DE1811333A1

DE1811333A1 - Vorrichtung zur Lagerung hochtouriger Wellen

Info

Publication number: DE1811333A1
Application number: DE19681811333
Authority: DE
Inventors: Dipl-Ing Klaus Hagemeister; Dipl-Ing Dr Wolfgang Hansen
Original assignee: MAN Turbo GmbH
Current assignee: MAN Turbo GmbH
Priority date: 1967-11-29
Filing date: 1968-11-28
Publication date: 1969-08-21
Also published as: AT279282B; GB1238199A; FR1593487A; DE1811333B2; US3549222A

Description

M.A.N. TURBO GMBH

München, den 2^.November I968

Vorrichtung zur Lagerung hochtouriger Wellen

Die Erfindung bezieht sich auf ein Wälzlager zur Lagerung hochtouriger Wellen, dessen Käfig von der Welle angetrieben wird.

Den normalen Betriebszustand eines Wälzlagers, bei dem die Wälzkörper sich ohne zu gleiten auf dem Innen- und Außenring abwälzen, bezeichnet man als kinematisch einwandfreien Lauf. Die Drehgeschwindigkeit der Wälzkörper um ihre eigene Achse und die Umlaufgeschwindigkeit des im Käfig geführten Wälzkörperpaketes entspricht dabei den aus den Abmessungen des Lagers theoretisch zu ermittelnden Geschwindigkeits-Vektoren. Man hat festgestellt, daß dieser kinematisch einwandfreie Lauf in vielen Betriebszuständen tatsächlich nicht auftritt. Das ist vor allem dann der Fall, wenn die den Käfig samt Wälzkörper verzögernden Reibungskräfte (Schmierung, Ventilation) die an der Kontaktfläche Innenring-Wälzkörper wirkenden Antriebsmamente übersteigen. In diesem Fall bleibt der Käfig samt Wälzkörper hinter der kinematischen Drehzahl zurück. Besonders im Bereich hochtouriger Drehzahlen ergibt sich die Schwierig-

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keit, daß nur an der Stelle der Lagerbelastung einige Wälzkörper tragen,, wahrend die übrigen durch Fliehkräfte nach außen gedrückt werden und mit dem Innenring des Lagers keinen Kontakt haben. Ist nun der Innenring der umlaufende Teil des Lagers, so werden die nichttragenden Wälzkörper_p unter anderem durch Reibungskräfte am Außenring abgebremst und beim Hineinlaufen in die belastete Zone schlagartig beschleunigt, wobei erhöhter Verschleiß auftritt.

Weiterhin kann die nicht einwandfreie Funktion der Wälzkörper bei hochtourigen Wellen darauf zurückgeführt werden^, daß die Welle bei kleiner Restunwucht innerhalb des Lagerspieles wie ein freier Kreisel rotiert und zeitweise völlig von den Wälzkörpern abhebt, wobei die Wälzkörper und mit ihnen der Käfig nicht mehr angetrieben werden und - durch Reibungskräfte verzögert - nur noch mit geringer Drehzahl rotieren«, Sobald in solchem Falle eine plötzliche Belastung des Lagers erfolgtj, müssen Wälzkörper und Käfig ebenfalls unter starken Gleiterscheinungen, beschleunigt werden,,

Bei Kugellagern werden diese Schwierigkeiten teilweise durch axiale Verspannung ausgeschaltet, die jedoch im allgemeinen nicht so weit erfolgen kann, daß die Kugeln spielfrei umlaufen^ ohne daß durch zu große Vorspannkraft erhöhter Verschleiß verursacht wird. Bei Rollenlagern scheidet eine axiale Verspannung gänzlich aus.

