DE1575444B2 - Selbstzentrierendes Umlauf-Drucklager - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein selbstzentrierendes Umlauf-Drucklager gemäß dem Gattungsbegriff des Patentanspruchs 1.

Es sind zahlreiche Vorrichtungen bekannt, bei denen Lager zur Übertragung einer Kraft zwischen zwei sich relativ zueinander drehenden Teilen nötig sind. Ein Beispiel eines solchen insbesondere für Meßinstrumente bestimmten Lagers ist in der deutschen Patentschrift 344 627 beschrieben. Bei dieser bekannten Konstruktion eines Kugeldrucklagers ist eine polierte Stahlkugel von einer Art Käfig umschlossen und stützt ein beweglich zu lagerndes Schaftende gegen eine ruhende polierte Lagerfläche am Käfiggrund ab. Das zur Lagerfläche parallel liegende flache Schaftende ist ebenfalls eine harte, polierte Hache.

ίο Ähnliche Lageranordnungen sind in der deutschen Patentschrift 48 694 sowie in den USA.-Patentschriften 405 559 und 679 078 beschrieben. Derartige Lager nützen sich leider meist schneller als erwünscht ab, insbesondere wenn die Vorrichtung im Dauerbetrieb oder mit hohen Drehzahlen arbeiten muß oder beides und haben eine verhältnismäßig hohe Gesamtreibung. Der Grund dafür besteht darin, daß die polierte Stahlkugel praktisch immer außerzentrisch läuft und dann in Gleit-Rollberührungskontakt mit der Käfigwand einerseits und in Rollberührungskontakt mit den beiden Lagerflächen andererseits steht. Insbesondere der Andruck und Gleit-Rollberührungskontakt mit der Käfigwand ist völlig ungleichmäßig und führt bei höheren Drehzahlen verhältnismäßig rasch zu einer insbesondere ungleichmäßigen Abnützung der Käfiginnenwand, zu einem ungleichmäßigen Bremsmoment auf die Drehachse zwischen den beiden Lagerflächen und auch zu zusätzlicher Reibung, nicht zuletzt wegen des entstehenden Materialabriebs. Aus diesen Gründen sind die Lager nach dem genannten Stand der Technik auch nur für vergleichsweise niedrige Drehzahlen geeignet, beispielsweise das Lager nach der deutschen Patentschrift 344 627 für die Anwendung in Elektrizitätszählern.

Ein Beispiel für eine sich ständig mit hoher Drehzahl drehende Lagervorrichtung ist mit der in der USA.-Patentschrift 2 930 231 offenbarten Durchsatz-Integriervorrichtung bekanntgeworden. Diese Vorrichtung weist eine ein Unwuchtgewicht in Drehung setzende Turbine auf, wobei das Gewicht eine entsprechende Zentrifugalkraft erzeugt, die auf eine im wesentlichen vorrichtungsfeste auswuchtbare Kraftleiste übertragen wird. Die Kraftübertragung er-

.. iolgt dabei über eine lange dünne Stange, die an ihren Enden in Lagern der beschriebenen Art gelagert ist, beispielsweise in einer als »Endstein-Ringstein«-Lager bekannten Konstruktion. Die Stange ist verhältnismäßig lang, um Winkelfehler insbesondere von Dimensionsfehlern in der Relativausrichtung der Endlager zu vermindern. Eine derartige Anordnung neigt jedoch selbst bei dieser Ausbildung zu schnellerem Verschleiß als im Hinblick auf die Lebensdauer einer zugeordneten Gesamt- bzw. Meßvorrichtung erwünscht ist.

Der Erfindung liegt damit die Aufgabe zugrunde, ein Umlauf-Drucklager insbesondere für eine Anwendung in einer Integriervorrichtung nach der in der USA.-Patentschrift 2 930 231 beschriebenen Art zu schaffen, das geringere Reibung und insbesondere nicht mehr die beschriebenen Abnützungserscheinungen der Lager nach dem Stand der Technik aufweist und mit dem sich zusätzlich eine kippmomentfreie Lagerung einer drehenden Achse oder Stützstange gegenüber einer Lagerfläche erreichen läßt.

Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich durch die im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 angegebenen Maßnahmen, durch die eine Selbstzentrierung der Kugel des Kugeldrucklagers erreicht wird. Vorteil-

hafte weitere Ausgestaltungen dieses Erfindungsgedankens sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung ist im folgenden in Anwendung auf eine Vorrichtung nach der erwähnten USA.-Patentschrift 2 930 231 unter Bezug auf die Zeichnungen in beispielsweisen Ausführungsformen beschrieben. Es ist jedoch zu bemerken, daß die Erfindung keineswegs auf diesen Anwendungsfall beschränkt ist. Es zeigt ίο

F i g. 1 eine zur Darstellung der von der umlaufenden Turbine getragenen erfindungsgemäßen Drucklageranordnung teilweise weggebrochene Seitenansicht einer Durchsatz-Integriervorrichtung,

Fig.2 einen Schnitt durch die Lagerkonstruktion, in vergrößertem Maßstab, und

F i g. 3 einen F i g. 2 ähnelnden Schnitt durch eine abgewandelte Ausführungsform der Erfindung.

Die in F i g. 1 dargestellte Vorrichtung weist eine Basis bzw. einen Sockel 10 auf, die bzw. der einen die betrieblichen Teile umgebenden mantelartigen Deckel 12 trägt. Zu diesen betrieblichen Teilen zählt eine drehbar angetriebene Luftturbine 14, die auf einer lotrechten Welle 16 sitzt, welche ihrerseits in nicht dargestellten herkömmlichen Lagern um ihre Achse herum drehbar gelagert ist. An der Oberseite des Turbinenrads ist eine Tragplatte 18 mit hochgebogenen Außenenden 20 α und 20 b befestigt.

An den hochgebogenen Enden 20 a, 20 b sind je ein Quer-Biegestück 22 a bzw. 22 b zur schwenkbaren Lagerung je eines L-förmigen Hebelarms 24 a bzw. 24 b angebracht. Jeder Hebelarm weist einen aufwärts abstehenden, als Gewicht dienenden Teil auf, der eine Zentrifugalkraft um die durch die Überschneidungsstelle der beiden biegsamen Streifen des betreffenden Biegestücks festgelegte Achse herum zu erzeugen vermag. Das Hebelarmmoment jedes Gewichts ist mittels einer Gewindemutter 26 a, 26 b einstellbar. Die einwärts gerichteten Abschnitte der Arme 24 a, 24 b sind an einem im wesentlichen U-förmigen Tragglied 28 befestigt, dessen lotrechte Schenkel biegsam sind, so daß sie eine geringfügige Schwenkbewegung der Hebelarme 24 a, 24 b um die betreffenden Quer-Biegestücke herum zulassen.

Wie auch aus F i g. 2 hervorgeht, trägt das Tragglied 28 einen zentral angeordneten zylindrischen Napf 30 von kreisförmigem Querschnitt, in dessen Boden ein kreisförmiges Scheibenglied 32 aus gewöhnlichem Gummi mit zumindest mäßiger Nachgiebigkeit 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.

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 einer bereits hergestellten Vorrichtung der beschriebenen Art besitzt die Kugel einen Durchmesser von etwa 6,35 mm. Mit der Oberseite dieser Kugel 34 steht die flache Fläche eines Saphir-Lagerglieds 36 in Berührung, das parallel zur flachen Oberseite der Gummischeibe 32 angeordnet und am unteren Ende einer Stange 38 befestigt ist, welche ihrerseits gemäß F i g. 1 starr am Mittelbereich einer auswuchtbaren Kraftleiste 40 befestigt ist, die wiederum am nicht dargestellten linken Ende um eine waagerechte Achse herum schwenkbar ist.

Im Betrieb wird das Turbinenrad 14 durch einen Druckluftstrom in Drehung versetzt, wobei die durch die Gewichte 24 a, 24 b erzeugte 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 steuert, 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 Stange 38 eine Kraft in der Größenordnung von 45 bis 454 g.

