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Die Erfindung betrifft ein Axiallager für umlaufende Maschinen, bei
dem die Welle mit einer Nut durch eine im Lagergehäuse angeordnete federnde Membran
axial geführt wird.
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Bei bekannten derartigen Lagern, welche vorzugsweise bei Elektromotoren
verwendet werden, verlaufen die Schultern der Nut parallel zur Fläche der Membran,
und die Berührungsfläche zwischen den Nutschultern und der Membran werden normalerweise
speziell für die vorgesehenen Betriebsbedingungen berechnet. Man bestimmt dabei
den Maximalwert der zu erwartenden Axial- oder Schubkräfte und bemißt die Lagerfläche
dann entsprechend, so daß die Flächenbelastung des Lagers innerhalb der durch das
Lagerinaterial bestimmten zulässigen Grenzen liegt. In ähnlicher Weise werden Abstandstoleranzen
und zulässiges Endspiel entsprechend der Gesamtkonstruktion der Maschine bestimmt.
Die Bemessung des Lagers ist dann zwar für Betriebszustände mit maximaler Axialbelastung
optimal, für Betriebszustände, bei denen die Axialkräfte unter dem zulässigen Maximalwert
liegen, sind die Lagerflächen jedoch überdimensioniert, und die Lagerreibung ist
unnötig groß. Als Folge davon werden dann auch beim Anfahren -der Maschine aus dem
Ruhezustand größere Drehmomente erforderlich, als dies eigentlich notwendig wäre.
Die bekannten Lager haben außerdem noch den Nachteil, daß sie wegen ihrer relativ
starren Konstruktion axial gerichtete Schwingungskräfte, wie sie beispielsweise
bei Wechselstrommotoren auftreten, nur schlecht absorbieren oder dämpfen können.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Vermeidung dieser Nachteile.
Das erfindungsgemäße Axiallager soll ohne Axialbelastung praktisch keine Lagerreibung
aufweisen, und bei Belastung soll die Lagerreibung nicht mehr zunehmen, als es durch
die zunehmende Axialbelastung unumgänglich ist. Außerdem sollen axialgerichtete
Schwingungskräfte, wie sie bei Elektromotoren infolge der zwischen Anker und Feldwicklung
vorhandenen magnetischen Kräfte auftreten, rasch gedämpft werden.
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Diese Aufgabe wird bei einem Axiallager für umlaufende Maschinen,
bei dem die Welle mit einer Nut durch eine im Lagergehäuse angeordnete federnde
Membran axial geführt wird, erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß die Nut sich von
ihrem Grund nach außen zu erweitert. Bei zunehmender Axialbelastung vergrößert sich
hierbei in entsprechendem Maß die zwischen den Schultern der Nut und der Membran
wirkende Lagerfläche, so daß eine Lagerreibung nur in dem Umfang in Kauf genommen
zu werden braucht, wie es durch die jeweilige Belastung gerade bedingt ist. Bei
fehlender Axialbelastung tritt praktisch keine Reibung auf. Das erfindungsgemäße
Lager ist besonders einfach, robust und preiswert.
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In besonderer Ausgestaltung der Erfindung können die Schultern der
Nut sphärisch oder konisch geformt sein. Im ersten Fall ergeben sich besonders gunstige
Verhältnisse für das Verhältnis zwischen Lagerfläche und Axialbelastung, während
im zweiten Fall die Herstellung besonders einfach ist. Weiterhin können entweder
beide Schultern der Nut von ihrem Grund aus gesehen in Axialrichtung nach außen
verlaufen, oder man macht die eine Schulter der Nut, wenn die Axialkräfte nur in
einer Richtung auftreten, senkrecht zur Wellenachse, Die Welle kann auch derartig
zweiteilig ausgebildet sein, daß die die Nut bildender Schultern trennbar sind.
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Vorzugsweise kann man die Membran etwas dünner machen, als die Nut
an ihrer engsten Stelk ist, so daß der Dickenunterschied das erforderlicht Axialspiel
darstellt und ohne Belastung keine Reibung zwischen Membran und Nut auftritt. Aus
deni gleichen Grunde kann man den Durchmesser dei Membranöffnung etwas größer als
den Durchmessei am Nutgrund wählen.
