DE2059684A1

DE2059684A1 - Hydrostatisches Axialeinstell-Lager

Info

Publication number: DE2059684A1
Application number: DE19702059684
Authority: DE
Inventors: Arndt Franz Martin
Original assignee: ARNDT FRANZ MARTIN
Current assignee: ARNDT FRANZ MARTIN
Priority date: 1970-12-04
Filing date: 1970-12-04
Publication date: 1972-06-08

Description

Hydrostatisches Axieleinstell-Lager Hydrostatische Axiallager gehören zum bekannten Stand der Technik. Ihre Federsteife ist bei einer gegebenen Belastung ist umgekehrt proportional dem Spalt zwischen Gehausebung= fläche und Wellenbundfläche. Es ist ferner bekannt, daB die Lage aes Wellenbundes in axialer Richtung durch Ver= ändern der Durchflußmengen des Drucköles in den sich gen genüberliegenden Ringflächenspalten willkürlich innerhalb des zur Verfügung stehenden Gesamtspaltes eingestellt wer= den kann. Da die öldurchflußmenge in der dritten Potenz der Spaltbeträge bzw. Verstellbeträge wächst, nimmt diese des= halb bei großen Spaltweiten Größenordnungen an, welche die wirtschaftliche Verwendung eines solchen Lagers bei Verstellbewegungen ab einem Betrag von 0,2 - 0,3 mm wegen zu großer erfordorlicher Pumpenantriebeleistung ausschließt.-Die vorliegende Erfindung zeigt einen Weg, ein hydrostatisches Axialeinstell-Lager herzustellen, welches auf Grund seines im folgenden beschriebenen Aufbaues erlaubt, die eingangs geschilderten Nachteile vermeidend, relativ große Stellwege, z.B. bis zu einem Millimeter, durch Abstimmung der Durcfl$lußöeen feinsteinzustellen. Zur Erläuterung dienen folgende Bilder.
Bild 1 zeigt einen Längsschnitt durch ein kombiniertes Radial-Axiallager hydrostatischer Bauart.
Bild 2 Prinzip-Skizze eines hydrostatischen Axialeinatell= lager mit den Lagergrößen: hol - Spalt zwischen den Stirnringflachen 36 u. 37 ho2 = Spalt zwischen den Stirnringflächen 38 u. 39 DFa = Ringflächenaußendurchmesser DFi = Ringflacheninnendurchmesser h1 = Kegelflächenspalt 29 h2 = Kegelflächenspalt 29 = Länge des Kegelflächenspaltes = winkel zwischen Kegelmantelllache 34 und der Gera= den 35 parallel zur Lagerachse hw1/2 = wirksamer Kegelspalt h1' = Grundspalt h2' = Grundspalt h3 = konstanter Abströmringspalt Voraussetzung: Teil 8 lauft zentrisch zu Teil 23 Beziehungen: h1 = hol . sinO( h2 = h02 l sinα hw1=h1' + hol@ sinα hw2=h2' + ho2.sin (DFa2-Dfi2).3.4/4 = F = Ringfläche 36 bis 39 Bild 3 Funktionsdarstellung Bild 4 Querschnitt durch das Radiallager in der Ebene A-B Bild 5 Querschnitt durch das Atialeinstell-Lager in der Ebene C-D Bild 6 Querschnitt durch das Axialeinstell-Lager in der Ebene E-F Bild 7 Skizze der Widerstanddrossel Teil 3 Bild 8 Skizze der Widerstanddrossel Teil 25 Bild 9 Skizze der ölzufuhrschwenkstücke lo Bild 10 Variante von Bild 5 Aufbau und Wirkungsweise In das Gehäuse 1 ist eingebaut: die Lagerbuchse 2 in bekann= ter Weise als hydrostatisches Radiallager versehen mit bei= spielsweise 4 um 900 versetzten Drucktaschen 41, Widerstand= drosseln 3 und vier