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Selbstzentrierendes Umlauf-Drucklager Die Erfindung bezieht
sich auf Umlauf-Drucklager speziell der Artg bei welcher die Druck- bzw. Schubbelastung
von einer' mit einer praktisch ebenen Lagerfläche in Berührung stehenden Kugel aufgenommen
wird.
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Es sind zahlreiche Vorrichtungen bekannt, bei denen Lager zur Übertragung
einer Kraft zwischen zWei sich relativ zueinander drehenden Teilen nötigg sind.
Derartige Lager trachten häufig danach, sich schneller als erwünscht abzunutzen,
beispielsweise wenn die Vorrichtung im Dauerbetrieb oder mit hohen Drehzahlen arbeiten
muß oder beides.
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Ein Beispiel für eine sich ständig mit hoher Drehzahl drehende Vorrichtung
ist die in der USA-Patentschrift 2 930 231
offenbarte Durchsatz-Integrie#rvorrichtung.
Diese Vorrich--tung weist eine ein Unwuchtgewicht in Drehung setzende Turbine auft
wobei das Gewic ht eine entsprechende Zentrifugalk.raft erzeugty die auf eine im
wesentlichen vorrichtungsfeste auswuchtbare Kraftleiste, übertragen wird. Die Kraftübertragung
erfolgt
bei dieser Vorrichtung durch eine lange dünne Stange, die an ihren. Enden in herkö.,-.i.m.lichen
la ern 4,ela-ert istg beispielsweise in einer a113 "Endstein-.9 - C; -Ringstein"-La-#"er
bekannten Konstruktion. Die Stan#,-,e ist verhältnismäßig lang, um INinkelfehler
infol,-e von Dimensionsfehlern in der Relativausrichtu.ng der Eridla;i:,-er zu v
ermindern. Eine derartige Anordnung neigt jed'och selbst bei dieser Ausbildung zu
schnellerem Verschlei!3 als erwünscht, so daß sich Schwierigkeiten bei der Konstruktion
einer derartigen Vorrichtung ergeben.
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-Die Erfindung-ist im folgenden in Anwendung auf -eine Vorrichtung
gemäß obiger USA-Patentschrift beschrieben. Es ist jedoch zu beachten, daß die Erfindung
keines,.vea»s auf !7,) diesen Anwendungsfall beschränkt ist und bei zahlreichen
unterschiedlichen Vorrichtungen Anwendung finden kann. »-
Aufgabe der Erfindung
ist folglich die Schaffung eines verbesserten Umlauf-Drucklagers und insbesondere
eines Umlauf-Kugeldrucklagers solcher Anordnung, daß sich die Kugel im Betrieb selbsttätig
auf die Drehadhse auszurichten vermag, und hierdurch ein verhältnismäßig geringer
Verschleiß pewährleistet wird. Weitere Ziele, Vorteile und Herkmale-der Erfindung
werden zum Teil besonders hervorgehoben und erge-.ben sich-zum Teil von selbst aus
d,er folgenden Beschreibung anhand der Zeichnungen. Es zeigen:
Fir.
1 eine zur Darste-Ilung der von der umlaufenden Turbine getr#:,genen. (,rfinduncsgemäßen
Drucklageranordnung teili"reise weggebrochene Seiterleaisicht einer Durchsatz-Intep,riervorrichtungg
Fig. 2 einen Schnitt durch die Lagerkonstruktion, in ver-,grö'3ertein und Fig.
3 einen Fip. 2 ähnelnden Schnitt durch eine abU-ewandelte Ausfiil".run#7sfoi#n!
der P.rfin(iunp:.
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Die in Pig.- --1 darpestellte Vorrichtung weist eine Basis
bzw. Sockel 1C- aufg die b-_Vr. der einen die betrieblichen Teile umgebenden mantelartigen
Deckel 12 trägt. Zu diesen betrieblichen Teilen z.-ihlt eine drehbar angetriebene
Luft'-. turbine 14, die auf einer lotrechten Welle 16 sitzt, welche ihrerseits
in nicht dargestellten herkönL»tlic.h-ei-i Lagern um ihre Achse herum drehbar gelagert
ist. An der Oberseite des Turbinenreds ist eine Tragplatte 18 mit hochgebogenen
Außenenden 20a und 20b bef estigt.
