DE2111977A1 - Axialgleitlager - Google Patents

Description

Patentanwälte DIpK-Ing. R. BSETZ sen.

DIpI-InCi-K₁LAMPRECHT 65-l6.762P( 16.763H) 12.3.1971

Dr.-Ing. FJ. B ti E T Z Jr.
München 22, Steinsdorfetr. 10

NORTHROP CORPORATION, Hawthorne (California 90250), V.St.A.

Axialgleitlager

Die Erfindung betrifft Gleitlager mit flüssigem Schmiermittel und insbesondere eine Einrichtung, die einen Flüssigkeitsfilm zwischen den sich bewegenden Teilen bildet und erhält, ohne daß Druck oder Ersatzflüssigkeit von außen zugeführt wird.

In flüssigkeitgeschmierten Lagern soll die Flüssigkeit die Reibung zwischen einer umlaufenden Fläche und einer ruhenden Fläche wesentlich vermindern und dadurch die Lebensdauer des Gerätes verlängern. Das Gerät, welches mit einem flüssigkeitsgeschmierten Lager ausgerüstet ist, enthält im allgemeinen ein Lagergehäuse und eine Welle; ein beliebiger diese beiden Teile kann der umlaufende Teil sein. Die Welle und das sie haltende Lager sind im allgemeinen mit einem Axiallager ausgestattet, damit Axialbewegung des umlaufenden Teiles verhindert oder vermindert wird. Beim Umlauf nimmt der Flüssigkeitsdruck im Lager zu und verhindert, daß die umlaufenden Flächen die ruhenden Flächen berühren. Erwünscht ist, daß die Lagerschmier-

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flüssigkeit aus einem Behälter komrnt, der sich innerhalb des Gerätes befindet.

Es sind mancherlei Bauarten und Verfahren, die umlaufenden und die ruhenden Flächen in ihrer ganzen Ausdehnung mit Schmierflüssigkeit zu versorgen, üblich; doch haben sie Nachteile gezeigt, und zwar hauptsächlich, weil die Flüssigkeit sich nicht über die ganzen Flächen verteilte und daher Berührung zwischen den Flächen entstehen ließ, wenn nicht reichlich Schmieröl von außen zugeführt wurde. Ein weiterer Nachteil flüssigkeit-geschmierter Lager ist das durch die Zähigkeit der Flüssigkeit verursachte Bremsdrehmoment. Im allgemeinen sucht man dieses dadurch klein zu halten, daß man den Durchmesser des die Welle haltenden Radiallagers möglichst klein wählt, um dadurch die Wellenoberfläche zu verringern. Wenn man den Wellendurchmesser verkleinert, erzielt man die gewünschte Axial-Tragfähigkeit des Lagers dadurch, daß man, um mehr Lagerfläche zu schaffen, die Welle mit einem Flansch versieht, der sich an einen Spurlagerring des ruhenden Bauteils anlegt und die Axialbewegung begrenzt.

Durch diese allgemeine Anordnung wird wohl die erwünschte Verminderung des Bremsdrehmomentes und Aufnahme des Axialschubes erzielt, aber auch die Schwierigkeit, die Flüssigkeit über den ganzen Raum zwischen der umlaufenden und der ruhenden Fläche zu verteilen, vermehrt. Während des Umlaufs wird die Flüssigkeit durch die Fliehkraft von der Mitte des umlaufenden Teils auswärts gedrückt. Da das Axiallager, weil es den Wellenflansch enthält, im Durchmesser größer ist als das Radiallager, dessen Durchmesser ja gleich demjenigen der Welle ist, so sucht die Flüssigkeit sich an der Außenwand des den Flansch enthaltenden Lagergehäuses zu sammeln, und deshalb drohen die im Durchmesser kleineren Lagerflächen des Radiallagers ohne Flüssigkeit zu

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bleiben. Dadurch wird die Gefahr, daß die Laufflächen der Welle und des Lagergehäuses durch Reibung beschädigt werden, wesentlich erhöht.

Es ist höchst wünschenswert, eine Einrichtung zu schaffen, welche verbürgt, daß über den ganzen Raum zwischen den ruhenden und den umlaufenden Flächen genügend Flüssigkeit verteilt wird, eine wirklich tragende Flüssigkeitsschicht zu bilden, besonders bei den derzeit üblichen Lager-Bauformen, bei denen das Bremsdrehmoment klein ist. Ferner ist erwünscht, daß die Flüssigkeit aus den Lager nicht, und zwar weder im Betriebe noch im | Stillstand, entweichen kann und daher nicht oft ersetzt zu werden braucht.

