DE10309828A1 - Wälzlageranordnung - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Wälzlager mit einer Vielzahl umlaufender Wälzkörper und einer seitlichen Borde hierfür. Hierbei ist vorgesehen, daß die Borde wälzkörperstirnseitige Eintiefungen aufweist.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft das oberbegrifflich Beanspruchte und befaßt sich somit mit Lagern.
  • Lager sind bekannt. Sie dienen dazu, die Reibung zwischen einer drehenden Welle und einem festen Gehäuse oder dergleichen zu verringern. Dazu werden zwischen der Welle und dem sie tragenden festen Gehäuseelement oder dergleichen Körper wie Kugeln (Kugellager) oder Zylinder angeordnet, die drehfähig sind. Da sich bei der Drehung der Welle die drehfähigen Körper zumindest partiell mitdrehen, ist die Reibung der Welle bei ihrer Drehung relativ zum Gehäuse reduziert.
  • Unterschiedliche technische Anwendungen erfordern nun in verschiedene Richtungen optimierte Lager. Ein besonderes Problem tritt etwa dann auf, wenn die gelagerte Welle sich sehr schnell drehen soll. Dies ist etwa der Fall bei Abgasturboladern, wie sie in Verbrennungsmotoren eingesetzt werden. Da mit steigender Drehgeschwindigkeit die Reibung zunimmt, muß die Reibung zwischen den einzelnen Komponenten verringert werden. Prinzipiell können dazu reibungsvermindernde Fluide wie Schmieröle und dergleichen eingesetzt werden. Es gibt jedoch eine Reihe von Anwendungen, wo dies unerwünscht, unmöglich oder unzureichend ist. So verschlechtert sich etwa bei Abgasverdichtern das Emissionsverhalten wesentlich, wenn Schmiermittel eingesetzt werden. In anderen Fällen, wie bei Hochtemperaturbrennstoffzellen, in denen zugeführte Luft gleichfalls verdichtet werden muß, ist ein Schmiermittelzusatz z. B. gar nicht möglich.
  • Es ist daher bereits vorgeschlagen worden, eine Lageranordnung mit einem Luftkäfig auszubilden, bei welchem die Reibung der einzelnen Komponenten dadurch verringert wird, daß zwischen die Lagerkörper Luft eingepreßt wird.
  • Derartige Lager sind beispielsweise bekannt aus der DE 29 31 348 C2 , die ein Radial-Zylinderrollenlager zeigt, bestehend aus einem Lauf-ring mit an seinen beiden Enden vorgesehenen radialen Borden, die mit den Stirnflächen von Zylinderrollen, welche mit nur geringem gegenseitigen Abstand den Umfang des Lauf-ringes nahezu vollständig ausfüllen, zu deren Führung zusammenwirken und die sich radial mindestens bis zu dem Zylinder erstrecken, der durch die Berührungslinien aufeinanderfolgender Zylinderrollen geht, wobei am Laufring über den Umfang verteilte Zuführbohrungen für ein hydrostatisches Medium vorgesehen sind, wobei zwischen den vollen Stirnflächen sämtlicher Zylinderrollen und den angrenzenden Borden nur dünne Flüssigkeitsspalte vorhanden sind und die Zuführbohrun gen, deren Anzahl mindestens der Anzahl der Zylinderrollen entspricht, als Drosselbohrungen ausgebildet sind.
  • Mit einer solchen Anordnung soll der Gleitreibungsanteil in Lagern deutlich vermindert werden. Ein weiteres aerostatisches Lager ist aus der US-PS 48 87 914 bekannt. Weiter ist aus der DE 32 23 007 C2 ein mehrreihiges Zylinderrollenlager, vorzugsweise eine Stützrolle, bekannt, bestehend aus zwei konzentrischen Laufringen, die an beiden axialen Enden radiale, einander gegenüberliegende Borde aufweisen und zwischen denen Zylinderrollen abrollen, wobei der jeweils eine Bord eines Bordpaares eine zum anderen Bord hin offene Umfangsnut besitzt, in die ein an einer Umfangsstelle geschlitzter, sich unter Vorspannung am anderen Bord abstützender Dichtring mit allseitigem geringen Spiel eingreift, wobei einer der Laufringe in an sich bekannter Weise mit einer Bohrung für die Zuführung von Ölnebel versehen ist, wobei mindestens einer der Borde mehrere axial verlaufende Durchgangsöffnungen aufweist, von denen wenigstens einige mit entfernbaren Stopfen verschlossen sind, wobei die Durchgangsöffnungen in dem radialen Bereich zwischen der Laufbahn des zugehörigen Laufringes und dem Dichtring angeordnet sind.