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An den hochgebogenen Enden 20a, 2C.b sind je ein Quer-Biegestück
22a bzw. 22b zur schwenkbaren-lagerung je eines L-förmigen Hehelar-Iis
24a bzw. 24b angebracht. Jeder Flebelarm weist einen aufwärts abstehenden, als Gewicht
dienenden
t - um die durch die Über-Teil auf , der
eine Zentrifucalkraf schneidun-s-telle der beiden biegsa.men Streifen des betreffenden
Biegestücks festgelegte Achse herum zu erzeugen vermag. Das Hebelarmmoment jedes
Gewichts ist mittels einer Gewindemutter 26a, 2#b einstellbar. Die einwärts gerichteten
Abschnitte der Arme 24a, 24b sind an einem im wesentlichen U-förmigen Tragglied
#,8 befesti,-t,. dessen lotrechte Schenkel biegsam s#-ndg so daß-sie eine rerin,--fügige
Schwenkbewegung der Hebelarme 24a, 24b um die betreffenden Quer-Biegestücke herum
zulassen.
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Wie auch aus Fig. 2 hervorgeht, trägt das Tragglied 28
einen
zentral angeordneten zylindrischen Napf 30 von kreisförmigem Querschnitt,
in dessen Boden ein kreisförmiges Scheibenglied 32 aus gewöhn1-ichem Gummi
mit zumindest mäßiger Nachi-iebigkeit vorgesehen ist. Das Scheibenglied'
32 ist mit leichtem Festsitz in den Napf 30 eingepaßt und. dreht sich
zusammen mit letzterem, wenn die Turbine 14 umläuft.
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Die flache Oberseite des Gummi-Scheibenglieds 32 steht mit
einer harten, im wesentlichen perfekt sphärischen Stahlkugel 34 in Berührung, die
eine glatte Oberfläche ohne jegliche Unregelmäßigkeiten aufweist. Bei einerbereits
hergestellten Vorrichtung der beschriebenen-Art besitzt die Kugel
einen
Durchmesser von etwa 6,35 min. Mit der Oberseite .di eser Kugel, 34 steht
die flache Fläche eines Saphir-Lagerglieds 36 in Berührung, das parallel
zur flachen Oberseite der Gummischeibe 32 ani.leordnet und am unteren Ende
einer Stange 38 befestigt istg welche ihrerseits gemäß Fig. 1
starr
am-blittelbereich einerauswuchtbaren Kraftleiste 40 befestigt ist, die wiederum
ain nicht dargestellten linken Ende um eine waagerechte Achse herum schwenkbar ist.
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Im Betrieb wird das Turbinenrad 14 durch einen Druckluftstrom in Drehung
versetztg wobei die durch die Gewichte 24a, 24b erzaugte Zentrifugalkraft eine aufwärts
gerichtete Kraft gegen den Napf 30 ausübt. Diese Kraft wird durch die Kugel
34 und die Stange 38 auf die Kraftleiste 40 übertragen, wobei letztere über
eine in der eingangs genannten USA-Patentschrift beschriebene Düsen-Klappeneinrichtung
den Druckluftstrom zur Turbine steuerty so daß deren Drehgeschwindigkeit der Durchsatzmenge
des zu messenden Fluidums unmittelbar proportional ist. Die Turbine läuft mit Drehzahlen
von bis-zu etwa 3000 U/min um und erzeugt in der S -tärig,e'*-'38 eine Kraft
in der Größenordnung'von 45 - 454 g. 'Im'--Betrie'b der Vorrichtung hat es
sich gezeigtg daß sich die Kugel 34 selbsttätig über der Drehachse der Turbine 14
zentriert, vorausgesetztg daß sich die Anfangsstellung der
Kugei
nicht zu weit von dieser Achse entfernt befindet. Bei der vorstehend beschriebenen-VorrichtunE,
erfolgt d-Les'e
einer -inf-;in,=lichen radialeil Versetzung-, um mindestens etwa 0,25 mii, ob,--
,leich di e se spezielle Versetzungstrecke nicht als kritisclie Grenze betrachtet
wird. Der Napf -30 dient in erster Linie dazu, zu gew;ihrleisten, daß sicii
die Anfangsstellun- der rKlugel, d.h. ihre beim Anlassen der Vorrichtunl,-, innerhalb
des radialen Versetzungsbereichs befindet, bei welchem eine automati,-#che Selbstzentrierunnp
der Kugel sicher--estellt wird. In Betrieb berührt der Napf weder die Kugel noch
begrenzt oder ändert er ihre Bewegungen in irge-Lid einer li#!eiseg ob,-leich sein
Vorhandensein das BedienungspersQnal vor Verletzungen durch eine herausgeschleuderte
Kugel sichert.