Durch die britische Patentschrift 2?! Ö?6 ist ein Wälzlager

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mit einem von der Welle Übtr ein Zahnradgetriebe angetriebenen Wälzkörperkäfig bekanntgeworden. Der darin vorgeschlagene mechanische Antrieb de» Wälzlagerkäfigs ist insofern nachteilig, als er nur bei relativ groß dimensionierten Lagern anwendbar ist und im Falle relativ klein dimensionierter Lager das Getriebe zwischen Welle und Käfig zu kleine Abmessungen erhalten müßte, wodurch die Störanfälligkeit des Lagers begünstigt würde. Außerdem besteht die Gefahr, daß durch Verschleiß des Zwisohengetriebes Feststoffe in das Lager geraten und dessen vorzeitige a Zerstörung herbeiführen. Schließlich erfordert ein mechanisches Getriebe in der vorgeschlagenen Art, zwischen der Welle Uüd dem Käfig, einen erheblichen Bauaufwand mit entsprechend hohen Herstellungskosten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Nachteile, welche bei bekannten Lagern auftreten, zu beseitigen und ein Wälzlager zu schaffen, dessen Wälzkörper mit gleichförmiger Geschwindigkeit umlaufen, ohne daß das Lager %n sich verspannt ist, sodaß einerseits Verschleiß durch wechselweise Beschleunigung und Ver- ti zögerung der Wälzkörper, andererseits Verschleiß durch zu große Vorspannung vermieden wird. Weiter soll sich das Wälzlager durch bauliche Einfachheit und geringen Platzbedarf auszeichnen.

Zur Lösung der gestellten Aufgabe schlägt die Erfindung bei einem Wälzlager der eingangs genannten Gattung hauptsächlich vor, daß eine Drehmomentübertragung zwischen der Welle und dem Wälzlagerkäfig in Form einer hydraulischen Kupplung vorgesehen ist.

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Die erfindungsgemäße Lösung ermöglicht es, daß die Rollen des Lagers immer vom angetriebenen Käfig.mitgenommen und durch Fliehkräfte an die Außenlaufbahn gedrückt werden. Sie bleiben deshalb auch im unbelasteten Bereich auf ihrer Betriebsdrehzahl und erfahren beim Einlaufen in die belastete Zone keine verschleißbedingenden Beschleunigungen, Die Lebensdauer der Lager erhöht sich durch diese Maßnahme wesentlich. Außerdem stellt die Kühlung der Lager geringere Anforderungen, da weniger Reibungswärme entsteht.

Ferner zeichnet sich die Lösung der Erfindung durch bauliche Einfachheit und geringen Platzbedarf aus, was von großer Wichtigkeit für die praktische Anwendung ist, wenn die Kupplung in einem normalen Lagergehäuse untergebracht werden soll.

Als weiterer Vorteil ergibt sich ein verschleißfreier Betrieb, da keine Metallteile aufeinander gleiten. Schließlich hat diese Antriebsanordnung eine nahezu unbegrenzte Betriebssicherheit, da mit der hydrodynamischen Kupplung sowohl der unterschiedlichen Drehzahl zwischen Welle und Käfig Rechnung getragen wird, als auch eine eventuell auftretende Störung im Lager nicht auf die Welle übertragen wird oder umgekehrt.

Bauliche Einfachheit und geringer Platzbedarf ergeben sich gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung dadurch, daß das Strömungsmittel zur Drehmomentübertragung der Kupplung aus der rotierenden Welle zuführbar ist.

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Als Strömungsmittel zur Beaufschlagung der Kupplung kann das Lagerschmieröl oder ein Öl-Luftgemisoh verwendet werden. Es sind somit keine besonderen Zufuhreinriohtungen für das Strömungsmittel erforderlich, da das Lager ohnehin mit öl versorgt werden muß. Die beispielsweise Verwendung eines öl-Luftgemisohes kann eine Verringerung der öl-Reibungsverluste herbeiführen.

Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung können solche m

Wälzlager verwendet werden, deren Außenringe keine seitlichen Bordkanten aufweisen. Duroh Verwendung solcher Außenringe wird vermieden, daß sloh an der Außenlaufbahn das von der hydraulischen Kupplung abströmende öl sammelt und einen ölring bildet, der den umlaufenden Wälzkörpein erheblichen Strömungswiderstand entgegensetzen und die Temperatur des Lagers steigern würde.