  • Verwiesen sei auch noch auf die DE 198 35 261 A1 , betreffend ein weiteres aerostatisches Lager.
  • Obwohl bei derartigen Zylinderrollenlagern oder dergleichen wesentliche Verbesserungen durch die aerostatischen Käfige erreicht werden, machen es erhöhte Anforderungen erstrebenswert, die Verwendbarkeit von Lagern weiter zu verbessern. Solche Verbesserungen zielen auf eine Verkleinerung des Lagers bei gleichen Eigenschaften, die Verwendbarkeit von preiswerterem Material bei ansonsten gleichen Parametern, die Erhöhung der Traglast, der maximal zerstörungsfrei dauerhaft zu ertragenden Drehzahlen usw. Mit anderen Worten ist es wünschenswert, vorteilhafte Änderungen im Design zu ermöglichen.
  • Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, Neues für die gewerbliche Anwendung bereitzustellen.
  • Die Lösung dieser Aufgabe wird in unabhängiger Form beansprucht. Bevorzugte Ausführungsformen finden sich in den Unteransprüchen.
  • Die vorliegende Erfindung schlägt somit in einem ersten Grundgedanken ein Wälzlager mit einer Vielzahl umlaufender Wälzkörper und einer seitlichen Borde hierfür vor, bei welchem vorgesehen ist, daß die Borde wälzkörperstirnseitig eingetieft ist.
  • Es wird also zunächst vorgeschlagen, daß bei einem Wälzlager die Borde so strukturiert ist, daß die Wälzkörperstirn nicht vollflächig aufliegt. Dies kann wesentlich zu einer Verringerung der Friktion zwischen der Borde und dem Wälzlagerkörper führen. Bereits durch die Eintiefung wird also ein weiterer Designparameter zur Verfügung gestellt, der es ermöglicht, eine bessere Anpassung des Wälzlagerdesigns an jeweilige spezifische Anwendungen zu ermöglichen.
  • Bei dem Wälzlager wird es sich typisch um ein Luftkäfigwälzlager handeln, bei dem umfangsseitig Luft unter Druck in den Wälzkörperbereich zwischen Außenumfassung und Welle eingedrückt wird. Auf entsprechende Veröffentlichungen, die das genaue Prinzip solcher Anordnungen beschreiben, wird hingewiesen. Durch Bezugnahme vollumfänglich zum Teil dieser Offenbarung gemacht wird insbesondere die Veröffentlichung „Oil-free Roller bearing with aerostatic Cage for Turbocharger Applications Part 2: An experimental Study" von A. Wiebelt, A. Schulz und S. Wittig, 9th International Symposium on Transport Phenomena and Dynamics of Rotating Machinery, Honolulu, Hawaii, Februar 10-14-2002.
  • Besonders bevorzugt wird es sich um ein Wälzlager mit Fluidkäfig handeln. Es sei darauf hingewiesen, daß ein Luftkäfiglager für Zwecke der vorliegenden Erfindung auch dann als solches bezeichnet wird und auch dann von einem aerostatischen Wälzlager die Rede ist, wenn nicht Luft, sondern ein anderes, komprimierbares Fluid wie Helium oder dergleichen eingesetzt wird. Es sei erwähnt, daß insbesondere Spezialanwendungen eine Lagerung erfordern können, bei der weder herkömmliche flüssige Schmierstoffe noch oxidierbare oder oxidierende Gase zur Lagerung verwendet werden. Die Wälzlageranordnung der vorliegenden Erfindung wird für solche Fälle problemfrei verwendbar sein, wie dem Fachmann aus der gesamten Beschreibung unmittelbar einsichtig ist.