Im Betrieb der Vorrichtung hat es sich gezeigt, daß sich die Kugel 34 selbsttätig über der Drehachse der Turbine 14 zentriert, vorausgesetzt, daß sich die Anfangsstellung der Kugel nicht zu weit von dieser Achse entfernt befindet. Bei der vorstehend beschriebenen Vorrichtung erfolgt diese Selbstzentrierung mit einer anfänglichen radialen Versetzung um mindestens etwa 0,25 mm, obgleich diese spezielle Versetzungsstrecke nicht als kritische Grenze betrachtet wird. Der Napf 30 dient in erster Linie dazu, zu gewährleisten, daß sich die Anfangsstellung der Kugel, d. h. ihre Lage beim Anlassen der Vorrichtung, innerhalb des radialen Versetzungsbereichs befindet, bei welchem eine automatische Selbstzentrierung der Kugel sichergestellt wird. Im Betrieb berührt der Napf weder die Kugel noch begrenzt oder ändert er ihre Bewegungen in irgendeiner Weise, obgleich sein Vorhandensein das Bedienungspersonal vor Verletzungen durch eine herausgeschleuderte Kugel sichert.

Obgleich noch keine völlig zufriedenstellende Erklärung für die selbstzentrierende Wirkung der Kugel 34 gefunden werden konnte, scheint es offensichtlich zu sein, daß infolge der unterschiedlichen Eigenschaften der einander gegenüberliegenden, mit der Kugel in Berührung stehenden ebenen Berührungsflächen der Glieder 32 und 36 eine einwärts gerichtete Radialkraft auf die Kugel ausgeübt wird.

Es ist möglich, daß die selbstzentrierende Wirkung vom Unterschied in der Nachgiebigkeit der beiden Flächen 32 und 36 herrührt. In dieser Hinsicht wurde festgestellt, daß die Kugel, wenn sie gegenüber der axialen Mitte des Glieds 32 versetzt ist und durch dieses in Drehung versetzt wird, anscheinend auch eine Rollbewegung durchführt, während sie sich um die Kreisbahn der Drehbewegung herumbewegt und dabei den Gummi in ringförmiger Bahn zusammenzudrücken trachtet. Das zusammengedrückte nachgiebige Material in dieser Eindruckbahn erzeugt hinter der Mitte der Kugel, d. h. hinter der lotrechten Projektion dieser Mitte auf das Glied 32, eine Gegenwirkkraft mit radial einwärts gerichteter Komponente, während der Rest des zusammengedrückten Materials eine Gegenwirkkraft mit auswärts gerichteter Komponente erzeugt. Da diese Eindruckbahn ringförmig ist, ist ihre außerhalb des durch die Bewegung der lotrechten Projektions-Mittenachse der Kugel, während sie ihre anfängliche Kreisbahn durchläuft, festgelegten Kreises liegende Fläche größer als die innerhalb dieses Kreises liegende Fläche. Es kann somit sein, daß die größere Druckenergie der äußeren Fläche eine größere einwärts gerichtete Kraftkomponente erzeugt, welche danach trachtet, die Kugel einwärts in Richtung auf die Drehachse zu verlagern.

Die Erfahrung hat gezeigt, daß auch andere Werkstoffe als Gummi 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 unterschiedlichen Reibungskoeffizienten dieser beiden Glieder abhängt. Ein gewisser Schlupf der Kugel an der Stelle, an welcher sie mit der Saphirfläche des Glieds 36 in Berührung steht, scheint aus den vorstehenden Beobachtungen offensichtlich zu sein. Sobald jedoch die Kugel den Drehmittelpunkt erreicht hat, dreht sie sich anscheinend mit dem nachgiebigen Gummiglied 32 mit, so daß die aktive Lagerungsberührung zu diesem Zeitpunkt zwischen der Kugel und dem Saphirglied 36 besteht. 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 andere Bewegungsunregelmäßigkeiten an einer Stelle drehenden Kugel über lange Zeiträume hinweg auszuhalten.

F i g. 3 zeigt eine abgewandelte Ausführungsform eines selbstzentrierenden Drucklagers mit den Merkmalen der Erfindung. In diesem Fall besteht das obere Lagerglied 36 a aus mäßig nachgiebigem Gummi und ist an einer vorrichtungsfesten Stange 38 α angebracht, während das untere Lagerglied 32 a ein in einen umlaufenden Napf 30 α eingesetztes Saphirglied ist. Die Kugel 34 a ist dieselbe wie bei der Ausführungsform gemäß F i g. 2.

