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Wälz-Gleitlager-Die Beanspruchung der Lagerungen von Maschinen, Fahrzeugen
und Geräten aller Art - gekennzeichnet durch die spezifische Belastung der
Lager und durch die Relativgeschwindigkeit der Lagertefle zueinander -- ist sehr
unterschiedlich. Konverter-Lagerungen in Stahlwerken sind spezifisch hoch belastet,
führen aber nur Schwenkbeweguhgen aus, während Lagerungen der handelsüblichen Elektromotoren
bei geringer spezifischer Belastung und mittleren Geschwindigkeiten umlaufen. Bei
hoben und höchsten Umlaufgeschwindigkeiten, wie sie beispielsweise bei Sobleifspindeln,
Tärbomaschinen, Kreiselkompassen, Textilspindeln usw. vorliegen, sind die von der
äußeren Belastung herrührenden spezifischen Lagerbelastungen meistens gering, so
daß hier bei der Ausbildung der Lagerung vor allem darauf geachtet.wird, die von
den h oben Geschwindigkeiten herrührenden besonderen Verhältnisse in den Kontaktstellen
der Wälzlager und im Spalt der Gleitlager zu beherrschen. Die nachstehenden Ausführungen
betreffen im besonderen Lager für solche hochtourigen, gering belasteten Lagerungen.
Von
allen Wälzlagertypen sind unter diesen Bedingungen Kugellager am geeignetsten. Sie
sind bei hoher Betriebssicherheit anspruchslos in der Wartung. Meistens werden die
beiden die Welle tragenden Lager axial durch Federn mit einer bestimmten Vorlast
gegeneinander angestellt. Dadurch wird ein Kreiseln der Kugeln verhindert und auch
bei wechselnden und stark unterschiedlichen Drehzahlen eine exakte und genaue Wellenführung
erreicht. Mit zunehmender G eschwindigkeit machen sich die den Wälzlagern
eigenen Relativbewegungen der Kugeln und des Käfigs g egenüber den Ringen
nachteilig bemerkbar.
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Durch die kleinsten Oberflächen-Unregelmäßigkeiten der Kugeln und
der Ringlaufbahnen werden bei der teilweisen direkten metallischen Berührung Schwingungen
angeregt. Auch die ausreichende Schmierung insbesonders der-Käfigkontaktflächen
wird problematisch. Diese beiden Einflüsse bestimmen auch die Grenzgeschwindigkeiten
der Kugellager, die heute - ausgedrückt durch die Umfangsgeschwindigkeit
an der Welle - bei Werten von etwa 120 m/Sek. liegen.
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Bei den hydrodynamisch, hydrostatischg aerodynamisch oder-aerostatisch
geschmierten Gleitlagern ist der Spalt zwischen Welle und Lagerschale mit einem
flüssigen oder gasförmigen Medium ausgefüllt. Diese Lager laufen in der Regel ruhiger
als Wälzlager, weil bei ordnungsgemäßem Betrieb keine unmittelbaren Kontaktbrücken
zwischen der drehenden Welle und dem Gehäuse vorhanden sind. Jedoch ist im Gegensatz
zum Wälzlager die Lage der Welle exzentrisch-und von der Belastung und Drehzahl
abhängig. A-uch bereit-et es - besonders bei hohen Umfangsgeschwindigkeiten
- Schwierigkeiten, eine zur Vermeidung von' Schwingungen und Tragfähigkeitsverlusten
notwendige geschlossene Schmiermittelströmung im Spali zu erreichen.
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Die Aufgabeg verhältnismäßig niedrig belastete und mit hohen Geschwindigkeiten
umlaufende Wellen mit geringem Aufwand genau und schwingungsfrei zu führen, wird
erfindungsgemäß
mit einem Lager gelöst, das die geschilderten Vorteile
der Wälz- und Gleitlager vereinigt und deren Nachteile vermeidet. Es besteht aus
mindestens drei in dem Zwischenraum zwischen Welle und Gehäuse angeordneten und
durch einen Käfig in Umfangsrichtung auf Abstand gehaltenen mit Öl benetzten
Wälzkörpern und ist weiterhin dadurch gekennzeichnet, daß die nach Maßgabe der Dimensionierung
der einzelnen Lagerbestandteile entstehende Wälzkörper--und Käfigbewegung durch
Vor-.richtungen wie Federn, Reibscheiben und dergl. teilweise oder ganz abgebremst
wird. Durch eine derartige Anordnung wird die Welle - wie bei einem Wälzlager
- auch bei unterschiedlichen Betriebsbedingungen genau und starr geführt.
