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Hydrostatisch entlastetes Radialwälzlager Die Erfindung betrifft ein
hydrostatisch entlastetes Radialwälzlager mit Druckölzufuhr in dem von den Wälzkörpern
überrollten Laufbahnbereich.
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Zweck derartiger hydrostatisch entlasteter Wälzlager ist es, die Belastbarkeit
solcher Lager zu erhöhen, die abhängig ist einerseits von der Lagerkonstruktion
und andererseits von der zugrunde gelegten Lebensdauer. Erst durch die hydrostatische
Entlastung von Radialwälzlagem ist es häufig möglich, unter den gegebenen beschränkten
Platzverhältnissen Lager unterzubringen, die eine ausreichende Lebensdauer erbringen.
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Es ist bereits ein Radialwälzlager bekanntgeworden, bei dem versucht
wurde ' die Lagerbelastbarkeit durch hydraulische Entlastung zu erhöhen.
Bei einer Ausführung hat man dabei einen Lageraußenring mit taschenförmigen Ausnehmungen
versehen, in die zylindrische Wälzkörper eingelegt wurden. In diese taschenartigen
Ausnehmungen erfolgte von außen her eine Druckölzufuhr mit über den Lagerumfang
unterschiedlicher Druckhöhe. Bei dieser Lagerausführung handelt es sich im eigentlichen
Sinne nicht um ein Wälzlager, weil die zylindrischen Wälzkörper in den taschenförinigen
Ausnehmungen des Außenringes nicht abrollen können. Diese Konstruktion ergibt somit
praktisch nur ein Gleitlager, bei dem die Gleitfläche durch die Oberflächen der
einzelnen Wälzkörper gebildet ist.
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In einer anderen Ausführung sind zwischen einem Außenring und einer
inneren Laufbahn zylindrische Wälzkörper angeordnet, wobei der Außenring über seinen
Umfang derart mit unterschiedlich großen Bohrungen versehen ist, daß in den freien
Räumen zwischen den Wälzkörpern unterschiedlich hohe Drücke entstehen können. Zur
Erzielung einer wirklichen hydrostatischen Entlastung ist es erforderlich, die Räume,
in die Drucköl eingeführt wird, in ausreichendem Maße abzudichten, damit sich dort
wirklich ein wirksamer Öldruck aufbauen kann. Die Lösung dieses Problems ist bei
dem bekannten Lager nicht offenbart (französisches Patent 1088 917).
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Radialwälzlager
zwischen den beiden Wälzkörperlaufbahnen ausreichend abgedichtete Räume zu schaffen,
die mit Drucköl beaufschlagt werden können, um dadurch eine wirksame hydrostatische
Entlastung zu erzielen.
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Nach der Erfindung wird dies dadurch erreicht, daß die Wälzkörper
eines derartigen Radialwälzlagers in den Taschen eines Käfigs untergebracht sind,
der mit so engem Spiel zwischen die Laufbahnen eingreift, daß die einzelnen Käfigtaschen
in sich weitgehend abgedichtete Räume darstellen, und daß die von der aufzunehmenden
Radialkraft nur in einer Richtung belastete Laufbahn auf der belasteten Seite ihres
Umfanges mit ölzuführkanälen und auf der anderen Seite ihres Umfanges mit ölabführkanälen
versehen ist.
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Um zu erreichen, daß die einzelnen Käfigtaschen in sich abgedichtete
Räume darstellen, ist es nicht nur erforderlich, die die Käfigstege an ihren Enden
miteinander verbindenden Käfigstirnringe in ihrer radialen Dicke so auf die Durchmesser
der Wälzkörperlaufbahnen abzustimmen, daß sich an diesen Stellen Spaltdichtungen
ergeben, sondern es müssen ebenso die die Taschen abgrenzenden Käfigstege die gleiche
radiale Dicke aufweisen, damit auch in Lagerumfangsrichtung zwischen den einzelnen
Käfigtaschen Spaltdichtungen erzielt werden. Es versteht sich von selbst, daß die
Wirkung der Erfindung um so günstiger sein wird, je enger die Dichtungsspalte
ausgebildet werden. Es hat sich gezeigt, daß zu diesem Zweck die radiale Dicke des
Käfigs mindestens 1/"" bis höchstens 1/" geringer als der Durchmesser der Wälzkörper
sein sollte. Wenn nun bei einem solchen Lager die gegenüber der aufzunehmenden Radialkraft
nicht umlaufende Laufbahn im Bereich der einen Hälfte ihres Umfanges mit Kanälen
für die Zuführuno, von Drucköl und im Bereich der anderen Hälfte ihres Umfanges
mit Kanälen für die ölabfuhr versehen ist, dann läßt sich bei Zufuhr von Drucköl
auf der einen Lagerhälfte erreichen, daß dieses Drucköl in den einzelnen Käfigtaschen
ein Druckpolster aufbaut, das dann die andere Laufbahn in der Art eines hydrostatischen
Lagers tragen kann. Je
nach Höhe des öldruckes kann dadurch erreicht
werden, daß die von den Wälzkörpern selbst aufzunchmende Radialkraft mehr oder weniger
weit abgebaut werden kann, wobei im Extremfall erreicht werden kann, daß die Wälzkörper
völlig entlastet sind.
