-
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.