lagerstegen 42. Dieses nimmt auf die Welle 32 auf deren Zapfen die Doppelkegelstumpfwelle 25 als Innenteil des Axialeinstell-Lagers mit Hilfe der Bund schraube 18 aufgezogen wied. Die Doppelkegelstupfwelle 23 ist mit einer Radislnute 44 versehen, die um aen Betrag des Gesamtstellbereiches breiter ist, als der in diese Nute pas= sende lagerbund 43 der Doppelkegelstumpfhülse 8 als Axi@l= einstell-Lager Gehäuseteil. Die Doppelkegelstupfwelle 23 ist außerdem mit dem Wälzl@ger 6 versehen, auf denen die Doppelkegelstumpfhülse 8 zur Lagermitte zentrisch gelagert ist. Die Wälzlager 6 können sein, Rollenlager bekannter Bau weise. Um ein radiales Ausweichen der Welle 33 im Raciella= gerteil ohne Rückstellkrafte. vom Axisllager her, und außer= dem eine gewisse Schiefstellung der Welle 33 zu ermöglichen, sind stirnseitig auf die Dpppelkegelhülse konvex-kugelige Zentrierflächen 24 zur Aufnahme der Führungsringe 5 angebr bracht. Diese letzteren sind konkav-kugelig passend zu den konvex-kugeligen Stirnflächen des Teiles 8 auf der Lager seite und radialplan auf der Gehäuseseite bzw. Lagerdeckel seite (Teil 15) gehalten. Auf diese Weise liegt die Doppel= kegelhülse 8 in Längsrichtung des Gehäuses 1 fest, kann aber radial die Bewegung der Welle 33 mitmachen und sich eben falls mit dieser schief im Gehäuse 1 infolge der kugeligen Lagerung in den Ringen 5 einstellen. Um das Gehäuse 1 dreh fest mit der Doppelkegelhülse 8 zu verbinden, hat dieses die Innenverzahnung 7, welche mit der Außenverzahnung 7 der Doppelkege Istumpfhülse 8 im Eingriff ist. Das Flankenspiel zwischen zwischen den Innen- und Außenverzahnungen ist grö= ßer, als der maximal zulässige radiale Verstellbetrag inner= halb des Radiallagers. Mit Hilfe der ölkanäle 4 wird das Drucköl an die Zufuhrstellen des Axialeinstell-Lagers her= angeführt. Da dieses sich räumlich schief zum Gehäuse 1 einstellen kann, muß die ölzufu vom Gehäuse 1 in die Dop= plkegelstumpfhülse 8 mit Hilfe zweier doppeltkugeligen Schwenkstücke 27 ausgeführt werden. Diese sind an ihren ku= geligen Dichtflächen mit 0-Ringen 9 versehen. Das Drucköl fließt durch deren Bohrung 10 zu, um durch die Widerstands= drossel 5 durch die Kanale 17 u. 21 in die Taschen 26 u. 27 einzuströmen. Zwei Gleitlagerringe 16 in bekannter Bauweise dienen als konstanter, verschleißfester Lageranschlage in cer Enöstellung der Gesamtverstellung. Der Deckel 15 schließt das Lager ab. Dieser ist mit Schrauben 13 mit dem Gehäuse 1 fest verbunden. Bei Verwendung der nydrostatischen Widerstandsdrossein 25 wird die Druckölvorsorgung von einer Fumpe geliefert. Bei Wegfall der Widerstandsdrossel 25 muß das Lager von zwei Pumpen versorgt werden. Um im ersten Fall die ölmenge zu regulioren, und damit die Langseinstel= lung der welle, eind verstellbare Drosseln vor die Konstant= drosseln 25 einzubauen. Im zweiten Fall werden mit Hilfe zweier Regelpumpen die Fördermengen so verteilt, daß eine bestimmte Längseinstellung der @elle 53 erreicht wird.