Weiterhin entsteht durch die Abbremsung von Käfig oder Wälzkörpern in den Kontaktetellen
zwischen den Wälzkörpern und den Ringlaufbahnen eine dem Rollen überlagerte Gleitgeschwindigkeit,
so daß sich weiterhin in Zusammenwirken mit dem vorhandenen Schmiermittel und der
elastischen Nachgiebigkeit der Oberflächen ein dünner, tragfäbiger und starrer Schmierfilm
aufbaut. Die äußere Belastung wird von diesem elasto-hydrodynamischen Schmierfilm
getragen, wodurch sich aber wegen der Aufhebung der unmittelbaren metallischen Berührung
zwischen den Wälzkörpern und den Ringlaufbahnen der gewünschte ruhige Lauf einstellt.
Wegen der nur geringen Ausdehnung-des tragenden Öl-
filmes an einer Kontaktstelle
und der durch die äußere,Anordnung bedingten leichten Zugänglichkeit des Schmiermittels
zur Kontaktstelle, ist der Schmiermittelbedarf niedrig und ist meistens allein mit
dem in der Lagerstelle gebildeten Ölnebel zu decken. Dadurch ergibt sich für ein
solches Lager noch der Vorteil eines geringen Aufwandes.' Die teilweise oder vollständige
Abbremsung von Käfig oder Wälzkörpern hat noch weitere Vorzüge. Sie liegen darin,
daß die Wälzkörper einen Freiheitsgrad der Bewegung um ihre eigene Achse behalten
und - bei teilweiser Abbremsung - auch noch lancsam in Umfangsrichtung
des Lagers bewegt werden. Die
Folge davon ist, daß immer neue, mit
Öl benetzte Wälzkörperoberflächen und Wälzkörper in Kontakt mit den Laufbahnen-in
der belasteten Zone des Lagers gelangen, wodurch eine einseitige örtliche Abnützung
und etwaiger Verschleiß vermieden und eine möglichst gute Ausnutzung der gesamten
Oberflächen der Wälzkörper erreicht wird.
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In besonderer Ausgestaltung der Erfindung kann die Bremsung durch
eine Reibungsvermittlung zwischen mindestens einem Wälzkörper und seiner Käfigtasche
erfolgen. In diesem. Fall handelt es sich also um eine sich über die Wälzkörper
vollziehende und deshalb mittelbare Abbremsung des Käfigs. Die Käfigtasche kann
dabei in einer besonderen Ausführungsform dieser Aüsgestaltung mit wenigstens einer
auf dem Wälzkörper anliegenden federnden Zunge versehen sein.
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In einer anderen Ausgestaltung der-Erfindung kann aber auch auf den-Käfig
eine vorgespannte Feder oder ein änderweitiger Kraftspeicher einwirken. In diesem
Fall handelt es sich` um eine unmittelbare Abbremsung des Käfigs. In einer besonderen
gleichfalls erfinderischen Ausführungsfo-rm kann die Feder dabei als vorzugsweise
einstellbare Tellerfeder ausgebildet sein und auf einen am Käfig vorgesehenen Flansch
einwirken.
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Eine besondere bevorzugte Ausbildung kommt erfindungsgemäß dadurch
zustandeg daß der Käfig die Wälzkörper bis au,f deren mit der welle zusammenwirkende
Oberflächenteile vollständig umschließt. In Abkehr vom sonstigen Aufbau eines Wälz.-lagers
stehen die Wälzkörpe . r hierbei nicht mehr sowohl mit der Welle als auch
mit dem Außenrin,9 in sich aufeinander abwälzender Berührung, sondern eine solche
ist nur noch an der zuerst. erwähnten Stelle, also mit der Welle vorhanden. Besonders
bevorzugt ist diese Ausführungsart deshalbp weil hierbei durch die Wälzkörper jeweils
eine besonders gute Scbmierstofförderung vermittelt wird.