Die Erfindung liefert eine Einrichtung, welche Flüssigkeit über den ganzen Raum zwischen den umlaufenden und den ruhenden Flächen eines Lagergehäuses und einer Welle verteilt vermöge der Zentrifugalkräfte, die im Betriebe von den umlaufenden Teilen des Gerätes erzeugt werden. Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß die Fliehkräfte, die auf die Flüssigkeit ausgeübt werden, wenn der bewegliche Teil umläuft, dann ausreichen, die gewünschte Flüssigkeitsverteilung zu bewirken, wenn im ruhenden Teil geeignete Flüssigkeitskanäle vorgesehen werden. Die Flüssigkeitskanäle verbinden denjenigen Abschnitt des f

Lagers, in dem beim Umlauf der höchste Flüssigkeitsdruck entsteht, mit einem Flüssigkeitskanal, der entlang der Wellenmitte verläuft, wo wenig oder gar kein durch Fliehkraft verursachter Druck erzeugt wird. Infolge dieses Druckunterschiedes wird die Flüssigkeit in die Wellenmitte gedrängt. Es wird ein Flüssigkeitskanal geschaffen, der von der Wellenmitte und durch den Spalt, welcher an dem Wellenteil kleineren Durchmessers im Lager vorhanden ist, führt, so daß die Flüssigkeit durch ihn zurück zu dem Abschnitt geleitet wird, in dem der größte Flüssigkeitsdruck erzeugt wird. Kurz nach Beginn dee

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Umlaufes ist der Druck in den Flüssigkeitskanälen wesentlich ausgeglichen. Infolgedessen wird jedes Plüssigkeitsteilchen, das aus einem zwischen den umlaufenden und den'ruhenden Flächen befindlichen Raum verdrängtwird, dort vermöge des Flüssigkeitsdruckes, der an der Oberfläche größten Durchmessers erzeugt wird, durch die erfindungsgemäß geschaffenen Flüssigkeitskanäle ersetzt. Im umlaufenden Abschnitt ist ein Plüssigkeitsbehälter vorgesehen, so daß die Fliehkräfte ausgenützt werden, Flüssigkeit von dort zu den Lagerstellen, wo sie benötigt wird, zu liefern.

Die Erfindung ergibt weitere Vorteile durch die Bauart und Lage des unabhängigen Flüssigkeitsbehälters, welche Flüssigkeitsverluste über lange Betriebszeiten verringern und erlauben, das Lager in zur Schwerkraft beliebiger Richtung zu betreiben oder aufzubewahren.

Zwei Ausführungsformen der Erfindung sind in der Zeichnung in Längsschnitten dargestellt, und zwar haben diejenigen der

Fig. 1 ruhende Welle und umlaufendes Lagergehäuse, Fig. 2 umlaufende Welle und ruhendes Lagergehäuse.

Das Lager der Fig. 1 besteht, wie gesagt, aus einem umlaufenden Lagergehäuse und einer nicht umlaufenden, ruhenden Welle. Das Gehäuse 1 enthält einen ringförmigen Schmierflüssigkeits-Behälter 4. Dieser enthält einen Schwamm 5 aus einem Werkstoff, der die Schmierflüssigkeit aufsaugen kann. Wenn das Gehäuse 1 umläuft, wird die Schmierflüssigkeit durch ihre Fliehkraft aus dem Schwamm 5 heraus- und in den Ringraum 6 hineingedrückt. Beim-Lauf entsteht der höchste Flüssigkeitsdruck in den von der Wellenmitte am weitesten entfernten Flüssigkeitsteilenj in der Achse des nicht umlaufenden Flüssigkeitskanals 7 entsteht kein Zentrifugaldruck. Infolge des Druckunterschieds zwischen