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Durch die mit der Axialbelastung zunehmende Lagerfläche werden nicht
nur die Axialkräfte progressiv aufgenommen, sondern die spezifische Belastung der
Lagerflächen bleibt auch über einen weiten Bereich von Schubkräften näherungsweise
konstant, so daß ungleichmäßige Abnutzungen vermieden werden. Ferner steigt die
Dämpfungswirkung gegen Axialschwingungen mit deren Amplitude an. Zweckmäßigerweise
wählt man zur Vermeidung von Schwingungen die Federkonstante der Membran so, daß
ihre Eigenfrequenz beträchtlich über der Schwingungsfrequenz des umlaufenden Bauteils
liegt. Eine besonders einfache Montage ergibt sich, wenn die Membran einen die Mittelöffnung
durchsetzenden Schlitz aufweist, der so bemessen ist, daß er ein Aufschieben der
Membran auf den die Nut bildenden Teil der Welle ermöglicht.
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Als Materialkombination hat es sich als besonders günstig erwiesen,
wenn man die Schultern der Nut aus Metall und die Membran aus einem selbstschmierenden
imprägnierten Kunststoff, oder umgekehrt, herstellt. Die Wahl der Werkstoffe hängt
unter anderem davon ab, ob das Lager selbstschmierend sein soll oder nicht und wie
groß die im speziellen zu beherrschenden Belastungen und die zugehörigen Maschinenteile
sind.
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Die Erfindung wird im folgenden an Hand von Ausführungsbeispielen
in Verbindung mit der Zeichnung näher erläutert, es zeigt F i g. 1 eine teilweise
geschnittene Seitenansicht eines Axiallagers gemäß der Erfindung, F i
g. 2 eine Stirnansicht eines Federelementes für ein Axiallager gemäß der
Erfindung, F i g. 3 A, 3 B, 4 A, 4 B Schnittansichten zur Erläuterung
der Arbeitsweise eines Axiallagers gemäß der Erfindung, F i g. 5 eine Teilansicht
einer abgewandelten Ausführungsfonn der Erfindung und F i g. 6 eine teilweise
geschnittene Seitenansicht eines durch einen Elektromotor angetriebenen Gebläses,
das ein Axiallager entsprechend F i g. 1 und 2 enthält.
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Die in F i g. 1 dargestellte Anordnung enthält zwei in bezug
aufeinander drehbare Bauteile in Form einer Welle 10 und eines Gehäuses 12
einer umlaufenden Maschine. Zwischen beiden kann irgendein nicht dargestelltes Radiallager
vorgesehen sein.
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Die Welle 10 ist am einen Ende 14 verjüngt und mit einer ringförmigen
Nut 16 versehen. Die Nut hat längs des Umfanges eine konstante radiale Tiefe
und wird durch zwei Schultern 16 a, 16 b begrenzt; der Grund
der Nut ist mit 16c bezeichnet.
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Am Gehäuse 12 ist eine biegsame, federnde Meinbran 18 befestigt,
die in F i g. 2 von vorn gesehen dargestellt ist. Sie ist bei der in F i
g. 1 dargestellten Anordnung in einer Ausnehmung des Gehäuses 12 durch einen
Abstandshaltering 20 und einen Sprengring 22 festgelegt. Ihre Dicke ist geringfügig
kleiner
als die Breite der Nut 16 an ihrer engsten Stelle,
also am Grund 16 c.
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Wie aus F i g. 2 ersichtlich ist, hat die Membran
18 eine im wesentlichen kreisförmige Mittelöffnung 18a, deren Durchmesser
größer ist als der Durchmesser des Nutgrundes. Vom einen Rand der Meinbran18 führt
ein Schlitz18bdurchdieMittelöffnung 18a bis in die Nähe der gegenüberliegenden Seite.
Das geschlossene Ende des Schlitzes18b endet in einer kreisförmigen öffnung
18 c, und das offene Ende des Schlitzes ist bei 18 d etwas erweitert.
Der mit der Erweiterung und der öffnung 18 c versehene Schlitz ermöglicht,
daß das Bauteil 18 über die Nut 16 der Welle geschoben werden kann,
so daß dieser Teil der Welle in die Öffnung 18 a zu liegen kommt.