Pur die hydraulische Kupplung zur Drehmomentübertragung zwischen einer in Wälzlagern laufenden Welle und dem Käfig eines Wellenlagers ist es erfindungsgemäß weiter vorgesehen, daß sie aus ^ mindestens einem treibenden und einem getriebenen Rotationskörper besteht, welche beide mit wenigstens zwei Jeweils mit Profilen versehenen Flächen einander gegenüber stehen und so Spalte bilden, in denen sloh das zur Drehmomentübertragung zwischen beiden Rotationskörpern erforderliche Strömungsmittel befindet.

Hierbei kann in einer weiteren Ausgestaltung <&·· Brfindungβ-gegenstandes der getriebene Rotationskörper der Lagtrkäfig sein·

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Der treibende Rotationskörper kann erfindungsgemäß weiter eine auf der Welle oder auf dem Innenring sitzende Bundsohelbe sein® Durch Gestalt des Spaltes und Ausbildung der SpaltoberfHohen wird die Größe des Impulsaustausches und damit das übertragene Antriebsmoment zwischen Bundscheibe und Käfig bestimmt.

Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung ist auf jeder der beiden Stirnseiten des Käfigs eine Bundscheibe angeordnet» so daß zwei ebene Kreisringspalte entstehen«

Da der Impulsaustauach nicht nur von den geometrischen Abmessungen, sondern auch ζ »Β.» von eier Zähigkeit des verwendeten Strömungsmittels abhängt;, sind CIrOIe und Ausbildung der Kupplungs* fläche durch Versuche aiii praktischen Modell e© zu variieren, bis die kinematisch richtige Drehzahl des Käfigs erreicht wird·

Zur Vergrößerung des Impulsaustausekes und damit einer An» hebung der Käfigdrehsahl- können, geraäS einem weiteren Merkmal der Erfindung^ die Spalte bildenden Flächen, Kreisflächen oder Konusflächen sein*

Zur weiteren Erhdhiang- des Impulsaiitstauso!i©s können erfindtsngsgemäß in die Spaltflächen tasöhenförmige Vertiefungen ©ingearbeitet sein«

■ Bei den ebenen Ki?eis2»ingepalt@n können die Oberflächen

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Erreichung einer einwandfreien Trennung beispielsweise mit hydrodynamisch tragenden Profilen versehen sein, wie sie bei Axialgleitlagern für öl- und Gasschmierung bekannt sind.

Zu einer weiteren Erhöhung des Antriebsmomentes kann die erfindungsgemäße Zuführung des Strömungsmittels aus der rotierenden Welle dienlich sein, so daß das Strömungsmittel bei Eintritt in den Kupplungsspalt einen der Drehgeschwindigkeit der Welle entsprechenden Drehimpuls aufweist, der für den

Antrieb der Käfigs ausgenutzt werden kann. ^

Schließlich.schlägt die Erfindung für eine spezielle Ausführungsform von Bundscheiben vor, daß diese als Spritzringe ausgebildet sind, die an der Innenseite eine Rille aufweisen, in der sich das Strömungsmittel sammelt und von hier aus durch radiale Bohrungen an die zylinderische Außenfläche geführt wird. Der Kupplungsspalt ist in diesem Fall als Zylinaerspalt ausgeführt. Der Vorteil dieser Anordnung liegt vor allem darin, daß Spritzöl aus dem Lagergehäuse zur Beaufschlagung der hydraulischen M Kupplung verwendet wird, wodurch unter Umständen die ölzufuhr aus der Welle überflüssig wird. Diese Ausführung kann neben dem Antrieb des Käfigs auch eine Dämpfung von hochfrequenten Schwingungen des Käfigs in axialer und radialer Richtung bewirken.

In der Zeichnung sind in den Figuren 1, 3 und 4 jeweils Ausführungsbeispiele eines Wälzlagers gemäß der Erfindung dargestellt. Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 laufen zwischen

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Innenring 1 und Außenring 2 die Rollen 3, die am Käfig 4 gefaßt sind und von diesem axial geführt werden. Die axialen Anlaufflächen 5 und 6 des Käfigs 4 laufen gegen die Oberflächen 7a und 8a der Bundscheiben J und 8 und bilden mit ihnen ebene Kreisringspalte."Der Käfig Λ ist radial auf dem Innenring-1 geführt. Das Schmier- und Arbeitsmedium wird durch die Bohrungen lo, 11 der Welle und 12, 13 des Innenringes 1 zugeführt. Der Außenring 2 ist an den Stellen 13 und 14 so gestaltet, daß das Schmier- und Arbeitsmedium seitlich frei abfließen kann, ohne die Rollen abzubremsen.

