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Lager für den Triebflansch von Axialkolbenmaschinen (Pumpen oder Motoren)
Die Erfindung betrifft ein mehrreihiges Zylinderrollenaxiallager zwischen dem mit
der umlaufenden Zylindertrommel gekuppelten Triebflansch und dem Maschinengehäuse
von Axialkolbenmaschinen (Pumpen oder Motoren), dessen gehäuseseitiger Laufring
dem hydraulischen Arbeitsdruck auf der Hochdruckseite der Maschine ausgesetzt ist.
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Die Entwicklung dieser Axialkolbenmaschinen verläuft in Richtung nach
immer höheren Drehzahlen und höheren Betriebsdrücken. Die damit zusammenhängende
zunehmende Beanspruchung der Triebflanschlager ist ein maßgebender Faktor für die
Lebensdauer und Betriebssicherheit der ganzen Maschine. Mit den handelsüblichen
Axiallagern ist die Gewährleistung einer ausreichenden Lebensdauer bei den heute
geforderten Drehzahlen und Drücken nicht möglich.
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Besser geeignet sind die inzwischen entwickelten mehrreihigen Zylinderrollenaxiallager.
Bei diesen Lagern ist eine größere Anzahl zylindrischer Lagerrollen strahlenförmig
in mehreren zueinander konzentrischen Reihen unterschiedlicher Durchmesser in einem
gemeinsamen Rollenkäfig zwischen zwei plan geschliffenen Laufringen angeordnet.
Von nachteiligem Einfluß auf die Lebensdauer derartiger Lager ist die meistens nicht
gleichmäßige Belastung aller Rollen in den verschiedenen Reihen sowie die hohe Umfangsgeschwindigkeit
und Eigendrehzahl der Zylinderrollen in den radial außenliegenden Laufbahnen. In
den äußeren Laufbahnen treten infolgedessen größere Wärmedehnungen und damit höhere
spezifische Pressungen und damit frühzeitigere Ermüdungserscheinungen auf als in
den weiter innen liegenden Laufbahnen.
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Es sind Längslager bekanntgeworden, die mit einem konstanten Druck
hydraulisch oder pneumatisch abgestützt werden. Die Welle ist hierbei mit einem
gewissen Axialspiel ausgestattet. Die Lastverteilung auf das Lager wird am Ende
des vorgesehenen Längsspiels ungleich oder sogar statisch unbestimmt.
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Aus diesen Gründen und wegen der sperrigen, teuren Bauweise ist eine
solche Anordnung für Druckflüssigkeits-Axialkolbenmaschinen ungeeignet.
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Bei einem anderen bekannten Lager werden die auftretenden Längskräfte
ganz durch vom Arbeitsdruck der Pumpe oder des Motors abhängige, hydraulische Längslagerstützkräfte
aufgenommen.
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Diese Anordnung erfordert besondere Maßnahmen zur Verhinderung von
Axialspiel der Welle, wobei die Lastverteilung statisch unbestimmt werden kann und
ein zusätzlicher kostensteigernder Bauaufwand in Kauf genommen werden muß. Bekannte
hydraulisch abgestützte Längsgleitlager sind für hohe Drehzahlen unbrauchbar, da
sie empfindlich gegen Fremdkörper und Temperaturschwankungen sind und einen dauernden
Leckölverlust verursachen, der den Wirkungsgrad vermindert.
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Alle diese Nachteile werden durch das erfindungsgemäße Lager vermieden,
bei dem nur ein Teil der auftretenden Längskräfte über Wälzkörper auf eine gehäusefest
angeordnete Laufbahn spielfrei übertragen wird, während der Rest der Längskräfte
über radial oder axial versetzt und nachgiebig angeordnete Wälzkörperlaufbahnen
hydraulisch und vom Arbeitsdruck der Betriebsflüssigkeit abhängig übertragen wird.
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Die Spielfreiheit wird dadurch gewährleistet, daß die hydraulischen
Kräfte stets kleiner sind als der kleinste Axialschub der Triebwelle, so daß auch
bei Ausschwenkung der Zylindertrommel der Axialkolbenmaschine kein Abheben des gehäusefest
anliegenden Laufringes möglich ist.