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Wie F i g. 1 zeigt, ist der Abstand der Nutschultern
16 a, 16 b am Grund der Nut am kleinsten und
nimmt mit zunehmendem radialem Abstand zu. Bei der in F i g. 1 dargestellten
Ausführungsform werden die Schultern der Nut durch gekrümmte Flächen gebildet, die
beispielsweise Teile von Flächen von Kugeln sein können, deren Mittelpunkte auf
der Achse der Welle 10 liegen. Die Schultern können auch durch irgendwelche
andere kontinuierlich divergierende Flächen gebildet werden, etwa durch konische
Flächen 26 a
und 26 b, wie es in F i g. 5 bei
der Nut 26 gezeigt ist.
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Die betrieblichen Vorteile des beschriebenen Lagers lassen sich am
besten an Hand der F i g. 3 A,
3 B, 4 A und 4 B erläutern. In
der Ruhelage, d. h., wenn zwischen den in bezug aufeinander drehbaren Bauteilen
keine Axialkräfte herrschen, bleibt die Membran 18 ungebogen, wie es in F
i g. 1 dargestellt ist. Da der Innendurchmesser der Nut und die Dicke der
Membran 18 kleiner sind als der Durchmesser des Loches 18 a bzw. die
Breite der Nut an ihrer engsten Stelle, berühren sich die beiden Teile des Lagers
unter diesen Bedingungen praktisch nicht.
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Wenn jedoch auf die Welle 10 eine durch einen Pfeil in F i
g. 3 A angedeutete Axialkraft wirkt, wird die sphärisch gekrümmte Schulter
16 a in Berührung mit der Membran 18 gebracht. Da diese elastisch
ist, gibt sie in einem Ausmaß nach, das durch ihre Elastizität bzw. Federkonstante,
den Betrag der Axialkraft und den Krümmungsradius der Schulter 16a bestimmt ist.
Die Verformung der Membran hat zwei Folgen. Erstens wird die Axialkraft aufgenommen
bzw. gedämpft, und es entsteht eine rücktreibende Kraft, die die Welle in ihre axiale
Soll-Lage zurückzubringen strebt. Zweitens kommt mit zunehmender Axialkraft eine
entsprechend größere Fläche der Membran 18 in Berührung mit der Schulter
16a. Mit wachsender Axialkraft nimmt also die Lagerfläche zu, und die spezifische
Flächenbelastung des Lagers bleibt verhältnismäßig konstant.
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Dieser Effekt läßt sich bei einem Vergleich der ausgezogen gezeichneten
Lage der Membran 18 mit ihrer gestrichelt dargestellten Lage in den F i
g. 3 A
und 3 B leicht erkennen. Bei diesen Figuren ist ebenso wie bei
den F i g. 4 A und 4 B zur Vereinfachung der Zeichnung angenommen,
daß die Welle in Axialrichtung feststeht und das Gehäuse durch die Schubkraft verschoben
wird. Bei vielen Anwendungsgebieten werden die Verhältnisse umgekehrt liegen, die
Membran verbiegt sich dabei jedoch in entsprechender Weise.
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Bei einem bestimmten Betrag der Axialkraft nimmt die Membran die ausgezogen
gezeichnete Lage ein, bei der sie bis zu einem gewissen Grade verformt ist. Die
Berührungsfläche zwischen der Membran 18 und der Schulter 16
a ist in F i g. 3 B dargestellt, sie hat die Form eines Ringes, dessen
radiale Breite mit X bezeichnet ist. Wenn die Axialkraft um einen bestimmten Betrag
zunimmt, wird die Membran 18 weiter verformt und. nimmt dann die in F i
g. 3 A gestrichelt gezeichnete Lage bezüglich der Schulter 16
a an. Die Berührungsfläche zwischen der Membran 18 und der Schulter
16 a nimmt dabei entsprechend zu, wie der gestrichelt gezeichnete Ringbereich
der Breite Y in F i g. 3 B zeigt. Die Lagerfläche ändert sich also proportional
mit der Axialbelastung, und die Axialbelastung pro Flächeneinheit, d. h.
der Lagerdruck, bleibt dementsprechend weitgehend konstant. Das Lager paßt sich
also in einem weiten Bereich von Axialbelastungen diesen automatisch an, so daß
es hinsichtlich der Lagerwerkstoffe und Abmessungen optimal ausgelegt werden kann.