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Obgleich noch keine völlig zufriedenstellende Erk.lärung für die selbstzentrierende
Wirkung der Kugel 34 gefunden werden konnte, scheint es offensichtlich zu sein,
daß infolge der unterschiedlichen.Eigenschaften der einander gegenüber-CD liegenden,
mit der Kugel in Berührung stehenden ebenen Berührungsflächen der Glieder
32 und 36 eine einwärts geriChtete Radialkraft auf die Kugel ausgeübt
wird.
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Es ist möglich daß die se-lbstzentrierende Wirkung vom Unterschied
in der Nachgiebigkeit der-beiden,Plächen-32 und 36
herrührt.
In dieser. linsicht wurde festgestellt, daß die l-!-'iieel, wenn sie Fegeniftber
der axialen V.litte cLes %'-'T'lieds 32
versetzt i.#,-t.und durch'dieses in
Drehung versetzt wird, anscheinend auch eine Rollbeweclung durchführt9 während sie
sich um die i.re.-*Lqbahn der Drehbewegung, herunbewegt und d,-,ibei den Gui"Lni
in ring ,förmiger Bahn zusammenzudrück.en trachtet. Des zusammengedrückte nach.,iebige
Material in dieser Eindruckbahn erzeur-t hinter der Mitte der Kugel, C#; d-.h. hinter
der lotrechten Pro-#ektion dieser h--itte auf das-"r'llied 32, e-'ne Ge.£-en-virl"kraft
mit radial einw;i.rts gerichteter Komponente, während der Rest des zusammengedrückten
Materials eine Gegenwirkkraft mit auswärts gerichteter 1,-omponente erzeug .t. Da
diese Eindruckbahn ringförmig ist" ist ihre außerhalb des durch die Bewegung der
lotrechten Pro,-,;,ektions-i'#littenaclise der Kugel, während sie ihre anfängr liehe
Kreisbahn durchläuft, festgelegten Kreises liegende Fläche größer als die innerhalb
dieses Kreises liegende Fläche. Es kann somit sein, daß die größere Druckenergie
der äußeren 171,kiche.eine größere einwärtz gerichtete Kraftkompoziente erzeugt,
welche danach trachtet, die Kugel einwärts in Richtung auf die Drehachse zu verlagern.
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Die Erfahrung hat gezeigt, daß auch andere Werkstoffe als Gu=i für
das Lagerglied 32 verwendet werden können. Beispielsweise gewährleistet eine
nachgiebige- Korkscheibe ebenfalls die selbstzentrierende Wirkung.
Es
bestehen gewisse Anzeichen dafür, daß die Differentialwirkung zwischen den beiden
Gliedern 32 und 36 eine Wirkung hervorbringt, die von den unierschiedlichen
Reibungs-.koeffizienten dieser beiden Glieder abhängt. Ein gewisser Schlupf der
Kugel an der Stelleg an welcher sie mit der Saphirfläche des Glieds-36'in Berührung
steht, scheint aus den vorstehenden Beobachtungen offensichtlich zu sein. Sobald
-;edoch die Kugel den Drehmittelpunkt erreicht h at, dreht sie sich anscheinend
mit dein nachgiebigen Gummiglied 32 mit, so daß* die aktive Lagerungsberührung-zu
diesem Zeitpunkt zwischen der Kugel und dem Saphirglied 36 besteht.