Die Wirkungsweise des hydrostatischen Axialeinstell-Lagers ist folg@nde: Das durch die Pumpen oder die Pumpe unter Druck in die Spalten 26 u. 27 Baförderte D@ucköl stant sich in den Kegelflächenspalten 29 und durchfließt diese unter Druckabbau auf den Umgebungsdruck. Bei einer gegebenen Durchflußmonge ist der Stauoruck abhangig von dem Fliob= widerstand im Spalt und von der Viskositat. Da bei einer Längsverschiebung der Doppelkegelstompfhülse 8 relativ zur Dop@elkegelstumpiwelle 23 die Kegelflschensp@lte 29 sich ge= gensinnig @ls Punk@ion des Kegelmantelwinkels α verandern, müssen die Durchflußmengen des Drucköls ontsprechenn der ge= wünschten Verstellung nach der Funktion = Faktor. p. (ho1/2 sinα)3 / @ Angepasst erden Da in dieser Gleichung aer Sinus des Ke= gelmentelwinkeis Eingang findet, kann hiermit aber auch die öldurchflußmonge pezogen auf eine bestimmte Gröse der Ge= samtverstollung durch die zweckmäßige Wahl des Kegelmantel= winkels bceinflomt werden. Dabei wird natdrlich die Feder= steile mit zunchmenden Verstelloetr gen geringer. Um dies auszugloichen wirkt der Staudruck auf die Stirnflache @@-@7 u. 38-39. Diese wirken als Verstarker und werden hinsicht= Lich ibres Fl chenbetrages rechner@sch-konstruktiv dem ge= wünschten Verst@rkungseffekt (Lagerstoi@e) ange@@set, Ale Gr nzb@ispiel seion die deiden extremen Kegelwinkei an= geführt: einmal α = 0° das heißt parallelle Zylinder@palt= fl chen, enstatt Kegelflachen als durchflu@spalt der nicht mehr durch die Veranderung des Spaltes, sondern durch seine Làngenanderung @@einflust wird, als Ronzequenz gilt, ge= ringe Federsteife bei grober Verstellung, zum @ndern Extrem= fall α = 90° ist zu sagen der Kegelfl chenspalt wird zum radialverlaufenden Kingflschenspalt und ergiot kleine Spalt= weiten und kleine Verstellbetrage, da sonst anwirtschaft= liche Größe der Förderant@iebleistung der Fumpe. Dazwischen können für einen bestimmten fagerungsfall, du@ch dis Wahl des Kegelmantelwinkels α die Pumpenantri@bsleistung opti= miert werden, hinsichtlich ihrer Wirtschsitlichkeit Dezogen auf die gesamten Lagerverluste. Da der Spalt n1/2 mit der dritten Potens in die Gleichung eingeht und damit aucn der Kegelmantelwinkel , liegen die gebrauchlichsten Kegelmantei= winkel zwischen 50 und 100. Der Sinusfunktionswert dieser Jinkel bewegt sich zwischen 0,08715 und 0,1736. In diesem Bereich ändern sich die Funktionswerte fast linear mit deren Winkel. Das bedentet: in zwei axialeinstell-Lagorn mit verschiedenen Kegelmantelwinkeln, nämlich das eine ist mit einem Kegelmantelwinkel α von 5° und das andere mit einem Kegelmantelwinkel von 10°, fliessen bei Gleichheit aller übrigen Lagergrößen wie Ringstirnfl chen 36, 37, 38, 39, Kegellänge l, ölviskositat und Abströmspalte h3, Druck ölmengen, die sich zueinander verhalten wie 8:1. Als Varian= te zu Bild 3 sei die schematische Bauweise nach Bild 10 an geführt. Die Wirkungsweise ist die Gleiche wie bei dem Axial einstell-Lager nach Bild 1 u.3 jedoch ist hier nur eine radi= ale Verstellbarkeit des Axialeinstell-Lagers vorgeschen. Die Zentrierung übernehmen Gleis er 6 u. 22 die gleichzeitig als zusatzliche, nachgeschaltete Konetante Drossel wirken.
@eil 3 ist aus Gründen der wirtschaftlichen Herstellung mehrteilig ausgeführt, und @a auler @en Kegelatumpfflächen @@le anderen axial und radial verlaufen billiger zu ter@igen.
@eil 23 als boppelkegelstumplwelle 23 ist ebenfalls billiger herzustellen, da es in diesem Fall im Gegensatz zu Bild 1 einteilig ist.