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dem Ringraum 6 und dem Kanal 7 strömt die Flüssigkeit vom Ringraum 6 durch Kanäle 8 und 9 zur Mitte des Kanals 7. Bald nach Beginn des Umlaufes wird der Flüssigkeitsdruck in allen Flüssigkeitskanälen wesentlich gleich sein und der durch den Druckunterschied bewirkte Flüssigkeitsumlauf aufhören. Aber nachdem der Flüssigkeitsdruck sich ausgeglichen hat, wird die Flüssigkeit Infolge der Fliehkraft auswärts zu strömen suchen. So wird, nachdem der Flüssigkeitsdruck ausgeglichen ist, die im Kanal 7 befindliche Flüssigkeit in die Räume 10 und 11 strömen, um die Flüssigkeit zu ersetzen, die von dort durch die Fliehkraft auswärts in den Raum zwischen dem Wellenflansch 17 und , λ der ihn benachbarten Fläche des Lagergehäuses 1 gedrängt worden ist. Die Tragfläche des Spurringes 16, die dem Raum 24 zugewandt ist, ist mit Schmiernuten von spiraliger oder sonstiger, der heutigen hydrodynamischen Praxis entsprechender Form versehenj diese pumpen Flüssigkeit gegen den durch die Drehung des Spurringes 16 verursachten Zentrifugaldruck zum inneren Rand des Raumes 24 hin. Diese Flüssigkeit strömt zum kegelmantelförmigen Kanal 19, wo sie von der Zentrifugalkraft zum Schwamm 5 getrieben wird, der sie aufsaugt und infolge der vom umlaufenden Behälterverursachten Fliehkraft wieder abströmen läßt zum Ringraum 6. Dank dem Umstand, daß im Ringraum 6 der Druck am höchsten ist, und dank der Pumpwirkung im Raum 24 werden alle Räume, die sich zwischen der Oberfläche des umlau- { fenden Lagergehäuses und der Oberfläche der ruhenden Welle befinden, mit Flüssigkeit gefüllt.

Ferner wird, da der Flüssigkeitsdruck im Räume 10 während des Laufes wesentlich gleich demjenigen im Räume 6 ist, in diesem ein Druck erzeugt, welcher ausreicht, wesentliche Axialbewegung des umlaufenden Lagergehäuses 1 und Berührung zwischen dem Verschlußpfropfen 13 und der Wellenstirnfläche 14 zu verhindern. In ähnlicher Weise füllt sich der Raum 24, der sich zwischen dem umlaufenden Spurring 16 und dem nicht umlaufenden Wellenflansch 17 befindet, mit Flüssigkeit und erzeugt einen hydrodynamischen Druck, der dem Zentilfugaldruck im Raum 10 entgegen-

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gerichtet ist. Wie bei allen hydrodynamischen Spurlagern wird die hydrodynamische Axialkraft im Raum 24 schon bei kleiner Erweiterung der axialen Weite des Raumes 24 zunehmen, so daß schon bei kleiner Axialbewegung des umlaufenden Lagergehäuses die Axialkraft im Raum 24 zunehmen oder abnehmen wird, bis sie die im Räume 10 herrschende Druckkraft zusammen mit etwaiger äußeren axialen Belastung des umlaufenden Lagergehäuses 1 ausgleicht; so wird sie jede axiale Berührung der umlaufenden Teile mit den nicht umlaufenden Teilen verhindern.

Die in Fig. 1 gezeigte Ausführungsform ist ferner so gestaltet, daß sie Austritt von Flüssigkeit verhindert unabhängig davon, ob sie sieh im Lauf oder im Stillstand undin welcher Stellung auch immer befindet. Die ruhende Welle 2 ist mit einem kegeligen Ablenkring 18 versehen, welcher Durchtritt von Flüssigkeit entlang der Oberfläche 20 der Welle verhindert. Flüssigkeit, die aus dem Raum 24 zwischen dem Spurring 16 und dem Wellenflansch 17 kommt, sammelt sich in dem zwischen dem Spurring 16 und dem Ablenkring 18 befindlichen kegelmantelförmigen Kanal Die beim Umlauf entstehende Fliehkraft drückt die in diesem Kanal 19 befindliche Flüssigkeit auswärts zum Schwamm 5* der sie aufsaugt. Aus dem Behälter 4 strömt keine Flüssigkeit zur Wellenoberfläche 2Oj dort ist der Ringspalt 21 zwischen der Oberfläche 20 der Welle und der Ringfläche 22 des Behälters ziemlich weit, damit die Möglichkeit einer Berührung zwischen ihnen möglichst ausgeschlossen ist. Wenn das Lagergehäuse stillsteht und in einer solchen Stellung ist, daß der Verschlußpfropfen aufwärts gerichtet ist, dann sammelt sich die Flüssigkeit in ähnlicher Weise im kegelmantelförmigen Kanal 19 und tropft vom Ablenkring 18 ab, so daß sie am Ringspalt 21 vorbeifällt auf den Schwamm 5, der sie aufsaugt.