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Da zwischen der Kugel und dem unteren Lagerglied 32 keine Relativbewegung
vorhanden ist, tritt im Betrieb auch kein nennenswerter Verschleiß an letzterem
auf. Das Saphirglied 36 erleidet ebenfalls keinen nennenswerten Verschleiß,
da es in der Lage ist, die Berührung mit einer sich ohne Kreisbewegung oder and.ere
Bewegungsunregelmäßigkei-ten an einer Stelle.drehenden Kugel über lange Zeiträume
hinw'eg auszuhalten.
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Fig. 3 zeigt -eine abgewandelte Ausführungsforin eines selbstzentrierenden
Drucklagers mit den Merkmalen der Erfindung. In diesem Fall besteht das obere Lagerglied
36a aus mäßig nachgiebigem Gummi und ist an einer vorrichtungsfesten Stange 38a
angebracht, während'das untere Lagerglied 32a
.ein in einen umlaufenden
Napf 30a eingesetztes Saphirglied_ ist. Die Kugel 34a ist dieselbe wie bei der Ausführungsf
orin gemäß Fig. - 2 Wenn die Kugel 34a in eine gegenÜber der Drehachse des
Napfs 30a versetzte Stellung. gebracht wird und sich der IT apf mit verhältnismäßig
hoher Drehzahl dreht, verlagert sich die Kugel radial einwärts in Richtung auf den
Drehmittelpunkt. 'Wie im vorher beschriebenen Fall tritt diese Bewegung nur dann
auf, wenn sich die Kugel anfänglich innerhalb eines bestimmten Abstands von 1.Iittelpunkt
befindet; anderenfalls trachtet. die Kugel bei sich drehendem Napf danach, radial
auswärts zu wandern. Aufgrund von Versuchen besteht ein gewisser Hinweis darauf,
daß die Kugelbei dieser Ausführungsform der Erfindung zur Erzielung, der Selbstzentrierung
anfänglich etwas näher an der Mitte angeordnet'sein muß als bei der Anordnung gemäß
Fig. 2.
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In jedem Fall zeigen die Lager gemäß den Fig, 2 und 3-eine selbstzentrierende
Wirkung, die eine automatische Ausrich--tung der betreffenden Lagerteile auf die
Drehachsegewährleistet. Ersichtlicherweise erzeugt die Differentialwirkung der beiden
aus unterschiedlichen Werkstoffen bestehenden, Lagerflächen) welche der Berührung
mit der'Kugel unterschiedliche Eigenschaften entgegensetzeng eine einwärts gerichtete
Radialkraft.
Wenn diese Kraft grö3er ist als die auf die Kugel einwirkende Fliehkraft, die ihrerseits,dem
'L,'mläufradius der Kugel proportional ist, so bewegt sich die Kugel einwärts in
Richtung auf den Drehinittelpunkt9 wo sie im weiteren Betrieb der Vorrichtung verbleibt.
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Diese selbstzentriereilde Wirkung ist besonders deshalb vor-,en Verschleiß
genährleistende teilhaft, weil sie eine gering Lagerausrichtung bietet. Äußerdein
erfolgt diese Äusrichtung selbsttätig, so daß die Notwendigkeit für einie Bearbeitung
J
mit engen Toleranzen während,der Herstellung oder Einstellung der Vorrichtung
entfällt.
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Obgleich vorstehend bestimmte bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung
in Einzelheiten erl;-,u',ert sind, ist darauf hinzuweisen, daß die vorstehende Offenbarung
lediglich der beispielhaften Veranschaulichung und Erläuterung der Erfindung dienen
soll, damit ihre Prinzipien verständlich sind und in verschiedenster Form dem jeweiligen
Än*endungsfall angepaßt werden könneng ohne daß dabei der Rahmen der Erfindung verlassen
wird.