  • Typisch wird das Wälzlager für hochdrehende Anwendungen verwendet, wobei insbesondere Drehgeschwindigkeiten von wenigstens 12 000 U/min, bevorzugt über 20 000 U/min vorgesehen sind. Bei derartigen Drehgeschwindigkeiten wird die Reibung zwischen Wälzkörperstirn und Borde signifikant und die Eintiefungen können hier in größerem Maße zu einer Verbesserung beitragen. Die hohen Drehgeschwindigkeiten in Verbindung mit komprimierbaren Fluiden im Wälzkörperbereich erlauben das Aufschweben der Wälzkörperstirnseiten auf Fluidkissen, wobei das kissenbildende Fluid vom Wälzkörper bei dessen Bewegung über die Eintiefung hinweg in die Eintiefung hinein gedrückt wird. Der Wälzkörper, der sich über die Eintiefung hinweg bewegt, drängt also zunächst Luft oder ein anderes Fluid in die Eintiefung hinein und gleitet dann auf der so komprimierten Luft auf. Auf diese Weise ist die Reibung signifikant reduziert gegenüber selbst guten tribologischen Paarungen zwischen Wälzkörpern und Borden. Dies erlaubt es, bei gleicher Materialwahl höhere Drehzahlen zuzulassen, bevor ein Lagerversagen auftritt. Bei entsprechender Materialwahl hinsichtlich tribologischem und/oder Festigkeitsverhalten usw. kann durch die Erfindung noch eine weitere Drehgeschwindigkeitssteigerung erzielt werden. Es sei darauf hingewiesen, daß der Auflagerungs- bzw. Luftkisseneffekt bzw. das hierfür gehaltene Verhalten einer erfindungsgemäßen Wälzlageranordnung erst bei hinreichend schneller Bewegung der Wälzkörper über die Eintiefungen hinweg auftreten wird. Da aber die Reibungsverluste bei geringen Drehzahlen, bei welchen noch keine wesentlichen Effekte durch Fluidkompression und/oder Verdrängung etc. in die Ausnehmung bzw. Eintiefung hinein zu beobachten sind, klein sind, sind bei geringen Drehzahlen typisch auch keine Zerstörungen oder Betriebsbeeinträchtigungen zu erwarten. So kann eine Turbine wie bei einem Turbolader problemfrei über den Anlauf- bzw. Auslaufdrehzahlenbereich hinweg gefahren werden, ohne daß negative Effekte erwartet werden.
  • Typisch werden wenigstens sechs, bevorzugt zumindest acht Wälzkörper vorgesehen. Diese Zahlen erlauben eine sehr gleichmäßige Bewegung. In einem praktischen Ausführungsbeispiel liegen etwa zehn bis vierzehn Wälzkörper um den Umfang verteilt. Bei der Auslegung eines Wälzlagers kann bezüglich der Wälzkörperdimensionen usw. auf die Erfahrungen aus ande ren Lagern mit aerostatischem Käfig Rückgriff genommen werden.
  • Bevorzugt werden die Wälzkörper zwei ebene Stirnseiten aufweisen, die insbesondere parallel zueinander liegen können. Dabei schließt der Begriff „eben" auch solche Ausbildungen mit ein, an welchen eine Anfasung und/oder Balligkeit vorliegt. Es sind faßförmige, kegelstumpfförmige oder kegelförmige Wälzkörper mit der Erfindung verwendbar, falls dies gewünscht ist und eine entsprechende Lagerausbildung vorgesehen wird. Besonders bevorzugt ist es aber, als Wälzkörper Zylinderrollen zu verwenden. In einem Fall, in welchem die Wälzkörper zwei allgemein ebene Stirnseiten aufweisen, wird bevorzugt auf beiden Wälzkörperstirnseiten die seitliche Borde mit Eintiefungen profiliert sein, wobei bevorzugt jeweils die Eintiefungen so ausgebildet sind, daß sich das als bevorzugt gewünschte Verhalten ergibt.