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Große Vorteile ergeben sich dabei dadurch, daß bei Verwendung handelsüblicher
mehrreihiger Zylinderrollenlängslager, durch geeignete konstruktive Festlegung der
Größe der hydraulischen Stützkräfte, die einzelnen Rollenbahnen so beansprucht werden
können, daß die Lebensdauer der äußeren Bahnen nicht kleiner ist als die der inneren.
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Das gleiche gilt auch für mehrere konzentrisch angeordnete Zylinderrollenlängslager
verschiedenen Durchmessers.
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Durch die Nachgiebigkeit der hydraulischen Abstützung werden in beiden
Fällen solche Lager unempfindlicher gegenüber Durchmessertoleranzen der einzelnen
Rollen.
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Noch vorteilhafter wirkt sich die axiale Versetzung der einzelnen
Wälzkörperlaufbahnen aus, da es dabei
möglich ist, mehrere Laufbahnen
kleinen Durchmessers unterzubringen.
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Mit einem solchen Lager können die höchsten Drehzahlen und lange Lebensdauer
erreicht werden, da die Umfangsgeschwindigkeit und die überrollungszahl der Wälzkörper
geringer ist.
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Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß ein gehäusefester Anschlag
vorgesehen, auf welchen sich der gehäuseseitige Laufring des Zylinderrollenlagers
im radialen Bereich nur-einer Zylinderrollenreihe abstützt. Im Bereich der übrigen
Rollenreihen wird der dem Triebflansch abgekehrte Laufring durch je einen dem hydraulischen
Arbeitsdruck auf der Hochdruckseite der Pumpe oder des Motors ausgesetzten Ringkolben
für jede Rollenreihe gegen diese gedrückt. Bei ungerader Anzahl von Rollenreihen
ist es zweckmäßig, die Anordnung so zu treffen, daß sich der Laufring im radialen
Bereich der mittleren Rollenreihe auf dem gehäusefesten Anschlag abstützt.
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Man kann diese Wirkung mit einem durchgehenden Laufring für sämtliche
Rollenreihen erzielen, indem sich dieser Laufring unter den auf ihn einwirkenden
hydraulischen Kräften entsprechend elastisch verformt. Man kann in weiterer Ausbildung
der Erfindung aber auch den dem Triebflansch abgekehrten Laufring in je einen gesonderten
Teilring für jede Rollenreihe aufteilen. Diese Aufteilung hat zusätzlich noch den
Vorteil, daß man nicht mehr alle Rollenreihen in der gleichen Radialebene anzuordnen
braucht. Es können viehmehr die äußeren Rollenreihen auf einem kleineren Laufbahndurchmesser
untergebracht werden, wodurch die zulässige Höchstdrehzahl heraufgesetzt werden
kann.
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Zu diesem Zweck kann man beispielsweise zwei Rollenreihen' auf gleichem
Radius, axial gegeneinander versetzt, vorsehen, wobei sich dann der dem Triebflansch
abgekehrte Laufring der einen Rollenreibe auf dem gehäusefesten Anschlag und der
andere auf einem Ringkolben abstützt.
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In jedem Falle erfolgt die Anpressung aller Rollenreihen, bis auf
eine sich auf einem gehäusefesten Anschlag abstützende und die Axialstellung des
Triebflansches festlegende Rollenreihe, abhängig von dem in der Maschine wirksamen
ßefriebsdruck.