Kommen
in weiterer erfinderischer Anordnung Kegelrollen als Wälzkörper zur Anwendung, dann
erweisen sich diese .-dann als-besonders vorteilhaft, wenn je zwei von ihnen
so vorgesehen werden, daß sie sich mit ihren jeweils gleichen Basisflächen einander
zuwenden. Ob die sich mit ihren Basisflächen in dieser Weise einander zuwendenden
Kegelrollen dabei einer oder mehreren Lagerstellen angehören, ist eine Folge der
je-
weils beabsichtigten besonderen Lagerung der Welle. In jedem derartigen
Fall jedoch bringt die Benutzung der Kegelrollen den Vorteil mit sich, daß die betreffende
gelagerte Welle auch in axialer Richtung in ihrer Lage gesichert ist. Die radiale
und axiale Führung der Welle wird auch -erreicht, wenn als Wälzkörper Kugeln verwendet
werden.
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Um die voraussetzungsgemäße erforderliche Benetzung der Wälzkörper
mit einem Schmiermittel in besonders zuverläs-. siger, aber gleichzeitig auch sparsamer
Weise zu erzielen, können die Wälzkörper in weiterer Ergänzung der erfinderischen
Ausgestaltung in eine aus porösem Sinterwerkstoff bestehende Halterung eingebettet
sein, über die die Schmierstoffzuführung erfolgt.
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Weitere Einzelheiten der Erfindung sind in der nachstehenden Beschreibung
an Hand der Z eichnung erläutert. Darin -sind mehrere Ausführungsbeispiele dafür
dargestellt. Insbesondere zeigen di'e Fig. 1 und 2 einen Längs- sowie einen
Querschnitt (entlang der Linie A-A) eines erfindungsgemä ßen Lagers, bei welchem
eine Abfederung des Käfigs mittels einer Tellerfeder erfolgt. Die Fig.
3 gibt im Querschnitt die'bereits er-Wähnte Anordnung wieder, bei der der
Käfig die Wälzkörper bis auf deren mit der Welle zusammenwirkenden Oberflächenteil
vollständig umsebließt. Aus den Fig. 4 und 5 schließlich sind Wellen-Lagerungen
mit erfindungegemäßen Lagern im Längsschnitt ersichtlich,
bei welchen
Kegelrollen als Wälzkörper dienen. Dem in der Fig. 4 eingetragenen Querschnitt entlang
der Linie B-B entspricht die schon erwähnte Fig. 3.
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Nach den Fig. 1 und 2 sind zwischen einer umlaufenden Welle
1 und einem Außenring 2 im gleichen Abstand untereinander die drei Wälzkörper
3, 4 und 5 angeordnet. Sie sind durch den Käfig 6 gehalten.
Aus der Fig. 1 ist ersichtlich, daß die Wälzkörper als Zylinderrollen ausgebildet
sind. Sie können aber auch als Kugeln mit entsprechend ausgeführter Kugellaufbahn
auf der Welle 1 ausgeführt sein. Darüber hinaus sind aber auch andere bekannte
Wälzkörperformen verwendbar. Stirnseitig ist die hier in Rede stehende Lagerung
durch die Begrenzungsseheiben 7 und 8 abgedeckt und abgedichtet, so
daß sich am Boden des aus diesen Scheiben und dem Mantel 9 bestehenden Gefässes
der Schmiermittelsumpf 10 befinden kann.