  • Während es per se möglich ist, eine Eintiefung etwa als eine umlaufende Nut durchgehend auszubilden und gegebenenfalls in dieser weitere Vertiefungen punktuell vorzunehmen, ist es bevorzugt, wenn die Ausnehmungen untereinander fluidmäßig komplett separiert sind, also Fluid aus einer Ausnehmung in die nächste nur über einen nicht eingetieften Bordebereich strömen kann. In diesem Fall ergibt sich die gewünschte Reduktion des Reibungsverhaltens in besonderer Weise.
  • Die Ausnehmung bzw. Eintiefung ist bevorzugt so dimensioniert und/oder geformt, daß sie vom einzelnen Wälzkörper bzw. von dessen Stirnseite voll überdeckbar ist. Die Ausnehmung kann zudem eine Neigung zur Bordeebene aufweisen. Bevorzugt wird dabei, bei asymmetrischen Eintiefungen in der typischen Dreh richtung betrachtet, der Wälzkörper zunächst über einen weiter eingetieften dann und einen weniger tiefen Bereich der Eintiefung treten. Statt einer Neigung kann einsichtigerweise auch eine Abstufung oder dergleichen vorgesehen sein. Bei der Herstellung ergeben sich aber durch eine kontinuierliche Neigung Fertigungsvorteile, da so die Ausnehmungen etwa durch Funkenerosion vorgesehen werden können.
  • Die Neigung oder, bei Abstufung, gedachte Neigung wird typisch kleiner als 10° sein und insbesondere im Bereich zwischen über 0° und unter 5° liegen. Zu große Neigungen ergeben ein zu großes Volumen bei vernünftigen Eintiefungs-Oberflächen, was zu einem erst späten Einsetzen des Effektes führt, also nur bei sehr großen Drehzahlen eine Verminderung bringt. Bei zu geringen Neigungen ergibt sich ein zu empfindliches Luftkissen. Daß ein Plateau ohne Neigung im Eintiefungsbereich vorgesehen sein kann, sei aus Offenbarungsgründen erwähnt. Vorteilhafte genaue Ausbildungen der Neigung, Eintiefungsform etc. ergeben sich dem Fachmann aus der nachstehenden Beschreibung unter Berücksichtigung der gewünschten Lager-Anwendung etwa bezüglich Last, Material usw. durch Betrachtung der hydrodynamischen und hydrostatischen bzw. aerodynamischen und aerostatischen Eigenschaften der Anordnung zusätzlich zu anderen, üblichen Größen. Auf die Modellierbarkeit sei hingewiesen.
  • Die Ausnehmungen werden bevorzugt dicht beieinander angeordnet sein, wobei insbesondere der Abstand zwischen zwei Ausnehmungen kleiner sein wird als der Durchmesser der Wälzkörperstirn. Mit anderen Worten überstreicht der Wälzkörper Ausnehmung auf Ausnehmung praktisch ohne Unterbrechung. Besonders bevorzugt ist es, wenn der Abstand der Eintiefungen ge ringer ist als der Wälzkörperstirnradius. Es sei aber darauf hingewiesen, daß zu enge Ausnehmungen womöglich dazu führen können, daß sich der gewünschte Effekt nicht mehr in der für eine signifikante Verhaltensverbesserung erforderlichen Weise erzielen läßt, wenn die Ausnehmungen zu dicht beieinander liegen. Bevorzugt ist aber in jedem Fall, wenn die Anzahl aller Eintiefungen bzw. Ausnehmungen, die insbesondere gegeneinander separiert sind, größer als die Anzahl der Wälzkörper ist.
  • Die Erfindung wird im folgenden nur beispielsweise anhand der Zeichnung beschrieben. In dieser zeigt:
  • 1 eine abgewickelte Schnittansicht durch ein Wälzlager der vorliegendem Erfindung im Bordebereich,
  • 2 eine Draufsicht auf einen Ausschnitt einer Borde,
  • 3 eine Draufsicht auf ein Wälzlager von oben mit teilweise weggebrochener Borde,
  • 4 eine perspektivische Ansicht eines Wälzlagers der Erfindung.
