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Wälzlager für hohe Drehzahlen Die Erfindung bezieht sich auf Wälzlager
für hohe Drehzahlen mit einem Innenring, einem Außenring und einem zwischen den
Ringen angeordneten Käfig für die Wälzkörper, der wenigstens eine ringförmige Ansatzfläche
aufweist, die Öl von einer Düse auffängt und zu den Oberflächen der Wälzkörper leitet.
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Die Schmierung von Wälzlagern dieser Art bietet bei hohen Drehzahlen
besondere Probleme. Wenn die Drehzahl ansteigt, wächst auch die Reibung, welche
durch die Bewegung des Käfigs und der Kugeln oder Rollen relativ zu den Ringen hervorgerufen
wird. Die Dicke des Käfighalters wird zur Aufnahme der Belastungen bei hohen Drehzahlen
verstärkt. Der Käfig kann so groß werden, daß er im wesentlichen den gesamten Raum
zwischen dem Innenring und dem Außenring ausfüllt. Dabei bleibt nur eine kleine
Öffnung, durch die Schmieröl in das Lager eingepreßt werden kann, damit die Stellen
geschmiert werden, an denen sich Metall mit Metall flächenhaft berührt. Diese Öffnung
ist bei hohen Drehzahlen so klein, daß die auf die Öffnung gerichteten Ölstrahlen
sehr genau gerichtet sein müssen, da sonst das Öl nicht in die Öffnung eintritt.
Aber selbst wenn der Ölstrahl sehr genau eingestellt ist, hat es sich gezeigt, daß
das Öl von der Öffnung nach außen spritzt. Übermäßiges Lagerspiel und bei einer
Bewegung des Lagers auftretende Kräfte führen dazu, daß das Öl von dem Lager abgelenkt
wird. Dies führt nicht nur zu einer unvollständigen Schmierung des Kugel- oder Rollenlagers,
sondern auch zu einem Verlust an dem dringend benötigten Schmieröl. Dies gilt insbesondere
für Wälzlager in Flugzeugen, bei denen die Umlaufgeschwindigkeit des Lagers größer
als die Geschwindigkeit des Ölstrahls ist. Diese unvollständige Schmierung führt
oft zum Ausfall des Lagers.
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Ein anderes Problem wird dadurch hervorgerufen, daß der Käfig des
Lagers auf dem Innenring gleitet. Nun ist infolge der Zentrifugalkräfte eine Schmierung
des Innenrings schwieriger als eine Schmierung des Außenrings. Bei hohen Umfangsgeschwindigkeiten,
z. B. bei über 1 Million dN, wobei d der Durchmesser der Bohrung in mm und N die
Anzahl der Umdrehungen pro Minute ist, wird eine außerordentlich große Reibung erzeugt.
Im allgemeinen tritt ein Ausfall des Käfigs an der dem Innenring zugewandten Seite
auf.
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Zur Lösung dieser Probleme wurde bereits vorgeschlagen, an dem Käfig
eine ringförmige Ansatzfläche anzubringen, die Öl von einer Düse auffängt und zu
den Oberflächen der Wälzlagerkörper leitet. Bei diesen bekannten Wälzlagern wird
aber das Öl den Wälzkörpern durch die Unterseite des Käfigrings zugeführt. Damit
Öl an die Oberseite des Käfigs gelangen kann, muß es durch die Zwischenräume zwischen
den Wälzkörpern und den Käfigöffnungen hindurchfließen. Da die Unterseite des Käfigrings
völlig flach ist, kann keine gleichmäßige Verteilung des Öls gewährleistet werden.
Ferner würde diese Anordnung bei hohen Drehzahlen den Nachteil zeigen, daß eine
große Menge des Öls aus dem Lager herausgespritzt wird. Der Versuch, die Unterseite
des Käfigrings so auszubilden, daß das Öl besser zu den Wälzkörpern geführt wird,
brachte keine befriedigende Lösung dieses Problems. Die Verwendung von Schmierfilzen
zur Verteilung des Öls auf den Umfang des Käfigs verbietet sich bei hohen Drehzahlen.
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Das Ziel der Erfindung liegt daher in der Schaffung eines Wälzlagers,
bei dem das Öl allen zu schmierenden Oberflächen der Wälzlager und des Käfigs gleichmäßig
und in der richtigen Menge zugeführt wird, auch wenn der Käfigring im wesentlichen
den gesamten Zwischenraum zwischen den Laufringen ausfüllt, und bei dem auch bei
hohen Drehzahlen vermieden wird, daß ein Teil des Öls vom Lager abgelenkt und vergeudet
wird.
