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Kombiniertes Axiallager Die Erfindung betrifft ein mit einem Wälzlager
kombiniertes, hydrodynamisches Axialgleitlager, welches bei kleiner Umlaufgeschwindigkeit
und/oder Stillstand durch das Wälzlager selbstständig entlastet wird.
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In hydrodynamischen Gleitlagern ist die Entstehung eines tragfähigen
Schmierfilms yon der Größe der Gleitgeschwindigkeit abhängig, so daß die Gleitgeschwindigkeit
einen zulässigen Kleinstwert nicht unterschreiten darf. Dies führt bei den herkömmlichen
hydrodynamischen Axiallagern zu schmierungstechnischen Schwierigkeiten, wenn, was
öfters der Fall ist, unter Last angefahren werden muß.
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Es ist ein kombiniertes, hydrodynamisches Axiallager bekannt, bei
dem die selbsttätige Entlastung eines Axialgleitlagers bei Wellenstillstand durch
ein Wälzlager verwirklicht wird (DOS 1750165).
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Dort ist eine mit Druckfedern unterstützte, axial bewegliche Gehäuse-Scheibe
eines Axialgleitlagers vorhanden, welche sich bei genügend großer Anlaufgeschwindigkeit
infolge einer Schmiermittel-Pumpwirkung der in dieser Scheibe eingearbeiteten Spiralnuten
axial verlagert, so daß die Belastung vom Wälzlager auf das Gleitlager übertragen
wird. Beim Axiallager dieser Ausführung erhält aber die Wellenscheibe je nach Anfahrbeschleunigung
der Welle und Anfahrreibung der mit Federn angedrückten Gehäusescheibe in mehr oder
weniger warmem Zustand seine hydrodynamische Belastung, so daß die Dicke des tragenden,
hydrodynamischen Schmierfilms und die Spiralnuten-Pumpwirkung wegen der veränderlichen,
temperaturab hängigen Schmiermittel-Viskosität größeren Schwankungen unterworfen
sind. Außerdem muß die axial bewegliche Gehäusescheibe mit gleitenden,
reibenden
Dichtelementen gegen das im Druckraum befindliche Schmiermittel abgedichtet sein,
so daß durch den unvermeidlichen Verschleiß an den reibenden Dichtelementen eine
variable Dichtwirksamkeit und somit eine veränderliche Pump- und Entlastungswirkung
hervorgerufen wird. All dies verursacht eine veränderliche, nicht im voraus bestimmbare
axiale Stellung der Welle beziehungsweise des Rotors im Betrieb, was in vielen Fällen
unzulässig ist.
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Im übrigen wird die Gehäusescheibe beim Kombinationslager dieser Ausführung
im Stillstand durch Druckfedern gegen die Wellenscheibe gedrückt, so daß beim Anlauf
immer noch kleine, schäaliche Abnutzungserscheinungen in den Gleitflächen des Gleitlagers
auftreten.
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Es ist außerdem bekannt, starr abgestützte Gleitlager mit einem Wälzlager
dergestalt zu kombinieren, daß das Wälzlager während des Anfahrens die Axiallast
zumindest überwiegend übernimmt bis das Gleitlager einen tragfähigen Schmierfilm
aufgebaut hat (DT- PS 464649). Dabei muß allerdings das zwischen den Gleitlagerteilen
erforderliche Spiel bei Wellenstillstand von vornherein sehr klein gemacht werden.
Dementsprechend dürfen die Herstellungstoleranzen der Wälz- und Gleitelemente nur
in engen Grenzen schwanken. Auch ist die wirksame, unterschiedliche Viskosität des
Schmiermittels im Gleitspalt bei unterschiedlichem Wärmezustand variabel, was wiederum
zur Folge hat, daß die Entlastung des Axialgleitlagers mehr oder weniger groß ist
und nicht von vornherein in ihrer Größe bestimmt werden kann.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein mit einem Wälzlager
kombiniertes Axialgleitlager zu schaffen, welches trotz aller Vorteile eines mit
einem Wälzlager bei Wellenstillstand vollständig entlastbaren Axialgleitlagers mit
wirtschaftlichen Toleranzen hergestellt werden kann, wobei die Axiallast erst nach
Erreichung eines betriebsfertigen Zustandes übertragen wird, das heißt, wenn die
Welle mit einer bestimmten Geschwindigkeit umläuft und das Schmiermittel im Schmierspalt
seine ordentliche Betriebstemperatur erreicht hat. Dabei soll jegliche Berührungsabnutzung
in den Gleitflächen des Axialgleitlagers verhindert werden.