  • Nach 1 umfaßt ein allgemein mit 1 bezeichnetes Wälzlager 1 eine Vielzahl umlaufender Wälzkörper 2a, von denen in 1 zwei, nämlich Wälzkörper 2a1 und 2a2, dargestellt sind und eine seitliche Borde 3 hierfür, wobei die Borde zur Wälzkörperstirn 2b hin Eintiefungen 4 aufweist.
  • Das Wälzlager 1 ist im vorliegenden Fall wie bevorzugt möglich aus Walzlagerstahl 100 Cr6 gebildet, der bereits gute tribologische Eigenschaften aufweist und preiswerter als die für die Zwecke der Erfindung gleichfalls verwendbaren Materialien, wie Keramik usw. ist. Das Wälzlager 1 ist dabei als per se bekannter aerostatischer Käfig gebildet, in den wie insbesondere in 3 ersichtlich, von der Umfangsseite her durch Einlaßbohrungen 1a Luft zwischen dicht aneinander liegenden Wälzkörpern 2a1, 2a2 einströmt, zwischen diesen durchtritt und nahe der gelagerten Welle 5 durch die Zwischenräume 6 zwischen den Zylinderkörpern und der Welle 5 austritt. Es bilden sich somit Druckkammern 7 zwischen den Wälzkörpern in per se bekannter Weise.
  • Die Wälzkörper 2 sind vorliegend zylinderförmig gebildet, wobei die Rollen leicht ballig und mit einer kleinen Fase ausgebildet sind, um im allgemein zylindrischen Wälzkörper das Auftreten kritischer Randspannungen zu vermeiden. Die Fase ist so klein gewählt, daß der zwischen einem Wälzkörper und der Außenlaufbahn entstehende Leckagespalt allenfalls gering ist, also die aerostatische Käfigwirkung nicht signifikant beeinträchtigt wird. Wie in den 3 und 4 zu erkennen, sind eine Vielzahl von Wälzkörpern, dargestellt etwa 10 ( 3) bzw. 14 (4), vorgesehen.
  • Die Borde 3 erstreckt sich nicht exakt bis zur Welle 5, sondern läßt zu dieser einen freien Bereich 8 offen. Die Breite der Borde ist jedoch so gewählt, daß mehr als die Hälfte der Wälzkörperstirn von der Borde 3 überdeckt ist, wie insbesondere aus 3 zu erkennen.
  • Die Eintiefungen 4 sind, wie in 2 gezeigt, dicht an dicht angeordnet. In der durch Pfeil 9 dargestellten Vorzugsdrehrichtung des Lagers ist jede Eintiefung 4 herstellungsbedingt mit sich in Laufrichtung ändernder Höhe geneigt ausge bildet. Die gewählte Form ist dabei nur beispielhaft als Halbrund gezeigt, da sich eine solche Ausbildung besonders leicht herstellen läßt. Einsichtigerweise wären andere Ausbildungen problemfrei realisierbar. Es ist ersichtlich, daß sich – wie möglich, aber nicht zwingend erforderlich – die Eintiefungen in Borde-Radial-richtung über mehr als die Hälfte einer Wälzkörperstirnfläche hin erstrecken, wie durch die strichpunktiert gezeichnete Wälzkörperstirn ersichtlich. In Laufrichtung ist jede Eintiefung an der breitesten Stelle kleiner als der Wälzkörperdurchmesser.
  • Die Eintiefung 4 ist geneigt, und zwar in einem Winkel α gegen die allgemeine Ebene der Borde 3 in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel 5°. (1 ist überhöht gezeichnet.) Die Anordnung wird verwendet wie folgt: Zunächst wird das Lager in geeigneter Weise mit der zu lagernden Welle an einem feststehenden Teil wie einem Maschinengehäuse, relativ zu welchem die Lagerung erfolgen soll, befestigt. Dann werden die Druckleitungen zur Versorgung des aerostatischen Käfigs angeschlossen.