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Es war oben bereits erwähnt worden, daß der Betrag der durch das Lager
zugelassenen Axialbewegung sowie der spezifische Lagerdruck durch den Krümmungsradius
der Lagerschulter beeinflußt werden. Für eine bestimmte Federkonstante der Membran
18 nimmt die sich für eine bestimmte Axialkraft ergebende Axialverschiebung
wegen der resultierenden Kraftverteilung an der Membran mit zunehmendem Krümmungsradius
der Lagerschulter ab und umgekehrt.
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Die F i g. 4 A und 4 B entsprechen den F i
g. 3 A
und 3B mit der Ausnahme, daß sie das Zusammenwirken der Schulter
16 b der Nut 16 mit dem Federelement zeigen. Es ist also ersichtlich,
daß das Lager in genau der gleichen Weise arbeitet, wenn die Axialkraft in Richtung
des in F i g. 4 A dargestellten Pfeiles einwirkt; die Ringbereiche
Xi und Yl in F i g. 4 B zeigen wieder die Berührungsflächen bei verschiedenen
Axialkräften. Das dargestellte Lager ist also in beiden axialen Richtungen wirksam,
wie an Hand der F i g. 3 A und 4 A ersichtlich ist, wobei jeweils
die Axialkräfte gedämpft und ein annähernd konstanter Lagerdruck aufrechterhalten
werden. Das dargestellte Ausführungsbeispiel eignet sich also besonders für Anwendungsgebiete,
bei denen Axialkräfte wechselnder Richtungen, z. B. Schwingungskräfte, auftreten.
Wenn die Axialkräfte nur in einer Richtung wirken, kann die Nut 16 selbstverständlich
nur eine von der Nut nach außen verlaufende Schulter aufweisen, die dann dieselben
Vorteile bezüglich der richtungskonstanten Axialkraft ergibt.
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F i g. 5 zeigt eine Abwandlung des in F i g. 1 dargestellten
Axiallagers. Auch hier ist das verjüngte Ende 14 der Welle 10 wieder mit
einer Ringnut 26
versehen, die der Nut 16 in F i g. 1 entspricht;
die Schultern26a, 26b der Ringnut26 sind jedoch konisch und nicht sphärisch
geformt wie in F i g. 1.
Im übrigen ist das Lager in gleicher Weise aufgebaut
und arbeitet ähnlich, wie es an Hand der F i g. 3 A
und 4A erläutert wurde,
Konische Schultern lassen sich meist leichter herstellen als sphärisch gekrümmte.
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Welche Werkstoffe für die Lagerelemente verwendet werden, hängt wesentlich
von der bei der betreffenden Maschine verwendeten Schmierung ab. Wenn das die Welle
10 im Gehäuse 12 halternde Lager mit einem Schmiermittel versorgt wird, kann
man die beiden die Nut bildenden Schultern und die federnde Membran 18 ohne
weiteres aus Metall herstellen, für die Membran wird dann irgendein
geeignetes
Federblech verwendet. Wenn das Axiallager dagegen nicht mit Schmiermittel versorgt
werden kann, werden für die Lagerfläche vorzugsweise verträgliche Werkstoffkombinationen
verwendet, die gute Gleit- und Verschleißeigenschaften ergeben. Bei der in F i
g. 1 dargestellten Anordnung können die Schultern 16 a dabei dann
aus Stahl oder einem anderen Metall bestehen, während für die Membran18 ein verschleißfester
Kunststoff, wie Polytetrafluoräthylen oder Polyamid verwendet wird. Gewünschtenfalls
kann letzteres mit Schmiermitteln, wie Graphit oder Molybdändisulfid, versetzt werden.
Andererseits kann man auch die Membran 18 aus Federstahl herstellen und für
die die Nut 16 begrenzenden Schultern einen mit einem Schmiermittel imprägnierten
Kunststoff verwenden. Zu diesem Zweck kann beispielsweise der verjüngte Teil 14
der Welle aus einem massiven Kunststoffstück bestehen, das fest in dem angrenzenden
Ende der Welle 10 befestigt ist. Selbstverständlich können auch andere als
die oben erwähnten Lagerwerkstoffe Verwendung finden.