Anhand einer Näherungarechnung empirischer Art seien die Gesetzmäßigkeiten und besonders die Beeinflussung der La= gersteife C erläutert.
Berechnung eines hydrostatischen, kegeligen Axiallagers gegeben h1 = h01 . sin a h2 = h02 . sin a h3 - const = 30 um 1. Pumpendruck = p = 100 atü 2. ölviskosität cP - 150 200 E 3. Kegelaußenmantel läuft zentrisch 4. zum Innenkegel 5. Teil 1 - Wellenlängslagerung 6. Teil 2 = feststehender Gehäusering 7. Ringfläche am Gehäusering F1 £ F2 = 173 cm² 8. a gewählt 5,5° 9. Längsverschiebung des Lagers + 300 um (bei diesem Verstellbereich Anlage am festen Axiallagerring des Wellenlängslagerringes) Berechnung der ölmengen im Regel spalt als Funktion der Längsverschiebung der Lagerteile zu einander.
Formel Q= 500 . P . h3 . 1 106 . b h in o,ol mm einsetzen h1 I h . sin a 500 . P . (ho . sin a)³ . 1 Q = ---------------------------106 . b 500 . 190 . 3,14 = ----------------- .(ho . sin a)² . P 150 . 106 . 30 = 0,000663.P.(ho.sin a3) bei P = 100 Q = o,o663 . ( ho . sin a3) Danamh wird eine Wertetabelle aufgestellt. (siehe Blatt 3) Bei Verschiebung um den Betrag ho wird der Kegel h1/2 um den Betrag h1/2 verändert. Innerhalb des zur Verfü= gung stehenden Lagerspials ergeben, wie aus der Zahlen wertetabelle ersichtlich, gleiche Verschiebung in diesem Falle, ungleiche Durchflußmengen oder bei konstanter Förderung ungleiche Druckveränderungen.
Bei mittlerer Lage und gleichen, fließenden Ölmengen auf jeder Seite des Axiallagers stellt sich auch der gleiche Reaktionsdruck auf die Lagerringflache ein.
Dieser ist gewählt mit P = loo atü Bei einer Fläche von F1/2 = 173 entsteht eine Ringflä= chenkomponente von P = P. F1/2 =173 . loo = 17300 kp Da diese gegeneinander gerichtet sind, heben sich diese auf.
Unter der Einwirkung einer äußeren axialen Kraft wird die Welle relativ zum Gehäuse verschoben. Die Fließ= widerstände verändern sich in der 3. Potenz vom Spalt.
Da durch eine gewollte ungleiche Förderung der Kon= stantpumpen eine gewünschte Verschiebung der Welle in axialer wichtung erreicht wird, werden die Fließwi@@er= widerstände als Funktion dieser gewollten Verschiebung verändert. In welcher Weise, geht aus dem Verhältnis an / Qn - 1 hervor. Bei dem Zahlenbeispiel ist mit kon@ stantem F gerechnet worden. Da eine lineare Abhängigkeit zwischen Q und P besteht gilt die Aussage Qn / Qn - 1 analog für Pn / Pn - 1 Das heißt, das Lager hat in Abhängigkeit von der ge= wollten Verschiebung bei gleichen bezogenen Verschiebungsbeträgen infolge einer äußeren Kraft (ho = so um) eine ungleiche Lagersteife. Die bewegt sich in ihrer Größe zwischen zwei Extremwerten, je nachdem ob sie auf den kleinsten möglichen Restspalt, oder den größtmög= lichen Verschiebeweg bezogen wird.