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Diese Aufgabe wird beim kombinierten Axiallager der vorliegenden Erfindung
dadurch gelöst, daß in der mit einem Schmiermittel versehenen Gehäusescheibe des
Axialgleitlagers magnetische Mittel eingebaut sind, welche beim Umlauf der gegenüberliegenden
Wellenscheibe aus nicht-magnetisierbarem, elastischen Werkstoff, zum Beispiel Nickelstahl,
einen Wirbelstrom in einem t1ärmedehnungsring. zum Beispiel aus einer Aluminiumlegierung,
indizieren. Aufgrund der entsprechenden, durch den Wirbelstrom in dem Wärmedehnungsring
hervorgerufenen Wärmeentwicklung und der Wärmedehnung dieses Ringes drückt der in
dem Wellenflansch eingelassens Wärmedehnungsring den äußeren Teil des - Wellenflansches
elastisch nach außen, so daß sich die Laufbahn des Wälzlagers radial nach außen
und axial entgegen der Richtung der axialen Lagerbelastung infolge einer Aufbiegung
des Wellenflansches verlagert. Wenn der Gleitspalt des Axialgleitlagers somit genügend
klein geworden ist, erreichen die Spiralnuten des axial gleitlagers die erforderliche
Pumparirkung, um die axiale Lagerbelastung zu übernehmen. Der Wellenflansch und
die Gehäusescheibe des Axialgleitlagers werden über das umströmende Schmiermittel
durch den Wärmedehnungsring gleichzeitig auf Betriebstemperatur gebracht, so daß
die Ubertragung der Belastung im betriebswarmen Zustand des Axiallagers und des
Schmiermittels bei einer bestimmten Umlaufgeschwindigkeit erfolgt.
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Anhand der nun folgenden Beschreibung des in den Zeichnungen dargestellten
Ausführungsbeispiels der Erfindung wird diese näher erläutert. Es zeigt Fig. 1 einen
Axialschnitt durch eine erfindungsmäßige Lageranordnung bei Stillstand oder im Anlauf
zustand; Fig. 2 eine Ansicht der Gehäusescheibe des Axialgleitlagers der in Fig.
t gezeigten Lageranordnung; Fig. 3 den in Fig. 1 dargestellten Axialschnitt, und
zwar auf der linken Seite im Zustand des Stillstandes oder im Anlaufzustand, und
auf der rechten Seite im Betriebszustand.
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Die allgemein in Fig. 1, 2 und 3 dargestellte Lageranordnung umfaßt
eine Welle 1 mit Wellenflansch 2 aus nicht-magnetisierbarem Material und einen durch
eine elektrische Isolierschicht 3 gegenüber dem Wellenflansch 2 isolierten, im Wellenflansch
2 eingelassenen Wärmedehnungsring 4 aus magnetisierbarem Material. Der Wellenflansch
2 der vertikal gelagerten, durch die Kraft Ka axial belasteten Welle 1 stützt sich
mit seiner unteren Fläche 5 im Stillstand oder Anlaufzustand auf den Kugeln 6 des
Axialrillenkugellagers ab, wobei zwischen der Gehäusescheibe 7 des Axialgleitlagers
und der unteren Stützfläche 5 des Wellenflansches 2 ein relativ großer Abstand h
vorhanden ist. Die Kugeln 6 laufen in einer normalen Rillenkugellager-Laufscheibe
8 und werden durch einen Käfig 9 geführt. Erfindungsgemäß ist die Gehäusescheibe
7 aus einem nichtmagnetisierbaren Material gefertigt und weist am Umfang Magnetkerne
10 aus magnetisierbarem Material auf, welche bis zur Stützfläche 11 der Gehäusescheibe
7 reichen und mit elektrisch gesteuerten Induktionsspulen 12 umgeben sind, so daß
im Wärmedehnungsring 1 ein wärmeereugender, von der Umlaufgeschwindigkeit des Wellenflansches
2 abhängiger Wirbelstrom indiziert wird. Die entsprechende Zuführung des elektrischen
Stromes erfolgt durch die Kabel 13.
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In der Stützfläche 11 der Gehäusescheibe 7 sind Spiralnuten 14 eingearbeitet,
sowie eine zentrale Druckkammer 15. 'Die Abstützung der Rillenkugellager- Laufscheibe
8 und der Gehäusescheibe 7 erfolgt durch ein Gehäuse 16, welches zur Erhaltung eines
Schmierflüssigkeit-Pegels 17 eine dichte Einfassungswand 18 trägt.