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Nach einem weiteren Vorschlag der Erfindung kann es bei einer solchen
Lagerausführung zweckmäßig sein, daß die Käfigtaschen den Wälzkörpern Cr gegenüber
solche Erweiterungen aufweisen, daß ein Durchtritt des Drucköles in radialer Richtung
von der einen zur anderen Laufbahn ohne nennenswerten Widerstand möglich ist. Im
allgemeinen, insbesondere bei langsam drehenden Lagern, reicht für diesen Öldurchtritt
zwar das unumgängliche Spiel der Wälzkörper in den Käfigtaschen aus. Gerade bei
schnell drehenden Lagern kann es jedoch zweckmäßig sein, derartige zusätzliche Erweiterungen
vorzusehen, um damit zu gewährleisten, daß sich ausreichend schnell in den Käfigtaschen
das erforderlich Druckpolster aufbaut.
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Schließlich schlägt die Erfindung noch weiter vor, die die Taschen
begrenzenden Käfigstege am inneren und äußeren Käfigmantel zu den Taschen hin so
abfallend zu profilieren, daß sich zwischen ihnen und den zugehörigen Laufbahnen
keilförmige, den Aufbau eines hydrodynamischen Schmierfilmes fördernde Räume ergeben.
Durch diese Ausbildung der Käfigstege wird erreicht, daß sich der Käfig zwischen
den Laufbahnen selbst zentriert, wodurch erreicht wird, daß die Dichtungsspalte
zwischen dem Käfig und den Laufbahnen über den ganzen Lagerumfang gleiche Breite
aufweist. Wenn eine derartige Zentrierung des Käfigs nicht vorgesehen wäre, wäre
es möglich, daß sich dieser an einer Seite seines Umfanges gegen eine Laufbahn anlegt,
wodurch an der gegenüberliegenden Stelle ein Spalt von doppelter Breite entstehen
würde, wodurch die Leckverluste auf das vierfache ansteigen würden. Die Profilierung
der Käfigstege hat aber ganz besonders dann auch ihre Berechtigung, wenn es sich
um ein Lager handelt, das mit sehr hoher Drehzahl umläuft. Sobald eine bestimmte
Drehzahl erreicht ist, kann die durch den aufgebauten hydrodynamischen Schmierfilm
auf die zu lagernde Welle ausgeübte Kraft so stark werden, daß der Käfig sozusagen
als »schwimmende Lagerbüchse« die gesamte Lagerkraft übertragen kann.
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In den Zeichnungen sind Ausführungsbeispiele der beschriebenen Erfindung
dargestellt.
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Fig. 1 einen Längsschnitt durch ein erfindungsgemäßes Lager
mit Käfig,
F i g. 2 einen Schnitt gemäß Linie II-11 der F i
g. 1,
F i g. J eine Draufsicht auf eine Abwicklung des Käfigs gemäß
F i g. 1 und 2, F i g. 4 eine schematische Darstellung der Verteilung
des hydraulischen Druckes im Lager und F i g. 5 einen Teilquerschnitt
durch ein Lager gemäß F i g. 2 mit andersartiger Käfigausbildung.