  • Nun wird die Druckquelle in Betrieb gesetzt und die Drehbewegung der Welle in Rotationsrichtung eingeleitet. Durch den Borde-Rollen-Kontakt ergeben sich normal-orientierte Belastungen durch einen Axialschub, der aus Winkelfehlern zwischen der Welle und dem Lager resultiert, wobei die Winkelfehler sich entweder auf Grund von Einbautoleranzen und/oder im Betrieb durch rotordynamisch angeregte Rotorschwingungen ergeben können. Kontaktbedingt treten nun Reibungsverluste während des Anfahrens in per se gewohnter Weise auf.
  • Sobald die Rotationsgeschwindigkeit der Welle und damit auch die Umlaufgeschwindigkeit der Wälzkörper eine bestimmte kritische Grenze überschritten hat, treiben die mitumlaufenden Wälzzylinder Luft vor sich in großem Maße in die Eintiefungen 4 hinein. Bei diesem Eintreiben wird die Luft komprimiert und zugleich bewegt sich der Wälzzylinder immer weiter über die Eintiefung hinweg, bis schließlich die Eintiefung ganz abgedeckt ist. Die in die Eintiefung hinein verdichtete und komprimierte Luft führt dazu, daß die Stirnseite des Wälzzylinders nicht mehr auf der Borde reibt, sondern auf einem Luftkissen gleitet. Da durch die dichte Anordnung der Eintiefungen nahe beieinander dieser Prozeß quasi kontinuierlich erfolgt, erfolgt auch kein Taumeln oder dergleichen und es sind der Verschleiß und die Reibung signifikant reduziert. Es werden im Vergleich zu einem ansonsten identischen, aber an den Borden nicht eingetieften Wälzlager um 10 bis 15 % höhere Drehzahlen vor Bauteilversagen erreicht.

Claims (13)

  1. Wälzlager mit einer Vielzahl umlaufender Wälzkörper und einer seitlichen Borde hierfür, dadurch gekennzeichnet, daß die Borde wälzkörperstirnseitige Eintiefungen aufweist.
  2. Wälzlager nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß es als Fluidkäfigwälzlager ausgebildet ist.
  3. Wälzlager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es als Luftkäfigwälzlager ausgebildet ist.
  4. Wälzlager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es für Drehgeschwindigkeiten von wenigstens 12 000 U/min, insbesondere über 20 000 U/min ausgelegt ist.
  5. Wälzlager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest sechs, bevorzugt wenigstens acht, insbesondere bevorzugt zumindest zehn Wälzkörper vorgesehen sind.
  6. Wälzlager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Wälzkörper zwei ebene Stirnseiten haben, insbesondere zwei gleich große ebene Stirnseiten aufweisen und insbesondere zylinderförmig sind.
  7. Wälzlager nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß beidseits der Wälzkörper eine seitliche Borde mit Eintiefungen vorgesehen ist.
  8. Wälzlager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Eintiefungen durch fluidmäßig separierte Ausnehmungen gebildet sind, insbesondere derart, daß für die Fluidkommunikation von Ausnehmung zu Ausnehmung ein nicht eingetiefter Bordebereich von Fluid überströmt werden muß.
  9. Wälzlager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß vom Wälzkörper vollüberdeckbare Eintiefungen vorgesehen sind.
  10. Wälzlager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmungen eine Neigung zur allgemeinen Bordeebene aufweisen.
  11. Wälzlager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Neigung kleiner als 10° ist und insbesondere im Bereich über 0° und unter 5° liegt.
  12. Wälzlager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß dicht beieinander liegende Eintiefungen vorgesehen sind, insbesondere mit einem Abstand von Kante zu Kante kleiner als ein Wälzkörperstirndurchmesser, bevorzugt geringer als ein Wälzkörperstirnseitenradius.
  13. Wälzlager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der Ausnehmungen größer als die Wälzkörperzahl ist.
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