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Die Membran 18 bewirkt, wie erwähnt, infolge ihrer Nachgiebigkeit
bzw. Steife eine Dämpfung von Axialkräften. Diese Eigenschaft ist besonders bei
Anwendung auf Elektromotoren sehr erwünscht, bei denen durch das Magnetfeld axiale
Schwingungskräfte auftreten können. Um eine einwandfreie Schwingungsdämpfung zu
gewährleisten, werden die Steife oder Federkonstante des für die Membran
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verwendeten Materials so gewählt, daß ihre Eigenfrequenz mit Sicherheit
gut über der Erregungsfrequenz der Schwingungskräfte liegt.
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F i g. 6 zeigt einen Elektromotor mit einem Axiallager der
oben beschriebenen Art. Bei dem Motor handelt es sich um einen üblichen Induktionsmotor
mit einem Statorgehäuse 30, in dem ein Statorkern 32 mit Wicklungen
34 montiert ist. In der Mitte bildet das Gehäuse 30 außerdem eine einseitige,
ausladende Halterung für die Welle 10, an deren rechtem Ende sich eine Axiallageranordnung
16, 18 der in F i g. 1 dargestellten Art befindet.
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Die Welle 10 wird von einer Rotoranordnung 36
umgeben,
die bezüglich der Welle 10 drehbar gelagert ist. Bei dem dargestellten Motor
enthält das Radiallager für den Rotor eine Lagerhülse 40, die in der Rotorbohrung
angeordnet ist und mit einer komplementären Lagerhülse 42 zusammenarbeitet, die
auf der Außenseite der Welle 10 fest angebracht ist. Die Lagerhülsen 40,
42 bilden also ein Radialgleitlager. Selbstverständlich könnte der Rotor
36 auch durch Kugellager od. dgl. auf der Welle 10 gelagert sein.
Der Lagerbereich kann durch Abdeckungen, die je-
doch nicht dargestellt sind,
gegen ein Eindringen von Staub und Schmutz geschützt werden.
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Der Rotor 36 kann beispielsweise das dargestellte Lüfterrad
44 antreiben, das an einem Flansch 46 befestigt ist. Die auf die dargestellte Axiallageranordnung
einwirkenden Kräfte hängen dabei von der Lage der Motorachse bezüglich der Waagerechten
ab. Außerdem treten im allgemeinen axiale Schwingungskräfte auf, die durch das im
dargestellten Motor herrschende magnetische Wechselfeld verursacht werden und auf
das Axiallager einwirken. Bei solchen Betriebsbedingungen ist es von besonderer
Bedeutung, das die elastisch nachgebende Membran des Axiallagers die Schwingungskräfte
dämpft, die sonst unter Umständen zu Beschädigungen und unerwünscht hohen Geräuschen
Anlaß geben können. Gleichzeitig wird auch das Betriebsverhalten des Motors infolge
des kleinen Anlaufdrehmomentes und der selbsttätigen Einstellung des Axiallagers
verbessert.
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Für die Anordnung der Lager gibt es verschiedene Möglichkeiten. So
kann das Axiallager statt am Ende der Welle 10 mit gleichem Vorteil auch
an irgendeinem anderen Ort längs der Welle angeordnet sein. Wenn es bei dem speziellen
Anwendungsgebiet gerechtfertigt ist, können außerdem auch mehrere Axiallager vorgesehen
werden, z. B. an jedem Ende der Welle eines. Nach F i g. 6 läuft das äußere
Bauteil 36 um. Selbstverständlich können die Verhältnisse auch umgekehrt
liegen, oder es können beide Teile gegeneinander umlaufen.
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Die Membran kann abweichend von der Darstellung die Form einer ungeschlitzten
Scheibe haben, die in der Mitte eine öffnung aufweist, deren Durchmesser dem der
öffnung 18 a (F i g. 2) entspricht. Um eine Montage des Axiallagers
zu ermöglichen, wird in diesem Fall das die Außenschulter 16 b oder
26b enthaltende Teil der Welle von dem die andere Schulter oder den Boden
der Nut bildenden Teil leicht entfernbar ausgebildet, z. B. mittels einer Schraubverbindung.