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Das in den F i g. 1 und 2 dargestellte Lager besteht aus dem
äußeren Laufring 1, dem inneren Laufring 2 und den dazwischen abrollenden
Wälzkörpem 3, die in dem Käfig 4 untergebracht sind. Der
Käfig 4 ist dabei in seiner radialen Dicke so ausgelegt, daß er mit so geringem
Spiel zwischen die Laufringe 1 und 2 eingreift, daß die die Wälzkörper
3 aufnehmenden Käfigtaschen in sich abgedichtete Räume ergeben. Die Abdichtung
dieser Räume erfolgt durch die Spaltdichtungen, die sich durch das geringe Spiel
zwischen dem Käfig, 4 und den Laufbahnen 1 und 2 Z,
ergeben. In dem
äußeren Laufring 1 können an beiden Enden z. B. die nachträglich eingesetzten
Anlaufscheiben 5 vorgesehen sein, die verhindern, daß der Käfig 4
in axialer Richtung aus dem Laufring herausrutscht. Der äußere Laufring
1 ist über seinen Umfang bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel mit insgesamt
sechs, gleichmäßig verteilten Bohrungen 6 und 7 versehen. Die Bohrungen
6 sind in der unteren Hälfte des Laufringes angeordnet, während die Bohrungen
7 sich in der oberen Laufringhälfte befinden. Wenn man unterstellt, daß eine
in diesem Lager zu lagernde Welle durch eine senkrecht nach unten wirkende Radialkraft
belastet wird, dann wird im Betriebszustand durch die Bohrungen 6 Drucköl
zugeführt, das über die Bohrungen 7 wieder abgeleitet werden kann. Durch
das Einführen von Drucköl durch die Bohrungen 6 baut sich in den einzelnen
die Wälzkörper 3 aufnehmenden Käfigtaschen ein Druck auf, der in der Lage
ist, den inneren Laufring 2 ganz oder teilweise zu tragen, wodurch im unteren belasteten
Teil des Wälzlagers die Wälzkörper 3 teilweise oder auch ganz entlastet werden.
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Damit der Druckaufbau in den Wälzkörpertaschen erfolgen kann, kann
es zweckmäßig sein, wie F i g. 3
zeigt, die für die Aufnahme der Wälzkörper
3 vorgesehenen Taschen an bestimmten Stellen mit Erweiterungen
19 zu versehen, die einen weitgehend ungehinderten Durchtritt des Drucköles
gestatten.
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Die F i g. 4 zeigt in schematischer Darstellung die Verteilung
des hydraulischen Druckes zwischen den beiden Laufringen, wobei die Lage der Bohrungen
6
und 7 ebenfalls schematisch angedeutet ist. Aus dieser F i
g. 4 ergibt sich, daß der den Innenrin" 2 tragende hydraulische Druck sich
tatsächlich nur in der unteren Lagerhälfte, die durch die im Lager aufzunehmende
Radialkraft belastet wird, aufbaut. Durch geeignete Wahl der Anzahl der Bohrungen,
deren Verteilung über den Lagerumfang und die Höhe des Druckes des eingeführten
öles kann praktisch jede denkbare Druckverteilung zwischen den beiden Laufringen
erreicht werden, und damit das Lager den jeweiligen praktischen Erfordernissen angepaßt
werden.
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Wie der Teilquerschnitt durch ein solches Lager nach F i
g. 5 zeigt, können die Käfigstege 8 am inneren und äußeren Käfigmantel
zu den Wälzkörperachsen hin so abfallend profiliert sein, daß sich zwischen ihnen
und den zugehörigen Laufringen 1 und 2 keilförmige, den Aufbau eines hydrodynamischen
Schmierfilmes fördernde Räume ergeben. Diese keilförmigen Räume sind in F i
g. 5 mit 9 am Außenumr> el fang des Käfigs bzw. 10 in der Käfigbohrung
bezeichnet. Durch diese Ausbildungen ist es möglich, den Käfig sich selbst
zentrieren zu lassen, wenn er durch die sich bildenden Schmierkanäle außen und innen
von der Laufbahn abgestoßen wird, und dann, wenn das Lager mit hoher Drehzahl läuft,
zu erreichen, daß der sich aufbauende Schmierfilm eine zusätzliche Entlastung der
Wälzkörper bringt, weil dann der Käfig als »schwimmende Hülse« praktisch
Gleitlagerfunktionen übernirnmt und durch den aufgebauten Schmierfilm einen Teil
der Lagerbelastung übernehmen kann.
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Die Erfindung ist nicht beschränkt auf Lagerausführungen mit zylindrischen
Wälzkörpern. Es sind vielmehr Lagerausführungen mit allen bekannten Wälzkörperformen
denkbar. In jedem Falle ist es nur erforderlich, dafür zu sorgen, daß der die Wälzkörper
aufnehmende
Käfig mit so engem Spiel zwischen die Laufbahnen eingreift, daß die einzelnen Käfigtaschen
in sich weitgehend abgedichtete Räume darstellen.