im unteren Teil die Welle 16 mit der Dichthülse 46 vollständig auf das Kopplungsende 24 aufgeschoben sind. Das Ende 22 der Welle 16 ist mit einer Anzahl von Abflachungen 50 auf seinem äußeren Umfang versehen, die an entsprechenden, nicht näher dargestellten Abflachungen, Abstufungen oder dergleichen am inneren Umfang des Kopplungsendes 24 angreifen, so dass ein formschlüssiger Eingriff zwischen dem Ende 22 der Welle 16 und dem Kopplungsende 24 des Motors 14 erreicht wird. Eine axiale Verschiebbarkeit dieser in Umfangsrichtung aneinander angreifender Angriffsflächen bleibt gewährleistet.
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Die Dichthülse 46 begrenzt innen eine ringförmige Fluidkammer 52 zwischen der Wand der Dichthülse 46 und der Außenfläche des Endes 22 der Welle 16. In axialer Richtung zum Rotor 14 hin wird diese Fluidkammer 52 durch die Gegendruckfläche 38 an der der Welle 16 zugewandten Stirnseite des Kopplungsendes 24 begrenzt. Das Druckfluid kann durch den Fluidkanal 32 am Kopplungsende 24 in die Fluidkammer 52 eintreten, da der Eingriff zwischen dem Ende 22 der Welle 16 und dem Kopplungsende 24 des Rotors 14 nicht fluiddicht ausgestaltet ist, sondern lediglich die Dichthülse 46 einen Austritt des Druckfluids radial auf die Außenseite der Welle 16 bzw. des Kopplungsendes 24 verhindert. Zu diesem Zweck ist die Dichthülse 46 innen mit einer entsprechenden Ringdichtung 54 versehen, die auf dem äußeren Umfang 48 des Kopplungsendes 24 aufliegt.
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Der Fluiddruck, der durch das Druckfluid ausgeübt wird, kann somit im Inneren des Rotors 14 auf die Gegendruckfläche 40 und in der Fluidkammer 52 innerhalb der Dichthülse 46 auf die Gegendruckfläche 38 am Kopplungsende 24 des Rotors 14 wirken. Da diese Gegendruckflächen 38 und 40 der Druckfläche 36 am Stator 26 gegenüberliegend angeordnet sind, können die Gegendruckflächen 38 und 40 den Schließdruck, der über die Druckfläche 36 wirkt, zumindest teilweise kompensieren. Zu diesem Zweck sind die Flächenverhältnisse zwischen der Druckfläche 36 einerseits und den Gegendruckflächen 38 und 40 andererseits entsprechend einzustellen bzw. auszubilden. Sind die Gegendruckflächen 38 und 40 in der Summe gleich der Druckfläche 36, findet eine vollständige Kompensation des Schließdrucks statt. Der Fluiddruck übt dann keine in axialer Richtung entlang der Achse A wirkende Kräfte mehr auf den Rotor 14 aus.
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Bei der vorliegenden Ausführungsform weist die ringförmige Druckfläche 36 einen Außendurchmesser d2 und einen Innendurchmesser d1 auf. Auf der gegenüberliegenden Seite des Rotors 14 weist die radial innere Gegendruckfläche 40 einen inneren Durchmesser d1 auf, und die radial äußere ringförmige Gegendruckfläche 38 weist einen äußeren Durchmesser d2 auf, während der Innendurchmesser der äußeren Gegendruckfläche 38 dem Außendurchmesser der Gegendruckfläche 40 entspricht. In der Gesamtheit ergibt sich somit eine vollständige Flächenkompensation durch die Gegendruckflächen 38 und 40 in Bezug auf die Druckfläche 36.
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Während im vorliegenden Ausführungsbeispiel die Gegendruckflächen 38 und 40 unmittelbar am Rotor 14 angeordnet sind, ist es im Rahmen der vorliegenden Erfindung auch möglich, die Gegendruckflächen 38 und 40 an einem zusätzlichen, hier nicht dargestellten Element vorzusehen, das von der Seite der Welle 16 her am Rotor anliegt und eine oder mehrere Gegendruckflächen trägt. Die Gegendruckflächen können auch teils am Rotor selbst, teils an ein einem solchen zusätzlichen Element angeordnet sein.