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Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß der Käfig mit axialen
Öffnungen versehen ist, die mit der ringförmigen Ansatzfläche einen Sammelraum für
das Öl bilden, und daß im Käfig radiale und axiale Kanäle angebracht sind, die das
Öl von den axialen Öffnungen unmittelbar zu der Innen- und Außenfläche des Käfigs
und damit zur Oberfläche der Wälzkörper leiten.
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Der Sammelraum enthält stets eine ausreichende Ölmenge, so daß die
gleichmäßige Versorgung der
axialen und radialen Kanäle gesichert
ist. Die Kanäle gewährleisten, daß allen beanspruchten Stellen eine geregelte Ölmenge
zugeführt wird. Das Ausspritzen von Öl aus dem Lager wird verhindert, denn keiner
Stelle des Lagers kann mehr als die beabsichtigte Ölmenge zugeführt werden.
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Eine kritische Einstellung des Ölstrahls ist nicht erforderlich, und
es genügt die Anwendung einer einzigen Düse, so daß die Nachteile der mit vielen
Düsen arbeitenden Anordnungen vermieden werden.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung des Erfindungsgegenstandes besteht
darin, daß die Innenfläche des Käfigs mit wenigstens einer ringförmigen Nut versehen
ist, die mit den axialen Kanälen in Verbindung steht.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt.
Darin zeigt Fig. 1 eine teilweise geschnittene Ansicht eines Kugellagers, Fig. 2
einen Schnitt nach Linie 2-2 von Fig. 1 und Fig. 3 einen Schnitt nach Linie 3-3
von Fig. 1.
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In der Zeichnung ist mit dem Bezugszeichen 10 allgemein eine Welle
bezeichnet, auf welcher ein Kugellager 12 angebracht ist. Das Kugellager 12 ist
auf der Welle im Preßsitz oder auf ähnliche Weise befestigt, so daß sich der Innenring
14 gemeinsam mit der Welle 10 dreht. Der Innenring ist in zwei Hälften geteilt,
wie bei 15 angedeutet ist, um den Zusammenbau des Lagers zu ermöglichen. Im allgemeinen
drehen sich der Innenring 14 und die Welle 10 im Inneren eines Außenringes 16. Um
eine praktisch reibungslose Bewegung zwischen dem Innenring und dem Außenring zu
ermöglichen, sind sowohl auf dem Innenring als auch auf dem Außenring Laufbahnen
18 angebracht, in welchen Kugeln 20 angeordnet sind. Ein Kugelhalter oder Käfig
22 hält die Kugeln 20 auf den Laufbahnen 18 im Abstand voneinander, um die Belastung
gleichmäßig auf die Kugeln zu verteilen und eine Berührung zwischen den Kugeln zu
verhindern. Im allgemeinen wird der Kugelhalter oder Käfig 22 aus einem Stück hergestellt.
Wenn an Stelle eines geteilten Innenrings 14 ein massiver Innenring verwendet wird,
kann jedoch der Käfig auch aus zwei Hälften bestehen. Der Käfig 22 ist mit gewölbten
Kugelausdehnungen 24 versehen, deren Form an die der Kugeln 20 angepaßt ist.
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Das bisher beschriebene Kugellager entspricht der allgemein in der
Technik verwendeten Ausführung. Bei dieser würde Schmieröl normalerweise nicht in
das Innere des Lagers gelangen können, und es würde infolge der bei hohen Drehzahlen
auftretenden Zentrifugalkräfte verlorengehen. Um nun kein Öl zu verlieren, und um
es an die kritischeren Stellen im Inneren des Lagers zu leiten, ist der Käfig 22
mit einer ringförmigen Ansatzfläche 26 von bogenförmigem Querschnitt ausgestattet.
Die Ansatzfläche 26 ist bei der dargestellten Ausführung an beiden Seiten des Lagers
angebracht, jedoch ist zu bemerken, daß bei bestimmten Anwendungen nicht beide Ansatzflächen
benötigt werden, und es ist dementsprechend ganz allgemein beabsichtigt, daß die
erfindungsgemäße Anordnung entweder auf einer Seite oder auf beiden Seiten des Lagers
angewendet wird. Die Ansatzfläche ist so angeordnet, daß sie das Schmieröl von einer
Strahldüse 28 aufnimmt. Das Öl wird unter der Wirkung der Zentrifugalkraft nach
außen in die Ansatzfläche geschleudert, und es bildet sich ein ausreichender Druck,
um das Öl in einen Satz von axial gerichteten Öffnungen 29 zu drücken, welche in
den radialen Kanälen 30 enden. Ein weiterer Satz von axialen Kanälen 32 nimmt ebenfalls
Schmieröl aus der Unterseite der Ansatzfläche auf. Da das Öl infolge der bei einer
hohen Drehzahl des Lagers auftretenden Zentrifugalkräfte unter einem ausreichenden
Druck steht, wird es in die ringförmigen Nuten 34 gepreßt, welche sich mit den axialen
Kanälen 32 schneiden. Je nach den Anforderungen für die beim Betrieb des Lagers
auftretenden Bedingungen können eine oder mehrere Nuten 34 angebracht werden. Die
axial gerichteten Kanäle 32 leiten das Schmieröl nicht nur zu den Nuten 34, sondern
sie bewirken auch zusätzlich eine Zuführung von Schmieröl direkt zu den Kugeln 20
und den gewölbten Kugelausnehmungen 24. Es ist zu erkennen, daß die axial liegenden
Öffnungen 29 und 30 trichterförmig ausgeführt sind, so daß sie eine größere Eintrittsfläche
für das Schmieröl bieten. Dies ermöglicht die Aufnahme von mehr Öl in das Lager.