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Bekanntlich ist die Größe der auf die Axiallager eines Triebflansches
7 einer @Axialkolbenmaschine wirkenden Axialkraft abhängig von der Summe der vonder
Arbeitskolben- hervorgerufenen hydraulischen Kräfte und von der Größe des Winkels,
um den die Zylindertrommel gegenüber der Mittellinie des Triebflansches verschwenkt
ist. Bei-Maschinen mit zwecks Veränderung der Fördermenge oder Schluckfähigkeit
pro Üindreliung verstellbarem Schwenkwinkel ist die Axialkraft also nicht allein
vom Arbeitsdruck, sondern auch vom Schwenkwinkel abhängig. Dieser Tat-Sache. wird,
bei. der Festlegung der Abmessungen der auf. die Lagerlaüfririge einwirkenden Ringkolben
in der Weise Rechnung -getragen, daß die Summe der sich aus der hydraulischen Anpressung
der einzelnen Rollenreihen ergebenden Kräfte kleiner gemacht wird als die sich aus
den Druckkräften der Kolben bei größtem Schwenkwinkel der Zylindertrommel- ergebende
Axialkraft. In-dieser Einstellung ist dann die sich auf. dein gehäusefesten Anschlag-
abstützende Rollenreihe am geringsten beansprucht; ihre Beanspruchung steigt mit
äbnehmendern Schwenkwinkel der Zylindertrommel:- ' Bei Axialkolbenmaschinen, bei
denen sich die Richtung des Druckgefälles zwischen den beiden Anschlußleitungen
der Maschine umkehren kann, muß durch ejnen geeigneten Umschalter bekannte; Art
dafür ge§orgt Bergen, saß die Ripgkplben immer mit der Hochdruckseite der Maschine
verbunden sind.
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In der Zeichnfing sind zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt.
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A b b. 1 zeigt im Axialschnitt ein dreireihiges Zylinderrollenaxiallager
mit einteiligen Laufringen; A b b. 2 zeigt in gleicher Darstellung ein ebenfalls
dreireihiges Zylinderrollenaxiallager mit in einzelne Teilringe für jede Rollenreihe
aufgeteiltem Laufring, wobei zwei der Teilringe etwa auf gleichem Radius angeordnet
sind; A b b. 3 zeigt ein Umschaltventil, über das die auf die Laufringe einwirkenden
Ringkolben jeweils mit der Hochcjruckseite der Axialkolbenmaschine verbunden werden.
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In den Abbildungen sind gleiche Teile mit denselben Bezugsziffern
bezeichnet. Die in der umlaufenden Zylindertrommel l befindlichen Kolben werden
durch Pleuelstangen 2 hin- und herbewegt, die in einem Triebflansch @3 kardanisch
gelagert sind. Die mit dem Triebflansch 3 verbundene An- bzw. Abtriebswelle ist
mit 4 bezeichnet. Die auf den Triebflansch 3 von den Pleuelstangen 2 ausgeübten,
in axialer Richtung der Welle 4 wirksamen Kräfte werden durch ein dreireihiges Zylinderrollenaxiallager
aufgenommen, dessen Laufringe mit 5 und 6 und dessen Rollenreihen mit 7, 8 und 9
bezeichnet sind. Der dem Triebflansch 3 abgewandte Laufring 6 ist nur im radialen
Bereich der mittleren Rollenreihe 8 auf einem gehäusefesten Anschlag 10 abgestützt.
Radial innerhalb und radial außerhalb des Anschlages 10 liegt der Laufring 6 dagegen
frei und wird durch in Ringnuten 11 bzw. 12 befindliche Ringkolben 13 bzw. 14, deren
Abdichtung durch elastische Dichtringe 15,16 bekannter Art unterstützt wird, gegen
die innere Rollenreihe 7 und die äußere Rollenreihe 9 gedrückt. Die beiden Nuten
11 und 12 sind über einen gemeinsamen Kanal 17 an die Hochdruckseite der Axialkolbenmaschine
angeschlossen.
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An Stelle des einteiligen Laufringes 6.könnte man auch drei Teilringe,
einen für jede der Rollenreihen 7;, 8 und. 9 verwenden.
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Die Rollen des Zylinderrollenlagers können anstatt auf dem besonderen
Laufring 5 auch unmittelbar auf der als Laufbahn ausgebildeten, gehärteten und geschliffenen
Stirnseite 18 des Triebflansches 3. laufen.