Wenn das Lagergehäuse nicht umläuft und in solcher Lage ist, daß der Verschlußpfropfen abwärts weist, steigt die Flüssigkeit

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nur bis zum Schwamm 5, wo sie aufgesaugt wird. Wenn das Lagergehäuse nicht umläuft und in solcher Lage ist, daß die Welle etwa waagerecht ist, dann strömt die im Kanal 19 sich sammelnde Flüssigkeit in Umfangsrichtung auf der kegeligen Fläche des Ablenkringes 18 zum tiefsten Punkt, wo sie dann abtropft; sie umgeht also den Ringspalt 21 und wird vom Schwamm 5 aufgesaugt.

Bei der in Fig. 2 gezeigten Ausführungsform läuft die Welle um, und das Lagergehäuse 32 ruht. Die Schmierflüssigkeit befindet sich im ringförmigen Behälter 33, der mit dem Schwamm ausgestattet und an der Welle 3I befestigt ist. Wenn die Welle | 31 und somit der Behälter 33 sich dreht, entsteht der größte durch die Zentrifugalkraft erzeugte Druck in den Ringräumen und 39; er wird durch die ruhenden Kanäle 38, 40 und 41 zum Raum 36 geleitet. Da der Druck, der durch die Fliehkraft der im Raum 36 und in den Kanälen 37 und 42 enthaltenen Flüssigkeit erzeugt wird, kleiner als der in den Räumen 35 und 39 herrschende Druck ist, strömt die Flüssigkeit vom Raum 35 durch den Kanal 38, den Raum 39, die Kanäle 40 und 41, den Raum 36 und die Kanäle 37 und 42.

Infolge dieses Unterschieds der Zentrifugaldrücke strömt Flüssigkeit in den Ringraum 43 und ersetzt Flüssigkeit, die von dort etwa durch den Raum 47 zum Raum 39 abgeflossen ist, und " strömt im Ringraum 44 zum Behälter 33 und läuft wieder um durch den Kanal 38 zum Raum 39. Die Tragfläche des Spurrings 48 im Raum 46 ist mit Schmiernuten von spiraliger oder sonstiger, der heutigen hydrodynamischen Praxis entsprechender Form versehen; diese Nuten pumpen Flüssigkeit gegen den durch die Drehung des Wellenflansches 49 verursachten Zentrifugaldruck zum Innenrand des Raumes 46 hin, von wo sie wieder zu den Räumen 38, 39 usw. umläuft, so daß die Flüssigkeit alle Räume 54, 43-, 47, 46 und 44 erfüllt. Die Räume 51 und 55 bekommen normalerweise keine Flüssigkeit; sie sind verhältnismäßig breit, damit dort keine Berührung auftritt.

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Der im Raum J>6 herrschende Druck wirkt auf die Welle jjl so, daß er den Wellenflansch 49 gegen den Spurring 48 drückt. Aber eine hydrodynamische größere Kraft entsteht im Raum 46 infolge der hydrodynamischen Wirkung der Schmiernuten des Spurringes; sie ist der im Räume 36 erzeugten Kraft entgegengerichtet. Der " Druck im Raum 46 wächst, wennjdie axiale Breite des Raumes abnimmtj daher wird die vom Druck des Raumes 56 erzeugte und durch etwaige äußere axiale Wellenbelastung vermehrte axiale Kraft von der im Raum 46 erzeugten hydrodynamischen Kraft bei nur geringer axialer Bewegung ausgeglichen, und dadurch wird jede Berührung zwischen den umlaufenden und den nicht umlaufenden Teilen verhindert. Wenn die Welle umläuft, läuft der Behälter 53 mit ihr um und verhindert sicher, daß Flüssigkeit durch den Kanal 5I entweicht: Wenn die Welle stillsteht und das Lager eine solche Stellung einnimmt, daß der Verschlußpfropfen 52 aufwärts gerichtet ist, dann kann Flüssigkeit durch Löcher 50 fließen, wo sie vom Schwamm y\ aufgesaugt wird, so daß sie nicht durch den Kanal 51 aufwärts und auswärts fließen kann. Wenn die Welle stillsteht und solche stellung hat, daß der Verschlußpfropfen 52 abwärts weist, dann wird die Flüssigkeit vom Schwamm J4 aufgesaugt, ehe sie zu den Löchern 50 aufsteigen oder durch den Kanal 51 ausfließen kann.