Bei Mittelstellung wächst laut Zahlentabelle bei Ver= ringerung des Spiels ho1 von 300 um auf 250 um der Druck in dieser Ringkammer um den 0,179/0,1037 fachen Wert = 1,726 in der anderen Rinkammer ergibt sich die Spielvergrößerung von 300 um auf 350 um einen Druckab= fall um den 0,2842 fachen Wert - 1,5877 0,179 zusammen 3,313842 Dadurch wird die erzeugte gegenkraft P - 3,32 . P0 . F1 - 3,32 . 100 . 173 1 57329 kp bei einem Verschiebeweg von ho = 5° um wird die Lagersteife C P 57329 C = --- = ----- = 1146 kp -ho 50 In der Mittellage hat dieses Lager bei Po = 100 atü und einer ölviscosität von 150 cp (Ca 200 E) eine Lageratei= fe C von 1146 kp/um in der extremen Lage entsteht folgende Lagersteife: Q1 bei ho1 = 100 um gleich 0,00663 Q1 bei ho1 = 50 um " 0,000829 einen @ 1 - 7,7995 Q2 bei ho2 = 450 um gleich 0,60416 Q2 bei h02 h 500 um 0,82875 -1 1,374 7,7995 + 1,374 P L 9,17 . 100 . 173 9,1735 P = 917.173=158641 P 158641 C = --- = ------ = 3172,82 -ho 50 C F 3172,82 kp/um in den Endlagen ist das Lager fast drei mal so steig wie in der Mittellage.
Diese extrem große Lagarsteifs kann verringert werden, a) durch Verringerung des Pumpendruckes P0 und b) durch Verringerung der ölviskositä@.
P=100 sin a = 0,1 h h h3 Q Qn in µm 0,01 mm 50 5 125 0,82875 1,374 45 4,5 91,120 0,60416 1,425 40 4 64 0,424 1,492 35 3,5 42,875 o,2842 1,5877 30 3 27 o,179 1,7277 25 2,5 15,625 0,1036 1,9532 20 2 8 o,o5304 2,371 15 1,5 3,375 o,o2237 3,37 lo 1 1 o,oo663 7,9995 5 o,5 o,125 o,ooo829

Claims

Patentansprüche Atspruch 1 Hydrostatisches Axialeinstell-Lager, bestehend aus dem Gehäuse 1 mit der Bohrung 47 zur Aufnahme des Axial= einstell-Lagers, der in dieser Bohrung angebrachten Innen= verzahnung 7, dem Radialbund 45 zur radialen Führung des La= gerringes 5, dem Gehäusedeckel 18 mit dem radialen Führungs= bund 48 zur radialen Führung des Lagerringes 14, der Doppel= kegelstumpfhülas 8 mit den ölkanälen 17 u. 21, und der Außen= verzahnung 7,drehfest passend zur Innenverzahnung vonTeil 1, und dem Radialbund 43 mit den Ringstirnflächen 37 u. 39 mit der zentrischen Bohrung 53 und den Hohlkegelstumpfflächen 4o mit dem Kegelöffnungswinkel 2α den Lagerlaufsitzen 50, der Doppelkegelstumpfwelle 23, als Axialeinstell-Lagerinnen= teil, versehen mit der Radialnute 44 zur Aufnahme des Radial= bundes 43, begrenzt durch die Ringstirnflächs 36 u. 38 analog zu den Ringstirnflächen 37 u. 39 des Radialbundes 43, @@ kon= gruente Deckflächen übergehend in die Kegelmantelflächen 34 zweier Kegelatümpfe, welche mit einer Geraden 35 parallel zur Lagermitte die Kegelmantelwinkel α bilden, die wiederum übers gehen in die zylindrischen Wellenstümpfe 45*zweckE Aufnahme der Zentrierlagerung 6 u. 22, und zur Montage auf einer Welle 33 mit einer Zentrierbohrung 52 und der Spannschraube 18 auf= geschraubt wird, den ölzufuhrpendelrohren 27, zum Zwecke der beweglichen Druckölzufuhr, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Lager 6 u. 22 als Wälzlager (Rollenlager) oder auch als Gleit= lager bekannter Bauweise ausgebildet die Doppelkegelstumpf= hülse 8 als stillstehendes Iageraußenteil zum drehbaren Lager= innenteil, der Doppelkegelstumpfhülse 23, radial zentriert aber axial frai einstellbar läßt, daß die Kegelmantelflachen 34 zu den Hohlkegelmantelflächen 40 der Doppelkegel= stumpfhülse 8 parallel