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Der Käfig 6 weist den Flansch 11 auf, der sich gegen
den Außenring 2 der Lagerung abstützt. Gegen ihn ist die Stahlscheibe 12 gelegt,
auf die die Tellerfeder 13 einwirkt. Sie ist zwischen der Stahlscheibe 12
und der Abdecksebeibe 8 eingespannt. Wird die.Welle 1 angetrieben,
so würde'sicb ohne Einwirkung der bremsenden Tellerfeder 13 auf den KäfigS
eine Umlaufgeschwindigkeit dieses Käfigs ergeben, die sich alleindurch die Dimensionierungen
der Radien der Welle und der Wälzkörper einstellte.#Der bremsende Einfluß der Tellerfeder
bewirkt jedoch in der schon geschilderten Weise die Entstehung einer Gleitreibung,
wobei der Schmierstoff des Sumpfes 10 zwisehen die aufeinander abgleitenden
Lager-Bestandteile (z.B. 1
und 5) geführt wird und dadurch eine bydrodynamisch
wirkende' lag erung zustande bringt. Diese Lagerung weist den Vorteil auf, daß die
einerseits um ihre -eigene Achse, dann aber auch um die Welle, und zwar nach Maßgabe
der jeweiligen Größe der Abbremsung
kreisenden Wälzkörper
3, 4 und 5 eine zuverlässige Schmiermittelförderung zustande bringen
und andererseits dadurch dann aber auch wägen der vorhandenen Umkreisung der Welle
1 durch die Wälzkörper deren Verschleiß in geringen Grenzen hält. .Nach Fig.
3 umschließt der Käfig 14 die Wälzkörper 15
bis 20 bis auf deren mit
der Welle 21 zusammenwirkenden Oberflächenteil vollständig. Bei einer derartigen
Ausbildung entsteht zwischen der Oberfläche der Welle 21 und,der Bohrung 22 des
Käfigs 14 ein Spalt, in den die erwähnten Oberflächenteile der Wälzkörper
15 bis 20 hineinragen. Der Käfig 14 ist von dem Gehäusemantel 23 umgeben,
gegen den er nach Maßgabe der Größe der auch hierbei wieder auf ihn einwirkenden
Tellerfeder 24 (vgl. Fig. 4) umläuft. Auch hi " erbei sind die Wälzkörper
15 bis 20 als Zylinderrollen ausgeführt, sie-können jedoch unter Beachtung
der bereits erwähnten näheren Ausbildungseinzelheiten auch als Kugeln oder andersartig
geformten Wälzkörpern bestehen.
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-Nach Fig. 4 ist die Welle 25 an zwei voneinander entfernten
Stellen im Gehäuse 26 gelagert. Diejenige Lagerstelle, durch die-der Schnitt
B-B gelegt ist, weist den Aufbau auf, der sich aus Fig. 3 ergibt, insbesondere
wirkt dabei also die Tellerfeder 24 über die Stahlscheibe 27 auf den Käfig
14 ein Als'Wälzkörper sind hier wieder, wie ebenfalls bereits erwähnt, Zylinderrollen
(z.B. 15) vorgesehen. Der Käfig 14 besteht aus porösem S.interwerkstoff,
welchem über die Filzeinlage 28 das mit ihr in Verbindung stehende Schmiermittel
zugeführt wird.
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Die andere Lagerstelle der Welle ist mit Kegelrollen 29 bis
32 ausgestattet) die ihre gieichen Basieflächen einander -zuwenden. Achsparailel
zu den Kegelrollen ist die Welle 25
an der Stelle, an der diese Rollen auf
sie einwirken, ebenfalls entsprechend kegelig gestaltet. Auch hierbei wird Schmiermittel
über die. Filzeinlage 33 zu den Käfigen 34 und 35 geleitet, in
denen
die Kegelrollen eingebettet -sind. Die Tellerfeder 36 zwischen dem Deckel
37 und der Stahlscheibe 38 führt in der schon mehrfach erwähnten Weise
die Käfig-Abbremsung herbei.
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Die Anordnung nach Fig. 5 unterscheidet sich von derjenigen
nach Fig. 4 lediglich dadurch-, daß hier die beiden voneinander entfernten Lagerstellen
der Welle 25' völlig gleich, jedoch spiegelsymmetrisch zu-einander ausgeführt
sind. Dementsprechend sind in den Käfigen 359 und 40--Kegelroll-en (z.B..41-9 42.
bzw. 43, 44) untergebracht. Die Abbremsung der Käfige 39
und 40 erfolgt durch
die Tellerfedern 45 und 46.