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Betrachten wir nun die Wirkungsweise dieser als Ausführungsbeispiel
dargestellten Lageranordnung der vorliegenden Erfindung mit besonderer Berücksichtigung
der Darstellung in Fig. 3.
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Bei Stillstand oder im Anlaufzustand der Welle 1 stützt sich die untere
Fläche 5 des Wellenflansches 2 über die Kugeln 6 auf der Rillenkugellager-Laufscheibe
8 ab, so daß zwischen dem mittleren
Teil 19 des Wellenflansches
2 und der Gehäusescheibe 7 eine Spalthöhe h gebildet wird und ein lastübertragender,
metallischer Kontakt zwischen dem mittleren Teil 19 des Wellenflansches 2-und der
Gehäusescheibe 7-verhindert wird. Wenn nun die durch die Kraft Ka axial belastete
Welle 1 beim Anfahren anfängt, wie in Fig.1 dargestellt, sich zu drehen, so wird
die Axialbelastung Ka zunächst vollständig über die Kugeln 6 auf-die Axialrillenkugellager-Laufscheibe
8 übertragen. Gleichzeitig wird durch die Magnetkerne 10, welche entweder als eingestellte,
elektrisch unabhängige Dauermagnete oder als elektrisch, durch elektrische Induktionsspulen
12 gesteuerte Magnete ausgebildet sind, ein wärmeerzeugender Wirbelstrom im umlaufenden
Wärmedehnungsring 4 indiziert.
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Wirbelstrom und entsprechende Wärmeerzeugung im elektrisch isoliert
gehaltenen Wärmedehnungsring 4 wachsen je Zeiteinheit mit zunehmender Umlaufgeschwindigkeit
n der Welle 1 und des aus nicht-magnetisierbarem Material gefertigten Wellenflansches
2. Erfindungsgemäß drückt somit der infolge Wärmedehnung wachsende Wärmedehnungsring
4 mit der Kraft P Je Umfangslängeneinheit den Kragen 20 des Wellen-Flansches 2 nach
außen, so daß der Wellenflansch 2 elastisch aufgebogen und die Laufbahn 21 des Wellenflansches
2 entgegen der Richtung der äußeren Belastung Ka elastisch gebogen und verlagert
wird. Dadurch senkt sich der Mittenteil 19 des Wellenflansches 2, welcher der Gehäusescheibe
7 gegenüberliegt. Der Gleitlagerspalt h wird entsprechend kleiner bis mit der allmählich
zunehmenden Pumpwirkung der Spiralnuten 14 ein hydrodynamischer, lasttragender Schmierfilm
erzeUgt wird und bei einem vorbestimmten, drehzahlabhängigen Wärmezustand- des Lagers-und
des Schmiermittels die gesamte Axialbelastung Ka von der Gehäusescheibe 7 des Axialgleitlagers
aufgenommen wird. Dabei kann zwischen den Wälzkörpern 6 und d&r Laufbahn 21
ein kleiner Spalt h1 enstehen, welcher entsprechend der konstruktiven Gestaltung
und Anpassung des Wärmedehnungsrings 4 an die elastischen Eigenschaften des Wellenflansches
? im Betrieb immer kleiner ist als der hydrodynamische Gleitspalt h2. Dadurch ist
erfindungsgemäß sichergestellt, daß das kombinierte Axiallager auch im normalen
Wärme zustand durch die Wälzkörper 6 sofort entlastet wird, wenn die umlaufende
Welle 1 im Betrieb zum Stillstand gebracht wird, denn zwischen dem Mittenteil 19
und der Gehäusescheibe 7 bleibt dann ein resultierender
Spalt (h2
- h1) stehen, welcher verhindert, daß die Gleitflächen 5 und 11 miteinander eine
schädliche metallische Stillstand-Berührung eingehen.
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Es ist ersichtlich, daß dic dargestellte Lageranordnung erheblich
abgewandelt werden kann, ohne daß von der zugrundeliegenden Erfindungsidee abgewichen
wird. Insbesondere kann eine günstige vergrößerung der Tragwirkung des kombinierten
Axiallagers durch gleichzeitige Ausnützung der magnetischen Kräfte der Magnetelemente
10 verwirklicht-werden, wobei der gegenüberliegende Wärmedehnungsring 4 entsprechend
gegenpolig magnetisiert ist(PS 1017871).