Die Erfindung läßt sich noch in mancher Weise abwandeln oder ergänzen, ohne daß der Erfindungsbereich verlassen würde. So könnte man, um die zulässige Axialbelastung zuerhöhen, einen zweiten, mit Schmiernuten versehenen Spurring oder gar noch mehr als zwei solcher Spurringe vorsehen. Ferner kann man, um die Radial-Belastbarkeit zu erhöhen, im Wellen-Querlager Keile oder Nuten anordnen. Auch kann man in den ruhenden Kanälen ¹J und 40 Drosseln vorsehen, um den Strom und den Druck auf das Wellenende (Räume 10 und 56) zu verringern. Ferner braucht der Flüssigkeitsbehälter nicht mit einem Schwamm ausgestattet zu seinj jedoch: ist der Schwamm zu empfehlen, damit möglichst wenig Flüssigkeit aus dem Lager verlorengeht.

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Claims (5)

1. Patentansprüche

   IJ Axial-Gleitlager mit ebenem Spurring für eine Welle mit einem Wellenflansch und mit einem Behälter für die Schmierflüssigkeit, entweder für eine umlaufende Welle in ruhendem Lagergehäuse oder für eine ruhende Welle in umlaufendem Lagergehäuse, gekennzeichnet durch

   a) einen ersten Flüssigkeits-Kanal (3j 38), der den Behälter (^J 33) mit dem zwischen dem Außenumfang des Wellenflansches (17; 49) und dem Lagergehäuse (1; 32) befindlichen Raum (6; 39) verbindet,

   b) einen zweiten Flüssigkeits-Kanal (8, 9j 4o) in der ruhenden Welle (2) bzw. im ruhenden Gehäuse (32), der von jenem Raum (6j 39) zur Wellenachse führt, so daß Flüssigkeit im Lauf infolge des Zentrifugaldruck-Unterschiedes aus jenem Raum (6j 39) zur Wellenmitte fließt,

   c) einen dritten Flüssigkeitskanal (7; 37)* der entlang der Wellenachse in den Raum führt, welcher sich zwischen dem Lagergehäuse (2, 10; 32) und der Stirnfläche des im Lagergehäuse endenden Wellenendes befindet.
2. 2. Gleitlager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Lagergehäuse (1) umläuft.
3. 3. Gleitlager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Welle umläuft.
4. 4. Gleitlager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Flüssigkeitsbehälter (4; 33) einen Schwamm (5j 3²O enthält, der die Lagerflüssigkeit aufsaugt.

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5. 5. Gleitlager mit umlaufendem Lagergehäuse und mit nicht umlaufender Welle mit einem Wellenflansch und mit einem Behälter für die Schmierflüssigkeit, gekennzeichnet durch

   a) einen ersten Flüssigkeitskanal (3), der den Behälter (4) mit dem zwischen dem Außenumfang" des Wellenflansches (17) und dem Lagergehäuse (1) befindlichen Raum (6) verbindet,

   b) einen zweiten Flüssigkeitskanal (8, 9) in der ruhenden Welle (2), der von jenem Raum (6) zur Wellenachse führt, so daß Flüssigkeit im Lauf infolge des Zentrifugaldruck-Unterschiedes zur Wellenmitte fließt,

   c) einen dritten Flüssigkeitskanal (7), der entlang der Wellenachse in den Raum führt, welcher sich zwischen dem Lagergehäuse (1) und der Stirnfläche des im Lagergehäuse endenden Wellenendes befindet,

   d) einen im Lagergehäuse (1) befestigten, kegelig abgefasten Spurring (16) und einen auf der Welle (2) befestigten kegeligen Ablenkring (18), die beide zwischen dem Flüssigkeitsbehälter (4) und dem Wellenflansch (17) angeordnet sind und deren Kegelflächen einen Kanal (19) begrenzen, der von der Oberfläche (24) des Wellenflansches (17) zum Flüssigkeitsbehälter (4) führt und in jeder Lage des Lagergehäuses (1) Entweichen von Flüssigkeit aus dem Lager verhindert.

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