Figur 2 stellt ein Spaltprofil dar, wie es in den ebenen Kreisringspalten gemäß Fig. 1 zur Anwendung kommt. Dabei dienen die wellenartigen Oberflächen 6a und 8a einer hydrodynamisch einwandfreien Trennung zwischen Käfig 4 und Bundscheibe 8. Zur' Vergrößerung des Impulsaustausches sind in die Oberflächen 6 und 8a taschenförmige Vertiefungen 6o bzw. 8o eingearbeitet.

Figur 3 zeigt eine etwas abgewandelte Form eines Lagers, wobei die Rollen durch die Anlaufborde 16, 17 des Innenringes 1 axial geführt werden und der Innenring nicht durchbohrt ist.

Figur 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel mit Spritzringen. Die Spritzringe 7, die an der Innenseite 18 eine Rille 19 aufweisen, in der sich das Strömungsmittel sammelt und durch die radiale Bohrung 2o an die Außenfläche 21 strömt, sitzen fest auf dem Lagerinnenring 1. Am Käfig 4 sind auf beiden Stirnseiten Bünde 4a

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angeordnet, die zusammen mit den Außenflächen 21 der Spritzringe 7 Zylinderspalte 22 bilden. Der Käfig 4 ist auf beiden Stirnseiten von den Spritzringen 7 axial geführt. In der Spaltfläche zwischen Käfig und Spritzringen sind taschenförmige Vertiefungen 23 eingearbeitet die zur Erhöhung des Impulsaustausches zwischen Spritzringen und Käfig dienen.

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Claims

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Patentansprüche

1. Wälzlager für hochtourige Wellen, dessen Käfig von der Welle angetrieben wird, dadurch gekennzeichnet, daß eine Drehmomentübertragung zwischen der Welle und dem Wälzlager käfig in Form einer hydraulischen Kupplung vorgesehen ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Strömungsmittel zur Drehmomentübertragung dei· Kupplung aus der rotierenden Welle zuführbar ist.

j5. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß Wälzlager mit Außenringen ohne seitliche Bordkanten Verwendung finden.

4. Hydraulische Kupplung zur Drehmomentübertragung zwischen einer in Wälzlagern laufenden Welle und dem Käfig eines Wellenlagers nach den Ansprüchen 1 bis 3* dadurch gekeim-

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zeichnet, daß sie aus mindestens einem treibenden und einem getriebenen Rotationskörper besteht, die mit wenigstens zwei jeweils mit Profilen versehenen Flächen gegenüber stehen, und so Spalte bilden, in denen sich das zur Drehmomentübertragung zwischen den Rotationskörpern erforderliche Strömungsmittel befindet.

5. Hydraulische Kupplung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,

daß der getriebene Rotationskörper der Lagerkäfig ist. M

6. Hydraulische Kupplung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der treibende Rotationskörper eine auf der Welle oder auf dem Innenring sitzende Bundscheibe ist.

7. Hydraulische Kupplung nach den Ansprüchen 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß auf jeder der beiden Stirnseiten des Käfigs eine Bundscheibe angeordnet 1st.

8. Hydraulische Kupplung nach den Ansprüchen 4 bis 7, dadurch ge- ^

kennzeichnet, daß die die Spalte bildenden Flächen Kreisflächen oder Konusflächen sind.

9. Hydraulische Kupplung nach den Ansprüchen 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß in die Spaltflächen taschenförmige Vertiefungen eingearbeitet sind.

Io. Hydraulische Kupplung nach den Ansprüchen 4 bis 9# dadurch ge-

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kennzeichnet, daß die Bundscheiben als Spritzringe ausgebildet sind, die an der Innenseite eine Rille aufweisen, in der sich das Strömungsmittel sammelt und von dort aus durch radiale Bohrungen and die zylindrische Außenfläche geführt wird.

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