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Für die dauernde, und- zuverlässige Schmierung des Zylinderr91ienlagers
ist ein Schmierölkanal19 vorgesehen. Das Schmieröl wird durch Fliehkraftwirkung
im radialen Bereich des Kanals 19 gegen die mit halber Drehzahl; der Welle 4 umlaufenden
Rollenkäfige gespritzt, so daß: jede Zylinderrolle bei jeder zweiten Umdrehung der
Welle einmal von dem austretenden ölstrahl-getroffen wird: Das Gehäuse. der Axialkolbenmaschine,
in dem die Welle 4#gelagert ist, ist-mit-20-bezeichnet.
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Bei der Ausführungsform der Erfindung gemäß Ab b. 2# sind für die
drei Zylinderrollenreihen 7, 8 und 9 jeweils getrennte eillaufringe 21; 22
und 23-
vorgesehen. ' Außerdem ist" ein zusätzliches, als einreihiges- Zylinderrollenlager
ausgebildetes Radial= Lager 24-vorgesehen, dessen Innenring 25 -unmittelbar als
" Lauffläche - für. die Zylinderrollenreihe 8 des Axiallagers dient. Nur der Laufring
22- stützt- sich auf
einem gehäusefesten Anschlag 26 ab, während
für die beiden anderen Laufringe 21 und 23 wiederum als Zylinder dienende Ringnuten
11 und 12, Ringkolben 13 und 14 und elastische Dichtungen 15 und 16 vorgesehen sind.
Die Nuten 11 und 12 sind wiederum über einen Kanal 17 mit der Hochdruckseite
der Axialkolbenmaschine verbunden.
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Die beiden Zylinderrollenreihen 8 und 9 haben den gleichen Durchmesser
und liegen gegenseitig in axialer Richtung versetzt. Die Gesamtanordnung ist so
getroffen, daß die Welle 4 ohne irgendwelche besonderen Maßnahmen zur Innenseite
des Gehäuses 20 hin ausgebaut werden kann. Die genaue Axiallage der Welle 4 und
damit des Triebflansches 3 wird durch die Zylinderrollenreihe 8 festgelegt, deren
Laufring 22 sich auf dem gehäusefesten Anschlag 26 abstützt.
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Es muß in jedem Falle dafür gesorgt werden, daß der Druck in den Ringnuten
11 und 12 immer dem Arbeitsdruck auf der Hochdruckseite der Axialkolbenmaschine
folgt, und zwar auch bei Umkehr der Wirkungsrichtung. Beim Absinken des Arbeitsdruckes
darf die in den Ringnuten eingeschlossene Ölmenge nicht unter Druck stehen bleiben,
wie dies bei Verwendung einfacher Rückschlagventile in dem Kanal 17 eintreten würde.
A b b. 3 zeigt ein besonderes Hochdruckumschaltventil. In dem Gehäuse 27 ist ein
dicht eingepaßter Schieber 28 verschiebbar gelagert. Die beiden Zylinderräume 29
und 30 'sind über Anschlüsse 31 und 32 mit den beiden Anschlußleitungen der Axialkolbenniaschine
verbunden. Der Schieber 28 verschiebt sich unter der Wirkung des jeweils höheren
Druckes bis zum rechten oder linken Anschlag und stellt dabei über axiale Kanäle
33, 34 und radiale Kanäle 35, 36 die Verbindung des zum Kanal 17 führenden Anschlusses
37 jeweils mit dem unter höherem Druck stehenden Anschluß 31 oder 32 her. Um zu
verhindern, daß bei beiderseits des Schiebers 28 gleicher Druckbeaufschlagung eine
ungenügende Zufuhr von Druckflüssigkeit zu den Ringkolben 13 und 14 der Axialkolbenmaschine
erfolgt, ist das Passungsspiel des Schiebers 28 zumindest in dem zwischen den radialen
Kanälen 35 und 36 bzw. den dort vorgesehenen Ringnuten liegenden Bereich so groß
gewählt, daß das durchtretende Lecköl für die Aufladung der als Zylinder dienenden
Ringnuten 11 und 12 ausreicht.