verlaufen und mit diesen die Kegelflächenspalte 29 bilden, welche auf Grund ihrer gegensinnigen Neigung zur gedachten Drehachse des Lagers bei Längsverschie= bungen der Lagerteile 8 u. 23 zueinsnder, die Kegelflächenspalte 29 deshalb gegensinnig verandern, dab über die Lange # längs der Kegekstümpfe 34 u. 40 sich erstreckend, eine zentrische vone nicht linear abhängige Srömungsdrossel bildet, deren Widerstandswert R abhangt von einem frei gewählten Grundspal ho zur Vermeidung von Berührung im Kegelspalt bei wr.w1TaSen, vom Sinuswert des Kegelmantelflächenwinkels #, dem wirk= samen Spalt hw und eine Funktion der Gleichung R = 1/comst . (h1/2' + ho1/2 .sind)3 ist, daß die zentrischen Kegelflachenspalte 29. über die Kegel= lange 1 als Strömungsdrosseln wirkend, die Veranderlichen, und die zentrischen Ringspalte 49 und die nicht veränder= lichen Abflußwiederstande der hydrostatischen Druckkammern 26 u. 27 darstellen, daß die in den hydrostatischen Druckkammern 26 u. 27 wirksamen Staudrücke auf den Ringstirnflächen 36, 37, 38, 39 Kräfte erzeugen, die paarweise gegen= einander gerichtet sind und sich bei Långsstillstand ahne Wirkung einer äußeren Kraft die Staudrücke auf den Ringstirnflächen 36 u. 38 sowie 37 u. 39 aufheben, daß die sich durch die Wirkung der Kegelfl@chenspaltdrosseln einstellenaen Staudrücke nach dem Gesetz der Funktion Pstau = ########################## wirken, daß die öldurchflußmenge Q, notwendig um bei einer gegebenen Viskosität den Staudruck P zu erzeugen, von dem Kegelmantelwinkeld abhangt, und mit dessen Hilfe ninimal optimiert wer= den kann, daß die Lagersteife C, als dem Verhaltnis wirksamer Axialkraft zur Axialverschiebung mit Hilfe der Größe der Rings stirnflächen optimiert werden kann, und aeshalb die Durchmes= serdifferenz von Ringstirnfläcnenausendurchmesser DFa und Ring= stirnflacheninnendurchmesser DFi quadratisch dieses Verhältnis beeinflußt, daß die, die Druckkammer 26 u. 27 durohströmen= den Druckflüssigkeitsmengen Q1 u. Q2 die relative Axialstel= lung der Rindstirnflachen 36 zu 37 bzw. 38 zu 39 bestimmt.

Anspruch 2 Hydrostatisches Axialeinstell-Lager nach Anspruch 1 d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Doppelkegelstumpfwelle 23 als Lagerinnenteil mit einer Spannschraube 18, mit einer Zentrier= bohrung 52 und zwei Anlaufringen 16 versehen ist, daß die Dop= pelkegelstumpfhülse 8 ale Lageraußenteil zwecks sphärischer Einstellmöglichkeiten mit den konkev-kugeligen Stirnflächen 24 versehen ist, dais die Lagerringe 5 u. 14 konkav-kugelig ein seitig passend zu den Flachen 24 ausgebildet sind, und außer= dem duron radiale Führngsflachen 46 @. 48 am Geh@use 1 und Deckel 15 die spielfreie Lagerung von Längskräften bei freier radisler und freier raumlicher Stellung in@erhalb des Flank@u= spiels der Verzahnung 7 der Doppelkegelstumpfhülse 8 er möglicht, Anspruch 3 Hydrostatisches Axisleinstell-Lager nacn An= pruch 1 u. 2 d a d u r c h g e k e n n z e i c n n e t, daß die öffnungswin= kel der Kegelstümpfe 34 @. 40 nicht gleich sind, sondern der öffnungswinkel der Kegelstumpfhülsen 40 kleiner als der öff= nungswinkel der Kegelstümpfe 34 sind, da die Differenz die ser beiden öffnungswinkel so gew nit eird, daß der Widerstands= wert R der Kegelspaltorossel@ ann@hernd linear mit der Län= ge 1 des Kegelstumpfes zuniemt.