Wenn die Kugel 34 α in eine gegenüber der Drehachse des Napfs 30 α versetzte Stellung gebracht wird und sich der Napf 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 vom Mittelpunkt befindet; anderenfalls trachtet die Kugel bei sich drehendem Napf danach, radial auswärts zu wandern. Auf Grund von Versuchen besteht ein gewisser Hinweis darauf, daß die Kugel bei dieser Ausführungsform der Erfindung zur Erzielung der Selbstzentrierung anfänglich etwas näher an der Mitte angeordnet sein

ίο muß als bei der Anordnung gemäß F i g. 2.

In jedem Fall zeigen die Lager gemäß den F i g. 2 und 3 eine selbstzentrierende Wirkung, die eine automatische Ausrichtung der betreffenden Lagerteile auf die Drehachse gewährleistet. Ersichtlicherweise erzeugt die Differentialwirkung der beiden aus unterschiedlichen Werkstoffen bestehenden Lagerflächen, welche der Berührung mit der Kugel unterschiedliche Eigenschaften entgegensetzen, eine einwärts gerichtete Radialkraft. Wenn diese Kraft größer ist als die auf die Kugel einwirkende Fliehkraft, die ihrerseits dem Umlaufradius der Kugel proportional ist, so bewegt sich die Kugel einwärts in Richtung auf den Drehmittelpunkt, wo sie im weiteren Betrieb der Vorrichtung verbleibt.

Diese selbstzentrierende Wirkung ist besonders deshalb vorteilhaft, weil sie eine geringen Verschleiß gewährleistende Lagerausrichtung bietet. Außerdem erfolgt diese Ausrichtung selbsttätig, so daß die Notwendigkeit für eine Bearbeitung mit engen Toleranzen während der Herstellung oder Einstellung der Vorrichtung entfällt.

Obgleich vorstehend bestimmte bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung in Einzelheiten erläutert 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 Anwendungsfall angepaßt werden können, ohne daß dabei der Rahmen der Erfindung verlassen wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (9)

Patentansprüche:

1. Selbstzentrierendes Umlauf-Drucklager, bestehend aus zwei Lager-Berührungsgliedern mit einander zugewandten, parallelen ebenen Flächen, von denen das eine Glied um eine senkrecht zu den ebenen Flächen verlaufende Achse herum drehbar gegenüber dem anderen Glied gelagert ist, und einer zwischen die beiden Flächen eingesetzten, mit ihnen in Berührung stehenden Kugel, die eine längs der Drehachse einwirkende Schubbzw. Druckbelastung aufzunehmen vermag, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Flächen (32, 36) aus Werkstoffen mit unterschiedlichen Berührungseigenschaften gegenüber der Kugel (34) bestehen und eine Differentialwirkung entwickeln, ,die eine gegen die Drehachse (16) gerichtete Kraft an der Kugel erzeugt, wenn die Kugel nicht über der Drehachse zentriert ist und durch Drehung des einen Glieds (30 bzw. 38) gegenüber dem anderen (38 bzw. 30) um die Drehachse herum in Drehung versetzt wird.

2. Umlauf-Drucklager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Flächen (32, 36) aus Werkstoffen unterschiedlichen Nachgiebigkeitsgrads bestehen.

3. Umlauf-Drucklager nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die eine Fläche aus nachgiebigem und die andere Fläche aus nicht nachgiebigem Werkstoff besteht.

4. Umlauf-Drucklager nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der nachgiebige Werkstoff Gummi ist.

5. Umlauf-Drucklager nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das die nachgiebigere Fläche aufweisende Glied drehbar gelagert ist, während das andere Glied vorrichtungsfest ist.

6. Umlauf-Drucklager nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die nachgiebigere Fläche auch einen höheren Reibungskoeffizienten besitzt als die andere Fläche.

7. Umlauf-Drucklager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Flächen (32, 36) aus Werkstoffen mit unterschiedlichen Reibungskoeffizienten bestehen.

8. Umlauf-Drucklager nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die eine Fläche aus einem mäßig nachgiebigen Werkstoff mit höherem Reibungskoeffizienten als die andere Fläche besteht.

9. Umlauf-Drucklager nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Kugel (34) aus einem harten Werkstoff besteht und eine glatte Außenfläche aufweist.