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Der Käfig 22 ist so ausgeführt, daß seine äußere Fläche 40 auf der
Innenfläche 42 des Außenrings 16 gleitet. An dieser Stelle werden gewöhnlich große
Reibungskräfte erzeugt, da dort eine Gleitbewegung stattfindet. Um diese Reibungskräfte
auf ein Mindestmaß herabzusetzen, wird Schmieröl aus den radial liegenden Kanälen
30 zu diesen Stellen geführt, wo sich Metall mit Metall in Berührung befindet. Dies
wird dadurch ermöglicht, daß die hohe Drehzahl des Lagers eine ausreichende Zentrifugalkraft
erzeugt, um das Öl nach außen zu schleudern.
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Das Schmieröl wird der Düse 28 mittels einer bekannten Pumpeneinrichtung
von einem Ölvorrat (nicht gezeigt) zugeführt. Während des Betriebs bei hohen Drehzahlen
wird der aus der Düse 28 kommende Ölstrahl so gerichtet, daß er auf die trichterförmigen
Öffnungen 29 und 31 trifft. Durch die Anbringung von trichterförmigen Öffnungen
29 und 31, wie in Fig. 1 gezeigt ist, wird mehr Öl in diese Öffnungen gelangen,
als dies bei normalen Öffnungen der Fall wäre. Es ist zu bemerken, daß die Größe
der Öffnungen in der Seite des Käfigs 22 begrenzt ist, da dieser starke Belastungen
aufnehmen muß. Durch die trichterförmige Aufweitung eines Teils der Öffnungen bei
29 und 31 in der gezeigten Weise wird die Festigkeit des Käfigs nicht wesentlich
herabgesetzt. Infolge der auf das Öl ausgeübten Zentrifugalkraft tritt das Öl in
die axial gerichteten Öffnungen 29 und in die radialen Kanäle 30 ein und es breitet
sich über die äußere Gleitfläche 40 des Käfigs aus. An dieser Stelle tritt zwischen
dem Käfig 22 und der Innenfläche 42 des Außenrings 16 eine Gleitbewegung auf, wodurch
eine Reibung erzeugt wird. Diese Reibung wird dadurch wesentlich herabgesetzt, daß
das Schmieröl an diese kritischen Stellen gebracht wird.
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Wie in Fig. 2 gezeigt ist, tritt das Öl in die trichterförmige Öffnung
31 von der Unterseite der Ansatzfläche 26 her ein. Das Öl dringt dann durch den
axial gerichteten Kanal 32 zu den Nuten 34. Die Nuten 34 bilden Sammelräume zur
Aufnahme des Schmieröls. Bei einer Drehung wird auf die Kugeln 20 ein Ölfilm aufgebracht,
wenn sie an den Nuten durch eine Schmierölschicht laufen. Auf diese Weise wird Öl
in der wirksamsten Weise zu den Kugeln geleitet. Die Ansatzfläche 26 verhindert
ferner, daß Öl unter der Wirkung der Zentrifugalkraft nach außen gespritzt wird,
so daß das meiste Öl in die Öffnungen 29 und 31 und von da in die Kanäle 30 bzw.
32 gelangt.
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Infolge dieser Ausführung werden alle kritischen Stellen des Käfigs
gleichzeitig geschmiert. Da der Käfig der kritischste Teil des Lagers ist, wird
die Drehzahl des Lagers praktisch durch ihn begrenzt. Mit der erfindungsgemäßen
Schmierung wird die
Lebensdauer des gesamten Lagers erhöht und es
werden höhere Drehzahlen möglich, welche bisher für undurchführbar angesehen wurden.
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Ferner wird durch die erfindungsgemäße Anordnung mit einem einzigen
Ölstrahl die gleiche Wirkung wie mit einer Schmierung mittels einer Vielzahl von
Ölstrahlen erreicht. Ferner kann eine Regelung der den kritischen Stellen zugeführten
Schmierölmenge dadurch erreicht werden, daß die Anzahl der Kanäle und Nuten vergrößert
oder verkleinert wird.